陳玉章 吳松果 盧成霖 李 瑞,2 龔利娟,2 文 悅 寧佳欣 吳宇涵

條帶壟覆對西南黃壤坡耕地徑流和高粱水分利用的影響

陳玉章1,2,*吳松果3盧成霖1李 瑞1,2龔利娟1,2文 悅1寧佳欣1吳宇涵1

1四川輕化工大學生物工程學院, 四川宜賓 644005;2四川省釀酒專用糧工程技術研究中心, 四川宜賓 644005;3廣西大學農(nóng)學院, 廣西南寧 530004

針對西南區(qū)坡耕地季節(jié)性干旱突出、降水徑流損失大、高粱低產(chǎn)低效益等問題。2020—2021年, 在黔西南山區(qū)以前茬種植春玉米的7°黃壤緩坡耕地為研究對象, 研究了橫坡種植模式(作物行向與坡向垂直)下傳統(tǒng)露地平作(CK)、條帶壟覆地膜(RFM)和條帶壟覆玉米整稈(RSM) 3種不同處理對徑流、以及高粱耗水特性、水分利用效率、產(chǎn)量和純收效益的影響。結果表明, 與CK相比, 在橫坡壟作模式下, RFM和RSM處理高粱生育期內(nèi)的降雨徑流深度分別平均顯著下降27.3%和42.1%, 納水系數(shù)分別平均增加9.5和14.6個百分點。2個條帶壟覆橫坡種植較CK顯著增加高粱生育期的耗水量, 其中拔節(jié)至抽穗階段、灌漿至成熟階段耗水量與產(chǎn)量分別呈顯著(= 0.51*)和極顯著(= 0.81**)正相關。與CK相比, RFM、RSM顯著增加高粱成熟期生物量、穗粒數(shù)和千粒重, 籽粒產(chǎn)量分別平均顯著增加8.5%和6.2%, 但水分利用效率分別平均顯著下降12.6%和21.4%。主要原因是, 條帶壟覆可顯著增加高粱全生育期0～100 cm土壤貯水量, 提高拔節(jié)至抽穗、灌漿至成熟階段的耗水量, 促進了高粱植株的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成, 且高粱秸稈產(chǎn)量的增幅(21.4%)顯著高于籽粒產(chǎn)量增幅(7.3%), 秸稈產(chǎn)量的大幅增加雖然降低了水分利用效率, 但秸稈產(chǎn)量的增加是籽粒增產(chǎn)的重要保障。RSM處理的純收益和產(chǎn)投比分別平均較CK增加2962.9元 hm–2和2.3%, 而RFM處理由于增加了勞動強度、機械和地膜投入, 導致純收益和產(chǎn)投比分別平均較CK下降1502.6元 hm–2和32.6%。因此, 條帶壟覆玉米整稈橫坡種植在顯著提高降水有效性的同時, 可實現(xiàn)產(chǎn)量和純收益雙增的目的, 是西南黃壤旱坡耕地高粱增產(chǎn)增收的可行模式。

條帶壟覆; 徑流; 水分利用; 高粱產(chǎn)量; 純效益

高粱()是世界第五大糧食作物, 也是我國重要的雜糧作物[1]。西南丘陵雨養(yǎng)旱作區(qū)(貴州、四川和重慶)是我國高粱第二大優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)[2], 2021年高粱種植面積和總產(chǎn)量分別占全國的54.0%和55.3%[3]。該區(qū)雖降水充沛, 年均降水量為600～ 1800 mm, 但時空分配不均, 70%以上集中在夏秋季(5月至9月)[4], 且多以大、暴雨形式出現(xiàn), 不僅不利于水分下滲、貯存和作物利用, 也引發(fā)了嚴重的水土流失[5-6]。冬閑期至高粱生育前期(當年11月至次年5月)降水量僅為200 mm左右, 枯水年份甚至不足100 mm[7], 作為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 冬干春旱導致直播高粱出苗情況較差, 迫使農(nóng)戶不得不額外增加投入來育苗、保苗, 進一步降低種植純收益。高粱生育中后期(6月至8月)季節(jié)性干旱頻發(fā), 其中夏旱和伏旱發(fā)生頻率可達62%～92%, 且常有連旱現(xiàn)象[8], 嚴重危害高粱籽粒灌漿, 導致該區(qū)高粱產(chǎn)量僅為3750 kg hm–2 [9], 較全國平均產(chǎn)量4791 kg hm–2低21.7%[10]。此外, 旱坡耕地是西南高粱區(qū)主要的耕地資源, 黃壤土是該區(qū)域第二大土壤類型, 具有質(zhì)地黏重, 持水能力強, 比水容量小, 有效水范圍窄, 水分上、下運移困難等特點, 導致降水易產(chǎn)生徑流而降低降水資源化率, 從而進一步加重了黃壤土的季節(jié)性干旱[11]?？梢? 季節(jié)性干旱和水土流失嚴重是制約西南旱坡耕地高粱發(fā)展的關鍵環(huán)境因子, 提高降水資源化水平和增強農(nóng)田系統(tǒng)主動抵御季節(jié)性干旱的能力是實現(xiàn)該區(qū)高粱可持續(xù)生產(chǎn)的關鍵[12]。

橫坡壟作集雨覆蓋種植技術是該區(qū)域廣泛使用的一種高效集水技術, 該技術是沿緩坡地等高線方向上修筑相互交替平行的溝和壟(溝、壟方向垂直于坡向)的集雨系統(tǒng), 采用地膜、秸稈等作為覆蓋材料對溝或壟進行覆蓋, 根據(jù)不同作物生長發(fā)育需求, 采取壟植或溝植的一種嵌套復合種植技術[13]。該技術可顯著降低坡耕地地表徑流, 提高降水資源化率和作物產(chǎn)量, 已在中國東北及南方旱坡農(nóng)業(yè)區(qū)廣泛使用[14-17]。研究表明, 在橫坡壟作集雨種植系統(tǒng)中, 壟覆膜種植可明顯提升高粱抗旱能力, 增產(chǎn)5.6%以上[18], 玉米田徑流下降69.6 mm, 增產(chǎn)22.0%, 增產(chǎn)原因在于覆膜可明顯降低土壤水分無效蒸發(fā)和提高作物生育前期地溫而有效促進作物生長發(fā)育, 其在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的增產(chǎn)效果普遍好于秸稈覆蓋[19-20]。覆膜種植雖能顯著增加作物產(chǎn)量, 但殘膜的累積效應最終會導致作物顯著減產(chǎn)[21-22]。國內(nèi)外眾多研究認為, 秸稈覆蓋是一種綠色可持續(xù)生產(chǎn)方式, 普遍能提高降水的有效性[23], 但其對作物產(chǎn)量的影響受時空條件及作物類型限制[24-25]。在西班牙桔園坡地, 50%的秸稈覆蓋量可使徑流產(chǎn)生時間延遲72 s, 徑流系數(shù)下降15.1%[26]。在埃塞俄比亞旱地小麥生產(chǎn)中, 免耕條件下秸稈覆蓋的徑流量較免耕無秸稈覆蓋下降34 mm。在中國西北旱區(qū), 秸稈覆蓋增加了降水的有效性, 從而可維持干旱年小麥[27]、馬鈴薯[28-29]產(chǎn)量; 生物炭溝壟結皮覆蓋能不同程度的降低集雨壟徑流, 進而增加牧草產(chǎn)量和純收益[30]。在高緯度黑土區(qū)坡耕地, 橫坡壟植對不同強度降雨的徑流控制效果均明顯好于順坡壟作[31], 且橫坡等高種植的降雨徑流量最小, 1 m土層內(nèi)降水入滲量最高[32]。在中國西南區(qū)坡耕地, 橫坡壟作+秸稈粉碎全地面覆蓋+等高植物籬管理措施在坡面上對降水的截流效果最好[5,33], 并能使玉米顯著增產(chǎn)[20,34]。目前, 關于橫坡壟作+秸稈覆蓋的研究中均采用秸稈粉碎全地面覆蓋, 而對以丘陵山地為主的西南高粱優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)而言, 秸稈粉碎全地面覆蓋受地形和機械發(fā)展水平等因素的限制, 導致橫坡壟作+秸稈覆蓋這一極具潛力的降雨就地資源化技術仍處于探索階段。鑒于此, 本研究在貴州西南部黃壤緩坡農(nóng)田橫坡種植(作物行向與坡向垂直)模式下, 設置了條帶壟覆地膜、條帶壟覆玉米整稈2種條帶壟覆模式, 以傳統(tǒng)露地平作為對照, 系統(tǒng)研究了地膜和玉米整稈條帶壟覆下高粱的產(chǎn)量效應及水分利用特點, 旨在將這一技術的降水有效性轉化成作物產(chǎn)量和純收益, 為秸稈覆蓋技術改進或研發(fā)旱坡耕地高粱綠色可持續(xù)生產(chǎn)新技術提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

