不同覆膜方式對春玉米根系生長和土壤水熱狀況的影響

魏盛，羅上軻，程乙，張軍，付敬鋒，曾濤，陳杜，魏鵬程，鄭迎霞，宋碧*

(1 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2 余慶縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 余慶 564499)

春玉米是我國西南地區(qū)重要的糧食作物[1]。近年來，西南地區(qū)干旱日趨嚴(yán)重，春玉米播種季節(jié)溫度極不穩(wěn)定[2]，特殊的氣候條件導(dǎo)致該地區(qū)長期存在玉米缺口。如何在蓄水保墑和穩(wěn)定土溫的前提下提高玉米單產(chǎn)對保障西南地區(qū)糧食安全具有重要意義。地膜覆蓋栽培操作簡單，覆蓋后可以增溫保濕，減少雜草，增加光照反射率，有利于土壤微生物生長、腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，能改善玉米生長環(huán)境和縮短生育進程[3]，尤其在苗期能顯著提高土溫[4]，從而使地表水分蒸發(fā)回流作用增強，在干旱少雨的情況下能提墑保濕[5-6]。地下生長環(huán)境能顯著影響根系的生長發(fā)育[7-9]，改變玉米地上部干物質(zhì)積累與分配，進而提高其行粒數(shù)和產(chǎn)量[10-12]。目前，在我國西北、東北和華北地區(qū)均對玉米覆膜方式進行了深入的研究[13-17]，但西南地區(qū)的相關(guān)研究報道較少。盡管地膜覆蓋引起的“白色污染”備受爭議[14，18]，但由于西南山區(qū)特殊的氣候條件和人們對玉米的現(xiàn)實需求，還需通過覆膜提高玉米產(chǎn)量[19]。本研究以貴州高海拔地區(qū)為試點，對寬膜覆蓋和窄膜覆蓋條件下春玉米的土壤溫度、土壤含水量、根系形態(tài)指標(biāo)進行測定，探究不同覆膜方式對貴州春玉米根系生長和土壤水熱狀況的影響，為優(yōu)化貴州春玉米覆膜方式、促進高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019 年在貴州省威寧縣(27.42°N，103.96°E)進行。當(dāng)?shù)貙賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，平均海拔2 200 m，年均氣溫10.5 ℃，年均降水量950 mm。玉米生育期氣象狀況見表1。試驗地為黃壤，土壤基本情況見表2。

表1 威寧縣2010—2019 年4—10 月氣象狀況Table 1 Meteorological conditions of Weining from April to October during 2010—2019

表2 威寧試驗點土壤基本情況Table 2 Basic situation of soil in Weining

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)2 個不同覆膜方式處理:寬膜覆蓋(A1)和窄膜覆蓋(A2，當(dāng)?shù)鼗旧a(chǎn)方式)。2018 年小區(qū)面積31.2 m2(4.8 m×6.5 m)，2019 小區(qū)面積24 m2(4.8 m×5 m)，設(shè)3 次重復(fù)。A1 用寬2 m、厚0.008 mm 的白色地膜覆蓋4行玉米，步驟為:挖穴—施肥—播種—蓋種—蓋膜；A2 用寬0.8 m、厚0.008 mm 的白色地膜覆蓋2 行玉米，按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)蓋膜方式操作。玉米品種選用盤玉5 號(2018 年)和隆瑞3869(2019 年)。

1.3 栽培管理措施

采用寬窄行直播種植，寬行0.8 m，窄行0.4 m，種植密度為67 500 株/hm2。2018 年4 月6 日播種，10 月8 日收獲；2019 年4 月10 日播種，10 月9 日收獲。以600 kg/hm2的復(fù)合肥(N ∶P2O5∶K2O ＝15 ∶15 ∶15)作為基肥，在拔節(jié)期和大喇叭口期分別以150 kg/hm2和225 kg/hm2的尿素進行追肥。2019年在玉米大喇叭口期用氯蟲甲苯酰胺對草地貪夜蛾進行防控。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)一致。

