周旭姣，王琦，張登奎，尹鑫衛(wèi)，李曉玲，劉青林，賈生海

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；3.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，阜康荒漠生態(tài)國家野外科學觀測研究站，新疆 烏魯木齊 830011； 4.中國科學院大學， 北京 100049；5.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070)

我國半干旱黃土高原區(qū)是典型的農(nóng)牧交錯帶和生態(tài)環(huán)境脆弱帶，具有光熱資源豐富、降水稀少、蒸發(fā)強烈、年積溫低、作物生長期短、產(chǎn)量低等特點[1]。在全球氣候變暖背景下，極端降水事件發(fā)生頻率增加，水資源短缺和水土流失嚴重，加劇該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)危機性和不穩(wěn)定性[2]。同時，過度放牧、坡地耕作和長期農(nóng)作物連作等人類活動造成土地資源退化加快、水土流失嚴重和土壤水分及養(yǎng)分虧缺，嚴重威脅該區(qū)糧食生產(chǎn)和食品安全[3]。為了克服水資源短缺和水土流失嚴重等問題，當?shù)剞r(nóng)民采取修梯田、淤堤壩、挖魚鱗坑、壟溝集雨等措施。

壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)采用田間溝壟相間集雨和覆蓋等技術(shù)改善土壤水熱狀況和作物生長條件，減少土壤水分散失，降低土壤侵蝕，從而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率(water use efficiency, WUE)等生理生態(tài)效應(yīng)。壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)已成為全球干旱和半干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的一項重要農(nóng)業(yè)種植模式[4]。王琦等[5]研究結(jié)果表明，壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)可顯著增加溝中土壤水分含量，壟覆蓋減少壟表面土壤水分無效蒸發(fā)，增加溝中有效蒸騰，同時，壟覆膜增加壟上表層土壤溫度，降低溝中白天土壤溫度和增加溝中夜間土壤溫度。壟溝集雨覆蓋種植技術(shù)增加土壤對光、熱、水、氣等的接受面積，充分利用光熱資源，較大限度地攔截和匯集降水，積蓄土壤水分，提高農(nóng)田降水利用率，促進作物對水資源和光熱資源的吸收利用[6]。覆蓋材料在大氣與土壤接觸面間形成隔離層，防止水分直接散逸，有效地積蓄自然降水；同時，消除土壤與外界的潛熱損失，減緩?fù)寥罍囟认陆邓俾?，有效減輕干旱和低溫對作物傷害，促進作物正常生長發(fā)育[7]。

在我國半干旱黃土高原區(qū)，紫花苜蓿(Medicagosativa)是種植面積較大的多年生豆科牧草，根系發(fā)達，抗旱和再生能力強，能有效截留降水，減少地表徑流和緩解水土流失[8]。紫花苜蓿根系通常長達1.0～1.5 m，在特殊土壤中，紫花苜蓿根系可長達 2.4～4.5 m，當降水和土壤水分匱乏時，紫花苜?？梢岳蒙顚油寥榔拭嫠?，從而提高紫花苜?？购敌院退掷眯蔥9]。在周期性干旱交替環(huán)境中，深根性使紫花苜蓿得以生存，同時，紫花苜蓿種植可以為家畜提供營養(yǎng)豐富牧草。在極端降水稀少情況下，紫花苜蓿枝葉茂盛和莖葉柔軟多汁，為野生動物、昆蟲和鳥類提供食源和棲息地[10]。紫花苜蓿根系與根瘤菌共生，從而形成共生體固定氮素，提高土壤肥力，同時繁茂和耐踐踏莖枝條提高土壤抗侵蝕能力[11]。紫花苜蓿產(chǎn)量較高，在適宜生長區(qū)，生物量可達4.0×103～45.0×103kg·hm-2[12]；在半干旱地區(qū)，紫花苜蓿生物量可達8.4×103～18.4×103kg·hm-2[13]。然而，在半干旱地區(qū)，土壤干層和水土流失是限制紫花苜蓿可持續(xù)生產(chǎn)的重要因素[14]。目前，針對壟溝集雨種植的集雨效率、最佳壟溝比以及1年生作物增產(chǎn)效果等方面的研究較多，但對多年生紫花苜蓿的土壤水熱效應(yīng)和產(chǎn)量等研究較少。

