黃土高原半干旱區(qū)不同覆膜方式對(duì)土壤水熱環(huán)境及糜子耗水特性的影響

董孔軍，劉天鵬，何繼紅，任瑞玉，張磊，許巖，楊天育，

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黃土高原半干旱區(qū)不同覆膜方式對(duì)土壤水熱環(huán)境及糜子耗水特性的影響

董孔軍1，劉天鵬1，何繼紅1，任瑞玉1，張磊1，許巖2，楊天育1，2

（1甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，蘭州 730070；2甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070）

【目的】探明黃土高原旱作區(qū)不同覆膜方式中的土壤水溫效應(yīng)及糜子增產(chǎn)機(jī)制?！痉椒ā?2015—2016年，以隴糜10號(hào)為試驗(yàn)材料，設(shè)置全膜雙壟溝留膜免耕穴播（A1）、全膜雙壟溝穴播（A2）、全膜平鋪膜上覆土穴播（A3）、全膜平鋪穴播（A4）、露地等行距條播（CK）5個(gè)處理，研究土壤水熱效應(yīng)及其對(duì)糜子耗水特性、水分利用效率及產(chǎn)量的影響?！窘Y(jié)果】與露地條播（CK）相比，兩年間在糜子生育期內(nèi)，A1、A2、A3、A4處理5—25 cm土層平均溫度變化及土壤平均溫度日變化均表現(xiàn)出不同程度的增溫效果。糜子生育期內(nèi)，豐水年份（2015年）A1、A2、A3、A4處理較CK貯水量分別提高94.7、67.9、58.0、21.0 mm，而耗水量表現(xiàn)為CK＞A1＞A4＞A2＞A3，且各處理在不同土層、不同生育階段耗水均衡；嚴(yán)重干旱年份（2016年）A1、A2處理較CK貯水量提高83.9、57.4 mm，而A3、A4較CK降低27.1、25.3 mm，耗水量表現(xiàn)為A3＞A4＞A1＞A2＞CK，其中，A3、A4、A1、A2較CK依次加強(qiáng)了對(duì)80—100 cm土層水分的利用，且播種至苗期4種覆膜方式較CK耗水量降低，均衡調(diào)控了拔節(jié)至成熟期的耗水強(qiáng)度；基于4種覆膜方式間土壤水熱環(huán)境的不同和對(duì)糜子生育期內(nèi)耗水特性的差異，A1、A2、A3、A4處理較CK水分利用效率分別提高1.3—3.9、5.2—5.5、3.4—3.5、4.1—4.2 kg·hm-2·mm-1，增產(chǎn)9.0%—43.3%、34.8%—58.2%、20.8%—49.4%、29.0%—52.9%，且干旱年份的增產(chǎn)幅度更高?！窘Y(jié)論】4種覆膜栽培均改善了糜子生育期內(nèi)的土壤水熱環(huán)境，調(diào)節(jié)了其不同生育階段的耗水強(qiáng)度，顯著提高作物水分利用效率、產(chǎn)量及其相關(guān)性狀，增產(chǎn)潛力依次為A2＞A4＞A3＞A1。

