旱地全膜覆土穴播荞麦田土壤水热及产量效应研究

方彦杰 张绪成 于显枫 侯慧芝 王红丽 马一凡



旱地全膜覆土穴播荞麦田土壤水热及产量效应研究

方彦杰 张绪成*于显枫 侯慧芝 王红丽 马一凡

甘肃省农业科学院旱地农业研究所 / 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州 730070

2015—2017年在西北黄土高原半干旱区设全膜覆土穴播(FMS)和露地穴播(CK) 2种种植方式, 研究西北黄土高原全膜覆土穴播对旱地荞麦农田土壤水分和温度、产量及水分利用效率的影响, 为寻求半干旱区荞麦高产高效的技术途径提供理论依据。结果表明, FMS较CK使荞麦苗期提前2.0~2.7 d, 分枝期提前2~3 d, 现蕾期提前0~1.7 d, 而灌浆期延长4.7~7.0 d。全膜覆土穴播(FMS)提高平水年(2015)和欠水年(2016)荞麦农田的土壤贮水量, 较CK增加16.9 mm和25.59 mm, 提高2.91%和5.79%, 差异显著(<0.05), 但丰水年(2017)处理间差异不显著。在平水年和丰水年, 0~25 cm土壤平均温度FMS较CK分别增加2.27℃和2.20℃, 但是在高温干旱年, FMS分枝期至灌浆期明显低于CK, 全生育期内0~25 cm土壤平均温度FMS较CK降低。成熟期FMS干物质量较CK增加13.46%~137.87%, 叶面积指数增加16.22%~52.55%, 株高增加12.78%~48.91%, 单株粒重增加33.39%~60.90%, 籽粒饱满率提高8.48%~9.14%。3年全膜覆土穴播荞麦生育期0~300 cm土壤耗水量增加3.89%, 但差异不显著, 产量增加7.26%~95.25%, 水分利用效率提高7.59%~87.08%, 差异显著(<0.05), 而且越干旱年份增产增效愈加明显。全膜覆土穴播能够提高荞麦播前土壤贮水量, 降低高温时段的土壤温度, 延长灌浆期, 显著提高叶面积指数和生物量, 促进荞麦植株发育, 使得产量和水分利用效率明显升高。

半干旱区; 荞麦; 全膜覆土穴播; 土壤水分; 土壤温度; 水分利用效率

荞麦是中国主要的小宗杂粮作物之一, 对中国特色农业发展及区域种植结构调整有着重要的作用[1]。西北地区降水不足且分配不均, 适宜种植抗旱性强且耗水量小的作物[2-3], 荞麦具备这些特点[4]。受自然干旱和传统种植观念等的影响[5-6], 荞麦产量和资源利用效率较低, 制约了荞麦产业发展和效益提高[1]。为此, 在中国荞麦主产地黄土高原半干旱区, 研究旱地荞麦高产高效技术及其机制, 对区域农业结构调整和产业发展具有重要意义。地膜覆盖是黄土高原半干旱区农业生产解决土壤水分问题的最有效措施, 能够显著提高作物对资源的利用效率[7], 可以对农田土壤水分进行再分配, 有效提高土壤含水量10.0%~16.4%[8], 提高土壤温度1.8℃[9], 提早出苗8~11 d[9-10], 促进生长发育[11], 提高降水资源利用效率8.0%~27.0%[12-13], 显著增加产量29.13%~ 220.00%[8-15]。

受荞麦为耐瘠作物的传统观念影响, 一般不注重土壤水分管理。然而, 研究认为荞麦是一种对水分较敏感的作物, 充足的水分供应对提高荞麦产量品质具有重要的作用[16]。干旱模拟试验表明, 干旱缺水对荞麦种子的萌发和发育有显著影响[17]。旱地全膜覆土穴播技术是一项集全地面平铺地膜+膜上覆土+穴播种植为一体的旱地作物高效栽培技术[15], 在西北黄土高原被广泛应用[13]。目前, 全膜覆土穴播技术的保墒和增产效应基本明确, 但关于全膜覆土穴播对荞麦农田土壤水热状况的影响及其对荞麦生长发育和产量形成的作用机理仍不清楚。为此, 在黄土高原半干旱区将全膜覆土穴播技术应用到旱地荞麦栽培中, 以期改善荞麦麦田水热特性, 提高荞麦生长热量和水分需求与生育周期的吻合度, 建立适用于旱地荞麦的高效生产技术。本研究测定荞麦全生育期土壤温度、土壤含水量及生长状态指标, 旨在阐明全膜覆土穴播对荞麦农田土壤水热状况的影响及其对荞麦生长发育和产量形成的作用机制, 为寻求半干旱区旱地荞麦高产高效的种植技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村, 104°36′E, 35°35′N), 海拔1 970 m, 年平均气温6.2℃, 年辐射总量5898 MJ m–2, 年日照时数2500 h, ≥10℃积温2075.1℃, 无霜期140 d, 属中温带半干旱气候。作物一年一熟, 为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm, 6月至9月降水量占年降水量的68%, 降水相对变率为24%, 400 mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土, 0~30 cm土层平均容重1.25 g cm–3, 田间持水量为21.18%, 凋萎系数为7.2%。土壤有机质、全氮、全磷、全钾、NH4+-N、NO3-N、速效磷、速效钾含量分别为 11.99 g kg–1、1.16 g kg–1、0.25 g kg–1、17.3 g kg–1、4.8 mg kg–1、0.8 mg kg–1、8.67 mg kg–1和121.50 mg kg–1, pH 8.35。试验田为旱川地, 前茬作物为马铃薯。

