溝壟集雨種植模式下谷子種植密度對土壤水分及產(chǎn)量的影響

劉　啟，賈志寬，連延浩，張旭東，任小龍，王俊鵬，韓清芳

(西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 農(nóng)業(yè)部旱地作物生產(chǎn)與生態(tài)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

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溝壟集雨種植模式下谷子種植密度對土壤水分及產(chǎn)量的影響

劉啟，賈志寬，連延浩，張旭東，任小龍，王俊鵬，韓清芳

(西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 農(nóng)業(yè)部旱地作物生產(chǎn)與生態(tài)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

摘要：為探索半干旱地區(qū)溝壟集雨種植模式下不同種植密度對旱地谷子降雨生產(chǎn)潛力的影響，以谷子品種大同29為試材，設(shè)置低、中、高三種留苗密度，于2013—2014年在寧南半干旱區(qū)進(jìn)行了大田試驗(yàn)。結(jié)果表明，在兩種降雨年型下，集雨各密度產(chǎn)量和總耗水量均隨密度的升高而增加，在雨水偏少的2014年谷子總耗水量較少，中、高密度產(chǎn)量亦無顯著差異(P>0.05)；高密度處理兩年平均產(chǎn)量較低密度增加26.41%，總耗水量平均增加10.40%；谷子抽穗期土壤含水率、各時期0～200 cm土壤儲水量及收獲期供水能力在兩種降雨年型下均隨密度的升高而降低。WUE在多雨的2013年隨留苗密度的增加而升高，在少雨的2014年則以中密度WUE最高，達(dá)到24.35 kg·mm(-1)·hm(-2)，且該年WUE平均較2013年高10.37 kg·mm(-1)·hm(-2)。

關(guān)鍵詞：集雨種植；谷子；密度；水分利用效率

我國北方旱區(qū)因氣候變化在近50年間氣溫升高了1.8℃，地表蒸發(fā)明顯加大，水資源的供需矛盾不斷加劇[1]，具體到寧南半干旱偏旱區(qū)，由于當(dāng)?shù)亟涤暝谀觌H間年際內(nèi)的分布極不均勻，作物春旱、“卡脖旱”時有發(fā)生[2]，谷子雖為旱地適生種，但其生產(chǎn)潛力的發(fā)揮仍常受制于水分的虧缺[3]。通過耕作栽培技術(shù)的創(chuàng)新提高降水利用率及利用效率[4-7]，是減緩旱地作物水分供需矛盾的重要途徑。已有的研究及生產(chǎn)示范表明，旱地溝壟集雨種植技術(shù)能夠改善降水的空間分配，增強(qiáng)種植區(qū)水分的供應(yīng)能力，同時有效地抑制蒸發(fā)，具有顯著的保水蓄墑效果[8-10]。集雨種植模式溝壟寬度比通常采用60 cm∶60 cm，通過壟上覆膜、溝內(nèi)種植，種植溝內(nèi)的水分[11]、溫度[12]以及肥力狀況得到了顯著改善，對于玉米等大株作物來說，由于相對傳統(tǒng)平作不涉及種植面積的損失，增產(chǎn)效果明顯[13-15]，對于小麥等小株作物來說，種植面積損失明顯，但通過分蘗調(diào)節(jié)總穗數(shù)通常也能實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[16-17]，而對于無分蘗谷子品種來說，在降雨量較少的旱作區(qū)作物增產(chǎn)幅度大于因播種面積減少而損失的產(chǎn)量[17-18]，在降雨更多的年份以及改變種植溝內(nèi)留苗密度時的產(chǎn)量表現(xiàn)與耗水規(guī)律則尚不明確。

現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)表明，以往關(guān)于旱地集雨種植技術(shù)的研究，主要集中于溝壟比配置[19-21]、土壤養(yǎng)分[22-23]、適用降雨量范圍[24-25]及集雨補(bǔ)灌[26]等方面，對于該模式下無分蘗小株作物種植密度的研究還未見相關(guān)報道。因此，本研究以寧南旱區(qū)旱地谷子集雨種植模式為對象，通過設(shè)置3種不同種植密度分析其對土壤水分狀況及相應(yīng)產(chǎn)量的影響，以期為進(jìn)一步充分挖掘降雨生產(chǎn)潛力和完善旱地集雨栽培技術(shù)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013—2014年在寧夏南部旱農(nóng)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行(固原市彭陽縣長城村)，該地區(qū)年平均降水量430 mm左右，其中70%的降雨集中在7—9月份。年平均氣溫6.1℃，年平均日照時數(shù)2 518.2 h，年蒸發(fā)量1 753.2 mm，干燥度(≥0℃的蒸發(fā)量)為1.21～1.99，無霜期140～160 d。試驗(yàn)田為旱平地，土壤質(zhì)地為黃綿土。兩年試驗(yàn)前茬作物均為玉米，兩年谷子生育期降雨總量及其分布差異巨大，具體情況見表1。

