張曉娟 張尚沛 程炳文 羅世武 王 勇 楊軍學 王曉軍

（寧夏農(nóng)林科學院固原分院，756000，寧夏固原）

中國干旱、半干旱地區(qū)面積約占國土總面積的52.5%，是中國北方農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)展的重要土地資源[1]。在北方干旱區(qū)，干旱缺水是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的主要限制因子，作物產(chǎn)量和土壤性狀對土壤水熱變化過程非常敏感[2]。而地膜覆蓋栽培技術(shù)能有效聚集天然降水，抑制蒸發(fā)，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[3-6]。近年來，針對不同區(qū)域及不同覆膜方式對干旱區(qū)作物產(chǎn)量及土壤改善效果的報道較多，秸稈和地膜覆蓋是目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的兩種主要地表覆蓋栽培方式[7]，相關研究主要集中在棉花[8-9]、小麥[10]和玉米[11-12]等作物產(chǎn)量方面，在作物水分利用效率[13]、土壤水熱狀況[14]、土壤微生物活性[15]和土壤養(yǎng)分改善[16]等方面也展開了一系列的研究。

寧南山區(qū)自然條件較差，降水稀少、季節(jié)分配不均和春旱頻繁是該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙[17]。天然降水是該旱作農(nóng)業(yè)區(qū)域唯一的水分來源，受區(qū)域氣候干旱化等綜合因素的影響，該區(qū)域作物種植結(jié)構(gòu)單一，土壤貧瘠化加劇，作物產(chǎn)量較低[18]，但該區(qū)域光熱資源豐富，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)潛力很大[19-20]，為此，合理采用蓄水保墑措施、調(diào)整作物結(jié)構(gòu)和提高土壤肥力來最大限度地蓄積土壤水分，提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率，已成為該區(qū)域旱地農(nóng)作物高產(chǎn)栽培的重要研究內(nèi)容，也對區(qū)域作物結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要的指導意義。糜子是寧南山區(qū)主要糧食作物之一，因其具有耐旱、耐瘠薄、抗病蟲害、適應性廣和營養(yǎng)豐富等優(yōu)點，近年來已成為寧南山區(qū)小雜糧及區(qū)域特色農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃中重點發(fā)展的大產(chǎn)業(yè)[21-22]。

寧南山區(qū)屬于冷涼干旱區(qū)，春季的干旱和低溫是限制作物生產(chǎn)的兩大氣候因素，因此，農(nóng)田土壤集雨保墑、土壤水熱及其肥力狀況是寧南山區(qū)作物產(chǎn)量的重要決定因子和指示器[23]，改善土壤水熱狀況、提高土壤肥力及縮短生育期對寧南山區(qū)作物穩(wěn)產(chǎn)保收顯得尤為重要。本文主要通過研究露地種植、膜上種植、膜側(cè)種植和起壟覆膜種植模式對寧南山區(qū)旱地糜子生長發(fā)育、產(chǎn)量及土壤環(huán)境的影響，為進一步挖掘?qū)幠细珊?、半干旱區(qū)作物增產(chǎn)潛力及旱地覆膜技術(shù)對土壤的演變機制提供理論依據(jù)，探索適宜該區(qū)糜子生產(chǎn)的高效栽培方式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏農(nóng)林科學院固原分院頭營試驗基地（36°44′ N，106°44′ E），海拔 1550m，該地區(qū)為溫帶干旱區(qū)，屬典型的北溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫6.9℃，年均降水量約350mm，年均無霜期152d，冬春季大風活動強烈，春季凍害頻繁且降水稀少，季節(jié)分配不均。土壤類型以黃綿土和黑壚土為主，土壤結(jié)構(gòu)疏松，易遭風蝕或水蝕，土壤肥力中等，土壤容重1.23g/cm3，有機質(zhì)含量7.38g/kg，堿解氮46.7mg/kg，速效磷27.2mg/kg，速效鉀181.3mg/kg，pH值8.2，全鹽量4.6g/kg。