于2020年和2021年在貴州省黔西南州安龍縣新橋鎮(zhèn)木科村(25°7′N, 105°18′E)進行。試驗地屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū), 典型喀斯特山地丘陵地貌。海拔1186 m, 年平均氣溫15.3℃, 年日照時數(shù)1545.0 h, 年平均無霜期308 d, 作物三熟不足, 兩熟有余。試驗地為7°緩坡耕地, 地力相對均勻。據(jù)1989—2019年氣象資料統(tǒng)計, 該地區(qū)年平均降水量1271.9 mm, 年平均蒸發(fā)量1042.1 mm, 其中4月至9月降水量1023.8 mm, 占全年降水量的80.5%, 降水變率28.9%?？梢? 該區(qū)降水分布極不均衡, 在冬、春季干旱比較突出, 伏旱時有發(fā)生。試驗地土壤類型為黃壤土, 0～100 cm平均土壤容重1.36 g cm–3, 永久凋萎系數(shù)27.4 g 100 g–1, 0～30 cm耕層土壤理化性質(zhì)分別為pH 6.81 (2.5∶1.0)、有機質(zhì)含量19.54 g kg–1、堿解氮64.62 mg kg–1、速效磷5.06 mg kg–1、速效鉀111.2 mg kg–1。

1.2 試驗設計與田間管理

1.2.1 條帶壟覆高粱種植試驗設計與田間管理

本研究在7°緩坡耕地橫坡種植(作物行方向或壟、溝方向與地塊坡向垂直)模式下, 以露地平作為對照(CK), 設條帶壟覆玉米整稈(RSM: 溝、壟寬均為30 cm, 壟高10 cm)和條帶壟覆地膜(RFM: 溝、壟寬均為60 cm, 壟高10 cm) 2種條帶壟覆種植模式,溝中無覆蓋作為種植區(qū), 共3個處理。采用完全隨機區(qū)組設計, 3次重復, 小區(qū)面積70 m2(長10 m×寬7 m)。集雨壟為半球形, RSM處理用玉米整稈均勻覆蓋在壟上, 秸稈用量約為風干重8000 kg hm–2; RFM處理用聚乙烯白色薄膜(幅寬70 cm, 厚度0.01 mm)覆蓋在壟上, 小區(qū)四周設6 m寬保護帶, 種植相同作物。各處理田間種植示意圖見圖1。

在高粱移栽前20 d, 先將試驗地塊旋耕2遍(耕深20 cm), 耙平, 然后用起壟機沿等高線方向在田間修筑溝壟, 人工完成壟上覆稈、覆膜。供試品種為茅粱糯2號, 高粱苗的定植與當?shù)貜V泛使用的育苗移栽方式一致, 即各處理高粱苗均采用穴盤育苗,于4～6葉期的陰天移栽, 移栽后澆足定根水, 窩距28 cm, 每窩2株, 種植密度為1.19×105株 hm–2。

圖1 高粱田間種植示意圖

RFM: 條帶壟覆地膜橫坡種植; RSM: 條帶壟覆玉米整稈橫坡種植; CK: 橫坡平作。

RFM: alternating plastic film mulching strip on ridges and cross slope planting in furrows; RSM: alternating whole maize straw strip mulching on ridges and cross slope planting in furrows; CK: cross slope planting and non-mulching.

根據(jù)當?shù)厥┓柿晳T, 采用育苗移栽的高粱不施底肥, 待高粱成活返青后10 d左右, 在距離高粱植株10 cm左右的位置, 施45%復合肥(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15) 1000 kg hm–2、尿素60 kg hm-2作提苗肥, 然后人工壅土蓋肥; 拔節(jié)后25 d左右, 追施60 kg hm–2尿素。2個高粱生長季植苗時間分別為2020年4月16日和2021年4月3日, 收獲時間分別為2020年8月31日和2021年8月29日。試驗期內(nèi)除澆透定根水外, 再無灌水, 其他管理同當?shù)卮筇锷a(chǎn)管理一致。

1.2.2 條帶壟覆高粱農(nóng)田徑流試驗 參照《水土保持試驗規(guī)范》(SD 239-87)[35]要求, 試驗地距離村莊、樹林較遠, 避免遮陰和人畜干擾。分別在每個種植小區(qū)的四周設水泥板結構, 以防止監(jiān)測小區(qū)與周邊地塊及徑流小區(qū)之間發(fā)生串水現(xiàn)象, 將種植小區(qū)轉變成徑流觀測小區(qū), 集雨面積按投影面積計算。水泥板高度100 cm, 厚度5 cm, 埋深40 cm, 露出地面60 cm; 在每一小區(qū)下方均設置截流溝(長7 m, 寬30 cm, 深30 cm), 分別留一個缺口用紗網(wǎng)相隔且與集流池相連。集流池垂直于坡面, 為水泥結構, 修筑在緩坡小區(qū)較低一側的中間, 集流池長3.0 m, 寬1.0 m, 深1.5 m, 集流池底部開設一個帶控制閥出水口, 側壁和池底做好防滲處理, 同時在池壁上做好刻度標記, 集流池上加蓋, 用于防止雨水、灰塵及其他雜物落入, 保護人和動物不慎跌入, 各處理小區(qū)徑流觀測示意圖見圖2。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集期限 2個生長季均在高粱生育期的對應時間分別為2020年4月16日至8月31日, 2021年4月3日至8月30日。

1.3.2 徑流采、測 每次降水后及時對各徑流觀測小區(qū)所產(chǎn)生的徑流進行測定, 用1000 mL量杯測定, 在減扣截流溝降水量后, 按集流小區(qū)的投影面積計算徑流深。

式中,R為徑流深度(mm),為徑流觀測值(L),為觀測小區(qū)寬度(m),為觀測小區(qū)斜邊長度(m),為觀測小區(qū)坡度(7°)。本研究中= 7 m、= 10 m、=7°。

降水土壤蓄水量(P, mm)=降雨量(mm)-徑流量(mm)

納水系數(shù)(, %) = 100%×(降雨量-徑流量)/降雨量

1.3.3 土壤水分測定 在高粱移栽期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期, 分別在RFM、RSM處理覆蓋區(qū)域的中間和CK處理的2行中間取樣, 采用烘干法測定0～100 cm內(nèi)土層土壤, 每20 cm測定1次。土壤質(zhì)量含水量(ω, %) = 100%×(土壤鮮質(zhì)量-土壤干質(zhì)量)/土壤干質(zhì)量。

土壤貯水量(, mm) = 10×××

式中,為土層深度(cm),為土壤質(zhì)量含水量(%),為土壤容重(g cm-3), 10為厘米(cm) 轉化為毫米(mm)的換算系數(shù)。

本研究中地下水較深, 忽略定根水澆灌量, 適用于本研究的耗水量采用水分平衡公式計算: (ET, mm) =Δ-R。式中為降雨量(mm); Δ為生育期末與生育期始的土壤貯水量之差;R為地表徑流(mm)。

圖2 種植小區(qū)徑流觀測示意圖

階段耗水量(ET, mm) = SWS-SWS1+P-R

式中, SWS為某個生育時期初始時的土壤貯水量(mm); SWS1為該生育期結束時的土壤貯水量;P為該生育期降水土壤蓄水量(mm);R為該生育階段地表徑流。

水分利用效率WUE (kg hm–2mm–1) = GY/ET

式中, GY為作物產(chǎn)量(kg hm–2), ET為生育期總耗水量(mm)。

1.3.4 產(chǎn)量測定 在高粱成熟時各小區(qū)隨機選取均勻區(qū)域, 取10株進行室內(nèi)考種, 而后按小區(qū)單打單收, 單獨計產(chǎn), 每小區(qū)總產(chǎn)量含10株樣品產(chǎn)量。

1.3.5 經(jīng)濟效益計算 產(chǎn)量總收入(元 hm–2) = 籽粒產(chǎn)量×市場價格; 產(chǎn)量純收益(元 hm–2) = 產(chǎn)量收入-總投入; 產(chǎn)投比 = 100%×產(chǎn)量收入/總投入。

除地膜、人工、機械外, 總投入還包括種子、化肥等。其中人工工資為每人8元 h–1, 各處理田間管理費用均一致, RFM處理采用小型機械輔助覆膜, RSM采用人工覆稈。兩年度種子投入300元 hm–2、復合肥(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15) 4802.4元 hm–2、尿素264元 hm–2, 其中高粱種子10元 kg–1, 復合肥4.8元 kg–1, 尿素2.2元 kg–1。根據(jù)籽粒產(chǎn)量和高粱單價計算總收入, 高粱市場價格7.6元 kg–1。RSM處理中, 因秸稈為廢棄秸稈, 故秸稈成本按0元 kg–1計算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 19.0軟件處理數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析, 采用最小顯著極差法(LSD)進行多重比較(α = 0.05), 相關分析采用Pearson法。

2 結果與分析

2.1 試驗期間降雨和各處理的徑流特征及集雨效率

2個高粱生育期的降水分布如圖3。各處理高粱生育期內(nèi), 2020年和2021年試驗區(qū)共分別發(fā)生降水43次和44次, 累計降水量分別為749.0 mm和827.4 mm, 分別較多年(1989—2019年)同期平均降雨量低19.6%和8.3%?？梢? 2個高粱生長季均為干旱年份, 但2個生長季高粱生長的受旱狀況不同, 2020年的7、8月降雨量分別較多年同期平均降雨量低155.5 mm和29.4 mm, 高粱籽粒灌漿期受旱嚴重; 而2021年高粱生長受旱主要在6月份, 該月降雨量較多年同期平均降雨量低150.6 mm, 嚴重影響了高粱前期生長發(fā)育。依據(jù)我國氣象局降水分類標準可知, 2020和2021高粱生長季, 大于10 mm的中、大雨甚至暴雨的發(fā)生次數(shù)分別占高粱生育期降雨次數(shù)的51.2%和55.8%, 對應降水次數(shù)分別為22次和24次, 降雨總量分別占高粱生育期總降雨的88.7%和89.5%, 對應降雨量分別為664.1 mm和740.2 mm。如無連續(xù)降雨, 單次降水小于10 mm時, 各處理基本觀測不到徑流。研究區(qū)域高粱生育期降水以大中雨為主, 偶有暴雨, 且超過一半的降雨以大、暴雨的形式發(fā)生。

