0 引言
【研究意义】干旱半干旱区超过我国国土总面积的一半,其中以黄土高原为中心的旱作农田面积约占我国耕地总面积的56.8%[1],水分短缺是旱作农田生产的主要限制因子。地表覆盖栽培因其明显的节水保墒、温度调控效应,已在全球农业生产中广泛应用[2],也是我国干旱半干旱区的关键栽培技术之一。它极大提高了我国干旱半干旱地区玉米、小麦、马铃薯等作物的生产潜力,在旱地农业可持续发展和粮食安全生产中发挥了重要作用[3-4]。糜子是黄土高原干旱半干旱区的特色作物之一,随着特色产业发展的需要和人们饮食结构多元化的需求,围绕提高旱地糜子产量和水分利用效率的覆膜高效栽培技术也成为热点研究问题。【前人研究进展】秸秆和地膜覆盖是目前我国农业生产中的两种主要地表覆盖栽培方式[5]。秸秆覆盖材料主要以大宗作物玉米、水稻、小麦秸秆为主,而地膜主要是以聚烯烃为成分的普通塑料膜,以及在其基础上开发出的密度、厚度、色泽等各类塑料膜[6-7],此外光降解塑料膜[8-9]和生物降解膜亦在农业生产中得到应用[10-11]。秸秆和地膜覆盖均以平铺和垄沟2种方式为主,在此基础上,研究者根据生态区域、作物类型及田间管理的需要,形成了地膜平铺覆土、宽窄垄覆膜、垄上覆膜垄沟秸秆覆盖等多种方式[12-14]。秸秆、地膜结合一定的覆盖方式,调节土壤水温[15-16]、有机质[17-18]、盐分[19]、矿质元素转运[20]、微生物群落结构[21]的变化,从而影响作物根系生长[4]、活力[22]、分布[23]、水分利用[24]、营养吸收[25]及地上部冠层结构[26]、光合作用及产量形成 [27]。其中土壤水温变化是覆盖栽培最为显著的效应,进而改变了土壤结构[2,28]、理化性质[29-30]及土壤微生物活动[31-32],影响作物生长发育过程中的形态建成[33]、生理代谢及群体结构[26-27],并在玉米[14-15,17,25,27,29-30]、小麦[3,5,16,20,24,28,31]、棉花[23,26]水稻[13]、油菜[4]等作物中得到了验证。屈洋等[12,34]研究了陕北半干旱区不同沟垄覆膜集水模式下,土壤水分变化及糜子生长发育、产量形成、边际效应及生理特性等;张盼盼等[35]研究了不同覆膜方式对旱地糜子光合特性及产量的影响;曹晓宁等[36]比较了全膜平作穴播等6种覆膜栽培方式下糜子干物质积累及产量变化。【本研究切入点】前人研究都侧重于覆膜栽培对糜子生长发育的影响而缺乏对水热环境因素的系统研究,本研究通过比较4种覆膜栽培的土壤水热特征,探明土壤水温效应下的糜子增产机制。【拟解决的关键问题】通过系统比较全膜双垄沟留膜免耕穴播、全膜双垄沟穴播、全膜平铺膜上覆土穴播、全膜平铺穴播、露地条播（CK）间的土壤水温效应及对糜子耗水特性的影响,探明了4种覆膜模式下糜子的增产潜力,为黄土高原半干旱区糜子高效栽培技术提供科学依据。1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2015—2016年在甘肃省农业科学院会宁试验站（105°06'E,35°40'N）进行。试验站海拔1 800.5 m,年平均气温7.6℃,年辐射总量5 842 MJ·m-2,年日照时数2 500h,≥10℃积温2 012.7℃,无霜期140 d,属中温带半干旱气候。一年一熟,无灌溉条件,为典型旱地雨养农业。根据统计,2015年为丰水年,试验区全年降水383.3 mm,糜子全生育期内（5月至9月）降水量分布较均匀,降水总量为270.4 mm,年平均气温8.9℃,糜子全生育期内温度变化阈10.7℃—30.3℃。2016年全年降水量为252.6 mm,糜子全生育期内（5月至9月）降水量分布极为不均匀,降水最大值为糜子播种至幼苗期（5月）,降水量时空分布与糜子生育期需水规律严重不吻合,年平均气温9.3℃,糜子全生育期内温度变化阈4.3℃—33.3℃（图1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12015—2016年气温及降水量分布
-->Fig. 1Distribution of average air temperature and precipitation per month in 2015 and 2016
-->
1.2 试验设计
