【摘要】：在中國(guó)西北半干旱區(qū),集雨種植系統(tǒng)正在被逐步推行,以用于改善農(nóng)田水分狀況,提高水分利用效率。為進(jìn)一步完善集雨種植技術(shù),本研究在半干旱區(qū)(寧夏彭陽(yáng)縣)集雨種植下,設(shè)置了3個(gè)玉米種植密度(L:5.25萬(wàn)株ha~(-1);M:7.50萬(wàn)株ha~(-1);H:9.75萬(wàn)株ha~(-1))和4種補(bǔ)灌方式(NI:全程不灌溉;IV:11葉期補(bǔ)灌375 m~3 ha~(-1);IS:吐絲期補(bǔ)灌375 m~3 ha~(-1);IVS:11葉期和吐絲期均補(bǔ)灌375 m~3 ha~(-1))。通過(guò)連續(xù)兩年(2015~2016)大田試驗(yàn),分析了不同補(bǔ)灌方式和種植密度對(duì)農(nóng)田土壤水分、耗水特征、玉米生長(zhǎng)、光合生理特性、產(chǎn)量及水分利用效率的影響,取得如下主要研究結(jié)果:1、集雨補(bǔ)灌和種植密度對(duì)農(nóng)田土壤水分及耗水特征的影響(1)集雨補(bǔ)灌主要增加了玉米吐絲后0-200 cm土層的土壤含水量,尤其在灌漿期增幅明顯;在灌漿期IV、IS和IVS處理兩年平均土壤含水量較NI分別增加了7.2%、9.4%和13.6%。種植密度對(duì)玉米11葉期之前的土壤含水量影響較小,而在吐絲期、灌漿期和成熟期土壤含水量隨種植密度的增加顯著降低。集雨補(bǔ)灌和種植密度主要影響了0-60和60-120 cm土層的土壤貯水量,而對(duì)120-200 cm土層土壤貯水量影響較小。(2)在玉米11葉期之前,隨著種植密度的增加耗水量及耗水強(qiáng)度增高,且在降水較多時(shí)種植密度對(duì)其影響較小。在玉米吐絲后的階段,耗水量及耗水強(qiáng)度隨種植密度的增加而降低,尤其在吐絲至灌漿階段降幅較大。在吐絲至灌漿階段,中、高密度下兩年平均耗水量較低密度分別降低了9.8%和20.3%。在11葉期補(bǔ)灌主要提高了玉米11葉至吐絲階段的耗水量和耗水強(qiáng)度,而在吐絲期補(bǔ)灌顯著提高了吐絲至灌漿階段的耗水量及耗水強(qiáng)度。在玉米11葉至吐絲階段,IV和IVS處理兩年平均耗水量較NI分別增加了12.3%和13.5%,在吐絲至灌漿階段IS和IVS處理較NI分別增加了37.6%和54.3%。2、集雨補(bǔ)灌和種植密度對(duì)玉米生長(zhǎng)及抗倒伏性的影響(1)2015和2016年在11葉期補(bǔ)灌提高了吐絲期0-20 cm土層土壤中的根長(zhǎng)密度和根表面積密度,有利于根系在表層土壤中的生長(zhǎng),而11葉期不灌溉促進(jìn)了根系向深層土壤延伸。集雨補(bǔ)灌可延緩玉米生育后期根系的衰退,與NI相比,在蠟熟期IV、IS和IVS處理下0-100 cm土層兩年平均根長(zhǎng)密度分別增加了28.7%、48.8%和55.2%,根表面積密度分別增加了40.4%、64.9%和80.5%。集雨補(bǔ)灌較不灌溉也顯著提高了玉米蠟熟期的單株葉面積、地上干物質(zhì)、根干重和根冠比,且在IS補(bǔ)灌方式下的增幅高于IV。雖然IVS的灌水量是IS的兩倍,但較IS并沒(méi)有顯著提高單株葉面積和地上干物質(zhì),并且降低了根冠比,提高了植株的穗位高和重心高度,加大了玉米倒伏的風(fēng)險(xiǎn)。(2)在吐絲期和蠟熟期,中、高密度種植較低密度顯著增加了0-100 cm土層平均根長(zhǎng)密度和根表面積密度。然而,高密度較低密度顯著降低了根干重和莖粗,顯著提高了穗位高和穗高系數(shù),較中密度顯著降低了根冠比,這都增大了高密度種植下玉米的倒伏率。在中、高密度下兩年平均根倒伏率分別是低密度的4.1和10.1倍,莖倒伏率分別是低密度的6.8和36.3倍。3、集雨補(bǔ)灌和種植密度對(duì)玉米葉片及光合生理特性的影響(1)兩年在11葉期、吐絲期和灌漿期,低密度下各補(bǔ)灌方式的葉片相對(duì)葉綠素含量差異不顯著,而在灌漿期中、高密度下IS和IVS高于NI。在蠟熟期同一補(bǔ)灌方式下,隨著密度的增加葉片相對(duì)葉綠素含量顯著降低。兩年在11葉期或吐絲期灌水后,進(jìn)行補(bǔ)灌的處理較NI顯著提高了葉片相對(duì)含水量,且在干旱年(2016)的增幅高于平水年(2015)。與NI相比,IV提高了吐絲期灌水前的葉片相對(duì)含水量,而IS顯著提高了灌漿期的葉片相對(duì)含水量。