半干旱區(qū)溝壟集雨種植谷子的肥料效應(yīng)及其增產(chǎn)貢獻(xiàn)

陳雪嬌 張旭東 韓治中 張 鵬 賈志寬 連延浩韓清芳,*

1 農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 陜西楊凌 712100; 2西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西楊凌 712100

我國干旱半干旱地區(qū)遍及北方 16個(gè)省(市), 土地面積占國土總面積的 52.5%, 旱作耕地面積占全國耕地總面積51.9%, 在我國農(nóng)業(yè)中占有重要地位。這些地區(qū)擁有豐富的光熱資源, 具有作物高產(chǎn)的能量基礎(chǔ), 但其年平均降水量僅為250～550 mm, 水資源匱乏伴隨的養(yǎng)分利用不足, 嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[1]。

溝壟集雨結(jié)合覆膜種植作為主要的一種旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)能有效改善土壤供水能力及生育期集水保水效果, 緩解旱區(qū)作物水分供需錯(cuò)位矛盾并提高水分利用效率[2], 且作物生長前期覆膜的增溫作用使生育期提前, 較傳統(tǒng)露地顯著提高了產(chǎn)量[3-6]。實(shí)踐證明, 旱作農(nóng)業(yè)中充分利用水分和養(yǎng)分的耦合效應(yīng)才能獲得最大的增產(chǎn)效果[7-10]。合理的氮磷鉀配施, 可以增加葉面積并提高光合效率[11]; 促進(jìn)作物根系生長, 擴(kuò)大作物對水分和養(yǎng)分的吸收空間, 提高蒸騰耗水量減少無效蒸發(fā)從而提高作物的水分利用效率,最終達(dá)到增產(chǎn)增效[12-14]。肥料的增產(chǎn)作用不僅在于肥料本身為作物生長提供養(yǎng)分, 其與旱地土壤水分的互作效應(yīng)也不容忽視。研究表明, 旱地施肥的“以肥調(diào)水”作用, 可使欠水年谷子產(chǎn)量達(dá)到平水年水平,削弱水分供應(yīng)不足對產(chǎn)量的限制[15]。因此在溝壟集雨種植模式改善農(nóng)田土壤水分的條件下, 進(jìn)行合理施肥對進(jìn)一步挖掘旱區(qū)谷子增產(chǎn)潛力與提高水分生產(chǎn)效率十分重要。

谷子是旱地的主要作物之一, 適應(yīng)性較強(qiáng), 在我國種植歷史悠久, 以傳統(tǒng)栽培技術(shù)種植為主, 單產(chǎn)水平較低。鑒于旱地溝壟集雨種植技術(shù)的顯著增產(chǎn)效應(yīng), 而其水分調(diào)控下的養(yǎng)分管理研究還較少,本研究在寧夏南部典型旱作區(qū)設(shè)置了溝壟半覆蓋集雨種植條件下谷子的不同施肥水平試驗(yàn), 分析半干旱地區(qū)集雨種植模式下養(yǎng)分供應(yīng)水平對谷子個(gè)體生長特征的影響, 明確水肥因子的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率, 為建立半干旱地區(qū)谷子的科學(xué)管理模式、挖掘產(chǎn)量潛力和完善集雨種植技術(shù)體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

在寧夏回族自治區(qū)彭陽縣旱作農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(35°79' N, 106°45' E, 海拔約 1800 m)地區(qū)屬典型黃土高原丘陵地貌, 年均氣溫 6.1℃, 日照時(shí)數(shù) 2518.2 h, 無霜期約 150 d, 年均降雨量約 410 mm, 其中60%以上降雨集中在 7月至 9月。供試土壤為黃綿土, 前茬作物為玉米。為避免連作, 2年試驗(yàn)分別在2塊土地進(jìn)行。試驗(yàn)地0～60 cm土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況如表1。

表1 試驗(yàn)地0～60 cm土層土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Nutrient status of 0–60 cm soil layer

