全膜覆土种植和施肥对旱地苦荞耗水特征及产量的影响

方彦杰 张绪成 侯慧芝 于显枫 王红丽 马一凡 张国平 雷康宁

全膜覆土种植和施肥对旱地苦荞耗水特征及产量的影响

方彦杰 张绪成*侯慧芝 于显枫 王红丽 马一凡 张国平 雷康宁

甘肃省农业科学院旱地农业研究所 / 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州 730070

探究全膜覆土种植和施肥水平对半干旱区旱地苦荞土壤耗水特征和产量的影响, 于2015—2017年连续3年进行定位试验, 全膜覆土种植方式下, 设置高量(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), 以传统露地种植不施肥为CK, 共5个处理, 以明确全膜覆土种植和施肥对半干旱区苦荞的耗水特性、产量和水分利用效率的影响。结果表明, 苦荞全膜覆土种植后集雨保墒效果明显, 能够改善土壤水分环境, 增加花前贮水, LF能够根据不同降水年型和土壤水分状况调控苦荞花前花后土壤耗水, 在干旱年LF较ZF、MF、HF、CK能够提高苦荞花后土壤贮水量2.8~23.5 mm, 增加花前0~100 cm土层土壤剖面水分耗散量26.3~32.4 mm, 增加生育期总耗水量44.5 mm, 提高耗水模系数、耗水强度, 显著增加成熟期干物质量1.2%~58.8%、灌浆期叶面积指数4.1%~68.5%, 增加单株粒重1.6%~61.6%, 提高籽粒饱满率0.6%~29.2%, 增加生物量1.1%~182.5%, 提高产量1.1%~130.4%, 提高水分利用效率0.3%~102.7%。可见, 旱地苦荞全膜覆土种植低量施肥处理贮水效果明显, 能够达到水肥耦合作用, 且能够根据降水等环境条件调控植株生育期耗水, 显著提高苦荞生物产量、产量和水分利用效率, 是适宜于半干旱区苦荞增产增效的栽培模式。

苦荞; 全膜覆土种植; 施肥; 耗水特征; 产量; 水分利用效率

甘肃中部半干旱区属典型的黄土高原旱作雨养农业区[1], 苦荞[(L.) Gaertn.]属蓼科一年生草本植物, 具有抗旱、耐贫瘠等特点, 籽粒具有药食兼用的特点, 是中国北方干旱半干旱区重要的杂粮作物[2]。水资源不足、季节性干旱和降水分布不均是制约该区苦荞生产最主要因素[3]。如何能充分利用有限自然降水, 提高产量和水分利用效率是保证该区苦荞稳产高效的根本途径, 也是该区农业生产中亟待解决的重要问题[4]。研究表明, 通过调控土壤水分的耗散过程, 保持土壤水分在作物生育期的合理利用, 是减缓季节性干旱危害、提高作物产量与水分利用效率的关键途径[3,5]。覆盖种植能增加作物生育期土壤有效水分, 显著影响作物源的建成及提高作物产量和水分利用效率[6-8]。全膜覆土种植能明显抑制土壤水分自由蒸发, 提高土壤水分含量, 是近年来西北半干旱区农业生产中广泛使用的一项栽培技术[9-12]。研究表明, 全膜覆土种植可有效提高播前和生育前期的土壤贮水量[7], 可使苦荞产量增加7.3%~95.3%, 水分利用效率提高7.6%~ 87.1%, 而且越干旱年增产增效愈加明显[13]。全膜覆土种植还可通过改变作物的耗水过程, 影响作物的阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度, 进而优化作物的用水结构[14], 可使耗水模系数在拔节至开花期达最大[15]。施肥对作物耗水过程也有显著的调节作用[16], 合理的施肥可改良耕层土壤环境, 提高土壤贮水量, 增加耗水量, 提高产量和水分利用效率[17]。大量研究证实, 合理施肥使作物健壮生长, 扩大根系吸收利用水分的空间, 使土壤剖面水分发生了显著变化[18], 可使耗水量提高1.5%~5.1%[3], 耗水深度达到3 m[19], 进而显著提高作物产量和水分利用效率[16,20]。可见, 在旱地全膜覆盖种植条件下, 通过改变施肥水平来调节作物对水分的耗散过程, 合理优化作物营养生长和生殖生长阶段的耗水分配, 对进一步提高作物产量和水分利用效率具有重要意义[21-22]。

