溫 蕊 陳茜午 趙雅杰 賈祎明 盧旭東張繼宏 李煥春 趙沛義 張永虎
(1內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,010031,內(nèi)蒙古呼和浩特;2清水河縣農(nóng)牧技術(shù)推廣中心,011600,內(nèi)蒙古呼和浩特)
水資源短缺已成為世界上所有國家高度關(guān)注的問題。黃土高原地處干旱半干旱氣候帶,區(qū)域內(nèi)海拔800~3000m,年降水量250~500mm,降水時(shí)空分布不均,且蒸發(fā)強(qiáng)烈,水資源短缺問題更為嚴(yán)峻[1]。因此,如何降低土壤水分蒸發(fā)、充分利用有限的自然降水、提高作物對(duì)有限水分的利用效率是解決該地區(qū)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。
農(nóng)田覆蓋能抑制土壤蒸發(fā),提高作物的水分利用效率,已被廣泛用于提高旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[2-5]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的逐年減少,為保障國家糧食安全和提高作物產(chǎn)量,地膜覆蓋技術(shù)逐步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每個(gè)角落[6-7]。目前生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的地膜種類較多,有PE地膜(普通、白色和黑色)[8]和生物降解地膜[9-12]等,由于滲水膜具有PE膜不具有的滲水性、微通氣性、調(diào)溫性和長(zhǎng)效性等優(yōu)點(diǎn),近些年,由山西省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)專家姚建明研制成功的滲水地膜被廣泛應(yīng)用在干旱農(nóng)業(yè)區(qū)小麥[13]、玉米[14]、大豆[15]和谷子[16-19]等作物上。關(guān)于不同種類地膜覆蓋對(duì)谷子農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響,前人做了大量研究。任瑞玉等[20]研究了露地、普通地膜覆蓋和滲水地膜覆蓋3種處理對(duì)旱地谷子地膜覆蓋種植的土壤水分、地溫效應(yīng)及對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育的影響,結(jié)果表明,滲水地膜的滲水作用,使其比普通地膜能接納更多的雨水,且在溫度較低時(shí)提高地溫的效果更優(yōu)于普通地膜,在溫度較高時(shí)滲水地膜的微氣孔張開,具有調(diào)溫作用,更具有改善谷子農(nóng)藝性狀的作用。郭秀卿等[21]研究了不同地膜類型處理對(duì)旱地谷子生育時(shí)期及產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,滲水地膜覆蓋不僅加快了谷子的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程,使谷子提早成熟,而且滲水地膜覆蓋處理單位面積穗數(shù)明顯高于其他處理,產(chǎn)量與其他處理差異極顯著,比露地增產(chǎn)50%以上。董孔軍等[22]通過研究不同地膜覆蓋種植方式對(duì)谷子光合作用、生長(zhǎng)速度及產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,地膜覆蓋種植顯著提高了谷子生長(zhǎng)期間的凈光合速率和水分利用效率,有利于光合物質(zhì)積累,培育大穗飽粒,為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。