沟垄集雨种植模式下谷子种植密度对土壤水分及产量的影响

刘　启，贾志宽，连延浩，张旭东，任小龙，王俊鹏，韩清芳

(西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 农业部旱地作物生产与生态重点开放实验室， 陕西 杨凌 712100)



沟垄集雨种植模式下谷子种植密度对土壤水分及产量的影响

刘启，贾志宽，连延浩，张旭东，任小龙，王俊鹏，韩清芳

(西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 农业部旱地作物生产与生态重点开放实验室， 陕西 杨凌 712100)

摘要：为探索半干旱地区沟垄集雨种植模式下不同种植密度对旱地谷子降雨生产潜力的影响，以谷子品种大同29为试材，设置低、中、高三种留苗密度，于2013—2014年在宁南半干旱区进行了大田试验。结果表明，在两种降雨年型下，集雨各密度产量和总耗水量均随密度的升高而增加，在雨水偏少的2014年谷子总耗水量较少，中、高密度产量亦无显著差异(P>0.05)；高密度处理两年平均产量较低密度增加26.41%，总耗水量平均增加10.40%；谷子抽穗期土壤含水率、各时期0～200 cm土壤储水量及收获期供水能力在两种降雨年型下均随密度的升高而降低。WUE在多雨的2013年随留苗密度的增加而升高，在少雨的2014年则以中密度WUE最高，达到24.35 kg·mm(-1)·hm(-2)，且该年WUE平均较2013年高10.37 kg·mm(-1)·hm(-2)。

关键词：集雨种植；谷子；密度；水分利用效率

我国北方旱区因气候变化在近50年间气温升高了1.8℃，地表蒸发明显加大，水资源的供需矛盾不断加剧[1]，具体到宁南半干旱偏旱区，由于当地降雨在年际间年际内的分布极不均匀，作物春旱、“卡脖旱”时有发生[2]，谷子虽为旱地适生种，但其生产潜力的发挥仍常受制于水分的亏缺[3]。通过耕作栽培技术的创新提高降水利用率及利用效率[4-7]，是减缓旱地作物水分供需矛盾的重要途径。已有的研究及生产示范表明，旱地沟垄集雨种植技术能够改善降水的空间分配，增强种植区水分的供应能力，同时有效地抑制蒸发，具有显著的保水蓄墒效果[8-10]。集雨种植模式沟垄宽度比通常采用60 cm∶60 cm，通过垄上覆膜、沟内种植，种植沟内的水分[11]、温度[12]以及肥力状况得到了显著改善，对于玉米等大株作物来说，由于相对传统平作不涉及种植面积的损失，增产效果明显[13-15]，对于小麦等小株作物来说，种植面积损失明显，但通过分蘖调节总穗数通常也能实现增产[16-17]，而对于无分蘖谷子品种来说，在降雨量较少的旱作区作物增产幅度大于因播种面积减少而损失的产量[17-18]，在降雨更多的年份以及改变种植沟内留苗密度时的产量表现与耗水规律则尚不明确。

现有国内外文献表明，以往关于旱地集雨种植技术的研究，主要集中于沟垄比配置[19-21]、土壤养分[22-23]、适用降雨量范围[24-25]及集雨补灌[26]等方面，对于该模式下无分蘖小株作物种植密度的研究还未见相关报道。因此，本研究以宁南旱区旱地谷子集雨种植模式为对象，通过设置3种不同种植密度分析其对土壤水分状况及相应产量的影响，以期为进一步充分挖掘降雨生产潜力和完善旱地集雨栽培技术提供理论与实践依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验于2013—2014年在宁夏南部旱农试验区进行(固原市彭阳县长城村)，该地区年平均降水量430 mm左右，其中70%的降雨集中在7—9月份。年平均气温6.1℃，年平均日照时数2 518.2 h，年蒸发量1 753.2 mm，干燥度(≥0℃的蒸发量)为1.21～1.99，无霜期140～160 d。试验田为旱平地，土壤质地为黄绵土。两年试验前茬作物均为玉米，两年谷子生育期降雨总量及其分布差异巨大，具体情况见表1。