1.2 试验设计

以苦荞麦([L.] Gaertn.)为供试材料, 品种为云荞2号。设置全膜覆土(FMS, 地膜平铺整个地面, 在膜上覆细土1~2 cm)和传统露地穴播(CK) 2种种植方式, 每个处理3次重复, 小区面积35 m2(5 m × 7 m), 采用完全随机试验设计。FMS每年均在3月下旬整地施肥覆膜, 2个处理均用穴播机播种, 播深3~4 cm, 每穴5~7粒, 行距30 cm, 穴距12 cm, 密度180万株hm–2。施肥量为纯N 40 kg hm–2、P2O530 kg hm–2、K2O 20 kg hm–2, 肥料均作为基肥一次性施入。2015年5月6日播种, 8月31日收获; 2016年5月29日播种, 9月5日收获; 2017年5月26日播种, 9月12日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分 分别在苗期、分枝期、现蕾期、盛花期、灌浆期和成熟期用烘干法测定土壤含水量。土壤深度为 0~300 cm, 每20 cm为步长于荞麦穴间取土。

1.3.2 土壤温度 用曲管地温计在两穴植株间定位测定5、10、15、20和25 cm处地温。每7 d在8:00、14:00、20:00各测定一次。

1.3.3 生物量测定 分别在苗期、分枝期、现蕾期、盛花期、灌浆期和成熟期从每小区随机采样10株, 采用烘干法测定地上部分的干物质累积量。

1.3.4 土壤贮水量 0~300 cm土壤储水量, SWS = 10×××式中,代表土壤深度(cm),代表土壤容重(g cm–3),代表体积含水量(m3m–3)。

1.3.5 土壤耗水量 0~300 cm耗水量ET =+WSs−WSh, 式中,为降水量(mm), WSs和WSh分别是播种前和收获后的0~300 cm土层的土壤储水量(mm)。

1.3.6 水分利用效率 水分利用效率(kg hm–2mm–1) WUE =/ET, 式中,为作物籽粒产量(kg hm–2), ET为作物耗水量(mm)。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010软件作图, DPS数据处理软件统计分析, 用Tukey法检验处理间的差异显著性(<0.05和<0.01)。

2 结果与分析

2.1 试验年份荞麦生育期降雨量及气温变化

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计, 荞麦生育期多年平均降雨量为189.3 mm, 多年平均气温为16.78℃。2015年荞麦生育期平均气温为16.32℃, 降低2.76%, 降雨量为193.4 mm, 为同期多年平均的102.19%, 且各关键生育期降雨分布较均匀, 属平水年。2016年荞麦生育期平均气温为19.04℃, 增加13.46%, 降雨量为149.3 mm, 为同期多年平均的78.89%, 属干旱高温欠水年。2017年荞麦生育期平均气温为17.80℃, 增加6.08%, 降雨量为242.9 mm, 为同期多年平均的128.34%, 灌浆前干旱, 降雨偏少, 灌浆期降雨146.7 mm, 占全生育期的60.4%, 对荞麦生育有影响, 属丰水年, 但降雨分布不均衡(图1)。

2.2 全膜覆土穴播对荞麦生育进程的影响

全膜覆土穴播对荞麦生育进程有显著影响(图2)。与CK相比, FMS能够延长荞麦生育期1.3~2.3 d, 苗期提前2.0~2.7 d, 分枝期提前2~3 d, 现蕾期提前0~1.7 d, 而灌浆期延长4.7~7.0 d。可见, FMS能够延长荞麦生育期, 缩短营养生长和延长生殖生长。

图1 荞麦生育期降雨和气温变化

图2 全膜覆土穴播对荞麦生育进程的影响

FMS: 全膜覆土穴播种植; CK: 露地穴播种植。

FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils.

