张乃旭 赵 财 赵良霞 蔡莉娟 王一帆 柴 强,*
绿洲灌区一膜覆两年玉米的节水潜力
张乃旭1,2赵 财2赵良霞2蔡莉娟2王一帆2柴 强2,*
1甘肃农业大学资源与环境学院, 甘肃兰州 730070;2甘肃省干旱生境作物学重点实验室/ 甘肃农业大学资源与环境学院, 甘肃兰州 730070
西北绿洲灌区以传统覆膜方式为主的农业节水措施受水资源不足和白色地膜污染的挑战日益加剧, 地膜减量节水技术研究亟待开展。2014—2016年, 在河西绿洲灌区进行田间试验, 重点探讨不同灌水水平下, 一膜覆两年(RM)处理、少耕覆膜(RtM)和传统覆膜(CM)对玉米农田耗水特征和水分利用效率(WUE)的影响。结果表明, RM和RtM相对于CM均能显著提高玉米播前土壤贮水量, 3年平均增加41.7 mm和31.6 mm (提高15.9%和12.1%)。玉米播种到拔节初期(全生育期前40 d), 灌水水平相同时, RM较RtM和CM降低了耗水量但增加了棵间蒸发量, 且棵间蒸发量/耗水量(E/ET)显著增大, 相反从玉米拔节初期到收获期, RM的E/ET较CM降低13.2%, 即RM有利于减少玉米生育后期的无效耗水量, RtM与CM则无显著差异。灌水水平相同时, RtM水分利用效率最优, RM与CM之间无显著差异。相同覆膜方式下, 中灌水水平玉米的WUE最高, RM与CM整个生育期内的耗水量、棵间蒸发量及E/ET均无显著差异, 表明一膜覆两年具有传统覆膜方式节水增效的优点。因此, 在河西绿洲溉区, 一膜覆两年具有与每年翻耕覆新膜同等的水分利用效果, 是试验区可推广的节水、地膜减量生产技术。
覆膜方式; 灌水量; 耗水量; 棵间蒸发量; E/ET; 水分利用效率
短缺与浪费并存是中国农业用水紧张的主要特征。发展以节水和提高水分利用效率为核心的节水型农业已成为解决当前农业缺水问题的关键[1], 优化各项农艺措施无疑是促进作物高效用水的直接手段。国内外学者就灌溉制度[2]、田间覆盖[3]、保护性耕作[4]以及干湿交替水分管理[5]等做了大量研究。地膜覆盖是旱作农业区常用的节水农艺措施, 可减少50%水分蒸发[6]。相较于露地栽培, 地膜覆盖提高农田土壤含水率8%~20%, 增产幅度在30%以上[7], 其在地表形成的物理隔离层是有效减少土壤表层的水分蒸发、提高土壤含水率的重要原因[8]。但是塑料薄膜不宜降解, 在土壤中易形成阻隔层, 对土壤造成污染是目前面临的重大问题[9-10]。
作物水分利用效率(WUE)常被用来衡量一个地区农田水资源利用水平[11]。研究表明降低作物总耗水量可以提高水分利用效率, 在作物的总耗水中生理活动产生的蒸腾量和地表棵间蒸发量是最主要的部分, 由于蒸腾是作物新陈代谢的必要过程, 因此降低棵间蒸发量被认为是提高水分利用效率的重要途径[12]。张海林等研究发现, 免耕可以有效减少土壤蒸发量, 增加作物蒸腾耗水, 从而提高水分利用效率[13]。地面覆盖技术是降低土壤表面蒸发最有效且成本低的办法, 但塑料薄膜覆盖造成土壤污染使其应用受到了限制, 而秸秆残茬覆盖、沙田覆盖[14]等措施由于费时费力、节水效益差并不适宜大面积推广。因此, 研发一膜两年用覆盖技术对农田节水具有重要意义。
一膜覆两年可循环再利用旧膜, 是将地膜覆盖和少免耕有机结合的模式。研究表明, 该方式能减少地膜和田间作业投入, 增收效果显著, 废旧地膜污染问题可得到有效控制[15]。然而, 覆膜免耕对玉米苗期的土壤温度和干物质积累有显著影响, 易造成生长受阻, 但拔节后快速恢复生长能弥补前期所受影响, 且能获得与覆新膜相当的籽粒产量[16]。现有研究多针对一膜覆两年节本增效和产量表现, 并不了解该覆膜方式下土壤水分状况、水分利用特征及如何优化协调实现高效利用水分, 一膜覆两年技术高效和稳产机理尚不明晰。因此, 探究不同覆膜方式和不同灌溉水平下玉米生育期内水分时空利用特征, 可为绿洲灌区玉米生产制定合理灌溉制度和节水高效提供理论依据。
位于河西走廊东端的武威市凉州区黄羊镇, 属寒温带干旱气候区, 海拔1506 m, 无霜期约155 d, 多年平均降雨156 mm、年蒸发量约2400 mm, 是典型的两季不足、一季有余的自然生态区。玉米是该区主栽作物, 多采用地膜覆盖, 以秋翻耕春覆膜的传统耕作为主。