大多數(shù)研究?jī)H從單一的地膜種植模式或不同類型地膜覆蓋對(duì)谷子生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究,不同地膜類型和不同種植方式組配對(duì)谷田水溫效應(yīng)及谷子產(chǎn)量的影響鮮有報(bào)道。本研究在西北黃土高原區(qū)谷子主產(chǎn)縣(清水河縣),采用大區(qū)設(shè)計(jì),并通過農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合,探討了PE膜全覆膜、PE膜半覆膜、滲水地膜半覆膜和不覆膜對(duì)谷田土壤水熱狀況及水分利用效率的影響,旨在為本生態(tài)區(qū)谷子壟膜集雨種植技術(shù)提供理論參考,也為脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)提供技術(shù)支撐。
試驗(yàn)設(shè)在蒙清農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司試驗(yàn)基地,該基地位于內(nèi)蒙古清水河縣宏河鎮(zhèn)高茂泉窯村(111°21′~112°07′E,39°35′~40°35′N),平均海拔1373.6m,屬典型的黃土高原丘陵旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),年均降水量219.2mm,≥10℃積溫2992.9℃,無霜期125~140d。試驗(yàn)地為沙壤土,據(jù)檢測(cè)[23]土壤有機(jī)質(zhì)6.49g/kg、全氮0.45g/kg、全磷0.74g/kg、全鉀18.04g/kg、速效磷1.84mg/kg、速效鉀69.78mg/kg。播種時(shí)施復(fù)合肥750kg/hm2。
供試谷子品種為金苗K1,抗拿捕凈,生育期116d,由赤峰市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院提供。
1.3.1 土壤含水量 用土鉆(直徑5.6cm)在每個(gè)大區(qū)對(duì)角線處選3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取樣,每10cm為一層。用烘干法[24]在播種前及收獲后測(cè)定試驗(yàn)地各處理0~100cm土層土壤含水量;在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期測(cè)定各處理0~40cm土壤含水量。土壤含水量(Ws)計(jì)算公式為Ws(%)=(W1–W2)/(W2–W3)×100,式中,W1濕土加鋁盒重,W2為干土加鋁盒重,W3為空鋁盒重。
1.3.2 土壤溫度 在每個(gè)大區(qū)的對(duì)角線處選3個(gè)點(diǎn),采用數(shù)顯探針式地溫計(jì)分別在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期測(cè)定谷子試驗(yàn)地各處理0~30cm土壤溫度。
1.3.3 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀 拔節(jié)期、抽穗期和成熟期分別在每個(gè)大區(qū)對(duì)角線處選5個(gè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)測(cè)定20株具有代表性谷子植株的株高、相對(duì)葉綠素含量(SPAD)、地上部生物量和植株含水量。成熟期在每個(gè)大區(qū)的對(duì)角線處選5個(gè)10m2的點(diǎn),收取20株,測(cè)定其單穗重、單穗粒重和千粒重,計(jì)算10m2產(chǎn)量并折合為單位面積產(chǎn)量。
1.3.4 群體水分利用率 群體水分利用率(WUE)計(jì)算公式為WUE=Yd/ET,式中,Yd為作物單位面積產(chǎn)量,ET為同面積耗水量(土壤水分變化量加同期降水量)。
采用Excel和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Duncan新復(fù)極差法和LSD最小顯著差異法進(jìn)行多重比較。
