寧南旱區(qū)溝壟集雨結(jié)合補灌對土壤水分利用及冬小麥產(chǎn)量的影響

楊 震，董昭蕓，衛(wèi) 婷，張 鵬，賈志寬

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100； 2. 農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

近年來，隨著全球干旱問題日趨嚴重，水資源短缺已成為旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的最為嚴重問題[1]。我國是水資源極為短缺的國家，水資源危機是制約農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[2-4]。特別是在干旱半干旱地區(qū)氣候偏暖，降水量有明顯減少的趨勢，且每年有60%的降雨都聚集在7～9月份，正好為作物需水較少的時期，降雨類型主要為小雨或暴雨，降雨年際間及季節(jié)間變率均較大，使得水資源短缺的問題更加突出[5]。加之，農(nóng)田灌溉水利用效率低下，尤其農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費嚴重，使得農(nóng)業(yè)用水短缺的問題進一步加劇[6-7]。如何通過提高降雨利用率以減少灌溉用水量是干旱半干旱區(qū)實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要途徑。

多年的研究表明，旱作農(nóng)田溝壟集雨種植技術(shù)通過田間起壟覆膜、溝內(nèi)集雨種植可使無效降水疊加為有效降水，種植溝內(nèi)降雨得以富集，同時因壟面覆膜顯著降低了土壤水分蒸發(fā)面積，種植溝中的土壤水分條件得以顯著改善，進而有效地促進作物生長，提高作物的生產(chǎn)力[8-11]。溝壟集雨具有良好的蓄水保墑作用，可以提高作物生育期的土壤貯水量，進而提高作物葉綠素含量、光合能力及籽粒產(chǎn)量等[8]。溝壟集雨結(jié)合農(nóng)作物需水關(guān)鍵期進行有限補灌，能大幅提高作物的產(chǎn)量、灌溉利用率和水分利用效率[12-14]，從而減少灌溉用水，是節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效技術(shù)途徑[8-9,13-14]。

已有諸多研究關(guān)注于旱作農(nóng)田壟膜溝種栽培方式對作物生長發(fā)育的影響[12-14]，而將農(nóng)田溝壟集水種植技術(shù)與限量補灌相結(jié)合的研究卻鮮有報道。本研究正是基于這一基本設(shè)想，以傳統(tǒng)畦灌為對照，分析不同時期補灌對半干旱區(qū)土壤水分及作物生長的影響，為旱作技術(shù)應(yīng)用于灌溉農(nóng)田實現(xiàn)節(jié)水灌溉奠定實踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013-2015年在寧夏回族自治區(qū)彭陽縣長城村旱地農(nóng)業(yè)試驗區(qū)(106°48′E，35°51′N)進行，海拔1 658 m，地貌類型屬黃土高原腹部梁峁丘陵地。該地區(qū)年平均降水量430 mm左右，其中70%的降雨集中在7～9月份。年平均氣溫6.1℃，年平均日照時數(shù)2 518.2 h，年蒸發(fā)量1 753.2 mm，無霜期140～160 d。2013-2015年冬小麥生育期各月的降水量和近40年月平均值見圖1。以多年冬小麥生育期平均降水量為標準參數(shù)劃分降水年型。試驗區(qū)冬小麥生育期多年平均降雨量為244.1 mm。2013-2014年冬小麥全生育期的總降水量為197.9 mm，為同期40年平均降水量的81.1%，屬于枯水年。在2014-2015年冬小麥全生育期的降水量為311.5 mm , 為同期40年平均降水量的127.6%，屬于豐水年。試驗田為旱平地，土壤類型為黃綿土。不同土層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分見表1。

表1 0～60 cm土層土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Nutrient contents at 0～60 cm soil layer

數(shù)據(jù)來源：寧夏省彭陽縣氣象站。Source: Meteorological Observation Station of Pengyang County, Ningxia Province, China.圖1 2013-2015年冬小麥生育期降水量Fig.1 Distribution of monthly precipitationat the experimental site during 2013-2015

