宋興陽(yáng),王 琦,*, 李富春, 胡廣榮, 張登奎, 張恩和, 劉青林, 王鶴齡

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 蘭州 730070 3 中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730020

覆蓋材料和溝壟比對(duì)土壤水分和紫花苜蓿干草產(chǎn)量的影響

宋興陽(yáng)1,王 琦1,*, 李富春1, 胡廣榮1, 張登奎1, 張恩和2, 劉青林2, 王鶴齡3

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 蘭州 730070 3 中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730020

為尋求半干旱黃土高原區(qū)種植紫花苜蓿的適宜覆蓋材料和最佳溝壟比,采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)布置大田試驗(yàn),以傳統(tǒng)平作為對(duì)照,研究不同壟覆蓋材料(土壤結(jié)皮、生物可降解地膜和普通地膜)和不同溝壟比(溝寬: 壟寬分別為60∶30、60∶45和60∶60,單位是cm)對(duì)土壤水分和紫花苜蓿干草產(chǎn)量等的影響。結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)2012年和2013年紫花苜蓿生育期降雨量統(tǒng)計(jì),2a平均值顯示,無(wú)效降雨次數(shù)(53次)大于有效降雨次數(shù)(27次),無(wú)效降雨對(duì)總降雨量的貢獻(xiàn)率(19%)小于有效降雨(81%)。就紫花苜蓿全生育期而言,與平作相比,SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60(SR、BMR和 CMR分別代表土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟,下標(biāo)分別表示壟寬為30、45cm和60cm)連續(xù)2a的平均根層 (0—140 cm)土壤貯水量分別提高12.8、19.2、24.4、26.0、30.7、40.5、29.9、37.1 mm和47.7 mm。壟溝集雨種植第1年齡和第2年齡紫花苜蓿根層沒(méi)有出現(xiàn)明顯干層。與平作相比,SR30、SR45和SR60的連續(xù)2a紫花苜蓿平均實(shí)際干草產(chǎn)量分別降低3%、8%和13%,WUE分別提高52%、58%和55%；BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的連續(xù)2a紫花苜蓿平均實(shí)際干草產(chǎn)量分別提高14%、12%、7%、17%、19%和9%,WUE分別提高49%、62%、59%、51%、67%和56%。當(dāng)紫花苜蓿生育期降雨量為380.7—427.6 mm和溝壟比為60 cm∶35—36 cm時(shí),生物可降解膜壟和普通膜壟的紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量達(dá)到最大值,為該地區(qū)壟溝集雨種植紫花苜蓿提供參考。

壟溝集雨；紫花苜蓿；土壤水分；干草產(chǎn)量；水分利用效率

半干旱黃土高原區(qū)對(duì)氣候變化敏感,位于生態(tài)環(huán)境脆弱帶,該區(qū)域水資源缺乏和水土流失嚴(yán)重,農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)主要依賴(lài)天然降雨[1],多年(1972—2012年)年平均降雨量為383.3 mm,同時(shí),降水時(shí)空分布不均勻,60%年降水集中于7—9月[2],多數(shù)降雨量 < 5 mm,不能被植物有效吸收利用,年潛在蒸發(fā)量(1445 mm)較大,年降雨量主要依靠少數(shù)大強(qiáng)度降雨或暴雨,大強(qiáng)度降雨或暴雨通常導(dǎo)致水土流失。王曉娟等[3]研究表明,半干旱區(qū)作物吸收和利用降雨量占總降雨量25%—30%,而70%—75%降雨以無(wú)效蒸發(fā)和徑流損失,干旱和水土流失嚴(yán)重制約該區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展。近些年,隨著全球氣候變暖,干旱和極端氣候?qū)υ搮^(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生更大威脅[4]。種植模式單一、干旱和黃土層支離破碎加劇該區(qū)域植被退化、水土流失和土壤沙漠化。提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力和保持農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展最佳途徑是通過(guò)集雨和覆蓋措施提高降水利用效率和控制水土流失[5]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是我國(guó)西北地區(qū)種植面積最大的牧草,具有較高干草產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、抗旱性等特性,同時(shí),適應(yīng)不同土壤和氣候等[6]。Zhao等[7]研究表明,紫花苜蓿種植可以控制水土流失和固定空氣氮素,但紫花苜蓿耗水量大于普通作物,當(dāng)紫花苜蓿種植多年后,較高蒸散量導(dǎo)致土壤形成干層,土壤干層不僅影響現(xiàn)存紫花苜蓿對(duì)水分需求和產(chǎn)量提高,而且影響后茬作物的選擇和生存。Asseng 和 Hsiao[8]研究結(jié)果顯示,紫花苜蓿具有較長(zhǎng)根系,能吸收深層土壤水分,較高植被覆蓋能截流更多降雨,減少水土流失和提高土壤水分入滲,從而在短期內(nèi)增加土壤含水量。

