覆膜和密度對紅小豆產量及水分利用效率的影響

李 潔，晉凡生，李曉平，韓彥龍，李海金

(1.山西省農業科學院 旱地農業研究中心,太原 030031；2.山西農業大學 資源環境學院,山西太谷 030801)

紅小豆(PhaseolusangularisWight)為豆科，菜豆屬1 a生草本植物,土壤適應性較強,在微酸、微堿性土壤甚至輕度鹽堿地均能生長[1],抗旱耐脊適應性強，適合中國干旱、半干旱地區種植。山西是中國紅小豆主要產地之一，但山西紅小豆的平均單產與國內其他產區相比有較大差距(平均要低300 kg/ hm2)[2]，由此可見，山西紅小豆的平均單產有很大的提高潛力。已有研究表明[3-9]，增加密度是提升作物單產的措施之一，通過增加群體密度來提高作物單產仍然是當前中國提高產量所能采取的有效方法之一。一些研究也表明[10-15]，紅小豆產量與栽培密度存在著一定的依存關系，合理的栽培密度能夠使小豆的群體和個體協調發展，具有合理的株高和冠層結構，最大限度地提高單位面積產量。但是小豆要達到高產密植必須考慮到土壤的水分供應條件，地膜覆蓋能高效地利用當季降水，同時減少土壤水分蒸發，提高土壤的蓄水保水能力，進而增加產量，提高水分利用效率[10-15]。如何在有限的降水條件下，利用地膜覆蓋的保水蓄水能力來彌補因種植密度的增加而過多消耗水分導致的產量風險，是旱作區小豆生產中亟需解決的問題。為此本試驗在山西北部半干旱區，通過研究地膜覆蓋對不同種植密度對紅小豆株高、產量、耗水特性及水分利用效率的影響，為山西省半干旱區紅小豆的栽培方式和種植密度的合理組合提供理論依據，充分發揮紅小豆在山西半干旱、冷涼區的區位優勢和生產優勢。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年5月-10月在山西省旱作節水農業示范基地-陽曲縣河村進行。該區位于山西省中部，地處忻州與晉中盆地之脊梁地帶，東經112°54′，北緯38°02′。屬于典型的丘陵半干旱區，海拔1 270 m，年平均降雨約440 mm，年均蒸發量1 995 mm，無霜期約120 d，年平均氣溫6～7 ℃，≥10 ℃有效積溫2 600 ℃，氣侯涼爽，晝夜溫差大。試驗地土壤屬于褐性土，土壤pH 8.02，無灌溉條件，土壤0～20 cm含有機質為16.50 g/kg，全氮為1.09 g/kg，堿解氮為55.12 mg/kg，速效磷為14.63 mg/kg，速效鉀為161.09 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試作物品種為‘晉紅小豆5號’。試驗采用裂區設計，栽培方式為主區，有2個水平，分別為覆膜種植和露地種植(對照)，覆膜種植為膜側播種，地膜寬度為65 cm，覆膜種植和露地種植播種行距都為60 cm；紅小豆不同種植密度為副區，有5個水平，分別為6.7萬株/hm2、8.0萬株/hm2、10.0萬株/hm2、13.3萬株/hm2和20.0萬株/hm2，10個處理，3次重復，共30個小區。小區面積35 m2(7 m×5 m)。播種時各小區均采用人工精量點播，每穴3粒。出苗后，覆膜區紅小豆需要人工放苗，間苗、定苗后，每穴留苗1株。基肥在覆膜前一次性施入，施肥量為純氮90 kg/hm2，P2O5108 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2。前茬作物為玉米。試驗于5月17日人工穴播，9月27日收獲。試驗在自然降水條件下進行，生育期無補充灌溉，出苗后按常規措施進行田間中耕管理。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 土壤水分測定 每小區中部各埋設一根中子管，深度200 cm。從小豆播種前到收獲后，定期用CPN-503中子儀(20～200 cm)測定土壤含水量[16]，中子儀每20 cm測定土壤水分。

1.3.2 株高的測定 每個小區挑選長勢均勻10株連續的紅小豆，分別掛牌標記，在每個生育期測定株高(從地表到植株莖部生長點的高度)。

1.3.3 產量及產量構成因素 小豆成熟后小區單打單收實際測產，并折算產量kg/hm2；收獲時對各處理小區內掛牌的10株取樣，待風干后進行室內考種，分別測定單株有效莢數、單莢粒數、百粒質量。

1.4 氣象資料獲取

2015年及歷年每日降雨量、溫度等基本氣象資料由試驗基地自動氣象站記錄獲得。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05對試驗數據進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 試驗區域降水特征分析

