关中西部地区覆膜玉米揭膜契机与水肥耦合关系的研究
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摘要
近年来，玉米地膜覆盖栽培技术在西北半干旱地区，特别是在关中西部地区得到大面积推广应用，已成为这一地区重要的栽培模式。但由于长期覆盖地膜，破坏了土壤结构，影响了耕地质量和土壤的通透性，抑制了作物对水分、养分的吸收和作物生长发育，造成减产，大量的地膜残留在土壤中，还对农业生态环境构成了“白色污染”，因而该地区覆膜玉米实际产量与潜力产量仍然存在较大差距，且水肥利用效率不高。针对关中西部地区覆膜玉米生产存在的主要问题，本论文在以往研究工作基础上，通过盆栽和大田试验，系统的研究和分析了不同水氮条件下揭膜契机对关中西部地区覆膜玉米根系生长状况、生理生长、产量、水氮利用效率及综合效益的影响，研究得出了以下主要结论：
（1）不同水分条件与揭膜时期对覆膜夏玉米根系生长的影响研究表明，对根长、根表面积、平均直径、根体积和根系干质量这5个根系指标进行主成分分析，得到的综合主成分可以代表92.09%的根系信息，具有较好的代表性与客观性，可用于玉米的根系评价。在高水条件下（65%θF～80%θF），对关中西部地区覆膜夏玉米在抽雄期进行揭膜处理，根系生长状况的综合主成分最高，作物产量和水分利用率也最佳。
（2）不同水分条件与揭膜时期对覆膜春玉米生理生长、产量及水分利用效率的影响研究表明，中水（60%θF～70%θF）抽雄期揭膜处理生育中后期茎粗、地下部干物质量和根冠比最大，根系活力和叶片叶绿素含量最高，叶片丙二醛含量最小，玉米生育中后期株高、叶面积、总生物量和地上部干物质量均较大，叶片脯氨酸含量较小，而且这些指标与不同水分和揭膜时期组合处理下的最大（小）值差异不大。另外，中水抽雄期揭膜处理的单株产量（108.3g·株-1）与最大值（高水抽雄期揭膜：111.2g·株-1）相比，仅减少了2.7%，差异不明显；其耗水量显著低于所有高水处理；水分利用效率最大（8.31g kg-1），且显著大于其它组合处理。
（3）施氮量与揭膜时期对覆膜夏玉米生理生长、产量及水氮利用效率的影响研究表明，在覆膜夏玉米生育中后期，相同施氮条件下，与全生育期覆膜处理相比，抽雄期揭膜提高了根系活力，增加了夏玉米株高、叶面积和地上部干物质量，提高了叶片净光合速率，降低了叶片丙二醛含量，获得了较优的穗部性状和较高的籽粒产量、水分利用效率及氮肥农学效率和偏生产力，而拔节-抽雄期揭膜处理与全生育期覆膜处理之间无明显差异；当揭膜时期相同时，施氮处理的夏玉米生理生长、产量及水氮利用效率等指标均优于不施氮处理，而高氮和低氮处理间无显著差异，随着施氮量的增加，叶片净光合速率、籽粒产量、水分利用效率及氮肥农学效率和偏生产力呈现减少趋势，叶片丙二醛含量呈现增加趋势。关中西部地区覆膜夏玉米的最优覆膜施氮模式为：施氮量为120kg/hm~2，抽雄期揭膜。
（4）揭膜对覆膜玉米根区土壤温度的影响研究表明，抽雄期揭膜能降低覆膜玉米生育中后期土壤温度，缓解后期高温的不利影响，改变水肥气热环境，增加水氮利用效率和产量。揭膜后将地膜随时拿出地块，减轻了地膜对土壤环境的污染。
（5）通过建立基于信息熵理论的多层次多目标综合评价模型，并采用盆栽和大田试验数据进行计算分析，结果表明，不同水分和揭膜时期组合，中水抽雄期揭膜处理的最终综合效益最理想；不同施氮量和揭膜时期组合，低氮抽雄期揭膜处理最终综合效益最高。所得结果符合生产实际情况，因此，基于信息熵理论的揭膜方案综合效益模糊评价模型可为覆膜玉米最佳揭膜方案提供较为可靠的技术指导。
In recent years, film mulching techniques of maize had became a major cultivationpattern in the northwest semiarid region especially the western guanzhong region. But filmmulching for a long time could destroy soil structure, affected the quality of cultivated landand soil permeability, suppressed the absorption of moisture, nutrients and crop growth, andcaused production reduction, it also left a lot of plastic film residues, which made the “plasticpollution” to agroecological environment. As a result, there presented low efficiency of waterand fertilizer, and large gaps between attainable yield of maize grown with recommendedpractices and potential productivity in this region. In order to solve the problems, the effectsof uncovering plastic film periods under different water and nitrogen conditions on rootgrowth, physiology, growth, yield, utilization of water and nitrogen and comprehensivebenefits of film mulching maize in western guanzhong region were studied and systematicanalyzed by pot and field experiments. After studying I have preliminarily obtained somemajor research results as follows:
（1）The evaluation of root-inducing effect of summer maize under different water levelsand uncovering plastic film periods was studied. By using the principle component analysismethod to evaluate root length, root surface area, root average diameter, root volume and rootdry mass, the results showed that principle component could represent92.09%primordial rootinformation with better representation and objectivity, and thus could be used as the maizeroot system evaluation. When uncovering plastic film at tasseling stage in the higher waterlevel (65%θF～80%θF), the highest comprehensive root index, dry matter accumulation,yield and water use efficiency were achieved.