2013年进行一膜覆两年处理和少耕覆膜处理的预备试验, 在玉米收获后免耕, 保持地膜完整度70%以上, 传统耕作处理在玉米收获后回收残膜并深翻耕。春季播种时, 少耕覆膜处理将旧膜揭去后进行旋耕并覆新膜, 传统覆膜处理进行旋耕耙磨后覆新膜。
设传统覆膜(CM), 少耕覆膜(RtM)以及一膜覆两年(RM)(表1)及低(I1)、中(I2)、高(I3) 3个灌水水平, 共9个处理, 每处理3次重复, 采用裂区设计, 各小区间具50 cm隔离带。灌溉制度见表2, 各处理冬储灌同为120 mm。播种密度9万株 hm–2, 行距40 cm, 小区面积48 m2。参试玉米(L.)品种为先玉335; 地膜厚0.008 mm、宽1.2 m。播种时间分别为2014年4月20日、2015年4月17日、2016年4月20日, 收获时间分别为2014年10月1日、2015年9月27日、2016年9月19日。
不同处理的总施氮水平一致, 为300 kg hm–2, 基肥施总氮量的10%; 追肥按照拔节期追施总量的20%、大喇叭口期追施总量的50%、开花后10 d追施剩余氮量。磷肥按照N∶P为1.00∶0.75的比例全部作为基肥施用。施基肥时对于传统覆膜与少耕覆膜处理直接将肥料撒于地表随后耙磨, 对一膜覆两年处理用玉米点播器在距玉米播种15 cm处施肥, 保证基肥不受旧膜影响以及防范肥料对玉米根部的灼烧。追肥时直接将肥料溶于机井中。
表1 不同覆盖处理设计和实施方法
表2 灌溉制度
1.3.1 土壤含水量 用烘干法测定。在玉米苗期初次测定, 测定时间分别为2014年4月27日、2015年4月28日、2016年4月24日。其后每20 d测定1次, 播种前、收获后和灌水前后加测, 取0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~60 cm、60~90 cm、90~120 cm 6个层次, 计算各土层含水量, 3个重复的平均值作为一个处理的土壤含水量。
1.3.2 棵间蒸发量 采用微型蒸渗仪(Micro- lysimeter, 简称MLS)测定[9]。微型蒸渗仪用PVC管做成, 内径10 cm、壁厚5 mm、高15 cm。每次取土时将其垂直压入作物行间土壤内, 使其顶面与地面齐平, 取原状土, 然后用尼龙网布封底, 另用直径为12 cm的PVC管做成外套, 固定行间, 使其表面与附近土壤持平, 操作时不至破坏周围土体结构。于玉米出苗期每3 d测定一次, 微型蒸发器中土样每减少1 g相当于蒸发水分0.1051 mm, 称重时间为当天18:00, 降雨、灌水后立即换土。
1.3.3 土壤贮水量 SWS=10×××式中, SWS为土壤贮水量(mm); 10为单位换算系数;代表土层深度(cm);代表土壤容重(g cm–3);代表土壤重量含水量。
1.3.4 耗水量ET=++SWS2-SWS1式中,为1至2时期的降雨量(mm),为1至2时期的灌溉量(mm), SWS1为1时期的土壤贮水量(mm), SWS2为2时期的土壤贮水量(mm)。本文分别研究了阶段耗水量和生育期总耗水量。
1.3.5 耗水结构(E/ET) 即棵间蒸发量与耗水量的比值。阶段耗水结构为测定阶段内的棵间蒸发量与耗水量的比值。
1.3.6 作物水分利用效率(WUE) WUE=Y/ET; 其中, Y为籽粒产量(kg hm–2)。
用Microsoft Excel 2010整理汇总数据, 用SPSS 12.0统计软件进行显著性分析(Duncan’s multiple range tests<0.05)、主效应检验及互作效应分析。
冬储灌相同时, 一膜覆两年(RM)和少耕覆膜(RtM)处理较传统耕作覆膜(CM)处理可显著提高播前土壤贮水量(图1)。3年中, 播前土壤贮水量RM较CM增加34.5~46.9 mm提高14.3%~17.5%, RtM较CM增加27.4~35.0 mm提高10.7%~13.1%。说明一膜覆两年和少耕覆膜在农田休闲期可以有效抑制农田水分蒸发的损失。
