不同覆膜種植方式下旱地高粱土壤水溫的變化及產(chǎn)量效應(yīng)

曹昌林，張建華，白文斌

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所/高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西晉中030600）

地膜密不透氣，具有保墑增溫的作用，被廣泛運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，20 世紀(jì)70 年代從日本引進(jìn)我國后，得到了長足發(fā)展［1］，在旱作農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用尤其如此，因此，白色地膜被稱為了農(nóng)業(yè)史上的第三次白色革命。隨著地膜的廣泛運(yùn)用，地膜的保墑增溫正向作用被肯定和利用的同時(shí)，生育后期作物出現(xiàn)的早衰、產(chǎn)量降低和白色污染的負(fù)向作用逐漸地引起了人們的廣泛重視［2，3］，因此，農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者積極研究探索新的保墑材料和保墑措施，如秸稈的保墑利用［4～6］、黑色地膜的保墑利用［7，8］、地膜和秸稈組合利用［9］等。這些保墑技術(shù)均是在膜下播種，而膜側(cè)的土壤溫度和水分低于膜下，膜側(cè)播種能否起到促生長、防早衰從而提高產(chǎn)量的作用，作物不同結(jié)論褒貶不一。文啟凱等［1］研究認(rèn)為：玉米膜側(cè)種植，土壤溫度、水分、微生物及酶活性低于膜內(nèi)，但仍高于裸地，起到了緩沖作用，無早衰現(xiàn)象發(fā)生，比膜下種植產(chǎn)量提高10.2%～12.1%；閆旭東等［10］研究認(rèn)為：玉米膜側(cè)栽培比膜下栽培產(chǎn)量提高5.12%；張盼盼等［11］研究認(rèn)為：糜子膜側(cè)種植比膜下種植產(chǎn)量提高7.6%；而漆琚濤等［12］研究認(rèn)為：當(dāng)歸植物膜側(cè)栽培在所有覆膜處理中產(chǎn)量最低；劉廣才等［13］研究認(rèn)為小麥膜側(cè)種植產(chǎn)量雖較裸地種植增產(chǎn)33.3%，但較膜下穴播產(chǎn)量降低47.8%。而高粱與玉米、糜子、當(dāng)歸、小麥等作物的生長習(xí)性、生理特點(diǎn)及發(fā)育規(guī)律有很大的差異，且關(guān)于膜側(cè)播種與膜下播種的對照研究尚未見報(bào)道，為此本項(xiàng)目的研究，旨在為高粱在旱作區(qū)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究于2018 年、2019 年在山西省晉中市榆次區(qū)修文鎮(zhèn)修文村山西省農(nóng)科院高粱所基地進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔803 m，年均氣溫 9.8 ℃，極端最高37 ℃，極端最低-21.2 ℃，無霜期158 d，常年降水量425 mm，降水變率27%，7-9 月降水量占全年降水量的70%～75%，主要種植制度一年一熟。栗鈣土質(zhì)，質(zhì)地中壤，0～25 cm 耕層有機(jī)質(zhì)含量 16.64 g·kg-1，全 氮 0.73 g·kg-1，有 效 磷 2.2 mg·kg-1，速 效 鉀103.9 mg·kg-1，pH 值 6.8。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

以山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供的‘晉糯4 號’雜交高粱品種為供試品種，以市售50 cm寬、0.05 mm 厚和 80 cm 寬、0.05 mm 厚的白色聚氯乙烯農(nóng)用地膜為試材。播前一次性底施含N、P2O5、K2O 均為 15% 的氮磷鉀復(fù)合肥 750 kg·hm-2，平作覆膜膜側(cè)種植（FC-FSS）采用50 cm 寬的地膜，平作覆膜膜下種植（FC-SUF）采用80 cm 寬的地膜，每條膜種2 行高粱，行距50 cm。密度112 500 株·hm-2。

