覆膜和補(bǔ)灌對雜交谷子產(chǎn)量形成與水分利用效率的影響

高 亮張維宏杜 雄郭 江宋晉輝王曉明趙治海

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) / 河北省作物生長調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北保定 071001;2河北北方學(xué)院, 河北張家口 075000;3張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河北張家口 075000

覆膜和補(bǔ)灌對雜交谷子產(chǎn)量形成與水分利用效率的影響

高 亮1,**張維宏1,**杜 雄1,*郭 江2宋晉輝2王曉明3趙治海3

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) / 河北省作物生長調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北保定 071001;2河北北方學(xué)院, 河北張家口 075000;3張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河北張家口 075000

針對干旱對雜交谷子的生產(chǎn)限制及耗水與產(chǎn)量的關(guān)系尚不明確的問題, 通過大田試驗(yàn)研究了不同降水年型下地膜覆蓋與補(bǔ)灌對雜交谷子產(chǎn)量形成與耗水的影響。結(jié)果表明, 播后40～80 d是雜交谷子需水關(guān)鍵期, 拔節(jié)時(shí)補(bǔ)灌增加了單位面積有效穗數(shù), 110 mm水分蒸散是提高抽穗期生物產(chǎn)量的充分條件; 全生育期耗水400 mm可獲得較高籽粒產(chǎn)量。抽穗期生物產(chǎn)量是籽粒產(chǎn)量形成的基礎(chǔ), 產(chǎn)量形成具有“遞進(jìn)決定”的特征, 覆膜結(jié)合補(bǔ)灌顯著提高了抽穗期生物產(chǎn)量。豐水年覆蓋條件下或在欠水年, 補(bǔ)灌增加了花后干物質(zhì)量; 欠水年雨養(yǎng)花后物質(zhì)在營養(yǎng)器官中累積, 補(bǔ)灌促進(jìn)了營養(yǎng)器官物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移。補(bǔ)灌下覆膜籽粒增產(chǎn) 10.1%～18.6%, 比露地提高水分利用效率 10.7%～19.4%。在欠水年, 雨養(yǎng)時(shí)覆膜下的籽粒產(chǎn)量較露地更低, 補(bǔ)灌是顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率的必要條件。豐水年覆膜能顯著提高籽粒產(chǎn)量和補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng), 欠水年補(bǔ)灌的增產(chǎn)效果則優(yōu)于覆蓋。地膜覆蓋結(jié)合拔節(jié)期或抽穗期適量補(bǔ)灌是提高雜交谷子產(chǎn)量和水分利用效率的有效方法。

雜交谷子; 地膜覆蓋; 補(bǔ)充灌溉; 產(chǎn)量; 水分利用效率

谷子是我國北方農(nóng)區(qū)傳統(tǒng)作物。雜交谷子的培育成功, 為利用雜種優(yōu)勢促進(jìn)谷子增產(chǎn)和提高水土資源利用效率奠定了生物基礎(chǔ)[1], 其特有的糧、經(jīng)、飼等多用性效能, 業(yè)已引起社會的廣泛關(guān)注[2-3]。雜交谷子具有個(gè)體強(qiáng)壯、葉源量大、根系發(fā)達(dá)等與普通谷子不同的屬性, 由此決定了與其配套栽培調(diào)控措施的特異性。半干旱區(qū)水資源稀缺是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最大的限制因素, 干旱脅迫抑制了谷子的生長發(fā)育與產(chǎn)量的提高[4-5], 谷子生產(chǎn)迫切需要科學(xué)合理灌溉、有效保蓄農(nóng)田水分和提高水分利用效率[7]。由于試驗(yàn)條件的不同, 郭賢仕[8]的研究表明, 谷子苗期和拔節(jié)期干旱脅迫后復(fù)水能夠通過超補(bǔ)償效應(yīng)提高水分利用效率, 而王永麗等[9]認(rèn)為拔節(jié)期干旱對谷子農(nóng)藝性狀影響最為嚴(yán)重, 灌漿期干旱則產(chǎn)量顯著降低。地膜覆蓋的保水與增溫作用, 加快了整個(gè)生育期谷子的生長速度和促進(jìn)產(chǎn)量提升, 較露地種植有效提高了抽穗期光合速率和水分利用效率[10-11]。在熱帶干旱地區(qū)對御谷(別稱“珍珠粟”)的研究表明,增加灌水和磷肥供應(yīng)[12-13]、提高種植密度[14-15]均可有效提高產(chǎn)量和水分利用效率, 其中原因之一就在于集約管理解除了水肥對御谷生長的限制和因農(nóng)田覆蓋度提高而顯著減少了水分的無效蒸發(fā)?？梢娫诠茸由a(chǎn)的必要生育時(shí)期實(shí)施合理灌溉和有效覆蓋是保證其產(chǎn)量的重要措施。雜交谷子的培育成功是近年來谷子研究領(lǐng)域的一項(xiàng)突破性成果[1,16],隨后對其生理的探討做了較為深入的研究[17-20]。但在通過栽培措施調(diào)控雜交谷子的生產(chǎn)性能方面, 也僅有施肥水平[21-22]和種植密度[23-24]對雜交谷子產(chǎn)量影響的報(bào)道。在水分利用方面, 董寶娣等[25]和姜凈衛(wèi)等[26]研究了雨養(yǎng)旱作條件下地膜覆蓋對雜交谷子的生產(chǎn)效果, 而在灌溉條件下結(jié)合地膜覆蓋圍繞雜交谷子的水分利用和耗水特性方面的研究鮮見報(bào)道, 如何充分發(fā)揮雜交谷子的生產(chǎn)潛力, 顯著提高其產(chǎn)量的灌水、節(jié)水和用水的研究具有重要意義。本研究將重點(diǎn)分析和明確地膜覆蓋和補(bǔ)充灌水管理下雜交谷子的全生育期耗水動態(tài)、產(chǎn)量及其水分利用效率, 為雜交谷子高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

