不同覆膜方式对高粱生长发育和土壤微生物的影响

隋虹杰 成慧娟 王立新 葛占宇 张姼 潘映雪 孙亚琴

摘要：在全覆膜双垄沟播、半覆膜双垄沟播及清种3种不同处理下，对高粱土壤温度及水分含量动态变化、植株干物质积累程度、高粱农艺性状及产量、土壤微生物含量等进行系统研究。结果表明，在土壤温度上，从播种期到成熟期的整个生育期，全覆膜处理的增温效应最大，在0～20 cm土层范围内，全覆膜处理比清种的日平均温度要高2.20 ℃（2015年）和1.78 ℃（2016年）。从各土层的含水量来看，各处理土壤含水量的整体变化趋势基本一致，但在不同生育阶段，不同土层深度的水分含量变化存在一定差异。0～20 cm土层的土壤含水量表现为全覆膜>半覆膜>清种，20～30 cm土层的土壤含水量为半覆膜处理最高。从干物质积累上看，覆膜处理的高粱干物质积累量在不同生育期均明显高于清种处理，其中全覆膜处理的干物质积累量最大。从不同处理的高粱生育进程来看，全覆膜与半覆膜处理高粱的生育进程分别比清种早出苗3～5、2～3 d;全覆膜、半覆膜处理高粱分别比清种高粱提前成熟8～9、5 d。从产量上看，在干旱年份（2015年），不同处理方式的产量差异显著，全覆膜处理的产量最高，其次是半覆膜、清种处理;而覆膜处理对于雨水充足的正常年份高粱产量的影响不大，但是缩短了作物的生育期。从全生育期土壤微生物数量的动态变化可知，3种处理下细菌、放线菌数量均呈抛物线形变化，最高值出现在抽穗期或者灌浆期。微生物的数量受生长环境的温、湿度影响较大，大环境的变化同时可以明显地影响微生物生长的小环境，进而改变微生物数量。

关键词：高粱;覆膜方式;温度;湿度;干物质;微生物;生长发育;产量

中图分类号： S514.04

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）15-0133-06

高粱具有抗旱、耐涝、耐盐碱、适应性强的特点，特别适合在我国北方地区栽种，因而在现代农业中占有重要位置[1]。高粱虽然属于小杂粮作物，但是在内蒙古赤峰市却被大面积种植。近几年的调研发现，高粱在赤峰市山旱地种植的面积约占高粱种植总面积的85%以上，而赤峰市属中温带半干旱大陆性季风气候区，春季干旱缺雨风沙大，由于年蒸发量远大于年降雨量，使得空气干燥，干旱加重，这些因素都制约着高粱的播种和出苗[2]。因此，研究旱作高粱的不同种植方式对产量的影响具有重要意义。

地膜覆盖种植技术具有水分利用率高、产量高、效益高等特点，被一些地区视为保障粮食安全的关键举措和农民由传统农业转向现代农业的接口[3]。近年来，关于杂交制种高粱覆膜技术的研究较多，而对多种覆膜方式下山旱地高粱生长发育和产量效应的报道较少。因此，探索和推广新的栽培方式，提高农田生产力和经济效益是当前内蒙古赤峰地区农业生产的现实需要。本研究通过测定不同覆膜方式对高粱生长发育和土壤微生物的影响，确定适合内蒙古赤峰地区高粱节水高产的合理覆膜方式，以期为推广和完善高粱地膜覆盖种植技术、提高高粱产量、增加种植效益提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2015、2016年的5—9月在内蒙古赤峰市农牧科学研究院羊场试验地进行，土壤类型为沙壤土。试验地地势平坦，地力均匀一致，春播前0～20 cm土层含有机质 17.6 g/kg，速效氮77 mg/kg，速效磷47.6 mg/kg，速效钾 144 mg/kg，pH值为8.25。试验区年日照时数为 2 700～3 100 h，年降水量为300～500 mm。本试验连续2年的气象情况见表1。

1.2 材料与设计

供试高粱品种为当地早熟品种赤杂110。选用厚度为 0.008 mm 的地膜，宽度分别为120、80 cm。

试验采用随机区组设计，共设3个处理：（1）全覆膜双垄沟播。采用宽窄行的播种方式，膜内播种。带宽100 cm，大垄宽60 cm，小垄宽40 cm。选用120 cm宽的地膜覆盖，膜与膜之间不留空隙，相接处用土压住地膜。（2）半覆膜双垄沟播。播种方式同全膜沟播。选用幅宽80 cm的地膜覆盖，净膜宽50 cm，在大垄膜间留40 cm的空隙。（3）清种（CK）。整地后直接采用60、40 cm的宽窄行方式播种，不覆盖地膜。

