覆膜种植方式对旱作大豆生长发育、产量及水分利用效率的影响

王立明，陈光荣，杨如萍，张国宏，杨封科

（甘肃省农业科学院旱地农业研究所，兰州 730070）

0 引言

水资源短缺是制约甘肃东部黄土高原旱作雨养农业区粮食生产和社会经济发展的主要因素[1-2]。在旱作地区70%～80%自然降水以田间径流及土壤无效蒸发损失，仅有20%～30%被作物吸收利用，作物生产潜力因水分限制衰减了67%～75%[3]。传统沟垄耕作种植方式是通过改变地表微地形，协调水、肥、气、热关系，促进作物生长的一种保护性耕作措施[4]，沟播栽培能够明显提高播种沟内土壤水分含量，有效供给作物生长需求，是旱作区农田集水高效栽培的重要途径[5]。

大豆是甘肃东部旱作区分布广泛种植面积最大的经济作物[6]，对水分敏感需水量较多且不耐旱，水分不仅影响大豆植株形态建成[7]，而且还影响其生理反应，进而影响产量高低[8]；受降雨时空分配不均、季节性干旱等诸多因素限制，该区大豆产量长期低而不稳[9]，生产集约化水平低，未能发挥区域规模种植效应。地膜覆盖栽培是旱作区调节土壤水分亏缺，增强保墒能力，充分高效利用自然降水的重要技术手段[10-11]，在旱作区广泛应用，显著提高该区域作物产量和种植效益。覆膜沟播种植沟内种植作物、垄面集水、提升地温，而且可有效抑制地面蒸发[12]，促进作物增产30%以上[13-14]。关于旱作区覆膜种植方式的研究多集中玉米[15]和马铃薯[16]等作物，对大豆栽培研究相对较少，现有报道仅限于不同种植方式简单比较，尤其是针对甘肃东部雨养农业区大豆高效栽培技术方面，缺乏多年系统研究，难以为生产提供技术支撑[17-18]。因此，针对该区自然降水特征，整合传统沟播与地膜覆盖栽培技术，探讨不同覆膜种植方式对旱作大豆生长发育、不同降雨年型农田土壤水分变化特征，为旱作区大豆高产栽培提供的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014—2017年在国家大豆产业技术体系镇原综合试验站(35°30′38″N,107°29′38″E)进行。该地区海拔1297 m，年日照时数2484.1 h，年平均气温8.6℃，≥10℃积温2727℃，≥0℃积温3435℃，无霜期165天，属“一年一熟”或“两年三熟”气候类型区[19]。据1950—2017年降水资料分析，试验区多年平均降水533.1 mm，主要分布在7—9月，年蒸发量1527 mm。试验地土壤为覆盖黑垆土，耕层土壤有机质含量11.2 g/kg，全氮 0.94 g/kg，碱解氮 87 mg/kg，速效磷12.8 mg/kg，速效钾231 mg/kg，肥力中等，大豆为当地种植的主要春播作物之一。

1.2 试验设计

试验供试大豆品种为‘晋豆23’，地膜选用厚度为0.008 mm天水天宝塑业有限责任公司生产聚乙烯吹塑农用地膜，共设5个处理：

（1）露地平播(CK)，简称“露地”：播前整地后，按等行距50 cm在地面点播种植；

（2）全膜覆盖沟播，简称“全膜沟播”：播种前，间隔50 cm开深度为20 cm的集水沟，每2条集水沟采用120 cm宽地膜覆盖，地膜连接处不留空隙以土覆盖压住地膜，间隔200 cm设置土腰带，在覆膜沟内播种；

（3）半覆覆盖沟播，简称“半膜沟播”：采用100 cm宽的地膜覆盖，覆膜方式同“全膜沟播”，地膜与地膜之间不连接，留30 cm空隙；

（4）半膜覆盖平播，简称“半膜平”：采用80 cm宽的地膜覆盖，每隔200 cm压土腰带，膜面宽度70 cm，膜间30 cm，膜上穴播2行，行距50 cm；

（5）膜侧播种，简称“膜侧”：起底宽40 cm，高10 cm的垄，用60 cm宽的地膜覆盖垄面，每隔200 cm压土腰带，大豆播种于膜侧5 cm处，行距50 cm。

试验采用随机区组排列，3次重复，小区面积4.0 m×6.0 m=24 m2。种植密度均设定为1.2×104株/hm2。试验地于上年度秋季作物玉米收获后进行翻耕灭茬，春季播种前结合浅耕平整土地施尿素100 kg/hm2、过磷酸钙625 kg/hm2。2014年和2015年试验均于5月4日播种；2016年和2017年分别于5月7日、5月9日播种，试验不同处理于9月中、下旬成熟后按每小区分别收获脱粒计产，4个年度试验均在同一地块的不同位置进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生育期调查 参考Fehr等[20]方法，调查大豆出苗期(VE)、开花期(R2)、结荚期(R3)、成熟期(R8)。