壟溝集雨種植技術(shù)是平地或緩坡地沿等高線(xiàn)修筑相互交替壟和溝集雨系統(tǒng),壟覆蓋作為集雨區(qū),溝覆蓋或不覆蓋作為種植區(qū),壟產(chǎn)生徑流流入溝中,徑流和降雨在溝中進(jìn)行疊加,從而使無(wú)效降雨變?yōu)橛行Ы涤昊蛐∮曜優(yōu)榇笥?同時(shí),覆蓋材料減少土壤水分蒸發(fā),壟降低風(fēng)速,為作物出苗和生長(zhǎng)提供有利條件[9- 11]。Jia 等[12]研究表明,壟溝集雨種植技術(shù)增加表層(0—20 cm)土壤水分和溫度,與傳統(tǒng)平作相比,壟寬30 cm和 壟寬60 cm普通膜壟的紫花苜蓿干草產(chǎn)量分別增加10.7%和40.3%,水分利用效率(WUE)分別增加 8.12 kg hm-2mm-1和9.97 kg hm-2mm-1；壟寬30 cm和 壟寬60 cm土壟的紫花苜蓿干草產(chǎn)量分別減少14.2%和28.3%,WUE 分別減少 6.26 kg hm-2mm-1和5.38 kg hm-2mm-1。

國(guó)內(nèi)外壟溝集雨種植技術(shù)覆蓋材料大多采用普通地膜,普通地膜在自然條件下較難降解,造成大量地膜殘留,惡化土壤結(jié)構(gòu),阻礙土壤水分、養(yǎng)分和空氣等傳輸,對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)造成嚴(yán)重威脅,從而影響作物生產(chǎn)和區(qū)域農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展[13]。

國(guó)內(nèi)外壟溝集雨種植研究多數(shù)集中于馬鈴薯和玉米等1年生穴播類(lèi)作物[14- 15],對(duì)紫花苜蓿等多年生條播類(lèi)作物研究相對(duì)較少,尤其應(yīng)用生物可降解地膜。本試驗(yàn)研究不同覆蓋材料和不同溝壟比對(duì)土壤水分、干草產(chǎn)量和WUE等影響,確定我國(guó)半干旱黃土高原壟溝集雨種植紫花苜蓿技術(shù)的參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012—2013年在中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)基地(35°33′ N,104°35′E,海拔1896.7 m)進(jìn)行,該區(qū)地處黃土高原西部丘陵區(qū),屬半干旱區(qū),光能較多,熱量資源不足,雨熱同季,氣候干燥,屬典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候。經(jīng)過(guò)對(duì)該區(qū)域40 a(1972—2012年)降雨量統(tǒng)計(jì),年均降雨量383.3 mm,降雨少,且分配不規(guī)律,5—10月降雨量占年降雨量的86.9%；蒸發(fā)強(qiáng)烈,年潛在蒸發(fā)量(1445 mm)是年均降雨量的3.8倍；年平均日照時(shí)間為2659.3 h,年平均氣溫6.7 ℃,月平均最高和最低氣溫分別出現(xiàn)在7月(25.9℃)和1月(-13.0℃)；平均無(wú)霜期140 d。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦,土壤為重壤土,0—100 cm 土壤平均容重為1.38 g/cm3,田間持水量為25.6%,永久萎蔫系數(shù)為6.7%。供試土壤肥力狀況如表1。當(dāng)?shù)馗髦贫葹?年1熟制,主要農(nóng)作物為春小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、燕麥(Avenasativa)、蠶豆(Viciafaba)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)、谷子(Panicummiliaceum)和胡麻(Sesamumindicum),主要牧草為紫花苜蓿和紅豆草(Onobrychisviciaefolia)。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤化學(xué)特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以紫花苜蓿甘農(nóng)3號(hào)為供試作物,采用田間壟溝集雨覆蓋種植技術(shù),壟覆蓋作為集雨區(qū),溝無(wú)覆蓋作為種植區(qū),小區(qū)隨機(jī)排列,共設(shè)10個(gè)處理(3種覆蓋材料×3種溝壟比+1平作),重復(fù)3次。3種覆蓋材料分別為生物可降解地膜、普通地膜和土壤結(jié)皮,3種溝壟比分別為60∶30、60∶45和60∶60 (cm∶cm),各處理溝寬均為60 cm,傳統(tǒng)平作作為對(duì)照。土壟、生物可降解膜壟、普通膜壟和傳統(tǒng)平作的代表符號(hào)分別為SR、BMR、CMR和TFP,SR30、SR45和SR60(BMR30、BMR45和BMR60或CMR30、CMR45和CMR60)的壟寬分別為 30、45 cm和60 cm。根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗(yàn),壟坡約為40°,壟高約為20 cm,每1小區(qū)有4條壟和3條溝,試驗(yàn)種植示意圖見(jiàn)圖1,試驗(yàn)處理編號(hào)、壟面積、溝面積和壟覆蓋材料見(jiàn)表2。普通地膜生產(chǎn)于石家莊市開(kāi)發(fā)區(qū)永盛塑料制品有限公司,生物可降解地膜生產(chǎn)于德國(guó)BASF公司,生物可降解地膜基料為淀粉和其他生物材料,淀粉和其他生物材料來(lái)源于玉米秸稈和其他可再利用原材料,普通地膜和生物可降解地膜厚度均為0.008 mm,寬度均為1.4 m。土壟為人工木板拍實(shí)原土,經(jīng)過(guò)風(fēng)吹雨打形成土壤結(jié)皮。

