官 情,王 俊,,宋淑亞,劉文兆

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

黃土旱塬區(qū)不同覆蓋措施對(duì)土壤水分及冬小麥水分利用效率的影響

官 情1,王 俊1,2,宋淑亞2,劉文兆2

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

田間試驗(yàn)研究了不同覆蓋措施對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤含水量及小麥生長狀況和水分利用效率的影響。試驗(yàn)包括 4個(gè)處理:作物生育期秸稈覆蓋 600 kg/ha(M 600)、秸稈覆蓋 300 kg/ha(M 300)、地膜覆蓋(PM)和無覆蓋處理(CK)。結(jié)果表明:覆蓋處理下的土壤貯水量均高于不覆蓋,M 600處理能顯著增加土壤含水量(0～1m和 0～2 m),顯著性水平 P﹤ 0.01,秸稈覆蓋量越大,保水效果越好,整個(gè)生育期內(nèi),0～1m土層土壤平均貯水量M 600較CK提高了 12%,0～2m土層土壤平均貯水量 M 600較 CK提高了 13.6%。其中秸稈覆蓋處理能明顯增加產(chǎn)量,m300處理的增產(chǎn)效果表觀上高于 M 600處理,但差異不顯著,M 300處理能明顯增加水分利用效率(P﹤ 0.05),而地膜覆蓋的增產(chǎn)效果不明顯。

旱地;冬小麥;覆蓋措施;土壤含水量;產(chǎn)量

在干旱半干旱的雨養(yǎng)型農(nóng)業(yè)區(qū),水分是作物產(chǎn)量提高的主要限制因素之一,有限水分資源的高效利用是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題[1]。合理的耕作措施對(duì)農(nóng)田水土保持有十分重要的意義,科學(xué)的耕作措施,可改善土壤結(jié)構(gòu),充分利用自然降水,減少土壤水分的無效蒸發(fā)和徑流損失,從而達(dá)到蓄水保墑提高水分利用率的目的,另外,還具有增加土壤肥力、節(jié)省投入和提高作物產(chǎn)量等效果[2]。本文以陜西長武縣十里鋪不同覆蓋試驗(yàn)場(chǎng)冬小麥為研究對(duì)象,該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴于天然降水,降水不足和土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈是導(dǎo)致農(nóng)田水分供需矛盾的主要因子[2],減少土壤水分蒸發(fā),提高對(duì)降水資源的利用率成為旱作農(nóng)業(yè)研究的重要內(nèi)容。為此,本試驗(yàn)以作物生育期秸稈覆蓋 600kg/ha(M 600)、秸稈覆蓋 300 kg/ha(M 300)、地膜覆蓋(PM)和無覆蓋處理(CK)為研究對(duì)象,探索不同覆蓋方式對(duì)土壤的保蓄水分能力及對(duì)冬小麥水分利用效率的影響,以期為該區(qū)域不同耕作措施的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地的自然條件

田間試驗(yàn)在中國科學(xué)院陜西長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(107°44.703′E,35°12.787′N)進(jìn)行。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期的天然降水和前期土壤蓄水,屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)海拔 1 220m,多年平均降水 584 mm,且季節(jié)性分布不均,年均氣溫 9.1℃,無霜期 171d。土壤屬黃蓋粘黑壚土,土層深厚,土質(zhì)疏松,肥力中等,田間持水量為 22.4%,凋萎濕度9%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

冬小麥覆蓋種植試驗(yàn)開始于 2008年 9月,作物品種為長武 -134。試驗(yàn)共設(shè)置 4個(gè)處理,對(duì)照(不覆蓋,CK)、作物生育期全量秸稈覆蓋(覆蓋量 600 kg/ha,M 600)、生育期半量秸稈覆蓋(覆蓋量 300 kg/ha,m300)、生育期地膜覆蓋(PM),每處理 3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,每小區(qū)面積 24 m2。冬小麥于每年 9月下旬播種,翌年 6月收獲后土壤休閑,期間圓盤耙機(jī)耕(深度小于 20 cm)松土蓄墑。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤水分的測(cè)定記錄各生育期內(nèi)降雨量,土壤水分采用CNC503(DR)智能中子水分儀監(jiān)測(cè),在田間共埋設(shè) 12個(gè)管子,每月的月末觀測(cè)土壤 0～200 cm土層含水量。試驗(yàn)期間采用人工除草的方式,降雨量由雨量筒記錄,作物收獲后計(jì)產(chǎn)。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 土壤貯水量的計(jì)算[3]