半干旱區(qū)；覆膜方式；糜子；水熱環(huán)境；耗水特性

0 引言

【研究意義】干旱半干旱區(qū)超過我國國土總面積的一半，其中以黃土高原為中心的旱作農(nóng)田面積約占我國耕地總面積的56.8%[1]，水分短缺是旱作農(nóng)田生產(chǎn)的主要限制因子。地表覆蓋栽培因其明顯的節(jié)水保墑、溫度調(diào)控效應(yīng)，已在全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[2]，也是我國干旱半干旱區(qū)的關(guān)鍵栽培技術(shù)之一。它極大提高了我國干旱半干旱地區(qū)玉米、小麥、馬鈴薯等作物的生產(chǎn)潛力，在旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用[3-4]。糜子是黃土高原干旱半干旱區(qū)的特色作物之一，隨著特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要和人們飲食結(jié)構(gòu)多元化的需求，圍繞提高旱地糜子產(chǎn)量和水分利用效率的覆膜高效栽培技術(shù)也成為熱點(diǎn)研究問題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈和地膜覆蓋是目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的兩種主要地表覆蓋栽培方式[5]。秸稈覆蓋材料主要以大宗作物玉米、水稻、小麥秸稈為主，而地膜主要是以聚烯烴為成分的普通塑料膜，以及在其基礎(chǔ)上開發(fā)出的密度、厚度、色澤等各類塑料膜[6-7]，此外光降解塑料膜[8-9]和生物降解膜亦在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用[10-11]。秸稈和地膜覆蓋均以平鋪和壟溝2種方式為主，在此基礎(chǔ)上，研究者根據(jù)生態(tài)區(qū)域、作物類型及田間管理的需要，形成了地膜平鋪覆土、寬窄壟覆膜、壟上覆膜壟溝秸稈覆蓋等多種方式[12-14]。秸稈、地膜結(jié)合一定的覆蓋方式，調(diào)節(jié)土壤水溫[15-16]、有機(jī)質(zhì)[17-18]、鹽分[19]、礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)運(yùn)[20]、微生物群落結(jié)構(gòu)[21]的變化，從而影響作物根系生長(zhǎng)[4]、活力[22]、分布[23]、水分利用[24]、營養(yǎng)吸收[25]及地上部冠層結(jié)構(gòu)[26]、光合作用及產(chǎn)量形成[27]。其中土壤水溫變化是覆蓋栽培最為顯著的效應(yīng)，進(jìn)而改變了土壤結(jié)構(gòu)[2,28]、理化性質(zhì)[29-30]及土壤微生物活動(dòng)[31-32]，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的形態(tài)建成[33]、生理代謝及群體結(jié)構(gòu)[26-27]，并在玉米[14-15,17,25,27,29-30]、小麥[3,5,16,20,24,28,31]、棉花[23,26]水稻[13]、油菜[4]等作物中得到了驗(yàn)證。屈洋等[12,34]研究了陜北半干旱區(qū)不同溝壟覆膜集水模式下，土壤水分變化及糜子生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成、邊際效應(yīng)及生理特性等；張盼盼等[35]研究了不同覆膜方式對(duì)旱地糜子光合特性及產(chǎn)量的影響；曹曉寧等[36]比較了全膜平作穴播等6種覆膜栽培方式下糜子干物質(zhì)積累及產(chǎn)量變化?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究都側(cè)重于覆膜栽培對(duì)糜子生長(zhǎng)發(fā)育的影響而缺乏對(duì)水熱環(huán)境因素的系統(tǒng)研究，本研究通過比較4種覆膜栽培的土壤水熱特征，探明土壤水溫效應(yīng)下的糜子增產(chǎn)機(jī)制?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過系統(tǒng)比較全膜雙壟溝留膜免耕穴播、全膜雙壟溝穴播、全膜平鋪膜上覆土穴播、全膜平鋪穴播、露地條播（CK）間的土壤水溫效應(yīng)及對(duì)糜子耗水特性的影響，探明了4種覆膜模式下糜子的增產(chǎn)潛力，為黃土高原半干旱區(qū)糜子高效栽培技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015—2016年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院會(huì)寧試驗(yàn)站（105°06'E，35°40'N）進(jìn)行。試驗(yàn)站海拔1 800.5 m，年平均氣溫7.6℃，年輻射總量5 842 MJ·m-2，年日照時(shí)數(shù)2 500h，≥10℃積溫2 012.7℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。一年一熟，無灌溉條件，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年為豐水年，試驗(yàn)區(qū)全年降水383.3 mm，糜子全生育期內(nèi)（5月至9月）降水量分布較均勻，降水總量為270.4 mm，年平均氣溫8.9℃，糜子全生育期內(nèi)溫度變化閾10.7℃—30.3℃。2016年全年降水量為252.6 mm，糜子全生育期內(nèi)（5月至9月）降水量分布極為不均勻，降水最大值為糜子播種至幼苗期（5月），降水量時(shí)空分布與糜子生育期需水規(guī)律嚴(yán)重不吻合，年平均氣溫9.3℃，糜子全生育期內(nèi)溫度變化閾4.3℃—33.3℃（圖1）。