表1　2013年及2014年谷子生育期降雨量分布

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，溝壟集雨種植模式下設(shè)置低密度(TD1)、中密度(TD2)和高密度(TD3)三種種植密度，并以平作傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)留苗密度(CK)為對照，共4個處理(見表2)，每處理3次重復(fù)。谷子集雨種植如圖1所示，溝內(nèi)種植3行，相同株行距下集雨處理較同面積平作少1/4苗數(shù)。谷子播前15天整地起壟，集雨處理溝壟寬度均為60 cm，壟上覆薄膜，壟高10～15 cm，集雨與平作施肥水平均為N 180 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，整地后一次性深翻施入，集雨處理肥料集中施入到種植溝中。

表2　密度設(shè)置具體情況

供試谷子品種為大同29，2013年和2014年分別于4月20日、4月30日開溝條播，四葉期采用刻度繩定苗，保證精確控制株距；并分別于9月14日、9月24日分區(qū)收獲。

1.3測定方法與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.3.1土壤含水率采用土鉆法取樣，取樣深度200 cm，其中前20 cm每10 cm一層，20～200 cm每20 cm一層，共分11層，取樣時間為播前、收獲后以及谷子生育期間各重要時期，測定方法為烘干法。

圖1谷子溝壟集雨種植示意圖

Fig.1Diagrammatic sketch of micro-water harvesting planting mode for foxtail millet

本研究將采用土壤含水率、土壤儲水量、耗水量等指標(biāo)對谷子耗水狀況進(jìn)行分析，其計(jì)算公式如下所示：

土壤含水率=100%×(濕土重-干土重)/(干土重-鋁盒重)

(1)

土壤儲水量(mm)=土層厚度(mm)×土壤含水率(%)×土壤容重

(2)

某生育階段耗水量(mm)=前一時期土壤儲水量(mm)-該時期土壤儲水量(mm)+該階段總降雨量(mm)

(3)

收獲時土壤供水能力(mm)=收獲時0-200cm土壤儲水量(mm)-播前0-200cm土壤儲水量(mm)

(4)

1.3.2產(chǎn)量和收獲期地上部干物質(zhì)量的測定成熟時平作對照每處理選取15株大小均勻并具代表性的植株進(jìn)行考種和地上部干物質(zhì)量的測定。由于集雨種植邊行存在顯著的邊際效應(yīng)[27]，集雨各處理邊、中行分別選取15株具代表性的植株進(jìn)行測定，各處理最終產(chǎn)量取三個重復(fù)的平均值。集雨處理產(chǎn)量計(jì)算方法如下：

集雨產(chǎn)量(kg·hm-2)=0.001×(邊行穗粒重(g)×單位公頃邊行穗數(shù)+中行穗粒重(g)×單位公頃中行穗數(shù))

(5)

1.3.3統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，文中圖表采用Sigma Plot 10.0及AutoCAD 2011繪制，數(shù)據(jù)的分析采用SPSS 13.0完成。

2結(jié)果與分析

2.1不同種植密度對抽穗期土壤含水率的影響

抽穗期為谷子生育過程中的需水關(guān)鍵期[3]。從圖2可以看出，2013年谷子播種至抽穗，各處理40～200 cm土壤含水率較播前(BS)增加十分顯著，TD1、TD2、TD3及CK分別較之增加30.65%、28.18%、27.83%和21.89%；總體看來，谷子抽穗期0～200 cm土壤含水率隨集雨種植密度的增加而降低，并均顯著高于CK(P<0.05)，各處理在該時期0～200 cm平均土壤含水率處于21.12%～22.63%之間，水分供應(yīng)狀況良好。