實(shí)施田間試驗(yàn)的河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院宣化沙嶺子試驗(yàn)站(40.69°N, 114.93°E)地處溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū), 多年平均日照時(shí)數(shù) 2800 h、降水量370 mm、無霜期140 d左右, 年均氣溫7.7℃, 作物春播一年一熟種植。全年降水的 65%以上集中在 7月至9月, 地下水埋深20 m以下。試驗(yàn)田土壤為栗鈣土, 耕層土壤容重1.50 g cm-3, 0～40 cm土層含有機(jī)質(zhì)12.52 g kg-1、全氮42.87 mg kg-1、速效磷18.31 mg kg-1、速效鉀130.25 mg kg-1。1.6 m土體田間持水量533 mm, 平均飽和重量含水量25.6%。試驗(yàn)站內(nèi)有自動氣象站記錄全年的氣象條件, 2013年為豐水年, 生育期降水364.4 mm; 2014年為欠水年, 生育期降水257.5 mm (圖1)。兩個(gè)年度的降水差異主要體現(xiàn)在8月上旬(雜交谷子開花)前, 開花前降水多少是本試驗(yàn)條件下豐水年與欠水年的重要區(qū)別。

圖1 雜交谷子生長期間降水量Fig. 1 Precipitation during the growth period of hybrid millet

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013—2014年, 以張雜谷 5號為材料, 在露地和覆膜(-M)兩種主處理下, 設(shè)置(1)播種后雨養(yǎng)(RF)、(2)拔節(jié)期補(bǔ)灌60 mm [JI(60)]、(3)拔節(jié)期與抽穗期各補(bǔ)灌60 mm [JHI(120)]、(4)拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期各補(bǔ)灌60 mm [JHFI(180)] 4個(gè)水分處理, 3次重復(fù)。小區(qū)面積6 m×6 m, 各小區(qū)之間設(shè)置1 m寬的隔離帶。

播種前15 d小水造墑, 確保出苗。均勻撒施底肥后旋耕, 田面鎮(zhèn)壓后人工條播, 行距33 cm, 播后踏實(shí)種植溝, 使種子與土壤緊密接合。對于覆蓋處理, 用寬60 cm、厚0.01 mm的地膜覆蓋地面, 用土壓實(shí)地膜兩側(cè)。兩個(gè)年度分別在 5月 13日和5月18日播種。出苗后膜上及時(shí)開孔放苗和間苗, 并覆土封堵孔口以減少土壤水分蒸發(fā)損失?？卓陂g距≥10 cm。五葉期全田定苗, 每孔留苗一株, 全田密度27萬株 hm-2。其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

施肥量為N 255 kg hm-2、P2O5120 kg hm-2、K2O 255 kg hm-2。全部磷、鉀肥和30%氮肥作為底肥, 70%氮肥在拔節(jié)期壟行中間開溝追施。為不破壞地膜和確保肥效一致, 全田采用隔行開溝追氮, 正好在兩幅地膜行間的覆土接合處開溝。灌溉處理于追氮后灌溉, 雨養(yǎng)處理在氮肥溝埋后等雨。氮肥為尿素、磷肥為磷酸二銨、鉀肥為氯化鉀。

當(dāng)雜交谷子旗葉開始變黃干枯時(shí)收獲, 兩個(gè)年度的收獲時(shí)間分別為9月30日和9月27日。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)和產(chǎn)量 于抽穗期(谷穗全部抽出但未開花)和成熟期(收獲前)從每小區(qū)地面處收取代表性樣株 6株。抽穗期按整株即全部營養(yǎng)器官、成熟期按籽粒(帶殼)和營養(yǎng)器官分樣, 105℃殺青后80℃烘至恒重并稱重, 計(jì)算收獲指數(shù), 并根據(jù)種植密度折算單位面積生物產(chǎn)量。收獲時(shí)在各小區(qū)中心區(qū)域(未受到取樣破壞)隨機(jī)選取3行×3 m的樣本計(jì)數(shù)穗數(shù), 根據(jù)行距折算單位面積穗數(shù), 而后剪取果穗晾曬30d, 稱重、計(jì)算單個(gè)谷穗重量, 脫粒后稱量籽粒重量和千粒重, 使用谷物水分測定儀測定各小區(qū)谷粒含水率后, 按含水率13.5%折算千粒重和產(chǎn)量。

