地膜覆盖对夏玉米籽粒灌浆过程及产量的影响

王 锐，郭怡婷，王乃江，褚晓升，罗晓琦，王卓洲，杨志鹏，董勤各，冯 浩

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌712100；3.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100）

0 引 言

农业水资源短缺是制约国家长期可持续发展的“结症”，破解危机关键在农业生产高效用水[1]。地膜覆盖是目前广泛采用的一种节水农艺措施[2]，其能够有效抑制土壤蒸发，提高土壤水分有效性，除此之外，地膜覆盖还具有提高土壤温度、活化土壤养分、抑制杂草及病虫害等功能[3−5]。大量研究结果表明，地膜覆盖可显著提高夏玉米产量[6−12]，灌浆过程是决定玉米产量高低的关键阶段，灌浆期籽粒灌浆速率和灌浆过程持续时间是影响籽粒干物质积累量的关键因素[13−15]，众多专家学者研究了其对地膜覆盖的响应[16−20]。方恒等[17]认为普通地膜覆盖主要通过延长灌浆渐增期持续时间，并提高灌浆速率，进而使夏玉米籽粒质量提高。胡宇等[16]认为覆膜提高玉米灌浆速率，延长灌浆持续时间，显著增加玉米百粒重和产量。而张俊鹏等[20]认为地膜覆盖在提高夏玉米灌浆速率的同时，加快了籽粒灌浆进程，缩短了灌浆持续时间。高玉红等[18]认为秋季覆膜处理加快籽粒灌浆速率的同时使籽粒达到最大灌浆速率的时间提前。

综上所述，前人对于覆膜提高玉米灌浆速率基本达成共识，但覆膜对玉米灌浆期及各阶段持续时间的影响还存在争议。因此，为探究地膜覆盖对夏玉米籽粒灌浆过程及产量的综合影响，本研究设置不同地膜覆盖模式，在利用Richards方程对夏玉米籽粒灌浆动态过程拟合分析的基础上，研究地膜覆盖对夏玉米籽粒灌浆过程的影响规律，并探究全膜覆盖与半膜覆盖对夏玉米灌浆过程及生长发育进程的不同影响，以期为覆膜条件下夏玉米获得高产提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年6−9月在陕西杨凌西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室节水灌溉试验站（34°20'N，108°24'E，海拔高度521 m）进行。该地区属半湿润气候区，多年平均降水量为620 mm，多年平均气温为13.0 ℃。试验地土壤质地为中壤土，1 m 土层的平均田间持水率为23%～25%，凋萎含水率为8.5%（以上均为质量含水率），平均容重为1.37 g/cm3。耕层土壤（0～30 cm）pH 值为8.2，有机质为8.14 g/kg，全氮为0.95 mg/kg，硝态氮为5.41 mg/kg，铵态氮为1.35 mg/kg，速效磷为20.91 mg/kg，速效钾为134 mg/kg。逐日气象资料由试验站内的气象站获取，试验期间的气温与降雨如图1所示，2020年玉米生育期降雨量为529 mm，其中有效降雨量（日降雨量大于5 mm）为483.3 mm。

图1 夏玉米生育期内日平均气温和降雨量Fig.1 Average daily temperature and rainfall during summer maize growth period

1.2 试验设计

试验供试夏玉米品种为“秦龙14”，于2020年6月13日播种，收获期为2020年9月30日，全生育期长110 d。试验共设置了3个处理（见图2），分别为对照（CK）、半膜覆盖（HM）和全膜覆盖（FM），每个处理重复3 次，总共9 个小区。小区长6 m，宽5 m，面积30 m2，每个小区之间有0.5 m 的保护行。株距为0.4 m，行距0.6 m，种植密度为5.2 万株/hm2。全生育期内不灌溉。各处理施肥水平保持一致，均为225 kg N/hm2和90 kg P2O5/hm2，以底肥的形式全部耕翻施入土壤。试验所用地膜均为白色聚乙烯地膜。

