引用本文
高亮, 张维宏, 杜雄, 郭江, 宋晋辉, 王晓明, 赵治海. 覆膜和补灌对杂交谷子产量形成与水分利用效率的影响.作物学报, 2016, 43(1): 122-132
GAO Liang, ZHANG Wei-Hong, DU Xiong, GUO Jiang, SONG Jin-Hui, WANG Xiao-Ming, ZHAO Zhi-Hai. Effects of Plastic-Film Mulching and Supplementary Irrigation on Yield Formation and Water Use Efficiency of Hybrid Millet. Acta Agronomica Sinica, 2016, 43(1): 122-132  
Doi:10.3724/SP.J.1006.2017.00122
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覆膜和补灌对杂交谷子产量形成与水分利用效率的影响
高亮1,*, 张维宏1,*, 杜雄1,*, 郭江2, 宋晋辉2, 王晓明3, 赵治海3
1河北农业大学 / 河北省作物生长调控重点实验室, 河北保定 071001
2河北北方学院, 河北张家口 075000
3张家口市农业科学院, 河北张家口 075000
*通讯作者(Corresponding author): 杜雄, E-mail:duxiong2002@163.com **同等贡献(Contributed equally to this work)

第一作者联系方式: 高亮, E-mail:gaolianghebau@163.com; 张维宏, E-mail:zhangwh@hebau.edu.cn

收稿日期:2016-09-18
基金:本研究由国家科技支撑计划项目(2011BAD06B02), 河北省青年优秀拔尖人才专项基金和河北农业大学作物科梯队建设基金(TD2016C204)资助
摘要

针对干旱对杂交谷子的生产限制及耗水与产量的关系尚不明确的问题, 通过大田试验研究了不同降水年型下地膜覆盖与补灌对杂交谷子产量形成与耗水的影响。结果表明, 播后40~80 d是杂交谷子需水关键期, 拔节时补灌增加了单位面积有效穗数, 110 mm水分蒸散是提高抽穗期生物产量的充分条件; 全生育期耗水400 mm可获得较高籽粒产量。抽穗期生物产量是籽粒产量形成的基础, 产量形成具有“递进决定”的特征, 覆膜结合补灌显著提高了抽穗期生物产量。丰水年覆盖条件下或在欠水年, 补灌增加了花后干物质量; 欠水年雨养花后物质在营养器官中累积, 补灌促进了营养器官物质向籽粒转移。补灌下覆膜籽粒增产10.1%~18.6%, 比露地提高水分利用效率10.7%~19.4%。在欠水年, 雨养时覆膜下的籽粒产量较露地更低, 补灌是显著提高产量和水分利用效率的必要条件。丰水年覆膜能显著提高籽粒产量和补灌的增产效应, 欠水年补灌的增产效果则优于覆盖。地膜覆盖结合拔节期或抽穗期适量补灌是提高杂交谷子产量和水分利用效率的有效方法。

关键词: 杂交谷子; 地膜覆盖; 补充灌溉; 产量; 水分利用效率
Effects of Plastic-Film Mulching and Supplementary Irrigation on Yield Formation and Water Use Efficiency of Hybrid Millet
GAO Liang1,**, ZHANG Wei-Hong1,**, DU Xiong1,*, GUO Jiang2, SONG Jin-Hui2, WANG Xiao-Ming3, ZHAO Zhi-Hai3
1Agricultural University of Hebei / Hebei Key Laboratory of Crop Growth Regulation, Baoding 071001, China
2 Hebei North University, Zhangjiakou 075000, China
3 Zhangjiakou Academy of Agricultural Sciences, Zhangjiakou 075000, China
Fund:This study was supported by the China National Key Technology R&D Program (2011BAD06B02), the Hebei Provincial Fund for Outstanding Young Scholars, and the Fund of Research Group Construction for Crop Science in Hebei Agricultural University (TD2016C204)
Abstract