平均3年数据, 覆膜方式显著影响玉米播种至拔节初期(全生育期前40 d)耗水量, 对玉米拔节初期之后耗水量影响不显著, 灌水水平对玉米不同生育时期耗水量影响显著, 二者互作效应不显著(表3)。玉米播种至拔节初期, 低、中、高灌水水平下, CM处理耗水量较RM处理高9.5%, 较RtM处理高7.4%。相同覆膜方式下, 高、中灌水RM、RtM、CM处理较低灌水处理的耗水量分别高23.4%、24.2%、25.4%和15.0%、14.1%、14.3%。
图1 不同覆膜方式下玉米播前的土壤贮水量
同一年度中, 各处理间存在显著差异(< 0.05)用不同字母表示。处理代号见表1。
In each growing year, different letters superscripted on the bars indicate significant difference among treatments (< 0.05). Treatment abbreviations correspond with those given in Table 1.
表3 不同覆膜方式和灌水处理下玉米各生育阶段的耗水量差异
同一年度中, 同一列数字后的不同小写字母表示在 0.05 水平上差异显著。处理代号见表1, 灌水水平代号见表2。
In each growing year, means followed by different letters within a column are significantly different at< 0.05. Treatment abbreviations correspond with those given in Table 1 and irrigation levels correspond with those given in Table 2.
覆膜方式对玉米全生育期总耗水量影响不显著, 随灌水水平增大玉米全生育期耗水显著增大, 二者对玉米全生育时期耗水量的互作效应不显著(图2)。相同覆膜方式下高、中灌水RM处理3年耗水量较低灌水处理高14.1%~18.3%和7.6%~9.6%, RtM处理高、中灌水较低灌水处理高16.3%~18.2%和9.1%~ 10.6%, CM处理高、中灌水较低灌水高15.9%~21.6%和8.9%~11.3%。
图2 不同覆膜方式和灌水水平下玉米全生育期总耗水量
同一年度中, 各处理间存在显著差异(< 0.05)用不同字母表示。处理代号见表1, 灌水水平代号见表2。
In each growing year, different letters superscripted on the bars indicate significant difference among treatments (< 0.05).Treatment abbreviations correspond with those given in Table 1 and irrigation levels correspond with those given in Table 2.
覆膜方式相同的情况下, 日棵间蒸发量的高灌水处理大于中、低灌水处理; 在相同灌水水平下RM处理棵间蒸发量大于RtM处理和CM 处理(图3)。在玉米拔节期之前, 由于RM处理植株发育缓慢、地表裸露大、旧膜完整程度低, 在低、中、高灌水水平下RM处理棵间蒸发较CM处理高7.7%、10.7%和10.2%。RM与RtM处理间差异不显著。玉米拔节期之后到收获期, 低、中、高灌水水平下RM处理较CM处理降低无效蒸发, 说明在玉米生育后期, 植株发育旺盛弱化了覆膜方式之间的差异。
图3 覆盖和灌水处理下玉米全生育期日棵间蒸发动态
处理代号见表1, 灌水水平代号见表2。
Treatment abbreviations correspond with those given in Table 1 and irrigation levels correspond with those given in Table 2.