图2 试验布置图（单位：cm）Fig.2 The arrangement of experiment

1.3 测定项目与方法

（1）叶面积指数（LAI）。夏玉米定苗后每个小区标记2 株生长基本一致的植株，每隔10～15 d，用卷尺测定每个叶片从叶尖到叶基的长度与离叶基1/3 处的叶宽，用叶片的实际面积乘以修正系数（展开叶为0.75，未展开叶0.5）计算LAI。

（2）地上部生物量。在夏玉米全生育期，每隔10～15 d，各处理随机选取生长基本一致的3株夏玉米，将植株用剪刀沿地面剪下，封袋保存，带回实验室后放入烘箱中，设置105 ℃杀青30 min，降温至70 ℃烘至恒重后称取植株质量即为干物质质量。

（3）产量及其构成要素。玉米收获时，每个小区随机取15 个玉米雌穗，测其穗长、穗粗、穗行数和行粒数，然后人工脱粒烘干，测定百粒重和穗粒重，计算籽粒产量。收获指数是用夏玉米产量（Y）除以收获时地上部生物量。

（4）地温。采用纽扣式温度计测定土壤0～10 cm 温度。纽扣温度计为温度自动探测记录系统，设定监测记录频率为每小时一次。

（5）生育期耗水（ET）与水分利用效率（WUE）。玉米播种和收获时采用取土烘干法测定土壤0～120 cm 土层的含水率，每隔20 cm 取一层土样测定。夏玉米全生育期的耗水量（ET）用水量平衡法计算，公式如下：

式中：ΔW播前与收获时的土壤贮水量差值；P为降雨量；I为灌溉量；G为地下水对作物根系的补充量；R为地表径流量；D为根区深层渗漏量。

由于试验区地势平坦，降水不会产生径流，因此R=0；经分析土壤水分动态变化情况，在计算深度120 cm（根系活动层内）内不存在渗漏，因此D=0；此外，由于地下水埋藏深度较深，不存在地下水对作物的补给，因此G=0；试验不进行灌溉，因此I=0。因此，水量平衡方程可以简化为：

夏玉米水分利用效率可用下式计算：

（6）籽粒质量。各处理选择同时授粉、长势均匀一致的植株挂牌标记，以确保取样果穗授粉日期一致。玉米开花授粉后10 d开始取样，每小区每5 d随机选取3个果穗，共取样6次。将果穗从中间掰开，剥下中部籽粒，去除非完整籽粒后混合均匀，随机数出100 粒，然后放入烘箱中，设置105 ℃杀青30 min，降温至70 ℃烘至恒重后称取籽粒质量。

（7）籽粒灌浆模型构建。以花后时间t（开花日为t0）为自变量，每次测得的单粒重为因变量，用Richards模型对籽粒灌浆过程进行拟合[21]。

式中：A、B、K、N为模型参数；A为灌浆结束时最大百粒质量。

对式（4）求一阶导数可得到灌浆速率方程：

对式（5）求二阶导数得到籽粒达到最大灌浆速率时的时间：

将式（6）代入式（5）得最大灌浆速率：

将式（6）代入式（4）得最大灌浆速率时的生长量：

对式（5）求积分得平均灌浆速率：

灌浆速率方程有2 个拐点，令V对t的二阶导数为零时，可得灌浆速率方程两个拐点的灌浆时间t1和t2为：

假定达99%A时为灌浆结束时间t3，则

所以可确定灌浆期的3个阶段：灌浆渐增期T1为灌浆时间小于t1；灌浆快增期T2为t1～t2；灌浆缓增期T3为t2～t3。将t1、t2、t3代入式（1）分别得渐增期、快增期、缓增期结束时的籽粒重量W1、W2、W3，则各阶段平均灌浆速率分别V1=W1/T1、V2=(W2−W1)/T2、V3=(W3−W2)/T3。

