晋北地区谷子不覆膜与覆膜种植的水热特征及产量差异

叶 凡 ，赵 磊 ，尹大鹏 ，陈向阳 ，卢华雨 ，陈 阜 ，文新亚

（1.中国农业大学农学院/农业农村部农作制度重点实验室，北京 100193；2.永定河流域（大同）资产运营有限公司，山西 大同 037000）

谷子起源于我国，栽培历史悠久，具有耐旱、耐 瘠薄、抗逆性强和适应性广等特点，是我国主要的杂粮作物之一[1]，在有机旱作发展中起着十分重要的作用。山西省是谷子主要种植区之一，但由于其大多属于干旱半干旱地区，地理气候限制了谷子产量的提升，制约当地谷子产业的进一步发展。而地膜覆盖作为一种具有保水保肥、增温作用的栽培技术，可以起到改良土壤理化性质、提高作物产量的作用[2-4]，对干旱半干旱地区的谷子种植具有重大意义。但由于地膜特殊的制作材料，很难在自然环境下分解或降解[5]。并且残膜的回收措施并不完善，残膜回收率不到2/3，大量残膜滞留在农田中，造成一系列的问题[6]。残膜会使土壤理化性质发生恶化[7]，影响水肥运移[8]，造成土壤板结，减少土壤孔隙率[9]，影响土壤水分渗透[10]，会引起土壤pH 值增加[11]；土壤耕层中微生物的活性也会受到残膜的影响，导致土壤养分的矿化释放受到阻碍，影响土壤肥力的提升[12]。同时也会通过限制作物根系生长影响地上部生物量的形成，造成作物产量降低[13]。地膜残留的危害日益增加，不仅对农业环境造成了污染，同时也限制了我国未来农业的进一步发展。

本试验研究了晋北地区覆膜种植与不覆膜种植、灌溉与雨养对谷子产量、农艺性状和水热特征的影响，明确地膜与灌溉对该地谷子种植起到的主要作用，从而有针对性地调整栽培管理措施，提升不覆膜种植谷子的产量，达到减少地膜使用的目的。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在山西省大同市云州区中国农业大学有机旱作试验站（39°88′N，113°50′E，海拔1 347 m）进行。年均降水量在400～500 mm，月降水量最多是在6、7月。年平均气温6.4 ℃。夏季平均气温在19.0～21.9 ℃。日照时数通常在2 485～2 965 h。初霜期为9月下旬，无霜期125 d 左右。2021年谷子生长季降雨量263 mm，平均气温19.2 ℃（图1）。

图1 试验地2021年谷子生育期内气象条件Fig.1 Meteorological conditions of millet growth stages at the experimental sites in 2021

1.2 试验材料

供试谷子品种为山西省农业科学院谷子研究所选育的长杂2 号，大豆品种为山西省农业科学院经济作物研究所选育的晋豆25 号。

1.3 试验设计

本研究设置2 个试验。试验1 为4 种种植方式，分别为覆膜穴播（FX）、不覆膜穴播（BX）、不覆膜条播（BT）、不覆膜谷豆间作（BJ）；试验2 为覆膜灌溉裂区试验，分别为覆膜灌溉（FG）、覆膜雨养（FY）、不覆膜灌溉（BG）、不覆膜雨养（BY）。每个处理设置4 次重复，共计32 个小区，小区面积为50 m2（10 m×5 m）。其中，穴播种植方式，株距20 cm，每穴留苗3～4 苗；人工条播种植方式，株距5 cm；间作为谷子与大豆隔行间作，株距均为20 cm。各处理田间管理措施相同。

谷子于2021年5月5日播种，10月3日收获；大豆于2021年5月6日播种，9月29日收获。播前施用基肥，按照N 180 kg/hm2、P 105 kg/hm2、K 60 kg/hm2比例配施。种植前统一进行机械旋耕、机械起垄覆膜，与当地的常规方式一致。采用膜下滴灌技术，于播前统一铺设滴灌带，1 m 滴灌带3 个滴头，每个滴头1 h 出水量为2 L。播前各处理统一灌溉底墒水100 mm。雨养处理在谷子生育期内不进行灌溉，其余处理于谷子拔节期、抽穗期和灌浆期分别进行灌溉，每次灌溉60 mm。

1.4 测定项目及方法

在谷子播种后，于各小区随机选择垄上插入5、10、20 cm 长度的温度计，隔2～3 d 测定一次，每次测定8：00、14：00 和20：00 的土壤温度。在谷子生育各时期用标准重量法测定土壤质量含水量。

采用直径54 mm 钢管，在0～100 cm 土层中，每20 cm 取一次样，每个小区3 次重复。称量湿土质量（W1）后，80 ℃烘干至恒质量，测量干土质量（W2），计算土壤绝对含水量（SWC）和土壤贮水量（SWS）。