试验材料为陇糜10号,覆盖材料为聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜（宽×厚=1 200 mm×0.01 mm,Ⅰ类、加耐候剂）。试验设全膜双垄沟留膜免耕穴播（A1）、全膜双垄沟穴播（A2）、全膜平铺膜上覆土穴播（A3）、全膜平铺穴播（A4）、露地等行距条播（CK）5个处理,每个处理3次重复。2015年小区面积21.2m2（长×宽=4.7 m×4.5 m）,5月3日完成播种,9月17日收获;2016年小区面积20.0m2（长×宽=4.0 m× 5.0 m）,5月6日完成播种,9月19日收获。其中全膜双垄沟穴播、全膜双垄沟留膜免耕穴播大垄宽70 cm,高10 cm,小垄宽40 cm,高15 cm,垄沟穴播,穴距4 cm;全膜平铺膜上覆土穴播和全膜平铺穴播行距30 cm,穴距4 cm;露地等行距条播行距30 cm,株距4 cm,各处理留苗52.5×104株/hm2。播前及生育期内均不施肥,田间统一管理,试验前茬为全膜双垄沟播一膜两年玉米连作茬。1.3 测定指标及方法
1.3.1 土壤温度 2015—2016年,在糜子播前、苗期、拔节期、抽穗期、成熟期及收获后,按小区定点定时测试土壤温度。测定时间分别为8：00、12：00、16：00、20：00。测量土壤深度分别为5、10、15、20和25 cm。1.3.2 土壤水分 2015—2016年,在糜子播前、苗期、拔节期、抽穗期、成熟期、收获后,采用烘干法测定0—100 cm土层的土壤含水量,步长20 cm,共5个土层分别取土样,各处理取样位置均位于种植行间,计算土壤贮水量、农田耗水量及水分利用效率。成熟后按小区收获进行测产。计算方法如下：
W=（土壤鲜质量-土壤干质量）/土壤干质量×100% （1）
SWS=W×d×ρ×10 （2）
式中,SWS为土壤贮水量（mm）;d为土层深度（cm）;ρ为土壤容重（g·cm-3）,本试验各土层ρ平均为1.23g·cm-3;W为土壤含水量（%）。
ET=ΔSWS+P+I-D+Wg-R （3）
ΔSWS= SWSi -SWSj （4）
式中,ET为糜子生育期农田耗水量（mm）;ΔSWS为生育期土壤贮水量变化量（mm）;P为生育期降水量;I为灌溉量（mm）;D为灌溉后土壤水向下层流动量（mm）;Wg为深层地下水利用量（mm）;R为地表径流（mm）;SWSi、SWSj分别为某一生育阶段初始和结束时的土壤贮水量（mm）。本试验无灌溉条件,地下水位在15 m以下,且无地表径流,故I、D、Wg和R可忽略不计。
WUE=Y/ET （5）
式中,WUE为水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）,Y为籽粒产量（kg·hm-2）,ET为糜子生育期农田总耗水量（mm）。
1.4 数据分析
数据整理与分析采用Excel 2010、SPSS及DPS软件完成。2 结果
2.1 不同覆膜方式对土壤（5—25 cm土层）温度的影响
2.1.1 土壤平均温度变化 不同覆膜方式下,不同降水年际间土壤平均温度的变化趋势基本相似（图2）。播前至拔节期平均地温上升,之后逐渐下降。4种覆膜处理播前至拔节期的增温幅度高于拔节后。总体来看,糜子生育期内A1、A2、A3、A4处理土壤平均温度较CK分别提高1.7℃—2.6℃、2.0℃—2.2℃、0.9℃—1.6℃、1.9℃—2.1℃,增温保温效果A2>A4>A1>A3。A3处理两年平均地温均较A1、A2、A4处理低,说明平铺覆土对土壤吸热有一定削弱作用。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同覆膜方式下糜子各生育时期土壤平均温度变化
-->Fig. 2Soil average temperature changes in different mulching patterns
-->
