水分和养分是旱地农业发展的两个关键限制因子,如何最大限度地利用天然降水,实现水肥高效耦合对提高旱地作物产量具有重要意义[1]。研究表明,地膜覆盖和施肥对作物产量、水分利用效率有重要影响[2,3],土壤养分是影响作物生长和产量形成的最重要因素之一[4],合理施肥能够显著提高作物生产力[5]。土壤水分状况是影响旱地作物生长的最关键因素,对作物生长发育和产量水平具有决定性影响[6]。地膜覆盖能减少土壤水分蒸发而改善土壤水分状况,可提高土壤的水分供应能力,进而促进作物干物质量形成,有利于产量和水分利用效率的提高[7]。提高化肥利用率、促进自然降水高效利用是半干旱区旱作农业增产增效的关键[8]。近年来,全膜覆盖种植技术在旱作农业中广泛应用,该技术可以有效减少棵间土壤水分蒸发,增加贮水量,降低水分亏缺程度,提高作物产量[9,10]。同时其能够将<5mm无效降水集中转化为有效降水,增加土壤贮水量,提高土壤水分的有效性[11,12]。已有研究表明,结合氮磷钾肥合理配施,全膜覆盖种植可使苦荞(Fagopyrumtataricum)产量增加7.26%～95.25%,水分利用效率提高7.59%～87.08%[13]。可见,地膜覆盖结合氮磷钾配施种植不仅能提高产量,增加经济效益,还可提高肥料利用率和水分利用效率,达到水肥协调的目的[14,15]。苦荞主要分布于中国西北和西南地区[16,17],种植面积约为35万hm2,产量约50万t[18]。苦荞营养丰富,富含蛋白质、维生素、矿质元素和黄酮类物质等,食用价值高[19]。在生产上,它具有生育期短、适应性强的优点,是干旱半干旱区重要的特色作物之一[20]。西北旱地苦荞主要种植在黄土高原半干旱区,该区域降水稀少,年际间分布不均,60%～80%的降水发生在7-9月,是典型的雨养农业地区[21,22]。该区域苦荞生产面临的主要问题就是干旱和施肥不科学,缺乏有效的水肥协同的种植技术。目前国内关于施肥和地膜覆盖种植相结合对旱地苦荞土壤水分利用及产量影响的研究尚不多见。为此,本试验研究了地膜覆盖和施肥对苦荞土壤贮水量、阶段耗水量、干物质积累、叶面积指数以及产量、水分利用效率的影响,探讨其对旱作苦荞产量形成和土壤水分利用的影响,为西北黄土高原旱作区苦荞抗旱增产技术提供理论依据。

1、材料与方法

1.1研究区域概况

试验于2015-2017年在甘肃省农业科学院定西试验站(35°35′N,104°36′E)进行。试验区海拔1970m,年平均气温6.2℃,年平均太阳辐射总量为5898MJ·m-2,年日照时数2500h,≥10℃的有效积温为2075.1℃,无霜期140d,农作物一年一熟。试验区属典型旱作雨养农业区,多年平均降水量为415mm,主要分布在6-9月,占全年降水量的68%,降水相对变率为24%,400mm降水保证率为48%。试验区土壤属于黄绵土,0～30cm土层平均土壤容重为1.25g·cm-3,田间持水量为21.8%,永久凋萎系数为7.2%,土壤有机质含量为11.99g·kg-1、全N含量为1.16g·kg-1、全P含量为0.25g·kg-1、全K含量为17.3g·kg-1,pH为8.35。

1.2试验设计

本试验采用随机区组设计,采用全膜覆土穴播种植方法,设2个施肥水平:不施肥和施肥[施纯N40kg·hm-2、P2O530kg·hm-2、K2O20kg·hm-2,其中氮肥、磷肥、钾肥依次分别为尿素(46%),磷酸二铵(64%)和氯化钾(50%)],共设传统种植不施肥(traditionalplanting+nofertilizationapplication,TNF)、地膜覆盖施肥(mulching+fertilizationapplication,MF)、地膜覆盖不施肥(mulching+nofertilizationapplication,MNF)3个处理,每个处理3次重复,小区面积35m2(5m×7m)。肥料按施肥处理划区撒施,全部基施,采用穴播机条播,播深3～4cm,每穴5～7粒,行距30cm,穴距12cm,密度180万株·hm-2。试验供试苦荞品种为云荞2号。苦荞播种期分别为2015年5月6日、2016年5月29日和2017年5月26日,收获期分别为2015年8月31日、2016年9月5日和2017年9月12日。试验在全生育期除拔草外不进行其他管理。

