半干旱雨养区一膜三年覆盖下的土壤水温特征及对谷子生长发育的影响

刘天鹏，许岩，何继红，董孔军，任瑞玉，张磊，杨天育,*

(1.甘肃省农业科学院 作物研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学 生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

覆膜栽培因其显著的增温集雨保墒效果极大的促进了旱地雨养农业的发展[1，2]，但大量使用地膜造成的污染严重破坏生态环境[3]，围绕“不用、少用或循环利用”地膜的生产模式成为旱地农业研究的热点科学问题。2011—2015年甘肃省全膜双垄沟播技术累计推广449万hm2，种植作物主要以玉米为主[4]，但随着生态文明建设的需要、农村劳动力结构的变化及投入产出效益的驱使，研究围绕双垄沟一膜多年用的节能减膜增产生产模式具有重要的意义。相应的，全膜双垄沟玉米一膜一年用亦逐渐从全膜双垄沟玉米一年用+小宗作物一年用[5]发展成为全膜双垄沟玉米+小宗作物一膜三年用生产模式，但关于双垄沟一膜三年用的作物增产机制未有报道。就双垄沟一膜两年用，吴兵等[6]提出了在第一季种植玉米的情况下，第二季以300万粒·hm-2的密度种植胡麻是兼顾节本增效、保水高产的一种一膜两年用模式，适合在旱作农业区推广应用。谢军红等[7]研究了耕作方法对双垄沟一膜两年覆盖条件下旱作玉米产量及土壤物理性状的影响，发现一膜两年用条件下，深松耕+免耕具有降低表层土壤容重、紧实度，增加土壤总孔度、大团聚体含量及饱和导水率的作用，能显著地提高玉米的籽粒产量、水分利用效率，指出全膜双垄沟播玉米采用深松耕+免耕具有明显的稳增产增效及改善土壤结构的作用；赵财等[5]在河西走廊灌溉区研究了一膜两年用地膜覆盖、秋免耕春覆膜和传统耕作覆膜对玉米农田土壤水分及产量的影响，发现一膜两年用地膜覆盖可显著提高播前和生育期0～30 cm的土壤含水量，并且在水分胁迫下的低灌水水平的一膜两年用覆盖模式可减缓干旱胁迫，提高作物籽粒产量与水分利用效率。谷子是一种抗旱节水耐瘠薄的传统粮食作物[8]，是双垄沟播玉米一膜两年用后第三季再度利用的理想栽培作物，但就其一膜三年用的增产潜力尚无研究报道。对此，本研究进行了双垄沟一膜三年下土壤水温特征及其对谷子生长发育、水分利用效率及产量的影响的研究，为其一膜多年用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015—2016年在甘肃省农业科学院会宁试验站(105°06′E，35°40′N)进行，海拔1 800.5 m，年平均气温7.6 ℃，年辐射总量5 842 MJ·m-2，年日照时数2 500 h，≥10 ℃积温2 012.7 ℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。作物一年一熟，无灌溉条件，为典型旱地雨养农业。根据甘肃省会宁试验站气象资料统计(图1)，2015年为丰水年，试验区全年降雨383.3 mm，全年月平均气温8.9 ℃，4月19日-10月3日谷子全生育期内，4月19日-4月30日、5月、6月、7月、8月、9月1日至10月3日分别降雨21.7、82.2、26.9、76.9、46.2、40.2 mm，降雨量分布较均匀，降雨总量为294.1 mm，谷子全生育期内温度变化范围5.3～30.3 ℃。2016年年降雨量为252.6 mm, 全年月平均气温9.3 ℃。4月26至10月8日谷子全生育期内,4月26日至4月30日、5月、6月、7月、8月、9月1日至10月8日降雨量分别为0.1、76.0、34.4、34.4、22.3、30.4 mm，降雨总量为197.6 mm，分布极为不均匀，降雨最大值在5月谷子幼苗期，降雨量时空分布与谷子生育期需水规律严重不吻合，谷子全生育期内温度变化范围0.4～33.2 ℃。两年谷子全生育期内最低气温出现在4月下旬，2015年最高气温均出现在7月下旬，2016年最高气温出现在8月上旬。

