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不同种植方式对旱地马铃薯水分利用及产量的影响

来源: 作物杂志
阅读 51 | 0 | 2019-10-26 |

内蒙古阴山北麓农牧交错带属典型的温带干旱半干旱气候,且多为雨养农业,年降雨量为300~350mm,自然降水不足且缺乏灌溉条件,水分成为制约该地区农业发展的关键因素[1]。沟垄集雨技术是农牧交错区一项重要的田间雨水就地收集利用技术,通过提高作物根际的水分供应量,来提高作物农田物质生产力、产量和水分利用效率[2]。莫非等[3]从田间微集雨技术发展历程进行分析,认为垄沟全膜覆盖技术是旱作区粮食产量大幅度提高的重要措施。

马铃薯是内蒙古阴山北麓农牧交错区主要作物之一,在全区作物生产构成中占有较大比例,其播种面积和总产量位居全国前列[4]。随着节水灌溉技术的大力发展和马铃薯商品薯价值的提高,很大一部分雨养农田转变为灌溉农田,采用喷灌、滴灌等节水灌溉技术,以前种植燕麦等杂粮的旱坡地很大一部分也变为了马铃薯灌溉农田[5]。在生态脆弱的农牧交错带,地下水开采导致地下水位严重下降,风蚀沙化程度加重[6]。因此,减少地下水开采、充分利用降水资源、提高作物的水分利用效率,是解决该地区作物水分需求的主要途径。垄作覆膜技术具有抑蒸保墒的作用,能够将雨水积蓄到垄沟内,集雨效率达传统耕作的1.7倍以上[7],但目前关于垄作覆膜提高水分利用效率机理的研究较少,本研究主要从马铃薯植株生长发育、农田土壤水分变化、产量形成等方面进行分析,研究不同种植技术对马铃薯水分利用效率的作用机制,为旱作区马铃薯抗旱保墒技术研究提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯品种为当地主栽品种克新1号。克新1号抗旱性较强,株高70cm左右,生育期110d左右。

1.2 试验设计

试验地位于阴山北麓农牧交错带的内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站。该地区为中温带半干旱大陆性季风气候,平均海拔1 576m,年降水量300~350mm,年蒸发量高达1 850mm。年平均气温2.7℃,无霜期90~110d,年均风速为4~6m/s,全年大于8级大风日数为60~80d,沙尘天气日数为10~15d。地形以缓坡丘陵为主,土壤以栗钙土、灰褐土和石质土为主。2017年4-10月降雨量为134.2mm,≥0℃积温为2 618℃(图1)。试验田土壤速效氮含量为36.7mg/kg,速效磷含量为3.0mg/kg,速效钾含量为117mg/kg,有机质含量为11.6g/kg,p H为8.38。

试验采用随机区组设计,设置3个处理,分别为垄作全覆膜(T1)、垄作半覆膜(T2)和垄作不覆膜(对照,CK),每个处理3次重复(图2)。小区面积为30m2(5m×6m),采用大小行种植,大行距70cm,小行距30cm,株距45cm。试验于2017年5月20日采用人工穴播方式播种,播深10~12cm,播后轻踩镇压保墒。马铃薯全生育期不进行灌溉,肥料于起垄前成行施入垄的基部,施肥量为当地传统马铃薯施肥量225kg/hm2(复合肥N∶P2O5∶K2O=12∶18∶15),待马铃薯茎叶枯黄变黑时(9月20日)收获测产。

图1 马铃薯生长季平均气温和降雨量情况

Fig.1 The average temperature and precipitation in growth season of potato

图1 马铃薯生长季平均气温和降雨量情况

图2 不同马铃薯种植方式示意图

Fig.2 Schematic diagram of different planting methods of potato

图2 不同马铃薯种植方式示意图

1.3 测量指标及方法

在马铃薯全苗后每小区取长势一致的25株进行挂牌标记,在其主要生育时期(苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期)取样,并进行指标的测定。

1.3.1 单株干物质积累量

称取5株求得平均值为单株干物质积累量。将植株整株挖出,用水将根系和叶片冲洗干净,分别装入统一制作的牛皮纸袋,105℃杀青30min后于80℃烘干至恒重,称重。

1.3.2 叶面积指数

将植株展开叶剪下,用湿润滤纸擦去表层尘土,使用LI3000C叶面积仪进行测定。叶面积指数(LAI)=植株叶面积×单位面积株数。

1.3.3 土壤含水量

分别于每处理垄沟内取0~100cm深度土样,按每10cm一层用土钻法取样,装入铝盒,室内称取鲜土重(G1),于105℃烘干至恒定重量(G2),称取铝盒重(G0),计算土壤含水量和作物水分利用效率。土壤含水量(%)=(G1-G2)/(G2-G0)。水分利用效率(WUE)为植株每蒸腾消耗1m3水分所生产的子粒产量,WUE[kg/(hm2·mm)]=大小薯产量Y(kg/hm2)/生育期耗水量ET(mm)。

