生物炭覆蓋壟溝集雨種植對集雨壟徑流、土壤水熱和紅豆草產量的影響*

張登奎, 王 琦**, 周旭姣, 王小赟, 趙曉樂, 趙武成, 雷 俊

生物炭覆蓋壟溝集雨種植對集雨壟徑流、土壤水熱和紅豆草產量的影響*

張登奎1, 王 琦1**, 周旭姣1, 王小赟1, 趙曉樂1, 趙武成1, 雷 俊2

(1. 甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室 蘭州 730070; 2. 甘肅省定西市氣象局 定西 744300)

為探索半干旱黃土高原區壟溝集雨種植的可持續性, 尋求壟溝集雨種植紅豆草的適宜生物炭覆蓋類型和最佳壟寬, 采用隨機區組大田試驗, 以傳統平作為對照, 研究不同集雨壟覆蓋材料[土壤結皮(土壟)、玉米秸稈炭土壤結皮(玉米秸稈壟)和牛糞炭土壤結皮(牛糞炭壟)]和不同壟寬(30 cm、45 cm和60 cm, 溝寬均為60 cm)對徑流系數、土壤水熱、紅豆草干草產量和水分利用效率的影響。結果表明: 土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的平均徑流系數分別為29.7%、26.2%和25.1%。壟溝集雨種植增加根系層土壤含水量和壟上表層土壤溫度,緩和溝中表層土壤溫度極值, 尤其生物炭覆蓋壟溝集雨種植。與傳統平作相比, 土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的土壤含水量分別增加25.1 mm、24.7 mm和19.4 mm, 壟上表層土壤溫度分別增加1.4 ℃、2.0 ℃和2.0 ℃。同一覆蓋材料下, 集雨壟徑流系數、土壤貯水量和表層土壤溫度均隨壟寬增加而增加。與傳統平作相比, 土壟顯著降低實際干草產量, 玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟顯著增加實際干草產量, 壟寬30 cm、45 cm和60 cm土壟的干草產量分別減少6.5%、12.1%和13.8%, 玉米秸稈炭壟的干草產量分別增加19.7%、24.4%和22.5%, 牛糞炭壟的干草產量分別增加8.0%、8.9%和6.8%。玉米秸稈炭和牛糞炭覆蓋種植顯著提高水分利用效率。與傳統平作相比, 玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的水分利用效率分別提高6.8~9.7 kg?hm-2?mm-1和4.4~ 4.8 kg?hm-2?mm-1。玉米秸稈炭壟的實際干草產量和水分利用效率顯著高于牛糞炭壟; 同一覆蓋材料下, 不同壟寬對實際干草產量和水分利用效率的影響不顯著。線性回歸分析表明, 當玉米秸稈炭壟寬49 cm (溝寬為60 cm)與牛糞炭壟寬為41 cm (溝寬為60 cm)時, 紅豆草的實際干草產量均達到最大值。因此, 在半干旱地區, 生物炭覆蓋壟溝集雨種植紅豆草具有較好的增產效益, 尤其秸稈生物炭覆蓋種植。

壟溝集雨; 紅豆草; 生物炭覆蓋; 土壤結皮; 徑流系數; 干草產量; 水分利用效率

中國西北半干旱地區水資源短缺, 年均降雨少(250~ 550 mm)且變率大, 年潛在蒸發量較高(1 554 mm)[1],較低的降雨和較高的蒸發導致土壤水年內和年際間不平衡, 降低土壤蓄水能力, 加劇土壤干化風險[2]。頻繁的干旱和不合理的土地利用導致自然資源過度消耗和生態環境持續惡化, 加劇土地退化風險, 威脅該地區糧食安全生產和農業經濟可持續發展[3]。近些年, 為充分利用降水資源、減緩土地承受壓力和農田土壤侵蝕, 當地農民采取免耕、梯田耕作、地膜覆蓋耕作、秸稈覆蓋耕作、壟溝耕作等保護性耕作技術[4-5]。壟溝覆蓋耕作能有效抑制土壤水分蒸發, 提高土壤蓄水和抗旱能力, 是半干旱地區發展可持續旱地農業較佳的耕作栽培方法之一[6]。

壟溝集雨種植通過地表微地形改造技術, 沿等高線設置交替的壟和溝, 將壟面上的雨水匯流入溝內, 實現降水在溝內疊加, 從而提高天然降水利用效率。壟溝集雨種植常結合各種覆蓋技術, 實現保墑蓄墑、就地入滲和雨水收集等效果[7]。在半干旱地區, 壟溝集雨種植覆蓋材料多采用普通地膜, 以維持土壤結構, 提高土壤溫度, 促進雨水疊加入滲, 保持土壤水分, 抑制土壤水分蒸發, 提高作物產量和水肥利用效率[8-10]。然而, 長期地膜覆蓋易造成地膜殘留, 破壞土壤結構, 限制作物的出苗、生長和發育, 造成白色污染等環境負效應, 不利于生態環境可持續發展[11-12]。近年來, 許多地膜研究工作者對生物質降解農膜進行田間應用效應研究, 獲得較好的環保效應, 但大多生物農膜因其拉伸強度較低, 壽命較短和生產成本較高, 大面積推廣應用較難[13]。尋求新型生物質覆蓋材料, 改進和優化生物農膜性能, 降低農業生產成本, 提高農業生產經濟效益和生態效益, 成為半干旱區壟溝集雨覆蓋種植系統中急需解決的問題。