式中,W為土壤貯水量(mm);Wi為第 i層土壤重量含水量(%):D i為第 i層土壤容重(g/cm3);Hi為第 i層土層厚度(cm)。

1.4.2 水分利用效率(WUE)的計(jì)算[4]

水分利用效率(WUE)指蒸散的每單位(mm)水分在單位面積上所生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg/hm2)作物生長期間的蒸散量ET(mm),用 ET=P-△S式計(jì)算,其中 P是作物生長期間的降水量(mm),⊿ S是收獲期與播種期 0～200 cm土壤貯水量之差(mm)。

水分利用效率的計(jì)算公式為:

式中:WUEy為產(chǎn)量水平的水分利用效率(WUE);Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;ET為小麥生育期內(nèi)農(nóng)田耗水量

降雨利用效率的計(jì)算公式為:

WUEp〔kg/(mm· hm2)〕=Y/P

式中:WUEp為降雨水平的利用效率(WUE);Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;P為小麥生育期內(nèi)農(nóng)田降雨量

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用 Microsoft Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)和制圖,采用SPSS16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨及不同覆蓋方式對(duì)冬小麥生育期內(nèi)土壤水分變化的影響

小麥從 2009年 9月 24日播種,到 2010年 6月 28日收獲,全生育期內(nèi)總降水量為 195.1mm(圖 1)。

由圖 1可以看出,從 12月初到 1月末,為冬季失墑期,該段時(shí)間沒有降雨,0～1m和 0～2 m土層土壤貯水量變化不大,全生育期內(nèi)土壤貯水量的最高值出現(xiàn)在 2月底 3月初,達(dá) 318.63mm,雨季主要在 4月、5月和 6月三個(gè)月,2009年4月 15日(拔節(jié)期)至 6月 27日降雨較多(114.4mm),占觀測(cè)期內(nèi)降雨總量(195.1 mm)的 58.6%,但 2009年 4～6月各處理 0～1m和0～2m土層平均貯水量均沒有明顯上升,反而呈下降趨勢(shì),這是因?yàn)閺陌喂?jié)期以后,隨著作物的生長旺盛,葉面積逐漸增大,蒸散強(qiáng)度增大,是冬小麥耗水最多的時(shí)期,土壤貯水量急劇降低[5],至收獲期降至觀測(cè)期內(nèi)的最低值,為 108.47mm。

圖1 冬小麥 0～1m和 0～2m土壤平均貯水量的變化

A:2009-9-29;B:2009-10-31;C:2009-11-30;D:2009-12-30;E:2010-1-29-1-30;F:2010-2-27-28;G:2009-3-30-31;H:2009-4-29-30;I:2009-5-30-31;J:2010-6-29-30下同 The same below.

