高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]是一种综合抗旱性能较强的作物,在降水量低于450mm、气温较高的旱作地区发展种植,同时高粱具有耐涝、耐盐碱、耐瘠薄等特性^[1,2]。近年来,随着产业结构的调整,山西省重点发展小杂粮,高粱的种植面积在山西省不断扩大,2015年种植面积5.12万hm²,2016年种植面积5.90万hm²,2017年种植面积6.70万hm²。山西省地处黄土高原,旱地面积约381.63万hm²,占全省总耕地面积的75%以上^[3],降水稀少且分布不均是制约黄土高原农业发展的主要限制因素^[4],且近年来干旱程度呈不断加剧的趋势。通过有效的节水措施,提高天然降雨的利用效率是解决该地区农业发展的有效途径之一^[5]。

地膜覆盖因具有提高土壤温度,保存降雨资源,减少土壤水分蒸发,提高水分利用效率,促进产量提高^[6,7]的作用,被作为干旱半干旱地区的主要节水农业技术大范围推广。迄今,不同覆膜形式及覆膜材料对小麦^{[8,9,10,11,12]}、玉米^[13,14,15]的产量、土壤水温及水分利用效率的影响研究已比较全面。研究表明,覆膜能有效提高土壤贮水量,增加耗水量,提高了小麦和玉米的子粒产量和水分利用效率。曹寒等^[9]研究表明起垄黑膜对小麦的节水增产效果显著;杨海迪等^[11]的研究表明小麦周年覆盖地膜可提高土壤含水量,有利于土壤水库的扩蓄增容,显著提高了冬小麦的产量和水分利用效率;高艳梅等^[12]的研究表明旱地小麦休闲期覆盖欠水年蓄水效果优于丰水和平水年。张超等^[15]的研究表明不同秋覆膜方式均显著提高了玉米子粒产量和水分利用效率。地膜覆盖对高粱的生长及产量的影响已有初步研究^[6,16],渗水地膜、起垄覆膜有效增加了高粱穗粒重、千粒重、有效穗,从而有效提高了高粱的产量。

良好的水肥条件是提高作物产量的前提基础^[17],氮素作为影响作物生长发育和产量的最重要因素之一^[18],研究表明在一定的氮肥用量范围内,高粱子粒产量随着氮肥用量的增加而提高,但超过这个水平,产量不再增加。曹雄等^[19]的研究表明在山西吕梁地区汾阳市晋杂23、晋中405产量以基施氮肥225kg/hm²处理最高;辛宗绪等^[20]研究表明辽杂18在辽宁朝阳地区基施氮肥300kg/hm²处理产量最高。在农业生产中,过量施氮不仅导致氮肥利用率低,而且造成诸多环境问题,土壤结构被破坏。覆膜与氮肥互作的研究在玉米、小麦上已有报道,覆膜能显著提高春玉米的产量和氮肥利用效率^[21,22]。李强等^[23]的研究表明在有效减少氮肥用量的基础上,垄覆膜沟播能明显提高冬小麦的水肥利用效率,增加冬小麦产量。但在高粱上覆膜与氮肥互作对高粱水肥利用的研究鲜有报道。因此,针对山西吕梁地区降水稀少且分布不均匀的特征,为更有效地提高水肥利用效率,将覆膜和施氮量相结合,研究其对山西吕梁地区主栽机械化生产高粱品种晋杂34、晋杂35的产量、水肥利用效率的影响,旨在探讨最佳的覆膜和施氮量组合,以期为高粱的高产高效栽培提供一定的理论依据。

本研究于2015、2016年在山西省吕梁地区汾阳市山西省农业科学院经济作物研究所高粱试验田进行,试验区属于典型温带大陆性气候,海拔747.7m,无霜期约185d,近15年（2002-2016）年均降雨量为450.4mm,年平均气温为11.2℃,年日照时数为1 980.1h,主要种植制度为一年一熟。试验田土壤为砂壤土,0~20cm耕层土壤基本理化性状：pH 8.23、有机质1.89g/kg、全氮0.134%、有效磷54.7mg/kg、速效钾176.0mg/kg、电导率（EC值）0.25mS/cm。

供试品种为山西省目前生产中主推的机械化品种晋杂34（A₁）、晋杂35（A₂）,由山西省农业科学院高粱研究所提供。2种种植方式裸地（B₁）与覆膜（B₂）,3个氮肥用量（C₁：0kg/hm²、C₂：225kg/hm²、C₃：450kg/hm²）,共12个处理（表1）,各处理均施用P₂O₅ 75kg/hm²、K₂O 75kg/hm²。氮肥为长效尿素（纯N 46%）,磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 12%）,钾肥为硫酸钾（K₂O 51%）。