Hybrid millet is a new type of foxtail millet and widely planted in semi-arid plateau area in North China. However, drought is one of the major limited factors for increasing grain yield effectively. So we conducted field experiments in 2013 (wet year) and 2014 (dry year) to examine the effect of supplementary irrigation with plastic-film mulching on yield formation and water use efficiency of hybrid millet. For hybrid millet, 40-80 days after sowing was the critical period of water requirement, the supplementary irrigation at jointing stage helped to increase seed heads quantity, from jointing to heading not less than 110 mm of evapotranspiration (ET) was the sufficient condition for producing enough biomass. Achieving a higher grain yield needed an ET of 400 mm during whole growing season. The biomass at heading stage determined the subsequent grain yield with a characteristic of “stage hierarchy determination”, supplementary irrigation with plastic-film mulching increased biomass at heading stage significantly. Under mulching of wet year or in dry year, supplementary irrigation increased dry matter production after flowering. In dry year under rainfed condition dry matter after flowering accumulated in vegetative organs, supplementary irrigation promoted to translocate the dry matter from vegetative organs into grains. Under supplementary irrigation, plastic-film mulching increased grain yield by 10.1%-18.6% and WUE by 10.7%-19.4% compared with un-mulching, respectively. In dry year, because of the persistent drought before heading, under rainfed condition plastic-film mulching resulted in a grain yield lower than un-mulching, supplementary irrigation was a necessary condition for increasing yield and WUE. In wet year, supplementary irrigation decreased WUE, plastic-film mulching increased grain yield and improved the yield-increasing effect of supplementary irrigation. In dry year, the yield-increasing effect of supplementary irrigation was better than that of plastic-film mulching. In conclusion, plastic-film mulching combined with suit irrigation at jointing and/or heading is an effective way to increase yield and WUE of hybrid millet.

Keyword: Hybrid millet; Plastic-film mulching; Supplementary irrigation; Yield; Water use efficiency

谷子是我国北方农区传统作物。杂交谷子的培育成功, 为利用杂种优势促进谷子增产和提高水土资源利用效率奠定了生物基础[1], 其特有的粮、经、饲等多用性效能, 业已引起社会的广泛关注[2, 3]。杂交谷子具有个体强壮、叶源量大、根系发达等与普通谷子不同的属性, 由此决定了与其配套栽培调控措施的特异性。半干旱区水资源稀缺是农业生产最大的限制因素, 干旱胁迫抑制了谷子的生长发育与产量的提高[4, 5], 谷子生产迫切需要科学合理灌溉、有效保蓄农田水分和提高水分利用效率[7]。由于试验条件的不同, 郭贤仕[8]的研究表明, 谷子苗期和拔节期干旱胁迫后复水能够通过超补偿效应提高水分利用效率, 而王永丽等[9]认为拔节期干旱对谷子农艺性状影响最为严重, 灌浆期干旱则产量显著降低。地膜覆盖的保水与增温作用, 加快了整个生育期谷子的生长速度和促进产量提升, 较露地种植有效提高了抽穗期光合速率和水分利用效率[10, 11]。在热带干旱地区对御谷(别称“ 珍珠粟” )的研究表明, 增加灌水和磷肥供应[12, 13]、提高种植密度[14, 15]均可有效提高产量和水分利用效率, 其中原因之一就在于集约管理解除了水肥对御谷生长的限制和因农田覆盖度提高而显著减少了水分的无效蒸发。可见在谷子生产的必要生育时期实施合理灌溉和有效覆盖是保证其产量的重要措施。杂交谷子的培育成功是近年来谷子研究领域的一项突破性成果[1, 16], 随后对其生理的探讨做了较为深入的研究[17, 18, 19, 20]。但在通过栽培措施调控杂交谷子的生产性能方面, 也仅有施肥水平[21, 22]和种植密度[23, 24]对杂交谷子产量影响的报道。在水分利用方面, 董宝娣等[25]和姜净卫等[26]研究了雨养旱作条件下地膜覆盖对杂交谷子的生产效果, 而在灌溉条件下结合地膜覆盖围绕杂交谷子的水分利用和耗水特性方面的研究鲜见报道, 如何充分发挥杂交谷子的生产潜力, 显著提高其产量的灌水、节水和用水的研究具有重要意义。本研究将重点分析和明确地膜覆盖和补充灌水管理下杂交谷子的全生育期耗水动态、产量及其水分利用效率, 为杂交谷子高产高效生产提供理论和技术依据。