圖1 2015—2016年氣溫及降水量分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為隴糜10號(hào)，覆蓋材料為聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜（寬×厚=1 200 mm×0.01 mm，Ⅰ類、加耐候劑）。試驗(yàn)設(shè)全膜雙壟溝留膜免耕穴播（A1）、全膜雙壟溝穴播（A2）、全膜平鋪膜上覆土穴播（A3）、全膜平鋪穴播（A4）、露地等行距條播（CK）5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。2015年小區(qū)面積21.2m2（長(zhǎng)×寬=4.7 m×4.5 m），5月3日完成播種，9月17日收獲；2016年小區(qū)面積20.0m2（長(zhǎng)×寬=4.0 m× 5.0 m），5月6日完成播種，9月19日收獲。其中全膜雙壟溝穴播、全膜雙壟溝留膜免耕穴播大壟寬70 cm，高10 cm，小壟寬40 cm，高15 cm，壟溝穴播，穴距4 cm；全膜平鋪膜上覆土穴播和全膜平鋪穴播行距30 cm，穴距4 cm；露地等行距條播行距30 cm，株距4 cm，各處理留苗52.5×104株/hm2。播前及生育期內(nèi)均不施肥，田間統(tǒng)一管理，試驗(yàn)前茬為全膜雙壟溝播一膜兩年玉米連作茬。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤溫度 2015—2016年，在糜子播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期及收獲后，按小區(qū)定點(diǎn)定時(shí)測(cè)試土壤溫度。測(cè)定時(shí)間分別為8：00、12：00、16：00、20：00。測(cè)量土壤深度分別為5、10、15、20和25 cm。

1.3.2 土壤水分 2015—2016年，在糜子播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期、收獲后，采用烘干法測(cè)定0—100 cm土層的土壤含水量，步長(zhǎng)20 cm，共5個(gè)土層分別取土樣，各處理取樣位置均位于種植行間，計(jì)算土壤貯水量、農(nóng)田耗水量及水分利用效率。成熟后按小區(qū)收獲進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。計(jì)算方法如下：

W=（土壤鮮質(zhì)量-土壤干質(zhì)量）/土壤干質(zhì)量×100% （1）

SWS=W×d×ρ×10 （2）

式中，SWS為土壤貯水量（mm）；d為土層深度（cm）；ρ為土壤容重（g·cm-3），本試驗(yàn)各土層ρ平均為1.23g·cm-3；W為土壤含水量（%）。

ET=ΔSWS+P+I-D+Wg-R （3）

ΔSWS= SWSi-SWSj（4）

式中，ET為糜子生育期農(nóng)田耗水量（mm）；ΔSWS為生育期土壤貯水量變化量（mm）；P為生育期降水量；I為灌溉量（mm）；D為灌溉后土壤水向下層流動(dòng)量（mm）；Wg為深層地下水利用量（mm）；R為地表徑流（mm）；SWSi、SWSj分別為某一生育階段初始和結(jié)束時(shí)的土壤貯水量（mm）。本試驗(yàn)無灌溉條件，地下水位在15 m以下，且無地表徑流，故I、D、Wg和R可忽略不計(jì)。

WUE=Y/ET （5）

式中，WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1），Y為籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2），ET為糜子生育期農(nóng)田總耗水量（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理與分析采用Excel 2010、SPSS及DPS軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 不同覆膜方式對(duì)土壤（5—25 cm土層）溫度的影響

2.1.1 土壤平均溫度變化 不同覆膜方式下，不同降水年際間土壤平均溫度的變化趨勢(shì)基本相似（圖2）。播前至拔節(jié)期平均地溫上升，之后逐漸下降。4種覆膜處理播前至拔節(jié)期的增溫幅度高于拔節(jié)后?？傮w來看，糜子生育期內(nèi)A1、A2、A3、A4處理土壤平均溫度較CK分別提高1.7℃—2.6℃、2.0℃—2.2℃、0.9℃—1.6℃、1.9℃—2.1℃，增溫保溫效果A2＞A4＞A1＞A3。A3處理兩年平均地溫均較A1、A2、A4處理低，說明平鋪覆土對(duì)土壤吸熱有一定削弱作用。

