黄土旱塬区不同覆盖措施对土壤水分及冬小麦水分利用效率的影响

官 情,王 俊,,宋淑亚,刘文兆

(1.西北大学城市与环境学院,陕西西安 710127;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

黄土旱塬区不同覆盖措施对土壤水分及冬小麦水分利用效率的影响

官 情1,王 俊1,2,宋淑亚2,刘文兆2

(1.西北大学城市与环境学院,陕西西安 710127;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

田间试验研究了不同覆盖措施对冬小麦农田土壤含水量及小麦生长状况和水分利用效率的影响。试验包括 4个处理:作物生育期秸秆覆盖 600 kg/ha(M 600)、秸秆覆盖 300 kg/ha(M 300)、地膜覆盖(PM)和无覆盖处理(CK)。结果表明:覆盖处理下的土壤贮水量均高于不覆盖,M 600处理能显著增加土壤含水量(0～1m和 0～2 m),显著性水平 P﹤ 0.01,秸秆覆盖量越大,保水效果越好,整个生育期内,0～1m土层土壤平均贮水量M 600较CK提高了 12%,0～2m土层土壤平均贮水量 M 600较 CK提高了 13.6%。其中秸秆覆盖处理能明显增加产量,m300处理的增产效果表观上高于 M 600处理,但差异不显著,M 300处理能明显增加水分利用效率(P﹤ 0.05),而地膜覆盖的增产效果不明显。

旱地;冬小麦;覆盖措施;土壤含水量;产量

在干旱半干旱的雨养型农业区,水分是作物产量提高的主要限制因素之一,有限水分资源的高效利用是该地区农业生产面临的主要问题[1]。合理的耕作措施对农田水土保持有十分重要的意义,科学的耕作措施,可改善土壤结构,充分利用自然降水,减少土壤水分的无效蒸发和径流损失,从而达到蓄水保墒提高水分利用率的目的,另外,还具有增加土壤肥力、节省投入和提高作物产量等效果[2]。本文以陕西长武县十里铺不同覆盖试验场冬小麦为研究对象,该区农业生产主要依赖于天然降水,降水不足和土壤水分蒸发强烈是导致农田水分供需矛盾的主要因子[2],减少土壤水分蒸发,提高对降水资源的利用率成为旱作农业研究的重要内容。为此,本试验以作物生育期秸秆覆盖 600kg/ha(M 600)、秸秆覆盖 300 kg/ha(M 300)、地膜覆盖(PM)和无覆盖处理(CK)为研究对象,探索不同覆盖方式对土壤的保蓄水分能力及对冬小麦水分利用效率的影响,以期为该区域不同耕作措施的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验地的自然条件

田间试验在中国科学院陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站(107°44.703′E,35°12.787′N)进行。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候,农业生产主要依赖生育期的天然降水和前期土壤蓄水,属于典型的旱作农业区。该区海拔 1 220m,多年平均降水 584 mm,且季节性分布不均,年均气温 9.1℃,无霜期 171d。土壤属黄盖粘黑垆土,土层深厚,土质疏松,肥力中等,田间持水量为 22.4%,凋萎湿度9%。

1.2 实验设计与管理

冬小麦覆盖种植试验开始于 2008年 9月,作物品种为长武 -134。试验共设置 4个处理,对照(不覆盖,CK)、作物生育期全量秸秆覆盖(覆盖量 600 kg/ha,M 600)、生育期半量秸秆覆盖(覆盖量 300 kg/ha,m300)、生育期地膜覆盖(PM),每处理 3次重复,随机区组排列,每小区面积 24 m2。冬小麦于每年 9月下旬播种,翌年 6月收获后土壤休闲,期间圆盘耙机耕(深度小于 20 cm)松土蓄墒。

1.3 测定项目与方法

土壤水分的测定记录各生育期内降雨量,土壤水分采用CNC503(DR)智能中子水分仪监测,在田间共埋设 12个管子,每月的月末观测土壤 0～200 cm土层含水量。试验期间采用人工除草的方式,降雨量由雨量筒记录,作物收获后计产。

1.4 计算方法

1.4.1 土壤贮水量的计算[3]

式中,W为土壤贮水量(mm);Wi为第 i层土壤重量含水量(%):D i为第 i层土壤容重(g/cm3);Hi为第 i层土层厚度(cm)。

1.4.2 水分利用效率(WUE)的计算[4]

水分利用效率(WUE)指蒸散的每单位(mm)水分在单位面积上所生产的经济产量(kg/hm2)作物生长期间的蒸散量ET(mm),用 ET=P-△S式计算,其中 P是作物生长期间的降水量(mm),⊿ S是收获期与播种期 0～200 cm土壤贮水量之差(mm)。