1 材料与方法
1.1 试验区域概况

实施田间试验的河北省张家口市农业科学院宣化沙岭子试验站(40.69° N, 114.93° E)地处温带半干旱季风气候区, 多年平均日照时数2800 h、降水量370 mm、无霜期140 d左右, 年均气温7.7℃, 作物春播一年一熟种植。全年降水的65%以上集中在7月至9月, 地下水埋深20 m以下。试验田土壤为栗钙土, 耕层土壤容重1.50 g cm-3, 0~40 cm土层含有机质12.52 g kg-1、全氮42.87 mg kg-1、速效磷18.31 mg kg-1、速效钾130.25 mg kg-1。1.6 m土体田间持水量533 mm, 平均饱和重量含水量25.6%。试验站内有自动气象站记录全年的气象条件, 2013年为丰水年, 生育期降水364.4 mm; 2014年为欠水年, 生育期降水257.5 mm (图1)。两个年度的降水差异主要体现在8月上旬(杂交谷子开花)前, 开花前降水多少是本试验条件下丰水年与欠水年的重要区别。

图1 杂交谷子生长期间降水量Fig. 1 Precipitation during the growth period of hybrid millet

1.2 试验设计

2013— 2014年, 以张杂谷5号为材料, 在露地和覆膜(-M)两种主处理下, 设置(1)播种后雨养(RF)、(2)拔节期补灌60 mm [JI(60)]、(3)拔节期与抽穗期各补灌60 mm [JHI(120)]、(4)拔节期、抽穗期和灌浆期各补灌60 mm [JHFI(180)] 4个水分处理, 3次重复。小区面积6 m× 6 m, 各小区之间设置1 m宽的隔离带。

播种前15 d小水造墒, 确保出苗。均匀撒施底肥后旋耕, 田面镇压后人工条播, 行距33 cm, 播后踏实种植沟, 使种子与土壤紧密接合。对于覆盖处理, 用宽60 cm、厚0.01 mm的地膜覆盖地面, 用土压实地膜两侧。两个年度分别在5月13日和5月18日播种。出苗后膜上及时开孔放苗和间苗, 并覆土封堵孔口以减少土壤水分蒸发损失。孔口间距≥ 10 cm。五叶期全田定苗, 每孔留苗一株, 全田密度27万株 hm-2。其他管理措施同一般高产田。

施肥量为N 255 kg hm-2、P2O5 120 kg hm-2、K2O 255 kg hm-2。全部磷、钾肥和30%氮肥作为底肥, 70%氮肥在拔节期垄行中间开沟追施。为不破坏地膜和确保肥效一致, 全田采用隔行开沟追氮, 正好在两幅地膜行间的覆土接合处开沟。灌溉处理于追氮后灌溉, 雨养处理在氮肥沟埋后等雨。氮肥为尿素、磷肥为磷酸二铵、钾肥为氯化钾。

当杂交谷子旗叶开始变黄干枯时收获, 两个年度的收获时间分别为9月30日和9月27日。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质和产量 于抽穗期(谷穗全部抽出但未开花)和成熟期(收获前)从每小区地面处收取代表性样株6株。抽穗期按整株即全部营养器官、成熟期按籽粒(带壳)和营养器官分样, 105℃杀青后80℃烘至恒重并称重, 计算收获指数, 并根据种植密度折算单位面积生物产量。收获时在各小区中心区域(未受到取样破坏)随机选取3行× 3 m的样本计数穗数, 根据行距折算单位面积穗数, 而后剪取果穗晾晒30d, 称重、计算单个谷穗重量, 脱粒后称量籽粒重量和千粒重, 使用谷物水分测定仪测定各小区谷粒含水率后, 按含水率13.5%折算千粒重和产量。