2.3 全膜覆土穴播对0~300 cm土层土壤水分时空变化的影响

2.3.1 土壤贮水量动态变化 土壤贮水量受降水影响差异明显(图3)。2个处理土壤贮水量在平水年和欠水年均随生育进程呈下降趋势, 且FMS高于CK。丰水年播种至花前土壤贮水量随荞麦生长而减少, 花后随着降雨量增加(7月22日至成熟降雨164.2 mm)而增加; 分枝前FMS的土壤贮水量高于CK, 而分枝后则低于CK。平水年FMS的土壤贮水量与CK达显著差异(<0.05), 平均增加16.9 mm, 提高2.91%。除灌浆期外, 欠水年FMS较CK平均增加25.59 mm, 提高5.79%, 差异显著(<0.05)。丰水年FMS与CK的土壤贮水量在分枝期和成熟期无显著差异, 播种至苗期FMS较CK分别高54.57 mm和43.77 mm, 但分枝期后FMS土壤贮水量显著低于CK。

2.3.2 全膜覆土穴播对0~300 cm土层土壤水分垂直变化的影响 荞麦生育期内0~300 cm 土层土壤含水量垂直变化与地膜覆盖、生育进程及降雨分布密切相关(图4)。平水年播前和苗期0~100 cm土层土壤含水量FMS均高于CK, 苗期0~60 cm差异显著(0.05), 花期0~60 cm则低于CK, 差异显著(0.05)。欠水年播前、苗期和分枝期处理间土壤含水量表现相似, 0~180 cm土层土壤含水量FMS高于CK, 差异明显, 成熟期100~200 cm FMS低于CK, 但200 cm以下高于CK, 且差异显著(0.05)。丰水年播前和苗期0~200 cm土层土壤平均含水量FMS高于CK, 且0~100 cm差异显著(0.05), 分枝期80~100 cm土层差异显著(0.05), 花期140~180 cm土层差异显著(0.05), 灌浆期120~180 cm FMS低于CK, 差异显著(0.05), 260~300 cm差异显著(0.05)。

图3 荞麦生育期0~300 cm土层土壤贮水量变化

FMS: 全膜覆土穴播种植; CK: 露地穴播种植。

FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils.

图4 荞麦不同生长时期0~300 cm土层土壤含水量变化

FMS: 全膜覆土穴播种植; CK: 露地穴播种植。

FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils.

2.4 全膜覆土穴播对0~25 cm土层土壤温度动态变化的影响

两个处理0~25 cm土层的土壤平均温度和平均气温变化总体趋势相似(图5)。在平水年和丰水年, FMS 0~25 cm土层的土壤温度均高于CK, 分别增加2.27℃和2.20℃, 并且在荞麦生殖生长阶段的增温效果更为明显。欠水年在播种至苗期阶段, FMS比CK增加2.07℃; 分枝后FMS低于CK, 并且在分枝期至灌浆期的降温效果尤为明显, 下降了0.14℃。可见, 全膜覆土穴播对0~25 cm土壤温度有明显的调节作用。

2.5 全膜覆土穴播对荞麦地上部干物质积累的影响

全膜覆土穴播种植对荞麦单株干物质积累有显著影响(表1), 3年内各生育期FMS的单株干物质均显著高于CK (<0.05)。平水年FMS在苗期~成熟期较CK分别增加了13.46%~103.53%, 欠水年增加了80.95%~292.35%, 丰水年增加了18.40%~181.55%。说明全膜覆土穴播种植显著促进荞麦干物质积累, 并且在干旱年份更加明显。

图5 荞麦生育阶段0~25 cm土壤平均温度变化

FMS: 全膜覆土穴播种植; CK:露地穴播种植; SO~SE: 播种到苗期; SE~BR: 苗期到分枝期; BR~FL: 分枝期到花期; FL~FI: 花期到灌浆期; FI~MA: 灌浆期到成熟期。

FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils; SO–SE: sowing-seeding; SE–BR: seeding-branching; BR–FL: branching-flowing; FL–FI: flowing-filling; FI–MA: filling-maturing.

表1 全膜覆土穴播对荞麦单株地上部分干物质积累的影响

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。FMS: 全膜覆土穴播种植; CK: 露地穴播种植。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments (< 0.05). FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils.

2.6 全膜覆土穴播对荞麦叶片LAI的影响

两个处理LAI在花期最高(表2), 而且丰水年>平水年>欠水年。平水年和丰水年处理间的LAI在各生育期均达到显著差异(0.05), FMS 较CK分别高5.35%~56.19%和36.52%~118.43%; 欠水年2个处理在分枝期无显著差异, 其余生育时期FMS 较CK高9.62%~112.16%, 差异显著(<0.05)。表明全膜覆土穴播能促进荞麦的群体发育, 显著提高LAI, 这为提高产量奠定了基础。

2.7 全膜覆土穴播对荞麦生长和产量性状的影响

全膜覆土种植对荞麦生长和产量性状有显著影响(表3)。FMS成穗数较CK降低3.19%~4.32%, 但无显著差异。FMS的株高较CK增加了12.78%~ 48.91%, 并在欠水年达到显著差异(0.05)。FMS的籽粒位高显著低于CK (0.05), 有利于高产并降低倒伏率。FMS的单株粒重较CK增加33.39%~ 60.90%, 差异显著(0.05)。处理间的籽粒饱满率无显著差异。表明全膜覆土穴播荞麦在不同年份均有利于荞麦生长, 但株高增加可能会导致倒伏, 影响产量。

