壟溝覆蓋下品種熟性與施肥量對東非高原玉米生產(chǎn)力的影響及機(jī)理.pdf

1、氣候變化下東非高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)糧食生產(chǎn)能力與天然降雨利用能力的嚴(yán)重不足是備受國際關(guān)注的現(xiàn)實(shí)問題。在中國西部半干旱區(qū)業(yè)已大面積推廣的玉米壟溝覆蓋栽培系統(tǒng)能否在東非高原適用并取得增產(chǎn)增效？品種熟性與施肥量對其影響多大？其生理生態(tài)機(jī)理如何？等不僅是基礎(chǔ)科學(xué)問題，也是我國一帶一路戰(zhàn)略實(shí)施的重大需求。本研究在課題組過去多年的國內(nèi)研究基礎(chǔ)上，以壟溝覆蓋系統(tǒng)為核心，包括壟溝透明地膜覆蓋(RFT)、壟溝黑色地膜覆蓋(RFB)、壟溝禾草覆蓋(RFS)和壟溝

2、無覆蓋種植(CK)，開展了大田試驗(yàn)及技術(shù)驗(yàn)證。
　　研究首先于2012-2013年在肯尼亞半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)KARI-Katumani試驗(yàn)站開展了兩個(gè)相對獨(dú)立卻又緊密聯(lián)系的大田試驗(yàn)，具體包括：1)上述四種壟溝覆蓋栽培下三個(gè)不同熟性(早熟、中熟和晚熟)玉米品種的比較研究和2)上述三種壟溝覆蓋栽培(RFT、RFB和CK)下不同施肥量(施加復(fù)合肥，高施肥率F2、正常水平施肥率F1和不施肥F0)的對比研究。通過對土壤剖面水分動態(tài)、土壤溫度、

3、作物水分利用、土壤有機(jī)碳、酶活性、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、繁殖效率、籽粒養(yǎng)分吸收、水分利用效率等參數(shù)的系統(tǒng)收集和分析，以及根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌鲂星闇y算的經(jīng)濟(jì)收益，首先揭示了壟溝地膜覆蓋技術(shù)在改善東非高原旱地玉米生產(chǎn)力和農(nóng)戶生計(jì)方面的農(nóng)藝、生態(tài)機(jī)理。其次，為進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)路線并評估其高效性，于2014年在黃土高原半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)石頭溝試驗(yàn)站開展了平行驗(yàn)證試驗(yàn)，全面分析了土壤水分、養(yǎng)分平衡、物候格局、繁殖效率和產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)輸

4、出等指標(biāo)，同時(shí)與肯尼亞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對分析，以期為將來不斷深化壟溝覆蓋系統(tǒng)在東非高原的有效革新提供理論依據(jù)并為繼續(xù)完善探明潛在方向。得出如下主要結(jié)果：
　　一）壟溝覆蓋條件下東非高原玉米增產(chǎn)增效機(jī)理的分析
　　1.壟溝地膜覆蓋在時(shí)間上延長土壤水分有效性，空間上優(yōu)化水分垂直分布，從而形成了匹配作物耗水特征的蒸散量變化特征。RFT和RFB較對照分別提高生長季表層土壤貯水量48.9％和49.9%，增加了中層水分的前期積累和后期消耗

5、，并促進(jìn)了玉米生長后期對深層水分的獲取。RFT和RFB顯著減小了玉米前期蒸散量分別為18.8mm和19.0mm，然而增加了中后期以作物蒸騰為主玉米蒸散量，分別高于對照21.2mm和19.1mm。
　　2.利用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。在生長季熱量相對較低的2012長雨季，RFT平均增加10cm地溫1.3℃，增溫效應(yīng)主要體現(xiàn)在生長前期的白天高溫時(shí)段和生長后期的夜間低溫時(shí)段。相反，RFB能夠在相對

6、高溫的2013季發(fā)揮降溫效應(yīng)，平均達(dá)到0.5℃，對生長后期的高溫脅迫具有積極的衰減作用。
　　3.壟溝地膜覆蓋體現(xiàn)了對土壤有機(jī)碳(SOC)平衡的中性調(diào)節(jié)和土壤酶活性的增強(qiáng)機(jī)制。RFT和RFB增加了生長季內(nèi)對SOC的消耗，高于對照0.7g kg-1、0.8g kg-1，并趨向于更大幅度地實(shí)現(xiàn)休耕季SOC的恢復(fù)。RFT和RFB較對照提高了土壤過氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶活性，增幅依次為：6.6ml g-1和7.8ml g-1、47.0

7、mg kg-1和51.4mg kg-1、1.0mg g-1和0.9mg g-1。
　　4.壟溝地膜覆蓋塑造了快速完成營養(yǎng)生長并延長繁殖持續(xù)的作物物候格局。相較對照，RFT和RFB顯著提前了玉米出苗，并提高出苗率8.1%和7.8%。RFT和RFB分別縮短了播種到抽穗的時(shí)間長度，分別為11.2天和9.4天，然而，兩者顯著延長了繁殖持續(xù)分別達(dá)5.6、5.3天。
　　5.壟溝地膜覆蓋促進(jìn)幼苗建立并增加活力，增加了生物量積累，并優(yōu)化了