干物质转运量 = 扬花期营养器官干重-成熟期营养器官干重

干物质转运率(%) = 干物质转运量/扬花期单株干重× 100

花后干物质积累量 = 成熟期单株籽粒干重-干物质转运量

花后干物质贡献率(%) = 花后干物质积累量/成熟期单株籽粒干重× 100

干物质转运贡献率(%) = 干物质转运量/成熟期单株籽粒干重× 100

1.3.2 土壤贮水量、田间水分蒸散量和水分利用效率 采用烘干法测定土壤重量含水量。在播后及此后每40 d监测一次1.6 m土壤含水量, 每10 cm为一层。灌水前、单次降水量超过50 mm或连续一周累积降水超过60 mm时的2 d内, 加测土壤含水量一次。在本研究中, 如果监测到1.6 m土壤实际贮水量超过田间持水量即为发生土壤渗漏。两个年度内的降水和灌水均未发生径流损失。

土壤贮水量(mm) = 土层厚度(cm) × 土壤容重(g cm-3) × 土壤重量含水量 × 10

土壤贮水消耗量 (mm) = 本生育阶段初土壤含水量 - 本生育阶段末土壤含水量

水分蒸散量(mm) = 土壤贮水消耗量 + 降水量 + 灌水量 - 渗漏量

水分利用效率 (kg mm-1 hm-2) = 籽粒产量 / 全生育期水分蒸散量

灌水利用效率 (kg mm-1 hm-2) = (补灌处理籽粒产量-雨养处理籽粒产量)/补灌量。

1.4 统计分析

用Microsoft Excel 2003绘图, 用SAS 8.0进行方差分析, 并用Duncan’ s新复极差法检验显著性。

2 结果与分析
2.1 土壤贮水变化与阶段耗水量

2.1.1 土壤贮水变化 在丰水年(2013年), 播种后120 d, 各处理的土壤贮水达最大值, 按照1.6 m土体田间持水量533 mm计算, 两种条件下补灌180 mm时还出现了8.0~25.5 mm的土壤水分渗漏。收获时土壤贮水除露地雨养较播种时降低6.1 mm外, 其他处理均有不同程度增加, 最多可增加110 mm以上(图2)。因此如何实现收后丰富的土壤贮水有效保蓄至翌年春季播种时的“ 非生长季减耗” , 对作物节水生产具有重要意义。

在欠水年(2014年), 播后40 d内各处理因无灌溉, 土壤贮水露地处理减少24.5~37.1 mm、覆盖下减少13.7~26.0 mm; 因降水较少, 播后40~80 d内雨养处理在露地和覆盖下的土壤供水分别为34.8 mm和23.4 mm, 此后土壤贮水量均保持一种平稳态势直至收获, 可见本试验条件下1.6 m土体贮水320 mm以上才可视为实际的有效供水。欠水年随补灌量增加, 收获时的土壤贮水较播种时由亏损转至盈余。若提高土壤供水能力, 则需最大限度地提高播前土壤的贮水量, 上茬作物收获后土壤贮水的有效保蓄是杂交谷子高效用水的关键所在。

图2 不同处理杂交谷子全生育期0~160 cm土体水分变化Fig. 2 Changes of soil water content in 0-160 cm layer during hybrid millet growth period under different treatments

2.1.2 阶段蒸散量 播后40 d内(苗期)未灌水, 覆盖处理显著低于露地, 2个年型均是如此(图3和图4)。拔节期灌水后, 播后40~80 d (穗期)内, 相同补灌量下的蒸散量(ET)覆膜与露地差异不显著, 补灌处理显著高于雨养, 在欠水年这种特征表现更为明显。在丰水年, 播后80 d直至成熟(灌浆期), 露地各补灌处理的ET无显著差异, 覆盖下也仅有雨养在播后80~120 d内低于2次补灌处理, 这说明抽穗后ET主要由降水决定。在欠水年, 播后40 d至成熟各处理ET随补灌量增加而增加, 雨养最少, 灌水则是ET的主要决定因素。

