* 通讯作者(Corresponding author): 贾志宽, E-mail:zhikuan@tom.com
第一作者联系方式: E-mail:hjepost@nwsuaf.edu.cn
为探索半湿润偏旱区沟垄集雨种植模式下冬小麦田土壤蓄水保墒和节水增产效果, 于2007—2010年连续3个小麦生长季在渭北旱塬旱农试验站, 研究了不同沟垄集雨种植模式对土壤水分、冬小麦产量和水分利用效率的影响。设置3个沟垄集雨处理, 分别是垄上覆盖地膜+沟内不覆盖(P1)、沟内覆盖小麦秸秆(P2)、沟内覆盖液体地膜(P3)处理, 以传统平作(CK)为对照。P1、P2和P3处理显著提高冬小麦生育前期0~20 cm和20~100 cm的土壤贮水量, 其中以P2处理蓄水保墒效果最显著, P3处理由于液态地膜的降解, 仅在小麦生长前期有一定的蓄水保墒作用, 在小麦的生长后期与P1处理无显著差异; 各沟垄集雨处理100~200 cm土壤贮水量与CK无差异。P2处理对冬小麦平均株高和生物量影响最大, 3年平均株高和生物量分别较对照提高26.7%和60.3%。以P2处理增产效果最显著, 3年平均产量和水分利用效率分别较CK对照提高39.3%和35.6%; 且P1和P3之间无显著差异。因此, 垄覆地膜、沟覆秸秆的二元沟垄集雨覆盖种植模式能显著提高冬小麦产量和水分利用效率, 适宜在半湿润偏旱区冬小麦生产中应用。
The objective of this study was to explore the effects of the ridge and mulch on soil moisture, grain yield, and water use efficiency (WUE) in rainfall winter wheat growing region in Weibei Area. In a three-year field experiment from Sept. 2007 to June 2010, we compared three ridge (for collecting rainfall) and mulch treatments with traditional plat planting as the control (CK). The ridge was covered with common plastic film and the dent was bare (P1) or covered with either wheat straw (P2) or degradable film (P3). At the early growth stage of winter wheat, soil water storages in 0-20 cm and 20-100 cm layers were significantly higher in all ridge and mulch treatments than in CK, particularly in P2. At late growth stage, the effect of P3 was similar to that of P1 with no significant difference due to the degradation of the film in dent. However, compared to CK, treatments P1, P2, and P3 had no effect on soil water storage in 100-200 cm layer. Plant height and biomass of wheat were the largest in P2, which were 26.7% and 60.3% higher than that of CK, respectively. Moreover, P2 was also the best treatment for grain yield and WUE with 39.3% increased yield and 35.6% increased WUE over CK. Yield and WUE were similar between P3 and P1 with no significant difference. Therefore, P2 is recommended as an efficient planting pattern in semi-humid drought-prone wheat region.
