徐鵬飛,杜 雄,孫小諾,高 震,邊大紅,崔彥宏
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河北省作物生長調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071001;2. 河北省保定市氣象局, 河北 保定 071000)
河北平原是我國糧食的主要產(chǎn)區(qū),而水資源短缺已成為區(qū)域作物生產(chǎn)的特征性制約因素[1-2]。為了持續(xù)提高糧食產(chǎn)量,長期抽取地下水灌溉業(yè)已造成了地下水位的快速下降,出現(xiàn)了世界面積最大、深度最深的地下漏斗區(qū)[3-6]。如果地下水的過度開采問題得不到有效緩解,將會造成地下水枯竭[7]。如何利用有限的水資源進(jìn)行糧食作物的可持續(xù)生產(chǎn),已成為河北省迫切需要解決的問題。在國家糧食生產(chǎn)總體供需平衡的前提下,周年需多次灌溉的兩熟種植模式在河北省低平原地下水壓采區(qū)已不再適用,在壓縮小麥面積和綜合考量不同作物的種植收益,恢復(fù)春玉米一熟生產(chǎn)已經(jīng)成為區(qū)域的必然選擇[8-9]。由于冬春土表裸露,凍融蒸發(fā)失水嚴(yán)重,春玉米生產(chǎn)仍需要灌溉來滿足需求。因此,為了克服降水總量少和季節(jié)分布不均的問題,玉米收獲后秋季較為充足的土壤水分如果保蓄至翌年春季的“秋水春用,秋貯春供”技術(shù)創(chuàng)新成為實(shí)現(xiàn)高效用水的關(guān)鍵。覆蓋栽培作為一種有效節(jié)水的栽培技術(shù),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用[10]。農(nóng)田覆蓋能夠有效保蓄土壤水分[11]、調(diào)節(jié)土壤溫度[12]、改善土壤結(jié)構(gòu)[13]、調(diào)節(jié)土壤微生物環(huán)境和提高供肥能力[14],從而促進(jìn)了作物生長發(fā)育,提高了產(chǎn)量和水分利用效率[15]。針對玉米收獲后土壤裸露水分蒸發(fā)嚴(yán)重的問題,通過秋季覆蓋可有效降低農(nóng)田非生長季的水分無效蒸發(fā),保蓄至供翌年作物所用[16]。但在對于氣溫較高的華北平原地膜常規(guī)覆蓋后土壤高溫造成的玉米早衰減產(chǎn)是個需要解決的問題。因此,本研究在對地膜地表覆蓋改為機(jī)械作業(yè)土下覆膜來避免土壤升溫問題的前提下,比較分析農(nóng)田秋季實(shí)施的不同覆蓋方式對地下水壓采區(qū)農(nóng)田的節(jié)水效果和玉米產(chǎn)量形成的作用,以期探索一條以“秋水春用”為特色的提高土壤水分保蓄能力和高效利用降水的玉米生產(chǎn)模式,為減少地下水開采量和穩(wěn)定糧食產(chǎn)量提供理論和技術(shù)支撐。
田間試驗(yàn)于2017年10月-2018年10月在河北省農(nóng)林科學(xué)院深州旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站實(shí)施。該站位于黑龍港平原區(qū)(37°54′12.50″N, 115°42′10.94″E, 海拔20 m),年平均氣溫12.7 ℃,地下水埋深 10 m 以下,其生態(tài)條件代表河北平原區(qū)。年均降水量約500 mm。試驗(yàn)地土質(zhì)為黏壤質(zhì)潮土,耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量平均為有機(jī)質(zhì)12.5 g/kg、堿解氮65.8 mg/kg、有效磷15.3 mg/kg、速效鉀121.9 mg/kg,土壤容重1.38~1.49 g/cm3。試驗(yàn)地內(nèi)的自動氣象站逐日采集降水?dāng)?shù)據(jù),降水量如表1所示。
表1 試驗(yàn)期間的降水量Tab.1 The rainfall in the field experiment period mm