2.8 全膜覆土穴播对荞麦产量、耗水量及水分利用效率的影响

全膜覆土穴播对荞麦产量、耗水量及水分利用效率(WUE)有显著影响(表4), 对3年荞麦产量和WUE的综合分析表明, 种植方式(<0.01)、年份(<0.01)及二因素交互作用对荞麦产量和WUE影响极显著(表5)。3年试验中FMS产量显著高于CK (0.05)。平水年FMS产量为2774.52 kg hm–2, 较CK增加7.26%; 欠水年为2158.22 kg hm–2, 较CK增加95.25%; 丰水年为2712.78 kg hm–2, 较CK增加11.46%。3年FMS较CK平均增产638.41 kg hm–2, 增加33.42%。在平水年和欠水年, 荞麦耗水量处理间差异不显著; 丰水年FMS 耗水量较CK增加11.46%, 差异显著(0.05)。FMS的WUE在平水年、欠水年和丰水年较CK分别增加了7.59%、87.08%和19.41%, 差异显著(0.05)。

表2 不同生育期荞麦叶面积指数(LAI)

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments (< 0.05). FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils.

表3 荞麦生育期生长性状特征

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。FMS: 全膜覆土穴播种植; CK: 露地穴播种植。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments (< 0.05). FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils.

表4 不同处理荞麦产量、耗水量及水分利用效率

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。FMS:全膜覆土穴播种植; CK:露地穴播种植。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments (< 0.05). FMS: whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; CK: hole-sowing on bare soils.

表5 年份和种植方式对产量及WUE的方差分析

3 讨论

3.1 半干旱区全膜覆土穴播对荞麦农田土壤水热环境的影响

水热条件是影响作物生长发育最重要的因素之一, 全膜覆土穴播种植技术能显著调节土壤水热状况[18], 进而影响作物的产量和水分利用[13-15]。本研究2015—2016年FMS能够使农田0~300 cm土层土壤贮水量在荞麦不同生育阶段均高于CK, 分别增加16.9 mm和25.59 mm, 提高2.91%和5.79%, 差异显著(0.05), 这一结果与在春小麦全膜覆土穴播种植的研究一致[19], 但在丰水年减小了4.07 mm, 降低0.85%, 差异不显著(0.05)。由此可知, 全膜覆土穴播能够有效增加平水年和欠水年荞麦农田0~300 cm土壤贮水量, 为荞麦生长提供较好的土壤水分环境, 有利于荞麦根系吸收利用[20]。

黄土高原半干旱区荞麦播种期在5月中下旬, 此期降雨少, 气温较高, 全膜覆土穴播技术有效改善了土壤水分, 对保证荞麦苗齐苗壮意义重大[8-10]。本研究荞麦生育期对全膜覆土穴播荞麦土壤水分垂直分布有显著影响。无论何种降水年份, 由于休闲期覆盖作用, 抑制土壤棵间蒸发, 减少无效耗水, FMS播前、苗期和分枝期0~60 cm土层土壤含水量显著高于CK (<0.05)。可见, FMS通过提高生育前期贮水量, 为荞麦花前正常生长提供土壤水分保证。已有研究表明, 全膜覆土穴播小麦在拔节期和灌浆期, FMS 0~200 cm土层土壤含水量在欠水和丰水年份均比CK低[11]。然而, 本研究2015年和2016年0~300 cm土层土壤平均含水量FMS分别较CK高3.60%、5.33%, 而2017年低3.34%[9], 这种不一致可能是覆盖方式和作物种类差异所致。2017年, 荞麦灌浆期260~300 cm土层土壤含水量FMS均显著低于CK (<0.05), 表明FMS利用了260~300 cm土层土壤水分, 对荞麦农田0~300 cm土壤水分有影响, 这与前人对小麦的研究结果相似[10]。

地膜覆盖通过增加吸收太阳辐射达到增温作用[21-22], 可缓解低温对种子萌发和苗期形态建成的不利影响[8]。对全膜覆土穴播的土壤温度效应研究表明, FMS能够使西北春小麦0~25 cm土壤平均温度较露地种植提高1.8℃[9], 冬小麦10 cm深土壤日均温度较露地种植平均增加3.8%。本研究中, FMS在平水年和丰水年生育期0~25 cm平均温度较CK分别增加2.27℃和2.20℃, 体现了地膜覆盖的增温效应[23]。本研究在生育期平均气温19.04℃的欠水年, FMS分枝期至灌浆期0~25 cm平均温度明显低于CK, 全生育期内0~25 cm平均温度FMS较CK降低0.14℃。分析认为FMS在气温较低及降雨较多丰水年份可以增加0~25 cm土壤平均温度, 促进根系活力, 而在高温干旱欠水年份, 可以降低土壤平均温度, 延缓根系衰老。可见, 全膜覆土穴播荞麦可以根据不同的降雨及热量条件, 调节土壤温度, 使其均有利于荞麦根系生长。