圖1 紫花苜蓿種植圖Fig.1 Schematic diagram showing ridge-furrow rainwater harvesting for alfalfa production

1.3 種植管理

前期研究者[16]對(duì)試驗(yàn)種植管理進(jìn)行詳細(xì)介紹。在2012年紫花苜蓿播種前30 d開(kāi)始整地、人工劃分小區(qū)、起壟和覆膜,于2012年3月28日完成壟溝布置和壟上覆膜等工作。根據(jù)當(dāng)?shù)厥┓式?jīng)驗(yàn),過(guò)磷酸鈣(420 kg/hm2)和尿素(220 kg/hm2)作為基肥,播種前將2種肥料混合后條播施入壟溝集雨種植的溝中,而對(duì)平作處理,將肥料用條播機(jī)施入整個(gè)小區(qū),施肥深度約為20 cm。2012年4月10日條播播種紫花苜蓿。對(duì)于壟溝集雨種植處理,每1試驗(yàn)小區(qū)有3條溝和4條壟,每1條溝面積為10 m (長(zhǎng)) × 0.6 m (寬)=6 m2,每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)種植面積(3條溝× 6 m2(每條溝面積)=18 m2)和播種密度(22.5 kg/hm2)相同,播種深度為2—3 cm,行距為20 cm,每1條溝種植4行紫花苜蓿,每1小區(qū)種植12行紫花苜蓿；平作處理無(wú)集雨區(qū),種植面積為10 m (長(zhǎng)) × 3.6 m(寬)=36 m2,平作的施肥密度、施肥深度、播種密度、播種深度和種植行距與壟溝集雨相應(yīng)種植區(qū)(溝)相同,每1小區(qū)種植24行紫花苜蓿。在2012年10月16日紫花苜蓿收獲后,保持和維護(hù)壟和溝的造型和結(jié)構(gòu),在第2年齡紫花苜蓿返青前(2013年4月7日),重新覆蓋生物可降解地膜和普通地膜,土壟維持不變。在第1年齡紫花苜蓿整個(gè)生育期(2012年4月10日—2012年10月16日)和第2年齡紫花苜蓿整個(gè)生育期(2013年4月13日—10月27日)不施肥和灌溉。采用人工除草,禁止人為踩踏集雨區(qū)(壟)和破壞壟覆蓋材料,2012年除草時(shí)間分別為6月17日、7月18日和8月19日,2013年除草時(shí)間分別為5月12日、6月20日、7月23日、8月20日和9月10日。

表2 壟溝集雨種植紫花苜蓿試驗(yàn)設(shè)計(jì)

TFP: 傳統(tǒng)平作Traditional flat planting; SR: 土壟Ridge with manually compacted soil; BMR: 生物可降解膜壟Ridge covered with bio-degradable mulch film; CMR: 普通膜壟Ridge covered with common plastic film; 下標(biāo)30、45和60表示壟寬 Subscript 30, 45 and 60 refer to ridge widths in cm

1.4 樣品采集和測(cè)定

降雨量數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)基地自動(dòng)氣象站測(cè)定,自動(dòng)氣象站距試驗(yàn)地50—100m。在第1年齡紫花苜蓿播種前(2012年4月9日)或第2年齡紫花苜蓿返青前(2013年4月13日)、刈割后(2012年刈割日期為8月19日和10月16日,2013年刈割日期為7月11日、8月20日和10月27日)和降雨(降雨量 > 5 mm)后測(cè)定土壤含水量。土壤含水量采用烘干法(105℃,10 h)測(cè)定,測(cè)定深度140 cm,在0—20 cm土壤深度,分層深度為10 cm；在20—140 cm土壤深度,分層深度為20 cm,每1小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn),同1層次3個(gè)樣點(diǎn)的土樣均勻混合。

土壤貯水量和WUE根據(jù)以下公式計(jì)算:

W=θ×BD×H× 10

(1)

膜壟和土壟:

(2)

(3)

平作:

ET2=P+ (W1-W2)

(4)

(5)

式中,W為土壤貯水量(mm)；θ為土壤質(zhì)量含水量(%)；BD為土壤容重(g/cm3)；H為土壤深度(cm)；10為系數(shù)；ET1為壟溝集雨種植(土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟)的作物耗水量(mm)；ET2為平作的作物耗水量(mm)；P為紫花苜蓿全生育期降水量(mm)；Re為壟的平均徑流效率(%)；h1和h2分別為壟寬和溝寬(cm)；W1和W2分別為第1年齡紫花苜蓿播種前(或第2年齡紫花苜蓿返青前)1 d和最后1次刈割后1 d 測(cè)定140 cm土壤深度的土壤貯水量(mm)；FY1為壟溝集雨種植的紫花苜蓿年凈干草產(chǎn)量(kg/hm2)；FY為平作種植的紫花苜蓿年干草產(chǎn)量(kg/hm2)。

