晉北地區(qū)谷子不覆膜與覆膜種植的水熱特征及產(chǎn)量差異

葉 凡 ，趙 磊 ，尹大鵬 ，陳向陽 ，盧華雨 ，陳 阜 ，文新亞

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.永定河流域（大同）資產(chǎn)運(yùn)營有限公司，山西 大同 037000）

谷子起源于我國，栽培歷史悠久，具有耐旱、耐 瘠薄、抗逆性強(qiáng)和適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，是我國主要的雜糧作物之一[1]，在有機(jī)旱作發(fā)展中起著十分重要的作用。山西省是谷子主要種植區(qū)之一，但由于其大多屬于干旱半干旱地區(qū)，地理氣候限制了谷子產(chǎn)量的提升，制約當(dāng)?shù)毓茸赢a(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。而地膜覆蓋作為一種具有保水保肥、增溫作用的栽培技術(shù)，可以起到改良土壤理化性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量的作用[2-4]，對干旱半干旱地區(qū)的谷子種植具有重大意義。但由于地膜特殊的制作材料，很難在自然環(huán)境下分解或降解[5]。并且殘膜的回收措施并不完善，殘膜回收率不到2/3，大量殘膜滯留在農(nóng)田中，造成一系列的問題[6]。殘膜會使土壤理化性質(zhì)發(fā)生惡化[7]，影響水肥運(yùn)移[8]，造成土壤板結(jié)，減少土壤孔隙率[9]，影響土壤水分滲透[10]，會引起土壤pH 值增加[11]；土壤耕層中微生物的活性也會受到殘膜的影響，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的礦化釋放受到阻礙，影響土壤肥力的提升[12]。同時(shí)也會通過限制作物根系生長影響地上部生物量的形成，造成作物產(chǎn)量降低[13]。地膜殘留的危害日益增加，不僅對農(nóng)業(yè)環(huán)境造成了污染，同時(shí)也限制了我國未來農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

本試驗(yàn)研究了晉北地區(qū)覆膜種植與不覆膜種植、灌溉與雨養(yǎng)對谷子產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀和水熱特征的影響，明確地膜與灌溉對該地谷子種植起到的主要作用，從而有針對性地調(diào)整栽培管理措施，提升不覆膜種植谷子的產(chǎn)量，達(dá)到減少地膜使用的目的。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山西省大同市云州區(qū)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)旱作試驗(yàn)站（39°88′N，113°50′E，海拔1 347 m）進(jìn)行。年均降水量在400～500 mm，月降水量最多是在6、7月。年平均氣溫6.4 ℃。夏季平均氣溫在19.0～21.9 ℃。日照時(shí)數(shù)通常在2 485～2 965 h。初霜期為9月下旬，無霜期125 d 左右。2021年谷子生長季降雨量263 mm，平均氣溫19.2 ℃（圖1）。

圖1 試驗(yàn)地2021年谷子生育期內(nèi)氣象條件Fig.1 Meteorological conditions of millet growth stages at the experimental sites in 2021

1.2 試驗(yàn)材料

供試谷子品種為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所選育的長雜2 號，大豆品種為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所選育的晉豆25 號。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)置2 個(gè)試驗(yàn)。試驗(yàn)1 為4 種種植方式，分別為覆膜穴播（FX）、不覆膜穴播（BX）、不覆膜條播（BT）、不覆膜谷豆間作（BJ）；試驗(yàn)2 為覆膜灌溉裂區(qū)試驗(yàn)，分別為覆膜灌溉（FG）、覆膜雨養(yǎng)（FY）、不覆膜灌溉（BG）、不覆膜雨養(yǎng)（BY）。每個(gè)處理設(shè)置4 次重復(fù)，共計(jì)32 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為50 m2（10 m×5 m）。其中，穴播種植方式，株距20 cm，每穴留苗3～4 苗；人工條播種植方式，株距5 cm；間作為谷子與大豆隔行間作，株距均為20 cm。各處理田間管理措施相同。