表1　2013年及2014年谷子生育期降雨量分布

1.2试验设计

试验采用随机区组设计，沟垄集雨种植模式下设置低密度(TD1)、中密度(TD2)和高密度(TD3)三种种植密度，并以平作传统经验留苗密度(CK)为对照，共4个处理(见表2)，每处理3次重复。谷子集雨种植如图1所示，沟内种植3行，相同株行距下集雨处理较同面积平作少1/4苗数。谷子播前15天整地起垄，集雨处理沟垄宽度均为60 cm，垄上覆薄膜，垄高10～15 cm，集雨与平作施肥水平均为N 180 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，整地后一次性深翻施入，集雨处理肥料集中施入到种植沟中。

表2　密度设置具体情况

供试谷子品种为大同29，2013年和2014年分别于4月20日、4月30日开沟条播，四叶期采用刻度绳定苗，保证精确控制株距；并分别于9月14日、9月24日分区收获。

1.3测定方法与数据统计

1.3.1土壤含水率采用土钻法取样，取样深度200 cm，其中前20 cm每10 cm一层，20～200 cm每20 cm一层，共分11层，取样时间为播前、收获后以及谷子生育期间各重要时期，测定方法为烘干法。

图1谷子沟垄集雨种植示意图

Fig.1Diagrammatic sketch of micro-water harvesting planting mode for foxtail millet

本研究将采用土壤含水率、土壤储水量、耗水量等指标对谷子耗水状况进行分析，其计算公式如下所示：

土壤含水率=100%×(湿土重-干土重)/(干土重-铝盒重)

(1)

土壤储水量(mm)=土层厚度(mm)×土壤含水率(%)×土壤容重

(2)

某生育阶段耗水量(mm)=前一时期土壤储水量(mm)-该时期土壤储水量(mm)+该阶段总降雨量(mm)

(3)

收获时土壤供水能力(mm)=收获时0-200cm土壤储水量(mm)-播前0-200cm土壤储水量(mm)

(4)

1.3.2产量和收获期地上部干物质量的测定成熟时平作对照每处理选取15株大小均匀并具代表性的植株进行考种和地上部干物质量的测定。由于集雨种植边行存在显著的边际效应[27]，集雨各处理边、中行分别选取15株具代表性的植株进行测定，各处理最终产量取三个重复的平均值。集雨处理产量计算方法如下：

集雨产量(kg·hm-2)=0.001×(边行穗粒重(g)×单位公顷边行穗数+中行穗粒重(g)×单位公顷中行穗数)

(5)

1.3.3统计分析采用Excel 2007对数据进行预处理，文中图表采用Sigma Plot 10.0及AutoCAD 2011绘制，数据的分析采用SPSS 13.0完成。

2结果与分析

2.1不同种植密度对抽穗期土壤含水率的影响

抽穗期为谷子生育过程中的需水关键期[3]。从图2可以看出，2013年谷子播种至抽穗，各处理40～200 cm土壤含水率较播前(BS)增加十分显著，TD1、TD2、TD3及CK分别较之增加30.65%、28.18%、27.83%和21.89%；总体看来，谷子抽穗期0～200 cm土壤含水率随集雨种植密度的增加而降低，并均显著高于CK(P<0.05)，各处理在该时期0～200 cm平均土壤含水率处于21.12%～22.63%之间，水分供应状况良好。

2014年谷子抽穗期0～120 cm土层土壤含水率较播前(BS)出现大幅下降，而120～200 cm土壤含水率较播前减小不显著。各处理在0～20 cm和120～200 cm土层之间土壤含水率差异均不显著(P>0.05)，而在20～120 cm之间，土壤平均含水率表现为TD1>TD2>CK>TD3，与多雨的2013年相比，2014年并未出现CK土壤含水率大幅低于集雨各密度处理的情况。各处理在该时期0～200 cm平均土壤含水率处于13.34%～14.63%之间，水分供应状况远不如2013年，但也未达到致使谷子受害的水平[3]。

