全膜覆土種植和施肥對旱地苦蕎耗水特征及產(chǎn)量的影響

方彥杰 張緒成 侯慧芝 于顯楓 王紅麗 馬一凡 張國平 雷康寧

全膜覆土種植和施肥對旱地苦蕎耗水特征及產(chǎn)量的影響

方彥杰 張緒成*侯慧芝 于顯楓 王紅麗 馬一凡 張國平 雷康寧

甘肅省農(nóng)業(yè)科學院旱地農(nóng)業(yè)研究所 / 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室, 甘肅蘭州 730070

探究全膜覆土種植和施肥水平對半干旱區(qū)旱地苦蕎土壤耗水特征和產(chǎn)量的影響, 于2015—2017年連續(xù)3年進行定位試驗, 全膜覆土種植方式下, 設置高量(N 120 kg hm–2+ P2O590 kg hm–2+ K2O 60 kg hm–2, HF)、中量(N 80 kg hm–2+ P2O560 kg hm–2+ K2O 40 kg hm–2, MF)、低量(N 40 kg hm–2+ P2O530 kg hm–2+ K2O 20 kg hm–2, LF)和零施肥(ZF), 以傳統(tǒng)露地種植不施肥為CK, 共5個處理, 以明確全膜覆土種植和施肥對半干旱區(qū)苦蕎的耗水特性、產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結果表明, 苦蕎全膜覆土種植后集雨保墑效果明顯, 能夠改善土壤水分環(huán)境, 增加花前貯水, LF能夠根據(jù)不同降水年型和土壤水分狀況調控苦蕎花前花后土壤耗水, 在干旱年LF較ZF、MF、HF、CK能夠提高苦蕎花后土壤貯水量2.8~23.5 mm, 增加花前0~100 cm土層土壤剖面水分耗散量26.3~32.4 mm, 增加生育期總耗水量44.5 mm, 提高耗水模系數(shù)、耗水強度, 顯著增加成熟期干物質量1.2%~58.8%、灌漿期葉面積指數(shù)4.1%~68.5%, 增加單株粒重1.6%~61.6%, 提高籽粒飽滿率0.6%~29.2%, 增加生物量1.1%~182.5%, 提高產(chǎn)量1.1%~130.4%, 提高水分利用效率0.3%~102.7%。可見, 旱地苦蕎全膜覆土種植低量施肥處理貯水效果明顯, 能夠達到水肥耦合作用, 且能夠根據(jù)降水等環(huán)境條件調控植株生育期耗水, 顯著提高苦蕎生物產(chǎn)量、產(chǎn)量和水分利用效率, 是適宜于半干旱區(qū)苦蕎增產(chǎn)增效的栽培模式。

苦蕎; 全膜覆土種植; 施肥; 耗水特征; 產(chǎn)量; 水分利用效率

甘肅中部半干旱區(qū)屬典型的黃土高原旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[1], 苦蕎[(L.) Gaertn.]屬蓼科一年生草本植物, 具有抗旱、耐貧瘠等特點, 籽粒具有藥食兼用的特點, 是中國北方干旱半干旱區(qū)重要的雜糧作物[2]。水資源不足、季節(jié)性干旱和降水分布不均是制約該區(qū)苦蕎生產(chǎn)最主要因素[3]。如何能充分利用有限自然降水, 提高產(chǎn)量和水分利用效率是保證該區(qū)苦蕎穩(wěn)產(chǎn)高效的根本途徑, 也是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重要問題[4]。研究表明, 通過調控土壤水分的耗散過程, 保持土壤水分在作物生育期的合理利用, 是減緩季節(jié)性干旱危害、提高作物產(chǎn)量與水分利用效率的關鍵途徑[3,5]。覆蓋種植能增加作物生育期土壤有效水分, 顯著影響作物源的建成及提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[6-8]。全膜覆土種植能明顯抑制土壤水分自由蒸發(fā), 提高土壤水分含量, 是近年來西北半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一項栽培技術[9-12]。研究表明, 全膜覆土種植可有效提高播前和生育前期的土壤貯水量[7], 可使苦蕎產(chǎn)量增加7.3%~95.3%, 水分利用效率提高7.6%~ 87.1%, 而且越干旱年增產(chǎn)增效愈加明顯[13]。全膜覆土種植還可通過改變作物的耗水過程, 影響作物的階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度, 進而優(yōu)化作物的用水結構[14], 可使耗水模系數(shù)在拔節(jié)至開花期達最大[15]。施肥對作物耗水過程也有顯著的調節(jié)作用[16], 合理的施肥可改良耕層土壤環(huán)境, 提高土壤貯水量, 增加耗水量, 提高產(chǎn)量和水分利用效率[17]。大量研究證實, 合理施肥使作物健壯生長, 擴大根系吸收利用水分的空間, 使土壤剖面水分發(fā)生了顯著變化[18], 可使耗水量提高1.5%~5.1%[3], 耗水深度達到3 m[19], 進而顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[16,20]。可見, 在旱地全膜覆蓋種植條件下, 通過改變施肥水平來調節(jié)作物對水分的耗散過程, 合理優(yōu)化作物營養(yǎng)生長和生殖生長階段的耗水分配, 對進一步提高作物產(chǎn)量和水分利用效率具有重要意義[21-22]。