上茬玉米收獲后于2017年10月10日在實(shí)施土下地膜覆蓋和秸稈覆蓋的處理。土下覆膜處理采用2MBXF-120型旋耕覆膜覆土機(jī)進(jìn)行作業(yè),地膜使用蘭州鑫銀環(huán)公司生產(chǎn)的厚0.01 mm的耐候地膜,覆土厚度為1~2 cm。試驗(yàn)分為在大口期灌水75 mm(W)和雨養(yǎng)旱作(R) 2種水分條件下,設(shè)置土下無孔地膜覆蓋(PM)、有孔土下地膜覆蓋(P0M)、玉米秸稈覆蓋(SM)、常規(guī)露地(NP)等處理,3次重復(fù),共24個小區(qū),小區(qū)面積4 m×5 m。有孔地膜用電鉆在地膜上鉆孔,孔徑為0.5 cm,孔距為8 cm;秸稈覆蓋處理在農(nóng)田旋耕鎮(zhèn)壓后,將粉碎的上茬玉米秸稈再均勻平鋪在地表,覆蓋量為1.1 kg/m2;常規(guī)露地對照則是農(nóng)田旋耕鎮(zhèn)壓耱平地面后而無秸稈覆蓋。實(shí)施處理前,整個試驗(yàn)田按每公頃N 375 kg,P2O5150 kg,K2O 180 kg撒施底肥,15 cm旋耕與土壤混勻,以后整個生育期內(nèi)不再追肥,氮肥使用尿素,磷肥使用磷酸二銨,鉀肥使用氯化鉀。2018年4月28日用自走式鴨嘴單粒播種機(jī)播種,品種為先玉335,種植密度75 000株/hm2,60 cm 等行距種植。9月15日收獲。
1.3.1 籽粒產(chǎn)量 收獲前統(tǒng)計每小區(qū)并折算單位面積有效穗數(shù)。每小區(qū)收取中間未取樣破壞的3行4 m長區(qū)域的果穗,隨機(jī)挑選20穗進(jìn)行室內(nèi)考種,記錄穗行數(shù)、行粒數(shù)等。收獲后的全部果穗風(fēng)干后脫粒,用“PM~8188”型谷物水分測定儀測定籽粒含水量,再按含水量14%折合單位面積產(chǎn)量。同時進(jìn)行千粒質(zhì)量的測定。
1.3.2 生物產(chǎn)量 從三葉期開始每隔10 d測定一次生物產(chǎn)量,每次各小區(qū)選取3株有代表性植株,將樣品在烘箱中105 ℃殺青30 min,然后調(diào)至80 ℃烘干至恒質(zhì)量并稱質(zhì)量。成熟期樣株按不同器官分離烘干后分別測定,并計算不同器官所占整株的比例。
1.3.3 葉面積和光合勢 在結(jié)合生物產(chǎn)量取樣的同時測定葉面積,玉米從三葉期開始每10 d取3株玉米測定植株葉面積,葉面積:長×寬×0.75(展葉0.75,未展葉0.5)。葉面積指數(shù)=單株葉面積×單位面積株數(shù)。
光合勢=((第1次測的葉面積+第2次測定的葉面積)/2)×間隔天數(shù), 單位為(m2·d)/hm2。
1.3.4 穗花發(fā)育及籽粒敗育情況 在雌穗將要吐絲但未吐出苞葉的時候,每個處理取6株長勢一致的植株,數(shù)其分化的小花總數(shù);在散粉結(jié)束時,數(shù)敗育花數(shù)(花發(fā)育不健全)及未受精的花數(shù)(花絲未能抽出苞葉或花絲與籽粒連接處沒有萎蔫脫落)?;〝∮蕿榛〝∮龜?shù)(敗育花數(shù)與未受精花數(shù)之和)與分化的小花總數(shù)的比值。在花后5,12 d及完熟時數(shù)敗育的籽粒數(shù)及正常的籽粒數(shù)。
1.3.5 土壤水分含量和水分利用效率 分別于覆蓋、玉米播種和拔節(jié)、大口、吐絲、收獲等各關(guān)鍵生育時期,鉆取0~200 cm土層土樣,每10 cm為一層,烘干測土法測定土壤水分含量。
計算公式如下:土壤貯水量(mm)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×水質(zhì)量/干土質(zhì)量×10;
土壤貯水變化量(mm)=階段初土壤含水量-階段末土壤含水量;
生育期耗水量(mm)=當(dāng)季作物播種時土壤貯水量(mm)-當(dāng)季作物收獲時土壤貯水量(mm)+生長期間降水量(mm)+灌水量(mm);
非生育期耗水量(mm)=覆蓋時的土壤貯水量-播種時的土壤貯水量+期間降水量(無灌水);
全年耗水量(mm)=生育期耗水量(mm)+非生育期耗水量(mm);
水分利用效率(kg/(mm·hm2))=籽粒產(chǎn)量/田間耗水量。
因本試驗(yàn)地點(diǎn)的地下水埋深在10 m以下,未出現(xiàn)地表水分徑流喪失,因此土壤表面水分徑流量及地下水補(bǔ)給量以0計算。