1.3试验区2015—2017年降水量和平均气温

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计,苦荞生育期多年平均降水量为189.3mm、多年平均气温为16.8℃。试验区2015年苦荞全生育期降水量为193.4mm,平均气温为16.3℃,属平水年。2016年苦荞全生育期降水量为149.3mm,平均气温为19.1℃,属干旱欠水年。2017年苦荞全生育期降水量为242.9mm,平均气温为17.8℃,属丰水年(图1)。2015年降水分布较均匀,气温与多年平均气温基本持平,2016和2017年降水分布不均,高温现象突出,两年均在苦荞花期发生持续季节性干旱,对苦荞的生长造成一定的影响。

图12015-2017年试验区降水和气温变化

1.4测定指标与方法

1.4.1土壤水分

在苦荞播期、苗期、分枝期、盛花期、灌浆期和收获期用烘干法测定0～300cm土层土壤含水量,每20cm为一个层次,每小区两穴株间测定一个位点。土壤贮水量(soilwaterstorage,SWS,mm)计算公式[8]:

SWS=10×h×a×θ

式中:h代表土壤深度(cm),a代表土壤容重(g·cm-3),θ代表体积含水量(m3·m-3)。

1.4.2阶段耗水量(evapotranspiration,ET)[8]:

ETi=SWSi-SWSi+1+Pi

式中:i为苦荞某一生育时期;SWSi为苦荞某个生育时期初始时的土壤贮水量(mm);SWSi+1为该生育时期结束时的土壤贮水量(mm);Pi为该生育阶段降水量(mm)。

1.4.3水分利用效率(wateruseefficiency,WUE,kg·hm-2·mm-1)[9]:

WUE=Yd/ET,其中ET=SWSBF-SWSHA+P

式中:Yd为苦荞单位面积产量(kg·hm-2);SWSBF为苦荞播种前土壤贮水量(mm);SWSHA为苦荞收获后土壤贮水量(mm);P为苦荞全生育期降水量(mm)。

1.4.4年降水利用效率(rainfalluseefficiency,RUE,kg·hm-2·mm-1)[15]:

RUE=Yd/R

式中:R为苦荞全年降水量(mm)。

1.4.5干物质量

在苦荞苗期、分枝期、盛花期、灌浆期和收获期,每小区选取长势均匀的10株,用烘干法测定地上部分干物质量[13]。

1.4.6叶面积指数

在苦荞分枝期、盛花期、灌浆期和收获期,在晴天10:00用CI-110植物冠层数字图像分析仪(美国)测定叶面积指数(leafareaindex,LAI),每小区测定3次,计算其平均值为小区LAI。

1.4.7收获指数(harvestindex,HI)[9]:

HI=Yd/地上部分生物量×100%

1.4.8产量及其农艺性状

在苦荞成熟期测定成穗数、株高、籽粒位高和单株粒重等指标,统计籽粒饱满率,苦荞人工收割后,按小区实收计产[9]。

1.5数据统计与分析

用MicrosoftExcel2010软件作图,用DPS数据处理软件进行统计分析,用LSD法检验处理间的差异显著性(P<0.05,P<0.01)。

2、结果与分析

2.1地膜覆盖和施肥对苦荞干物质量的影响

由图2可知,3年间不同生育期MF的干物质量均高于MNF和TNF,2015年MF和MNF的干物质量分别较TNF增加48.0%～93.1%和39.3%～87.8%,收获期增加73.1%和65.2%,且差异显著(P<0.05)。2016年MF和MNF的干物质量较TNF分别增加88.9%～372.2%和70.5%～312.9%,收获期增加142.6%和139.1%,且差异显著(P<0.05)。2017年MF和MNF的干物质量较TNF分别增加55.7%～184.6%和42.8%～158.6%,收获期增加83.2%和68.4%,MF较MNF增加8.8%～62.5%,在盛花期至收获期处理间差异显著(P<0.05)。