目前, 有關全膜覆土種植和施肥相關的研究在旱地小麥(L)、玉米(L)、馬鈴薯(L)上已有大量報道。但從全生育期土壤水分變化-作物耗水特征-產(chǎn)量及水分利用效率的角度, 對全膜覆土種植條件下苦蕎的增產(chǎn)效應研究較少。鑒于此, 本研究在甘肅中部半干旱區(qū), 通過設置全膜覆土種植和施肥水平處理, 以露地不施肥為對照(CK), 測定苦蕎不同生育時期的干物質量、LAI、土壤水分及產(chǎn)量, 計算階段耗水量、耗水模系數(shù)、耗水強度和水分利用效率, 研究全膜覆土種植條件下不同施肥水平對苦蕎水分耗散特征、水分利用效率與產(chǎn)量的影響, 以期為揭示旱地全膜覆土種植苦蕎水肥耦合機制提供理論依據(jù), 并為進一步提高苦蕎水肥利用效率探索技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015—2017年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院定西試驗站(地處35°35′N, 104°36′E)進行。試驗區(qū)海拔1970 m, 多年平均氣溫6.2℃, 年平均太陽輻射總量為5898 MJ m–2, 多年平均≥10℃的有效積溫為2075.1℃, 無霜期為140 d, 屬于典型的中溫帶半干旱氣候。該地區(qū)是典型旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 農(nóng)作物一年一熟。多年平均年降水量為415 mm, 其中6至9月為雨季, 降水量占全年降水量的68%。試驗區(qū)土壤屬于黃綿土, 0~30 cm土層平均土壤容重為1.25 g cm–3, 平均田間持水量和凋萎系數(shù)分別為21.2%、7.2%, 耕層0~20 cm土壤含有機質11.99 g kg–1、全氮1.16 g kg–1、全磷0.73 g kg–1、全鉀17.3 g kg–1、速效磷8.67 mg kg–1和速效鉀含量121.50 mg kg–1, 土壤偏堿性, pH 8.35。

1.2 試驗設計

試驗以苦蕎為供試材料, 品種為云蕎2號。試驗在全膜覆土種植方式下, 設置高量(N 120 kg hm–2+ P2O590 kg hm–2+ K2O 60 kg hm–2, HF)、中量(N 80 kg hm–2+ P2O560 kg hm–2+ K2O 40 kg hm–2, MF)、低量(N 40 kg hm–2+ P2O530 kg hm–2+ K2O 20 kg hm–2, LF)和零施肥(N 0 kg hm–2+ P2O50 kg hm–2+ K2O 0 kg hm–2, ZF) 4個施肥水平, 以傳統(tǒng)露地種植不施肥(N 0 kg hm–2+ P2O50 kg hm–2+ K2O 0 kg hm–2)為CK, 共5個處理, 每個處理3次重復, 小區(qū)面積35 m2(5 m × 7 m), 采用隨機區(qū)組設計。每年均在3月下旬整地施肥覆膜, 全部肥料作為基肥結合整地一次性施入。試驗用白色地膜(聚乙烯)厚0.01 mm, 肥料為尿素(N≥46.0%)、磷酸二銨(P2O5≥46.0%, N≥18.0%)、氯化鉀(K2O≥51.0%)。播深3~4 cm, 每穴5~7粒, 行距30 cm, 穴距12 cm, 密度180萬株hm–2。苦蕎收獲后當年不揭膜, 待第2年整地前揭膜。苦蕎播種期分別為2015年5月6日、2016年5月29日和2017年5月26日播種, 收獲期分別為2015年8月31日、2016年9月5日和2017年9月12日。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤水分 在苦蕎播期、苗期、分枝期、盛花期、灌漿期和收獲期采用烘干法測定0~300 cm土層土壤含水量, 每20 cm為一個層次, 每小區(qū)兩穴株間測定一個位點。

1.3.2 土壤貯水量 0~300 cm土壤貯水量(soil water storage, SWS)計算公式: SWS=10′′′, 式中,代表土壤深度(cm),代表土壤容重(g cm–3),代表體積含水量(m3m–3)。