2014年谷子抽穗期0～120 cm土層土壤含水率較播前(BS)出現(xiàn)大幅下降，而120～200 cm土壤含水率較播前減小不顯著。各處理在0～20 cm和120～200 cm土層之間土壤含水率差異均不顯著(P>0.05)，而在20～120 cm之間，土壤平均含水率表現(xiàn)為TD1>TD2>CK>TD3，與多雨的2013年相比，2014年并未出現(xiàn)CK土壤含水率大幅低于集雨各密度處理的情況。各處理在該時期0～200 cm平均土壤含水率處于13.34%～14.63%之間，水分供應(yīng)狀況遠(yuǎn)不如2013年，但也未達(dá)到致使谷子受害的水平[3]。

2.2不同種植密度對0～200 cm土壤儲水量的影響

由圖3可以看出，谷子集雨各密度處理各主要生育階段0～200 cm土壤儲水量在兩年間均隨密度的增加而增大，且2013年各時期處理間的變異幅度均大于2014年相應(yīng)時期；平作CK土壤儲水量在2013年各時期均顯著低于集雨各密度處理(P<0.05)，在2014年則處于TD2與TD3之間。

谷子0～200 cm土壤儲水量動態(tài)在兩年間表現(xiàn)出完全不同的變化規(guī)律。2013年土壤儲水量在抽穗期達(dá)到最大，平均高達(dá)634.1 mm，之后持續(xù)下降至灌漿中期，而灌漿中期至收獲期則幾無變化，收獲時土壤儲水量較播前平均增加42.97 mm。2014年各處理0～200 cm平均土壤儲水量則從播前的551.4 mm持續(xù)下降至灌漿中前期的379.91 mm，至收獲又驟增至544.02 mm，收獲時平均較播前減少7.4 mm。

圖2　2013年及2014年谷子抽穗期土壤含水率

圖32013年和2014年0～200 cm土壤儲水量動態(tài)變化

Fig.3Dynamic changes of soil water storage at 2 m depth in 2013 and 2014

2.3不同種植密度對谷子主要生育階段耗水量的影響

由圖4可以看出，在2013年谷子播種至抽穗階段，CK耗水量高達(dá)277.48 mm，較同期TD1、TD2及TD3分別多耗水18.8%、12.3%和12.4%；從抽穗期至灌漿期，集雨各處理耗水量隨密度的升高而增加，其中TD3耗水185.46 mm，顯著高于其余各處理(P<0.05)，CK耗水172.58 mm且與TD2差異不顯著(P>0.05)；從灌漿期至收獲期，TD2和CK耗水量最大且差異不顯著(P>0.05)，但二者均顯著高于TD1與TD3(P<0.05)，此外，TD3耗水量在該階段較前一階段下降幅度最大。

圖42013年及2014年谷子主要生育階段耗水量

Fig.4Water consumption at main growth stages of foxtail millet in 2013 and 2014

在2014年谷子播種至抽穗階段，各處理耗水量表現(xiàn)為TD3>CK>TD2>TD1，處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；從抽穗至灌漿中期，TD2處理耗水79.47 mm，顯著高于其它各處理(P<0.05)，該階段TD3耗水量較前一階段出現(xiàn)大幅下降；從灌漿中期至收獲期，CK耗水35.85 mm，且顯著高于集雨各處理(P<0.05)，集雨各處理耗水量隨密度的增加而減少，其中TD1與TD2及TD2與TD3兩兩差異不顯著(P>0.05)，此外，TD2耗水量在該階段較前一階段減少幅度最大。

總體來看，2013年谷子各處理各主要生育階段的耗水量均顯著高于降雨偏少的2014年，其在播種至抽穗，抽穗至灌漿中期及灌漿中期至收獲三個階段平均耗水量較2014年分別高68.28 mm，108.53 mm和36.40 mm。

2.4不同種植密度對谷子地上部群體干物質(zhì)量、產(chǎn)量及WUE的影響

由表3可知，谷子收獲時地上部群體干物質(zhì)量以及籽粒產(chǎn)量在兩年間均隨密度的增加而增大，其中在2014年TD2籽粒產(chǎn)量與TD3差異不顯著(P>0.05)，且該年谷子各處理籽粒產(chǎn)量平均較2013年增加12.1%；與TD1相比，TD2、TD3及CK籽粒產(chǎn)量在2013年分別增加14.15%、29.33%和15.97%(P<0.05)，在2014年TD2與CK增產(chǎn)幅度分別增加了7.47%與0.88%，TD3增幅則減小了5.55%。

