劉天鵬，許巖，何繼紅，董孔軍，任瑞玉，張磊，楊天育,*

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

覆膜栽培因其顯著的增溫集雨保墑效果極大的促進(jìn)了旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1，2]，但大量使用地膜造成的污染嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[3]，圍繞“不用、少用或循環(huán)利用”地膜的生產(chǎn)模式成為旱地農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)科學(xué)問題。2011—2015年甘肅省全膜雙壟溝播技術(shù)累計(jì)推廣449萬hm2，種植作物主要以玉米為主[4]，但隨著生態(tài)文明建設(shè)的需要、農(nóng)村勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)的變化及投入產(chǎn)出效益的驅(qū)使，研究圍繞雙壟溝一膜多年用的節(jié)能減膜增產(chǎn)生產(chǎn)模式具有重要的意義。相應(yīng)的，全膜雙壟溝玉米一膜一年用亦逐漸從全膜雙壟溝玉米一年用+小宗作物一年用[5]發(fā)展成為全膜雙壟溝玉米+小宗作物一膜三年用生產(chǎn)模式，但關(guān)于雙壟溝一膜三年用的作物增產(chǎn)機(jī)制未有報(bào)道。就雙壟溝一膜兩年用，吳兵等[6]提出了在第一季種植玉米的情況下，第二季以300萬?！m-2的密度種植胡麻是兼顧節(jié)本增效、保水高產(chǎn)的一種一膜兩年用模式，適合在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)推廣應(yīng)用。謝軍紅等[7]研究了耕作方法對(duì)雙壟溝一膜兩年覆蓋條件下旱作玉米產(chǎn)量及土壤物理性狀的影響，發(fā)現(xiàn)一膜兩年用條件下，深松耕+免耕具有降低表層土壤容重、緊實(shí)度，增加土壤總孔度、大團(tuán)聚體含量及飽和導(dǎo)水率的作用，能顯著地提高玉米的籽粒產(chǎn)量、水分利用效率，指出全膜雙壟溝播玉米采用深松耕+免耕具有明顯的穩(wěn)增產(chǎn)增效及改善土壤結(jié)構(gòu)的作用；趙財(cái)?shù)萚5]在河西走廊灌溉區(qū)研究了一膜兩年用地膜覆蓋、秋免耕春覆膜和傳統(tǒng)耕作覆膜對(duì)玉米農(nóng)田土壤水分及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)一膜兩年用地膜覆蓋可顯著提高播前和生育期0～30 cm的土壤含水量，并且在水分脅迫下的低灌水水平的一膜兩年用覆蓋模式可減緩干旱脅迫，提高作物籽粒產(chǎn)量與水分利用效率。谷子是一種抗旱節(jié)水耐瘠薄的傳統(tǒng)糧食作物[8]，是雙壟溝播玉米一膜兩年用后第三季再度利用的理想栽培作物，但就其一膜三年用的增產(chǎn)潛力尚無研究報(bào)道。對(duì)此，本研究進(jìn)行了雙壟溝一膜三年下土壤水溫特征及其對(duì)谷子生長(zhǎng)發(fā)育、水分利用效率及產(chǎn)量的影響的研究，為其一膜多年用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015—2016年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院會(huì)寧試驗(yàn)站(105°06′E，35°40′N)進(jìn)行，海拔1 800.5 m，年平均氣溫7.6 ℃，年輻射總量5 842 MJ·m-2，年日照時(shí)數(shù)2 500 h，≥10 ℃積溫2 012.7 ℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，無灌溉條件，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。根據(jù)甘肅省會(huì)寧試驗(yàn)站氣象資料統(tǒng)計(jì)(圖1)，2015年為豐水年，試驗(yàn)區(qū)全年降雨383.3 mm，全年月平均氣溫8.9 ℃，4月19日-10月3日谷子全生育期內(nèi)，4月19日-4月30日、5月、6月、7月、8月、9月1日至10月3日分別降雨21.7、82.2、26.9、76.9、46.2、40.2 mm，降雨量分布較均勻，降雨總量為294.1 mm，谷子全生育期內(nèi)溫度變化范圍5.3～30.3 ℃。2016年年降雨量為252.6 mm, 全年月平均氣溫9.3 ℃。4月26至10月8日谷子全生育期內(nèi),4月26日至4月30日、5月、6月、7月、8月、9月1日至10月8日降雨量分別為0.1、76.0、34.4、34.4、22.3、30.4 mm，降雨總量為197.6 mm，分布極為不均勻，降雨最大值在5月谷子幼苗期，降雨量時(shí)空分布與谷子生育期需水規(guī)律嚴(yán)重不吻合，谷子全生育期內(nèi)溫度變化范圍0.4～33.2 ℃。兩年谷子全生育期內(nèi)最低氣溫出現(xiàn)在4月下旬，2015年最高氣溫均出現(xiàn)在7月下旬，2016年最高氣溫出現(xiàn)在8月上旬。

