黄土高原旱作麦区休闲期覆盖对土壤水分、根系特性和产量的调控效应研究

2017-08-08 06:27任爱霞孙敏王培如雷妙妙薛玲珠高志强
关键词:旱地土壤水分生育

任爱霞,孙敏,王培如,雷妙妙,薛玲珠,高志强

(山西农业大学 农学院,山西 太谷 030801)



黄土高原旱作麦区休闲期覆盖对土壤水分、根系特性和产量的调控效应研究

任爱霞,孙敏,王培如,雷妙妙,薛玲珠,高志强*

(山西农业大学 农学院,山西 太谷 030801)

[目的]针对黄土高原旱作麦区降水少且分布不均、产量低而不稳的问题,探索旱地小麦覆盖保水的最佳技术途径。[方法]在山西农业大学闻喜试验基地开展休闲期深翻后采用全覆盖(FM)、半覆盖(MR)、不覆盖(NM)3种覆盖方式对旱地麦田土壤水分、根系生长和产量及其构成的大田试验。[结果]休闲期深翻后地膜覆盖,显著提高播种期0~100 cm土壤蓄水量,达28~42 mm,且保水效果可延用至孕穗期;显著提高各生育时期0~80 cm根长、根表面积、根体积、根尖数,尤其是耕层0~20 cm,且全覆盖高于半覆盖;显著提高越冬至孕穗期根系活力,显著提高花后25~35 d根系活力,且全覆盖高于半覆盖。最终,休闲期深翻后地膜覆盖显著提高了穗数,达10%~17%,显著提高产量29%~30%。[结论]休闲期深翻后地膜覆盖有利于旱地麦田蓄积休闲期降水,提高底墒;促进根系生长,增强生育前中期根系活力;提高产量。

旱地小麦; 休闲期覆盖; 土壤水分; 根系特性; 产量

山西省位于黄土高原东缘,年降水量少且不均,主要集中于7-9月,正是旱作麦田休闲时期,与生长需水时期矛盾,导致产量低而不稳。底墒对旱地小麦生长非常重要,据研究其对产量的贡献率达38%,因此如何蓄积休闲期降水改善底墒是该区拟解决的关键问题。前人采用耕作、覆盖进行蓄水保墒有较大研究进展。休闲期深翻能改善土壤结构,利于水分下渗[1];休闲期深松可疏松土壤,提高蓄水能力[2];侯贤清等[3]在宁夏地区、李友军等[4]在豫西地区、刘爽等[5]在洛阳地区的研究表明,休闲期深松、深翻能有效蓄雨保墒,提高播前底墒。地膜覆盖自20世纪80年代引进以来,由于集雨保墒和增产效果显著在中国大面积推广。王俊等[6]研究表明,地膜覆盖可防止蒸发,利于土壤水分应用。许树宁等[7]研究认为,地膜覆盖有保墒效果,土壤水分可增加10.1%~17.4%。姚宇卿等[8]研究表明,深松覆盖有利于减少地表径流,促进水分下渗,提高土壤水分贮蓄率,实现保墒,从而提高产量。但有研究表明,在底墒降低时,地膜覆盖春小麦产量因穗数不足而下降[9]。黄土高原旱地麦田夏季休闲期地表裸露,径流和蒸发量大,因此休闲期进行覆盖实现蓄水保墒已受到科学家们重视。杨海迪等[10]研究表明,周年地膜覆盖利于旱地麦田土壤扩蓄增容,提高土壤水分,显著提高产量和水分利用效率。薛晓辉等[11]研究表明,旱地麦田在休闲期覆盖或是全程覆盖,地膜覆盖较其他覆盖对旱地小麦的农艺性状影响更大,产量增幅更高。但在休闲期如何覆盖的研究却少见报道,将地膜覆盖播种技术提前至休闲期,可提高播前底墒,避免因穗数不足导致减产的弊端。本研究拟在休闲期深翻后采用不同覆盖方式,探讨其对旱地麦田土壤水分蓄保效果、根系生长状况及产量的影响,旨在为旱作麦区稳产高产提供最佳的覆盖技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验地情况

