覆膜種植方式對旱作大豆生長發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

王立明，陳光榮，楊如萍，張國宏，楊封科

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

0 引言

水資源短缺是制約甘肅東部黃土高原旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)糧食生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[1-2]。在旱作地區(qū)70%～80%自然降水以田間徑流及土壤無效蒸發(fā)損失，僅有20%～30%被作物吸收利用，作物生產(chǎn)潛力因水分限制衰減了67%～75%[3]。傳統(tǒng)溝壟耕作種植方式是通過改變地表微地形，協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱關(guān)系，促進(jìn)作物生長的一種保護(hù)性耕作措施[4]，溝播栽培能夠明顯提高播種溝內(nèi)土壤水分含量，有效供給作物生長需求，是旱作區(qū)農(nóng)田集水高效栽培的重要途徑[5]。

大豆是甘肅東部旱作區(qū)分布廣泛種植面積最大的經(jīng)濟(jì)作物[6]，對水分敏感需水量較多且不耐旱，水分不僅影響大豆植株形態(tài)建成[7]，而且還影響其生理反應(yīng)，進(jìn)而影響產(chǎn)量高低[8]；受降雨時(shí)空分配不均、季節(jié)性干旱等諸多因素限制，該區(qū)大豆產(chǎn)量長期低而不穩(wěn)[9]，生產(chǎn)集約化水平低，未能發(fā)揮區(qū)域規(guī)模種植效應(yīng)。地膜覆蓋栽培是旱作區(qū)調(diào)節(jié)土壤水分虧缺，增強(qiáng)保墑能力，充分高效利用自然降水的重要技術(shù)手段[10-11]，在旱作區(qū)廣泛應(yīng)用，顯著提高該區(qū)域作物產(chǎn)量和種植效益。覆膜溝播種植溝內(nèi)種植作物、壟面集水、提升地溫，而且可有效抑制地面蒸發(fā)[12]，促進(jìn)作物增產(chǎn)30%以上[13-14]。關(guān)于旱作區(qū)覆膜種植方式的研究多集中玉米[15]和馬鈴薯[16]等作物，對大豆栽培研究相對較少，現(xiàn)有報(bào)道僅限于不同種植方式簡單比較，尤其是針對甘肅東部雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)大豆高效栽培技術(shù)方面，缺乏多年系統(tǒng)研究，難以為生產(chǎn)提供技術(shù)支撐[17-18]。因此，針對該區(qū)自然降水特征，整合傳統(tǒng)溝播與地膜覆蓋栽培技術(shù)，探討不同覆膜種植方式對旱作大豆生長發(fā)育、不同降雨年型農(nóng)田土壤水分變化特征，為旱作區(qū)大豆高產(chǎn)栽培提供的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014—2017年在國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鎮(zhèn)原綜合試驗(yàn)站(35°30′38″N,107°29′38″E)進(jìn)行。該地區(qū)海拔1297 m，年日照時(shí)數(shù)2484.1 h，年平均氣溫8.6℃，≥10℃積溫2727℃，≥0℃積溫3435℃，無霜期165天，屬“一年一熟”或“兩年三熟”氣候類型區(qū)[19]。據(jù)1950—2017年降水資料分析，試驗(yàn)區(qū)多年平均降水533.1 mm，主要分布在7—9月，年蒸發(fā)量1527 mm。試驗(yàn)地土壤為覆蓋黑壚土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量11.2 g/kg，全氮 0.94 g/kg，堿解氮 87 mg/kg，速效磷12.8 mg/kg，速效鉀231 mg/kg，肥力中等，大豆為當(dāng)?shù)胤N植的主要春播作物之一。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試大豆品種為‘晉豆23’，地膜選用厚度為0.008 mm天水天寶塑業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜，共設(shè)5個(gè)處理：

（1）露地平播(CK)，簡稱“露地”：播前整地后，按等行距50 cm在地面點(diǎn)播種植；

（2）全膜覆蓋溝播，簡稱“全膜溝播”：播種前，間隔50 cm開深度為20 cm的集水溝，每2條集水溝采用120 cm寬地膜覆蓋，地膜連接處不留空隙以土覆蓋壓住地膜，間隔200 cm設(shè)置土腰帶，在覆膜溝內(nèi)播種；

