条带垄覆对西南黄壤坡耕地径流和高粱水分利用的影响

陈玉章 吴松果 卢成霖 李 瑞,2 龚利娟,2 文 悦 宁佳欣 吴宇涵

条带垄覆对西南黄壤坡耕地径流和高粱水分利用的影响

陈玉章1,2,*吴松果3卢成霖1李 瑞1,2龚利娟1,2文 悦1宁佳欣1吴宇涵1

1四川轻化工大学生物工程学院, 四川宜宾 644005;2四川省酿酒专用粮工程技术研究中心, 四川宜宾 644005;3广西大学农学院, 广西南宁 530004

针对西南区坡耕地季节性干旱突出、降水径流损失大、高粱低产低效益等问题。2020—2021年, 在黔西南山区以前茬种植春玉米的7°黄壤缓坡耕地为研究对象, 研究了横坡种植模式(作物行向与坡向垂直)下传统露地平作(CK)、条带垄覆地膜(RFM)和条带垄覆玉米整秆(RSM) 3种不同处理对径流、以及高粱耗水特性、水分利用效率、产量和纯收效益的影响。结果表明, 与CK相比, 在横坡垄作模式下, RFM和RSM处理高粱生育期内的降雨径流深度分别平均显著下降27.3%和42.1%, 纳水系数分别平均增加9.5和14.6个百分点。2个条带垄覆横坡种植较CK显著增加高粱生育期的耗水量, 其中拔节至抽穗阶段、灌浆至成熟阶段耗水量与产量分别呈显著(= 0.51*)和极显著(= 0.81**)正相关。与CK相比, RFM、RSM显著增加高粱成熟期生物量、穗粒数和千粒重, 籽粒产量分别平均显著增加8.5%和6.2%, 但水分利用效率分别平均显著下降12.6%和21.4%。主要原因是, 条带垄覆可显著增加高粱全生育期0～100 cm土壤贮水量, 提高拔节至抽穗、灌浆至成熟阶段的耗水量, 促进了高粱植株的生长发育和产量形成, 且高粱秸秆产量的增幅(21.4%)显著高于籽粒产量增幅(7.3%), 秸秆产量的大幅增加虽然降低了水分利用效率, 但秸秆产量的增加是籽粒增产的重要保障。RSM处理的纯收益和产投比分别平均较CK增加2962.9元 hm–2和2.3%, 而RFM处理由于增加了劳动强度、机械和地膜投入, 导致纯收益和产投比分别平均较CK下降1502.6元 hm–2和32.6%。因此, 条带垄覆玉米整秆横坡种植在显著提高降水有效性的同时, 可实现产量和纯收益双增的目的, 是西南黄壤旱坡耕地高粱增产增收的可行模式。

条带垄覆; 径流; 水分利用; 高粱产量; 纯效益

高粱()是世界第五大粮食作物, 也是我国重要的杂粮作物[1]。西南丘陵雨养旱作区(贵州、四川和重庆)是我国高粱第二大优势产区[2], 2021年高粱种植面积和总产量分别占全国的54.0%和55.3%[3]。该区虽降水充沛, 年均降水量为600～ 1800 mm, 但时空分配不均, 70%以上集中在夏秋季(5月至9月)[4], 且多以大、暴雨形式出现, 不仅不利于水分下渗、贮存和作物利用, 也引发了严重的水土流失[5-6]。冬闲期至高粱生育前期(当年11月至次年5月)降水量仅为200 mm左右, 枯水年份甚至不足100 mm[7], 作为雨养农业区, 冬干春旱导致直播高粱出苗情况较差, 迫使农户不得不额外增加投入来育苗、保苗, 进一步降低种植纯收益。高粱生育中后期(6月至8月)季节性干旱频发, 其中夏旱和伏旱发生频率可达62%～92%, 且常有连旱现象[8], 严重危害高粱籽粒灌浆, 导致该区高粱产量仅为3750 kg hm–2 [9], 较全国平均产量4791 kg hm–2低21.7%[10]。此外, 旱坡耕地是西南高粱区主要的耕地资源, 黄壤土是该区域第二大土壤类型, 具有质地黏重, 持水能力强, 比水容量小, 有效水范围窄, 水分上、下运移困难等特点, 导致降水易产生径流而降低降水资源化率, 从而进一步加重了黄壤土的季节性干旱[11]。可见, 季节性干旱和水土流失严重是制约西南旱坡耕地高粱发展的关键环境因子, 提高降水资源化水平和增强农田系统主动抵御季节性干旱的能力是实现该区高粱可持续生产的关键[12]。

横坡垄作集雨覆盖种植技术是该区域广泛使用的一种高效集水技术, 该技术是沿缓坡地等高线方向上修筑相互交替平行的沟和垄(沟、垄方向垂直于坡向)的集雨系统, 采用地膜、秸秆等作为覆盖材料对沟或垄进行覆盖, 根据不同作物生长发育需求, 采取垄植或沟植的一种嵌套复合种植技术[13]。该技术可显著降低坡耕地地表径流, 提高降水资源化率和作物产量, 已在中国东北及南方旱坡农业区广泛使用[14-17]。研究表明, 在横坡垄作集雨种植系统中, 垄覆膜种植可明显提升高粱抗旱能力, 增产5.6%以上[18], 玉米田径流下降69.6 mm, 增产22.0%, 增产原因在于覆膜可明显降低土壤水分无效蒸发和提高作物生育前期地温而有效促进作物生长发育, 其在雨养农业区的增产效果普遍好于秸秆覆盖[19-20]。覆膜种植虽能显著增加作物产量, 但残膜的累积效应最终会导致作物显著减产[21-22]。国内外众多研究认为, 秸秆覆盖是一种绿色可持续生产方式, 普遍能提高降水的有效性[23], 但其对作物产量的影响受时空条件及作物类型限制[24-25]。在西班牙桔园坡地, 50%的秸秆覆盖量可使径流产生时间延迟72 s, 径流系数下降15.1%[26]。在埃塞俄比亚旱地小麦生产中, 免耕条件下秸秆覆盖的径流量较免耕无秸秆覆盖下降34 mm。在中国西北旱区, 秸秆覆盖增加了降水的有效性, 从而可维持干旱年小麦[27]、马铃薯[28-29]产量; 生物炭沟垄结皮覆盖能不同程度的降低集雨垄径流, 进而增加牧草产量和纯收益[30]。在高纬度黑土区坡耕地, 横坡垄植对不同强度降雨的径流控制效果均明显好于顺坡垄作[31], 且横坡等高种植的降雨径流量最小, 1 m土层内降水入渗量最高[32]。在中国西南区坡耕地, 横坡垄作+秸秆粉碎全地面覆盖+等高植物篱管理措施在坡面上对降水的截流效果最好[5,33], 并能使玉米显著增产[20,34]。目前, 关于横坡垄作+秸秆覆盖的研究中均采用秸秆粉碎全地面覆盖, 而对以丘陵山地为主的西南高粱优势产区而言, 秸秆粉碎全地面覆盖受地形和机械发展水平等因素的限制, 导致横坡垄作+秸秆覆盖这一极具潜力的降雨就地资源化技术仍处于探索阶段。鉴于此, 本研究在贵州西南部黄壤缓坡农田横坡种植(作物行向与坡向垂直)模式下, 设置了条带垄覆地膜、条带垄覆玉米整秆2种条带垄覆模式, 以传统露地平作为对照, 系统研究了地膜和玉米整秆条带垄覆下高粱的产量效应及水分利用特点, 旨在将这一技术的降水有效性转化成作物产量和纯收益, 为秸秆覆盖技术改进或研发旱坡耕地高粱绿色可持续生产新技术提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试区概况

于2020年和2021年在贵州省黔西南州安龙县新桥镇木科村(25°7′N, 105°18′E)进行。试验地属亚热带季风湿润气候区, 典型喀斯特山地丘陵地貌。海拔1186 m, 年平均气温15.3℃, 年日照时数1545.0 h, 年平均无霜期308 d, 作物三熟不足, 两熟有余。试验地为7°缓坡耕地, 地力相对均匀。据1989—2019年气象资料统计, 该地区年平均降水量1271.9 mm, 年平均蒸发量1042.1 mm, 其中4月至9月降水量1023.8 mm, 占全年降水量的80.5%, 降水变率28.9%。可见, 该区降水分布极不均衡, 在冬、春季干旱比较突出, 伏旱时有发生。试验地土壤类型为黄壤土, 0～100 cm平均土壤容重1.36 g cm–3, 永久凋萎系数27.4 g 100 g–1, 0～30 cm耕层土壤理化性质分别为pH 6.81 (2.5∶1.0)、有机质含量19.54 g kg–1、碱解氮64.62 mg kg–1、速效磷5.06 mg kg–1、速效钾111.2 mg kg–1。

