李萬斌 戴麗君 李永平
摘要:研究作物生長(zhǎng)特性、灌漿特征及水分利用效率,以期為寧南旱區(qū)谷子和糜子微膜覆蓋穴播高效種植提供理論依據(jù)。本研究建立了5種覆膜穴播模式,包括滲水微膜、普通微膜、降解微膜、壟上覆膜+溝內(nèi)穴播、不覆膜穴播(CK)。采用田區(qū)定位試驗(yàn)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法開展試驗(yàn)。不同覆膜穴播模式的增產(chǎn)效果排序?yàn)椋簼B水微膜覆蓋>普通微膜覆蓋>壟上覆膜+溝內(nèi)穴播>降解微膜覆蓋>不覆蓋穴播(CK)。與CK相比,谷子和糜子覆膜穴播分別增產(chǎn)48.4%~66.5%和53.9%~70.3%,水分生產(chǎn)效率(WUE)分別提升58.1%~80.6%和31.9%~55.9%。主穗灌漿速率分別為0.89~1.01 g/d和0.34~0.39 g/d,較CK增加41.3%~60.3%和36.0%~56.0%。覆膜穴播和CK穴播下,抽穗后進(jìn)入活躍灌漿期的時(shí)間分別為24天和30天左右,灌漿終止期較CK早6天左右。綜上所述,滲水微膜穴播和壟上覆膜+溝內(nèi)穴播種植模式更適合寧夏南部干旱地區(qū)谷子和糜子種植,在水分虧缺背景下,重視拔節(jié)期和灌漿期水肥管理,是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的關(guān)鍵措施。
關(guān)鍵詞:谷子和糜子;覆膜穴播;灌漿速率;水分虧缺;產(chǎn)量水平
中圖分類號(hào):S-3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A論文編號(hào):cjas2020-0111
基金項(xiàng)目:寧夏重點(diǎn)科技成果轉(zhuǎn)化“六盤山特困區(qū)小雜糧精準(zhǔn)扶貧技術(shù)集成示范”(2018BFF020)。
Plastic Film Mulching Hole-planting Patterns: Effect on Grain Filling Characteristics and Water Use Efficiency of Setaria italica and Panicum miliaceum L. Kernels
Li Wanbin1, Dai Lijun1, Li Yongping2
(1Pengyang Science and Technology Bureau, Pengyang 756500, Ningxia, China;
2Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Guyuan 756000, Ningxia, China)
Abstract: This paper aims to provide a theoretical basis for planting Setaria italica and Panicum miliaceum L. under plastic film mulching hole-planting patterns in the arid region of southern Ningxia through studying the growth characteristics, filling character and water use efficiency (WUE) of crops. In the study, five mulching hole- planting patterns were set up: water- permeable plastic- film mulch, traditional plastic- film mulch, degradable plastic-film mulch, only mulching of ridge with plastic film + hole-planting in furrow, and no covered hole-planting (CK). The method of field location test combined with laboratory analysis was adopted. The yield- increasing effects of different mulching hole- planting patterns on Setaria italica and Panicum miliaceum L. were ranked as follows: water-permeable plastic-film mulch> traditional plastic-film mulch > only mulching of ridge with plastic film + hole-planting in furrow > degradable plastic-film mulch > no covered hole-planting (CK). Compared with CK, the yield of mulching hole-planting pattern of Setaria italica and Panicum miliaceum L. was increased by 48.4%-66.5% and 53.9%-70.3%, respectively, and the WUE was increased by 58.1%-80.6% and 31.9%-55.9%, respectively, the filling rate of main spike was 0.89-1.01 g/d and 0.34-0.39 g/d, respectively, 41.3%-60.3% and 36.0%-56.0% higher than that of CK. Under the mulching hole- planting and CK, the time entering the active filling stage was about 24 d and 30 d after heading, respectively, the filling termination period was 6 d earlier than that of CK. In summary, the patterns of waterpermeable plastic-film mulch and only mulching of ridge with plastic film+ hole-planting in furrow are more suitable for Setaria italica and Panicum miliaceum L. in the arid region of southern Ningxia. In the context of water deficit, paying attention to the management of water and fertilizer in jointing stage and filling stage is the key measure to achieve high yield.