在紫花苜蓿初花期(2012年初花期為8月19日,2013年初花期為7月11日和8月20日)和停止生長(zhǎng)期(2012年停止生長(zhǎng)期為10月16日,2013年停止生長(zhǎng)期為10月27日),手工齊地刈割紫花苜蓿,刈割后將紫花苜蓿地上部分均勻平攤于壟上,自然風(fēng)干至恒重,測(cè)定干草產(chǎn)量。為了更有效分析壟溝集雨種植技術(shù)的增產(chǎn)效果,采用2種方法計(jì)算紫花苜蓿干草產(chǎn)量,凈干草產(chǎn)量(FY1)等于小區(qū)干草產(chǎn)量除以小區(qū)溝面積,凈干草產(chǎn)量反映紫花苜蓿單株生長(zhǎng)狀況和單株產(chǎn)量,實(shí)際干草產(chǎn)量(FY2)等于小區(qū)干草產(chǎn)量除以小區(qū)總面積(壟面積+ 溝面積),實(shí)際干草產(chǎn)量反映土地生產(chǎn)力。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn),方差分析多重比較用Duncan法(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿生育期降雨量特征

2012年和2013年試驗(yàn)地年降雨量分別為414.4 mm和448.8 mm,與近40年 (1972—2012年)年平均降雨量(383.3 mm)相比,2012年和2013年均是濕年。由圖2可以看出,在2012年和2013年紫花苜蓿全生育期,降雨發(fā)生次數(shù)分別為77和82次,降雨量分別為380.7和427.6 mm,分別占年降雨量的91.9%和95.3%。通過(guò)對(duì)2 a降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2012年,<5 mm降雨為50次,占總降雨次數(shù)的64.9%；5—10 mm的降雨13次,占總降雨次數(shù)的16.9%；10—20 mm降雨10次,占總降雨次數(shù)的13.0%；>20 mm的降雨4次,占總降雨次數(shù)的5.2%。2013年,<5 mm降雨為56次,占總降雨次數(shù)的68.3%；5—10 mm的降雨12次,占總降雨次數(shù)的14.6%；10—20 mm降雨7次,占總降雨次數(shù)的8.5%；>20 mm的降雨7次,占總降雨次數(shù)的8.5%。大于5 mm降雨定義為有效降雨,2a平均無(wú)效降雨次數(shù)(53次)大于有效降雨次數(shù)(27次),但有效降雨對(duì)總降雨量貢獻(xiàn)率(81%)大于無(wú)效降雨貢獻(xiàn)率(19%),2a降雨分布不規(guī)則,其中2012年4、5、6、7、8、9月和10月降雨量分別為19.9、49.1、58.1、78.1、93.8、68.5 mm和13.2 mm,分別占紫花苜蓿全生育期降雨量的5.2%、12.9%、15.3%、20.5%、24.6%、18.0%和3.5%,2013年4、5、6、7、8、9月和10月降雨量分別為24.7、68.9、36.1、139.3、85、63.7 mm和9.9 mm,分別占紫花苜蓿全生育期降雨量的5.8%、16.1%、8.4%、32.5%、19.9%、15.0%和2.3%。

圖2 2012年和2013年紫花苜蓿生育期降雨量Fig.2 Rainfall during alfalfa growing seasons in 2012 and 2013

2.2 壟溝集雨種植對(duì)土壤貯水量的影響

為了比較壟溝集雨種植技術(shù)對(duì)不同深度土壤貯水量的影響,將0—140 cm土層深度分為0—40、40—100 cm和100—140 cm(圖3)。從圖3可以看出,隨紫花苜蓿生育期延伸和氣溫增加,各土層深度的土壤貯水量逐漸降低,降雨后,尤其大強(qiáng)度降雨或暴雨,土壤貯水量驟然增加。2012年8—9月和2013年6—7月是紫花苜蓿現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期,生長(zhǎng)旺盛,對(duì)土壤水分需求較大,較低降雨和較高蒸散使土壤貯水量處于全生育期最低。2012年9—10月和2013年7—8月降雨量較大,各層次土壤貯水量處于全生育期高峰。通過(guò)對(duì)0—40、40—100 cm和100—140 cm土壤貯水量進(jìn)行比較,不同處理之間土壤貯水量差異隨土壤深度增加而增加,表層(0—40 cm)土壤貯水量隨作物生育期、氣溫、降雨量等變化較明顯。就根層(0—140 cm)土壤貯水量而言,在同一覆蓋材料下,對(duì)不同壟寬的土壤貯水量求平均值,得到平作、土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的平均土壤貯水量。就紫花苜蓿全生育期平均土壤貯水量而言,2012年平作、土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的土壤貯水量分別為246.8、265.7、286.9 mm和290.9 mm,2013年值分別為172.6、191.3、197.4 mm和205.1 mm。連續(xù)2年試驗(yàn)結(jié)果顯示,普通膜壟的土壤貯水量明顯大于生物可降解膜壟,生物可降解膜壟的土壤貯水量明顯大于土壟,土壟的土壤貯水量明顯大于平作。同時(shí),土壤貯水量隨壟寬增加而增加,土壤貯水量排列次序?yàn)?0 cm壟寬> 45 cm壟寬 > 30 cm壟寬。就紫花苜蓿全生育期而言,2012年TFP、SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60(SR、BMR和 CMR分別代表土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟,下標(biāo)分別表示壟寬為30、45 cm和60cm)的平均土壤貯水量分別為 246.8、259.8、266.0、271.1、277.7、289.1、293.9、283.1、288.5 mm和301.0 mm,2013年值分別為 172.6、185.3、191.7、197.0、193.8、191.7、206.6、196.2、205.3 mm和213.8 mm。

