西北黃土高原旱作區(qū)不同地膜覆蓋種植模式谷田水溫效應(yīng)及水分利用效率研究

溫 蕊 陳茜午 趙雅杰 賈祎明 盧旭東張繼宏 李煥春 趙沛義 張永虎

（1內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，010031，內(nèi)蒙古呼和浩特；2清水河縣農(nóng)牧技術(shù)推廣中心，011600，內(nèi)蒙古呼和浩特）

水資源短缺已成為世界上所有國家高度關(guān)注的問題。黃土高原地處干旱半干旱氣候帶，區(qū)域內(nèi)海拔800～3000m，年降水量250～500mm，降水時空分布不均，且蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源短缺問題更為嚴(yán)峻[1]。因此，如何降低土壤水分蒸發(fā)、充分利用有限的自然降水、提高作物對有限水分的利用效率是解決該地區(qū)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。

農(nóng)田覆蓋能抑制土壤蒸發(fā)，提高作物的水分利用效率，已被廣泛用于提高旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[2-5]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的逐年減少，為保障國家糧食安全和提高作物產(chǎn)量，地膜覆蓋技術(shù)逐步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每個角落[6-7]。目前生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的地膜種類較多，有PE地膜（普通、白色和黑色）[8]和生物降解地膜[9-12]等，由于滲水膜具有PE膜不具有的滲水性、微通氣性、調(diào)溫性和長效性等優(yōu)點(diǎn)，近些年，由山西省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)專家姚建明研制成功的滲水地膜被廣泛應(yīng)用在干旱農(nóng)業(yè)區(qū)小麥[13]、玉米[14]、大豆[15]和谷子[16-19]等作物上。關(guān)于不同種類地膜覆蓋對谷子農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響，前人做了大量研究。任瑞玉等[20]研究了露地、普通地膜覆蓋和滲水地膜覆蓋3種處理對旱地谷子地膜覆蓋種植的土壤水分、地溫效應(yīng)及對其生長發(fā)育的影響，結(jié)果表明，滲水地膜的滲水作用，使其比普通地膜能接納更多的雨水，且在溫度較低時提高地溫的效果更優(yōu)于普通地膜，在溫度較高時滲水地膜的微氣孔張開，具有調(diào)溫作用，更具有改善谷子農(nóng)藝性狀的作用。郭秀卿等[21]研究了不同地膜類型處理對旱地谷子生育時期及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，滲水地膜覆蓋不僅加快了谷子的生長發(fā)育進(jìn)程，使谷子提早成熟，而且滲水地膜覆蓋處理單位面積穗數(shù)明顯高于其他處理，產(chǎn)量與其他處理差異極顯著，比露地增產(chǎn)50%以上。董孔軍等[22]通過研究不同地膜覆蓋種植方式對谷子光合作用、生長速度及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，地膜覆蓋種植顯著提高了谷子生長期間的凈光合速率和水分利用效率，有利于光合物質(zhì)積累，培育大穗飽粒，為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。大多數(shù)研究僅從單一的地膜種植模式或不同類型地膜覆蓋對谷子生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究，不同地膜類型和不同種植方式組配對谷田水溫效應(yīng)及谷子產(chǎn)量的影響鮮有報道。本研究在西北黃土高原區(qū)谷子主產(chǎn)縣（清水河縣），采用大區(qū)設(shè)計，并通過農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，探討了PE膜全覆膜、PE膜半覆膜、滲水地膜半覆膜和不覆膜對谷田土壤水熱狀況及水分利用效率的影響，旨在為本生態(tài)區(qū)谷子壟膜集雨種植技術(shù)提供理論參考，也為脫貧攻堅戰(zhàn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和材料

試驗設(shè)在蒙清農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司試驗基地，該基地位于內(nèi)蒙古清水河縣宏河鎮(zhèn)高茂泉窯村（111°21′～112°07′E，39°35′～40°35′N），平均海拔1373.6m，屬典型的黃土高原丘陵旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年均降水量219.2mm，≥10℃積溫2992.9℃，無霜期125～140d。試驗地為沙壤土，據(jù)檢測[23]土壤有機(jī)質(zhì)6.49g/kg、全氮0.45g/kg、全磷0.74g/kg、全鉀18.04g/kg、速效磷1.84mg/kg、速效鉀69.78mg/kg。播種時施復(fù)合肥750kg/hm2。

供試谷子品種為金苗K1，抗拿捕凈，生育期116d，由赤峰市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗設(shè)計

