栽培方式對旱作春玉米土壤酶活性及干物質積累和產量形成的影響

劉星華，王 琦，賈生海

(甘肅農業大學 a 工學院，b 草業學院，甘肅 蘭州 730070)

栽培方式對旱作春玉米土壤酶活性及干物質積累和產量形成的影響

劉星華a，王 琦b，賈生海a

(甘肅農業大學 a 工學院，b 草業學院，甘肅 蘭州 730070)

【目的】 研究5種不同栽培方式對土壤酶活性、春玉米生長發育及產量形成的影響，探索黃土高原地區春玉米高產、穩產和可持續發展的耕作措施?！痉椒ā?采用大田試驗，分別設置頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜平播、秸稈覆蓋種植和無覆蓋平地種植5種耕作方式，分析不同耕作方式下0-20和20-40 cm土層土壤酶(過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶)活性的變化特征，以及各生育期玉米生長發育狀況、干物質積累和產量構成要素的變化?！窘Y果】 與無覆蓋平地種植相比，頂凌全膜雙壟壟播和秸稈覆蓋種植方式能夠顯著提高田間土壤過氧化氫酶活性(0-20和20-40 cm土壤分別提高5.19%，15.74%和4.04%，9.69%)、脲酶活性(0-20和20-40 cm土壤分別提高41.94%，60.93%和3.83%，51.37%)、蔗糖酶活性(0-20和20-40 cm土壤分別提高72.39%，36.67%和68.19%，85.54%)和堿性磷酸酶活性(0-20和20-40 cm土壤分別提高34.93%，38.43%和15.44%，17.89%)；與無覆蓋平地種植相比，頂凌全膜雙壟溝播和頂凌全膜雙壟壟播集雨栽培顯著提高了乳熟期葉面積指數(分別提高了75.75%和69.09%)、增加了成熟期玉米干物質積累(分別增加了59.27%和66.09%)，顯著提高了產量(分別提高了108.06%和99.03%)和水分利用效率(分別提高了119.91%和106.97%)?！窘Y論】 本試驗條件下，頂凌全膜雙壟壟播是兼顧高產和可持續發展的集雨栽培技術。

春玉米；集雨栽培；土壤酶活性；干物質積累；產量

長期以來，干旱缺水成為制約以黃土高原為典型地貌的西北雨養農業區玉米產業發展的瓶頸。由于獨特的地形、地貌，自然降水是西北地區玉米生長所依賴的主要水資源，因此如何提高自然降雨利用效率是旱區作物穩產、高產的根本途徑[1]。春玉米旱作是該地區糧食生產的主要栽培模式，以往學者對玉米栽培技術進行了大量研究報道，使栽培技術不斷改進和完善，增產機理逐步清晰。目前旱區作物采用的主要栽培方式有秸稈覆蓋、半膜平播、全膜平播和壟溝集雨種植等。李倩等[2]、孔維萍等[3]和魯向暉等[4]認為，秸稈覆蓋能減少表土層蒸發，具有明顯的蓄水保墑作用，并且能夠顯著增加土壤酶活性，同時可以降低地溫的日振幅，緩和晝夜溫差，但是降低了耕層5 cm剖面處地溫，不利于玉米苗期生長，且對后期產量的形成和水分利用效率的提高效果不顯著。高玉紅等[5]認為，半膜平播栽培技術操作簡單，投資較少，盡管該技術對玉米生長前期光合勢、穗長、穗粗和穗行數有一定促進作用，但是就產量和水分利用效率而言優勢不顯著。王紹美等[6]和金勝利等[7]認為，全膜平播0-80 cm土層土壤的保墑效果較露地種植顯著，且能夠顯著提高玉米的穗長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒質量、出籽率和籽粒產量，但是從經濟角度而言，該技術地膜用量大、人工投入多，最終增產的效益不顯著。孫玉蓮等[8]認為，壟溝集雨種植能顯著提高降水利用效率，特別是對無效降雨的利用，從而提高土壤貯水量，增加玉米產量?？拙S萍等[9]認為，壟溝集雨種植較平作種植促進了玉米干物質積累，使葉面積指數增大，千粒質量增加，單株地上生物量增加，穗部性狀較好，增產效果顯著。任小龍等[10]認為，在偏旱年份壟溝集雨種植可顯著提高玉米光合效率和葉片水分利用效率，增大葉片的葉綠素含量，為玉米高產提供了有利條件。但是郭滿平等[11]認為，壟溝集雨種植方式只限于在年降雨量200～600 mm的干旱或半干旱地區推廣應用，在年降雨量超過600 mm和低于200 mm的地區增產不明顯。同時，該技術不宜在砂石地、鹽堿地和超過15°的坡地推廣應用，因地力瘠薄、不能攔蓄雨水徑流，沒有增產潛力。目前，壟溝覆蓋集雨栽培技術由于集雨、高產和經濟效益顯著等諸多優點，逐漸發展成為旱作農業區最主要的栽培技術。因此，進一步探究集雨栽培技術下土壤酶活性變化、生物量積累過程、產量形成機理，對改進和完善集雨栽培技術，提高黃土高原旱作玉米產量具有極高的理論價值和實踐意義。同時大量的研究指出，頂凌覆蓋技術的優勢是作物生育前期貯水，苗期與后期需水旺盛期供水[12]。