每试验小区种植12行,小区行长5m,行距0.5m,一膜3行,密度15万株/hm²,3次重复,完全随机区组排列,2015年于5月15日播种,10月8日收获;2016年于5月6日播种,9月25日收获;2年大田试验中,种植前进行大田灌溉,2015年播前土壤0~20、20~40、40~60cm土层的含水量分别为14.52%、15.28%、16.76%;2016年播前土壤0~20、20~40、40~60cm土层的含水量分别为14.71%、17.80%、16.61%;该试验地0~20、20~40、40~60cm的土壤容重分别为1.42、1.35、1.28g/cm³,生育期间正常田间管理,未进行人工灌溉。

2015年试验地年降雨量332.40mm,2016年年降雨量660.10mm,与近15年（2002-2016）平均降雨量450.40mm相比,2015年为降水偏少年度,2016年为降水偏多年度。2015年作物生育期（5月15日-10月8日）和2016年作物生育期（5月6日-9月25日）日降雨量见图1和图2。2015年生育期降雨量为210.7mm,雨水集中在8、9月,分别占生育期降雨量的39.96%、37.92%,正值高粱穗花期（抽穗开花期）和灌浆期。2016年生育期降雨量为531.9mm,雨水分布不规则,集中在6、7月,分别占生育期降雨量的22.26%、58.17%,正值高粱苗期、拔节抽穗期。

在高粱成熟期每个小区实收测产。分别在高粱苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、收获期,在每个小区选取3个点,用土钻取0~20、20~40、40~60cm土层土样,充分混合后用烘干法测定土壤含水量。

土壤贮水量（W,mm）=[（M₂/P₂）/（M₁/P₁）]×H×10

式中,M₁为烘干土重（g）,M₂为水重（湿土重-干土重,g）,P₁为土壤容重（g/cm³）,P₂为水的密度（g/cm³）,H为土层厚度（cm）。

按公式ET=P+U+I-F-R+（W₁-W₂）计算高粱耗水量,式中：ET为作物耗水量;P为生育期降水量;U为地下水补给量;I为灌水量;F为径流量;R为深层渗漏量;W₁为试验初期土壤贮水量,W₂为试验末期土壤贮水量;式中各分量单位均以mm计。根据试验区实际情况,式中地下水补给量、径流量、深层渗漏量均忽略不计,试验期间不灌水,故将公式简化为ET=P+（W₁-W₂）。

水分利用效率[water use efficiency,WUE,kg/(hm²·mm)]=子粒产量/作物耗水量

降水生产效率[kg/(hm²·mm)]=子粒产量（kg/hm²）/降水量（mm）^[24]

节水增产效果计算参照高艳梅等^[12]计算方法,覆膜比裸地节水量（△Ey）近似为△Ey=Ey₃/Y₃-Ey₄/Y₄,节水率βEy=△Ey×Y₃/Ey₃×100%;生育期覆膜比裸地增产量（△Y）近似为△Y=Y₄/Ey₄-Y₃/Ey₃,增产率βy=△Y×Ey₃/Y₃×100%。式中：Ey₃为生育期裸地处理的耗水量,Y₃为裸地的产量,Ey₄为生育期覆膜处理的耗水量,Y₄为覆膜处理的产量。

氮肥偏生产力（nitrogen fertilizer partial productivity,NFPP,kg/kg）=施氮区子粒产量/施氮量

用Microsoft Excel 2007进行数据计算和作图,用SPSS 24.0统计软件进行方差分析,用Duncan新复极差法进行分析比较。

土壤水分是作物需水的直接来源,且0~50cm土层土壤含水量受外界环境的影响较大,为土壤水分活跃层,特别是耕层土壤水分含量变化最大,直接影响着作物的生长发育^[25]。本试验对不同处理条件下0~60cm土层土壤水分进行了测定。由图3和图4可知,覆膜处理的土壤贮水量总体都高于裸地处理,以降雨少的时期和年度效果更明显。2015和2016年晋杂34高粱苗期至成熟期0~60cm土层平均土壤贮水量比裸地高10.76%和5.72%,2015和2016年晋杂35高粱苗期至成熟期0~60cm土层平均土壤贮水量比裸地高10.32%和5.82%。不同生育期的覆膜效果因降雨量不同也不尽一致。降雨偏少年度（2015）两品种苗期至拔节期增墒效果明显,生育后期增墒不明显;降雨偏多年度（2016）两品种以降雨较多的拔节期增墒效果最小。2015年拔节期晋杂34覆膜处理0~60cm土层土壤贮水量比裸地处理平均提高20.04%;晋杂35覆膜处理0~60cm土层土壤贮水量比裸地处理平均提高15.58%。2016年以降雨最多的月份,高粱拔节期的覆膜效果最不理想,晋杂34、晋杂35覆膜处理比裸地处理0~60cm土层土壤贮水量分别平均提高了2.57%、2.58%。总体来看增墒效果在不同生育阶段和年际间存在差异。