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量 用土鉆（直徑5.6cm）在每個大區(qū)對角線處選3個點(diǎn)進(jìn)行取樣，每10cm為一層。用烘干法[24]在播種前及收獲后測定試驗地各處理0～100cm土層土壤含水量；在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期測定各處理0～40cm土壤含水量。土壤含水量（Ws）計算公式為Ws（%）=(W1–W2)/(W2–W3)×100，式中，W1濕土加鋁盒重，W2為干土加鋁盒重，W3為空鋁盒重。

1.3.2 土壤溫度 在每個大區(qū)的對角線處選3個點(diǎn)，采用數(shù)顯探針式地溫計分別在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期測定谷子試驗地各處理0～30cm土壤溫度。

1.3.3 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀 拔節(jié)期、抽穗期和成熟期分別在每個大區(qū)對角線處選5個點(diǎn)，每個點(diǎn)測定20株具有代表性谷子植株的株高、相對葉綠素含量（SPAD）、地上部生物量和植株含水量。成熟期在每個大區(qū)的對角線處選5個10m2的點(diǎn)，收取20株，測定其單穗重、單穗粒重和千粒重，計算10m2產(chǎn)量并折合為單位面積產(chǎn)量。

1.3.4 群體水分利用率 群體水分利用率（WUE）計算公式為WUE=Yd/ET，式中，Yd為作物單位面積產(chǎn)量，ET為同面積耗水量（土壤水分變化量加同期降水量）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Duncan新復(fù)極差法和LSD最小顯著差異法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對谷田土壤含水量的影響

2.1.1 不同處理對播前、收獲后土壤含水量的影響 如圖1所示，不同處理播種前和收獲后耕層0～30cm土壤含水量差異明顯。播種前（圖1a），TI、T2和T3處理0～10cm的土壤含水量較CK處理分別增加了166%、74%和56%，達(dá)到極顯著差異。T1處理10～20cm的土壤含水量較CK處理增加了94%，達(dá)到極顯著差異；T2處理10～20cm的土壤含水量較CK處理增加了48%，達(dá)到顯著差異。在 20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 和 70～80cm土層，各處理間土壤含水量差異性表現(xiàn)基本一致。T1處理的土壤含水量較CK處理增加范圍在57%～85%，達(dá)到極顯著差異；T3、T2和CK處理間差異不顯著。T1處理80～90cm的土壤含水量較CK處理增加了75%，達(dá)到極顯著差異；T2處理80～90cm的土壤含水量較CK處理增加了24%，達(dá)到顯著差異。T1和T2處理90～100cm的土壤含水量分別較CK處理增加了85%和39%，達(dá)到極顯著差異；T3處理80～90cm的土壤含水量較CK處理增加了22%，達(dá)到顯著差異。

收獲后（圖1b），T1處理10～20cm的土壤含水量較CK處理增加了30%，達(dá)到極顯著差異；T2處理10～20cm的土壤含水量較CK處理增加了19%，達(dá)到顯著差異；T1和T3處理間差異顯著；T1和T2處理間與T3和CK處理間差異不顯著。在0～10、20～30、80～90cm土層，各處理間土壤含水量差異性表現(xiàn)基本一致。T1處理0～10、20～30、80～90cm的土壤含水量分別較CK處理增加了43%、27%和89%，達(dá)到顯著差異；T1、T2和T3處理間差異不顯著；T2、T3和CK處理間差異不顯著。在 30～40、40～50、50～60、60～70 和 70～80cm 土層，各處理間的土壤含水量差異均不顯著。

圖1 不同地膜覆蓋對播種前和收獲后土層0～100cm土壤含水量的影響Fig.1 Effects of different plastic film mulching on soil water content in 0-100cm soil layer before sowing and after harvest

2.1.2 不同處理對不同生育時期耕層土壤含水量的影響 由圖2可知，T1處理0～40cm土壤含水量均最高，不同生育時期的土壤含水量較CK處理增加范圍為18%～111%。

社會合作方，優(yōu)選PPP項目運(yùn)營經(jīng)驗豐富的國企、央企和實力較強(qiáng)的民營企業(yè)。高度關(guān)注 PPP 項目建成風(fēng)險和運(yùn)營維護(hù)風(fēng)險，對于屬于“跨界經(jīng)營”的社會合作方，應(yīng)有社會資本方提供連帶責(zé)任擔(dān)保、抵質(zhì)押擔(dān)保，或提供強(qiáng)約束的差額補(bǔ)足、流動性支持等。