如表1所示，2010-2014近5 a全年的降水量為422.3 mm，在試驗年份2015年的降水量為534.6 mm，比近5 a平均降水量高26.6%，為豐水年。試驗年份紅小豆生育期內降水量比5 a平均多54.9 mm,其中在8、9月份的降水量比歷年均值分別高78.3%和18.7%，此時期正是紅小豆的花莢期-成熟期，需水量較高，試驗年份這一時期充足的降水能保證紅小豆的高結莢率和籽粒的飽滿度。在2015年和2010-2014年中，生育期內小于5 mm的無效降水分別占總生育期的11.4%和10.4%，在生育期內這一成的降水為無效降水，這一資源不能被利用。

表1 試驗年份降水特征比較Table 1 Comparison of precipitation characteristics in tested year mm

2.2 覆膜和密度對紅小豆株高的影響

覆膜種植顯著提高紅小豆的株高(表2)，在紅小豆的4個生育階段，覆膜種植(5個密度)平均株高分別較裸地種植增加22%、23%、10%、20%。覆膜種植的小豆株高在各個生育期中隨著密度的增加變化差異不顯著，這可能是因為覆膜提高了土壤的蓄水保墑能力，能夠提供因密度增加所多消耗的水分；而裸地種植的紅小豆株高在生育前期變化不顯著，在中后期具有隨著密度增加而降低的趨勢，且在成熟期時差異最為顯著，變異系數達到7.4%，這可能是因為隨著密度的增加，植株生長所需要的水分、養分增多，形成競爭。

2.3 覆膜和密度對紅小豆產量及其構成因素的影響

覆膜顯著增加紅小豆的產量，在同密度下，覆膜種植的產量均比裸地種植的產量高，種植密度從6.7萬株/hm2增至20.0萬株/hm2，覆膜較裸地種植的產量分別增加42%、26%、53%、30%、41%，差異顯著。在2種種植模式下，紅小豆產量都有隨著種植密度增加而增加。但在產量增加方面各有不同的表現特點：覆膜下，隨著密度增加產量顯著增加，并在密度為20.0萬株/hm2時，產量達最大(2 653.4 kg/hm2)，與6.7萬株/hm2處理下最低產量相比，增產25.9%；在裸地情況下，隨著密度增加產量增加并不顯著，尤其是在密度為13.3萬株/hm2和20.0萬株/hm2時，產量分別達到1 875.1 kg/hm2和1 865.3 kg/hm2，兩者幾乎無差異，即在裸地種植時，密度在13.3萬株/hm2時，產量即可達到很高水平，與6.7萬株/hm2處理下最低產量相比，增產26.2%。對紅小豆產量性狀分析表明，無論覆膜與否，隨著密度增加，莢數都表現隨密度增加而降低，且差異顯著，與產量成負相關；而單莢粒數和百粒質量卻有隨著密度增加而增加的趨勢，說明紅小豆產量的增加主要取決于群體株數、單莢粒數和百粒質量的增加，通過這些產量性狀的增加來彌補單株莢數降低帶來的產量損失。

表2 不同種植模式和密度下紅小豆各生育階段株高Table 2 Plant height of red bean under different planting patterns and densities at each growth stages cm

表3 不同種植模式和密度處理下紅小豆的產量及其構成因素Table 3 Yield and yield characters of red bean with different planting patterns and planting densities

2.4 覆膜和密度對紅小豆耗水量的影響

覆膜種植增加了紅小豆全生育期的總耗水量(表4)，與裸地種植相比，平均總耗水量增加了19.1 mm。在同一密度下，覆膜種植的總耗水量都比裸地種植的高，種植密度從6.7萬株/hm2增至20.0萬株/hm2，覆膜較裸地種植的耗水量分別增加了16.5 mm、0.8 mm、15.2 mm、14.4 mm、30.6 mm。無論是覆膜還是裸地，隨著種植密度的增加，全生育期總耗水量基本呈增加趨勢。從生育期各個階段耗水量分析來看，同一密度下，在紅小豆生育期前期，即播種-現蕾期，覆膜與裸地相比，除密度在10.03株/hm2時，耗水量增加外，其余都在減少，這可能是因為在封壟前，地表蒸發要消耗很多水量，而覆膜則能抑制這一過程，減少農田耗水量；而在生育中后期，即現蕾期-花莢期和花莢期-成熟期，覆膜比裸地的耗水量大，分別增加了4.3%和11.5%，這可能是因為到中后期，植株生長旺盛，覆膜能夠集雨保墑，為植株生長提供更加充足水分以滿足植株生長的需要，為高產提供保證。在2種種植模式下，生育期各階段耗水量都隨密度增加呈明顯增加趨勢，其中生育期前期差異顯著，變異系數在各個生育階段達到最大，分別為14.7%和15.0%，而到了生育中后期，變異系數較小，僅為4.6、2.9和1.9、6.0，差異并不顯著。