本研究結(jié)合該區(qū)域農(nóng)業(yè)耕作措施發(fā)展特點和前景，以連續(xù)種植第4和5年紫花苜蓿作為研究對象，采用壟溝集雨種植大田試驗，研究壟溝集雨種植紫花苜蓿對不同生育時期和不同土層的土壤水熱、干草產(chǎn)量和水分利用效率等的影響，為推廣壟溝集雨覆蓋種植多年生紫花苜蓿提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年4月-2016年10月在中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗基地(N 35°33′，E 104°35′，海拔1896.7 m)進行。試驗區(qū)屬于半干旱大陸性季風氣候，降水較少，氣候干燥。年日照時數(shù)2433.0 h，年太陽總輻射5923.8 MJ·m-2，平均無霜期140 d，年均氣溫6.7 ℃，月平均最高氣溫和最低氣溫分別為18.6 ℃(7月)和-7.5 ℃(1月)。1971-2016年年均降水量為385.3 mm，其中5-9月占79.19%。年均潛在蒸發(fā)量(1500 mm)約為年均降水量的3.89倍。試驗區(qū)土壤為黃綿土，田間持水量(以土壤質(zhì)量含水量表征)為25.60%，永久凋萎系數(shù)為6.70%，平均土壤容重為1.38 g·cm-3。當?shù)馗髦贫葹?年1熟，主要種植作物有春小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)和馬鈴薯(Solanumtuberosum)等，主要種植牧草有紫花苜蓿和紅豆草(Onobrychisviciaefolia)等。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以紫花苜蓿甘農(nóng)3號為供試材料，采用壟溝集雨種植技術(shù)，壟覆蓋不同材料作為集雨區(qū)，溝無覆蓋作為種植區(qū)，共設(shè)10個處理(3個覆蓋材料×3個溝壟比+1平作)，重復(fù)3次，小區(qū)隨機排列。3個壟覆蓋材料分別為塑料地膜、生物可降解地膜和土壤結(jié)皮，3個溝壟比分別為60∶30、60∶45和60∶60[溝寬(cm)∶壟寬(cm)]。傳統(tǒng)平作(traditional flat planting，TFP)無覆蓋作為對照。土壟(ridge manually compacted soil)、生物可降解膜壟(ridge mulched with biodegradable film)和塑料膜壟(ridge mulched with plastic film)的代表符號分別為MCS、BF和PF。MCS30、MCS45和MCS60[BF30(或PF30)、BF45(或PF45)和BF60(或PF60)]的壟寬分別為30、45和60 cm。根據(jù)當?shù)胤N植經(jīng)驗，壟長10 m，壟高為15～20 cm，呈半球形，壟坡為34°～45°。試驗處理見表1。塑料地膜由石家莊市開發(fā)區(qū)永盛塑料制品有限公司提供，生物可降解地膜由德國BASF公司提供。塑料地膜和生物可降解地膜厚度均為0.008 mm，寬度均為1.4 m，土壤結(jié)皮為經(jīng)人工木板拍實自然土壤和降水打擊形成。除傳統(tǒng)平作外，每個小區(qū)包含4條壟和3條溝，壟溝相間布置。

1.3 種植管理

本試驗開始于2012年，在紫花苜蓿播種前30 d開始整地、人工劃分小區(qū)、起壟和覆膜，2012年4月10日條播，對于壟溝集雨種植，各小區(qū)每條溝面積(10.0 m×0.6 m=6 m2)、種植面積(3條溝×溝面積6 m2=18 m2)和種植密度(22.5 kg·hm-2)相同，行距為15 cm，每條溝種植4行紫花苜蓿，每個小區(qū)共計種植12行紫花苜蓿，種植示意圖見圖1。傳統(tǒng)平作沒有集雨區(qū)，種植面積為36 m2(10.0 m×3.6 m)，相對種植密度和種植行距與壟溝集雨種植相同，每個平作小區(qū)共種植24行紫花苜蓿。在紫花苜蓿返青前10 d(2015年4月1-7日和2016年3月20-30日)維修集雨壟的形狀，用塑料地膜和生物可降解地膜覆蓋集雨壟，地膜邊緣埋入集雨壟底部土壤深3～5 cm。在紫花苜蓿收獲后2～3 d(2015年10月8日和2016年10月10日)回收地膜殘留。在紫花苜蓿全生育期，不進行灌溉、施肥和病蟲害防治，采用人工除草，2015年除草時間分別為5月10日、6月15日、7月28日、9月5日和10月10日，2016年分別為5月5日、6月10日、7月20日、8月25日和10月1日。