試驗(yàn)為順序排列設(shè)計(jì)，分平作覆膜膜下種植（FC-SUF）、平作覆膜膜側(cè)種植（FC-FSS）和裸地種植（CK）3 個(gè)處理，重復(fù) 3 次，小區(qū)面積 5 m×6 m=30 m2，每區(qū) 覆 膜 3 條種 6 行 高 粱。2018 年 4月 24 號降雨 11.2 mm，26 號播種，10 月 8 號收獲；2019 年 4 月 28 號播種，播前降雨 8.2 mm，10 月 8號收獲，其它管理同大田。

2018 年試驗(yàn)地 5-10 月降雨 302.01 mm，2019年5-10 月降雨264.6 mm，常年5-10 月平均降雨339.9 mm（表1）。

1.3 測試項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤水分

采用烘干法［14］測定不同處理小區(qū)高粱播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿成熟期0～200 cm 土層的土壤含水量，每20 cm 取一次土樣，并記錄播種至成熟階段的降雨量。

1.3.2 土壤溫度

采用曲管地溫計(jì)在高粱苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期測定各處理0～15cm 土壤的溫度日變化，測定時(shí)間分別為 8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00。

1.3.3 高粱光合指標(biāo)的測定

分別在高粱苗期（7 片展開葉）、拔節(jié)期（10 片展開葉）、抽穗期（20 片展開葉）、灌漿期（穗上部開花結(jié)束、中部正值開花期）和成熟期（下部籽粒處于蠟熟階段），每次測試時(shí)選取晴朗天的上午9：00-11：00 進(jìn)行，用 CB-1102 便攜式光合蒸騰測定儀，對高粱倒3 葉進(jìn)行了凈光合速率（Pn）的測定，重復(fù) 3 次。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

高粱成熟后收獲前調(diào)查植株生物性狀。收獲小區(qū)產(chǎn)量并稱重，取5 穗代表性穗子，風(fēng)干考種。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 作圖，DPS 6.5 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜種植方式對土壤含水量的影響

通過測定2018 年和2019 年高粱不同生育期各處理?xiàng)l件下0～200 cm 土體含水量的變化（圖1），發(fā)現(xiàn) 2 年的土壤水分曲線趨勢不同，2018 年曲線先升后降，抽穗期時(shí)土體含水量最高，表明了2018 年抽穗前降雨量能夠滿足高粱的生長所需，抽穗后降雨不足，消耗了土體水分，且各處理曲線趨勢基本一致，F(xiàn)C-SUF 處理和 FC-FSS 處理土體含水量差異不顯著，但均與CK 差異顯著（P＜0.05），2019 年 0～200 cm 土體含水量也是以抽穗期最高，拔節(jié)期土體水分比播種時(shí)降低，說明拔節(jié)前降雨量不夠，土體向作物提供了水分，而后曲線回升到播前的水平，表明從拔節(jié)到抽穗階段降雨量滿足了作物生長所需，且還有剩余供土體吸收，曲線走向呈“降-升-降”的趨勢，3 處理曲線走向基本一致，F(xiàn)C-SUF 處理和 FC-FSS 處理土體含水量差異不顯著，但均比CK 差異顯著（P＜0.05）。2 年均表現(xiàn)出了FC-SUF 處理土壤含水量最高、FC-FSS 處理次之，裸地即CK 處理含水量最低，具有相似的規(guī)律性。

圖1 0～200 cm 土層土壤貯水量隨生育期的變化Fig.1 Dynamical changea of soil water storage in 0～200 cm soil layer