不同地區采用同一種栽培方式，玉米的增產因素、效果不一，而有關同一區域內采用不同栽培方式對玉米土壤酶活性、干物質積累及產量影響的系統研究資料相對欠缺。本研究以春玉米“酒單3號”為研究對象，以無覆蓋平種為對照，分析了頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜平播和秸稈覆蓋4種栽培方式對春玉米耕作層土壤酶活性、植株生長發育、干物質積累及產量構成的影響，旨在探索黃土高原地區春玉米高產、穩產和可持續發展的耕作措施，為旱區玉米生產的高產和可持續發展提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2014-03-10在蘭州市榆中縣中連川鄉(104°25′E、36°02′N)進行。該試驗區屬半干旱區，海拔約為2 205 m，年均氣溫6.5 ℃，≥10 ℃有效積溫1 400～1 600 ℃，平均無霜期105 d。該地區年降雨量為300～430 mm，降水少且變率大，其中7-9月份降水量占全年降水量的50%以上，為典型的黃土高原雨養農業區。春玉米為當地主要農作物，一年一熟，前茬為胡麻。試驗地土壤為黑麻壚土與灰鈣土，pH值為8.05，耕層土壤有機質、全氮含量分別為12.14和0.98 g/kg，堿解氮、速效磷含量分別為79.69和31.30 mg/kg，肥力偏低。試驗地田間持水率為18.4%，凋萎系數為5.8%。試驗區2014年玉米生育期降雨量為354.92 mm，略低于過去20年均值，同時3月和4月(播前)降雨也較少，導致播前土壤墑情差。但是頂凌溝壟覆膜技術能夠有效保墑、緩解土壤干化，提升土壤耕層積溫，為播種創造有利條件，也為作物后期的生長奠定了良好基礎。

1.2 試驗設計

試驗設頂凌全膜平播種植(Flat planting with whole plastic in early spring，FWP)、頂凌全膜雙壟溝播(Full mulching on double ridges and planting in furrows in early spring，FFP)、頂凌全膜雙壟壟播(Full mulching on double ridges and planting in ridges in early，FRP)和秸稈覆蓋種植(Flat planting with straw mulching，SCP)4個處理，以無覆蓋平地種植(Without mulching planting)為對照(CK)。各處理的具體方法為：(1)頂凌全膜平播種植：在前茬作物收獲后及時滅茬，深耕翻上，及時保墑，待試驗區土壤解凍之前(播前1個月左右)，施入足夠肥料，輕翻表層土壤，將化肥翻入地下，然后用120 cm寬的地膜覆蓋，膜與膜之間不留空隙，相互重疊大約5 cm，相接處用土壓實，采用等行間距播種方式。(2)頂凌全膜雙壟溝播：選用120 cm寬的地膜覆膜，時間同FWP處理。膜與膜之間不留空隙，相接處用土壓住地膜。每幅壟分為大小兩壟，壟幅寬110 cm，大壟寬70 cm、高10 cm，小壟寬40 cm、高15 cm，在大小壟相接處播種。(3)頂凌全膜雙壟壟播：覆膜時間同FWP處理，每幅壟大小相等，壟幅寬均為50 cm，高15 cm，兩壟相接處形成集雨溝，選用120 cm寬的地膜，邊起壟邊覆膜，膜與膜之間不留空隙，相接于溝內，用土壓住地膜，在壟上進行播種。(4)秸稈覆蓋種植：在玉米出苗20 d后進行覆草，按4 000 kg/hm2用量均勻覆蓋在試驗小區內。(5)無覆蓋平地種植：無地膜覆蓋，平地種植。

各處理均設3次重復，按隨機因子裂區排列。供試品種為“酒單3號”，試驗小區有效面積為25 m2，種植密度均為5.04萬株/hm2。于2014-04-16播種，10-05收獲。播前對試驗小區進行30 cm的翻耕處理，人工除去雜草，同時施入尿素(N含量46%)600 kg/hm2，過磷酸鈣(P2O5含量12%)600 kg/hm2，源鉀(K2O含量25%)300 kg/hm2。為確保頂凌全膜雙壟壟播種植玉米正常出苗，覆膜處理均采用頂凌覆膜。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤酶活性 玉米播種前和收獲后，在小區內長勢一致的2株玉米之間用土鉆取土樣，取樣深度為40 cm，每20 cm取樣1次，然后用信封裝袋、標記，靜置于大氣中自然風干。過氧化氫酶活性測定采用紫外分光光度法；脲酶活性測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；蔗糖酶活性測定采用比色法；堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法[13](由于試驗地土壤pH平均值為8.05，因此本試驗測定的磷酸酶活性為堿性磷酸酶活性)。