2.1.2 各层土壤温度的变化 不同覆膜方式下,年际间糜子各生育阶段不同土层温度变化趋势一致,即随着土层加深,土壤温度逐渐下降。播种至收获期各土层温度变化呈正态分布状,2015年拔节期各土层温度达到峰值,2016年灌浆期15、20、25 cm土层温度达到峰值,而拔节期5、10 cm土层温度达到最大值（图3）。由表1可知,糜子全生育期内,A1、A2、A3、A4处理5 cm土层温度较CK分别提高了0.3℃—0.8℃、1.5℃—2.9℃、1.2℃—1.6℃、1.8℃— 2.5℃,且两年间A2、A3、A4均与CK存在显著差异;10 cm土层温度较CK分别提高1.1℃—1.5℃、2.2℃—2.4℃、0.9℃—2.1℃、1.9℃—2.0℃,15 cm土层温度较CK分别提高了1.1℃—1.9℃、1.8℃—2.1℃、0.9℃—1.2℃、1.9℃—2.6℃,且10、15 cm土层温度两年间均与CK存在显著差异;20 cm土层温度较CK分别提高了0.4℃—2.1℃、1.4℃—1.8℃、0.9℃—1.9℃、1.4℃—1.8℃,2015年4种覆膜处理均与CK存在显著差异,2016年A1、A3处理与CK差异不显著,A2、A4与CK差异显著;25 cm土层温度较CK分别提高了1.0℃—2.7℃、0.8℃—1.8℃、0.6℃—1.3℃、1.5℃—1.6℃,2015年A2、A3处理与CK差异不显著,A1、A4处理与CK差异显著,但A2、A3、A4 3种一膜一年用覆膜方式间25 cm土层温度差异不显著。综上,A1处理5、25 cm土层温度增温保温效果较差,4种覆膜处理10、15cm土层增温保温效果均较好,而20、25 cm土层增温保温效果年际间差异较大。
Table 1
表1
表1不同处理下糜子全生育期内各土层温度变化
Table 1The changes of temperature in different soil layer among treatments (℃)
| 年份 Year | 处理 Treatment | 土层深度 Soil depth (cm) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | ||
| 2015 | A1 | 22.3ab | 21.9bc | 20.7c | 20.0c | 20.3c |
| A2 | 24.8b | 23.1c | 20.9c | 19.8 c | 18.4ab | |
| A3 | 23.2 b | 21.7bc | 19.6b | 18.7bc | 18.1ab | |
| A4 | 24.4 b | 22.8c | 21.4c | 19.7c | 19.2bc | |
| CK | 22.0a | 20.8a | 18.8a | 17.9a | 17.6a | |
| 2016 | A1 | 25.1ab | 24.3b | 22.3bc | 20.9ab | 20.3bc |
| A2 | 25.8b | 25.2b | 23.0c | 21.8b | 21.2c | |
| A3 | 25.9b | 24.9b | 22.3bc | 21.3ab | 20.6bc | |
| A4 | 26.0b | 24.7b | 23.1c | 21.9b | 20.9bc | |
| CK | 24.3a | 22.8a | 21.2a | 20.5a | 19.3a | |
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2.1.3 各层土壤温度日变化 糜子全生育期内,两年间5—25 cm土层土壤温度的日变化规律基本一致,8：00各层温度最低,之后随着时间推进逐渐增高,至16：00各层温度均达到最高值,随后逐渐降低（表2）。8：00条件下,A1、A2、A3、A4处理5—25 cm土壤温度较CK分别高出0.8℃—2.0℃、0.2℃—1.5℃、0.6℃—1.6℃、1.5℃—1.7℃,2015年A2、A3、CK间差异不显著,2016年A1与CK无显著差异;12：00条件下,土壤温度较CK分别高出1.5℃—3.8℃、2.3℃—2.4℃、0.7℃—2.1℃、1.9℃—2.7℃,16：00条件下,土壤温度较CK分别高出1.1℃—3.6℃、1.8℃—4.2℃、0.8℃—1.1℃、1.9℃—2.7℃,两年间,4种覆膜处理在12：00至16：00的增温效应均与CK存在显著差异;20：00条件下,土壤温度较CK分别高出0.4℃—3.1℃、1.4℃—3.1℃、0.8℃—1.5℃、1.4℃—2.7℃,2015年A1、A2、A3、A4处理与CK差异显著,而2016年在A1、A3、CK间无显著差异。以上结果可以看出,两年间4种覆膜处理的增温保温差异主要存在于8：00、20：00。
2.2 不同覆膜方式对土壤水分的影响