（2）The effects of water levels and uncovering plastic film periods on physiology,growth, yield and water use efficiency of spring maize were studied.The results showed that,during middle and late growth stage, the treatment of uncovering plastic film at tasselingstage under middle water level had the best stem diameter, underground biomass, root shootratio, root activity, leaf chlorophyll content and leaf MDA content, and better plant height,leaf area, total biomass, aboveground biomass and leaf Pro content, which had little difference between these values and the maximum (minimum). Moreover, compared with the max yield(the treatment of uncovering plastic film at tasseling stage under high water level:111.2g plant-1), the yield of uncovering plastic film at tasseling stage under middle water level(108.3g plant-1), had little difference, reduced by2.7%. The water consumption ofuncovering plastic film at tasseling stage under middle water level was significantly lowerthan all high water treatments, and its WUE (8.31g kg-1)) was significantly greater than othertreatments.
（3）The effects of nitrogen rates and uncovering plastic film periods on physiology,growth, yield, WUE and NUE of summer maize were studied.The results showed that, duringmiddle and late growth stage, through increasing the root activity, uncovering plastic film attasselling stage increased the plant height, leaf area, and dry mass accumulation, improvedleaf photosynthetic rate, decreased leaf MDA content, and got better ear characters, yield,WUE, NAE and NPFP in comparison with mulching plastic film treatment under threenitrogen rates. However, there were no significant differences between uncovering plastic filmat jointing-tasselling stage and mulching plastic film treatments. With the same uncoveringplastic film period, applying nitrogen fertilizer was better than without nitrogen application inthe physiology, growth, yield, WUE and NUE of summer maize. however, there were nosignificant differences between high nitrogen and low nitrogen treatments. As the increasingof nitrogen rates, leaf photosynthetic, yield and water use efficiency decreased, and leaf MDAcontent increased. In this study, taking yield, water and nitrogen use efficiency andenvironment effect into consideration, the appropriate uncovering plastic film period andnitrogen rate of summer maize in mulched field in the Guanzhong Region were uncoveringplastic film at tasselling stage under N120kg hm-2.
（4）The effects of uncovering plastic film periods on soil temperature in maize rootzonewere studied.The results showed that, uncovering plastic film at tasselling stage loweredtemperature, relieved the adverse effect of high temperature during the later growing season,ensuring a favourable environment of moisture, fertilizer, gas and temperature and to improveWUE, NUE and yield, thereby improved economic benefits. Removing the film early can alsodecrease environmental pollution and reduce recovery or reprocessing costs, a distinct butsmall advantage.