3.2 全膜覆土穴播对旱地荞麦生长和产量的影响

地膜覆盖通过提高作物生育前期土壤积温和改善土壤水分条件, 加快作物生育进程, 延长作物生殖生长阶段[24]。本研究3年结果表明, FMS较CK苗期、分枝期、现蕾期均提前, 整个生育期延长1.3~2.3 d, 灌浆期延长4.7~7.0 d。表明全膜覆土穴播种植能够使荞麦提早花前各生育阶段, 延长花后生殖生育时间。植株干物质量的大小直接影响作物的产量形成[25], 叶面积指数、株高、成穗数、单株粒重等性状指标与产量息息相关[26-27]。本研究认为, 由于全膜覆盖荞麦生长快、生长旺盛, 干物质量和LAI均较CK差异显著(<0.05), 2015—2017年, 成熟期干物质量FMS较CK增加13.46%~137.87%, 叶面积指数增加16.22%~52.55%, 株高增加12.78%~ 48.91%, 单株粒重增加33.39%~60.90%, 籽粒饱满率均提高8.48%~9.14%。但是荞麦成穗数则表现为FMS较CK减少3.19%~4.32%, 认为主要原因是全膜覆土穴播荞麦部分幼苗与穴孔错位, 发生烧苗, 降低了成穗数。3年试验中, FMS较CK在不同年份都有利于荞麦生长性状表现, 有利于荞麦产量形成, 但应控制全膜覆土穴播荞麦的株高, 以防发生倒伏。

国内关于地膜覆盖种植技术的研究中, 提高作物产量和水分利用效率是共同的认识, 但因年份、地域和覆盖方式而有差异[28-30]。侯慧芝研究得出, 半干旱区不同降水年份全膜覆土穴播种植对春小麦产量和水分利用效率影响显著[10], 本研究结果得出, 2015—2017年种植方式(<0.01)、年份(<0.01)与对荞麦产量和WUE影响极显著, 表明在半干旱区旱地条件下, 荞麦产量和WUE的高低是由不同年份自然因素(主要是降雨)和种植方式共同影响的。在本试验条件下, FMS与CK产量和WUE差异显著(<0.05), 在平水年、欠水年、丰水年产量分别增加7.26%、95.25%、11.46%, 水分利用效率分别提高7.59%、87.08%、19.41%, 生育期0~300 cm耗水量平均高11.95 mm, 增加3.89%。荞麦全膜覆土穴播种植后, 前期减少土壤无效蒸发, 后期由于生物量和叶面积指数增加, 植株蒸腾耗水增加, 使更多的干物质转化为籽粒产量。虽然生育期总耗水量增加, 但差异不显著(>0.05), 而产量和WUE提高差异显著(<0.05)。可见, 全膜覆土穴播种植可以显著增加荞麦经济产量, 提高降水资源的利用效率, 并且在高温干旱的欠水年份表现尤为突出。

4 结论

全膜覆土穴播种植可增加荞麦生育期的土壤温度, 提高播前土壤含水量, 促使提早出苗, 缩短营养生长并延长生殖生长, 调节土壤水分时空分布, 为荞麦生长提供良好的水分环境, 增加株高、干物质量、叶面积指数, 以及提高成熟期的经济性状, 这对荞麦高产高效有利, 使产量增加7.26%~95.25%, 水分利用效率提高7.59%~87.08%, 而且在干旱年份效果更为明显。因此, 全膜覆土穴播技术可以作为黄土高原半干旱区荞麦适宜的种植方式。

[1] 冯佰利, 姚爱华, 高金峰, 高小丽, 柴岩. 中国荞麦优势区域布局与发展研究. 中国农学通报, 2005, 21(3): 375–377. Feng B L, Yao A H, Gao J F, Gao X L, Chai Y. Study on regional distribution and development of buckwheat in China., 2005, 21(3): 375–377 (in Chinese with English abstract).

[2] 杨文治, 邵明安. 黄土高原土壤水分硏究. 北京: 科学出版社, 2000. pp 1–3. Yang W Z, Shao M A. Study on Soil Moisture in Loess Plateau. Beijing:Science press, 2000. pp 1–3 (in Chinese).

[3] 李凤民, 徐进章. 黄土高原半干旱地区集水型生态农业分析. 中国生态农业学报, 2002, 10(1): 101–103. Li F M, Xu J Z. Rainwater-collecting eco-agriculture in semi-arid region of Loess Plateau.,2002, 10(1): 101–103 (in Chinese with English abstract).