2.2.1 对糜子各生育阶段土壤贮水量的影响 土壤贮水量与糜子生育进程及降雨密切相关,播前由于前茬玉米双垄沟播覆膜的作用及耕作作业过程中的土壤水分散失,两年间A2、A3、A4、CK处理的土壤贮水量均略小于A1,但处理间不存在显著差异。2015年糜子苗期,A1、A2、A3、A4贮水量较CK多14.9、39.3、14.3、32.6 mm,且显著差异;2016年A1、A2、A3、A4贮水量较CK多24.2、0.6、24.7、27.8 mm,A1、A3、A4较CK显著差异,总体上苗期4种覆膜方式均有较好的保墒作用。拔节期至收获期两年不同处理间土壤贮水量差别较大,各处理间表现出某一阶段贮水量高,而后一个阶段贮水量低的趋势。2015年糜子全生育期,A1、A2、A3、A4处理较CK贮水量分别多94.7、67.9、58.0、21.0 mm,均显著的高于CK,2016年A1、A2较CK贮水量多83.9、57.4 mm,显著高于CK,而A3、A4则较CK少27.1、25.3 mm,显著的低于CK。可以看出两年间糜子全生育期内双垄沟播覆膜栽培方式（A1、A2）更利于土壤贮水（图4）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同覆膜方式下糜子不同生育阶段5—25 cm各土层温度变化
-->Fig. 3The soil temperature change in 5, 10, 15, 20 and 25 cm under different mulching patterns in different growth stages
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4糜子不同生育阶段0—100 cm土壤贮水量变化
-->Fig. 4The dynamic of soil water storage in 0-100 cm soil profile during broomcorn millet growing season
-->
2.2.2 对糜子全生育期土壤耗水量的影响 由表3可以看出,两年不同覆膜方式下糜子生育期内耗水量主要来自于降水的水量。2015年各处理耗水量依次为CK>A1>A4>A2>A3,2016年依次为A3>A4>A1>A2>CK,两年耗水特点差异较大。2015年糜子生育期内降水量比2016年多85.6 mm,且2015年降雨基本与糜子生长发育耗水需求相一致,2016年试验区严重干旱,降水规律与2015年相似,但糜子生育后期降水量严重短缺,4种覆膜方式耗水总量高于CK,说明干旱年份覆膜栽培促进土壤贮水量消耗。从表3也可看出,2015年4种覆膜方式土壤贮水消耗量均小于CK,而2016年相反,4种覆膜方式加强了对土壤贮水的消耗量。由图5可见,各处理2015年多雨年份土壤贮水耗水量较均衡的分布在0—100 cm土层,40—60 cm土层达到贮水耗水最大值;2016年严重干旱年份,A1、A3处理土壤贮水耗水量主要集中在60 cm土层,A2处理0—40 cm的土壤贮水耗水量达到峰值,A4处理80 cm土层耗水量最大,5种处理80—100 cm土壤贮水消耗量依次为A3>A4>A1>A2>CK,与总耗水变化相一致,干旱年份4种覆膜栽培增加了糜子对深层土壤贮水的利用。
2.2.3 对糜子各生育阶段土壤耗水量的影响 4种覆膜方式较CK有更好的水分调控作用,两年间播种至苗期,4种覆膜方式耗水量显著小于CK;而苗期至成熟期,随着糜子生育进度的需水规律,平衡调控了各生育阶段的耗水需求（表4）。2015年降水量较多的情况下,A1、A3处理苗期至拔节期耗水量分别占总耗水量的12.9%和19.4%,而在拔节至抽穗、抽穗至成熟期分别占28.7%和26.8%、34.0%和—33.5%;A2处理在苗期至拔节期耗水量较大的情况下,拔节至抽穗期耗水量相对较小,占总耗水量的17.5%,而在抽穗至成熟期耗水量所占比例又上升至38.5%;A4处理在苗期至成熟期不同阶段有相对均衡的耗水量。2016年严重干旱年,糜子苗期至成熟期A1、A2、A3、A4处理耗水量分别占总耗水量的78.2%、83.4%、82.6%、85.0%,较CK高出4.8%、10.0%、9.4%、11.6%,可以看出覆膜降低了糜子播种至苗期的耗水量,而保证了后期需水的供给,特别是严重干旱年,均衡调控了苗期至成熟期各阶段的水分利用。
Table 2
表2