图1 2015、2016年气温及降雨量分布Fig.1 Distribution of average air temperature and rainfall per month in 2015 and 2016

1.2 试验设计

试验以谷子品种陇谷12号为材料，设一膜三年用全膜双垄沟留膜免耕穴播(A1)、一膜一年用全膜双垄沟穴播(A2)、露地等行距条播(CK)3个处理，3次重复，2015年小区面积(长×宽=5.0 m×5.0 m)25.0 m2，2016年小区面积(长×宽=5.0 m×4.0 m)20.0 m2。其中一膜三年用全膜双垄沟穴播、一膜一年用全膜双垄沟留膜免耕穴播大垄宽70 cm，高10 cm，小垄宽40 cm，高15 cm，垄沟穴播，穴距4 cm，留苗数30万株·hm-2；露地等行距条播行距30 cm，株距10 cm，留苗30万株·hm-2，各处理分别在2015年4月21日、2016年4月24日完成，所用地膜规格宽×厚=1 200 mm×0.2 mm。播前及生育期内均不施肥，田间统一管理，试验前茬为全膜双垄沟一膜两年玉米连作茬。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤温度

土壤温度在2015年和2016年按小区定点定时测试。播前、苗期、拔节期、抽穗期、成熟期及收获后分别在8:00、12:00、16:00、20:00测定。测量土壤深度分别为5、10、15、20、25 cm。

1.3.2 土壤水分

在谷子播前、苗期、拔节期、抽穗期、成熟期、收获后采用烘干法测定0～100 cm土层的土壤含水量，步长20 cm，共5个土层分别取土样，各处理均在种植行间取样，计算土壤贮水量、农田耗水量及水分利用效率。成熟后各小区随机取样15株，风干后对株高、穗长、茎粗、茎节数、穗粗、单株草种、单株穗重、单株粒重及千粒重进行室内考种。收获期按小区收获株穗进行测产。相关计算公式如下：

(1)土壤含水量W/%=(土壤鲜质量-土壤干质量)/土壤干质量×100

(2)土壤贮水量SWS=W×d×ρ×10

式中，W为土壤贮水量/mm；d为土层深度/cm；ρ为土壤容重/g·cm-3，本试验各土层ρ平均为1.23 g·cm-3；W为土壤含水量/%。

(3)农田耗水量ET=ΔSWS+P，ΔSWS=SWSi-SWSj

式中，ET为谷子生育期农田耗水量/mm；ΔSWS为其生育期土壤贮水量变化量/mm；P为谷子生育期降雨量/mm。本试验区无灌溉条件、无地表径流且地下水位低无深层地下水可利用，因此均不计入农田耗水量。

(4)水分利用效率WUE=Y/ET

式中，WUE为水分利用效率/kg·hm-2·mm-1，Y为谷子籽粒产量/kg·hm-2，ET为其生育期农田总耗水量/mm。

1.4 数据分析

数据整理、图形制作与方差分析分别采用Excel2010及SPSS17.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜方式下谷子全生育期内地积温变化

两年间各生育阶段5～25 cm土层平均温度存在一定的差异(表1)，这与测定时间、土壤三相组分、气温及降雨量密切相关，从图1可以看出，2015年播前一段时间(4月份)降雨显著多于2016年(P<0.05)，相应的土壤贮水量高于2015年，而土壤三相系统中，水分是影响温度最为重要的成分，高的土壤贮水量会使土壤保持较高的热量，导致土壤温度在两年间不同生育阶段存在差异，最终体现在地积温指标上，表现出显著的差异。2015一膜三年覆盖(A1)和一膜一年覆盖(A2)较露地(CK)地积温分别高出145.2 ℃、165.7 ℃；2016一膜三年覆盖(A1)和一膜一年覆盖(A2)较露地(CK)地积温分别高出149.6 ℃和、161.7 ℃；覆膜处理的土壤温度累积效应依次为A2>A1>CK。