各处理设3次重复，小区为16行区，行长8 m，面积为 64 m2，密度为112 500株/hm2。为了排除边行效应，以中间4行实际产量折算成64 m2小区产量。先播种后覆膜，底肥使用长效缓控释肥，用量为600 kg/hm2。试验模仿旱地高粱的种植模式，全生育期不浇水，其他栽培管理措施相同。

1.3 测定项目与方法

（1）土壤温度的调查。在种子萌芽期、苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期各测定1次土壤温度，测定方法是每天08：30、12：00、16：30各测1次地温，日均温度按照1 d 3次的平均值计算。测定土层深度为5、10、15、20 cm。

（2）土壤水分的测定。采用烘干称质量法[4]测定土壤表层0～10、10～20、20～30 cm的水分动态变化。在种子萌芽期、苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期各测定1次土壤含水量。

（3）干物质的测定。用烘干法在不同生育期测定植株地上部干质量[5]。

（4）生育期的调查。主要调查高粱播种期、出苗期、抽穗期、开花期、成熟期。

（5）高粱生物学指标的调查。成熟期调查株高、穗长、茎粗、单穗粒质量、千粒质量，产量按秋收后小区实产计算。

（6）土壤微生物的测定。测定主要根层10～20 cm的微生物含量。在苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期分别测定土壤细菌（培养细菌用LB培养基）、放线菌的数量（培养放线菌用高氏一号培养基），以及真菌的种类和数量，培养真菌用的是馬铃薯葡萄糖琼脂培养基（PDA），测定的真菌包括青霉菌、曲霉菌、镰刀菌、腐霉菌和毛霉菌。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理对土壤温度的影响

对表2、表3中2015、2016年2年不同深度、不同覆膜方式各生育期的土壤温度进行比较，得出表4。结果表明，土壤温度在整个生育期内以全覆膜处理的增温效应最大，在土层20 cm处，全覆膜处理的日平均温度分别比清种的高 2.19 ℃（2015年）、1.78 ℃（2016年）;半覆膜处理的日平均温度分别比清种的高1.37 ℃（2015年）、1.19 ℃（2016年）。在5—6月中旬，即高粱播种至拔节期，覆膜处理的增温效果更明显。在拔节期以后，不同处理的温度变化没有太大差异。

2.2 不同覆膜处理对土壤含水量的影响

从表5、表6可以看出，不同处理方式下土壤含水量的整体变化趋势基本一致，但不同生育阶段不同土层深度的水分变化存在一定的差异。从2015年各生育期的土壤含水量可以看出，在0～20 cm土层范围内，全覆膜的含水量最高，在20～30 cm土层范围内，半覆膜的含水量最高。分析其原因，可能与降水量有关：清种种植受外界环境的影响，蒸发较快，全覆膜的水分渗透力受到影响，而半覆膜既有利于水分的渗透，又阻碍了水分的蒸发，因此在20～30 cm土层内的含水量较高。从2016年各生育期的土壤含水量上看，各种覆膜方式的含水量变化不明显，这主要是因为2016的年降水量大，雨水充足，整个生育期土壤含水量都较高。0～20 cm土层的土壤水分状况是影响高粱播种和出苗的关键，该时期高粱田表层土壤裸露，水分消耗以蒸发和散失为主，而此時2个覆膜处理的土壤含水量明显增加，说明覆膜沟播能有效蓄积降水[6-7]。

2.3 不同覆膜处理方式对高粱地上部干物质积累的影响

从表7看出，不同种植方式的高粱干物质积累动态变化大致相似，而覆膜处理单株干物质各时间段积累量均明显高于清种（CK）。在2015年，整个生育期全覆膜、半覆膜处理干物质积累总量分别比清种高31.90%、17.20%;在2016年，整个生育期全覆膜、半覆膜处理干物质积累总量分别比清种高30.85%、14.70%。说明全覆膜双垄沟播能促进高粱生长，增加干物质的积累。