表2各处理糜子全生育期内5—25cm土层温度日变化
Table 2Soil temperature diurnal variation from 5 to 25cm in different growth stages of broomcorn millet (℃)
| 年份 Year | 处理 Treatment | 时间 Time | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 8：00 | 12：00 | 16：00 | 20：00 | ||
| 2015 | A1 | 14.9b | 22.3b | 24.8bc | 21.5c |
| A2 | 13.1a | 20.8b | 25.4c | 21.5c | |
| A3 | 13.5a | 19.2b | 22.0b | 19.8b | |
| A4 | 14.4b | 21.2b | 23.9b | 21.1c | |
| CK | 12.9a | 18.5a | 21.2a | 18.4a | |
| 2016 | A1 | 25.1ab | 24.3b | 22.3b | 20.9ab |
| A2 | 25.8b | 25.2b | 23.0b | 21.8b | |
| A3 | 25.9b | 24.9b | 22.3b | 21.3ab | |
| A4 | 26.0b | 24.7b | 23.1b | 21.9b | |
| CK | 24.3a | 22.8a | 21.2a | 20.5a | |
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Table 3
表3
表3不同覆膜方式下糜子总耗水量及其分配
Table 3Total water consumption amount and its distribution under different treatments
| 年份 Year | 处理 Treatment | 总耗水量 Water consumption amount (mm) | 耗水组成Water resource composition | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 降水量 Precipitation amount | 土壤贮水消耗量 Soil water consumption amount | ||||||
| 总量 Sum (mm) | 比例 Ratio (%) | 总量 Sum (mm) | 比例 Ratio (%) | ||||
| 2015 | A1 | 363.9a | 270.4 | 74.3ab | 93.5a | 25.7a | |
| A2 | 353.7a | 270.4 | 76.5a | 83.3b | 23.5b | ||
| A3 | 349.6a | 270.4 | 77.3a | 79.2b | 22.7b | ||
| A4 | 358.3a | 270.4 | 75.5ab | 87.9ab | 24.5ab | ||
| CK | 366.6a | 270.4 | 73.8b | 96.2a | 26.2a | ||
| 2016 | A1 | 219.7b | 184.8 | 84.1ab | 34.9b | 15.9b | |
| A2 | 216.9b | 184.8 | 85.2a | 32.1b | 14.8b | ||
| A3 | 234.7a | 184.8 | 78.7b | 49.9a | 21.3a | ||
| A4 | 230.5a | 184.8 | 80.2b | 45.7a | 19.8a | ||
| CK | 212.6c | 184.8 | 86.9a | 27.8c | 13.1c | ||
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5糜子生育期内0—100 cm各土层土壤贮水消耗量
-->Fig. 5Soil storage water consumption amounts at 0-100 cm soil layers
-->
2.3 不同覆膜方式对糜子水分利用效率及产量的影响