（3）半覆覆蓋溝播，簡稱“半膜溝播”：采用100 cm寬的地膜覆蓋，覆膜方式同“全膜溝播”，地膜與地膜之間不連接，留30 cm空隙；

（4）半膜覆蓋平播，簡稱“半膜平”：采用80 cm寬的地膜覆蓋，每隔200 cm壓土腰帶，膜面寬度70 cm，膜間30 cm，膜上穴播2行，行距50 cm；

（5）膜側(cè)播種，簡稱“膜側(cè)”：起底寬40 cm，高10 cm的壟，用60 cm寬的地膜覆蓋壟面，每隔200 cm壓土腰帶，大豆播種于膜側(cè)5 cm處，行距50 cm。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積4.0 m×6.0 m=24 m2。種植密度均設(shè)定為1.2×104株/hm2。試驗(yàn)地于上年度秋季作物玉米收獲后進(jìn)行翻耕滅茬，春季播種前結(jié)合淺耕平整土地施尿素100 kg/hm2、過磷酸鈣625 kg/hm2。2014年和2015年試驗(yàn)均于5月4日播種；2016年和2017年分別于5月7日、5月9日播種，試驗(yàn)不同處理于9月中、下旬成熟后按每小區(qū)分別收獲脫粒計(jì)產(chǎn)，4個(gè)年度試驗(yàn)均在同一地塊的不同位置進(jìn)行。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生育期調(diào)查 參考Fehr等[20]方法，調(diào)查大豆出苗期(VE)、開花期(R2)、結(jié)莢期(R3)、成熟期(R8)。

1.3.2 大豆生物學(xué)指標(biāo)調(diào)查 自6月10日起，每15天從各處理小區(qū)中間行取5株測定株高、單株地上部風(fēng)干重，葉面積（鮮重法）[21]；成熟期按每處理取樣20株測定產(chǎn)量性狀，經(jīng)濟(jì)系數(shù)（籽粒重占地上部不同器官生物量的構(gòu)成比例），以上數(shù)值取連續(xù)4年平均值。

1.3.3 土壤水分測定和田間水分利用效率計(jì)算 參考李尚中等[22]方法，在大豆播種和收獲時(shí)采用烘干稱重法測定大豆種植行間每處理小區(qū)200 cm土層（每20 cm設(shè)定為一層次）土壤含水率，轉(zhuǎn)換以mm為單位的土壤貯水量，大豆生育期降雨量數(shù)據(jù)采集通過MM-950自動氣象儀獲得。利用田間土壤水分平衡方程計(jì)算不同處理小區(qū)作物耗水量、水分利用效率，計(jì)算方法見公式(1)和(2)。

式中，ET為田間耗水量，P為生育期降水量，ΔW為成熟與播種土壤儲水量之差。

式中，WUE為作物水分利用效率，Y為作物產(chǎn)量，ET為作物田間耗水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)基本運(yùn)算處理并繪制圖標(biāo)，利用SPSS 11.5軟件進(jìn)行方差(ANOVA)分析，最小顯著差異法LSD進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜種植方式對大豆生育進(jìn)程的影響

不同覆膜種植方式對大豆生育進(jìn)程影響不同（表1）。與露地平播相比較，覆膜種植方式使大豆出苗期提前2～5天，出苗-開花期（營養(yǎng)生長階段）縮短3～5天，開花-成熟期（生殖生長階段）不同處理之間差異較小，僅相差1～2天。全膜溝播、半膜溝播、半膜平、膜側(cè)分別較露地平播早熟12、11、10、6天。

表1 不同覆膜處理下大豆生育時(shí)期

2.2 不同覆膜種植方式對大豆株高的影響

由圖1可知，不同覆膜種植方式對大豆株高有明顯影響，其中，全膜溝播株高顯著高于其他處理，主要是全膜溝播促進(jìn)大豆分枝期和開花期的株高增長速度，結(jié)莢期和鼓粒期株高的增長速度與其他處理差異不明顯。測定結(jié)果表明，成熟期全膜溝播大豆株高為80.5 cm，分別較半膜溝播、半膜平、膜側(cè)、露地提高3.1%、6.2%、14.5%和18.0%。