冬小麦是我国半湿润偏旱区主要粮食作物, 耗水量约为290.8~338.7 mm。我国半湿润易旱区年均降水量仅550 mm左右, 且年度间变异大、时空分布不均, 主要集中于7月至9月, 恰与冬小麦生育季节相悖, 易造成冬小麦生育期水分亏缺[ 1, 2], 严重限制该区冬小麦产量[ 3, 4]。因而, 提高自然降水的有效利用率是实现半湿润偏旱区冬小麦稳产高产的重要途径。
沟垄集雨种植技术是一种通过在田间修筑沟垄、垄面覆膜、沟内种植作物, 实现降水由垄面向沟内汇集的田间集水农业技术。该技术能有效改善作物水分供应状况, 促进作物生长, 提高产量和水分利用效率, 已成为提高旱区作物生产力的重要措施之一[ 5, 6, 7, 8]。沟垄集雨种植春玉米, 0~100 cm土层土壤水分含量比平作增加7%~12%, 玉米株高和生物量分别较对照增加6.8%~33.5%和7.6%~86.6%[ 9]。沟垄集雨种植模式下, 马铃薯产量较传统平作提高158.6%~ 175.0%, 水分利用效率提高23.4%~80.4%[ 10]。
前人关于沟垄集雨种植蓄水增产研究多为垄面覆盖、沟内种植的一元沟垄集雨覆盖种植模式, 而垄面覆盖和种植沟内覆盖相结合的二元沟垄集雨覆盖种植模式对土壤水分、作物产量和水分利用效率的影响尚不清楚。本研究对这种二元种植模式下旱地小麦的产量和水分利用效率进行了探讨, 同时考虑到覆盖材料对土壤环境的影响, 选取普通地膜作为垄面覆盖材料, 将秸秆和液态地膜作为种植沟内覆盖材料, 连续3年定位试验, 旨在筛选渭北旱塬地区适宜的沟垄集雨种植模式, 为完善半湿润偏旱区沟垄集雨种植模式提供依据。
2007年9月至2010年6月连续3个小麦生长季, 于渭北旱塬的陕西省合阳县甘井镇西北农林科技大学旱作试验站(34°10′ N, 106°20′ E, 海拔910 m)进行田间试验。试验地点属典型的黄土高原沟壑区, 年均气温11.5℃, 年日照时数2858.8 h, 年蒸发量1832.8 mm, 无霜期208 d, 年均降水量550 mm左右。供试土壤为红塿土, 中性偏碱, 2007年播前表层(0~20 cm)土壤基础养分为有机质11.36 g kg-1、全氮0.69 g kg-1、全磷0.66 g kg-1、全钾9.34 g kg-1、速效氮54.11 mg kg-1、速效磷11.57 mg kg-1、速效钾 113.79 mg kg-1; 土壤平均容重为1.37 g cm-3, pH 8.2。
2007—2008、2008—2009和2009—2010年冬小麦生育期降雨量分别为261、315和218 mm。3年逐月降雨量和30年平均月降雨量如图1。
采用沟垄集雨种植模式, 沟和垄的宽度均为 25 cm, 垄高15 cm, 播前起垄, 垄上覆膜, 沟内种植。共设4个处理, 分别是平作不覆盖(CK)、垄上覆地膜沟内不覆盖(P1)、垄上覆地膜沟内覆秸秆(P2)和垄上覆地膜沟内覆液膜(P3)。每个处理3次重复, 随机区组排列, 共12个小区, 小区面积为3.5 m × 4.0 m = 14.0 m2, 每个小区4垄3沟, 每条种植沟内种植3行小麦, 行距25 cm, CK与沟垄覆盖种植处理行距相同。
播种前10 d整地、起垄、垄上覆膜。以纯氮 150 kg hm-2、P2O5 120 kg hm-2、K2O 90 kg hm-2为基肥一次性施入种植沟内, 各处理施肥量一致。试验所用普通地膜由山西运城塑料厂生产, 液态地膜由浙江艾克泰投资有限公司生产, 于播后第2天按推荐用量1︰9兑水稀释, 用喷雾器均匀喷洒于沟内, 覆盖当地小麦秸秆, 覆盖量为4500 kg hm-2, 播后第2天均匀覆盖于土壤表面, 整个生育期不灌水。
供试小麦品种为晋麦47, 播种期为2007年9月20日、2008年9月13日和2009年9月26日, 收获期为2008年6月20日、2009年6月8日和2010年6月26日。收获当季作物后, 不变动垄, 仅在种植沟翻耕, 第2年重新整地并在原垄上覆盖地膜, 沟中覆盖秸秆或液态地膜。
1.3.1 土壤水分 在小麦播种期、分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期, 采用土钻烘干法取0~200 cm土样, 每20 cm为一个土层, 测定土壤含水量。沟垄种植区在沟中取样。
E=C× ρ× H×10 (1)