1.4 数据分析

采用Excel 2019 对数据进行处理，SPSS 26 软件进行统计分析，多重比较使用LSD 法（最小显著差异法）（P＜0.05），Origin 2021软件作图和拟合。

2 结果与分析

2.1 地膜覆盖对地温的影响

由图3可知，不同处理下夏玉米0～10 cm 土层地温变化趋势相似，从播后到拔节期呈波动上升趋势，之后呈波动下降趋势。在全生育期，覆膜处理的地温均大于对照处理，3种处理地温从大到小依次为FM、HM、CK。与CK相比，FM和HM生育期分别累计增温248.26 ℃和108.35 ℃。6−9月FM 处理下每月平均温度分别增加3.93、2.84、1.77 和2.14 ℃，HM 处理下每月平均温度分别增加1.62、1.46、0.67 和0.76 ℃。在夏玉米生长前期，由于植株较小，地表受太阳直射，覆膜处理的增温效应明显。而在夏玉米生长中期，由于LAI增大，地面透光度减小，覆膜处理与对照处理的地温差异较小。到夏玉米收获前后，由于叶片干枯导致LAI减小，覆膜处理与对照处理的地温差异稍有增大。

图3 不同处理下夏玉米生育期0～10 cm土层地温变化规律Fig.3 Soil temperature during growth period of summer maize under different treatments for 0～10 cm soil layer

温度是影响作物生长发育的重要因素之一，气象条件、土壤水分、地膜覆盖等因素都影响玉米生育期的地温分布。李仙岳等[22]研究发现覆膜可以很大程度的提高土壤温度，覆膜的增温效果在玉米生育前期最为显著，在生育中后期较小，本研究也有相似的结论。本研究还发现全膜覆盖要比半膜覆盖的增温效果好，这与杨睿等[23]的结论相似。覆膜的增温效应是促进夏玉米生长发育，改善籽粒灌浆过程，最终促进夏玉米高产的基础条件之一。

2.2 地膜覆盖对夏玉米叶面积指数与干物质积累的影响

由图4可知，不同处理下夏玉米叶面积指数变化趋势相同，均表现为先升高后降低，在拔节期增长速度最快。在全生育期，不同处理下的叶面积指数存在一定差异，FM 下最大，CK 下最小。当叶面积达到峰值时，覆盖种植的叶面积指数显著高于无覆盖种植，与CK 相比，FM 和HM 分别提高了14.43%和9.84%，但两种覆盖处理没有显著性差异。由图5可知，不同处理下夏玉米干物质积累趋势相同，干物质从苗期开始缓慢积累，从拔节期到灌浆期迅速积累，到成熟期后又恢复到较缓慢状态。在全生育期，夏玉米干物质积累量均表现FM>HM>CK，收获时覆膜条件下的干物质积累量显著高于对照处理，与CK 相比，FM 和HM 处理分别提高了6.14%和4.64%，但两种覆盖处理没有显著性差异。以上结果表明不同地膜覆盖模式都不同程度地促进了夏玉米的生长发育和干物质积累，为夏玉米的高产奠定了基础，但是全膜覆盖与半膜覆盖之间没有显著性差异。

图4 不同处理下夏玉米叶面积指数变化Fig.4 Leaf area index of summer maize under different treatments

图5 不同处理下夏玉米干物质积累Fig.5 Dry matter accumulation of summer maize under different treatments

叶片是作物最主要的光合器官，叶面积指数反映了作物的群体结构，表征作物群体对太阳辐射的截获能力，对作物干物质的积累至关重要，同时较高的干物质积累又是作物高产的前提。本研究发现覆膜对夏玉米全生育期的叶面积增加以及干物质积累具有显著的促进作用，并且全膜覆盖要略优于半膜覆盖，这与李尚中[24]等的研究结果相似。覆膜夏玉米叶面积的增加提高了作物光合同化能力，促进了干物质积累。在灌浆之前更多的干物质积累为灌浆期籽粒库容的增大做了充足的储备，在灌浆期更高的光合同化能力源源不断扩充夏玉米籽粒库容，最终实现灌浆结束后籽粒产量的提高。

