密度和集雨補灌對黃土旱區(qū)谷子產量及水分利用效率的影響

王小林，紀曉玲，張 靜，張 雄

(榆林學院 生命科學學院，陜西 榆林 719000)

我國是資源約束型發(fā)展中國家[1]。在全球氣候變化加劇、人口不斷增加的大背景下[2]，水資源短缺已成為限制當地農業(yè)發(fā)展的重要環(huán)境因素[3]，降雨量的時空分布不均，造成我國旱區(qū)農業(yè)產量低而不穩(wěn)[4]。谷子是我國北方旱地主要栽培作物之一，也是土壤貧瘠地區(qū)不可或缺的環(huán)境友好型糧食作物[5]。谷子根系發(fā)達[6]，抗旱性和土壤適應性較強[7]。干旱、半干旱地區(qū)農田土壤水分虧缺是限制谷子產量的重要因素[8]。谷子不同生育期對水分虧缺的生理響應也存在較大的差異[9]。在陜北旱作農業(yè)區(qū)，谷子關鍵生育期進行集雨補灌可有效促進谷子碳水化合物由營養(yǎng)生長向生殖生長有效轉移，提高谷子對自然降雨的有效利用。孕穗期和開花期是谷子產量形成的關鍵時期，筆者試驗通過研究孕穗期和開花期集雨補灌對谷子產量和水分利用的影響，從而實現產量增加與有限降雨利用效率提升的同步。

谷子產量受制于區(qū)域降雨量的波動性變化，總體呈現低而不穩(wěn)的態(tài)勢，造成旱地谷子播種面積不斷萎縮，逐漸威脅到區(qū)域糧食生產和食品安全[10～11]。優(yōu)質小雜糧的市場需求不斷增加，谷子種植業(yè)已經成為陜北旱區(qū)農民增收的重要途徑之一[12]。在種植區(qū)域有限和資源現狀綜合影響下，將旱區(qū)自然降水規(guī)律與田間管理技術有機結合，形成自然降水就地聚集再次分配，增加土壤有效水含量，緩解氣候干旱引起的土壤旱情，提高谷子籽粒產量和水分利用效率(WUE)，是解決產業(yè)發(fā)展和資源利用矛盾的關鍵。谷子不同生育階段生理耗水規(guī)律不同，需水階段與自然降水量及空間分布不相吻合，容易出現水分供需不穩(wěn)的現象[13]。

谷子產量和WUE與生育期耗水總量有關[14]。黃土旱區(qū)，通過人工集雨調節(jié)水資源再分配，通過適時適量的集雨補灌措施，可有效保障谷子產量和WUE同步提升[15]。產量WUE是將降水資源高效利用與谷子物質生產緊密結合的關鍵參數，對于評價旱區(qū)谷子高產高效生產效益的具有參考價值[16]。目前，關于提高雨養(yǎng)旱作農業(yè)區(qū)作物水分利用效率的研究，主要集中在不同的種植栽培模式提高土壤有效水的儲存、減少水分無效散失，達到水分高效利用的目的，且已在玉米[17]和小麥[18]生產上得到了廣泛應用。在降雨量較少、產量極不穩(wěn)定的旱區(qū)谷子增產增效研究中，通過降雨聚集再分配，關鍵生育期進行灌溉補水，對于覆膜谷子產量表現與耗水規(guī)律的研究較少且增產增效理論尚不明確。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況及栽培方法

試驗于2016年在黃土高原北部丘陵溝壑旱作農業(yè)區(qū)(陜西橫山)進行，試驗地海拔1 232 m，平均氣溫9.2℃。≥10℃的積溫3 260℃，無霜期約146 d。年降水量約446.8 mm，且主要集中在7-9月，占全年降雨總量60%以上。年蒸發(fā)量1 211 mm，年日照時數2 644 h，屬典型干旱半干旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。試驗田土壤類型為黃綿土, 有機質含量3.2 g·kg-1, 全氮為0.3 g·kg-1, 堿解氮18.9 mg·kg-1，速效磷6.2 mg·kg-1, 速效鉀66.0 mg·kg-1，底肥施用尿素375 kg·hm-2，磷酸二銨225 kg·hm-2，帶型90 cm，行距均為45 cm，株距25 cm，谷子膜際起壟：壟底寬40 cm，壟高8～10 cm，壟上覆膜，膜側5～8 cm處播種。