表1 壟溝集雨種植紫花苜蓿試驗設(shè)計Table 1 Experimental design for alfalfa production with ridge-furrow rainwater harvesting

圖1 紫花苜蓿種植示意圖Fig.1 Schematic diagram for alfalfa production with ridge-furrow rainwater harvesting

1.4 樣品采集和測定

1.4.1降水量 試驗期間降水量等氣象數(shù)據(jù)由中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗基地自動氣象站(WS-STD1, 英國)提供。

降水距平百分率反映某段時期水文要素偏離同期多年平均值的程度，降水距平百分率(DP, %)根據(jù)以下公式計算[15]：

(1)

式中:P為計算時段內(nèi)降水量(mm)；AP為同期多年平均降水量(mm)。

1.4.2土壤水分及土壤干旱程度 在紫花苜蓿返青前1 d(2015年4月9日和2016年4月1日)、每茬刈割后1 d(2015年3次刈割時間分別為6月12日、7月30日和10月24日，2016年3次刈割時間分別為6月11日、7月23日和10月16日)和降水(降水量>5 mm)后1 d，采用烘干法(105 ℃，10 h)測定土壤含水量，利用直徑3.5 cm土鉆在平作小區(qū)內(nèi)和壟溝集雨種植溝內(nèi)隨機采樣，測定深度為3.0 m，其中0～0.2 m土壤的分層深度為10 cm，0.2～3.0 m土壤的分層深度為20 cm。土壤貯水量(W，mm)計算公式為:

W=θ×BD×H×10

(2)

式中:θ為土壤質(zhì)量含水量(%)；H為土壤深度(cm)；BD為土壤容重(g·cm-3)，采用環(huán)刀法測定土壤容重，測定深度和分層與土壤含水量相同。

作物生長發(fā)育所需水分主要依靠根系獲得，土壤水分是限制作物生長發(fā)育的重要因子之一，分析土壤干旱程度能確定作物受旱狀況。根據(jù)李柏貞等[16]的研究結(jié)果，利用土壤相對濕度(relative soil moisture，RSM)劃分土壤干旱程度，相對濕度為0～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60%和60%～100%的土壤分別劃分為特別重度干旱、重度干旱、中度干旱、輕度干旱和無干旱。土壤相對濕度(RSM，%)計算公式為:

(3)

式中:θ為土壤質(zhì)量含水量(%)；FC為土壤田間持水量(%)，采用威爾克斯法[17]測定田間持水量，測定深度和分層與土壤含水量相同。

1.4.3土壤溫度及土壤有效積溫 在紫花苜蓿全生育期，采用曲管水銀地溫計測定各小區(qū)溝中和壟上的土壤溫度，測定深度分別為5、10、15、20和25 cm，測定間隔為5 d，測定時間分別為8:00 am、2:00 pm和6:00 pm。將當天3次測定土壤溫度平均值作為日平均土壤溫度。土壤有效積溫直接影響作物生長發(fā)育過程。根據(jù)史紀安等[18]和阿米娜·麥圖爾迪等[19]研究結(jié)果，紫花苜蓿的基礎(chǔ)有效溫度為5 ℃，則土壤有效積溫(Ae，℃)計算公式為:

(4)