综合来看, 播后40~120 d是杂交谷子蒸散速率最大的时期, 阶段ET占总量的2/3~3/4。在欠水年, 穗期雨养处理比补灌少耗水39.4~63.8 mm, 正是雨养下因这一时期干旱造成产量显著降低, 此后虽然雨养处理与拔节期补灌的ET无显著差异, 但抽穗后较多的降水和蒸散对雨养的杂交谷子弥补产量损失无显著意义(表1)。年型间对比表明, 欠水年雨养处理穗期仅少耗水33.3~36.4 mm, 抽穗后ET也无显著差异, 但产量相差1倍以上, 说明播后40~80 d (穗期)耗水是提高产量和“ 耗水质量” 的关键, > 110 mm的ET是获得高产的充分条件。

图3 丰水年不同处理杂交谷子的阶段蒸散量
图柱上不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著。Fig. 3 Evapotranspiration of hybrid millet in different growing stages under different treatments in wet year
Bars represented by different letters are significantly different among treatments at the 0.05 probability level.

图4 欠水年不同处理杂交谷子的阶段蒸散量
图柱上不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著。Fig. 4 Evapotranspiration of hybrid millet in different growing stages under different treatments in dry year
Bars represented by different letters are significantly different among treatments at the 0.05 probability level.

2.2 籽粒产量与水分利用

2.2.1 籽粒产量 在丰水年, 相同补灌量时覆膜较露地能够显著提高单穗重和千粒重, 而露地下补灌数量对二者影响不大; 露地下拔节期补灌能够显著增加单位面积穗数, 覆盖后仅拔节期一次补灌对穗数无显著作用(表1)。不少于2次补灌的处理, 露地条件下比雨养平均提高籽粒产量4.2%; 覆盖下比雨养增产9.5%, 并显著高于其他处理7.2%~21.7%; 仅拔节期补灌的籽粒产量与雨养无显著差异。相同补灌量下覆膜的产量显著高于露地10.8%~18.6%, 这表明在丰水年地膜覆盖能显著增产并提高了补灌的增产效应。

在欠水年, 拔节期补灌比雨养增加了37.8% (露地)和22.7% (覆盖)的穗数, 还显著提高了覆盖下的穗重。雨养下覆盖处理的穗重较露地更低, 抽穗期补灌的穗重较雨养提高了21.1% (露地)和84.7% (露地)。灌浆期继续补灌对提高穗数和穗重的效果则不再显著。干旱提高了雨养下的千粒重, 相同主处理下千粒重在不同补灌处理间不具显著差异。拔节期补灌较雨养增产籽粒54.7%~94.7%, 此后补灌产量继续提高, 但增幅变小; 补灌量相同时, 覆膜较露地增产10.1%~15.4%。可见欠水年补灌是增产的必要条件, 增产效果补灌优于覆盖。

2.2.2 全生育期蒸散量与水分利用效率(WUE)

表2表明, 两种年型下补灌量≤ 120 mm时, 随灌水增加ET显著增加; 补灌量> 120 mm后, ET则不再显著增加。补灌越少, 相同处理的ET欠水年与丰水年的差值就越多, 补灌180 mm时的ET两个年型间无显著差异。覆膜促进杂交谷子生长发育的作用, 导致播后40~120 d内相同补灌量覆膜处理ET较露地增多(图3和图4), 结果是同一年度相同补灌处理的ET在覆盖与露地间无显著差异, 覆盖并不能显著减少杂交谷子全生育期耗水。两种年型且不论覆膜与否, 全生育期400 mm左右的ET可获得较高产量。

表1 不同处理的杂交谷子产量 Table 1 Yield of hybrid millet under different treatments
表2 不同处理杂交谷子的全生育期蒸散量和水分利用效率 Table 2 Total evapotranspiration and water use efficiency of the hybrid millet under different treatments