1.3.2 大豆生物学指标调查 自6月10日起，每15天从各处理小区中间行取5株测定株高、单株地上部风干重，叶面积（鲜重法）[21]；成熟期按每处理取样20株测定产量性状，经济系数（籽粒重占地上部不同器官生物量的构成比例），以上数值取连续4年平均值。

1.3.3 土壤水分测定和田间水分利用效率计算 参考李尚中等[22]方法，在大豆播种和收获时采用烘干称重法测定大豆种植行间每处理小区200 cm土层（每20 cm设定为一层次）土壤含水率，转换以mm为单位的土壤贮水量，大豆生育期降雨量数据采集通过MM-950自动气象仪获得。利用田间土壤水分平衡方程计算不同处理小区作物耗水量、水分利用效率，计算方法见公式(1)和(2)。

式中，ET为田间耗水量，P为生育期降水量，ΔW为成熟与播种土壤储水量之差。

式中，WUE为作物水分利用效率，Y为作物产量，ET为作物田间耗水量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据基本运算处理并绘制图标，利用SPSS 11.5软件进行方差(ANOVA)分析，最小显著差异法LSD进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜种植方式对大豆生育进程的影响

不同覆膜种植方式对大豆生育进程影响不同（表1）。与露地平播相比较，覆膜种植方式使大豆出苗期提前2～5天，出苗-开花期（营养生长阶段）缩短3～5天，开花-成熟期（生殖生长阶段）不同处理之间差异较小，仅相差1～2天。全膜沟播、半膜沟播、半膜平、膜侧分别较露地平播早熟12、11、10、6天。

表1 不同覆膜处理下大豆生育时期

2.2 不同覆膜种植方式对大豆株高的影响

由图1可知，不同覆膜种植方式对大豆株高有明显影响，其中，全膜沟播株高显著高于其他处理，主要是全膜沟播促进大豆分枝期和开花期的株高增长速度，结荚期和鼓粒期株高的增长速度与其他处理差异不明显。测定结果表明，成熟期全膜沟播大豆株高为80.5 cm，分别较半膜沟播、半膜平、膜侧、露地提高3.1%、6.2%、14.5%和18.0%。

图1 不同覆膜处理下株高变化

2.3 不同覆膜种植方式对大豆叶面积指数的影响

如图2所示，在大豆生长期间，各覆膜种植方式大豆叶面积指数的变化趋势基本一致，表现为随生育进程的推迟呈现先增后降的趋势。不同覆膜种植方式大豆叶面积指数均在8月9日达到峰值，比露地平播提前15天。全膜沟播不同生育阶段叶面积指数均高于其他处理，结荚后不同处理大豆叶面积指数出现最大值，全膜沟播为4.9，比同期半膜沟播、半膜平、膜侧和露地分别增加0.2、0.5、0.9、1.1。

图2 不同覆膜处理叶面积指数变化

2.4 不同覆膜种植方式对大豆地上干物质积累的影响

图3表明，随大豆生育进程的推进，不同种植方式大豆单株生物量逐渐递增，表现为开花前干物质积累缓慢增加，开花后明显加快，鼓粒期缓慢增长，呈现慢-快-慢的变化规律。在大豆各生育时期，不同处理间干物质的积累量均表现全膜沟播＞半膜沟播＞半膜平＞膜侧＞露地。大豆成熟期间，全膜沟播干物质积累量分别比半膜沟播、半膜平、膜侧、露地分别提高12.2%、21.0%、26.1%和35.7%。

图3 不同覆膜处理大豆干物质积累量

2.5 不同覆膜种植方式对大豆干物质分配的影响

大豆成熟期间，不同处理地上各器官生物量所占比例基本一致（图4），均表现为籽粒＞茎秆＞荚皮＞叶片。其中，全膜沟播单株粒重所占比例最高为47.2%，其次为半膜沟播、半膜平、膜侧，分别为45.5%、43.1%和42.5%，露地最低为40.7%。

2.6 不同覆膜种植方式对大豆产量和水分利用效率的影响

研究表明（表2），2014年（正常降雨年型）、2015年（丰水降雨年型）大豆生育期间降雨量分别为452.1 mm和568.0 mm，全膜沟播大豆产量和水分利用效率最高，分别为3263.3 kg/hm2和7.79 kg/(mm·hm2)、3155.2 kg/hm2和6.92 kg/(mm·hm2)，较露地平播分别提高36.0%和41.4%、30.6%和44.5%。2016年（干旱年份）大豆生育期间降雨量304.2 mm，全膜沟播大豆产量和水分利用效率分别为1481.5 kg/hm2和5.04 kg/(mm·hm2)，较露地平播分别提高84.3%和90.9%，虽然低于半膜沟播，但与半膜沟播之间产量差异不显著，而与半膜平、膜侧之间差异显著。2017年（极度干旱年份）大豆生育期间降水量280.2 mm，降水多集中于大豆开花与结荚期，全膜沟播产量和水分利用效率最高，分别为2823.3 kg/hm2和9.42 kg/(mm·hm2)，较露地平播分别提高41.8%和68.2%，但与半膜沟播、半膜平之间产量差异不显著。