2.1.1 不同處理對(duì)播前、收獲后土壤含水量的影響 如圖1所示,不同處理播種前和收獲后耕層0~30cm土壤含水量差異明顯。播種前(圖1a),TI、T2和T3處理0~10cm的土壤含水量較CK處理分別增加了166%、74%和56%,達(dá)到極顯著差異。T1處理10~20cm的土壤含水量較CK處理增加了94%,達(dá)到極顯著差異;T2處理10~20cm的土壤含水量較CK處理增加了48%,達(dá)到顯著差異。在 20~30、30~40、40~50、50~60、60~70 和 70~80cm土層,各處理間土壤含水量差異性表現(xiàn)基本一致。T1處理的土壤含水量較CK處理增加范圍在57%~85%,達(dá)到極顯著差異;T3、T2和CK處理間差異不顯著。T1處理80~90cm的土壤含水量較CK處理增加了75%,達(dá)到極顯著差異;T2處理80~90cm的土壤含水量較CK處理增加了24%,達(dá)到顯著差異。T1和T2處理90~100cm的土壤含水量分別較CK處理增加了85%和39%,達(dá)到極顯著差異;T3處理80~90cm的土壤含水量較CK處理增加了22%,達(dá)到顯著差異。
收獲后(圖1b),T1處理10~20cm的土壤含水量較CK處理增加了30%,達(dá)到極顯著差異;T2處理10~20cm的土壤含水量較CK處理增加了19%,達(dá)到顯著差異;T1和T3處理間差異顯著;T1和T2處理間與T3和CK處理間差異不顯著。在0~10、20~30、80~90cm土層,各處理間土壤含水量差異性表現(xiàn)基本一致。T1處理0~10、20~30、80~90cm的土壤含水量分別較CK處理增加了43%、27%和89%,達(dá)到顯著差異;T1、T2和T3處理間差異不顯著;T2、T3和CK處理間差異不顯著。在 30~40、40~50、50~60、60~70 和 70~80cm 土層,各處理間的土壤含水量差異均不顯著。
圖1 不同地膜覆蓋對(duì)播種前和收獲后土層0~100cm土壤含水量的影響Fig.1 Effects of different plastic film mulching on soil water content in 0-100cm soil layer before sowing and after harvest
2.1.2 不同處理對(duì)不同生育時(shí)期耕層土壤含水量的影響 由圖2可知,T1處理0~40cm土壤含水量均最高,不同生育時(shí)期的土壤含水量較CK處理增加范圍為18%~111%。
社會(huì)合作方,優(yōu)選PPP項(xiàng)目運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)豐富的國企、央企和實(shí)力較強(qiáng)的民營企業(yè)。高度關(guān)注 PPP 項(xiàng)目建成風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營維護(hù)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于屬于“跨界經(jīng)營”的社會(huì)合作方,應(yīng)有社會(huì)資本方提供連帶責(zé)任擔(dān)保、抵質(zhì)押擔(dān)保,或提供強(qiáng)約束的差額補(bǔ)足、流動(dòng)性支持等。
由圖2a發(fā)現(xiàn),拔節(jié)期T1處理0~10cm土壤含水量較CK增加了56.26%,達(dá)到極顯著差異;T1與T3處理間0~10cm土壤含水量差異極顯著;T2處理0~10cm土壤含水量較CK處理增加了24.74%,達(dá)到顯著差異。T1處理0~20cm土壤含水量較CK處理增加了82.08%,達(dá)到極顯著差異;T1與T2和T3處理0~20cm土壤含水量差異極顯著;T2處理0~20cm土壤含水量較CK處理增加了29.78%,達(dá)到顯著差異。T2處理0~30cm土壤含水量較CK處理增加了53.59%,達(dá)到極顯著差異;T1處理0~30cm土壤含水量與T3和T2處理差異極顯著;T2處理0~30cm土壤含水量較CK處理增加了21.03%,達(dá)到顯著差異。T1和T2處理0~40cm土壤含水量較CK處理分別增加了27.18%和23.74%,達(dá)到顯著差異。