目前, 有关全膜覆土种植和施肥相关的研究在旱地小麦(L)、玉米(L)、马铃薯(L)上已有大量报道。但从全生育期土壤水分变化-作物耗水特征-产量及水分利用效率的角度, 对全膜覆土种植条件下苦荞的增产效应研究较少。鉴于此, 本研究在甘肃中部半干旱区, 通过设置全膜覆土种植和施肥水平处理, 以露地不施肥为对照(CK), 测定苦荞不同生育时期的干物质量、LAI、土壤水分及产量, 计算阶段耗水量、耗水模系数、耗水强度和水分利用效率, 研究全膜覆土种植条件下不同施肥水平对苦荞水分耗散特征、水分利用效率与产量的影响, 以期为揭示旱地全膜覆土种植苦荞水肥耦合机制提供理论依据, 并为进一步提高苦荞水肥利用效率探索技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015—2017年在甘肃省农业科学院定西试验站(地处35°35′N, 104°36′E)进行。试验区海拔1970 m, 多年平均气温6.2℃, 年平均太阳辐射总量为5898 MJ m–2, 多年平均≥10℃的有效积温为2075.1℃, 无霜期为140 d, 属于典型的中温带半干旱气候。该地区是典型旱作雨养农业区, 农作物一年一熟。多年平均年降水量为415 mm, 其中6至9月为雨季, 降水量占全年降水量的68%。试验区土壤属于黄绵土, 0~30 cm土层平均土壤容重为1.25 g cm–3, 平均田间持水量和凋萎系数分别为21.2%、7.2%, 耕层0~20 cm土壤含有机质11.99 g kg–1、全氮1.16 g kg–1、全磷0.73 g kg–1、全钾17.3 g kg–1、速效磷8.67 mg kg–1和速效钾含量121.50 mg kg–1, 土壤偏碱性, pH 8.35。

1.2 试验设计

试验以苦荞为供试材料, 品种为云荞2号。试验在全膜覆土种植方式下, 设置高量(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个施肥水平, 以传统露地种植不施肥(N 0 kg hm–2+ P2O50 kg hm–2+ K2O 0 kg hm–2)为CK, 共5个处理, 每个处理3次重复, 小区面积35 m2(5 m × 7 m), 采用随机区组设计。每年均在3月下旬整地施肥覆膜, 全部肥料作为基肥结合整地一次性施入。试验用白色地膜(聚乙烯)厚0.01 mm, 肥料为尿素(N≥46.0%)、磷酸二铵(P2O5≥46.0%, N≥18.0%)、氯化钾(K2O≥51.0%)。播深3~4 cm, 每穴5~7粒, 行距30 cm, 穴距12 cm, 密度180万株hm–2。苦荞收获后当年不揭膜, 待第2年整地前揭膜。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日播种, 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。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分 在苦荞播期、苗期、分枝期、盛花期、灌浆期和收获期采用烘干法测定0~300 cm土层土壤含水量, 每20 cm为一个层次, 每小区两穴株间测定一个位点。

1.3.2 土壤贮水量 0~300 cm土壤贮水量(soil water storage, SWS)计算公式: SWS=10´´´, 式中,代表土壤深度(cm),代表土壤容重(g cm–3),代表体积含水量(m3m–3)。

1.3.3 阶段耗水量 0~300 cm耗水量(evapotranspiration, ET)计算公式: ET=SWS-SWS+1+, 式中: SWS为某个生育时期初始时的土壤贮水量(mm); SWS为该生育时期结束时的土壤贮水量(mm);为全生育期降水量(mm)。

1.3.4 耗水模系数和耗水强度 耗水模系数(water consumption percentage, WCP)计算公式: WCP = ET/ET×100%, 式中, ET为某一阶段的耗水量, ET为生育期总耗水量; 耗水强度(daily water consumption, DWC)计算公式: DWC=ET/d, 式中, d为生育阶段天数(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)计算公式: PWC=PSWS-PSWS+1, 式中, PSWS为某个生育时期土壤剖面初始时的贮水量(mm); PSWS1为该生育时期结束时的土壤剖面贮水量(mm)。

1.3.6 水分利用效率 水分利用效率(water use efficiency, WUE)计算公式: WUEdET, ET = SWSBF-SWSHA+, 式中:d为苦荞单位面积产量(kghm–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);为全生育期降水量(mm)。

1.3.7 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。

1.3.8 LAI 在苦荞分枝期、盛花期、灌浆期和收获期, 在晴天10:00用美国CID公司生产的CI-110植物冠层数字图像分析仪测定叶面积指数(leaf area index, LAI), 每小区测定3次, 计算其平均数为小区LAI。

1.3.9 产量及其农艺性状 在苦荞成熟期测定成穗数和单株粒重, 统计籽粒饱满率, 苦荞人工收割后, 按小区实收计产。

1.4 数据统计与分析

用Microsoft Excel 2010软件作图, 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(<0.05和<0.01)。

2 结果与分析

2.1 试验区苦荞生育期降水及平均气温

根据甘肃省农业科学院定西试验站多年气象资料统计可知, 苦荞生育期多年平均降水量为189.3 mm, 多年平均气温为16.8℃。2015年气象统计苦荞生育期平均气温为16.3℃, 平均气温较多年平均低3.0%, 降水量为193.4 mm, 降水分布较均匀, 属平水年。2016年气象统计苦荞生育期平均气温为19.0℃, 平均气温较多年平均高13.1%, 降水量为149.3 mm, 主要分布在6月(88.5 mm)和8月(45.7 mm), 7月苦荞开花期仅降水14.1 mm, 属干旱欠水年。2017年气象统计苦荞生育期平均气温为17.8℃, 平均气温较多年平均高5.9%, 降水量为242.9 mm, 8月份降水142.2 mm, 占58.5%, 属丰水年(图1)。苦荞生育期降水量及平均气温的差异, 对年际间产量差异有显著影响。