式中:n為計算時間(d)；Ti為日平均地溫(℃)，當Ti<5 ℃時，土壤有效溫度記為0 ℃。

1.4.4干草產(chǎn)量及水分利用效率 在紫花苜蓿初花期(2015年6月12日和7月23日，2016年6月11日和7月23日)和生長停止期(2015年10月24日，2016年10月16日)，手工刈割紫花苜蓿，留茬高度為4～5 cm。將紫花苜蓿地上部分均勻平攤于壟上，自然風干后測定干草產(chǎn)量。根據(jù)實測作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)及農(nóng)田水量平衡法推求作物耗水量，并確定壟溝集雨種植紫花苜蓿的水分利用效率(WUE)，水分利用效率計算公式如下[20]:

(5)

(6)

式中:ET為壟溝集雨種植或平作的蒸散量(mm)；P為紫花苜蓿全生育期降水量(mm)；Re為集雨壟的平均徑流效率(%)，Wang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，不同集雨壟的徑流效率隨作物生育期延伸而改變，為簡化計算，本試驗采用紫花苜蓿全生育期，土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的平均徑流效率作為Re輸入值；h1為壟寬(cm)，h2為溝寬(cm)；W1和W2分別為紫花苜蓿返青前1 d和最后1次刈割后1 d測定的0～3.0 m土層土壤貯水量(mm)；NFY為壟溝集雨種植的紫花苜蓿凈干草產(chǎn)量(kg·hm-2)，反映紫花苜蓿單株生長狀況，NFY等于小區(qū)干草產(chǎn)量除以小區(qū)溝面積；AFY為壟溝集雨種植或平作的紫花苜蓿實際干草產(chǎn)量(kg·hm-2)，反映土地生產(chǎn)力，AFY等于小區(qū)干草產(chǎn)量除以小區(qū)總面積(壟面積+溝面積)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS 21.0軟件進行方差分析，用Duncan法進行方差分析多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水分布和平均氣溫變化特征

2015和2016年研究區(qū)總降水量分別為298.20和311.95 mm，與1971-2016年年均降水量(385.3 mm)相比，2015年為枯水年(降水距平百分率為-22.61%)，2016年為偏枯年(降水距平百分率為-19.04%)(圖2)。2015和2016年紫花苜蓿全生育期降水量分別為250.10和251.95 mm，占多年均降水量的比例分別為83.87%和80.77%。在2015年紫花苜蓿全生育期，≤5 mm、5～10 mm、10～20 mm、>20 mm的降水次數(shù)分別為54、5、4和2次，降水量分別為93.50、35.70、64.70和56.20 mm；在2016年紫花苜蓿全生育期，≤5 mm、5～10 mm、10～20 mm、>20 mm的降水次數(shù)分別為33、11、6和1次，降水量分別為64.50、77.15、86.80和23.50 mm。連續(xù)2 年平均無效降水(<5 mm降水)次數(shù)(44次)約為有效降水次數(shù)(15次)的2.93倍，但有效降水對總降水量的貢獻率(68.51%)約為無效降水貢獻率(31.49%)的2.18倍。同時，2015和2016年研究區(qū)年平均氣溫分別為8.98和9.15 ℃，最高氣溫分別為33.80和33.40 ℃，最低氣溫分別為-16.20和-21.60 ℃，與過去48年(1967-2014年)年平均氣溫相比，2015和2016年的年平均氣溫分別升高1.88和2.05 ℃。在紫花苜蓿全生育期，2015和2016年平均氣溫分別為15.89和16.69 ℃，最高氣溫分別為33.80 和33.40 ℃，最低氣溫分別為-1.40和-0.80 ℃。

圖2 2015和2016年降水和氣溫變化Fig.2 Temporal variation of rainfall and air temperature in 2015 and 2016

