壟作溝播噴灌對油葵土壤水熱調(diào)控及高效利用機(jī)理

丁 林，王福霞，吳 婕，王文娟

（1.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

油葵出油率高、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價值高、油質(zhì)好，是一種高產(chǎn)健康的油料作物，在石羊河流域民勤綠洲種植較為普遍，年種植面積均在4 000 hm2以上［1，2］。該區(qū)域油葵現(xiàn)狀種植模式以覆膜地面畦灌為主，灌溉定額在3 600～4 500 m3∕hm2之間［3］。近年來由于水資源供需矛盾突出，有限的水資源不能滿足社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，滴灌、噴灌、壟膜溝灌等高效節(jié)水技術(shù)逐漸在油葵種植中被推廣應(yīng)用。壟作溝播噴灌技術(shù)正是在這一背景下由科研人員借鑒旱作農(nóng)業(yè)區(qū)壟作溝播栽培技術(shù)，結(jié)合灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)的特點(diǎn)及噴灌技術(shù)優(yōu)點(diǎn)提出來的一項(xiàng)高效節(jié)水栽培技術(shù)［4］。由于該技術(shù)改善了土壤水、肥、氣、熱等狀況［5，6］，可使灌溉水和降水集中入滲于作物根部，隨種植膜孔入滲［7，8］，提高了土壤蓄水、保墑能力［9-11］，使有限水分被作物充分利用，實(shí)現(xiàn)了促進(jìn)作物生長，提高了作物產(chǎn)量及水分利用效率的目的［12，13］。該技術(shù)已在部分井灌區(qū)的棉花、葵花、茴香等作物上推廣應(yīng)用，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯。本文作者及其合作者在棉花、食葵、茴香、油葵等作物上對壟作溝播噴灌技術(shù)參數(shù)與效益等開展了大量研究，主要針對作物耗水及灌溉制度［14］、生長特征與產(chǎn)量［15］、灌溉水分配與利用［16］、根系生長特征［17］等方面，已取得了一定的研究成果。但壟作溝播噴灌技術(shù)對水熱利用的調(diào)控與高效利用等方面尚未開展深入研究，本研究針上述問題，結(jié)合油葵種植與壟作溝播噴灌技術(shù)的特點(diǎn)，在民勤綠洲采用大田壟作溝播噴灌種植（非復(fù)播）方式開展工作，從壟作溝播噴灌對土壤水熱調(diào)控，油葵干物質(zhì)積累與分配、產(chǎn)量與水分利用效率、水熱高效利用效應(yīng)等方面研究壟作溝播噴灌對油葵土壤水熱的調(diào)控及高效利用機(jī)理，提出節(jié)水高產(chǎn)模式，以期為井灌區(qū)油葵水熱高效利用與高質(zhì)量生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，并促進(jìn)壟作溝播噴灌技術(shù)的科學(xué)發(fā)展與推廣應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年4月-2021年9月連續(xù)兩年在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤灌溉試驗(yàn)站（甘肅省灌溉試驗(yàn)中心站）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬典型的大陸性荒漠氣候，地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶。區(qū)內(nèi)氣候干燥，風(fēng)沙多，降水稀少，蒸發(fā)量大。多年平均氣溫7.8 ℃，平均濕度45%，平均降水110 mm，平均蒸發(fā)量2 644 mm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0～60 cm 為黏壤土，60 cm 以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄葜貫?.54 g∕cm3，孔隙率42.8%，pH值7.96，灌溉水為地下水，埋深30 m，礦化度0.91 g∕L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)以油葵（品種為“矮大頭”）為研究作物，以不同灌水定額各設(shè)4 個處理，以常規(guī)覆膜噴灌為對照，各小區(qū)隨機(jī)布置，每個處理重復(fù)3 次，共計15 個試驗(yàn)小區(qū)。試驗(yàn)區(qū)壟溝規(guī)格依據(jù)雙壟溝播機(jī)而定，為大小壟，大壟寬70 cm，小壟寬40 cm，溝深15 cm，作物種植行距與壟溝規(guī)格一致，均為大小行，大行距70 cm，小行距40 cm。種植時用雙壟溝播機(jī)完成起壟覆膜，種子播在壟溝內(nèi)，株距20 cm，每穴1～2 粒，理論保苗7.50～8.25 萬株∕hm2（圖1）。田間噴灌工程為半固定式噴灌，噴頭流量為1.0 m3∕h，射程為6.5 m，工作壓力0.25 MPa，噴頭采用正方形布置方式，每個小區(qū)面積6.5 m×6.5 m。對照處理（CK）為覆膜平作噴灌，膜寬145 cm，種植規(guī)格為一膜3 行，行距45 cm，株距25 cm，每穴1～2 粒，理論保苗7.30～8.00 萬株∕hm2。2020年各處理種植時間為4月25日、灌水時間為4月26日、6月7日、6月29日、7月18日、7月29日，收獲時間為8月20日；2021年各處理種植時間為4月18日、灌水時間為4月26日、6月6日、6月25日、7月14日、7月26日，收獲時間為8月12日。兩年試驗(yàn)期間各處理底肥、追肥均一致，分別為底肥施氮肥450 kg∕hm2（尿素，46%N），磷肥300 kg∕hm2（磷二銨，16%P2O5）。在油葵開花期、灌漿期隨水追肥2 次，每次施氮肥300kg∕hm2（尿素，46%N）。試驗(yàn)灌水定額設(shè)計參考試驗(yàn)區(qū)土壤及當(dāng)?shù)赜涂喔戎贫龋拚蟾鶕?jù)壟作溝播特點(diǎn)設(shè)定，各處理冬季儲水灌溉定額均為120 mm，壟溝處理生育期灌水定額分別為24 mm（T1）、30 mm（T2）、36 mm（T3）、42 mm（T4），對照處理灌水定額42 mm（CK），灌水次數(shù)均為5次，灌水時間分別為播種后、現(xiàn)蕾期、開花期、灌漿期、成熟期。2020年油葵生育期降水量為75.2 mm，其中4-6月12.3 mm，7-8月62.9 mm；2021 油葵生育期降水量為64.2 mm，其中4-6月14.8 mm，7-8月49.4 mm。