1.3.3 階段耗水量 0~300 cm耗水量(evapotranspiration, ET)計算公式: ET=SWS-SWS+1+, 式中: SWS為某個生育時期初始時的土壤貯水量(mm); SWS為該生育時期結束時的土壤貯水量(mm);為全生育期降水量(mm)。

1.3.4 耗水模系數(shù)和耗水強度 耗水模系數(shù)(water consumption percentage, WCP)計算公式: WCP = ET/ET×100%, 式中, ET為某一階段的耗水量, ET為生育期總耗水量; 耗水強度(daily water consumption, DWC)計算公式: DWC=ET/d, 式中, d為生育階段天數(shù)(d)。

1.3.5 土壤剖面水分耗散量 土壤剖面水分耗散量(soil profile water consumption, PWC)計算公式: PWC=PSWS-PSWS+1, 式中, PSWS為某個生育時期土壤剖面初始時的貯水量(mm); PSWS1為該生育時期結束時的土壤剖面貯水量(mm)。

1.3.6 水分利用效率 水分利用效率(water use efficiency, WUE)計算公式: WUEdET, ET = SWSBF-SWSHA+, 式中:d為苦蕎單位面積產(chǎn)量(kghm–2); SWSBF為苦蕎播種前土壤貯水量(mm); SWSHA為苦蕎收獲后土壤貯水量(mm);為全生育期降水量(mm)。

1.3.7 干物質量 在苦蕎苗期、分枝期、盛花期、灌漿期和收獲期, 每小區(qū)選取長勢均勻的10株, 用烘干法測定地上部分干物質量。

1.3.8 LAI 在苦蕎分枝期、盛花期、灌漿期和收獲期, 在晴天10:00用美國CID公司生產(chǎn)的CI-110植物冠層數(shù)字圖像分析儀測定葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI), 每小區(qū)測定3次, 計算其平均數(shù)為小區(qū)LAI。

1.3.9 產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀 在苦蕎成熟期測定成穗數(shù)和單株粒重, 統(tǒng)計籽粒飽滿率, 苦蕎人工收割后, 按小區(qū)實收計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Microsoft Excel 2010軟件作圖, DPS數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析, 用LSD法檢驗處理間的差異顯著性(<0.05和<0.01)。

2 結果與分析

2.1 試驗區(qū)苦蕎生育期降水及平均氣溫

根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)科學院定西試驗站多年氣象資料統(tǒng)計可知, 苦蕎生育期多年平均降水量為189.3 mm, 多年平均氣溫為16.8℃。2015年氣象統(tǒng)計苦蕎生育期平均氣溫為16.3℃, 平均氣溫較多年平均低3.0%, 降水量為193.4 mm, 降水分布較均勻, 屬平水年。2016年氣象統(tǒng)計苦蕎生育期平均氣溫為19.0℃, 平均氣溫較多年平均高13.1%, 降水量為149.3 mm, 主要分布在6月(88.5 mm)和8月(45.7 mm), 7月苦蕎開花期僅降水14.1 mm, 屬干旱欠水年。2017年氣象統(tǒng)計苦蕎生育期平均氣溫為17.8℃, 平均氣溫較多年平均高5.9%, 降水量為242.9 mm, 8月份降水142.2 mm, 占58.5%, 屬豐水年(圖1)。苦蕎生育期降水量及平均氣溫的差異, 對年際間產(chǎn)量差異有顯著影響。

2.2 全膜覆土種植和施肥對苦蕎生育期土壤貯水量的影響

由圖2可知, 2015年0~300 cm土層土壤貯水量播種期無顯著性差異, 苗期和分枝期均表現(xiàn)為MF>HF> ZF>LF>CK, 分別較CK增加15.7、14.9、46.6、23.2 mm和34.7、19.4、41.4、36.3 mm, 且苗期MF和CK與其他處理差異顯著(<0.05), 分枝期MF和LF與其他處理差異顯著(<0.05), 盛花期MF和ZF較CK分別高36.3 mm和8.4 mm, HF和LF較CK分別低18.4 mm和32.8 mm, 且LF、MF、HF與CK差異顯著(<0.05), 灌漿期和成熟期ZF、LF、MF、HF均高于CK, 灌漿期較CK分別增加36.9、27.8、20.6和11.4 mm且差異顯著(<0.05), 成熟期較CK分別增加22.0、12.7、23.7和3.7 mm, ZF、LF、MF與CK和HF均差異顯著(<0.05)。2016年0~300 cm土層土壤貯水量播種期LF最高, HF最低, ZF、LF、MF分別較CK增加10.3、15.2和8.7 mm; 苗期LF和MF分別較CK高16.1 mm和22.6 mm, ZF和HF分別較CK低21.2 mm和15.9 mm, 差異顯著(<0.05), 分枝期至成熟期, ZF、LF、MF、HF均低于CK, 分枝期和盛花期較CK分別低45.2、2.1、1.3、23.0 mm和32.5、11.0、12.5、30.7 mm, 且與ZF和HF差異顯著(<0.05), 灌漿期和成熟期較CK分別低23.2、21.1、25.0、41.7 mm和27.0、14.9、27.5、39.0 mm, 差異顯著(<0.05)。2017年0~300 cm土層土壤貯水量播種期MF、ZF、HF顯著高于LF和CK (<0.05), 苗期ZF、LF、MF、HF分別較CK高52.9、25.5、38.0和63.1 mm, 差異顯著(<0.05), 且ZF、HF和LF、MF也差異顯著(<0.05), 分枝期ZF、MF、HF較CK分別高76.1、14.2和26.8 mm, 而LF較CK低15.6 mm, 且差異顯著(<0.05), 盛花期和灌漿期ZF較CK分別高44.3 mm和20.1 mm, 而LF、MF、HF較CK分別低33.3、49.3、30.4 mm和38.5、47.7、2.6 mm, 成熟期處理間無顯著性差異。