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。設(shè)2種種植模式, 分別為溝壟半覆膜集雨種植(ridge and furrow rainfall harvesting system, 以下簡稱集雨模式或R)和傳統(tǒng)裸地平作種植(traditional flat planting model, 以下簡稱平作模式或T); 并設(shè)高量(N 270 kg hm–2+P2O5180 kg hm–2; H); 中量(N 180 kg hm–2+P2O5120 kg hm–2;M); 低量(N 90 kg hm–2+P2O560 kg hm–2; L)和不施(N 0 kg hm–2+P2O50 kg hm–2; CK) 4個(gè)施肥水平, 共8個(gè)處理(RH、RM、RL、RCK和 TH、TM、TL、TCK), 如表2所示, 每處理3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積32.4 m2(6.0 m×5.4 m), 小區(qū)間留0.6 m寬隔離帶。集雨模式溝和壟寬度均為 60 cm, 壟高 15 cm, 壟上覆膜, 每條溝內(nèi)種植 3行谷子, 行株距分別為30.0 cm和7.5 cm; 平作模式不進(jìn)行覆膜和溝壟處理, 行株距分別為30.0 cm和10.0 cm。 2種模式種植密度一致, 均為 333 000株 hm–2, 按設(shè)定行距播種, 四至六葉期分別按設(shè)定株距定苗。

表2 試驗(yàn)各處理Table 2 Treatments of experiment

播種前10 d整地、起壟、壟上覆膜, 全部肥料作為基肥一次性施入。集雨模式肥料集中施入種植溝內(nèi), 平作模式均勻撒施。施肥后深翻20 cm, 使肥料與土壤混勻。試驗(yàn)用地膜(聚乙烯)厚0.008 mm, 肥料為尿素(N≥46.0%)和磷酸二銨(P2O5≥46.0%, N≥18.0%)。供試谷子品種為張雜谷3號(hào), 播種期為2013年4月20日、2014年4月30日, 收獲期為2013年9月14日左右、2014年9月25日左右。2年谷子生育期降雨量分別為533.5 mm和294.6 mm (圖1)。依據(jù)降水年型劃分標(biāo)準(zhǔn)[16], 2013年為豐水年型,2014年為欠水年型。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 谷子生育進(jìn)程 以小區(qū)內(nèi)75%以上的植株表現(xiàn)某生育時(shí)期的特征作為進(jìn)入該生育時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 谷子生長指標(biāo)測定 從苗期各處理小區(qū)選取有代表性的9株植株掛牌標(biāo)記(集雨模式分邊行和中行各9株, 平作模式小區(qū)內(nèi)選9株), 分別在谷子苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期測量其株高、頂三葉[17]葉面積(葉片長×寬×0.75)。

圖1 2013–2014年試驗(yàn)地(彭陽縣)月降雨量和多年平均月降雨量Fig. 1 Monthly rainfall in 2013–2014 and mean monthly rainfall in the past 40 years

1.3.3 谷子光合指標(biāo)的測定 在谷子灌漿期, 從集雨模式邊行和中行分別選取有代表性 3片旗葉,從平作模式小區(qū)內(nèi)選取有代表性 3片旗葉, 選擇晴天于9:00—11:00用Li-6400光合測定系統(tǒng)測定旗葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)。

1.3.4 干物質(zhì)積累量的測定 分別在以上各生育時(shí)期, 從集雨模式邊行和中行分別取 3株, 平作模式小區(qū)內(nèi)取3株將地上部于烘箱120℃殺青30 min,80℃烘干至恒重, 測定其重量。

1.3.5 產(chǎn)量 從各小區(qū)收割2.4 m2測定產(chǎn)量。選取集雨模式溝中2 m長2邊行和1中行(0.6 m×2.0 m),平作模式, 行長2 m, 種植4行(1.2 m×2.0 m), 重復(fù)3次。