在丰水年, 补灌导致WUE变小, 覆膜雨养处理最高; 而在欠水年, 雨养杂交谷子受制于7月和8月上旬持续的“ 卡脖旱” (图1), 因低产致其WUE最低, 补灌能够显著提高WUE, 无论覆盖还是露地, WUE在3个补灌处理间无显著差异。不论降水年型, 相同补灌量下覆膜比露地WUE提高10.7%~19.4%, 表明覆膜虽不能降低耗水“ 数量” , 但能显著提高用水“ 质量” 。不同年型下的灌溉水利用效率具有显著差异, 而且随着补灌量的增加表现出显著降低的趋势, 受旱后及时适量补灌是提高产量和灌溉水利用效率的必要条件。

2.3 干物质累积与转移

2.3.1 不同年型下干物质与转移的比较 在丰水年, 雨养杂交谷子抽穗期生物产量较此前补灌处理降低4.9%~10.5% (露地)和6.9%~11.7% (覆盖), 这说明即使在丰水年雨养杂交谷子抽穗前也受到了水分胁迫。露地下拔节期补灌处理与覆盖雨养的生物产量无显著差异, 表明覆膜效果相当于一次灌水, 相同补灌量下覆盖处理的生物产量和花后物质生产显著高于露地(表3)。花后干物质在露地各处理间无显著差异, 说明露地下抽穗后补灌对增产的效果不大; 而在覆盖下, 花后干物质随补灌量增加而增加, 较雨养提高10.6%~17.9%, 也由此导致补灌180 mm的干物质向籽粒的转移量较雨养显著降低和花后物质对籽粒贡献率显著提高。营养器官干物质向籽粒的转移量具有随补灌量增加而减少的趋势。综合来看雨养或少灌水在丰水年有利于收获指数(HI)的提高。

在欠水年, 雨养下覆膜因干旱减少生物产量的负面作用较露地更大, 这与丰水年不同; 补灌和补灌下覆膜更显著地提高了生物产量和花后物质生产。灌浆期补灌与否对成熟期生物产量无显著作用, 抽穗时一次补灌即可满足花后需要。雨养下, 抽穗期较低的生物产量导致花后干物质累积和营养器官干物质转移量显著降低, 较小“ 库容” 而不能容纳更多花后干物质, 甚至出现花后物质在营养器官中累积、转移量为负值的现象, 说明欠水年适时适量补灌可有效提高物质生产与转移效率。花后物质累积具有随补灌量增加而增加与丰水年类似的趋势, 因补灌后“ 库容” 增幅大于花后干物质累积增幅, 导致花后物质对籽粒的贡献率随补灌增加而下降, 覆盖下更为明显。欠水年雨养HI显著低于各补灌处理, 覆盖下比露地更低, 补灌显著提高HI的结果与丰水年不同。

2.3.2 抽穗时生物产量与产量形成的关系 抽穗期生物产量决定了花后物质累积和成熟期生物产量, 杂交谷子生物产量形成具有“ 递进决定” 关系, 抽穗期生物产量也是营养器官物质转移和籽粒产量的决定因素(图5和图6)。回归分析表明, 杂交谷子抽穗期的生物产量同花后生物量累积呈二次曲线关系, 花后物质增加幅度随着抽穗期生物产量增加呈减少趋势, 本试验数据范围内花后物质仍呈线性增长, 远未达到最大值。抽穗期生物产量与成熟期生物产量呈显著正相关, 两个时期有1.00∶ 1.96的数量关系。抽穗期生物产量与营养器官干物质转移也呈二次曲线关系, 当抽穗期生物产量为12 638 kg hm-2时, 营养器官物质转移可达到最大值, 继而又可获得较高收获指数。抽穗期生物产量与籽粒产量同样为二次曲线关系, 抽穗期生物产量达到20 771 kg hm-2时可获得最高的籽粒产量, 与当前相比籽粒产量仍有较大提升潜力。覆膜结合拔节至抽穗的水分供应, 是提高花前生物产量进而获得较高籽粒产量的前提条件, 覆膜下抽穗期补灌保证花后物质生产则是提高产量的必要保证。

表3 不同处理杂交谷子干物质累积、转移及其收获指数 Table 3 Dry matter accumulation, translocation and harvest index of hybrid millet under different treatments