圖2 不同覆蓋處理下 0～1m(a)和 0～2m(b)冬小麥土壤平均貯水量的變化

從圖 2可以看出,與對(duì)照(CK)相比,覆蓋后各處理 0～1 m和 0～2m土壤貯水量均高于對(duì)照,各處理 0～1m和 0～2 m土層土壤平均貯水量的大小順序依次為 M 600﹥ m300﹥PM﹥ CK,尤其是在 3月末(拔節(jié)期)至 6月底(收獲期),各處理 0～1m和 0～2m土層土壤貯水量 M 600處理土壤貯水量顯著高于其他處理。整個(gè)生育期內(nèi),0～1m土層土壤平均貯水量 M 600與 CK相比提高了 12%,m300較 CK提高了 5.3%,PM較 CK提高了 4.8%,0～2m土層土壤平均貯水量M 600與 CK相比提高了 13.6%,M 300較 CK提高了 8.9%,PM較CK提高了 3.5%。其中,覆蓋下的土壤貯水量與對(duì)照相比,均存在顯著性差異,M 600處理與對(duì)照存在極顯著性差異,(顯著性水平 P﹤ 0.01)。這是由于農(nóng)田施行秸稈覆蓋后,在地面和空氣之間形成了了一個(gè)疏松的隔離層,切斷了土壤與大氣的直接聯(lián)系,阻擋了土壤水分相大氣的自由逸散,從而改變了近地面的水熱狀況[6],有研究表明,土壤含水量隨著秸稈覆蓋量的增大而加大[7]。而地膜覆蓋由于膜的不透氣性和不透水性,切斷了水分和大氣的直接交換,有效地阻止了土壤水分蒸發(fā)。從圖 2還可以看出,從 3月末(拔節(jié)期)以后,土壤貯水量的變化呈下降趨勢(shì),這是因?yàn)樽魑锷L旺盛,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,雖然也有不少降雨(6月份降雨30.8mm),但都以無效降雨為主,土壤貯水量呈降低趨勢(shì)[8]。

顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,M 600處理(0～1m和 0～2m)儲(chǔ)水效果最好,總體上,在干旱缺少自然降雨的情況下,M 600處理對(duì)保存土壤水分產(chǎn)生了十分積極的作用。

2.2 不同覆蓋方式對(duì)冬小麥生長狀況的影響

表1 不同覆蓋方式對(duì)冬小麥生長狀況的影響

由表 1可知,與對(duì)照相比,秸稈覆蓋處理下的小麥穗粒數(shù)、千粒重和株高差異不大,而平均生物產(chǎn)量卻顯著高于對(duì)照處理(P﹤ 0.01),地膜覆蓋處理下的穗粒數(shù)和株高相比較于 CK均顯著提高,而千粒重較 CK降低了 1.8%,有研究表明,地膜覆蓋后,由于光、熱、水、氣、肥等生態(tài)條件的改善,改變了小麥長期適應(yīng)自然形成的生育規(guī)律,促進(jìn)了各生育階段的生長發(fā)育,對(duì)小麥的株高、分蘗成穗率和千粒重等有提高作用[9],但在本實(shí)驗(yàn)中 PM處理的千粒重卻較 CK降低,分析原因是由于蒸騰作用強(qiáng)烈,在作物生長前期土壤水分和養(yǎng)分嚴(yán)重耗竭,后期生長中,這期間沒有灌溉或后期降水量很少的情況下,對(duì)籽粒的形成和灌漿不利。

3 不同覆蓋措施下的產(chǎn)量狀況及水分利用效率

表2 不同覆蓋措施下籽粒產(chǎn)量及水分利用狀況

由表 2可知,小麥生長期間,0～1 m土層不同處理的耗水量中,PM處理最低,為 250.57 mm,M 600處理最高,達(dá)260.16mm,兩者相差 9.59 mm,且不同處理間差異也不大;但從 0～2 m土層的耗水量來看,還是 PM處理最低,達(dá) 251.08mm,M 300處理最高,達(dá) 282.26 mm。可見,0～1 m土層的土壤耗水量各處理之間差異并不大,但 0～2 m土層差異明顯,M 300處理能顯著增加 0～2 m土層土壤耗水量。無論是對(duì)于水分利用效率還是降雨利用效率,與其他處理相比,秸稈覆蓋措施都能提高,其中 M 300處理的 WUEy和 WUEp在各處理中最高。