1.3.6 水分利用效率 于谷子播種和成熟收獲時(shí),采用烘干法分別測定 0～200 cm土壤含水量, 每 20 cm分層土鉆取樣。集雨模式取樣點(diǎn)分別為壟中間、膜側(cè)和溝內(nèi)種植行間, 以三者平均值計(jì)為該土層含水量; 平作模式取樣點(diǎn)為種植行間。根據(jù)土壤含水量計(jì)算土壤貯水量(WS)、耗水量(ET)和水分利用效率(WUE)。

WUE = Y/ET

式中, WUE為水分利用效率(water use efficiency, kg mm–1hm–2); Y 為谷子籽粒產(chǎn)量(kg hm–2)。

ET=ΔWS+P

式中, ET為作物耗水量(mm), P為谷子生育期降水量(mm); ΔWS=播期 WS–成熟期 WS[18-19]。

WS =C×ρ×H×10

式中, WS為0～200 cm土層貯水量(mm); ρ為土壤容重(g cm–3); H為土層深度(cm); C為土壤含水量(%)。1.3.7 集雨種植各因素的增產(chǎn)量和產(chǎn)量貢獻(xiàn)率[20]

基礎(chǔ)地力產(chǎn)量= TCK處理籽粒產(chǎn)量; 種植模式增產(chǎn)量= RCK-TCK; 施肥增產(chǎn)量 = RH-RCK (高肥)、RM-RCK (中肥)、RL-RCK (低肥); 種植模式與施肥綜合增產(chǎn)量= RH-TCK (高肥)、RM-TCK (中肥)和 RL-TCK (低肥)。

基礎(chǔ)地力產(chǎn)量貢獻(xiàn)率 = TCK籽粒產(chǎn)量/RH籽粒產(chǎn)量(高肥水平), TCK籽粒產(chǎn)量/RM籽粒產(chǎn)量(中肥水平), TCK籽粒產(chǎn)量/RL籽粒產(chǎn)量(低肥水平);

施肥產(chǎn)量貢獻(xiàn)率 = (RH籽粒產(chǎn)量-RCK籽粒產(chǎn)量)/RH籽粒產(chǎn)量(高肥水平), (RM籽粒產(chǎn)量-RCK籽粒產(chǎn)量)/RM 籽粒產(chǎn)量(中肥水平), (RL籽粒產(chǎn)量-RCK籽粒產(chǎn)量)/RL籽粒產(chǎn)量(低肥水平);

種植模式產(chǎn)量貢獻(xiàn)率 = (RCK籽粒產(chǎn)量-TCK籽粒產(chǎn)量)/RH籽粒產(chǎn)量(高肥水平), (RCK籽粒產(chǎn)量-TCK籽粒產(chǎn)量)/RM籽粒產(chǎn)量(中肥水平), (RCK籽粒產(chǎn)量-TCK籽粒產(chǎn)量)/RL籽粒產(chǎn)量(低肥水平);

種植模式和施肥綜合效應(yīng)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率 = (RH籽粒產(chǎn)量-TCK籽粒產(chǎn)量)/RH籽粒產(chǎn)量(高肥水平),(RM 籽粒產(chǎn)量-TCK籽粒產(chǎn)量)/RM 籽粒產(chǎn)量(中肥水平), (RL籽粒產(chǎn)量-TCK籽粒產(chǎn)量)/RL籽粒產(chǎn)量(低肥水平)。

1.3.8 肥料利用效率[21]肥料農(nóng)學(xué)效率(agronomic efficiency, AE, kg kg–1) = (施肥區(qū)谷子產(chǎn)量-無肥區(qū)谷子產(chǎn)量)/施肥量; 肥料偏生產(chǎn)力(partial factor productivity efficiency, PPE, kg kg–1) = 施肥區(qū)谷子產(chǎn)量/施肥量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件處理和分析數(shù)據(jù), 并用 Duncan’s法進(jìn)行多重比較(P≤0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 集雨模式下施肥水平對谷子不同個(gè)體株高的影響