本试验于2011~2012年在山西省闻喜县邱家岭旱地小麦试验基地进行,于2011年6月10日测定土壤基础养分:有机质11.88 g·kg-1,碱解氮38.62 mg·kg-1,速效磷14.61 mg·kg-1。2011~2012年降水量为662 mm,降水充足,尤其休闲期、播种—越冬期(表1)。

表1 闻喜试验基地降雨量/mmTable 1 Rainfall in experimental location of Wenxi

注:休闲期:6月下旬至9月下旬;播种—越冬:10月上旬至11月下旬;越冬—拔节:12月上旬至4月上旬;拔节—开花:4月中旬至5月上旬;开花—成熟:5月中旬至6月中旬。

Note:FP (Fallow period): from the last 10 d of Jun. to the last 10 d of Sep.; STW (Sowing to Pre-wintering stage): from the first 10 d of Oct. to the last 10 d of Nov.; WTJ (Pre-wintering to Jointing stage): from the first 10 d of Dec. to the first 10 d of Apr. in the following year; JTA (Jointing to Anthesis stage): from the middle 10 d of Apr. to the first 10 d of May; ATM (Anthesis to Maturity stage): the middle 10 d of May to the middle 10 d of June.

1.2 试验设计

试验采用完全随机设计,前茬小麦收获后留高茬20~30 cm,麦收后30 d将留茬秸秆粉碎还田并深翻25~30 cm,同时深施1 500 kg·hm-2有机肥,将地旋平后覆膜,设全覆盖(Full mulching,FM)、半覆盖(Mulching on Ridge,MR)、不覆盖(No mulching,NM)3个处理,重复3次,小区面积50 m×3 m=150 m2。其中,全覆盖是将小区全部覆盖,半覆盖是每个小区起3条垄,将宽60 cm地膜覆在垄上,垄间距为30 cm。8月25日耙耱收墒,10月1日地膜覆盖播种,行距30 cm,基施纯N(尿素含氮量46%)、P2O5(过磷酸钙,含磷量16%)、氯化钾(K2O含量62%)各150 kg·hm-2,基本苗2.25×106株·hm-2,播种后,用土钻在长小麦处钻1 m深的坑,将1 m长的根管放进坑中,盖上盖,盖口用保鲜膜包紧,再用皮筋套住。

1.3 测定项目与方法

土壤蓄水量:分别于旱地小麦各生育时期(播种、越冬、拔节、孕穗、开花、成熟),用土钻在长小麦和麦行间均取土,每20 cm为一土层,共取5层,重复3次,采用环刀法[12]测定土壤容重,称量每个土层土样湿重,于105 ℃烘箱下烘至恒重,称量干重。

根系特性:于旱地小麦各生育时期(返青、拔节、孕穗、开花、成熟)用CI-600根系监测系统配备的扫描仪深入每个根管内部,按配备的拉杆依次在0~20、20~40、40~60、60~80 cm处扫描,获取根系图片。每次获得的根系图片为850×770 BMP格式,保存在便携式电脑上,然后在实验室利用WinIHIZO Tion图像分析系统进行相关根系特征参数的分析。

根系活力:于旱地小麦各生育时期(播种、越冬、拔节、孕穗、开花、成熟)及开花后每隔5 d取样一次直至成熟,在田间用铁锹挖取带有20 cm×20 cm×25 cm土坨的植株,依次用标签注明代号,将根系置于水中里浸泡后,用自来水小心冲洗干净,注意防止根系损伤、折断,尽量保持根系完整,同时去除杂物。用滤纸擦干后剪成根样小段,混匀,测定根系活力(α-萘胺法)[13]。

产量及其构成:成熟期调查单位面积穗数、每穗平均粒数及千粒重,重复3次,收割16 m2称量实际产量。

1.4 计算方法及统计分析

土壤蓄水量计算方法[14]:

Wi=hi×ρi×ωi×10

式中:W为土壤蓄水量/mm;h为土层深度/cm;ρ为土壤容重/g·cm-3,ω为土壤含水量/%,i为土层,10为换算系数。

采用Excel 2003、SAS 9.0软件处理数据并进行统计分析,用LSD法检验处理间差异显著性,显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 旱地小麦休闲期覆盖对播种期和各生育时期0~100 cm土壤蓄水量的调控效应