同一生育时期不同施氮水平之间0~60cm土壤贮水量差异不明显,各施氮水平土壤贮水量在不同生育阶段和年际间的表现受降雨量影响较大,2015年高粱生育后期的土壤贮水量高,2016年高粱前期的土壤贮水量高。但在裸地条件下,随着施氮量的增加0~60cm土壤贮水量呈下降趋势,降水偏少年度趋势更明显。在覆膜条件下,与其他施氮处理相比,降雨偏少年度两品种施氮225kg/hm²处理土壤贮水量在各生育时期都处于较高水平。

综合覆膜和施氮量两因素,在高粱的整个生育期晋杂34、晋杂35都以覆膜施氮225kg/hm²处理的0~60cm土壤贮水量最高,2015年两品种覆膜施氮225kg/hm²处理平均土壤贮水量比裸地施氮225kg/hm²处理分别提高了17.00%、9.00%;2016年分别提高了5.80%、4.31%;与覆膜施氮0kg/hm²和覆膜施氮450kg/hm²处理的土壤贮水量相比,0~60cm土壤贮水量差异不明显。可见,覆膜对土壤贮水量的提高起到决定性作用。

2.2.1 覆膜与施氮量对高粱产量的影响 综合两年的产量数据,对品种、覆膜、施氮量单一作用下的产量进行分析,结果（表2）表明：晋杂34产量显著高于晋杂35;覆膜处理显著提高了高粱的产量,比裸地处理增产11.63%;不同施氮量处理的产量差异不显著,施氮量225kg/hm²处理的产量最高,比施氮0kg/hm²、施氮450kg/hm²处理分别提高了6.32%、3.63%。

二因素的交互作用并不显著（表3）。在同一品种条件下,以施氮量225kg/hm²处理的产量最高;在相同覆盖方式下,裸地以施氮450kg/hm²处理产量最高,覆膜以施氮225kg/hm²处理的产量最高,这在一定程度上说明在覆膜条件保证产量的前提下可减少氮肥的投入,但由于差异不明显还有待进一步研究。而从三元互作效应来看,与裸地处理相比,晋杂34覆膜处理的产量提高幅度为5.38%~11.49%,但差异不显著;晋杂35覆膜处理的产量提高幅度为11.11%~24.80%,施氮225kg/hm²处理覆膜产量显著高于裸地产量。两品种的产量均以覆膜条件下施氮225kg/hm²最高,晋杂34、晋杂35该处理产量分别比裸地不施氮处理提高14.62%、26.81%。

从不同年度间产量表现（表4）可知,2015年,覆膜处理产量比裸地提高12.03%,晋杂34、晋杂35覆膜处理产量比裸地分别提高了8.50%、16.62%;2016年,覆膜处理产量比裸地提高11.17%,晋杂34、晋杂35覆膜处理产量比裸地分别提高了6.61%、15.96%。晋杂35的覆膜增产效果明显高于晋杂34。比较不同年度两品种的产量,2015年晋杂34、晋杂35平均产量分别为7 572.43、6 061.20kg/hm²,2016年两品种的平均产量分别为5 880.08、5 847.46kg/hm²;两品种2016年的产量都低于2015年,晋杂34、晋杂35分别减少了22.35%、3.53%,可见,穗花期降雨少影响产量的形成,晋杂35受年度天气变化的影响较少;而晋杂34受年度天气影响较大。

2.2.2 覆膜与施氮量对高粱水氮利用的影响 从氮肥利用效率角度来看（表4）,两品种覆膜施氮225kg/hm²处理的氮肥偏生产力显著高于各自的其他处理,且覆膜处理显著高于裸地处理,覆膜施氮225kg/hm²种植条件下晋杂34、晋杂35氮肥偏生产力分别为32.27、30.62kg/kg,方差分析表明覆膜施氮量交互作用不显著（表3）,但覆膜有效提高了氮肥利用率,减少了氮肥残留对环境的污染。