由圖 2可知, 集雨模式下谷子株高明顯高于平作模式, 2013年邊中行分別較平作模式提高9.9%～13.4%和 2.1%～6.2%; 2014年則分別提高7.1%～23.5%和3.9%～19.0%。集雨模式下隨施肥量增加, 谷子株高顯著增加, 2013年RH、RM和RL分別較RCK提高了17.9%、12.9%和9.8%, 且RH顯著大于RM和RL; 2014年RH、RM和RL分別較RCK提高13.9% (P＜0.05)、6.4%和6.5%, RH、RM與 RL沒有顯著差異。平作模式下, 谷子株高在2013年表現(xiàn)為 TH＞TM＞TL＞TCK, 施肥處理均顯著高于不施肥處理, 施肥處理間TH與TM、TM與TL差異均不顯著, TH顯著大于TL; 在2014年不同施肥處理間差異均不顯著。說明集雨種植模式對谷子關(guān)鍵生育時(shí)期的株高有顯著促進(jìn)作用, 在欠水年尤為明顯,且對邊行提高幅度大于中行; 在集雨模式下通過施肥可以進(jìn)一步影響株高, 相比于豐水年, 欠水年各施肥處理之間株高差異不顯著。

2.2 集雨模式下增加施肥對谷子植株功能葉面積的影響

由圖 3可知, 集雨模式和施肥均有效提高了谷子頂三葉葉面積。在灌漿期, 集雨模式不同施肥處理的邊行谷子頂三葉總?cè)~面積較平作模式在 2013年和2014年分別提高1.7%～9.5%和3.5%～22.7%; 中行較平作模式有所下降, 兩年分別降低8.7% (2013)和1.3% (2014)。隨施肥量增加, 集雨模式谷子頂三葉葉面積明顯提高, 以 RH處理最高, 邊行較 RCK兩年分別提高(P＜0.05) 26.6%和18.8%; 中行較RCK分別提高6.4%和37.0% (P＜0.05)。平作模式下, 隨著施肥量增加, 頂三葉葉面積在 2013年和 2014年分別呈升高趨勢和先升高后降低趨勢, 兩年內(nèi)各施肥水平之間差異均不顯著。

圖2 集雨種植谷子的邊、中行植株株高變化Fig. 2 Plant height in side and middle rows at various growth stages of foxtail millet in rainfall harvesting planting model

圖3 集雨種植不同施肥處理谷子的邊、中行植株頂三葉葉面積動(dòng)態(tài)Fig. 3 Top three leaves area in side and middle rows at various growth stages of foxtail millet with different fertilizer treatments under rainfall harvesting planting model

以上說明, 集雨模式和施肥措施均顯著促進(jìn)邊行谷子頂三葉生長, 由于集雨模式各處理中邊行植株占 2/3群體, 即使中行谷子葉片生長弱于平作模式, 也可通過邊際效應(yīng)使灌漿期群體維持較大的綠葉面積, 增大有效光合作用面積。

2.3 集雨模式不同施肥水平的谷子灌漿期光合參數(shù)分析

灌漿期是作物光合作用積累有機(jī)物質(zhì)的關(guān)鍵時(shí)期,對產(chǎn)量起決定性作用。由表 3可知, 邊、中行谷子光合參數(shù)在種植模式和施肥量間差異極顯著(P＜0.01),且種植模式對Pn和Gs在不同年份間影響不同。

集雨模式邊中行谷子旗葉Pn和Tr均高于平作模式(表 4)。2013年, 集雨模式邊行和中行谷子旗葉Pn差異不明顯, 較平作模式平均提高 15.2%～52.9%;Tr平均提高6.5%～52.0%; 2014年, 集雨模式邊行和中行谷子旗葉光合特性差異加大, 邊行Pn和Tr較平作模式分別提高10.4%～20.3%和8.0%～55.9%, 中行Pn和Tr較平作略有降低趨勢, 但差異均不顯著。