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量 = 揚(yáng)花期營養(yǎng)器官干重-成熟期營養(yǎng)器官干重

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率(%) = 干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/揚(yáng)花期單株干重×100

花后干物質(zhì)積累量 = 成熟期單株籽粒干重-干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量

花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率(%) = 花后干物質(zhì)積累量/成熟期單株籽粒干重×100

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率(%) = 干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期單株籽粒干重×100

1.3.2 土壤貯水量、田間水分蒸散量和水分利用效率 采用烘干法測定土壤重量含水量。在播后及此后每40 d監(jiān)測一次1.6 m土壤含水量, 每10 cm為一層。灌水前、單次降水量超過50 mm或連續(xù)一周累積降水超過60 mm時(shí)的2 d內(nèi), 加測土壤含水量一次。在本研究中, 如果監(jiān)測到1.6 m土壤實(shí)際貯水量超過田間持水量即為發(fā)生土壤滲漏。兩個(gè)年度內(nèi)的降水和灌水均未發(fā)生徑流損失。

土壤貯水量(mm) = 土層厚度(cm) × 土壤容重(g cm-3) × 土壤重量含水量 × 10

土壤貯水消耗量 (mm) = 本生育階段初土壤含水量 - 本生育階段末土壤含水量

水分蒸散量(mm) = 土壤貯水消耗量 + 降水量+ 灌水量 - 滲漏量

水分利用效率 (kg mm-1hm-2) = 籽粒產(chǎn)量 /全生育期水分蒸散量

灌水利用效率 (kg mm-1hm-2) = (補(bǔ)灌處理籽粒產(chǎn)量-雨養(yǎng)處理籽粒產(chǎn)量)/補(bǔ)灌量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2003繪圖, 用SAS 8.0進(jìn)行方差分析, 并用Duncan’s新復(fù)極差法檢驗(yàn)顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤貯水變化與階段耗水量

2.1.1 土壤貯水變化 在豐水年(2013年), 播種后120 d, 各處理的土壤貯水達(dá)最大值, 按照1.6 m土體田間持水量533 mm 計(jì)算, 兩種條件下補(bǔ)灌180 mm時(shí)還出現(xiàn)了8.0～25.5 mm的土壤水分滲漏。收獲時(shí)土壤貯水除露地雨養(yǎng)較播種時(shí)降低6.1 mm外,其他處理均有不同程度增加, 最多可增加110 mm以上(圖2)。因此如何實(shí)現(xiàn)收后豐富的土壤貯水有效保蓄至翌年春季播種時(shí)的“非生長季減耗”, 對作物節(jié)水生產(chǎn)具有重要意義。

在欠水年(2014年), 播后40 d內(nèi)各處理因無灌溉, 土壤貯水露地處理減少 24.5～37.1 mm、覆蓋下減少13.7～26.0 mm; 因降水較少, 播后40～80 d內(nèi)雨養(yǎng)處理在露地和覆蓋下的土壤供水分別為 34.8 mm和 23.4 mm, 此后土壤貯水量均保持一種平穩(wěn)態(tài)勢直至收獲, 可見本試驗(yàn)條件下 1.6 m土體貯水 320 mm以上才可視為實(shí)際的有效供水。欠水年隨補(bǔ)灌量增加, 收獲時(shí)的土壤貯水較播種時(shí)由虧損轉(zhuǎn)至盈余。若提高土壤供水能力, 則需最大限度地提高播前土壤的貯水量, 上茬作物收獲后土壤貯水的有效保蓄是雜交谷子高效用水的關(guān)鍵所在。

圖2 不同處理雜交谷子全生育期0～160 cm土體水分變化Fig. 2 Changes of soil water content in 0-160 cm layer during hybrid millet growth period under different treatments

2.1.2 階段蒸散量 播后 40 d內(nèi)(苗期)未灌水,覆蓋處理顯著低于露地, 2個(gè)年型均是如此(圖3和圖4)。拔節(jié)期灌水后, 播后40～80 d (穗期)內(nèi), 相同補(bǔ)灌量下的蒸散量(ET)覆膜與露地差異不顯著, 補(bǔ)灌處理顯著高于雨養(yǎng), 在欠水年這種特征表現(xiàn)更為明顯。在豐水年, 播后80 d直至成熟(灌漿期), 露地各補(bǔ)灌處理的 ET無顯著差異, 覆蓋下也僅有雨養(yǎng)在播后80～120 d內(nèi)低于2次補(bǔ)灌處理, 這說明抽穗后ET主要由降水決定。在欠水年, 播后40 d至成熟各處理ET隨補(bǔ)灌量增加而增加, 雨養(yǎng)最少, 灌水則是ET的主要決定因素。