B、E、J、H、M、A分別為播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期、收獲后

2.1.2 各層土壤溫度的變化 不同覆膜方式下，年際間糜子各生育階段不同土層溫度變化趨勢(shì)一致，即隨著土層加深，土壤溫度逐漸下降。播種至收獲期各土層溫度變化呈正態(tài)分布狀，2015年拔節(jié)期各土層溫度達(dá)到峰值，2016年灌漿期15、20、25 cm土層溫度達(dá)到峰值，而拔節(jié)期5、10 cm土層溫度達(dá)到最大值（圖3）。由表1可知，糜子全生育期內(nèi)，A1、A2、A3、A4處理5 cm土層溫度較CK分別提高了0.3℃—0.8℃、1.5℃—2.9℃、1.2℃—1.6℃、1.8℃— 2.5℃，且兩年間A2、A3、A4均與CK存在顯著差異；10 cm土層溫度較CK分別提高1.1℃—1.5℃、2.2℃—2.4℃、0.9℃—2.1℃、1.9℃—2.0℃，15 cm土層溫度較CK分別提高了1.1℃—1.9℃、1.8℃—2.1℃、0.9℃—1.2℃、1.9℃—2.6℃，且10、15 cm土層溫度兩年間均與CK存在顯著差異；20 cm土層溫度較CK分別提高了0.4℃—2.1℃、1.4℃—1.8℃、0.9℃—1.9℃、1.4℃—1.8℃，2015年4種覆膜處理均與CK存在顯著差異，2016年A1、A3處理與CK差異不顯著，A2、A4與CK差異顯著；25 cm土層溫度較CK分別提高了1.0℃—2.7℃、0.8℃—1.8℃、0.6℃—1.3℃、1.5℃—1.6℃，2015年A2、A3處理與CK差異不顯著，A1、A4處理與CK差異顯著，但A2、A3、A4 3種一膜一年用覆膜方式間25 cm土層溫度差異不顯著。綜上，A1處理5、25 cm土層溫度增溫保溫效果較差，4種覆膜處理10、15cm土層增溫保溫效果均較好，而20、25 cm土層增溫保溫效果年際間差異較大。

表1 不同處理下糜子全生育期內(nèi)各土層溫度變化

表中不同小寫字母表示各處理間在＜0.05水平上差異顯著。下同

The small letters in the table indicate significantly different under different treatments at＜0.05. The same as below

2.1.3 各層土壤溫度日變化 糜子全生育期內(nèi)，兩年間5—25 cm土層土壤溫度的日變化規(guī)律基本一致，8：00各層溫度最低，之后隨著時(shí)間推進(jìn)逐漸增高，至16：00各層溫度均達(dá)到最高值，隨后逐漸降低（表2）。8：00條件下，A1、A2、A3、A4處理5—25 cm土壤溫度較CK分別高出0.8℃—2.0℃、0.2℃—1.5℃、0.6℃—1.6℃、1.5℃—1.7℃，2015年A2、A3、CK間差異不顯著，2016年A1與CK無顯著差異；12：00條件下，土壤溫度較CK分別高出1.5℃—3.8℃、2.3℃—2.4℃、0.7℃—2.1℃、1.9℃—2.7℃，16：00條件下，土壤溫度較CK分別高出1.1℃—3.6℃、1.8℃—4.2℃、0.8℃—1.1℃、1.9℃—2.7℃，兩年間，4種覆膜處理在12：00至16：00的增溫效應(yīng)均與CK存在顯著差異；20：00條件下，土壤溫度較CK分別高出0.4℃—3.1℃、1.4℃—3.1℃、0.8℃—1.5℃、1.4℃—2.7℃，2015年A1、A2、A3、A4處理與CK差異顯著，而2016年在A1、A3、CK間無顯著差異。以上結(jié)果可以看出，兩年間4種覆膜處理的增溫保溫差異主要存在于8：00、20：00。

2.2 不同覆膜方式對(duì)土壤水分的影響

2.2.1 對(duì)糜子各生育階段土壤貯水量的影響 土壤貯水量與糜子生育進(jìn)程及降雨密切相關(guān)，播前由于前茬玉米雙壟溝播覆膜的作用及耕作作業(yè)過程中的土壤水分散失，兩年間A2、A3、A4、CK處理的土壤貯水量均略小于A1，但處理間不存在顯著差異。2015年糜子苗期，A1、A2、A3、A4貯水量較CK多14.9、39.3、14.3、32.6 mm，且顯著差異；2016年A1、A2、A3、A4貯水量較CK多24.2、0.6、24.7、27.8 mm，A1、A3、A4較CK顯著差異，總體上苗期4種覆膜方式均有較好的保墑作用。拔節(jié)期至收獲期兩年不同處理間土壤貯水量差別較大，各處理間表現(xiàn)出某一階段貯水量高，而后一個(gè)階段貯水量低的趨勢(shì)。2015年糜子全生育期，A1、A2、A3、A4處理較CK貯水量分別多94.7、67.9、58.0、21.0 mm，均顯著的高于CK，2016年A1、A2較CK貯水量多83.9、57.4 mm，顯著高于CK，而A3、A4則較CK少27.1、25.3 mm，顯著的低于CK?？梢钥闯鰞赡觊g糜子全生育期內(nèi)雙壟溝播覆膜栽培方式（A1、A2）更利于土壤貯水（圖4）。