圖3 2020年和2021年試驗區(qū)高粱大田生育期內(nèi)降水月分布

由表1可知, 條帶壟覆橫坡種植能顯著影響降水截流效率。與露地平作相比, 條帶壟覆處理的徑流量和徑流系數(shù)2年分別平均顯著下降94.5 mm和12.1個百分點, 其中RFM分別平均下降74.6 mm和9.5個百分點, RSM分別平均下降114.5 mm和14.6個百分點; 而降雨土壤蓄水量和納水系數(shù)則2年分別平均較CK顯著增加18.3和12.1個百分點, 其中RFM處理分別平均增加14.5和9.5個百分點, RSM處理平均增加22.2和14.6個百分點?？梢? 在西南黃壤坡耕地橫坡壟作模式下, 地膜和秸稈條帶壟覆均能顯著降低徑流量和徑流系數(shù), 顯著提高雨水蓄集量和納水效率, 明顯提高降水的有效性, 但條帶壟覆地膜對降水的蓄集效果不如條帶壟覆玉米整稈。

2.2 條帶壟覆橫坡種植對0～100 cm土壤貯水量的影響

在西南黃壤耕地橫坡種植模式下, 條帶壟覆處理能顯著改善高粱農(nóng)田0～100 cm土層土壤水分狀況, 且條帶壟覆玉米整稈具有與條帶壟覆膜相近的蓄水保墑能力(圖4)。2020年和2021年高粱移栽至成熟期, 0～100 cm土壤平均貯水量, 條帶壟覆處理平均分別較CK增加93.5 mm和48.4 mm, 其中RSM、RFM分別比CK多貯水70.3 mm、116.8 mm和46.9 mm、49.8 mm。表明西南黃壤坡耕地橫坡種植模式下, 條帶壟覆玉米整稈與條帶壟覆膜具有相近的土壤貯水保墑效果。

表1 高粱生育期內(nèi)不同處理的降雨徑流特征和集雨效果

處理同圖1。同一年度同一列數(shù)字標明的不同小寫字母表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different lowercase letters stand for significance at the 0.05 probability level.

圖4 0～100 cm土壤貯水量隨高粱生育時期的變化

TP: 移栽期; JT: 拔節(jié)期; HD: 抽穗期; GF: 灌漿期; MT: 成熟期。標明不同小寫字母的柱值表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平差異顯著。處理同圖1。

TP: transplanting stage; JT: jointing stage; HD: heading stage; GF: grain-filling stage; MT: maturity stage. Mean value (= 3) columns at each growth stage indicated with different lowercase letters are significant difference at< 0.05. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

隨高粱生育期推進, 各處理0～100 cm土層貯水量2年均受多次單次大于15 mm降水的影響, 表現(xiàn)出“高低反復”的變化趨勢。2020生長季, 條帶壟覆處理高粱移栽期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期, 0～100 cm土壤貯水量平均分別較CK顯著增加144.1、71.8、75.4、97.4和79.0 mm, 以移栽期增幅最大, 拔節(jié)期最小, 且RSM在各生育時期都顯著高于RFM處理。2021生長季除成熟期條帶壟覆處理與CK無顯著差異外, 高粱移栽期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期, 0～100 cm土壤貯水量, 2個條帶壟覆處理平均分別較CK顯著增加76.8、95.4、48.5和23.2 mm, 以拔節(jié)期增幅最大、灌漿期最小。

比較各處理0～100 cm土壤貯水量生育時期間的變異系數(shù), 2020、2021高粱生長季處理間差異分別以移栽期、拔節(jié)期最大, 灌漿期、成熟期最小。2020生長季, 移栽期和灌漿期變異系數(shù)分別為16.2%和9.8%, 2021生長季拔節(jié)期和成熟期變異系數(shù)分別為11.2%和1.3%。不同生長季間比較, 處理間差異為降水偏少年(2020)大于降水偏多年(2021), 處理間變異系數(shù)和極差在降水偏少年分別為11.5%和116.8 mm, 降水偏多年分別為5.5%和49.8 mm。2個高粱生長季, RSM處理較CK處理減緩了不同生育時期間土壤水分的波動, 而RFM處理在降水偏少年加劇了不同生育時期間土壤水分的波動, 降水偏多年份則相反, 不同時期RSM、RFM和CK的變異系數(shù)分別為11.3%、8.4%、8.9% (2020生長季)和12.0%、12.5%、12.9% (2021生長季)。

2.3 條帶壟覆橫坡種植對高粱不同生育時期0～ 100 cm土層水分分布的影響

黃壤坡耕地橫坡種植模式下, 條帶壟覆處理顯著影響高粱各時期、各土層土壤質(zhì)量含水量(圖5)。不同年份高粱各生育時期、各土層的質(zhì)量含水量存在顯著差異, 并受生育時期降水多寡的影響。RFM和RSM處理在各土層均較CK表現(xiàn)出普遍的增墑效應, RSM處理的增墑效應大于RFM處理。在降水偏少的2020高粱生長季, RFM、RSM處理0～100 cm 土壤質(zhì)量含水量在移栽期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期平均分別比CK顯著增加10.6、5.3、5.7、7.2和5.8個百分點, 二者均在播種期增幅最大, 分別在拔節(jié)期、抽穗期增幅最小。在降水偏多的2021高粱生長季, RFM、RSM處理顯著增加高粱播種期和拔節(jié)期0～100 cm土層土壤質(zhì)量含水量, 平均分別比CK增加5.7和7.0個百分點, 其余生育時期與CK無顯著差異?？梢? 在高粱生育中后期, 若遭遇長期干旱(2020), 條帶壟覆橫坡種植較傳統(tǒng)露地種植表現(xiàn)出良好的蓄水保墑效果, 且條帶壟覆玉米整稈的保墑效果好于條帶壟覆膜; 反之, 若高粱生長中后期降水較為均勻, 雨量較大(2021), 2個條帶壟覆處理與露地平作相比無明顯保墑效果。

圖5 高粱不同生育時期各土層土壤質(zhì)量含水量

TP: 移栽期; JT: 拔節(jié)期; HD: 抽穗期; GF: 灌漿期; MT: 成熟期; PWC: 永久凋萎系數(shù)。同一土層旁的*和**分別表示各處理的平均值(= 3)分別在< 0.05和< 0.01水平差異顯著。處理同圖1。

TP: transplanting stage; JT: jointing stage; HD: heading stage; GF: grain-filling stage; MT: maturity stage; PWC: Permanent wilting coefficient. * and ** besides the same soil layer indicate that the mean value (= 3) of each treatment was significant difference at< 0.05 and< 0.01, respectively. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

2個高粱生長季內(nèi), 不同處理間的土壤質(zhì)量含水量差異表現(xiàn)為60 cm以下大于60 cm以上, 且隨土層深度增加, 條帶壟覆處理的土壤質(zhì)量含水量波動越小; 在不同生育時期上, 2020生長季以移栽期最大、抽穗期最小, 2021生長季則以拔節(jié)期最大、成熟期最小(圖5)。

2.4 條帶壟覆橫坡種植對高粱田土壤水分利用的影響

2.4.1 對高粱田耗水量和水分利用效率的影響

由表2可知, 條帶壟覆橫坡種植顯著增加高粱對土壤貯水的調(diào)用。2020和2021高粱生長季, 條帶壟覆處理土壤貯水消耗量分別平均較CK顯著增加65.5 mm和78.8 mm, 其中RFM、RSM分別增加60.3 mm和83.9 mm, 以條帶壟覆玉米整稈處理的土壤貯水消耗量較大。年際間比較, 2021高粱生長季條帶壟覆處理土壤貯水消耗總量平均為124.1 mm, 比2020生長季多耗水32.0 mm, 表明條帶壟覆處理對土壤貯水的利用在降水偏多年更為徹底, 主要與降水偏多年(2021)高粱生長旺盛, 生長需水量較大有關。

條帶壟覆橫坡種植提高土壤貯水消耗量的同時,高粱生育期間的農(nóng)田耗水量也同步提高, 而水分利用效率則下降。2020和2021高粱生長季, 條帶壟覆處理高粱農(nóng)田總耗水量分別平均比CK增加30.5%和28.7%, 對應耗水增量分別為161.5 mm和180.7 mm, 其中RFM、RSM處理分別比CK增加24.2%和35.0%, 對應耗水增量分別為139.6 mm和202.6 mm, 以RSM處理農(nóng)田耗水量較大。但伴隨農(nóng)田耗水量的顯著增加, 2個條帶壟覆處理的水分利用效率顯著低于CK。2020和2021高粱生長季, 條帶壟覆處理的水分利用效率分別平均較CK顯著下降17.6%和16.1%, 其中RFM、RSM處理分別較CK顯著下降12.5%和21.2%, 以RSM處理降幅較大。

2.4.2 對0～100 cm各土層土壤貯水消耗量的影響

條帶壟覆橫坡種植0～100 cm土層土壤貯水量普遍高于CK (表3)。2020和2021高粱生長季, 條帶壟覆處理土壤貯水量平均比CK增加2.42倍和1.18倍, 其中RFM、RSM處理分別比CK高1.78倍和2.39倍。2個生長季, 處理間0～100 cm土壤貯水消耗量均表現(xiàn)為RSM > RFM > CK。各處理0～100 cm各土層耗水量的變異系數(shù), 降水偏少的2020生長季為CK (172.3%) > RSM (50.7%) > RFM (26.7%), 降水偏多的2021生長季為CK (79.9%) > RFM (30.6%) > RSM (24.3%)。表明條帶壟覆橫坡種植高粱對各土層土壤貯水的消耗更為均衡。

表2 高粱農(nóng)田耗水量及水分利用效率

處理同圖1。同一年度同一列數(shù)字標明的不同小寫字母表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different lowercase letters stand for significance at the 0.05 probability level.