2.2 全膜覆土种植和施肥对苦荞生育期土壤贮水量的影响

由图2可知, 2015年0~300 cm土层土壤贮水量播种期无显著性差异, 苗期和分枝期均表现为MF>HF> ZF>LF>CK, 分别较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与其他处理差异显著(<0.05), 分枝期MF和LF与其他处理差异显著(<0.05), 盛花期MF和ZF较CK分别高36.3 mm和8.4 mm, HF和LF较CK分别低18.4 mm和32.8 mm, 且LF、MF、HF与CK差异显著(<0.05), 灌浆期和成熟期ZF、LF、MF、HF均高于CK, 灌浆期较CK分别增加36.9、27.8、20.6和11.4 mm且差异显著(<0.05), 成熟期较CK分别增加22.0、12.7、23.7和3.7 mm, ZF、LF、MF与CK和HF均差异显著(<0.05)。2016年0~300 cm土层土壤贮水量播种期LF最高, HF最低, ZF、LF、MF分别较CK增加10.3、15.2和8.7 mm; 苗期LF和MF分别较CK高16.1 mm和22.6 mm, ZF和HF分别较CK低21.2 mm和15.9 mm, 差异显著(<0.05), 分枝期至成熟期, ZF、LF、MF、HF均低于CK, 分枝期和盛花期较CK分别低45.2、2.1、1.3、23.0 mm和32.5、11.0、12.5、30.7 mm, 且与ZF和HF差异显著(<0.05), 灌浆期和成熟期较CK分别低23.2、21.1、25.0、41.7 mm和27.0、14.9、27.5、39.0 mm, 差异显著(<0.05)。2017年0~300 cm土层土壤贮水量播种期MF、ZF、HF显著高于LF和CK (<0.05), 苗期ZF、LF、MF、HF分别较CK高52.9、25.5、38.0和63.1 mm, 差异显著(<0.05), 且ZF、HF和LF、MF也差异显著(<0.05), 分枝期ZF、MF、HF较CK分别高76.1、14.2和26.8 mm, 而LF较CK低15.6 mm, 且差异显著(<0.05), 盛花期和灌浆期ZF较CK分别高44.3 mm和20.1 mm, 而LF、MF、HF较CK分别低33.3、49.3、30.4 mm和38.5、47.7、2.6 mm, 成熟期处理间无显著性差异。

2.3 全膜覆土种植和施肥对苦荞花前和花后0~300 cm土层土壤剖面水分耗散的影响

不同处理0~300 cm土层土壤剖面水分耗散量(PWC)差异明显(图3), 2015年苦荞花前0~60 cm土层土壤PWC表现为LF>HF>ZF>CK>MF, LF较其他处理分别增加50.0、33.8、16.1、12.2 mm; 60~200 cm土层土壤PWC表现为HF>LF>ZF>MF>CK, HF较其他处理分别增加55.2、34.6、27.1、22.5 mm; 200~300 cm土层土壤PWC其他处理显著低于CK, 较CK分别减少49.5、38.0、30.3、26.6 mm; 花后0~60 cm土层土壤PWC差异明显, PWC表现为MF>CK>ZF>HF>LF, LF较其他处理分别减少27.2、19.8、48.7、7.7 mm, 60~200 cm土层土壤PWC表现为MF>CK>LF>ZF>HF, MF较CK增加3.6 mm, 其他处理较CK分别减少7.0、21.4和43.1 mm, 200~300 cm土层土壤PWC其他处理明显高于MF, MF较CK减少12.5 mm, 其他处理较CK分别增加2.9、15.1和26.1 mm。2016年苦荞花前土壤PWC主要分布在0~100 cm土层土壤, 表现为LF>MF>HF>ZF>CK, 较CK分别增加32.4、30.9、24.4、6.1 mm; 花后处理间0~100 cm土层土壤PWC最高CK为9.1 mm, 最低ZF为4.4 mm, 100~200 cm土层土壤PWC最高MF为24.2 mm, 最低CK为7.1 mm, 而各处理200~300 cm土层土壤PWC均为负值, 表明成熟期200~300 cm土层土壤贮水量较盛花期增加, 且增加量LF最高为17.7 mm, MF最低为8.5 mm, CK增加量为10.7 mm。2017年苦荞花前0~140 cm土层土壤PWC表现CK明显低于其他处理, 较其他处理分别降低58.6、67.0、101.0、57.9 mm, 其中0~60 cm土层土壤PWC表现为MF>HF>LF>ZF>CK, 较CK分别增加35.8、34.9、25.3、24.0 mm, 140~200 cm土层土壤PWC处理间差异不明显, 200~300 cm土层土壤PWC处理间差异明显, 花后0~80 cm土层土壤PWC均表现为负值, 说明成熟期较盛花期0~80 cm土层土壤贮水量增加, 且增加量表现为MF>LF>HF>ZF>CK, 较CK分别增加20.6、19.9、16.0、15.0 mm, 80~200 cm土层土壤PWC表现为ZF>CK>HF>MF>LF, 其中ZF最高为30.1 mm, CK为20.0 mm, LF最低为-0.2 mm, 而200~300 cm土层土壤PWC表现为ZF>LF>CK>HF>MF, 分别为49.0、13.1、-1.1、-8.3和-26.0 mm。

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05); 每个生育时期数据上方的误差线代表LSD0.05; HF: 高量施肥; MF: 中量施肥; LF: 低量施肥; ZF: 零施肥; CK: 对照。

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.