圖1 不同覆膜處理下株高變化

2.3 不同覆膜種植方式對大豆葉面積指數(shù)的影響

如圖2所示，在大豆生長期間，各覆膜種植方式大豆葉面積指數(shù)的變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為隨生育進(jìn)程的推遲呈現(xiàn)先增后降的趨勢。不同覆膜種植方式大豆葉面積指數(shù)均在8月9日達(dá)到峰值，比露地平播提前15天。全膜溝播不同生育階段葉面積指數(shù)均高于其他處理，結(jié)莢后不同處理大豆葉面積指數(shù)出現(xiàn)最大值，全膜溝播為4.9，比同期半膜溝播、半膜平、膜側(cè)和露地分別增加0.2、0.5、0.9、1.1。

圖2 不同覆膜處理葉面積指數(shù)變化

2.4 不同覆膜種植方式對大豆地上干物質(zhì)積累的影響

圖3表明，隨大豆生育進(jìn)程的推進(jìn)，不同種植方式大豆單株生物量逐漸遞增，表現(xiàn)為開花前干物質(zhì)積累緩慢增加，開花后明顯加快，鼓粒期緩慢增長，呈現(xiàn)慢-快-慢的變化規(guī)律。在大豆各生育時(shí)期，不同處理間干物質(zhì)的積累量均表現(xiàn)全膜溝播＞半膜溝播＞半膜平＞膜側(cè)＞露地。大豆成熟期間，全膜溝播干物質(zhì)積累量分別比半膜溝播、半膜平、膜側(cè)、露地分別提高12.2%、21.0%、26.1%和35.7%。

圖3 不同覆膜處理大豆干物質(zhì)積累量

2.5 不同覆膜種植方式對大豆干物質(zhì)分配的影響

大豆成熟期間，不同處理地上各器官生物量所占比例基本一致（圖4），均表現(xiàn)為籽粒＞莖稈＞莢皮＞葉片。其中，全膜溝播單株粒重所占比例最高為47.2%，其次為半膜溝播、半膜平、膜側(cè)，分別為45.5%、43.1%和42.5%，露地最低為40.7%。

2.6 不同覆膜種植方式對大豆產(chǎn)量和水分利用效率的影響

研究表明（表2），2014年（正常降雨年型）、2015年（豐水降雨年型）大豆生育期間降雨量分別為452.1 mm和568.0 mm，全膜溝播大豆產(chǎn)量和水分利用效率最高，分別為3263.3 kg/hm2和7.79 kg/(mm·hm2)、3155.2 kg/hm2和6.92 kg/(mm·hm2)，較露地平播分別提高36.0%和41.4%、30.6%和44.5%。2016年（干旱年份）大豆生育期間降雨量304.2 mm，全膜溝播大豆產(chǎn)量和水分利用效率分別為1481.5 kg/hm2和5.04 kg/(mm·hm2)，較露地平播分別提高84.3%和90.9%，雖然低于半膜溝播，但與半膜溝播之間產(chǎn)量差異不顯著，而與半膜平、膜側(cè)之間差異顯著。2017年（極度干旱年份）大豆生育期間降水量280.2 mm，降水多集中于大豆開花與結(jié)莢期，全膜溝播產(chǎn)量和水分利用效率最高，分別為2823.3 kg/hm2和9.42 kg/(mm·hm2)，較露地平播分別提高41.8%和68.2%，但與半膜溝播、半膜平之間產(chǎn)量差異不顯著。

表2 不同覆膜方式大豆的產(chǎn)量和水分利用效率

4年平均結(jié)果分析，全膜溝播產(chǎn)量和水分利用效率均顯著高于其他處理，分別為2680.8 kg/hm2和7.30 kg/(mm·hm2)，比露地平播分別提高40.9%和53.4%。分析考種結(jié)果表明，全膜溝播產(chǎn)量提高主要表現(xiàn)在大豆單株粒數(shù)和百粒重的增加，4a平均為103.2粒和22.0g，較露地平播分別提高31.9%和7.2%。