由表5可见,2015年糜子的水分利用效率在不同处理间依次为A2>A4>A3>A1>CK,2016年依次为A2>A4>A1>A3>CK,4种覆膜方式水分利用效率显著高于CK。A1、A2、A3、A4处理的糜子产量都较CK增产,2015年分别增产9.0%、34.8%、20.8%、29.0%;2016年分别增产43.3%、58.2%、49.4%、52.9%,严重干旱的2016年4种覆膜方式的增产潜力更大。两年间不同处理的产量变化依次为A2>A4>A3>A1>CK,4种覆膜处理均显著高于CK,并且4种覆膜处理间存在显著差异。从糜子产量相关性状看,除千粒重外,单株草重、单株穗重、单株粒重两年各处理间均为A2>A4>A3>A1>CK,且与CK存在显著差异,这一趋势与籽粒产量变化趋势完全一致,覆膜处理也显著影响糜子产量构成因子。Table 4
表4
表4糜子各生育阶段耗水量及其占总耗水量的比例
Table 4Water consumption amounts and ratios to total water consumption in different growth periods of broomcorn millet
| 年份 Year | 处理 Treatment | 播种—苗期 Sowing to Emergence | 苗期—拔节 Emergence to Jointing | 拔节—抽穗 Jointing to Heading | 抽穗—成熟 Heading to Maturity | 成熟—收获 Maturity to Harvest | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 数量 Amount (mm) | 比例 Ratio (%) | 数量 Amount (mm) | 比例 Ratio (%) | 数量 Amount (mm) | 比例 Ratio (%) | 数量 Amount (mm) | 比例 Ratio (%) | 数量 Amount (mm) | 比例 Ratio (%) | ||
| 2015 | A1 | 51.6a | 14.2a | 46.8c | 12.9c | 104.3a | 28.7a | 123.8a | 34.0a | 37.4a | 10.3a |
| A2 | 25.3b | 7.2b | 117.9a | 33.3a | 62.0c | 17.5c | 136.0a | 38.5a | 12.4d | 3.5d | |
| A3 | 50.9a | 14.6a | 68.0b | 19.4b | 93.7b | 26.8b | 117.0a | 33.5a | 20.0c | 5.7c | |
| A4 | 33.6b | 9.4b | 118.1a | 33.0a | 89.2b | 24.9b | 89.3b | 24.9b | 28.1b | 7.9b | |
| CK | 65.6c | 17.9c | 66.3b | 18.1b | 91.8b | 25.0b | 120.9a | 33.0a | 22.0c | 6.0c | |
| 2016 | A1 | 23.6b | 10.7b | 33.5c | 15.2c | 115.4a | 52.5a | 23.1a | 10.5a | 24.2a | 11.0a |
| A2 | 22.7b | 10.5b | 48.0b | 22.1b | 119.3a | 55.0a | 13.6bc | 6.3b | 15.4b | 7.1b | |
| A3 | 18.0c | 7.7c | 78.4a | 33.4a | 91.1c | 38.8c | 24.5a | 10.4a | 22.8a | 9.7a | |
| A4 | 17.0c | 7.4c | 84.0a | 36.4a | 96.8bc | 42.0bc | 15.1b | 6.6b | 17.5b | 7.6b | |
| CK | 45.7a | 21.5a | 44.6b | 21.0b | 99.2b | 46.7b | 12.1c | 5.7b | 10.9c | 5.2c | |
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Table 5
表5