圖3 不同覆膜方式下糜子不同生育階段5—25 cm各土層溫度變化

圖柱上不同小寫字母表示不同處理在P＜0.05水平上呈顯著差異

2.2.2 對(duì)糜子全生育期土壤耗水量的影響 由表3可以看出，兩年不同覆膜方式下糜子生育期內(nèi)耗水量主要來自于降水的水量。2015年各處理耗水量依次為CK＞A1＞A4＞A2＞A3，2016年依次為A3＞A4＞A1＞A2＞CK，兩年耗水特點(diǎn)差異較大。2015年糜子生育期內(nèi)降水量比2016年多85.6 mm，且2015年降雨基本與糜子生長(zhǎng)發(fā)育耗水需求相一致，2016年試驗(yàn)區(qū)嚴(yán)重干旱，降水規(guī)律與2015年相似，但糜子生育后期降水量嚴(yán)重短缺，4種覆膜方式耗水總量高于CK，說明干旱年份覆膜栽培促進(jìn)土壤貯水量消耗。從表3也可看出，2015年4種覆膜方式土壤貯水消耗量均小于CK，而2016年相反，4種覆膜方式加強(qiáng)了對(duì)土壤貯水的消耗量。由圖5可見，各處理2015年多雨年份土壤貯水耗水量較均衡的分布在0—100 cm土層，40—60 cm土層達(dá)到貯水耗水最大值；2016年嚴(yán)重干旱年份，A1、A3處理土壤貯水耗水量主要集中在60 cm土層，A2處理0—40 cm的土壤貯水耗水量達(dá)到峰值，A4處理80 cm土層耗水量最大，5種處理80—100 cm土壤貯水消耗量依次為A3＞A4＞A1＞A2＞CK，與總耗水變化相一致，干旱年份4種覆膜栽培增加了糜子對(duì)深層土壤貯水的利用。

2.2.3 對(duì)糜子各生育階段土壤耗水量的影響 4種覆膜方式較CK有更好的水分調(diào)控作用，兩年間播種至苗期，4種覆膜方式耗水量顯著小于CK；而苗期至成熟期，隨著糜子生育進(jìn)度的需水規(guī)律，平衡調(diào)控了各生育階段的耗水需求（表4）。2015年降水量較多的情況下，A1、A3處理苗期至拔節(jié)期耗水量分別占總耗水量的12.9%和19.4%，而在拔節(jié)至抽穗、抽穗至成熟期分別占28.7%和26.8%、34.0%和—33.5%；A2處理在苗期至拔節(jié)期耗水量較大的情況下，拔節(jié)至抽穗期耗水量相對(duì)較小，占總耗水量的17.5%，而在抽穗至成熟期耗水量所占比例又上升至38.5%；A4處理在苗期至成熟期不同階段有相對(duì)均衡的耗水量。2016年嚴(yán)重干旱年，糜子苗期至成熟期A1、A2、A3、A4處理耗水量分別占總耗水量的78.2%、83.4%、82.6%、85.0%，較CK高出4.8%、10.0%、9.4%、11.6%，可以看出覆膜降低了糜子播種至苗期的耗水量，而保證了后期需水的供給，特別是嚴(yán)重干旱年，均衡調(diào)控了苗期至成熟期各階段的水分利用。

表2 各處理糜子全生育期內(nèi)5—25cm土層溫度日變化

表3 不同覆膜方式下糜子總耗水量及其分配

圖5 糜子生育期內(nèi)0—100 cm各土層土壤貯水消耗量

2.3 不同覆膜方式對(duì)糜子水分利用效率及產(chǎn)量的影響

由表5可見，2015年糜子的水分利用效率在不同處理間依次為A2＞A4＞A3＞A1＞CK，2016年依次為A2＞A4＞A1＞A3＞CK，4種覆膜方式水分利用效率顯著高于CK。A1、A2、A3、A4處理的糜子產(chǎn)量都較CK增產(chǎn)，2015年分別增產(chǎn)9.0%、34.8%、20.8%、29.0%；2016年分別增產(chǎn)43.3%、58.2%、49.4%、52.9%，嚴(yán)重干旱的2016年4種覆膜方式的增產(chǎn)潛力更大。兩年間不同處理的產(chǎn)量變化依次為A2＞A4＞A3＞A1＞CK，4種覆膜處理均顯著高于CK，并且4種覆膜處理間存在顯著差異。從糜子產(chǎn)量相關(guān)性狀看，除千粒重外，單株草重、單株穗重、單株粒重兩年各處理間均為A2＞A4＞A3＞A1＞CK，且與CK存在顯著差異，這一趨勢(shì)與籽粒產(chǎn)量變化趨勢(shì)完全一致，覆膜處理也顯著影響糜子產(chǎn)量構(gòu)成因子。