綜合來看, 播后40～120 d是雜交谷子蒸散速率最大的時(shí)期, 階段ET占總量的2/3～3/4。在欠水年,穗期雨養(yǎng)處理比補(bǔ)灌少耗水 39.4～63.8 mm, 正是雨養(yǎng)下因這一時(shí)期干旱造成產(chǎn)量顯著降低, 此后雖然雨養(yǎng)處理與拔節(jié)期補(bǔ)灌的 ET無顯著差異, 但抽穗后較多的降水和蒸散對雨養(yǎng)的雜交谷子彌補(bǔ)產(chǎn)量損失無顯著意義(表1)。年型間對比表明, 欠水年雨養(yǎng)處理穗期僅少耗水33.3～36.4 mm, 抽穗后ET也無顯著差異, 但產(chǎn)量相差 1倍以上, 說明播后 40～80 d (穗期)耗水是提高產(chǎn)量和“耗水質(zhì)量”的關(guān)鍵, ＞110 mm的ET是獲得高產(chǎn)的充分條件。

2.2 籽粒產(chǎn)量與水分利用

圖3 豐水年不同處理雜交谷子的階段蒸散量Fig. 3 Evapotranspiration of hybrid millet in different growing stages under different treatments in wet year圖柱上不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。Bars represented by different letters are significantly different among treatments at the 0.05 probability level.

2.2.1 籽粒產(chǎn)量 在豐水年, 相同補(bǔ)灌量時(shí)覆膜較露地能夠顯著提高單穗重和千粒重, 而露地下補(bǔ)灌數(shù)量對二者影響不大; 露地下拔節(jié)期補(bǔ)灌能夠顯著增加單位面積穗數(shù), 覆蓋后僅拔節(jié)期一次補(bǔ)灌對穗數(shù)無顯著作用(表1)。不少于2次補(bǔ)灌的處理, 露地條件下比雨養(yǎng)平均提高籽粒產(chǎn)量4.2%; 覆蓋下比雨養(yǎng)增產(chǎn) 9.5%, 并顯著高于其他處理 7.2%～21.7%;僅拔節(jié)期補(bǔ)灌的籽粒產(chǎn)量與雨養(yǎng)無顯著差異。相同補(bǔ)灌量下覆膜的產(chǎn)量顯著高于露地 10.8%～18.6%,這表明在豐水年地膜覆蓋能顯著增產(chǎn)并提高了補(bǔ)灌的增產(chǎn)效應(yīng)。

圖4 欠水年不同處理雜交谷子的階段蒸散量Fig. 4 Evapotranspiration of hybrid millet in different growing stages under different treatments in dry year圖柱上不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。Bars represented by different letters are significantly different among treatments at the 0.05 probability level.

在欠水年, 拔節(jié)期補(bǔ)灌比雨養(yǎng)增加了37.8% (露地)和22.7% (覆蓋)的穗數(shù), 還顯著提高了覆蓋下的穗重。雨養(yǎng)下覆蓋處理的穗重較露地更低, 抽穗期補(bǔ)灌的穗重較雨養(yǎng)提高了21.1% (露地)和84.7% (露地)。灌漿期繼續(xù)補(bǔ)灌對提高穗數(shù)和穗重的效果則不再顯著。干旱提高了雨養(yǎng)下的千粒重, 相同主處理下千粒重在不同補(bǔ)灌處理間不具顯著差異。拔節(jié)期補(bǔ)灌較雨養(yǎng)增產(chǎn)籽粒 54.7%～94.7%, 此后補(bǔ)灌產(chǎn)量繼續(xù)提高, 但增幅變小; 補(bǔ)灌量相同時(shí), 覆膜較露地增產(chǎn) 10.1%～15.4%?？梢娗匪暄a(bǔ)灌是增產(chǎn)的必要條件, 增產(chǎn)效果補(bǔ)灌優(yōu)于覆蓋。

2.2.2 全生育期蒸散量與水分利用效率(WUE)

表2表明, 兩種年型下補(bǔ)灌量≤120 mm時(shí), 隨灌水增加ET顯著增加; 補(bǔ)灌量＞120 mm后, ET則不再顯著增加。補(bǔ)灌越少, 相同處理的ET欠水年與豐水年的差值就越多, 補(bǔ)灌180 mm時(shí)的ET兩個(gè)年型間無顯著差異。覆膜促進(jìn)雜交谷子生長發(fā)育的作用,導(dǎo)致播后40～120 d內(nèi)相同補(bǔ)灌量覆膜處理ET較露地增多(圖3和圖4), 結(jié)果是同一年度相同補(bǔ)灌處理的ET在覆蓋與露地間無顯著差異, 覆蓋并不能顯著減少雜交谷子全生育期耗水。兩種年型且不論覆膜與否, 全生育期400 mm左右的ET可獲得較高產(chǎn)量。