式中hi表示取样土层的厚度，pi表示每层土层的土壤容重，SWCi表示每层土层的土壤含水量，n表示取样土层数，i=20，40…，100。

土壤容重采用环刀法取样测定。

式中，ET表示蒸散量（mm），P表示谷子生长季的降水量（mm），I表示灌溉量（mm），C表示流入根区的水量（mm）。地下水水深约50 m，地下水返水可以忽略不计。SWSt1表示种植后t1天0～100 cm土层的土壤贮水量（SWS）（mm），SWSt2为种植后t2天0～100 cm 土层的土壤贮水量（SWS）（mm）。D表示测量根区以下的渗水量（mm），但由于测量的土壤深度（100 cm）很深，默认为0。R为地表径流量（mm），但由于各小区表面平整，试验过程中没有径流量。因此，方程中的C、D 和R 均默认为0。

其中，Y为籽粒产量（kg/hm2），ET为整个谷子生育期的蒸散发量（mm）。

分别在谷子苗期（SS）、拔节期（JS）、孕穗期（BS）、抽穗期（HS）、灌浆期（GS）和成熟期（MS）对各处理进行随机取样。每小区分别取植株10 株，测量株高、茎粗、每片叶片的叶长和叶宽。然后将植株按茎、叶、穗切割分离，烘干称质量，计算单株及群体生物量。

谷子成熟后，每个小区选取具有代表性的植株10 株，测定谷子穗长、穗粗和单穗质量等。每个小区收获中间4 行5 m 谷子穗，记录单位面积有效穗数，并进行脱粒、称质量，计算产量。

2 结果与分析

2.1 不覆膜种植与灌溉对谷子生育进程及长势的影响

2.1.1 不覆膜种植对谷子生育时期的影响 不覆膜种植对谷子生育时期有显著影响（表1）。不覆膜种植方式下，谷子从播种到出苗的时间要长于覆膜种植，比覆膜种植晚3～4 d。而从出苗到拔节，各处理则没有显著差异，均为45 d 左右。拔节到抽穗，不覆膜的3 种播种方式的时间少于覆膜播种，BX 和BJ 处理则比BT 处理到达抽穗的时间早2 d。从抽穗到成熟，各处理间则没有明显差异。从全生育期来看，不覆膜种植方式与覆膜种植方式相比，无显著差异。

表1 不覆膜种植方式对谷子生育时期的影响Tab.1 Effects of unmulched cultivation on growth stage of millet 月-日

2.1.2 不覆膜种植对谷子株高、茎粗的影响 由图2 可知，3 种不覆膜种植方式下的谷子在苗期、拔节期和孕穗期的株高要显著低于覆膜种植，其中苗期差异最为显著，BX、BJ 和BT 处理下的株高分别比FX 处理低82.95%、81.66% 和126.33%；在孕穗期，BX、BJ 和BT 处理下的株高分别比FX 处理低10.06%、17.21%和27.86%。随着生育进程的推进，各处理间的株高差异逐渐减小。在成熟期，各处理间的株高均无显著差异。由此可见，不覆膜种植方式对谷子株高的影响主要集中在其生育前期，随着生育期进程的推进，与覆膜种植下谷子株高的差异将逐渐消失。

图2 不覆膜种植对谷子各时期株高的影响Fig.2 Effects of unmulched cultivation on plant height of millet at different stages

由图3 可知，在谷子苗期与拔节期，3 种不覆膜 种植方式下的谷子茎粗显著低于覆膜种植。在谷子苗期，BX、BJ和BT 处理相比FX 处理，茎粗分别低17.91%、16.78和64.43%。随生育进程推进，各处理间谷子茎粗差异逐渐缩小。在成熟期，BX 与BJ处理茎粗分别比FX 处理高11.34%和5.30%。由此可见，不覆膜种植在谷子生育前期对谷子茎粗有一定影响，但随生育进程推进，与覆膜种植差异逐渐消失。

图3 不覆膜种植对谷子各时期茎粗的影响Fig.3 Effects of unmulched cultivation on stem diameter of millet at different stages

2.1.3 不覆膜种植与灌溉对谷子株高、茎粗的影响 由图4 可知，在谷子苗期，FG 处理与FY 处理的谷子株高无显著差异，BG 处理与BY 处理的谷子株高无显著差异。在苗期到拔节期之间进行一次灌溉之后，谷子株高在拔节期表现为FG>FY>BG>BY，由此可见，覆膜与灌溉均能提高谷子在拔节期的株高。随着生育进程的推进，FG、FY 和BG 处理下谷子株高的差异性逐渐减小，在抽穗期、灌浆期和成熟期，3 种处理的株高均无显著性差异，并且3 种处理的株高均显著高于BY 处理，分别比BY 处理高17.52%、13.80% 和10.77%。由此可见，覆膜种植下，灌溉不会对谷子生育后期的株高造成显著影响；而不覆膜种植下，灌溉则会增加谷子株高。