图5 杂交谷子抽穗期生物量同花后生物量、成熟期生物产量的关系Fig. 5 Relationship of biomass at heading with biomass at maturity and dry matter accumulation after anthesis

图6 杂交谷子抽穗期生物量同干物质转移、籽粒产量的关系Fig. 6 Relationship of biomass at heading with dry matter translocation and grain yield

3 讨论

在半干旱区冷凉农作区, 地膜覆盖可有效地增加积温。在作物生育前期, 冠层尚未大面积遮挡太阳辐射, 增温效果较为突出, 因而实现了作物提早播种和生长发育, 又可有效延长作物的生殖生长或灌浆时间[26, 27, 28, 29], 提高光合速率和促进干物质累积与转运[27], 产量得以显著提高[25, 30, 31, 32]。当水分不是限制因子时, 杂交谷子的显著增产效果再次证明了地膜覆盖的作用。然而地膜覆盖导致作物显著减产的结果也屡见报道, 譬如因膜下整个生育期持续较高的温度[33, 34]和CO2浓度[35], 导致马铃薯和春小麦产量显著下降[33, 34, 36]。同样是半干旱冷凉区全生育期地膜覆盖, 杂交谷子与马铃薯、春小麦产量结果迥然不同的原因在于C4与C3作物对较高温度和CO2浓度响应的差异, 全生育期覆膜提高土壤温度的效应造成对C3作物— — 马铃薯和春小麦在生育后期的负向抑制, 而对C4作物则发挥了正向的促进作用。Zhao等[34]对马铃薯种植后65 d的半生育期覆盖增产33.9%~92.5%的结果则为C3作物后期受到抑制而减产提供了证据, 而Dong等[25]、Liu等[37]和Li等[38]对全生育期地膜覆盖促进C4作物增产的研究结果也证明了全程覆膜是春播区杂交谷子增产的必要因素。

已有研究表明, 覆膜有显著的保墒作用[25, 32, 37, 38, 39]。而本研究表明, 在雨养条件下底墒较差且降水严重不足时, 覆膜因温度适宜促进杂交谷子前期快速生长, 反而加剧其受旱和籽粒形成受抑制程度。2014年抽穗前的持续干旱, 雨养下覆膜杂交谷子抽穗前的生物产量甚至比常规露地种植的还低(表3), 同时因“ 卡脖旱” 导致籽粒产量降低12.5%。因此作物覆膜种植应遵循“ 盖湿不盖干” 的原则[40]。实践证明提高土壤温度是覆膜增产的充分条件, 而及时及量的水分供应则是增产的必要条件。本研究也表明, 穗期(拔节-开花)充分供水是营养体建成、生殖体形成和籽粒产量的基础, 抽穗前严重水分胁迫后, 即使在花后有较为充足的降水对恢复产量的作用也变得十分有限, 杂交谷子产量形成与耗水的关系在时间序列上与冬小麦类似[41], 同样具有没前者则无后者“ 串联递进” 的用水特征, 保证穗期水分供应是增加“ 籽粒数量” 和提高“ 耗水质量” 的关键。当降水总量不足且时间分布与其作物需求严重错位时, 通过及时适量补灌以缓解降水供应同作物需求在“ 数量与时间” 上的不平衡, 依然是提高杂交谷子产量的重要保证。试验表明, 即使生长季降水总量较大但单次降水也常为无效水、且相邻两次降水间隔时间较长而不能累加为有效水, 客观上存在着“ 即使在丰水年雨养杂交谷子抽穗前也受到水分胁迫” 的结果(表3)。相同数量的“ 非目的性” 的降水和“ 有目的性” 的补灌对形成产量的效果是不同的, 甚或可视为不同“ 质量” 的水分供应。

