覆膜和种植密度对旱作春玉米产量和蒸散量的影响

任新茂 孙东宝 王庆锁

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081； 2.农业部旱作节水农业重点开放实验室， 北京 100081)

覆膜和种植密度对旱作春玉米产量和蒸散量的影响

任新茂1,2孙东宝1,2王庆锁1,2

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081； 2.农业部旱作节水农业重点开放实验室， 北京 100081)

为探究黄土高原旱作玉米的适宜种植密度，开展了玉米露地与覆膜6个种植密度的大田试验。结果表明：覆膜加速了玉米的生长和发育，表现在株高和叶面积指数的增加，生育期的提前，如抽穗期(即最大高度出现时)比露地种植提前了11 d。在玉米生长的中后期，露地玉米株高具有随密度增加而降低的趋势，而覆膜玉米则无显著差异。无论是覆膜还是露地种植，玉米叶面积指数都是随种植密度的增加而提高。玉米的蒸散量随种植密度的增加而增加，但覆膜种植降低了玉米对水分的消耗，在不同程度上缓解了因种植密度增加而导致的蒸散量增加与降水不足之间的矛盾。 覆膜显著提高了玉米产量和水分利用效率，平均产量和水分利用效率较露地种植分别提高52.79%和60.55%。露地与覆膜种植产量和水分利用效率随种植密度的增加都呈现先增加后减小的趋势，但获得最高产量与水分利用效率对应的种植密度不同：露地种植在密度为52 500株/hm2(D2)时获得最高产量和水分利用效率，而覆膜种植增大了单位面积土地可支撑的群体，最高产量和水分利用效率分别在密度为82 500株/hm2(D4)和67 500株/hm2(D3)时获得，但D3与D4下水分利用效率无显著差异，所以在试验气候年型下，黄土高原东部露地和覆膜种植的春玉米适宜密度分别为52 500株/hm2和82 500株/hm2。

旱作春玉米； 种植密度； 覆膜； 产量； 农田蒸散

引言

玉米是我国主要粮食作物之一，是当前种植面积最大、总产量最高的作物，在我国农业生产中占有重要地位，但随着人口增长，作为粮食和工业原料的玉米供应日益紧张。因此大力发展玉米生产对保障国家粮食安全具有重要意义[1]，其中，增加种植密度是提升玉米单产的措施之一[2]。在美国平均种植密度已经由20世纪30年代的30 000株/hm2提高到现在的80 000株/hm2[3]。目前我国玉米平均种植密度为52 500～60 000株/hm2，远低于美国的种植密度。黄土高原是我国旱作农业重点区域，玉米种植面积大，但降水时空分布不均且年际间变化较大，蒸发剧烈[4]，限制了当地玉米产量的提高。如何可持续地提高土地生产力和水分利用效率，是该地区玉米生产面临的重大挑战。在旱作区提高玉米种植密度是增加玉米产量的有效途径，但密度过高反而会因为水分限制导致产量降低[5-6]。地膜覆盖自20世纪70年代在我国春玉米生产中推广应用以来，对粮食的高产稳产起到了巨大的推动作用[7]。地膜覆盖种植能提高土壤温度，减少地表无效蒸发，增加土壤蓄水，进而增加产量，提高水分利用效率[8-13]。因此，能否利用地膜覆盖的保水效应来弥补增加种植密度时因降水不足而导致的产量风险，同时明确覆膜种植的适宜密度，是旱作春玉米生产中亟需解决的问题。本文在黄土高原东部半湿润偏旱区将种植密度与地膜覆盖相结合，旨在为明确当地露地和覆膜种植下的适宜密度、提高旱地春玉米产量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2015年在农业部寿阳旱地农业实验站进行。该站位于黄土高原东部典型旱作农业区，地理位置113°05′E、37°51′N，海拔高度1 135 m,属于暖温带半湿润大陆性季风气候，干旱寒冷，四季分明。1981—2010年平均气温7.6℃，年平均降水量489.5 mm，无霜期140 d左右。2015年春玉米生育期内(5—9月份)降水量414.8 mm，月平均最低和最高气温分别为11.9℃和25.2℃(图1)。土壤为褐土、轻壤，耕作层有机质质量比为22.99 g/kg，全氮质量比为1.15 g/kg，硝态氮质量比为16.02 mg/kg，有效磷质量比为7.7 mg/kg， 有效钾质量比为99.2 mg/kg， pH值为8.4。