表3　2013年和2014年不同密度處理谷子產(chǎn)量與WUE

谷子集雨各處理全生育期總耗水量在兩年間均隨密度的升高而增加，CK總耗水量在2013年高于集雨各處理(P<0.05)，在2014年則處于TD2與TD3之間。各處理收獲時土壤供水能力在2013年均為正值，收獲期0～200 cm儲水量較播前平均增加42.97 mm；在2014年僅TD1處理0～200 cm土壤儲水量較播前有所增加，TD2、TD3及CK分別較播前減少6.19 mm(P<0.05)、22.00 mm(P<0.05)及14.49 mm(P<0.05)。

在降雨充沛的2013年谷子產(chǎn)量水分利用效率(WUE)隨密度的增加而升高，其中TD3處理達(dá)到14.05 kg·mm-1·hm-2，顯著高于其余各處理(P<0.05)，TD1、TD2及CK三者之間差異則不顯著(P>0.05)。在干旱的2014年，TD2處理WUE最高，達(dá)到24.35 kg·mm-1·hm-2，TD3與CK差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于TD1處理(P<0.05)，該年各處理WUE平均較2013年提高約10.37 kg·mm-1·hm-2(P<0.05)。

3討論

3.1對土壤水分的影響

王曉凌等[28]對玉米不同密度溝壟集雨種植的研究結(jié)果表明，玉米生長前期土壤含水率隨密度增加而降低，在生長后期密度之間差異不顯著，本研究中谷子抽穗期土壤含水率在兩年間均隨集雨留苗密度增加而降低，結(jié)果與之較為相似；另外，中密度處理抽穗期土壤含水率在2013年和2014年分別較同密度CK高5.13%和4.70%，說明無論在豐水年還是欠水年，溝壟集雨種植均能改善作物田間水分供應(yīng)狀況，這與任小龍等[29]在模擬降雨量下的研究結(jié)果一致；在2014年CK>TD3則與該年谷子播種至抽穗期降雨較少有關(guān)，集雨增加的水分不足以抵消株數(shù)增加而消耗的水分。

谷子各時期0～200 cm土壤儲水量均隨集雨留苗密度的增加而減少，且在兩種降雨年型下的動態(tài)變化規(guī)律差異巨大。在2013年，播種至抽穗期儲水量增大至最大，這一結(jié)果與該階段降雨較多有直接關(guān)系[30]；抽穗至灌漿中期儲水量減少，則是該階段谷子耗水量較大與降雨量偏少土壤水分蒸發(fā)較強(qiáng)共同作用的結(jié)果[4]；后期因降雨增多、谷子生長需水減少使灌漿中期至收獲期儲水量基本保持平衡[31]。在2014年由于谷子隨生育進(jìn)程的推進(jìn)耗水不斷增加而降雨極度偏少致使播種至灌漿中期土壤儲水量持續(xù)下降，而灌漿中期至收獲期土壤儲水量的驟增則與谷子生育后期需水減少且降雨量過大過于集中有關(guān)(見表1)。

孫景生等研究發(fā)現(xiàn)[32]，棵間土壤蒸發(fā)與表層土壤濕潤次數(shù)及土壤含水率呈正相關(guān)，降雨多或灌溉量過大均可能造成棵間土壤蒸發(fā)加大及植株的奢侈蒸騰，本研究中2013年谷子各階段耗水量均高于2014年，全生育期總耗水量則較2014年平均高188.53 mm，這與該年降雨較多有關(guān)。另外，在2013年谷子播種至灌漿階段以及2014年播種至抽穗階段耗水量均隨集雨種植密度的增加而增加，表明谷子中前期耗水量與基本苗數(shù)密切相關(guān)[33]；TD3耗水量分別在2013年灌漿至收獲階段及2014年抽穗至灌漿階段相對TD1和TD2出現(xiàn)大幅下降，TD2耗水量僅在2014年灌漿至收獲相對TD1出現(xiàn)明顯下降，驟降時期也晚于同年TD3，這可能是由于高密度處理耗水高峰較靠前，加之因密度大營養(yǎng)空間小致其衰老較早，因而在后期耗水減少[34]，且在欠水年谷子密度越大，個體間競爭越激烈，生育后期衰老越早[35]。

3.2對谷子產(chǎn)量及水分利用效率的影響

已有的研究表明[3]，在降雨充沛的年份，谷子可以適當(dāng)密植，而在降雨稀少的年份密植則易造成禿尖禿碼，秕粒多，不利于產(chǎn)量的提高。本研究中谷子各處理籽粒產(chǎn)量在2013及2014年均隨集雨種植密度的增加而增加，但在少雨的2014年中密度與高密度處理產(chǎn)量差異不顯著，即在干旱年份中密度是集雨種植谷子的上限密度。另外，集雨種植中密度相對平作對照在少雨的2014年每公頃增產(chǎn)287.05 kg，而在2013年則差異不顯著，在單位面積基本苗數(shù)相同時未實(shí)現(xiàn)明顯增產(chǎn)，這與以往的研究結(jié)果不太相同[8]，可能與2013年降雨充沛集雨意義不大有關(guān)[36]。