2.4 不同覆膜处理方式对高粱生育进程的影响

由表8看出，不同处理对高粱生育期的影响不同，覆膜处理的增温效应使高粱各生育期明显提前。在2015年，全覆膜高粱比清种早出苗5 d，半覆膜比清种早出苗3 d;在2016年，全覆膜高粱比清种早出苗3 d，半覆膜比清种早出苗2 d，说明出苗期与当时土层深度5 cm处的温度情况关系密切。2015年5月上旬的温度要比2016年的温度低，所以出苗慢，历经时间长。在成熟期上，2015年全覆膜与半覆膜高粱分别比清种高粱早成熟9、5 d;2016年全覆膜与半覆膜高粱分别比清种高粱早成熟8、5 d。这说明地膜覆盖提高了土壤温湿度，协调稳定高粱生长发育环境中的热量、水分、养分、气体的组合，促进了养分转化，从而加快高粱生长发育进程[8]。

2.5 不同覆膜处理方式对高粱农艺性状及产量的影响

2.5.1 不同覆膜方式对高粱农艺性状的影响分析 从表9可以看出，不同覆膜处理对高粱农艺性状有一定的影响。在2015年，全覆膜处理的高粱株高为158.2 cm，显著高于半覆膜和清种处理。在穗长方面，全覆膜和半覆膜处理的穗长均为28.0 cm左右，无显著差异，但二者穗长均显著大于清种的高粱穗长。不同覆膜方式对高粱的茎粗无显著影响。在2016年，不同覆膜处理对高粱的株高、穗长、茎粗没有显著影响，说明覆膜处理对于雨水充足的正常年份高粱的农艺性状影响不大。

2.5.2 不同覆膜方式对高粱产量性状的影响分析 从表10可以看出，2015年不同覆膜处理对高粱产量有一定的影响，全覆膜处理的高粱产量最高，平均产量达到8 871.0 kg/hm2，较清种处理增产15.15%，其次为半覆膜处理，产量为 8 340.0 kg/hm2，较清种处理增产8.26%。对于其他产量性状而言，不同覆膜方式下穗粒质量的变化与产量变化一致，全覆膜处理穗粒质量最大，其次为半覆膜、清种处理。不同覆膜方式对高粱千粒质量的影响不大，可能与品种的自身特性有关，受环境影响较小。

2016年各处理的高粱产量性状差异不明显，这主要是因为2016年整个生育期雨水充足，气温正常，任何一种处理的高粱植株都能够正常生长。而2015年却经历了播种期低温、灌浆期干旱， 所以对产量性状的影响较大。通过2年的产量性状比较看出，覆膜处理对于干旱年份的高粱产量影响很大，对于正常年份的产量影响较小，但缩短了作物的生育期。

2.6 不同覆膜处理方式对土壤微生物含量的影响

根际土壤微生物主要包括3大类群：细菌、真菌和放线菌。土壤中的大部分养料经过微生物的分解和转化作用才能被植物吸收、利用。微生物与植物之间通过根系来进行营养物质的交换。因此，根际微生物的数量和种类是影响植物生长发育的重要因子之一[9]。

2.6.1 不同覆膜方式对土壤细菌数量的影响分析 对表11的数据进行纵向比对可知，在不同覆膜处理下，高粱整个生育期土壤细菌数量均呈先升高后降低的抛物线形趋势，在抽穗期达到最高值，说明在高粱出苗至成熟的过程中，土壤细菌数量随着温度的升高而增多，在抽穗期，土壤的水热条件更利于细菌的生长，到成熟期气温下降，细菌数量也随之下降。对表11的数据进行横向比对可知，在高粱苗期—灌浆期的各个生育期下，全覆膜处理的土壤细菌含量均明显高于半覆膜和清种处理，表明覆膜能明显提高土壤温度和土壤水分含量，促进细菌的生长繁殖。对表12的数据进行纵向比对可知，在不同处理下，随着高粱的生长发育，细菌数量呈抛物线状变化，最高点均在灌浆期，且呈数量级幅度升高。对表12的数据进行横向比对可知，在5个主要生育期，全覆膜处理的细菌数量均明显高于清种处理，半覆膜处理处于两者之间。半覆膜处理在抽穗期、灌浆期的细菌数量较明显地高于清种。说明土壤细菌含量与土壤温度密切相关。

2.6.2 不同覆膜方式对土壤放线菌数量的影响分析 对表13的数据进行纵向比对可知，3种处理下的放线菌数量在全生育期呈抛物线形变化，最高值出现在抽穗期和灌浆期;对表13的数据进行横向比对可知，放线菌数量在高粱各个生育阶段内、不同覆膜方式下无明显变化。

对表14中的数据进行纵向比对可知，不同处理下不同生育阶段放线菌数量的整体变化趋势基本一致，至灌浆期达到最大值。对表14中的数据进行横向比对可知，在5个主要生育期，全覆膜处理的放线菌数量均明显高于半覆膜和清种处理。半覆膜处理的放线菌数量在苗期、灌浆期、成熟期明显高于清种。说明覆膜处理增加了土壤中放线菌的数量。