比較條帶壟覆處理與露地種植在各土層耗水的差異, 2個生長季條帶壟覆處理與CK的差異均主要集中在20～100 cm土層, 2020和2021生長季20～100 cm土層分別較CK多耗水64.1 mm和73.5 mm, 分別占多耗水總量比例的97.7%和93.2%。表明條帶壟覆處理增強了高粱對20～100 cm土層土壤貯水的調(diào)用, 以RSM處理的調(diào)用能力較強。

表3 不同處理下0～100 cm各土層土壤貯水消耗量

處理同圖1。同一年度同一列數(shù)字標明的不同小寫字母表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different little letters stand for significance at the 0.05 probability level.

2.4.3 對高粱階段耗水的影響 由表4可知, 高粱耗水主要集中在移栽至拔節(jié)階段的中前期和灌漿至成熟階段的中后期, 這2個生育階段的耗水量分別占高粱全生育期總量的54%～70%和30%～44%, 而生育中期(抽穗至灌漿) 的耗水比例較小, 甚至在降水的補充下, 土壤水分略有增加(占總耗水的比例為負值)。條帶壟覆橫坡種植能顯著影響黃壤坡耕地高粱生育各階段耗水狀況及其占總耗水量的比例(表4)。RFM處理的耗水量除在2020年的抽穗至灌漿階段和2021年的移栽至拔節(jié)階段分別較CK顯著下降18.3 mm和23.8 mm外, 2個生長季高粱生育各階段耗水量較CK顯著增加14.0～95.5 mm, 最大增幅分別在移栽至拔節(jié)階段(2020)和拔節(jié)至抽穗階段(2021)。RSM處理的耗水量除2020年在抽穗至灌漿階段略有下降外, 2個生長季高粱生育各階段耗水量較CK顯著增加33.6～93.2 mm, 最大增幅分別在拔節(jié)至抽穗階段(2020)和灌漿至成熟階段(2021)。進一步分析各處理高粱生育各階段耗水占總耗水的比例發(fā)現(xiàn), 除2020年移栽至拔節(jié)階段和2021年抽穗至灌漿階段條帶壟覆處理的耗水比例較CK顯著增加4.4～10.9個百分點和5.1～9.0個百分點外, 其余生育各階段耗水量占總耗水的比例呈降低趨勢, 原因是條帶壟覆處理的耗水總量較CK增加134.8～ 217.0 mm。

以上結果表明, 在黃壤坡耕地橫坡種植模式下, 采用地膜和秸稈條帶壟覆處理增加了高粱多數(shù)生育階段的耗水量, 主要原因: 一是該區(qū)高粱生長內(nèi)降水補充相對充足, 條帶壟覆處理能明顯提高降水的有效性(表1), 能持續(xù)提供較好的土壤水分條件(圖5和表3), 是高粱各階段耗水量普遍增加的必要條件; 二是條帶壟覆處理較好的土壤水分條件對高粱生長的促進作用(表5), 而較大的高粱群體進一步增加了高粱生長對水分的消耗。顯然, 條帶壟覆處理高粱前期耗水量的增加有利于移栽苗成活和返青后植株的形態(tài)建成, 可為高粱增產(chǎn)奠定必要的物質(zhì)基礎, 而灌漿期以后耗水的增加, 有利于高粱籽粒灌漿增重而增產(chǎn)。

2.5 條帶壟覆橫坡種植對高粱產(chǎn)量和主要農(nóng)藝性狀的影響

橫坡種植模式下, 條帶壟覆橫坡種植能顯著增加旱地高粱籽粒產(chǎn)量和生物量, 降低收獲指數(shù)(表5)。2個高粱生長季, 2個條帶壟覆處理高粱籽粒平均產(chǎn)量達6143.1 kg hm-2, 較CK平均顯著增產(chǎn)7.3%, 增加成熟期生物量17.3%, 降低收獲指數(shù)顯著下降2.5個百分點, 主要原因是條帶覆蓋處理條件下高粱成熟期秸稈產(chǎn)量增幅(21.3%)大幅高于籽粒產(chǎn)量增幅(7.3%)所致, 這說明條帶壟覆處理對高粱成熟期秸稈產(chǎn)量的影響大于籽粒產(chǎn)量。2個條帶壟覆處理間比較可見, RFM與RSM處理的收獲指數(shù)2季均無顯著差異, 但RFM處理的生物量和籽粒產(chǎn)量均在2021生長季分別顯著高于RFM處理5.5%和3.8%, 2020生長季無顯著差異。表明黃壤旱坡地橫坡種植模式下, 高粱田條帶壟覆玉米整稈具有與條帶壟覆地膜相近的增產(chǎn)潛力。

表4 高粱各生育階段耗水量及其占總耗水量的比例

處理同圖1。同一年度同一列數(shù)字標明的不同小寫字母表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平差異顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Mean value (= 3) within columns followed by different lowercase letters stand for significance at the 0.05 probability level.

表5 高粱產(chǎn)量和主要農(nóng)藝指標

同一年度同一列數(shù)字標明的不同小寫字母表示各處理的平均值(= 3)在< 0.05水平差異顯著。處理同圖1。

GY: grain yield; TKW: 1000-kernel weight; KPS: kernels per spike; WUE: water use efficiency; HI: harvest index; SKW: spike kernel weight; SYM: straw yield in maturity. Mean value (= 3) within columns followed by different little letters stand for significance at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

產(chǎn)量要素間比較可知, 條帶壟覆處理能增加高粱穗粒數(shù)和千粒重, 進而顯著提高單穗粒重(表5)。2020、2021生長季, 2個條帶壟覆處理高粱分別平均比CK顯著增加千粒重3.6%和4.6%, 增加穗粒數(shù)12.7%和4.0%, 增加單穗粒重19.1%和8.7%。相關分析表明(表6), 高粱產(chǎn)量與穗粒數(shù)(= 0.88**)、千粒重(= 0.63**)和單穗粒重(= 0.90**)均呈極顯著正相關, 與收獲指數(shù)(=-0.89**)呈極顯著負相關, 而收獲指數(shù)與千粒重(=-0.66**)、穗粒數(shù)(=-0.83**)和單穗粒重(=-0.89**)均呈極顯著負相關。進一步分析高粱成熟期秸稈產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量要素的關系可見(表6), 高粱籽粒產(chǎn)量與成熟期秸稈產(chǎn)量(=-0.91**)呈極顯著正相關, 而成熟期秸稈產(chǎn)量與單穗粒數(shù)(= 0.85**)、千粒重(= 0.69**)、穗粒數(shù)(= 0.95**)均呈極顯著正相關, 與收獲指數(shù)(=-0.89**)呈極顯著負相關。表明采用育苗移栽保證高粱單位面積種植株數(shù)一致的條件下, 在西南黃壤旱坡農(nóng)田橫坡種植模式下, 條帶壟覆溝植高粱顯著增產(chǎn)的主要原因是單穗粒重的顯著提升, 而單穗粒重的增加受穗粒數(shù)和千粒重的協(xié)同促進, 其中穗粒數(shù)對高粱單穗粒重和籽粒產(chǎn)量的影響大于千粒重, 同時也表明條帶壟覆處理在促進高粱生長的同時, 秸稈終產(chǎn)量的大幅增加導致了冗余生長增加, 這會進一步降低收獲指數(shù), 但秸稈終產(chǎn)量的增加是籽粒增產(chǎn)必備的物質(zhì)基礎(= 0.69**～0.89**)。

2.6 高粱產(chǎn)量與水分利用的關系

由表6可知, 條帶壟覆橫坡種植高粱籽粒產(chǎn)量和高粱秸稈終產(chǎn)量均與全生育期0～100 cm土壤平均貯水量、生育期耗水總量、拔節(jié)至抽穗和灌漿至成熟階段耗水量均呈顯著或極顯著正相關(= 0.51*～0.87**), 與水分利用效率呈極顯著負相關(= –0.80**), 與移栽至拔節(jié)和抽穗至灌漿階段耗水量呈正相關趨勢, 而全生育期耗水總量與水分利用效率呈極顯著負相關(= –0.98**)。表明在西南黃壤坡耕地橫坡種植模式下, 條帶壟覆處理高粱籽粒產(chǎn)量的增加以高耗水為代價, 但耗水量增加對高粱秸稈終產(chǎn)量的影響(= 0.94**)大于籽粒產(chǎn)量(= 0.87**), 條帶壟覆處理在改善土壤水分狀況的同時, 增加高粱生育各階段耗水均有利于高粱生長發(fā)育而促進增產(chǎn), 其中增加移栽至抽穗(= 0.53*～0.62**)和灌漿至成熟階段(= 0.81**)的耗水可顯著促進高粱植株生長, 進而實現(xiàn)籽粒增產(chǎn)(= 0.51*～0.81**), 但增加耗水不利于水分利用效率提升, 尤其是抽穗前(= –0.58*～ –0.64**)和灌漿之后(= –0.62**)水分的過度消耗會明顯增加秸稈產(chǎn)量(= 0.81**), 導致收獲指數(shù)顯著下降, 進一步顯著降低水分利用效率(= –0.57*～ –0.98**)。