2.1.1 籽粒產(chǎn)量 由表2可知,土下地膜覆蓋顯著提高了穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。雨養(yǎng)旱作條件下土下地膜覆蓋產(chǎn)量較秸稈覆蓋和露地處理提高了15.4%~22.2%和18.0%~24.9%,此時土下地膜覆蓋產(chǎn)量較灌水條件下秸稈覆蓋和露地處理提高了6.8%~13.2%和10.8%~17.4 %,由此可見其生育前期的蓄水保水對生育中后期的供水進(jìn)而提高產(chǎn)量發(fā)揮了重要作用,比常規(guī)條件下進(jìn)行一次灌溉的效果更為顯著。雨養(yǎng)旱作條件下,秸稈覆蓋和常規(guī)露地處理的千粒質(zhì)量差異顯著,但常規(guī)露地的穗粒數(shù)高于秸稈覆蓋的結(jié)果,抵消了兩者在產(chǎn)量上的差異。灌水條件下秸稈覆蓋和常規(guī)露地的產(chǎn)量結(jié)果與雨養(yǎng)旱作相同。對于灌水與雨養(yǎng)旱作的比較,4個副處理千粒質(zhì)量灌溉較雨養(yǎng)提高了2.9%~4.6%,穗粒數(shù)提高了3.7%~5.1%,最終產(chǎn)量提高6.46%~9.94%。由此可見,土下地膜覆蓋可顯著提高雨養(yǎng)旱作的玉米產(chǎn)量,在此基礎(chǔ)上大口期灌水能夠提高穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量,進(jìn)而使產(chǎn)量繼續(xù)增加。
2.1.2 耗水與水分利用效率 表2表明,在雨養(yǎng)旱作條件下,生育期內(nèi)PM、P0M和SM分別比露地下少耗水70.6,67.8,36.4 mm,可見地膜有孔與否對生育期的耗水量無顯著影響,而顯著好于秸稈覆蓋;同時因產(chǎn)量的提高與減少耗水的協(xié)同作用,土下地膜覆蓋比露地WUE提高了41.0%~50.5%,秸稈覆蓋提高了12.0%。在灌水條件下,各覆蓋處理的節(jié)水效果與雨養(yǎng)旱作下相同,但各處理因灌水也相應(yīng)增加了耗水量42.7~49.4 mm,而相同處理的水分利用效率和在灌水與雨養(yǎng)2種條件之間不具顯著差異。除了玉米生育期內(nèi)的蒸散耗水,還有非生長季的蒸發(fā)耗水,地膜覆蓋還能顯著降低非生育期的蒸發(fā)耗水55.7~74.8 mm,秸稈覆蓋減少31.8~42.6 mm,秸稈覆蓋的保水效果顯著低于地膜覆蓋,因而雨養(yǎng)下地膜覆蓋可減少玉米農(nóng)田周年耗水126.3~128.1 mm,WUE提高了54.6%~63.2%,秸稈覆蓋減少周年耗水76.2~77.9 mm,WUE提高了18.4%~19.1%,灌水增加了周年耗水37.8~57.mm,土下地膜覆蓋和秸稈覆蓋比露地依然減少耗水量138.5~148.2 mm,77.9 mm,WUE提高了58.5%~66.6%,18.3%。
各處理雌穗分化的小花總數(shù)差異不顯著(表3),土下地膜覆蓋有效降低了敗育花數(shù)和未受精花數(shù),從而導(dǎo)致正常受精小花數(shù)顯著高于其他處理。雨養(yǎng)旱作條件下,土下地膜覆蓋的敗育花數(shù)和未受精花數(shù)較常規(guī)露地分別降低了20.0%~27.3%,31.0%~38.2%,較秸稈覆蓋分別降低了4.3%~13.0%,20.0%~26.0%。大口期灌水可降低敗育花數(shù)、未受精花數(shù)和敗育籽粒數(shù),較雨養(yǎng)旱作條件下降低了2.2%~10.0%,2.5%~8.1%,3.7%~9.4%,同一處理在灌水條件與雨養(yǎng)條件下敗育籽粒數(shù)差異顯著;在灌一水條件下,土下地膜覆蓋籽粒敗育率顯著低于其他處理,較低的籽粒敗育率為其提高了有效穗粒數(shù)。
表2 不同處理的玉米產(chǎn)量與水分利用效率Tab.2 Maize yield and its water use efficiency under different treatments
注:同列不同小寫字母分別表示處理間差異顯著(P<0.05)水平。表3-5同。
Note:Small letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 levels. The same as Tab.3-5.