1.2 试验设计与田间管理

1.2.1 条带垄覆高粱种植试验设计与田间管理

本研究在7°缓坡耕地横坡种植(作物行方向或垄、沟方向与地块坡向垂直)模式下, 以露地平作为对照(CK), 设条带垄覆玉米整秆(RSM: 沟、垄宽均为30 cm, 垄高10 cm)和条带垄覆地膜(RFM: 沟、垄宽均为60 cm, 垄高10 cm) 2种条带垄覆种植模式,沟中无覆盖作为种植区, 共3个处理。采用完全随机区组设计, 3次重复, 小区面积70 m2(长10 m×宽7 m)。集雨垄为半球形, RSM处理用玉米整秆均匀覆盖在垄上, 秸秆用量约为风干重8000 kg hm–2; RFM处理用聚乙烯白色薄膜(幅宽70 cm, 厚度0.01 mm)覆盖在垄上, 小区四周设6 m宽保护带, 种植相同作物。各处理田间种植示意图见图1。

在高粱移栽前20 d, 先将试验地块旋耕2遍(耕深20 cm), 耙平, 然后用起垄机沿等高线方向在田间修筑沟垄, 人工完成垄上覆秆、覆膜。供试品种为茅粱糯2号, 高粱苗的定植与当地广泛使用的育苗移栽方式一致, 即各处理高粱苗均采用穴盘育苗,于4～6叶期的阴天移栽, 移栽后浇足定根水, 窝距28 cm, 每窝2株, 种植密度为1.19×105株 hm–2。

图1 高粱田间种植示意图

RFM: 条带垄覆地膜横坡种植; RSM: 条带垄覆玉米整秆横坡种植; CK: 横坡平作。

RFM: alternating plastic film mulching strip on ridges and cross slope planting in furrows; RSM: alternating whole maize straw strip mulching on ridges and cross slope planting in furrows; CK: cross slope planting and non-mulching.

根据当地施肥习惯, 采用育苗移栽的高粱不施底肥, 待高粱成活返青后10 d左右, 在距离高粱植株10 cm左右的位置, 施45%复合肥(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15) 1000 kg hm–2、尿素60 kg hm-2作提苗肥, 然后人工壅土盖肥; 拔节后25 d左右, 追施60 kg hm–2尿素。2个高粱生长季植苗时间分别为2020年4月16日和2021年4月3日, 收获时间分别为2020年8月31日和2021年8月29日。试验期内除浇透定根水外, 再无灌水, 其他管理同当地大田生产管理一致。

1.2.2 条带垄覆高粱农田径流试验 参照《水土保持试验规范》(SD 239-87)[35]要求, 试验地距离村庄、树林较远, 避免遮阴和人畜干扰。分别在每个种植小区的四周设水泥板结构, 以防止监测小区与周边地块及径流小区之间发生串水现象, 将种植小区转变成径流观测小区, 集雨面积按投影面积计算。水泥板高度100 cm, 厚度5 cm, 埋深40 cm, 露出地面60 cm; 在每一小区下方均设置截流沟(长7 m, 宽30 cm, 深30 cm), 分别留一个缺口用纱网相隔且与集流池相连。集流池垂直于坡面, 为水泥结构, 修筑在缓坡小区较低一侧的中间, 集流池长3.0 m, 宽1.0 m, 深1.5 m, 集流池底部开设一个带控制阀出水口, 侧壁和池底做好防渗处理, 同时在池壁上做好刻度标记, 集流池上加盖, 用于防止雨水、灰尘及其他杂物落入, 保护人和动物不慎跌入, 各处理小区径流观测示意图见图2。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 数据采集期限 2个生长季均在高粱生育期的对应时间分别为2020年4月16日至8月31日, 2021年4月3日至8月30日。

1.3.2 径流采、测 每次降水后及时对各径流观测小区所产生的径流进行测定, 用1000 mL量杯测定, 在减扣截流沟降水量后, 按集流小区的投影面积计算径流深。

式中,R为径流深度(mm),为径流观测值(L),为观测小区宽度(m),为观测小区斜边长度(m),为观测小区坡度(7°)。本研究中= 7 m、= 10 m、=7°。

降水土壤蓄水量(P, mm)=降雨量(mm)-径流量(mm)

纳水系数(, %) = 100%×(降雨量-径流量)/降雨量

1.3.3 土壤水分测定 在高粱移栽期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期, 分别在RFM、RSM处理覆盖区域的中间和CK处理的2行中间取样, 采用烘干法测定0～100 cm内土层土壤, 每20 cm测定1次。土壤质量含水量(ω, %) = 100%×(土壤鲜质量-土壤干质量)/土壤干质量。

土壤贮水量(, mm) = 10×××

式中,为土层深度(cm),为土壤质量含水量(%),为土壤容重(g cm-3), 10为厘米(cm) 转化为毫米(mm)的换算系数。

本研究中地下水较深, 忽略定根水浇灌量, 适用于本研究的耗水量采用水分平衡公式计算: (ET, mm) =Δ-R。式中为降雨量(mm); Δ为生育期末与生育期始的土壤贮水量之差;R为地表径流(mm)。

图2 种植小区径流观测示意图

阶段耗水量(ET, mm) = SWS-SWS1+P-R

式中, SWS为某个生育时期初始时的土壤贮水量(mm); SWS1为该生育期结束时的土壤贮水量;P为该生育期降水土壤蓄水量(mm);R为该生育阶段地表径流。

水分利用效率WUE (kg hm–2mm–1) = GY/ET

式中, GY为作物产量(kg hm–2), ET为生育期总耗水量(mm)。

1.3.4 产量测定 在高粱成熟时各小区随机选取均匀区域, 取10株进行室内考种, 而后按小区单打单收, 单独计产, 每小区总产量含10株样品产量。

1.3.5 经济效益计算 产量总收入(元 hm–2) = 籽粒产量×市场价格; 产量纯收益(元 hm–2) = 产量收入-总投入; 产投比 = 100%×产量收入/总投入。

除地膜、人工、机械外, 总投入还包括种子、化肥等。其中人工工资为每人8元 h–1, 各处理田间管理费用均一致, RFM处理采用小型机械辅助覆膜, RSM采用人工覆秆。两年度种子投入300元 hm–2、复合肥(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15) 4802.4元 hm–2、尿素264元 hm–2, 其中高粱种子10元 kg–1, 复合肥4.8元 kg–1, 尿素2.2元 kg–1。根据籽粒产量和高粱单价计算总收入, 高粱市场价格7.6元 kg–1。RSM处理中, 因秸秆为废弃秸秆, 故秸秆成本按0元 kg–1计算。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 19.0软件处理数据和统计分析, 采用最小显著极差法(LSD)进行多重比较(α = 0.05), 相关分析采用Pearson法。

2 结果与分析

2.1 试验期间降雨和各处理的径流特征及集雨效率

2个高粱生育期的降水分布如图3。各处理高粱生育期内, 2020年和2021年试验区共分别发生降水43次和44次, 累计降水量分别为749.0 mm和827.4 mm, 分别较多年(1989—2019年)同期平均降雨量低19.6%和8.3%。可见, 2个高粱生长季均为干旱年份, 但2个生长季高粱生长的受旱状况不同, 2020年的7、8月降雨量分别较多年同期平均降雨量低155.5 mm和29.4 mm, 高粱籽粒灌浆期受旱严重; 而2021年高粱生长受旱主要在6月份, 该月降雨量较多年同期平均降雨量低150.6 mm, 严重影响了高粱前期生长发育。依据我国气象局降水分类标准可知, 2020和2021高粱生长季, 大于10 mm的中、大雨甚至暴雨的发生次数分别占高粱生育期降雨次数的51.2%和55.8%, 对应降水次数分别为22次和24次, 降雨总量分别占高粱生育期总降雨的88.7%和89.5%, 对应降雨量分别为664.1 mm和740.2 mm。如无连续降雨, 单次降水小于10 mm时, 各处理基本观测不到径流。研究区域高粱生育期降水以大中雨为主, 偶有暴雨, 且超过一半的降雨以大、暴雨的形式发生。

图3 2020年和2021年试验区高粱大田生育期内降水月分布

由表1可知, 条带垄覆横坡种植能显著影响降水截流效率。与露地平作相比, 条带垄覆处理的径流量和径流系数2年分别平均显著下降94.5 mm和12.1个百分点, 其中RFM分别平均下降74.6 mm和9.5个百分点, RSM分别平均下降114.5 mm和14.6个百分点; 而降雨土壤蓄水量和纳水系数则2年分别平均较CK显著增加18.3和12.1个百分点, 其中RFM处理分别平均增加14.5和9.5个百分点, RSM处理平均增加22.2和14.6个百分点。可见, 在西南黄壤坡耕地横坡垄作模式下, 地膜和秸秆条带垄覆均能显著降低径流量和径流系数, 显著提高雨水蓄集量和纳水效率, 明显提高降水的有效性, 但条带垄覆地膜对降水的蓄集效果不如条带垄覆玉米整秆。