2.2 不同覆膜方式下谷子生育期内耗水特征

2.2.1 不同覆膜方式下谷子生育期内耗水量差异

播前、收获后的土壤贮水量决定土壤贮水耗水量，在播前整地完成后，当天完成覆膜处理的情况下，土壤贮水量变化两年变化趋势完全一致，表现为A2>A1>CK(表2)，原因在于一膜一年覆盖(A2)及露地条播(CK)在整地及覆膜处理期间土表水分蒸发作用的结果，而收获后土壤贮水量的差异是不同处理积水效果、作物生长发育耗水及土壤蒸发等的综合结果。土壤贮水耗水量的结果显示，两年间均表现CK>A2>A1，原因在于露地(CK)处理的土壤贮水蒸发损耗量显著高于A1、A2(P<0.05)，而A2>A1原因可能在于整地后土壤结构疏松，利于谷子根系延深生长，加大了土壤贮水消耗量。

表1不同处理下5～25cm土层平均温度及谷子全生育期内地积温差异/℃

Table1Thedifferenceofsoilaveragetemperatureof5～25cmlayeratdifferentdevelopmentstagesandaccumulatedtemperatureonfoxtailgrowthstage

年份Years处理Treatments生育时期Growth stages 播前Before seeding苗期Emergent stage拔节期Jointing stage抽穗期Heading stage成熟期Maturation stage收获后After harvest地积温Soil cumulative temperatureA119.0 22.9 26.9 23.4 18.1 14.6 3 432.9 2015A218.7 24.6 27.0 24.3 16.1 14.8 3 453.4 CK17.6 21.9 25.9 23.2 15.6 15.3 3 287.7 A113.7 28.6 26.9 27.1 18.0 20.0 3 695.5 2016A214.3 28.8 27.0 27.3 17.9 19.4 3 707.6 CK14.0 25.7 26.2 26.9 17.4 18.8 3 545.9

表2 不同处理下谷子生育期内土壤耗水量变化Table 2 Change of soil water consumption amount in foxtail millet growth stages under treatments

注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note：Different lowercase letters show significant difference at the 0.05 level in the same column.

2.2.2 不同覆膜方式下谷子不同生育阶段土壤贮水耗水量差异

图2显示谷子不同生育土壤贮水量变化在两年间差异较大，2015、2016年播前至出苗期表现为土壤贮水，且A2>A1>CK，在降雨量相同的情况下，说明一膜一年用覆盖模式(A2)的集雨效果明显优于一膜三年用(A1)及露地条播(CK)，随着谷子生育进度的推进，土壤贮水耗水量逐渐加大，2015年在拔节末至抽穗初，降雨量较多的情况下，抽穗至成熟期土壤贮水耗水量达到高峰值，且A2>CK>A1，说明一膜一年用加强了对土壤贮水的消耗量，2016年在谷子播前至拔节期降雨较多、土壤贮水量较高，拔节末期至成熟期严重干旱情况下，土壤贮水耗水量集中于抽穗期，而谷子生育中后期的严重干旱造成用于末期产量形成中土壤贮水供给的不足。

2.2.3 不同覆膜方式下谷子不同土层贮水耗水特征

2015年丰水年份，0～60 cm土层贮水耗水量表现为CK>A2>A1，60～100 cm土层贮水耗水量表现为A2>A1>CK，覆膜处理加大了对深层土壤贮水的消耗，2016年严重干旱年份0～100 cm土层贮水耗水量均为CK>A2>A1，露地条播(CK)各土层耗水量显著的高于覆膜处理，说明干旱伴随的高温导致土壤水分蒸发量露地条播(CK)远高于覆膜处理的水分蒸发量，致土壤贮水耗水量达到最高值，一年一用覆膜处理(A2)60～80 cm土层贮水耗水量明显高于一膜三年覆盖处理(A1)，说明在干旱年份A2亦加强了对土壤深层贮水的消耗，原因在于土壤翻耕后利用根系向深生长，利用对深层土壤水分的利用(图3)。