1.4 測定項目及方法

在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期分別測定土壤溫度、水分和根系相關(guān)性狀。

1.4.1 土壤溫度

分別于8:00、14:00、20:00(簡稱早、中、晚)用地溫計(型號YF-303)測定株間和行間0～25 cm 土層的溫度。

1.4.2 土壤水分

用便攜式水分測定儀(型號HSTL-TRSC01)測定各小區(qū)株間和行間0～40 cm 土層的含水量。

1.4.3 玉米根系相關(guān)性狀

各小區(qū)選擇具有代表性的玉米植株2 株，以其為中心，用金屬框(60 cm×50 cm×40 cm)沿四周垂直挖土取根，裝入網(wǎng)袋洗凈。采用WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)測定總根表面積、總根體積、總根長、根尖數(shù)等。

1.4.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子

成熟期各小區(qū)實收測產(chǎn)，記錄穗數(shù)，稱取各小區(qū)玉米的鮮穗質(zhì)量，再將小區(qū)所有果穗按大小順序排列，用間隔法從中抽取10 穗稱取鮮質(zhì)量，晾曬至安全含水量(14%)后進行考種，并折算每公頃產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜方式對土壤溫度的影響

不同覆膜方式下株間和行間0～25 cm 土層溫度變化見表3，全生育期平均土溫寬膜處理(A1)顯著高于窄膜處理(A2)，A1 較A2 增溫3.19%；各生育時期平均土溫均較對照提高，表現(xiàn)為:苗期(6.97%)＞拔節(jié)期(4.15%)＞吐絲期(2.32%)＞大喇叭口期(1.18%)＞乳熟期(0.80%)。苗期和拔節(jié)期土溫增加最顯著。一天中，午間(14:00)A1 與A2溫差更大，A1 的晝夜土溫差在苗期和拔節(jié)期顯著大于A2(高7.79%～12.63%)；A1、A2 在株行間土溫變化相似，但A1、A2 的行間土溫差距更大(行間平均溫差1.43 ℃，株間平均溫差0.31 ℃)。不同土層中，A1、A2 10～15 cm 土層的溫差最大。覆膜方式、土層深度、時間和株行間差異都會影響土溫，但覆膜方式與土層深度、時間、株行間的互作不顯著，覆膜方式主要對苗期土溫有著極顯著的影響(P＜0.01)。

表3 不同覆膜處理的株間和行間0～25 cm 土層溫度變化Table 3 Temperature change of 0-25 cm soil layer between plants and rows under different plastic film mulching ℃

2.2 覆膜方式對土壤含水量的影響

不同覆膜方式下土壤含水量差異顯著(表4)，A1 處理5～40 cm 土層株間和行間土壤含水量顯著高于A2 處理，全生育期土壤含水量A1 較A2 高5.6%。在降水較少的苗期差異極顯著(P＜0.01)，該時期5～40 cm 土層土壤含水量A1 較A2 平均提高11.8%，降水較多的時期則差異不顯著(拔節(jié)期僅增加0.4%)。株行間的土壤含水量均為A1 大于A2，但5～40 cm 不同深度的土層A1 增幅有差別，土層深度為5 cm 或20 cm 以下時，A1 顯著或極顯著高于A2；5～15 cm 土層的含水量，A1、A2 無顯著差異。與窄膜相比，寬膜更能促進表面(0～5 cm)和20～40 cm 土壤含水量增加，尤其是在少雨時期。影響土壤含水量的因素中，覆膜方式、土層深度和株行間差異都會影響土壤水分，而覆膜方式與土層深度和株行間的互作不顯著，但在苗期和大喇叭口期覆膜方式與土層深度的互作、拔節(jié)期覆膜方式與株行間的互作對土壤含水量的影響分別為極顯著和顯著，這可能與苗期、拔節(jié)期和大喇叭口期的降水量和日照情況有關(guān)。

表4 不同覆膜方式下株間和行間0～40 cm 土層含水量變化Table 4 Variation of water content in 0-40 cm soil layer between plants and rows under different film mulching methods %