休闲期覆盖显著提高旱地小麦播种期0~100 cm土壤蓄水量,达28~42 mm(图1)。随生育进程推移,0~100 cm土壤蓄水量表现为降低的变化趋势,且处理间差异呈缩小趋势。越冬至孕穗期土壤蓄水量以全覆盖最高,半覆盖居中,不覆盖最低,且不覆盖与其他2处理间差异均显著(P<0.05);而开花期到成熟期处理间差异不大(P>0.05)。

图1 旱地小麦休闲期覆盖对播种期和各生育时期0~100 cm土壤蓄水量的调控效应Fig.1 Regulation effect of mulching during fallow period on soil water storage at the depth of 0~100 cm at sowing stage and different growth stages 注:播种期: SS;越冬期: WS; 拔节期:JS; 孕穗期: BS;开花期:AS; 成熟期:MS.下同。Note:Sowing stage,SS; Wintering stage, WS; Jointing stage, JS; Booting stage,BS; Anthesis stage, AS; Maturity stage,MS. The same as below.

2.2 旱地小麦休闲期覆盖对根系特性的调控效应

2.2.1 0~80 cm各土层根长

休闲期覆盖显著提高旱地小麦各生育时期0~80 cm根长,且全覆盖高于半覆盖(表2)。

随土层深度增加,根长表现为减小的变化趋势。随生育进程推移,0~80 cm各土层根长逐渐降低。0~80 cm各土层根长均以全覆盖最高,半覆盖居中,不覆盖最低,且0~20 cm、60~80 cm土层全覆盖与不覆盖差异均显著;20~40 cm土层返青至成熟期差异均显著;40~60 cm土层不覆盖与其他2处理差异显著。

2.2.2 0~80 cm各土层根表面积

休闲期覆盖显著提高旱地小麦各生育时期0~80 cm根表面积,且全覆盖高于半覆盖(表3)。

随土层深度增加,根表面积表现为逐渐减小的变化趋势。随生育进程推移,0~80 cm各土层根表面积逐渐降低。0~80 cm各土层根表面积均以全覆盖最高,半覆盖居中,不覆盖最低,且0~20 cm、60~80 cm土层全覆盖与不覆盖差异均显著;20~40 cm土层全覆盖与其他2处理差异均显著;40~60 cm土层不覆盖与其他2处理间差异均显著。

表2 旱地小麦休闲期覆盖对各生育时期0~80 cm各土层根长的调控效应/cmTable 2 Table 2Regulation effect of mulching during fallow period on root length of 0~80 cm at different growth stages

注:返青期:RS.同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。下同。

Note:Re-green stage: RS. Values followed by the different small letters within a column are significant difference at the 0.05 level. The same as below.

表3 旱地小麦休闲期覆盖对各生育时期0~80 cm各土层根表面积的调控效应/cm2Table 3 Regulation effect of mulching during fallow period on root surf area of 0~80 cm at different growth stages

2.2.3 0~80 cm各土层根体积

休闲期覆盖显著提高旱地小麦各生育时期0~80 cm根体积,且全覆盖高于半覆盖(表4)。

随土层深度增加,根体积表现为逐渐减小的变化趋势。随生育进程推移,0~80 cm各土层根长逐渐降低。0~80 cm各土层根体积均以全覆盖最高,半覆盖居中,不覆盖最低,且0~20 cm、40~60 cm、60~80 cm土层全覆盖与不覆盖差异均显著;20~40 cm土层各处理间差异显著。

表4 旱地小麦休闲期覆盖对各生育时期0~80 cm各土层根体积的调控效应/cm3Table 4 Regulation effect of mulching during fallow period on root volume of 0~80 cm at different growth stages

2.2.4 0~80 cm各土层根尖数

休闲期覆盖显著提高旱地小麦各生育时期0~80 cm根尖数,且全覆盖高于半覆盖(表5)。

随土层深度增加,根尖数表现为逐渐减少的变化趋势。随生育进程推移,0~80 cm各土层根尖数逐渐降低。0~80 cm各土层根尖数均以全覆盖最高,半覆盖居中,不覆盖最低,且0~20 cm土层不覆盖与其他2处理差异显著;20~40 cm土层各处理间差异显著;40~60 cm、60~80 cm土层全覆盖与不覆盖差异均显著。