圖1 2015、2016年氣溫及降雨量分布Fig.1 Distribution of average air temperature and rainfall per month in 2015 and 2016

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以谷子品種隴谷12號(hào)為材料，設(shè)一膜三年用全膜雙壟溝留膜免耕穴播(A1)、一膜一年用全膜雙壟溝穴播(A2)、露地等行距條播(CK)3個(gè)處理，3次重復(fù)，2015年小區(qū)面積(長(zhǎng)×寬=5.0 m×5.0 m)25.0 m2，2016年小區(qū)面積(長(zhǎng)×寬=5.0 m×4.0 m)20.0 m2。其中一膜三年用全膜雙壟溝穴播、一膜一年用全膜雙壟溝留膜免耕穴播大壟寬70 cm，高10 cm，小壟寬40 cm，高15 cm，壟溝穴播，穴距4 cm，留苗數(shù)30萬株·hm-2；露地等行距條播行距30 cm，株距10 cm，留苗30萬株·hm-2，各處理分別在2015年4月21日、2016年4月24日完成，所用地膜規(guī)格寬×厚=1 200 mm×0.2 mm。播前及生育期內(nèi)均不施肥，田間統(tǒng)一管理，試驗(yàn)前茬為全膜雙壟溝一膜兩年玉米連作茬。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤溫度

土壤溫度在2015年和2016年按小區(qū)定點(diǎn)定時(shí)測(cè)試。播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期及收獲后分別在8:00、12:00、16:00、20:00測(cè)定。測(cè)量土壤深度分別為5、10、15、20、25 cm。

1.3.2 土壤水分

在谷子播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期、收獲后采用烘干法測(cè)定0～100 cm土層的土壤含水量，步長(zhǎng)20 cm，共5個(gè)土層分別取土樣，各處理均在種植行間取樣，計(jì)算土壤貯水量、農(nóng)田耗水量及水分利用效率。成熟后各小區(qū)隨機(jī)取樣15株，風(fēng)干后對(duì)株高、穗長(zhǎng)、莖粗、莖節(jié)數(shù)、穗粗、單株草種、單株穗重、單株粒重及千粒重進(jìn)行室內(nèi)考種。收獲期按小區(qū)收獲株穗進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)土壤含水量W/%=(土壤鮮質(zhì)量-土壤干質(zhì)量)/土壤干質(zhì)量×100

(2)土壤貯水量SWS=W×d×ρ×10

式中，W為土壤貯水量/mm；d為土層深度/cm；ρ為土壤容重/g·cm-3，本試驗(yàn)各土層ρ平均為1.23 g·cm-3；W為土壤含水量/%。

(3)農(nóng)田耗水量ET=ΔSWS+P，ΔSWS=SWSi-SWSj

式中，ET為谷子生育期農(nóng)田耗水量/mm；ΔSWS為其生育期土壤貯水量變化量/mm；P為谷子生育期降雨量/mm。本試驗(yàn)區(qū)無灌溉條件、無地表徑流且地下水位低無深層地下水可利用，因此均不計(jì)入農(nóng)田耗水量。

(4)水分利用效率WUE=Y/ET

式中，WUE為水分利用效率/kg·hm-2·mm-1，Y為谷子籽粒產(chǎn)量/kg·hm-2，ET為其生育期農(nóng)田總耗水量/mm。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理、圖形制作與方差分析分別采用Excel2010及SPSS17.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜方式下谷子全生育期內(nèi)地積溫變化

兩年間各生育階段5～25 cm土層平均溫度存在一定的差異(表1)，這與測(cè)定時(shí)間、土壤三相組分、氣溫及降雨量密切相關(guān)，從圖1可以看出，2015年播前一段時(shí)間(4月份)降雨顯著多于2016年(P<0.05)，相應(yīng)的土壤貯水量高于2015年，而土壤三相系統(tǒng)中，水分是影響溫度最為重要的成分，高的土壤貯水量會(huì)使土壤保持較高的熱量，導(dǎo)致土壤溫度在兩年間不同生育階段存在差異，最終體現(xiàn)在地積溫指標(biāo)上，表現(xiàn)出顯著的差異。2015一膜三年覆蓋(A1)和一膜一年覆蓋(A2)較露地(CK)地積溫分別高出145.2 ℃、165.7 ℃；2016一膜三年覆蓋(A1)和一膜一年覆蓋(A2)較露地(CK)地積溫分別高出149.6 ℃和、161.7 ℃；覆膜處理的土壤溫度累積效應(yīng)依次為A2>A1>CK。