2.2 条带垄覆横坡种植对0～100 cm土壤贮水量的影响

在西南黄壤耕地横坡种植模式下, 条带垄覆处理能显著改善高粱农田0～100 cm土层土壤水分状况, 且条带垄覆玉米整秆具有与条带垄覆膜相近的蓄水保墒能力(图4)。2020年和2021年高粱移栽至成熟期, 0～100 cm土壤平均贮水量, 条带垄覆处理平均分别较CK增加93.5 mm和48.4 mm, 其中RSM、RFM分别比CK多贮水70.3 mm、116.8 mm和46.9 mm、49.8 mm。表明西南黄壤坡耕地横坡种植模式下, 条带垄覆玉米整秆与条带垄覆膜具有相近的土壤贮水保墒效果。

表1 高粱生育期内不同处理的降雨径流特征和集雨效果

处理同图1。同一年度同一列数字标明的不同小写字母表示各处理的平均值(= 3)在< 0.05水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different lowercase letters stand for significance at the 0.05 probability level.

图4 0～100 cm土壤贮水量随高粱生育时期的变化

TP: 移栽期; JT: 拔节期; HD: 抽穗期; GF: 灌浆期; MT: 成熟期。标明不同小写字母的柱值表示各处理的平均值(= 3)在< 0.05水平差异显著。处理同图1。

TP: transplanting stage; JT: jointing stage; HD: heading stage; GF: grain-filling stage; MT: maturity stage. Mean value (= 3) columns at each growth stage indicated with different lowercase letters are significant difference at< 0.05. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

随高粱生育期推进, 各处理0～100 cm土层贮水量2年均受多次单次大于15 mm降水的影响, 表现出“高低反复”的变化趋势。2020生长季, 条带垄覆处理高粱移栽期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期, 0～100 cm土壤贮水量平均分别较CK显著增加144.1、71.8、75.4、97.4和79.0 mm, 以移栽期增幅最大, 拔节期最小, 且RSM在各生育时期都显著高于RFM处理。2021生长季除成熟期条带垄覆处理与CK无显著差异外, 高粱移栽期、拔节期、抽穗期和灌浆期, 0～100 cm土壤贮水量, 2个条带垄覆处理平均分别较CK显著增加76.8、95.4、48.5和23.2 mm, 以拔节期增幅最大、灌浆期最小。

比较各处理0～100 cm土壤贮水量生育时期间的变异系数, 2020、2021高粱生长季处理间差异分别以移栽期、拔节期最大, 灌浆期、成熟期最小。2020生长季, 移栽期和灌浆期变异系数分别为16.2%和9.8%, 2021生长季拔节期和成熟期变异系数分别为11.2%和1.3%。不同生长季间比较, 处理间差异为降水偏少年(2020)大于降水偏多年(2021), 处理间变异系数和极差在降水偏少年分别为11.5%和116.8 mm, 降水偏多年分别为5.5%和49.8 mm。2个高粱生长季, RSM处理较CK处理减缓了不同生育时期间土壤水分的波动, 而RFM处理在降水偏少年加剧了不同生育时期间土壤水分的波动, 降水偏多年份则相反, 不同时期RSM、RFM和CK的变异系数分别为11.3%、8.4%、8.9% (2020生长季)和12.0%、12.5%、12.9% (2021生长季)。

2.3 条带垄覆横坡种植对高粱不同生育时期0～ 100 cm土层水分分布的影响

黄壤坡耕地横坡种植模式下, 条带垄覆处理显著影响高粱各时期、各土层土壤质量含水量(图5)。不同年份高粱各生育时期、各土层的质量含水量存在显著差异, 并受生育时期降水多寡的影响。RFM和RSM处理在各土层均较CK表现出普遍的增墒效应, RSM处理的增墒效应大于RFM处理。在降水偏少的2020高粱生长季, RFM、RSM处理0～100 cm 土壤质量含水量在移栽期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期平均分别比CK显著增加10.6、5.3、5.7、7.2和5.8个百分点, 二者均在播种期增幅最大, 分别在拔节期、抽穗期增幅最小。在降水偏多的2021高粱生长季, RFM、RSM处理显著增加高粱播种期和拔节期0～100 cm土层土壤质量含水量, 平均分别比CK增加5.7和7.0个百分点, 其余生育时期与CK无显著差异。可见, 在高粱生育中后期, 若遭遇长期干旱(2020), 条带垄覆横坡种植较传统露地种植表现出良好的蓄水保墒效果, 且条带垄覆玉米整秆的保墒效果好于条带垄覆膜; 反之, 若高粱生长中后期降水较为均匀, 雨量较大(2021), 2个条带垄覆处理与露地平作相比无明显保墒效果。

图5 高粱不同生育时期各土层土壤质量含水量

TP: 移栽期; JT: 拔节期; HD: 抽穗期; GF: 灌浆期; MT: 成熟期; PWC: 永久凋萎系数。同一土层旁的*和**分别表示各处理的平均值(= 3)分别在< 0.05和< 0.01水平差异显著。处理同图1。

TP: transplanting stage; JT: jointing stage; HD: heading stage; GF: grain-filling stage; MT: maturity stage; PWC: Permanent wilting coefficient. * and ** besides the same soil layer indicate that the mean value (= 3) of each treatment was significant difference at< 0.05 and< 0.01, respectively. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

2个高粱生长季内, 不同处理间的土壤质量含水量差异表现为60 cm以下大于60 cm以上, 且随土层深度增加, 条带垄覆处理的土壤质量含水量波动越小; 在不同生育时期上, 2020生长季以移栽期最大、抽穗期最小, 2021生长季则以拔节期最大、成熟期最小(图5)。

2.4 条带垄覆横坡种植对高粱田土壤水分利用的影响

2.4.1 对高粱田耗水量和水分利用效率的影响

由表2可知, 条带垄覆横坡种植显著增加高粱对土壤贮水的调用。2020和2021高粱生长季, 条带垄覆处理土壤贮水消耗量分别平均较CK显著增加65.5 mm和78.8 mm, 其中RFM、RSM分别增加60.3 mm和83.9 mm, 以条带垄覆玉米整秆处理的土壤贮水消耗量较大。年际间比较, 2021高粱生长季条带垄覆处理土壤贮水消耗总量平均为124.1 mm, 比2020生长季多耗水32.0 mm, 表明条带垄覆处理对土壤贮水的利用在降水偏多年更为彻底, 主要与降水偏多年(2021)高粱生长旺盛, 生长需水量较大有关。

条带垄覆横坡种植提高土壤贮水消耗量的同时,高粱生育期间的农田耗水量也同步提高, 而水分利用效率则下降。2020和2021高粱生长季, 条带垄覆处理高粱农田总耗水量分别平均比CK增加30.5%和28.7%, 对应耗水增量分别为161.5 mm和180.7 mm, 其中RFM、RSM处理分别比CK增加24.2%和35.0%, 对应耗水增量分别为139.6 mm和202.6 mm, 以RSM处理农田耗水量较大。但伴随农田耗水量的显著增加, 2个条带垄覆处理的水分利用效率显著低于CK。2020和2021高粱生长季, 条带垄覆处理的水分利用效率分别平均较CK显著下降17.6%和16.1%, 其中RFM、RSM处理分别较CK显著下降12.5%和21.2%, 以RSM处理降幅较大。

2.4.2 对0～100 cm各土层土壤贮水消耗量的影响

条带垄覆横坡种植0～100 cm土层土壤贮水量普遍高于CK (表3)。2020和2021高粱生长季, 条带垄覆处理土壤贮水量平均比CK增加2.42倍和1.18倍, 其中RFM、RSM处理分别比CK高1.78倍和2.39倍。2个生长季, 处理间0～100 cm土壤贮水消耗量均表现为RSM > RFM > CK。各处理0～100 cm各土层耗水量的变异系数, 降水偏少的2020生长季为CK (172.3%) > RSM (50.7%) > RFM (26.7%), 降水偏多的2021生长季为CK (79.9%) > RFM (30.6%) > RSM (24.3%)。表明条带垄覆横坡种植高粱对各土层土壤贮水的消耗更为均衡。

表2 高粱农田耗水量及水分利用效率

处理同图1。同一年度同一列数字标明的不同小写字母表示各处理的平均值(= 3)在< 0.05水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different lowercase letters stand for significance at the 0.05 probability level.