隨施肥水平提高, 谷子旗葉Pn、Tr和Gs均顯著升高。2013年RH、RM和RL處理旗葉Pn分別較RCK顯著提高53.9%、35.7%和24.1% (邊行、中行平均提高, 下同), 其中 RH顯著高于 RM 和 RL(P＜0.05), RM和RL無顯著差異; RH、RM和RL旗葉Tr無顯著差異。2014年RH、RM和RL處理旗葉Pn和Tr無顯著差異, 較 RCK有顯著提高。Gs變化趨勢Pn和Tr表現(xiàn)相似。

表3 不同年份下種植模式、施肥量對谷子灌漿期光合特性影響的顯著性檢驗(yàn)P值Table 3 P-value of ANOVA on effects of plant model, fertilization and years on photosynthetic parameters of foxtail millet

表4 不同處理谷子灌漿期旗葉光合特性Table 4 Photosynthetic characteristics of flag leaf at filling stage of millet in different treatments

2.4 集雨模式下不同施肥水平的谷子植株地上部生物量

如圖 4所示, 集雨模式促進(jìn)了邊行谷子生物量積累, 在灌漿期較平作模式兩年分別提高 17.6%和12.4%; 中行單株生物量較平作模式明顯下降, 兩年降低幅度分別為22.3%和17.8%。隨著施肥水平的提高, 集雨模式谷子單株生物量呈升高趨勢。2013年灌漿期RH、RM和RL邊行單株生物量分別較RCK提高 57.46% (P＜0.05)、42.47% (P＜0.05)和 15.95%,其中RH和RM顯著大于RL, RH與RM差異不顯著;中行較RCK提高70.58% (P＜0.05)、33.1%和18.34%,其中RH與RM、RM與RL差異均不顯著, RH顯著大于RL。2014年邊行單株生物量分別較RCK提高31.2% (P＜0.05)、14.0% (P＜0.05)和 9.8%, 其中 RH與 RM 差異不顯著; 中行較 RCK提高 33.6%(P＜0.05)、15.6% (P＜0.05)和11.5%, 其中RH與RM、RL差異均顯著(P＜0.05), RM與RL差異不顯著。平作模式下谷子單株生物量 2年均表現(xiàn)為 TH＞TM＞TL＞TCK, TH和TM沒有顯著差異。

以上說明, 集雨模式有效促進(jìn)邊行谷子生物量積累, 且隨著施肥量的增加, 生物量積累呈增加趨勢, 但隨降水情況變化增加幅度不同, 豐水年較欠水年增加幅度大, 且施肥處理間差異顯著。

2.5 集雨模式施肥水平對谷子產(chǎn)量和水肥利用效率的影響

由表 5可知, 種植模式和施肥量均可極顯著(P＜0.01)影響谷子的籽粒產(chǎn)量、水分利用效率(WUE)和肥料利用率, 且在不同年際間影響有所不同。and partial factor productivity efficiency of foxtail millet

圖4 集雨種植不同施肥處理谷子生育期的邊、中行單株生物量Fig. 4 Dry matter per plant in side and middle rows at various growth stages of foxtail millet with different fertilizer treatments under rainfall harvesting planting model

表5 不同年份、種植模式與施肥量對谷子產(chǎn)量、水分利用效率和肥料利用效率影響的顯著性檢驗(yàn)P值Table 5 P-value of ANOVA on effects of plant model, fertilization and years on grain yield, water use efficiency, agronomic efficiency