1.2 試驗設計

供試品種為當?shù)刂髟钥购灯贩N固糜21號，于2016-2017年連續(xù)2年開展試驗。覆膜前深翻20cm整地，播種前統(tǒng)一施純氮肥135kg/hm2，N∶P∶K配比9∶7∶3，一次性基施。設4個處理，分別為露地平播（ flat planting with no film mulching，CK）、膜上種植（ridge planting mode，RM）、膜側(cè)種植（furrow planting mode，F(xiàn)M）和起壟覆膜（ridging film-mulching mode，RFM）。露地平播采用當?shù)卮筇锊桓材l播種植方法，每小區(qū)種11行，行距30cm，株距4cm，每行留苗123株；膜上種植為不開溝起壟，采用1.6m寬的地膜將小區(qū)全部覆膜，在膜上采用穴播機進行穴播種植，每小區(qū)11行，行距30cm，株距4cm，每行留苗123株；膜側(cè)種植為開溝起壟覆膜，采用50cm寬的地膜，壟面寬40cm，壟溝寬30cm，壟面兩側(cè)采用開溝條播單行種植，每小區(qū)10行，每行留苗135株，平均株距3.7cm；起壟覆膜為開溝起壟覆膜，壟寬20cm，壟溝30cm，采用1.6m寬的地膜將壟面和壟溝全部覆膜，在壟溝兩側(cè)采用穴播機進行雙行穴播種植，每小區(qū)11行，每行留苗123株，平均株距4cm。以露地平播為對照。采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)長5m，寬3m，面積15m2，小區(qū)間距50cm，3次重復，種植密度為90萬株/hm2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生育期及農(nóng)藝性狀調(diào)查 調(diào)查出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期時間及各生育期內(nèi)農(nóng)藝性狀指標，包括株高、生物鮮重和干重，在收獲期測定不同處理下植株的穗長、穗頸長、單株重、單株粒重、主穗重和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量。

1.3.2 土壤取樣及分析 于糜子收獲期，按“S”形用土鉆取土壤樣品，每個處理3個重復，取樣深度為0～100cm，0～20cm土層每10cm為一層，20～100cm土層每20cm為一層，每層均為5點混合樣，土壤樣品自然風干后，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品過1.00mm（用于測定土壤有機碳、全氮及全磷含量[24]）和0.25mm篩（用于測定土壤酶活性[25]）備用。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理；采用SAS 8.0進行方差分析和LSD分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜處理對糜子生育進程的影響

從表1可以看出，不同覆膜種植方式對糜子生育期的影響不同。起壟覆膜種植方式下糜子生育期最短，與露地種植相比，起壟覆膜處理使糜子生育進程明顯加快，縮短了糜子生育期，使糜子提前6d成熟，膜上和膜側(cè)種植方式較露地平播均提前4d成熟。

表1 不同處理下糜子的生育時期Table 1 The growth stages of prosomillet under different treatments 月-日 month-day

2.2 不同覆膜處理對糜子株高的影響

作物株高及其生長量是衡量植物營養(yǎng)生長的重要指標[26]。從圖1可以看出，不同覆膜種植方式對糜子株高有一定的影響。從出苗期到成熟期，4個處理下糜子株高均呈“S”型增長曲線，整個生育期株高均表現(xiàn)為RFM＞FM＞RM＞NM，其中起壟覆膜種植對株高的影響最明顯。與露地種植相比，拔節(jié)期RFM、FM和RM處理下糜子株高分別提高10.46%、16.00%和31.69%，抽穗期3種覆膜種植處理下株高分別提高8.91%、1.98%和13.02%，成熟期不同覆膜處理下株高基本保持穩(wěn)定。覆膜處理對糜子株高影響明顯，特別是起壟覆膜種植處理下糜子株高明顯提高。

圖1 不同覆膜處理下糜子的株高變化Fig.1 Variation of plant height of prosomillet under different treatments

2.3 不同覆膜處理對糜子植株干物質(zhì)積累量及鮮干比的影響

從植株干物質(zhì)積累量和鮮干比2個方面進行比較，可以從不同角度反映植物對水分的吸收利用水平。從表2可以看出，糜子單株的鮮干比在不同生長階段的變化趨勢與干物質(zhì)的積累密切相關。鮮干比隨著干物質(zhì)積累量的增加而減小，生物量的積累速度與鮮干比的變化速度呈正相關。不同覆膜處理下糜子干物質(zhì)積累量和鮮干比均與露地種植存在極顯著性差異（P＜0.01）。在營養(yǎng)生長階段（出苗期和拔節(jié)期），RFM處理下干物質(zhì)積累量和鮮干比最高，植株體內(nèi)水分含量最高；到生殖生長期（抽穗期和成熟期），該處理下的干物質(zhì)積累量和鮮干比變化呈負相關，即干物質(zhì)積累逐漸增加，而鮮干比逐漸變小，植株體內(nèi)含水量處于最低，表明起壟覆膜處理對糜子營養(yǎng)生長期的水分維持起顯著作用，生殖生長階段的干物質(zhì)積累量和干鮮比出現(xiàn)此消彼長的變化特征，確保了后期生殖生長階段干物質(zhì)積累。