2.3 夏玉米籽粒灌浆Richards模型

由图6可知，不同处理下的夏玉米籽粒干物质积累过程均呈“慢−快−慢”的“S”形变化趋势，在整个灌浆期不同覆膜处理均提高了夏玉米籽粒质量。由表1可知，各处理Richards模型决定系数均在0.99以上，拟合效果较好，表明用Richards模型能较好地模拟夏玉米籽粒灌浆动态过程。A值代表灌浆结束时理论最大百粒重，与CK 相比，FM、HM 分别提高了18.19%和7.78%。由表2可知，全膜与半膜处理均显著提高了夏玉米籽粒灌浆的平均灌浆速率、最大灌浆速率以及灌浆速率最大时的籽粒质量。其中，与CK 相比，FM、HM 平均灌浆速率分别增加了15.00%和6.91%，最大灌浆速率分别增加了15.19%和6.90%，灌浆速率最大时的籽粒质量分别增加了20.33%和8.60%。覆膜使夏玉米到达籽粒最大灌浆速率的时间稍有提前，但没有显著性差异。

图6 不同处理下夏玉米籽粒灌浆Richards拟合曲线Fig.6 Richards fitting curves of grain filling of summer maize under different treatments

表1 不同处理下的Richards模型参数Tab.1 Parameters of Richards model under different treatments

表2 不同处理下夏玉米籽粒灌浆特征参数Tab.2 Grain filling parameters of summer maize under different treatments

研究表明，灌浆期是决定夏玉米产量和品质的关键时期，灌浆速率的高低与灌浆持续期的长短决定灌浆结束后的最终籽粒产量。在本研究两种地膜覆盖模式下，夏玉米籽粒灌浆的平均灌浆速率、最大灌浆速率增大，达到最大灌浆速率和灌浆结束时两种覆膜处理的籽粒质量也相应提高，与胡宇等[16]的研究一致。但覆膜对夏玉米到达籽粒最大灌浆速率的时间影响不大，与李绍长等[25]的研究相似。

2.4 地膜覆盖对夏玉米灌浆期各阶段参数的影响

由表3可知，不同处理下夏玉米灌浆期各阶段的平均灌浆速率有相似的变化趋势，均表现为速增期>渐增期>缓增期。在夏玉米灌浆期各个阶段，覆膜处理均显著提高了夏玉米平均灌浆速率，且在渐增期幅度最大。在渐增期，FM、HM 的平均灌浆速率分别比CK 高27.57%和10.66%，在快增期，FM、HM 的平均灌浆速率分别比CK 高11.29%和7.00%，在缓增期，FM、HM 的平均灌浆速率分别比CK 高15.92% 和7.35%。在夏玉米灌浆的3个阶段，FM对灌浆速率的提高都比HM 要大，说明全膜覆盖比半膜覆盖对夏玉米灌浆速率的促进作用更明显。在提高灌浆速率的同时，覆膜改变了夏玉米灌浆各阶段持续时间。与CK 相比，FM、HM 下灌浆渐增期分别缩短0.36、0.07 d，灌浆缓增期分别缩短0.17、0.13 d；但灌浆快增期分别延长0.28、0.07 d。其中，FM显著影响了夏玉米灌浆渐增期和速增期的持续时间，而HM 对夏玉米灌浆各阶段持续时间影响不显著。

表3 不同处理下夏玉米籽粒灌浆各阶段持续时间、平均灌浆速率Tab.3 Duration and rate at each stage of grain filling of summer maize under different treatments