在寧南半干旱地區(qū), 施肥因素對谷子產(chǎn)量和水分利用效率的影響明顯高于種植模式因素(表6)。與傳統(tǒng)種植比較, 集雨種植谷子籽粒產(chǎn)量和水分利用效率均明顯提高。2013年(豐水年), 集雨模式谷子籽粒產(chǎn)量在不施肥水平下較平作模式降低 6.6%, 隨施肥量增加增產(chǎn)效果逐漸明顯, 達(dá)到高肥水平后較平作模式籽粒產(chǎn)量顯著提高, 提高 5.4%, WUE提高4.2%, 肥料農(nóng)學(xué)效率(AE)和肥料偏生產(chǎn)力(PPE)分別提高23.3%和5.4%。2014年(欠水年)不施肥水平下集雨模式較平作模式籽粒產(chǎn)量增加 7.9%, 隨施肥量增加, 低、中、高肥水平增產(chǎn)顯著(P＜0.05), 分別增產(chǎn)12.0%、4.1%和3.9%, WUE分別提高(P＜0.05)111.2%、7.0%和5.0%。肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料偏生產(chǎn)力在低肥水平下顯著高于平作模式。

隨施肥量增加, 集雨模式谷子籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、WUE和收獲指數(shù)均顯著增加(P＜0.05)。2013年RH處理最高, 各指標(biāo)較RCK分別提高97.4%、71.8%、79.5%和 14.4%, 且顯著高于 RM (中肥);2014年 RM 處理最高, 各指標(biāo)較 RCK分別提高29.8%、25.1%、15.6%和 4.6%, 與高肥差異不顯著,但顯著高于低肥。隨施肥量增加, 2年谷子的肥料偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率均呈下降趨勢。整體而言, 豐水年采用集雨模式種植增產(chǎn)不明顯, 但施肥增產(chǎn)增效顯著; 欠水年集雨種植增產(chǎn)增效明顯, 但過量施肥會(huì)降低產(chǎn)量及水分利用效率的提高幅度, 在豐水年和欠水年分別以施高肥和中肥較為合適。

表6 不同處理的谷子籽粒產(chǎn)量與水分利用效率Table 6 Grain yield and water use efficiency in different treatments

2.6 集雨種植谷子的增產(chǎn)貢獻(xiàn)分析

谷子籽粒產(chǎn)量由基礎(chǔ)地力及種植模式和施肥的綜合作用兩大部分貢獻(xiàn)構(gòu)成[22], 其中后者對產(chǎn)量貢獻(xiàn)主要包括種植模式貢獻(xiàn)和施肥貢獻(xiàn)。

表 7表明, 基礎(chǔ)地力在各處理中的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為 54.3%～77.3%, 施肥水平間在豐水年差異顯著,并隨施肥水平的增加而降低, 欠水年差異不明顯。種植模式與施肥綜合作用的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為22.8%～45.8%, 隨著施肥量的提高在2013年(豐水年)顯著增加(22.8%～45.8%), 2014年(欠水年)差異不顯著(25.1%～29.3%)。種植模式對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)在2年分別表現(xiàn)為減產(chǎn)(-5.1%～ -3.5%), 和增產(chǎn)(5.6%～5.9%),不同施肥水平間差異均不顯著; 施肥對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為 19.2%～49.3%, 在 2013年(豐水年)隨著施肥量的提高顯著增加(27.8%～49.3%); 2014年(欠水年)各施肥量之間差異不顯著(19.2%～23.7%), 也充分說明了旱地谷子生產(chǎn)的水肥耦合對增產(chǎn)作用顯著。

表7 集雨模式谷子籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率Table 7 Contribution rate to foxtail millet yield in rainfall harvesting planting model