3 討論

3.1 覆膜溝播種植能夠改善大豆田間農(nóng)藝性狀，促進(jìn)大豆生長發(fā)育進(jìn)程

已有研究結(jié)果表明，全膜溝播具有增溫保溫作用，增加耕層土壤有效積溫，全生育期耕層溫度平均提高1.6℃，生育關(guān)鍵期均保持在21℃以上，特別是生育前期增溫達(dá)2.5℃以上，這對于促進(jìn)大豆幼苗早發(fā)、快長、培育壯苗，促進(jìn)早熟奪取高產(chǎn)作用顯著[23]。覆蓋處理大豆株高、單株葉面積、單株生物干重和百粒重均高于露地，尤其以地膜覆蓋處理最優(yōu)[24]，與本研究結(jié)果一致。在本試驗(yàn)設(shè)定的旱作區(qū)，全膜溝播能夠加快大豆生長發(fā)育進(jìn)程，出苗較露地提前5天，全生育期縮短12天。全生育期縮短有利于選擇較為晚熟的高產(chǎn)大豆品種，同時(shí)能使該區(qū)域秋播作物（冬小麥、冬油菜）播種期提前，延長秋播作物冬前生長時(shí)期，有利于安全越冬，提高作物復(fù)種指數(shù)，有利于當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量整體提高。全膜溝播由于改善了旱作區(qū)耕層土壤水溫狀況，其不同生長階段大豆株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累均高于其他處理，且能夠協(xié)調(diào)大豆?fàn)I養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系，有利于光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移分配、促進(jìn)灌漿，大豆成熟期粒重占地上部分生物量47.2%，較露地平播增加6.5%。

3.2 覆膜溝播種植可有效保持土壤水分，顯著提升大豆產(chǎn)量和水分利用效率

地膜覆蓋具有保墑、抑制蒸發(fā)、集雨和提高降水田間入滲的作用，能夠充分高效利用自然降水，對促進(jìn)旱作區(qū)作物產(chǎn)量提高具有重要現(xiàn)實(shí)意義[25-26]。全膜溝播作為全地面地膜覆蓋與傳統(tǒng)壟溝耕作結(jié)合的一項(xiàng)新型田間微集水農(nóng)業(yè)技術(shù)[27-28]，實(shí)現(xiàn)了將無效降雨富集，特別是提高了≤10 mm農(nóng)田降水資源利用化程度，對于減輕土壤水分無效蒸發(fā)和田間水分徑流損失，改善自然降水與作物需水期供需錯(cuò)位，實(shí)現(xiàn)降水資源時(shí)空調(diào)配，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)潛力有著的重要作用[29]。

周德錄等[30]研究認(rèn)為，年降雨量500～600 mm生態(tài)區(qū)全膜微壟溝播增產(chǎn)效應(yīng)最明顯，大豆平均產(chǎn)量達(dá)到4318.2 kg/hm2，增產(chǎn)幅度可達(dá)58.5%，降水量較大地區(qū)增產(chǎn)幅度較大[31]。本研究結(jié)果認(rèn)為全膜溝播能夠顯著提高單株粒數(shù)和百粒重，具有較高增產(chǎn)潛力，連續(xù)4年全膜溝播平均產(chǎn)量為2680.8 kg/hm2，比露地平播提高40.9%。

為作物生長發(fā)育最大化地獲取土壤水分，降低土壤蒸發(fā)造成的水分消耗，對提升作物水分利用效率具有重要作用[32-33]。大豆生育前期溝壟覆膜能夠有效保持土壤水分，且生育中后期可將深層土壤水分提到上層供大豆生長所需，是目前充分高效利用自然降水的重要手段[34]，與本研究連續(xù)4年全膜溝播水分利用效率較露地平播提升53.4%，達(dá)7.30 kg/(mm·hm2)結(jié)果一致。

近年來，隨著全膜溝播集雨技術(shù)的廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)上已研制出開溝起壟、覆膜為一體，并和輪式穴播種植機(jī)械相配套[35-36]，顯著降低勞動力成本，提升了種植效益，為旱作區(qū)大豆栽培探索出新的種植模式，大種植面積逐年擴(kuò)大，推動了該區(qū)域大豆向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；较虬l(fā)展。因此，有必要針對覆膜種植條件下大豆生態(tài)效益及增產(chǎn)機(jī)理方面的進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

全膜覆蓋溝播促進(jìn)大豆生長發(fā)育進(jìn)程，提前出苗，生育期縮短，可提高大豆各生育階段株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量；全膜覆蓋溝播能夠有效協(xié)調(diào)大豆?fàn)I養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系，增加地上部分生物量，促進(jìn)光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移，有利于灌漿和高產(chǎn)，連續(xù)4年平均產(chǎn)量和水分利用效率分別為2680.8 kg/hm2和7.30 kg/(mm·hm2)，比露地平播提高40.9%和53.4%，全膜覆蓋溝播是提高旱作區(qū)大豆降水利用效率和高產(chǎn)田創(chuàng)建的有效途徑。