生育期耗水量(ET)=P+I+ΔS-R-L。其中:P为马铃薯生育期内有效降雨量(mm),I为灌溉水量(mm),ΔS为土壤贮水消耗量(mm),R为地表径流量(mm),L为地下渗漏水量(mm)。该地区60~100cm土层开始出现钙积层,且气候干旱少雨,R、L为0,ΔS(mm)=播种前土壤贮水总量(mm)-收获后土壤贮水总量(mm)[8]

1.3.4 产量

于收获期(9月20日)进行商品薯(薯重大于150g)和小薯(薯重小于150g)产量测定,每小区宽窄行各取一行取样,折合单位面积产量(在垄上取样两行进行测产,每行13株,共26株。保苗4.44万株/hm2,用两行产量折算)。

1.4 数据统计分析

利用Excel 2016、SPSS 16.0统计分析软件进行数据整理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式对马铃薯单株干物质积累量的影响

由图3可知,全生育期不同处理间单株干物质积累量变化趋势一致,均呈缓慢增加—快速增加—缓慢增加—基本稳定的趋势,处理间单株干物质积累量大小顺序为T1>T2>CK。苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期T1单株干物质积累量较CK分别高120.0%、106.7%、44.6%、25.7%和28.9%,T2较CK分别高50.0%、58.2%、27.2%、14.8%和17.4%。可见,覆膜对干物质积累有促进作用。

图3 不同种植方式对马铃薯单株干物质积累量的影响

Fig.3 Effects of different planting methods on dry matter accumulation per plant of potato

图3 不同种植方式对马铃薯单株干物质积累量的影响

2.2 不同种植方式对马铃薯LAI变化的影响

不同种植方式下马铃薯LAI和干物质积累量表现一致,均为T1>T2>CK,苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期T1处理LAI分别较CK高178.6%、56.1%、42.8%、38.9%和42.2%,T2处理LAI分别较CK高92.9%、28.8%、22.3%、21.8%和23.1%(图4)。因此,覆膜能够有效促进植株LAI的提高,有利于光合性能的改善和物质的形成。

图4 不同种生植育方时式期对Gr马ow铃th薯st aLgeAI的影响

Fig.4 Effects of different planting methods on leaf area index of potato

图4 不同种生植育方时式期对Gr马ow铃th薯st aLgeAI的影响

2.3 不同种植方式对马铃薯农田土壤含水量的影响

各生育时期马铃薯农田土壤含水量均表现为T1>T2>CK(图5),且在0~30cm土层差异最明显,覆膜措施明显提高了该土层土壤含水量,且全覆膜保墒效果较好;各处理土壤含水量在30cm处出现峰值,马铃薯块茎膨大期土壤含水量在70cm处出现第2个峰值,至成熟期,0~100cm土层土壤含水量总体呈降低趋势,表明作物生育后期加大了对土壤水分的消耗,特别是对下层土壤水分的消耗。

图5 不同种植方式对马铃薯农田土壤含水量的影响

Fig.5 Effects of different planting methods on soil moisture content of potato farmland

图5 不同种植方式对马铃薯农田土壤含水量的影响

2.4 不同种植方式对马铃薯产量和水分利用效率的影响

不同种植方式下马铃薯产量和水分利用效率(表1)表现一致,均为T1>T2>CK,处理间差异显著。T1产量较CK提高133.5%,T1水分利用效率较CK提高115.8%。耗水量为T1>T2>CK。结合上述覆膜的保墒作用,表明覆膜措施在提高马铃薯水分利用效率的同时增加了对土壤水分的消耗。

表1 不同种植方式对马铃薯产量和水分利用效率的影响

Table 1 Effects of different planting methods on yield and water use efficiency of potato

表1 不同种植方式对马铃薯产量和水分利用效率的影响

注:同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level

3 讨论

3.1 覆膜对土壤水分变化的影响

土壤水分是植物生长和发育的基本条件,不同耕作栽培方式和降雨分布等因素均对土壤水分产生影响[9]。地膜覆盖在西北旱作区应用较广泛,其具有明显的增温保墒作用,可提高作物根层土壤含水量,有利于促进作物生长发育,同时能够提高作物产量和水分利用效率[10]。地膜覆盖阻断土壤与大气间的直接联系,从而有效减少了水分的蒸发,使得对土壤水分进行有效的贮蓄,增加作物对水分的吸收和利用[11]。马雪琴等[12]研究表明,在干旱少雨条件下,起垄覆膜能够显著提高土壤表层含水量,增加冬小麦播种至越冬前期土壤贮水量,为植株前期生长提供适宜的土壤水分条件,垄沟全覆膜显著能提高春小麦0~200cm土壤贮水量,且土壤水分的消耗较对照增加49.8%[13];垄沟全覆膜使玉米播种后种子周围0~10cm土壤含水量增加8%,但是覆膜降低了垄间的土壤含水量,也使得作物对土壤水分的最大耗水峰值提前了10d左右[14];冯浩等[15]利用HYDRUS-2D模型分析了起垄覆膜与平作不覆膜农田耗水情况,表明起垄覆膜能够使作物蒸腾量增加15.6%,减少29.6%土壤蒸发量,明显减少了田间水分的消耗,节水效果显著。在覆膜方式对糜子耗水特性影响的研究中发现,在干旱年份全膜双垄沟提高了土壤贮水量,减少了对土壤水分的消耗量,在丰水年虽然提高土壤贮水量但降低对土壤水分的消耗,调节了植株在不同生育时期对土壤水分的消耗强度[16]。本试验结果与前人研究基本一致,在旱作条件下,均表明覆膜提高土壤表层30cm处含水量,增加作物对土壤贮水量的消耗,另外,由于试验地土质不同,该试验中土壤钙积层对土壤水分的分配产生了影响,马铃薯块茎膨大期在70cm处出现土壤含水量的第2个峰值。