2.2 壟溝集雨種植對土壤水分的影響

2.2.1土壤水分垂直分布特征 在2015和2016年紫花苜蓿返青前和3茬刈割后，比較不同處理0～3.0 m土壤剖面的土壤含水量分布特征(圖3)。各處理0～3.0 m土壤剖面的土壤含水量變化規(guī)律基本一致。在降水和蒸散發(fā)等作用下，各處理0～40 cm土層土壤水分動態(tài)變化較劇烈，40～300 cm土層土壤水分動態(tài)變化較平緩。隨土層深度增加，各處理土壤含水量呈先減小后增加趨勢，其中60～140 cm土層的土壤含水量最低，同時，不同處理之間差異逐漸減小。在紫花苜蓿全生育期，2015年4-5月氣溫較低，月均降水量(35.35 mm)較少，植株蒸騰和棵間蒸發(fā)較小，在第1茬紫花苜蓿刈割后，各處理土壤含水量明顯降低，尤其60～140 cm土層；2016年4-5月月均降水量(56.43 mm)較多，較多降水補償土壤水分消耗，在第1茬紫花苜蓿刈割后，各處理土壤含水量降低不明顯。2015和2016年6-7月氣溫較高，植株蒸騰和棵間蒸發(fā)較大，在第2茬紫花苜蓿刈割后，各處理土壤含水量明顯降低。2015年8-10月月均降水量(23.27 mm)和2016年8-10月月均降水量(32.30 mm)較少，氣溫較高，棵間蒸發(fā)較大，植株蒸騰較小，在第3茬紫花苜蓿刈割后，各處理土壤含水量變化不明顯。對3次刈割后各處理土壤含水量求平均值，2015年TFP、MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的0～3.0 m平均土壤含水量分別為9.58%、9.70%、9.87%、10.04%、10.01%、10.40%、10.37%、10.44%、10.67%和10.70%；2016年相同處理的0～3.0 m平均土壤含水量分別為9.52%、9.63%、9.83%、10.03%、10.00%、10.14%、10.53%、9.87%、10.52%和10.80%。對同一覆蓋材料不同壟寬處理的0～3.0 m土壤含水量求均值，得到土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的平均土壤含水量。連續(xù)2年研究結(jié)果顯示，土壤含水量依次排序為塑料膜壟>生物可降解膜壟>土壟>傳統(tǒng)平作，土壤含水量隨集雨壟寬度增加而增加。與傳統(tǒng)平作相比，土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的平均土壤含水量分別提高3.12%、7.22%和9.93%，壟溝集雨種植能提高紫花苜蓿3茬收獲期0～3.0 m土壤含水量。

2015年在紫花苜蓿返青前、第1茬刈割后、第2茬刈割后和第3茬刈割后各處理的0～3.0 m平均土壤含水量分別為11.80%、10.88%、9.84%和9.81%；2016年在紫花苜蓿返青前、第1茬刈割后、第2茬刈割后和第3茬刈割后各處理的0～3.0 m平均土壤含水量分別為10.92%、10.58%、10.21%和9.47%。連續(xù)2年研究結(jié)果顯示，各處理不同時期0～3.0 m平均土壤含水量次序為返青期>第1茬刈割后>第2茬刈割后>第3茬刈割后，2015年為枯水年，2016年為偏枯年，同時，較高氣溫使紫花苜蓿壟溝集雨種植0～3.0 m的平均土壤含水量隨紫花苜蓿生育期和生長年限增加而下降。

圖3 返青前和刈割后土壤剖面含水量Fig.3 Soil water content before post dormant emergency and after cutting

2.2.2土壤貯水量及干旱程度 對2015和2016年壟溝集雨種植紫花苜蓿不同處理土壤貯水量及干旱程度進行分析(圖4)。在2015和2016年紫花苜蓿全生育期，各處理0～1.2 m土層土壤貯水量隨紫花苜蓿生育期延伸而減少。對紫花苜蓿全生育期的土壤貯水量求平均值，2015年TFP、MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的0～1.2 m平均土壤貯水量分別為133.68、140.91、143.13、151.18、145.86、148.82、151.53、148.75、153.29和150.55 mm；2016年相同處理的平均土壤貯水量分別為131.58、139.60、143.46、144.55、142.29、141.62、146.21、142.53、145.88和151.69 mm。隨著紫花苜蓿生育期延伸，各處理土壤干旱程度加劇。2015年，在紫花苜蓿返青前，各處理土壤貯水量處于土壤相對濕度40%～50%，處于中度干旱狀態(tài)；在最后1次刈割后，各處理土壤貯水量處于土壤相對濕度30%～40%，處于重度干旱狀態(tài)。2016年，在紫花苜蓿全生育期，各處理土壤貯水量處于土壤相對濕度30%～40%，處于重度干旱狀態(tài)。