2.3 全膜覆土種植和施肥對苦蕎花前和花后0~300 cm土層土壤剖面水分耗散的影響

不同處理0~300 cm土層土壤剖面水分耗散量(PWC)差異明顯(圖3), 2015年苦蕎花前0~60 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為LF>HF>ZF>CK>MF, LF較其他處理分別增加50.0、33.8、16.1、12.2 mm; 60~200 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為HF>LF>ZF>MF>CK, HF較其他處理分別增加55.2、34.6、27.1、22.5 mm; 200~300 cm土層土壤PWC其他處理顯著低于CK, 較CK分別減少49.5、38.0、30.3、26.6 mm; 花后0~60 cm土層土壤PWC差異明顯, PWC表現(xiàn)為MF>CK>ZF>HF>LF, LF較其他處理分別減少27.2、19.8、48.7、7.7 mm, 60~200 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為MF>CK>LF>ZF>HF, MF較CK增加3.6 mm, 其他處理較CK分別減少7.0、21.4和43.1 mm, 200~300 cm土層土壤PWC其他處理明顯高于MF, MF較CK減少12.5 mm, 其他處理較CK分別增加2.9、15.1和26.1 mm。2016年苦蕎花前土壤PWC主要分布在0~100 cm土層土壤, 表現(xiàn)為LF>MF>HF>ZF>CK, 較CK分別增加32.4、30.9、24.4、6.1 mm; 花后處理間0~100 cm土層土壤PWC最高CK為9.1 mm, 最低ZF為4.4 mm, 100~200 cm土層土壤PWC最高MF為24.2 mm, 最低CK為7.1 mm, 而各處理200~300 cm土層土壤PWC均為負值, 表明成熟期200~300 cm土層土壤貯水量較盛花期增加, 且增加量LF最高為17.7 mm, MF最低為8.5 mm, CK增加量為10.7 mm。2017年苦蕎花前0~140 cm土層土壤PWC表現(xiàn)CK明顯低于其他處理, 較其他處理分別降低58.6、67.0、101.0、57.9 mm, 其中0~60 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為MF>HF>LF>ZF>CK, 較CK分別增加35.8、34.9、25.3、24.0 mm, 140~200 cm土層土壤PWC處理間差異不明顯, 200~300 cm土層土壤PWC處理間差異明顯, 花后0~80 cm土層土壤PWC均表現(xiàn)為負值, 說明成熟期較盛花期0~80 cm土層土壤貯水量增加, 且增加量表現(xiàn)為MF>LF>HF>ZF>CK, 較CK分別增加20.6、19.9、16.0、15.0 mm, 80~200 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為ZF>CK>HF>MF>LF, 其中ZF最高為30.1 mm, CK為20.0 mm, LF最低為-0.2 mm, 而200~300 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為ZF>LF>CK>HF>MF, 分別為49.0、13.1、-1.1、-8.3和-26.0 mm。

同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05); 每個生育時期數(shù)據(jù)上方的誤差線代表LSD0.05; HF: 高量施肥; MF: 中量施肥; LF: 低量施肥; ZF: 零施肥; CK: 對照。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05; Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05; HF: soil-plastic mulching and high fertilization; MF: soil-plastic mulching and medium fertilization; LF: soil-plastic mulching and low fertilization; ZF: soil-plastic mulching and zero fertilization; CK: traditional non-mulching and zero fertilization.