处理同图2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.4 全膜覆土种植和施肥对苦荞花前和花后耗水量、耗水模系数、耗水强度的影响

由表1可知, 生育期总耗水量2015年HF最高, 较CK增加10.0 mm, 而ZF、LF、MF分别较CK减少17.3、2.8、9.7 mm, 2016年ZF、LF、MF、HF均高于CK, 分别增加37.3、44.5、36.2、30.3 mm, 差异显著(<0.05), 2017年ZF、MF、HF分别较CK增加40.5、89.9、40.6 mm, 且差异显著(<0.05), 而LF较CK减少9.4 mm。2015年和2016年各处理花前WC、WCP、DWC均高于花后, 2017年处理间表现不同, LF、MF、HF花前耗水量、耗水模系数及耗水强度均高于花后, 而CK和ZF恰好相反。2015年花前WC、WCP、DWC表现为HF高于LF, CK、ZF、MF显著低于LF (<0.05), 花后ZF、MF、CK则显著高于LF (<0.05); 2016年花前WC、WCP、DWC表现为ZF显著高于LF (<0.05), MF、HF与LF无显著性差异, CK显著低于LF (<0.05), 花后LF均高于其他处理, 且与CK、ZF、HF差异显著(<0.05); 2017年花前WC、WCP、DWC表现为MF、HF显著高于LF、ZF、CK (<0.05), ZF、CK较LF降低无显著性差异, 花后CK和ZF显著高于LF (<0.05), MF、HF显著低于LF (<0.05)。

2.5 全膜覆土种植和施肥对苦荞干物质积累量的影响

由表2可知, 不同年份对苦荞盛花期和成熟期干物质积累量的影响极显著(<0.01), 不同全膜覆土种植和施肥水平对盛花期和成熟期干物质积累量的影响也呈极显著(<0.01) (表3)。2015年全生育期HF、MF、LF和ZF均与CK差异显著(<0.05), 成熟期表现为LF>ZF>HF>MF>CK, LF较其他处理分别增加4.6%、5.5%、11.4%、42.3%; 2016年和2017年成熟期分别表现为LF>ZF>MF>HF>CK和LF>MF>ZF>HF>CK, LF较其他处理分别增加1.5%、4.5%、14.1%、58.8%和1.2%、8.1%、8.3%、45.4%, 3年全膜覆土处理均较CK差异显著(<0.05)。

表1 苦荞不同生育阶段耗水量、耗水模系数及耗水强度

处理同图2。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 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 不同生育时期苦荞单株干物质积累量

处理同图2。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 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、全膜覆土种植和施肥水平对单株干物质量的方差分析

2.6 全膜覆土种植和施肥对苦荞叶面积指数的影响

由表4可知, 施肥水平对苦荞不同生育时期叶面积指数影响显著｡2015年LAI分枝期和盛花期表现为MF>HF>LF>ZF>CK, LF、MF、HF均与ZF、CK差异显著(<0.05), 灌浆期LF最高, 较其他处理分别增加67.5%、12.5%、4.3%、13.6%, 且与HF、ZF、CK差异显著(<0.05); 2016年分枝期MF、HF显著高于LF、ZF、CK(<0.05), 盛花期LF、MF、HF显著高于ZF和CK (<0.05), 灌浆期LF最高, 较其他处理分别增加85.6%、4.8%、1.8%、3.5%, LF、MF、ZF、HF均较CK差异显著(<0.05); 2017年分枝期MF最高, MF、LF、HF、ZF与CK差异显著(<0.05), 盛花期、灌浆期、成熟期LF均最高, 盛花期和灌浆期较其他处理分别增加153.2%、45.0%、0.4%、1.0%和218.0%、5.7%、7.3%、5.5%, LF、MF、HF、ZF与CK均差异显著(<0.05)｡

2.7 全膜覆土种植和施肥对苦荞产量性状指标的影响

由表5可知, 成穗数2015年MF最高, 较CK增加1.5%, HF、ZF、LF较CK分别减小1.1%、3.8%、5.5%, 2016年和2017年均表现为LF>HF>ZF>MF>CK, 2年LF分别较CK增加16.4%和16.5%, 且LF、HF、ZF、MF与CK差异显著(<0.05)。单株粒重3年均表现为LF最大, CK最小, 3年LF较其他处理分别增加13.2%~53.7%、1.6%~58.6%和13.5%~61.6%, 3年全膜覆土种植处理均与CK差异显著(<0.05), 2015年和2017年LF与HF、ZF、MF也差异显著(<0.05)。籽粒饱满率3年均表现为LF最大, 3年LF较其他分别提高7.1%~29.2%、0.6%~20.8%和4.6%~23.3%, 且LF与MF、HF、CK均差异显著(<0.05)。

表4 不同生育时期苦荞叶面积指数

处理同图2。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 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 对苦荞产量、水分利用效率及收获指数的影响

处理同图2。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 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 全膜覆土种植和施肥对苦荞籽粒产量及其水分利用效率的影响