由圖2a發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期T1處理0～10cm土壤含水量較CK增加了56.26%，達(dá)到極顯著差異；T1與T3處理間0～10cm土壤含水量差異極顯著；T2處理0～10cm土壤含水量較CK處理增加了24.74%，達(dá)到顯著差異。T1處理0～20cm土壤含水量較CK處理增加了82.08%，達(dá)到極顯著差異；T1與T2和T3處理0～20cm土壤含水量差異極顯著；T2處理0～20cm土壤含水量較CK處理增加了29.78%，達(dá)到顯著差異。T2處理0～30cm土壤含水量較CK處理增加了53.59%，達(dá)到極顯著差異；T1處理0～30cm土壤含水量與T3和T2處理差異極顯著；T2處理0～30cm土壤含水量較CK處理增加了21.03%，達(dá)到顯著差異。T1和T2處理0～40cm土壤含水量較CK處理分別增加了27.18%和23.74%，達(dá)到顯著差異。

圖2 4種處理對不同生育時期土層0～40cm土壤含水量的影響Fig.2 Effects of four treatments on soil water content in 0-40cm soil layer

由圖2b發(fā)現(xiàn)，抽穗期T1和T2處理0～10cm土壤含水量分別較CK處理增加了93.98%和74.91%，達(dá)到極顯著差異；T2和T3處理間0～10cm土壤含水量差異極顯著。T1和T2處理0～20cm土壤含水量分別較CK處理增加了50.78%和45.04%，達(dá)到極顯著差異；T2和T3處理間0～20cm土壤含水量差異極顯著。T1、T3和T2處理0～30cm土壤含水量分別較CK處理增加了93.02%、50.46%和74.13%，達(dá)到極顯著差異；T1和T3處理間0～30cm土壤含水量差異極顯著。T1和T2處理0～40cm土壤含水量分別較CK處理增加了43.85%和42.91%，達(dá)到極顯著差異。

由圖2c發(fā)現(xiàn)，成熟期T1處理0～10cm土壤含水量較CK處理增加了56.14%，達(dá)到極顯著差異；T2和T3處理0～10cm土壤含水量分別較CK處理增加了30.73%和48.80%，達(dá)到顯著差異。T1處理0～20cm土壤含水量較CK處理增加了17.93%，達(dá)到顯著差異。T1、T3和T2處理0～30cm土壤含水量分別較CK處理增加了111.08%、44.93%和55.31%，達(dá)到極顯著差異；T1與T3和T2處理0～30cm土壤含水量差異極顯著。T1處理0～40cm土壤含水量較CK處理增加了41.80%，達(dá)到極顯著差異。

2.2 不同地膜覆蓋對谷田土壤溫度的影響

土壤溫度對谷子生長發(fā)育及生育進(jìn)程發(fā)揮著重要的作用。由圖3可見，各處理日間0～30cm土壤溫度以谷子拔節(jié)期最高，在整個生育期T1處理0～30cm土壤溫度均高于其他處理。其中，播種前T1處理10～20cm土壤溫度較 CK處理增加了4.86℃，差異顯著；20～30cm土壤溫度較T3和CK處理增加了1℃，差異顯著。拔節(jié)期，0～10、10～20、20～30cm土壤溫度T1較 CK處理分別增加了6.34℃、0.90℃和1.30℃，T2較CK處理分別增加了5.6℃、0.73℃和1.13℃，差異均達(dá)顯著水平。抽穗期所有處理間差異均不顯著。成熟期，T1和T2處理0～10cm土壤溫度較CK處理分別增加了2.86℃和1.96℃，差異顯著，且T1和T2處理間差異顯著。

圖3 4種處理對土壤耕層0～30cm地溫的影響Fig.3 Effects of four treatments on soil temperature in 0-30cm soil layer

2.3 不同處理對谷子農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀的影響

2.3.1 不同地膜覆蓋對谷子株高的影響 株高是反映作物生長發(fā)育特征的一個重要指標(biāo)。如圖4a所示，T1、T2和T3處理在不同生育期株高均高于CK處理。拔節(jié)期，3種不同地膜覆蓋方式間株高差異不顯著；T1和T2處理的株高分別較CK處理增加了23%和14%，達(dá)到極顯著差異；T3處理的株高較CK處理增加了13%，達(dá)到顯著差異。抽穗期，T1、T3和T2處理的株高分別較CK處理增加了24%、13%和24%，達(dá)到極顯著差異；T1和T2處理的株高與T3處理差異極顯著，但T1與T2處理間株高差異不顯著。成熟期，T1、T3和T2處理的株高分別較CK處理增加了7%、1%和7%，4種處理間差異均不顯著。