[4] Chai Y, Zhang Z W. Advances in Buckwheat Research. Yangling: Northwest A&F University Press, 2007. pp 4–7.

[5] 韩思明. 黄土高原旱作农田降水资源高效利用的技术途径. 干旱地区农业研究, 2002, 20(1): 1–9. Han S M. Technical channels of high-efficient utilization of precipitation resources on dry-farming lands in Loess Plateau., 2002, 20(1): 1–9 (in Chinese with English abstract).

[6] Shi X X. Variations of soil moisture during the growth phase of main crops in semi-arid region in Gansu., 2011, 29: 461–465.

[7] 李小刚, 李凤民. 旱作地膜覆盖农田土壤有机碳平衡及氮循环特征. 中国农业科学, 2015, 48: 4630–4638. Li X G, Li F M. Soil organic carbon balance and nitrogen cycling in plastic film mulched croplands in rainfed farming systems., 2015, 48: 4630–4638 (in Chinese with English abstract).

[8] 巨兆强, 董宝娣, 孙宏勇, 刘小京. 滨海低平原干旱区全膜覆土穴播冬小麦田水热特征和产量效应. 中国生态农业学报, 2016, 24: 1088–1094. Ju Z Q, Dong B D, Song H Y, Liu X J. Effect of whole filed plastic mulching with bunch planting on soil thermal-moisture characteristics and winter wheat yield in the lowland plain of Hebei province., 2016, 24: 1088–1094 (in Chinese with English abstract).

[9] 王红丽, 宋尚有, 张绪成, 高世铭, 于显枫, 马一凡. 半干旱区旱地春小麦全膜覆土穴播对土壤水热效应及产量的影响. 生态学报, 2013, 33: 5580–5588. Wang H L, Song S Y, Zhang X C, Gao S M, Yu X F, Ma Y F. Effects of using plastic film as mulch combined with bunch planting on soil temperature, moisture and yield of spring wheat in a semi-arid area in drylands of Gansu, China., 2013, 33: 5580–5588 (in Chinese with English abstract).

[10] 侯慧芝, 吕军峰, 郭天文, 张国平, 董博, 张绪成. 旱地全膜覆土穴播对春小麦耗水、产量和土壤水分平衡的影响. 中国农业科学, 2014, 47: 4392–4404. Hou H Z, Lyu J F, Guo T W, Zhang G P, Dong B, Zhang X C. Effects of whole field soil-plastic mulching on spring wheat water consumption, yield, and soil water balance in semiarid region.,2014, 47: 4392–4404 (in Chinese with English abstract).

[11] 杨长刚, 柴守玺, 常磊, 杨德龙. 不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响. 中国农业科学, 2015, 48: 661–671. Yang C G, Chai S X, Chang L, Yang D L. Effects of plastic mulching on water consumption characteristics and grain yield of winter wheat in arid region of northwest China., 2015, 48: 661–671 (in Chinese with English abstract).

[12] 宋婷, 王红丽, 陈年来, 张绪成. 旱地全膜覆土穴播和全沙覆盖平作对小麦田土壤水分和产量的调节机理. 中国生态农业学报, 2014, 22: 1174–1181. Song T, Wang H L, Chen N L, Zhang X C. Regulation of whole field soil-plastic mulching with bunch planting and whole field sand mulching with flat planting on soil moisture and yield of spring wheat in semiarid dryland areas., 2014, 22: 1174–1181 (in Chinese with English abstract).

[13] 侯慧芝, 吕军峰, 郭天文, 张平良, 张国平, 董博. 全膜覆土栽培对作物的水温效应. 麦类作物学报, 2012, 32: 1111–1117. Hou H Z, Lyu J F, Guo T W, Zhang P L, Zhang G P, Dong B. Effects of technique of cultivation with overall film-mulched soil on soil water and soil temperature of crops., 2012, 32: 1111–1117 (in Chinese with English abstract).

[14] 梁建财, 史海滨, 李瑞平, 杨树青, 辛静静, 王志超. 不同覆盖方式对中度盐渍土壤的改良增产效应研究. 中国生态农业学报, 2015, 23: 416–424. Liang J C, Shi H B, Li R P, Yang S Q, Xin J J, Wang Z C. Improving effect of mulching methods on moderately saline soil and sunflower yield.,2015, 23: 416–424 (in Chinese with English abstract).

[15] 何春雨, 周祥椿, 张礼军, 杜久元, 周洁, 鲁清林, 白斌, 周刚. 全膜免耕栽培技术对冬春小麦产量效应的研究. 农业现代化研究, 2010, 31(2): 1–10. He C Y, Zhou X C, Zhang L J, Du J Y, Zhou J, Lu Q L, Bai B, Zhou G. Study on winter wheat yield under technology of no-tillage, bunch-planting, whole film and soil mulching during whole growth., 2010, 31(2): 1–10 (in Chinese with English abstract).