圖1 雙壟溝播噴灌壟溝模式及栽培示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of ridge-furrow spraying and irrigation mode and cultivation

1.3 測定指標(biāo)與方法

表1 油葵壟作溝播噴灌灌溉參數(shù)設(shè)計Tab.1 Irrigation parameter design of furrow seeding and spray irrigation with oil sunflower

灌水量：采用管道輸水，每個試驗(yàn)小區(qū)用獨(dú)立閘閥及水表控制灌溉，灌水量由水表精確量測，水表測量精度為0.01 m3。

噴灌系統(tǒng)壓力：采用變頻設(shè)備控制灌水管道系統(tǒng)壓力，采用恒壓供水模式，壓力設(shè)定為0.25 MPa。

土壤含水率：用HD2 測定土壤體積含水率，測定總深度為100 cm，每20 cm 為一層測定，每個處理分別在距離噴頭4 m 處的壟頂和壟溝內(nèi)埋設(shè)測管，每隔5～8 d 測定一次，降水及灌水前后加測，重復(fù)3次。

地溫：利用地溫計測定，分別在每個處理各安置1 套地溫計，共觀測5 個層次地溫（5、10、15、20 和25 cm）。從油葵播種開始到收獲每天進(jìn)行觀測。觀測時間分別為8∶00、12∶00 和18∶00。

作物產(chǎn)量及水分利用效率：收獲期每小區(qū)隨機(jī)選2點(diǎn)，每點(diǎn)取樣5～10株，將兩個點(diǎn)的樣品合成一個樣，進(jìn)行考種；按各小區(qū)單收計算產(chǎn)量。水分利用效率指油葵每消耗單位水量生產(chǎn)籽粒產(chǎn)量的量（kg∕m3）的比值。

種植效益與凈產(chǎn)值：記錄各處理生產(chǎn)資料、水電、勞務(wù)、機(jī)械、作物收購價等數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)均為2020年、2021年實(shí)際市場調(diào)研價格結(jié)合試驗(yàn)區(qū)各項(xiàng)材料用量和價格后確定），計算油葵產(chǎn)出與種植投入之差。

氣象資料：通過PC-3 全自動氣象站（遼寧錦州陽光氣象科技有限公司）觀測記載降水、蒸發(fā)、溫度、濕度、輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象因素。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

用Excel2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，用DPS（v18.10）統(tǒng)計軟件做方差分析，采用了LSD多重比較方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 油葵不同位置土壤水分變化動態(tài)