處理同圖2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.4 全膜覆土種植和施肥對苦蕎花前和花后耗水量、耗水模系數(shù)、耗水強度的影響

由表1可知, 生育期總耗水量2015年HF最高, 較CK增加10.0 mm, 而ZF、LF、MF分別較CK減少17.3、2.8、9.7 mm, 2016年ZF、LF、MF、HF均高于CK, 分別增加37.3、44.5、36.2、30.3 mm, 差異顯著(<0.05), 2017年ZF、MF、HF分別較CK增加40.5、89.9、40.6 mm, 且差異顯著(<0.05), 而LF較CK減少9.4 mm。2015年和2016年各處理花前WC、WCP、DWC均高于花后, 2017年處理間表現(xiàn)不同, LF、MF、HF花前耗水量、耗水模系數(shù)及耗水強度均高于花后, 而CK和ZF恰好相反。2015年花前WC、WCP、DWC表現(xiàn)為HF高于LF, CK、ZF、MF顯著低于LF (<0.05), 花后ZF、MF、CK則顯著高于LF (<0.05); 2016年花前WC、WCP、DWC表現(xiàn)為ZF顯著高于LF (<0.05), MF、HF與LF無顯著性差異, CK顯著低于LF (<0.05), 花后LF均高于其他處理, 且與CK、ZF、HF差異顯著(<0.05); 2017年花前WC、WCP、DWC表現(xiàn)為MF、HF顯著高于LF、ZF、CK (<0.05), ZF、CK較LF降低無顯著性差異, 花后CK和ZF顯著高于LF (<0.05), MF、HF顯著低于LF (<0.05)。

2.5 全膜覆土種植和施肥對苦蕎干物質積累量的影響

由表2可知, 不同年份對苦蕎盛花期和成熟期干物質積累量的影響極顯著(<0.01), 不同全膜覆土種植和施肥水平對盛花期和成熟期干物質積累量的影響也呈極顯著(<0.01) (表3)。2015年全生育期HF、MF、LF和ZF均與CK差異顯著(<0.05), 成熟期表現(xiàn)為LF>ZF>HF>MF>CK, LF較其他處理分別增加4.6%、5.5%、11.4%、42.3%; 2016年和2017年成熟期分別表現(xiàn)為LF>ZF>MF>HF>CK和LF>MF>ZF>HF>CK, LF較其他處理分別增加1.5%、4.5%、14.1%、58.8%和1.2%、8.1%、8.3%、45.4%, 3年全膜覆土處理均較CK差異顯著(<0.05)。

表1 苦蕎不同生育階段耗水量、耗水模系數(shù)及耗水強度

處理同圖2。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among the treatments at< 0.05. WCP: water consumption percentage; DWC: daily water consumption.

表2 不同生育時期苦蕎單株干物質積累量

處理同圖2。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

表3 年份、全膜覆土種植和施肥水平對單株干物質量的方差分析

2.6 全膜覆土種植和施肥對苦蕎葉面積指數(shù)的影響

由表4可知, 施肥水平對苦蕎不同生育時期葉面積指數(shù)影響顯著?2015年LAI分枝期和盛花期表現(xiàn)為MF>HF>LF>ZF>CK, LF、MF、HF均與ZF、CK差異顯著(<0.05), 灌漿期LF最高, 較其他處理分別增加67.5%、12.5%、4.3%、13.6%, 且與HF、ZF、CK差異顯著(<0.05); 2016年分枝期MF、HF顯著高于LF、ZF、CK(<0.05), 盛花期LF、MF、HF顯著高于ZF和CK (<0.05), 灌漿期LF最高, 較其他處理分別增加85.6%、4.8%、1.8%、3.5%, LF、MF、ZF、HF均較CK差異顯著(<0.05); 2017年分枝期MF最高, MF、LF、HF、ZF與CK差異顯著(<0.05), 盛花期、灌漿期、成熟期LF均最高, 盛花期和灌漿期較其他處理分別增加153.2%、45.0%、0.4%、1.0%和218.0%、5.7%、7.3%、5.5%, LF、MF、HF、ZF與CK均差異顯著(<0.05)?

2.7 全膜覆土種植和施肥對苦蕎產(chǎn)量性狀指標的影響

由表5可知, 成穗數(shù)2015年MF最高, 較CK增加1.5%, HF、ZF、LF較CK分別減小1.1%、3.8%、5.5%, 2016年和2017年均表現(xiàn)為LF>HF>ZF>MF>CK, 2年LF分別較CK增加16.4%和16.5%, 且LF、HF、ZF、MF與CK差異顯著(<0.05)。單株粒重3年均表現(xiàn)為LF最大, CK最小, 3年LF較其他處理分別增加13.2%~53.7%、1.6%~58.6%和13.5%~61.6%, 3年全膜覆土種植處理均與CK差異顯著(<0.05), 2015年和2017年LF與HF、ZF、MF也差異顯著(<0.05)。籽粒飽滿率3年均表現(xiàn)為LF最大, 3年LF較其他分別提高7.1%~29.2%、0.6%~20.8%和4.6%~23.3%, 且LF與MF、HF、CK均差異顯著(<0.05)。

表4 不同生育時期苦蕎葉面積指數(shù)

處理同圖2。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

表5 對苦蕎產(chǎn)量、水分利用效率及收獲指數(shù)的影響

處理同圖2。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among the treatments at< 0.05.