图2 各处理不同生育阶段土壤贮水量变化Fig.2 Change of soil water storage amounts in foxtail millet growth stage under treatmentsS(插前)，E(苗期)，J(拔节期)，H(抽穗期)，M(成熟期)，A(收获后)。S (Before seeding), E (Emergent stage), J (Jointing stage),H (Heading stage), M (Maturation stage),A (After harvest).

图3 各处理不同土层贮水耗水量变化Fig.3 Change of soil water storage consumption amounts in different treatment

2.3 不同覆膜方式对谷子主要农艺性状的影响

2015年丰水年份较2016年严重干旱年份，谷子各性状除茎粗外，均表现出较高的性状值，干旱加快了谷子成熟进度，影响基部节间伸长生长(表3)。2015年各处理间除生育期、茎节数、穗粗、千粒重在各处理间无显著差异外，株高、穗长、茎粗、单株穗重、单株粒重、单株草重覆膜处理(A1、A2)显著的高于露地条播(CK)，而A1、A2之间差异不显著，但均A2处理各性状值均高于A1，说明一年一用覆膜栽培更有利于谷子生长发育和产量形成。2016年严重干旱年份，仅有株高、穗长、单株穗重、单株粒重、单株草重5个性状在一膜一年用覆盖处理(A2)与一膜三年用覆盖处理(A1)、露地条播(CK)间存在显著差异，而A1与CK比较各性状表现值高，但两者间差异不显著，说明严重干旱年份一膜三年覆盖栽培方式对谷子的性状形成作用较小，可能在于一膜多年用对地膜、沟垄结构的破坏及土壤紧实度的增加，不利用集雨和谷子根系生长，导致地上部分形态建成次于一膜一年用覆盖(A2)栽培方式。

表3 不同处理下谷子主要农艺性状的变化Table 3 Change of main agronomic traits of foxtail millet under different treatment

注:PD(生育期)，PH(株高)，MPL(穗长)，MSD(茎粗)，NNMS(茎节数)，MPD(穗粗)，SW(单株穗重)，GWP(单株粒重)，SWP(单株草重)，TGW(干粒重)。

Note：PD(Period of duration),PH(Plant height),MPL(Main panicle length),MSD(Main stem diameter),NNMS(Node number of main stem),MPD(Main panicle diameter),SW(Spike weight per plant),GWP(Grain weight per plant),SWP(Straw weight per plant),TGW(1000-grain weight).

2.4 不同覆膜方式对水分利用效率及产量的影响

2015年A1、A2、CK产量依次为为4 711.7、5 620.6、3 969.6 kg·hm-2，水分利用效率依次为为13.5，14.7、10.0 kg·hm-2·mm-1，2016年A1、A2、CK产量依次为为2 049.3、2 989.1、1 842.6 kg·hm-2，水分利用效率依次为为10.2、13.5、7.7 kg·hm-2·mm-1，两年产量、水分利用效率A2显著高于A1、CK，A1显著高于CK。一膜三年覆盖(A1)较一膜一年覆盖(A2)水分利用效率降低1.2、3.3 kg·hm-2·mm，减产16.2%、31.4%，但一膜三年用(A1)较露地条播(CK)水分利用效率提高2.5、3.5 kg·hm-2·mm-1，增产11.2%、18.7%。一膜三年覆盖较一膜一年覆盖种植减少了地膜投入和劳力投入，会宁地区地膜和铺膜劳力投入3 500元左右，谷子价格为3元·kg-1，一膜三年覆盖种植谷子收益仍然高于一膜一年覆盖种植谷子，综合考虑劳力、投入产出比是适宜于半干旱雨养区推广的栽培模式。