表5糜子水分利用效率、产量及其相关性状
Table 5Water use efficiency, yield and yield related traits of broomcorn millet
| 年份 Year | 处理 Treatment | 水分利用效率 WUE (kg·hm-2·mm-1) | 籽粒产量 Yield (kg·hm-2) | 单株草重 Straw weight per plant (g) | 单株穗重 Spike weight per plant (g) | 单株粒重 Grain weight per plant (g) | 千粒重 1000-grain weight (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | A1 | 14.3b | 5204.9c | 21.0b | 25.1bc | 20.0b | 9.5a |
| A2 | 18.2a | 6438.9a | 31.5a | 31.8a | 25.6a | 9.6a | |
| A3 | 16.5ab | 5767.9b | 18.9b | 27.4b | 22.0b | 10.1a | |
| A4 | 17.2a | 6160.6ab | 28.8a | 26.6b | 21.4b | 9.1a | |
| CK | 13.0c | 4774.4d | 15.4c | 20.2c | 16.8c | 9.5a | |
| 2016 | A1 | 13.8b | 3028.1b | 29.6a | 12.9a | 8.0a | 8.0a |
| A2 | 15.4a | 3342.4a | 39.2b | 16.7b | 11.0b | 8.3a | |
| A3 | 13.4b | 3156.6ab | 35.4b | 14.0c | 8.4a | 7.6a | |
| A4 | 14.0b | 3231.6a | 35.8b | 15.1c | 9.2ab | 8.4a | |
| CK | 9.9c | 2113.1c | 22.9c | 10.1d | 6.3c | 8.5a |
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3 讨论
3.1 不同覆膜方式下的土壤温度效应
刘胜尧等[14]研究发现,与平作露地相比较,玉米生育前期垄作覆膜和平作覆膜增温1—3℃,土壤积温增加155.2—280.9℃,弥补了玉米春季低温对其造成的影响,这与本研究中4种覆膜方式的糜子生育前期增温保温效应相似。李尚中等[37]在玉米垄作覆膜的双垄沟播模式中发现,双垄沟播苗期能防止白天耕层土温的过度上升和晚间温度的过度下降,本研究中全膜双垄沟穴播（A2）苗期的增温保温特征与其相似,且增温保温效应在糜子全生育内不同土层、不同日时均显著的高于CK,原因在于双垄沟播宽窄行穴播的种植模式更利于地表充分接收太阳光照;赵财等[38]在绿洲区玉米一膜两年用覆膜免耕模式中发现,与秋免耕春覆膜和传统耕作覆膜方式相比较,一膜两年用覆膜免耕模式显著降低了玉米苗期0—25 cm平均地温1.5℃、1.8℃。本研究中,一膜三年用全膜双垄沟留膜免耕穴播（A1）5—25 cm土层增温效果在糜子全生育期内显著高于CK,但每天8：00的5 cm保温效果及每天20：00的25 cm增温效果显著弱于A2、A3、A4处理,原因在于多年农事操作不可避免地对地膜造成破坏,且土壤紧实度一膜三年用下土壤三相系统组分与其他3种一膜一年用模式存在差异。而在春小麦全膜平铺覆土及全膜平铺研究中发现,苗期全膜平铺覆土较露地条播,0—25 cm土层平均地温提高1.4℃—3.5℃,但孕穗至灌浆期正午地表地温比全膜平铺、露地条播降低5.3℃—6.4℃、3.1℃—4.3℃[39],这与本研究差别较大。本研究中,全膜平铺膜上覆土穴播（A3）、全膜平铺穴播（A4）在糜子全生育时期均表现出增温现象,但A3的增温效果低于A4,这与冠层的遮荫和地膜表面的覆土对太阳光的削弱作用[5,7,39]导致5 cm土层的增温效果次于A4有关,另外还与小麦、糜子生育时期的时间分布有关,春小麦全生育阶段在3—6月份,气温逐渐上升,其覆膜的增温效应成“U”型变化趋势[39],而糜子在5—9月份,气温先升后降,增温效应呈倒“U”型,并且在两种垄作模式（A1、A2）中也表现出相同的变化趋势。综合4种覆膜方式的土壤温度特征,双垄沟模式（A1、A2）宽窄行种植特点使其增温保温效果强于平作模式（A3、A4）,但一膜三年用及免耕（A1）削弱了温度效应,而平作膜上覆土显著的减弱了表层土壤的增温效应,使其4种覆膜栽培模式的土壤温度效应表现为A2>A4>A1>A3。3.2 不同覆膜方式下的土壤水分特征