圖3 2012和2013年紫花苜蓿生育期不同處理土壤貯水量變化Fig.3 Dynamics of soil water storage in various treatments during alfalfa growing season in 2012 and 2013TFP: 傳統(tǒng)平作Traditional flat planting; SR: 土壟Ridge with manually compacted soil; BMR: 生物可降解膜壟Ridge covered with bio-degradable mulch film; CMR: 普通膜壟Ridge covered with common plastic film; 下標(biāo)30、45和60表示壟寬 Subscript 30, 45 and 60 refer to ridge widths in cm

2.3 壟溝集雨種植對(duì)剖面土壤含水量的影響

紫花苜蓿是1種高耗水牧草,紫花苜蓿對(duì)土壤水分消耗存在爭(zhēng)議。為了比較壟溝集雨種植技術(shù)對(duì)剖面土壤含水量的影響,在第1年齡紫花苜蓿播種前(或第2年齡紫花苜蓿返青前)和最后1次刈割后,將不同處理的剖面土壤含水量進(jìn)行比較(圖4)。在第1年齡紫花苜蓿播種前(或第2年齡紫花苜蓿返青前),不同處理的剖面土壤含水量差異不明顯,尤其在表層(0—40 cm)土壤；在最后1次刈割后,土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的剖面土壤含水量明顯高于平作,尤其第2年齡紫花苜蓿。在最后1次刈割后,2012年TFP、SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的深0—140 cm平均剖面土壤含水量分別為13.49%、15.58%、16.17%、16.13%、16.98%、17.60%、18.13%、16.92%、17.10%和18.80%,2013年值分別為8.76%、10.50%、10.57%、10.73%、10.75%、11.18%、11.45%、10.80%、11.61%和11.82%。剖面土壤含水量隨壟寬增加而增加,排列次序?yàn)?0 cm壟寬 > 45 cm壟寬 > 30 cm壟寬；不同覆蓋材料剖面土壤含水量排列次序?yàn)槠胀?> 生物可降解膜壟 > 土壟 > 平作。壟增加徑流,壟覆蓋材料減少壟面土壤水分蒸發(fā),從而增加壟溝集雨種植溝中剖面土壤含水量。紫花苜蓿根系較長(zhǎng),能吸收深層土壤水分,其耗水量大于普通牧草和作物。本研究結(jié)果顯示,土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的剖面土壤含水量明顯高于平作,在壟溝集雨種植1—2年齡紫花苜蓿在根層均沒(méi)有形成明顯干層。

圖4 播種前(或返青期前)和最后1次刈割后不同處理剖面土壤含水量比較Fig.4 Comparison of soil moisture between various treatments before sowing (before post dormant emergency) and after last cutting

2.4 壟溝集雨種植對(duì)干草產(chǎn)量的影響

從表3可以看出,各處理的凈干草產(chǎn)量大于實(shí)際干草產(chǎn)量。就紫花苜蓿全生育期凈干草產(chǎn)量而言,2012年普通膜壟和生物可降解膜壟的凈干草產(chǎn)量顯著大于土壟,土壟的凈干草產(chǎn)量顯著大于平作,普通膜壟與生物可降解膜壟之間相差不顯著；2013年普通膜壟的凈干草產(chǎn)量顯著大于生物可降解膜壟,生物可降解膜壟的凈干草產(chǎn)量顯著大于土壟,土壟的凈干草產(chǎn)量顯著大于平作。同1覆蓋材料下,凈干草產(chǎn)量隨壟寬增加而增加。與平作相比,2012年SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的凈干草產(chǎn)量分別增加54%、64%、72%、72%、120%、138%、81%、132%和146%,2013年的凈干草產(chǎn)量分別增加65%、88%、104%、131%、154%、176%、139%、161%和182%。在壟溝集雨種植系統(tǒng)中,土壤水分和土壤養(yǎng)分在溝中進(jìn)行聚集,使壟溝集雨種植的凈干草產(chǎn)量顯著大于平作。在實(shí)際生產(chǎn)中,土地生產(chǎn)力和土地經(jīng)濟(jì)效益是種植者最關(guān)注的焦點(diǎn),就紫花苜蓿全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量而言,2012年,在土壟種植中,SR30的全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于SR45,SR45的全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于SR60；在生物可降解膜壟和普通膜壟種植中,BMR45(CMR45)的全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于BMR30(CMR30)和 BMR60(CMR60),BMR30(CMR30)與 BMR60(CMR60)之間差異不顯著。2013年,在土壟種植中,SR30的全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于SR60,SR45與SR30之間、SR45與SR60之間差異不顯著；在生物可降解膜壟和普通膜壟種植中,BMR30(CMR30)的全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于BMR45(CMR45),BMR45(CMR45)的全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于BMR60(CMR60)。與TFP相比,2012年SR30、SR45和SR60的實(shí)際干草產(chǎn)量分別降低8%、18%和26%,2013年分別降低1%、6%和13%；2012年BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的實(shí)際干草產(chǎn)量分別提高3%、10%、2%、9%、16%和5%,2013年分別提高39%、27%、18%、43%、31%和21%。在同1覆蓋材料下,對(duì)不同壟寬的實(shí)際干草產(chǎn)量求平均值,得到平作、土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的平均實(shí)際干草產(chǎn)量。就紫花苜蓿全生育期平均實(shí)際干草產(chǎn)量而言,2012年普通膜壟的實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于平作,平作的實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于土壟,生物可降解膜壟與普通膜壟之間、生物可降解膜壟與平作之間相差不顯著；2013年普通膜壟和生物可降解膜壟的實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于平作,平作的實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于土壟,普通膜壟與生物可降解膜壟之間相差不顯著。與TFP相比,2012年土壟的實(shí)際干草產(chǎn)量降低17%,2013年降低7%；2013年生物可降解膜壟和普通膜壟的實(shí)際干草產(chǎn)量分別提高5%和10%,2013年分別提高28%和32%。土壟增加土壤含水量和表層溫度,從而增加紫花苜蓿單株產(chǎn)量。土壟的徑流效率比較小,壟面積減小作物種植面積,使土壟的實(shí)際干草產(chǎn)量顯著低于平作。生物可降解膜壟和普通膜壟具有較高徑流效率,增加土壤含水量和表層溫度,徑流增產(chǎn)效果高于種植面積減少減產(chǎn)效果,從而使生物可降解膜壟和普通膜壟的實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于平作。