表4 糜子各生育階段耗水量及其占總耗水量的比例

表5 糜子水分利用效率、產(chǎn)量及其相關(guān)性狀

3 討論

3.1 不同覆膜方式下的土壤溫度效應(yīng)

劉勝堯等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與平作露地相比較，玉米生育前期壟作覆膜和平作覆膜增溫1—3℃，土壤積溫增加155.2—280.9℃，彌補(bǔ)了玉米春季低溫對(duì)其造成的影響，這與本研究中4種覆膜方式的糜子生育前期增溫保溫效應(yīng)相似。李尚中等[37]在玉米壟作覆膜的雙壟溝播模式中發(fā)現(xiàn)，雙壟溝播苗期能防止白天耕層土溫的過度上升和晚間溫度的過度下降，本研究中全膜雙壟溝穴播（A2）苗期的增溫保溫特征與其相似，且增溫保溫效應(yīng)在糜子全生育內(nèi)不同土層、不同日時(shí)均顯著的高于CK，原因在于雙壟溝播寬窄行穴播的種植模式更利于地表充分接收太陽光照；趙財(cái)?shù)萚38]在綠洲區(qū)玉米一膜兩年用覆膜免耕模式中發(fā)現(xiàn)，與秋免耕春覆膜和傳統(tǒng)耕作覆膜方式相比較，一膜兩年用覆膜免耕模式顯著降低了玉米苗期0—25 cm平均地溫1.5℃、1.8℃。本研究中，一膜三年用全膜雙壟溝留膜免耕穴播（A1）5—25 cm土層增溫效果在糜子全生育期內(nèi)顯著高于CK，但每天8：00的5 cm保溫效果及每天20：00的25 cm增溫效果顯著弱于A2、A3、A4處理，原因在于多年農(nóng)事操作不可避免地對(duì)地膜造成破壞，且土壤緊實(shí)度一膜三年用下土壤三相系統(tǒng)組分與其他3種一膜一年用模式存在差異。而在春小麥全膜平鋪覆土及全膜平鋪研究中發(fā)現(xiàn)，苗期全膜平鋪覆土較露地條播，0—25 cm土層平均地溫提高1.4℃—3.5℃，但孕穗至灌漿期正午地表地溫比全膜平鋪、露地條播降低5.3℃—6.4℃、3.1℃—4.3℃[39]，這與本研究差別較大。本研究中，全膜平鋪膜上覆土穴播（A3）、全膜平鋪穴播（A4）在糜子全生育時(shí)期均表現(xiàn)出增溫現(xiàn)象，但A3的增溫效果低于A4，這與冠層的遮蔭和地膜表面的覆土對(duì)太陽光的削弱作用[5,7,39]導(dǎo)致5 cm土層的增溫效果次于A4有關(guān)，另外還與小麥、糜子生育時(shí)期的時(shí)間分布有關(guān)，春小麥全生育階段在3—6月份，氣溫逐漸上升，其覆膜的增溫效應(yīng)成“Ｕ”型變化趨勢(shì)[39]，而糜子在5—9月份，氣溫先升后降，增溫效應(yīng)呈倒“U”型，并且在兩種壟作模式（A1、A2）中也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。綜合4種覆膜方式的土壤溫度特征，雙壟溝模式（A1、A2）寬窄行種植特點(diǎn)使其增溫保溫效果強(qiáng)于平作模式（A3、A4），但一膜三年用及免耕（A1）削弱了溫度效應(yīng)，而平作膜上覆土顯著的減弱了表層土壤的增溫效應(yīng)，使其4種覆膜栽培模式的土壤溫度效應(yīng)表現(xiàn)為A2＞A4＞A1＞A3。