比较条带垄覆处理与露地种植在各土层耗水的差异, 2个生长季条带垄覆处理与CK的差异均主要集中在20～100 cm土层, 2020和2021生长季20～100 cm土层分别较CK多耗水64.1 mm和73.5 mm, 分别占多耗水总量比例的97.7%和93.2%。表明条带垄覆处理增强了高粱对20～100 cm土层土壤贮水的调用, 以RSM处理的调用能力较强。

表3 不同处理下0～100 cm各土层土壤贮水消耗量

处理同图1。同一年度同一列数字标明的不同小写字母表示各处理的平均值(= 3)在< 0.05水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different little letters stand for significance at the 0.05 probability level.

2.4.3 对高粱阶段耗水的影响 由表4可知, 高粱耗水主要集中在移栽至拔节阶段的中前期和灌浆至成熟阶段的中后期, 这2个生育阶段的耗水量分别占高粱全生育期总量的54%～70%和30%～44%, 而生育中期(抽穗至灌浆) 的耗水比例较小, 甚至在降水的补充下, 土壤水分略有增加(占总耗水的比例为负值)。条带垄覆横坡种植能显著影响黄壤坡耕地高粱生育各阶段耗水状况及其占总耗水量的比例(表4)。RFM处理的耗水量除在2020年的抽穗至灌浆阶段和2021年的移栽至拔节阶段分别较CK显著下降18.3 mm和23.8 mm外, 2个生长季高粱生育各阶段耗水量较CK显著增加14.0～95.5 mm, 最大增幅分别在移栽至拔节阶段(2020)和拔节至抽穗阶段(2021)。RSM处理的耗水量除2020年在抽穗至灌浆阶段略有下降外, 2个生长季高粱生育各阶段耗水量较CK显著增加33.6～93.2 mm, 最大增幅分别在拔节至抽穗阶段(2020)和灌浆至成熟阶段(2021)。进一步分析各处理高粱生育各阶段耗水占总耗水的比例发现, 除2020年移栽至拔节阶段和2021年抽穗至灌浆阶段条带垄覆处理的耗水比例较CK显著增加4.4～10.9个百分点和5.1～9.0个百分点外, 其余生育各阶段耗水量占总耗水的比例呈降低趋势, 原因是条带垄覆处理的耗水总量较CK增加134.8～ 217.0 mm。

以上结果表明, 在黄壤坡耕地横坡种植模式下, 采用地膜和秸秆条带垄覆处理增加了高粱多数生育阶段的耗水量, 主要原因: 一是该区高粱生长内降水补充相对充足, 条带垄覆处理能明显提高降水的有效性(表1), 能持续提供较好的土壤水分条件(图5和表3), 是高粱各阶段耗水量普遍增加的必要条件; 二是条带垄覆处理较好的土壤水分条件对高粱生长的促进作用(表5), 而较大的高粱群体进一步增加了高粱生长对水分的消耗。显然, 条带垄覆处理高粱前期耗水量的增加有利于移栽苗成活和返青后植株的形态建成, 可为高粱增产奠定必要的物质基础, 而灌浆期以后耗水的增加, 有利于高粱籽粒灌浆增重而增产。

2.5 条带垄覆横坡种植对高粱产量和主要农艺性状的影响

横坡种植模式下, 条带垄覆横坡种植能显著增加旱地高粱籽粒产量和生物量, 降低收获指数(表5)。2个高粱生长季, 2个条带垄覆处理高粱籽粒平均产量达6143.1 kg hm-2, 较CK平均显著增产7.3%, 增加成熟期生物量17.3%, 降低收获指数显著下降2.5个百分点, 主要原因是条带覆盖处理条件下高粱成熟期秸秆产量增幅(21.3%)大幅高于籽粒产量增幅(7.3%)所致, 这说明条带垄覆处理对高粱成熟期秸秆产量的影响大于籽粒产量。2个条带垄覆处理间比较可见, RFM与RSM处理的收获指数2季均无显著差异, 但RFM处理的生物量和籽粒产量均在2021生长季分别显著高于RFM处理5.5%和3.8%, 2020生长季无显著差异。表明黄壤旱坡地横坡种植模式下, 高粱田条带垄覆玉米整秆具有与条带垄覆地膜相近的增产潜力。

表4 高粱各生育阶段耗水量及其占总耗水量的比例

处理同图1。同一年度同一列数字标明的不同小写字母表示各处理的平均值(= 3)在< 0.05水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different lowercase letters stand for significance at the 0.05 probability level.

表5 高粱产量和主要农艺指标

同一年度同一列数字标明的不同小写字母表示各处理的平均值(= 3)在< 0.05水平差异显著。处理同图1。

GY: grain yield; TKW: 1000-kernel weight; KPS: kernels per spike; WUE: water use efficiency; HI: harvest index; SKW: spike kernel weight; SYM: straw yield in maturity. Mean value (= 3) within columns followed by different little letters stand for significance at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

产量要素间比较可知, 条带垄覆处理能增加高粱穗粒数和千粒重, 进而显著提高单穗粒重(表5)。2020、2021生长季, 2个条带垄覆处理高粱分别平均比CK显著增加千粒重3.6%和4.6%, 增加穗粒数12.7%和4.0%, 增加单穗粒重19.1%和8.7%。相关分析表明(表6), 高粱产量与穗粒数(= 0.88**)、千粒重(= 0.63**)和单穗粒重(= 0.90**)均呈极显著正相关, 与收获指数(=-0.89**)呈极显著负相关, 而收获指数与千粒重(=-0.66**)、穗粒数(=-0.83**)和单穗粒重(=-0.89**)均呈极显著负相关。进一步分析高粱成熟期秸秆产量与籽粒产量及籽粒产量要素的关系可见(表6), 高粱籽粒产量与成熟期秸秆产量(=-0.91**)呈极显著正相关, 而成熟期秸秆产量与单穗粒数(= 0.85**)、千粒重(= 0.69**)、穗粒数(= 0.95**)均呈极显著正相关, 与收获指数(=-0.89**)呈极显著负相关。表明采用育苗移栽保证高粱单位面积种植株数一致的条件下, 在西南黄壤旱坡农田横坡种植模式下, 条带垄覆沟植高粱显著增产的主要原因是单穗粒重的显著提升, 而单穗粒重的增加受穗粒数和千粒重的协同促进, 其中穗粒数对高粱单穗粒重和籽粒产量的影响大于千粒重, 同时也表明条带垄覆处理在促进高粱生长的同时, 秸秆终产量的大幅增加导致了冗余生长增加, 这会进一步降低收获指数, 但秸秆终产量的增加是籽粒增产必备的物质基础(= 0.69**～0.89**)。

2.6 高粱产量与水分利用的关系

由表6可知, 条带垄覆横坡种植高粱籽粒产量和高粱秸秆终产量均与全生育期0～100 cm土壤平均贮水量、生育期耗水总量、拔节至抽穗和灌浆至成熟阶段耗水量均呈显著或极显著正相关(= 0.51*～0.87**), 与水分利用效率呈极显著负相关(= –0.80**), 与移栽至拔节和抽穗至灌浆阶段耗水量呈正相关趋势, 而全生育期耗水总量与水分利用效率呈极显著负相关(= –0.98**)。表明在西南黄壤坡耕地横坡种植模式下, 条带垄覆处理高粱籽粒产量的增加以高耗水为代价, 但耗水量增加对高粱秸秆终产量的影响(= 0.94**)大于籽粒产量(= 0.87**), 条带垄覆处理在改善土壤水分状况的同时, 增加高粱生育各阶段耗水均有利于高粱生长发育而促进增产, 其中增加移栽至抽穗(= 0.53*～0.62**)和灌浆至成熟阶段(= 0.81**)的耗水可显著促进高粱植株生长, 进而实现籽粒增产(= 0.51*～0.81**), 但增加耗水不利于水分利用效率提升, 尤其是抽穗前(= –0.58*～ –0.64**)和灌浆之后(= –0.62**)水分的过度消耗会明显增加秸秆产量(= 0.81**), 导致收获指数显著下降, 进一步显著降低水分利用效率(= –0.57*～ –0.98**)。

分析产量要素与水分利用的关系可知, 单穗粒重、千粒重和穗粒数与全生育期0～100 cm土壤平均贮水量、生育期耗水总量、生育各阶段耗水量均呈正相关关系(= 0.25～0.94**), 与水分利用效率和收获指数均呈极显著负相关(=-0.66**～-0.94**)。表明条带垄覆横坡种植通过改善土壤墒情, 为作物增产提供了较多的可利用土壤水来影响高粱物质积累和分配, 增加移栽至拔节和灌浆至成熟阶段耗水能显著增加穗粒数(= 0.65**～0.88*), 增加拔节至灌浆阶段耗水可显著增加千粒重(= 0.53*～0.85**), 但灌浆之后耗水的增加对穗粒数的增益作用是光合产物较多, 籽粒较少出现因养分不足, 发生自然凋亡现象而维持较高的穗粒数, 因为开花结实在前, 籽粒灌浆在后。