生物炭是秸稈、木屑、糞便和其他農林有機廢棄物為原材料, 在缺氧或無氧條件下, 高溫(<700 ℃)裂解產生的一類含炭量豐富、結構高度多孔和性質穩定的生物質材料[14]。生物炭作為土壤改良劑, 在減緩土壤溫室氣體排放、修復農田土壤污染物、保持土壤水分養分、增加土壤微生物數量和提高作物生產力等方面具有較大的潛力[15]。生物炭還田有利于改善土壤結構, 增加降雨入滲深度, 減少地表徑流和土壤侵蝕, 提高土壤保水和保肥能力[16]。Lehmann等[17]研究表明, 土壤中施加10%的生物炭以促進農作物生長, 顯著增加豇豆[(L.) Walp.]產量。此外, 與其他生物質材料相比, 生物炭穩定的力學特性可以有效延長土壤水分封存時間[18]; Rosenani等[19]研究發現土壤施加櫚生物炭顯著增強土壤持水能力, 從而增加莧菜(L.)和玉米(L.)的產量。近年來, 人們對通過改進作物栽培方法以抵抗干旱、土壤鹽堿化或其他形式的土壤退化方面較有興趣。由于生物炭的力學穩定性和抗逆性, 生物炭覆蓋結合壟溝集雨種植技術, 對旱區節水和維持農業生產穩定性等具有積極影響[20]。

生物炭覆蓋壟溝集雨種植技術結合傳統壟溝集雨種植和生物炭覆蓋技術, 將一定量生物炭與濕土混合物均勻撒施人工起壟表面, 經過人工木板拍打和雨水沖擊形成生物炭土壤結皮, 生物炭土壤結皮作為壟覆蓋材料, 優化現有生物質覆蓋材料性能, 對退化土壤生態系統產生積極的影響。近些年國內外關于生物炭的研究大部分停留于實驗室(土柱或盆栽試驗)階段, 主要研究生物炭對土壤重金屬吸附和土壤改良等方面[21-22]。目前將生物炭作為覆蓋材料應用于大田試驗研究較少, 尤其在壟溝集雨覆蓋種植技術中。本試驗研究不同生物炭覆蓋材料和溝壟比對集雨壟徑流系數、紅豆草(Scop.)產量和水分利用效率等影響, 為半干旱區抗旱牧草栽培和壟溝集雨種植提供新思路。

1 研究地區概況與研究方法

1.1 試驗區概況

2017年4—10月在中國氣象局蘭州干旱氣象研究所干旱氣象與生態環境試驗基地(35o33′N, 104o35′E, 海拔1 896.7 m)布置大田試驗。該基地位于甘肅省定西市西川農業科技園, 大陸性季風氣候明顯, 光能較多, 熱量資源不足, 降水少且隨季節變化大, 氣候干燥, 氣象災害頻繁, 屬典型的干旱半干旱地區。試驗區年極端最高和最低氣溫分別為34.3 ℃和–27.1 ℃, 年平均氣溫為6.7 ℃, 年均降雨量386 mm, 年平均蒸發量(1 545 mm)遠大于年均降雨量, 年平均無霜期為140 d。試驗地表層土壤為重壤土, 田間持水量和作物凋萎系數分別為25.6%和6.7%, 0~200 cm土層平均土壤容重為1.38 g?cm-3。試驗區表層土壤(0~40 cm)全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質平均含量分別為0.78 g?kg-1、0.77 g?kg-1、23.59 g?kg-1、54.3 mg?kg-1、10.87 mg?kg-1、245 mg?kg-1和10.51 g?kg-1, 土壤pH 7.9。

1.2 試驗設計

1.2.1 生物炭覆蓋集雨壟紅豆草種植試驗

試驗以‘甘肅紅豆草’(Scop.)為指示作物, 采用隨機區組設計, 設10個處理: 3種壟面覆蓋材料[土壤結皮(土壟; ridges with manually compacted soil, MCS)、玉米秸稈炭土壤結皮(玉米秸稈炭壟; ridges with maize straw biochar- soil crust, MSB)和牛糞炭土壤結皮(牛糞炭壟; ridges with cow dung biochar-soil curst, CMB)]×3種壟寬(30 cm、45 cm和60 cm, 溝寬均為60 cm)+1種傳統平作(traditional flat planting, FP), 溝中無覆蓋作為種植區(表1)。小區隨機排列, 重復3次。集雨壟形狀為半球形, 每小區設置4條壟和3條溝, 試驗種植示意圖見圖1, 浙江省生物炭工程技術研究中心提供玉米秸稈炭和牛糞炭。

1.2.2 生物炭覆蓋集雨壟徑流試驗

生物炭覆蓋集雨壟徑流試驗區距紅豆草種植試驗區約3~5 m(圖2)。徑流試驗采用隨機區組設計, 共設9個處理[3種覆蓋材料(土壤結皮、玉米秸稈炭土壤結皮和牛糞炭土壤結皮)×3種壟寬(30 cm、45 cm和60 cm)], 重復3次。根據當地種植經驗, 標準集雨壟沿等高線修筑, 壟高為20 cm, 壟長為10 m。為便于收集徑流, 壟縱向傾斜0.2o~0.5o。徑流試驗集雨壟四周用高出地面8 cm預制板圍起, 壟坡腳兩邊的溝槽內鋪設瀝青, 防止集雨壟收集降雨外濺、下滲和側滲。兩壟之間設置1.5 m隔離區。在集雨壟縱向較低一端開挖1 m深的田間溝槽, 溝槽內放置蓋子帶有2個小孔的100 L塑料桶, 用以收集集雨壟徑流。每次降雨結束后, 測定降雨量和塑料桶中徑流量, 并清理塑料桶便于下次徑流收集。