不同年份、全膜覆土种植和施肥水平对苦荞产量、生物量、水分利用效率、收获指数影响极显著(<0.01) (表6)。由表5还可知, 2015年和2016年苦荞产量均表现为LF>ZF>MF>HF>CK, 而2017年表现为LF>MF>ZF>HF>CK, 3年均LF最高, CK最低, 2015年LF、ZF、MF、HF分别较CK增加33.6%、29.4%、19.7%、14.0%, LF、ZF与MF、HF、CK均差异显著(<0.05), 2016年较CK分别增加130.4%、127.8%、115.8%、76.6%, LF、ZF与HF、CK差异显著(<0.05), 2017年LF、MF、ZF、HF较CK分别增加95.0%、70.5%、59.0%、51.4%, LF与其他处理差异显著(<0.05)。3年生物量表现与籽粒产量一致, 均LF最高, CK最低, 2015年LF、ZF、MF、HF较CK分别增加62.8%、61.0%、58.4%、55.0%, 且与CK差异显著(<0.05), 2016年和2017年较CK分别增加182.5%、160.8%、149.3%、136.5%和113.2%、94.4%、90.6%、83.6%, LF与其他处理差异显著(<0.05)。2015年水分利用效率LF、ZF、MF、HF较CK分别增加34.9%、34.5%、22.5%、11.3%, 差异显著(<0.05), 2016年较CK分别增加96.6%、99.2%、89.4%、58.2%, LF、ZF、MF与HF、CK差异显著(<0.05), 2017年较CK分别增加102.7%、36.5%、25.0%、30.0%, LF与其他处理差异显著(<0.05)。3年收获指数CK均最高, HF最低, 3年ZF、LF、MF、HF较CK分别降低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%, 差异显著(<0.05)。

3 讨论

3.1 全膜覆土种植和施肥对苦荞田耗水特征的影响

地膜覆盖能够减少水分的无效蒸散, 改善土壤水分状况, 而施肥会增加植株蒸腾耗水, 降低蒸发耗水[23]。本研究中, 在2015年平水年份, 全膜覆土种植处理增加了苗期、分枝期、灌浆期、成熟期0~300 cm土层土壤贮水量3.7~46.6 mm, 但是在盛花期由于LF和HF耗水量较多, 0~300 cm土层土壤贮水量低于CK, 在2016年干旱年和2017年丰水年, 全膜覆土种植均较CK降低了分枝期至成熟期0~300 cm土层土壤贮水量。以上说明全膜覆土种植在苦荞花前集雨贮水效果明显, 但是在苦荞分枝后, 由于覆膜种植和施肥土壤温度提高引起了苦荞的快速生长, 引起土壤水分的大量并且快速的消耗[13], 造成0~300 cm土层土壤贮水量降低, 但是施肥水平对干旱年和平水年花后土壤贮水量的影响并不明显, 在丰水年对苦荞生育期土壤贮水量均有影响。本研究结果还表明, 在干旱年, 由于分枝至灌浆期降水仅为39.3 mm, 高温干旱造成蒸发量大, 同时由于全膜覆盖种植和施肥处理植株生长快, 蒸腾耗水多, 造成全膜覆盖种植处理0~300 cm土层土壤贮水量低于CK。然而, LF较ZF、MF、HF能够提高干旱年播种期及花后0~300 cm土层土壤贮水量, 全生育期平均增加2.8~23.5 mm, 为苦荞生长提供了较高的土壤水分, 降低了籽粒形成期耗水与供水的矛盾[24]。可见, 全膜覆土种植和施肥对0~300 cm土层土壤贮水量的影响不仅与不同处理植株生育期耗水有关, 更与降水年型有关, LF能够增加干旱年土壤贮水量, 有利于苦荞产量的提高。

表6 年份、全膜覆土种植和施肥水平对产量、生物量、水分利用效率(WUE)、收获指数的方差分析

研究表明, 全膜种植结合施肥条件下马铃薯[25]、玉米[26]、小麦[11]全生育期耗水量均显著高于露地种植。全膜覆土种植不仅对阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度有显著影响, 而且还能调节作物耗水过程, 使春小麦苗期—孕穗期的作物耗水量显著增加[10]。全膜覆盖会降低马铃薯前期和中期耗水比例, 加大后期耗水比例, 地膜覆盖耗水模系数在拔节—开花期达最大[15]。本研究结果显示, 平水年和丰水年苦荞生育期总耗水量LF较CK分别减少了2.8 mm和9.4 mm, 差异不显著, 而干旱年增加了44.5 mm, 且生育期WCP、DWC表现LF显著高于CK, 可见LF增加了干旱年苦荞生育期总耗水量, 提高了耗水模系数、耗水强度。本研究还显示, LF提高了平水年苦荞花前0~60 cm土层土壤剖面水分耗散量12.2~50.0 mm, 降低花后0~60 cm土层土壤剖面水分耗散量7.7~48.7 mm; 在丰水年, MF、HF、LF、ZF增加了苦荞花前0~140 cm土层土壤水分耗散量57.9~101.0 mm, 而且还增加花后0~80 cm土层土壤贮水量15.0~20.6 mm; 在干旱年, LF较其他处理增加苦荞花前0~100 cm土层土壤剖面水分耗散量26.3~32.4 mm。分析认为主要是由于地膜覆盖造成土壤水分蒸发量的差异, 影响了不同层次土壤水分消耗量, 而花后0~300 cm土层土壤PWC的差异主要是由于施肥水平的不同, 苦荞植株生长对土壤水分消耗量的差异, 影响了不同层次土壤水分消耗量。可见, LF增加了干旱年苦荞生育期总耗水量, 但是在平水平和丰水年生育期总耗水量并没有增加, 表明LF能够根据不同降水年型调控苦荞花前花后不同层次土壤耗水量和耗水强度, 尤其在干旱年能够充分利用有限的水资源, 增加苦荞花前0~100 cm土层土壤剖面水分耗散量, 以供苦荞植株生长。