（5）The multi-hierarchy and multi-objective fuzzy theory was applied to establish amulti-hierarchy and multi-objective fuzzy evaluation model of comprehensive benefits touncovering film maize. The results showed that, uncovering plastic film at tasseling stageunder middle water level got the optimal comprehensive benefits in the treatments of coupling of water and uncovering plastic film period, and uncovering plastic film at tasseling stageunder low nitrogen got the optimal comprehensive benefits in the treatments of coupling ofnitrogen and uncovering plastic film period. The results can be popularized in productionpractice. Therefore, the evaluation model of comprehensive benefits to uncovering film maizebased on information entropy theory can provide the reliable technical guidance for theoptimal uncovering film scheme of film mulching maize.
（1）不同水分条件与揭膜时期对覆膜夏玉米根系生长的影响研究表明，对根长、根表面积、平均直径、根体积和根系干质量这5个根系指标进行主成分分析，得到的综合主成分可以代表92.09%的根系信息，具有较好的代表性与客观性，可用于玉米的根系评价。在高水条件下（65%θF～80%θF），对关中西部地区覆膜夏玉米在抽雄期进行揭膜处理，根系生长状况的综合主成分最高，作物产量和水分利用率也最佳。
（2）不同水分条件与揭膜时期对覆膜春玉米生理生长、产量及水分利用效率的影响研究表明，中水（60%θF～70%θF）抽雄期揭膜处理生育中后期茎粗、地下部干物质量和根冠比最大，根系活力和叶片叶绿素含量最高，叶片丙二醛含量最小，玉米生育中后期株高、叶面积、总生物量和地上部干物质量均较大，叶片脯氨酸含量较小，而且这些指标与不同水分和揭膜时期组合处理下的最大（小）值差异不大。另外，中水抽雄期揭膜处理的单株产量（108.3g·株-1）与最大值（高水抽雄期揭膜：111.2g·株-1）相比，仅减少了2.7%，差异不明显；其耗水量显著低于所有高水处理；水分利用效率最大（8.31g kg-1），且显著大于其它组合处理。
（3）施氮量与揭膜时期对覆膜夏玉米生理生长、产量及水氮利用效率的影响研究表明，在覆膜夏玉米生育中后期，相同施氮条件下，与全生育期覆膜处理相比，抽雄期揭膜提高了根系活力，增加了夏玉米株高、叶面积和地上部干物质量，提高了叶片净光合速率，降低了叶片丙二醛含量，获得了较优的穗部性状和较高的籽粒产量、水分利用效率及氮肥农学效率和偏生产力，而拔节-抽雄期揭膜处理与全生育期覆膜处理之间无明显差异；当揭膜时期相同时，施氮处理的夏玉米生理生长、产量及水氮利用效率等指标均优于不施氮处理，而高氮和低氮处理间无显著差异，随着施氮量的增加，叶片净光合速率、籽粒产量、水分利用效率及氮肥农学效率和偏生产力呈现减少趋势，叶片丙二醛含量呈现增加趋势。关中西部地区覆膜夏玉米的最优覆膜施氮模式为：施氮量为120kg/hm~2，抽雄期揭膜。
（4）揭膜对覆膜玉米根区土壤温度的影响研究表明，抽雄期揭膜能降低覆膜玉米生育中后期土壤温度，缓解后期高温的不利影响，改变水肥气热环境，增加水氮利用效率和产量。揭膜后将地膜随时拿出地块，减轻了地膜对土壤环境的污染。
（5）通过建立基于信息熵理论的多层次多目标综合评价模型，并采用盆栽和大田试验数据进行计算分析，结果表明，不同水分和揭膜时期组合，中水抽雄期揭膜处理的最终综合效益最理想；不同施氮量和揭膜时期组合，低氮抽雄期揭膜处理最终综合效益最高。所得结果符合生产实际情况，因此，基于信息熵理论的揭膜方案综合效益模糊评价模型可为覆膜玉米最佳揭膜方案提供较为可靠的技术指导。
In recent years, film mulching techniques of maize had became a major cultivationpattern in the northwest semiarid region especially the western guanzhong region. But filmmulching for a long time could destroy soil structure, affected the quality of cultivated landand soil permeability, suppressed the absorption of moisture, nutrients and crop growth, andcaused production reduction, it also left a lot of plastic film residues, which made the “plasticpollution” to agroecological environment. As a result, there presented low efficiency of waterand fertilizer, and large gaps between attainable yield of maize grown with recommendedpractices and potential productivity in this region. In order to solve the problems, the effectsof uncovering plastic film periods under different water and nitrogen conditions on rootgrowth, physiology, growth, yield, utilization of water and nitrogen and comprehensivebenefits of film mulching maize in western guanzhong region were studied and systematicanalyzed by pot and field experiments. After studying I have preliminarily obtained somemajor research results as follows:
（1）The evaluation of root-inducing effect of summer maize under different water levelsand uncovering plastic film periods was studied. By using the principle component analysismethod to evaluate root length, root surface area, root average diameter, root volume and rootdry mass, the results showed that principle component could represent92.09%primordial rootinformation with better representation and objectivity, and thus could be used as the maizeroot system evaluation. When uncovering plastic film at tasseling stage in the higher waterlevel (65%θF～80%θF), the highest comprehensive root index, dry matter accumulation,yield and water use efficiency were achieved.