水分利用效率的计算公式为:

式中:WUEy为产量水平的水分利用效率(WUE);Y为经济产量;ET为小麦生育期内农田耗水量

降雨利用效率的计算公式为:

WUEp〔kg/(mm· hm2)〕=Y/P

式中:WUEp为降雨水平的利用效率(WUE);Y为经济产量;P为小麦生育期内农田降雨量

1.5 统计方法

采用 Microsoft Excel 2003软件处理数据和制图,采用SPSS16.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 降雨及不同覆盖方式对冬小麦生育期内土壤水分变化的影响

小麦从 2009年 9月 24日播种,到 2010年 6月 28日收获,全生育期内总降水量为 195.1mm(图 1)。

由图 1可以看出,从 12月初到 1月末,为冬季失墒期,该段时间没有降雨,0～1m和 0～2 m土层土壤贮水量变化不大,全生育期内土壤贮水量的最高值出现在 2月底 3月初,达 318.63mm,雨季主要在 4月、5月和 6月三个月,2009年4月 15日(拔节期)至 6月 27日降雨较多(114.4mm),占观测期内降雨总量(195.1 mm)的 58.6%,但 2009年 4～6月各处理 0～1m和0～2m土层平均贮水量均没有明显上升,反而呈下降趋势,这是因为从拔节期以后,随着作物的生长旺盛,叶面积逐渐增大,蒸散强度增大,是冬小麦耗水最多的时期,土壤贮水量急剧降低[5],至收获期降至观测期内的最低值,为 108.47mm。

图1 冬小麦 0～1m和 0～2m土壤平均贮水量的变化

A:2009-9-29;B:2009-10-31;C:2009-11-30;D:2009-12-30;E:2010-1-29-1-30;F:2010-2-27-28;G:2009-3-30-31;H:2009-4-29-30;I:2009-5-30-31;J:2010-6-29-30下同 The same below.

图2 不同覆盖处理下 0～1m(a)和 0～2m(b)冬小麦土壤平均贮水量的变化

从图 2可以看出,与对照(CK)相比,覆盖后各处理 0～1 m和 0～2m土壤贮水量均高于对照,各处理 0～1m和 0～2 m土层土壤平均贮水量的大小顺序依次为 M 600﹥ m300﹥PM﹥ CK,尤其是在 3月末(拔节期)至 6月底(收获期),各处理 0～1m和 0～2m土层土壤贮水量 M 600处理土壤贮水量显著高于其他处理。整个生育期内,0～1m土层土壤平均贮水量 M 600与 CK相比提高了 12%,m300较 CK提高了 5.3%,PM较 CK提高了 4.8%,0～2m土层土壤平均贮水量M 600与 CK相比提高了 13.6%,M 300较 CK提高了 8.9%,PM较CK提高了 3.5%。其中,覆盖下的土壤贮水量与对照相比,均存在显著性差异,M 600处理与对照存在极显著性差异,(显著性水平 P﹤ 0.01)。这是由于农田施行秸秆覆盖后,在地面和空气之间形成了了一个疏松的隔离层,切断了土壤与大气的直接联系,阻挡了土壤水分相大气的自由逸散,从而改变了近地面的水热状况[6],有研究表明,土壤含水量随着秸秆覆盖量的增大而加大[7]。而地膜覆盖由于膜的不透气性和不透水性,切断了水分和大气的直接交换,有效地阻止了土壤水分蒸发。从图 2还可以看出,从 3月末(拔节期)以后,土壤贮水量的变化呈下降趋势,这是因为作物生长旺盛,蒸发作用强烈,虽然也有不少降雨(6月份降雨30.8mm),但都以无效降雨为主,土壤贮水量呈降低趋势[8]。

显著性检验结果表明,M 600处理(0～1m和 0～2m)储水效果最好,总体上,在干旱缺少自然降雨的情况下,M 600处理对保存土壤水分产生了十分积极的作用。

2.2 不同覆盖方式对冬小麦生长状况的影响

表1 不同覆盖方式对冬小麦生长状况的影响

由表 1可知,与对照相比,秸秆覆盖处理下的小麦穗粒数、千粒重和株高差异不大,而平均生物产量却显著高于对照处理(P﹤ 0.01),地膜覆盖处理下的穗粒数和株高相比较于 CK均显著提高,而千粒重较 CK降低了 1.8%,有研究表明,地膜覆盖后,由于光、热、水、气、肥等生态条件的改善,改变了小麦长期适应自然形成的生育规律,促进了各生育阶段的生长发育,对小麦的株高、分蘖成穗率和千粒重等有提高作用[9],但在本实验中 PM处理的千粒重却较 CK降低,分析原因是由于蒸腾作用强烈,在作物生长前期土壤水分和养分严重耗竭,后期生长中,这期间没有灌溉或后期降水量很少的情况下,对籽粒的形成和灌浆不利。