1.3.2 葉面積指數和干物質 分別在玉米苗期、拔節期、大喇叭口期、抽雄期、乳熟期和成熟期，隨機選取10株玉米，帶回室內晾干，除去根部，將各個器官從植株上剪下，用紙袋標記分裝，105 ℃恒溫烘箱殺青20 min，然后將溫度調至80 ℃，烘干至恒質量，采用精度為0.001 g的電子秤稱質量。同時，將每株玉米的所有葉片沿葉鞘與葉片連接處剪下后測量葉片的長度和最大寬度，再計算所有葉片的面積，最后取平均值。根據葉長、葉寬計算葉面積，計算公式為：

完全展開葉葉面積(cm2)=葉長(cm)×葉寬(cm)×0.75；

不完全展開葉葉面積(cm2)=葉長(cm)×葉寬(cm)×0.50；

葉面積指數(LAI)=總葉面積/土地面積。

1.3.3 產量及其構成因子 待玉米成熟后按小區單獨收獲，曬干、脫粒并計產，各處理的實際產量以3個重復小區產量的平均值計。同時，從各小區隨機取15株玉米進行室內考種，測定穗粗、穗長、穗行數、行粒數、單穗粒數、百粒質量等指標。

1.3.4 水分利用效率 在玉米播種前及收獲后用土鉆取土樣，每20 cm取樣1次，取樣深度為100 cm。樣品用鋁盒封裝帶回實驗室，及時稱質量(濕土和鋁盒)，然后將鋁盒蓋揭開，放至盒底，置于已預熱至105 ℃的烘箱中烘至恒質量(約8 h)，取出，蓋好，移入干燥器內冷卻至室溫(約需20 min)，稱質量(干土質量和鋁盒質量)，計算土壤含水量、土壤貯水量和玉米耗水量。

根據土壤貯水量、玉米耗水量和產量計算水分利用效率。計算公式為：

土壤貯水量(mm)=土層厚度(mm)×土壤含水量×土壤容重；

耗水量(mm)=播種時土壤貯水量(mm)-收獲時土壤貯水量(mm)+生育期降雨量(mm)(由于試驗地無灌溉，且地下水位埋深>10 m，故耗水量公式不考慮灌溉水量和地下水分利用)；

水分利用效率(kg/(hm2·mm))=作物產量(kg/hm2)/作物耗水量(mm)。

1.4 數據處理

利用EXCEL 2010對所測試驗數據進行計算，利用SPSS 19.0軟件中LED多重比較進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤酶活性的影響

土壤酶常處于活化狀態，其活性隨土壤的性質、氣候條件、農業技術措施等因素而變化[14]，反映了土壤中各種生物化學過程的強度和方向，是土壤肥力評價的重要指標之一[15]。不同耕作方式下土壤酶活性的變化如表1所示。

表1 不同耕作方式下土壤酶活性的變化Table 1 Changes in soil enzyme activity under different farming patterns

注：*:同一土層同列數據后標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，標不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

Notes:Different lowercase letters in each column of each layer indicate significant difference at the level of 0.05 LSD(P<0.05) while different uppercase letters indicate extremely significant difference at the level of 0.01 LSD(P<0.01).

從表1可以看出，秸稈覆蓋和頂凌全膜雙壟壟播種植方式在0-20及20-40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均高于對照，分別較對照提高了15.74%和5.19%及9.69%和4.04%，而頂凌全膜雙壟溝播和頂凌全膜平播種植方式的土壤過氧化氫酶活性均低于對照。土壤脲酶活性在0-20和20-40 cm土層中表現出一致性，由高到低依次為秸稈覆蓋種植>頂凌全膜雙壟壟播>無覆蓋平地種植(對照)>頂凌全膜雙壟溝播>頂凌全膜平播；頂凌全膜雙壟壟播和秸稈覆蓋種植0-20 cm土層土壤脲酶活性較對照提高41.94%和60.93%，20-40 cm土層土壤脲酶活性分別較對照提高3.83%和51.37%。0-20 cm土層，土壤蔗糖酶活性高低順序依次為頂凌全膜雙壟壟播>秸稈覆蓋種植>無覆蓋平地種植(對照)>頂凌全膜雙壟溝播>頂凌全膜平播，其中頂凌全膜雙壟壟播和秸稈覆蓋種植土壤蔗糖酶活性較對照分別提高72.39%和36.67%；20-40 cm土層蔗糖酶活性高低順序則為秸稈覆蓋種植>頂凌全膜雙壟壟播>頂凌全膜雙壟溝播>無覆蓋平地種植(對照)>頂凌全膜平播，其中頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播和秸稈覆蓋種植土壤蔗糖酶活性較對照分別提高了17.69%，68.19%和85.54%。各處理土壤堿性磷酸酶活性與脲酶活性表現一致，且在頂凌全膜雙壟壟播和秸稈覆蓋種植方式下，0-20 cm土層土壤堿性磷酸酶活性分別較對照提高了34.93%和38.43%，20-40 cm土層土壤堿性磷酸酶活性分別較對照提高了15.44%和17.89%。