2.2地膜覆盖和施肥对苦荞叶面积指数的影响

3年不同生育期叶面积指数MF均高于TNF和MNF(图3),2015年MF较TNF和MNF分别高14.8%～67.4%和10.0%～12.4%,分枝期、灌浆期、收获期处理间差异显著(P<0.05),盛花期MF和MNF与TNF间差异显著(P<0.05);2016年MF较TNF和MNF分别高85.6%～212.5%、4.8%～10.3%,盛花期处理间差异显著(P<0.05),分枝期、灌浆期、收获期MF和MNF与TNF差异均显著(P<0.05);2017年MF较TNF和MNF分别增加144.8%～218.1%、5.7%～45.0%,分枝期和盛花期处理间差异显著(P<0.05),灌浆期、收获期MF和MNF与TNF差异均显著(P<0.05)。

图2苦荞干物质量

不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。

图3苦荞叶面积指数

不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。

2.3地膜覆盖和施肥对苦荞产量构成及农艺性状的影响

2015年MF的成穗数较TNF和MNF减少5.5%、1.7%,而2016与2017年其分别较TNF和MNF增加16.5%、6.8%和16.9%、6.7%(表1),且处理间差异显著(P<0.05);株高3年均表现为MF>MNF>TNF,TNF显著低于MF和MNF(P<0.05);籽粒位高3年间MF均最低,2015和2017年表现为TNF>MNF>MF,2016年则为MNF>TNF>MF,且处理间差异显著(P<0.05);单株粒重3年均表现为MF>MNF>TNF,MF较TNF和MNF分别增加116.1%和17.1%、141.4%和1.6%、160.2%和17.5%,2015和2017年处理间差异显著(P<0.05),2016年MF和MNF与TNF差异显著(P<0.05);籽粒饱满率与单株粒重表现一致,3年MF较TNF和MNF分别增加14.2%和7.6%、14.9%和0.7%、14.5%和4.8%,2015年处理间差异显著(P<0.05),2016和2017年MF和MNF与TNF差异显著(P<0.05)。

2.4地膜覆盖和施肥对苦荞产量、生物量及收获指数的影响

由图4可知,产量在2015年MF较TNF和MNF分别增加33.6%和3.3%,2016年较TNF和MNF分别增加130.4%和1.1%,MF和MNF与TNF差异显著(P<0.05),2017年分别增加95.0%和22.7%,MNF较TNF增加59.0%,处理间差异显著(P<0.05);生物量在2015年MF较TNF和MNF分别增加62.8%和2.8%,且差异显著(P<0.05),2016和2017年分别增加182.5%和8.3%、113.2%和16.1%,处理间差异显著(P<0.05);收获指数与产量和生物量表现不一致,2015年MF较TNF和MNF分别降低7.5%和0.3%,MF和MNF与TNF差异显著(P<0.05),2016年MF分别较TNF和MNF降低18.9%和6.7%,2017年较TNF降低9.5%,较MNF增加5.6%,处理间差异显著(P<0.05)。