2.8 全膜覆土種植和施肥對苦蕎籽粒產(chǎn)量及其水分利用效率的影響

不同年份、全膜覆土種植和施肥水平對苦蕎產(chǎn)量、生物量、水分利用效率、收獲指數(shù)影響極顯著(<0.01) (表6)。由表5還可知, 2015年和2016年苦蕎產(chǎn)量均表現(xiàn)為LF>ZF>MF>HF>CK, 而2017年表現(xiàn)為LF>MF>ZF>HF>CK, 3年均LF最高, CK最低, 2015年LF、ZF、MF、HF分別較CK增加33.6%、29.4%、19.7%、14.0%, LF、ZF與MF、HF、CK均差異顯著(<0.05), 2016年較CK分別增加130.4%、127.8%、115.8%、76.6%, LF、ZF與HF、CK差異顯著(<0.05), 2017年LF、MF、ZF、HF較CK分別增加95.0%、70.5%、59.0%、51.4%, LF與其他處理差異顯著(<0.05)。3年生物量表現(xiàn)與籽粒產(chǎn)量一致, 均LF最高, CK最低, 2015年LF、ZF、MF、HF較CK分別增加62.8%、61.0%、58.4%、55.0%, 且與CK差異顯著(<0.05), 2016年和2017年較CK分別增加182.5%、160.8%、149.3%、136.5%和113.2%、94.4%、90.6%、83.6%, LF與其他處理差異顯著(<0.05)。2015年水分利用效率LF、ZF、MF、HF較CK分別增加34.9%、34.5%、22.5%、11.3%, 差異顯著(<0.05), 2016年較CK分別增加96.6%、99.2%、89.4%、58.2%, LF、ZF、MF與HF、CK差異顯著(<0.05), 2017年較CK分別增加102.7%、36.5%、25.0%、30.0%, LF與其他處理差異顯著(<0.05)。3年收獲指數(shù)CK均最高, HF最低, 3年ZF、LF、MF、HF較CK分別降低7.2%、7.5%、12.9%、20.2%, 12.7%、13.1%、18.9%、25.8%和9.5%、12.7%、14.4%、21.5%, 差異顯著(<0.05)。

3 討論

3.1 全膜覆土種植和施肥對苦蕎田耗水特征的影響

地膜覆蓋能夠減少水分的無效蒸散, 改善土壤水分狀況, 而施肥會增加植株蒸騰耗水, 降低蒸發(fā)耗水[23]。本研究中, 在2015年平水年份, 全膜覆土種植處理增加了苗期、分枝期、灌漿期、成熟期0~300 cm土層土壤貯水量3.7~46.6 mm, 但是在盛花期由于LF和HF耗水量較多, 0~300 cm土層土壤貯水量低于CK, 在2016年干旱年和2017年豐水年, 全膜覆土種植均較CK降低了分枝期至成熟期0~300 cm土層土壤貯水量。以上說明全膜覆土種植在苦蕎花前集雨貯水效果明顯, 但是在苦蕎分枝后, 由于覆膜種植和施肥土壤溫度提高引起了苦蕎的快速生長, 引起土壤水分的大量并且快速的消耗[13], 造成0~300 cm土層土壤貯水量降低, 但是施肥水平對干旱年和平水年花后土壤貯水量的影響并不明顯, 在豐水年對苦蕎生育期土壤貯水量均有影響。本研究結果還表明, 在干旱年, 由于分枝至灌漿期降水僅為39.3 mm, 高溫干旱造成蒸發(fā)量大, 同時由于全膜覆蓋種植和施肥處理植株生長快, 蒸騰耗水多, 造成全膜覆蓋種植處理0~300 cm土層土壤貯水量低于CK。然而, LF較ZF、MF、HF能夠提高干旱年播種期及花后0~300 cm土層土壤貯水量, 全生育期平均增加2.8~23.5 mm, 為苦蕎生長提供了較高的土壤水分, 降低了籽粒形成期耗水與供水的矛盾[24]。可見, 全膜覆土種植和施肥對0~300 cm土層土壤貯水量的影響不僅與不同處理植株生育期耗水有關, 更與降水年型有關, LF能夠增加干旱年土壤貯水量, 有利于苦蕎產(chǎn)量的提高。