表1 不同處理的雜交谷子產(chǎn)量Table 1 Yield of hybrid millet under different treatments

在豐水年, 補(bǔ)灌導(dǎo)致WUE變小, 覆膜雨養(yǎng)處理最高; 而在欠水年, 雨養(yǎng)雜交谷子受制于7月和8月上旬持續(xù)的“卡脖旱”(圖1), 因低產(chǎn)致其 WUE最低,補(bǔ)灌能夠顯著提高WUE, 無論覆蓋還是露地, WUE在3個(gè)補(bǔ)灌處理間無顯著差異。不論降水年型, 相同補(bǔ)灌量下覆膜比露地WUE提高10.7%～19.4%, 表明覆膜雖不能降低耗水“數(shù)量”, 但能顯著提高用水“質(zhì)量”。不同年型下的灌溉水利用效率具有顯著差異,而且隨著補(bǔ)灌量的增加表現(xiàn)出顯著降低的趨勢, 受旱后及時(shí)適量補(bǔ)灌是提高產(chǎn)量和灌溉水利用效率的必要條件。

2.3 干物質(zhì)累積與轉(zhuǎn)移

2.3.1 不同年型下干物質(zhì)與轉(zhuǎn)移的比較 在豐水年, 雨養(yǎng)雜交谷子抽穗期生物產(chǎn)量較此前補(bǔ)灌處理降低 4.9%～10.5% (露地)和6.9%～11.7% (覆蓋), 這說明即使在豐水年雨養(yǎng)雜交谷子抽穗前也受到了水分脅迫。露地下拔節(jié)期補(bǔ)灌處理與覆蓋雨養(yǎng)的生物產(chǎn)量無顯著差異, 表明覆膜效果相當(dāng)于一次灌水,相同補(bǔ)灌量下覆蓋處理的生物產(chǎn)量和花后物質(zhì)生產(chǎn)顯著高于露地(表3)?；ê蟾晌镔|(zhì)在露地各處理間無顯著差異, 說明露地下抽穗后補(bǔ)灌對增產(chǎn)的效果不大; 而在覆蓋下, 花后干物質(zhì)隨補(bǔ)灌量增加而增加,較雨養(yǎng)提高10.6%～17.9%, 也由此導(dǎo)致補(bǔ)灌180 mm的干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移量較雨養(yǎng)顯著降低和花后物質(zhì)對籽粒貢獻(xiàn)率顯著提高。營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移量具有隨補(bǔ)灌量增加而減少的趨勢。綜合來看雨養(yǎng)或少灌水在豐水年有利于收獲指數(shù)(HI)的提高。

在欠水年, 雨養(yǎng)下覆膜因干旱減少生物產(chǎn)量的負(fù)面作用較露地更大, 這與豐水年不同; 補(bǔ)灌和補(bǔ)灌下覆膜更顯著地提高了生物產(chǎn)量和花后物質(zhì)生產(chǎn)。灌漿期補(bǔ)灌與否對成熟期生物產(chǎn)量無顯著作用,抽穗時(shí)一次補(bǔ)灌即可滿足花后需要。雨養(yǎng)下, 抽穗期較低的生物產(chǎn)量導(dǎo)致花后干物質(zhì)累積和營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量顯著降低, 較小“庫容”而不能容納更多花后干物質(zhì), 甚至出現(xiàn)花后物質(zhì)在營養(yǎng)器官中累積、轉(zhuǎn)移量為負(fù)值的現(xiàn)象, 說明欠水年適時(shí)適量補(bǔ)灌可有效提高物質(zhì)生產(chǎn)與轉(zhuǎn)移效率?；ê笪镔|(zhì)累積具有隨補(bǔ)灌量增加而增加與豐水年類似的趨勢, 因補(bǔ)灌后“庫容”增幅大于花后干物質(zhì)累積增幅, 導(dǎo)致花后物質(zhì)對籽粒的貢獻(xiàn)率隨補(bǔ)灌增加而下降, 覆蓋下更為明顯。欠水年雨養(yǎng) HI顯著低于各補(bǔ)灌處理,覆蓋下比露地更低, 補(bǔ)灌顯著提高HI的結(jié)果與豐水年不同。

表2 不同處理雜交谷子的全生育期蒸散量和水分利用效率Table 2 Total evapotranspiration and water use efficiency of the hybrid millet under different treatments

圖5 雜交谷子抽穗期生物量同花后生物量、成熟期生物產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 5 Relationship of biomass at heading with biomass at maturity and dry matter accumulation after anthesis

圖6 雜交谷子抽穗期生物量同干物質(zhì)轉(zhuǎn)移、籽粒產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 6 Relationship of biomass at heading with dry matter translocation and grain yield