表1苦荞产量构成及农艺性状

注:不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

图4苦荞籽粒产量、生物量和收获指数

2.5地膜覆盖和施肥对苦荞生育期土壤水分垂直动态的影响

2015年播前0～60cm土层土壤贮水量MF和MNF较TNF分别多11.8和11.3mm,60～200cm较TNF分别多29.3和24.5mm,苗期0～60cm土层土壤贮水量MF较MNF和TNF分别多12.0和23.1mm,0～140cm分别多21.5和42.4mm;分枝期0～80cm土层土壤贮水量MF较MNF和TNF减少8.7和19.7mm,受雨季降水及生育期耗水的影响,灌浆期和收获期土壤贮水量处理间无明显差异(图5)。2016年播前0～60cm土层土壤贮水量MF较MNF和TNF分别多13.4和23.2mm,苗期0～60cm土层土壤贮水量MF较MNF和TNF分别多9.2和10.8mm,0～140cm分别多16.0和32.9mm,分枝期后受高温干旱的影响,处理间差异不明显。2017年苗期0～60cm土层土壤贮水量MF较MNF和TNF分别多6.6和10.3mm,0～140cm土层MF较TNF高18.9mm,分枝期0～140cm土层MF和TNF分别较MNF减少45.6和44.3mm,盛花期和灌浆期0～200cm土层MF分别较MNF和TNF减少57.3和44.4mm、32.9和22.9mm,由于降水量显著增加和地膜覆盖保墒抑蒸作用,收获期0～60cm土层土壤贮水量MF和MNF明显高于TNF。

2.6地膜覆盖和施肥对苦荞花前花后耗水量的影响

地膜覆盖和施肥对苦荞花前和花后0～300cm土层土壤耗水量有显著影响,且与不同降水年型有关(图6)。2015年花前耗水量MF较TNF和MNF增加28.4和32.1mm,而花后减少31.2和17.6mm。2016年花前耗水量MF和MNF较TNF分别增加28.3和42.7mm,且差异显著(P<0.05),花后耗水量处理间均无显著性差异(P>0.05)。2017年MF的花前耗水量较TNF和MNF分别增加16.6和21.2mm,且差异显著(P<0.05),花后耗水量MNF较TNF和MF增加45.2和71.2mm,差异显著(P<0.05)。

图5苦荞不同生育期土壤剖面贮水量

图6苦荞开花前和开花后耗水量

2.7地膜覆盖和施肥对苦荞生育期耗水量和水分利用效率的影响

地膜覆盖和施肥对旱地苦荞的耗水量、水分利用效率(WUE)和年降水利用效率(RUE)的影响不同(图7)。2015年耗水量处理间无显著性差异(P>0.05),水分利用效率和年降水利用效率均表现为MF>MNF>TNF,MF和MNF较TNF分别显著增加34.5%和34.9%、33.6%和29.4%(P<0.05);2016年MF和MNF的耗水量、WUE和RUE较TNF分别增加11.6%和14.4%,106.4%和130.4%,99.1%和127.8%,表现为MF和MNF与TNF差异均显著(P<0.05);2017年耗水量MNF较TNF和MF分别增加15.3%和19.6%,TNF和MF与MNF差异均显著(P<0.05),MF的WUE和RUE较TNF和MNF分别增加102.2%和37.9%、95.0%和59.0%,处理间差异显著(P<0.05)。

图7苦荞生育期耗水量、水分利用效率及年降水利用效率

3、讨论

干旱和降水稀少是西北黄土高原半干旱区农业生产最主要的限制因素,地膜覆盖较露地种植能够降低土壤水分的耗散,增加耕层土壤贮水量[9,10]。大量研究表明,半干旱区旱地作物地膜覆盖种植后,不仅能够增加土壤温度[23],增加作物生长前期土壤贮水量,减轻土壤干旱对作物的危害,还能够促进土壤养分的吸收,达到水肥耦合的效果,有利于作物生长发育[8]。本研究结果表明,苦荞播前地膜覆盖后降低土壤无效蒸发,集水保墒效果明显,2015年播前0～200cm土层土壤贮水量MF较MNF增加35.8mm,苗期0～140cm土层土壤贮水量增加42.4mm,2016和2017年分别增加32.9和18.9mm,可知MF显著提高苦荞播前和苗期土壤贮水量,表明MF通过地膜覆盖增加了土壤有效水分,能够为苦荞提供较好的土壤生长环境,有利于苦荞发芽和生长[10]。2015年分枝期和盛花期0～80cm土层土壤贮水量MF低于TNF和MNF,2016年分枝期MF较MNF略有减少,但较MNF增加,认为形成的主要原因是不同降水年型、不同生长阶段土壤耗水量差异的影响,表明地膜覆盖和施肥加快了土壤水分的消耗[24],导致土壤贮水量的下降,同时在高温干旱年份促进深层土壤中水分向根层土壤的转移[25],本研究结果中MF能有效增加0～20cm土层土壤贮水量与其相一致。本研究结果还发现,苦荞耗水量不仅与施肥、种植模式、降水量相关,还与当年降水分配有关[14,22,25]。由于MF处理下的植物生长较旺盛,土壤水分耗水较多,2017年盛花期和灌浆期0～200cm土层土壤贮水量MF较MNF和TNF下降显著。本研究结果表明,无论何种降水年型,MF较TNF花前0～300cm土层土壤耗水量增加,而总耗水量在平水年和丰水年并没有显著增加,表明地膜覆盖和施肥有效改善了苦荞生长的土壤水分和养分环境,调节了生育期的耗水进程,增加了花前耗水量,降低土壤干旱的胁迫,增强苦荞抗旱能力。