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置4種灌溉模式：全生育期不灌溉、拔節(jié)期灌溉、抽穗期灌溉、拔節(jié)期抽穗期均灌溉，每種灌溉模式下有溝壟集雨種植(R)和平作畦灌(B)兩種田間耕種管理方式，共8個處理(見表2)，每處理3次重復(fù)。平作畦灌灌水定額參考當?shù)毓喔绒r(nóng)田傳統(tǒng)灌溉量確定，為750 m3·hm-2；溝壟集雨耕作方式下，考慮到灌溉僅在種植溝中進行，灌水定額設(shè)定為畦灌的50%，灌水定額為375 m3·hm-2。各處理種植小區(qū)面積為78 m2(長13 m×寬6 m)。

溝壟集雨補灌處理壟、溝寬度均為60 cm，壟高15 cm，溝內(nèi)種植和灌溉。溝壟集雨補灌與畦灌的種植密度一致。小麥播前10 d整地、起壟、覆膜、施肥深翻，施肥量為N 180 kg·hm-2和P2O5120 kg·hm-2，在作物生長期間不追肥。分別于2013年9月16日播種，2014年7月5日收獲，2014年9月21日播種，2015年7月9日收獲。供試品種為隴鑒301，播量為190 kg·hm-2，播種方式為條播，集雨處理種植溝內(nèi)條播4行小麥，集雨補灌和平作畦灌各處理行距均為20 cm。

表2 集雨補灌試驗處理Table 2 Experimental treatments of the ridge and furrow rainwater harvesting cultivation

圖2 田間種植示意圖Fig.2 Schematic diagram of the field layout

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水率 在冬小麥播前和各個生育時期，分別采用烘干法測定0～200 cm土層土壤水分，0～20 cm每10 cm取1個土樣，20 cm以下每20 cm取1個土樣，平作畦灌處理取樣點位于小麥行間，集雨補灌處理在種植溝內(nèi)沿壟側(cè)和溝內(nèi)正中點分別取樣，取平均值，田間取樣每處理重復(fù)3 次。

1.3.2 冬小麥產(chǎn)量的測定 平作畦灌各處理小麥收獲后每小區(qū)取長勢有代表性的相鄰5行，長度1 m區(qū)域的小麥，取樣面積為1 m2(行長1 m×寬1 m)，重復(fù)3次。集雨補灌各處理每小區(qū)取種植溝中4行，長度為1 m區(qū)域的小麥，為準確評價集雨補灌各處理因壟膜溝播導(dǎo)致種植面積減少的產(chǎn)量效應(yīng)，集雨補灌各處理以溝壟總面積計算冬小麥產(chǎn)量，3次重復(fù)。

1.3.3 土壤貯水量計算

式中，w為土壤貯水量(mm);hi為土層深度(cm);ρi為土壤容重(g·cm-3)；bi為土壤水分重量百分數(shù)；n為土層序號，i=10，20，40，…,200。

1.3.4 作物耗水量 全生育期耗水量:

ET(mm)=(W1-W2)+P+I+C-D-R

式中，W1為播前土壤0～200 cm土層土壤貯水量(mm)，W2為收獲后0～200 cm土層土壤貯水量(mm)，P為生育期有效降水量(mm)，I為生育期灌溉總量(mm)，對不灌水處理(R0和B0)I=0，C(mm)為地下水流入根部水量，D(mm)為根部以外排出水量，R(mm)為地表徑流，在本試驗中，地下水位在地表約80 m的深度，所以地下水流入根部的水量可以忽略不計，因為本試驗地是平地，所以未發(fā)生徑流，而對于 200 cm以下排水量則不影響本試驗計算，也可以忽略不計。

1.3.5 作物水分利用效率

WUE(kg·hm-2·mm-1)=Y/ET

式中，Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為全生育期耗水量(mm)。

1.3.6 作物灌水利用效率

IWUE(kg·hm-2·mm-1)=Y/I

式中，Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；I為生育期灌溉總量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Dps 6.55軟件進行處理和分析，采用SigmaPlot 10.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝壟集雨補灌措施下0～200 cm土層土壤水分時間動態(tài)變化