分析產(chǎn)量要素與水分利用的關系可知, 單穗粒重、千粒重和穗粒數(shù)與全生育期0～100 cm土壤平均貯水量、生育期耗水總量、生育各階段耗水量均呈正相關關系(= 0.25～0.94**), 與水分利用效率和收獲指數(shù)均呈極顯著負相關(=-0.66**～-0.94**)。表明條帶壟覆橫坡種植通過改善土壤墑情, 為作物增產(chǎn)提供了較多的可利用土壤水來影響高粱物質(zhì)積累和分配, 增加移栽至拔節(jié)和灌漿至成熟階段耗水能顯著增加穗粒數(shù)(= 0.65**～0.88*), 增加拔節(jié)至灌漿階段耗水可顯著增加千粒重(= 0.53*～0.85**), 但灌漿之后耗水的增加對穗粒數(shù)的增益作用是光合產(chǎn)物較多, 籽粒較少出現(xiàn)因養(yǎng)分不足, 發(fā)生自然凋亡現(xiàn)象而維持較高的穗粒數(shù), 因為開花結實在前, 籽粒灌漿在后。

表6 高粱產(chǎn)量與土壤水分利用的相關關系

*和**分別表示在< 0.05和< 0.01水平顯著相關。GY: 籽粒產(chǎn)量; SYM: 秸稈終產(chǎn)量; SKW: 單穗粒重; TKW: 千粒重; KPS: 穗粒數(shù); HI: 收獲指數(shù); SWS: 0～100 cm土壤平均貯水量; WUE: 水分利用效率; TWC: 農(nóng)田耗水總量; I: 移栽至拔節(jié)階段; II: 拔節(jié)至抽穗; III: 抽穗至灌漿階段; IV: 灌漿至成熟階段。

*and**indicate significant correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively. GY: grain yield; SYM: straw yield in maturity; SKW: spike kernel weight; TKW: 1000-kernel weight; KPS: kernels per spike; HI: harvest index; TWC: total water consumption of field; SWS: average storage water in 0-100 cm soil depth; WUE: water use efficiency; TWC: water consumption from transplanting stage to maturity stage; I: transplanting stage to jointing stage; II: jointing stage to heading stage; III: heading stage to grain-filling stage; IV: grain-filling stage to maturity stage.

綜上可知, 玉米整稈和地膜條帶壟覆橫坡種植均可顯著改善黃壤坡耕地高粱農(nóng)田土壤墑情, 優(yōu)化高粱耗水結構, 將有限的水分更多地用于移栽至拔節(jié)階段營養(yǎng)生長及灌漿至成熟階段籽粒灌漿, 有利于高粱結實和籽粒增重, 最終實現(xiàn)增產(chǎn)。

2.7 條帶壟覆橫坡種植對高粱經(jīng)濟效益的影響

條帶壟覆橫坡種植明顯影響高粱種植的總收入、純收益和產(chǎn)投比(表7)。2020、2021生長季, 條帶壟覆橫坡種植平均分別較CK增加總收入2996.0元 hm-2、3863.6元 hm-2, 但RFM降低了純收益和產(chǎn)投比, RSM則相反。與CK相比, RFM處理的純收益和產(chǎn)投比平均分別下降1502.6元 hm-2和32.6%, RSM則平均分別提高2962.9元 hm-2和2.3%, 主要原因是條帶壟覆膜處理在人工、地膜及機械投入上均有明顯增加, 勞動強度較大。2個條帶壟覆處理間比較可見, RSM處理的純收益和產(chǎn)投比分別平均較RFM提高4465.5元 hm-2和43.9%。表明條帶壟覆膜處理雖然實現(xiàn)了高粱的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn), 但并沒有增加純收益, 具有增產(chǎn)不增收的特點, 條帶壟覆玉米整稈是較條帶壟覆地膜和傳統(tǒng)露地平作更為高效的生產(chǎn)方式, 在提高高粱產(chǎn)投比, 增加純收益的同時, 兼顧實現(xiàn)了降水和秸稈就地資源化利用, 可供西南秸稈資源豐富地區(qū)選擇使用。

表7 不同處理的經(jīng)濟效益分析

各指標計算方法見1.3.5節(jié)。處理同圖1。

See section 1.3.5 for calculation methods of each index. OR: the total output revenue; NEB: net economic benefit; O/I: output/input. Treatments are the same as those given in Fig. 1.

3 討論

3.1 橫坡壟作與覆蓋對地表徑流損失的影響

水土流失是我國西南丘陵坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的一個主要問題[36], 且降雨是影響水土流失的主要因素[37]。本研究結果表明, 與傳統(tǒng)露地橫坡平作種植相比, 在橫坡壟作模式下, 采用地膜和玉米整稈壟覆蓋能顯著降低徑流深度和徑流系數(shù), 顯著增加降雨土壤蓄水量和納水系數(shù)(表1), 這與Bombino等[38]、周清超等[39]的研究結果一致。一是本研究土壤類型為黃壤土, 黃壤黏粒質(zhì)量分數(shù)大, 穩(wěn)滲速率高, 產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主, 超滲產(chǎn)流為輔[39], 這可能是條帶壟覆處理徑流量顯著下降的土壤質(zhì)地原因, 因此條帶壟覆處理在坡耕地不同土壤質(zhì)地農(nóng)田地表徑流的影響差異還有待進一步研究; 二是橫坡壟作改變了土表微地形, 能有效攔截和分散坡面徑流, 降低了地表徑流流速, 增加降水土壤蓄水量, 減緩坡面水分流失[15]; 三是壟覆蓋地膜和玉米整稈均在一定程度上保護了壟面與土壤不直接接觸降水,避免局部土壤表層形成結皮, 但由于玉米整稈壟覆蓋后土表較地膜覆蓋后更粗糙, 降雨入滲面積也變得更大, 從而導致地膜壟覆條件下的徑流量大于玉米整稈壟覆; 同時由于地膜的不透水性, 壟上覆膜處理雖降低了滲水面積, 但對坡面徑流的分散作用得到加強, 滲入壟體的水分在薄膜的阻礙作用下不易散失, 這可能是壟覆膜處理的徑流流失量介于玉米整稈壟覆和傳統(tǒng)橫坡平作處理之間的一個重要原因。此外, 還有研究表明, 坡耕地秸稈覆蓋的產(chǎn)流量還受秸稈覆蓋量、覆蓋方式及秸稈粉碎程度等因素的影響[40]。因此, 在具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中, 適宜的秸稈覆蓋措施除了要考慮其持水保水效果外, 同時應兼顧考慮作物生長發(fā)育與經(jīng)濟成本問題。一方面是不當?shù)慕斩捀采w措施不利于作物生長發(fā)育, 同時秸稈覆蓋措施的選擇需以指導農(nóng)民生產(chǎn)實踐為前提,不當?shù)母采w量和覆蓋過程會增加不必要的人力、物力消耗, 從而增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的經(jīng)濟成本, 不利于秸稈覆蓋耕作措施的推廣和秸稈資源化就地利用[25]; 另一方面是在秸稈覆蓋條件下, 秸稈覆蓋量超過一定值后, 降雨徑流的減少量幾乎不變[41]。本研究中采用玉米整稈壟面局部覆蓋方式, 玉米整稈用量為8 t hm–2(約為當?shù)?公頃土地上玉米稈風干重質(zhì)量), 取得了截留降雨的良好效果, 其中就考慮到了生產(chǎn)實踐中盡可能不增加秸稈運輸、轉移費用, 但是否是該模式下的最佳秸稈覆蓋量仍需進一步研究。

與橫坡裸地平作相比, 沿橫坡方向上修筑的土壟改變了坡面微地貌, 增大了地面粗糙度和地表水流阻力, 橫坡壟作無覆蓋條件也能促進更多水流入滲而減少徑流量, 其主要原因是橫壟壟臺能有效將泥沙攔截在壟溝內(nèi), 同時橫壟壟臺對坡面攜沙水流流速具有強烈的削減作用, 導致橫坡壟作無覆蓋處理對降水的減流作用強于橫坡露地平作處理, 但橫坡壟作無覆蓋處理在強降雨條件下會發(fā)生壟臺被沖垮現(xiàn)象, 不利于坡面土壤水分保持[42]。還有研究發(fā)現(xiàn)橫坡壟作無覆蓋對降雨徑流的影響與坡位、坡度、壟寬、溝深及作物種類有關[33,43-44], 因而在本研究區(qū)域, 橫坡壟作無覆蓋處理對高粱農(nóng)田降雨徑流的影響需進一步系統(tǒng)研究。

