【摘要】：黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)降水低而不穩(wěn)、蒸發(fā)量大,還遭受嚴(yán)重的土壤侵蝕和耕地退化,如何應(yīng)對生產(chǎn)能力與天然降雨利用能力的嚴(yán)重不足是備受西北農(nóng)業(yè)圈關(guān)注的現(xiàn)實(shí)問題。在半干旱農(nóng)作區(qū),玉米壟溝覆蓋栽培系統(tǒng)已取得顯著增產(chǎn)增收效果,然而黃土高原地域跨度大,生態(tài)區(qū)包括干旱區(qū)、半干旱區(qū)和半濕潤區(qū),因此不同生態(tài)區(qū)對壟溝覆蓋栽培系統(tǒng)的響應(yīng)也呈現(xiàn)多樣化。目前,大多研究主要針對半干旱農(nóng)作區(qū),忽略了半濕潤易旱農(nóng)作區(qū)農(nóng)業(yè)獨(dú)特的生產(chǎn)潛力。壟溝覆蓋栽培系統(tǒng)能否在半濕潤農(nóng)作區(qū)適用并取得增產(chǎn)增效?不同壟溝耕作模式對其影響多大?其生理生態(tài)機(jī)理如何?這些不僅是基礎(chǔ)科學(xué)問題,也是壟溝覆蓋栽培系統(tǒng)的地域延伸、系統(tǒng)升級,更是黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)下小農(nóng)經(jīng)濟(jì)精準(zhǔn)脫貧戰(zhàn)略實(shí)施的重大需求。本研究在課題組以往多年國內(nèi)研究基礎(chǔ)上,以壟溝覆蓋系統(tǒng)為核心,多種傳統(tǒng)種植模式為參照,包括隔溝覆膜壟播(MRM)、全膜雙壟溝播(WRF)、壟溝秸稈覆蓋(SM)、平地全膜覆蓋(WM)、平地半膜覆蓋(HM)、平地?zé)o覆蓋種植(CK)等開展了大田試驗(yàn)及技術(shù)驗(yàn)證。本研究于2015~2016年在黃土高原半干旱農(nóng)作區(qū)甘肅省榆中縣石頭溝省級旱作農(nóng)業(yè)示范點(diǎn)開展了大田試驗(yàn),通過對土壤剖面水分動態(tài)、土壤溫度、作物水分利用、土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、速效養(yǎng)分、酶活性、微生物數(shù)量、作物物候特征、生長參數(shù)及生物量分配模式、產(chǎn)量及形成因子、水分利用效率等參數(shù)的系統(tǒng)收集和分析,首先揭示了兩種不同風(fēng)格壟溝地膜覆蓋技術(shù)在改善黃土高原半干旱農(nóng)作區(qū)春玉米生產(chǎn)力和土壤環(huán)境生態(tài)機(jī)理。其次,為進(jìn)一步證實(shí)壟溝地膜覆蓋技術(shù)在其他生態(tài)區(qū)的高效性,于2017~2018年在半濕潤易旱農(nóng)作區(qū)甘肅省華亭市朱家坡農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心開展了驗(yàn)證試驗(yàn),全面分析了土壤水熱、養(yǎng)分平衡、酶活性活躍度、微生物數(shù)量繁殖、作物物候格局、產(chǎn)量和水分利用效率等指標(biāo),以期明晰壟溝覆蓋耕作模式對旱地玉米的增產(chǎn)、增收和增效機(jī)制,進(jìn)一步剖析該技術(shù)體系是否具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?同時(shí)探明半干旱和半濕潤農(nóng)作區(qū)最佳壟溝覆蓋耕作模式,為將來該技術(shù)體系的進(jìn)一步拓展研究和延伸技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。主要研究結(jié)論如下:1.壟溝覆蓋在時(shí)間上對水資源進(jìn)行重新分配,使作物需水與土壤供水達(dá)到平衡�？臻g上,優(yōu)化了作物需水和土壤供水關(guān)系,使作物更容易利用深層土壤水分滿足生長需求,從而增加了土壤水分有效性。半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播、全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋較露地平種顯著增加生長季中層土壤含水量17.77%、11.61%和4.39%,中層水分的積累為玉米后期生長水分的獲取提供支撐,但在半濕潤農(nóng)作區(qū)并未表現(xiàn)出貯水優(yōu)勢。半干旱區(qū)春玉米耗水量主要依賴于生育期降水和土壤底墑,其中隔溝覆膜壟播、全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋春玉米生育期內(nèi)降水消耗分別占總耗水量的79.07%、80.01%、90.90%。而半濕潤區(qū)春玉米耗水量主要依賴于生育期降水,意味著在半濕潤地區(qū)生育期降水不僅能夠滿足作物生長需水,而且還可以補(bǔ)給土壤貯水,其中隔溝覆膜壟播、全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋通過壟溝集雨方式可補(bǔ)給土壤水量3.33、4.34和5.70 mm。