表1 生育期內平均降雨量和溫度變化

1.2 試驗設計與試驗材料

圖1 旱區(qū)人工集雨示意

參試谷子品種為長生07號，試驗小區(qū)采用隨機區(qū)組設計，4個密度處理：9萬株·hm-2、13.5萬株·hm-2、18萬株·hm-2和22.5萬株·hm-2；3個灌水處理：不補灌、孕穗期補灌和開花期補灌，不補灌處理為G1、G2、G3、G4；孕穗期補灌處理為G5、G6、G7、G8；開花期補灌處理為G9、G10、G11、G12，共12個處理；每小區(qū)灌水量1 m3，3次重復。小區(qū)面積5 m×3.6 m=18 m2。處理間相隔0.9 m，行向南北走向。播種期在4月29日，人工條播，播深3～5 cm，播后覆土壓實，用種量為7.5～10.5kg·hm-2。植株3葉1心時間苗，5葉1心時定苗；孕穗期(7月15-20日)和開花期(8月1-5日)進行人工灌水處理。

1.3 項目測定及方法

W=h×ρ×ω%×10

(1)

W為土壤貯水量(mm)，h為土層深度(cm)，ρ為土壤容重(g·cm-3)，本試驗各土層ρ平均值為1.612 g·cm-3，ω%為土壤含水率。ω%=(濕土質量-干土質量)/(干土質量-鋁盒質量)。

每小區(qū)取20株進行考種，分別測量穗粗、穗長、單穗重、穗粒重等，并將谷子按小區(qū)收獲，稱量小區(qū)籽粒重量，計算谷子的產量和水分利用效率(WUE)：

WUE=GY/ET

(2)

GY 為作物籽粒產量 (kg·hm-2)，ET 為谷子全生育期的作物耗水量(mm)。

ET=W1-W2+P+I

(3)

W1為播前土壤貯水量，W2為收獲后土壤貯水量，P為谷子生育期降雨量，I為灌水量。

1.4 數據處理與分析

試驗數據均采用Microsoft Office Excel 2010軟件進行簡單統(tǒng)計和制圖，采用SPSS軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 生育期補灌對谷子主要農藝性狀的影響

隨著密度的增加，谷子穗長、穗粗、單穂重、穗粒重和千粒重均有降低的趨勢(表2)。集雨補灌后穗長、穗粗、單穂重、穗粒重和千粒重均有不同程度的增加，孕穗期補灌對產量構成因素影響較大。其中，補灌對單穂重和穗粒重的影響極為顯著，四個密度下平均增長19.6%和9.7%，隨密度增加，提升幅度逐漸降低。孕穗期補灌產量構成指標顯著高于開花期補灌，穗長和穗粗在22.5 萬株·hm-2和孕穗期補灌增長幅度最大為20.9%和8.0%；單穗重和穗粒重在孕穗期補灌和13.5 萬株·hm-2密度下增幅最大，分別為33.6%和16.6%；千粒重分別在孕穗期灌溉和最高、最低兩個密度下增加幅度最大，分別為10.6%和9.2%；開花期補灌對于產量構成有相似的增長規(guī)律，但增長幅度顯著低于孕穗期補灌，較同密度不補灌處理無顯著性差異。

表2 生育期補灌對谷子主要農藝性狀的影響

注：同一列中相同字母表示在0.05水平上無顯著性差異；不補灌處理G1、G2、G3、G4；孕穗期補灌處理G5、G6、G7、G8；開花期補灌處理G9、G10、G11、G12；G(1,5,9)密度為9 萬株·hm-2, G(2,6,10)密度為13.5 萬株·hm-2, G(3,7,11)密度為18.0萬株·hm-2, G(4,8,12)密度為22.5 萬株·hm-2, 下圖相同。

2.2生育期補灌對不同密度谷子耗水量的影響

2.2.1 生育期補灌對谷子各生育期耗水量的影響 栽培密度和生育期補灌綜合效應下，谷子耗水量均在拔節(jié)期至開花期維持著較高的水平(圖2)，具體為：孕穗期>開花期>抽穗期>拔節(jié)期>成熟期>出苗期。孕穗期和開花期補灌，明顯提升了谷子生育后期耗水量，且孕穗期補灌谷子全生育期耗水量的增加幅度最大。