2.2 不同覆膜種植方式對土壤溫度的影響

通過對2018 年和2019 年高粱不同生育期各處理0～15cm 土壤平均溫度變化測定，不同生育期各處理0～15cm 土壤溫度日變化趨勢基本相同，均呈“先升后降”的單峰曲線形式，在14：00 達(dá)到最大，2018 年最高溫度略高于2019 年。土壤溫度隨高粱生育進(jìn)程總體呈先升高后降低的趨勢，拔節(jié)期溫度最高，成熟期溫度最低，苗期與拔節(jié)期溫度差異不顯著。各生育期以FC-SUF 處理溫度最高，顯著高于 FC-FSS 處理和 CK 處理（P＜0.05），F(xiàn)C-FSS 處理比 CK 略高，但差異不顯著，總體上FC-SUF 處理比FC-FSS 處理高0.6～0.9℃、比 CK 高 1.5～2.0 ℃，F(xiàn)C-FSS 處理比 CK處理高1.0～1.3 ℃，2 年的數(shù)據(jù)雖不盡相同，但卻表現(xiàn)出了相似的規(guī)律性（圖2）。

2.3 不同覆膜種植方式對作物光合特性的影響

隨著高粱生育進(jìn)程的推進(jìn)，凈光合速率先升高后降低，其峰值出現(xiàn)在抽穗期，到成熟期降至最低，年度間光合速率有所差異，主要是因?yàn)橥寥浪值牟町愃?；從各處理來看，F(xiàn)C-SUF 處理在抽穗前，其光合速率最高，較FC-FSS 處理和CK處理達(dá)顯著或極顯著水平，但灌漿至成熟階段，由于FC-SUF 處理的植株早衰，致使其光合速率低于FC-FSS 處理和CK 處理，且差異達(dá)5%水平，兩年間表現(xiàn)出了相似的規(guī)律；FC-FSS 處理同CK比苗期差異不顯著，但在拔節(jié)到抽穗階段，其光合速率差異達(dá)到了5%的水平，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，光合速率差異顯著性逐漸消失（表2）。

表2 不同種植方式對高粱凈光合速率的影響Table 2 Effects of different planting pattern on photosynthetic characteristics of sorghum 單位：μmol·m-2·s-1

圖2 不同處理在高粱苗期（圖A、圖B）、拔節(jié)期（圖C、圖D）、抽穗開花期（圖E、圖F）和成熟期（圖G、圖H）的地表下0～15cm 土壤平均溫度日變化Fig.2 Changes of soil temperature at average of 0～15 cm below surface under different treatments at seedling stage（Fig.A、Fig.B），jointing stage（Fig.C、Fig.D），heading and flowering stage（Fig.E、Fig.F），and grouting maturity period（Fig.G、Fig.H）

2.4 不同覆膜種植方式對產(chǎn)量及其性狀的影響

FC-SUF 處理的穗長和一級枝根數(shù)顯著高于 CK（P＜0.05），與 FC-FSS 處理差異不顯著，千粒重卻顯著低于其它處理（P＜0.01），致使穗粒重和產(chǎn)量顯著低于FC-FSS 處理（P＜0.05）；而FC-FSS 處理盡管穗長和一級枝根數(shù)與FCSUF 處理無差異，但千粒重卻顯著高于其它處理（P＜0.01），最終形成了較高的產(chǎn)量，2018、2019 年FC-FSS 處理分別比FC-SUF 處理和CK 處理產(chǎn)量分別提高3.75%、9.99%、4.56%和10.01%，并且2 年具有相似的規(guī)律性（表3）。

2.5 不同覆膜種植方式對高粱耗水量及水分利用率的影響

不覆膜處理即CK 處理，盡管產(chǎn)量最低，耗水卻最大，2018 年、2019 年其耗水比 FC-SUF 處理、FC-FSS 處理多耗水 8.7、2.7、9.5、4.3 mm，但產(chǎn)量分別降低8.34%、9.1%、4.95%、9.1%；FCSUF 處理雖保蓄了土壤水分，但由于造成了植株早衰，使水分未能盡其所用，限制了產(chǎn)量的發(fā)揮，2018 年、2019 年其耗水量比 FC-FSS 處理分別減少 5、8.7 mm，但產(chǎn)量卻降低 3.6%、4.4%；而FC-FSS 處理兼?zhèn)淞薋C-SUF 處理土壤水分高的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了其溫度太高的缺點(diǎn)，保持了植株后期較高的光合速率，從而提高了產(chǎn)量，2018 年、2019 年 FC-FSS 處 理 與 FC-SUF 處 理 相 比 ，產(chǎn)量分別提高3.75%、9.99%；與CK 處理相比，產(chǎn)量分別提高4.56%和10.01%，耗水及水分利用情況2 年具有相似的規(guī)律性（表4）。