2.2 不同覆膜方式下谷子生育期內(nèi)耗水特征

2.2.1 不同覆膜方式下谷子生育期內(nèi)耗水量差異

播前、收獲后的土壤貯水量決定土壤貯水耗水量，在播前整地完成后，當(dāng)天完成覆膜處理的情況下，土壤貯水量變化兩年變化趨勢(shì)完全一致，表現(xiàn)為A2>A1>CK(表2)，原因在于一膜一年覆蓋(A2)及露地條播(CK)在整地及覆膜處理期間土表水分蒸發(fā)作用的結(jié)果，而收獲后土壤貯水量的差異是不同處理積水效果、作物生長(zhǎng)發(fā)育耗水及土壤蒸發(fā)等的綜合結(jié)果。土壤貯水耗水量的結(jié)果顯示，兩年間均表現(xiàn)CK>A2>A1，原因在于露地(CK)處理的土壤貯水蒸發(fā)損耗量顯著高于A1、A2(P<0.05)，而A2>A1原因可能在于整地后土壤結(jié)構(gòu)疏松，利于谷子根系延深生長(zhǎng)，加大了土壤貯水消耗量。

表1不同處理下5～25cm土層平均溫度及谷子全生育期內(nèi)地積溫差異/℃

Table1Thedifferenceofsoilaveragetemperatureof5～25cmlayeratdifferentdevelopmentstagesandaccumulatedtemperatureonfoxtailgrowthstage

年份Years處理Treatments生育時(shí)期Growth stages 播前Before seeding苗期Emergent stage拔節(jié)期Jointing stage抽穗期Heading stage成熟期Maturation stage收獲后After harvest地積溫Soil cumulative temperatureA119.0 22.9 26.9 23.4 18.1 14.6 3 432.9 2015A218.7 24.6 27.0 24.3 16.1 14.8 3 453.4 CK17.6 21.9 25.9 23.2 15.6 15.3 3 287.7 A113.7 28.6 26.9 27.1 18.0 20.0 3 695.5 2016A214.3 28.8 27.0 27.3 17.9 19.4 3 707.6 CK14.0 25.7 26.2 26.9 17.4 18.8 3 545.9

表2 不同處理下谷子生育期內(nèi)土壤耗水量變化Table 2 Change of soil water consumption amount in foxtail millet growth stages under treatments

注:同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note：Different lowercase letters show significant difference at the 0.05 level in the same column.

2.2.2 不同覆膜方式下谷子不同生育階段土壤貯水耗水量差異

圖2顯示谷子不同生育土壤貯水量變化在兩年間差異較大，2015、2016年播前至出苗期表現(xiàn)為土壤貯水，且A2>A1>CK，在降雨量相同的情況下，說明一膜一年用覆蓋模式(A2)的集雨效果明顯優(yōu)于一膜三年用(A1)及露地條播(CK)，隨著谷子生育進(jìn)度的推進(jìn)，土壤貯水耗水量逐漸加大，2015年在拔節(jié)末至抽穗初，降雨量較多的情況下，抽穗至成熟期土壤貯水耗水量達(dá)到高峰值，且A2>CK>A1，說明一膜一年用加強(qiáng)了對(duì)土壤貯水的消耗量，2016年在谷子播前至拔節(jié)期降雨較多、土壤貯水量較高，拔節(jié)末期至成熟期嚴(yán)重干旱情況下，土壤貯水耗水量集中于抽穗期，而谷子生育中后期的嚴(yán)重干旱造成用于末期產(chǎn)量形成中土壤貯水供給的不足。

2.2.3 不同覆膜方式下谷子不同土層貯水耗水特征

2015年豐水年份，0～60 cm土層貯水耗水量表現(xiàn)為CK>A2>A1，60～100 cm土層貯水耗水量表現(xiàn)為A2>A1>CK，覆膜處理加大了對(duì)深層土壤貯水的消耗，2016年嚴(yán)重干旱年份0～100 cm土層貯水耗水量均為CK>A2>A1，露地條播(CK)各土層耗水量顯著的高于覆膜處理，說明干旱伴隨的高溫導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)量露地條播(CK)遠(yuǎn)高于覆膜處理的水分蒸發(fā)量，致土壤貯水耗水量達(dá)到最高值，一年一用覆膜處理(A2)60～80 cm土層貯水耗水量明顯高于一膜三年覆蓋處理(A1)，說明在干旱年份A2亦加強(qiáng)了對(duì)土壤深層貯水的消耗，原因在于土壤翻耕后利用根系向深生長(zhǎng)，利用對(duì)深層土壤水分的利用(圖3)。

圖2 各處理不同生育階段土壤貯水量變化Fig.2 Change of soil water storage amounts in foxtail millet growth stage under treatmentsS(插前)，E(苗期)，J(拔節(jié)期)，H(抽穗期)，M(成熟期)，A(收獲后)。S (Before seeding), E (Emergent stage), J (Jointing stage),H (Heading stage), M (Maturation stage),A (After harvest).