（2）The effects of water levels and uncovering plastic film periods on physiology,growth, yield and water use efficiency of spring maize were studied.The results showed that,during middle and late growth stage, the treatment of uncovering plastic film at tasselingstage under middle water level had the best stem diameter, underground biomass, root shootratio, root activity, leaf chlorophyll content and leaf MDA content, and better plant height,leaf area, total biomass, aboveground biomass and leaf Pro content, which had little difference between these values and the maximum (minimum). Moreover, compared with the max yield(the treatment of uncovering plastic film at tasseling stage under high water level:111.2g plant-1), the yield of uncovering plastic film at tasseling stage under middle water level(108.3g plant-1), had little difference, reduced by2.7%. The water consumption ofuncovering plastic film at tasseling stage under middle water level was significantly lowerthan all high water treatments, and its WUE (8.31g kg-1)) was significantly greater than othertreatments.
（3）The effects of nitrogen rates and uncovering plastic film periods on physiology,growth, yield, WUE and NUE of summer maize were studied.The results showed that, duringmiddle and late growth stage, through increasing the root activity, uncovering plastic film attasselling stage increased the plant height, leaf area, and dry mass accumulation, improvedleaf photosynthetic rate, decreased leaf MDA content, and got better ear characters, yield,WUE, NAE and NPFP in comparison with mulching plastic film treatment under threenitrogen rates. However, there were no significant differences between uncovering plastic filmat jointing-tasselling stage and mulching plastic film treatments. With the same uncoveringplastic film period, applying nitrogen fertilizer was better than without nitrogen application inthe physiology, growth, yield, WUE and NUE of summer maize. however, there were nosignificant differences between high nitrogen and low nitrogen treatments. As the increasingof nitrogen rates, leaf photosynthetic, yield and water use efficiency decreased, and leaf MDAcontent increased. In this study, taking yield, water and nitrogen use efficiency andenvironment effect into consideration, the appropriate uncovering plastic film period andnitrogen rate of summer maize in mulched field in the Guanzhong Region were uncoveringplastic film at tasselling stage under N120kg hm-2.
（4）The effects of uncovering plastic film periods on soil temperature in maize rootzonewere studied.The results showed that, uncovering plastic film at tasselling stage loweredtemperature, relieved the adverse effect of high temperature during the later growing season,ensuring a favourable environment of moisture, fertilizer, gas and temperature and to improveWUE, NUE and yield, thereby improved economic benefits. Removing the film early can alsodecrease environmental pollution and reduce recovery or reprocessing costs, a distinct butsmall advantage.
（5）The multi-hierarchy and multi-objective fuzzy theory was applied to establish amulti-hierarchy and multi-objective fuzzy evaluation model of comprehensive benefits touncovering film maize. The results showed that, uncovering plastic film at tasseling stageunder middle water level got the optimal comprehensive benefits in the treatments of coupling of water and uncovering plastic film period, and uncovering plastic film at tasseling stageunder low nitrogen got the optimal comprehensive benefits in the treatments of coupling ofnitrogen and uncovering plastic film period. The results can be popularized in productionpractice. Therefore, the evaluation model of comprehensive benefits to uncovering film maizebased on information entropy theory can provide the reliable technical guidance for theoptimal uncovering film scheme of film mulching maize.
引文
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