2.壟溝覆蓋材料類型的選擇性應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤熱量平衡的季節(jié)性主動調(diào)控,同時(shí)存在增溫和降溫的雙重效應(yīng),地膜覆蓋的增溫效應(yīng)大于降溫效應(yīng),秸稈覆蓋則相反,主要表現(xiàn)在作物生育前期,地表覆蓋可增加土壤溫度,而在生育中期受高溫脅迫,地表覆蓋能有效降低土壤溫度,緩解高溫干熱的危害。半干旱和半濕潤農(nóng)作區(qū)均表現(xiàn)為隔溝覆膜壟播平均溫度最高,全膜雙壟溝播次之,秸稈覆蓋最低。3.壟溝地膜覆蓋體現(xiàn)了對土壤養(yǎng)分的時(shí)間和空間平衡調(diào)節(jié)。半濕潤農(nóng)作區(qū)養(yǎng)分含量降低幅度顯著大于半干旱農(nóng)作區(qū)。連作2個(gè)生長季后,半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播種植方式增加了生長季內(nèi)對有機(jī)碳、全氮、速效鉀的消耗,高于露地平種0.28和0.31 g·kg~(-1)、0.04和0.14 g·kg~(-1)、23.48和2.96 mg·kg~(-1),反而降低了對全磷、速效磷、堿解氮的消耗,低于露地平種0.08和0.10 g·kg~(-1)、0.37和0.97 mg·kg~(-1)、1.15和2.95 mg·kg~(-1);半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播種植方式增加了生長季內(nèi)對有機(jī)碳、全磷、速效鉀、堿解氮的消耗,高于露地平種1.00和0.65 g·kg~(-1)、0.16和0.06 g·kg~(-1)、63.74和30.61 mg·kg~(-1)、8.51和5.13mg·kg~(-1)。4.壟溝覆蓋對不同種類土壤酶活性影響不同。秸稈覆蓋和隔溝覆膜壟播種植方式均有利于土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶活性的提高,而全膜雙壟溝播僅表現(xiàn)為磷酸酶活性的提高。連作2個(gè)生長季后,半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播、全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋種植方式下土壤過氧化氫酶和磷酸酶活性均表現(xiàn)為遞增趨勢,增幅分別為0.116、0.013和0.052 ml·g~(-1),0.158、0.115和0.212 mg·g~(-1),脲酶活性呈降低趨勢,降幅依次為0.200、0.208和0.159 mg·g~(-1),隔溝覆膜壟播和秸稈覆蓋種植方式可提高蔗糖酶活性0.254和3.537 mg·g~(-1),而全膜雙壟溝播降低蔗糖酶活性1.753 mg·g~(-1);半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播、全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋種植方式下土壤蔗糖酶和磷酸酶活性均表現(xiàn)為遞增趨勢,增幅分別為0.591、0.676和1.927 mg·g~(-1),0.302、0.169和0.293 mg·g~(-1),脲酶活性呈降低趨勢,降幅依次為0.211、0.284和0.235 mg·g~(-1),隔溝覆膜壟播和秸稈覆蓋種植方式可提高過氧化氫酶活性0.099和0.139 ml·g~(-1),而全膜雙壟溝播降低過氧化氫酶活性0.105 mg·g~(-1)。5.壟溝覆蓋對土壤中不同微生物的數(shù)量同樣影響不同。隔溝覆膜壟播有利于土壤細(xì)菌和放線菌的繁殖,而全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋僅表現(xiàn)為細(xì)菌數(shù)量的增多,且半濕潤農(nóng)作區(qū)土壤微生物數(shù)量增加幅度顯著大于半干旱農(nóng)作區(qū)。連作2個(gè)生長季后,半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播、全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋土壤細(xì)菌數(shù)量均表現(xiàn)為遞增趨勢,增幅分別為11.24、35.17、30.63 10~4·g~(-1)。全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋可提高真菌數(shù)量5.06和4.38 10~2·g~(-1),降低放線菌數(shù)量7.50和15.6710~4·g~(-1)。