图4 不覆膜种植与灌溉对谷子各时期株高的影响Fig.4 Effects of unmulched cultivation and irrigation on plant height of millet at different stages

不覆膜种植与灌溉对谷子各时期茎粗的影响 如图5 所示。从图5 可以看出，在谷子苗期，FG 与FY 处理的谷子茎粗无显著差异，BG 与BY 处理的谷子茎粗无显著差异，但FG 与FY 处理均显著高于BG 和BY 处理。在拔节期，各处理出现显著差异，表现为FG>FY>BG>BY，由此可见，地膜覆盖与灌溉均可增加该时期的谷子茎粗。随着生育进程的推进，各处理下谷子茎粗差异逐渐减小。在成熟期，各处理的茎粗均有降低的趋势，同时不覆膜处理的谷子茎粗要高于覆膜处理；灌溉处理的茎粗高于雨养处理。

图5 不覆膜种植与灌溉对谷子各时期茎粗的影响Fig.5 Effects of unmulched cultivation and irrigation on stem diameter of millet at different stages

2.2 不覆膜种植与灌溉对土壤水热效应的影响

2.2.1 不覆膜种植对土壤温度的影响 由图6 可知，土壤温度在谷子整个生育期内呈现出随谷子生育进程的推进先升高后降低的趋势，在谷子拔节期土壤温度达到最高值。不覆膜种植下，谷子苗期的土壤温度显著低于覆膜种植，在14：00，5 cm 土层，BX、BT 和BJ 处理下的土壤温度分别比FX 处理低4.70、4.52、4.59 ℃；在10 cm 土层，分别低6.07、5.52、5.62 ℃；在20 cm 土层，分别低3.34、2.46、2.18 ℃。土壤温度在谷子拔节期达到最高值，此时覆膜处理在14：00 各土层中表现出一定的降温效应，在5 cm土层，BX、BT 和BJ 处理下的土壤温度分别比FX处理高2.18、3.88、2.77 ℃，在10 cm 土层，分别高2.70、4.83、3.80 ℃。随着生育进程的推进，不覆膜与覆膜种植下的土壤温度无显著差异。

图6 不覆膜种植对谷子各生育时期0～20 cm 土层土壤温度的影响Fig.6 Effects of unmulched cultivation on soil temperature in 0-20 cm soil layer of millet at different growth stages

2.2.2 不覆膜种植与灌溉对土壤含水量的影响由图7 可知，谷子在整个生育期内的土壤含水量呈现出FG>BG>FY>BY 的趋势。各处理间的土壤水分分布不同，其中不覆膜种植下的土壤水分主要分布在50～100 cm 土层，覆膜种植下的土壤水分主要分布在0～30、70～100 cm 土层。而灌溉处理的土壤含水量显著高于雨养处理，由此可见，灌溉对土壤含水量的影响大于地膜覆盖。

图7 不覆膜种植与灌溉对谷子各时期0～100 cm 土层含水量的影响Fig.7 Effects of unmulched planted and irrigation on water content in 0-100 cm soil layer of millet at different stages

2.2.3 不覆膜种植与灌溉对谷子水分利用效率的影响 由表2 可知，不覆膜处理下的土壤水分蒸发量比覆膜处理高5.14%，灌溉处理下的土壤水分蒸发量比雨养处理高35.27%，由此可见，灌溉对土壤水分蒸发量的影响要高于地膜覆盖。灌溉显著影响0～100 cm 土层贮水变化量，灌溉处理显著降低土壤贮水变化量，与雨养处理相比，灌溉处理在整个生育期的贮水变化量显著降低51.88%；不覆膜种植与覆膜相比，整个生育期的贮水变化量增加42.78%。不覆膜种植与灌溉处理均降低了谷子的水分利用效率，与雨养相比，灌溉处理的水分利用效率显著降低24.22%；与覆膜种植相比，不覆膜种植的水分利用效率显著降低29.01%。4 种处理的水分利用效率表现为FY>FG>BY>BG，其中FG 和BY 处理的水分利用效率基本无差异。

表2 不覆膜种植与灌溉对谷子土壤贮水变化量、蒸散量和水分利用效率的影响Tab.2 Effects of unmulched cultivation and irrigation on change of soil water storage，evapotranspiration and water use efficiency of millet