3.2 全膜覆土种植和施肥对苦荞产量和水分利用效率的影响

全膜覆土种植通过改善作物生长的水分、温度和养分条件, 显著促进了作物对水分和养分的吸收, 因而使得作物的产量和水肥利用效率大幅提高[13,27]。前人研究认为改善水分能够促进干物质向籽粒的转运, 提高收获指数, 施肥对产量的提高主要依赖于穗粒数和千粒重的增加[10-11], 本研究结果表明, 苦荞全膜覆土种植后干物质积累量和叶面积指数没有随着施肥量增加而持续增加, 3年均是LF成熟期干物质积累量和灌浆期叶面积指数表现最高, 3年成熟期干物质积累量LF较其他处理分别增加4.6%~42.3%、1.5%~58.8%、1.2%~45.4%, 灌浆期叶面积指数分别增加4.1%~40.3%、4.3%~46.1%、5.2%~68.5%, 且成穗数、单株粒重及籽粒饱满率LF较其他处理均有明显增加优势, 以上指标都有利于苦荞高产的形成。

已有研究表明, 随施肥水平提高, 覆膜种植对玉米生长的产量和水分利用效率呈增强趋势[28], 这与本研究结果不一致, 本研究中生物量、产量和水分利用效率并没有随施肥量增加而增加, 3年LF生物量、产量和水分利用效率较其他处理均有明显的优势, 其中3年生物量分别增加1.1%~62.8%、8.3%~182.5%、9.6%~113.2%, 产量分别增加3.3%~33.6%、1.1%~130.4%、14.4%~95.0%, 水分利用效率在平水年和丰水年分别增加0.3%~34.9%和48.5%~102.7%, 在干旱年较ZF减小1.3%, 较其他处理增加3.8%~96.5%。但是由于全膜覆土种植和施肥处理干物质量的显著增加, 3年收获指数较CK降低7.2%~20.2%、13.1%~25.8%、9.5%~21.5%, 这与前人的研究结果不一致[29], 可能是由于全膜覆土种植和施肥对生物量的增加效应比籽粒产量的增加效应更加显著而形成。可见, 苦荞在全膜覆土种植低量施肥条件下, 改善了土壤水分环境, 使土壤水分和养分投入相耦合, 促进苦荞对土壤水分和养分的吸收利用, 进而有利于苦荞干物质量和叶面积指数的增加, 单株粒重及籽粒饱满率等产量相关性状指标的提升, 最终导致产量和水分利用效率的提高[30]。

4 结论

在甘肃中东部半干旱区, 苦荞全膜覆土种植结合低量施肥处理(纯N 40 kg hm–2+ P2O530 kg hm–2+ K2O 20 kg hm–2)贮水保墒效果明显, 能够根据不同降水年型调控土壤不同深度耗水量和耗水强度, 增加花前土壤剖面水分耗散量, 提高干旱年花后土壤贮水量和生育期总耗水量, 促进苦荞植株对土壤水分和养分的吸收, 提高分枝期后干物质量积累和叶面积指数, 显著增加单株粒重及籽粒饱满率, 进而获得生物量和产量显著增加, 并提高了水分利用效率。综上可知, 苦荞全膜覆土种植结合低量施肥处理在不同降水年型均能够实现高产和水分高效利用, 是一种适宜于半干旱地区苦荞增产增效的栽培模式。

[1] 杨文治, 邵明安. 黄土高原土壤水分硏究. 北京: 科学出版社, 2000. pp 1–3. Yang W Z, Shao M A. Study on Soil Moisture in Loess Plateau. Beijing:Science Press, 2000. pp 1–3 (in Chinese).

[2] 冯佰利, 姚爱华, 高金峰, 高小丽, 柴岩. 中国荞麦优势区域布局与发展研究. 中国农学通报, 2005, 21(3): 375–377. Feng B L, Yao A H, Gao J F, Gao X L, Chai Y. Study on regional distribution and development of buckwheat in china., 2005, 21(3): 375–377 (in Chinese with English abstract).

[3] 于显枫, 张绪成, 王红丽, 马一凡, 侯慧芝, 方彦杰. 施肥对旱地全膜覆盖垄沟种植马铃薯耗水特征及产量的影响. 应用生态学报, 2016, 27: 883–890.Yu X F, Zhang X C, Wang H L, Ma Y F, Hou H Z, Fang Y J. Effects of fertilizer application on water consumption characteristics and yield of potato cultured under ridgefurrow and whole filed plastic mulching in rainfed area., 2016, 27: 883–890 (in Chinese with English abstract).

[4] 薛澄, 王朝辉, 李富翠, 赵护兵, 周玲, 李小涵. 渭北旱塬不同施肥与覆盖栽培对冬小麦产量形成及土壤水分利用的影响. 中国农业科学, 2011, 44: 4395–4405. Xue C, Wang Z H, Li F C, Zhao H B, Zhou L, Li X H. Effects of different fertilization and mulching cultivation methods on yield and soil water use of winter wheat on Weibei dryland., 2011, 44: 4395–4405 (in Chinese with English abstract).