圖2 4種處理對(duì)不同生育時(shí)期土層0~40cm土壤含水量的影響Fig.2 Effects of four treatments on soil water content in 0-40cm soil layer
由圖2b發(fā)現(xiàn),抽穗期T1和T2處理0~10cm土壤含水量分別較CK處理增加了93.98%和74.91%,達(dá)到極顯著差異;T2和T3處理間0~10cm土壤含水量差異極顯著。T1和T2處理0~20cm土壤含水量分別較CK處理增加了50.78%和45.04%,達(dá)到極顯著差異;T2和T3處理間0~20cm土壤含水量差異極顯著。T1、T3和T2處理0~30cm土壤含水量分別較CK處理增加了93.02%、50.46%和74.13%,達(dá)到極顯著差異;T1和T3處理間0~30cm土壤含水量差異極顯著。T1和T2處理0~40cm土壤含水量分別較CK處理增加了43.85%和42.91%,達(dá)到極顯著差異。
由圖2c發(fā)現(xiàn),成熟期T1處理0~10cm土壤含水量較CK處理增加了56.14%,達(dá)到極顯著差異;T2和T3處理0~10cm土壤含水量分別較CK處理增加了30.73%和48.80%,達(dá)到顯著差異。T1處理0~20cm土壤含水量較CK處理增加了17.93%,達(dá)到顯著差異。T1、T3和T2處理0~30cm土壤含水量分別較CK處理增加了111.08%、44.93%和55.31%,達(dá)到極顯著差異;T1與T3和T2處理0~30cm土壤含水量差異極顯著。T1處理0~40cm土壤含水量較CK處理增加了41.80%,達(dá)到極顯著差異。
土壤溫度對(duì)谷子生長(zhǎng)發(fā)育及生育進(jìn)程發(fā)揮著重要的作用。由圖3可見,各處理日間0~30cm土壤溫度以谷子拔節(jié)期最高,在整個(gè)生育期T1處理0~30cm土壤溫度均高于其他處理。其中,播種前T1處理10~20cm土壤溫度較 CK處理增加了4.86℃,差異顯著;20~30cm土壤溫度較T3和CK處理增加了1℃,差異顯著。拔節(jié)期,0~10、10~20、20~30cm土壤溫度T1較 CK處理分別增加了6.34℃、0.90℃和1.30℃,T2較CK處理分別增加了5.6℃、0.73℃和1.13℃,差異均達(dá)顯著水平。抽穗期所有處理間差異均不顯著。成熟期,T1和T2處理0~10cm土壤溫度較CK處理分別增加了2.86℃和1.96℃,差異顯著,且T1和T2處理間差異顯著。
圖3 4種處理對(duì)土壤耕層0~30cm地溫的影響Fig.3 Effects of four treatments on soil temperature in 0-30cm soil layer
2.3.1 不同地膜覆蓋對(duì)谷子株高的影響 株高是反映作物生長(zhǎng)發(fā)育特征的一個(gè)重要指標(biāo)。如圖4a所示,T1、T2和T3處理在不同生育期株高均高于CK處理。拔節(jié)期,3種不同地膜覆蓋方式間株高差異不顯著;T1和T2處理的株高分別較CK處理增加了23%和14%,達(dá)到極顯著差異;T3處理的株高較CK處理增加了13%,達(dá)到顯著差異。抽穗期,T1、T3和T2處理的株高分別較CK處理增加了24%、13%和24%,達(dá)到極顯著差異;T1和T2處理的株高與T3處理差異極顯著,但T1與T2處理間株高差異不顯著。成熟期,T1、T3和T2處理的株高分別較CK處理增加了7%、1%和7%,4種處理間差異均不顯著。
2.3.2 不同地膜覆蓋對(duì)谷子SPAD的影響 如圖4b所示,3種不同地膜覆蓋方式對(duì)谷子不同生育期的SPAD的影響不同。拔節(jié)期,T1處理的SPAD較CK處理提高了25%,達(dá)到極顯著差異;T1處理的SPAD較T3處理差異顯著;T2處理的SPAD較CK處理提高了18%,達(dá)到顯著差異;T3和T2處理間以及T3和CK處理間的SPAD差異不顯著。抽穗期,T3和CK處理的SPAD差異不顯著,T1和T2處理的SPAD差異不顯著。T1和T2處理的SPAD較T3和CK處理平均提高了46%和37%,達(dá)到極顯著差異。成熟期,T1處理的SPAD較CK處理提高了83%,達(dá)到極顯著差異;T2處理的SPAD較CK處理提高了28%,達(dá)到顯著差異;T3和T2處理間以及T3和CK處理間的SPAD差異不顯著。