表2 不同覆膜方式大豆的产量和水分利用效率

4年平均结果分析，全膜沟播产量和水分利用效率均显著高于其他处理，分别为2680.8 kg/hm2和7.30 kg/(mm·hm2)，比露地平播分别提高40.9%和53.4%。分析考种结果表明，全膜沟播产量提高主要表现在大豆单株粒数和百粒重的增加，4a平均为103.2粒和22.0g，较露地平播分别提高31.9%和7.2%。

3 讨论

3.1 覆膜沟播种植能够改善大豆田间农艺性状，促进大豆生长发育进程

已有研究结果表明，全膜沟播具有增温保温作用，增加耕层土壤有效积温，全生育期耕层温度平均提高1.6℃，生育关键期均保持在21℃以上，特别是生育前期增温达2.5℃以上，这对于促进大豆幼苗早发、快长、培育壮苗，促进早熟夺取高产作用显著[23]。覆盖处理大豆株高、单株叶面积、单株生物干重和百粒重均高于露地，尤其以地膜覆盖处理最优[24]，与本研究结果一致。在本试验设定的旱作区，全膜沟播能够加快大豆生长发育进程，出苗较露地提前5天，全生育期缩短12天。全生育期缩短有利于选择较为晚熟的高产大豆品种，同时能使该区域秋播作物（冬小麦、冬油菜）播种期提前，延长秋播作物冬前生长时期，有利于安全越冬，提高作物复种指数，有利于当地粮食产量整体提高。全膜沟播由于改善了旱作区耕层土壤水温状况，其不同生长阶段大豆株高、叶面积指数、干物质积累均高于其他处理，且能够协调大豆营养生长与生殖生长的关系，有利于光合产物向籽粒转移分配、促进灌浆，大豆成熟期粒重占地上部分生物量47.2%，较露地平播增加6.5%。

3.2 覆膜沟播种植可有效保持土壤水分，显著提升大豆产量和水分利用效率

地膜覆盖具有保墒、抑制蒸发、集雨和提高降水田间入渗的作用，能够充分高效利用自然降水，对促进旱作区作物产量提高具有重要现实意义[25-26]。全膜沟播作为全地面地膜覆盖与传统垄沟耕作结合的一项新型田间微集水农业技术[27-28]，实现了将无效降雨富集，特别是提高了≤10 mm农田降水资源利用化程度，对于减轻土壤水分无效蒸发和田间水分径流损失，改善自然降水与作物需水期供需错位，实现降水资源时空调配，提高农业生态系统生产潜力有着的重要作用[29]。

周德录等[30]研究认为，年降雨量500～600 mm生态区全膜微垄沟播增产效应最明显，大豆平均产量达到4318.2 kg/hm2，增产幅度可达58.5%，降水量较大地区增产幅度较大[31]。本研究结果认为全膜沟播能够显著提高单株粒数和百粒重，具有较高增产潜力，连续4年全膜沟播平均产量为2680.8 kg/hm2，比露地平播提高40.9%。

为作物生长发育最大化地获取土壤水分，降低土壤蒸发造成的水分消耗，对提升作物水分利用效率具有重要作用[32-33]。大豆生育前期沟垄覆膜能够有效保持土壤水分，且生育中后期可将深层土壤水分提到上层供大豆生长所需，是目前充分高效利用自然降水的重要手段[34]，与本研究连续4年全膜沟播水分利用效率较露地平播提升53.4%，达7.30 kg/(mm·hm2)结果一致。

近年来，随着全膜沟播集雨技术的广泛应用，生产上已研制出开沟起垄、覆膜为一体，并和轮式穴播种植机械相配套[35-36]，显著降低劳动力成本，提升了种植效益，为旱作区大豆栽培探索出新的种植模式，大种植面积逐年扩大，推动了该区域大豆向产业化、规模化方向发展。因此，有必要针对覆膜种植条件下大豆生态效益及增产机理方面的进一步研究。

4 结论

全膜覆盖沟播促进大豆生长发育进程，提前出苗，生育期缩短，可提高大豆各生育阶段株高、叶面积指数和干物质积累量；全膜覆盖沟播能够有效协调大豆营养生长与生殖生长的关系，增加地上部分生物量，促进光合产物向籽粒转移，有利于灌浆和高产，连续4年平均产量和水分利用效率分别为2680.8 kg/hm2和7.30 kg/(mm·hm2)，比露地平播提高40.9%和53.4%，全膜覆盖沟播是提高旱作区大豆降水利用效率和高产田创建的有效途径。