續(xù)表4

2.3 不同覆膜方式對春玉米根系的影響

2.3.1 不同覆膜方式下玉米根系的形態(tài)差異

根據(jù)圖1，A1 處理的總根長、分枝數(shù)、根尖數(shù)、總根體積、總根表面積、平均根系直徑大多都顯著大于A2。兩種覆膜方式下的根系生長均呈現(xiàn)慢快慢的規(guī)律，在拔節(jié)期到吐絲期增長最快，但A1 的增幅更大。A1 和A2 吐絲期的總根長分別是拔節(jié)期的2.4 倍、2.2 倍，分枝數(shù)為2.2 倍、1.6 倍，根尖數(shù)為2.1 倍、2.0 倍，總根體積為2.9 倍、2.2 倍，總根表面積為2.2 倍、1.9 倍，平均根系直徑為1.4 倍、1.3倍。與A2 相比，A1 的根系分枝數(shù)增加了4 241(23.8%)，總根長增加了760.15 cm(17.1%)、總根體積增大5.65 cm3(18.5%)、總根表面積增大148 cm2(12.0%)、根尖數(shù)增加了1 048(13.4%)、平均根系直徑增粗0.2 mm(11.7%)。

2.3.2 不同覆膜方式下根系干質(zhì)量和根密度的差異

根據(jù)表5，不同時期玉米的根長密度、根質(zhì)量密度和根干質(zhì)量均為A1＞A2。與A2 相比，A1 的根長密度堤高了6.9%～26.8%，且大喇叭口期和抽雄吐絲期差異極顯著(P＜0.01)；根質(zhì)量密度提高了17.8%～44.8%，根干質(zhì)量提高了18.4%～44.7%，且均為拔節(jié)期和抽雄吐絲期差異極顯著(P＜0.01)，大喇叭口期則差異顯著(P＜0.05)；比根長為拔節(jié)期A1 極顯著小于A2(P＜0.01)，其他2 個時期則差異不顯著。A1 處理拔節(jié)期到大喇叭口期根長密度的增幅(67.7%)顯著大于A2(41.4%)；大喇叭口期到抽雄吐絲期的根質(zhì)量密度、根干質(zhì)量增幅顯著大于A2，A1、A2 處理的增幅分別為89.7%、55.1%和89.7%、55.2%。

表5 不同覆膜方式下不同生育時期的玉米根系生長情況Table 5 Root growth of maize at different growth stages under different mulching methods

2.3.3 不同覆膜方式下玉米根系分布差異

根據(jù)圖2，隨著根系直徑增加，總根長、分枝數(shù)、根尖數(shù)、總根體積、總根表面積相應(yīng)增加，不同覆膜方式下根系指標(biāo)也逐漸產(chǎn)生差異(2018 年主要在2.5 mm 以上的分布出現(xiàn)差異，2019 年則在1 mm 以上的分布出現(xiàn)差異)。以2018 年為例(2019 年規(guī)律類似)，苗期A1、A2 平均根系直徑集中在0.6～0.7 mm；拔節(jié)后，A1、A2 平均根系直徑集中在2～3 mm，A1、A2 處理直徑＞2.5 mm 的根系分別占46.7%、17.8%，拔節(jié)后直徑＞2.5 mm 的根系A(chǔ)1 比A2 多57.1%，分布范圍大5 倍。A1 比A2 的總根長增加18.0%～43.0%，分枝數(shù)多19.0%～55.0%，總根體積增大12.0%～24.0%，總根表面積增大16.0%～19.0%，根尖數(shù)多22.0%～28.0%。

圖2 玉米根系形態(tài)指標(biāo)的徑級分布Fig.2 Distribution of root morphological indexes under different root diameter

2.4 不同覆膜方式下玉米的產(chǎn)量及構(gòu)成因素差異

如表6 所示，與A2 相比，A1 的每公頃有效穗數(shù)提高了1.76%～2.38%，差異顯著(P＜0.05)；穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量分別提高了0.26%～ 0.58%、2.88%～3.00%，但差異不顯著；2018 和2019 年的產(chǎn)量分別提高21.3%和13.8%，差異分別達極顯著(P＜0.01)和顯著水平(P＜0.05)。

表6 不同覆膜方式的玉米產(chǎn)量性狀比較Table 6 Comparison of yield characters of different film mulching methods