图1 2015年春玉米生育期内逐日气温与降水量Fig.1 Distribution of air temperature and precipitation during growth period of spring maize in 2015

1.2 田间试验设计

玉米种植品种为“大丰30”。设计露地和覆膜2种种植方式，每种种植方式分别设计6个密度，即37 500、52 500、 67 500、82 500、97 500、112 500株/hm2, 分别标记为D1、D2、D3、D4、D5和D6，共 12个处理，重复 3次, 小区面积为100 m2。种植方式为主区，密度为副区。播种时施入纯氮150 kg/hm2，P2O584 kg/hm2。2015年4月27日播种，播种当天人工覆盖普通聚乙烯塑料薄膜，10月4日收获。

1.3 测定项目

1.3.1 株高与叶面积

每个小区选取生长一致的玉米5株，挂牌标记。六叶期开始每8～10 d用直尺测定株高和叶片长、宽，按照长、宽折算系数(展开叶为 0.75，未展叶为 0.5)的乘积计算单株叶面积。叶面积指数计算公式为

VLAI=SN/A

(1)

式中VLAI——叶面积指数S——单株叶面积N——单位面积株数A——单位土地面积

1.3.2 土壤水分

土壤水分采用德国TRIME-T3型管式土壤时域反射仪(TDR)测定。每个小区中部安装一根测管，测管深度260 cm。土壤水分每10 d测定1次，每20 cm为1层，每层按2个方位重复测定，取平均值，人工记录数据。降水后加测1次。

1.3.3 产量

成熟时每个小区全部测产，手工脱粒，称质量，随机取300 g籽粒在105℃条件下干燥至质量恒定，按质量含水率为14%计算籽粒产量。

1.4 蒸散量与水分利用效率

土壤贮水量W(mm)计算式为

(2)

式中θi——第i层土壤体积含水率,%hi——第i层土壤厚度，mmn——土壤层序

玉米生育期内的蒸散量ET(mm)计算式为

ET=P+ΔW

(3)

式中P——玉米生育期内的降水量,mmΔW——播种期与收获期土壤贮水量之差,mm

玉米水分利用效率WUE(kg/(hm2·mm))计算式为

WUE=Y/ET

(4)

式中Y——籽粒产量,kg/hm2

1.5 数据处理与统计分析

采用 Microsoft Excel 2007 和SPSS 16.0进行数据整理与统计分析, 利用SigmaPlot 10.0制图, 以最小显著差数法(LSD)完成显著性检验，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 覆膜和种植密度对玉米株高的影响

覆膜种植显著提高了玉米的株高(图2)。7个测定时期覆膜种植(6个密度)平均株高分别比露地种植增加39.17%、30.41%、43.62%、55.35%、66.17%、45.89% 和7.75%。覆膜种植的另一个特征是玉米最大高度出现时间的提前。覆膜玉米的最大高度出现在第89天，比露地种植提前了11 d，说明覆膜使玉米生长发育进程明显加快，这主要取决于覆膜的“增温效应”[14]。 露地种植的玉米株高在中后期具有随着种植密度增加而降低的趋势，这可能与水分胁迫有关，而覆膜种植的玉米株高在后期无显著差异，这说明不存在水分限制，其原因可能与保墒作用有关。在生育前期，露地种植玉米的株高具有随种植密度增加而增高的趋势，有的研究也得到同样的结论[14-16]，覆膜玉米的株高随种植密度的增加无明显变化规律，原因有待进一步研究。

2.2 覆膜和种植密度对玉米叶面积指数的影响

覆膜种植增加了玉米群体叶面积指数(图3)。例如第89天覆膜较露地种植平均叶面积指数增加45%,且差异达到显著水平。覆膜种植在播种后第89天叶面积指数达到最大值，较露地种植的最大叶面积指数出现时间(播种后第100天)提前了10 d左右，这与XIE等[9]在春小麦上的研究结果一致。无论是覆膜种植还是露地种植，玉米的叶面积指数都是随着种植密度的增加而提高。