注：耗水量單位，mm；不補灌處理G1、G2、G3、G4；孕穗期補灌處理G5、G6、G7、G8；開花期補灌處理G9、G10、G11、G12。

2.2.2 生育期補灌對谷子總耗水量的影響 隨著密度的增加，谷子耗水量有明顯增加的趨勢(圖3)。集雨補灌會滿足谷子整個生育期的耗水需求，谷子生育期總耗水量表現為：孕穗期灌溉>開花期灌溉>不灌溉。集雨補灌顯著提升谷子全生育期耗水量，孕穗期補灌下谷子全生育期耗水量的提升幅度大于開花期補灌。其中密度為22.5 萬株·hm-2和孕穗期灌溉雙重因素的影響下，谷子的耗水量最高可達606.37 mm, 較不灌溉、開花期灌溉增加0.94%和0.52%。

注：相同字母表示在0.05水平上差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

2.3 補灌對谷子產量的影響

谷子產量隨著密度的增加而增加，集雨補灌顯著增加谷子的產量(圖4)。四個密度下，孕穗期補灌產量增加幅度顯著高于開花期補灌，密度為22.5 萬株·hm-2和孕穗期灌溉雙重因素的影響下，谷子產量最大為4 204.63 kg·hm-2，較不灌溉、開花期灌溉增加了16.92%和6.52%。孕穗期補灌高密度下增產率最大為17.4%，而開花期補灌在密度為18 萬株·hm-2時增產率最大為11.9%。孕穗期補灌增產更加穩(wěn)定，變異系數為0.7%遠小于開花期補灌變異系數3.7%。

注：相同字母表示在0.05水平上差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

2.4 補灌對谷子水分利用效率(WUE)的影響

隨著密度的增加，谷子的WUE也有所增加，但無顯著性(圖5)。集雨補灌后谷子WUE在高密度下顯著增加。其中，相比不灌溉處理，孕穗期補灌對谷子WUE的影響顯著高于開花期補灌對WUE的影響。其中在22.5 萬株·hm-2的密度和孕穗期灌溉的雙重因素下，谷子WUE達到最大為6.98 kg·hm-2mm，較不灌溉和開花期補灌分別增加了16.67%和5.66%。

注：相同字母表示在0.05水平上差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

3 討論

旱區(qū)節(jié)水農業(yè)發(fā)展的有效措施之一是自然降雨資源的高效匯集和利用，可以充分挖掘自然降水的匯集技術和增產潛力[1]。我國旱作農業(yè)區(qū)雨水調節(jié)、再分配及利用技術豐富多樣，土壤水分利用效率也因地形地貌、氣候特征呈現出波動不穩(wěn)的特點[18]。旱地溝壟集雨種植技術能夠改善自然降水的空間分配，增強種植區(qū)土壤水分的供應能力，同時有效地抑制蒸發(fā)，具有顯著的保水蓄墑效果[22]。筆者試驗采用旱地水泥集雨面聚集雨水(圖1)，儲水罐定量保存，干旱季節(jié)谷子關鍵生育期進行定量補充灌溉。集雨補灌結合地膜覆蓋技術，可顯著改善作物根區(qū)水分、溫度以及肥力狀況，保障種植面積不損失[23]或通過分蘗數調節(jié)總穗數[24]，實現穩(wěn)定增產。

旱區(qū)集雨補灌可顯著增加谷子穗長、單穗重、穗粒重和千粒重，不同生育期補灌和栽培密度下產量構成的增長差異明顯(表2)。開花期灌溉產量構成因子四個密度下增幅為4.7%～7.3%，而孕穗期補灌增幅為11.8%～13.8%；高密度下集雨補灌產量構成因素增長更加穩(wěn)定，穗長增幅最高20.9%，穗粗增幅最小8.0%，與產量密切相關的單穗重、穗粒重和千粒重平均增加10%左右，為后期產量形成奠定了良好的物質基礎。有研究指出，春小麥不同生育期進行補灌對于器官生長發(fā)育具有不同的促進作用：拔節(jié)期補灌有利于小麥營養(yǎng)生長以及幼穗分化，植株明顯增高，促進營養(yǎng)生長；孕穗期進行補灌有效地提高了小麥單穂重、穗粒數、千粒重等指標[25]。抽穗期或孕穗期補灌小麥穗長最大，后期籽粒灌漿更加充分[26]。小麥、谷子同屬禾本科典型耐旱性作物，關鍵生育期補灌具有顯著的增產潛力。

