覆膜策略調(diào)節(jié)旱地玉米應(yīng)對冰雹災(zāi)害的差異性研究

王小林，張 雄，朱曉曉

(榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

1 引 言

我國干旱半干旱區(qū)域農(nóng)田約占全國總耕地面積的51%，自然降水是干旱半干旱作物區(qū)主要水分來源，水分匱乏是旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)的主要障礙因素[1]。在黃土高原地區(qū)，主要降水多以雷雨形式集中發(fā)生在7～9月份，很容易因為降雨而產(chǎn)生小量的地表徑流，造成土壤養(yǎng)分的流失，在該地區(qū)保水相當(dāng)于保肥[2]。Oktem[3]和Lawes[4]在多年的研究中表明，在干旱半干旱地區(qū)作物的產(chǎn)量主要受到季節(jié)性自然降水的影響。

玉米是我國干旱半干旱地區(qū)的主要作物，作物生長期間水資源嚴重失調(diào)，導(dǎo)致作物生產(chǎn)起伏不定[5]。覆膜栽培可有效節(jié)約水資源，具有增加土壤溫度，提高土壤的保水能力，減少地面水分的自然蒸發(fā)，同時促進小量降雨有效入滲到土壤。李吾強[6]研究表明，覆膜時間越久，土壤中的養(yǎng)分含量越高。董加貴等[7]又進一步指出，覆蓋地膜可以保證20cm的耕層土壤土質(zhì)疏松。想要改變陜北地區(qū)玉米種植狀態(tài)，主要途徑是提高栽培技術(shù)對自然降水的聚集能力，提高農(nóng)田系統(tǒng)對自然降水的利用效率[8]?，F(xiàn)有的覆膜耕作方式是多種多樣，參差不齊。黃土旱區(qū)全膜雙壟溝播栽培技術(shù)增產(chǎn)效益最優(yōu)，增產(chǎn)幅度高達20%以上[9-10]。宋秉海[11]研究認為地膜覆蓋在豐水及干旱年份增產(chǎn)作用表現(xiàn)出較大差異。在降雨量處于250～500mm之間的干旱半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本途徑就是提高自然降水的蓄集和利用效率[12]。地膜覆蓋技術(shù)通過調(diào)節(jié)土壤的水分和溫度，保障根系功能的正常發(fā)揮，有效提高作物產(chǎn)量[13-14]。覆膜方式具有調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，阻止雜草生長，減少土壤板結(jié)和土壤侵蝕等作用，這些作用都有利作物生長和發(fā)育，從而促進作物對養(yǎng)分和水分的吸收[15]。綜上所述可知，地膜覆蓋栽培技術(shù)在干旱半干旱種植地區(qū)是有效提高作物產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)技術(shù)，能夠有效的聚集自然降水，減少地面的無效蒸發(fā)，最大限度的蓄積土壤水分[16]，是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)作物高產(chǎn)栽培技術(shù)的重大突破，地膜覆蓋技術(shù)在旱作區(qū)的研究更加具有重大意義。

氣候變化帶來的不可預(yù)期的自然災(zāi)害在黃土旱區(qū)頻繁發(fā)生。因為災(zāi)害天氣的突發(fā)性和不可預(yù)測性，近些年，其對于旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)造成了嚴重的影響。陜北黃土旱區(qū)6、7月份是冰雹等突發(fā)性氣候災(zāi)害頻發(fā)期[17]。此時，玉米正處于大喇叭口期向抽雄期過渡，由于地膜覆蓋栽培技術(shù)提升土壤內(nèi)部的微生物的活躍程度[18]，顯著改良土壤內(nèi)在環(huán)境[19]，有利于玉米根系吸水和地上部生長發(fā)育，將玉米生育期提前并延長玉米生殖生長，加快作物生長發(fā)育的進程便于籽粒灌漿[20]。無疑是夯實了作物產(chǎn)量提升的基礎(chǔ)。但覆膜玉米生育期提前，尤其是生殖生長期提前受冰雹災(zāi)害的影響越大[21-22]。因此，深入探討不同覆膜方式對于突發(fā)性災(zāi)害氣候的適應(yīng)性，明確覆膜方式在緩解氣候災(zāi)害上的具體原理具有現(xiàn)實意義。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