2.3.2 抽穗時(shí)生物產(chǎn)量與產(chǎn)量形成的關(guān)系 抽穗期生物產(chǎn)量決定了花后物質(zhì)累積和成熟期生物產(chǎn)量,雜交谷子生物產(chǎn)量形成具有“遞進(jìn)決定”關(guān)系, 抽穗期生物產(chǎn)量也是營養(yǎng)器官物質(zhì)轉(zhuǎn)移和籽粒產(chǎn)量的決定因素(圖5和圖6)?；貧w分析表明, 雜交谷子抽穗期的生物產(chǎn)量同花后生物量累積呈二次曲線關(guān)系,花后物質(zhì)增加幅度隨著抽穗期生物產(chǎn)量增加呈減少趨勢, 本試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)花后物質(zhì)仍呈線性增長,遠(yuǎn)未達(dá)到最大值。抽穗期生物產(chǎn)量與成熟期生物產(chǎn)量呈顯著正相關(guān), 兩個(gè)時(shí)期有 1.00∶1.96的數(shù)量關(guān)系。抽穗期生物產(chǎn)量與營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)移也呈二次曲線關(guān)系, 當(dāng)抽穗期生物產(chǎn)量為12 638 kg hm-2時(shí),營養(yǎng)器官物質(zhì)轉(zhuǎn)移可達(dá)到最大值, 繼而又可獲得較高收獲指數(shù)。抽穗期生物產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量同樣為二次曲線關(guān)系, 抽穗期生物產(chǎn)量達(dá)到20 771 kg hm-2時(shí)可獲得最高的籽粒產(chǎn)量, 與當(dāng)前相比籽粒產(chǎn)量仍有較大提升潛力。覆膜結(jié)合拔節(jié)至抽穗的水分供應(yīng),是提高花前生物產(chǎn)量進(jìn)而獲得較高籽粒產(chǎn)量的前提條件, 覆膜下抽穗期補(bǔ)灌保證花后物質(zhì)生產(chǎn)則是提高產(chǎn)量的必要保證。

3 討論

在半干旱區(qū)冷涼農(nóng)作區(qū), 地膜覆蓋可有效地增加積溫。在作物生育前期, 冠層尚未大面積遮擋太陽輻射, 增溫效果較為突出, 因而實(shí)現(xiàn)了作物提早播種和生長發(fā)育, 又可有效延長作物的生殖生長或灌漿時(shí)間[26-29], 提高光合速率和促進(jìn)干物質(zhì)累積與轉(zhuǎn)運(yùn)[27], 產(chǎn)量得以顯著提高[25,30-32]。當(dāng)水分不是限制因子時(shí), 雜交谷子的顯著增產(chǎn)效果再次證明了地膜覆蓋的作用。然而地膜覆蓋導(dǎo)致作物顯著減產(chǎn)的結(jié)果也屢見報(bào)道, 譬如因膜下整個(gè)生育期持續(xù)較高的溫度[33-34]和 CO2濃度[35], 導(dǎo)致馬鈴薯和春小麥產(chǎn)量顯著下降[33-34,36]。同樣是半干旱冷涼區(qū)全生育期地膜覆蓋, 雜交谷子與馬鈴薯、春小麥產(chǎn)量結(jié)果迥然不同的原因在于 C4與 C3作物對較高溫度和 CO2濃度響應(yīng)的差異, 全生育期覆膜提高土壤溫度的效應(yīng)造成對C3作物——馬鈴薯和春小麥在生育后期的負(fù)向抑制, 而對C4作物則發(fā)揮了正向的促進(jìn)作用。Zhao等[34]對馬鈴薯種植后 65 d的半生育期覆蓋增產(chǎn)33.9%～92.5%的結(jié)果則為C3作物后期受到抑制而減產(chǎn)提供了證據(jù), 而Dong等[25]、Liu等[37]和Li等[38]對全生育期地膜覆蓋促進(jìn) C4作物增產(chǎn)的研究結(jié)果也證明了全程覆膜是春播區(qū)雜交谷子增產(chǎn)的必要因素。

已有研究表明, 覆膜有顯著的保墑作用[25,32,37-39]。而本研究表明, 在雨養(yǎng)條件下底墑較差且降水嚴(yán)重不足時(shí), 覆膜因溫度適宜促進(jìn)雜交谷子前期快速生長, 反而加劇其受旱和籽粒形成受抑制程度。2014年抽穗前的持續(xù)干旱, 雨養(yǎng)下覆膜雜交谷子抽穗前的生物產(chǎn)量甚至比常規(guī)露地種植的還低(表3), 同時(shí)因“卡脖旱”導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量降低12.5%。因此作物覆膜種植應(yīng)遵循“蓋濕不蓋干”的原則[40]。實(shí)踐證明提高土壤溫度是覆膜增產(chǎn)的充分條件, 而及時(shí)及量的水分供應(yīng)則是增產(chǎn)的必要條件。本研究也表明, 穗期(拔節(jié)-開花)充分供水是營養(yǎng)體建成、生殖體形成和籽粒產(chǎn)量的基礎(chǔ), 抽穗前嚴(yán)重水分脅迫后, 即使在花后有較為充足的降水對恢復(fù)產(chǎn)量的作用也變得十分有限, 雜交谷子產(chǎn)量形成與耗水的關(guān)系在時(shí)間序列上與冬小麥類似[41], 同樣具有沒前者則無后者“串聯(lián)遞進(jìn)”的用水特征, 保證穗期水分供應(yīng)是增加“籽粒數(shù)量”和提高“耗水質(zhì)量”的關(guān)鍵。當(dāng)降水總量不足且時(shí)間分布與其作物需求嚴(yán)重錯(cuò)位時(shí), 通過及時(shí)適量補(bǔ)灌以緩解降水供應(yīng)同作物需求在“數(shù)量與時(shí)間”上的不平衡, 依然是提高雜交谷子產(chǎn)量的重要保證。試驗(yàn)表明, 即使生長季降水總量較大但單次降水也常為無效水、且相鄰兩次降水間隔時(shí)間較長而不能累加為有效水, 客觀上存在著“即使在豐水年雨養(yǎng)雜交谷子抽穗前也受到水分脅迫”的結(jié)果(表3)。相同數(shù)量的“非目的性”的降水和“有目的性”的補(bǔ)灌對形成產(chǎn)量的效果是不同的, 甚或可視為不同“質(zhì)量”的水分供應(yīng)。