3.2 橫坡壟作與覆蓋對作物產(chǎn)量和水分利用的影響

季節(jié)性干旱是制約西南旱坡耕地高粱生產(chǎn)的瓶頸, 圍繞如何最大限度地增加雨季土壤蓄水和減少旱季土壤蒸發(fā), 提高土壤蓄水保墑能力開展的研究一直是該區(qū)域水分高效利用研究的重點[45]。橫坡壟作+地表覆蓋技術一方面可以將壟上的雨水收集到溝中; 另一方面可以在一定程度上攔截順坡方向的徑流, 進而快速提高近根區(qū)土壤水分含量[20]。同時地表覆蓋可以有效降低土壤水分無效蒸發(fā), 改善種植區(qū)域土壤水分狀況, 進而影響作物生長, 但橫坡壟作+地表覆蓋模式對土壤水分的影響因降水條件、覆蓋材料和覆蓋模式的不同而存在差異[23]。Wang等[40]在東北玉米帶坡耕地的研究表明, 橫坡種植模式下, 在玉米苗期采用秸稈粉碎全地面覆蓋處理的土壤蓄水保墑效果最好。林超文等[20]在四川丘陵紫色土區(qū)的研究表明, 在橫坡壟作模式下, 秸稈粉碎全地面覆蓋處理能顯著提高雨水的土壤蓄積量, 顯著提高降水的有效性, 其效果優(yōu)于地膜覆蓋。范成五等[5]在黔中黃壤坡耕地的研究表明, 優(yōu)化施肥條件下, 秸稈覆蓋+橫坡壟作+等高植物籬模式對降水的截流效果最好, 產(chǎn)流量較順坡常規(guī)耕作下降25%。本研究結果表明, 2個高粱生育期內(nèi)均以玉米整稈條帶壟覆溝植處理土壤蓄水效果最好, 這是由于玉米整稈壟覆處理顯著增加了地表粗糙度和雨水入滲面積, 較壟上覆膜和常規(guī)橫坡種植明顯增大了降雨入滲面積, 導致其對降雨的截流效果加強, 同時壟覆整秸稈具有降低土壤溫度的效果, 使抑制土壤無效蒸發(fā)的能力變強, 因而玉米整稈條帶壟覆溝植處理的蓄水保墑能力強于地膜條帶壟覆溝植處理, 這與Chen等[29]在馬鈴薯上的研究結果相似。

有研究認為, 覆蓋的真正作用是改變了土壤耗水結構, 增加蒸騰散發(fā)比, 使得水分更多用于生產(chǎn)性消耗, 進而顯著提升水分利用效率[46]。從本研究結果來看, 黃壤坡耕地橫坡種植模式下, 條帶壟覆處理平均顯著增加農(nóng)田耗水量29.5%, 增產(chǎn)7.3%, 降低水分利用效率17.0%, 分析原因: 一是高粱生育期間耗水量的85%以上來源于降水土壤蓄水量(表2), 而2個條帶壟覆處理的降水土壤蓄水量平均較CK增加94.0 mm, 對應的產(chǎn)量增幅為418.0 kg hm–2, 折算水分生產(chǎn)效率僅為4.64 kg hm–2mm–1, 較CK的平均值9.87 kg hm–2mm–1下降52.9%; 二是條帶壟覆處理較好的土壤水分環(huán)境促進了高粱生長發(fā)育和干物質(zhì)積累, 促進了高粱穗分化和籽粒結實, 穗粒數(shù)平均顯著增加214粒, 千粒重顯著增重0.59 g (表5), 對高粱增產(chǎn)有利, 這與李富春等[47]在我國西北旱作區(qū)的研究結論一致。本研究中, 2種條帶壟覆處理雖顯著提升了高粱籽粒產(chǎn)量, 但籽粒產(chǎn)量水分利用效率反而下降。主要原因是地膜和玉米整稈條帶壟覆橫坡種植雖明顯增加降水的有效性, 這與前人在秸稈粉碎覆蓋條件下的研究結果相似[42], 但土壤水分環(huán)境的改善不但沒能完全轉化成籽粒產(chǎn)量的對應增量, 反而增加成熟期秸稈產(chǎn)量2968.4 kg hm-2,進而降低收獲指數(shù)1.9個百分點以上(表5), 這可能與高粱為稀植作物, 其產(chǎn)品器官較小麥而言分蘗成穗補充較少, 較馬鈴薯而言是遺傳限定性增大器官, 不具備馬鈴薯塊莖類似的理論無限膨大功能, 因而高粱生育中后期較好的土壤水分對籽粒產(chǎn)量的增益作用有限?？梢? 在西南黃壤旱坡耕地高粱生產(chǎn)上, 采用橫坡條帶壟覆種植技術, 其耗水量的增加對干物質(zhì)積累的影響大于籽粒產(chǎn)量, 冗余生長的增加進一步導致籽粒產(chǎn)量水分利用效率下降, 從這個角度來說, 橫坡種植模式下, 條帶壟覆處理的真正意義是增加對降水的就地資源化利用和有效蓄存, 改善作物根區(qū)土壤水分狀況, 從而提高作物產(chǎn)量。因此, 條帶壟覆橫坡種植技術雖改善了土壤水分、促進了作物生長和增加了高粱籽粒產(chǎn)量, 但水分利用效率顯著下降, 這與Wang等[27]在冬小麥上的研究結果一致。因此, 在西南坡耕地, 由于雨季降水充足, 條帶壟覆橫坡種植高粱產(chǎn)量的增加是基于對降水資源化利用和有效貯存, 有利于該區(qū)作物產(chǎn)量有效提升, 因而對于該區(qū)的旱坡耕地, 條帶壟覆橫坡種植仍是實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的有效途徑之一, 且玉米整稈條帶壟覆處理取得了與地膜條帶壟覆處理相近的蓄水保墑效果和籽粒產(chǎn)量潛力, 前者可供西南黃壤旱坡地玉米秸稈資源豐富地區(qū)選擇使用。

4 結論

在西南黃壤旱坡耕地橫坡種植模式下, 地膜和玉米整稈條帶壟覆處理較露地平作均能有效資源化利用高粱生育期降水, 有效降低地表徑流和改善土壤水分環(huán)境, 顯著增加高粱拔節(jié)至抽穗和灌漿至成熟階段耗水, 進而顯著提高高粱籽粒產(chǎn)量, 但條帶壟覆處理不利于該區(qū)水分利用效率的提高。在西南黃壤旱坡耕地橫坡種植模式下, 玉米整稈和地膜條帶壟覆蓋處理高粱具有相近的增產(chǎn)潛力, 但前者在最大限度蓄集降水資源的同時, 可將廢棄秸稈就地資源化利用, 且較后者經(jīng)濟投入低、勞動強度小, 純收益高。因此, 玉米整稈條帶壟覆是適宜該區(qū)域高粱生產(chǎn)的可用技術。

[1] 李順國, 劉猛, 劉斐, 鄒劍秋, 陸曉春, 刁現(xiàn)民. 中國高粱產(chǎn)業(yè)和種業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2021, 54: 471–482. Li S G, Liu M, Liu F, Zou J Q, Lu X C, Diao X M. Current status and future prospective of sorghum production and seed industry in China., 2021, 54: 471–482 (in Chinese with English abstract).

[2] 劉晨陽, 張蕙杰, 辛翔飛. 中國高粱產(chǎn)業(yè)發(fā)展特征及趨勢分析.中國農(nóng)業(yè)科技導報, 2020, 22(10): 1–9. Liu C Y, Zhang H J, Xin X F. Analysis of the development characteristics and trends of sorghum industry in China., 2020, 22(10): 1–9 (in Chinese with English abstract).

[3] 國家統(tǒng)計局. 2021年中國高粱種植及生產(chǎn)情況. 騰訊[2022-09-06]. https://xw.qq.com/amphtml/20220411A01GCF00. State Statistical Bureau. Sorghum cultivation and production in China in 2021. Tencent. [2022-09-06]. https://xw.qq.com/amphtml/ 20220411A01GCF00 (in Chinese).

[4] Liang S M, Cai R, Wang P J, Wang X T, Li Y S, Xu F H, Wang Y, Dai Y Q, Zhang L, Li X P, Zhan K, Yang Q F, Sui Q J. Improvements of emergence and tuber yield of potato in a seasonal spring arid region using plastic film mulching only on the ridge., 2018, 223: 57–65.

[5] 范成五, 羅益, 王文華, 張邦喜, 秦松, 蔡景行．不同管理措施對黃壤坡耕地徑流氮輸出的控制效果. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2014, 33: 1948–1955. Fan C W, Luo Y, Wang W H, Zhang B X, Qin S, Cai J H. Effects of different management practices on nitrogen runoff losses from sloping yellow soil., 2014, 33: 1948–1955 (in Chinese with English abstract).

[6] 代姝瑋, 楊曉光, 趙孟, 李勇, 王文峰, 劉志娟. 氣候變化背景下中國農(nóng)業(yè)氣候資源變化: II. 西南地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源時空變化特征. 應用生態(tài)學報, 2011, 22: 442–452. Dai S W, Yang X G, Zhao M, Li Y, Wang W F, Liu Z J. Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change: II. Spatiotemporal change characteristics of agricultural climate resources in Southwest China., 2011, 22: 442–452 (in Chinese with English abstract).

[7] 高仁才, 陳松鶴, 馬宏亮, 莫飄, 肖云, 張雪, 樊高瓊．秋閑期秸稈覆蓋與氮肥減施對旱地冬小麥干物質(zhì)積累、結實特性和產(chǎn)量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2022, 28: 426–439. Gao R C, Chen S H, Ma H L, Mo P, Xiao Y, Zhang X, Fan G Q. Effects of straw mulching in autumn and reducing nitrogen application on dry matter accumulation, seed-setting characteristics and yield of dryland winter wheat., 2022, 28: 426–439 (in Chinese with English abstract).

[8] 陳尚洪, 陳紅琳, 沈?qū)W善, 李麗君, 劉定輝. 不同覆蓋方式對川中丘陵區(qū)春玉米干物質(zhì)積累與轉運的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2013, 31(5): 74–78. Chen S H, Chen H L, Shen X S, Li L J, Liu D H. Study on dry matter accumulation and translocation of spring maize under different mulching methods in hilly area of central Sichuan Basin., 2013, 31 (5): 74–78 (in Chinese with English abstract).