覆膜方式对玉米总棵间蒸发量影响不显著, 灌水水平对玉米总棵间蒸发量的影响显著, 二者互作效应不显著(图4)。3年玉米全生育期总棵间蒸发量随灌水水平的提高而增加, RM、RtM、CM处理条件下, 高、中灌水水平的棵间蒸发量较低灌水水平分别高出20.1%~39.3%、24.9%~40.4%、23.3%~43.5%和13.0%~22.7%、13.4%~23.4%、14.6%~24.2%。在灌水水平相同的情况下, 一膜覆两年较传统覆膜未增大玉米全生育期无效蒸发量。
图4 不同覆膜方式和灌水处理总棵间蒸发量
同一年度中, 各处理间存在显著差异(< 0.05)用不同字母表示。处理代号见表1, 灌水水平代号见表2。
In each growing year, different letters superscripted on the bars indicate significant difference among treatments (< 0.05).Treatment abbreviations correspond with those given in Table 1 and irrigation levels correspond with those given in Table 2.
平均3年测定数据, 发现4月28日至6月10日地膜覆盖方式和灌水水平显著影响玉米耗水结构, 二者互作效应显著; 6月11日至9月22日虽影响显著但互作效应不显著(表4)。对于总耗水结构, 灌水水平影响显著, 地膜覆盖方式影响不显著, 二者互作效应不显著。4月28日至6月10日, 低灌水水平时RM处理耗水结构较CM处理高11.7%, 说明在玉米生育前期RM处理植株发育弱小, 地表蒸发强烈。RtM较CM未显著增加耗水结构。中灌水水平时, RM和RtM处理较CM处理分别高12.4%和5.6%。高灌水水平时, RM和RtM处理较CM处理分别高17.1%和11.0%。覆膜方式相同时, RM、RtM、CM 3种覆膜方式下耗水结构为: 高灌水水平>中灌水水平>低灌水水平。6月11日至9月22日的5个测定周期内低、中、高灌水水平下RM处理较CM处理低12.7%、11.9%和14.9%。说明在玉米生育后期RM处理植株通过恢复效应, 使植株蒸腾量显著大于CM处理植株。RtM处理与CM处理差异不显著。
覆膜方式和灌水水平显著影响农田玉米水分利用效率, 二者互作效应显著(图5)。灌水水平相同时, 低灌水水平下RM、RtM的水分利用效率较CM处理平均高6.9%和10.5%。中、高灌水水平下RM、RtM、CM处理间水分利用效率差异并不显著。在覆膜方式相同的情况下2014年灌水水平条件下的水分利用效率之间差异并不显著。2015年至2016年RM处理中灌水水平的水分利用效率分别比高灌水水平和低灌水水平提高6.5%~9.4%和6.5%~23.2%。RtM处理中灌水水平下的水分利用效率分别比高灌水水平和低灌水水平提高9.7%~12.3%和12.3%~18.6%。CM处理中灌水水平下的水分利用效率分别比高灌水水平和低灌水水平提高2.4%~7.2%和15.3%~22.8%。
地膜覆盖具有降低农田耗水的效应已被研究证实[17-18], 且玉米耗水量随灌溉量的增加而增加[19]。本研究中, 玉米生育期内, 灌水水平相同时少耕覆膜处理和传统覆膜处理在玉米播种至拔节期耗水量大于一膜覆两年处理, 但拔节期后明显降低, 探究原因发现是一膜覆两年处理在播种到拔节期的增温效果显著低于新膜覆盖, 导致作物生长缓慢、蒸腾耗水少, 但拔节后的增温效应则无明显差异[20]。同时在本研究发现冬储灌相同时2014年至2016年3年试验中一膜覆两年处理较传统覆膜处理播前土壤贮水量提高14.3%~17.5%, 少耕覆膜处理较传统覆膜处理播前土壤贮水量提高10.8%~13.1%, 其主要原因可能是因为前茬作物收获后采用免耕可在干旱环境下既有效防止土壤水分散失, 又避免土壤结构遭受破坏[21]。
表4 不同覆膜方式及灌水水平下玉米耗水结构(E/ET)
NS、*和**分别表示无显著差异及在0.05和0.01水平上差异显著。同一列数字后的不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。处理代号见表1。
NS, *, ** : non-significant or significant at< 0.05 or< 0.01, respectively. Means followed by different letters within a column are significantly different at< 0.05. Treatment abbreviations correspond with those given in Table 1
图5 不同覆膜方式及灌水水平下水分利用效率
同一年度中, 各处理间存在显著差异(< 0.05)用不同字母表示。处理代号见表1, 灌水水平代号见表2。
In each growing year, different letters superscripted on the bars indicate significant difference among treatments (< 0.05). Treatment abbreviations correspond with those given in Table 1 and irrigation levels correspond with those given in Table 2.