對(duì)于產(chǎn)量而言,秸稈覆蓋后能明顯增加產(chǎn)量,這是因?yàn)榻斩捀采w為作物生長提供了良好的水分條件,同時(shí)也創(chuàng)造了一個(gè)適于作物生長的小氣候環(huán)境,還可以培肥地力,增加土壤微生物數(shù)量、改善表層土壤物理結(jié)構(gòu)[10-12],對(duì)于小麥而言,由于覆蓋使土壤水分狀況發(fā)生改善,對(duì)小麥分蘗、穗分化和籽粒灌漿有一定影響,從而影響到產(chǎn)量[6]。有研究表明,地膜覆蓋增產(chǎn)的機(jī)制首先在于改善了土壤生態(tài)環(huán)境,即水熱狀況[13,14],進(jìn)而活化了土壤養(yǎng)分[15],使養(yǎng)分有效性和水分利用效率提高[16],地膜覆蓋增產(chǎn)的另一重要原因是提高了土壤溫度[13,16],特別是能顯著增加耕層 0～5cm土層的溫度,而由于蒸騰作用強(qiáng)烈,在作物生長前期土壤水分和養(yǎng)分嚴(yán)重耗竭,后期生長中,這期間沒有灌溉或后期降水量很少的情況下,對(duì)籽粒的形成和灌漿不利,導(dǎo)致產(chǎn)量下降[17],本研究所處干旱、半干旱的雨養(yǎng)型農(nóng)業(yè)區(qū),在 2010年 5月 27日左右至 6月 28日小麥?zhǔn)斋@,這期間雖然也有不少降雨,但都以無效降雨為主,而覆膜后,由于膜的持續(xù)增溫作用,加速了有機(jī)質(zhì)的礦化,養(yǎng)分又大量損失,因此地膜覆蓋后對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著,出現(xiàn)了與對(duì)照相比減產(chǎn) 0.3%的現(xiàn)象。因此在生產(chǎn)實(shí)踐中,抑制地膜后期的增溫效應(yīng),對(duì)地膜作物增產(chǎn)是必要的[18]。

4 結(jié)論

(1)覆蓋措施能夠有效地減少土壤表層水分的散失和蒸發(fā),起到了保墑蓄水的作用,從而增加了“土壤水庫”的蓄水量。與傳統(tǒng)耕作相比,保護(hù)性耕作對(duì)作物的供水更有效,能為作物的生長提供所需的水分,更利于作物的生長。

(2)秸稈覆蓋能明顯增加產(chǎn)量,適量的秸稈覆蓋增產(chǎn)效果更明顯,即 M 300處理能顯著提高水分利用效率和降雨利用效率。而地膜覆蓋對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著,甚至有可能有減產(chǎn)的現(xiàn)象,這一方面的問題還有待于做更細(xì)致、深入的研究。

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Influences on Different Treatments on SoilMoistureand Water Use Efficiency W inter Wheat Field in Arid-highland of the Loess Plateau

GUAN Qing1,WANG Jun1,2,SONG Shu-ya2,L IUW en-zhao2
(1.Department of Environmental Science,Northwest University,Xian 710127,Shaanxi;2.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resource,Yangling 712100,Shaanxi)

The field experiment study that the different cover to be in fluence on soilmoisture and water use efficiency and yield in winter wheat cropping system.Trial included 4 treatments:straw mulch during the whole grow th period 600kg/ha(M 600),straw mulch 300 kg/ha(M 300),p lastic film mu lching(PM)and nomulching(CK).The resu lts showed that:The soilmoisture with cover treatments were higher than those not covered,M 600 treatment can significantly increased soil water content(0～1m and 0～2m),significance level P＜0.01,the greater the amount of strawmulch,water the better,0～1m soil layer compared with the average water storage M 600 CK increased 12%,0～2m layer average soil water storage M 600 increased 13.6%compared with CK in the who le growth period.Straw mu lch treatment which could significantly increase production,while the yield by M 300 treatment is higher than the M 600 treatment,but the difference was not significant,M 300 treatment can obviously increase the water use efficiency(P＜0.05),and p lastic film mu lching increased yield is not obvious.

Farm land;Winter wheat;Mulch treatments;Soilmoisture and Yield

S271

A

1004-1184(2011)01-0021-04

2010-10-25

官情(1985-),女,陜西寶雞人,碩士研究生,主要研究環(huán)境生態(tài)方面的研究。

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