2.2 不同耕作方式對玉米葉面積指數動態變化的影響

葉面積指數(LAI)是反映植物群體生長狀況的一個重要指標，其大小直接影響作物的總生物量。由圖1可以看出，覆膜種植和對照處理旱地玉米葉面積指數呈“S”型曲線變化，即從苗期到拔節期較低，拔節期之后開始逐漸快速上升，乳熟期達到最大值，隨后開始呈下降趨勢；而秸稈覆蓋種植從苗期開始到成熟期，葉面積指數一直呈上升趨勢，至成熟期達到最大值。在不同生育期各處理葉面積指數也有一定差異，抽雄期覆膜處理玉米葉面積指數顯著高于對照，但與秸稈覆蓋種植差異不顯著。各覆膜處理在乳熟期葉面積指數達到最大，此時頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播和頂凌全膜平播種植玉米葉面積指數分別為3.06，2.94和2.72，較對照分別提高了75.75%，69.09%和56.51%；秸稈覆蓋種植葉面積指數在成熟期達到最大值(2.09)，較對照提高30.27%。說明不同種植方式對玉米葉面積指數影響不同，其中以頂凌全膜雙壟溝播效果最好。

2.3 不同耕作方式對玉米單株干物質積累的影響

由圖2可以看出，在整個生育期內，不同耕作方式下玉米單株干物質積累均呈持續增長趨勢，且均從抽雄期開始增長加快，但各個生育期內增長速率不同。玉米苗期到抽雄期，秸稈覆蓋種植干物質積累量與對照無顯著差異，其余種植方式均顯著提高了干物質積累量，但是該時期內的增長幅度遠小于后期。這是由于生育前期(苗期到大喇叭口期)，玉米生長主要以生根為主，且此時玉米葉面積較小，不能生產大量的有機物供給植株生長，所以該時期內地上干物質積累呈現緩慢增長趨勢；而生育中期(大喇叭口期到抽雄期)葉面積增大，光合作用開始增強，但該時期主要以自身地上器官生長為主，因此地上干物質積累速率仍處于平緩狀態。生育后期(抽雄期到成熟期)，葉面積達到整個生育期最大值，光合作用強，且各營養器官干物質向籽粒運轉，該時段內果穗的干物質增加速率較快，從而提高了整個地上部分干物質的積累。至成熟期，頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜平播種植、秸稈覆蓋種植玉米干物質積累分別達到412.64，395.68，380.04和321.32 g/株，較對照分別增加了66.09%，59.27%，52.97%和29.34%，這表明各種植方式均顯著提高了地上干物質累積量，其中壟溝集雨栽培(頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜雙壟溝播)效果要優于頂凌全膜平播種植和秸稈覆蓋種植。

圖1 不同耕作方式對玉米單株葉面積指數的影響Fig.1 Effect of different farming patterns on leaf area index of maize per plant

圖2 不同耕作方式對玉米干物質積累的影響Fig.2 Effect of different farming patterns on dry matter accumulation of maize

2.4 不同耕作方式對玉米穗部性狀的影響

玉米穗部各性狀指標能夠直接反映出最終收獲產量的高低，且穗部性狀中穗粗、穗粒質量等對產量的直接效應均為正值。由表2可以看出，頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜平播種植玉米果穗長度分別比對照增加43.13%，40.36%和35.92%，差異顯著，而秸稈覆蓋種植較對照增加10.04%，無顯著差異；頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜平播種植玉米行粒數分別比對照增加64.88%，68.01%和56.02%，差異顯著，而秸稈覆蓋種植較對照增加10.00%，無顯著差異；頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播、秸稈覆蓋玉米穗行數分別比對照增加15.70%，12.49%和10.86%，差異顯著，而頂凌全膜平播種植較對照增加5.89%，無顯著差異；頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜平播、秸稈覆蓋種植玉米穗粗分別比對照增加了30.94%，26.38%，23.98%和11.03%，差異顯著?？梢?，壟溝集雨栽培(頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜雙壟溝播)方式均顯著增加了穗長、穗粗、穗行數和行粒數；秸稈覆蓋種植方式對穗長、穗粗和穗行數也有一定促進作用，但增加幅度小于壟溝集雨栽培。

表2 不同耕作方式對玉米穗部性狀的影響Table 2 Effect of different farming patterns on ear characters of maize

注：*同列數據后標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，標不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。下表同。

Notes:Different lowercase letters in each column indicate significant difference at the level of 0.05 LSD(P<0.05) while different uppercase letters indicate extremely significant difference at the level of 0.01 LSD(P<0.01).The same below.