表2 不同處理下糜子植株干物質(zhì)積累量及鮮干比變化Table 2 Variation of dry matter accumulation and gross weight/dry weight of prosomillet under different treatments

2.4 不同覆膜處理下土壤養(yǎng)分及酶活性垂直分布特征

由表3可知，不同覆膜處理下土壤有機碳、全氮及全磷垂直分布存在極顯著性差異（P＜0.01）。不同處理下0～100cm土層平均土壤有機碳含量為FM＞CK＞RM＞RFM，各處理土壤有機碳含量主要集中在0～40cm土層，隨土層深度增加而逐漸減小。不同處理下0～100cm土層平均土壤全氮含量表現(xiàn)為FM＞RM=RFM＞CK，而且隨著土層加深表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，0～20cm土層全氮含量最高，各處理土壤全氮含量均集中在0～40cm土層，與露地種植相比，覆膜處理明顯提高了土壤全氮含量。不同處理下0～100cm土層平均土壤全磷含量為RM＞RFM=FM＞CK，且在剖面上的變化與土壤全氮含量一致，隨土層加深表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，幾種處理下土壤全磷含量均表現(xiàn)出“表聚性”的垂直分布特征。

表3 不同處理下糜子地土壤有機碳、全氮、全磷含量及酶活性Table 3 The contents of soil organic carbon, total N, total P and enzyme activities of prosomillet under different treatments

與土壤全氮和全磷含量在土壤剖面上的分布特征一致，不同覆膜處理下土壤脲酶和蔗糖酶活性均隨著土層加深表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。不同處理下0～100cm土層平均土壤脲酶活性表現(xiàn)為FM＞RFM＞RM＞CK，幾種覆膜處理下土壤脲酶活性均大于露地種植處理，另外，不同覆膜處理下土壤脲酶活性在剖面上均存在極顯著性差異（P＜0.01），且0～20cm土層土壤脲酶活性最強。不同處理下0～100cm土層平均土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為CK＞RM＞FM＞RFM，不同覆膜處理下土壤蔗糖酶活性在剖面上均存在極顯著性差異（P＜0.01），在0～40cm土層土壤脲酶活性最強。與露地種植處理比較，膜上種植和側(cè)膜種植處理下土壤過氧化氫酶（CAT）活性偏高，尤其是表現(xiàn)在0～40cm土層，而起壟覆膜種植處理下表層土壤CAT活性低于露地種植及其他覆膜種植處理，尤其是起壟覆膜種植降低了0～20cm土層的CAT活性。

2.5 不同覆膜處理下糜子產(chǎn)量及其相關性分析

由圖2和表4可知，與露地種植相比，3種覆膜種植均能顯著提高糜子產(chǎn)量，其中RFM處理增幅最顯著，產(chǎn)量達5400.00kg/hm2。RFM、FM和RM產(chǎn)量較CK分別提高了30.44%、22.28%和29.04%。通過對產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，糜子產(chǎn)量與抽穗期干物質(zhì)積累量在0.01水平上極顯著相關，與成熟期干物質(zhì)積累量在0.05水平上顯著相關。

圖2 不同處理下糜子產(chǎn)量Fig.2 Yield of prosomillet under different treatments

表4 糜子產(chǎn)量與干物質(zhì)積累量相關性分析Table 4 Correlation analysis between yield and dry matter accumulation of prosomillet