2.3.3 不同地膜覆蓋對(duì)谷子植株含水量的影響 如圖4c所示,全生育期不同地膜覆蓋方式的植株含水量均呈先增高后下降的趨勢(shì),在抽穗期植株含水量達(dá)到最大。拔節(jié)期,T1、T2和T3處理間的植株含水量差異不顯著,但較CK處理分別增加了13%、11%和11%,達(dá)到顯著差異。抽穗期,T1和T2處理的植株含水量較CK處理分別提高了8%和7%,達(dá)到顯著差異;T1和T3處理間的植株含水量差異顯著,但T3和T2處理間以及T3和CK處理間的植株含水量差異不顯著。成熟期,T1、T3和T2處理的植株含水量較CK處理分別增加了16%、11%和12%,但4種處理間的植株含水量差異不顯著。
2.3.4 不同地膜覆蓋對(duì)谷子地上部生物量的影響
地上部生物量可以用于來表示谷子同化物的積累。不同生育期不同地膜覆蓋處理的地上部生物量差異如圖4d所示。拔節(jié)期,3種不同地膜覆蓋處理的地上部生物量較裸地平作處理存在一定差異,但差異不顯著。抽穗期,T1處理的地上部生物量較CK處理增加了86%,達(dá)到極顯著差異;T1和T3處理間的地上部生物量差異極顯著;T2處理的地上部生物量較裸地平作處理增加了54%,達(dá)到顯著差異;T3較CK處理的地上部生物量增加了14%,但差異不顯著。成熟期,T1較CK處理的地上部生物量增加了226%,達(dá)到顯著差異;T3和T2較CK處理的地上部生物量分別增加了105%和109%,但差異不顯著;3種不同地膜覆蓋處理間差異不顯著。
圖4 4種處理對(duì)谷子不同生育期株高、SPAD、植株含水量以及地上部生物量的影響Fig.4 Effects of four treatments on plant height,SPAD,plant water content and aboveground biomass in different growth periods of millet
2.3.5 不同地膜覆蓋對(duì)谷子產(chǎn)量性狀的影響 由表1可知,T1和T2處理的單穗重較CK處理分別增加了112.10%和89.22%,達(dá)到極顯著差異;T1和T2處理與T3處理的單穗重差異極顯著;T1和T2處理間單穗重差異顯著;T3和CK處理間差異不顯著。
T1、T2和T3處理的單穗粒重較CK處理分別增加了113.26%、88.98%和4.22%,達(dá)到極顯著差異;T1和T2處理與T3處理的單穗粒重差異極顯著;T1和T2處理間單穗粒重差異顯著。
T1和T2處理的千粒重較CK處理分別增加了13.38%和12.65%,達(dá)到極顯著差異;T1和T2處理與T3處理的千粒重差異顯著;T3和CK處理間的千粒重差異顯著;T1和T2處理間差異不顯著。
T1、T2和T3處理的產(chǎn)量較CK處理分別增加了155.44%、33.94%和21.76%,達(dá)到極顯著差異;T1與T2和T3處理的產(chǎn)量差異極顯著;T3和T2處理間差異不顯著。
由表1可知,T1、T2和T3處理的群體水分利用率較裸地平作處理分別增加了158.02%、34.54%和22.05%,達(dá)到極顯著差異;T1與T3和T2處理的產(chǎn)量差異極顯著;T3和T2處理間差異不顯著。
表1 不同處理間產(chǎn)量及其性狀與群體水分利用率差異Table 1 Differences in yield and its traits and population water use efficiency among different treatments