Keywords: Setaria italica and Panicum miliaceum L. ; Mulching Hole-planting; Filling Rate; Water Deficit; Yield Level
0引言
中國西北干旱半干旱區(qū)谷子和糜子屬小雜糧作物,谷子(Setaria italica)屬禾本科狗尾草屬,古稱粟,糜子(Panicum miliaceum L.)稱為黍,與其他作物比較具有生育期短、耐旱、耐瘠薄的特點(diǎn),是干旱區(qū)旱災(zāi)頻發(fā)地區(qū)的抗旱救災(zāi)作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1],中國谷子種植面積由2013年的72.1萬hm2,增加到2018年的86.1萬hm2,總產(chǎn)量由177.6萬t增加為254.8萬t,單產(chǎn)由2464.8 kg/ hm2增長(zhǎng)到3009.3 kg/hm2。寧夏南部山區(qū)8縣(區(qū))谷子和糜子作物種植面積2.5萬hm2左右,占當(dāng)?shù)仉s糧作物種植面積的10%左右。各地區(qū)產(chǎn)量差異相差懸殊,說明不同品種和栽培條件對(duì)土壤水肥和氣候資源利用效率差異明顯[2]。不同耕作方式、農(nóng)田集雨保水措施和種植模式可直接影響土壤水分生態(tài)循環(huán)狀況,進(jìn)而直接決定土壤貯水量對(duì)生長(zhǎng)量、灌漿進(jìn)程、灌漿速率、籽粒成熟度及產(chǎn)量水平的影響[3]。作物籽粒產(chǎn)量的形成過程實(shí)質(zhì)是植株干物質(zhì)積累再分配的生理過程,一定時(shí)間內(nèi)分配到生殖器官的干物質(zhì)量越多產(chǎn)量就越高[4-5],進(jìn)而影響水分利用效率[6]。研究表明,干旱脅迫可使谷子總生物量、產(chǎn)量、株高、穗重、千粒重明顯減少[7-8],尤其干旱脅迫對(duì)灌漿期的影響最為明顯,籽粒灌漿過程也是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵期。糜子作物在重度水分脅迫下籽粒灌漿的起始生長(zhǎng)勢(shì)降低,最大灌漿速率出現(xiàn)的時(shí)間延遲,進(jìn)而使中后期灌漿對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率明顯下降[9-10]。土壤水分條件適宜則有利于提高糜子籽粒灌漿起始期、中期和后期灌漿速率和成熟度。干旱脅迫下嚴(yán)重影響谷子作物籽粒灌漿期光合效率和光合色素變化[11-12]。當(dāng)干旱脅迫達(dá)到嚴(yán)重程度時(shí),土壤水分含量接近作物葉片凋萎濕度的臨界值,則嚴(yán)重阻滯作物正常生長(zhǎng)發(fā)育[13-14],重度干旱達(dá)到一定程度時(shí),減產(chǎn)程度加劇,造成生產(chǎn)中重大旱災(zāi)直至出現(xiàn)絕產(chǎn)情景。
前人研究干旱脅迫對(duì)谷子農(nóng)藝性狀、作物品種間籽粒灌漿特性、干旱對(duì)谷子和糜子品種的灌漿期的光合效率、物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)和籽粒灌漿特性的文獻(xiàn)較多,但旱地谷子和糜子采用地膜覆蓋穴播種植模式對(duì)籽粒灌漿特征等影響方面內(nèi)容報(bào)道甚少。因此,筆者在壟溝集雨種植與水肥調(diào)控生理抗旱特性研究的基礎(chǔ)上,在旱地采用不同微膜覆蓋穴播種植谷子和糜子,即以滲水微膜穴播、普通微膜、降解微膜穴播、壟上覆膜+溝內(nèi)穴播及露地穴播種植模式為切入點(diǎn),研究作物生長(zhǎng)特性、籽粒灌漿速率、灌漿進(jìn)程等參數(shù)及水分生產(chǎn)效率,以提高旱地谷子和糜子生產(chǎn)能力,改進(jìn)傳統(tǒng)種植方式,并篩選出適宜在半干旱區(qū)旱地谷子和糜子抗旱節(jié)水高產(chǎn)高效種植模式1~2個(gè),以期為寧南旱區(qū)谷子和糜子不同微膜覆蓋穴播種植模式提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)地概況
2019年試驗(yàn)在寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院長(zhǎng)期組建的旱農(nóng)試驗(yàn)區(qū)彭陽縣城陽鄉(xiāng)塬澇池村旱地進(jìn)行(35°51′42″N, 106°47′18″E),土壤類型屬壤黃土粘質(zhì),前茬作物為玉米,地力中等。海拔1670 m,≥10℃積溫2500~2800℃,無霜期130~160天,全年日照時(shí)數(shù)2520 h,多年平均降水量450 mm,屬典型半干旱地區(qū)。2019年全年降水量為577.0 mm,其中谷子和糜子作物生長(zhǎng)期降水量分別為452.1 mm和394.0 mm,屬于豐水年份。
