密度和集雨补灌对黄土旱区谷子产量及水分利用效率的影响

2019-04-09王小林纪晓玲

陕西农业科学 2019年3期

王小林，纪晓玲，张静，张雄

(榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000)

我国是资源约束型发展中国家[1]。在全球气候变化加剧、人口不断增加的大背景下[2]，水资源短缺已成为限制当地农业发展的重要环境因素[3]，降雨量的时空分布不均，造成我国旱区农业产量低而不稳[4]。谷子是我国北方旱地主要栽培作物之一，也是土壤贫瘠地区不可或缺的环境友好型粮食作物[5]。谷子根系发达[6]，抗旱性和土壤适应性较强[7]。干旱、半干旱地区农田土壤水分亏缺是限制谷子产量的重要因素[8]。谷子不同生育期对水分亏缺的生理响应也存在较大的差异[9]。在陕北旱作农业区，谷子关键生育期进行集雨补灌可有效促进谷子碳水化合物由营养生长向生殖生长有效转移，提高谷子对自然降雨的有效利用。孕穗期和开花期是谷子产量形成的关键时期，笔者试验通过研究孕穗期和开花期集雨补灌对谷子产量和水分利用的影响，从而实现产量增加与有限降雨利用效率提升的同步。

谷子产量受制于区域降雨量的波动性变化，总体呈现低而不稳的态势，造成旱地谷子播种面积不断萎缩，逐渐威胁到区域粮食生产和食品安全[10～11]。优质小杂粮的市场需求不断增加，谷子种植业已经成为陕北旱区农民增收的重要途径之一[12]。在种植区域有限和资源现状综合影响下，将旱区自然降水规律与田间管理技术有机结合，形成自然降水就地聚集再次分配，增加土壤有效水含量，缓解气候干旱引起的土壤旱情，提高谷子籽粒产量和水分利用效率(WUE)，是解决产业发展和资源利用矛盾的关键。谷子不同生育阶段生理耗水规律不同，需水阶段与自然降水量及空间分布不相吻合，容易出现水分供需不稳的现象[13]。

谷子产量和WUE与生育期耗水总量有关[14]。黄土旱区，通过人工集雨调节水资源再分配，通过适时适量的集雨补灌措施，可有效保障谷子产量和WUE同步提升[15]。产量WUE是将降水资源高效利用与谷子物质生产紧密结合的关键参数，对于评价旱区谷子高产高效生产效益的具有参考价值[16]。目前，关于提高雨养旱作农业区作物水分利用效率的研究，主要集中在不同的种植栽培模式提高土壤有效水的储存、减少水分无效散失，达到水分高效利用的目的，且已在玉米[17]和小麦[18]生产上得到了广泛应用。在降雨量较少、产量极不稳定的旱区谷子增产增效研究中，通过降雨聚集再分配，关键生育期进行灌溉补水，对于覆膜谷子产量表现与耗水规律的研究较少且增产增效理论尚不明确。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况及栽培方法

试验于2016年在黄土高原北部丘陵沟壑旱作农业区(陕西横山)进行，试验地海拔1 232 m，平均气温9.2℃。≥10℃的积温3 260℃，无霜期约146 d。年降水量约446.8 mm，且主要集中在7-9月，占全年降雨总量60%以上。年蒸发量1 211 mm，年日照时数2 644 h，属典型干旱半干旱雨养农业区。试验田土壤类型为黄绵土, 有机质含量3.2 g·kg-1, 全氮为0.3 g·kg-1, 碱解氮18.9 mg·kg-1，速效磷6.2 mg·kg-1, 速效钾66.0 mg·kg-1，底肥施用尿素375 kg·hm-2，磷酸二铵225 kg·hm-2，带型90 cm，行距均为45 cm，株距25 cm，谷子膜际起垄：垄底宽40 cm，垄高8～10 cm，垄上覆膜，膜侧5～8 cm处播种。

