旱地糜子生长、产量及土壤环境对不同覆膜种植方式的响应

张晓娟 张尚沛 程炳文 罗世武 王 勇 杨军学 王晓军

（宁夏农林科学院固原分院，756000，宁夏固原）

中国干旱、半干旱地区面积约占国土总面积的52.5%，是中国北方农业、林业、畜牧业发展的重要土地资源[1]。在北方干旱区，干旱缺水是提高农作物产量的主要限制因子，作物产量和土壤性状对土壤水热变化过程非常敏感[2]。而地膜覆盖栽培技术能有效聚集天然降水，抑制蒸发，提高作物产量和水分利用效率[3-6]。近年来，针对不同区域及不同覆膜方式对干旱区作物产量及土壤改善效果的报道较多，秸秆和地膜覆盖是目前我国农业生产中的两种主要地表覆盖栽培方式[7]，相关研究主要集中在棉花[8-9]、小麦[10]和玉米[11-12]等作物产量方面，在作物水分利用效率[13]、土壤水热状况[14]、土壤微生物活性[15]和土壤养分改善[16]等方面也展开了一系列的研究。

宁南山区自然条件较差，降水稀少、季节分配不均和春旱频繁是该区农业发展的主要障碍[17]。天然降水是该旱作农业区域唯一的水分来源，受区域气候干旱化等综合因素的影响，该区域作物种植结构单一，土壤贫瘠化加剧，作物产量较低[18]，但该区域光热资源丰富，农业生产增产潜力很大[19-20]，为此，合理采用蓄水保墒措施、调整作物结构和提高土壤肥力来最大限度地蓄积土壤水分，提高籽粒产量和水分利用效率，已成为该区域旱地农作物高产栽培的重要研究内容，也对区域作物结构调整具有重要的指导意义。糜子是宁南山区主要粮食作物之一，因其具有耐旱、耐瘠薄、抗病虫害、适应性广和营养丰富等优点，近年来已成为宁南山区小杂粮及区域特色农产品开发规划中重点发展的大产业[21-22]。

宁南山区属于冷凉干旱区，春季的干旱和低温是限制作物生产的两大气候因素，因此，农田土壤集雨保墒、土壤水热及其肥力状况是宁南山区作物产量的重要决定因子和指示器[23]，改善土壤水热状况、提高土壤肥力及缩短生育期对宁南山区作物稳产保收显得尤为重要。本文主要通过研究露地种植、膜上种植、膜侧种植和起垄覆膜种植模式对宁南山区旱地糜子生长发育、产量及土壤环境的影响，为进一步挖掘宁南干旱、半干旱区作物增产潜力及旱地覆膜技术对土壤的演变机制提供理论依据，探索适宜该区糜子生产的高效栽培方式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏农林科学院固原分院头营试验基地（36°44′ N，106°44′ E），海拔 1550m，该地区为温带干旱区，属典型的北温带大陆性季风气候，年均气温6.9℃，年均降水量约350mm，年均无霜期152d，冬春季大风活动强烈，春季冻害频繁且降水稀少，季节分配不均。土壤类型以黄绵土和黑垆土为主，土壤结构疏松，易遭风蚀或水蚀，土壤肥力中等，土壤容重1.23g/cm3，有机质含量7.38g/kg，碱解氮46.7mg/kg，速效磷27.2mg/kg，速效钾181.3mg/kg，pH值8.2，全盐量4.6g/kg。