表1 不同材料覆蓋壟溝集雨種植紅豆草試驗設計

圖1 生物炭覆蓋壟溝集雨種植示意圖

圖2 生物炭覆蓋集雨壟徑流觀測示意圖

1.3 種植管理

2017年3月28日開始整地、人工劃分小區和修筑壟溝。用原地濕土修筑集雨壟, 采用人工木板拍實土壟, 自然形成土壤結皮; 根據集雨壟面積, 牛糞炭或玉米秸稈炭施加量均為3×104kg?hm-2, 牛糞炭或玉米秸稈炭與濕土體積混合比約為1∶1, 生物炭與濕土混合物均勻撒施集雨壟表面, 采用人工木板拍實生物炭與濕土混合物,拍實后的炭土混合物覆蓋厚度為1~1.5 cm,經過降雨形成生物炭土壤結皮, 于2017年4月5日完成壟溝集雨布置和壟上覆蓋生物炭等工作。根據當地紅豆草種植經驗, 播種時不施加基肥。2017年4月11日條播播種紅豆草, 播種量為100 kg?hm-2, 播種深度為2~3 cm, 播種行距為20 cm。對于壟溝集雨種植處理, 每小區設置4條壟和3條溝, 每條壟長為10 m, 每條溝面積為10 m(長)× 0.6 m(寬), 每條溝種植3行紅豆草; 對于傳統平作處理不設置壟溝, 種植面積為10 m(長)× 3.6 m(寬), 每小區種植18行紅豆草。2017年手工刈割紅豆草2次(2017年7月14日和10月11日), 在紅豆草全生育期(4月23日—10月20日)不施肥和不灌溉, 于6月20日和9月6日采用人工清除雜草。

1.4 樣品采集和測定

降雨量數據由中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態環境試驗基地自動氣象站測定, 自動氣象站距試驗地50~100 m。每次降雨后立即測定徑流觀測試驗塑料桶中的水重, 稱重后將桶內清理干凈, 便于下次徑流收集。

徑流系數[23]按下式計算:

式中:e為徑流系數,為徑流深度(mm),為同期降水深度(mm)。

在紅豆草播種前1 d、刈割后1 d和降雨(降雨量> 5 mm)后1 d, 采用烘干法(105 ℃, 10 h)測定土壤含水量。土壤含水量測定深度200 cm, 0~20 cm土層按深度每10 cm分層, 20~200 cm土層按深度每20 cm分層; 采集土樣時, 在每小區種植區內(溝中)隨機選取3個樣點, 將3個樣點同一土層段的土樣均勻混合后裝入鋁盒后進行測定。

土壤貯水量(mm)、蒸散量 (ET, mm)和水分利用效率(WUE, kg?hm-2?mm-1)計算公式[24]:

式中:為土壤貯水量(mm),為土壤質量含水量(%),Bi為土壤容量(g?cm-3),為土壤深度(cm), 10為系數。ET為紅豆草全生育期蒸散量(mm),為紅豆草全生育期降水量(mm),1和2分別為紅豆草播種前1 d和最后1次刈割后1 d測定0~200 cm土壤深度的土壤貯水量(mm), AFY為實際干草產量(kg?hm-2)。

采用曲管水銀地溫計(河北省武強縣紅星儀表廠制造)測定各處理的溝中和壟上不同深度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm)土壤溫度, 每個小區的溝中和壟上各設1套曲管水銀地溫計。紅豆草生育期內, 每隔5 d測定1次壟上和溝中表層(0~25 cm)土壤溫度, 測定時間為8:00、14:00和18:00, 3次測定的土壤溫度平均值作為日平均土壤溫度。測定當天若降雨, 測定時間向后順延1 d。

紅豆草盛花期(2017年7月14日)和停止生長期(2017年10月11日), 手工刈割各區種植區內紅豆草, 留茬高度為2~3 cm。刈割后的紅豆草平攤于壟上, 自然風干后測定干草產量。紅豆草干草產量采用凈干草產量(NFY, kg?hm-2)和實際干草產量(AFY, kg?hm-2)2種方法表示。凈干草產量是僅基于各小區內種植區(溝)總面積的產量; 實際干草產量是基于各小區(壟+溝)總面積的產量。傳統平作的種植區面積等于小區面積, 所以傳統平作的凈干草產量與實際干草產量相等。

1.5 數據處理

采用Excel 2016進行數據統計, SPSS 20.0統計分析軟件對試驗數據進行回歸分析、方差分析和顯著性檢驗; 回歸模型中自相關性檢驗通過德賓-沃森(Durbin-Watson)檢驗來完成, 方差分析和顯著性檢驗采用Tukey’s-b法(=0.05), 采用CAD和Excel 2016軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 試驗期間降雨、徑流特征和生物炭覆蓋壟的集雨效率

降雨量和徑流量是反映降雨和徑流特征的主要參數。2017年紅豆草全生育期降雨和集雨壟平均徑流分布如圖3所示。2017年試驗區年降雨量為402.9 mm, 紅豆草全生育期降雨量為359.6 mm。2017年紅豆草全生育期共發生降雨73次, 其中單次降雨量<5 mm、5~15 mm、15~30 mm和>30 mm的降雨次數分別占紅豆草全生育期總降雨次數的69.9%、27.8%、10.9%和1.4%, 相同等級降雨量總和分別占紅豆草全生育期總降雨量的12.9%、35.2%、40.0%和11.9%。2017年紅豆草全生育期共產生徑流20次, 其中單次降雨量< 5 mm、5~15 mm、15~30 mm和>30 mm徑流發生次數分別占同等級降雨次數的0、92.3%、100.0%和100.0%。當單次降雨量<5 mm時, 集雨壟基本無法觀測到徑流; 集雨壟徑流分布主要取決于>5 mm的降雨分布。

采用線性回歸方法對集雨壟徑流量與同時段降雨量的線性關系進行模擬(圖4), 并對模擬結果綜合分析和驗證(表2)。德賓-沃森(Durbin-Watson, DW)值檢驗殘差中是否存在自相關。由表2可知, MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60的DW統計量都符合du

圖3 2017年紅豆草生育期降雨和徑流特征

圖4 紅豆草生育期內生物炭覆蓋壟徑流量與降雨量的關系

MCS、MSB和CMB分別表示土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟。下標數字表示壟寬, 單位為 cm。MCS, MSB and CMB are ridge-furrow planting with the ridges mulched with manually compacted soil crust, maize straw biochar-soil crust, and cow dung biochar-soil crust, respectively; their subscripts 30, 45 and 60 refer to ridge widths in cm.

