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        覆膜種植方式對旱作大豆生長發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

        2021-09-02 10:48:04王立明陳光榮楊如萍張國宏楊封科
        中國農(nóng)學(xué)通報 2021年21期
        關(guān)鍵詞:全膜露地利用效率

        王立明,陳光榮,楊如萍,張國宏,楊封科

        (甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所,蘭州 730070)

        0 引言

        水資源短缺是制約甘肅東部黃土高原旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)糧食生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素[1-2]。在旱作地區(qū)70%~80%自然降水以田間徑流及土壤無效蒸發(fā)損失,僅有20%~30%被作物吸收利用,作物生產(chǎn)潛力因水分限制衰減了67%~75%[3]。傳統(tǒng)溝壟耕作種植方式是通過改變地表微地形,協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱關(guān)系,促進作物生長的一種保護性耕作措施[4],溝播栽培能夠明顯提高播種溝內(nèi)土壤水分含量,有效供給作物生長需求,是旱作區(qū)農(nóng)田集水高效栽培的重要途徑[5]。

        大豆是甘肅東部旱作區(qū)分布廣泛種植面積最大的經(jīng)濟作物[6],對水分敏感需水量較多且不耐旱,水分不僅影響大豆植株形態(tài)建成[7],而且還影響其生理反應(yīng),進而影響產(chǎn)量高低[8];受降雨時空分配不均、季節(jié)性干旱等諸多因素限制,該區(qū)大豆產(chǎn)量長期低而不穩(wěn)[9],生產(chǎn)集約化水平低,未能發(fā)揮區(qū)域規(guī)模種植效應(yīng)。地膜覆蓋栽培是旱作區(qū)調(diào)節(jié)土壤水分虧缺,增強保墑能力,充分高效利用自然降水的重要技術(shù)手段[10-11],在旱作區(qū)廣泛應(yīng)用,顯著提高該區(qū)域作物產(chǎn)量和種植效益。覆膜溝播種植溝內(nèi)種植作物、壟面集水、提升地溫,而且可有效抑制地面蒸發(fā)[12],促進作物增產(chǎn)30%以上[13-14]。關(guān)于旱作區(qū)覆膜種植方式的研究多集中玉米[15]和馬鈴薯[16]等作物,對大豆栽培研究相對較少,現(xiàn)有報道僅限于不同種植方式簡單比較,尤其是針對甘肅東部雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)大豆高效栽培技術(shù)方面,缺乏多年系統(tǒng)研究,難以為生產(chǎn)提供技術(shù)支撐[17-18]。因此,針對該區(qū)自然降水特征,整合傳統(tǒng)溝播與地膜覆蓋栽培技術(shù),探討不同覆膜種植方式對旱作大豆生長發(fā)育、不同降雨年型農(nóng)田土壤水分變化特征,為旱作區(qū)大豆高產(chǎn)栽培提供的理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗地概況

        試驗于2014—2017年在國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鎮(zhèn)原綜合試驗站(35°30′38″N,107°29′38″E)進行。該地區(qū)海拔1297 m,年日照時數(shù)2484.1 h,年平均氣溫8.6℃,≥10℃積溫2727℃,≥0℃積溫3435℃,無霜期165天,屬“一年一熟”或“兩年三熟”氣候類型區(qū)[19]。據(jù)1950—2017年降水資料分析,試驗區(qū)多年平均降水533.1 mm,主要分布在7—9月,年蒸發(fā)量1527 mm。試驗地土壤為覆蓋黑壚土,耕層土壤有機質(zhì)含量11.2 g/kg,全氮 0.94 g/kg,堿解氮 87 mg/kg,速效磷12.8 mg/kg,速效鉀231 mg/kg,肥力中等,大豆為當(dāng)?shù)胤N植的主要春播作物之一。

        1.2 試驗設(shè)計

        試驗供試大豆品種為‘晉豆23’,地膜選用厚度為0.008 mm天水天寶塑業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜,共設(shè)5個處理:

        (1)露地平播(CK),簡稱“露地”:播前整地后,按等行距50 cm在地面點播種植;

        (2)全膜覆蓋溝播,簡稱“全膜溝播”:播種前,間隔50 cm開深度為20 cm的集水溝,每2條集水溝采用120 cm寬地膜覆蓋,地膜連接處不留空隙以土覆蓋壓住地膜,間隔200 cm設(shè)置土腰帶,在覆膜溝內(nèi)播種;