谷子于2021年5月5日播種，10月3日收獲；大豆于2021年5月6日播種，9月29日收獲。播前施用基肥，按照N 180 kg/hm2、P 105 kg/hm2、K 60 kg/hm2比例配施。種植前統(tǒng)一進(jìn)行機(jī)械旋耕、機(jī)械起壟覆膜，與當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)方式一致。采用膜下滴灌技術(shù)，于播前統(tǒng)一鋪設(shè)滴灌帶，1 m 滴灌帶3 個(gè)滴頭，每個(gè)滴頭1 h 出水量為2 L。播前各處理統(tǒng)一灌溉底墑水100 mm。雨養(yǎng)處理在谷子生育期內(nèi)不進(jìn)行灌溉，其余處理于谷子拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別進(jìn)行灌溉，每次灌溉60 mm。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

在谷子播種后，于各小區(qū)隨機(jī)選擇壟上插入5、10、20 cm 長度的溫度計(jì)，隔2～3 d 測定一次，每次測定8：00、14：00 和20：00 的土壤溫度。在谷子生育各時(shí)期用標(biāo)準(zhǔn)重量法測定土壤質(zhì)量含水量。

采用直徑54 mm 鋼管，在0～100 cm 土層中，每20 cm 取一次樣，每個(gè)小區(qū)3 次重復(fù)。稱量濕土質(zhì)量（W1）后，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測量干土質(zhì)量（W2），計(jì)算土壤絕對含水量（SWC）和土壤貯水量（SWS）。

式中hi表示取樣土層的厚度，pi表示每層土層的土壤容重，SWCi表示每層土層的土壤含水量，n表示取樣土層數(shù)，i=20，40…，100。

土壤容重采用環(huán)刀法取樣測定。

式中，ET表示蒸散量（mm），P表示谷子生長季的降水量（mm），I表示灌溉量（mm），C表示流入根區(qū)的水量（mm）。地下水水深約50 m，地下水返水可以忽略不計(jì)。SWSt1表示種植后t1天0～100 cm土層的土壤貯水量（SWS）（mm），SWSt2為種植后t2天0～100 cm 土層的土壤貯水量（SWS）（mm）。D表示測量根區(qū)以下的滲水量（mm），但由于測量的土壤深度（100 cm）很深，默認(rèn)為0。R為地表徑流量（mm），但由于各小區(qū)表面平整，試驗(yàn)過程中沒有徑流量。因此，方程中的C、D 和R 均默認(rèn)為0。

其中，Y為籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），ET為整個(gè)谷子生育期的蒸散發(fā)量（mm）。

分別在谷子苗期（SS）、拔節(jié)期（JS）、孕穗期（BS）、抽穗期（HS）、灌漿期（GS）和成熟期（MS）對各處理進(jìn)行隨機(jī)取樣。每小區(qū)分別取植株10 株，測量株高、莖粗、每片葉片的葉長和葉寬。然后將植株按莖、葉、穗切割分離，烘干稱質(zhì)量，計(jì)算單株及群體生物量。

谷子成熟后，每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的植株10 株，測定谷子穗長、穗粗和單穗質(zhì)量等。每個(gè)小區(qū)收獲中間4 行5 m 谷子穗，記錄單位面積有效穗數(shù)，并進(jìn)行脫粒、稱質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不覆膜種植與灌溉對谷子生育進(jìn)程及長勢的影響

2.1.1 不覆膜種植對谷子生育時(shí)期的影響 不覆膜種植對谷子生育時(shí)期有顯著影響（表1）。不覆膜種植方式下，谷子從播種到出苗的時(shí)間要長于覆膜種植，比覆膜種植晚3～4 d。而從出苗到拔節(jié)，各處理則沒有顯著差異，均為45 d 左右。拔節(jié)到抽穗，不覆膜的3 種播種方式的時(shí)間少于覆膜播種，BX 和BJ 處理則比BT 處理到達(dá)抽穗的時(shí)間早2 d。從抽穗到成熟，各處理間則沒有明顯差異。從全生育期來看，不覆膜種植方式與覆膜種植方式相比，無顯著差異。

表1 不覆膜種植方式對谷子生育時(shí)期的影響Tab.1 Effects of unmulched cultivation on growth stage of millet 月-日