2.3 覆膜和种植密度对玉米蒸散量的影响

覆膜种植减小了玉米全生育期蒸散量(图4)。与露地种植相比，覆膜种植平均蒸散量减少了21.4 mm。覆膜较露地种植不同密度间的蒸散量极差减小31.92%，说明覆膜种植减少了玉米对土壤水分的消耗，缓和了增加种植密度对土壤水分消耗量的增加，这与多数研究一致[17-19]，但也与个别结论相反[20-22]，这可能与播种时土壤墒情及降水年型有关。露地与覆膜种植全生育期蒸散量随种植密度增加都呈增加趋势。

图2 不同种植密度春玉米株高的变化Fig.2 Plant height of spring maize for different plant densities

图3 不同种植密度下的春玉米叶面积指数Fig.3 LAI of spring maize for different plant densities

图4 不同种植密度下的全生育期春玉米蒸散量Fig.4 Evapotranspiration of spring maize for different plant densities

覆膜对春玉米蒸散量的减少主要表现在拔节期之前(图5)。露地种植播种-拔节期、拔节-抽雄期、抽雄-成熟期的平均蒸散量为135.99、178.00、175.44 mm，而覆膜种植的平均蒸散量依次为127.69、181.81、158.54 mm，且生育期前期差异达到显著水平。在播种-拔节期覆膜种植不同密度间蒸散量的极差为15.73 mm，较露地种植减小45.70%，这是因为封垄前春玉米蒸散以地表蒸发为主，而覆膜有效抑制了地表蒸发；生育期中期，春玉米蒸散以作物蒸腾为主，地膜覆盖改善了土壤水温条件，同时，降水主要集中在这个阶段，植株生长旺盛，叶面积扩展迅速，作物蒸腾剧烈，从而导致蒸散量增加[21]。刘战东等[19]发现增加种植密度后蒸散量的增加主要是由出苗-拔节期蒸散量的增加所致，这与本研究结果一致。

图5 不同种植密度下的生育阶段春玉米蒸散量Fig.5 Evapotranspiration of spring maize for different plant densities at each growth stage

2.4 覆膜和种植密度对玉米产量及其构成的影响

覆膜大大提高了玉米产量，种植密度从D1增至D6，覆膜较相同密度露地种植产量分别增加40.62%、39.07%、47.27%、67.29%、58.95%和63.53%，且差异均达到显著水平(表1)。这主要归因于穗粒数和百粒质量的增加。无论是露地还是覆膜种植，玉米产量随种植密度增加都呈现出先增加后减小的趋势，但2种种植方式获得最高产量的种植密度不同：露地种植在D2(52 500 株/hm2)时获得最高产量,为8 466.02 kg/hm2；而覆膜种植在D4(82 500株/hm2)获得最高产量,为12 778.47 kg/hm2，即覆膜种植的玉米最高产量对应的密度较露地种植高。

2.5 覆膜和种植密度对玉米水分利用效率的影响

在覆膜种植中，由于玉米产量的提高和蒸散量的降低，水分利用效率得以提高(图6)。种植密度从D1增至D6，覆膜种植水分利用效率较相同种植密度露地种植分别提高55.05%、 45.79%、 50.85%、 71.05%、64.43%和76.13%，且差异均达到显著水平。在种植密度处理间，露地与覆膜种植水分利用效率随种植密度变化与产量一致，都是先增加后降低，露地种植在D2时获得最高水分利用效率，为18.08 kg/(hm2·mm)，覆膜种植在D3时获得最高水分利用效率，为26.75 kg/(hm2·mm)。

表1 露地和覆膜不同密度下春玉米产量及其构成因素
Tab.1 Yield characters in un-mulching and plastic mulching fields for different plant densities