[16] 李红梅, 陕方, 边俊生, 梁霞, 邓晓燕. 品种与肥料对苦荞麦产量及水肥利用的影响研究. 中国生态农业学报, 2006, 14(4): 253–255. Li H M, Shan F, Bian J S, Liang X, Deng X Y. Effects of variety and fertilizer on the yield and the utilization of water and ferti­lizer of tartary buckwheat., 2006, 14(4): 253–255 (in Chinese with English abstract).

[17] 彭去回, 钱晓刚. 14个荞麦种质材料萌芽期的抗旱性能初步研究. 山地农业生物学报, 2011, 30: 483–486. Peng Q H, Qian X G. Preliminary study on drought resistance of 14 buckwheat germplasm materials.,2011, 30: 483–486 (in Chinese with English abstract)

[18] Dong B D, Liu M Y, Jiang J W, Shi C H, Wang X M, Qiao Y Z, Liu Y Y, Zhao Z H, Li D X, Si F Y. Growth, grain yield, and water use efficiency of rain-fed spring hybrid millet () in plastic-mulched and unmulched fields.,2014, 143: 93–101.

[19] 侯慧芝, 高世铭, 张绪成, 王德贵. 旱地全膜覆土穴播春小麦的耗水特征及其对产量的影响. 水土保持学报, 2017, 31(1): 202–210. Hou H Z, Gao S M, Zhang X C. Wang D G. Effects of soil-plastic mulching on water consumption characteristics and grain yield of spring wheat in semiarid region.,2017, 31(1): 202–210 (in Chinese with English abstract).

[20] Emerman S H, Dawson T E. Hydraulic lift and its influence on the water content of the rhizosphere: an example from sugar maple, Acer Saccharum.,1996, 108: 273–278.

[21] 王俊, 李凤民, 宋秋华, 李世清. 地膜覆盖对土壤水温和春小麦产量形成的影响. 应用生态学报, 2003, 14: 205–210. Wang J, Li F M, Song Q H, Li S Q. Effects of plastic film mulching on soil temperature and moisture and on yield formation of spring wheat.,2003, 14: 205–210 (in Chinese with English abstract).

[22] 李尚中, 王勇, 樊廷录, 王立明, 赵刚, 唐小明, 党翼, 王磊, 张建军.旱地玉米不同覆膜方式的水温及增产效应. 中国农业科学, 2010, 43: 922–931. Li S Z, Wang Y, Fan T L, Wang L M, Zhao G, Tang X M, Dang Y, Wang L, Zhang J J. Effects of different plastic film mulching modes on soil moisture, temperature and yield of dryland maize., 2010, 43: 922–931 (in Chinese with English abstract).

[23] 陶志强, 陈源泉, 隋鹏, 袁淑芬, 高旺盛. 华北春玉米高温胁迫影响机理及其技术应对探讨. 中国农业大学学报, 2013, 18(4): 20–27. Tao Z Q, Chen Y Q, Sui P, Yuan S F, Gao W S. Effects of high temperature stress on spring maize and its technologic solutions in North China Plain., 2013, 18(4): 20–27 (in Chinese with English abstract).

[24] 李玉玲, 张鹏, 张艳, 贾倩民, 刘东华, 董昭芸, 贾志宽, 韩清芳, 任小龙. 旱区集雨种植方式对土壤水分、温度的时空变化及春玉米产量的影响. 中国农业科学, 2016, 49: 1084–1096. Li Y L, Zhang P, Zhang Y, Jia Q M, Liu D H, Dong S Y, Jia Z K, Han Q F, Ren X L. Effects of rainfall harvesting planting on temporal and spatial changing of soil water and temperature, and yield of spring maize (L.) in semi-arid areas., 2016, 49: 1084–1096 (in Chinese with English abstract).

[25] 张立桢, 曹卫星, 张思平. 棉花干物质分配和产量形成的动态模拟. 中国农业科学, 2004, 37: 1621–1627. Zhang L Z, Cao W X, Zhang S P.Dynamic simulation on dry matter partitioning and yield formation in cotton., 2004, 37: 1621–1627 (in Chinese with English abstract).

[26] 张俊鹏, 孙景生, 刘祖贵, 高阳. 不同水分条件和覆盖处理对夏玉米籽粒灌浆特性和产量的影响. 中国生态农业学报, 2010, 18: 501–506. Zhang J P, Sun J S, Liu Z G, Gao Y. Effect of moisture and mulching on filling characteristics and yield of summer maize., 2010, 18: 501–506 (in Chinese with English abstract).