2017年，在榆林市橫山區(qū)邵小灘村 (北緯36°57′～39°35′東經(jīng)107°28′～111°15′)開展覆膜對比田間試驗。試驗地位于典型干旱半干旱農(nóng)牧交錯地帶，光照充足，年均氣溫8.6℃，平均海拔1250m，年均降雨量397.8mm，無霜期大約是146d[23]，氣候以寒溫為主。80%降雨量集中在7～9月，月份間降雨量嚴重分布不均。暴雨、冰雹等突發(fā)自然災(zāi)害時有發(fā)生，對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成具有顯著影響[24]。本試驗在2017年7月16日遭受持續(xù)30分鐘的較強冰雹災(zāi)害，為了避免遭受因土壤板結(jié)而帶來的二次傷害，災(zāi)后只對試驗區(qū)進行簡單的松土處理。

2.2試驗設(shè)計

表1 2017年玉米覆膜栽培田間試驗設(shè)計

注：表中I、II、III表示處理的3次重復(fù)。

試驗玉米品種為延科288號；地膜為常用白色地膜和黑色地膜，厚度為0.05mm。試驗設(shè)置4個覆蓋處理：白膜膜際栽培(BM)、黑膜膜際栽培(HM)、白色全膜壟溝播種(QM)和露地種植(CK)，3次重復(fù)，采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計(表1)。壟寬為60 cm，壟高10 cm，用80cm寬的白色地膜覆蓋壟面，以行距70 cm，株距為29 cm將玉米種植在壟的兩側(cè)5-8cm處。播種前進行土地平整的處理，小區(qū)面積是4m×15m = 60m2，處理間留有過道和保護行。于2017年5月10日人工進行玉米播種和地膜覆蓋，10月2日收獲測產(chǎn)。玉米全生育期內(nèi)無灌溉處理。

2.3 測定指標(biāo)與方法

2.3.1 苗期和拔節(jié)期土壤水分的測定

分別用土鉆法取出深度為20cm、40cm、60cm、80cm、100cm處的土壤樣品，放置105℃恒溫箱中烘烤12 h，直至土壤質(zhì)量恒定，利用烘干法計算土壤質(zhì)量含水量：

式中：W1烘干前鋁盒和土樣質(zhì)量(g)；W2烘干后鋁盒和土樣質(zhì)量(g)；W3空鋁盒的質(zhì)量(g)。

2.3.2 拔節(jié)期株高和莖粗的測定

每個小區(qū)隨機選取具有代表性的植株10株，測量地面莖部到頂端的長度，用游標(biāo)卡尺測定地上5cm處植株直徑。

2.3.3 產(chǎn)量測定

在玉米收獲時，每個小區(qū)都進行單獨收獲，同時測定產(chǎn)量指標(biāo)穗長、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重及小區(qū)產(chǎn)量。在每個試驗小區(qū)隨機選取10株果穗，分別測量穗長(cm)、穗中間直徑(cm)； 10株玉米穗手工脫粒，記錄穗粒數(shù)。籽粒晾干，隨機選取100粒進行稱重，重復(fù)4次；小區(qū)玉米籽粒樣品，風(fēng)干至含水量在13～15%之間，直接稱重，計為小區(qū)產(chǎn)量并折算單位面積產(chǎn)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)和圖表的處理使用Excel和SPSS 23.0，采用SPSS進行多重比較(LSD)法和0.05水平單因素ANOVA分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 覆膜策略對玉米苗期到拔節(jié)期土壤蓄水量變化的影響

在不同的覆膜策略下，隨著土壤深度(0～100cm)的不斷加深，土壤蓄水量不斷降低，100cm處逐漸回升。其中QM土壤儲水量較CK增幅明顯(圖1)。在土壤深度為40～80cm時，覆膜策略的蓄水能力較露地優(yōu)勢明顯。QM處理在同一深度下土壤的蓄水量增幅均高于其他三個處理，地膜覆蓋可有效增加土壤中層蓄水， QM較BM和HM作用更加明顯。

圖1覆膜策略對玉米苗期和拔節(jié)期土壤水分變化的影響

3.2 玉米拔節(jié)期的株高和莖粗對覆膜策略的響應(yīng)

圖2玉米拔節(jié)期的株高和莖粗對覆膜策略的響應(yīng)