表3 覆蓋方式對玉米雌穗穗花發(fā)育及籽粒敗育的影響Tab.3 Effect of mulching method on differentiation of floret and abortion grain in ear
2.3.1 葉面積指數(shù) 由圖1可知,不同處理葉面積指數(shù)(LAI)在吐絲期之前不斷增大,到吐絲期達(dá)到峰值。雨養(yǎng)旱作下,PM、P0M和SM吐絲期葉面積指數(shù)分別較露地處理提高了21.5%,18.2%,10.0%,灌水條件下覆蓋葉面積指數(shù)的效果與雨養(yǎng)相同。土下地膜覆蓋、秸稈覆蓋和露地等處理吐絲時灌水后較雨養(yǎng)旱作條件下平均提高了6.5%,4.8%,11.8 %,由此可知大口期灌水可更能提高露地種植玉米的LAI,而對覆蓋下的植株葉面積指數(shù)影響較小。地膜覆蓋處理葉片生長較快且生長量大,LAI高于露地。秸稈覆蓋葉面積指數(shù)吐絲前高于露地,而灌水條件下露地葉面積指數(shù)和雨養(yǎng)旱作下玉米秸稈覆蓋處理不顯著。土下地膜覆蓋處理吐絲后LAI到8月底一直保持較高的水平,這為春玉米積累更多的干物質(zhì)提供了條件保障。
圖1 不同處理對葉面積指數(shù)的影響Fig.1 The effect of different treatments on leaf area index
圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。The different small letters indicates significant difference among different treatments (P<0.05).
2.3.2 光合勢 從圖2可以看出,地膜覆蓋吐絲前群體光合勢顯著高于秸稈覆蓋和常規(guī)露地,相同處理群體光合勢在灌水與雨養(yǎng)條件下不具備差異性,且吐絲-收獲的群體光合勢占到群體總光合勢的60%左右。覆蓋提高了玉米群體光合勢,雨養(yǎng)旱作條件下,PM、P0M和SM群體總光合勢分別較常規(guī)露地提高了22.6%,18.2%,8.9%。灌水條件下吐絲后同一處理群體光合勢要高于雨養(yǎng)旱作,群體光合勢較雨養(yǎng)旱作條件下提高2.5%~9.4%。
由表4可知,地膜覆蓋籽粒干物質(zhì)積累量顯著高于秸稈覆蓋和露地,雨養(yǎng)旱作條件下土下地膜覆蓋籽粒質(zhì)量較常規(guī)處理提高了8.6%~10.0%,較秸稈覆蓋提高了11.8%~13.2%。秸稈覆蓋干物質(zhì)籽粒積累量和常規(guī)露地差異不顯著。在灌水條件下各處理的營養(yǎng)器官干物質(zhì)分配與雨養(yǎng)旱作條件下相比較差異不顯著,而籽粒干物質(zhì)積累量較雨養(yǎng)旱作條件下顯著提高6.6%~9.9%。
表4 成熟期單株干物質(zhì)的分配Tab.4 Distribution of dry matter per plant at maturity
2.5.1 不同階段耗水量 從表5可知,各處理耗水強(qiáng)度基本相同,非生長季最小,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)不斷增大,在大口期-吐絲期達(dá)到最大值,而后又變小。非生長季常規(guī)露地耗水強(qiáng)度高于各覆蓋處理,SM、P0M和PM非生長季土壤耗水量分別較露地平均減少37.2,67.5,61.1 mm。播種-拔節(jié)期,農(nóng)田耗水仍以蒸發(fā)為主,PM和P0M耗水強(qiáng)度分別較NP降低了21.7%~29.2%,11.3%~26.5%,相應(yīng)的減少耗水24.1~33.9 mm,12.6~30.7mm;SM處理因植株生長緩慢,耗水量低于其他處理。