由圖2、3可以看出溝底和壟面土壤含水率的變化趨勢與灌水頻率一致，每次灌水后都會出現(xiàn)峰值，由于溝內(nèi)入滲水分較多，溝內(nèi)含水率峰值變化較陡。灌水前后含水率數(shù)值最大相差值出現(xiàn)在播種后，由于無作物覆蓋，最大的T4 灌水前后含水率相差為2020年的5.91%，最小相差值出現(xiàn)在開花期，此階段作物生長茂盛，最小的T1灌水前后含水率相差為2020年的1.6%。各處理壟面含水率變化與溝內(nèi)相比較為平緩，每次灌水后都會出現(xiàn)峰值，但峰值都不大，均小于溝內(nèi)含水率峰值，說明壟面滲入水分較少，灌水前后含水率數(shù)值最大相差為2021年T4 的3.99%，最小相差為2020年T1 的1.3%。雖然CK 處理灌水定額與T4 處理一樣，但CK 處理在各生育階段含水率均低于T4 處理，主要與種植方式有關(guān)，CK 處理為平作噴灌，不是全膜覆蓋，增大了棵間蒸發(fā)。各處理峰值的大小與灌水定額大小呈線性關(guān)系，從整個生育期來說，含水率峰值的大小一直都在降低，說明土壤中原有的水分在油葵生育期被不斷利用，且灌水量越小的處理利用量越多，其中在播種后到一水前下降更為明顯，說明原有土壤水分（冬季儲水）在這一階段被大量利用。

圖2 油葵全生育期溝內(nèi)土壤含水率變化過程Fig.2 Variation process of soil moisture content in ditches during the whole growth period of oil sunflower

2.2 油葵不同土壤深度溫度變化動態(tài)

通過連續(xù)觀測試驗(yàn)區(qū)0～25 cm土層溫度變化可知（圖4），雖然在同一天內(nèi)土壤溫度隨時間變化呈現(xiàn)出低-高-低的單峰變化規(guī)律，但整個油葵生育期土壤溫度變化與氣溫及灌水有較為明顯的關(guān)系。隨著灌水的實(shí)施，土壤溫度變化較大，灌前地溫較高，灌后地溫下降，隨著水分消耗地溫又緩慢上升，灌水定額較小的處理地溫相對較高，主要是由于外界環(huán)境對土壤溫度影響較大，而土壤缺水對溫度起不到調(diào)控作用。就不同深度而言，全生育期不同深度地溫變化趨勢均一致，只是5、10 cm 處地溫變化波動較為強(qiáng)烈，15～25 cm處較為平緩，且5、10 cm處地溫峰值均高于15、20 和25 cm 處，主要是上層土壤溫度受大氣溫度及土壤水分影響較大，而下層土壤溫度受大氣溫度影響較小，而受土壤水分的影響較大。就整個生育期而言，雖然0～25 cm 深度的土壤溫度自油葵播種后開始到7月下旬因氣溫變化有個別突變的現(xiàn)象，但總體都表現(xiàn)出上升的趨勢，這是由于自油葵播種后開始到7月下旬氣溫總體呈持續(xù)上升趨勢。各處理全生育期土壤溫度變化趨勢均一致，但灌水量大的處理地溫相對較低，主要是由于灌水量大，土壤濕度就大，導(dǎo)致地溫較低。CK 及T1 處理相比其他壟作溝播處理土壤溫度變化幅度大，而T3、T4處理由于灌水后水分疊加利用及保墑效果良好等因素影響，對地溫起到了一定調(diào)控作用，其數(shù)值變化較為平緩?？傮w來看，在壟作溝播噴灌油葵生育期適宜灌水定額可有效調(diào)控地溫，使地溫條件適宜作物生長并減少水分無效蒸發(fā)，對土壤水熱的調(diào)控及利用較為有效，能提高水熱利用效率，對油葵產(chǎn)量形成及穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)有一定促進(jìn)作用。

圖3 油葵全生育期壟面土壤含水率變化過程Fig.3 Change process of soil moisture content on ridge surface during the whole growth period of oil sunflower

圖4 油葵全生育期不同時段0～25 cm土層溫度變化過程Fig.4 Temperature changes in 0～25 cm soil layer at different periods during the whole growth period of oil sunflower