图4 不同处理下谷子产量及水分利用效率变化Fig.4 Change of yield and water use efficiency of foxtail millet under the different treatment

2.5 不同覆膜方式下的经济效益分析

3种模式在其余农事操作相同的情况下，投入差异主要来自于播前机械整地和铺膜的人工投入、地膜及种子投入。由表4可见，双垄沟一膜三年用(A1)较一膜一年用(A2)和露地(CK)每亩分别减少投入97.3%、94.1%。依据2015-2016年当地市场谷子平均单价为2.4元·kg-1，良种价为5.0元·kg-1，谷子秸秆为0.4元·kg-1，A1、A2、CK3种模式下2015年谷子每667 m2产草重分别为901.0、815.0、452.2 kg，2016年谷子亩产草重分别为789.6、723.8、374.0 kg，在不计入人工投入的情况下，2年间，双垄沟一膜三年用(A1)较双垄沟一膜一年用(A2)和露地(CK)每亩分别增收95.9～109.0元、275.8～279.4元。可以看出，双垄沟一膜三年用是一种投入产出效益较高，且操作简单、节能环保的种植模式，适宜于干旱半干旱区推广。

表4 不同覆膜方式下谷子经济效益分析Table 4 Foxtail millet economic benefit analysis under different film mulching patterns

3 结论与讨论

一膜两年用可显著提高土壤含水量和土壤贮水量，提高水分利用效率，促进作物增产[7]，同时可有效抑制农田棵间蒸发、减少水分无效损失，显著提高单方水效益[9]，本研究比较研究了一膜三年覆盖、一膜一年覆盖、露地条播下的贮水保墒效果，发现土壤耗水量一膜三年覆盖较一膜一年覆盖、露地条播分别低19.2～32.7 mm、38.2～49.6 mm，在丰水年份对60～100 cm深层土壤水分的调用能力弱于一膜一年覆盖，强于露地条播，在严重干旱年份，均弱于一膜一年覆盖和露地条播,但能均衡调控谷子各生育期内的耗水需求，使其水分利用效率和产量显著高于露地条播，这与侯慧芝等[10]在小麦中覆膜对其不同生育时期耗水强度的调控效应相似，但其增产潜力显著低于一膜一年用，这亦与一膜两年用中的增产效果差异很大[11，12]。此外研究发现[13，14]，一膜一年用覆盖栽培具有明显的增温效应，能促苗早发，补给地积温的不足，降低春季冻害和干旱造成的影响。覆膜可提高作物苗期0～10 cm土层地温1～2 ℃，增加冬前的耕层活动积温160℃[15，16]，利于成苗和成穗，本研究发现，0～25 cm土层地积温一膜三年用覆盖较一膜一年用覆盖低12.1～20.5 ℃，但较露地条播高145.2～149.6 ℃，说明一膜三年用覆盖仍具有与一膜一年用覆盖栽培基本相同的保温效果。水温效应的综合作用导致谷子株高、穗长、单株穗重、单株粒重、单株草重等性状生长发育高于露地条播，进而显著提高了谷子产量，增产达10%以上，干旱年份增产尤其明显，另外，据统计2015年我国地膜覆盖面积为1 833万hm2，地膜使用量达到145.5万t，并且年使用量呈逐年增多趋势，但是地膜回收率不足60%[17]，废旧地膜对环境造成的污染日益严重，而一膜三年覆盖种植提高地膜使用年限，明显减小了环境污染，增加了地膜的重复利用效率，与一膜一年覆盖种植相比降低了生产成本，虽然谷子产量降低，但是收益增加。综合一膜三年用下的水温效应、投入产出效益及生态环境保护效应，双垄沟一膜三年覆盖种植技术是一项适宜于半干旱雨养区大面积推广种植的技术。