2.5 根系形態(tài)與產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性

由表7 可知，總根長、分枝數(shù)、根尖數(shù)、總根體積與有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量顯著正相關(guān)，其中平均根系直徑與有效穗數(shù)相關(guān)性最高(r＝0.470)，分枝數(shù)與千粒質(zhì)量相關(guān)性最高(r＝0.153)；總根表面積、根系直徑、根尖數(shù)和分枝數(shù)與穗粒數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)，其中根系直徑與穗粒數(shù)相關(guān)性最大(r＝-0.542)；所有根系形態(tài)指標(biāo)都與產(chǎn)量顯著或極顯著正相關(guān)，以分枝數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性最高(r＝0.229)。

表7 玉米產(chǎn)量性狀與根系形態(tài)的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient between corn yield characters and root morphology of maize

3 討論

3.1 覆膜方式對玉米土壤水熱狀況的影響

覆膜能調(diào)節(jié)土壤溫度，使土溫增高、改變晝夜溫差。不同覆膜方式對土溫的調(diào)節(jié)效果不同，寬膜增溫效果顯著高于窄膜，尤其在玉米生育前期，且在西北[20]、華北[13]、東北[21]、西南[22]均有類似表現(xiàn)。李尚中等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米苗期和灌漿期，耕層溫度均為全膜＞寬膜＞窄膜＞露地，晝夜均呈現(xiàn)S 型增長，但全膜覆蓋處理耕層的晝夜溫差較低。本研究發(fā)現(xiàn)，寬膜處理土壤晝夜溫差在苗期和拔節(jié)期顯著大于窄膜，苗期和拔節(jié)期的土溫也顯著高于窄膜處理，且寬膜和窄膜處理的行間土溫差異更大，這可能是造成寬、窄膜處理地溫差異的主要原因。李玉玲等[5]、劉勝堯等[13]發(fā)現(xiàn)，覆膜會影響不同土層的增溫效應(yīng)，覆膜后可使增溫效應(yīng)從0～15 cm 擴大到0～25 cm。本研究發(fā)現(xiàn)，寬膜處理0～25 cm 土層溫度比窄膜處理提高輻度更大，且10～15 cm 土層的增溫效應(yīng)最明顯。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，覆膜后盡管增加了地溫，但6 月份由于溫度超過了根系發(fā)育閾值，會造成減產(chǎn)[13]。本研究中未出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象，這可能是由于該地區(qū)氣候較適宜，有利于植株生長和產(chǎn)量形成，但預(yù)防午間高溫仍然是地膜覆蓋需要關(guān)注的問題。

玉米覆膜栽培不僅加大了土層間溫度差異，還可極大地提高出苗前0～20 cm 土層的含水量，減少苗期、拔節(jié)期土壤水分消耗，降低玉米生育后期日耗水量，促進深層土壤(40 cm)水分的蒸散供給，使耕層土壤保持較高的含水量[13-14，16-17，22-24]，但不同覆膜方式對土壤水分的影響程度不同。本研究中寬膜處理土壤含水量高于窄膜，這可能是寬膜回流水分更多，提墑效果更好，儲水和保水能力更強，尤其在季節(jié)性干旱時期(苗期、吐絲期等)差異顯著。說明寬膜覆蓋更能彌補春玉米季節(jié)性干旱時對水分的需求。此外，與窄膜相比，寬膜處理更能提高0～5 cm土層土壤的含水量，且20～40 cm 土層的含水量顯著增加。