3.2 覆膜对作物水分利用效率及产量的影响

相关研究表明,单覆膜能够显著提高玉米穗长、穗粗、穗粒数、百粒重,降低秃尖长,其产量较平作种植平均增加20.2%,覆膜结合起垄种植产量较传统种植平均增加7.7%[17];在宁夏旱作区进行的集雨种植方式效果比较试验中,双垄沟全覆膜种植和沟播垄膜单行种植方式能够显著提高玉米大喇叭口期至灌浆期植株干物质积累速率,提高成熟期玉米产量和水分利用效率[18];任小龙等[19]研究表明,垄沟集雨种植在230~440mm雨量条件下可使春玉米的水分利用效率提高9.5%~77.4%,产量提高11.2%~82.8%,随着降雨量的增大,垄沟集雨种植较传统种植对子粒产量的增产效应逐渐减弱甚至消失,也使得水分利用效率提高的幅度减小或者消失。杨长刚等[20]研究表明,地膜覆盖能够增加冬小麦拔节前0~200cm土层土壤含水量,提高小麦生长后期土壤耗水量比例,促进植株对土壤深层水分的利用,提高小麦成熟期生物量、产量和水分利用效率。秋覆膜结合玉米秸秆还田种植模式能显著提高冬小麦子粒产量和水分利用效率,产量和水分利用效率分别较传统种植提高51.1%和41.7%[21]。本研究表明,在旱作条件下,垄作全覆膜较对照显著提高了马铃薯产量和水分利用效率,提高幅度达1倍以上,这与该种植方式对土壤水分和降雨的蓄积、保持和作物的水分消耗量有密切关系,下一步将对不同降雨强度和降雨量条件下不同覆膜方式的水分利用进行深入研究。

4 结论

阴山北麓旱作区采用垄作全覆膜种植方式,能够明显提高马铃薯单株干物质积累量和叶面积指数,有利于作物生育期农田土壤水分的保持和雨水的蓄积,较传统种植方式显著提高了水分利用效率和产量,是适宜旱地马铃薯种植的技术措施。

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Effects of Different Planting Methods on Water Utilization and Yield of Potato in Dryland

针对内蒙古阴山北麓农牧交错区年降雨较少、蒸发量大、传统种植模式下马铃薯水分利用效率低等问题,在垄作全覆膜(T1)、垄作半覆膜(T2)和垄作不覆膜(对照)种植方式下对土壤水分动态变化、植株生长、水分利用效率和产量等指标进行比较分析,探讨适宜马铃薯的抗旱保墒种植技术。结果表明,苗期至成熟期,T1单株干物质积累量较对照提高了25.7%~120.0%,叶面积指数增加了42.2%~178.6%,且明显提高了0~30cm土层土壤含水量,其产量和水分利用效率分别较对照提高了133.5%和115.8%,T1减少了土壤水分蒸发,但显著增加了作物对土壤水分的消耗。因此,T1能够有效保持土壤水分,提高作物水分利用效率和产量,是适宜内蒙古阴山北麓农牧交错区马铃薯种植的抗旱保墒技术措施。In view of the problems of less annual rainfall, larger evaporation and lower water use efficiency of potatoes under traditional planting in the farming-pastoral ecotone at the northern foot of Yinshan Mountain in Inner Mongolia, In this study, the dynamic changes of soil moisture, plant growth, water use efficiency and yield under ridge cultivation with full plastic film mulching(T1), ridge culture semi-plastic film mulching(T2) and ridge cultivation without plastic film mulching(CK) were compared and analyzed to explore the suitable planting techniques for drought resistance and soil moisture conservation. The results showed that from seedling stage to maturity stage, the dry matter accumulation per plant under T1 increased by 25.7%-120.0%, the leaf area index increased by 42.2%-178.6%, and the soil moisture content in 0-30 cm soil layer was significantly higher than the control, and the yield and water use efficiency increased by 133.5% and 115.8%, respectively. Full plastic film mulching decreased soil water evaporation but significantly increased the water consumption by plants. Therefore, full plastic film mulching can effectively maintain soil moisture, improve crop water use efficiency and yield, which is a suitable drought-resistance and soil moisture conservation measure for potato production in farming-pastoral ecotone at the northern foot of Yinshan Mountain in Inner Mongolia.

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