表2 紅豆草生育期生物炭覆蓋集雨壟的徑流量與降雨量回歸模型綜合分析

MCS、MSB和CMB分別表示土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟; 下標數字表示壟寬, 單位為cm。||→1表明兩個變量線性相關性越強。德賓-沃森值(DW)檢驗因變量取值是否獨立, 若0

臨界產流降雨量和徑流系數是壟溝集雨種植系統設計的重要參數。通過對次降雨量和次徑流量建立線性關系, 確定臨界產流降雨量和產流后的集水效率(徑流系數)。由圖4可知,線性回歸方程軸截距為集雨壟的臨界產流降雨量, 線性回歸方程斜率為集雨壟產流后的徑流系數。MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60臨界產流降雨量分別為4.41 mm、4.16 mm、3.90 mm、4.37 mm、5.01 mm、4.61 mm、4.96 mm、5.32 mm和4.87 mm, 平均徑流系數分別為27.13%、29.82%、32.09%、22.57%、27.68%、28.39%、21.95%、26.13%和27.26%。同一覆蓋材料下, 壟的集雨效率排列次序為壟寬60 cm>45 cm>30 cm; 不同覆蓋材料下, 壟的集雨效率表現為土壟>玉米秸稈炭壟>牛糞炭壟。土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的臨界產流降雨量分別為4.13 mm、4.67 mm和5.05 mm, 平均徑流系數分別為29.74%、26.22%和25.11%。

2.2 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對土壤貯水量的影響

從圖5可以看出, 在紅豆草全生育期, 各處理0~ 200 cm土壤貯水量總體呈現先減少后增加的趨勢。在紅豆草播種前(2017年4月4日), 該期氣溫較低, 降雨量較少, 土壤水分損失主要來自土壤蒸發, 各處理土壤貯水量較高, 且處理間差異不明顯。在紅豆草旺盛生長階段(2017年5—6月), 紅豆草生長對水分的需求較大, 階段降雨量較少, 且氣溫逐漸增高, 蒸散量較強, 蒸騰耗水進一步增加, 各處理土壤貯水量較播種前呈減小趨勢。在紅豆草進入生殖生長時期(2017年6—7月), 階段降雨量較多, 紅豆草生長緩慢, 作物需水量較少, 植物蒸騰作用降低, 各處理土壤貯水量較前一階段有所增加, 且各處理間差異較大。第2茬紅豆草生長初期(2017年8月初), 階段降雨較少(13 mm), 紅豆草生長迅速, 蒸騰耗水加強, 且氣溫達到年內最高, 蒸散量較強, 各處理土壤貯水量處于全生育期最低。2017年10月紅豆草進入第2茬生殖生長時期, 氣溫逐漸降低, 階段降雨較多(200 mm)和作物需水量較少, 各處理土壤貯水量達全生育期最大值, 且各處理間差異較大。

生物炭壟溝集雨覆蓋種植土壤貯水量隨壟寬和覆蓋材料類型而變化, 各處理土壤貯水量表現明顯差異性。圖5顯示, 紅豆草播種期(2017年4月4日),壟溝集雨覆蓋種植措施初步形成, 各處理土壤貯水量無顯著差異。隨著紅豆草生育期的延伸, 壟的集雨效應隨著降雨的發生逐步顯現。壟溝覆蓋種植處理土壤貯水量顯著高于傳統平作, 不同壟溝覆蓋種植處理之間差異明顯。紅豆草第2茬刈割后(2017年10月12日), 壟溝集雨種植的土壤貯水量顯著高于傳統平作,集雨種植的土壤貯水量隨壟寬增加而增加。不同覆蓋材料下, 土壟的土壤貯水量明顯大于玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟, 玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟明顯大于傳統平作, 玉米秸稈炭壟與牛糞炭壟之間差異不明顯。就紅豆草全生育期平均值而言, FP、MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60的土壤貯水量分別為272.0 mm、289.4 mm、296.2 mm、305.7 mm、289.2 mm、295.2 mm、305.7 mm、287.1 mm、291.0 mm和295.9 mm。與傳統平作相比, MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60土壤貯水量分別增加17.4 mm、24.2 mm、33.7 mm、17.3 mm、23.3 mm、33.7 mm、15.1 mm、19.1 mm和23.9 mm。同一覆蓋材料下, 集雨種植的土壤貯水量隨壟寬增加而增加, 其中壟寬60 cm顯著高于壟寬30 cm, 壟寬30 cm與壟寬45 cm和壟寬45 cm與壟寬60 cm之間差異不顯著。不同覆蓋材料表現為土壟和玉米秸稈炭壟的土壤貯水量顯著高于牛糞炭壟, 牛糞炭壟的土壤貯水量顯著高于傳統平作, 土壟與玉米秸稈炭壟之間差異不顯著。

圖5 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草生育期土壤貯水量的影響

FP、MCS、MSB和CMB分別表示傳統平作、土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟。下標數字表示壟寬, 單位為cm。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。FP is the traditional flat planting. MCS, MSB and CMB are ridge-furrow planting with the ridges mulched with manually compacted soil crust, maize straw biochar-soil crust, and cow dung biochar-soil crust, respectively; their subscripts 30, 45 and 60 refer to ridge widths in cm. Different lowercase letters mean significant differences among treatments at< 0.05 level.