拔節(jié)期-大口期,玉米迅速生長導(dǎo)致耗水強(qiáng)度大幅增加,PM、P0M和SM的耗水強(qiáng)度分別比NP提高18.3%~24.0%,12.8%~19.1%,5.2%~9.8%。土下地膜覆蓋改善了土壤溫度和水分條件,使玉米生長快、生育期提前,而較大的植株蒸騰導(dǎo)致了較高的耗水強(qiáng)度。
大口期-吐絲期,由于覆膜的減蒸保水穩(wěn)墑作用,雨養(yǎng)下土下覆膜處理的耗水量顯著低于灌水條件下的常規(guī)露地。從玉米不同生育期的田間耗水量來看,與常規(guī)露地相比,覆膜減少了玉米大口前的無效耗水量,而增加了大口后的供水量,這為后期灌漿和產(chǎn)量形成提供了水分來源。吐絲期-收獲期,各處理耗水強(qiáng)度顯著降低,這與多降水、少日照的氣象環(huán)境降低了玉米田蒸散有關(guān)。
2.5.2 土壤貯水變化 覆蓋-播種(圖3-A),非生育期降雨108.6 mm,PM、P0M和SM土層貯水比露地增加了45.8,62.3,56.2 mm;露地除40 cm以上土層有42.6~51.5 mm無效耗水外,60 cm以下皆有增加,PM和P0M 0~60 cm為主要增水層,80 cm以下次之;玉米秸稈覆蓋0~80 cm為主要增水層。播種-拔節(jié)期(圖3-B),降雨量46.4 mm,常規(guī)露地供水層為0~120 cm,而秸稈覆蓋由于生長發(fā)育緩慢,0~2 m耗水量低于其他處理。
表5 周年不同階段的農(nóng)田耗水量及耗水速率Tab.5 Field water consumption amount and ratio in different stage of a whole year
圖3 春玉米田2 m土體貯水變化Fig.3 Soil water storage dynamic in different soil layers of 2 m soil body for spring maize
拔節(jié)期-大口期(圖3-C),常規(guī)露地主要供水層為0~120 cm,2 m土層貯水減少量露地為30.6~32.5 mm,PM、P0M和SM耗水量較常規(guī)露地降低了37.9%~44.9%,45.1%~52.7%,35.8%~40.0%,地膜覆蓋的主要供水層比常規(guī)露地淺1/2,秸稈覆蓋的主要供水層為0~80 cm;從播種-大口期,常規(guī)露地平均消耗土壤水181.4 mm,PM、P0M和SM平均消耗土壤貯水為139.3,147.5,144.2 mm,說明地膜覆蓋和秸稈覆蓋有效降低土壤水分消耗,為春玉米中后期生長發(fā)育和產(chǎn)量形成提供了充分的水分蓄存。
大口期-吐絲期(圖3-D),大口期灌水處理(PM-W、P0M-W、NP-W和SM-W)除80 cm以上土層有耗水外,80 cm以下則有少量增加。雨養(yǎng)旱作條件下土下無孔地膜覆蓋、有孔土下地膜覆蓋和玉米秸稈覆蓋(PM-R、P0M-R和SM-R)消耗2 m土壤水86.3,82.5,76.0 mm。對于常規(guī)露地雨養(yǎng)(NP-R),由于大口期前對土壤水的大幅消耗,2 m土壤水供應(yīng)量小于覆膜處理。這一階段中未灌水的各處理土壤水消耗都在0~120 cm土層內(nèi)。吐絲期-收獲期(圖3-E),由于多次的降雨,各處理0~2 m的土壤含水量較吐絲有所回升,PM、P0M和SM土壤貯水量較常規(guī)露地平均增加了45.7,52.9,21.5 mm。