2.3 不覆膜种植与灌溉对谷子产量及产量构成的影响

2.3.1 不覆膜种植对谷子产量及产量构成的影响 不覆膜种植对产量的影响显著（表3）。3种不覆膜处理下谷子产量显著低于覆膜处理，BJ、BX 和BT 处理下的谷子产量分别较FX 处理低13.24%、20.08%和64.02%。不覆膜种植下谷子单位面积的穗数显著低于FX 处理，BX、BJ 和BT 处理的穗数分别比FX 处理低23.33%、35.44%和41.07%。不同处理对谷子的穗部性状影响显著，其中，BX 处理对穗部性状的提升最为显著，包括穗长、单穗粒质量和穗数，均显著高于其他处理；FX 处理显著降低了谷子的穗部性状，包括穗粗、单穗质量、单穗粒质量、穗数和千粒质量均低于不覆膜的3 种处理。

表3 不覆膜种植对谷子穗部性状、产量和产量构成的影响Tab.3 Effects of unmulched cultivation on spike traits，yield，and yield composition of millet

2.3.2 不覆膜种植与灌溉对谷子产量及产量构成的影响 从表4 可以看出，地膜与灌溉对谷子产量影响显著，各处理间的谷子产量表现为FG>FY>BG>BY。其中在覆膜条件下，灌溉与雨养处理下产量并无显著差异；在不覆膜条件下，灌溉处理比雨养处理产量高13.05%，表明地膜覆盖可以在一定程度上弥补雨养对谷子带来的减产效应。在灌溉条件下，覆膜处理比不覆膜处理产量高18.35%；在雨养条件下，覆膜处理比不覆膜处理产量高28.43%。各处理间谷子穗粗、单穗质量和单穗粒质量均表现为BG>FY>BY>FG 的趋势。覆膜条件下，灌溉可显著提升谷子穗数，而不覆膜条件下，灌溉则对谷子穗数无显著影响。由此可见，地膜覆盖通过增加谷子单位面积内穗数，从而增加其产量；而灌溉则可通过增加不覆膜种植下谷子单穗质量从而增加产量。

表4 不覆膜种植与灌溉对谷子穗部性状、产量和产量构成的影响Tab.4 Effects of unmulched cultivation and irrigation on spike traits，yield and yield composition of millet

3 结论与讨论

有研究表明，不覆膜种植相较覆膜种植，谷子生育前期耕层温度较低，根系生长缓慢，出苗率较低，生育期较长[14]，同时地膜也可以避免过强的阳光直射，减少高温危害[15]。本研究结果相似，不覆膜种植相较覆膜种植，在苗期0～20 cm 土层日均温低3.26 ℃；而在拔节期，不覆膜种植下0～20 cm 土层温度相较覆膜种植则要高0.26 ℃，土壤温度的差异主要集中在生育前期，但生育后期则没有显著差异。本试验中，不覆膜种植方式在雨养条件下0～30 cm 土层、灌溉条件下各土层的土壤含水量低于覆膜种植，与前人研究结果相似[16]。灌溉会使土壤水分蒸散量增加[17]，不覆膜种植下的土壤水分蒸散量大于覆膜种植，水分利用效率较低[18]。

株高、茎粗等可以反映出谷子单株生长状况，单株农艺性状较好的植株往往也具有较高的单株产量[19]。本试验中，不覆膜种植下谷子生育前期株高、茎粗虽然低于覆膜种植，但随着生育进程推进，收获期不覆膜与覆膜种植下的株高、茎粗并无差异。在不覆膜种植下，雨养处理的谷子农艺性状显著低于灌溉处理，而在覆膜条件下，则没有显著差异，表明水分在一定程度上制约谷子生育后期的生长发育。不覆膜灌溉与雨养相比，增加了谷子各时期株高、拔节期茎粗和成熟期穗部性状，产量有一定提高。

大量研究表明，不覆膜种植下作物产量低于覆膜种植[20]，灌溉在一定程度上可提升作物产量[21]。本研究表明，不覆膜与覆膜种植下谷子单株穗部性状并无显著差异，造成谷子产量低的主要因素为谷子密度，而导致密度差异的原因则可能是谷子生育前期，不覆膜种植下土壤温度较低，导致谷子出苗率与成活率较低。在不覆膜种植情况下，灌溉可增加谷子各时期株高、拔节期茎粗和成熟期穗部性状，从而提升其产量。因此，晋北地区不覆膜谷子种植可以选择生育期较短的谷子品种，进行适当晚播以保证生育前期土壤温度，同时适当增加播种量，从而保证谷子出苗率与成活率，还有确定合适的灌溉次数，以弥补谷子生育后期的水分亏缺，从而保证谷子产量。