[5] 樊廷录. 提高黄土高原旱地抗逆减灾能力的肥定位试验研究. 水土保持研究, 2003, 10(1): 6–8.Fan T L. Fixed fertilization experiment on stress tolerance and reducing disasters in dryland of loess plateau., 2003, 10(1): 6–8 (in Chinese with English abstract).

[6] Li F M, Guo A H, Wei H. Effects of clear plastic film mulch on yield of spring wheat., 1999, 63: 79–86.

[7] 侯慧芝, 高世铭, 张绪成, 王德贵. 旱地全膜覆土穴播春小麦的耗水特征及其对产量的影响. 水土保持学报, 2017, 31(1): 202–210.Hou H Z, Gao S M, Zhang X C, Wang D G. Effects of soil-plastic mulching on water consumption characteristics and grain yield of spring wheat in semiarid region., 2017, 31(1): 202–210 (in Chinese with English abstract).

[8] Wang Y J, Xie Z K, Malhi S S, Vera C L, Zhang Y B, Wang J N. Effects of rainfall harvesting and mulching technologies on water use efficiency and crop yield in the semi-arid Loess Plateau, China., 2009, 96: 374–382.

[9] 王红丽, 宋尚有, 张绪成, 高世铭, 于显枫, 马一凡. 半干旱区旱地春小麦全膜覆土穴播对土壤水热效应及产量的影响. 生态学报, 2013, 33: 5580–5588. Wang H L, Song S Y, Zhang X C, Gao S M, Yu X F, Ma Y F. Effects of using plastic film as mulch combined with bunch planting on soil temperature, moisture and yield of spring wheat in a semi-arid area in drylands of Gansu, China., 2013, 33: 5580–5588 (in Chinese with English abstract).

[10] 侯慧芝, 吕军峰, 郭天文, 张国平, 董博, 张绪成. 旱地全膜覆土穴播对春小麦耗水、产量和土壤水分平衡的影响. 中国农业科学, 2014, 47: 4392–4404.Hou H Z, Lyu J F, Guo T W, Zhang G P, Dong B, Zhang X C. Effects of whole field soil-plastic mulching on spring wheat water consumption, yield, and soil water balance in semiarid region.,2014, 47: 4392–4404 (in Chinese with English abstract).

[11] 杨长刚, 柴守玺, 常磊, 杨德龙. 不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响. 中国农业科学, 2015, 48: 661–671. Yang C G, Chai S X, Chang L, Yang D L. Effects of plastic mulching on water consumption characteristics and grain yield of winter wheat in arid region of northwest China., 2015, 48: 661–671 (in Chinese with English abstract).

[12] 宋婷, 王红丽, 陈年来, 张绪成. 旱地全膜覆土穴播和全沙覆盖平作对小麦田土壤水分和产量的调节机理. 中国生态农业学报, 2014, 22: 1174–1181. Song T, Wang H L, Chen N L, Zhang X C. Regulation of whole field soil-plastic mulching with bunch planting and whole field sand mulching with flat planting on soil moisture and yield of spring wheat in semiarid dryland areas., 2014, 22: 1174–1181 (in Chinese with English abstract).

[13] 方彦杰, 张绪成, 于显枫, 侯慧芝, 王红丽, 马一凡. 旱地全膜覆土穴播荞麦田土壤水热及产量效应研究. 作物学报, 2019, 45: 1073–1082.Fang Y J, Zhang X C, Yu X F, Hou H Z, Wang H L, Ma Y F. Effects of whole soil-plastic mulching with hole-sowing on soil temperature, moisture and yield of buckwheat in arid-lands.,2019, 45: 1073–1082 (in Chinese with English abstract).

[14] 方彦杰, 张绪成, 于显枫, 侯慧芝, 王红丽, 马一凡. 施肥对半干旱区旱地全膜覆土穴播苦荞产量及水肥利用率的影响. 中国农业科技导报, 2020, 22(9): 143–152.Fang Y J, Zhang X C, Yu X F, Hou H Z, Wang H L, Ma Y F. Impacts of fertilization on yield and water-fertilizer use efficiency of Tartary buckwheat with whole field soil-plastic mulching in semiarid area.,2020, 22(9): 143–152 (in Chinese with English abstract).

[15] 常磊, 韩凡香, 柴雨葳, 包正育, 程宏波, 黄彩霞, 杨德龙, 柴守玺. 秸秆带状覆盖对半干旱雨养区冬小麦耗水特征和产量的影响. 应用生态学报, 2019, 30: 4150–4158. Chang L, Han F X, Chai Y W, Bao Z Y, Cheng H B, Huang C X, Yang D L, Chai S X. Effects of bundled straw mulching on water consumption characteristics and grain yield of winter wheat in rain-fed semiarid region., 2019, 30: 4150–4158 (in Chinese with English abstract).

[16] 张仁陟, 李小刚, 胡恒觉. 施肥对提高旱地农田水分利用效率的机理. 植物营养与肥料学报, 1999, 5: 221–226. Zhang R Z, Li X G, Hu H J. The mechanism of fertilization in increasing water use efficiency., 1999, 5: 221–226 (in Chinese with English abstract).