夏玉米籽粒灌浆期可分为渐增期（T1）、快增期（T2）和缓增期（T3）3 个阶段，渐增期形成大库容是实现高产的先决条件，快增期向库容中调运库容物质是保证高产的基础[26]。本研究各处理3个阶段的平均灌浆速率均表现为速增期>渐增期>缓增期，与Fang 等[27]结果一致。相比于对照，覆膜夏玉米籽粒灌浆期各个阶段的平均灌浆灌浆速率都有所提高[28]，且全膜覆盖提高程度要高于半膜覆盖。付江鹏等[29]认为玉米籽粒质量与各时期籽粒灌浆速率均呈显著正相关，且与速增期灌浆速率相关最密切，但与灌浆持续时间各参数相关不显著。王晓燕等[30]认为，与籽粒灌浆速率相比，籽粒灌浆持续期较不易受种植密度、基因型和温度等因素的影响。在本研究中，两种地膜覆盖处理对渐增期和缓增期表现为缩短作用，对速增期表现为延长作用。地膜覆盖通过提高夏玉米灌浆期各阶段的灌浆速率，延长灌浆快增期持续时间，导致最终灌浆结束后夏玉米籽粒产量的提高，这与张俊鹏等[20]的结论相似，并且全膜覆盖对于夏玉米灌浆过程的促进作用要优于半膜覆盖。

2.5 地膜覆盖对夏玉米产量与水分利用效率的影响

由表4可知，覆膜处理的产量及构成因素基本都大于对照处理。其中，FM 与HM 的产量、百粒重都显著大于CK，而两者之间没有显著性差异；FM 的穗粗与收获指数显著大于CK。与CK相比，FM与HM的产量分别增加了15.19%和8.34%。

表4 不同处理对夏玉米产量及产量构成要素的影响Tab.4 Effects of different treatments on yield and its components of summer maize

由表5可知，CK 的ET显著高于FM 和HM，FM 的ET最小，为373.04 mm。在降低耗水量的同时，覆膜处理也显著提高了夏玉米的水分利用效率，与CK 相比，FM、HM 的水分利用效率分别增加了19.75%和11.80%。

表5 不同处理对夏玉米的耗水量及水分利用效率的影响Tab.5 Effects of different treatments on ET and WUE of summer maize

大量研究结果表明，地膜覆盖可显著提高夏玉米产量和水分利用效率。本研究发现地膜覆盖显著提高了夏玉米的产量和水分利用效率，但全膜覆盖与半膜覆盖没有显著性差异，这与张俊鹏等[20]，徐佳星等[31]研究结果一致。本试验中，覆膜条件下夏玉米产量提高的决定性产量构成因素是百粒重，而决定夏玉米百粒重的关键性阶段是夏玉米籽粒灌浆阶段，地膜覆盖条件下夏玉米灌浆期各阶段灌浆速率的提高和灌浆快增期持续时间的延长是增大夏玉米百粒重，实现增产的重要原因。

3 结 论

（1）覆膜可以显著增加夏玉米农田表层地温，并且全膜覆盖要优于半膜覆盖。覆膜促进了夏玉米生长与干物质积累，为夏玉米灌浆过程的优化以及最终的产量提高奠定了基础，但全膜覆盖与半膜覆盖差异不显著。

（2）地膜覆盖主要通过提高夏玉米灌浆期各阶段的灌浆速率，延长灌浆快增期持续时间，实现最终灌浆结束后籽粒产量的提高，并且全膜覆盖对于夏玉米灌浆过程的促进作用要优于半膜覆盖。

（3）覆膜提高了夏玉米产量，减少生育期耗水，提高水分利用效率，最终达到节水增产的目的。全膜覆盖相对于半膜覆盖，产量和水分利用效率都有所提高，但差异不显著。地膜覆盖条件下产量提高的决定性产量构成因素是百粒重，覆膜条件下夏玉米灌浆过程的优化，是提高夏玉米百粒重，实现增产的重要原因。