3 不同覆盖措施下的产量状况及水分利用效率

表2 不同覆盖措施下籽粒产量及水分利用状况

由表 2可知,小麦生长期间,0～1 m土层不同处理的耗水量中,PM处理最低,为 250.57 mm,M 600处理最高,达260.16mm,两者相差 9.59 mm,且不同处理间差异也不大;但从 0～2 m土层的耗水量来看,还是 PM处理最低,达 251.08mm,M 300处理最高,达 282.26 mm。可见,0～1 m土层的土壤耗水量各处理之间差异并不大,但 0～2 m土层差异明显,M 300处理能显著增加 0～2 m土层土壤耗水量。无论是对于水分利用效率还是降雨利用效率,与其他处理相比,秸秆覆盖措施都能提高,其中 M 300处理的 WUEy和 WUEp在各处理中最高。

对于产量而言,秸秆覆盖后能明显增加产量,这是因为秸秆覆盖为作物生长提供了良好的水分条件,同时也创造了一个适于作物生长的小气候环境,还可以培肥地力,增加土壤微生物数量、改善表层土壤物理结构[10-12],对于小麦而言,由于覆盖使土壤水分状况发生改善,对小麦分蘖、穗分化和籽粒灌浆有一定影响,从而影响到产量[6]。有研究表明,地膜覆盖增产的机制首先在于改善了土壤生态环境,即水热状况[13,14],进而活化了土壤养分[15],使养分有效性和水分利用效率提高[16],地膜覆盖增产的另一重要原因是提高了土壤温度[13,16],特别是能显著增加耕层 0～5cm土层的温度,而由于蒸腾作用强烈,在作物生长前期土壤水分和养分严重耗竭,后期生长中,这期间没有灌溉或后期降水量很少的情况下,对籽粒的形成和灌浆不利,导致产量下降[17],本研究所处干旱、半干旱的雨养型农业区,在 2010年 5月 27日左右至 6月 28日小麦收获,这期间虽然也有不少降雨,但都以无效降雨为主,而覆膜后,由于膜的持续增温作用,加速了有机质的矿化,养分又大量损失,因此地膜覆盖后对产量的影响不显著,出现了与对照相比减产 0.3%的现象。因此在生产实践中,抑制地膜后期的增温效应,对地膜作物增产是必要的[18]。

4 结论

(1)覆盖措施能够有效地减少土壤表层水分的散失和蒸发,起到了保墒蓄水的作用,从而增加了“土壤水库”的蓄水量。与传统耕作相比,保护性耕作对作物的供水更有效,能为作物的生长提供所需的水分,更利于作物的生长。

(2)秸秆覆盖能明显增加产量,适量的秸秆覆盖增产效果更明显,即 M 300处理能显著提高水分利用效率和降雨利用效率。而地膜覆盖对产量的影响不显著,甚至有可能有减产的现象,这一方面的问题还有待于做更细致、深入的研究。

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Influences on Different Treatments on SoilMoistureand Water Use Efficiency W inter Wheat Field in Arid-highland of the Loess Plateau

GUAN Qing1,WANG Jun1,2,SONG Shu-ya2,L IUW en-zhao2
(1.Department of Environmental Science,Northwest University,Xian 710127,Shaanxi;2.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resource,Yangling 712100,Shaanxi)

The field experiment study that the different cover to be in fluence on soilmoisture and water use efficiency and yield in winter wheat cropping system.Trial included 4 treatments:straw mulch during the whole grow th period 600kg/ha(M 600),straw mulch 300 kg/ha(M 300),p lastic film mu lching(PM)and nomulching(CK).The resu lts showed that:The soilmoisture with cover treatments were higher than those not covered,M 600 treatment can significantly increased soil water content(0～1m and 0～2m),significance level P＜0.01,the greater the amount of strawmulch,water the better,0～1m soil layer compared with the average water storage M 600 CK increased 12%,0～2m layer average soil water storage M 600 increased 13.6%compared with CK in the who le growth period.Straw mu lch treatment which could significantly increase production,while the yield by M 300 treatment is higher than the M 600 treatment,but the difference was not significant,M 300 treatment can obviously increase the water use efficiency(P＜0.05),and p lastic film mu lching increased yield is not obvious.

Farm land;Winter wheat;Mulch treatments;Soilmoisture and Yield

S271

A

1004-1184(2011)01-0021-04

2010-10-25

官情(1985-),女,陕西宝鸡人,硕士研究生,主要研究环境生态方面的研究。

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