[27] 李荣, 侯贤清, 贾志宽, 韩清芳, 王敏, 杨宝平, 丁瑞霞, 王俊鹏. 沟垄全覆盖种植方式对旱地玉米生长及水分利用效率的影响. 生态学报, 2013, 33: 2282–2291. Li R, Hou X Q, Jia Z K, Han Q F, Wang M, Yang B P, Ding R X, Wang J P. Effects of planting with ridge and furrow mulching on maize growth, yield and water use efficiency in dryland farming., 2013, 33: 2282–2291 (in Chinese with English abstract).

[28] 莫非, 周宏, 王建永. 田间微集雨技术研究及应用. 农业工程学报, 2013, 29(8): 1–17. Mo F, Zhou H, Wang J Y. Development and application of micro-field rain-harvesting techniques.,2013, 29(8): 1–17 (in Chinese with English abstract).

[29] 刘镜波. 不同栽培模式对旱作春玉米根系生长与水分利用的影响. 西北农林科技大学硕士学位论文, 陕西杨凌, 2011. Liu J B. Effects of Different Cultivation Patterns on Root Growth and Water Use of Spring Maize in Dryland. MS Thesis of Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling, Shaanxi, China, 2011 (in Chinese with English abstract).

[30] 张绪成, 王红丽, 于显枫, 侯慧芝, 方彦杰, 马一凡. 半干旱区全膜覆盖垄沟间作种植马铃薯和豆科作物的水热及产量效应. 中国农业科学, 2016, 49: 468–481. Zhang X C, Wang H L, Yu X F, Hou H Z, Fang Y J, Ma Y F. The study on the effect of potato and beans intercropping with whole field plastics mulching and ridge-furrow planting on soil thermal-moisture status and crop yield on semi-arid area.,2016, 49: 468–481 (in Chinese with English abstract).

Effects of whole soil-plastic mulching with hole-sowing on soil temperature, moisture and yield of buckwheat in aridlands

FANG Yan-Jie, ZHANG Xu-Cheng*, YU Xian-Feng, HOU Hui-Zhi, WANG Hong-Li, and MA Yi-Fan

Institute of Dry-Land Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Pro­vince, Lanzhou 730070, Gansu, China

To provide a theoretical basis for exploring a high-yield and high-efficiency technique for buckwheat ([L.] Gaertn.) in semiarid areas of China, we carried out long-term field experiments (2015 to 2017) at the Dingxi Experiment Station of Gansu Academy of Agricultural Sciences in the Loess Plateau of northwestern China. Two planting patterns, namely whole field soil-plastic mulching with hole-sowing (FMS), and hole-sowing on bare soils (CK), were set to investigate the effects of FMS on soil temperature, moisture, yield and water use efficiency (WUE) of buckwheat. Compared with CK, FMS advanced seedling stage of buckwheat 2.0 to 2.7 days earlier, branching stage 2 to 3 days earlier, and budding stage 0 to 1.7 days earlier, and extended the filling stage 4.7 to 7.0 days longer. FMS increased soil water storage (SWS) of 0 to 300 cm layer in normal (2015) and dry years (2016) by 2.91% (16.9 mm) and 5.79% (25.59 mm) (< 0.05), respectively. However, no significant difference was found between them in the wet year of 2017. FMS increased average soil temperature (s) in 0−25 cm layer by 2.27℃ and 2.20℃ in normal and wet years, respectively. While in dry year with higher temperature, FMS lowered Ts during branching to filling stages. Similarly, FMS appreciably decreased seasonal meansof 0 to 25 cm layer compared with CK. At maturity, FMS increased dry matter weight (DM) by 13.46% to 137.87%, leaf area index (LAI) by 16.22% to 52.55%, plant height by 12.78% to 48.91%, grain weight per plant by 33.39% to 60.90%, and grain plumpness rates by 8.48% to 9.14%. On average, FMS increased crop water consumption in 0 to 300 cm soil layer by 3.89% during the three consecutive years, but the difference was not significant (> 0.05). Nevertheless, FMS increased yield by 7.26% to 95.25%, and WUE by 7.59% to 87.08% (< 0.05). The results demonstrated that the high-yield and high-efficiency of FMS were more significant during drier years. In conclusion, FMS could increase SWS prior to sowing, decreasesduring high-temperature periods, prolong filling stage, and markedly increase LAI and DM, resulting in the promoted the development of plants, and the significantly enhanced yield and WUE of buckwheat.

semi-arid area; buckwheat; whole field soil-plastic mulching with hole-sowing; soil water; soil temperature; water use efficiency

2018-12-14;

2019-04-15;

2019-04-18.

10.3724/SP.J.1006.2019.81089

张绪成, E-mail: gszhangxuch@163.com, Tel: 0931-7614864

本研究由国家自然科学基金项目(31760367), 国家科技支撑计划项目(2015BAD22B04)和甘肃省农业科学院农业科技创新专项计划(2017GAAS27)资助。

The work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31760367), the National Science and Technology Research Projects of China (2015BAD22B04), and the Agricultural Science and Technology Innovation Program of GAAS (2017GAAS27).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190417.1144.004.html