2.3 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對土壤溫度的影響

持續的低溫和高溫不利于作物的生長, 紅豆草全生育期表層(0~25 cm)土壤溫度隨空氣溫度變化而變化(圖6A)。在紅豆草生育期苗期(4月)和停止生長期(10月), 空氣溫度較低, 各處理土壤溫度處于生育期內最低值。4—7月, 各處理表層土壤溫度隨著空氣溫度的升高逐漸升高; 7—9月, 空氣溫度處于全年較高水平, 各處理表層土壤溫度達最大值; 9—10月, 各處理表層土壤溫度隨著空氣溫度的下降逐漸降低。與傳統平作相比, 壟溝集雨覆蓋種植明顯增加壟上表層土壤溫度, 尤其生物炭覆蓋壟溝集雨種植(圖6B)。由于集雨壟增加太陽直接輻射面積和壟覆蓋減少土壤熱量向外散射, 同一壟作處理的壟上表層土壤溫度顯著高于溝中。與傳統平作相比, 壟溝處理可緩和溝中土壤溫度極值, 尤其生物炭覆蓋壟溝集雨種植。在氣溫較低時(4—7月和9—10月), 增加溝中表層土壤溫度, 在氣溫較高時(7—8月), 降低溝中表層土壤溫度。MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60的溝中日平均表層土壤溫度調節范圍分別是-1.6~0.4 ℃、-1.2~0.5 ℃、-1.3~0.7 ℃、-1.4~0.9 ℃、-1.3~0.9 ℃、-1.3~1.1 ℃、-1.3~0.8 ℃、-1.4~1.1 ℃和-1.1~1.7 ℃(圖6C)。就紅豆草全生育期平均值而言, FP、MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60的溝中表層土壤溫度分別為18.2 ℃、18.2 ℃、18.3 ℃、18.4 ℃、18.3 ℃、18.4 ℃、18.8 ℃、18.4 ℃、18.5 ℃和18.9 ℃, 相同處理的壟上表層土壤溫度分別為18.2 ℃、19.1 ℃、19.6 ℃、20.2 ℃、19.7 ℃、20.1 ℃、20.7 ℃、19.7 ℃、20.2 ℃和20.8 ℃。與傳統平作相比, MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60溝中表層土壤溫度分別增加0 ℃、0.1 ℃、0.2 ℃、0.1 ℃、0.2 ℃、0.6 ℃、0.2 ℃、0.3 ℃和0.7 ℃, 壟上表層土壤溫度分別增加0.9 ℃、1.4 ℃、2.0 ℃、1.5 ℃、1.9 ℃、2.5 ℃、1.5 ℃、2.0 ℃和2.6 ℃。壟溝集雨種植的壟上表層土壤溫度顯著高于溝中。同一覆蓋材料下, 不同壟寬的溝中和壟上的表層土壤溫度排列次序均為60 cm>45 cm> 30 cm。不同覆蓋材料下, 溝中和壟上的表層土壤溫度排列次序為牛糞炭壟≈玉米秸稈炭壟>土壟>傳統平作。

圖6 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草生育期表層(0~25 cm)土壤溫度的影響

FP、MCS、MSB和CMB分別表示傳統平作、土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟。下標數字表示壟寬, 單位為cm。圖A為紅豆草生育期傳統平作的表層(0~25 cm)土壤溫度變化, 圖B和圖C分別代表生物碳覆蓋壟溝集雨種植與傳統平作相比紅豆草生育期壟溝集雨種植處理壟上和溝中表層土壤溫度的變化量。FP is the traditional flat planting. MCS, MSB and CMB are ridge-furrow planting with the ridges mulched with manually compacted soil crust, maize straw biochar-soil crust, and cow dung biochar-soil crust, respectively; their subscripts 30, 45 and 60 refer to ridge widths in cm. Fig. A is the topsoil (0-25 cm) temperature of FP. Fig. B and C are the variations of ridge and furrow topsoil temperature in ridge-furrow rainwater harvesting system during sainfoin growth season, respectively, compared with FP.

2.4 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草干草產量的影響

單位面積牧草干草產量對于確定作物的生產力、規劃畜牧和調整畜牧放養計劃等非常重要。凈干草產量是基于溝面積的干草產量, 能更好地反映單株生長狀況; 實際干草產量是基于小區總面積(壟面積+溝面積)的干草產量, 實際干草產量能更有效地反映土地生產力。從表3可以看出, 各處理的凈干草產量均大于實際干草產量。

從表3可知, 壟溝集雨種植的第1茬、第2茬及全生育期凈干草產量(NFY)隨壟寬增加而增加, 且不同覆蓋材料凈干草產量排列次序為玉米秸稈炭壟>牛糞炭壟>土壟>傳統平作。同一覆蓋材料下, 壟溝集雨種植全生育期凈干草產量表現為壟寬60 cm顯著高于壟寬45 cm, 壟寬45 cm顯著高于壟寬30 cm; 不同覆蓋材料下, 玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟凈干草產量顯著高于土壟, 土壟的實際干草產量顯著高于傳統平作。與傳統平作相比, MCS30、MCS45、MCS60、MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60的全生育期凈干草產量分別增加55.9%、75.7%、101.0%、99.5%、148.9%、185.9%、80.0%、117.8%和149.2%。壟溝集雨種植的第1茬、第2茬及全生育期實際干草產量(AFY)隨壟寬增加而增加, 不同覆蓋材料實際干草產量排列次序為玉米秸稈炭壟>牛糞炭壟>傳統平作>土壟。與傳統平作相比, MSB30、MSB45、MSB60、CMB30、CMB45和CMB60的全生育期實際干草產量分別增加19.7%、24.4%、22.5%、8.0%、8.9%和6.8%。MCS30、MCS45和MCS60的實際干草產量分別降低6.4%、12.1%和13.8%。同一覆蓋材料下, 壟溝集雨種植全生育期實際干草產量在不同壟寬之間差異不顯著; 不同覆蓋材料下, 全生育期實際干草產量表現為玉米秸稈炭壟顯著高于牛糞炭壟, 牛糞炭壟顯著高于傳統平作, 傳統平作顯著高于土壟。與傳統平作(7 231 kg?hm-2)相比, MSB (8 838 kg?hm-2)和CMB的實際干草產量(7 803 kg?hm-2)分別提高22.2% 和7.9%, MCS的實際干草產量(6 450 kg?hm-2)降低10.8%。

表3 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對紅豆草干草產量、蒸散量(ET)和水分利用效率(WUE)的影響

NFY: 凈干草產量; AFY: 實際干草產量。FP、MCS、MSB和CMB分別表示傳統平作、土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟。下標數字表示壟寬, 單位為cm。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。NFY: net fodder yield; AFY:actual fodder yield. FP is the traditional flat planting. MCS, MSB and CMB are ridge-furrow planting with the ridges mulched with manually compacted soil crust, maize straw biochar-soil crust, and cow dung biochar-soil crust, respectively; their subscripts 30, 45 and 60 refer to ridge widths in cm. Different lowercase letters mean significant differences among treatments at< 0.05 level.