地膜具有減少土壤表面水分蒸發(fā)、提高土壤表面溫度、抑制雜草的生長(zhǎng)的特性[9],特別是滲水地膜能有效積蓄無效降雨,微通氣,更加高效利用降水,提高土壤蓄水能力[25]。不同類型地膜覆蓋種植對(duì)作物生長(zhǎng)的土壤水分和溫度、農(nóng)藝性狀以及產(chǎn)量等均產(chǎn)生不同的影響。本研究結(jié)果表明,地膜覆蓋只影響了谷子的生長(zhǎng)速度,對(duì)谷子品種自身特性的影響并不大,但不同生育期各處理的株高變化趨勢(shì)出現(xiàn)了明顯的差異。拔節(jié)期株高的變化趨勢(shì)為T1>T3≈T2>CK,而抽穗期和成熟期株高的變化趨勢(shì)為T1≈T2>T3>CK,這可能是由于該區(qū)域拔節(jié)期時(shí)無有效降雨,T2和T3處理所起到的保溫保濕的效果一致,植株的生長(zhǎng)發(fā)育速度也一致,但均低于T1處理的生長(zhǎng)速度。而抽穗期和成熟期正值該區(qū)域雨熱同期,滲水地膜發(fā)揮了其滲水性、微通氣性、調(diào)溫性和長(zhǎng)效性等特點(diǎn),其生長(zhǎng)速度顯著高于T3處理,略低于T1處理,導(dǎo)致不同生育期各處理的株高變化趨勢(shì)出現(xiàn)了明顯的差異。
解文艷等[26]研究表明,地膜覆蓋處理能明顯提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率,且能促進(jìn)作物對(duì)氮、磷、鉀素的吸收;生物降解地膜在增溫保水、改善土壤耕層養(yǎng)分、促進(jìn)春玉米高產(chǎn)、水肥高效利用及緩解殘膜污染等方面效果顯著。常樂等[25]比較白膜、滲水地膜、黑膜和不覆膜對(duì)谷田土壤水熱狀況及谷子籽粒水分利用效率的影響,結(jié)果表明,谷子田覆蓋地膜增產(chǎn)效果顯著,黑色地膜在產(chǎn)量和水分利用方面表現(xiàn)更優(yōu)。任瑞玉等[20]設(shè)置露地、普通地膜覆蓋和滲水地膜覆蓋研究了谷田土溫效應(yīng),結(jié)果表明,滲水地膜和普通地膜均有提高地溫的作用,而且滲水地膜在溫度較低時(shí)提高地溫的效果優(yōu)于普通地膜,在溫度較高時(shí)滲水地膜的微氣孔張開,具有調(diào)溫作用,使得在氣溫較高時(shí)滲水地膜覆蓋下的地溫明顯低于普通地膜覆蓋下的地溫;滲水地膜覆蓋處理較普通地膜相比,具有改善谷子農(nóng)藝性狀的作用,且使谷子增產(chǎn)6.75%。上述結(jié)果與本文所涉及的T2、T3和CK處理結(jié)果一致。本文中T2較T3處理不同生育期0~40cm土壤含水量提高0.12%~3.28%;不同生育期0~30cm土壤溫度提高0.07℃~1.8℃,其中成熟期0~10cm地溫提高的最多,為1.8℃;不同生育期的株高、SPAD、地上部生物量和植株含水量等農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)均不同程度地優(yōu)于T3處理,其中抽穗期SPAD的表現(xiàn)最顯著,提高10.75;T2較T3處理的產(chǎn)量提高了156.75kg/hm2,群體水分利用率提高了0.6kg/(mm·hm2),降水生產(chǎn)率提高了0.58kg/(mm·hm2)。雖然滲水地膜處理的增產(chǎn)效果較PE地膜處理未達(dá)到顯著差異,但產(chǎn)量提高10%左右,對(duì)于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收具有一定的積極作用。本研究對(duì)PE膜半覆膜起壟穴播和滲水地膜半覆膜起壟穴播處理進(jìn)行了比較分析,未設(shè)置PE膜全覆膜起壟穴播處理和滲水地膜全覆膜起壟穴播處理,可進(jìn)一步進(jìn)行深入研究,了解滲水地膜和PE膜全覆膜起壟穴播處理之間的差異。
PE膜全覆膜起壟穴播促進(jìn)谷子的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程,促進(jìn)谷子早出苗,縮短谷子生育期,可有效提高谷子各階段的株高、SPAD、植株含水量和地上部生物量;PE膜全覆膜起壟穴播能夠有效改善谷田土壤的濕度和溫度,有利于灌漿和提高產(chǎn)量,平均產(chǎn)量和群體水分利用率分別為3288.31kg/hm2和12.33kg/(mm·hm2),比裸地平作分別提高67.19%和158%,PE膜全覆膜起壟穴播種植模式可在本生態(tài)區(qū)示范推廣。