2.3 旱地小麦休闲期覆盖对根系活力的调控效应

随生育进程推移,根系活力呈先升后降的单峰曲线,拔节期达峰值(图2)。

休闲期覆盖提高各生育时期根系活力,且全覆盖高于半覆盖,越冬期和拔节期各处理间差异显著,孕穗期、开花期和成熟期全覆盖与不覆盖差异显著。就灌浆期而言,随灌浆进程的推移,根系活力呈先升后降的单峰曲线,花后20 d达峰值(图3)。休闲期覆盖显著提高花后根系活力,且全覆盖高于半覆盖,花后25~35 d差异显著。

表5 旱地小麦休闲期覆盖对各生育时期0~80 cm各土层根尖数的调控效应

Table 5 Regulation effect of mulching during fallow period on root tips of 0~80 cm at different growth stages

土层深度/cmSoildepth覆盖方式MulchMethod返青期RS拔节期JS孕穗期BS开花期AS成熟期MS全覆盖FM29a35a28a32a27a0~20半覆盖MR25b31b24b28b23b不覆盖NM20c26c23b18c15c全覆盖FM22a23a20a23a16a20~40半覆盖MR18b19b17b19b12b不覆盖NM15c16c14c13c7c全覆盖FM10a14a10a10a7a40~60半覆盖MR6b12ab9a6b3b不覆盖NM5b9b6b2c6a全覆盖FM8a10a7a8a5a60~80半覆盖MR4b8b6a4b2b不覆盖NM3b4c2b3b2b全覆盖FM69a82a65a73a55a0~80半覆盖MR53b70b56b57b40b不覆盖NM43c55c45c36c30c

图2 旱地小麦休闲期覆盖对各生育时期根系活力的调控效应Fig.2 Regulation effect of mulching during fallow period on root activity at different growth stages

图3 旱地小麦休闲期覆盖对花后根系活力的调控效应Fig.3 Regulation effect of mulching during fallow period on root activity after anthesis stage

2.4 休闲期覆盖对旱地小麦产量及其构成的影响

由表6可见,休闲期覆盖显著提高穗数,达10%~17%,且全覆盖较高;但穗粒数和千粒重变化不明显,最终显著提高产量,达29%~30%,且全覆盖略高于半覆盖。

表6 休闲期覆盖对旱地小麦产量及其构成的影响

Table 6 Effect ofdifferent mulching modes during fallow period on yield and its components

覆盖方式Mulchmethod穗数/个·hm-2Earnumber穗粒数Grainnumberperspike千粒重/g1000-grainweight产量/kg·hm-2Yield全覆盖FM613.5a31.75a34.51a6315.50a半覆盖MR576.5b31.61a34.50a6280.93a不覆盖NM523.0c30.57a35.93a4862.60b

3 讨论与结论

本团队前期结果表明,夏闲期地膜全覆盖可提高2011~2012年播前土壤蓄水量70~80 mm[15],其中地膜全覆盖和纸全覆盖分别较不覆盖提高2009~2010年播前土壤贮水量10~64 mm[16]。本研究结果亦表明,休闲期覆盖有利于蓄积休闲期降水,提高旱地麦田播种期3 m内土壤水分,其中覆盖较不覆盖提高28~42 mm,全覆盖较半覆盖提高14 mm,且可将蓄水延用至孕穗期,实现了“伏雨春用”的目的。播前底墒较前人研究提高幅度较小,可能是由于本年度休闲期降雨量较多(459.90 mm)所致,这与本团队的前期研究结果一致[17,18]。

本研究结果表明,休闲期覆盖后,采用地膜覆盖播种,增加旱地小麦各生育时期0~80 cm各土层根长、根表面积、根体积和根尖数,尤其是耕层。这可能由于本试验年度为降雨量(661.9 mm)较多有关,土壤得到有效补给,尤其是休闲期全覆盖后,底墒较好,生育期采用地膜覆盖播种有增温效果[19,20],促进根系生长。熊瑛等[21,22]研究表明,塑料地膜覆盖提高烟草根系数量和重量;宋海星等[23]研究表明,播种期覆膜种植促进根系生长,增加了根系总生物量、根系吸收面积,提高浅层根系生物量所占的比例;吴晓丽等[24]研究表明,播种后覆盖可增加丘陵旱地小麦各生育时期根干重、根长密度和根表面积密度。前人研究主要集中于小麦生育期地膜覆盖,而本研究不仅播种期采用地膜覆盖,休闲期也采用地膜覆盖,且效果较好,全年覆盖是本研究的创新之处,休闲期覆盖和生育期地膜覆盖的效果大小还不能明确,还需进一步深入研究。