圖3 各處理不同土層貯水耗水量變化Fig.3 Change of soil water storage consumption amounts in different treatment

2.3 不同覆膜方式對(duì)谷子主要農(nóng)藝性狀的影響

2015年豐水年份較2016年嚴(yán)重干旱年份，谷子各性狀除莖粗外，均表現(xiàn)出較高的性狀值，干旱加快了谷子成熟進(jìn)度，影響基部節(jié)間伸長(zhǎng)生長(zhǎng)(表3)。2015年各處理間除生育期、莖節(jié)數(shù)、穗粗、千粒重在各處理間無顯著差異外，株高、穗長(zhǎng)、莖粗、單株穗重、單株粒重、單株草重覆膜處理(A1、A2)顯著的高于露地條播(CK)，而A1、A2之間差異不顯著，但均A2處理各性狀值均高于A1，說明一年一用覆膜栽培更有利于谷子生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成。2016年嚴(yán)重干旱年份，僅有株高、穗長(zhǎng)、單株穗重、單株粒重、單株草重5個(gè)性狀在一膜一年用覆蓋處理(A2)與一膜三年用覆蓋處理(A1)、露地條播(CK)間存在顯著差異，而A1與CK比較各性狀表現(xiàn)值高，但兩者間差異不顯著，說明嚴(yán)重干旱年份一膜三年覆蓋栽培方式對(duì)谷子的性狀形成作用較小，可能在于一膜多年用對(duì)地膜、溝壟結(jié)構(gòu)的破壞及土壤緊實(shí)度的增加，不利用集雨和谷子根系生長(zhǎng)，導(dǎo)致地上部分形態(tài)建成次于一膜一年用覆蓋(A2)栽培方式。

表3 不同處理下谷子主要農(nóng)藝性狀的變化Table 3 Change of main agronomic traits of foxtail millet under different treatment

注:PD(生育期)，PH(株高)，MPL(穗長(zhǎng))，MSD(莖粗)，NNMS(莖節(jié)數(shù))，MPD(穗粗)，SW(單株穗重)，GWP(單株粒重)，SWP(單株草重)，TGW(干粒重)。

Note：PD(Period of duration),PH(Plant height),MPL(Main panicle length),MSD(Main stem diameter),NNMS(Node number of main stem),MPD(Main panicle diameter),SW(Spike weight per plant),GWP(Grain weight per plant),SWP(Straw weight per plant),TGW(1000-grain weight).

2.4 不同覆膜方式對(duì)水分利用效率及產(chǎn)量的影響

2015年A1、A2、CK產(chǎn)量依次為為4 711.7、5 620.6、3 969.6 kg·hm-2，水分利用效率依次為為13.5，14.7、10.0 kg·hm-2·mm-1，2016年A1、A2、CK產(chǎn)量依次為為2 049.3、2 989.1、1 842.6 kg·hm-2，水分利用效率依次為為10.2、13.5、7.7 kg·hm-2·mm-1，兩年產(chǎn)量、水分利用效率A2顯著高于A1、CK，A1顯著高于CK。一膜三年覆蓋(A1)較一膜一年覆蓋(A2)水分利用效率降低1.2、3.3 kg·hm-2·mm，減產(chǎn)16.2%、31.4%，但一膜三年用(A1)較露地條播(CK)水分利用效率提高2.5、3.5 kg·hm-2·mm-1，增產(chǎn)11.2%、18.7%。一膜三年覆蓋較一膜一年覆蓋種植減少了地膜投入和勞力投入，會(huì)寧地區(qū)地膜和鋪膜勞力投入3 500元左右，谷子價(jià)格為3元·kg-1，一膜三年覆蓋種植谷子收益仍然高于一膜一年覆蓋種植谷子，綜合考慮勞力、投入產(chǎn)出比是適宜于半干旱雨養(yǎng)區(qū)推廣的栽培模式。

圖4 不同處理下谷子產(chǎn)量及水分利用效率變化Fig.4 Change of yield and water use efficiency of foxtail millet under the different treatment