表3 壟溝集雨種植對(duì)紫花苜蓿全生育期干草產(chǎn)量和水分利用效率的影響

根據(jù)Duncan多重比較,同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05);FY1：凈干草產(chǎn)量 forage yields based on furrow area; FY2：實(shí)際干草產(chǎn)量 Alfalfa forage yields based on land areas of ridges and furrows

2.5 壟溝集雨種植對(duì)WUE的影響

從表3可以看出,2012年,SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的WUE顯著高于TFP,SR30與SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60之間相差不顯著；2013年,在土壟種植中,SR60的WUE顯著高于SR30,SR45與SR30之間、SR45與SR60之間相差不顯著；在生物可降解膜壟和普通膜壟種植中,BMR30(CMR30)的WUE顯著高于BMR60(CMR60),BMR45(CMR45)與BMR60(CMR60)之間、BMR45(CMR45)與BMR30(CMR30)之間相差不顯著。與TFP相比,2012年SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的WUE分別提高52%、58%、55%、49%、62%、59%、51%、67%和56%,2013年分別提高64%、76%、79%、83%、74%、64%、82%、76%和67%。在同1覆蓋材料下,對(duì)不同壟寬的WUE求平均值,得到平作、土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的平均WUE。就平均WUE而言,2012年和2013年土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟WUE顯著高于平作,普通膜壟與生物可降解膜壟和土壟之間相差不顯著。與平作相比,2012年土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的WUE分別提高55%、57%和58%,2013年分別提高73%、74%和75%。

2.6 最佳溝壟比確定

土壟種植的紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量顯著低于平作,在2012年和2013年紫花苜蓿全生育期降雨量分別為380.7和427.6 mm,土壟種植技術(shù)不能增加紫花苜蓿干草產(chǎn)量,而生物可降解膜壟和普通膜壟種植技術(shù)顯著增加紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量。

為確定同一覆蓋材料壟溝集雨種植紫花苜蓿的最佳溝壟比,增加模擬方程的精確度,以生物可降解膜壟和普通膜壟每個(gè)重復(fù)的全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量(FY2) 為y軸,以壟寬為x軸 (x值分別為0、30、45 cm和60 cm,其中0代表平作),對(duì)全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量與壟寬進(jìn)行回歸分析,得到生物可降解膜壟的回歸方程為y=-0.2096x2+ 15.299x+ 4091.9(R2=0.314,2012)和y=-2.4558x2+ 169.72x+ 8493.9(R2=0.8666,2013),普通膜壟的回歸方程為y=-0.4051x2+ 29.395x+ 4089.6(R2=0.6654,2012)和y=-2.7505x2+ 190.47x+ 8501(R2= 0.9172,2013)(圖5)。對(duì)回歸方程求極值,在2012年,當(dāng)壟寬x=36 cm時(shí),生物可降解膜壟(4371 kg/hm2)和普通膜壟(4623 kg/hm2)的紫花苜蓿全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量達(dá)到最大值,在2013年,當(dāng)壟寬x=35 cm時(shí),生物可降解膜壟(11426 kg/hm2)和普通膜壟(11798 kg/hm2)的紫花苜蓿全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量達(dá)到最大值。

圖5 生物可降解膜壟和普通膜壟的紫花苜蓿干草產(chǎn)量與壟寬回歸方程Fig.5 Regression equations for alfalfa forage yield and ridge widths under ridges covered with biodegradable mulch film (BMR) and with common plastic film (CMR)