2.1.2 不覆膜種植對谷子株高、莖粗的影響 由圖2 可知，3 種不覆膜種植方式下的谷子在苗期、拔節(jié)期和孕穗期的株高要顯著低于覆膜種植，其中苗期差異最為顯著，BX、BJ 和BT 處理下的株高分別比FX 處理低82.95%、81.66% 和126.33%；在孕穗期，BX、BJ 和BT 處理下的株高分別比FX 處理低10.06%、17.21%和27.86%。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，各處理間的株高差異逐漸減小。在成熟期，各處理間的株高均無顯著差異。由此可見，不覆膜種植方式對谷子株高的影響主要集中在其生育前期，隨著生育期進(jìn)程的推進(jìn)，與覆膜種植下谷子株高的差異將逐漸消失。

圖2 不覆膜種植對谷子各時(shí)期株高的影響Fig.2 Effects of unmulched cultivation on plant height of millet at different stages

由圖3 可知，在谷子苗期與拔節(jié)期，3 種不覆膜 種植方式下的谷子莖粗顯著低于覆膜種植。在谷子苗期，BX、BJ和BT 處理相比FX 處理，莖粗分別低17.91%、16.78和64.43%。隨生育進(jìn)程推進(jìn)，各處理間谷子莖粗差異逐漸縮小。在成熟期，BX 與BJ處理莖粗分別比FX 處理高11.34%和5.30%。由此可見，不覆膜種植在谷子生育前期對谷子莖粗有一定影響，但隨生育進(jìn)程推進(jìn)，與覆膜種植差異逐漸消失。

圖3 不覆膜種植對谷子各時(shí)期莖粗的影響Fig.3 Effects of unmulched cultivation on stem diameter of millet at different stages

2.1.3 不覆膜種植與灌溉對谷子株高、莖粗的影響 由圖4 可知，在谷子苗期，F(xiàn)G 處理與FY 處理的谷子株高無顯著差異，BG 處理與BY 處理的谷子株高無顯著差異。在苗期到拔節(jié)期之間進(jìn)行一次灌溉之后，谷子株高在拔節(jié)期表現(xiàn)為FG>FY>BG>BY，由此可見，覆膜與灌溉均能提高谷子在拔節(jié)期的株高。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，F(xiàn)G、FY 和BG 處理下谷子株高的差異性逐漸減小，在抽穗期、灌漿期和成熟期，3 種處理的株高均無顯著性差異，并且3 種處理的株高均顯著高于BY 處理，分別比BY 處理高17.52%、13.80% 和10.77%。由此可見，覆膜種植下，灌溉不會對谷子生育后期的株高造成顯著影響；而不覆膜種植下，灌溉則會增加谷子株高。

圖4 不覆膜種植與灌溉對谷子各時(shí)期株高的影響Fig.4 Effects of unmulched cultivation and irrigation on plant height of millet at different stages

不覆膜種植與灌溉對谷子各時(shí)期莖粗的影響 如圖5 所示。從圖5 可以看出，在谷子苗期，F(xiàn)G 與FY 處理的谷子莖粗無顯著差異，BG 與BY 處理的谷子莖粗無顯著差異，但FG 與FY 處理均顯著高于BG 和BY 處理。在拔節(jié)期，各處理出現(xiàn)顯著差異，表現(xiàn)為FG>FY>BG>BY，由此可見，地膜覆蓋與灌溉均可增加該時(shí)期的谷子莖粗。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，各處理下谷子莖粗差異逐漸減小。在成熟期，各處理的莖粗均有降低的趨勢，同時(shí)不覆膜處理的谷子莖粗要高于覆膜處理；灌溉處理的莖粗高于雨養(yǎng)處理。

圖5 不覆膜種植與灌溉對谷子各時(shí)期莖粗的影響Fig.5 Effects of unmulched cultivation and irrigation on stem diameter of millet at different stages

2.2 不覆膜種植與灌溉對土壤水熱效應(yīng)的影響

2.2.1 不覆膜種植對土壤溫度的影響 由圖6 可知，土壤溫度在谷子整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)出隨谷子生育進(jìn)程的推進(jìn)先升高后降低的趨勢，在谷子拔節(jié)期土壤溫度達(dá)到最高值。不覆膜種植下，谷子苗期的土壤溫度顯著低于覆膜種植，在14：00，5 cm 土層，BX、BT 和BJ 處理下的土壤溫度分別比FX 處理低4.70、4.52、4.59 ℃；在10 cm 土層，分別低6.07、5.52、5.62 ℃；在20 cm 土層，分別低3.34、2.46、2.18 ℃。土壤溫度在谷子拔節(jié)期達(dá)到最高值，此時(shí)覆膜處理在14：00 各土層中表現(xiàn)出一定的降溫效應(yīng)，在5 cm土層，BX、BT 和BJ 處理下的土壤溫度分別比FX處理高2.18、3.88、2.77 ℃，在10 cm 土層，分別高2.70、4.83、3.80 ℃。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，不覆膜與覆膜種植下的土壤溫度無顯著差異。