本文覆盖对根系活力的影响结果表明,休闲期覆盖后,提高各生育时期根系活力,尤其是生育前中期,这与土壤水分的变幅趋势一致,由于后期降水较少(19.1 mm,较常年少13 mm),地膜覆盖反而起不到促进作用;提高灌浆期后期花后25~35 d根系活力,可能由于花后20 d将地膜揭走,降低了地温,促进了下层水分上调,增强了表层的根系活力。牛一川等[25]研究表明,地膜穴播和膜侧沟播小麦的根系活力在抽穗前较高,开花后较低,但差异不显著;李明等[26]研究表明,灌浆初期根系活力覆膜较高,而中后期较低,这与同田间持水率的变化趋势一致,这与本研究中各生育时期根系活力和土壤水分结果一致。花后根系活力的大小对旱地小麦籽粒灌浆期非常重要,根系活力大能吸收较多土壤水分,但前人研究这方面较少,这是本文的另一个创新点,但还需进一步研究花后动态根系活力和动态土壤水分的关系。

本研究结果表明,在本试验丰水年度条件下,休闲期地膜覆盖提高穗数10%~17%,提高产量29%~30%,且全覆盖略高于半覆盖。李富翠等[27]在渭北旱塬的研究表明,一年的休闲期秸秆覆盖对冬小麦籽粒产量和生物量无影响;但也有研究表明,休闲期地膜平、垄覆盖均较不覆盖提高播前土壤水分,提高穗数7%和 10%、产量11%和 29%、水分利用效率2%和15%[28]。可见,休闲期覆盖的增产幅度不同,这与降水年型、覆盖的时间、材料、方式有很大的关系[16,29,30],还需要进行更进一步的研究。

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(编辑:韩志强)

Regulation effect of plastic film mulching during fallow period on soil water, root characteristics and yield of dry-land wheat

Ren Aixia, Sun Min, Wang Peiru, Lei Miaomiao, Xue Lingzhu, Gao Zhiqiang*

(CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]For the problem of less rainfall and uneven distribution, lower and unstable yield of dry-land wheat in the loess plateau, the best technology way of coverage water of mulching of dry land wheat was explored.[Methods]The field experiment was conducted at Wenxi County, Shanxi Province, under the conditions of full mulching (FM), ridge half mulching (MR), no mulching (NM), to study the effects of different mulching modes on soil water and root characteristics and yield.[Result]After plastic film mulching during fallow period, the soil water storage in 0~1 m soil layer at sowing stage significantly was improved, 28~42 mm, and the effect of water retention could be extend to the booting stage. After plastic film mulching during fallow period, root length, surf area, volume, and tips in the depth of 0~80 cm at different growth stage were significantly improved, especially the layer was 0~20 cm, and FM was more than RM. After plastic film mulching during fallow period, root activity from wintering stage to booting stage, after 25~35 d of anthesis were significantly improved. Finally, After plastic film mulching during fallow period, ear number and yield were improved by 10%~17% and 29%~30%.[Conclusion]Plastic film mulching during fallow period was conducive to store precipitation into the soilresult ing in the increase of soil water storage before sowing, could promote the growth of the root and increase root activity at the early and middle period, and improve ear number and yield.

Dry land wheat, Plastic film mulching during fallow period, Soil water storage, Root characteristics, Yield

2017-05-10

2017-06-16

任爱霞(1986-),女(汉),山西运城人,博士研究生,研究方向:旱作栽培与生理生态

*通信作者:高志强,教授,博士生导师.Tel: 0354-6286226;E-mail:gaozhiqiang1964@126.com

现代农业产业技术体系建设专项经费(CARS-03-01-24);山西省科技创新团队项目(201605D131041);公益性行业科研专项经费(201303104);山西省科技攻关项目(20140311008-3);农业部公益性行业科研专项(201503120);国家科技支撑计划项目(2015BAD23B04);山西省回国留学人员重点科研资助项目(2015-重点4)

S512.1

A

1671-8151(2017)08-0533-07

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