3.2 不同覆膜方式下的土壤水分特征

壟溝覆膜方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可顯著的起到集雨效果，極大的提高降水利用效率[4,7,12]。李尚中等[37]在玉米研究中指出，壟膜溝播能將小于5 mm的無效降水轉(zhuǎn)化為有效水分貯存于土壤中，提高水分利用效率；GU等[4]在油菜研究中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)型壟膜結(jié)構(gòu)在降水和灌水后能極大地提高1 m深度的土壤貯水量，且在油菜生育后期能夠維持0—30 cm土層較高的土壤含水量；侯慧芝等[39]在春小麥全膜覆土穴播（FMS）、地膜覆蓋穴播（FM）的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小麥拔節(jié)前，F(xiàn)MS、FM處理0—200 cm土層土壤貯水量較露地穴播（CK）分別增加33.1、29.3 mm，楊長(zhǎng)剛等[16]在冬小麥研究中也得到類似結(jié)論。本研究中，4種模式下豐水年份的土壤水分特征與前人研究結(jié)果相似，覆膜均顯著的提高了0—100 cm的土壤貯水量，且各土層間耗水相對(duì)均衡，而在嚴(yán)重干旱年份，壟作模式（A1、A2）的土壤貯水量顯著高于CK，且耗水量集中于0—60 cm土層，原因在于壟作模式較強(qiáng)的集雨效果，但平作模式（A3、A4）反而較CK貯水量顯著減少，這是由于平作模式的集雨效果次于壟作模式，并且還加強(qiáng)了80—100 cm土壤水分的消耗，研究者亦在冬小麥平鋪覆膜中得到了相似的結(jié)果，即在冬小麥全生育期90—200 cm土層含水量普遍低于CK，覆膜處理平均耗水量分別較CK多64.6 mm和77.2 mm[40]。。綜合4種模式的集雨貯水及耗水特點(diǎn)，壟作模式（A1、A2）的集雨貯水效果顯著高于平作模式（A3、A4），但由于雙壟溝留膜免耕穴播（A1）為一膜三年利用模式，在連續(xù)種植兩季玉米的基礎(chǔ)上，第三季再度利用種植糜子將不可避免的對(duì)地膜及壟溝結(jié)構(gòu)造成破壞，其集雨保墑效果次于A2、A3、A4，此外，平作模式中，A3的覆土作用使其保墑貯水效果優(yōu)于A4，但對(duì)少量的降水有吸收作用，致其降雨稀少年份的集雨效果弱于多雨年份。

3.3 不同覆膜方式下的糜子水分利用效率及增產(chǎn)潛力

全膜覆蓋栽培在馬鈴薯生產(chǎn)中增產(chǎn)46.0%— 86.8%，水分利用效率提高40.3%—83.9%[40]；在玉米生產(chǎn)中，可增產(chǎn)81.0%—92.0%，水分利用率提高26.6%—57.3%[2]；在旱地小麥生產(chǎn)中可增產(chǎn)64.4%— 79.1%，水分利用效率提高22.1%—24.0%[16]。作物生產(chǎn)中高產(chǎn)和高的水分利用效率是全膜覆蓋栽培中水分效應(yīng)的最終體現(xiàn)，研究者發(fā)現(xiàn)原因在于全膜覆蓋顯著降低了生育期內(nèi)的土壤蒸發(fā)[41]、加強(qiáng)了土壤深層水分的利用和生理性蒸騰，改善了作物生育前期的土壤水熱環(huán)境，調(diào)節(jié)了作物不同生育時(shí)期的耗水強(qiáng)度[2,16,39]，這與本研究中4種覆膜方式的增產(chǎn)機(jī)制基本一致。此外，壟溝結(jié)構(gòu)模式（A1、A2）的土壤貯水及水分利用效率高于平作模式（A3、A4），是其增產(chǎn)潛力高于A3、A4的主要作用因子，但由于一膜三年用留膜免耕穴播模式（A1）對(duì)膜的破壞增加了土壤水分的無效蒸發(fā)，降低了水分利用效率，而平作方式中膜上覆土作用（A3）減弱了覆膜的增溫集雨效果。綜合4種覆膜栽培方式的增溫保溫、貯水、集雨保墑效果，兩年間A1、A2、A3、A4處理水分利用效率較CK分別提高1.3—3.9、5.2—5.5、3.4—3.5、4.1—4.2 kg·hm-2·mm-1，增產(chǎn)潛力依次為A2＞A4＞A3＞A1。

