冀西北寒旱區(qū)甜菜機(jī)械化補(bǔ)水栽植研究

胡立峰，張繼宗，劉玉華

(1.國(guó)家開(kāi)放大學(xué) 農(nóng)林醫(yī)藥教學(xué)部,北京 100039； 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河北 保定 071001)

甜菜起源于地中海沿岸地區(qū)，是主要的糖料作物之一。我國(guó)甜菜產(chǎn)區(qū)主要集中在北方干旱-半干旱地區(qū)，該區(qū)域周期性或難以預(yù)期的干旱成為限制甜菜生產(chǎn)的主要因素[1]。生產(chǎn)實(shí)踐表明，甜菜種子直播對(duì)土壤整地質(zhì)量、灌溉補(bǔ)水等要求較高，幼苗易受風(fēng)沙侵襲與昆蟲(chóng)危害，安全成苗十分困難[2]。為解決這一問(wèn)題，20世紀(jì)80年代初,我國(guó)引入了日本科學(xué)家增田昭芳發(fā)明的甜菜紙筒育苗移栽技術(shù)，移栽甜菜較直播甜菜具有生育期延長(zhǎng)、抗逆性增強(qiáng)、顯著增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[3]。然而，在冀西北寒旱區(qū)砂質(zhì)土壤與春旱頻發(fā)背景下，即使補(bǔ)水移栽也存在甜菜成活率低、緩苗期長(zhǎng)、苗期長(zhǎng)勢(shì)弱等問(wèn)題，直接影響產(chǎn)量[4]；而且，傳統(tǒng)的單株人工澆水方式費(fèi)工費(fèi)力，效率低下。

為了縮短緩苗期、提高移栽成活率，眾多學(xué)者針對(duì)不同作物進(jìn)行了抗旱移栽技術(shù)研究。楊永吉等[5]在烤煙上的研究表明，集雨杯膜下集雨抗旱移栽技術(shù)可將零星無(wú)效的降水變?yōu)橛行Ы邓罴晁偷乩?；解曉紅等[6]進(jìn)行了甘薯脫毒種苗移栽試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)棚圃地土壤濕度、拱膜打孔時(shí)間與打孔面積等措施，簡(jiǎn)化了甘薯移栽程序，使移栽成活率達(dá)95.93%；高瓊等[7]對(duì)旱地覆膜烤煙進(jìn)行移栽試驗(yàn)，結(jié)果表明，1.0 kg/株的澆水量能使煙株成活率達(dá)97%，而確保壯苗的澆水量則應(yīng)在2.0 kg/株以上；金莉等[8]研究表明，在鹽堿土壤區(qū)建植草坪，移栽后及時(shí)滴灌可使羊草成活率達(dá)89.33%。時(shí)志強(qiáng)等[9]通過(guò)采用隔行鋪設(shè)壓力補(bǔ)償式滴灌管的方法研究了補(bǔ)水量對(duì)甜菜生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，遇旱補(bǔ)水5～20 mm可使產(chǎn)量增加14.4%～33.7%，甜菜含糖率差異不顯著。黃偉等[10]通過(guò)使用不同保水劑對(duì)甜菜進(jìn)行移栽試驗(yàn)，結(jié)果表明，移栽前使用保水劑均能顯著提高甜菜的產(chǎn)量與含糖率。但目前尚未見(jiàn)系統(tǒng)進(jìn)行甜菜紙筒育苗機(jī)械化補(bǔ)水移栽的研究報(bào)道。鑒于此，為提高冀西北寒旱區(qū)移栽甜菜的成活率、縮短緩苗期與提高勞動(dòng)效率，模擬比較了地上式補(bǔ)水與地下式補(bǔ)水的潤(rùn)土效果，研究了不同保水劑用量對(duì)甜菜生長(zhǎng)的影響以及機(jī)械化補(bǔ)水栽植效率等，為該區(qū)域甜菜穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、節(jié)本增收和提高水資源利用效率提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015—2018年在河北省張北縣的河北農(nóng)業(yè)大學(xué)張北試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)站地處冀西北高寒區(qū)，屬冀、晉、蒙長(zhǎng)城沿線半干旱區(qū)，海拔1 400～1 700 m，無(wú)霜期107 d，年降水量340～450 mm，夏季7—8月降水占全年降水量的75%以上，年蒸發(fā)量1 710～1 980 mm，干燥度2.0～2.1；年均風(fēng)速4.5～5.0 m/s，大風(fēng)日數(shù)超過(guò)48 d，春季尤甚。區(qū)域?yàn)椴罡咴孛?，坡梁地為砂質(zhì)栗鈣土，約占土地面積的65%，土壤粗骨貧瘠，持水保水力差。氣候與土壤干旱成為該區(qū)農(nóng)田作物生產(chǎn)的主要限制因子。