由于不同年份降雨量及其分布不同，各處理不同時期的土壤貯水量表現(xiàn)不同(圖3)。在冬小麥整個生育期內(nèi)，0～200 cm土層土壤貯水量總體呈逐漸減少的趨勢。由圖3可以看出，無論在枯水年(2013-2014年)還是豐水年(2014-2015年)全生育期內(nèi)測定的0～200 cm土層的土壤貯水量規(guī)律基本一致。在不同種植方式下，兩個試驗期內(nèi)集雨補灌處理0～40 cm土層的土壤貯水量均高于對應(yīng)的畦灌處理(圖4)。而兩個試驗期內(nèi)測定的0～200 cm土層土壤貯水量，集雨補灌處理與對應(yīng)畦灌處理之間的差異在不同生育時期表現(xiàn)不同。

小麥播種到苗期，冬小麥植株較小，兩個試驗期在該階段降雨量分別為52.6 mm和84.7 mm，且覆膜可減少土壤無效蒸發(fā)，苗期各集雨補灌處理較對應(yīng)畦灌處理的增幅分別為1.8%～3.0%和2.8%～3.8%(p<0.05)；試驗期間苗期到返青期降雨量分別為47.6 mm和22.6 mm，在返青期測得的各集雨補灌處理較對應(yīng)畦灌處理的增幅分別為2.9%～3.5%和4.0%～4.9%(p<0.05)。

進入拔節(jié)期后，冬小麥快速生長，干物質(zhì)積累量較大，各集雨補灌處理耗水量相應(yīng)高于對應(yīng)的畦灌處理，使得集雨補灌與對應(yīng)畦灌處理之間差異變小，兩個試驗期的平均增幅分別為2.2%和4.1%；由于在拔節(jié)期進行了第一次補灌，集雨處理的補灌量是對應(yīng)畦灌處理的一半，且枯水年從拔節(jié)到抽穗期降雨量較少，因此在抽穗期補灌處理R1、R2的土壤貯水量低于對應(yīng)的畦灌處理B1、B2，減幅分別為4.1%(p<0.05)和2.8%，而豐水年該時期有57.8 mm的降雨，因此在抽穗期補灌處理R1、R2較對應(yīng)的畦灌處理B1、B2的增幅分別為4.1%(p<0.05)和3.0%，未進行補灌的R3、R0處理的土壤貯水量高于B3、B0處理，增幅分別為5.0%(p<0.05)和4.0%(p<0.05)；隨著在生育后期第二次補灌，促進冬小麥生育后期生殖生長，耗水量繼續(xù)增加，使得兩試驗期內(nèi)集雨補灌處理和畦灌處理的土壤貯水量差異不斷變大，在收獲期差異達到最大，在枯水年集雨補灌處理R1、R2、R3和R0較對應(yīng)畦灌處理的減幅分別為5.3%(p<0.05)、5.9%(p<0.05)、6.0%(p<0.05)和6.5%(p<0.05)，豐水年減幅分別為9.6%(p<0.05)、6.9%(p<0.05)、9.3%(p<0.05)和2.7%。

圖3 冬小麥生長期不同處理0～200 cm 土層土壤貯水量Fig.3 Soil water storage in 0～200 cm soil depth during winter wheat growth period in different treatments

注：不同字母表示同一生育期不同補灌處理間差異顯著(p<0.05)，下同。Note: Different letters indicate significant differences (p<0. 05) under the same growth period in different treatments. The same as below.圖4 冬小麥生長期不同處理0～40 cm 土層土壤貯水量Fig.4 Soil water storage in 0-40 cm soil depth during winter wheat growth period in different treatments