1.2 试验设计

供试品种为当地主栽抗旱品种固糜21号，于2016-2017年连续2年开展试验。覆膜前深翻20cm整地，播种前统一施纯氮肥135kg/hm2，N∶P∶K配比9∶7∶3，一次性基施。设4个处理，分别为露地平播（ flat planting with no film mulching，CK）、膜上种植（ridge planting mode，RM）、膜侧种植（furrow planting mode，FM）和起垄覆膜（ridging film-mulching mode，RFM）。露地平播采用当地大田不覆膜条播种植方法，每小区种11行，行距30cm，株距4cm，每行留苗123株；膜上种植为不开沟起垄，采用1.6m宽的地膜将小区全部覆膜，在膜上采用穴播机进行穴播种植，每小区11行，行距30cm，株距4cm，每行留苗123株；膜侧种植为开沟起垄覆膜，采用50cm宽的地膜，垄面宽40cm，垄沟宽30cm，垄面两侧采用开沟条播单行种植，每小区10行，每行留苗135株，平均株距3.7cm；起垄覆膜为开沟起垄覆膜，垄宽20cm，垄沟30cm，采用1.6m宽的地膜将垄面和垄沟全部覆膜，在垄沟两侧采用穴播机进行双行穴播种植，每小区11行，每行留苗123株，平均株距4cm。以露地平播为对照。采用随机区组设计，小区长5m，宽3m，面积15m2，小区间距50cm，3次重复，种植密度为90万株/hm2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生育期及农艺性状调查 调查出苗期、拔节期、抽穗期、成熟期时间及各生育期内农艺性状指标，包括株高、生物鲜重和干重，在收获期测定不同处理下植株的穗长、穗颈长、单株重、单株粒重、主穗重和千粒重等产量构成因素及产量。

1.3.2 土壤取样及分析 于糜子收获期，按“S”形用土钻取土壤样品，每个处理3个重复，取样深度为0～100cm，0～20cm土层每10cm为一层，20～100cm土层每20cm为一层，每层均为5点混合样，土壤样品自然风干后，剔除植物根系等杂物，采用四分法取适量土壤样品过1.00mm（用于测定土壤有机碳、全氮及全磷含量[24]）和0.25mm筛（用于测定土壤酶活性[25]）备用。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据整理；采用SAS 8.0进行方差分析和LSD分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理对糜子生育进程的影响

从表1可以看出，不同覆膜种植方式对糜子生育期的影响不同。起垄覆膜种植方式下糜子生育期最短，与露地种植相比，起垄覆膜处理使糜子生育进程明显加快，缩短了糜子生育期，使糜子提前6d成熟，膜上和膜侧种植方式较露地平播均提前4d成熟。

表1 不同处理下糜子的生育时期Table 1 The growth stages of prosomillet under different treatments 月-日 month-day

2.2 不同覆膜处理对糜子株高的影响

作物株高及其生长量是衡量植物营养生长的重要指标[26]。从图1可以看出，不同覆膜种植方式对糜子株高有一定的影响。从出苗期到成熟期，4个处理下糜子株高均呈“S”型增长曲线，整个生育期株高均表现为RFM＞FM＞RM＞NM，其中起垄覆膜种植对株高的影响最明显。与露地种植相比，拔节期RFM、FM和RM处理下糜子株高分别提高10.46%、16.00%和31.69%，抽穗期3种覆膜种植处理下株高分别提高8.91%、1.98%和13.02%，成熟期不同覆膜处理下株高基本保持稳定。覆膜处理对糜子株高影响明显，特别是起垄覆膜种植处理下糜子株高明显提高。

图1 不同覆膜处理下糜子的株高变化Fig.1 Variation of plant height of prosomillet under different treatments

2.3 不同覆膜处理对糜子植株干物质积累量及鲜干比的影响

从植株干物质积累量和鲜干比2个方面进行比较，可以从不同角度反映植物对水分的吸收利用水平。从表2可以看出，糜子单株的鲜干比在不同生长阶段的变化趋势与干物质的积累密切相关。鲜干比随着干物质积累量的增加而减小，生物量的积累速度与鲜干比的变化速度呈正相关。不同覆膜处理下糜子干物质积累量和鲜干比均与露地种植存在极显著性差异（P＜0.01）。在营养生长阶段（出苗期和拔节期），RFM处理下干物质积累量和鲜干比最高，植株体内水分含量最高；到生殖生长期（抽穗期和成熟期），该处理下的干物质积累量和鲜干比变化呈负相关，即干物质积累逐渐增加，而鲜干比逐渐变小，植株体内含水量处于最低，表明起垄覆膜处理对糜子营养生长期的水分维持起显著作用，生殖生长阶段的干物质积累量和干鲜比出现此消彼长的变化特征，确保了后期生殖生长阶段干物质积累。