2.5 不同耕作方式對玉米產量及其構成因子的影響

產量構成因子中穗粒數和百粒質量與產量呈顯著正相關關系，可以直觀反映出產量的高低。由表3可以看出，頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播、頂凌全膜平播和秸稈覆蓋種植玉米單位面積產量分別較對照增產108.06%，99.03%，76.50%和20.59%，差異顯著。與對照相比，頂凌全膜平播、頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播和秸稈覆蓋耕作方式均顯著提高了穗粒數和百粒質量，而顯著降低了單株成穗數?？梢?，各處理均降低了玉米單株成穗數，提高了穗粒數和百粒質量，其中以壟溝集雨種植模式(頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播)效果最好，頂凌全膜平播種植次之。

表3 不同耕作方式對玉米產量及其構成因子的影響Table 3 Effect of different farming patterns on yield components and actual output of maize

2.6 不同耕作方式對玉米水分利用效率的影響

從表4可以看出，覆膜處理播前土壤貯水量基本一致，且高于秸稈覆蓋與對照處理，但是收獲后各處理之間均存在差異，且壟溝集雨種植方式(頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播)貯水量明顯高于其他處理。壟溝集雨栽培處理產量顯著增加，但土壤貯水量變化不大，表明地膜覆蓋減少了土壤水分蒸發，所消耗的水分大部分被作物吸收利用，不僅提高了玉米產量，而且水分利用效率也有一定幅度的增加。作物耗水量從高到低依次為：頂凌全膜平播>對照>頂凌全膜雙壟壟播>頂凌全膜雙壟溝播>秸稈覆蓋種植，這主要是由于玉米自身生長耗水和植株騰發共同作用的結果，說明在降水較少、蒸發量大的旱作農業區，全面覆蓋能夠有效抑制土壤水分蒸發，能有效收集有限的降水以供給作物生長發育。作物耗水的最終目的表現在產量上，而水分利用效率體現了耗水的價值。本試驗結果表明，與對照相比，各覆蓋栽培技術均提高了作物水分利用效率，尤以壟溝集雨技術最為明顯，提高幅度依次為：頂凌全膜雙壟溝播(119.91%)>頂凌全膜雙壟壟播(106.97%)>頂凌全膜平播(55.28%)>秸稈覆蓋(32.85%)。

表4 不同耕作方式對玉米耗水量及水分利用效率的影響Table 4 Effect of different farming patterns on water consumption and water use efficiency of maize

3 討論與結論

集雨栽培技術作為旱作農業節水的關鍵技術之一，主要通過改善土壤含水量、土壤溫度、土壤養分及土壤酶活性等土壤性狀來促進作物生長。而土壤酶在土壤生態系統的物質循環和能量流動方面扮演著重要角色[14]，對土壤中養分的轉化和吸收起著舉足輕重的作用，其活性的高低能夠間接反映出農業耕作方式的可持續性。本研究結果表明，土壤酶活性以秸稈覆蓋種植最好，其次為頂凌全膜雙壟壟播，而頂凌全膜雙壟溝播和頂凌全膜平播種植的土壤酶活性大多低于對照。從整體分析來看，各處理土壤酶活性大多表現為0-20 cm土層高于20-40 cm土層，而頂凌全膜雙壟壟播和頂凌全膜雙壟溝播由于田間起壟等農業工序，使土壤性狀得到改善和重新布局，0-40 cm土壤酶活性變化幅度比其他處理小。

葉片是玉米有機物質生產的主要器官，其葉面積大小及光合作用強弱對玉米的生長發育和籽粒產量有重要影響[16]。本試驗結果表明，不同耕作方式下玉米葉面積指數動態變化均呈現出“慢-快-慢”生長特征，覆膜栽培和無覆蓋平地種植玉米葉面積指數在乳熟期達到最大值，而秸稈覆蓋種植到成熟期才達到最大值。這可能是由于秸稈覆蓋地表后阻礙了光照對地表的照射，減弱了光照強度，降低了土壤溫度，從而減緩了玉米生長速率，推遲了玉米生育進程，使得秸稈覆蓋種植方式下玉米葉面積指數至成熟期才達到最大值。因此，溝壟集雨栽培方式可有效促進玉米葉片生長，增大葉面積指數，導致光合產物增多，最終提高總生物量和產量。