隔溝覆膜壟播可提高放線菌數(shù)量12.83 10~4·g~(-1),降低真菌數(shù)量10.1410~2·g~(-1);半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播、全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量均表現(xiàn)為遞增趨勢,細(xì)菌增幅分別為34.78、35.73、6.57 10~5·g~(-1),放線菌增幅分別為47.52、33.57、40.91 10~4·g~(-1)。隔溝覆膜壟播可提高真菌數(shù)量12.8710~3·g~(-1),全膜雙壟溝播和秸稈覆蓋降低真菌數(shù)量0.62和8.42 10~3·g~(-1)。6.壟溝覆膜耕作模式能明顯縮短春玉米營養(yǎng)階段長度,延長灌漿期,更有利于春玉米生物量的積累,相反,秸稈覆蓋耕作模式下玉米營養(yǎng)生長階段被顯著延長,繁殖期縮短。與露地平種相比,半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播顯著提前了玉米出苗,并提高出苗率13.4%和19.1%,秸稈覆蓋種植方式推遲了玉米出苗且僅提高出苗率0.34%。隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播分別縮短了播種到抽雄期的時(shí)間長度,分別為26.5和25 d,兩者顯著延長了繁殖持續(xù)分別達(dá)17、16 d。然而,秸稈覆蓋延長了播種到抽雄期的時(shí)長17.5 d,縮短了繁殖持續(xù)時(shí)長11.5 d。半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播同樣顯著提前了玉米出苗,并提高出苗率1.0%和2.4%,秸稈覆蓋推遲了玉米出苗且降低出苗率4.4%。隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播分別縮短了播種到抽雄期的時(shí)間長度,分別為12和9.5 d,并未顯著延長繁殖持續(xù)時(shí)長。然而,秸稈覆蓋延長了播種到抽雄期的時(shí)長10 d,縮短了繁殖持續(xù)時(shí)長3.5 d。7.壟溝覆膜耕作模式促進(jìn)幼苗建立并增加活力,增加了生物量積累,并優(yōu)化了繁殖分配。與露地平種相比,隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播顯著增加了玉米莖稈縱向和橫向生長,提高了葉面積擴(kuò)展能力,葉面積指數(shù)顯著增加,且半干旱農(nóng)作區(qū)增長效應(yīng)顯著大于半濕潤農(nóng)作區(qū)。半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播地上、地下生物量較露地平種分別增加66.96%和62.79%、19.10%和45.28%,同時(shí),隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播提高了果穗生物量在地上總生物量中的分配比重,高于露地平種13.26%和17.58%,而秸稈覆蓋地上生物量較露地平種僅增加8.73%,地下生物量卻較露地平種減少21.46%,果穗生物量在地上總生物量中的分配比重高于露地平種9.65%;半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播地上、地下生物量較露地平種分別增加16.41%和12.66%、12.81%和27.47%,同時(shí),隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播提高了果穗生物量在地上總生物量中的分配比重,高于露地平種1.05%和1.22%,而秸稈覆蓋地上、地下生物量較露地平種減少4.58%和7.10%,果穗生物量在地上總生物量中的分配比重低于露地平種0.22%。8.壟溝地膜覆蓋優(yōu)化了穗部結(jié)構(gòu),增加了收獲指數(shù)。半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播顯著改善了產(chǎn)量構(gòu)成因子,穗長、穗粗、穗粒數(shù)、單株穗粒重、百粒重、生物產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和單株生物量分別較露地平種提高30.54%和35.30%、18.88%和20.96%、59.28%和65.56%、155.06%和171.41%、59.93%和63.72%、66.96%和62.97%、37.82%和27.11%、66.96%和62.97%,而秸稈覆蓋增加幅度顯著低于隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播,依次為5.96%、4.34%、10.12%、16.88%、5.88%、8.73%、6.04%、8.73%。