圖6 不覆膜種植對谷子各生育時(shí)期0～20 cm 土層土壤溫度的影響Fig.6 Effects of unmulched cultivation on soil temperature in 0-20 cm soil layer of millet at different growth stages

2.2.2 不覆膜種植與灌溉對土壤含水量的影響由圖7 可知，谷子在整個(gè)生育期內(nèi)的土壤含水量呈現(xiàn)出FG>BG>FY>BY 的趨勢。各處理間的土壤水分分布不同，其中不覆膜種植下的土壤水分主要分布在50～100 cm 土層，覆膜種植下的土壤水分主要分布在0～30、70～100 cm 土層。而灌溉處理的土壤含水量顯著高于雨養(yǎng)處理，由此可見，灌溉對土壤含水量的影響大于地膜覆蓋。

圖7 不覆膜種植與灌溉對谷子各時(shí)期0～100 cm 土層含水量的影響Fig.7 Effects of unmulched planted and irrigation on water content in 0-100 cm soil layer of millet at different stages

2.2.3 不覆膜種植與灌溉對谷子水分利用效率的影響 由表2 可知，不覆膜處理下的土壤水分蒸發(fā)量比覆膜處理高5.14%，灌溉處理下的土壤水分蒸發(fā)量比雨養(yǎng)處理高35.27%，由此可見，灌溉對土壤水分蒸發(fā)量的影響要高于地膜覆蓋。灌溉顯著影響0～100 cm 土層貯水變化量，灌溉處理顯著降低土壤貯水變化量，與雨養(yǎng)處理相比，灌溉處理在整個(gè)生育期的貯水變化量顯著降低51.88%；不覆膜種植與覆膜相比，整個(gè)生育期的貯水變化量增加42.78%。不覆膜種植與灌溉處理均降低了谷子的水分利用效率，與雨養(yǎng)相比，灌溉處理的水分利用效率顯著降低24.22%；與覆膜種植相比，不覆膜種植的水分利用效率顯著降低29.01%。4 種處理的水分利用效率表現(xiàn)為FY>FG>BY>BG，其中FG 和BY 處理的水分利用效率基本無差異。

表2 不覆膜種植與灌溉對谷子土壤貯水變化量、蒸散量和水分利用效率的影響Tab.2 Effects of unmulched cultivation and irrigation on change of soil water storage，evapotranspiration and water use efficiency of millet

2.3 不覆膜種植與灌溉對谷子產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.3.1 不覆膜種植對谷子產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響 不覆膜種植對產(chǎn)量的影響顯著（表3）。3種不覆膜處理下谷子產(chǎn)量顯著低于覆膜處理，BJ、BX 和BT 處理下的谷子產(chǎn)量分別較FX 處理低13.24%、20.08%和64.02%。不覆膜種植下谷子單位面積的穗數(shù)顯著低于FX 處理，BX、BJ 和BT 處理的穗數(shù)分別比FX 處理低23.33%、35.44%和41.07%。不同處理對谷子的穗部性狀影響顯著，其中，BX 處理對穗部性狀的提升最為顯著，包括穗長、單穗粒質(zhì)量和穗數(shù)，均顯著高于其他處理；FX 處理顯著降低了谷子的穗部性狀，包括穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、穗數(shù)和千粒質(zhì)量均低于不覆膜的3 種處理。

表3 不覆膜種植對谷子穗部性狀、產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.3 Effects of unmulched cultivation on spike traits，yield，and yield composition of millet