表1 生育期内平均降雨量和温度变化

1.2 试验设计与试验材料

图1 旱区人工集雨示意

参试谷子品种为长生07号，试验小区采用随机区组设计，4个密度处理：9万株·hm-2、13.5万株·hm-2、18万株·hm-2和22.5万株·hm-2；3个灌水处理：不补灌、孕穗期补灌和开花期补灌，不补灌处理为G1、G2、G3、G4；孕穗期补灌处理为G5、G6、G7、G8；开花期补灌处理为G9、G10、G11、G12，共12个处理；每小区灌水量1 m3，3次重复。小区面积5 m×3.6 m=18 m2。处理间相隔0.9 m，行向南北走向。播种期在4月29日，人工条播，播深3～5 cm，播后覆土压实，用种量为7.5～10.5kg·hm-2。植株3叶1心时间苗，5叶1心时定苗；孕穗期(7月15-20日)和开花期(8月1-5日)进行人工灌水处理。

1.3 项目测定及方法

W=h×ρ×ω%×10

(1)

W为土壤贮水量(mm)，h为土层深度(cm)，ρ为土壤容重(g·cm-3)，本试验各土层ρ平均值为1.612 g·cm-3，ω%为土壤含水率。ω%=(湿土质量-干土质量)/(干土质量-铝盒质量)。

每小区取20株进行考种，分别测量穗粗、穗长、单穗重、穗粒重等，并将谷子按小区收获，称量小区籽粒重量，计算谷子的产量和水分利用效率(WUE)：

WUE=GY/ET

(2)

GY 为作物籽粒产量 (kg·hm-2)，ET 为谷子全生育期的作物耗水量(mm)。

ET=W1-W2+P+I

(3)

W1为播前土壤贮水量，W2为收获后土壤贮水量，P为谷子生育期降雨量，I为灌水量。

1.4 数据处理与分析

试验数据均采用Microsoft Office Excel 2010软件进行简单统计和制图，采用SPSS软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 生育期补灌对谷子主要农艺性状的影响

随着密度的增加，谷子穗长、穗粗、单穂重、穗粒重和千粒重均有降低的趋势(表2)。集雨补灌后穗长、穗粗、单穂重、穗粒重和千粒重均有不同程度的增加，孕穗期补灌对产量构成因素影响较大。其中，补灌对单穂重和穗粒重的影响极为显著，四个密度下平均增长19.6%和9.7%，随密度增加，提升幅度逐渐降低。孕穗期补灌产量构成指标显著高于开花期补灌，穗长和穗粗在22.5 万株·hm-2和孕穗期补灌增长幅度最大为20.9%和8.0%；单穗重和穗粒重在孕穗期补灌和13.5 万株·hm-2密度下增幅最大，分别为33.6%和16.6%；千粒重分别在孕穗期灌溉和最高、最低两个密度下增加幅度最大，分别为10.6%和9.2%；开花期补灌对于产量构成有相似的增长规律，但增长幅度显著低于孕穗期补灌，较同密度不补灌处理无显著性差异。

表2 生育期补灌对谷子主要农艺性状的影响

注：同一列中相同字母表示在0.05水平上无显著性差异；不补灌处理G1、G2、G3、G4；孕穗期补灌处理G5、G6、G7、G8；开花期补灌处理G9、G10、G11、G12；G(1,5,9)密度为9 万株·hm-2, G(2,6,10)密度为13.5 万株·hm-2, G(3,7,11)密度为18.0万株·hm-2, G(4,8,12)密度为22.5 万株·hm-2, 下图相同。

2.2生育期补灌对不同密度谷子耗水量的影响

2.2.1 生育期补灌对谷子各生育期耗水量的影响栽培密度和生育期补灌综合效应下，谷子耗水量均在拔节期至开花期维持着较高的水平(图2)，具体为：孕穗期>开花期>抽穗期>拔节期>成熟期>出苗期。孕穗期和开花期补灌，明显提升了谷子生育后期耗水量，且孕穗期补灌谷子全生育期耗水量的增加幅度最大。