2.2 溝壟集雨補灌對冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率的影響

2.2.1 對冬小麥產(chǎn)量的影響 不同處理冬小麥經(jīng)濟產(chǎn)量存在差異(表3)，在不同種植方式下測定的冬小麥產(chǎn)量，除R1處理和枯水年R3處理較相應(yīng)的畦灌處理無增產(chǎn)效應(yīng)之外，其余各集雨補灌處理均較相對應(yīng)的畦灌處理產(chǎn)量有所提高。在2013-2014年，集雨補灌處理R2、R0分別較對應(yīng)的B2、B0處理增產(chǎn)2.6%和6.2%；2014-2015年，集雨補灌處理R2、R3和R0分別較對應(yīng)的B2、B3和B0處理增產(chǎn)4.5%、5.7%、6.7%。在集雨種植方式下，R2處理兩個試驗期的經(jīng)濟產(chǎn)量均高于R3處理。在兩個試驗期內(nèi)，R2較R3分別增產(chǎn)9.7%(p<0.05)和6.0%。畦灌各處理與集雨補灌處理的規(guī)律類似。2014-2015年(豐水)同一處理各集雨補灌處理的經(jīng)濟產(chǎn)量均高于2013-2014年(枯水年)，增幅分別為7.6%、7.1%、10.8%和4.5%，其中枯水年(2013-2014年)補灌處理R0較對應(yīng)的B0處理的增產(chǎn)幅度高于豐水年(2014-2015年)。

2.2.2 對水分利用效率的影響 研究期間，溝壟集雨補灌的冬小麥水分利用效率高于畦灌(表3)。各處理2014-2015年(豐水年)的水分利用效率均顯著低于2013-2014年(枯水年)。各集雨補灌處理(R1、R2、R3和R0)豐水年較枯水年的減幅分別為11.8%、7.1%、10.5%和12.4%。在枯水年(2013-2014年)各集雨補灌處理較對應(yīng)畦灌處理的增幅高于豐水年(2014-2015年)的增幅。在2013-2014年，不同補灌處理R1、R2、R3和R0分別較對應(yīng)的B1、B2、B3和B0處理顯著增加7.7%(p<0.05)、8.6%(p<0.05)、3.0%(p<0.05)和4.8%(p<0.05)；2014-2015年，除R1與對應(yīng)的畦灌處理B1之間差異不顯著外，R2、R3和R0處理分別比對應(yīng)的B2、B3和B0處理增加3.9%(p<0.05)、1.8%和2.4%。在集雨種植方式下，R2處理兩試驗期的水分利用效率均顯著高于R3處理。兩個試驗期內(nèi)，R2較R3分別增加了5.5%(p<0.05)和9.4%(p<0.05)。畦灌處理與集雨補灌處理的規(guī)律類似。

2.2.3 對灌溉水利用效率的影響 在不同種植方式之間，溝壟集雨補灌的灌溉水利用效率顯著高于畦灌(表3)。在2013-2014年，不同集雨補灌處理R1、R2和R3分別較對應(yīng)的B1、B2和B3處理提高90.1%(p<0.05)、105.1%(p<0.05)和93.6%(p<0.05)；2014-2015年，不同集雨補灌處理R1、R2和R3分別較對應(yīng)的B1、B2和B3處理顯著提高95.0%(p<0.05)、109.0%(p<0.05)和111.4% (p<0.05)。在集雨種植方式下，R2、R3處理的灌溉水利用效率為R2>R3，兩個試驗期間，補灌處理R2較R3的增幅分別為9.7%(p<0.05)和6.0%。在冬小麥生育前期進行補灌更有利于其對灌溉水的充分利用。畦灌處理與集雨補灌處理的規(guī)律類似。

表3 不同處理的冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率Table 3 Grain yield, WUE and IWUE of winter wheat in different treatments