种植方式种植密度每公顷穗数穗粒数百粒质量/g产量/(kg·hm-2)D143381.35±2853.15f630.13±32.80a34.66±3.73a7836.55±127.38abD256252.85±2500.05e550.67±15.11a27.33±1.13b8466.02±198.65a露地D369795.15±1962.00d430.11±17.58b28.20±2.13bc8465.48±164.35aD482357.05±3026.10c386.46±8.70c24.00±1.55bc7638.59±187.56bD594766.70±2363.70b346.78±16.54d23.43±1.30bc7699.75±245.24bD6112505.70±3656.85a251.65±8.99e21.58±1.98c6109.70±256.10cD142101.07±1941.00e648.69±10.36a40.35±1.74a11020.02±352.44cD255558.35±2194.05d677.49±12.34a31.28±2.33ab11773.94±147.03bc覆膜D367162.50±3563.70c658.25±9.56ab28.20±0.95bc12467.09±275.30abD478958.95±2632.95b473.46±9.09bc30.17±1.76bc12778.47±178.74aD583319.60±4684.35b599.80±28.76c24.49±2.62bc12238.95±279.02abD6103196.10±4500.60a361.53±8.98d26.78±1.00c9991.25±296.18d

注：同列数值后不同字母表示不同处理在P<0.05水平上差异显著。

图6 不同密度下的春玉米水分利用效率Fig.6 Water use efficiency of spring maize for different plant densities

3 结论

(1)覆膜加速了玉米的生长和发育，表现在株高和叶面积指数的增加，生育期的提前，如抽穗期(即最大高度出现时)比露地种植提前了11 d。在玉米生长的中后期，露地种植玉米株高具有随着种植密度增加而降低的趋势，而覆膜种植玉米则无显著差异。无论是覆膜还是露地种植，玉米叶面积指数都是随着种植密度的增加而提高。

(2)玉米的蒸散量随着种植密度的增加而增加，但覆膜种植降低了玉米对水分的消耗，在不同程度上缓解了因种植密度增加而导致蒸散量增加与降水不足之间的矛盾。

(3)覆膜显著提高了玉米产量和水分利用效率，较露地种植分别提高52.79%和60.55%。露地与覆膜种植玉米产量和水分利用效率随种植密度的增加都呈现先增加后减小的趋势，因此，在试验降雨年型下(年降水量458 mm),黄土高原东部露地和覆膜种植玉米的适宜密度分别为52 500 株/hm2和82 500株/hm2。

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Effects of Plastic Film Mulching and Plant Density on Yield and Evapotranspiration of Rainfed Spring Maize

REN Xinmao1,2SUN Dongbao1,2WANG Qingsuo1,2

(1.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2.KeyLaboratoryofDrylandAgriculture,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

Concerning the increasing of plant density is one of important ways to achieve high yield, field experiments were conducted to investigate the effects of increasing plant density and plastic film mulching on the growth and yield of spring maize, and crop evapotranspiration. The results showed that film mulching accelerated growth and development of maize. It also increased height and leaf area index of the plant at early growth stage of maize. At the late growth stage of maize, plant height of maize without film mulching was decreased with the increase of density, but no significant difference was found for plastic film mulching. Whether mulching or un-mulching, leaf area index of maize was increased with the increase of the density. Evapotranspiration increased with the increase of the density, however, film mulching reduced consumption of water and alleviated the contradiction between increase of water consumption because of the increased plant density and plant height and insufficient precipitation. Film mulching significantly increased maize yield and water use efficiency by 52.79% and 60.55% compared with un-mulching. The grain yield and the water use efficiency of un-mulching and film mulching treatments were all increased with the increase of the plant density until a plateau and then declined. The difference was that the maximum yield of un-mulching was 8 466.02 kg/hm2and it was achieved at 52 500 plants/hm2, however, the maximum yield of film mulching was 12 778.47 kg/hm2and it was achieved at 82 500 plants/hm2. As a result, the optimum planting densities on eastern Loess Plateau for film mulching and un-mulching of spring maize were 52 500 plants/hm2and 82 500 plants/hm2.

rainfed spring maize; plant density; plastic film mulching; yield; evapotranspiration

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.027

2016-05-21

2016-06-26

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD09B01)和国家自然科学基金项目(31401344)

任新茂(1981—)，男，博士生，主要从事旱作节水农业与模型研究，E-mail： renxinmao@163.com

王庆锁(1964—)，男，研究员，博士，主要从事旱地农业和水环境研究，E-mail： wangqingsuo@caas.cn

S157.4； S513

A

1000-1298(2017)01-0206-06