集雨補灌是滿足植物關鍵生育期的耗水量增加的需求，實現植物正常生長發(fā)育，保障產量的穩(wěn)定性和挖掘作物增產潛力[26.27]。氣象因素、灌水量和灌水時期是影響作物整個生育期耗水量總和的重要原因之一，灌水量的增加會導致耗水量的增加，不同時期進行補灌對作物全生育期耗水量的影響程度存在差異[27,28]。筆者試驗研究認為，隨著密度的增加，谷子的需水量也有所增加，生育期補灌的作用對高密度下谷子栽培耗水量具有更明顯的促進作用(圖2)。生育期耗水量在孕穗期達到最大值，且隨密度的增加而增加。水分利用效率是指農田蒸散消耗單位重量的水所制造的干物質量，分為群體水分利用效率、葉片水分利用效率和產量水分利用效率[28]。筆者試驗研究的是谷子產量水分利用效率。補灌后，谷子耗水量顯著增加，且僅限于補灌生育期內，耗水量的提升對應可能的水分利用效率的增加。土壤深層貯水量具有很高的生物學效應，提高深層土壤水分的有效利用能很好地提高作物水分利用效率[29]。生育期補灌能夠很好地彌補土壤水分的無效虧損，及時補充土壤有效水分含量，增強植物根系功能，提高旱地作物的水分利用效率和籽粒產量[29,30]。豐水年補灌量增加，雖然土壤含水量得以顯著提升，但土壤有效含水量卻是降低的，其水分利用效率會有所降低；欠水年增加補灌量，大部分灌溉水迅速富集在根際環(huán)境，轉化為有效水，植物水分利用效率會隨著補灌量的增加而有所提高[30]。谷子的耗水量和水分利用效率除受灌水量和灌水時期的影響外，還受自然降雨動態(tài)變化的影響；在降水較多和降水少的年份，集雨補灌對谷子水分利用效率的影響具有明顯差異[31,32]。筆者試驗地處黃土典型旱作農業(yè)區(qū)，7月份常出現持續(xù)性干旱，覆膜種植很大程度上減緩了干旱傷害，但谷子生長受到很大程度的限制。前期集雨，孕穗期補灌解決了谷子在干旱氣候條件下關鍵生育期的水分需求，生育期總耗水量得以滿足和增加，在中等密度下增長顯著，高密度下可能由于耗水需求量較大，總耗水無顯著性增長(圖3)。但產量在孕穗期補灌下顯著增加17.4%，四個密度下平均增加16.9%，而開花期補灌產量平均增加7.9%，集雨補灌條件下產量增加幅度遠高于耗水量的增加幅度，兩個生育期補灌水分利用效率都顯著高于不補灌處理，孕穗期補灌具有更好的水資源利用效率。作物的生長最終要反映到產量上，這既是物種繁衍生息的自身要求，也是作物生長的外在表現與人們對經濟產量的追求[31]。

在陜北旱作農業(yè)區(qū)，有限降水資源的聚集再利用發(fā)揮其作物生產能力的同時，還應考慮其環(huán)境生態(tài)效益[33]。關鍵生育期補灌是根據旱作植物的需水特性實施的有限性水資源高效利用方式[34,35]，充分考慮到了作物需水和環(huán)境需水的特點，后期研究將深入融合作物生理需水和環(huán)境生態(tài)需水相平衡的原則。筆者試驗只針對孕穗期和開花期兩個不同時期分別進行有限灌溉，可實現產量和水分利用效率高達16.9%和16.7%的顯著增加。在一定范圍內，谷子的產量可隨著灌水量的增加而提高，后續(xù)試驗將集中在最佳補灌水量和節(jié)水補灌技術的研究。

4 結論

基于田間試驗和室內分析，可獲得以下結論：

(1) 集雨補灌顯著提升谷子產量農藝性狀的生物量積累；尤其是孕穗期補灌，顯著增加高密度谷子單穗重和穗粒重，為產量提升奠定了良好的物質基礎。

(2)谷子耗水量在補灌生育期后顯著增加，孕穗期補灌顯著提升全生育期總耗水量，是旱地谷子水資源高效利用的生理基礎。

(3)孕穗期補灌顯著增加旱地谷子產量，有利于挖掘高密度栽培的增產潛力；平均可實現16.8%的增產率，且高密度下增產幅度更大而穩(wěn)定。

(4)水分利用效率的提升取決于產量的增加幅度。隨著密度的增加，孕穗期補灌處理對產量水分利用效率的貢獻呈增加趨勢，最大可實現16.7%的增產幅度，但最佳的補灌水量和補灌技術仍需深入研究。