3 討 論

3.1 溝壟集雨結(jié)合補灌對土壤貯水量的影響

溝壟集雨種植可提高土壤貯水量，充分改善冬小麥生長所需的水分環(huán)境條件，溝壟覆膜集雨栽培較露地栽培具有聚水保墑作用[15-19]，且在冬小麥生長的需水關(guān)鍵期進行適量補灌可明顯增加田間土壤水分和耗水量[20-23]。王曉凌等研究得出[16]，溝壟覆膜集雨能夠增加土壤含水率。秦舒浩等的研究也認為[17]，起壟覆膜能不同程度提高土壤貯水量。本試驗結(jié)果表明，不論在枯水年型(2013-2014年)還是豐水年型(2014-2015年)，各集雨補灌處理全生育期內(nèi)測定的0～40 cm土層的土壤貯水量均較畦灌處理高，說明溝壟集雨可充分改善淺層土壤的水分狀況。0～200 cm土層的土壤貯水量與對應(yīng)的畦灌處理之間存在差異，不同生育時期，表現(xiàn)各不相同。在雨水充足的情況下，溝壟集雨可充分收集降水，提高土壤水分含量；在拔節(jié)期，各集雨補灌處理冬小麥生長更為旺盛，該時期集雨補灌處理的生物量和耗水量均高于對應(yīng)畦灌處理，但由于溝壟種植方式的集雨效應(yīng)，各集雨補灌處理的土壤貯水量仍高于畦灌處理；由于在拔節(jié)期進行前期補灌的R1、R2處理的補灌量是對應(yīng)畦灌處理的一半，使得在抽穗期，枯水年R1、R2處理的土壤貯水量低于對應(yīng)的畦灌處理，但在豐水年，該時期降雨量充足，各集雨補灌處理的土壤貯水量均高于對應(yīng)的畦灌處理，體現(xiàn)了溝壟集雨種植方式高效的集水能力；在抽穗期進行了第二次補灌，集雨處理的補灌量仍為對應(yīng)畦灌處理的一半，且由于集雨補灌處理前期生長旺盛，因此從灌漿到收獲期，集雨補灌處理的耗水量高于對應(yīng)的畦灌處理，再者該階段正處于降雨較少的月份，使得集雨補灌處理的土壤貯水量均低于對應(yīng)的畦灌處理。在補灌量減半的情況下，溝壟集雨種植可以將自然降水有效地蓄積到溝中，且壟面覆膜降低了土壤水分蒸發(fā)面積[8-11]，從而提高種植區(qū)的土壤貯水量，換言之，就是通過高效利用自然降雨的方式來實現(xiàn)灌溉水減半的效應(yīng)。

3.2 溝壟集雨結(jié)合補灌對冬小麥產(chǎn)量的影響

溝壟集雨種植可改善作物根區(qū)的水溫狀況，促進作物的生長和提高籽粒產(chǎn)量，有利于作物獲得高產(chǎn)[24]。Li等的研究表明[25]，壟膜集雨種植可顯著提高作物產(chǎn)量，提高幅度可達21%～92%。本試驗結(jié)果表明，在減少50%灌溉水的前提下，兩個試驗期內(nèi)除R1處理以及枯水年的R3處理與對應(yīng)的畦灌處理產(chǎn)量差異不大外，其余各集雨補灌處理的產(chǎn)量均高于對應(yīng)的畦灌處理。這是由于溝壟集雨種植方式可以通過有效蓄積降水來提高溝內(nèi)種植區(qū)的土壤貯水量，改善冬小麥生長的水分環(huán)境，促進其產(chǎn)量的提高[24-25]，這種高效利用降水的方式大大彌補了灌溉水減半對冬小麥產(chǎn)量所造成的影響，以較少的補灌量獲得較高的籽粒產(chǎn)量，從而達到了節(jié)約灌溉用水的效果。王勇研究表明[26]，不同的灌水時期，以拔節(jié)期補灌產(chǎn)量最高，產(chǎn)量增幅最大。本試驗結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，兩個試驗期內(nèi)集雨補灌處理R2和R3的經(jīng)濟產(chǎn)量為R2>R3，且二者之間差異顯著，表明在冬小麥生育前期進行補灌更有利于產(chǎn)量的增加。溝壟集雨的種植方式在枯水年增產(chǎn)幅度較為明顯，全程不灌水集雨處理(R0)較對應(yīng)的畦灌處理(B0)在枯水年(2013-2014年)的增產(chǎn)幅度高于豐水年(2014-2015年)。