表6 年份、全膜覆土種植和施肥水平對產(chǎn)量、生物量、水分利用效率(WUE)、收獲指數(shù)的方差分析

研究表明, 全膜種植結合施肥條件下馬鈴薯[25]、玉米[26]、小麥[11]全生育期耗水量均顯著高于露地種植。全膜覆土種植不僅對階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度有顯著影響, 而且還能調節(jié)作物耗水過程, 使春小麥苗期—孕穗期的作物耗水量顯著增加[10]。全膜覆蓋會降低馬鈴薯前期和中期耗水比例, 加大后期耗水比例, 地膜覆蓋耗水模系數(shù)在拔節(jié)—開花期達最大[15]。本研究結果顯示, 平水年和豐水年苦蕎生育期總耗水量LF較CK分別減少了2.8 mm和9.4 mm, 差異不顯著, 而干旱年增加了44.5 mm, 且生育期WCP、DWC表現(xiàn)LF顯著高于CK, 可見LF增加了干旱年苦蕎生育期總耗水量, 提高了耗水模系數(shù)、耗水強度。本研究還顯示, LF提高了平水年苦蕎花前0~60 cm土層土壤剖面水分耗散量12.2~50.0 mm, 降低花后0~60 cm土層土壤剖面水分耗散量7.7~48.7 mm; 在豐水年, MF、HF、LF、ZF增加了苦蕎花前0~140 cm土層土壤水分耗散量57.9~101.0 mm, 而且還增加花后0~80 cm土層土壤貯水量15.0~20.6 mm; 在干旱年, LF較其他處理增加苦蕎花前0~100 cm土層土壤剖面水分耗散量26.3~32.4 mm。分析認為主要是由于地膜覆蓋造成土壤水分蒸發(fā)量的差異, 影響了不同層次土壤水分消耗量, 而花后0~300 cm土層土壤PWC的差異主要是由于施肥水平的不同, 苦蕎植株生長對土壤水分消耗量的差異, 影響了不同層次土壤水分消耗量。可見, LF增加了干旱年苦蕎生育期總耗水量, 但是在平水平和豐水年生育期總耗水量并沒有增加, 表明LF能夠根據(jù)不同降水年型調控苦蕎花前花后不同層次土壤耗水量和耗水強度, 尤其在干旱年能夠充分利用有限的水資源, 增加苦蕎花前0~100 cm土層土壤剖面水分耗散量, 以供苦蕎植株生長。

3.2 全膜覆土種植和施肥對苦蕎產(chǎn)量和水分利用效率的影響

全膜覆土種植通過改善作物生長的水分、溫度和養(yǎng)分條件, 顯著促進了作物對水分和養(yǎng)分的吸收, 因而使得作物的產(chǎn)量和水肥利用效率大幅提高[13,27]。前人研究認為改善水分能夠促進干物質向籽粒的轉運, 提高收獲指數(shù), 施肥對產(chǎn)量的提高主要依賴于穗粒數(shù)和千粒重的增加[10-11], 本研究結果表明, 苦蕎全膜覆土種植后干物質積累量和葉面積指數(shù)沒有隨著施肥量增加而持續(xù)增加, 3年均是LF成熟期干物質積累量和灌漿期葉面積指數(shù)表現(xiàn)最高, 3年成熟期干物質積累量LF較其他處理分別增加4.6%~42.3%、1.5%~58.8%、1.2%~45.4%, 灌漿期葉面積指數(shù)分別增加4.1%~40.3%、4.3%~46.1%、5.2%~68.5%, 且成穗數(shù)、單株粒重及籽粒飽滿率LF較其他處理均有明顯增加優(yōu)勢, 以上指標都有利于苦蕎高產(chǎn)的形成。

已有研究表明, 隨施肥水平提高, 覆膜種植對玉米生長的產(chǎn)量和水分利用效率呈增強趨勢[28], 這與本研究結果不一致, 本研究中生物量、產(chǎn)量和水分利用效率并沒有隨施肥量增加而增加, 3年LF生物量、產(chǎn)量和水分利用效率較其他處理均有明顯的優(yōu)勢, 其中3年生物量分別增加1.1%~62.8%、8.3%~182.5%、9.6%~113.2%, 產(chǎn)量分別增加3.3%~33.6%、1.1%~130.4%、14.4%~95.0%, 水分利用效率在平水年和豐水年分別增加0.3%~34.9%和48.5%~102.7%, 在干旱年較ZF減小1.3%, 較其他處理增加3.8%~96.5%。但是由于全膜覆土種植和施肥處理干物質量的顯著增加, 3年收獲指數(shù)較CK降低7.2%~20.2%、13.1%~25.8%、9.5%~21.5%, 這與前人的研究結果不一致[29], 可能是由于全膜覆土種植和施肥對生物量的增加效應比籽粒產(chǎn)量的增加效應更加顯著而形成。可見, 苦蕎在全膜覆土種植低量施肥條件下, 改善了土壤水分環(huán)境, 使土壤水分和養(yǎng)分投入相耦合, 促進苦蕎對土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用, 進而有利于苦蕎干物質量和葉面積指數(shù)的增加, 單株粒重及籽粒飽滿率等產(chǎn)量相關性狀指標的提升, 最終導致產(chǎn)量和水分利用效率的提高[30]。

