寧南旱區溝壟集雨結合補灌對土壤水分利用及冬小麥產量的影響

楊 震，董昭蕓，衛 婷，張 鵬，賈志寬

(1. 西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100； 2. 農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 3. 西北農林科技大學農學院，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業生產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業和經濟發展的重要因素[2-4]。特別是在干旱半干旱地區氣候偏暖，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，降雨年際間及季節間變率均較大，使得水資源短缺的問題更加突出[5]。加之，農田灌溉水利用效率低下，尤其農業灌溉用水浪費嚴重，使得農業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實現節水農業的重要途徑。

多年的研究表明，旱作農田溝壟集雨種植技術通過田間起壟覆膜、溝內集雨種植可使無效降水疊加為有效降水，種植溝內降雨得以富集，同時因壟面覆膜顯著降低了土壤水分蒸發面積，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、光合能力及籽粒產量等[8]。溝壟集雨結合農作物需水關鍵期進行有限補灌，能大幅提高作物的產量、灌溉利用率和水分利用效率[12-14]，從而減少灌溉用水，是節水農業發展的有效技術途徑[8-9,13-14]。

已有諸多研究關注于旱作農田壟膜溝種栽培方式對作物生長發育的影響[12-14]，而將農田溝壟集水種植技術與限量補灌相結合的研究卻鮮有報道。本研究正是基于這一基本設想，以傳統畦灌為對照，分析不同時期補灌對半干旱區土壤水分及作物生長的影響，為旱作技術應用于灌溉農田實現節水灌溉奠定實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013-2015年在寧夏回族自治區彭陽縣長城村旱地農業試驗區(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2 518.2 h，年蒸發量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劃分降水年型。試驗區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。不同土層土壤基礎養分見表1。

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

數據來源：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 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設置4種灌溉模式：全生育期不灌溉、拔節期灌溉、抽穗期灌溉、拔節期抽穗期均灌溉，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。平作畦灌灌水定額參考當地灌溉農田傳統灌溉量確定，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，灌水定額設定為畦灌的50%，灌水定額為375 m3·hm-2。各處理種植小區面積為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沿壟側和溝內正中點分別取樣，取平均值，田間取樣每處理重復3 次。

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

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；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為作物籽粒產量(kg·hm-2)；I為生育期灌溉總量(mm)。

1.4 數據處理

試驗數據用Dps 6.55軟件進行處理和分析，采用SigmaPlot 10.0進行繪圖。

2 結果與分析

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不同(圖3)。在冬小麥整個生育期內，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)全生育期內測定的0～200 cm土層的土壤貯水量規律基本一致。在不同種植方式下，兩個試驗期內集雨補灌處理0～40 cm土層的土壤貯水量均高于對應的畦灌處理(圖4)。而兩個試驗期內測定的0～200 cm土層土壤貯水量，集雨補灌處理與對應畦灌處理之間的差異在不同生育時期表現不同。

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，苗期各集雨補灌處理較對應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)。

進入拔節期后，冬小麥快速生長，干物質積累量較大，各集雨補灌處理耗水量相應高于對應的畦灌處理，使得集雨補灌與對應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%；由于在拔節期進行了第一次補灌，集雨處理的補灌量是對應畦灌處理的一半，且枯水年從拔節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，耗水量繼續增加，使得兩試驗期內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 對冬小麥產量的影響 不同處理冬小麥經濟產量存在差異(表3)，在不同種植方式下測定的冬小麥產量，除R1處理和枯水年R3處理較相應的畦灌處理無增產效應之外，其余各集雨補灌處理均較相對應的畦灌處理產量有所提高。在2013-2014年，集雨補灌處理R2、R0分別較對應的B2、B0處理增產2.6%和6.2%；2014-2015年，集雨補灌處理R2、R3和R0分別較對應的B2、B3和B0處理增產4.5%、5.7%、6.7%。在集雨種植方式下，R2處理兩個試驗期的經濟產量均高于R3處理。在兩個試驗期內，R2較R3分別增產9.7%(p<0.05)和6.0%。畦灌各處理與集雨補灌處理的規律類似。2014-2015年(豐水)同一處理各集雨補灌處理的經濟產量均高于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較對應的B0處理的增產幅度高于豐水年(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，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律類似。

表3 不同處理的冬小麥產量、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的畦灌處理之間存在差異，不同生育時期，表現各不相同。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畦灌處理，但由于溝壟種植方式的集雨效應，各集雨補灌處理的土壤貯水量仍高于畦灌處理；由于在拔節期進行前期補灌的R1、R2處理的補灌量是對應畦灌處理的一半，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的畦灌處理，體現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面積[8-11]，從而提高種植區的土壤貯水量，換言之，就是通過高效利用自然降雨的方式來實現灌溉水減半的效應。

3.2 溝壟集雨結合補灌對冬小麥產量的影響

溝壟集雨種植可改善作物根區的水溫狀況，促進作物的生長和提高籽粒產量，有利于作物獲得高產[24]。Li等的研究表明[25]，壟膜集雨種植可顯著提高作物產量，提高幅度可達21%～92%。本試驗結果表明，在減少50%灌溉水的前提下，兩個試驗期內除R1處理以及枯水年的R3處理與對應的畦灌處理產量差異不大外，其余各集雨補灌處理的產量均高于對應的畦灌處理。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種植區的土壤貯水量，改善冬小麥生長的水分環境，促進其產量的提高[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量所造成的影響，以較少的補灌量獲得較高的籽粒產量，從而達到了節約灌溉用水的效果。王勇研究表明[26]，不同的灌水時期，以拔節期補灌產量最高，產量增幅最大。本試驗結果也發現，兩個試驗期內集雨補灌處理R2和R3的經濟產量為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量的增加。溝壟集雨的種植方式在枯水年增產幅度較為明顯，全程不灌水集雨處理(R0)較對應的畦灌處理(B0)在枯水年(2013-2014年)的增產幅度高于豐水年(2014-2015年)。

3.3 溝壟集雨結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量，提高農田水分利用效率。本試驗結果表明，溝壟集雨補灌在保證冬小麥產量的前提下，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果[15]一致。充足的水分使得小麥營養生長旺盛從而消耗大量的土壤水分，以籽粒產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]，在拔節期進行少量供水，灌溉水利用效率可提高2～6倍。本試驗結果表明，由于各溝壟集雨補灌處理的補灌量是對應畦灌處理的一半，但其產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 論

與傳統畦灌相比較，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育，從而提高冬小麥產量，但考慮到其增產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效果更為明顯。溝壟集雨種植結合適量補灌有良好的增產節水效果，可用于解決灌區水分不足的問題。