任小龍等2006年的研究認(rèn)為生育期降雨量過大反而不利于WUE的提高[29]，本研究中谷子WUE在2013年較2014年平均低10.37 kg·mm-1·hm-2，結(jié)果與之一致。在2013年WUE隨集雨種植密度的增加而升高，說明該年水分不是谷子生長的限制因子，提高種植密度可充分利用降雨有助于增加產(chǎn)量，這與王曉凌等[28]對玉米不同密度溝壟集雨種植的研究結(jié)果較為相似。在少雨的2014年中密度處理的WUE最高，這與于亞軍等[37]在寧南地區(qū)的研究結(jié)果一致。

與平作對照相比，兩年規(guī)律基本一致，在同密度條件下，集雨處理產(chǎn)量與之持平或略有增加，但WUE更高，說明溝壟集雨種植能提高作物WUE；在更高密度下，集雨處理產(chǎn)量和WUE均有所增加，但在欠水年WUE增加不顯著；在同株行距條件下，集雨低密度處理整體產(chǎn)量低于平作對照，且WUE較之更低，這也進(jìn)一步說明集雨低密度種植不能充分發(fā)揮谷子的降雨生產(chǎn)潛力。

4結(jié)論

無論在豐水年還是欠水年，溝壟集雨種植均能改善谷子抽穗期土壤水分供應(yīng)狀況，起到蓄水保墑的作用，且谷子抽穗期土壤含水率及0～200 cm土壤儲水量均隨集雨留苗密度的增加而減少。

谷子生育期總耗水量在兩種降雨年型下均隨溝壟集雨留苗密度的增加而增加，且豐水年耗水量遠(yuǎn)大于欠水年。留苗密度越大生育后期耗水減少越明顯，耗水減少出現(xiàn)的時期也越早。

兩種降雨年型下的谷子產(chǎn)量均隨集雨留苗密度的升高而增加，其中欠水年集雨中、高密度產(chǎn)量差異不顯著。豐水年WUE隨集雨留苗密度的升高而增加，而欠水年中密度WUE最高。

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Effects of planting density on water consumption and yield of foxtail millet under ridge-furrow rainfall harvesting planting mode

LIU Qi, JIA Zhi-kuan, LIAN Yan-hao, ZHANG Xu-dong, REN Xiao-long, WANG Jun-peng, HAN Qing-fang

(ChineseInstituteofWater-savingAgriculture,NorthwestA&FUniversity,KeyLaboratoryofCropProductionandEcology,MinisterofAgriculture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：In order to explore the yield potential of foxtail millet under different planting densities, cv.Datong 29 was field tested in semi-arid southern Ningxia province in 2013 and 2014, and three planting densities were set under the ridge-furrow rainfall harvesting planting mode. The results showed that water consumption, yield and WUE were all enhanced with the increase of density in both years. Water consumption was reduced in 2014 when amount of precipitation was decreased and the difference between yields by middle and by high densities was not significant (P>0.05). In both years, water supply capacity at harvesting stage, soil water storage of 0～200 cm underground and soil moisture during jointing stage became all decreased with the increase of density. With the increase of planting density, WUE in 2013 with high precipitation was gradually increased; while in 2014 with low precipitation, WUE by middle density was the highest, reaching 24.35 kg·mm(-1)·hm(-2). Average WUE in 2014 had a gain of 10.37 kg·mm(-1)·hm(-2) from that in 2014.

Keywords:ridge-furrow rainfall harvesting planting mode; foxtail millet; planting density; WUE

中圖分類號：S318；S359.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：劉啟(1990—)，男，湖北孝感人，碩士研究生，主要從事旱地農(nóng)業(yè)研究。 E-mail：hjdlq1990@163.com。通信作者：賈志寬(1962—)，山西朔州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱區(qū)農(nóng)業(yè)水分高效利用研究。 E-mail:zhikuan@tom.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD09B03)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAD29B09);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2014KTZB02-03-02)

收稿日期：2015-01-14

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.13

文章編號：1000-7601(2016)02-0081-07