注：圖中不相同小寫字母分布表示株高、莖粗的顯著差異(a=0.05)。

玉米拔節(jié)期株高和莖粗對覆膜方式的響應(yīng)具有同步性(圖2)。QM對株高的效果影響最為顯著，平均株高達到73.92cm，較CK增加19.7%。HM和BM對株高的影響僅次于QM，較CK增加6.9%～8.84%。玉米拔節(jié)期莖粗對QM響應(yīng)最為顯著，平均莖粗達到28.45mm，較CK增加35.54%。玉米拔節(jié)期莖粗對BM和HM的響應(yīng)基本一致，實現(xiàn)增幅18.7%～20.4%，且株高和莖粗在不同覆膜策略下呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.95)。

3.3 覆膜策略對旱地沙土玉米穗長和穗粗的影響

圖3覆膜在對旱地沙土玉米的穗長和穗粗的影響

冰雹災(zāi)害后，覆膜策略對玉米穗長和穗粗的影響呈現(xiàn)出巨大差異(圖3)。BM處理穗長顯著增加；HM和QM穗粗顯著減小。冰雹災(zāi)害后，覆膜策略增加穗長0.2%～3.4%，BM處理穗長增長最為顯著， QM顯著降低穗粗。

3.4 覆膜策略對沙土玉米穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量的影響

表2覆膜策略對旱地沙土玉米穗粒數(shù)及百粒重的影響

覆膜策略穗粒數(shù)(個)百粒重(g)CK615.3±58.0a42.5±5.9abBM613.1±63.2a43.0±3.8aHM610.1±68.9a39.7±4.9bQM609.7±56.7a40.6±4.3ab

注：表中每列數(shù)據(jù)后不同字母表示具有顯著性差異(a = 0.05)。

圖4不同覆膜方式玉米產(chǎn)量對冰雹災(zāi)害的響應(yīng)

注：柱狀圖中不同字母表示處理間在a =0.05水平的顯著性差異。

冰雹災(zāi)害后，覆膜策略下穗粒數(shù)和百粒重都有所降低(表2)，HM和QM降低幅度最大；HM和QM與對照試驗組的平均穗粒數(shù)差別較大，標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.54和4.24。平均百粒重各處理都低于CK，其中BM降幅最小，QM降幅最大。覆膜覆蓋處理下，冰雹災(zāi)害顯著降低了玉米的產(chǎn)量，不同覆膜策略玉米產(chǎn)量降低幅度截然不同(圖4)。QM產(chǎn)量較CK每公頃產(chǎn)量減少19.6%。HM產(chǎn)量降幅14.0%，而BM產(chǎn)量降低8.3%。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

在干旱半干旱地區(qū)，地膜覆蓋技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并已成為重要的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)手段[25]。大量研究表明，覆膜方式可以改變田間小氣候，改良土壤的理化性狀和養(yǎng)分狀況，加速營養(yǎng)物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)化，從而有利于提高作物產(chǎn)量指標(biāo)[26]。地膜覆蓋可以促進玉米根系對土壤養(yǎng)分的吸收，致使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)能夠更多的輸送到籽粒中，以達到增加穗粗、穗長和百粒重產(chǎn)量指標(biāo)[27]。本試驗結(jié)果顯示：在冰雹災(zāi)害影響下，覆膜方式對于穗粗和穗長具有不同程度的影響，全膜覆蓋顯著增加莖粗，而膜際栽培顯著提升穗長(圖3)，可能原因是覆膜策略對于植株葉片的恢復(fù)生長具有不同的影響。再者，營養(yǎng)生長期，全膜覆蓋策略具有顯著的需水、保水作用，通過減少地表礦質(zhì)水分的大量蒸發(fā)，利于充分集納雨水和根系生長發(fā)育(圖1)，從而使得玉米營養(yǎng)生長期發(fā)育迅速，為玉米的高產(chǎn)奠定一定的生物學(xué)基礎(chǔ)。前期良好生長為后期籽粒灌漿和生物質(zhì)轉(zhuǎn)移積累提供了充足的碳水化合物[28]，同時也為冰雹災(zāi)害的負面影響埋下了生物學(xué)禍根[29]。遭受雹災(zāi)后，首先玉米葉片受到損傷，損傷組織再生過程緩慢且取決于受損程度的大??；冰雹災(zāi)害后，影響玉米減產(chǎn)程度的主要因素為受災(zāi)程度和所處生育期，減產(chǎn)幅度大概為 5% ～ 85%之間；不同生育期遭遇冰雹災(zāi)害后減產(chǎn)幅度不盡相同，拔節(jié)期減產(chǎn)幅度在 10%～30%，大喇叭口期減產(chǎn)幅度在 40%～70%，抽雄期減產(chǎn)幅度最大一般在50%～80%，甚至絕產(chǎn)，乳熟期減產(chǎn)幅度 20%～50%；蠟熟期減產(chǎn)幅度 10%～15%[30]。由此可以得出：抽雄期是玉米產(chǎn)量形成的轉(zhuǎn)折點。本試驗冰雹發(fā)生在初夏7月份中旬，玉米正處抽雄初期，全膜覆蓋已進入抽雄期，可以預(yù)測出其產(chǎn)量可能會受到較大程度的影響(圖5)。