注：耗水量单位，mm；不补灌处理G1、G2、G3、G4；孕穗期补灌处理G5、G6、G7、G8；开花期补灌处理G9、G10、G11、G12。

2.2.2 生育期补灌对谷子总耗水量的影响随着密度的增加，谷子耗水量有明显增加的趋势(图3)。集雨补灌会满足谷子整个生育期的耗水需求，谷子生育期总耗水量表现为：孕穗期灌溉>开花期灌溉>不灌溉。集雨补灌显著提升谷子全生育期耗水量，孕穗期补灌下谷子全生育期耗水量的提升幅度大于开花期补灌。其中密度为22.5 万株·hm-2和孕穗期灌溉双重因素的影响下，谷子的耗水量最高可达606.37 mm, 较不灌溉、开花期灌溉增加0.94%和0.52%。

注：相同字母表示在0.05水平上差异不显著，不同字母表示差异显著。

2.3 补灌对谷子产量的影响

谷子产量随着密度的增加而增加，集雨补灌显著增加谷子的产量(图4)。四个密度下，孕穗期补灌产量增加幅度显著高于开花期补灌，密度为22.5 万株·hm-2和孕穗期灌溉双重因素的影响下，谷子产量最大为4 204.63 kg·hm-2，较不灌溉、开花期灌溉增加了16.92%和6.52%。孕穗期补灌高密度下增产率最大为17.4%，而开花期补灌在密度为18 万株·hm-2时增产率最大为11.9%。孕穗期补灌增产更加稳定，变异系数为0.7%远小于开花期补灌变异系数3.7%。

注：相同字母表示在0.05水平上差异不显著，不同字母表示差异显著。

2.4 补灌对谷子水分利用效率(WUE)的影响

随着密度的增加，谷子的WUE也有所增加，但无显著性(图5)。集雨补灌后谷子WUE在高密度下显著增加。其中，相比不灌溉处理，孕穗期补灌对谷子WUE的影响显著高于开花期补灌对WUE的影响。其中在22.5 万株·hm-2的密度和孕穗期灌溉的双重因素下，谷子WUE达到最大为6.98 kg·hm-2mm，较不灌溉和开花期补灌分别增加了16.67%和5.66%。

注：相同字母表示在0.05水平上差异不显著，不同字母表示差异显著。

3 讨论

旱区节水农业发展的有效措施之一是自然降雨资源的高效汇集和利用，可以充分挖掘自然降水的汇集技术和增产潜力[1]。我国旱作农业区雨水调节、再分配及利用技术丰富多样，土壤水分利用效率也因地形地貌、气候特征呈现出波动不稳的特点[18]。旱地沟垄集雨种植技术能够改善自然降水的空间分配，增强种植区土壤水分的供应能力，同时有效地抑制蒸发，具有显著的保水蓄墒效果[22]。笔者试验采用旱地水泥集雨面聚集雨水(图1)，储水罐定量保存，干旱季节谷子关键生育期进行定量补充灌溉。集雨补灌结合地膜覆盖技术，可显著改善作物根区水分、温度以及肥力状况，保障种植面积不损失[23]或通过分蘖数调节总穗数[24]，实现稳定增产。

旱区集雨补灌可显著增加谷子穗长、单穗重、穗粒重和千粒重，不同生育期补灌和栽培密度下产量构成的增长差异明显(表2)。开花期灌溉产量构成因子四个密度下增幅为4.7%～7.3%，而孕穗期补灌增幅为11.8%～13.8%；高密度下集雨补灌产量构成因素增长更加稳定，穗长增幅最高20.9%，穗粗增幅最小8.0%，与产量密切相关的单穗重、穗粒重和千粒重平均增加10%左右，为后期产量形成奠定了良好的物质基础。有研究指出，春小麦不同生育期进行补灌对于器官生长发育具有不同的促进作用：拔节期补灌有利于小麦营养生长以及幼穗分化，植株明显增高，促进营养生长；孕穗期进行补灌有效地提高了小麦单穂重、穗粒数、千粒重等指标[25]。抽穗期或孕穗期补灌小麦穗长最大，后期籽粒灌浆更加充分[26]。小麦、谷子同属禾本科典型耐旱性作物，关键生育期补灌具有显著的增产潜力。