从水分利用的角度看（表4）,不同年际间覆膜处理的水分利用效率、降水生产效率都高于裸地处理,覆膜处理的耗水量稍低于裸地处理,但差异不显著。2015年的耗水量低于2016年,水分利用效率、降水生产效率高于2016年。与裸地处理相比,2015年覆膜处理水分利用效率平均提高了15.93%;2016年提高了12.21%。晋杂34不同年度间都以覆膜施氮225kg/hm²处理的水分利用效率、降水生产效率最高,且在2015年降水生产效率显著高于裸地施氮225kg/hm²处理。2015年,晋杂35水分利用效率、降水生产效率也以覆膜施氮225kg/hm²处理最高,且显著高于裸地施氮225kg/hm²处理;2016年覆膜施氮225kg/hm²处理的水分利用效率、降水生产效率显著高于裸地施氮225kg/hm²处理,居第2位,与第1位覆膜施氮450kg/hm²处理水分利用效率和降水生产效率差异不显著。可见,覆膜能有效提高旱田的水分利用效率和降水生产效率,尤其在降雨少的年度效果更明显;综合水氮利用情况,晋杂34、晋杂35都以覆膜施氮225kg/hm²效果最佳。

不同降水年度晋杂34、晋杂35都以覆膜、施氮225kg/hm²节水增产效果优于其他处理,且随着生育期降雨量的增加节水率、增产率明显降低（表5）。晋杂34覆膜、施氮225kg/hm²处理2016年单位产量的节水量提高8.534%,消耗1mm土壤水分增加产量9.330%,比2015年节水率降低46.73%,增产率降低51.90%;晋杂35覆膜、施氮225kg/hm²处理2016年单位产量的节水量提高13.358%,消耗1mm土壤水分增加产量15.417%,比2015年节水率降低51.75%,增产率降低59.78%。可见,覆膜的节水增产效果在2015年表现突出,同样的种植方式下晋杂35的节水增产效果优于晋杂34,晋杂35在不同降雨年度产量变化幅度不大,而耗水量在2015年低于2016年,导致年度间节水增产效果差异增大。

两年产量试验数据相比,2015年（生育期降水量210.7mm）的产量明显高于2016年（生育期降水量531.7mm）,这可能与两年度干旱发生的时段有很大的关系,2015年虽然降雨少,但雨水集中在高粱穗花期;2016年雨水集中在高粱苗期和拔节期,穗花期雨水严重欠缺。呼瑞梅等^[18]研究表明高粱品种需水关键期主要在拔节孕穗期和穗花期,由此可见,在高粱穗花期缺水对产量的影响较大。而且,山仑等^[1]研究证实高粱属于一种抗旱性很强且能在严重干旱条件下保持较高产量水平的作物,在干旱条件下高粱耗水量降低,水分利用率提高,本试验也证实降雨偏少年度水分利用效率、降水生产效率显著高于降雨偏多年度,产量保持在较高水平。

不同施氮处理间产量差异不显著,适宜机械化生产高粱对氮肥的施用表现出一定的耐肥性。与以往所得结论氮肥显著提高高粱产量^[20]不一致,这可能与试验品种、试验田肥料水平有关。覆膜显著增加了高粱的产量,比裸地增产11.63%,这与崔福柱等^[6]的研究结果相一致,但是晋杂34增产幅度不明显,且覆膜整体的增产节水效果并不理想。今后有必要在无效降雨的利用、覆膜方式及覆膜材料的选择上做进一步的研究,提高高粱的覆膜节水增产效果。覆膜的高产建立在高耗水的基础上^[10,26],而本研究结果表明覆膜的耗水量与裸地耗水量相近,但覆膜处理有效提高了高粱的水分利用率和产量。以降雨偏少年为例,晋杂34覆膜处理产量比裸地平均提高8.50%,水分利用效率相应提高12.17%;晋杂35覆膜处理比裸地平均增产16.62%,水分利用效率相应提高21.00%。这可能是覆膜增加了土壤贮水量,也与高粱本身高的水分利用率有关。

覆膜有效提高了高粱不同生育期不同处理0~60cm土层土壤贮水量,其增墒效果因降雨量的不同在不同生育阶段和年度间存在差异。整体上晋杂34、晋杂35两品种不同生育期都以覆膜施氮225kg/hm²处理的0~60cm土层土壤贮水量最高。两年的产量、水氮利用试验数据表明覆膜显著增加了高粱产量,有效提高了旱田的土壤水分和降水生产效率,降雨偏少年度的覆膜处理水分利用效率高于降雨偏多年度。不同氮肥处理间产量差异不显著,但施氮225kg/hm²处理产量最高,且两品种在覆膜施氮225kg/hm²条件下的氮肥偏生产力都显著高于各自的其他处理。降雨偏少年度晋杂34、晋杂35均以覆膜、施氮225kg/hm²处理节水增产效果最好,节水率分别为16.020%、27.686%;增产率分别为19.076%、38.286%。综合考虑产量、水氮利用情况,在本试验条件下晋杂34、晋杂35都以覆膜、施氮225kg/hm²可有效提高高粱子粒产量和水氮利用效率。