干物質產生和積累是玉米生長發育的重要指標，也是產量形成的物質基礎，在一定范圍內干物質積累量與產量呈極顯著正相關。同時，玉米植株95%左右的干物質積累來自光合產物，玉米獲得高產的基本途徑就是盡量增加干物質產量，并使之盡可能多地分配到籽粒當中[17]。不同耕作方式下玉米地上干物質積累與葉面積動態變化存在一定差異，主要表現在生育后期，該時期內盡管葉面積指數開始減小，但生物量積累總量始終呈遞增趨勢。本試驗表明，從出苗期到成熟期玉米干物質積累量隨生育期的增長而持續增加。陳遠學等[18]研究發現，玉米在拔節期以前干物質積累緩慢，拔節期后迅速上升，吐絲期或灌漿期積累量達到最大值，而后呈緩慢下降的趨勢，這與本試驗研究結果不同，可能與供試玉米品種的差異有關。與無覆蓋平地種植相比，集雨栽培技術(頂凌全膜雙壟溝播、頂凌全膜雙壟壟播)可明顯提高玉米全生育時期的干物質積累量。

不同栽培方式對玉米穗部性狀和產量構成因子均有較大影響，其中以壟溝集雨種植方式最為顯著，頂凌全膜平播種植次之。壟溝集雨栽培方式顯著增加了玉米的穗長、穗粗、穗行數、行粒數和百粒質量，降低了單株成穗數。同時，秸稈覆蓋種植方式對穗長、穗粗和穗行數也有一定促進作用，但增加幅度小于壟溝集雨種植效果。

各種覆蓋耕作方式均可顯著提高玉米產量，但增產效果不同，表現為：頂凌全膜雙壟溝播(108.06%)>頂凌全膜雙壟壟播(99.03%)>頂凌全膜平播(76.50%)>秸稈覆蓋種植(20.59%)。關于集雨栽培技術的增產機理，多數研究認為是水溫效益[19-20]，且隨著試驗區域的不同，增產效果不一。牛芬菊等[21]2010-2011年在蘭州市榆中縣(半干旱區)開展的試驗結果表明，壟溝集雨栽培技術能改善土壤水溫，促進作物生長發育，作物產量較對照(半膜平作)顯著提高(72.70%～81.18%)。劉曉偉等[11]2008-2010年在平涼市莊浪縣(半濕潤區)開展的試驗結果表明，壟溝集雨秋季覆膜栽培技術可明顯減少冬春季土壤水分的無效蒸發，顯著改善玉米耕層土壤水溫狀況，平均產量比對照(晚春播前覆膜)提高了16.58%～33.04%。本試驗結果表明，不同覆蓋耕作方式均能顯著提高玉米總產量、穗粒數和百粒質量，進一步驗證了上述研究結論。

集雨栽培技術集覆蓋抑蒸、增溫保墑、膜面集雨等技術于一體，最大限度地蓄積微小降雨，減少地面蒸發，達到抗旱保墑和集水入滲的目的，滿足了旱地玉米全生育期生長發育對土壤水分的需求。本試驗結果表明，各覆蓋栽培技術均提高了作物水分利用效率，尤以壟溝集雨技術最為明顯，且以頂凌全膜雙壟溝播最高(30.59 kg/(hm2·mm))，頂凌全膜雙壟壟播次之(28.79 kg/(hm2·mm))，而無覆蓋平地種植(對照)最低(13.91 kg/(hm2·mm))?？梢钥闯?，壟溝集雨技術通過高效利用土壤抑蒸水分和自然降水，有效地解決了自然降水與作物需水的供需錯位問題，實現了降水資源的時空調配，提高了農業生態系統生產力。綜上所述，集雨栽培技術最大的特點在于同步提高了玉米干物質積累速率和轉運能力，極大地促進了同化物向玉米穗部轉移，最終使產量顯著提高，在旱作農業生產中有一定的適應性和優越性。盡管頂凌全膜雙壟溝播能夠顯著提高玉米產量和水分利用效率，但不利于土壤酶活性的提高，而頂凌全膜雙壟壟播表現出較好的優勢。因此，頂凌全膜雙壟壟播種植技術對當地作物的產量效應、社會和生態意義，以及對旱作農業的可持續發展具有重大的現實意義。

[1] 莫 非,周 宏,王建永,等.田間微集雨技術研究及應用 [J].農業工程學報,2013,29(8):1-17.

Mo F,Zhou H,Wang J Y,et al.Development and application of micro-field rain-harvesting technologies [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(8):1-17.(in Chinese)

[2] 李 倩,張 睿,賈志寬.玉米旱作栽培條件下不同秸稈覆蓋量對土壤酶活性的影響 [J].干旱地區農業研究,2009,17(4):152-154.

Li Q,Zhang R,Jia Z K.Effect of different amount of straw mulching on soil enzyme activities in dry land [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2009,17(4):152-154.(in Chinese)

[3] 孔維萍,成自勇,張 芮,等.不同覆蓋及種植方式下旱地玉米前期水熱及出苗效應 [J].灌溉排水學報,2014,33(3):119-121.