3 討論

土壤水分是限制農(nóng)田作物和草地植物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要因素之一[17]。在壟溝集雨種植系統(tǒng)中,壟徑流和溝中降雨在溝中產(chǎn)生疊加,增加溝內(nèi)降雨量,降雨量越大,入滲深度更深,蒸發(fā)損失越少,同時(shí)壟覆蓋材料減少壟面無(wú)效蒸發(fā),從而提高溝中土壤水分和降雨資源利用效率[18- 20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,與平作相比,SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的2a紫花苜蓿全生育期平均根層(0—140 cm)土壤貯水量分別增加12.8、19.2、24.4、26.0、30.7、40.5、29.9、37.1 mm和47.7 mm。壟溝集雨種植系統(tǒng)使降水得到重新分配,降雨后,溝中部分土壤水分側(cè)入滲到壟下土壤,當(dāng)遇到持久干旱時(shí),溝中土壤水勢(shì)低于壟下土壤水勢(shì),壟下土壤水分回歸到溝中,供干旱時(shí)作物吸收和利用,從而提高降雨資源利用效率。

在2012年紫花苜蓿全生育期,TFP、SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60溝中集雨量(溝中降雨+壟上徑流)分別為427.3、426.0、439.1、463.4、485.6、569.2、623.5、505.6、586.6 mm 和 669.1 mm；在2013年紫花苜蓿生育期,TFP、SR30、SR45、SR60、BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60溝中集雨量分別為459.2、458.4、482.6、511.0、560.5、641.1、739.1、586.5、654.0 mm 和 741.6 mm,普通膜壟的溝中集雨量略高于生物可降解膜壟,生物可降解膜壟的溝中集雨量明顯高于土壟,土壟的溝中集雨量明顯高于平作,溝中集雨量隨壟寬增加而增加。紫花苜蓿根系較長(zhǎng)、生長(zhǎng)旺盛和耗水量較大,隨著生長(zhǎng)年齡增加,根系不斷向下延伸,利用更深層土壤水分。當(dāng)土壤含水量低于凋萎系數(shù)時(shí),土壤形成干層,土壤干層隨植物生長(zhǎng)和降雨量等變化而變化,不同降水補(bǔ)充不同深度土壤水分,不同年齡紫花苜蓿消耗不同深度土壤水分,從而在不同土壤深度形成土壤水分消耗差異。本研究結(jié)果表明,壟溝集雨種植1年齡和2年齡紫花苜蓿0—140cm深度的土壤含水量明顯高于平作,壟溝集雨種植能顯著增加土壤剖面含水量,在根層沒(méi)有形成明顯干層。

紫花苜蓿干草產(chǎn)量與其全生育期蒸騰量相關(guān),全生育期蒸騰量與土壤含水量、植物生長(zhǎng)狀況、溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等有關(guān)。壟溝集雨種植改變溝中土壤水分、風(fēng)速、土壤溫度等,進(jìn)而影響紫花苜蓿干草產(chǎn)量形成[21]。壟溝集雨種植改善溝中土壤水分和土壤養(yǎng)分等狀況[22- 23],從而使土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的凈干草產(chǎn)量顯著高于平作。實(shí)際干草產(chǎn)量更能反映土地生產(chǎn)力和種植者利益,Li等[24]研究表明,壟溝集雨種植膜壟和土壟的紫花苜蓿年平均干草產(chǎn)量較平作分別提高171%和52%。本研究表明,與平作相比,土壟的紫花苜蓿全育期連續(xù)2a平均實(shí)際干草產(chǎn)量降低12%,WUE提高64%,生物可降解膜壟和普通膜壟的紫花苜蓿全育期連續(xù)2a平均實(shí)際干草產(chǎn)量分別提高17%和21%,WUE分別提高66%和67%。紫花苜蓿干草產(chǎn)量和WUE隨壟寬增加而減少?；艉｛惖萚16]研究表明,土壟、生物可降解膜壟和普通膜壟的平均徑流效率分別為32.0%、90.7%和96.4%。較高降雨、較小徑流效率和種植面積減少使土壟的實(shí)際干草產(chǎn)量低于平作。普通膜壟和生物可降解膜壟具有較高徑流效率,較高土壤含水量和土壤溫度使紫花苜蓿出苗或返青期提前5—7 d,同時(shí)植株生長(zhǎng)旺盛和生長(zhǎng)速率較快。任小龍等[25]研究表明,與傳統(tǒng)平作相比,當(dāng)降雨量為230、340和440 mm 時(shí),壟溝集雨種植春玉米籽粒產(chǎn)量分別增加83%、43%和11%,WUE分別提高77%、43%和10%,壟溝集雨種植的玉米籽粒產(chǎn)量增長(zhǎng)率隨降雨增加而減少?；艉｛惖萚16]研究表明,與平作相比,土壟的紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量降低7.7%—26.4%,生物可降解膜壟和普通膜壟的紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量分別提高2.0%—9.9%和5.2%—12.0%。Moreno 和Moreno[26]研究表明,在風(fēng)吹、太陽(yáng)照射、雜草生長(zhǎng)和微生物等作用下,生物可降解地膜降解較快。本試驗(yàn)觀察顯示,生物可降解地膜覆蓋70—75 d開(kāi)始降解,該區(qū)域6月中旬進(jìn)入雨季,在作物生長(zhǎng)前期,生物可降解地膜與普通地膜具有類(lèi)似保水、增溫和增產(chǎn)效果,在牧草刈割后,生物可降解地膜無(wú)需人工回收,具有省時(shí)、省力、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),有利于環(huán)境保護(hù)。