3 討論

在北方干旱區(qū)，干旱缺水是農(nóng)作物產(chǎn)量提高的主要限制因子，作物產(chǎn)量和土壤性狀對土壤水熱變化過程非常敏感[27]。本文通過分析3種覆膜處理對糜子株高、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量特征的影響，發(fā)現(xiàn)起壟覆膜種植明顯提高了糜子株高、籽粒產(chǎn)量及不同生育時期干物質(zhì)積累量，同時明顯縮短了糜子生育期；通過糜子產(chǎn)量相關性分析發(fā)現(xiàn)，糜子產(chǎn)量與抽穗期及成熟期干物質(zhì)積累量分別存在極顯著和顯著相關性，說明起壟覆膜種植方式能有效改善土壤營養(yǎng)狀況[17-19]，從而提高糜子產(chǎn)量，這與王創(chuàng)云等[28]的研究結(jié)果一致，即起壟覆膜能改善土壤理化性質(zhì)，從而促進作物干物質(zhì)的累積，最終提高作物產(chǎn)量。這是由于起壟膜側(cè)種植技術(shù)可以有效提高冠層間空氣相對濕度，從而提高葉片含水量，增加氣孔導度，減少氣孔因素對光合作用的限制，通過利用農(nóng)田的光、溫和水資源來達到高產(chǎn)高效的目的[6-8，10]。另外，不同覆膜種植方式對土壤環(huán)境也產(chǎn)生一定的影響，通過不同覆膜處理下土壤有機碳、全氮及全磷含量垂直分布特征比較分析可知，不同覆膜處理下土壤有機碳、全氮及全磷含量的垂直分布存在極顯著性差異（P＜0.01）。各土壤剖面土壤有機碳、全氮及全磷含量均表現(xiàn)出“表聚性”垂直分布特征，與露地種植相比，覆膜處理明顯提高了土壤全氮的含量。通過分析表明，覆膜處理土壤有機碳含量低于露地種植，這是由于覆膜處理使土壤溫度和濕度得到改善，好氧微生物活動頻繁，在一定程度上促進了土壤呼吸作用，加速了土壤有機碳的分解，同時抑制了土壤氮素的分解[29]。

土壤脲酶和蔗糖酶活性均隨著土層加深呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，覆膜處理顯著提高了土壤脲酶活性，降低了土壤蔗糖酶活性，土壤脲酶和蔗糖酶活性在剖面上均存在極顯著性差異（P＜0.01），然而膜上種植和側(cè)膜種植處理下土壤CAT活性偏高，而起壟覆膜種植處理降低了表層土壤CAT活性，尤其是降低了0～20cm土層土壤的CAT活性。有研究表明，土壤蔗糖酶和脲酶活性可以反映土壤中有機質(zhì)含量、全氮含量、微生物數(shù)量及土壤呼吸強度，人們常用土壤蔗糖酶和脲酶活性來表征土壤的熟化程度和肥力水平[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，幾種覆膜種植下0～40cm土層土壤蔗糖酶活性與對應土層的土壤有機碳含量呈正相關，且變化趨勢與有機碳的“表聚性”一致，表層較高的蔗糖酶活性水平促進了碳營養(yǎng)元素的活化，脲酶活性與表層土壤全氮含量具有一定的正相關關系，而膜側(cè)種植和膜上種植提高了CAT活性，表明這兩種覆膜種植方式抑制了土壤呼吸，對養(yǎng)分的分解利用產(chǎn)生一定的影響，因此酶分解釋放的營養(yǎng)元素對本質(zhì)上改善根系營養(yǎng)狀況所起的作用會受到限制[31-32]。所以，在寧南山區(qū)起壟覆膜種植是改善土壤水熱狀況、增強土壤酶活性、促進土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和提高土壤肥力的有效措施。

4 結(jié)論

整個生育期糜子株高均表現(xiàn)為起壟覆膜種植＞膜側(cè)種植＞膜上種植＞露地平播，且起壟覆膜種植明顯縮短了糜子生育期，使得糜子產(chǎn)量比露地種植提高了30.44%；各處理土壤有機碳、全氮及全磷含量垂直分布差異極顯著，且養(yǎng)分含量主要集中在0～40cm土層深度，且起壟覆膜種植有利于土壤有機碳的分解吸收利用，與露地種植相比，覆膜處理明顯提高了土壤全氮含量，各處理土壤全磷含量均表現(xiàn)出“表聚性”垂直分布特征；各覆膜處理下土壤脲酶活性均大于露地種植處理，且在剖面上均存在極顯著性差異，膜上和側(cè)膜種植提高了0～40cm土層土壤CAT活性，而起壟覆膜種植降低了0～20cm土層土壤CAT活性，改善了土壤水熱狀況，促進土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和提高土壤肥力。因此，起壟覆膜種植方式是適合寧南干旱、半干旱區(qū)糜子生產(chǎn)的有效栽培措施。