圖5 不同覆膜策略下玉米冰雹受害程度對比

王俊鵬研究表明：全膜雙壟溝播栽培技術(shù)能夠顯著增加株高16.9%～27.2%，穗重40.7%～78.0%和百粒重23.4%～24.2%，根長增加20.86%，干物質(zhì)積累量增加27.4%，光合產(chǎn)物提高56.1%。半膜雙壟溝播、半膜平覆穴播較露地穴播均顯著增加玉米穗長、成穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，從而提高玉米籽粒。本研究結(jié)果顯示：覆膜栽培可有效增加玉米植株的莖粗、株高和生物量，且全膜覆蓋可顯著提前玉米生育期(圖2)。冰雹災(zāi)害后，不同覆膜策略下穗長和穗粗的恢復(fù)模式不同，導(dǎo)致最終產(chǎn)量出現(xiàn)較大差異。本試驗在2017年7月份遭受冰雹災(zāi)害，導(dǎo)致不同覆膜處理下玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)不同程度的減產(chǎn)(圖4)。雹災(zāi)后，不同覆膜處理玉米穗長有明顯增加，其中白膜膜際栽培顯著增加；全膜覆蓋處理穗粗顯著降低，覆膜策略對玉米產(chǎn)量性狀影響效果極為顯著各有不同。遭受冰雹災(zāi)害后，地膜覆蓋玉米產(chǎn)量都低于對照8.3%～19.6%，其中全膜覆蓋處理每公頃平均產(chǎn)量最低，減產(chǎn)現(xiàn)象最為嚴重。歸納其原因：在玉米的抽雄期前后，植株處于營養(yǎng)生長階段向生殖生長階段的過渡，植株整體功能處于高效工作狀態(tài)，抗干擾能力較差，后期恢復(fù)能力較差。由此可知，全膜覆蓋處理前期水分含量較高，玉米根系發(fā)育更加迅速根系功能強大，玉米提前進入抽雄期，因此對于產(chǎn)量的影響最大。由于自然災(zāi)害的不確定性使得作物不同覆膜處理的作物抵御自然災(zāi)害方面的研究仍需深入和全面展開。

4.2 結(jié)論

地膜覆蓋玉米前期生長迅速，生育期提前可能會降低植株對于突發(fā)氣候災(zāi)害的適應(yīng)和恢復(fù)能力，尤其是在抽雄期前后；覆膜方式對于玉米形態(tài)發(fā)育具有不同程度的影響，莖粗和株高呈正相關(guān)關(guān)系；在遭受自然冰雹災(zāi)害的情況下，不同覆膜策略下玉米穗長和穗粗具有不同的恢復(fù)補償策略；冰雹災(zāi)害降低了玉米穗粒數(shù)和百粒重，最終造成籽粒產(chǎn)量的顯著降低，但白膜膜際栽培在應(yīng)對冰雹災(zāi)害的負面減產(chǎn)效應(yīng)時，緩沖能力和生物補償效果明顯(91.7%)，在陜北旱區(qū)突發(fā)性氣候災(zāi)害條件下，具有抵抗減產(chǎn)風(fēng)險的能力，值得后期生產(chǎn)和科學(xué)研究的重視。