3.3 溝壟集雨結(jié)合補灌對冬小麥水分利用效率的影響

在灌水量相同的條件下，灌水分配方式直接影響小麥的產(chǎn)量和水分利用效率[27]。Ren等研究表明[28]，溝壟集雨栽培方式可明顯增加作物籽粒產(chǎn)量，提高農(nóng)田水分利用效率。本試驗結(jié)果表明，溝壟集雨補灌在保證冬小麥產(chǎn)量的前提下，通過高效利用降水和減少灌溉用水的方式，可明顯提高作物的水分利用效率。溝壟集雨補灌處理冬小麥水分利用效率高于對應(yīng)的畦灌處理，且差異顯著。在冬小麥生育前期進行補灌更有助于提高作物的水分利用效率，兩個試驗期內(nèi)集雨補灌處理R2的水分利用效率均顯著高于R3。在兩個不同年型間，各集雨補灌處理豐水年的水分利用效率均顯著低于枯水年，究其原因：在豐水年，水分不足已經(jīng)不是影響小麥生長的最主要因素，且溝壟集雨的集水作用使種植區(qū)富集大量水分，加上部分降雨集中在冬小麥生長末期，從而降低了水分利用效率，這與任小龍等研究結(jié)果[15]一致。充足的水分使得小麥營養(yǎng)生長旺盛從而消耗大量的土壤水分，以籽粒產(chǎn)量計算的水分利用效率的提高幅度有限，這與尹洪濤等研究結(jié)果[29]一致。且在枯水年(2013-2014年)各集雨補灌處理較畦灌處理的增幅高于豐水年(2014-2015年)。

3.4 溝壟集雨結(jié)合補灌對冬小麥灌溉水利用效率的影響

張玉等研究表明[21]，溝壟集雨種植補灌375 m3·hm-2在節(jié)約灌溉水50%的同時，較平作種植灌溉水利用效率提高了119.1%，集雨種植補灌 750 m3·hm-2處理的灌溉水利用效率也顯著高于畦灌。王勇研究表明[26]，在拔節(jié)期進行少量供水，灌溉水利用效率可提高2～6倍。本試驗結(jié)果表明，由于各溝壟集雨補灌處理的補灌量是對應(yīng)畦灌處理的一半，但其產(chǎn)量與畦灌處理差異不大，有的甚至高于畦灌處理，使得溝壟集雨補灌處理的灌溉水利用效率均顯著高于對應(yīng)的畦灌處理，說明溝壟集雨可明顯提高冬小麥對補灌水的利用效率。兩個試驗期內(nèi)集雨補灌處理R2的灌溉水利用效率均高于R3，且達到顯著水平，說明在冬小麥生育前期進行補灌更有利于其對灌溉水的充分利用，這與前人的研究相一致[26]。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)畦灌相比較，溝壟集雨補灌可高效利用有限的降雨，明顯改善冬小麥生長的水分環(huán)境，且在灌溉量減半的前提下，不同補灌處理均可明顯提高不同土層的土壤貯水量，在保證冬小麥產(chǎn)量的前提下，水分利用效率和灌溉水利用效率均有明顯的提高。相較于后期補灌，在冬小麥生育前期進行適量補灌效果更佳。溝壟集雨補灌在豐水年可將更多的無效降雨集中到溝中，提高土壤貯水量，促進冬小麥的生長發(fā)育，從而提高冬小麥產(chǎn)量，但考慮到其增產(chǎn)幅度和水分利用效率均低于枯水年，因此，溝壟集雨補灌在枯水年的增產(chǎn)效果更為明顯。溝壟集雨種植結(jié)合適量補灌有良好的增產(chǎn)節(jié)水效果，可用于解決灌區(qū)水分不足的問題。