2.3.2 不同地膜覆蓋對谷子SPAD的影響 如圖4b所示，3種不同地膜覆蓋方式對谷子不同生育期的SPAD的影響不同。拔節(jié)期，T1處理的SPAD較CK處理提高了25%，達(dá)到極顯著差異；T1處理的SPAD較T3處理差異顯著；T2處理的SPAD較CK處理提高了18%，達(dá)到顯著差異；T3和T2處理間以及T3和CK處理間的SPAD差異不顯著。抽穗期，T3和CK處理的SPAD差異不顯著，T1和T2處理的SPAD差異不顯著。T1和T2處理的SPAD較T3和CK處理平均提高了46%和37%，達(dá)到極顯著差異。成熟期，T1處理的SPAD較CK處理提高了83%，達(dá)到極顯著差異；T2處理的SPAD較CK處理提高了28%，達(dá)到顯著差異；T3和T2處理間以及T3和CK處理間的SPAD差異不顯著。

2.3.3 不同地膜覆蓋對谷子植株含水量的影響 如圖4c所示，全生育期不同地膜覆蓋方式的植株含水量均呈先增高后下降的趨勢，在抽穗期植株含水量達(dá)到最大。拔節(jié)期，T1、T2和T3處理間的植株含水量差異不顯著，但較CK處理分別增加了13%、11%和11%，達(dá)到顯著差異。抽穗期，T1和T2處理的植株含水量較CK處理分別提高了8%和7%，達(dá)到顯著差異；T1和T3處理間的植株含水量差異顯著，但T3和T2處理間以及T3和CK處理間的植株含水量差異不顯著。成熟期，T1、T3和T2處理的植株含水量較CK處理分別增加了16%、11%和12%，但4種處理間的植株含水量差異不顯著。

2.3.4 不同地膜覆蓋對谷子地上部生物量的影響

地上部生物量可以用于來表示谷子同化物的積累。不同生育期不同地膜覆蓋處理的地上部生物量差異如圖4d所示。拔節(jié)期，3種不同地膜覆蓋處理的地上部生物量較裸地平作處理存在一定差異，但差異不顯著。抽穗期，T1處理的地上部生物量較CK處理增加了86%，達(dá)到極顯著差異；T1和T3處理間的地上部生物量差異極顯著；T2處理的地上部生物量較裸地平作處理增加了54%，達(dá)到顯著差異；T3較CK處理的地上部生物量增加了14%，但差異不顯著。成熟期，T1較CK處理的地上部生物量增加了226%，達(dá)到顯著差異；T3和T2較CK處理的地上部生物量分別增加了105%和109%，但差異不顯著；3種不同地膜覆蓋處理間差異不顯著。

圖4 4種處理對谷子不同生育期株高、SPAD、植株含水量以及地上部生物量的影響Fig.4 Effects of four treatments on plant height,SPAD,plant water content and aboveground biomass in different growth periods of millet

2.3.5 不同地膜覆蓋對谷子產(chǎn)量性狀的影響 由表1可知，T1和T2處理的單穗重較CK處理分別增加了112.10%和89.22%，達(dá)到極顯著差異；T1和T2處理與T3處理的單穗重差異極顯著；T1和T2處理間單穗重差異顯著；T3和CK處理間差異不顯著。

T1、T2和T3處理的單穗粒重較CK處理分別增加了113.26%、88.98%和4.22%，達(dá)到極顯著差異；T1和T2處理與T3處理的單穗粒重差異極顯著；T1和T2處理間單穗粒重差異顯著。

T1和T2處理的千粒重較CK處理分別增加了13.38%和12.65%，達(dá)到極顯著差異；T1和T2處理與T3處理的千粒重差異顯著；T3和CK處理間的千粒重差異顯著；T1和T2處理間差異不顯著。

T1、T2和T3處理的產(chǎn)量較CK處理分別增加了155.44%、33.94%和21.76%，達(dá)到極顯著差異；T1與T2和T3處理的產(chǎn)量差異極顯著；T3和T2處理間差異不顯著。

2.4 不同地膜覆蓋對群體水分利用率的影響

由表1可知，T1、T2和T3處理的群體水分利用率較裸地平作處理分別增加了158.02%、34.54%和22.05%，達(dá)到極顯著差異；T1與T3和T2處理的產(chǎn)量差異極顯著；T3和T2處理間差異不顯著。

表1 不同處理間產(chǎn)量及其性狀與群體水分利用率差異Table 1 Differences in yield and its traits and population water use efficiency among different treatments