試驗(yàn)地為砂質(zhì)栗鈣土農(nóng)田。田面地勢(shì)平坦，肥力均勻一致，土壤質(zhì)地為砂壤。供試土壤0～20 cm土層基本物理化學(xué)性狀如表1。

表1 供試土壤0～20 cm土層理化性狀Tab.1 Physical and chemical properties of 0—20 cm soil layer

1.2 供試材料

供試甜菜為該區(qū)域主栽品種KWH-6231。選用高15 cm、直徑1.9 cm的紙筒，于4月15日在保溫棚內(nèi)育苗。5月20日前后苗齡達(dá)2～3片葉時(shí)移栽至試驗(yàn)田，在田間自然氣候條件下緩苗成活。保水劑為“旱地龍”抗旱保水劑，由山東青島惠永園林公司提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.3.1 不同補(bǔ)水方式的水分?jǐn)U散特征試驗(yàn) 甜菜移栽的補(bǔ)水方式分地上式補(bǔ)水與地下式補(bǔ)水2種。采用國(guó)家專利“甜菜抗旱補(bǔ)水栽秧器”(ZL 20112 0361294.2)[11](圖1)栽植秧苗，秧苗通過(guò)栽秧器導(dǎo)管垂直落至鴨子嘴型的落秧口處，并在鴨子嘴張開(kāi)時(shí)嵌入土層內(nèi)，栽苗深度為15 cm。利用栽秧器離開(kāi)地表鴨子嘴張開(kāi)時(shí)留下的凹坑，澆灌定額水量，為地上式補(bǔ)水；秧苗垂直落至鴨子嘴的同時(shí)，通過(guò)栽秧器導(dǎo)管側(cè)壁上的注水口每穴注入定額水量，為地下式補(bǔ)水。試驗(yàn)澆灌定額水量為150 mL/株，移栽2 h后開(kāi)挖土壤剖面，分別測(cè)量土壤水平和縱向的濕潤(rùn)范圍，重復(fù)3次，測(cè)量結(jié)果取平均值。

1.3.2 甜菜添加保水劑育苗試驗(yàn) 在播種育苗的紙筒中裝入“旱地龍”抗旱保水劑，保水劑先與營(yíng)養(yǎng)土混合均勻，每個(gè)育苗紙筒分別采用0(CK)、0.1、0.3、0.5、0.7 g 5種保水劑用量處理,折合每立方米

1.喇叭口； 2.落秧導(dǎo)管； 3.把手； 4.操作桿； 5.彈簧； 6.定位片； 7.導(dǎo)桿； 8.落秧口； 9.踏桿； 10.注水口

營(yíng)養(yǎng)土混合保水劑0.0、2.7、8.1、13.5、18.9 kg。甜菜育苗在塑料溫棚內(nèi)進(jìn)行，常規(guī)管理。幼苗2片真葉時(shí)定植大田，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積20 m2，每個(gè)處理3次重復(fù)。甜菜移栽株行距為40 cm×50 cm，栽植密度為50 000株/hm2。移栽時(shí)補(bǔ)水300 mL/株，生育期常規(guī)管理。

甜菜定植于大田前，每處理取15株幼苗測(cè)定株高、莖粗、根長(zhǎng)、最大葉長(zhǎng)和葉寬、幼苗鮮質(zhì)量和干質(zhì)量；幼苗定植緩苗后統(tǒng)計(jì)各處理的成苗率；苗期結(jié)束時(shí)，每小區(qū)取5株再次測(cè)定甜菜幼苗的上述形態(tài)指標(biāo)；收獲時(shí)測(cè)定各小區(qū)產(chǎn)量，換算成公頃產(chǎn)量，并在每個(gè)小區(qū)取5株，測(cè)定甜菜根的可溶性固形物含量。莖粗采用游標(biāo)卡尺測(cè)定，干質(zhì)量采用烘干法測(cè)定。

1.3.3 機(jī)械化地下式補(bǔ)水移栽試驗(yàn) 采用吊杯式甜菜插秧機(jī)(華龍2ZY-2，山東青州市軍巖農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司)，其以專利“基于注射式地下補(bǔ)水器的新型控制系統(tǒng)”(ZL 201520065964.4)[12]為基礎(chǔ)，在鴨嘴式栽秧器上加裝由電磁閥控制的注水嘴，形成電磁閥注射式地下補(bǔ)水器(圖2)。由拖拉機(jī)攜帶水源，電磁閥控制將定額水量注射到甜菜紙筒的底部區(qū)域，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化地下式補(bǔ)水栽植作業(yè)。