2.5 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對蒸散量和水分利用效率的影響

紅豆草全生育期蒸散量(ET)是生育期初末土壤貯水量差值與全生育期降雨量的總和。在紅豆草播種前, 各處理土壤貯水量差異不明顯; 紅豆草最后一次刈割后, 壟溝集雨種植的土壤貯水量顯著高于傳統平作。因此, 與傳統平作相比, 壟溝集雨種植明顯降低紅豆草全生育期ET。從表3可知, 同一覆蓋材料下, 壟溝集雨種植的ET隨壟寬增加而顯著減少。不同覆蓋材料下, 傳統平作的ET顯著高于土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟, 土壟、玉米秸稈炭壟與牛糞炭壟之間差異不顯著; 土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的ET比傳統平作分別降低35.8 mm、47.8 mm和57.54 mm。水分利用效率(WUE)是單位ET下獲得的作物產量。與傳統平作相比, 生物炭壟溝集雨覆蓋種植能在較低ET情況下獲得較高作物產量, 提高了WUE。同一覆蓋材料下, 紅豆草全生育期WUE隨壟寬變化不顯著。不同覆蓋材料下, 玉米秸稈炭壟的WUE顯著高于牛糞炭壟, 牛糞炭壟顯著高于土壟和傳統平作, 土壟與傳統平作之間差異不顯著; 土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟WUE比傳統平作分別提高0.8 kg?hm-2?mm-1、8.5 kg?hm-2?mm-1和4.6 kg?hm-2?mm-1。

2.6 生物炭覆蓋壟溝集雨種植最佳溝壟比確定

土壟的紅豆草實際干草產量顯著低于傳統平作, 因此, 土壟種植技術不適合在該地區推廣種植紅豆草。玉米秸稈炭壟種植和牛糞炭壟種植的紅豆草實際干草產量顯著高于傳統平作, 尤其玉米秸稈炭壟種植增加更為顯著。為確定玉米秸稈炭壟種植和牛糞炭壟種植紅豆草的最佳溝壟比(溝寬均為60 cm), 以壟寬為自變量, 紅豆草全生育期實際干草產量為因變量, 使用非線性回歸(curve estimation)對單一變量壟寬進行簡單的曲線回歸擬合。得到玉米秸稈炭壟溝寬度()與紅豆草產量()的回歸方程為=-0.710 92+ 70.249+7 225 (2=0.997 7), 牛糞炭壟壟溝寬度()與紅豆草產量()的回歸方程為=-0.379 82+31.102+ 7 229.8 (2=0.998 8)(圖7)。對回歸方程求極值, 在2017年, 當壟寬=49 cm時, 玉米秸稈炭壟的紅豆草全生育期實際干草產量達最大值(8 960 kg?hm-2), 當壟寬=41 cm時, 牛糞炭壟的紅豆草全生育期實際干草產量達最大值(7 867 kg?hm-2)。

圖7 玉米秸稈炭結皮(MSB)和牛糞炭結皮(CMB)覆蓋壟溝集雨種植的紅豆草產量與壟寬的關系

3 討論

降雨是限制干旱和半干旱地區農業生產最重要的環境因素。降雨量在時間序列的分布體現該地區降雨的變異性。宋興陽等[25]在該試驗區(定西干旱氣象與生態環境試驗基地)通過對連續2年內紫花苜蓿(L)生育期降雨量統計得出, 試驗期間無效降雨次數是有效降雨的1.98倍, 無效降雨和有效降雨對總降雨量的貢獻率分別為19%和81%。本試驗結果表明, 2017年紅豆草全生育期單次降雨量<5 mm的次數占紅豆草全生育期總降雨次數的69.9%; 單次降雨量<5 mm降雨總量占紅豆草全生育期總降雨量的12.9%, 表明2017年紅豆草生育期內降雨主要以無效降雨(<5 mm)為主。

壟溝集雨系統的徑流系數反映集雨壟的集雨效率。徑流發生和量主要取決于降雨事件的特征(強度、持續時間和分布等), 其次坡度、土壤類型和植被覆蓋等對徑流的發生和量也有直接影響[26]。壟溝集雨技術可以通過改變壟的集雨面積(壟寬)和土壤類型(不同類型結皮覆蓋)提高集雨壟的產流量, 從而增加壟的集雨效率。本研究表明同一覆蓋材料下, 壟的集雨效率隨集雨面積(壟寬)增加而增加, 這是由于寬壟收集降雨的面積較大, 雨滴濺出損失較低, 降雨收集量較多, 從而使寬壟比窄壟具有更高的集雨效率[27]。土壤結皮是由雨滴擊打原狀土壤, 分散土壤團聚體, 形成一層具有較低透水能的表土層, 因此土壤結皮可以增加地表徑流, 減小土壤入滲率[28]。本研究發現, 土壟的集雨效率顯著高于玉米秸稈炭和牛糞炭壟。這是因為在特定的環境條件下, 具有較大保水性能的生物炭可以減少地面飽和流的發生[29], 土壤中添加生物炭形成生物炭土壤結皮后, 增加土壤的團聚性, 提高土壤入滲能力[30], 降低生物炭壟的集雨效率。Smetanova等[31]研究表明, 土壤中添加10%的生物炭可使徑流系數減小10%。本試驗結果表明, 生物炭覆蓋集雨壟的徑流系數比土壟覆蓋集雨壟的徑流系數減少3.5%~4.6%。