本研究表明, 當(dāng)補(bǔ)灌＞120 mm時(shí), 收獲時(shí)的土壤水分顯著高于播種時(shí)(圖2), 因而灌溉農(nóng)田水分的非生育期有效保蓄則成為減少灌溉、高效用水和維持產(chǎn)量的又一關(guān)鍵所在。何立謙等[41]在冬小麥上秋季實(shí)施的全田土下地膜覆蓋、跨季節(jié)跨年度調(diào)水技術(shù)為非生育期土壤水分保蓄和下茬作物高效用水提供了借鑒, 在較長“時(shí)間”上緩解或平衡了水分“數(shù)量”供需錯(cuò)位, 結(jié)合姚建民等[42]的滲水地膜或微孔地膜使用又可實(shí)現(xiàn)降水的順暢入滲, 實(shí)現(xiàn)水分在土壤“空間”上的蓄存。因谷子不宜重茬種植, 上述方法或思路可通過其他作物與雜交谷子輪作來實(shí)現(xiàn)。一般情況下, 農(nóng)田因灌溉和夏秋降水, 作物收獲時(shí)的土壤含水量較多, 因此把谷田春播時(shí)地表覆膜改為上茬作物收獲后土下覆膜則可實(shí)現(xiàn)“秋水春用”, 這也是對傳統(tǒng)地膜覆蓋技術(shù)的改進(jìn), 也遵循了“蓋濕不該干”覆膜原則, 從而為雜交谷子春季正常播種、出苗和生長提供較為充足的水分保障。借鑒甘肅省全膜覆土穴播小麥技術(shù)的“甘谷模式”, 在膜上打孔穴播雜交谷子又可實(shí)現(xiàn)蓋膜、覆土和播種的機(jī)械化操作。又鑒于我國北方半干旱區(qū)年際間、季節(jié)間降水分布不平衡的氣候原因和雜交谷子大面積旱作的生產(chǎn)特點(diǎn), 農(nóng)田水分多少和有效保蓄則成為其高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的決定性因素。前人研究表明, 黃土高原夏季休閑期麥田深耕可有效蓄積降水、增加底墑而實(shí)現(xiàn)伏雨春用[43-44], 增加小麥產(chǎn)量。鑒于此, 干旱或半干旱完全雨養(yǎng)區(qū)通過農(nóng)田一年深耕覆蓋休閑蓄水、翌年種植的策略來實(shí)現(xiàn)高產(chǎn), 可視為一種累加土壤水分、有效克服干旱限制的雜交谷子栽培方法。

對于殘膜對作物后續(xù)產(chǎn)量和環(huán)境的影響問題,畢繼業(yè)等[45]的研究表明, 在覆膜技術(shù)使用 36年后,殘膜污染所造成的農(nóng)作物減產(chǎn)率將大于由覆蓋帶來的增產(chǎn)率, 再持續(xù)16年則可全部抵消增產(chǎn)的全部產(chǎn)量, 因而得出了現(xiàn)有殘膜回收技術(shù)條件下使用地膜覆蓋是不經(jīng)濟(jì)的結(jié)論。然而這個(gè)結(jié)論是以作物產(chǎn)量作為指標(biāo)評價(jià)的, 如果將節(jié)水帶來的生態(tài)效益或開采地下水資源導(dǎo)致的生態(tài)和社會成本考慮在內(nèi), 覆膜不經(jīng)濟(jì)的結(jié)論則需進(jìn)一步商榷, 而且可以通過改革農(nóng)業(yè)政策或制度促進(jìn)地膜回收機(jī)制創(chuàng)新和技術(shù)的突破。就目前技術(shù)和制度條件下, 雜交谷子地膜覆蓋種植同樣存在著殘膜污染農(nóng)田或回收增加成本的技術(shù)不足, 但在非覆蓋節(jié)水條件下導(dǎo)致的地下水超采問題, 長此以往勢必會造成地下水甚或枯竭的后果, 由此引發(fā)的緩發(fā)性次生地質(zhì)災(zāi)害如地面下沉和局部塌陷[46]等造成的經(jīng)濟(jì)、社會與生態(tài)損失不可估量。因此用發(fā)生在農(nóng)田表面、可視并可控的地膜“顯性污染”去替代發(fā)生在地下深處、不可視且不可控地下水漏斗擴(kuò)大甚或枯竭的“隱性災(zāi)難”, 采用“優(yōu)效替代”的緩解策略具有重要意義。