        (3)半覆覆蓋溝播,簡稱“半膜溝播”:采用100 cm寬的地膜覆蓋,覆膜方式同“全膜溝播”,地膜與地膜之間不連接,留30 cm空隙;

        (4)半膜覆蓋平播,簡稱“半膜平”:采用80 cm寬的地膜覆蓋,每隔200 cm壓土腰帶,膜面寬度70 cm,膜間30 cm,膜上穴播2行,行距50 cm;

        (5)膜側(cè)播種,簡稱“膜側(cè)”:起底寬40 cm,高10 cm的壟,用60 cm寬的地膜覆蓋壟面,每隔200 cm壓土腰帶,大豆播種于膜側(cè)5 cm處,行距50 cm。

        試驗采用隨機區(qū)組排列,3次重復(fù),小區(qū)面積4.0 m×6.0 m=24 m2。種植密度均設(shè)定為1.2×104株/hm2。試驗地于上年度秋季作物玉米收獲后進行翻耕滅茬,春季播種前結(jié)合淺耕平整土地施尿素100 kg/hm2、過磷酸鈣625 kg/hm2。2014年和2015年試驗均于5月4日播種;2016年和2017年分別于5月7日、5月9日播種,試驗不同處理于9月中、下旬成熟后按每小區(qū)分別收獲脫粒計產(chǎn),4個年度試驗均在同一地塊的不同位置進行。

        1.3 測定項目與方法

        1.3.1 生育期調(diào)查 參考Fehr等[20]方法,調(diào)查大豆出苗期(VE)、開花期(R2)、結(jié)莢期(R3)、成熟期(R8)。

        1.3.2 大豆生物學(xué)指標(biāo)調(diào)查 自6月10日起,每15天從各處理小區(qū)中間行取5株測定株高、單株地上部風(fēng)干重,葉面積(鮮重法)[21];成熟期按每處理取樣20株測定產(chǎn)量性狀,經(jīng)濟系數(shù)(籽粒重占地上部不同器官生物量的構(gòu)成比例),以上數(shù)值取連續(xù)4年平均值。

        1.3.3 土壤水分測定和田間水分利用效率計算 參考李尚中等[22]方法,在大豆播種和收獲時采用烘干稱重法測定大豆種植行間每處理小區(qū)200 cm土層(每20 cm設(shè)定為一層次)土壤含水率,轉(zhuǎn)換以mm為單位的土壤貯水量,大豆生育期降雨量數(shù)據(jù)采集通過MM-950自動氣象儀獲得。利用田間土壤水分平衡方程計算不同處理小區(qū)作物耗水量、水分利用效率,計算方法見公式(1)和(2)。

        式中,ET為田間耗水量,P為生育期降水量,ΔW為成熟與播種土壤儲水量之差。

        式中,WUE為作物水分利用效率,Y為作物產(chǎn)量,ET為作物田間耗水量。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)基本運算處理并繪制圖標(biāo),利用SPSS 11.5軟件進行方差(ANOVA)分析,最小顯著差異法LSD進行顯著性檢驗。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同覆膜種植方式對大豆生育進程的影響

        不同覆膜種植方式對大豆生育進程影響不同(表1)。與露地平播相比較,覆膜種植方式使大豆出苗期提前2~5天,出苗-開花期(營養(yǎng)生長階段)縮短3~5天,開花-成熟期(生殖生長階段)不同處理之間差異較小,僅相差1~2天。全膜溝播、半膜溝播、半膜平、膜側(cè)分別較露地平播早熟12、11、10、6天。

        表1 不同覆膜處理下大豆生育時期

        2.2 不同覆膜種植方式對大豆株高的影響

        由圖1可知,不同覆膜種植方式對大豆株高有明顯影響,其中,全膜溝播株高顯著高于其他處理,主要是全膜溝播促進大豆分枝期和開花期的株高增長速度,結(jié)莢期和鼓粒期株高的增長速度與其他處理差異不明顯。測定結(jié)果表明,成熟期全膜溝播大豆株高為80.5 cm,分別較半膜溝播、半膜平、膜側(cè)、露地提高3.1%、6.2%、14.5%和18.0%。