表3 不同種植方式對產(chǎn)量及構(gòu)成的影響Table 3 Effects of different planting patterns on yield and yield-related factors

表4 不同種植方式下高粱耗水量及水分利用率Table 4 Effects of different planting patterns on water consumption and WUE

3 討論與結(jié)論

土壤水分及溫度是作物生長的2 個(gè)必要條件，也是影響旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要瓶頸，土壤溫度變化1 ℃就會對植株的生長產(chǎn)生明顯的影響［15］，良好的水、溫環(huán)境是作物增產(chǎn)的必要條件，溫度過高或水分缺乏均可導(dǎo)致作物生長后期的早衰，造成減產(chǎn)［16］。本研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)C-FSS 處理與 FCSUF 處理相比，地溫可降低 0.6～0.9 ℃，規(guī)避了FC-SUF 處理溫度太高的缺點(diǎn)，保持了植株后期較高的光合效率，從而提高產(chǎn)量3.75%～4.56%，與閆旭東等［10］的研究結(jié)論相似；而 FC-SUF 處理盡管土壤水分和溫度高，對高粱的穗分化和枝梗分化有利，但也加速了養(yǎng)分的礦質(zhì)化，使植株前期生長過旺，導(dǎo)致后期養(yǎng)分不足，造成了植株的早衰，從而降低了千粒重以至穗粒重，最終，使產(chǎn)量降低。

畝穗數(shù)、穗粒重和千粒重是決定高粱產(chǎn)量的3大因素，任何因素的減弱，都會影響產(chǎn)量的發(fā)揮［17］，本研究發(fā)現(xiàn) FC-FSS 處理與 FC-SUF 處理相比，灌漿期和成熟期，植株保持了較高的光合效率，致使籽粒灌漿較充分，形成了較高的千粒重，提高了產(chǎn)量，與高玉紅等［18］研究結(jié)論一致。

為了解決植株早衰的問題，學(xué)者在油菜、玉米、馬鈴薯等作物進(jìn)行了膜側(cè)種植的研究，但可能由于條件、環(huán)境、作物的不同，得出的結(jié)論褒貶不一，曾秀存［19］在油菜上研究認(rèn)為：膜側(cè)溝播的油菜產(chǎn)量較CK 下降；石玉霞等［20］用馬鈴薯研究認(rèn)為：膜側(cè)種植產(chǎn)量可降低12.7%；而郭景山等［21］研究認(rèn)為：馬鈴薯膜側(cè)種植大薯個(gè)數(shù)、塊莖重、商品薯率分別高于膜內(nèi)種植36.4%、14.6%和22.9%；耿智廣等［22］在玉米上研究表明，膜側(cè)種植比膜下種植，產(chǎn)量可提高25.5%；本研究發(fā)現(xiàn)膜側(cè)種植高粱比膜下種植，可降低地溫0.6～0.9 ℃，產(chǎn)量可提高3.75%～4.56%；與CK 相比，可提高地溫1.5 ℃左右，提高土壤水分6～9 mm，提高產(chǎn)量10%，與郭景山［21］、耿智廣等［22］的研究結(jié)論一致。

膜側(cè)種植的方法汲取了膜內(nèi)種植方法的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了其缺點(diǎn)，是覆蓋農(nóng)業(yè)中播種方式的發(fā)展與完善，不僅可以改善作物的生長環(huán)境，減少作物后期早衰現(xiàn)象的發(fā)生，促進(jìn)作物生長，從而提高產(chǎn)量，而且還降低了地膜回收的難度，降低了白色污染的程度，是一舉多得的生產(chǎn)舉措。