地膜覆盖能够合理调控农田生态系统的小气候,有利于作物生长发育[26],施肥对作物生长发育过程中干物质的积累影响显著[27]。合理的栽培措施可提高作物成穗数、穗粒数、籽粒重等产量构成指标[25,28,29],由于冬小麦(Triticumaestivum)地膜覆盖后对土壤水分和氮素的吸收利用能力增强,使其hm2穗数增加,生物产量提高25.45%[28]。本研究中,降水年型对苦荞成穗数、单株粒重和籽粒饱满率有一定的影响,3年地膜覆盖结合施肥处理下收获期苦荞的干物质量、叶面积指数均高于其他处理,表明地膜覆盖结合施肥能够充分利用地膜覆盖和施肥的水肥耦合效应,增加苦荞干物质量积累,提高叶面积指数,促进苦荞生长,有利于形成高产。

施肥对地膜覆盖作物产量的形成和水分利用有重要影响[14,25]。研究表明,地膜覆盖后合理施肥可改善作物根层土壤水热条件,增加生育前期土壤贮水量,生长加快,同时其使生育前期耗水增加,后期遇到干旱或降水补充不足,容易造成土壤干旱缺水,进而对产量和水分利用效率有一定的影响[30]。旱地小麦地膜覆盖结果表明,虽然在花后小麦受到干旱和高温胁迫,但其产量和水分利用效率显著高于不覆膜种植[10]。本研究结果表明,无论何种降水年型,地膜覆盖施肥条件下苦荞的产量最高,与TNF差异显著,尤其在欠水年的差异更加明显。本研究中在平水年和欠水年MF的产量和生物量与MNF无显著差异,认为这主要与降水量及其分布相关,较低的降水量没有有效促进化肥的作用[28,31]。大量研究表明,覆膜和施肥能增加作物生育期耗水量,提高作物产量和水分利用效率[11,12,13,14,15],是解决干旱半干旱地区土壤水分紧缺问题的重要措施。但本研究发现,与TNF相比,MF条件下0～300cm土层土壤耗水量仅在欠水年差异显著,在平水年和丰水年无显著性差异,表明苦荞覆膜种植并没有过多消耗土壤水分,而是高效利用了土壤接纳的有效降水。水分利用效率和年降水利用效率结果表明,MF和MNF较TNF可以提高WUE和RUE。平水年和欠水年MF与MNF的WUE和RUE差异不明显,但在丰水年差异显著,表明在本试验条件下,合理施肥和地膜覆盖种植可以有效蓄水保墒,且使生育期耗水量并没有显著增加,使苦荞产量和生物量增加且降水利用效率显著提高[32]。

4、结论

在西北黄土高原半干旱区,在施肥量为纯N40kg·hm-2、P2O530kg·hm-2、K2O20kg·hm-2条件下,地膜覆盖种植能够提高苦荞苗期0～140cm土层土壤贮水量,调节生育进程中耗水分配,增加花前0～300cm土层土壤耗水量,显著提高苦荞干物质量、叶面积指数、成穗数、单株粒重和籽粒饱满率,有效促进植株群体生长,显著增加产量和生物量,提高土壤水分利用效率,且在欠水年份更加突出,实现了半干旱区旱地苦荞水肥协调、抗旱增产和水肥资源高效利用的目的。

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基金:国家自然基金(31760367);甘肃省农业科学院农业科技创新专项计划(2019GAAS10)资助.