土壤貯水量是農業生產中表現土壤水分的重要參數, 對降雨、溫度、作物生長狀況和耕作措施等條件敏感。壟溝集雨種植技術可以通過改變田間微地形, 將降水和徑流在種植區進行疊加, 從而增加種植區內作物根際土壤水分[32], 因此壟溝集雨種植的土壤水分顯著高于傳統平作。本試驗表明, 同一覆蓋材料下, 壟溝集雨種植的土壤水分隨壟寬增加而增加, 這是由于集雨壟寬度越寬, 匯入種植區內的徑流就越多, 溝內土壤含水量也就越高。生物炭土壤結皮覆蓋有效改善表層土壤孔徑分布和土壤孔隙度, 減少土壤容重, 降低土壤干燥收縮度, 增加降雨入滲深度, 減少土壤水分無效蒸發, 減少地表徑流和土壤侵蝕[33]。本試驗中, 與土壟相比, 生物炭壟的集雨效率較低, 壟上匯入溝中徑流較少, 因此, 生物炭覆蓋壟溝種植的土壤含水量顯著低于土壟。

由于光的反射效應, 裸露的土壤通常比覆蓋的土壤更快地變冷和變暖[34]。紅豆草生育期內, 集雨壟較長時間不受作物冠層覆蓋, 能更直接接受光照, 因此, 紅豆草全生育期的壟上表層土壤溫度顯著高于溝中。本研究發現生物炭覆蓋壟溝集雨種植明顯增加壟上表層土壤溫度, 這可能是由于生物炭處理的土壤較低的土壤熱導率, 其能量釋放較對照緩慢, 從而導致土壤溫度升高。生物炭土壤結皮降低土壤與空氣之間的水熱交換。在白天, 覆蓋的土壤通常比未覆蓋的土壤升溫更快。晚上, 由于生物炭土壤結皮下較多水分減少了長波輻射, 表層土壤溫度降低緩慢[35]。因此, 在紅豆草生長初期和末期, 空氣溫度普遍較低, 生物炭覆蓋可提高表層土壤溫度, 而在盛夏時期, 空氣溫度普遍較高, 隨著植物冠層的閉合, 暴露在空氣中的土壤表面部分很小, 進入的太陽能大部分被作物冠層攔截, 生物炭覆蓋降低溝中表層土壤溫度。壟上覆蓋生物炭材料, 防止表層土壤溫度大幅波動, 降低紅豆草生長過程中的高溫或低溫脅迫, 促進紅豆草生長和發育。

壟溝集雨種植系統將壟面雨水匯入溝中, 使雨水在溝中入滲更深, 降低土壤水無效蒸發[36]。因此, 壟溝集雨種植的蒸散量顯著低于平作。生物炭作為土壤調節劑, 可以提高土壤對水分保持能力[37]。與土壟相比, 生物炭壟集雨效率較低, 并且生物炭壟種植作物長勢較好, 植物蒸騰作用較強, 因此, 本試驗中生物炭壟種植的耗水量顯著高于土壟。在田間種植系統中, 水分利用效率被定義為單位蒸散量(ET)下的作物產量[38]。與傳統平作相比, 壟溝集雨覆蓋種植能在消耗較低ET情況下獲得較高產量, 不同覆蓋材料下, 生物炭壟溝集雨覆蓋種植的作物產量顯著高于土壟, 土壟和炭壟種植的ET差異不顯著。因此, 生物炭壟溝集雨種植的水分利用效率顯著高于土壟, 土壟顯著高于傳統平作。在土壤水接近飽和的條件下, 土壤中施加生物炭可能會對土壤滯留雨水能力產生顯著影響, 并通過保持多余的水分來促進植物生長[39]。壟面覆蓋生物炭材料降低表層土壤溫度波動幅度, 改善作物生長熱環境, 促進作物生長發育[35]。因此, 生物炭壟溝集雨種植的紅豆草產量顯著高于土壟和傳統平作。此外, 壟上覆蓋的生物炭隨徑流部分會流入溝中, 生物炭混入溝內土壤改善溝內土壤理化性質, 提高植物對土壤水養分的利用效率, 從而促進作物生長。Zhang等[40]研究表明, 與無生物炭土壤相比, 土壤中施加4×104kg?hm-2秸稈生物炭, 能使水稻(L.)產量提高14%。本試驗結果表明, 秸稈生物炭覆蓋和牛糞生物炭覆蓋也具有提高紅豆草產量的作用。與傳統平作相比, 土壟種植降低紅豆草實際干草產量, 這是由于土壟種植中集雨壟占用部分種植面積, 當土壟種植增加的產量無法彌補集雨壟布置所消耗的土地面積時, 就會造成單位面積內的作物減產。生物炭覆蓋顯著改善土壤水熱狀況, 土壤水熱狀況的改善可能是增加紅豆草干草產量和水分利用效率的原因之一。但壟上覆蓋的部分生物炭會隨徑流匯流入溝中, 必然改變溝中土壤的水熱狀況、肥力和微生物數量等, 進而改善作物生長的土壤微環境。因此, 生物炭覆蓋壟溝集雨種植增產原因還需要進一步研究。