表2 不同处理下糜子植株干物质积累量及鲜干比变化Table 2 Variation of dry matter accumulation and gross weight/dry weight of prosomillet under different treatments

2.4 不同覆膜处理下土壤养分及酶活性垂直分布特征

由表3可知，不同覆膜处理下土壤有机碳、全氮及全磷垂直分布存在极显著性差异（P＜0.01）。不同处理下0～100cm土层平均土壤有机碳含量为FM＞CK＞RM＞RFM，各处理土壤有机碳含量主要集中在0～40cm土层，随土层深度增加而逐渐减小。不同处理下0～100cm土层平均土壤全氮含量表现为FM＞RM=RFM＞CK，而且随着土层加深表现出先增大后减小的趋势，0～20cm土层全氮含量最高，各处理土壤全氮含量均集中在0～40cm土层，与露地种植相比，覆膜处理明显提高了土壤全氮含量。不同处理下0～100cm土层平均土壤全磷含量为RM＞RFM=FM＞CK，且在剖面上的变化与土壤全氮含量一致，随土层加深表现出先增大后减小的趋势，几种处理下土壤全磷含量均表现出“表聚性”的垂直分布特征。

表3 不同处理下糜子地土壤有机碳、全氮、全磷含量及酶活性Table 3 The contents of soil organic carbon, total N, total P and enzyme activities of prosomillet under different treatments

与土壤全氮和全磷含量在土壤剖面上的分布特征一致，不同覆膜处理下土壤脲酶和蔗糖酶活性均随着土层加深表现出先增大后减小的趋势。不同处理下0～100cm土层平均土壤脲酶活性表现为FM＞RFM＞RM＞CK，几种覆膜处理下土壤脲酶活性均大于露地种植处理，另外，不同覆膜处理下土壤脲酶活性在剖面上均存在极显著性差异（P＜0.01），且0～20cm土层土壤脲酶活性最强。不同处理下0～100cm土层平均土壤蔗糖酶活性表现为CK＞RM＞FM＞RFM，不同覆膜处理下土壤蔗糖酶活性在剖面上均存在极显著性差异（P＜0.01），在0～40cm土层土壤脲酶活性最强。与露地种植处理比较，膜上种植和侧膜种植处理下土壤过氧化氢酶（CAT）活性偏高，尤其是表现在0～40cm土层，而起垄覆膜种植处理下表层土壤CAT活性低于露地种植及其他覆膜种植处理，尤其是起垄覆膜种植降低了0～20cm土层的CAT活性。

2.5 不同覆膜处理下糜子产量及其相关性分析

由图2和表4可知，与露地种植相比，3种覆膜种植均能显著提高糜子产量，其中RFM处理增幅最显著，产量达5400.00kg/hm2。RFM、FM和RM产量较CK分别提高了30.44%、22.28%和29.04%。通过对产量构成因素分析，糜子产量与抽穗期干物质积累量在0.01水平上极显著相关，与成熟期干物质积累量在0.05水平上显著相关。

图2 不同处理下糜子产量Fig.2 Yield of prosomillet under different treatments

表4 糜子产量与干物质积累量相关性分析Table 4 Correlation analysis between yield and dry matter accumulation of prosomillet