[9] 趙甘霖, 丁祥祥, 劉天朋, 倪先林, 龍文靖, 汪小楷, 李元, 向箭宇. 四川省釀酒糯高粱高質(zhì)量發(fā)展對策. 釀酒科技, 2021, (1): 138–141.Zhao G L, Ding X X, Liu T P, Ni X L, Long W J, Wang X K, Li Y, Xiang J Y. High-quality development strategy of liquor-making glutinous sorghum in Sichuan., 2021, (1): 138–141 (in Chinese with English abstract).

[10] 鄒劍秋, 王艷秋, 柯福來. 高粱產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望. 山西農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版), 2020, 40(3): 2–8. Zou J Q, Wang Y Q, Ke F L. Developing situation and prospect forecast of sorghum industry in China.(Nat Sci Edn), 2020, 40(3): 2–8 (in Chinese with English abstract).

[11] 蔣太明. 貴州喀斯特山區(qū)黃壤水分動態(tài)及其影響因素, 西南大學博士學位論文, 重慶, 2007. Jiang T M. Moisture Dynamic in Yellow Soil and Its Environmental Factors in Karst Mountainous Area of Guizhou. PhD Dissertation of Southwest University, Chongqing, China, 2007 (in Chinese with English abstract).

[12] 王龍昌, 謝小玉, 張臻, 薛蘭蘭, 鄒聰明, 胡小東. 論西南季節(jié)性干旱區(qū)節(jié)水型農(nóng)作制度的構建. 西南大學學報(自然科學版), 2010, 32(2): 1–6. Wang L C, Xie X Y, Zhang, Xue L L, Zou C M, Hu X D. On establishment of a water-saving farming system in seasonal drought regions of southwest China.(Nat Sci Edn), 2010, 32 (2): 1–6 (in Chinese with English abstract).

[13] 邢毅, 張抗萍, 王志遠, 張小短, 武海燕, 冉泰霖, 向信華, 王龍昌. 西南旱地油菜田土壤水分和作物光合特征對覆蓋材料和壟溝比的響應. 應用生態(tài)學報, 2020, 31: 3461–3472. Xing Y, Zhang K P, Wang Z Y, Zhang X D, Wu H Y, Ran T L, Xiang X H, Wang L C. Responses of soil moisture and photosynthetic to mulching materials and ridge-to-furrow ratios in rapeseed fields in southwest dryland of China., 2020, 31: 3461–3472 (in Chinese with English abstract).

[14] 安龍龍, 鄭子成, 王永東, 李廷軒, 楊李嬌. 耕作措施對玉米生長期黃壤坡耕地徑流及可溶性有機碳流失的影響. 水土保持學報, 2022, 36(5): 75–81. An L L, Zheng Z C, Wang Y D, Li T X, Yang L J. Effects of tillage practices on runoff and dissolved organic carbon loss from yellow soil sloping farmland during maize growth periods., 2022, 36(5): 75–81 (in Chinese with English abstract).

[15] 蓋浩, 劉平奇, 張夢璇, 陳柏旭, 王迎春, 王立剛. 黑土坡耕地橫坡壟作對減少徑流及土壤有機碳流失的作用. 水土保持學報, 2022, 36(2): 300–304. Gai H, Liu P Q, Zhang M X, Chen B X, Wang Y C, Wang L G. Effects of ridge planting on reducing runoff and soil organic carbon loss in black soil slope., 2022, 36(2): 300–304 (in Chinese with English abstract).

[16] 程鵬, 廖超林, 肖其亮, 彭華, 簡燕, 胥愛平, 朱堅. 橫坡壟作和秸稈覆蓋對紅壤坡耕地氮磷流失的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2022, 41: 1036–1046. Cheng P, Liao C L, Xiao Q L, Peng H, Jian Y, Xu A P, Zhu J. Effects of cross slope ridge cultivation and straw mulching on nitrogen and phosphorus loss in red soil slope farmland., 2022, 41: 1036–1046 (in Chinese with English abstract).

[17] 殷清慧, 謝世友. 黔中喀斯特山區(qū)坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙對無籽刺梨種植的響應. 水土保持學報, 2022, 36(5): 90–96. Yin Q H, Xie S Y. Response of runoff and sediment yield of sloping farmland to rosa sterilis S.D. shiplanting in Karst Mountainous area of central Guizhou., 2022, 36(5): 90–96 (in Chinese with English abstract).

[18] 劉灝, 伍燕翔, 徐麟葉, 葉賢貴, 王宗瓊. 翠屏區(qū)高粱地膜覆蓋膜側栽培節(jié)水抗旱技術示范. 南方農(nóng)業(yè), 2015, 9(21): 74–75. Liu H, Wu Y X, Xu Y L, Ye X G, Wang Z Q. Demonstration of water-saving and drought-resistant technology of sorghum in Cuiping district., 2015, 9(21): 74–75 (in Chinese).

[19] Qin Y Q, Chai Y W, Li R, Ma J T, Cheng H B, Chang L, Chai S X. Evaluation of straw and plastic film mulching on wheat production: a meta-analysis in Loess Plateau of China., 2022, 275: 108333.

[20] 林超文, 羅春燕, 龐良玉, 付登偉, 黃晶晶, 涂仕華, 張新全. 不同覆蓋和耕作方式對紫色土坡耕地降雨土壤蓄積量的影響. 水土保持學報, 2010, 24(3): 213–216. Lin C W, Luo C Y, Pang L Y, Fu D W, Huang J J, Tu S H, Zhang Q X. Influence of mulching and tillage methods on the rainfall storage by soil in purple soil area., 2010, 24(3): 213–216 (in Chinese with English abstract).

[21] Hu Q, Li X Y, Gon?alves J M, Shi H B, Tian T, Chen N. Effects of residual plastic-film mulch on field corn growth and productivity., 2020, 729: 138901.

[22] Liu B S, Li W F, Pan X L, Zhang D Y. The persistently breaking trade-offs of three-decade plastic film mulching: microplastic pollution, soil degradation and reduced cotton yield., 2022, 439: 129586.

[23] Kader M A, Senge M, Mojid M A, Ito K. Recent advances in mulching materials and methods for modifying soil environment., 2017, 168: 155–166.

[24] Yu Y Y, Turner N C, Gong Y H, Li F M, Fang C, Ge L J, Ye J S. Benefits and limitations to straw- and plastic-film mulch on maize yield and water use efficiency: a meta-analysis across hydrothermal gradients., 2018, 99: 138–147.

[25] Lu X J, Li Z Z, Sun Z H, Bu Q G. Straw mulching reduces maize yield, water, and nitrogen use in northeastern China., 2015, 107: 406–414.

[26] Keesstra S D, Rodrigo-Comino J, Novara A, Giménez-Morera A, Pulido M, Prima S D, Cerdà A. Straw mulch as a sustainable solution to decrease runoff and erosion in glyphosate-treated Clementine plantations in Eastern Spain. An assessment using rainfall simulation experiments., 2019, 174: 95–103.

[27] Wang J, Ghimire R, Fu X, Sainju U M, Liu W Z. Straw mulching increases precipitation storage rather than water use efficiency and dryland winter wheat yield., 2018, 206: 95–101.

[28] 陳玉章, 田慧慧, 李亞偉, 柴雨葳, 李瑞, 程洪波, 常磊, 柴守璽. 秸稈帶狀溝覆壟播對旱地馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響. 作物學報, 2019, 45: 714–727. Chen Y Z, Tian H H, Li Y W, Chai Y W, Li R, Cheng H B, Chang L, Chai S X. Effects of straw strip mulching on furrows and planting in ridges on water use efficiency and tuber yield in dryland potato., 2019, 45: 714–727 (in Chinese with English abstract).

[29] Chen Y Z, Chai S X, Tian H H, Chai Y W, Li Y W, Chang L, Cheng H B. Straw strips mulch on furrows improves water use efficiency and yield of potato in a rainfed semiarid area., 2019, 211: 142–151.

[30] Wang Q, Wang X Y, Zhang D K, Zhou X J, Mak-Mensah E, Zhao X L, Zhao W C, Ghanney P, Haider F U, Liu Q L, Li G, Li X L, Li Y J, Majeed Y. Selection of suitable type and application rate of biochar for alfalfa (L.) productivity in ridge-furrow rainwater-harvesting in semiarid regions of China., 2022, 277: 108428.

[31] 牟廷森, 沈海鷗, 賀云鋒, 李春麗, 郭聃, 劉殿民. 黑土區(qū)壟作方式對坡耕地土壤侵蝕的調(diào)控效果. 水土保持通報, 2022, 42(2): 22–30. Mou T S, Shen H O, He Y F, Li C L, Guo D, Liu D M. Effects of ridge tillage patterns on soil erosion of sloping croplands in black soil region of northeastern China., 2022, 42(2): 22–30 (in Chinese with English abstract)

[32] 李菲, 李曉光. 不同水土保持耕作措施對降雨徑流、產(chǎn)沙及土壤水蝕特性的影響. 鄉(xiāng)村科技, 2022, 13(10): 142–146. Li F, Li X G. Effects of different soil and water conservation tillage practices on rainfall runoff, sediment yield and soil water erosion characteristics., 2022, 13(10): 142–146 (in Chinese).

