旱地谷子水肥高效调控技术研究进展

2012-04-13周怀平关春林解文艳杨振兴

山西农业科学 2012年5期

王洋，周怀平，关春林，解文艳，杨振兴

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030006）

谷子是我国最古老的粮食作物之一，在距今8 000 a前已有大面积栽培[1]，在禾谷类作物中，谷子的营养价值较高，8种必需氨基酸除赖氨酸较低外，其余均高于小麦、水稻，尤其是色氨酸和蛋氨酸。长期以来，农业科技工作者针对旱作谷子农田水分高效利用调控技术开展了大量的研究，为指导我国旱作农田谷子高产稳产起到了较大的推动作用。但我国旱作农田水分生产潜力仍然较大，通过采用旱作谷子农田水分高效利用耕作栽培措施，可以达到提高旱地谷子农田生产潜力、实现旱作谷子生产可持续发展的目的。

1 我国北方旱作谷子的水分高效利用栽培技术的研究

1.1 保护性耕作技术，蓄住天上水

针对北方旱区干旱少雨、蒸发量大，且水土流失严重的状况，我国科研人员在继承传统的蓄水保墒耕作方法和借鉴国外保护性耕作经验的基础上，结合各地实际，建立了以保土、保水、保肥为中心的新型保护性耕作技术，实现了对旱区土壤水库的有效调控[2]。山西省晋中地区在总结传统的坑田、沟垄种植经验的基础上，创造的旱坡地覆盖丰产沟蓄水聚肥改土耕作技术，比一般耕作法可减少水土流失91.6%～97.4%，降雨利用率由38.5%提高到82.5%[3]。随着我国耕地退化日益严重，以及近年来北方沙尘暴为害的加重，少（免）耕在生态环境保护方面的作用愈加受到重视。与传统作业方法相比，保护性耕作技术的推广应用更加依赖农业机械的革新。由于目前缺乏不同作物专用配套机具，而且已有的机具性能不够完善，从而影响了保护性耕作技术的应用推广，开发小型、多功能保护性耕作机具将是今后农机研制中的重要方面。我国对保护性耕作研究开展较晚，缺乏系统完整的理论和技术支持，对于长期少（免）耕影响效应，及其土壤可能存在的某些特殊制约和障碍因素等还未进行深入研究。当前，急需解决的技术难题包括秸秆覆盖农田低温致使作物发育减缓、杂草的有效防除，特别是对于免耕后农田有机肥如何施用的研究很少[4]。

1.2 地面覆盖及微集水种植技术，保住土中墒

依据田间起垄覆膜时期的不同，微集雨种植方式主要有作物全生育期起垄覆膜和农田休闲期起垄覆膜[5-6]。全生育期起垄覆膜可以有效利用生育期内散见性降雨，将农田微效降雨资源化，发挥小雨量的叠加增值效应，很好地将田间降水空间富集，集水与用水基本同时进行。农田休闲期起垄覆膜是针对降雨高峰期的集中性降雨，旨在最大限度提高土壤的有限集蓄量，增加深层蓄水，发挥土壤水库对作物生长的水分调节作用，是对田间降水的时间富集，集水与用水相对分开。西北农林科技大学干旱与半干旱研究中心等研究机构，对于微集雨种植技术的开发和应用进行了大量深入的研究。研究表明，微集雨种植技术增产、增收和提高降水利用效率的效果十分明显。王俊鹏等[7]在宁南半干旱区研究发现，通过垄膜沟种的微集水种植技术，可使谷子平均产量提高68.6%～98.1%，水分利用效率（WUE）达到7.75～12.65 kg/（mm·hm2）。同时他还发现，从蓄水和作物的增产效果来看，窄垄面种植效果优于同一沟垄宽度比值下的宽垄面[8]。盖膜后虽然可以抑制一部分杂草，但草害仍比较严重，这是谷子地膜覆盖栽培技术未能大面积推广的一个重要原因。谷田使用除草剂已有报道，用扑灭津在谷子播种后出苗前进行土壤表面喷雾，能有效防除谷田杂草。这项工作亦应列入谷子地膜覆盖栽培的播种工序之中，须进一步在盖膜条件下试验验证。