表6 高粱产量与土壤水分利用的相关关系

*和**分别表示在< 0.05和< 0.01水平显著相关。GY: 籽粒产量; SYM: 秸秆终产量; SKW: 单穗粒重; TKW: 千粒重; KPS: 穗粒数; HI: 收获指数; SWS: 0～100 cm土壤平均贮水量; WUE: 水分利用效率; TWC: 农田耗水总量; I: 移栽至拔节阶段; II: 拔节至抽穗; III: 抽穗至灌浆阶段; IV: 灌浆至成熟阶段。

*and**indicate significant correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively. GY: grain yield; SYM: straw yield in maturity; SKW: spike kernel weight; TKW: 1000-kernel weight; KPS: kernels per spike; HI: harvest index; TWC: total water consumption of field; SWS: average storage water in 0-100 cm soil depth; WUE: water use efficiency; TWC: water consumption from transplanting stage to maturity stage; I: transplanting stage to jointing stage; II: jointing stage to heading stage; III: heading stage to grain-filling stage; IV: grain-filling stage to maturity stage.

综上可知, 玉米整秆和地膜条带垄覆横坡种植均可显著改善黄壤坡耕地高粱农田土壤墒情, 优化高粱耗水结构, 将有限的水分更多地用于移栽至拔节阶段营养生长及灌浆至成熟阶段籽粒灌浆, 有利于高粱结实和籽粒增重, 最终实现增产。

2.7 条带垄覆横坡种植对高粱经济效益的影响

条带垄覆横坡种植明显影响高粱种植的总收入、纯收益和产投比(表7)。2020、2021生长季, 条带垄覆横坡种植平均分别较CK增加总收入2996.0元 hm-2、3863.6元 hm-2, 但RFM降低了纯收益和产投比, RSM则相反。与CK相比, RFM处理的纯收益和产投比平均分别下降1502.6元 hm-2和32.6%, RSM则平均分别提高2962.9元 hm-2和2.3%, 主要原因是条带垄覆膜处理在人工、地膜及机械投入上均有明显增加, 劳动强度较大。2个条带垄覆处理间比较可见, RSM处理的纯收益和产投比分别平均较RFM提高4465.5元 hm-2和43.9%。表明条带垄覆膜处理虽然实现了高粱的稳产、高产, 但并没有增加纯收益, 具有增产不增收的特点, 条带垄覆玉米整秆是较条带垄覆地膜和传统露地平作更为高效的生产方式, 在提高高粱产投比, 增加纯收益的同时, 兼顾实现了降水和秸秆就地资源化利用, 可供西南秸秆资源丰富地区选择使用。

表7 不同处理的经济效益分析

各指标计算方法见1.3.5节。处理同图1。

See section 1.3.5 for calculation methods of each index. OR: the total output revenue; NEB: net economic benefit; O/I: output/input. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

3 讨论

3.1 横坡垄作与覆盖对地表径流损失的影响

水土流失是我国西南丘陵坡耕地农业生产所面临的一个主要问题[36], 且降雨是影响水土流失的主要因素[37]。本研究结果表明, 与传统露地横坡平作种植相比, 在横坡垄作模式下, 采用地膜和玉米整秆垄覆盖能显著降低径流深度和径流系数, 显著增加降雨土壤蓄水量和纳水系数(表1), 这与Bombino等[38]、周清超等[39]的研究结果一致。一是本研究土壤类型为黄壤土, 黄壤黏粒质量分数大, 稳渗速率高, 产流方式以蓄满产流为主, 超渗产流为辅[39], 这可能是条带垄覆处理径流量显著下降的土壤质地原因, 因此条带垄覆处理在坡耕地不同土壤质地农田地表径流的影响差异还有待进一步研究; 二是横坡垄作改变了土表微地形, 能有效拦截和分散坡面径流, 降低了地表径流流速, 增加降水土壤蓄水量, 减缓坡面水分流失[15]; 三是垄覆盖地膜和玉米整秆均在一定程度上保护了垄面与土壤不直接接触降水,避免局部土壤表层形成结皮, 但由于玉米整秆垄覆盖后土表较地膜覆盖后更粗糙, 降雨入渗面积也变得更大, 从而导致地膜垄覆条件下的径流量大于玉米整秆垄覆; 同时由于地膜的不透水性, 垄上覆膜处理虽降低了渗水面积, 但对坡面径流的分散作用得到加强, 渗入垄体的水分在薄膜的阻碍作用下不易散失, 这可能是垄覆膜处理的径流流失量介于玉米整秆垄覆和传统横坡平作处理之间的一个重要原因。此外, 还有研究表明, 坡耕地秸秆覆盖的产流量还受秸秆覆盖量、覆盖方式及秸秆粉碎程度等因素的影响[40]。因此, 在具体的农业生产实践中, 适宜的秸秆覆盖措施除了要考虑其持水保水效果外, 同时应兼顾考虑作物生长发育与经济成本问题。一方面是不当的秸秆覆盖措施不利于作物生长发育, 同时秸秆覆盖措施的选择需以指导农民生产实践为前提,不当的覆盖量和覆盖过程会增加不必要的人力、物力消耗, 从而增加农业生产过程的经济成本, 不利于秸秆覆盖耕作措施的推广和秸秆资源化就地利用[25]; 另一方面是在秸秆覆盖条件下, 秸秆覆盖量超过一定值后, 降雨径流的减少量几乎不变[41]。本研究中采用玉米整秆垄面局部覆盖方式, 玉米整秆用量为8 t hm–2(约为当地1公顷土地上玉米秆风干重质量), 取得了截留降雨的良好效果, 其中就考虑到了生产实践中尽可能不增加秸秆运输、转移费用, 但是否是该模式下的最佳秸秆覆盖量仍需进一步研究。

与横坡裸地平作相比, 沿横坡方向上修筑的土垄改变了坡面微地貌, 增大了地面粗糙度和地表水流阻力, 横坡垄作无覆盖条件也能促进更多水流入渗而减少径流量, 其主要原因是横垄垄台能有效将泥沙拦截在垄沟内, 同时横垄垄台对坡面携沙水流流速具有强烈的削减作用, 导致横坡垄作无覆盖处理对降水的减流作用强于横坡露地平作处理, 但横坡垄作无覆盖处理在强降雨条件下会发生垄台被冲垮现象, 不利于坡面土壤水分保持[42]。还有研究发现横坡垄作无覆盖对降雨径流的影响与坡位、坡度、垄宽、沟深及作物种类有关[33,43-44], 因而在本研究区域, 横坡垄作无覆盖处理对高粱农田降雨径流的影响需进一步系统研究。

3.2 横坡垄作与覆盖对作物产量和水分利用的影响

季节性干旱是制约西南旱坡耕地高粱生产的瓶颈, 围绕如何最大限度地增加雨季土壤蓄水和减少旱季土壤蒸发, 提高土壤蓄水保墒能力开展的研究一直是该区域水分高效利用研究的重点[45]。横坡垄作+地表覆盖技术一方面可以将垄上的雨水收集到沟中; 另一方面可以在一定程度上拦截顺坡方向的径流, 进而快速提高近根区土壤水分含量[20]。同时地表覆盖可以有效降低土壤水分无效蒸发, 改善种植区域土壤水分状况, 进而影响作物生长, 但横坡垄作+地表覆盖模式对土壤水分的影响因降水条件、覆盖材料和覆盖模式的不同而存在差异[23]。Wang等[40]在东北玉米带坡耕地的研究表明, 横坡种植模式下, 在玉米苗期采用秸秆粉碎全地面覆盖处理的土壤蓄水保墒效果最好。林超文等[20]在四川丘陵紫色土区的研究表明, 在横坡垄作模式下, 秸秆粉碎全地面覆盖处理能显著提高雨水的土壤蓄积量, 显著提高降水的有效性, 其效果优于地膜覆盖。范成五等[5]在黔中黄壤坡耕地的研究表明, 优化施肥条件下, 秸秆覆盖+横坡垄作+等高植物篱模式对降水的截流效果最好, 产流量较顺坡常规耕作下降25%。本研究结果表明, 2个高粱生育期内均以玉米整秆条带垄覆沟植处理土壤蓄水效果最好, 这是由于玉米整秆垄覆处理显著增加了地表粗糙度和雨水入渗面积, 较垄上覆膜和常规横坡种植明显增大了降雨入渗面积, 导致其对降雨的截流效果加强, 同时垄覆整秸秆具有降低土壤温度的效果, 使抑制土壤无效蒸发的能力变强, 因而玉米整秆条带垄覆沟植处理的蓄水保墒能力强于地膜条带垄覆沟植处理, 这与Chen等[29]在马铃薯上的研究结果相似。