[33] 毛妍婷, 崔榮陽, 陳安強, 平鳳超, 雷寶坤. 壟作方向?qū)Σ煌挛患t壤坡耕地耕層土壤水分特征曲線的影響. 土壤通報, 2022, 53: 308–314. Mao Y T, Cui R Y, Chen A Q, Ping F C, Lei B K. Effects of ridge directions on water characteristic curves of cultivated top-layer soils in different slope positions., 2022, 53: 308–314 (in Chinese with English abstract).

[34] 楊帥, 尹忠, 鄭子成, 李廷軒. 四川黃壤區(qū)玉米季坡耕地自然降雨及其侵蝕產(chǎn)沙特征分析. 水土保持學報, 2016, 30(4): 7–12. Yang S, Yin Z, Zheng Z C, Li T X. Characteristics of natural rainfall and sediment yield of sloping cropland of the yellow soil area in Sichuan during corn growth season., 2016, 30(4): 7–12 (in Chinese with English abstract).

[35] 中華人民共和國水利部. (87)水電農(nóng)水字第36號. 水土保持試驗規(guī)范, 1988. pp 13–31. Ministry of Water Resources of the people’s Republic of China. (87) Hydropower Nongshui Zi No. 36. Soil and Water Conservation Test Code, 1988. pp 13–31 (in Chinese).

[36] 盤禮東, 李瑞, 張玉珊, 黎慶貴, 高家勇, 袁江. 西南喀斯特區(qū)坡耕地秸稈覆蓋對土壤生態(tài)化學計量特征及產(chǎn)量的影響. 生態(tài)學報, 2022, 42: 4428–4438. Pan L D, Li R, Zhang Y S, Li Q G, Gao J Y, Yuan J. Effects of straw mulching on soil ecological stoichiometry characteristics and yield on sloping farmland in karst area, southwestern China., 2022, 42: 4428–4438 (in Chinese with English abstract).

[37] 魯耀, 胡萬里, 雷寶坤, 段宗顏, 劉宏斌, 翟麗梅. 云南坡耕地紅壤地表徑流氮磷流失特征定位監(jiān)測. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2012, 31: 1544–1553. Lu Y, Hu W L, Lei B K, Duan Z Y, Liu H B, Zhai L M. The monitoring of nitrogen and phosphorus loss by surface runoff in sloping red soil fields of Yunnan province, China., 2012, 31:1544–1553 (in Chinese with English abstract).

[38] Bombino G, Denisi P, Gómez J A, Zema D A. Mulching as best management practice to reduce surface runoff and erosion in steep clayey olive groves., 2021, 9: 26–36.

[39] 周靖超, 張錫洲, 鄭子成, 李廷軒. 夏玉米種植條件下黃壤坡耕地徑流及磷素流失特征. 水土保持研究, 2023, 30(2): 81–86. Zhou J C, Zhang X Z, Zheng Z C, Li T X. Characteristics of runoff and phosphorus loss from sloping farmland in yellow soil region under the condition of summer maize growth., 2023, 30(2): 81–86 (in Chinese with English abstract).

[40] Wang J L, Shi X, Li Z Z, Zhang Y, Liu Y Q, Peng Y X. Responses of runoff and soil erosion to planting pattern, row direction, and straw mulching on sloped farmland in the corn belt of northeast China., 2021, 253: 106935.

[41] 黎慶貴. 黔西北坡耕地覆蓋措施的水土流失調(diào)控效應. 貴州師范大學碩士學位論文, 貴州貴陽, 2021. Li Q G. Soil and Water Loss Control Effect of Sloping Farmland Mulching Measures in Northwest Guizhou. MS Thesis of Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou, China, 2021 (in Chinese with English abstract).

[42] Zheng H J, Nie X F, Liu Z, Mo M H, Song Y J. Identifying optimal ridge practices under different rainfall types on runoff and soil loss from sloping farmland in a humid subtropical region of southern China., 2021, 255: 107043.

[43] 王小康, 谷舉, 劉剛, 師宏強. 橫、順坡壟作對黑土坡面侵蝕-沉積周期規(guī)律的影響. 土壤學報, 2022, 59: 430–439. Wang X K, Gu J, Liu G, Shi H Q. The influence of transverse and longitudinal ridge tillage on soil erosion and deposition cycles for mollisol slope., 2022, 59: 430–439 (in Chinese with English abstract).

[44] 沈海鷗, 溫磊磊, 武佳龍, 王宇. 壟作與壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的研究進展. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2022, 38(22): 52–62. Shen H O, Wen L L, Wu J L, Wang Y. Review on the effects of ridge pattern and ridge-furrow intervals on soil erosion of sloping farmland in the black soil region., 2022, 38(22): 52–62 (in Chinese with English abstract).

[45] 王龍昌, 謝小玉, 張賽, 趙永敢．西南地區(qū)旱作農(nóng)田節(jié)水型農(nóng)作制度研究. 北京: 科學出版社, 2021. pp 221–248. Wang L C, Xie X Y, Zhang S, Zhao Y G. Research on Water- Saving Farming System of Rainfed Farmlands in Southwest China. Beijing: Science Press, 2021. pp 221–248 (in Chinese).

[46] Naveen G, Humphreys E, Eberbach P L, Singh B, Yadav S, Kukal S S. Effects of tillage and mulch on soil evaporation in a dry seeded rice-wheat cropping system., 2021, 209: 104976.

[47] 李富春, 王琦, 張登奎. 覆蓋材料對壟溝集雨種植高粱生長特性及土壤水分、溫度的影響. 草原與草坪, 2018, 38: 35–43. Li F C, Wang Q, Zhang D K. Effects of furrow mulching materials on soil water, temperature and yield of sorghum in ridge-furrow rainwater harvesting production., 2018, 38: 35–43 (in Chinese with English abstract).

Effects of strip-mulching ridges on runoff and soil water use for sorghum in southwest yellow soil slope farmland

CHEN Yu-Zhang1,2,*, WU Song-Guo3, LU Cheng-Lin1, LI Rui1,2, GONG Li-Juan1,2, WEN Yue1, NING Jia-Xin1, and WU Yu-Han1

1College of Bioengineering, Sichuan University of Science and Technology, Yibin 644005, Sichuan, China;2Sichuan Province Engineering Techno-logy Research Center of Liquor-Making Grains, Yibin 644005, Sichuan, China;3Agricultural College, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China

Aiming at the problems such as prominent seasonal drought, large loss of precipitation and runoff, low yield-benefit of sorghum in southwest sloping farmland in China. During 2020–2021, the 7° yellow soil gentle slope cultivated land of previous spring corn was taken as the research object in the southwestern mountains area of Guizhou Province. The effects of three different treatments of traditional open field plain cropping (CK), alternating plastic film strip mulching only on ridge and furrow planting (RFM), and alternating whole maize straw strip mulching only on ridge and furrow planting (RSM) on runoff, water consumption characteristics, water use efficiency, yield and net economic benefits of sorghum were studied under the Transverse Slope Planting Model (TSPM: crop row direction is perpendicular to slope direction). Compared with CK, both RFM and RSM treatments under the TSPM significantly decreased rain-runoff depth during the whole growth period by 27.3% and 42.1% on average, and the water intake coefficient increased by 9.5 and 14.6 percentage points on average, respectively. The water consumption during the growth period of sorghum was significantly increased by the two strip-mulching only on ridges and cross planting in furrows, and the water consumption during the jointing stage to heading stage and the grain-filling stage to maturity stage were significantly (= 0.51*) and extremely significantly (= 0.81**) positively correlated with the grain yield, respectively. Compared with CK, RFM and RSM significantly increased biomass, kernels per spike and 1000-grain weight at maturity, and grain yield for sorghum was significantly increased by 8.5% and 6.2%, respectively, while water use efficiency was significantly decreased by 12.6% and 21.4%, respectively. Strip-mulching ridge treatments could increase the soil water storage of 0–100 cm soil profile during the whole sorghum growth stage, increase water consumption amount from jointing to heading and from grain-filling to maturity stage. Strip-mulching also improved the growth and development of sorghum plants and the formation of grain yield. Compared with CK, the increase of sorghum straw yield (21.4%) in maturity was significantly higher than that of grain yield (7.3%). Although the increase of straw yield reduced the water use efficiency, it was an important guarantee for grain yield increase. Compared with CK, the average net economic benefit and the output/input for RSM treatment increased by 2962.9 Yuan hm–2and 2.3%, respectively, while the average net economic benefit and the output/input for RFM treatment decreased by 1502.6 Yuan hm–2and 32.6%, respectively, due to the obvious increase of labor intensity, mechanical and plastic film input. Therefore, RSM treatment can significantly improve effectiveness of precipitation and achieve double increase yield and net economic benefit, which is a feasible model to increase the yield-income of sorghum in yellow soil slope farmland in southwest China.

strip-mulching ridge; runoff; water utilization; sorghum yield; net economic benefit

10.3724/SP.J.1006.2024.24226

本研究由四川省釀酒專用糧工程技術研究中心開放基金項目(2021-05)和宜賓五糧液股份有限公司產(chǎn)學研合作項目(CXY2021ZR010)資助。

This study was supported by the Open Found of Sichuan Province Engineering Technology Research Center of Liquor-Making Grains (2021-05) and the Production-Learning-Research Cooperation Project of Wuliangye Yibin Co. Ltd. (CXY2021ZR010).

陳玉章, E-mail: jadayz@163.com

2023-10-08;

2023-10-23;

2023-12-26.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20231226.1128.002

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