4 結(jié)論

糜子兩個(gè)生長(zhǎng)季中，4種覆蓋方式的增溫保溫效果均為全膜雙壟溝穴播（A2）＞全膜平鋪穴播（A4）＞全膜雙壟溝留膜免耕穴播（A1）＞全膜平鋪膜上覆土穴播（A3）。豐水年份的貯水效果為A1＞A2＞A3＞A4，且4種覆膜方式能均衡調(diào)控糜子生育期內(nèi)的耗水強(qiáng)度；嚴(yán)重干旱年份貯水效果為A1＞A2＞A4＞A3，A3、A4加強(qiáng)了對(duì)80—100 cm土層水分的利用，A1由于多年的農(nóng)事操作，對(duì)壟溝結(jié)構(gòu)及地膜的破壞，集雨保墑效果次于A2、A3、A4。綜合4種覆膜方式的增溫保溫、貯水、集雨保墑效果，兩年間的增產(chǎn)潛力均為A2＞A4＞A3＞A1。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effects of Different Film Mulching-Patterns on Soil Thermal-Moisture and Broomcorn Millet Water Consumption Characteristics in Semiarid Region on Northwest Loess Plateau

DONG KongJun1, LIU TianPeng1, HE JiHong1, REN RuiYu1, ZHANG Lei1, XU Yan2, YANG TianYu1,2

(1Crop Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;2College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070)

【Objective】The objective of this paper was to explore effect of soil thermal-moisture and the yield-increasing mechanism of broomcorn millet under different plastic mulching-patterns in the dry farming regions of Loess Plateau.【Method】 In this study, “Longmi 10” was used as trial material with different plastic mulching modes, including ridge-furrow planting with whole film mulching under no tillage (A1), ridge-furrow planting with whole film mulching (A2), flat planting with whole film mulching beyond covering soil (A3), flat planting with whole film mulching (A4), uncovered and row-planting (CK) to explore the effect of them on soil thermal-moisture, water consumption characteristics, water use efficiency, and yield of broomcorn millet in rainfed agriculture area during 2015-2016.【Result】 Compared with CK, soil average temperature, and average temperature daily variation of 5 to 25 cm soil layer under A1, A2, A3, and A4 treatments showed different degrees of warming effect. During the growth period of broomcorn millet, in the rainy year (2015), the water storage amount of A1, A2, A3, and A4 treatments were 94.7, 67.9, 58.0, and 21.0 mm higher than that of CK, respectively. The water consumption was CK＞A1＞A4＞A2＞A3, and its contents in each treatment was more balanced in different stages of fertility and different soil layers. In the severe drought year (2016), treatments of A1 and A2 were 83.9 mm and 57.4 mm higher than that of CK, respectively. However, A3 and A4 treatments reduced 27.1 mm and 25.3 mm, respectively. The water consumption, the use efficiency of 80-100 cm deep soil moisture were A3＞A4＞A1＞A2＞CK, and the water consumption of the 4 kinds of film mulching was lower than that of the CK from sowing to the seedling stage. The water consumption intensity of the jointing to mature period was controlled by a more balanced approach. Based on the different soil thermal-moisture environment in 4 kinds of mulching methods and the water consumption characteristics of broomcorn millet under treatments of A1, A2, A3 and A4 were increased by 1.3-3.9, 5.2-5.5, 3.4-3.5, and 4.1-4.2 kg·hm-2·mm-1, the yield of broomcorn millet were increased production by 9%-43.3%, 34.8%-58.2%, 20.8%-49.4%, and 29%-52.9%, respectively. Furthermore, the increase in yield was higher in arid years.【Conclusion】 Four kinds of mulching could improve the soil thermal environment of soil water in the broomcorn millet growing period, adjust the water consumption rate of the different growth stage, and significantly improve the water utilization efficiency, yield and related traits. The yield-increasing potential was A2＞A4＞A3＞A1.

semi-arid region; film mulching; broomcorn millet; thermal-moisture status; water consumption characteristics

2017-11-29；

2018-04-12

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-06-13.5-A9）、國家自然科學(xué)基金（31560094）、甘肅省農(nóng)科院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2017）、國家科技支撐計(jì)劃（2014BAD07B03）

董孔軍，E-mail：broomcornmillet@163.com。劉天鵬，E-mail：1399318051@163.com。董孔軍和劉天鵬為同等貢獻(xiàn)作者。

楊天育，E-mail：13519638111@163.com