据调查，半干旱偏旱区休闲农田的土壤蒸发量占同期降雨量的72%～98%，半干旱地区占到60%～80%，半湿润偏旱区也达60%[9]。因此，采取农田覆盖措施，可以降低土壤水分蒸发，减少水土流失，促进作物生长。根据覆盖材料的不同，农田覆盖主要有有机物覆盖（如秸秆）、地膜覆盖。当前应用比较广泛的是地膜覆盖，地膜覆盖农田之后，首先可以使降雨由地膜覆盖的微集水区向不覆盖的渗水区汇聚，向土壤深层入渗，实现了雨水的富集，同期降雨的蓄保效率可达到70%。如果地膜覆盖在作物生育期内，可使微效降雨资源有效化，实现雨量增值效应。其次，地膜覆盖还可以大大降低土壤水分的蒸发，具有明显的保墒作用。20世纪90年代初期，为了解决干旱地区谷子因春旱抓苗难和早霜冻害晚熟品种成熟难的问题，吴国忠等[10]将地膜覆盖栽培技术应用于谷子栽培，初步研究结果表明，谷子地膜覆盖栽培具有明显的增产和增收效果。杨红梅等[11]研究表明，谷子地膜覆盖后土壤含水量增加，地温提高，生育进程加快，成熟期提前5 d左右；并且可使谷子出苗齐全，植株生长发育健壮，株高增加，根系发达，抗旱性和抗病性增强，倒伏率降低。

秸秆覆盖在提高作物产量以及降水利用率方面也有明显的作用，是提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进农业耕作技术。同时，秸秆覆盖还有无污染、成本低等特点。谷子秸秆中含有大量的有机质、氮、磷、钾和微量元素，可以有效提高土壤有机质含量，并且使土壤的容重减小，透水性、透气性、蓄水保墒能力增加，并且可使土壤的团粒结构发生变化，保持疏松状态，有效缓解土壤易板结的问题。秸秆是补充和平衡土壤养分、改良土壤的有效方法，对于促进土地生产良性循环、提高耕地基础地力和农业的可持续发展具有重要意义，表明旱作谷子农田的应用潜力很大。但是在秸秆覆盖配套耕作和加速秸秆腐化等技术方面还有一些问题和难关，还需要进一步研究。

1.3 农田平衡施肥技术，合理高效用水

水分亏缺和土壤贫瘠是限制旱作农区农业生产发展的2个重要因素。旱和薄往往是相辅相成、互为因果的。水分胁迫导致了养分胁迫，有限的供水难以使植物生长茂密，造成土壤累积的有机物质和营养物质数量减少。然而，有研究[12]指出，干旱固然是旱地农业生产经常性的威胁，但地力不足，导致有限降水的无谓损耗，乃是现实产量低而不稳更为直接的原因。

大量试验也证明，土壤肥力状况在很大程度上左右着作物产量和水分利用效率。因此，在有限降水条件下，如何在实际生产中合理实行水肥耦合运筹、充分开发降水生产潜力，是旱作农区生产力持续增长的关键技术[13]。大量研究表明，在旱地条件下合理施肥，可以扩大作物根系的延伸范围，增强根系综合活力，同时认为，施肥对作物的促根效应是“以肥调水，以水促肥”的机理所在[14]。当前，水肥耦合主要针对不同土壤水分（自然降水或补灌水）条件下，水分利用效率和经济效益获得最佳时，对水肥耦合的响应进行研究。穆兴民[15]研究指出，旱地作物产量对土壤水分及农田施肥量的响应具有动态变化特征，在水分胁迫条件下，施肥的增产效应较小，而在水分供应充足时，施肥的增产效应显著。对旱地施肥策略，李生秀等[16]研究指出，在养分上要注意合理配合，用量上要考虑土壤供水，方法上要重视底施有机肥，各种肥料要深施和早施。为了能够更加准确、动态地指导不同水肥条件地区进行农田合理水肥调控，不同学者开发了大量的水肥耦合效应模型，然而，当前的水肥耦合效应模型多是以施肥量和自然降水量为自变量因子建立的回归模型，忽略了土壤水分和养分的供应，因而，难以在不同肥力水平的农田上应用。因此，通过土壤—植物系统内的质流、蒸腾、光合及同化作用的关系，建立作物生长机理模型是当前水肥耦合模型开发的重点[17]。