3 討論

3.1 溝壟覆蓋集雨種植的施肥水平對谷子生長的影響

研究表明, 地膜覆蓋栽培技術(shù)有較好的保水抗旱效果, 可促進(jìn)谷子生長發(fā)育[23-25], 在半干旱地區(qū)采用壟溝半覆蓋集雨種植大幅提高了谷子生物量和株高[4]。本研究中壟溝集雨使群體中谷子邊行株高、頂三葉葉面積和生物量顯著提高, 通過促進(jìn)邊際效應(yīng)提高和維持灌漿期群體光合作用效率和面積, 增強(qiáng)“源”的供應(yīng)能力從而獲得高產(chǎn)。并且在集雨模式下, 基于“以水調(diào)肥”顯著促進(jìn)了高量施肥處理的頂三葉葉面積, 緩解了由于水分虧缺引起的高肥抑制現(xiàn)象。溝壟集雨種植下邊中行單株生產(chǎn)力差異大,有研究表明, 谷子的邊際效應(yīng)可達(dá)66.4%～85.2%[26]。本研究集雨模式在2013年和2014年邊際效應(yīng)分別達(dá)26.2%和109.7%, 在欠水年邊際效應(yīng)表現(xiàn)更明顯。已有研究證明, 壟溝集雨種植隨著帶型的窄化降水在溝內(nèi)水平分布不均勻程度降低, 向壟內(nèi)的側(cè)滲作用增強(qiáng)從而減弱邊際效應(yīng)[27], 在生育期降雨量小于250 mm的半干旱地區(qū), 45 cm為溝壟最佳寬度[28]。本試驗(yàn)區(qū)域年均降雨量410 mm, 試驗(yàn)設(shè)置的壟溝寬均為 60 cm未表現(xiàn)增產(chǎn), 因此隨著降雨量的增加,壟溝寬是否需要增加, 不同降雨量區(qū)集雨模式種植谷子的最佳溝壟寬度等尚需進(jìn)一步研究。在山西壽陽的研究表明, 嚴(yán)重干旱年份施氮在＜180 kg hm–2范圍內(nèi)時(shí)明顯促進(jìn)谷子生長發(fā)育[29]。本研究中采用集雨種植模式在施氮＜270 kg hm–2范圍內(nèi), 隨著施肥水平的提高, 谷子株高, 頂三葉葉面積和生物量在欠水年仍呈增加趨勢, 說明在半干旱地區(qū), 采用集雨種植模式改善種植區(qū)水分條件后, 相應(yīng)增加施肥量可進(jìn)一步促進(jìn)谷子生長。

3.2 溝壟覆膜種植和施肥對谷子增產(chǎn)貢獻(xiàn)的影響

我國糧食產(chǎn)量在2004—2015年實(shí)現(xiàn)了12年連增[30]。糧食增產(chǎn)主要?dú)w功于品種改良, 增施肥料,耕作栽培措施等因素, 其中增施肥料的貢獻(xiàn)達(dá)40%～50%[31], 栽培技術(shù)占11.58%[32]。本研究通過差值法分析表明, 寧南半干旱區(qū)集雨模式下基礎(chǔ)地力對谷子籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率占 54.35%～77.30%, 施肥因素當(dāng)季貢獻(xiàn)率為 19.2%～49.3%, 且在豐水年隨著施肥量的提高顯著增加。種植模式因素(集雨種植)在豐水年(生育期降雨533.5 mm)表現(xiàn)負(fù)效應(yīng), 欠水年(生育期降雨294.6 mm)表現(xiàn)正效應(yīng)。綜合作用產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為22.8%～45.8%, 豐水年施肥水平間差異顯著。