2.2不同种植密度对0～200 cm土壤储水量的影响

由图3可以看出，谷子集雨各密度处理各主要生育阶段0～200 cm土壤储水量在两年间均随密度的增加而增大，且2013年各时期处理间的变异幅度均大于2014年相应时期；平作CK土壤储水量在2013年各时期均显著低于集雨各密度处理(P<0.05)，在2014年则处于TD2与TD3之间。

谷子0～200 cm土壤储水量动态在两年间表现出完全不同的变化规律。2013年土壤储水量在抽穗期达到最大，平均高达634.1 mm，之后持续下降至灌浆中期，而灌浆中期至收获期则几无变化，收获时土壤储水量较播前平均增加42.97 mm。2014年各处理0～200 cm平均土壤储水量则从播前的551.4 mm持续下降至灌浆中前期的379.91 mm，至收获又骤增至544.02 mm，收获时平均较播前减少7.4 mm。

图2　2013年及2014年谷子抽穗期土壤含水率

图32013年和2014年0～200 cm土壤储水量动态变化

Fig.3Dynamic changes of soil water storage at 2 m depth in 2013 and 2014

2.3不同种植密度对谷子主要生育阶段耗水量的影响

由图4可以看出，在2013年谷子播种至抽穗阶段，CK耗水量高达277.48 mm，较同期TD1、TD2及TD3分别多耗水18.8%、12.3%和12.4%；从抽穗期至灌浆期，集雨各处理耗水量随密度的升高而增加，其中TD3耗水185.46 mm，显著高于其余各处理(P<0.05)，CK耗水172.58 mm且与TD2差异不显著(P>0.05)；从灌浆期至收获期，TD2和CK耗水量最大且差异不显著(P>0.05)，但二者均显著高于TD1与TD3(P<0.05)，此外，TD3耗水量在该阶段较前一阶段下降幅度最大。

图42013年及2014年谷子主要生育阶段耗水量

Fig.4Water consumption at main growth stages of foxtail millet in 2013 and 2014

在2014年谷子播种至抽穗阶段，各处理耗水量表现为TD3>CK>TD2>TD1，处理间差异均达显著水平(P<0.05)；从抽穗至灌浆中期，TD2处理耗水79.47 mm，显著高于其它各处理(P<0.05)，该阶段TD3耗水量较前一阶段出现大幅下降；从灌浆中期至收获期，CK耗水35.85 mm，且显著高于集雨各处理(P<0.05)，集雨各处理耗水量随密度的增加而减少，其中TD1与TD2及TD2与TD3两两差异不显著(P>0.05)，此外，TD2耗水量在该阶段较前一阶段减少幅度最大。

总体来看，2013年谷子各处理各主要生育阶段的耗水量均显著高于降雨偏少的2014年，其在播种至抽穗，抽穗至灌浆中期及灌浆中期至收获三个阶段平均耗水量较2014年分别高68.28 mm，108.53 mm和36.40 mm。

2.4不同种植密度对谷子地上部群体干物质量、产量及WUE的影响

由表3可知，谷子收获时地上部群体干物质量以及籽粒产量在两年间均随密度的增加而增大，其中在2014年TD2籽粒产量与TD3差异不显著(P>0.05)，且该年谷子各处理籽粒产量平均较2013年增加12.1%；与TD1相比，TD2、TD3及CK籽粒产量在2013年分别增加14.15%、29.33%和15.97%(P<0.05)，在2014年TD2与CK增产幅度分别增加了7.47%与0.88%，TD3增幅则减小了5.55%。

表3　2013年和2014年不同密度处理谷子产量与WUE

谷子集雨各处理全生育期总耗水量在两年间均随密度的升高而增加，CK总耗水量在2013年高于集雨各处理(P<0.05)，在2014年则处于TD2与TD3之间。各处理收获时土壤供水能力在2013年均为正值，收获期0～200 cm储水量较播前平均增加42.97 mm；在2014年仅TD1处理0～200 cm土壤储水量较播前有所增加，TD2、TD3及CK分别较播前减少6.19 mm(P<0.05)、22.00 mm(P<0.05)及14.49 mm(P<0.05)。