覆盖免耕可以有效减少生育前期土壤棵间蒸发,增大后期蒸散量[22]。但本研究发现在玉米生育前期(苗期至拔节), 一膜覆两年处理的棵间蒸发量显著大于少耕覆膜和传统覆膜处理, 主要因为一膜覆两年在播种到拔节期的增温弱于传统覆新膜处理, 导致作物生长缓慢、遮阴效果差[20], 这与上述结论有所不同。而拔节期之后, 一膜覆两年处理的棵间蒸发开始降低并小于少耕覆膜和传统覆膜处理, 这一过程使一膜覆两年处理在拔节期后降低的棵间蒸发与拔节期前增大的棵间蒸发抵消, 故而全生育期内相同灌水水平下一膜覆两年与传统覆膜棵间蒸发无显著差异。灌水水平对棵间蒸发影响显著, 且随灌水水平增大棵间蒸发增强, 这是因为棵间蒸发与浅层土壤含水量关系密切, 灌水造成浅层土壤含水量的增加会引起蒸发明显增大[23]。
降低农田土壤蒸发占总耗水的比例是土壤水分高效利用的重要途径之一[12]。本研究中发现相同灌水水平下不同覆膜方式间的蒸散比并没有显著差异,一膜覆两年处理和少耕覆膜较传统覆盖处理并未增加蒸散比, 但覆膜方式相同的情况下灌水水平越高蒸散比越高, 其原因是过大的灌水量会增加棵间蒸发量[4]。从各个生育阶段来看, 以拔节期为界, 玉米生长前期E/ET显著高于拔节期之后的各个生育期, 同时发现灌水水平相同时一膜覆两年处理的E/ET大于少耕覆膜和传统覆膜处理, 但是拔节期之后由于玉米叶面积指数增大[16], 蒸腾作用强, 使棵间蒸发作用减弱, E/ET开始明显下降, 且各处理间差异不显著。
地膜覆盖增加作物产量提高水分利用效率已被大量研究所证明[24], 不同覆膜栽培方式能使玉米水分利用效率提高19.6%~66.4%[25]。Barros等[26]发现, 一定供水条件下, 不论留茬覆盖与否, WUE 均随灌水水平的提高而增加, 而灌溉定额提高到一定值后, 水分利用效率随着灌溉量的增加而降低。本研究发现, 覆膜方式相同时中灌水水平水分利用效率显著高于低、高灌水水平。与Barros等的研究结果有一定的差别, 其原因主要是试区季节降雨小于200 mm属于极干旱地区[27], 而Barros等的研究试区季节降雨达388 mm。本研究发现覆膜方式相同灌溉定额为495 mm时各处理水分利用效率最佳, 这与刘宇洁等研究发现当灌溉次数一定(5次)灌溉定额为5400 m3hm–2时比4500 m3hm–2和3600 m3hm–2产量分别提高15.7%和7.6%[19]相符, 且本研究进一步细化了该结论。同时, 本研究中2014年各灌水水平间水分利用效率差异不显著, 其原因主要是2014年较2015和2016年为丰水年, 玉米生育期内降水达244 mm, 弱化了灌水处理间的差异。灌水水平相同时, 低灌水水平下一膜覆两年水分利用效率较传统覆膜高6.9%, 中、高灌水水平时无显著差异。因此, 一膜覆两年具有与每年翻耕覆新膜同等的水分利用效果, 是支撑该模式下产量稳定[18]的重要理论基础。
一膜覆两年和少耕覆膜均利于提高玉米播前土壤贮水量, 3年试验中播前土壤贮水量较传统覆膜处理平均增加41.7 mm和31.6 mm、提高了15.9%和12.1%。一膜覆两年在拔节期前较传统覆膜降低了耗水量但增加了无效蒸发, 增大了E/ET, 拔节期后则降低了E/ET。灌水水平相同时, 各覆膜方式间全生育期耗水量、棵间蒸发量、E/ET均无显著差异, WUE以少耕覆膜最优, 一膜覆两年与传统覆膜之间则无显著差异。相同覆膜方式下, 中灌水水平玉米的WUE最高, 一膜覆两年与传统覆膜整个生育期内的耗水量、棵间蒸发量及E/ET无显著差异, 表明一膜覆两年具有传统覆膜方式节水增效的优点。因此, 中灌水水平下一膜覆两年可以成为绿洲灌溉区节水高效生产方式之一。
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Water-saving Potential for Biennial Mulched Corn with Same Plastic Film in Oasis Irrigation Area
ZHANG Nai-Xu1,2, ZHAO Cai2, ZHAO Liang-Xia2, CAI Li-Juan2, WANG Yi-Fan2, and CHAI Qiang2,*
1College of Resources and Environmental Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China;2Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science / College of Resources and Environmental Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China
The agricultural water-saving measures in Northwest oasis irrigation areas are mainly mulching with traditional plastic film. This process is increasingly challenged by lack of water resources and increasing environment pollution from the white plastic film. Therefore, reducing the plastic film use and identifying innovative water-saving technologies need to be carried out