式中, E为贮水量(mm), C为土壤水分质量分数(%), ρ为土壤容重(g cm-3), H为土层深度(cm)。因试验区地下水位较低, 多在几十米以下, 地下水供给忽略不计。
ET=P+Δ W (2)
式中, ET为阶段耗水量(mm), P为降水量(mm), Δ W为时段内土壤贮水量的变化(mm)。
WUE=Y/ET (3)
式中, WUE为水分利用效率(kg mm-1 hm-2), Y为小麦籽粒产量(kg hm-2), ET为耗水量(mm)。
1.3.2 株高和地上部生物量 分别在冬小麦分蘖期、拔节期、抽穗期选取具有代表性的植株测定株高; 在冬小麦分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期测定地上部干物质重, 每个小区选取5株, 测定株高后将植株于120℃杀青2 h、80℃烘至恒重, 测其干重。
1.3.3 产量 收获期去边行, 各小区收割1 m2, 测定穗数、穗粒数和粒重, 计算产量。
采用单位粮食生产节水量和单位耗水量增产进行处理间比较[ 12]。
1.4.1 单位粮食生产下的节水量和节水率 若常规栽培的耗水量为 W1, 产量为 Y1, 沟垄集雨种植模式的耗水量为 W2, 产量为 Y2, 则单位粮食生产下不同沟垄集雨种植比对照节水量(Δ W)近似为Δ W = W1/ Y1 - W2/ Y2; 单位粮食生产下不同沟垄集雨种植比对照节水率 βW = Δ WY1/ W1 × 100%。
1.4.2 单位耗水量时的增产量和增产率 假设同上, 则单位耗水量下不同沟垄集雨种植比对照增产量(Δ Y)近似为Δ Y = Y2/ W2 - Y1/ W1; 单位耗水量下不同沟垄集雨种植比对照增产率 βy = Δ YW1/ Y1 × 100%。
采用Microsoft Excel 2007和SAS 8.01统计软件处理和分析, 并用LSD法进行多重比较( P≤0.05)。
各处理0~200 cm不同土层土壤水分变化呈现出相同的规律, 0~20 cm和20~100 cm土层波动剧烈, 100~200 cm土层变化平缓。受年际间降雨量大小和分布的影响, 年际间动态变化呈现出不同规律, 2007—2008年各处理0~20 cm和20~100 cm土层土壤水分含量在分蘖期达到最低值, 2008—2009年在拔节期达到最低值, 而2009—2010年在灌浆期达到最低值(图2)。这主要是由于2007年11月冬小麦分蘖期和2009年3月拔节期降雨量较少(1.6 mm和19.8 mm), 而2010年灌浆期冬小麦处于需水关键时期, 耗水量达到最大。
沟垄集雨处理能显著增加0~20 cm土层土壤贮水量, 其中以P2处理蓄水保墒效果最显著, 较P1和P3处理分别提高8.3%和6.7% (2007—2008)、5.9%和4.0% (2008—2009)及8.6%和5.1% (2009—2010)。播种至拔节期, 各沟垄集雨处理蓄水保墒效果显著, P1、P2和P3处理3年平均土壤贮水量分别较CK提高8.2%、12.7%和11.1%, 其中以P2和P3处理最高。受这一时期降雨量时间分布的影响, 2007—2008年P2和P3处理0~20 cm土壤贮水量分别较P1提高6.2%和3.9%, 而其他两年中P2和P3处理平均土壤贮水量较P1提高4.2%和2.7%。抽穗至灌浆期, 随着小麦生育进程, P3处理由于液态地膜的降解, 集雨保墒效果减弱, P2处理土壤平均贮水量显著高于其他各处理, 2007—2008年较P3处理高10.9%, 2008—2009年高6.5%, 2009—2010年高12.4%。P1和P3处理之间无显著差异。
播种至拔节期, 各沟垄集雨处理20~100 cm土壤贮水量均显著高于CK, 以P2最高, P3其次。P2处理20~100 cm土壤贮水量分别较P1和CK高4.5%、9.1% (2007—2008)和5.0%、13.0% (2008—2009), P2和P3差异不显著, 而2009—2010年P2处理20~ 100 cm土壤贮水量分别较P1、P3和CK高6.6%、3.8%和11.1%, P2和P3处理差异显著, 这主要是因为P3处理的液态地膜易在外界环境条件的影响下受损。
抽穗期至灌浆期, 各沟垄集雨处理蓄水保墒效果显著高于CK, 其中P2 20~100 cm土壤贮水量较P1和P3分别高8.3%和6.7% (2007—2008)、5.9%和4.0% (2008—2009)及8.6%和5.1% (2009—2010); P1和P3处理间无显著差异。