3 讨论

在北方干旱区，干旱缺水是农作物产量提高的主要限制因子，作物产量和土壤性状对土壤水热变化过程非常敏感[27]。本文通过分析3种覆膜处理对糜子株高、干物质积累和产量特征的影响，发现起垄覆膜种植明显提高了糜子株高、籽粒产量及不同生育时期干物质积累量，同时明显缩短了糜子生育期；通过糜子产量相关性分析发现，糜子产量与抽穗期及成熟期干物质积累量分别存在极显著和显著相关性，说明起垄覆膜种植方式能有效改善土壤营养状况[17-19]，从而提高糜子产量，这与王创云等[28]的研究结果一致，即起垄覆膜能改善土壤理化性质，从而促进作物干物质的累积，最终提高作物产量。这是由于起垄膜侧种植技术可以有效提高冠层间空气相对湿度，从而提高叶片含水量，增加气孔导度，减少气孔因素对光合作用的限制，通过利用农田的光、温和水资源来达到高产高效的目的[6-8，10]。另外，不同覆膜种植方式对土壤环境也产生一定的影响，通过不同覆膜处理下土壤有机碳、全氮及全磷含量垂直分布特征比较分析可知，不同覆膜处理下土壤有机碳、全氮及全磷含量的垂直分布存在极显著性差异（P＜0.01）。各土壤剖面土壤有机碳、全氮及全磷含量均表现出“表聚性”垂直分布特征，与露地种植相比，覆膜处理明显提高了土壤全氮的含量。通过分析表明，覆膜处理土壤有机碳含量低于露地种植，这是由于覆膜处理使土壤温度和湿度得到改善，好氧微生物活动频繁，在一定程度上促进了土壤呼吸作用，加速了土壤有机碳的分解，同时抑制了土壤氮素的分解[29]。

土壤脲酶和蔗糖酶活性均随着土层加深呈现出先增大后减小的变化趋势，覆膜处理显著提高了土壤脲酶活性，降低了土壤蔗糖酶活性，土壤脲酶和蔗糖酶活性在剖面上均存在极显著性差异（P＜0.01），然而膜上种植和侧膜种植处理下土壤CAT活性偏高，而起垄覆膜种植处理降低了表层土壤CAT活性，尤其是降低了0～20cm土层土壤的CAT活性。有研究表明，土壤蔗糖酶和脲酶活性可以反映土壤中有机质含量、全氮含量、微生物数量及土壤呼吸强度，人们常用土壤蔗糖酶和脲酶活性来表征土壤的熟化程度和肥力水平[30]。本研究发现，几种覆膜种植下0～40cm土层土壤蔗糖酶活性与对应土层的土壤有机碳含量呈正相关，且变化趋势与有机碳的“表聚性”一致，表层较高的蔗糖酶活性水平促进了碳营养元素的活化，脲酶活性与表层土壤全氮含量具有一定的正相关关系，而膜侧种植和膜上种植提高了CAT活性，表明这两种覆膜种植方式抑制了土壤呼吸，对养分的分解利用产生一定的影响，因此酶分解释放的营养元素对本质上改善根系营养状况所起的作用会受到限制[31-32]。所以，在宁南山区起垄覆膜种植是改善土壤水热状况、增强土壤酶活性、促进土壤中营养物质的循环和提高土壤肥力的有效措施。

4 结论

整个生育期糜子株高均表现为起垄覆膜种植＞膜侧种植＞膜上种植＞露地平播，且起垄覆膜种植明显缩短了糜子生育期，使得糜子产量比露地种植提高了30.44%；各处理土壤有机碳、全氮及全磷含量垂直分布差异极显著，且养分含量主要集中在0～40cm土层深度，且起垄覆膜种植有利于土壤有机碳的分解吸收利用，与露地种植相比，覆膜处理明显提高了土壤全氮含量，各处理土壤全磷含量均表现出“表聚性”垂直分布特征；各覆膜处理下土壤脲酶活性均大于露地种植处理，且在剖面上均存在极显著性差异，膜上和侧膜种植提高了0～40cm土层土壤CAT活性，而起垄覆膜种植降低了0～20cm土层土壤CAT活性，改善了土壤水热状况，促进土壤中营养物质的循环和提高土壤肥力。因此，起垄覆膜种植方式是适合宁南干旱、半干旱区糜子生产的有效栽培措施。