        圖1 不同覆膜處理下株高變化

        2.3 不同覆膜種植方式對大豆葉面積指數(shù)的影響

        如圖2所示,在大豆生長期間,各覆膜種植方式大豆葉面積指數(shù)的變化趨勢基本一致,表現(xiàn)為隨生育進程的推遲呈現(xiàn)先增后降的趨勢。不同覆膜種植方式大豆葉面積指數(shù)均在8月9日達到峰值,比露地平播提前15天。全膜溝播不同生育階段葉面積指數(shù)均高于其他處理,結(jié)莢后不同處理大豆葉面積指數(shù)出現(xiàn)最大值,全膜溝播為4.9,比同期半膜溝播、半膜平、膜側(cè)和露地分別增加0.2、0.5、0.9、1.1。

        圖2 不同覆膜處理葉面積指數(shù)變化

        2.4 不同覆膜種植方式對大豆地上干物質(zhì)積累的影響

        圖3表明,隨大豆生育進程的推進,不同種植方式大豆單株生物量逐漸遞增,表現(xiàn)為開花前干物質(zhì)積累緩慢增加,開花后明顯加快,鼓粒期緩慢增長,呈現(xiàn)慢-快-慢的變化規(guī)律。在大豆各生育時期,不同處理間干物質(zhì)的積累量均表現(xiàn)全膜溝播>半膜溝播>半膜平>膜側(cè)>露地。大豆成熟期間,全膜溝播干物質(zhì)積累量分別比半膜溝播、半膜平、膜側(cè)、露地分別提高12.2%、21.0%、26.1%和35.7%。

        圖3 不同覆膜處理大豆干物質(zhì)積累量

        2.5 不同覆膜種植方式對大豆干物質(zhì)分配的影響

        大豆成熟期間,不同處理地上各器官生物量所占比例基本一致(圖4),均表現(xiàn)為籽粒>莖稈>莢皮>葉片。其中,全膜溝播單株粒重所占比例最高為47.2%,其次為半膜溝播、半膜平、膜側(cè),分別為45.5%、43.1%和42.5%,露地最低為40.7%。

        2.6 不同覆膜種植方式對大豆產(chǎn)量和水分利用效率的影響

        研究表明(表2),2014年(正常降雨年型)、2015年(豐水降雨年型)大豆生育期間降雨量分別為452.1 mm和568.0 mm,全膜溝播大豆產(chǎn)量和水分利用效率最高,分別為3263.3 kg/hm2和7.79 kg/(mm·hm2)、3155.2 kg/hm2和6.92 kg/(mm·hm2),較露地平播分別提高36.0%和41.4%、30.6%和44.5%。2016年(干旱年份)大豆生育期間降雨量304.2 mm,全膜溝播大豆產(chǎn)量和水分利用效率分別為1481.5 kg/hm2和5.04 kg/(mm·hm2),較露地平播分別提高84.3%和90.9%,雖然低于半膜溝播,但與半膜溝播之間產(chǎn)量差異不顯著,而與半膜平、膜側(cè)之間差異顯著。2017年(極度干旱年份)大豆生育期間降水量280.2 mm,降水多集中于大豆開花與結(jié)莢期,全膜溝播產(chǎn)量和水分利用效率最高,分別為2823.3 kg/hm2和9.42 kg/(mm·hm2),較露地平播分別提高41.8%和68.2%,但與半膜溝播、半膜平之間產(chǎn)量差異不顯著。

        表2 不同覆膜方式大豆的產(chǎn)量和水分利用效率

        4年平均結(jié)果分析,全膜溝播產(chǎn)量和水分利用效率均顯著高于其他處理,分別為2680.8 kg/hm2和7.30 kg/(mm·hm2),比露地平播分別提高40.9%和53.4%。分析考種結(jié)果表明,全膜溝播產(chǎn)量提高主要表現(xiàn)在大豆單株粒數(shù)和百粒重的增加,4a平均為103.2粒和22.0g,較露地平播分別提高31.9%和7.2%。