表4 不同種植模式和密度處理下紅小豆耗水量Table 4 Water consumption of red bean with different planting patterns and planting densities mm

2.5 覆膜和密度對紅小豆水分利用效率的影響

覆膜種植提高了紅小豆的產量，在生育期總耗水量與裸地相差不大的情況下，使得水分利用效率得以提高(表5)。與裸地相比，種植密度從6.7萬株/hm2增至20.0萬株/hm2，覆膜種植的水分利用效率分別提高26.2%、26.5%、47.8%、18.2%、30.2%，差異顯著。在2種種植模式下，水分利用效率的總體趨勢是隨著密度的增加而上升，在密度為6.7萬株/hm2時水分利用效率最低，在不同的種植密度間，與密度為6.7萬株/hm2相比，覆膜種植的水分利用效率增幅為1.8%～13.5%，裸地處理的水分利用效率增幅為2.6%～21.3%。不管是覆膜還是裸地，水分利用效率隨密度的變化與產量變化基本一致，裸地種植在密度為13.3萬株/hm2時獲得最高的水分利用效率為5.5 kg/(hm2·mm)，而覆膜種植則是在密度為20.0萬株/hm2時獲得最高的水分利用效率為6.1 kg/(hm2·mm)。

3 討 論

覆膜能明顯提高土壤的蓄水保墑能力，給作物生長提供充足的水分，顯著提高作物的產量[17-18]。本研究中，覆膜明顯加速了小豆的生長和發育，同密度下與裸地相比，株高增加顯著，充足的水分供應，能夠保障植株個體的發育健壯，為高產打下堅實的基礎。在5個不同的密度梯度中，覆膜處理的紅小豆的產量都高于裸地處理，差異達顯著水平，覆膜種植對紅小豆的生長及產量的促進作用明顯。

表5 不同種植模式和密度處理下紅小豆水分利用效率Table 5 Water use efficiency of red bean with different planting patterns and planting densities

合理的種植密度能夠解決個體與群體間的發展矛盾，使個體茁壯成長，群體能夠協調發展，達到高產的目的。本研究中，無論是覆膜還是裸地，紅小豆產量的總體趨勢都是隨著種植密度增加而增加，但是達到最高產量時的密度在覆膜和裸地上是不同的，裸地種植的小豆在密度為13.3萬株/hm2時產量最高，而覆膜種植的小豆在密度為20.0萬株/hm2時產量最高，也就是說覆膜種植的小豆獲得最高產量時所對應的密度較裸地種植的高，這可能是因為覆膜的保墑作用，彌補了因群體增加所消耗的水分。崔秀輝[10]對小豆進行不同密度試驗,結果表明，小豆產量與密度方程呈拋物線型，即隨著密度的增加，產量先增加后降低，在19.0萬株/hm2時，產量達到最高值。研究結果的不同可能與小豆品種，底墑、降水量、土壤肥力、密度設計范圍等情況有關。

旱地農業是雨養農業，雨養農業的特點是自然降水是旱地農業水分的唯一來源，如何高效得利用這些降水是提高水分利用效率的途徑之一。本試驗研究表明，在5個不同的密度梯度中，覆膜都增加了紅小豆全生育期的總耗水量，但是增加的幅度很小，只有0.2%～9.4%,差異不顯著，而產量的增加幅度卻很大，達到26.4%～52.8%，可見，增加的少許耗水量能夠使小豆植株充分利用，大幅提高小豆的產量，產量的大幅度提高抵消了增加的少許水分消耗，因而使得水分利用效率得以提高。孫仕軍等[19-20]研究認為雨養條件下，裸地種植的玉米隨著種植密度的增加，玉米得到一定增產效應的同時也導致土壤20～40 cm 處的水量消耗增多，該深度為根部的主要儲水和耗水區間。本試驗研究也得到了相似的結果，試驗研究表明，無論覆膜與否，隨著種植密度的增加，生育期總耗水量均呈增加趨勢，且耗水量增加主要在于紅小豆生育期前期，在生育中后期，耗水量的差異并不顯著，本研究是在豐水年型下，由于底墑好，增加密度而導致的前期耗水量增加不會造成小豆前期水分供應不足，但是在平水年或是偏旱年型下，會不會因底墑不好而導致減產，則需進一步的研究。

4 結 論

覆膜顯著增加了紅小豆的產量和水分利用效率，與裸地相比，分別提高了38.3%和30.0%。在2種種植模式下，產量和水分利用效率的總體趨勢均是隨著密度增加而增加，因此，在豐水年型下，產量與水分利用效率達到最優的覆膜和裸地種植的密度分別為20.0萬株/hm2和13.3萬株/hm2。

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