有研究认为, 覆盖的真正作用是改变了土壤耗水结构, 增加蒸腾散发比, 使得水分更多用于生产性消耗, 进而显著提升水分利用效率[46]。从本研究结果来看, 黄壤坡耕地横坡种植模式下, 条带垄覆处理平均显著增加农田耗水量29.5%, 增产7.3%, 降低水分利用效率17.0%, 分析原因: 一是高粱生育期间耗水量的85%以上来源于降水土壤蓄水量(表2), 而2个条带垄覆处理的降水土壤蓄水量平均较CK增加94.0 mm, 对应的产量增幅为418.0 kg hm–2, 折算水分生产效率仅为4.64 kg hm–2mm–1, 较CK的平均值9.87 kg hm–2mm–1下降52.9%; 二是条带垄覆处理较好的土壤水分环境促进了高粱生长发育和干物质积累, 促进了高粱穗分化和籽粒结实, 穗粒数平均显著增加214粒, 千粒重显著增重0.59 g (表5), 对高粱增产有利, 这与李富春等[47]在我国西北旱作区的研究结论一致。本研究中, 2种条带垄覆处理虽显著提升了高粱籽粒产量, 但籽粒产量水分利用效率反而下降。主要原因是地膜和玉米整秆条带垄覆横坡种植虽明显增加降水的有效性, 这与前人在秸秆粉碎覆盖条件下的研究结果相似[42], 但土壤水分环境的改善不但没能完全转化成籽粒产量的对应增量, 反而增加成熟期秸秆产量2968.4 kg hm-2,进而降低收获指数1.9个百分点以上(表5), 这可能与高粱为稀植作物, 其产品器官较小麦而言分蘖成穗补充较少, 较马铃薯而言是遗传限定性增大器官, 不具备马铃薯块茎类似的理论无限膨大功能, 因而高粱生育中后期较好的土壤水分对籽粒产量的增益作用有限。可见, 在西南黄壤旱坡耕地高粱生产上, 采用横坡条带垄覆种植技术, 其耗水量的增加对干物质积累的影响大于籽粒产量, 冗余生长的增加进一步导致籽粒产量水分利用效率下降, 从这个角度来说, 横坡种植模式下, 条带垄覆处理的真正意义是增加对降水的就地资源化利用和有效蓄存, 改善作物根区土壤水分状况, 从而提高作物产量。因此, 条带垄覆横坡种植技术虽改善了土壤水分、促进了作物生长和增加了高粱籽粒产量, 但水分利用效率显著下降, 这与Wang等[27]在冬小麦上的研究结果一致。因此, 在西南坡耕地, 由于雨季降水充足, 条带垄覆横坡种植高粱产量的增加是基于对降水资源化利用和有效贮存, 有利于该区作物产量有效提升, 因而对于该区的旱坡耕地, 条带垄覆横坡种植仍是实现节水农业的有效途径之一, 且玉米整秆条带垄覆处理取得了与地膜条带垄覆处理相近的蓄水保墒效果和籽粒产量潜力, 前者可供西南黄壤旱坡地玉米秸秆资源丰富地区选择使用。

4 结论

在西南黄壤旱坡耕地横坡种植模式下, 地膜和玉米整秆条带垄覆处理较露地平作均能有效资源化利用高粱生育期降水, 有效降低地表径流和改善土壤水分环境, 显著增加高粱拔节至抽穗和灌浆至成熟阶段耗水, 进而显著提高高粱籽粒产量, 但条带垄覆处理不利于该区水分利用效率的提高。在西南黄壤旱坡耕地横坡种植模式下, 玉米整秆和地膜条带垄覆盖处理高粱具有相近的增产潜力, 但前者在最大限度蓄集降水资源的同时, 可将废弃秸秆就地资源化利用, 且较后者经济投入低、劳动强度小, 纯收益高。因此, 玉米整秆条带垄覆是适宜该区域高粱生产的可用技术。

[1] 李顺国, 刘猛, 刘斐, 邹剑秋, 陆晓春, 刁现民. 中国高粱产业和种业发展现状与未来展望. 中国农业科学, 2021, 54: 471–482. Li S G, Liu M, Liu F, Zou J Q, Lu X C, Diao X M. Current status and future prospective of sorghum production and seed industry in China., 2021, 54: 471–482 (in Chinese with English abstract).

[2] 刘晨阳, 张蕙杰, 辛翔飞. 中国高粱产业发展特征及趋势分析.中国农业科技导报, 2020, 22(10): 1–9. Liu C Y, Zhang H J, Xin X F. Analysis of the development characteristics and trends of sorghum industry in China., 2020, 22(10): 1–9 (in Chinese with English abstract).

[3] 国家统计局. 2021年中国高粱种植及生产情况. 腾讯[2022-09-06]. https://xw.qq.com/amphtml/20220411A01GCF00. State Statistical Bureau. Sorghum cultivation and production in China in 2021. Tencent. [2022-09-06]. https://xw.qq.com/amphtml/ 20220411A01GCF00 (in Chinese).

[4] Liang S M, Cai R, Wang P J, Wang X T, Li Y S, Xu F H, Wang Y, Dai Y Q, Zhang L, Li X P, Zhan K, Yang Q F, Sui Q J. Improvements of emergence and tuber yield of potato in a seasonal spring arid region using plastic film mulching only on the ridge., 2018, 223: 57–65.

[5] 范成五, 罗益, 王文华, 张邦喜, 秦松, 蔡景行．不同管理措施对黄壤坡耕地径流氮输出的控制效果. 农业环境科学学报, 2014, 33: 1948–1955. Fan C W, Luo Y, Wang W H, Zhang B X, Qin S, Cai J H. Effects of different management practices on nitrogen runoff losses from sloping yellow soil., 2014, 33: 1948–1955 (in Chinese with English abstract).

[6] 代姝玮, 杨晓光, 赵孟, 李勇, 王文峰, 刘志娟. 气候变化背景下中国农业气候资源变化: II. 西南地区农业气候资源时空变化特征. 应用生态学报, 2011, 22: 442–452. Dai S W, Yang X G, Zhao M, Li Y, Wang W F, Liu Z J. Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change: II. Spatiotemporal change characteristics of agricultural climate resources in Southwest China., 2011, 22: 442–452 (in Chinese with English abstract).

[7] 高仁才, 陈松鹤, 马宏亮, 莫飘, 肖云, 张雪, 樊高琼．秋闲期秸秆覆盖与氮肥减施对旱地冬小麦干物质积累、结实特性和产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2022, 28: 426–439. Gao R C, Chen S H, Ma H L, Mo P, Xiao Y, Zhang X, Fan G Q. Effects of straw mulching in autumn and reducing nitrogen application on dry matter accumulation, seed-setting characteristics and yield of dryland winter wheat., 2022, 28: 426–439 (in Chinese with English abstract).

[8] 陈尚洪, 陈红琳, 沈学善, 李丽君, 刘定辉. 不同覆盖方式对川中丘陵区春玉米干物质积累与转运的影响. 干旱地区农业研究, 2013, 31(5): 74–78. Chen S H, Chen H L, Shen X S, Li L J, Liu D H. Study on dry matter accumulation and translocation of spring maize under different mulching methods in hilly area of central Sichuan Basin., 2013, 31 (5): 74–78 (in Chinese with English abstract).

[9] 赵甘霖, 丁祥祥, 刘天朋, 倪先林, 龙文靖, 汪小楷, 李元, 向箭宇. 四川省酿酒糯高粱高质量发展对策. 酿酒科技, 2021, (1): 138–141.Zhao G L, Ding X X, Liu T P, Ni X L, Long W J, Wang X K, Li Y, Xiang J Y. High-quality development strategy of liquor-making glutinous sorghum in Sichuan., 2021, (1): 138–141 (in Chinese with English abstract).

[10] 邹剑秋, 王艳秋, 柯福来. 高粱产业发展现状及前景展望. 山西农业大学学报(自然科学版), 2020, 40(3): 2–8. Zou J Q, Wang Y Q, Ke F L. Developing situation and prospect forecast of sorghum industry in China.(Nat Sci Edn), 2020, 40(3): 2–8 (in Chinese with English abstract).

[11] 蒋太明. 贵州喀斯特山区黄壤水分动态及其影响因素, 西南大学博士学位论文, 重庆, 2007. Jiang T M. Moisture Dynamic in Yellow Soil and Its Environmental Factors in Karst Mountainous Area of Guizhou. PhD Dissertation of Southwest University, Chongqing, China, 2007 (in Chinese with English abstract).