        3 討論

        3.1 覆膜溝播種植能夠改善大豆田間農(nóng)藝性狀,促進大豆生長發(fā)育進程

        已有研究結(jié)果表明,全膜溝播具有增溫保溫作用,增加耕層土壤有效積溫,全生育期耕層溫度平均提高1.6℃,生育關(guān)鍵期均保持在21℃以上,特別是生育前期增溫達2.5℃以上,這對于促進大豆幼苗早發(fā)、快長、培育壯苗,促進早熟奪取高產(chǎn)作用顯著[23]。覆蓋處理大豆株高、單株葉面積、單株生物干重和百粒重均高于露地,尤其以地膜覆蓋處理最優(yōu)[24],與本研究結(jié)果一致。在本試驗設(shè)定的旱作區(qū),全膜溝播能夠加快大豆生長發(fā)育進程,出苗較露地提前5天,全生育期縮短12天。全生育期縮短有利于選擇較為晚熟的高產(chǎn)大豆品種,同時能使該區(qū)域秋播作物(冬小麥、冬油菜)播種期提前,延長秋播作物冬前生長時期,有利于安全越冬,提高作物復(fù)種指數(shù),有利于當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量整體提高。全膜溝播由于改善了旱作區(qū)耕層土壤水溫狀況,其不同生長階段大豆株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累均高于其他處理,且能夠協(xié)調(diào)大豆?fàn)I養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系,有利于光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移分配、促進灌漿,大豆成熟期粒重占地上部分生物量47.2%,較露地平播增加6.5%。

        3.2 覆膜溝播種植可有效保持土壤水分,顯著提升大豆產(chǎn)量和水分利用效率

        地膜覆蓋具有保墑、抑制蒸發(fā)、集雨和提高降水田間入滲的作用,能夠充分高效利用自然降水,對促進旱作區(qū)作物產(chǎn)量提高具有重要現(xiàn)實意義[25-26]。全膜溝播作為全地面地膜覆蓋與傳統(tǒng)壟溝耕作結(jié)合的一項新型田間微集水農(nóng)業(yè)技術(shù)[27-28],實現(xiàn)了將無效降雨富集,特別是提高了≤10 mm農(nóng)田降水資源利用化程度,對于減輕土壤水分無效蒸發(fā)和田間水分徑流損失,改善自然降水與作物需水期供需錯位,實現(xiàn)降水資源時空調(diào)配,提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)潛力有著的重要作用[29]。

        周德錄等[30]研究認為,年降雨量500~600 mm生態(tài)區(qū)全膜微壟溝播增產(chǎn)效應(yīng)最明顯,大豆平均產(chǎn)量達到4318.2 kg/hm2,增產(chǎn)幅度可達58.5%,降水量較大地區(qū)增產(chǎn)幅度較大[31]。本研究結(jié)果認為全膜溝播能夠顯著提高單株粒數(shù)和百粒重,具有較高增產(chǎn)潛力,連續(xù)4年全膜溝播平均產(chǎn)量為2680.8 kg/hm2,比露地平播提高40.9%。

        為作物生長發(fā)育最大化地獲取土壤水分,降低土壤蒸發(fā)造成的水分消耗,對提升作物水分利用效率具有重要作用[32-33]。大豆生育前期溝壟覆膜能夠有效保持土壤水分,且生育中后期可將深層土壤水分提到上層供大豆生長所需,是目前充分高效利用自然降水的重要手段[34],與本研究連續(xù)4年全膜溝播水分利用效率較露地平播提升53.4%,達7.30 kg/(mm·hm2)結(jié)果一致。

        近年來,隨著全膜溝播集雨技術(shù)的廣泛應(yīng)用,生產(chǎn)上已研制出開溝起壟、覆膜為一體,并和輪式穴播種植機械相配套[35-36],顯著降低勞動力成本,提升了種植效益,為旱作區(qū)大豆栽培探索出新的種植模式,大種植面積逐年擴大,推動了該區(qū)域大豆向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?;较虬l(fā)展。因此,有必要針對覆膜種植條件下大豆生態(tài)效益及增產(chǎn)機理方面的進一步研究。

        4 結(jié)論

        全膜覆蓋溝播促進大豆生長發(fā)育進程,提前出苗,生育期縮短,可提高大豆各生育階段株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量;全膜覆蓋溝播能夠有效協(xié)調(diào)大豆?fàn)I養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系,增加地上部分生物量,促進光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移,有利于灌漿和高產(chǎn),連續(xù)4年平均產(chǎn)量和水分利用效率分別為2680.8 kg/hm2和7.30 kg/(mm·hm2),比露地平播提高40.9%和53.4%,全膜覆蓋溝播是提高旱作區(qū)大豆降水利用效率和高產(chǎn)田創(chuàng)建的有效途徑。

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