1.2試驗(yàn)材料
試驗(yàn)設(shè)2種作物,即谷子參試品種為‘張雜谷13’,糜子為‘固糜21號(hào)’。
1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)旱地谷子和糜子作物,其中谷子設(shè)5個(gè)處理:①壟膜+溝種穴播種植(LGXB)、②滲水微膜穴播(SMXB)、③普通微膜穴播(PMXB)、④降解微膜穴播(JMXB),⑤不覆蓋穴播CK(LDXB);糜子設(shè)4個(gè)處理:①LGXB、②SMXB、③PMXB、④LDXB。
采用隨機(jī)區(qū)組排列,谷子作物每個(gè)處理大區(qū)面積480 m(2長(zhǎng)30 m×寬16 m),糜子作物每個(gè)處理大區(qū)面積為490 m2(長(zhǎng)35 m×寬14 m),每處理收獲期測(cè)產(chǎn)面積為3.75 m2(長(zhǎng)3 m×寬1.25 m),3次重復(fù)。另外對(duì)每處理大區(qū)試驗(yàn)進(jìn)行5點(diǎn)取樣測(cè)產(chǎn)。
地膜規(guī)格及種植密度:LGXB處理用普通微膜規(guī)格為80 cm×0.008 mm(壟上覆膜50 cm+溝內(nèi)60 cm)溝內(nèi)穴播種植4行,SMXB、PMXB和LDXB(CK)處理微膜規(guī)格均為130 cm×0.008 mm,覆膜后寬幅均為110 cm,種植密度行距40 cm×株距10 cm,用穴播機(jī)種植3行,不覆蓋穴播(CK)種植3行,種植密度同上。均人工完成覆膜。
谷子和糜子試驗(yàn)分別于4月27日和5月21日播種。播前整地時(shí)結(jié)合田間機(jī)耕或旋耕作業(yè)一次性基施商品肥磷酸二銨225 kg/hm2、尿素150 kg/hm2,抽穗期遇降水追施尿素150 kg/hm2。苗期及時(shí)放苗、補(bǔ)苗、除草等。9月27日收獲,風(fēng)干后脫粒折算產(chǎn)量。
1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法
1.4.1生長(zhǎng)期主要生長(zhǎng)量生育進(jìn)程記載生育進(jìn)程,苗期長(zhǎng)勢(shì)、抗旱、抗病和抗倒伏等。每個(gè)處理區(qū)選取代表株掛牌標(biāo)記,定期測(cè)定株高、地上部生長(zhǎng)量、葉面積和籽粒灌漿特征等。成熟時(shí)每處理取2組中間行長(zhǎng)2 m的樣株。其中一組進(jìn)行主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)考種等,另一組全部脫粒得到平均穗重和穗粒重。
1.5數(shù)據(jù)分析
統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 23系統(tǒng)[20]和Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。
2結(jié)果與分析
2.1谷子和糜子籽粒灌漿特征
2.1.1主穗粒重增量變化不同地膜覆蓋穴播種植模式對(duì)谷子和糜子灌漿期穗粒重的差異比較明顯。圖1可知,2種作物灌漿期的主穗粒重以不覆蓋穴播LDXB(CK)最低,谷子不同覆膜穴播種植模式在灌漿活躍期的主穗粒重較不覆蓋穴播種植LDXB(CK)增加91.6%~ 103.2%,當(dāng)灌漿期進(jìn)入峰值期至灌漿后期,穗粒重較LDXB(CK)增加38.2%~52.2%;糜子不同地膜覆蓋穴播種植模式在灌漿活躍期,其主穗粒重較不覆蓋穴播種植LDXB(CK)增加72.9%~140.2%,灌漿進(jìn)入峰值期至灌漿后期,其穗粒重較LDXB(CK)增加40.0%~ 54.7%。
2.1.2籽粒灌漿速率谷子和糜子籽粒灌漿速率變化趨勢(shì)表1和圖2看出,各處理的籽粒灌漿過程呈S曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)。谷子不同地膜覆蓋穴播種植模式的主穗灌漿速率最大值為0.89~1.01 g/(d·穗),較不覆蓋穴播種植LDXB(CK)的0.63 g/(d·穗)增加41.3%~60.3%,平均灌漿速率較LDXB(CK)增加47.8%~60.9%;糜子不同地膜覆膜穴播種植模式最大灌漿速率為0.34~0.39 g/(d·穗),較LDXB(CK)增加30.6%~56.0%,平均灌漿速率較LDXB(CK)增加27.3%~36.4%。