機(jī)械化補(bǔ)水移栽試驗(yàn)采取調(diào)節(jié)行程開(kāi)關(guān)控制電磁閥開(kāi)啟時(shí)間方式，實(shí)施補(bǔ)水量100、150、200、250、300、350 mL/株處理，之后在補(bǔ)水量200 mL/株處理下設(shè)置保水劑用量0.1、0.3、0.5、0.7 g/筒進(jìn)行生產(chǎn)效果對(duì)比，保水劑為“旱地龍”抗旱保水劑，同時(shí)每個(gè)保水劑用量均相鄰設(shè)置對(duì)照(CK,不添加保水劑)。試驗(yàn)小區(qū)面積長(zhǎng)100 m、寬2 m，移栽株行距為40 cm×50 cm。同時(shí)，在試驗(yàn)小區(qū)附近隨機(jī)選擇5塊手工移栽生產(chǎn)田，與機(jī)械化地下補(bǔ)水移栽試驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)效果對(duì)比。

1.鴨嘴式栽植器； 2.接苗器； 3.注水嘴； 4.電磁閥

移栽后第10天測(cè)定移栽甜菜的成活率；移栽后第20天測(cè)定苗期長(zhǎng)勢(shì)，測(cè)定各處理甜菜的綠色葉片數(shù)、葉面積，以及紅色葉片數(shù)、葉面積。葉面積(cm2)=葉長(zhǎng)(cm)×葉寬(cm)×0.70。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 7.05進(jìn)行方差分析(Duncan’s新復(fù)極差法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方式補(bǔ)水的土壤水分特征

不同補(bǔ)水方式下水分的土體分布縱切面如圖3所示。由圖3、表2可見(jiàn),補(bǔ)水150 mL/株，地上式補(bǔ)水所形成的半橢圓狀濕潤(rùn)體緊鄰地表，圍繞補(bǔ)水點(diǎn)濕潤(rùn)鋒以水平擴(kuò)散為主，補(bǔ)水2 h后濕潤(rùn)體寬度20.1 cm，高度7.4 cm，垂直與水平濕潤(rùn)域之比為0.368；監(jiān)測(cè)表明，栽植24 h后，補(bǔ)水的土壤濕潤(rùn)鋒稍有擴(kuò)展，濕潤(rùn)體寬度增至21.1 cm，高度7.9 cm，垂直與水平濕潤(rùn)域之比變化不大，為0.374。地上補(bǔ)水所形成的半橢圓狀濕潤(rùn)體直接與大氣相連，在氣候干燥、多風(fēng)強(qiáng)光的春季，水分極易蒸發(fā)散失。

地下式補(bǔ)水所形成的倒錐體狀濕潤(rùn)體嵌入土體內(nèi)部， 濕潤(rùn)鋒以垂直擴(kuò)散為主，補(bǔ)水后2、 24 h的濕潤(rùn)體垂直分布分別為距地表5.2～25.6、4.5～25.7 cm，水平寬度分別為16.1、16.8 cm，垂直與水平濕潤(rùn)域之比1.267、1.262。對(duì)于旱地農(nóng)田甜菜移栽，地下式補(bǔ)水所創(chuàng)造的土壤濕潤(rùn)體環(huán)裹于甜菜苗筒的中下部，更有利于向秧苗供水；此外，存留于地表的干土覆被層可起到有效的保水作用。

圖3 不同補(bǔ)水方式的土壤濕潤(rùn)縱切面

土壤濕潤(rùn)域特征Soil wetting characteristic補(bǔ)水方式Water supplementary way 監(jiān)測(cè)時(shí)間 Monitor time栽植后2 h 2 h after transplanting栽植后24 h 24 h after transplanting縱向范圍/cm 地上式Ground surface0^7.40^7.9Longitudinal range地下式 Underground5.2^25.64.5^25.7水平寬度/cm地上式Ground surface20.121.1Transverse range地下式Underground16.116.8縱向與水平濕潤(rùn)域之比地上式Ground surface0.3680.374Depth/width地下式Underground1.2671.262