2.5 不同覆膜方式下的經(jīng)濟(jì)效益分析

3種模式在其余農(nóng)事操作相同的情況下，投入差異主要來自于播前機(jī)械整地和鋪膜的人工投入、地膜及種子投入。由表4可見，雙壟溝一膜三年用(A1)較一膜一年用(A2)和露地(CK)每畝分別減少投入97.3%、94.1%。依據(jù)2015-2016年當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)谷子平均單價(jià)為2.4元·kg-1，良種價(jià)為5.0元·kg-1，谷子秸稈為0.4元·kg-1，A1、A2、CK3種模式下2015年谷子每667 m2產(chǎn)草重分別為901.0、815.0、452.2 kg，2016年谷子畝產(chǎn)草重分別為789.6、723.8、374.0 kg，在不計(jì)入人工投入的情況下，2年間，雙壟溝一膜三年用(A1)較雙壟溝一膜一年用(A2)和露地(CK)每畝分別增收95.9～109.0元、275.8～279.4元?？梢钥闯觯p壟溝一膜三年用是一種投入產(chǎn)出效益較高，且操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保的種植模式，適宜于干旱半干旱區(qū)推廣。

表4 不同覆膜方式下谷子經(jīng)濟(jì)效益分析Table 4 Foxtail millet economic benefit analysis under different film mulching patterns

3 結(jié)論與討論

一膜兩年用可顯著提高土壤含水量和土壤貯水量，提高水分利用效率，促進(jìn)作物增產(chǎn)[7]，同時(shí)可有效抑制農(nóng)田棵間蒸發(fā)、減少水分無效損失，顯著提高單方水效益[9]，本研究比較研究了一膜三年覆蓋、一膜一年覆蓋、露地條播下的貯水保墑效果，發(fā)現(xiàn)土壤耗水量一膜三年覆蓋較一膜一年覆蓋、露地條播分別低19.2～32.7 mm、38.2～49.6 mm，在豐水年份對(duì)60～100 cm深層土壤水分的調(diào)用能力弱于一膜一年覆蓋，強(qiáng)于露地條播，在嚴(yán)重干旱年份，均弱于一膜一年覆蓋和露地條播,但能均衡調(diào)控谷子各生育期內(nèi)的耗水需求，使其水分利用效率和產(chǎn)量顯著高于露地條播，這與侯慧芝等[10]在小麥中覆膜對(duì)其不同生育時(shí)期耗水強(qiáng)度的調(diào)控效應(yīng)相似，但其增產(chǎn)潛力顯著低于一膜一年用，這亦與一膜兩年用中的增產(chǎn)效果差異很大[11，12]。此外研究發(fā)現(xiàn)[13，14]，一膜一年用覆蓋栽培具有明顯的增溫效應(yīng)，能促苗早發(fā)，補(bǔ)給地積溫的不足，降低春季凍害和干旱造成的影響。覆膜可提高作物苗期0～10 cm土層地溫1～2 ℃，增加冬前的耕層活動(dòng)積溫160℃[15，16]，利于成苗和成穗，本研究發(fā)現(xiàn)，0～25 cm土層地積溫一膜三年用覆蓋較一膜一年用覆蓋低12.1～20.5 ℃，但較露地條播高145.2～149.6 ℃，說明一膜三年用覆蓋仍具有與一膜一年用覆蓋栽培基本相同的保溫效果。水溫效應(yīng)的綜合作用導(dǎo)致谷子株高、穗長(zhǎng)、單株穗重、單株粒重、單株草重等性狀生長(zhǎng)發(fā)育高于露地條播，進(jìn)而顯著提高了谷子產(chǎn)量，增產(chǎn)達(dá)10%以上，干旱年份增產(chǎn)尤其明顯，另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年我國地膜覆蓋面積為1 833萬hm2，地膜使用量達(dá)到145.5萬t，并且年使用量呈逐年增多趨勢(shì)，但是地膜回收率不足60%[17]，廢舊地膜對(duì)環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，而一膜三年覆蓋種植提高地膜使用年限，明顯減小了環(huán)境污染，增加了地膜的重復(fù)利用效率，與一膜一年覆蓋種植相比降低了生產(chǎn)成本，雖然谷子產(chǎn)量降低，但是收益增加。綜合一膜三年用下的水溫效應(yīng)、投入產(chǎn)出效益及生態(tài)環(huán)境保護(hù)效應(yīng)，雙壟溝一膜三年覆蓋種植技術(shù)是一項(xiàng)適宜于半干旱雨養(yǎng)區(qū)大面積推廣種植的技術(shù)。