2.3 油葵干物質(zhì)積累與分配特征

作物生長過程中光合產(chǎn)物的累積量及其在不同器官中的合理分配是作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品形成的重要基礎(chǔ)，也是探索、篩選和評價高效節(jié)水灌溉技術(shù)的重要依據(jù)。由圖5可知各處理在苗期-拔節(jié)期主要以葉片生長為主，葉干物質(zhì)占比較高，兩年均在45%以上，其中T3處理2021年達(dá)到了51.21%；開花期葉干物質(zhì)占比有所下降，而莖干物質(zhì)占比有所升高，但莖、葉干物質(zhì)仍占絕大部分，莖干物質(zhì)占比均在37%以上，部分處理已超過44%，葉干物質(zhì)占比均在28%以上，兩者占總干物質(zhì)的65%以上；灌漿期葉干物質(zhì)占比繼續(xù)下降，而盤干物質(zhì)占比有所升高，莖、葉、盤干物質(zhì)占總干物質(zhì)的89%以上，其中莖干物質(zhì)占比均在33%以上，葉干物質(zhì)占比均在23%以上，盤干物質(zhì)占比均在27%以上；成熟期葉干物質(zhì)占比繼續(xù)下降，均降到了20%以下，而盤干物質(zhì)占比繼續(xù)升高，占比均超過了40%，莖、盤干物質(zhì)占總干物質(zhì)的72%以上，其中莖干物質(zhì)占比均在35%以內(nèi)，盤干物質(zhì)占比均在40%以上。就根干物質(zhì)占比來說，在整個生育期變化較為平緩，均在20%以下，且隨油葵生長其占比逐漸下降。

圖5 油葵不同生育期各部分干物質(zhì)占總干物質(zhì)的比例Fig.5 Proportion of dry matter of different parts in total dry matter at different growth stages of oil sunflower

各處理不同生育期干物質(zhì)積累方差分析見表2，由表2可知T3、T4 處理在兩年試驗(yàn)期各生育期干物質(zhì)積累量均較大，2020年前兩個生育期與CK、T1、T2 均有極顯著差異，在后兩個生育期與T1、T2 均有極顯著差異；2021年T3、T4 處理各生育期均與T1、T2 均有極顯著差異，上述表現(xiàn)一定程度上與灌水定額有關(guān)系，同時可以看出，雖然T3 處理灌水定額小于CK 和T4，但其干物質(zhì)積累量并不小，甚至超過了CK 和T4，說明T3 處理對水有限水分的利用效率較高，進(jìn)而提高了干物質(zhì)積累效率，結(jié)合干物質(zhì)在各個器官的分配特點(diǎn)，對產(chǎn)量的提高起到了積極作用

表2 油葵不同生育期干物質(zhì)積累情況g∕m2Tab.2 Dry matter accumulation in different growth stages of oil sunflower

2.4 油葵產(chǎn)量特征與水分利用效率

油葵各處理產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素、水分利用效率等見表3所示。可得出灌水定額大小與種植方式對產(chǎn)量有決定作用。壟溝處理4 個灌水定額條件下兩年產(chǎn)量最高的均為T3 處理，兩年分別為8 213.5 和8 389.3 kg∕hm2，其次為T4 處理，其中2020年T3、T4 處理與CK 及其他壟溝處理均有及顯著差異；2021年T3 處理與其他處理均有及顯著差異。就產(chǎn)量構(gòu)成因素而言，T3、T4處理兩年盤干重、百粒重均較大，與其余處理有極顯著差異；T3處理單盤籽粒重均在較高值，與T1、T2處理差異極顯著，但與T4 和CK 處理差異不明顯。在相同灌水定額條件下（T4 與CK），壟溝處理灌溉水利用率較高，其單盤籽粒數(shù)較多，籽粒較重，百粒重較大，在出苗率無明顯差異的條件下，產(chǎn)量相對較高。由于各處理在生育過程中氣候條件一致，因此各處理耗水量及水分利用率與生育期灌溉定額有直接關(guān)系，灌溉定額大，耗水量相對較多，水分利用率相對較低。但相同灌溉定額下，壟溝處理對水分利用效率有很大影響，如CK 處理兩年水分利用率分別為2.35 kg∕m3和2.38 kg∕m3，而壟溝處理水分利用效率均在2.5 kg∕m3以上，較CK 處理2020年提高0.18～0.34 kg∕m3，2021年提高0.16～0.54 kg∕m3，兩年間壟溝處理水分利用效率與CK 均有及顯著差異，由此可得壟作溝播噴灌處理大大提高了水分利用效率。通過對油葵生產(chǎn)成本及效益的估算，從凈產(chǎn)值來看，T3 處理兩年均為最高，分別為20 704.2 元∕hm2和21 407.2元∕hm2，2020年與T4 處理無差異，與其余處理有極顯著差異，2021年與其他處理均有極顯著差異，且T3 處理兩年凈產(chǎn)值較CK 處理分別提高6.7%和10.2%。由此可見，油葵采用壟作溝播噴灌技術(shù)，可以在一定程度上抑制土壤蒸發(fā)量，減少灌水定額，充分利用灌溉水，在實(shí)際油葵種植生產(chǎn)中可采取壟作溝播噴灌技術(shù)，建議采用灌水定額36 mm，灌水頻率依據(jù)氣候條件保持在3～5次為宜，這樣不僅可節(jié)約有限水資源，還可有效調(diào)控地溫地溫，提高水分利用效率，達(dá)到節(jié)水、增效的目的。