在降雨充沛的2013年谷子产量水分利用效率(WUE)随密度的增加而升高，其中TD3处理达到14.05 kg·mm-1·hm-2，显著高于其余各处理(P<0.05)，TD1、TD2及CK三者之间差异则不显著(P>0.05)。在干旱的2014年，TD2处理WUE最高，达到24.35 kg·mm-1·hm-2，TD3与CK差异不显著(P>0.05)，但均显著高于TD1处理(P<0.05)，该年各处理WUE平均较2013年提高约10.37 kg·mm-1·hm-2(P<0.05)。

3讨论

3.1对土壤水分的影响

王晓凌等[28]对玉米不同密度沟垄集雨种植的研究结果表明，玉米生长前期土壤含水率随密度增加而降低，在生长后期密度之间差异不显著，本研究中谷子抽穗期土壤含水率在两年间均随集雨留苗密度增加而降低，结果与之较为相似；另外，中密度处理抽穗期土壤含水率在2013年和2014年分别较同密度CK高5.13%和4.70%，说明无论在丰水年还是欠水年，沟垄集雨种植均能改善作物田间水分供应状况，这与任小龙等[29]在模拟降雨量下的研究结果一致；在2014年CK>TD3则与该年谷子播种至抽穗期降雨较少有关，集雨增加的水分不足以抵消株数增加而消耗的水分。

谷子各时期0～200 cm土壤储水量均随集雨留苗密度的增加而减少，且在两种降雨年型下的动态变化规律差异巨大。在2013年，播种至抽穗期储水量增大至最大，这一结果与该阶段降雨较多有直接关系[30]；抽穗至灌浆中期储水量减少，则是该阶段谷子耗水量较大与降雨量偏少土壤水分蒸发较强共同作用的结果[4]；后期因降雨增多、谷子生长需水减少使灌浆中期至收获期储水量基本保持平衡[31]。在2014年由于谷子随生育进程的推进耗水不断增加而降雨极度偏少致使播种至灌浆中期土壤储水量持续下降，而灌浆中期至收获期土壤储水量的骤增则与谷子生育后期需水减少且降雨量过大过于集中有关(见表1)。

孙景生等研究发现[32]，棵间土壤蒸发与表层土壤湿润次数及土壤含水率呈正相关，降雨多或灌溉量过大均可能造成棵间土壤蒸发加大及植株的奢侈蒸腾，本研究中2013年谷子各阶段耗水量均高于2014年，全生育期总耗水量则较2014年平均高188.53 mm，这与该年降雨较多有关。另外，在2013年谷子播种至灌浆阶段以及2014年播种至抽穗阶段耗水量均随集雨种植密度的增加而增加，表明谷子中前期耗水量与基本苗数密切相关[33]；TD3耗水量分别在2013年灌浆至收获阶段及2014年抽穗至灌浆阶段相对TD1和TD2出现大幅下降，TD2耗水量仅在2014年灌浆至收获相对TD1出现明显下降，骤降时期也晚于同年TD3，这可能是由于高密度处理耗水高峰较靠前，加之因密度大营养空间小致其衰老较早，因而在后期耗水减少[34]，且在欠水年谷子密度越大，个体间竞争越激烈，生育后期衰老越早[35]。

3.2对谷子产量及水分利用效率的影响

已有的研究表明[3]，在降雨充沛的年份，谷子可以适当密植，而在降雨稀少的年份密植则易造成秃尖秃码，秕粒多，不利于产量的提高。本研究中谷子各处理籽粒产量在2013及2014年均随集雨种植密度的增加而增加，但在少雨的2014年中密度与高密度处理产量差异不显著，即在干旱年份中密度是集雨种植谷子的上限密度。另外，集雨种植中密度相对平作对照在少雨的2014年每公顷增产287.05 kg，而在2013年则差异不显著，在单位面积基本苗数相同时未实现明显增产，这与以往的研究结果不太相同[8]，可能与2013年降雨充沛集雨意义不大有关[36]。