2.1.3籽粒灌漿特征參數(shù)的確定通過籽粒灌漿特征測(cè)定(計(jì)算公式前述),得到不同地膜覆蓋穴播種植模式下籽粒灌漿特征參數(shù)值。谷子和糜子作物在灌漿初期籽粒干重增長(zhǎng)緩慢,灌漿中期是粒重增加的關(guān)鍵時(shí)期,粒重增長(zhǎng)最快,呈急劇上升趨勢(shì),灌漿后期籽粒干重的增加趨于緩慢[21]。由表2可看出,谷子不同地膜覆蓋穴播種植模式的起始灌漿速率(S0)為0.25 g/(d·穗)左右,較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)增加25.0%。進(jìn)入最大灌漿速率時(shí)期(Dmax)天數(shù)為25天左右,LDXB(CK)為29天左右,此時(shí)最大灌漿速率為1.03~1.18 g/(d·穗),較不覆蓋穴播模式(CK)增加56.0%~75.8%,灌漿速率最大時(shí)的穗粒生長(zhǎng)量(Wmax)為8.38~9.19 g/穗,較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)增長(zhǎng)25.9%~38.0%。平均灌漿速率(Va)為0.33~0.36 g/(d·穗),較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)增加43.5%~56.5%。進(jìn)入灌漿活躍期(D)的天數(shù)為24天左右,從灌漿期開始,灌漿活躍期(D)或灌漿終止期(Ts)較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)提前5~6天。
表2分析說明,糜子不同地膜覆蓋穴播種植模式的起始灌漿勢(shì)(S0)為0.20 g/(d·穗),較CK增加8.0%,達(dá)到最大灌漿速率時(shí)期(Dmax)的天數(shù)為17天,較CK提前4天,最大灌漿速率為0.42 g/(d·穗)左右,較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)增加55.6%。達(dá)到最大灌漿速率時(shí)期的穗粒生長(zhǎng)量(Wmax)為4.07 g/(d·穗),較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)增長(zhǎng)39.8%。平均灌漿速率(Va)為0.18 g/(d·穗)左右,較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)增加63.5%。進(jìn)入灌漿活躍期的時(shí)期(D)為30天左右。灌漿終止期(Ts)較不覆蓋穴播模式LDXB(CK)早6天左右。
2.2產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率
地膜覆蓋穴播種植模式可顯著改善土壤水分狀況,減少無效蒸發(fā),降低水分無效蒸發(fā)強(qiáng)度,大幅度提升產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率。不同地膜覆蓋穴播種植模式對(duì)谷子糜子產(chǎn)量構(gòu)成因素和水分利用效率(表3)。從表3中可看出,決定作物產(chǎn)量的主要因素為有效穗數(shù)、穗重和穗粒重的構(gòu)成。經(jīng)對(duì)谷子穗數(shù)(X1)、穗重(X2)和穗粒重(X3)、經(jīng)濟(jì)系數(shù)(X4)與產(chǎn)量(y)進(jìn)行相關(guān)分析達(dá)到相關(guān)顯著,R2=0.838~0.983。谷子作物不同地膜覆蓋穴播種植模式LGXB、SMXB、PMXB和JMXB處理區(qū)籽粒產(chǎn)量為5751.0~6453.0 kg/hm2,較LDXB(CK)增產(chǎn)48.4%~66.5%。
糜子作物L(fēng)GXB、SMXB和PMXB處理區(qū)籽粒產(chǎn)量為5022.0~5040.0 kg/hm2,較CK區(qū)2941.5 kg/hm2增產(chǎn)53.9%~70.3%;谷子作物L(fēng)GXB、SMXB、PMXB和JMXB處理水分生產(chǎn)效率(WUE)為17.41~19.89 kg/(mm·hm2),較LDXB(CK)區(qū)11.01 kg/(mm·hm2)提高58.1%~80.6%;糜子LGXB、SMXB、PMXB處理區(qū)水分利用效率(WUE)為14.29~16.88 kg/(mm·hm2),較LDXB(CK)區(qū)10.83 kg/(mm·hm2)提高31.9%~55.9%。
3討論
3.1耕作方式和覆蓋保墑能顯著提高作物干物質(zhì)運(yùn)輸分配量