在吐絲期和灌漿期,高密度種植較低、中密度顯著降低了葉片相對(duì)含水量。(2)兩年在11葉期補(bǔ)灌后,IV和IVS較NI明顯提高了葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO_2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr),但降低了葉片水分利用效率(WUE_L)。干旱年在吐絲期補(bǔ)灌前,IV和IVS較NI顯著提高了Gs、Ci、Pn和Tr,而在平水年差異不顯著。兩年在吐絲期補(bǔ)灌后及灌漿期,IS和IVS較NI提高了Gs、Tr和Pn,且在灌漿期顯著提高了WUE_L。在灌漿期IV、IS和IVS較NI兩年平均Pn分別增加了17.0%、27.2%和30.3%。灌漿期同一補(bǔ)灌方式下,隨著密度的增加Ci升高,而Gs、Tr、Pn和WUE_L降低;中、高密度較低密度兩年平均Pn分別降低了8.1%和27.6%,高密度種植明顯降低了葉片的光合能力。(3)在11葉期補(bǔ)灌后和吐絲期補(bǔ)灌前,IV和IVS較NI降低了葉片初始熒光(Fo),增加了暗反應(yīng)最大熒光(Fm)和可變熒光(Fv),從而顯著提高葉片光系統(tǒng)Ⅱ潛在活性(Fv/Fo)和光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),且在干旱年高密度下差異較大。兩年在吐絲期補(bǔ)灌后及灌漿期,同一密度下IS和IVS較NI顯著降低了Fo,明顯提高了Fm、Fv、Fv/Fo和Fv/Fm。在灌漿期IV、IS和IVS較NI兩年平均Fv/Fo分別增加了17.8%、27.6%和35.1%,平均Fv/Fm分別增加了8.4%、11.4%和12.6%,這說(shuō)明在吐絲期補(bǔ)灌明顯提高了玉米灌漿期葉片的光合性能。在灌漿期同一補(bǔ)灌方式下,隨著密度的增加Fo升高,而Fm、Fv、Fv/Fo和Fv/Fm降低,且在干旱年高密度與低密度差異顯著。在灌漿期高密度種植下的葉片受損嚴(yán)重,較低密度兩年平均Fv/Fo和Fv/Fm分別降低了19.3%和5.9%。4、集雨補(bǔ)灌和種植密度對(duì)玉米干物質(zhì)積累及光能利用的影響(1)2015和2016年玉米在吐絲后嚴(yán)重受到干旱脅迫的影響,致使葉面積指數(shù)大幅度降低,而IS和IVS處理恰好為玉米生殖生長(zhǎng)提供水分,較NI顯著提高了玉米蠟熟期的葉面積指數(shù)和生物量。在平水年補(bǔ)灌方式對(duì)吐絲前總干物質(zhì)積累量影響不顯著,而在干旱年IV、IS和IVS較NI顯著提高了吐絲前總干物質(zhì)積累量。無(wú)論平水年還是干旱年,IS和IVS較NI顯著提高了吐絲后總干物質(zhì)積累量,且IS與IVS差異不顯著。兩年在11葉期、吐絲期、灌漿期和蠟熟期,中、高密度較低密度顯著提高了葉面積指數(shù),有利于干物質(zhì)的積累。(2)兩年試驗(yàn)結(jié)果表明,中、高密度種植較低密度顯著提高了玉米11葉期、吐絲期和灌漿期的光能截獲率,從而使全生育期的光能截獲量顯著增高。雖然高密度種植較低密度顯著提高了玉米吐絲前的光能利用效率,但吐絲后光能利用效率顯著降低,導(dǎo)致全生育期光能利用效率差異不顯著。在干旱年IV、IS和IVS較NI顯著提高了玉米吐絲前及全生育期的光能利用效率,而在平水年差異不顯著。無(wú)論平水年還是干旱年,IV、IS和IVS較NI顯著提高了玉米吐絲后光能利用效率,且IS顯著高于IV。然而,IV和IS較NI并沒(méi)有顯著提高吐絲后及全生育期的光能截獲量,這說(shuō)明集雨補(bǔ)灌主要通過(guò)增加干物質(zhì)積累量來(lái)提高光能利用效率,而對(duì)光能截獲量的影響較小。兩年數(shù)據(jù)平均值表明,中密度下吐絲期補(bǔ)灌處理(M-IS)獲得了最高的全生育期光能利用效率(1.56 g MJ~(-1))。5、集雨補(bǔ)灌和種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用的影響(1)兩年隨著種植密度的增加禿尖長(zhǎng)顯著升高,百粒重顯著降低,中密度種植下的行粒數(shù)和穗粒數(shù)顯著高于高密度,而穗行數(shù)無(wú)顯著差異,這說(shuō)明種植密度主要通過(guò)影響行粒數(shù)來(lái)改變穗粒數(shù),而穗行數(shù)受密度的影響較小。兩年中、高密度下的籽粒產(chǎn)量顯著高于低密度,較低密度兩年平均分別提高了8.8%和9.7%。