4 結(jié)論

連續(xù)兩年(2012年和2013年)紫花苜蓿全生育期平均值顯示,無(wú)效降雨次數(shù)(53次)大于有效降雨次數(shù)(27次),無(wú)效降雨對(duì)總降雨量的貢獻(xiàn)率(19%)小于有效降雨(81%)。壟溝集雨種植第1年齡和第2年齡紫花苜蓿根層均沒(méi)有出現(xiàn)明顯干層。與傳統(tǒng)平作相比,SR30、SR45和SR60的連續(xù)2a紫花苜蓿平均實(shí)際干草產(chǎn)量分別降低3%、8%和13%,WUE分別提高52%、58%、55%；BMR30、BMR45、BMR60、CMR30、CMR45和CMR60的連續(xù)2年紫花苜蓿平均實(shí)際干草產(chǎn)量分別提高14%、12%、7%、17%、19%和9%,WUE分別提高49%、62%、59%、51%、67%和56%。當(dāng)紫花苜蓿生育期降雨量為380.7—427.6 mm和溝壟比為60 cm:35—36 cm時(shí),生物可降解膜壟和普通膜壟的紫花苜蓿全生育期實(shí)際干草產(chǎn)量達(dá)到最大值。

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Effects of mulching materials and furrow-to-ridge ratios on soil moisture and alfalfa forage yield

SONG Xingyang1, WANG Qi1,*, LI Fuchun1, HU Guangrong1, ZHANG Dengkui1, ZHANG Enhe2, LIU Qinglin2, WANG Heling3

1CollegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2AgronomyCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China3KeyLaboratoryofAridClimaticChangingandReducingDisasterofGansuProvince/InstituteofAridMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020,China

To determine the optimum furrow-to-ridge ratio and a suitable ridge-mulching material for alfalfa production in a ridge-furrow rainwater harvesting system in the semi-arid Loess Plateau, a field experiment with a randomized complete block design was conducted during the 2012 and 2013 alfalfa growing seasons. The experiment was designed to investigate the effects of different mulching materials (manually compacted soil crust, biodegradable mulch film, and common plastic film) and furrow to ridge ratios (60∶30, 60∶45, and 60∶60 [cm∶cm]) on soil moisture and alfalfa forage yield, with traditional flat planting (TFP) as a control. The average number of ineffective rainfall events (53) was greater than that of effective rainfall events (27) over these two years, and the contribution rate (19%) of the ineffective rainfall to annual rainfall was less than that (81%) of the effective rainfall. Compared with TFP, increases in the soil water storage at depths of 0—140 cm were 12.8, 19.2, 24.4, 26.0, 30.7, 40.5, 29.9, 37.1, and 47.7 mm in SR30, SR45, SR60, BMR30, BMR45, BMR60, CMR30, CMR45,and CMR60(SR, BMR, and CMR were ridges with manually compacted soil, covered with bio-degradable mulch film, and covered with common plastic film, respectively, and subscripts 30, 45, and 60 refer to ridge widths (cm), all with 60 cm furrow width), respectively. There was no distinctive dry soil layer found within the root zone among ridge-furrow rainwater harvesting treatments during 2 consecutive years. Compared with TFP, forage yields decreased by 3%, 8%, and 13% for SR30, SR45,and SR60, respectively, while water use efficiency (WUE) increased by 52%, 58%, and 55% over the two years in these ridge-furrow systems. Forage yields increased by 14%, 12%, 7%, 17%, 19%, and 9% for BMR30, BMR45, BMR60, CMR30, CMR45,and CMR60, respectively, while WUE increased by 49%, 62%, 59%, 51%, 67%, and 56% in these ridge-furrow systems in the same period. Optimum furrow width was 35—36 cm for BMR and CMR in the ridge-furrow rainwater harvesting system with 60 cm furrows for alfalfa production in this region that has an annual 380.7—427.6 mm rainfall. This information is useful for alfalfa production in ridge-furrow rainwater harvesting systems in this region.

ridge-furrow rainwater harvesting; alfalfa; soil moisture; forage yield; water use efficiency

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41461062, 41161090)

2015- 09- 08;

日期:2016- 06- 14

10.5846/stxb201509081853

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangqigsau@gmail.com

宋興陽(yáng),王琦, 李富春, 胡廣榮, 張登奎, 張恩和, 劉青林, 王鶴齡.覆蓋材料和溝壟比對(duì)土壤水分和紫花苜蓿干草產(chǎn)量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(3):798- 809.

Song X Y, Wang Q, Li F C, Hu G R, Zhang D K, Zhang E H, Liu Q L, Wang H L.Effects of mulching materials and furrow-to-ridge ratios on soil moisture and alfalfa forage yield.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):798- 809.