4 結論

在甘肅中東部半干旱區(qū), 苦蕎全膜覆土種植結合低量施肥處理(純N 40 kg hm–2+ P2O530 kg hm–2+ K2O 20 kg hm–2)貯水保墑效果明顯, 能夠根據(jù)不同降水年型調控土壤不同深度耗水量和耗水強度, 增加花前土壤剖面水分耗散量, 提高干旱年花后土壤貯水量和生育期總耗水量, 促進苦蕎植株對土壤水分和養(yǎng)分的吸收, 提高分枝期后干物質量積累和葉面積指數(shù), 顯著增加單株粒重及籽粒飽滿率, 進而獲得生物量和產(chǎn)量顯著增加, 并提高了水分利用效率。綜上可知, 苦蕎全膜覆土種植結合低量施肥處理在不同降水年型均能夠實現(xiàn)高產(chǎn)和水分高效利用, 是一種適宜于半干旱地區(qū)苦蕎增產(chǎn)增效的栽培模式。

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Effects of whole soil-plastic mulching system and fertilization rates on water consumption characteristics and yield of tartary buckwheat in arid land

FANG Yan-Jie, ZHANG Xu-Cheng*, HOU Hui-Zhi, YU Xian-Feng, WANG Hong-Li, MA Yi-Fan, ZHANG Guo-Ping, and LEI Kang-Ning

Institute of Dry-Land Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China

In order to study the effects of whole soil-plastic mulching planting and different fertilization rates on soil water consumption characteristics and yields of tartary buckwheat, a three-year (2015–2017) located experiment was carried out in semi-arid region of east-central Gansu Province, China, under whole soil-plastic mulching planting system. Four fertilization treatments under soil-plastic mulching were accordingly designed, including high application rate (HF, N 120 kg hm–2+ P2O590 kg hm–2+ K2O 60 kg hm–2), medium rate (MF, N 80 kg hm–2+ P2O560 kg hm–2+ K2O 40 kg hm–2), low rate (LF, N 40 kg hm–2+ P2O530 kg hm–2+ K2O 20 kg hm–2), and zero fertilization rate (ZF), whereas ZF with traditional non-mulching planting was set as the control (CK) to illustrate the effects of soil-plastic mulching and fertilization on water consumption characteristics, yields and water use efficiency (WUE) of tartary buckwheat in semi-arid area of China. The results showed that the effects of rainwater collection and soil moisture conservation were obvious after planting tartary buckwheat with whole soil-plastic mulching, which also improved soil water environment and increased pre-anthesis soil water storage (SWS, mm). LF was able to regulate soil water consumption before and after anthesis stage according to different precipitation years and soil moisture conditions. Compared with ZF, MF, HF, and CK in dry years, LF improved post-anthesis SWS by 2.8–23.5 mm and increased crop pre-anthesis water consumption in the 0–100 mm soil profile by 26.3–32.4 mm in tartary buckwheat. As a result, LF increased total crop water consumption in the whole growth period by 44.5 mm, and boosted water consumption module coefficient and intensity. Moreover, compared with ZF, MF, HF and CK, LF treatment increased dry matter weight at maturity stage by 1.2%–58.8%, leaf area index (LAI) at filling stage by 4.1%–68.5%, grain weight per plant by 1.6%–61.6%, plumpness rate by 0.6%–29.2%, biomass yield by 1.1%–182.5%, grain yield by 1.1%–130.4%, and water use efficiency (WUE, kg hm–2mm–1) by 0.3%–102.7%, respectively. In conclusion, the storage effect of low amount fertilizer treatment for tartary buckwheat planting with whole soil-plastic mulching in dry land was obvious, which could achieve the coupling effects of soil moisture and fertilizer and regulate crop water consumption according to the environmental conditions such as precipitation during crop growth period, and it could significantly improve the biomass yield, grain yield and WUE of tartary buckwheat. Therefore, it was a suitable cultivation mode for yield-increasing and efficiency-boosting of tartary buckwheat in semi-arid area.

tartary buckwheat; whole soil-plastic mulching planting; fertilization; water consumption; yield; water use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2021.01059

本研究由國家自然科學基金項目(31760367)和甘肅省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新專項計劃(2019GAAS10)資助。

The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31760367) and the Agricultural Science and Technology Innovation Program of GAAS (2019GAAS10).

張緒成, E-mail: gszhangxuch@163.com, Tel: 0931-7614864

2020-07-25;

2020-12-01;

2021-01-12.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210108.1513.008.html