最終,隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播的收獲指數(shù)較露地平種顯著高出0.131和0.165,秸稈覆蓋僅高出0.018;半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播上述產(chǎn)量構(gòu)成因子分別較露地平種提高4.04%和2.32%、2.03%和0.25%、3.61%和-2.14%、32.96%和17.12%、15.51%和11.44%、16.41%和12.66%、7.35%和10.21%、16.41%和12.66%,而秸稈覆蓋表現(xiàn)出不增反降趨勢,較露地平種依次降低2.27%、0.82%、3.91%、11.83%、8.83%、4.58%、0.60%、4.58%。最終,隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播的收獲指數(shù)較露地平種顯著高出0.051和0.014,而秸稈覆蓋顯著降低0.027。9.壟溝地膜覆蓋維持了包括水、肥、氣、熱在內(nèi)的資源利用效率的高位運(yùn)行,顯著提升了籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。半干旱農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播籽粒產(chǎn)量和水分利用效率較露地平種分別增加155.05%和171.40%、125.44%和142.80%,而秸稈覆蓋較露地平種僅增加16.88%和18.69%;半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播和全膜雙壟溝播籽粒產(chǎn)量和水分利用效率較露地平種分別增加32.96%和17.12%、33.53%和18.67%,而秸稈覆蓋表現(xiàn)出降低趨勢,較露地平種降低11.84%和9.90%�？傮w來看,壟溝地膜覆蓋耕作改善了土壤水熱環(huán)境,尤其是休耕期的土壤水分貯存和生育前期的土壤溫度,同時(shí)提高了整個(gè)生育期內(nèi)土壤質(zhì)量,明顯增大了葉片葉片擴(kuò)展速率,延長植株后期營養(yǎng)生長與生殖生長時(shí)期,為玉米最終籽粒的產(chǎn)出創(chuàng)造了良好的條件。盡管秸稈覆蓋能夠顯著貯存土壤水分,并且能夠改善土壤質(zhì)量,但由于覆蓋導(dǎo)致低溫效應(yīng)延緩了玉米的生長周期,不利于果穗籽粒干物質(zhì)的積累。在半干旱農(nóng)作區(qū)全膜雙壟溝播表現(xiàn)出高產(chǎn)量和高水分利用效率,而在半濕潤農(nóng)作區(qū)隔溝覆膜壟播效果更佳。因此,全膜雙壟溝播是一種較為適宜黃土高原半干旱區(qū)的玉米種植技術(shù),而隔溝覆膜壟播在半濕潤農(nóng)作區(qū)更能表現(xiàn)出其耕作優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S513
【圖文】：

覆膜壟溝集雨技術(shù)能夠?qū)⑿∮?10 mm 的無效降水充分收集，轉(zhuǎn)化為有效水供作物所需，但隨著降水量的不斷增大，其收集效果呈劣性趨勢。任小龍等[39-40]研究結(jié)果表明，覆膜壟溝技術(shù)通過改變田間微地形，可以有效收集高原旱區(qū) 5 mm以下微效降雨，將微效降雨資源化，充分發(fā)揮小雨量的疊加增值效應(yīng)，后期通過建立模擬降水裝置對壟溝集雨系統(tǒng)所匹配的最佳降水量范圍進(jìn)行確定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降水量在 230～440 mm 時(shí)，作物根際可獲得最大水分補(bǔ)給，雨量越少補(bǔ)給效果越顯著。壟溝集雨系統(tǒng)除可直接收集降水外，還可通過改變地表單元來減少雨季徑流形成的頻率，將雨水匯集在單元田內(nèi)，達(dá)到雨水的間接收集。張雷等[41]試驗(yàn)結(jié)果表明，在丘陵溝壑農(nóng)業(yè)區(qū)，壟溝覆膜集雨技術(shù)將坡耕地劃分為 1.5～1.8 m2的單元田，可有效攔截地表徑流，顯著降低水分流失量。該技術(shù)的應(yīng)用，特別對以坡耕地為主的農(nóng)田地形，可有效減小徑流風(fēng)險(xiǎn)、保持水土穩(wěn)定、均衡降水分布。

技術(shù)路線

第二章 試驗(yàn)材料與方法試驗(yàn)分別于黃土高原半干旱和半濕潤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行。半干旱甘肅省榆中縣石頭溝旱地農(nóng)業(yè)推廣基地。該區(qū)作為壟溝地膜覆旱作農(nóng)業(yè)示范點(diǎn)和培訓(xùn)中心，代表了黃土高原典型的半干旱氣。半濕潤地區(qū)試驗(yàn)地點(diǎn)選在甘肅省華亭市朱家坡農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣溝地膜覆蓋栽培技術(shù)推廣面積大、成效顯著，代表了黃土高原和水熱資源特征。

本文編號：2774096