4 結(jié)論

補(bǔ)灌條件下地膜覆蓋可提高雜交谷子 10.1%～18.6%的籽粒產(chǎn)量, 覆膜顯著提高了灌水的增產(chǎn)效果, 補(bǔ)灌后覆膜的增產(chǎn)效果與降水年型關(guān)系不大。豐水年補(bǔ)灌降低了水分利用效率, 欠水年則與此相反。地膜覆蓋不能降低全生育期耗水量, 但提高了補(bǔ)灌條件下15%左右的WUE。欠水年雨養(yǎng)條件下覆膜可造成較露地更嚴(yán)重的水分脅迫而顯著降低產(chǎn)量。雜交谷子抽穗期生物產(chǎn)量是籽粒產(chǎn)量的基礎(chǔ),產(chǎn)量形成具有“遞進(jìn)決定”的特征, 苗后40～80 d是雜交谷子需水關(guān)鍵期, 穗期 110 mm的蒸散量是增產(chǎn)的前提, 全生育期耗水 400 mm可獲得較高籽粒產(chǎn)量。欠水年拔節(jié)期補(bǔ)灌是保證穗數(shù)的基礎(chǔ), 抽穗期補(bǔ)灌是提高穗重的保證。地膜覆蓋結(jié)合拔節(jié)期或抽穗期及時(shí)適量補(bǔ)灌是雜交谷子獲得高產(chǎn)和高效用水的有效技術(shù)方法。

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Effects of Plastic-Film Mulching and Supplementary Irrigation on Yield Formation and Water Use Efficiency of Hybrid Millet

GAO Liang1,**, ZHANG Wei-Hong1,**, DU Xiong1,*, GUO Jiang2, SONG Jin-Hui2, WANG Xiao-Ming3, and ZHAO Zhi-Hai3

1Agricultural University of Hebei / Hebei Key Laboratory of Crop Growth Regulation, Baoding 071001, China;2Hebei North University, Zhangjiakou 075000, China;3Zhangjiakou Academy of Agricultural Sciences, Zhangjiakou 075000, China

Hybrid millet is a new type of foxtail millet and widely planted in semi-arid plateau area in North China. However, drought is one of the major limited factors for increasing grain yield effectively. So we conducted field experiments in 2013 (wet year) and 2014 (dry year) to examine the effect of supplementary irrigation with plastic-film mulching on yield formation and water use efficiency of hybrid millet. For hybrid millet, 40-80 days after sowing was the critical period of water requirement, the supplementary irrigation at jointing stage helped to increase seed heads quantity, from jointing to heading not less than 110 mm of evapotranspiration (ET) was the sufficient condition for producing enough biomass. Achieving a higher grain yield needed an ET of 400 mm during whole growing season. The biomass at heading stage determined the subsequent grain yield with a characteristic of “stage hierarchy determination”, supplementary irrigation with plastic-film mulching increased biomass at heading stage significantly. Under mulching of wet year or in dry year, supplementary irrigation increased dry matter production after flowering. In dry year under rainfed condition dry matter after flowering accumulated in vegetative organs, supplementary irrigation promoted to translocate the dry matter from vegetative organs into grains. Under supplementary irrigation, plastic-film mulching increased grain yield by 10.1%-18.6% and WUE by 10.7%-19.4% compared with un-mulching, respectively. In dry year, becauseof the persistent drought before heading, under rainfed condition plastic-film mulching resulted in a grain yield lower than un-mulching, supplementary irrigation was a necessary condition for increasing yield and WUE. In wet year, supplementary irrigation decreased WUE, plastic-film mulching increased grain yield and improved the yield-increasing effect of supplementary irrigation. In dry year, the yield-increasing effect of supplementary irrigation was better than that of plastic-film mulching. In conclusion, plastic-film mulching combined with suit irrigation at jointing and/or heading is an effective way to increase yield and WUE of hybrid millet.

Hybrid millet; Plastic-film mulching; Supplementary irrigation; Yield; Water use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2017.00122

本研究由國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD06B02), 河北省青年優(yōu)秀拔尖人才專項(xiàng)基金和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)作物科梯隊(duì)建設(shè)基金(TD2016C204)資助。

This study was supported by the China National Key Technology R&D Program (2011BAD06B02), the Hebei Provincial Fund for Outstanding Young Scholars, and the Fund of Research Group Construction for Crop Science in Hebei Agricultural University (TD2016C204).

*通訊作者(Corresponding author): 杜雄, E-mail: duxiong2002@163.com**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

聯(lián)系方式: 高亮, E-mail: gaolianghebau@163.com; 張維宏, E-mail: zhangwh@hebau.edu.cn

稿日期): 2016-01-30; Accepted(接受日期): 2016-09-18; Published online(

日期): 2016-10-08.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20161008.1534.002.html