2.3.2 不覆膜種植與灌溉對谷子產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響 從表4 可以看出，地膜與灌溉對谷子產(chǎn)量影響顯著，各處理間的谷子產(chǎn)量表現(xiàn)為FG>FY>BG>BY。其中在覆膜條件下，灌溉與雨養(yǎng)處理下產(chǎn)量并無顯著差異；在不覆膜條件下，灌溉處理比雨養(yǎng)處理產(chǎn)量高13.05%，表明地膜覆蓋可以在一定程度上彌補(bǔ)雨養(yǎng)對谷子帶來的減產(chǎn)效應(yīng)。在灌溉條件下，覆膜處理比不覆膜處理產(chǎn)量高18.35%；在雨養(yǎng)條件下，覆膜處理比不覆膜處理產(chǎn)量高28.43%。各處理間谷子穗粗、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量均表現(xiàn)為BG>FY>BY>FG 的趨勢。覆膜條件下，灌溉可顯著提升谷子穗數(shù)，而不覆膜條件下，灌溉則對谷子穗數(shù)無顯著影響。由此可見，地膜覆蓋通過增加谷子單位面積內(nèi)穗數(shù)，從而增加其產(chǎn)量；而灌溉則可通過增加不覆膜種植下谷子單穗質(zhì)量從而增加產(chǎn)量。

表4 不覆膜種植與灌溉對谷子穗部性狀、產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.4 Effects of unmulched cultivation and irrigation on spike traits，yield and yield composition of millet

3 結(jié)論與討論

有研究表明，不覆膜種植相較覆膜種植，谷子生育前期耕層溫度較低，根系生長緩慢，出苗率較低，生育期較長[14]，同時(shí)地膜也可以避免過強(qiáng)的陽光直射，減少高溫危害[15]。本研究結(jié)果相似，不覆膜種植相較覆膜種植，在苗期0～20 cm 土層日均溫低3.26 ℃；而在拔節(jié)期，不覆膜種植下0～20 cm 土層溫度相較覆膜種植則要高0.26 ℃，土壤溫度的差異主要集中在生育前期，但生育后期則沒有顯著差異。本試驗(yàn)中，不覆膜種植方式在雨養(yǎng)條件下0～30 cm 土層、灌溉條件下各土層的土壤含水量低于覆膜種植，與前人研究結(jié)果相似[16]。灌溉會使土壤水分蒸散量增加[17]，不覆膜種植下的土壤水分蒸散量大于覆膜種植，水分利用效率較低[18]。

株高、莖粗等可以反映出谷子單株生長狀況，單株農(nóng)藝性狀較好的植株往往也具有較高的單株產(chǎn)量[19]。本試驗(yàn)中，不覆膜種植下谷子生育前期株高、莖粗雖然低于覆膜種植，但隨著生育進(jìn)程推進(jìn)，收獲期不覆膜與覆膜種植下的株高、莖粗并無差異。在不覆膜種植下，雨養(yǎng)處理的谷子農(nóng)藝性狀顯著低于灌溉處理，而在覆膜條件下，則沒有顯著差異，表明水分在一定程度上制約谷子生育后期的生長發(fā)育。不覆膜灌溉與雨養(yǎng)相比，增加了谷子各時(shí)期株高、拔節(jié)期莖粗和成熟期穗部性狀，產(chǎn)量有一定提高。

大量研究表明，不覆膜種植下作物產(chǎn)量低于覆膜種植[20]，灌溉在一定程度上可提升作物產(chǎn)量[21]。本研究表明，不覆膜與覆膜種植下谷子單株穗部性狀并無顯著差異，造成谷子產(chǎn)量低的主要因素為谷子密度，而導(dǎo)致密度差異的原因則可能是谷子生育前期，不覆膜種植下土壤溫度較低，導(dǎo)致谷子出苗率與成活率較低。在不覆膜種植情況下，灌溉可增加谷子各時(shí)期株高、拔節(jié)期莖粗和成熟期穗部性狀，從而提升其產(chǎn)量。因此，晉北地區(qū)不覆膜谷子種植可以選擇生育期較短的谷子品種，進(jìn)行適當(dāng)晚播以保證生育前期土壤溫度，同時(shí)適當(dāng)增加播種量，從而保證谷子出苗率與成活率，還有確定合適的灌溉次數(shù)，以彌補(bǔ)谷子生育后期的水分虧缺，從而保證谷子產(chǎn)量。