8、繁殖分配和效率。RFT和RFB增加了玉米莖干縱向生長和橫向擴(kuò)展能力，葉面積指數(shù)顯著增加，最終地上、地下生物量較對照分別增加了56.6%和63.6%、37.2%和45.1%。同時(shí)，RFT和RFB提高了穗部大小在地上生物量中的分配比重，高于對照12.1%和14.5%。
　　6.壟溝地膜覆蓋優(yōu)化了穗部結(jié)構(gòu)、促進(jìn)了繁殖成功并增加了籽粒輸出和收獲指數(shù)。RFT和RFB顯著改善了產(chǎn)量構(gòu)成因子，穗長、穗粗、穗粒數(shù)、穗粒重、籽粒氮含量和磷含量分別增

9、加了16.1%和19.6%、11.0%和12.7%、13.9%和16.8%、56.8%和51.8%、34.3%和31.8%、36.8%和27.3%，并降低了籽粒敗育率6.4%和6.3%。最終，籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)在RFT和RFB分別增加了69.9%和78.5%，0.095和0.067。
　　7.壟溝地膜覆蓋維持了包括水、肥在內(nèi)的資源利用效率的高位運(yùn)行，并提升了經(jīng)濟(jì)效益水平。與對照相比，RFT和RFB顯著增加水分利用效率98.4%和9

10、9.7%，增加了經(jīng)濟(jì)效應(yīng)47.3%和39.2%。
　　8.因壟溝地膜覆蓋而改善的土壤水分有效性支撐了晚熟品種在生長中期對中層土壤水分的更多攝取(高于早、中熟品種11.7%和4.0%)，以及生育后期對深層土壤水分的利用(分別高于早、中熟品種7.2%和5.1%)，從而支撐其更大的季內(nèi)水分消耗(高于早、中熟品種11.3%和9.4%)。晚熟品種趨于增加SOC在休耕季的提升，可歸結(jié)于更大的地下生物量對土壤SOC的輸入。晚熟品種能夠進(jìn)一步擴(kuò)大

11、繁殖延長的物候優(yōu)勢，同時(shí)顯示了顯著高的生物量積累能力。然而，籽粒最終輸出的品種效應(yīng)具有明顯的季節(jié)性，主要由于產(chǎn)量因子、繁殖投入和效率優(yōu)化幅度的季節(jié)性差異。具體地，在水熱條件相對適宜的長雨季，晚熟品種顯著改善了產(chǎn)量因子、增加了繁殖體分配比例(較早、中熟品種分別增加了9.2%和2.3%)、維持了較低的籽粒敗育率和相對延遲的葉片衰老，最終形成了最高的籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。相反，在高溫、干旱脅迫相對嚴(yán)重的短雨季，早熟品種因更早地完成

12、繁殖而降低了籽粒敗育率并能夠增加繁殖效率，從而獲得了最高的籽粒輸出、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。
　　9.壟溝地膜覆蓋下，增加的施肥促進(jìn)了玉米繁殖階段對中層水分的利用(F2較F1、F0分別高出8.6%和5.5%)。增加的施肥水平衰減了生長季內(nèi)SOC的消耗，F(xiàn)2和F1在生長季結(jié)束時(shí)的SOC平均高于對照13.2%和9.7%。增加的施肥量有助于SOC在休耕季的提升，F(xiàn)2、F1和F0中SOC在休耕季結(jié)束時(shí)的增加量平均分別為1.2、0.7、0.

13、3g kg-1。增加的施肥不僅緩解了玉米葉片的早衰，同時(shí)促進(jìn)了光合產(chǎn)物向穗部轉(zhuǎn)移。高施肥率能夠在長雨季充分利用季內(nèi)水熱條件顯著提升籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，但其優(yōu)勢在資源相對限制的短雨季與中等施肥率間差異不顯著，歸結(jié)于生育后期干旱、高溫導(dǎo)致的生長不足、作物早衰和繁殖限制，進(jìn)而降低了肥料攝取和利用。
　　10.基于上述對不同品種、施肥量在壟溝覆蓋系統(tǒng)下水熱調(diào)控、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的差異響應(yīng)的結(jié)果分析，因而提出：長雨季晚熟品種、高

14、施肥率與壟溝透明膜覆蓋的結(jié)合，而早熟品種、中等施肥量與壟溝黑膜覆蓋在短雨季的組合是值得推薦的、具季節(jié)特異性的最佳高產(chǎn)高效栽培管理途徑。
　　二）壟溝覆蓋系統(tǒng)在東非高原的高效性驗(yàn)證：
　　平行的對比驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)一步評估了壟溝地膜覆蓋系統(tǒng)從黃土高原到東非高原引進(jìn)過程可能面臨的挑戰(zhàn)和不足，主要體現(xiàn)在：與黃土高原相比，土壤水分貯存能力要顯著低24.6%；生長季玉米水分消耗降低了34.7%；水分利用效率的增加幅度顯著低51.4%；土壤有