4 結論

本研究結果表明, 集雨壟徑流分布特征主要取決于>5 mm降雨分布, 土壟、秸稈炭壟和牛糞炭壟的臨界產流降雨量分別為4.13 mm、4.67 mm和5.05 mm, 平均徑流系數分別為29.7%、26.2%和25.1%。與傳統平作相比, 生物炭覆蓋壟溝集雨種植顯著增加紅豆草全生育期土壤水分和壟上表層土壤溫度, 減小溝中表層土壤溫度波動幅度。土壟種植顯著降低紅豆草干草產量, 生物炭覆蓋壟溝集雨種植顯著增加紅豆草干草產量和水分利用效率。與傳統平作相比, 土壟種植的紅豆草實際干草產量降低10.8%, 玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟種植的實際干草產量分別提高22.2%和7.9%。土壟、玉米秸稈炭壟和牛糞炭壟的水分利用效率分別提高0.8 kg?hm-2?mm-1、8.5 kg?hm-2?mm-1和4.6 kg?hm-2?mm-1?；貧w分析表明, 研究區玉米秸稈炭覆蓋壟溝種植紅豆草的最佳壟寬為49 cm(溝寬60 cm); 牛糞炭覆蓋壟溝種植紅豆草的最佳壟寬為41 cm(溝寬60 cm)。生物炭, 尤其是作物秸稈炭覆蓋壟溝集雨種植紅豆草獲得較高的產量和較好的環保效益, 適宜在半干旱地區推廣應用。

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Effects of ridge-furrow rainwater harvesting with biochar-soil crust mulching on ridge runoff, soil hydrothermal properties, and sainfoin yield*

ZHANG Dengkui1, WANG Qi1**, ZHOU Xujiao1, WANG Xiaoyun1, ZHAO Xiaole1, ZHAO Wucheng1, LEI Jun2

(1. College of Grassland Science, Gansu Agricultural University / Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education, Lanzhou 730070, China; 2. Dingxi Meteorological Administration, Dingxi 744300, China)

Ridge-furrow rainwater harvesting (RFRH) with mulch offers farmers a means to address drought, water loss, and soil erosion in arid and semiarid regions. The purpose of this study was to determine a suitable biochar type and optimum ridge width for sainfoin (Scop.) production using the RFRH system with biochar application in the semi-arid regions in China. A field experiment with a completely random block design was conducted during the 2017 sainfoin growing season to (1) estimate runoff coefficient of the RFRH system with three ridge widths (30, 45, and 60 cm) and the same narrow width (60 cm), and mulched with three materials (soil crust, maize straw biochar-soil crust, and cow dung biochar-soil crust) and (2) assess the effects of three ridge widths and three mulching materials on soil water storage, topsoil temperature, as well as fodder yield and water use efficiency (WUE) of the RFRH system planted with sainfoin, and a traditional flat planting (FP) system was used as the control. The results showed that the predicted runoff coefficient for ridge-furrow planting with the ridges mulched with manually compacted soil crust, maize straw biochar-soil crust, and cow dung biochar-soil crust (MCS, MSB, and CMB, respectively) was 29.7%, 26.2%, and 25.1%, respectively, whereas the threshold rainfall to produce runoff was 4.2, 4.6, and 5.1 mm, respectively. The runoff coefficient of ridge, soil water storage, and soil temperature increased with increase in ridge width using the same mulching materials. The RFRH system, especially MSB and CMB treatments, increased soil water storage of the root layer and ridge topsoil (0-25 cm) temperature, and decreased the rate of change of furrow top soil (0-25 cm) temperature. Compared with that of FP, the mean soil water storage (0-200 cm) increased by 25.1, 24.7, and 19.4 mm, on an average, under MCS, MSB, and CMB throughout the sainfoin growth period, respectively; whereas the topsoil temperature increased by 1.4 ℃, 2.0 ℃, and 2.0 ℃, respectively, on an average. For the same mulching material, soil water storage and topsoil temperature increased with increase in ridge width. MCS significantly decreased the actual fodder yield of sainfoin, but MSB and CMB significantly increased the actual fodder yield. Compared with that under FP treatment, the actual fodder yield under MCS with 30, 45, and 60 cm ridge width decreased by 6.5%, 12.1%, and 13.8%, respectively. Whereas, the actual fodder yield under MSB with 30, 45, and 60 cm ridge widthincreased by 19.7%, 24.4%, and 22.5%, and that under CMB increased by 8.0%, 8.9%, and 6.8%, respectively. MSB and CMB significantly increased WUE of sainfoin. Compared with FP, MSB and CMB increased WUE by 6.8-9.7 and 4.4-4.8 kg?hm-2?mm-1, respectively. The ridge width had no significant effect on the actual fodder yield and WUE with the same mulching materials. When the ridge width (furrow width was 60 cm) was 49 cm for MSB and 41 cm for CMB, the forage yield reached the maximum. The actual fodder yield and WUE of sainfoin under MSB were significantly higher than those under CMB, which were significantly higher than those under MCS. In summary, RFRH with biochar-soil crust mulching has beneficial effects on soil water storage and yield of sainfoin in the region, especially ridges with maize straw biochar-soil crust mulching.

Ridge-furrow rainwater harvesting; Sainfoin (Scop.); Biochar mulching; Soil crust; Runoff coefficient; Fodder yield; Water use efficiency

S-3; S27; S541+4

10.13930/j.cnki.cjea.190707

* 國家自然科學基金項目(41661059, 41461062)資助

王琦, 主要從事旱區節水研究。E-mail: wangqigsau@gmail.com

張登奎, 主要從事旱區節水和牧草栽培研究。E-mail: 2605867938@qq.com

2019-09-28

2019-11-15

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41661059, 41461062).

, E-mail: wangqigsau@gmail.com

Sep. 28, 2019;

Nov. 15, 2019

張登奎, 王琦, 周旭姣, 王小赟, 趙曉樂, 趙武成, 雷俊. 生物炭覆蓋壟溝集雨種植對集雨壟徑流、土壤水熱和紅豆草產量的影響[J]. 中國生態農業學報(中英文), 2020, 28(2): 272-285

ZHANG D K, WANG Q, ZHOU X J, WANG X Y, ZHAO X L, ZHAO W C, LEI J. Effects of ridge-furrow rainwater harvesting with biochar-soil crust mulching on ridge runoff, soil hydrothermal properties, and sainfoin yield[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(2): 272-285