3.2 覆膜方式對玉米根系生長的影響

覆膜可調(diào)節(jié)土壤水熱狀況，進而影響根系生長。玉米根系生長最適宜的土溫為20～24 ℃。土溫變化會影響根系內(nèi)源激素和抗氧化酶活性變化，土壤水分含量會影響根系保護酶、過氧化產(chǎn)物含量。合適的水熱條件可以促進根系生長和養(yǎng)分吸收，不同土層的差異又影響根系分布。充分滿足不同生育時期的水分與養(yǎng)分需求，能實現(xiàn)高產(chǎn)高效的春玉米生產(chǎn)目標(biāo)[4，11，23，25-28]。本研究中寬膜覆蓋玉米的總根長、分枝數(shù)、根尖數(shù)、總根體積、總根表面積、平均根系直徑均顯著大于窄膜處理，這源于適宜的水熱條件，但其影響機制仍需進一步研究。根系在拔節(jié)期到吐絲期快速增長，吐絲期到乳熟期仍緩慢增加。研究表明，玉米生育后期的根系形態(tài)指標(biāo)和干質(zhì)量均會下降[4，25]；但也有研究發(fā)現(xiàn)，土溫對根系生長發(fā)育、生理活性和根系衰老均有影響。合適的氮素供應(yīng)條件下，水培玉米的根系在花后可以無限生長[9]；適宜的水熱條件在生育前期能促進玉米根系深扎、根量增多，在生育后期可增強減緩衰老的能力[30]。這可能是寬膜覆蓋處理玉米乳熟期根系仍增加的原因，同時也說明寬膜覆蓋處理的水熱條件更能延緩根系衰老，促進根系生長。本研究中苗期根系徑級差異不大，但相同徑級均以寬膜處理玉米的總根長、分枝數(shù)、根尖數(shù)、總根體積、總根表面積數(shù)值大。拔節(jié)期后，寬膜處理玉米的粗根數(shù)量顯著多于窄膜，其根系徑級范圍更大，相同徑級對應(yīng)的根系形態(tài)指標(biāo)數(shù)值也更大。前人研究也發(fā)現(xiàn)，覆膜對根系形態(tài)指標(biāo)的徑級分布有影響，但多為0.2～0.5 mm 的細(xì)根[25，27，31]。本研究對不同徑級根系形態(tài)指標(biāo)進行的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，相同根系直徑下，寬膜覆蓋對應(yīng)的總根長、分枝數(shù)、根尖數(shù)、總根體積、總根表面積均大于窄膜處理。隨著生長發(fā)育進程的推進，寬膜處理玉米的根系直徑增加輻度更大，其平均根系直徑大于窄膜處理，其他根系指標(biāo)差距也相應(yīng)增大，尤其在生育后期差異更明顯。表明寬膜覆蓋能促進不同徑級根系的生長。

3.3 覆膜方式與產(chǎn)量的關(guān)系

李尚中等[20]研究發(fā)現(xiàn)，相比半膜覆蓋，全膜覆蓋玉米產(chǎn)量更高，主要是全膜覆蓋處理提高了千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)。本研究中，寬膜處理玉米的產(chǎn)量顯著高于窄膜處理，與前人研究結(jié)果相似。但本研究中寬膜處理除千粒質(zhì)量增加外，有效穗數(shù)也顯著增加，但穗粒數(shù)差異不顯著，并且穗粒數(shù)與根系形態(tài)指標(biāo)多呈顯著負(fù)相關(guān)，這可能與覆膜方式和生態(tài)條件的差異有關(guān)，具體原因仍需進一步探究。相關(guān)研究和本試驗均表明，玉米產(chǎn)量與根系形態(tài)和根量顯著正相關(guān)[11，22，32-33]。本研究還對根系指標(biāo)與產(chǎn)量構(gòu)成進行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)根系各形態(tài)指標(biāo)均與有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量顯著正相關(guān)，但與穗粒數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)論

與窄膜覆蓋處理相比，寬膜覆蓋春玉米苗期、拔節(jié)期土溫顯著提高了0.62～1.57 ℃，全生育期增溫3.2%；苗期、大喇叭口期、吐絲期土壤水分含量顯著提高4.8%～11.8%，全生育期提高6.2%；春玉米總根長增加17.1%，根分枝數(shù)增加23.8%，總根體積增大18.5%，總根表面積增大12.0%，根尖數(shù)增加13.4%，平均根系直徑增大11.7%；總根長、分枝數(shù)、根尖數(shù)、總根體積、總根表面積在根系直徑為2.5 mm以上(2018 年)或1 mm 以上(2019 年)的分布中，寬膜處理的各項根系形態(tài)指標(biāo)比窄膜處理高6%～55%，產(chǎn)量顯著增加13.8%～21.3%。