水資源是作物生產(chǎn)的關(guān)鍵性因子之一,河北平原年內(nèi)降水少且季節(jié)間降水分布不均對作物的生長發(fā)育造成了極大的影響[17]。喬靈芝等[16]研究表明,秋季覆蓋可以有效緩解土壤水分時間上失衡的問題,并減少水分的無效蒸發(fā),滿足生育期的水分需求,從而促進(jìn)了作物生長,最終獲得了較高的產(chǎn)量和水分利用效率。然而傳統(tǒng)技術(shù)中地膜裸露造成土壤升溫導(dǎo)致玉米早衰減產(chǎn)、土壤水分快速蒸發(fā)而不能有效節(jié)水等問題。本試驗(yàn)通過秋季進(jìn)行土下覆蓋來蓄存土壤水分的方法得以解決,使播種時土壤貯水較露地提高了45.8~62.3 mm,證明了秋覆蓋可以有效提高播種時的土壤蓄水量[18]。另外,隨著春玉米生育進(jìn)程的推進(jìn),土壤貯水不斷下降,而河北省6,7月上旬干旱少雨,在大喇叭口期易形成“卡脖旱”,造成減產(chǎn)[19], 針對此問題,本試驗(yàn)所采用的土下地膜覆蓋方式通過調(diào)水、蓄水及降低水分蒸發(fā)可以滿足玉米大口期的需水,而露地處理因無水可供,通過灌一水才避免了減產(chǎn)。
葉片是作物截獲光能的載體,玉米籽粒產(chǎn)量的積累主要來源于光合產(chǎn)物,葉面積指數(shù)的高低反映著作物群體結(jié)構(gòu)和生長狀況。本研究表明,覆膜改善了農(nóng)田的水、熱條件,促進(jìn)了玉米的生長,使得LAI和群體光合勢一直高于露地處理。適宜的LAI和較高的群體光合勢是玉米高產(chǎn)的重要原因,這與呂曉等[20]和楊德光等[21]的研究結(jié)果一致。但較高的LAI產(chǎn)生較多的蒸騰,加速了水分的消耗,而本試驗(yàn)采用土下的覆膜方式有效的保蓄降水并降低土面蒸發(fā),在雨養(yǎng)旱作條件下使得生育期WUE較露地提高了41.0%~50.5%;此外,本研究顯示覆膜處理敗育花數(shù)和未受精花數(shù)較常規(guī)露地分別降低了20.0%~27.3%和31.0%~38.2%,從而提高了有效籽粒數(shù),最終提高了產(chǎn)量,驗(yàn)證了農(nóng)田水分供應(yīng)情況顯著影響籽粒敗育結(jié)果[22]。
春玉米土下地膜覆蓋處理增產(chǎn)效果明顯,雨養(yǎng)條件下較常規(guī)露地提高18.0%~24.9%,秸稈覆蓋產(chǎn)量和露地差異不顯著。秋季土下地膜覆蓋是地下水壓采區(qū)提高降雨潛在利用效率的有效措施,通過秋季覆蓋可有效降低休閑季節(jié)土壤水分蒸發(fā),蓄存非生長季的降雨,達(dá)到秋水春用的目的。在雨養(yǎng)旱作條件下,土下無孔地膜覆蓋、有孔土下地膜覆蓋和秸稈覆蓋生育期水分利用效率分別比常規(guī)露地提高了50.5%,41.0%,12.0%,而周年水分利用效率提高了63.2%,54.6%,19.1%,且地膜覆蓋的主要供水層比常規(guī)露地淺1/2。土下無孔地膜覆蓋和有孔土下地膜覆蓋的節(jié)水效果顯著好于秸稈覆蓋,灌水條件下的結(jié)果與雨養(yǎng)旱作條件下相同。