集雨补灌是满足植物关键生育期的耗水量增加的需求，实现植物正常生长发育，保障产量的稳定性和挖掘作物增产潜力[26.27]。气象因素、灌水量和灌水时期是影响作物整个生育期耗水量总和的重要原因之一，灌水量的增加会导致耗水量的增加，不同时期进行补灌对作物全生育期耗水量的影响程度存在差异[27,28]。笔者试验研究认为，随着密度的增加，谷子的需水量也有所增加，生育期补灌的作用对高密度下谷子栽培耗水量具有更明显的促进作用(图2)。生育期耗水量在孕穗期达到最大值，且随密度的增加而增加。水分利用效率是指农田蒸散消耗单位重量的水所制造的干物质量，分为群体水分利用效率、叶片水分利用效率和产量水分利用效率[28]。笔者试验研究的是谷子产量水分利用效率。补灌后，谷子耗水量显著增加，且仅限于补灌生育期内，耗水量的提升对应可能的水分利用效率的增加。土壤深层贮水量具有很高的生物学效应，提高深层土壤水分的有效利用能很好地提高作物水分利用效率[29]。生育期补灌能够很好地弥补土壤水分的无效亏损，及时补充土壤有效水分含量，增强植物根系功能，提高旱地作物的水分利用效率和籽粒产量[29,30]。丰水年补灌量增加，虽然土壤含水量得以显著提升，但土壤有效含水量却是降低的，其水分利用效率会有所降低；欠水年增加补灌量，大部分灌溉水迅速富集在根际环境，转化为有效水，植物水分利用效率会随着补灌量的增加而有所提高[30]。谷子的耗水量和水分利用效率除受灌水量和灌水时期的影响外，还受自然降雨动态变化的影响；在降水较多和降水少的年份，集雨补灌对谷子水分利用效率的影响具有明显差异[31,32]。笔者试验地处黄土典型旱作农业区，7月份常出现持续性干旱，覆膜种植很大程度上减缓了干旱伤害，但谷子生长受到很大程度的限制。前期集雨，孕穗期补灌解决了谷子在干旱气候条件下关键生育期的水分需求，生育期总耗水量得以满足和增加，在中等密度下增长显著，高密度下可能由于耗水需求量较大，总耗水无显著性增长(图3)。但产量在孕穗期补灌下显著增加17.4%，四个密度下平均增加16.9%，而开花期补灌产量平均增加7.9%，集雨补灌条件下产量增加幅度远高于耗水量的增加幅度，两个生育期补灌水分利用效率都显著高于不补灌处理，孕穗期补灌具有更好的水资源利用效率。作物的生长最终要反映到产量上，这既是物种繁衍生息的自身要求，也是作物生长的外在表现与人们对经济产量的追求[31]。

在陕北旱作农业区，有限降水资源的聚集再利用发挥其作物生产能力的同时，还应考虑其环境生态效益[33]。关键生育期补灌是根据旱作植物的需水特性实施的有限性水资源高效利用方式[34,35]，充分考虑到了作物需水和环境需水的特点，后期研究将深入融合作物生理需水和环境生态需水相平衡的原则。笔者试验只针对孕穗期和开花期两个不同时期分别进行有限灌溉，可实现产量和水分利用效率高达16.9%和16.7%的显著增加。在一定范围内，谷子的产量可随着灌水量的增加而提高，后续试验将集中在最佳补灌水量和节水补灌技术的研究。