[12] 王龙昌, 谢小玉, 张臻, 薛兰兰, 邹聪明, 胡小东. 论西南季节性干旱区节水型农作制度的构建. 西南大学学报(自然科学版), 2010, 32(2): 1–6. Wang L C, Xie X Y, Zhang, Xue L L, Zou C M, Hu X D. On establishment of a water-saving farming system in seasonal drought regions of southwest China.(Nat Sci Edn), 2010, 32 (2): 1–6 (in Chinese with English abstract).

[13] 邢毅, 张抗萍, 王志远, 张小短, 武海燕, 冉泰霖, 向信华, 王龙昌. 西南旱地油菜田土壤水分和作物光合特征对覆盖材料和垄沟比的响应. 应用生态学报, 2020, 31: 3461–3472. Xing Y, Zhang K P, Wang Z Y, Zhang X D, Wu H Y, Ran T L, Xiang X H, Wang L C. Responses of soil moisture and photosynthetic to mulching materials and ridge-to-furrow ratios in rapeseed fields in southwest dryland of China., 2020, 31: 3461–3472 (in Chinese with English abstract).

[14] 安龙龙, 郑子成, 王永东, 李廷轩, 杨李娇. 耕作措施对玉米生长期黄壤坡耕地径流及可溶性有机碳流失的影响. 水土保持学报, 2022, 36(5): 75–81. An L L, Zheng Z C, Wang Y D, Li T X, Yang L J. Effects of tillage practices on runoff and dissolved organic carbon loss from yellow soil sloping farmland during maize growth periods., 2022, 36(5): 75–81 (in Chinese with English abstract).

[15] 盖浩, 刘平奇, 张梦璇, 陈柏旭, 王迎春, 王立刚. 黑土坡耕地横坡垄作对减少径流及土壤有机碳流失的作用. 水土保持学报, 2022, 36(2): 300–304. Gai H, Liu P Q, Zhang M X, Chen B X, Wang Y C, Wang L G. Effects of ridge planting on reducing runoff and soil organic carbon loss in black soil slope., 2022, 36(2): 300–304 (in Chinese with English abstract).

[16] 程鹏, 廖超林, 肖其亮, 彭华, 简燕, 胥爱平, 朱坚. 横坡垄作和秸秆覆盖对红壤坡耕地氮磷流失的影响. 农业环境科学学报, 2022, 41: 1036–1046. Cheng P, Liao C L, Xiao Q L, Peng H, Jian Y, Xu A P, Zhu J. Effects of cross slope ridge cultivation and straw mulching on nitrogen and phosphorus loss in red soil slope farmland., 2022, 41: 1036–1046 (in Chinese with English abstract).

[17] 殷清慧, 谢世友. 黔中喀斯特山区坡耕地产流产沙对无籽刺梨种植的响应. 水土保持学报, 2022, 36(5): 90–96. Yin Q H, Xie S Y. Response of runoff and sediment yield of sloping farmland to rosa sterilis S.D. shiplanting in Karst Mountainous area of central Guizhou., 2022, 36(5): 90–96 (in Chinese with English abstract).

[18] 刘灏, 伍燕翔, 徐麟叶, 叶贤贵, 王宗琼. 翠屏区高粱地膜覆盖膜侧栽培节水抗旱技术示范. 南方农业, 2015, 9(21): 74–75. Liu H, Wu Y X, Xu Y L, Ye X G, Wang Z Q. Demonstration of water-saving and drought-resistant technology of sorghum in Cuiping district., 2015, 9(21): 74–75 (in Chinese).

[19] Qin Y Q, Chai Y W, Li R, Ma J T, Cheng H B, Chang L, Chai S X. Evaluation of straw and plastic film mulching on wheat production: a meta-analysis in Loess Plateau of China., 2022, 275: 108333.

[20] 林超文, 罗春燕, 庞良玉, 付登伟, 黄晶晶, 涂仕华, 张新全. 不同覆盖和耕作方式对紫色土坡耕地降雨土壤蓄积量的影响. 水土保持学报, 2010, 24(3): 213–216. Lin C W, Luo C Y, Pang L Y, Fu D W, Huang J J, Tu S H, Zhang Q X. Influence of mulching and tillage methods on the rainfall storage by soil in purple soil area., 2010, 24(3): 213–216 (in Chinese with English abstract).

[21] Hu Q, Li X Y, Gonçalves J M, Shi H B, Tian T, Chen N. Effects of residual plastic-film mulch on field corn growth and productivity., 2020, 729: 138901.

[22] Liu B S, Li W F, Pan X L, Zhang D Y. The persistently breaking trade-offs of three-decade plastic film mulching: microplastic pollution, soil degradation and reduced cotton yield., 2022, 439: 129586.

[23] Kader M A, Senge M, Mojid M A, Ito K. Recent advances in mulching materials and methods for modifying soil environment., 2017, 168: 155–166.

[24] Yu Y Y, Turner N C, Gong Y H, Li F M, Fang C, Ge L J, Ye J S. Benefits and limitations to straw- and plastic-film mulch on maize yield and water use efficiency: a meta-analysis across hydrothermal gradients., 2018, 99: 138–147.

[25] Lu X J, Li Z Z, Sun Z H, Bu Q G. Straw mulching reduces maize yield, water, and nitrogen use in northeastern China., 2015, 107: 406–414.

[26] Keesstra S D, Rodrigo-Comino J, Novara A, Giménez-Morera A, Pulido M, Prima S D, Cerdà A. Straw mulch as a sustainable solution to decrease runoff and erosion in glyphosate-treated Clementine plantations in Eastern Spain. An assessment using rainfall simulation experiments., 2019, 174: 95–103.

[27] Wang J, Ghimire R, Fu X, Sainju U M, Liu W Z. Straw mulching increases precipitation storage rather than water use efficiency and dryland winter wheat yield., 2018, 206: 95–101.

[28] 陈玉章, 田慧慧, 李亚伟, 柴雨葳, 李瑞, 程洪波, 常磊, 柴守玺. 秸秆带状沟覆垄播对旱地马铃薯产量和水分利用效率的影响. 作物学报, 2019, 45: 714–727. Chen Y Z, Tian H H, Li Y W, Chai Y W, Li R, Cheng H B, Chang L, Chai S X. Effects of straw strip mulching on furrows and planting in ridges on water use efficiency and tuber yield in dryland potato., 2019, 45: 714–727 (in Chinese with English abstract).

[29] Chen Y Z, Chai S X, Tian H H, Chai Y W, Li Y W, Chang L, Cheng H B. Straw strips mulch on furrows improves water use efficiency and yield of potato in a rainfed semiarid area., 2019, 211: 142–151.

[30] Wang Q, Wang X Y, Zhang D K, Zhou X J, Mak-Mensah E, Zhao X L, Zhao W C, Ghanney P, Haider F U, Liu Q L, Li G, Li X L, Li Y J, Majeed Y. Selection of suitable type and application rate of biochar for alfalfa (L.) productivity in ridge-furrow rainwater-harvesting in semiarid regions of China., 2022, 277: 108428.

[31] 牟廷森, 沈海鸥, 贺云锋, 李春丽, 郭聃, 刘殿民. 黑土区垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果. 水土保持通报, 2022, 42(2): 22–30. Mou T S, Shen H O, He Y F, Li C L, Guo D, Liu D M. Effects of ridge tillage patterns on soil erosion of sloping croplands in black soil region of northeastern China., 2022, 42(2): 22–30 (in Chinese with English abstract)

[32] 李菲, 李晓光. 不同水土保持耕作措施对降雨径流、产沙及土壤水蚀特性的影响. 乡村科技, 2022, 13(10): 142–146. Li F, Li X G. Effects of different soil and water conservation tillage practices on rainfall runoff, sediment yield and soil water erosion characteristics., 2022, 13(10): 142–146 (in Chinese).

[33] 毛妍婷, 崔荣阳, 陈安强, 平凤超, 雷宝坤. 垄作方向对不同坡位红壤坡耕地耕层土壤水分特征曲线的影响. 土壤通报, 2022, 53: 308–314. Mao Y T, Cui R Y, Chen A Q, Ping F C, Lei B K. Effects of ridge directions on water characteristic curves of cultivated top-layer soils in different slope positions., 2022, 53: 308–314 (in Chinese with English abstract).

[34] 杨帅, 尹忠, 郑子成, 李廷轩. 四川黄壤区玉米季坡耕地自然降雨及其侵蚀产沙特征分析. 水土保持学报, 2016, 30(4): 7–12. Yang S, Yin Z, Zheng Z C, Li T X. Characteristics of natural rainfall and sediment yield of sloping cropland of the yellow soil area in Sichuan during corn growth season., 2016, 30(4): 7–12 (in Chinese with English abstract).