谷子灌漿期干旱脅迫可使產(chǎn)量大幅度降低。朱燦燦等[22]研究表明,小麥快增期的灌漿速率和灌漿持續(xù)時(shí)間與千粒重呈正相關(guān),并將較快的平均灌漿速率和快速增期的灌漿速率作為高產(chǎn)育種重要選擇指標(biāo)。王桂躍等[23]認(rèn)為,穗粒重與最大灌漿速率、平均速率和灌漿活躍期與產(chǎn)量顯著相關(guān),與本研究結(jié)果一致。不同栽培方式和施氮量能顯著提高糜子開花期干物質(zhì)在各器官中的運(yùn)輸分配量,覆蓋顯著提高糜子產(chǎn)量、千粒重、穗粒數(shù)和穗長(zhǎng)[24]。適宜的寬窄行能夠有效提高谷子產(chǎn)量,對(duì)穗長(zhǎng)、穗粗、葉綠素、穗粒重、千粒重的相關(guān)性顯著,但產(chǎn)量與單位面積穗數(shù)相關(guān)性不顯著。谷子作物行距和穗數(shù)不是影響產(chǎn)量的主要因素[25],本研究也得到一致結(jié)果。
3.2抗旱節(jié)水種植模式能改善水分條件大幅度提升產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率
屈洋等[26]研究認(rèn)為不同節(jié)水種植模式可以有效地提高農(nóng)田集水與保墑效果,明顯提高土壤水分含量,有效地降低糜子生育期耗水量與耗水強(qiáng)度。本研究認(rèn)為,地膜覆蓋穴播種植模式能將無效降水通過滲水地膜微孔或種植穴孔入滲到土壤,明顯改善土壤水分狀況,地膜覆蓋可減少無效蒸發(fā),降低水分無效蒸發(fā)強(qiáng)度,大幅度提升產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率。
3.3覆蓋穴播種植模式可明顯提升作物灌漿期的灌漿特征值
宋艷麗等[27]研究發(fā)現(xiàn)糜子采用寬窄行穴播種植抽穗后進(jìn)入灌漿期14天穗粒重增長(zhǎng)速率達(dá)到最大值。本研究表明,糜子覆蓋穴播種植模式下進(jìn)入灌漿期17天左右灌漿速率達(dá)到最大值,較不覆蓋穴播種植(CK)提前4天左右,進(jìn)入灌漿活躍期的時(shí)間為抽穗后24天左右。不同栽培模式下小麥籽粒灌漿特性、旗葉葉綠素含量與產(chǎn)量的關(guān)系,千粒重與灌漿持續(xù)天數(shù)、平均灌漿速度、灌漿天數(shù)和最大灌漿速度均呈顯著相關(guān)[28]。小麥粒重主要由灌漿速率和灌漿持續(xù)期來決定[29]。本研究表明,谷子和糜子平均灌漿速率和灌漿活躍期對(duì)粒重的影響更明顯。在重度水分脅迫下,糜子灌漿期籽粒的起始生長(zhǎng)勢(shì)明顯降低,最大灌漿速率出現(xiàn)的時(shí)間延遲,灌漿中后期時(shí)間縮短,進(jìn)而影響結(jié)實(shí)率、穗粒數(shù)和穗粒重對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率[30-31],本研究也得到一致結(jié)果。因此,加強(qiáng)拔節(jié)期和灌漿期水肥管理是提升作物產(chǎn)量的關(guān)鍵期。
3.4不同栽培方式可提升糜子作物的光合效率
不同栽培方式和施氮量對(duì)糜子光合效率和產(chǎn)量性狀影響較大,覆蓋和施氮均顯著提高糜子開花至成熟階段旗葉的葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率[32-33]。本文尚未對(duì)滲水地膜等覆膜穴播種植模式的谷子和糜子作物進(jìn)行光合效率與主要經(jīng)濟(jì)性狀關(guān)系研究,亟待進(jìn)一步完善。
4結(jié)論
谷子和糜子采用不同地膜覆蓋穴播種植模式能顯著改善土壤水分狀況,減少無效蒸發(fā),增加作物群體間有效蒸騰強(qiáng)度,大幅度提升產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率。其地上部干物質(zhì)、主要經(jīng)濟(jì)性狀、灌漿速度和穗粒重均顯著高于不覆蓋穴播種植(CK),其增產(chǎn)效果以滲水微膜>普通微膜>壟上覆膜+溝內(nèi)穴播種植>降解微膜>不覆蓋穴播種植(CK)。覆膜穴播下,主穗灌漿速率較不覆蓋穴播(CK)大幅度提高,抽穗后進(jìn)入活躍灌漿期的時(shí)間分別為24天和30天左右,覆膜穴播下主穗灌漿終止期較CK早6天左右。因此,滲水微膜穴播和壟上覆膜+溝內(nèi)穴播種植模式更適合在寧夏南部干旱半干旱區(qū)旱地谷子和糜子種植,在水分虧缺背景下,重視拔節(jié)期和灌漿期水肥管理,提高作物灌漿速率,是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效種植的關(guān)鍵措施。
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農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)2021年1期