播种至拔节期, 2007—2008年和2008—2009年各沟垄集雨处理100~200 cm土壤贮水量均高于CK, 其中P2处理2007—2008年分别较P1、P3高4.2%和1.3%, 2008—2009年高5.2%和2.1%; 2009—2010年, P1、P2和P3处理100~200 cm土壤贮水量较CK略有降低, 但差异不显著, 这可能是因为2009— 2010年这一阶段的降雨量较少(136.60 mm)。抽穗期至灌浆期, 各沟垄集雨处理土壤平均贮水量较CK略有降低, 但均无显著差异。
3年试验结果有相似趋势, 沟垄集雨种植能够显著提高小麦生育期0~100 cm土层土壤贮水量, 以P2最高, P3和P1次之。P2的0~100 cm平均土壤贮水量较P1和P3高4.8%和2.8% (2007—2008)、5.4%和2.9% (2008—2009)、3.3%和4.6% (2009—2010)。
在分蘖期, 各沟垄集雨处理3年平均株高均显著高于CK, P2和P3之间无显著差异(图3)。2007—2008年和2008—2009年, P2株高分别较CK高29.4%和28.4%, 较P3分别高27.8%和31.6%; 2009—2010年, P2、P3的株高分别较CK高35.7%和40.8%。拔节至抽穗期, P1、P2和P3的株高均显著高于CK, 其中P2对株高影响最大, 2007—2008年分别较P1和P3高10.7%和11.5%, 2008—2009年高7.0%和5.8%, 2009—2010年高6.2%和4.8%; P1和P3间无显著差异。3年结果表明, 3个沟垄集雨处理株高均显著高于CK, 分别较CK高16.6%、26.7%和20.1%, 说明沟垄集雨种植能促进冬小麦生长。
小麦单株生物量动态变化与株高相似, 3年的趋势相同(图4)。分蘖期, P2和P3的平均单株生物量显著高于P1和CK, 较P1高27.9%和15.8%, 较CK高90.0%和76.4%。拔节至成熟期, 各沟垄集雨处理单株生物量均显著高于CK, 以P2处理最高, 较P1和P3分别高15.6%和17.2% (2007—2008)、17.3%和17.5% (2008—2009)、22.0%和15.0% (2009—2010)。P3与P1效果相近。3年平均, P1、P2和P3处理单株生物量分别较CK高34.7%、60.3%和38.5%, 说明沟垄集雨种植能明显提高冬小麦单株生物量。
3年各沟垄集雨处理冬小麦产量较CK均有显著增加; 由于降雨量的不同, 年际间的各集雨处理较
CK增产效果表现为2008—2009 2009—2010 2007—2008 (表1)。P1、P2和P3处理分别较CK增产20.18%、39.3%和18.6%, P2增产效果最明显。与P1和P3相比, P2增产率2007—2008年为17.1%和15.9%, 2008—2009年为13.6%和17.5%, 2009—2010年为17.1%和18.9%。P1和P3的产量无显著差异。
2007—2010年各沟垄集雨处理水分利用效率较CK显著提高(图5), P1、P2和P3平均水分利用效率处理分别较CK高19.8%、35.6%和16.5%, 其中以P2处理最高, 2007—2008年分别较P1和P3高15.3%和14.6%, 2008—2009年高9.4%和17.2%, 2009— 2010年高14.6%和17.7%。
3年试验结果表明, 各沟垄覆盖种植模式的节水增产效果均高于对照。P1、P2和P3处理3年平均单位粮食生产节水量分别为16.1%、25.1%和13.9%, 单位耗水量的增产量分别为19.5%、35.3%和15.8%, 其中以P2处理效果最为显著, 单位粮食生产节水量和单位耗水量的增产量分别达到 0.24 m3 kg-1和0.21 kg m-3 (表2)。
沟垄集雨种植模式能有效蓄存自然降水, 减少蒸发, 显著增加土壤含水量, 从而改善土壤水分状况, 提升作物对降水的利用效率[ 12, 13]。本研究结果表明, 各沟垄集雨处理均能显著提高0~200 cm土层土壤贮水量, 其中P2处理的效果最显著, P1和P3处理之间差异不明显, 说明P2和P3处理虽然都是沟垄二元覆盖方式, 但是蓄水保墒效果由于沟内覆盖材料的不同而出现差异, 和沟覆液态地膜相比, 沟覆秸秆能在小麦全生育期通过增加降雨入渗、降低土壤温度和抑制棵间蒸发提高土壤含水量[ 14, 15], 但是沟覆液态地膜的蓄水保墒效果却并不明确。本研究