中、高密度種植較低密度也顯著提高了產(chǎn)量及生物量的水分利用效率(WUE_G和WUE_B)、灌水利用效率(IWUE_G和IWUE_B)、以及產(chǎn)量灌水生產(chǎn)效率(IWP_G)。然而,與中密度相比,高密度種植并不能顯著提高籽粒產(chǎn)量、WUE_G、IWUE_G和IWP_G,并且顯著降低了收獲指數(shù)。(2)集雨補(bǔ)灌較不灌溉顯著降低了禿尖長(zhǎng),增加了穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)和百粒重,從而顯著提高籽粒產(chǎn)量。與NI相比,IV、IS和IVS處理的兩年平均籽粒產(chǎn)量分別增加了13.2%、21.3%和22.6%。雖然IVS的灌水量是IS的2倍,但在同一密度下,IVS較IS并沒(méi)有顯著提高籽粒產(chǎn)量、WUE_G和WUE_B,并且顯著降低了IWUE_G、IWUE_B和IWP_G。我們還發(fā)現(xiàn),在干旱年中、高密度下,IS處理下的WUE_G、IWUE_G和IWP_G顯著高于IV。兩年數(shù)據(jù)平均值顯示,在所有處理中,雖然在中密度下11葉期和吐絲期均補(bǔ)灌處理(M-IVS)獲得了最高的籽粒產(chǎn)量(13.3 t ha~(-1)),但與M-IS處理(13.2 t ha~(-1))差異不顯著;在M-IS處理下獲得了最高的WUE_G(30.8 kg ha~(-1) mm~(-1))、IWUE_G(35.3 kg ha~(-1) m~(-3))和IWP_G(6.9 kg ha~(-1) m~(-3)),較M-IVS分別增加了5.7%,98.5%和92.6%。綜上所述,在集雨種植系統(tǒng)下中密度種植(7.50萬(wàn)株ha~(-1))結(jié)合吐絲期補(bǔ)灌(375 m~3ha~(-1))處理可促進(jìn)玉米生長(zhǎng),提高葉片光合性能,最終提高籽粒產(chǎn)量以及水分和光能的利用效率。兩年平均凈收益也表明,該處理獲得了最高的凈收入(1.54萬(wàn)元ha~(-1))。因此,在中國(guó)西北半干旱地區(qū),中密度種植結(jié)合吐絲期集雨補(bǔ)灌是一種有效提升玉米產(chǎn)量、水分及光能利用效率的適宜種植模式。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S513
【圖文】：

減緩徑流的運(yùn)移速度，延長(zhǎng)雨水在地表的滯留時(shí)間，從而減少地表徑提高雨水入滲效率（胡兵輝 2006；張鵬 2016）。根據(jù)農(nóng)田土壤水分平衡理論分循環(huán)主要以垂直方向上的水分交換為主，即蒸發(fā)和入滲，在干旱半干旱地區(qū)量很大，溝壟集雨種植通過(guò)壟上覆蓋塑料薄膜，在土壤與大氣之間形成一個(gè)隔斷土壤中的水氣與大氣交換，減少土壤水分蒸發(fā)，以此達(dá)到保墑的目的（康紹。

技術(shù)路線圖

第二章 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法 試驗(yàn)區(qū)概況本試驗(yàn)于 2015 至 2016 年在寧夏彭陽(yáng)縣旱作農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行，該區(qū)位于寧夏回族自南部邊緣、六盤(pán)山東麓（經(jīng)度 106°45′~106°58'，緯度 35°41'~36°17'，海拔 1800 m）土高原丘陵溝壑區(qū)，屬溫帶半干旱氣候。年平均降水量約 410 mm，全年降雨分配勻，7~9 月份占全年降水的 60%以上。年水面蒸發(fā)量約 1700 mm，年均氣溫 8.1℃日照時(shí)數(shù) 2518 h，年均輻射量 172.6 千卡 cm-2，干燥度為 1.21~1.99，無(wú)霜期 140~16圖 2-1 為試驗(yàn)區(qū) 2015 和 2016 年以及 40 年（1975 2014）月平均降雨量，40 年平降雨量為 410 mm，玉米生育期降雨量為 339 mm。2015 和 2016 年的年降雨量分別47.7 和 345.7 mm，玉米生育期降雨量分別為 335.2 和 251.6 mm。與 40 年平均玉米期降雨量相比，2015 年屬于平水年，2016 年屬于干旱年。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2775180