2.2 保水劑用量對(duì)甜菜育苗與移栽生產(chǎn)效果的影響

在育苗期，添加不同比例“旱地龍”保水劑處理秧苗的生長(zhǎng)性狀差異顯著(表3)。育秧期末，隨保水劑添加量增加，甜菜秧苗株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均呈單峰性增長(zhǎng)。保水劑0.3 g/筒處理秧苗株高、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量最大，其中干質(zhì)量達(dá)0.290 g/株，為對(duì)照的3.15倍，差異顯著。秧苗移栽試驗(yàn)田后的成活率同樣以保水劑0.3 g/筒處理最高，達(dá)100.0%，較對(duì)照高出5.6個(gè)百分點(diǎn)。優(yōu)良的秧苗質(zhì)量有利于保障秧苗移栽后的安全成活。

表3 不同保水劑用量對(duì)甜菜育苗與移栽效果的影響Tab.3 Effect of different amount of water retaining agent on seedling and transplanting

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

甜菜移栽大田后的苗期生長(zhǎng)狀況(表3)表明，添加保水劑0.3 g/筒處理苗期末甜菜株高與植株干質(zhì)量分別達(dá)到36.1 cm和1.25 g/株，顯著高于對(duì)照。收獲期，各添加保水劑處理的甜菜產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照。保水劑0.3 g/筒處理甜菜經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量達(dá)90 045.0 kg/hm2，顯著高于對(duì)照(62 758.6 kg/hm2)，增產(chǎn)43.48%；塊根可溶性固形物含量為20.9%，較對(duì)照(19.8%)提高1.1個(gè)百分點(diǎn)?？梢?jiàn)，紙筒育苗時(shí)添加適量保水劑，甜菜不僅增產(chǎn)，而且優(yōu)質(zhì)。

2.3 機(jī)械化地下式補(bǔ)水移栽甜菜的生產(chǎn)效果

表4表明，在一定范圍內(nèi)增加補(bǔ)水量對(duì)提高秧苗成活率與成苗質(zhì)量具有顯著作用。機(jī)械化地下式補(bǔ)水移栽甜菜在單株補(bǔ)水量達(dá)到200 mL時(shí)可完全滿足移栽安全成活的農(nóng)藝要求，緩苗期約4.5 d，移栽時(shí)秧苗所帶葉片均能成活，綠葉面積占全部葉片總面積的比例可達(dá)90.85%。過(guò)多的補(bǔ)水量會(huì)增加水資源負(fù)擔(dān)。

表4 不同補(bǔ)水量下機(jī)械化地下式補(bǔ)水移栽甜菜的成苗效果Tab.4 Seedling effect of mechanized underground water supplement transplanted beet with different amount of water supplement

采用機(jī)械化地下式補(bǔ)水移栽在補(bǔ)水量200 mL/株下，大區(qū)對(duì)比添加“旱地龍”保水劑育苗的生產(chǎn)效果如表5所示。比較表明，保水劑用量為0.1 g/筒時(shí)較對(duì)照只增產(chǎn)0.47%，保水劑用量為0.3 g/筒時(shí)較對(duì)照增產(chǎn)最為顯著，達(dá)30.02%，保水劑用量為0.5 g/筒時(shí)較對(duì)照增產(chǎn)27.23%。實(shí)踐表明，添加保水劑促進(jìn)了土粒相互黏結(jié)，甜菜苗筒緊實(shí)挺括，更易于機(jī)插時(shí)的快速投苗與保證栽苗直立，從而提高移栽成活率，不同保水劑添加量下移栽成活率均在96%以上。

表5 不同保水劑用量下機(jī)械化地下式補(bǔ)水移栽甜菜育苗的大田對(duì)比生產(chǎn)效果Tab.5 Field comparsion production effect of mechanized underground water supplement transplanted beet with different amount of water retaining agent

2.4 機(jī)械化補(bǔ)水栽植甜菜的生產(chǎn)效率

隨機(jī)調(diào)查5戶甜菜手工移栽作業(yè)的用水量、緩苗期和成活率，與200 mL/株補(bǔ)水量下的機(jī)插田進(jìn)行比較(表6)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)手插甜菜相比，由機(jī)械化地下式補(bǔ)水實(shí)現(xiàn)的機(jī)插甜菜緩苗期縮短2.5 d，用水量減少48.05%。機(jī)插甜菜勞動(dòng)效率為0.14 hm2/(人·d)，較傳統(tǒng)手工插秧提高1.8倍。這對(duì)于緩解春播期的勞力緊張、保障甜菜適期栽種十分重要。

表6 傳統(tǒng)地面補(bǔ)水與機(jī)械化地下補(bǔ)水方式的甜菜移栽效果比較Tab. 6 Comparison of transplanting effect between manual- and machine-supplementing water