发现播种至拔节期P2、P3处理在0~20 cm和20~ 100 cm土层土壤贮水量均明显高于P1, 且二者蓄水效果相似, 这可能是因为在小麦生育前期, 作物植株小, 地表覆盖度较少, 与沟内不覆盖相比, 沟内覆盖秸秆和液态地膜能够显著抑制株间蒸发。但在抽穗期至成熟期, P2和P3处理0~20 cm和20~100 cm土层土壤贮水量之间出现明显差异, P2处理土壤贮水量显著高于P1、P3处理, 其原因可能是在这一阶段气温升高、降雨量逐渐增多, P3处理中的液体地膜受到外界环境条件的影响开始降解, 蓄水保墒能力下降[ 16], 同时小麦进入生殖生长阶段, 生长进入旺盛阶段, 耗水量不断增大。各沟垄集雨处理100~ 200 cm土层3年平均土壤贮水量在冬小麦播种至拔节期均高于CK, 但是在抽穗期至灌浆期较CK略有降低, 可能原因是, 小麦生长前期主要利用浅中层土壤水, 进入生殖生长阶段, 小麦生长旺盛, 耗水量增大, 主要利用了中层和深层土壤水, 而沟垄集雨处理增加了前期的深层土壤水, 到了后期, 深层土壤水分由于向浅中层输送而减少[ 17]。
杨青华等[ 18]研究发现, 与不覆盖相比, 液体地膜覆盖棉田0~20 cm土层土壤含水量提高0.86%~ 1.76%。本研究中冬小麦全生育期, P3处理虽然在生长前期(播种至拔节期)有一定的蓄水保墒作用, 但是并不稳定, 生长中后期(抽穗期至成熟期)与P1处理土壤贮水量无差异, 这可能是由于液体地膜喷施的用量和喷施方法不同[ 19]。
沟垄集雨系统能够通过改善土壤水分状况进而促进作物的生长发育[ 20]。王晓凌等[ 21]研究发现, 沟垄集雨种植玉米株高较对照增加6.5%~10.5%, 生物量增加14.0%~38.7%。本研究发现, 沟垄集雨模式下, 冬小麦的株高和单地上部生物量较对照均显著增加, 以P2处理的提高幅度最大, 3年平均株高和生物量较对照分别提高26.7%和60.3%, 其次是P3处理, 株高和生物量分别较CK提高20.1%和38.5%。这表明沟垄两元覆盖能有效改善土壤水分条件, 促进作物生长, 效果显著优于单元覆盖模式[ 22]。同时, 本研究发现P2、P3处理对冬小麦生长前期(分蘖期)株高和生物量的促进作用高于生长后期(拔节期之后), 分析其原因, 一方面是生育前期降雨量较少, 与对照相比沟垄集雨处理能够明显改善冬小麦根部水分状况, 促进生长, 而生长后期, 随着降雨量的增多, 沟垄集雨种植的集雨优势逐渐降低, 另一方面是P3处理的液膜降解使蓄水保墒能力下降, 相应地, 对冬小麦株高和生物量的影响也逐渐减弱。
沟垄集雨种植模式能够有效改善土壤水分状况, 增加籽粒产量, 从而提高作物水分利用效率[ 23, 24]。王俊鹏等[ 25]在宁南旱区研究表明, 与平作相比, 沟垄集雨种植玉米产量提高67.9%~71.0%, 水分利用效率达到13.84~21.76 kg mm-1 hm-2。本研究获得相似结果, 在不同的降雨年型, 沟垄集雨种植均显著提高冬小麦产量和水分利用效率, 其中以P2处理提升幅度最大, 产量和水分利用效率分别较对照提高35.9%~43.9%和33.6%~35.8%, 这表明垄上覆盖地膜沟内覆秸秆二元覆盖方式能把蓄集的雨水最大限度地保存在作物根系分布最密集的区域, 使作物种植区的水分增加, 同时沟内秸秆覆盖通过抑制棵间蒸发促进了蒸腾, 改善了株间蒸发与叶面蒸腾耗水比例[ 26], 促进了土壤中的无效水分转化为有效水分, 因而提高了冬小麦产量和水分利用效率。在旱地夏玉米上采用液体地膜覆盖比不覆盖增产15.6%~ 57.0%[ 27]。本研究在小麦上发现, P1和P3处理产量和水分利用效率并未表现出明显差异, 说明沟内覆盖液体地膜的增产效果不稳定, 这可能是由于液体地膜喷施的用量和喷施方法不同[ 28]。
沟垄集雨种植模式的增产效应随着降雨量大小和分布变化而不同, 随着生育期降雨量的增加, 沟垄种植的增产效果降低[ 9]。本研究中各集雨处理的增产效果在年度间亦有变化, 表现为2008—2009 2009—2010 2007—2008, 与小麦生育期内降雨量的分布有很大关系。
沟垄集雨种植模式能显著改善农田土壤水分状况, 促进冬小麦的生长发育, 从而显著提高冬小麦产量和水分利用效率, 其中垄覆地膜沟覆秸秆处理提高幅度最大, 3年平均产量和水分利用效率分别较传统平作提高39.3%和35.6%。而且垄覆地膜沟覆秸秆处理节水增产效果最显著, 单位粮食生产节水量较传统平作提高了25.1%, 单位耗水量的增产量提高了35.3%。因此, 垄覆地膜沟覆秸秆模式作为旱地冬小麦节水增产栽培模式, 在半湿润偏旱区农业生产中具有重要的应用前景。