表3 油葵產(chǎn)量與水分利用效率Tab.3 Oil sunflower yield and water use efficiency

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

本研究借鑒旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的壟作溝播集雨技術(shù)與灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)噴灌技術(shù)的特點(diǎn)，在已有研究基礎(chǔ)上開展壟作溝播噴灌技術(shù)對土壤水熱的調(diào)控與高效利用研究，與已有研究中減少灌水量、提高作物產(chǎn)量，促進(jìn)灌溉水量合理分配與利用等方面的研究結(jié)論是相同的［15，16］。在節(jié)水灌溉技術(shù)調(diào)控土壤水熱狀況，提高水熱利用效率、促進(jìn)干物質(zhì)積累分配方面的研究結(jié)論與膜下滴灌油葵與甜菜［18，19］、交替隔溝灌甜椒［20］、秸稈覆蓋冬小麥［21］、膜上灌春小麥［22］、麥秸塑膜覆合覆蓋玉米［23］等作物上的研究結(jié)論是一致的。但由于試驗(yàn)在民勤紅崖山灌區(qū)開展，受氣候、土壤性質(zhì)、作物品種等影響，研究結(jié)論有一定局限性，相關(guān)的指標(biāo)與推薦定額不能完全應(yīng)用于類似地區(qū)及類似作物，但總體適用條件及變化趨勢不變，對類似地區(qū)開展壟作溝播噴灌技術(shù)推廣應(yīng)用、水管理部門制定灌水定額、配水計劃等均有一定的指導(dǎo)意義。另外由于儀器設(shè)備及數(shù)據(jù)測定分析手段的局限性，部分?jǐn)?shù)據(jù)收集頻率不夠，影響了部分?jǐn)?shù)據(jù)及結(jié)論的準(zhǔn)確性。因此在后續(xù)研究中，還應(yīng)采取更為先進(jìn)的方法及設(shè)備對土壤水熱、作物指標(biāo)開展精確量測，使研究結(jié)論更符合實(shí)際，有利于推廣應(yīng)用。

3.2 結(jié) 論

本文通過研究壟作溝播噴灌條件下土壤水分與溫度變化特征，油葵干物質(zhì)積累與分配、產(chǎn)量與水分利用等指標(biāo)，探討了壟作溝播噴灌對土壤水熱的調(diào)控與高效利用機(jī)理與效應(yīng)，對研究壟作溝播噴灌條件下油葵水熱高效利用及提高產(chǎn)量與效益有一定指導(dǎo)意義。相關(guān)結(jié)論如下：①壟作溝播處理溝內(nèi)入滲水分較多，含水率峰值變化較陡，在油葵生育期可減少棵間蒸發(fā)，充分利用土壤中的冬季灌溉儲水量和有限的灌溉水資源，提高了水分利用效率。②壟作溝播處理土壤溫度變化較CK 處理幅度較小，尤其T3、T4處理地溫變化較為平緩，說明在壟作溝播油葵生育期適宜地溫條件可減少水分無效蒸發(fā)，對土壤水熱的調(diào)控較為有效，能提高水熱利用效率，對油葵產(chǎn)量形成有一定促進(jìn)作用。③雖然油葵各生育階段不同器官干物質(zhì)占比無明顯規(guī)律，但總干物質(zhì)積累量在各處理間差異明顯，以致各處理盤干物質(zhì)積累量也有明顯差異，在成熟期，T3、T4處理干物質(zhì)積累量均高于其他壟溝處理和CK 處理，在提高總體光合產(chǎn)物的同時提高了經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的積累量，達(dá)到了高產(chǎn)高效的目的。④壟作溝播處理可提高油葵產(chǎn)量，在適宜灌水定額（T3）條件下，油葵產(chǎn)量較CK 分別高6.1%和8.3%，水分利用效率較CK 分別提高0.18～0.34 和0.16～0.54 kg∕m3，T3 處理兩年凈產(chǎn)值均為最高，分別為20 704.2和21 407.2元∕hm2，較CK分別提高6.7%和10.2%。⑤油葵采用壟作溝播噴灌技術(shù)，可以在一定程度上抑制土壤蒸發(fā)量，減少灌水定額，充分利用灌溉水，在實(shí)際油葵種植生產(chǎn)中可采取壟作溝播噴灌技術(shù)，灌水定額以36 mm 為宜，灌溉頻率依據(jù)氣候選擇3～5次為宜，該技術(shù)在降水介于250～500 mm的北方井灌區(qū)較為實(shí)用。