在半干旱地區(qū), 溝壟半覆膜種植技術(shù)的增產(chǎn)差異較大[27,33-34]。在河北武安研究發(fā)現(xiàn), 采用40 cm∶40 cm溝壟寬溝內(nèi)種植2行谷子的籽粒產(chǎn)量較對照露地平作顯著提高16.3%[33]。在寧夏海原半干旱偏旱區(qū)的研究表明, 谷子籽粒產(chǎn)量較露地平作分別提高95.1%和120.2%[28]。本研究中集雨種植谷子的籽粒產(chǎn)量較平作豐水年和欠水年分別減產(chǎn)2.5%和增產(chǎn)7.0%, 差異并不顯著。這說明, 采用溝壟集雨覆膜種植對產(chǎn)量貢獻(xiàn)效果在不同地區(qū)、不同年型間變化較大, 與氣候特征、溝壟結(jié)構(gòu)和群體配置有很大關(guān)系。本研究中集雨模式增產(chǎn)幅度低于其他研究結(jié)果, 可能有: (1)土壤基礎(chǔ)肥力和氣候條件原因, 2013年為罕見的豐水年, 降雨達(dá)常年 161%, 集雨作用種植溝內(nèi)過多的水分可能會(huì)引起根系呼吸抑制, 光合作用減弱等負(fù)效應(yīng)[35]; (2)本研究采用的溝壟結(jié)構(gòu)為 60 cm∶60 cm, 通過損失壟上種植面積獲得集雨保墑和增溫效果, 但此效果對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)是否能彌補(bǔ)群體配置的不足還需進(jìn)一步研究。

有報(bào)道認(rèn)為, 化肥對當(dāng)季作物的增產(chǎn)率約為35%, 考慮養(yǎng)分后效后認(rèn)為大約為 50%, 且隨施肥量的不同, 其增產(chǎn)貢獻(xiàn)發(fā)生變化[36]。李正鵬等[37]和張璐等[20]研究證明, 作物在欠水年主要受水分限制,在豐水年則主要受到肥料限制, 水分的供給改善可大幅提高施肥對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。本研究中隨著施肥水平的提高, 施肥因素對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率在 2013年(豐水年)顯著增加, 在高肥處最高達(dá)49.3%; 2014年(欠水年)各施肥水平下差異不顯著, 貢獻(xiàn)率平均為22.0%。

在遼寧沈陽下遼河平原的長期定位試驗(yàn)研究表明, 平水年在高肥力田塊水肥交互作用對增產(chǎn)貢獻(xiàn)最大, 達(dá) 44.9%, 澇年在中肥力田塊水肥交互作用為負(fù)效應(yīng), 對產(chǎn)量貢獻(xiàn)表現(xiàn)為減產(chǎn)[22]。本研究中的綜合作用增產(chǎn)貢獻(xiàn)率在豐水年隨著施肥量的增加呈升高趨勢, 在高肥水平最高(45.8%); 欠水年由于水分虧缺, 不同施肥水平間差異不明顯, 增加施肥量較難發(fā)揮“以肥調(diào)水”的效果。結(jié)合嚴(yán)昌榮等[29]和何繼紅等[38]對旱地施肥影響作物產(chǎn)量的研究結(jié)果, 過量施肥并不能使作物產(chǎn)量持續(xù)增加, 反而會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降, 說明在半干旱地區(qū)作物生產(chǎn)應(yīng)結(jié)合降雨量, 通過適宜的種植模式并合理施肥, 才能在不同生態(tài)區(qū)和不同降水年型, 充分發(fā)揮水肥的耦合的正協(xié)同效應(yīng), 提高水肥綜合作用的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率。

4 結(jié)論

溝壟半覆蓋集雨種植在豐水年和欠水年都明顯促進(jìn)了谷子生長和光合作用, 在豐水年可大幅提高施肥效應(yīng)。隨著施肥量的增加, 籽粒產(chǎn)量在豐水年顯著增加并在高肥水平達(dá)到最大; 在欠水年超過中肥后增幅不顯著。施肥對產(chǎn)量貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于種植模式,產(chǎn)量貢獻(xiàn)率在豐水年隨施肥量的增加而增加, 高、中、低施肥處理間差異顯著, 欠水年各施肥處理間差異不顯著。

在寧南半干旱區(qū), 采用溝壟集雨半覆膜種植谷子豐水年可以適當(dāng)提高施肥水平(N 270 kg hm–2+P2O5180 kg hm–2), 以增加水肥互作對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率, 在欠水年則施肥不宜高于中肥水平(N 180 kg hm–2+P2O5120 kg hm–2)。