任小龙等2006年的研究认为生育期降雨量过大反而不利于WUE的提高[29]，本研究中谷子WUE在2013年较2014年平均低10.37 kg·mm-1·hm-2，结果与之一致。在2013年WUE随集雨种植密度的增加而升高，说明该年水分不是谷子生长的限制因子，提高种植密度可充分利用降雨有助于增加产量，这与王晓凌等[28]对玉米不同密度沟垄集雨种植的研究结果较为相似。在少雨的2014年中密度处理的WUE最高，这与于亚军等[37]在宁南地区的研究结果一致。

与平作对照相比，两年规律基本一致，在同密度条件下，集雨处理产量与之持平或略有增加，但WUE更高，说明沟垄集雨种植能提高作物WUE；在更高密度下，集雨处理产量和WUE均有所增加，但在欠水年WUE增加不显著；在同株行距条件下，集雨低密度处理整体产量低于平作对照，且WUE较之更低，这也进一步说明集雨低密度种植不能充分发挥谷子的降雨生产潜力。

4结论

无论在丰水年还是欠水年，沟垄集雨种植均能改善谷子抽穗期土壤水分供应状况，起到蓄水保墒的作用，且谷子抽穗期土壤含水率及0～200 cm土壤储水量均随集雨留苗密度的增加而减少。

谷子生育期总耗水量在两种降雨年型下均随沟垄集雨留苗密度的增加而增加，且丰水年耗水量远大于欠水年。留苗密度越大生育后期耗水减少越明显，耗水减少出现的时期也越早。

两种降雨年型下的谷子产量均随集雨留苗密度的升高而增加，其中欠水年集雨中、高密度产量差异不显著。丰水年WUE随集雨留苗密度的升高而增加，而欠水年中密度WUE最高。

参 考 文 献：

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Effects of planting density on water consumption and yield of foxtail millet under ridge-furrow rainfall harvesting planting mode

LIU Qi, JIA Zhi-kuan, LIAN Yan-hao, ZHANG Xu-dong, REN Xiao-long, WANG Jun-peng, HAN Qing-fang

(ChineseInstituteofWater-savingAgriculture,NorthwestA&FUniversity,KeyLaboratoryofCropProductionandEcology,MinisterofAgriculture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：In order to explore the yield potential of foxtail millet under different planting densities, cv.Datong 29 was field tested in semi-arid southern Ningxia province in 2013 and 2014, and three planting densities were set under the ridge-furrow rainfall harvesting planting mode. The results showed that water consumption, yield and WUE were all enhanced with the increase of density in both years. Water consumption was reduced in 2014 when amount of precipitation was decreased and the difference between yields by middle and by high densities was not significant (P>0.05). In both years, water supply capacity at harvesting stage, soil water storage of 0～200 cm underground and soil moisture during jointing stage became all decreased with the increase of density. With the increase of planting density, WUE in 2013 with high precipitation was gradually increased; while in 2014 with low precipitation, WUE by middle density was the highest, reaching 24.35 kg·mm(-1)·hm(-2). Average WUE in 2014 had a gain of 10.37 kg·mm(-1)·hm(-2) from that in 2014.

Keywords:ridge-furrow rainfall harvesting planting mode; foxtail millet; planting density; WUE

中图分类号：S318；S359.1

文献标志码：A

作者简介：刘启(1990—)，男，湖北孝感人，硕士研究生，主要从事旱地农业研究。 E-mail：hjdlq1990@163.com。通信作者：贾志宽(1962—)，山西朔州人，教授，博士生导师，主要从事旱区农业水分高效利用研究。 E-mail:zhikuan@tom.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAD09B03)；“十二五”国家科技支撑计划课题(2011BAD29B09);陕西省科技统筹创新工程计划项目(2014KTZB02-03-02)

收稿日期：2015-01-14

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.13

文章编号：1000-7601(2016)02-0081-07