Kong W P,Cheng Z Y,Zhang R,et al.Effects of different covers modes and cropping patterns on water and heat in early stage and seeding rates of maize in dry land [J].Journal of Irrigation and Drainage,2014,33(3):119-121.(in Chinese)

[4] 魯向暉,高 鵬,王 飛,等.寧夏南部山區秸稈覆蓋對春玉米水分利用及產量的影響 [J].土壤通報,2008,39(6):1248-1251.

Lu X H,Gao P,Wang F,et al.Effect of straw mulch on yield and water utilization of spring maize in the south mountainous area of Ningxia [J].Chinese Journal of Soil Science,2008,39(6):1248-1251.(in Chinese)

[5] 高玉紅,?？×x,閆志利,等.不同覆膜栽培方式對玉米干物質積累及產量的影響 [J].中國生態農業學報,2012,20(4):440-446.

Gao Y H,Niu J Y,Yan Z L,et al.Effects of different plastic-film mulching techniques on maize (ZeamaysL.) dry matter accumulation and yield [J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2012,20(4):440-446.(in Chinese)

[6] 王紹美,金勝利,王 剛.半干旱區全覆膜雙壟溝播技術對玉米產量和水分利用效率的影響 [J].甘肅農業大學學報,2010,45(4):100-106.

Wang S M,Jin S L,Wang G.Effect of double ridges mulched with wide plastic film on crop yield and water use efficiency in semi-arid areas [J].Journal of Gansu Agricultural University,2010,45(4):100-106.(in Chinese)

[7] 金勝利,周麗敏,李鳳民,等.黃土高原地區玉米雙壟全膜覆蓋溝播栽培技術土壤水溫條件及其產量效應 [J].干旱地區農業研究,2010,28(2):28-33.

Jin S L,Zhou L M,Li F M,et al.Effect of double ridges mulched with wide plastic film on soil water,soil temperature and yield of corn in semiarid Loess Plateau of China [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2010,28(2):28-33.(in Chinese)

[8] 孫玉蓮,邊學軍,黃成秀,等.全膜雙壟溝播對旱區玉米田土壤水分和溫度的影響 [J].中國農業氣象,2014,35(5):511-515.

Sun Y L,Bian X J,Huang C X,et al.Effects of full plastic-film mulching on double ridges with furrow on soil moisture and temperature in dry-farming maize area [J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(5):511-515.(in Chinese)

[9] 孔維萍,成自勇,張 芮,等.不同覆蓋及耕作方式對玉米生長和水分利用效率的影響 [J].灌溉排水學報,2014,33(4/5):103-106.

Kong W P,Cheng Z Y,Zhang R,et al.Effects of different covers and cropping patterns on maize growth,yield and water use efficiency in dryland farming [J].Journal of Irrigation and Drainage,2014,33(4/5):103-106.(in Chinese)

[10] 任小龍,賈志寬,陳小莉,等.半干旱區溝壟集雨對玉米光合特性及產量的影響 [J].作物學報,2008,34(5):838-845.

Ren X L,Jia Z K,Chen X L,et al.Effects of ridge and furrow planting for rainfall harvesting on photosynthetic characteristics and yield in corn in semi-arid regions [J].Acta Agronomica Sinica,2008,34(5):838-845.(in Chinese)

[11] 郭滿平,劉生瑞,白宏鵬.不同覆膜栽培對玉米土壤水分溫度及產量的影響 [J].干旱地區農業研究,2015,33(2):50-55.

Guo M P,Liu S R,Bai H P.Effects of different plastic mulching practices on soil moisture,soil temperature and yields of maize [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2015,33(2):50-55.(in Chinese)

[12] 劉曉偉,何寶林,郭天文.全膜雙壟溝不同覆膜時期對玉米土壤水分和產量的影響 [J].核農學報,2012,26(3):602-609.

Liu X W,He B L,Guo T W.Effects of full mulching on double ridges with different mulching methods on soil water content and maize yield in dryland [J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2012,26(3):602-609.(in Chinese)

[13] 關松蔭,張德生,張志明.土壤酶及其研究法 [M].北京:農業出版社,1986.

Guan S Y,Zhang D S,Zhang Z M.Soil enzyme and its study method [M].Beijing:Agricultural Press,1986.(in Chinese)

[14] 向澤宇,王長庭,宋文彪,等.草地生態系統土壤酶活性研究進展 [J].草業科學,2011,28(10):1801-1806.

Xiang Z Y,Wang C T,Song W B,et al.Advances on soil enzymatic activities in grassland ecosystem [J].Pratacultural Science,2011,28(10):1801-1806.(in Chinese)

[15] 門 倩,海江波,岳忠娜,等.化肥減量對玉米田土壤酶活性及微生物量的影響 [J]. 西北農林科技大學學報:自然科學版,2012,40(6):134-140.

Men Q,Hai J B,Yue Z N,et al.Effects on maize field soil enzyme activities and microbial biomass of chemical fertilizer reduction [J].Journal of Northwest A&F University:Natural Science Edition,2012,40(6):134-140.(in Chinese)

[16] 張德健,路戰遠,張向前,等.不同耕作條件下玉米光合特性的差異 [J].華北農學報,2014,29(2):161-164.