垄沟覆膜方式的结构特点可显著的起到集雨效果,极大的提高降水利用效率[4,7,12]。李尚中等[37]在玉米研究中指出,垄膜沟播能将小于5 mm的无效降水转化为有效水分贮存于土壤中,提高水分利用效率;GU等[4]在油菜研究中发现,连续型垄膜结构在降水和灌水后能极大地提高1 m深度的土壤贮水量,且在油菜生育后期能够维持0—30 cm土层较高的土壤含水量;侯慧芝等[39]在春小麦全膜覆土穴播（FMS）、地膜覆盖穴播（FM）的研究结果发现,小麦拔节前,FMS、FM处理0—200 cm土层土壤贮水量较露地穴播（CK）分别增加33.1、29.3 mm,杨长刚等[16]在冬小麦研究中也得到类似结论。本研究中,4种模式下丰水年份的土壤水分特征与前人研究结果相似,覆膜均显著的提高了0—100 cm的土壤贮水量,且各土层间耗水相对均衡,而在严重干旱年份,垄作模式（A1、A2）的土壤贮水量显著高于CK,且耗水量集中于0—60 cm土层,原因在于垄作模式较强的集雨效果,但平作模式（A3、A4）反而较CK贮水量显著减少,这是由于平作模式的集雨效果次于垄作模式,并且还加强了80—100 cm土壤水分的消耗,研究者亦在冬小麦平铺覆膜中得到了相似的结果,即在冬小麦全生育期90—200 cm土层含水量普遍低于CK,覆膜处理平均耗水量分别较CK多64.6 mm和77.2 mm[40]。。综合4种模式的集雨贮水及耗水特点,垄作模式（A1、A2）的集雨贮水效果显著高于平作模式（A3、A4）,但由于双垄沟留膜免耕穴播（A1）为一膜三年利用模式,在连续种植两季玉米的基础上,第三季再度利用种植糜子将不可避免的对地膜及垄沟结构造成破坏,其集雨保墒效果次于A2、A3、A4,此外,平作模式中,A3的覆土作用使其保墒贮水效果优于A4,但对少量的降水有吸收作用,致其降雨稀少年份的集雨效果弱于多雨年份。3.3 不同覆膜方式下的糜子水分利用效率及增产潜力
全膜覆盖栽培在马铃薯生产中增产46.0%— 86.8%,水分利用效率提高40.3%—83.9% [40];在玉米生产中,可增产81.0%—92.0%,水分利用率提高26.6%—57.3%[2];在旱地小麦生产中可增产64.4%— 79.1%,水分利用效率提高22.1%—24.0%[16]。作物生产中高产和高的水分利用效率是全膜覆盖栽培中水分效应的最终体现,研究者发现原因在于全膜覆盖显著降低了生育期内的土壤蒸发[41]、加强了土壤深层水分的利用和生理性蒸腾,改善了作物生育前期的土壤水热环境,调节了作物不同生育时期的耗水强度[2,16,39],这与本研究中4种覆膜方式的增产机制基本一致。此外,垄沟结构模式（A1、A2）的土壤贮水及水分利用效率高于平作模式（A3、A4）,是其增产潜力高于A3、A4的主要作用因子,但由于一膜三年用留膜免耕穴播模式（A1）对膜的破坏增加了土壤水分的无效蒸发,降低了水分利用效率,而平作方式中膜上覆土作用（A3）减弱了覆膜的增温集雨效果。综合4种覆膜栽培方式的增温保温、贮水、集雨保墒效果,两年间A1、A2、A3、A4处理水分利用效率较CK分别提高1.3—3.9、5.2—5.5、3.4—3.5、4.1—4.2 kg·hm-2·mm-1,增产潜力依次为A2>A4>A3>A1。4 结论
糜子两个生长季中,4种覆盖方式的增温保温效果均为全膜双垄沟穴播（A2）>全膜平铺穴播（A4）>全膜双垄沟留膜免耕穴播（A1）>全膜平铺膜上覆土穴播（A3）。丰水年份的贮水效果为A1>A2>A3>A4,且4种覆膜方式能均衡调控糜子生育期内的耗水强度;严重干旱年份贮水效果为A1>A2>A4>A3,A3、A4加强了对80—100 cm土层水分的利用,A1由于多年的农事操作,对垄沟结构及地膜的破坏,集雨保墒效果次于A2、A3、A4。综合4种覆膜方式的增温保温、贮水、集雨保墒效果,两年间的增产潜力均为A2>A4>A3>A1。The authors have declared that no competing interests exist.