[35] 中华人民共和国水利部. (87)水电农水字第36号. 水土保持试验规范, 1988. pp 13–31. Ministry of Water Resources of the people’s Republic of China. (87) Hydropower Nongshui Zi No. 36. Soil and Water Conservation Test Code, 1988. pp 13–31 (in Chinese).

[36] 盘礼东, 李瑞, 张玉珊, 黎庆贵, 高家勇, 袁江. 西南喀斯特区坡耕地秸秆覆盖对土壤生态化学计量特征及产量的影响. 生态学报, 2022, 42: 4428–4438. Pan L D, Li R, Zhang Y S, Li Q G, Gao J Y, Yuan J. Effects of straw mulching on soil ecological stoichiometry characteristics and yield on sloping farmland in karst area, southwestern China., 2022, 42: 4428–4438 (in Chinese with English abstract).

[37] 鲁耀, 胡万里, 雷宝坤, 段宗颜, 刘宏斌, 翟丽梅. 云南坡耕地红壤地表径流氮磷流失特征定位监测. 农业环境科学学报, 2012, 31: 1544–1553. Lu Y, Hu W L, Lei B K, Duan Z Y, Liu H B, Zhai L M. The monitoring of nitrogen and phosphorus loss by surface runoff in sloping red soil fields of Yunnan province, China., 2012, 31:1544–1553 (in Chinese with English abstract).

[38] Bombino G, Denisi P, Gómez J A, Zema D A. Mulching as best management practice to reduce surface runoff and erosion in steep clayey olive groves., 2021, 9: 26–36.

[39] 周靖超, 张锡洲, 郑子成, 李廷轩. 夏玉米种植条件下黄壤坡耕地径流及磷素流失特征. 水土保持研究, 2023, 30(2): 81–86. Zhou J C, Zhang X Z, Zheng Z C, Li T X. Characteristics of runoff and phosphorus loss from sloping farmland in yellow soil region under the condition of summer maize growth., 2023, 30(2): 81–86 (in Chinese with English abstract).

[40] Wang J L, Shi X, Li Z Z, Zhang Y, Liu Y Q, Peng Y X. Responses of runoff and soil erosion to planting pattern, row direction, and straw mulching on sloped farmland in the corn belt of northeast China., 2021, 253: 106935.

[41] 黎庆贵. 黔西北坡耕地覆盖措施的水土流失调控效应. 贵州师范大学硕士学位论文, 贵州贵阳, 2021. Li Q G. Soil and Water Loss Control Effect of Sloping Farmland Mulching Measures in Northwest Guizhou. MS Thesis of Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou, China, 2021 (in Chinese with English abstract).

[42] Zheng H J, Nie X F, Liu Z, Mo M H, Song Y J. Identifying optimal ridge practices under different rainfall types on runoff and soil loss from sloping farmland in a humid subtropical region of southern China., 2021, 255: 107043.

[43] 王小康, 谷举, 刘刚, 师宏强. 横、顺坡垄作对黑土坡面侵蚀-沉积周期规律的影响. 土壤学报, 2022, 59: 430–439. Wang X K, Gu J, Liu G, Shi H Q. The influence of transverse and longitudinal ridge tillage on soil erosion and deposition cycles for mollisol slope., 2022, 59: 430–439 (in Chinese with English abstract).

[44] 沈海鸥, 温磊磊, 武佳龙, 王宇. 垄作与垄向区田技术对黑土区坡耕地土壤侵蚀影响的研究进展. 农业工程学报, 2022, 38(22): 52–62. Shen H O, Wen L L, Wu J L, Wang Y. Review on the effects of ridge pattern and ridge-furrow intervals on soil erosion of sloping farmland in the black soil region., 2022, 38(22): 52–62 (in Chinese with English abstract).

[45] 王龙昌, 谢小玉, 张赛, 赵永敢．西南地区旱作农田节水型农作制度研究. 北京: 科学出版社, 2021. pp 221–248. Wang L C, Xie X Y, Zhang S, Zhao Y G. Research on Water- Saving Farming System of Rainfed Farmlands in Southwest China. Beijing: Science Press, 2021. pp 221–248 (in Chinese).

[46] Naveen G, Humphreys E, Eberbach P L, Singh B, Yadav S, Kukal S S. Effects of tillage and mulch on soil evaporation in a dry seeded rice-wheat cropping system., 2021, 209: 104976.

[47] 李富春, 王琦, 张登奎. 覆盖材料对垄沟集雨种植高粱生长特性及土壤水分、温度的影响. 草原与草坪, 2018, 38: 35–43. Li F C, Wang Q, Zhang D K. Effects of furrow mulching materials on soil water, temperature and yield of sorghum in ridge-furrow rainwater harvesting production., 2018, 38: 35–43 (in Chinese with English abstract).

Effects of strip-mulching ridges on runoff and soil water use for sorghum in southwest yellow soil slope farmland

CHEN Yu-Zhang1,2,*, WU Song-Guo3, LU Cheng-Lin1, LI Rui1,2, GONG Li-Juan1,2, WEN Yue1, NING Jia-Xin1, and WU Yu-Han1

1College of Bioengineering, Sichuan University of Science and Technology, Yibin 644005, Sichuan, China;2Sichuan Province Engineering Techno­logy Research Center of Liquor-Making Grains, Yibin 644005, Sichuan, China;3Agricultural College, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China

Aiming at the problems such as prominent seasonal drought, large loss of precipitation and runoff, low yield-benefit of sorghum in southwest sloping farmland in China. During 2020–2021, the 7° yellow soil gentle slope cultivated land of previous spring corn was taken as the research object in the southwestern mountains area of Guizhou Province. The effects of three different treatments of traditional open field plain cropping (CK), alternating plastic film strip mulching only on ridge and furrow planting (RFM), and alternating whole maize straw strip mulching only on ridge and furrow planting (RSM) on runoff, water consumption characteristics, water use efficiency, yield and net economic benefits of sorghum were studied under the Transverse Slope Planting Model (TSPM: crop row direction is perpendicular to slope direction). Compared with CK, both RFM and RSM treatments under the TSPM significantly decreased rain-runoff depth during the whole growth period by 27.3% and 42.1% on average, and the water intake coefficient increased by 9.5 and 14.6 percentage points on average, respectively. The water consumption during the growth period of sorghum was significantly increased by the two strip-mulching only on ridges and cross planting in furrows, and the water consumption during the jointing stage to heading stage and the grain-filling stage to maturity stage were significantly (= 0.51*) and extremely significantly (= 0.81**) positively correlated with the grain yield, respectively. Compared with CK, RFM and RSM significantly increased biomass, kernels per spike and 1000-grain weight at maturity, and grain yield for sorghum was significantly increased by 8.5% and 6.2%, respectively, while water use efficiency was significantly decreased by 12.6% and 21.4%, respectively. Strip-mulching ridge treatments could increase the soil water storage of 0–100 cm soil profile during the whole sorghum growth stage, increase water consumption amount from jointing to heading and from grain-filling to maturity stage. Strip-mulching also improved the growth and development of sorghum plants and the formation of grain yield. Compared with CK, the increase of sorghum straw yield (21.4%) in maturity was significantly higher than that of grain yield (7.3%). Although the increase of straw yield reduced the water use efficiency, it was an important guarantee for grain yield increase. Compared with CK, the average net economic benefit and the output/input for RSM treatment increased by 2962.9 Yuan hm–2and 2.3%, respectively, while the average net economic benefit and the output/input for RFM treatment decreased by 1502.6 Yuan hm–2and 32.6%, respectively, due to the obvious increase of labor intensity, mechanical and plastic film input. Therefore, RSM treatment can significantly improve effectiveness of precipitation and achieve double increase yield and net economic benefit, which is a feasible model to increase the yield-income of sorghum in yellow soil slope farmland in southwest China.

strip-mulching ridge; runoff; water utilization; sorghum yield; net economic benefit

10.3724/SP.J.1006.2024.24226

本研究由四川省酿酒专用粮工程技术研究中心开放基金项目(2021-05)和宜宾五粮液股份有限公司产学研合作项目(CXY2021ZR010)资助。

This study was supported by the Open Found of Sichuan Province Engineering Technology Research Center of Liquor-Making Grains (2021-05) and the Production-Learning-Research Cooperation Project of Wuliangye Yibin Co. Ltd. (CXY2021ZR010).

陈玉章, E-mail: jadayz@163.com

2023-10-08;

2023-10-23;

2023-12-26.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20231226.1128.002

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).