Zhang D J,Lu Z Y,Zhang X Q,et al.Effects of conservation tillage technology systems on diurnal variations of photosynthetic characteristics of maize [J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2014,29(2):161-164.(in Chinese)

[17] 馬赟花,薛吉全,張仁和,等.不同高產玉米品種干物質積累轉運與產量形成的研究 [J].廣東農業科學,2010(3):36-40.

Ma Y H,Xue J Q,Zhang R H,et al.Relationship between dry matter accumulation and distribution to yield of different maize cultivars [J].Guangdong Agricultural Science,2010(3):36-40.(in Chinese)

[18] 陳遠學,李漢邯,周 濤,等.施磷對間套作玉米葉面積指數、干物質積累分配及磷肥利用效率的影響 [J].應用生態學報,2013,24(10):2799-2806.

Chen Y X,Li H H,Zhou T,et al.Effects of phosphorus fertilization on leaf area index,biomass accumulation and allocation,and phosphorus use efficiency of intercropped maize [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(10):2799-2806.(in Chinese)

[19] 李尚中,樊廷錄,王 勇,等.不同覆膜集雨種植方式對旱地玉米葉綠素熒光特性、產量和水分利用效率的影響 [J].應用生態學報,2014,25(2):458-466.

Li S Z,Fan T L,Wang Y,et al.Effects of plastic film mulching and rain harvesting modes on chlorophyll fluorescence characteristics,yield and water use efficiency of dryland maize [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2014,25(2):458-466.(in Chinese)

[20] 孫學保,楊祁峰,?？×x,等.旱地全膜雙壟溝播玉米增產效應研究 [J].作物雜志,2009(3):32-36.

Sun X B,Yang Q F,Niu J Y,et al.Effect of whole covering on double ridges an planting in catchment furrows on yield increase of dry land maize [J].Crops,2009(3):32-36.(in Chinese)

[21] 牛芬菊,張 雷,李小燕,等.旱地全膜雙壟溝播玉米秸稈還田對玉米生長及產量的影響 [J].干旱地區農業研究,2014,32(3):161-166.

Niu F J,Zhang L,Li X Y,et al.Effect of stalk returning and plastic mulching on growth and yield of maize under ridge and furrow planting in dryland [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2014,32(3):161-166.(in Chinese)

Effects of cultivation methods on soil enzyme and dry matter accumulation and yield of spring maize in dryland

LIU Xing-huaa,WANG Qib,JIA Sheng-haia

(aSchoolofEngineering,bCollegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

【Objective】 This paper studied the effects of five different cultivation patterns on soil enzyme activities,and growth and yield formation of spring maize to explore cultivation measures for high and stable yield of spring maize and sustainable development in the Loess Plateau.【Method】 Field experiments with full mulching on double ridges and planting in furrows in early spring (FFP),full mulching on double ridges and planting in ridges in early spring (FRP),flat planting with whole plastic in early spring (FWP),flat planting with straw mulching (SCP) and without mulching planting were conducted to analyzed effects of different cultivation methods on changes in activities of enzymes (catalase,urease,invertase and alkaline phosphatase) in soil depths of 0-20 cm and 20-40 cm as well as growth and development status,changes in dry matter accumulation and yield components of maize at different growth periods.【Result】 Compared to without mulching planting,full mulching on double ridges and planting in ridges and flat planting with straw mulching significantly improved soil catalase activities at depths of 0-20 and 20-40 cm soil by 5.19%,15.74% and 4.04%,9.69%,increased urease activities by 41.94%,60.93% and 3.83%,51.37%,increased invertase activities by 72.39%,36.67% and 68.19%,85.54%,and increased alkaline phosphatase activities by 34.93%,38.43% and 15.44%,17.89%,respectively.At the same time,the rainfall cultivation of full mulching on double ridges and planting in furrows and full mulching on double ridges and planting in ridges significantly increased the leaf area index by 75.75% and 69.09% at the mature stage,the dry matter accumulation by 59.27% and 66.09% at mature stage,the yield by 108.06% and 99.03%,and water use efficiency by 119.91% and 106.97%,respectively.【Conclusion】 According to high-yield and sustainable agricultural development,the most appropriate treatment was the FRP.

spring maize;rain harvesting;soil enzyme;above-ground dry matter accumulation;yield

時間:2015-08-05 08:56DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.011

2015-03-27

國家自然科學基金項目(41461062，41161090)

劉星華(1990-)，男，甘肅蘭州人，碩士，主要從事農業水土工程研究。E-mail:liuxinghua522@163.com

賈生海(1963-)，男，甘肅武威人，教授，主要從事農業水土工程研究。E-mail:jiash@gsau.edu.cn

S513

A

1671-9387(2015)09-0073-09

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0856.022.html