2.6.3 不同覆膜方式对土壤真菌数量的影响分析 对表15的数据进行纵向比对可知，在3种处理方式下，覆膜处理的真菌数量在全生育期呈下降趋势，苗期真菌数量最大，到成熟期数量降至最低值。对表15的数据进行横向比对可知，全覆膜种植处理在生育期的各个时段，真菌数量均明显高于清种处理，半覆膜处理在苗期和抽穗期的真菌数量明显高于清种处理，其他生育期无明显差异。

对表16中的数据进行纵向比对可知，随着高粱的生长，每个处理的真菌数量均在灌浆期达到最高值。对表16中的数据进行横向比对可知，在5个主要生育期，全覆膜处理的真菌数量均明显高于半覆膜处理和清种处理。半覆膜处理在苗期、拔节期、成熟期的真菌数量明显高于清种处理，说明覆膜处理增加了土壤中真菌的数量。

覆膜栽培有利于土壤进行生物化学反应，全覆膜处理的微生物含量最高[10]。在2015年的试验中，比对3种覆膜方式对土壤微生物数量变化的影响可知，全覆膜下的细菌数量在出苗至抽穗期都明显高于其他2种处理，在成熟期三者差异不大;放线菌数量在全生育期均未产生明显差异;全覆膜处理下真菌的数量明显高于其他处理。观察微生物在全生育期的动态变化可知，3种处理下细菌和放线菌数量均呈抛物线形变化，最高值出现在抽穗期或灌浆期。清种对于真菌而言生长环境稳定，其全生育期数量表现稳定。

在2016年的试验中，比对3种覆膜方式对土壤微生物含量变化的影响可知，细菌、放线菌、真菌，均在灌浆期出现数量级增长现象。覆膜处理下的3种微生物数量明显多于清种处理，而半覆膜处理则处于中间状态。比较不同处理下微生物随生长期的变化可知，细菌的数量变化呈明显的抛物线状趋势，而放线菌和真菌的变化幅度不明显，说明细菌对生长环境的变化较为敏感。

通过2年的试验比对说明，微生物的生长环境受温度、湿度影响较大，大环境的变化可以明显影响微生物生长的小环境，进而改变微生物数量。

3 讨论与结论

本试验结果表明，在干旱年份的3种处理中，全覆膜双垄沟播处理的产量最高，其次是半覆膜、清种处理，而对于雨水充足的正常年份，不同处理对产量的影响不大。通过覆膜种植，缩短了生育期，一方面有利于在当地种植晚熟丰产高粱品种，另一方面在山旱地气候比较干旱的情况下，可以保湿增温，提高高粱产量。不同覆膜方式对种子萌发和幼苗生长有很大影响，随着作物生长，植株叶片对地面的遮盖面积加大，在拔节期以后，其地温表现与清种已经没有太大区别，此时可以揭膜，有利于高粱生长和水分的吸收。

在干旱地区，不同覆膜方式对高粱的生长发育产生了较为显著的影响。全膜种植、半膜种植和清种处理在高粱产量、干物质和穗粒质量3个方面均显著形成3个梯度，全膜种植可以显著增产。前期培育壮秆，贮积更多的干物质，后期加强田间管理，提高叶片光合能力，是实现高产的重要途径。高粱千粒质量受品种特征影响较大，在环境变化阈值之内，不同栽培方式的千粒质量变化稳定。

土壤微生物量是土壤活性养分的储存库，可以灵敏地反映环境因子、土地利用率、农业生产活动和气候条件的变化，被用作评价土壤质量和反映微生物群落状态与功能变化的指标[11-15]。温度、水分是影响微生物活动的重要因素[16]。对于微生物活动，土壤水分与土壤温度对其影响一样重要。高粱覆膜后膜下土温升高，有利于土壤微生物活动，从而加速土壤有机质的矿化分解，促进了作物对养分的吸收利用，大大提高了作物的水分利用率，使有限的降水得到合理有效的利用[4]。综合而言，微生物的生长环境受到多方面的影响，单一条件控制只能做到简单分析。

地膜覆盖有明显的保水作用、增温效应，增加了土壤中的微生物数量，对高粱播种和种子萌发、植株的干物质积累、生长发育进程都有一定的辅助作用。地膜覆盖同时提高了高粱的灌浆速率、产量和水分利用率，对山旱地高粱种植具有深远意义。

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