生產(chǎn)實(shí)踐表明，機(jī)插甜菜在坡梁砂質(zhì)栗鈣土農(nóng)田表現(xiàn)出更具優(yōu)勢(shì)的作業(yè)效果。砂質(zhì)農(nóng)田土壤含水率低、土粒散落，機(jī)插后的苗孔由田面干土自然回落而實(shí)現(xiàn)掩埋，補(bǔ)水與保水效果更為顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 地下補(bǔ)水利于甜菜秧苗成活

甜菜通過(guò)秧苗移栽實(shí)現(xiàn)大田生產(chǎn)，干旱的土壤環(huán)境是冀西北寒旱區(qū)甜菜移栽成活的重要限制因素，因此，補(bǔ)水移栽成為甜菜適期插秧、啟動(dòng)農(nóng)田生產(chǎn)的必需。生產(chǎn)上使用的甜菜育苗紙筒高度為15 cm[13]，育成秧苗后，根莖上部約5 cm為地上莖葉與地下根系的過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)側(cè)根少、吸水能力差，為甜菜塊根開(kāi)始的膨大部位；下部10 cm側(cè)根多、吸水能力強(qiáng)，為甜菜根系吸水的區(qū)域。本研究表明，采用地下式補(bǔ)水，將注水點(diǎn)置于土表下約15 cm處的插秧孔底，所注水分受犁底層緊實(shí)土壤的頂托與插秧器拔離苗孔后回填松軟土壤的吸力作用，濕潤(rùn)鋒表現(xiàn)以縱向?yàn)橹鞯倪\(yùn)動(dòng)特征，形成環(huán)裹苗筒中下部的濕潤(rùn)體，其上存留的干土層也可起到保水作用[14]，由此實(shí)現(xiàn)了秧苗移栽的理想補(bǔ)水結(jié)構(gòu)，為甜菜移栽秧苗的安全成活奠定了重要基礎(chǔ)。

3.2 添加保水劑的甜菜育苗增產(chǎn)增效

以保水劑為載體調(diào)控土壤保水-供水關(guān)系在旱地作物栽培中成效顯著[15-16]，然而，高額的成本限制了其在大田生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用。本研究將保水劑添入甜菜育苗基質(zhì)中，隨秧苗移入大田并伴隨甜菜塊根生長(zhǎng)的全程，0.3 g/株即相當(dāng)于15 kg/hm2的施用量獲得了30%的甜菜增產(chǎn)效果，育苗紙筒內(nèi)施用保水劑并移入大田是降低成本的關(guān)鍵，這無(wú)疑是一項(xiàng)極其經(jīng)濟(jì)的旱地作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)技術(shù)，與將容器埋于地下承載水肥、提高園林植物抗性及移栽成活率的機(jī)制[17]一致。

3.3 機(jī)械化補(bǔ)水插秧降低移栽用水量，應(yīng)用前景廣闊

插秧作業(yè)的機(jī)械化，由于秧苗的鮮活性與不均一性而難度較大[18]。機(jī)械化地下式補(bǔ)水插秧甜菜的實(shí)現(xiàn)，雖然大幅度降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但作業(yè)效率仍待提高。生產(chǎn)實(shí)踐表明，機(jī)械化補(bǔ)水插秧更適合于大塊土地生產(chǎn)，從而為進(jìn)一步配套甜菜田中耕、施肥、除草、培壟的田間管理機(jī)械化，以及后續(xù)開(kāi)發(fā)機(jī)械化收獲的全程機(jī)械化甜菜生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。因此，促進(jìn)甜菜規(guī)?；a(chǎn)的組織制度，實(shí)施鼓勵(lì)機(jī)械替代人力、提高勞動(dòng)效率的農(nóng)機(jī)購(gòu)置國(guó)家補(bǔ)貼政策等[19]，成為發(fā)揮甜菜田補(bǔ)水移栽、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝一體化生產(chǎn)效果，促進(jìn)冀西北寒旱區(qū)甜菜產(chǎn)業(yè)持續(xù)、高效發(fā)展的重要方向。

綜上，解決冀西北寒旱區(qū)甜菜難以適期栽植與安全成活的關(guān)鍵技術(shù)，是將保水劑添加入甜菜育苗基質(zhì)并進(jìn)行機(jī)械化地下補(bǔ)水移栽，隨著保水劑保水效果的提升以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)向規(guī)?；蛯I(yè)化方向發(fā)展，該技術(shù)推廣應(yīng)用的前景廣闊。