3 討論

地膜具有減少土壤表面水分蒸發(fā)、提高土壤表面溫度、抑制雜草的生長的特性[9]，特別是滲水地膜能有效積蓄無效降雨，微通氣，更加高效利用降水，提高土壤蓄水能力[25]。不同類型地膜覆蓋種植對作物生長的土壤水分和溫度、農(nóng)藝性狀以及產(chǎn)量等均產(chǎn)生不同的影響。本研究結(jié)果表明，地膜覆蓋只影響了谷子的生長速度，對谷子品種自身特性的影響并不大，但不同生育期各處理的株高變化趨勢出現(xiàn)了明顯的差異。拔節(jié)期株高的變化趨勢為T1＞T3≈T2＞CK，而抽穗期和成熟期株高的變化趨勢為T1≈T2＞T3＞CK，這可能是由于該區(qū)域拔節(jié)期時無有效降雨，T2和T3處理所起到的保溫保濕的效果一致，植株的生長發(fā)育速度也一致，但均低于T1處理的生長速度。而抽穗期和成熟期正值該區(qū)域雨熱同期，滲水地膜發(fā)揮了其滲水性、微通氣性、調(diào)溫性和長效性等特點(diǎn)，其生長速度顯著高于T3處理，略低于T1處理，導(dǎo)致不同生育期各處理的株高變化趨勢出現(xiàn)了明顯的差異。

解文艷等[26]研究表明，地膜覆蓋處理能明顯提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率，且能促進(jìn)作物對氮、磷、鉀素的吸收；生物降解地膜在增溫保水、改善土壤耕層養(yǎng)分、促進(jìn)春玉米高產(chǎn)、水肥高效利用及緩解殘膜污染等方面效果顯著。常樂等[25]比較白膜、滲水地膜、黑膜和不覆膜對谷田土壤水熱狀況及谷子籽粒水分利用效率的影響，結(jié)果表明，谷子田覆蓋地膜增產(chǎn)效果顯著，黑色地膜在產(chǎn)量和水分利用方面表現(xiàn)更優(yōu)。任瑞玉等[20]設(shè)置露地、普通地膜覆蓋和滲水地膜覆蓋研究了谷田土溫效應(yīng)，結(jié)果表明，滲水地膜和普通地膜均有提高地溫的作用，而且滲水地膜在溫度較低時提高地溫的效果優(yōu)于普通地膜，在溫度較高時滲水地膜的微氣孔張開，具有調(diào)溫作用，使得在氣溫較高時滲水地膜覆蓋下的地溫明顯低于普通地膜覆蓋下的地溫；滲水地膜覆蓋處理較普通地膜相比，具有改善谷子農(nóng)藝性狀的作用，且使谷子增產(chǎn)6.75%。上述結(jié)果與本文所涉及的T2、T3和CK處理結(jié)果一致。本文中T2較T3處理不同生育期0～40cm土壤含水量提高0.12%～3.28%；不同生育期0～30cm土壤溫度提高0.07℃～1.8℃，其中成熟期0～10cm地溫提高的最多，為1.8℃；不同生育期的株高、SPAD、地上部生物量和植株含水量等農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)均不同程度地優(yōu)于T3處理，其中抽穗期SPAD的表現(xiàn)最顯著，提高10.75；T2較T3處理的產(chǎn)量提高了156.75kg/hm2，群體水分利用率提高了0.6kg/(mm·hm2)，降水生產(chǎn)率提高了0.58kg/(mm·hm2)。雖然滲水地膜處理的增產(chǎn)效果較PE地膜處理未達(dá)到顯著差異，但產(chǎn)量提高10%左右，對于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收具有一定的積極作用。本研究對PE膜半覆膜起壟穴播和滲水地膜半覆膜起壟穴播處理進(jìn)行了比較分析，未設(shè)置PE膜全覆膜起壟穴播處理和滲水地膜全覆膜起壟穴播處理，可進(jìn)一步進(jìn)行深入研究，了解滲水地膜和PE膜全覆膜起壟穴播處理之間的差異。

4 結(jié)論

PE膜全覆膜起壟穴播促進(jìn)谷子的生長發(fā)育進(jìn)程，促進(jìn)谷子早出苗，縮短谷子生育期，可有效提高谷子各階段的株高、SPAD、植株含水量和地上部生物量；PE膜全覆膜起壟穴播能夠有效改善谷田土壤的濕度和溫度，有利于灌漿和提高產(chǎn)量，平均產(chǎn)量和群體水分利用率分別為3288.31kg/hm2和12.33kg/(mm·hm2)，比裸地平作分別提高67.19%和158%，PE膜全覆膜起壟穴播種植模式可在本生態(tài)區(qū)示范推廣。