本研究表明, 当补灌> 120 mm时, 收获时的土壤水分显著高于播种时(图2), 因而灌溉农田水分的非生育期有效保蓄则成为减少灌溉、高效用水和维持产量的又一关键所在。何立谦等[41]在冬小麦上秋季实施的全田土下地膜覆盖、跨季节跨年度调水技术为非生育期土壤水分保蓄和下茬作物高效用水提供了借鉴, 在较长“ 时间” 上缓解或平衡了水分“ 数量” 供需错位, 结合姚建民等[42]的渗水地膜或微孔地膜使用又可实现降水的顺畅入渗, 实现水分在土壤“ 空间” 上的蓄存。因谷子不宜重茬种植, 上述方法或思路可通过其他作物与杂交谷子轮作来实现。一般情况下, 农田因灌溉和夏秋降水, 作物收获时的土壤含水量较多, 因此把谷田春播时地表覆膜改为上茬作物收获后土下覆膜则可实现“ 秋水春用” , 这也是对传统地膜覆盖技术的改进, 也遵循了“ 盖湿不该干” 覆膜原则, 从而为杂交谷子春季正常播种、出苗和生长提供较为充足的水分保障。借鉴甘肃省全膜覆土穴播小麦技术的“ 甘谷模式” , 在膜上打孔穴播杂交谷子又可实现盖膜、覆土和播种的机械化操作。又鉴于我国北方半干旱区年际间、季节间降水分布不平衡的气候原因和杂交谷子大面积旱作的生产特点, 农田水分多少和有效保蓄则成为其高产和稳产的决定性因素。前人研究表明, 黄土高原夏季休闲期麦田深耕可有效蓄积降水、增加底墒而实现伏雨春用[43, 44], 增加小麦产量。鉴于此, 干旱或半干旱完全雨养区通过农田一年深耕覆盖休闲蓄水、翌年种植的策略来实现高产, 可视为一种累加土壤水分、有效克服干旱限制的杂交谷子栽培方法。

对于残膜对作物后续产量和环境的影响问题, 毕继业等[45]的研究表明, 在覆膜技术使用36年后, 残膜污染所造成的农作物减产率将大于由覆盖带来的增产率, 再持续16年则可全部抵消增产的全部产量, 因而得出了现有残膜回收技术条件下使用地膜覆盖是不经济的结论。然而这个结论是以作物产量作为指标评价的, 如果将节水带来的生态效益或开采地下水资源导致的生态和社会成本考虑在内, 覆膜不经济的结论则需进一步商榷, 而且可以通过改革农业政策或制度促进地膜回收机制创新和技术的突破。就目前技术和制度条件下, 杂交谷子地膜覆盖种植同样存在着残膜污染农田或回收增加成本的技术不足, 但在非覆盖节水条件下导致的地下水超采问题, 长此以往势必会造成地下水甚或枯竭的后果, 由此引发的缓发性次生地质灾害如地面下沉和局部塌陷[46]等造成的经济、社会与生态损失不可估量。因此用发生在农田表面、可视并可控的地膜“ 显性污染” 去替代发生在地下深处、不可视且不可控地下水漏斗扩大甚或枯竭的“ 隐性灾难” , 采用“ 优效替代” 的缓解策略具有重要意义。

4 结论

补灌条件下地膜覆盖可提高杂交谷子10.1%~ 18.6%的籽粒产量, 覆膜显著提高了灌水的增产效果, 补灌后覆膜的增产效果与降水年型关系不大。丰水年补灌降低了水分利用效率, 欠水年则与此相反。地膜覆盖不能降低全生育期耗水量, 但提高了补灌条件下15%左右的WUE。欠水年雨养条件下覆膜可造成较露地更严重的水分胁迫而显著降低产量。杂交谷子抽穗期生物产量是籽粒产量的基础, 产量形成具有“ 递进决定” 的特征, 苗后40~80 d是杂交谷子需水关键期, 穗期110 mm的蒸散量是增产的前提, 全生育期耗水400 mm可获得较高籽粒产量。欠水年拔节期补灌是保证穗数的基础, 抽穗期补灌是提高穗重的保证。地膜覆盖结合拔节期或抽穗期及时适量补灌是杂交谷子获得高产和高效用水的有效技术方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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