urgently. The experiment was conducted to explore the effects of conventional plastic film mulching (CM), plastic film mulching with reduced tillage (RtM) and plastic film re-mulching for two years (RM) under different irrigation levels on water consumption characteristics and water use efficiency (WUE) in the Hexi corridor oasis zone in 2014-2016. Both RM and RtM relative to CM could significantly increase soil water storage before sowing, respectively increasing 41.7 mm and 31.6 mm (15.9% and 12.1%) on average in three years. From corn seeding to early jointing stages (the first 40 days of the plants’ life cycle), under the same irrigation level, the water consumption of RM decreased, compared with that of RtM and CM, but the ground evaporation between plants increased. Also, there was a significant increase for soil evaporation/water consumption (E/ET). On the contrary, from early stage of corn jointing to harvesting stage, RM decreased E/ET by 13.2%, compared with CM, showing that RM is beneficial to reduce the useless water consumption in the later stage of corn production. There was no significant difference on E/ET between RtM and CM. When the water level was the same, the water use efficiency was the best in RtM and no significant difference between RM and CM. Under the same film mulching mode, the WUE of the middle water level irrigated maize was the highest, and there was no significant difference in water consumption, evaporation and E/ET between RM and CM during the whole growth period, indicating that RM is just like CM having the advantage of water saving and increasing efficiency. The research indicate that the biennial mulching shares the same water use outcome with the traditional annual mulching in Hexi oasis irrigation area, which could be adopted in the trial areas to save water and reduce the application of plastic film.
film mulching; irrigation quota; water consumption; soil evaporation; E/ET; water use efficiency
2017-11-19;
2018-03-26;
2018-04-16.
10.3724/SP.J.1006.2018.00876
柴强, E-mail:chaiq@gsau.edu.cn
E-mail: zhangnx1991@163.com
本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201503125-3)和国家科技支撑计划项目(2015BAD22B04-03)资助。
This study was supported by the China Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503125-3) and the National Key Technology R&D Program of China (2015BAD22B04-03).
URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180416.0910.008.html