[17] 廖佳丽. 水肥管理对旱地马铃薯生长和水分利用效率及土壤肥力的影响. 西北农林科技大学硕士学位论文, 陕西杨凌, 2009. Liao J L. Effect of Water and Fertilizers Managing on Potato Growth and WUE and Soil Fertility in Dry Land. MS Thesis of Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi, China, 2009 (in Chinese with English abstract).

[18] 刘恩科, 赵秉强, 胡昌浩, 刘秀英, 张夫道. 长期不同施肥制度对玉米产量和品质的影响. 中国农业科学, 2004, 37: 711–716. Liu E K, Zhao B Q, Hu C H, Liu X Y, Zhang F D. Effects of long-term fertilization systems on yield and quality of maize., 2004, 37: 711–716 (in Chinese with English abstract).

[19] 樊军, 郝明德, 邵明安. 黄土旱塬农业生态系统土壤深层水分消耗与水分生态环境效应. 农业工程学报, 2004, 20(1): 61–64. Fan J, Hao M D, Shao M A. Water consumption and eco-environmental effects in deep soil layers of agro- ecosystem in Loess Plateau., 2004, 20(1): 61–64 (in Chinese with English abstract).

[20] Fan T L, Stewart B A, Wang Y, Luo J J, Zhou G Y. Long-term fertilization effects on grain yield, water use efficiency and soil fertility in the dryland of Loess Plateau in China., 2005, 106: 313–329.

[21] 李生秀. 中国旱地农业. 北京: 中国农业出版社, 2004. p 22. Li S X. Dryland Agriculture in China. Beijing: China Agriculture Press, 2004. p 22 (in Chinese).

[22] 马强, 宇万太, 沈善敏, 张璐. 旱地农田水肥效应研究进展. 应用生态学报, 2007, 18: 665–673. Ma Q, Yu W T, Shen S M, Zhang L. Research advances in water-fertilizer effect on dry land farmland., 2007, 18: 665–673 (in Chinese with English abstract).

[23] 关事成. 覆膜和施肥对黄土高原半干旱区玉米产量及农田土壤呼吸的影响. 兰州大学硕士学位论文, 甘肃兰州, 2018. Guan S C. Effects of Plastic Film Mulching and Fertilization on Maize Yield and Soil Respiration in Semi-arid Area of Loess Plateau. MS Thesis of Lanzhou University, Lanzhou, Gansu, China, 2018 (in Chinese with English abstract).

[24] 任小龙, 贾志宽, 陈小莉. 不同模拟雨量下微集水种植对农田水肥利用效率的影响. 农业工程学报, 2010, 26(3): 75–81. Ren X L, Jia Z K, Chen X L. Effect of micro-catchment rainwater harvesting on water and nutrient use efficiency in farmland under different simulated rainfall conditions., 2010, 26(3): 75–81 (in Chinese with English abstract).

[25] Qin S H, Zhang J L, Dai H L, Wang D, Li D M. Effect of ridge-furrow and plastic-mulching planting patterns on yield formation and water movement of potato in a semi-arid area., 2014, 131: 87–94.

[26] 张建军, 樊廷录, 党翼, 赵刚, 王磊, 李尚中, 王淑英, 程万莉. 覆膜时期与施氮量对旱地玉米土壤耗水特征及产量的影响. 水土保持学报, 2018, 32(6): 72–78. Zhang J J, Fan T L, Dang Y, Zhao G, Wang L, Li S Z, Wang S Y, Cheng W L. Effect of film mulching period and nitrogen application rate on soil water consumption characteristics and maize yield in dryland., 2018, 32(6): 72–78 (in Chinese with English abstract).

[27] Zhang X D, Kamran M, Xue X K, Zhao J, Cai T, Jia Z K, Zhang P, Han Q F. Ridge-furrow mulching system drives the efficient utilization of key production resources and the improvement of maize productivity in the loess plateau of china., 2019, 190: 10–21.

[28] 张平良, 郭天文, 李书田, 刘晓伟, 曾俊. 不同覆盖种植方式与平衡施肥对马铃薯产量及水分利用效率的影响. 干旱地区农业研究, 2017, 35(1): 50–54. Zhang P L, Guo T W, Li S T, Liu X W, Zeng J. Effects of different coverage cultivation and balanced fertilization on yield and water use efficiency of potato in the dry-land., 2017, 35(1): 50–54 (in Chinese with English abstract).

[29] 连延浩, 王天露, 张旭东, 贾志宽, 刘启, 韩清芳. 氮磷肥配施促进半干旱区沟垄集雨种植谷子节水增产. 农业工程学报, 2016, 32(23): 106–115. Lian Y H, Wang T L, Zhang X D, Jia Z K, Liu Q, Han Q F. Suitable ratio of nitrogen and phosphorus application under ridge and furrow rainfall harvesting system improving water use efficiency and yield of foxtail millet in semi-arid area., 2016, 32(23): 106–115 (in Chinese with English abstract).

[30] Teixeira E I, George M, Herreman T, Brown H, Fletcher A, Chakwizira E, Ruiter J D, Maley S, Noble A. The impact of water and nitrogen limitation on maize biomass and resource-use efficiencies for radiation, water and nitrogen.,2014, 168: 109–118.

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

本研究由国家自然科学基金项目(31760367)和甘肃省农业科学院农业科技创新专项计划(2019GAAS10)资助。

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

张绪成, 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