圖4 2015和2016年紫花苜蓿全生育期土壤貯水量和土壤相對濕度變化Fig.4 Dynamics of soil water storage and relative soil moisture during alfalfa growing seasons in 2015 and 2016

在2015和2016年紫花苜蓿全生育期，各處理1.2～3.0 m土層土壤貯水量隨紫花苜蓿生育期延伸而減少。對紫花苜蓿全生育期土壤貯水量求平均值，2015年TFP、MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的1.2～3.0 m平均土壤貯水量分別為262.41、257.20、264.88、268.20、273.45、279.69、282.34、281.59、288.94和290.74 mm；2016年相同處理的平均土壤貯水量分別為252.95、248.17、256.10、262.09、263.15、272.89、277.51、265.25、281.45和282.46 mm。隨著紫花苜蓿生育期延伸，各處理土壤干旱程度加劇。2015年，在紫花苜蓿全生育期，各處理1.2～3.0 m土層土壤處于中度干旱狀態(tài)；2016年，在紫花苜蓿返青前，各處理土壤貯水量處于土壤相對濕度40%～50%，各處理1.2～3.0 m土層土壤處于中度干旱狀態(tài)；在最后1次刈割后，各處理土壤貯水量處于土壤相對濕度30%～40%，各處理1.2～3.0 m土層土壤處于重度干旱狀態(tài)。

紫花苜蓿連續(xù)壟溝集雨種植第4和5年，各處理0～1.2 m的土壤干旱程度重于1.2～3.0 m的土壤干旱程度；在壟溝集雨種植體系中，平作的干旱程度重于壟溝集雨種植處理，土壤干旱程度隨紫花苜蓿生育期和生長年限延伸而加劇。受降水量、大氣溫度、植株蒸騰和土壤蒸發(fā)等因素的交互影響，部分降水緩解土壤干旱程度，尤其是表層土壤的干旱程度，但緩解土壤干旱的時間較短。長期降水不足導(dǎo)致紫花苜蓿消耗大量深層土壤水分，加重土壤干化現(xiàn)象。

2.3 壟溝集雨種植對土壤溫度的影響

2.3.1表層土壤溫度變化特征 在壟溝集雨種植系統(tǒng)中，地表覆蓋和氣候條件的交互作用影響土壤溫度變化(圖5)。從返青期至初夏，壟上和溝中表層(0～25 cm)土壤溫度隨氣溫增加而增加；在夏季和秋季，壟上和溝中表層土壤溫度隨氣溫下降和降水而降低。在紫花苜蓿全生育期，壟上表層土壤溫度明顯高于溝中土壤溫度。不同處理壟上土壤溫度差異明顯，而溝中土壤溫度差異不明顯。2015年TFP、MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的紫花苜蓿全生育期壟上平均土壤溫度分別為15.95、17.77、18.09、18.45、19.54、20.16、20.42、20.33、20.98和20.96 ℃，溝中平均土壤溫度分別為15.95、15.75、15.75、16.16、16.46、16.28、16.39、16.44、16.18和16.23 ℃；2016年相同處理的壟上平均土壤溫度分別為21.17、20.71、21.00、21.65、22.56、23.05、23.57、23.67、24.19和24.73 ℃，溝中平均土壤溫度分別為21.17、19.26、20.17、19.04、20.41、19.51、18.78、19.79、19.38和19.41 ℃。2015年土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的壟上平均土壤溫度分別為18.11、20.04和20.75 ℃，溝中平均土壤溫度分別為15.89、16.38和16.28 ℃；2016年土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的壟上平均土壤溫度分別為21.12、23.06和24.20 ℃，溝中平均土壤溫度分別為19.49、19.56和19.53 ℃。連續(xù)2 年壟上平均土壤溫度排列次序為塑料膜壟>生物可降解膜壟>土壟>傳統(tǒng)平作。與傳統(tǒng)平作相比，2015年MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的壟上平均土壤溫度分別增加1.83、2.15、2.51、3.60、4.22、4.47、4.38、5.03和5.01 ℃；2016年MCS30、MCS45的壟上平均土壤溫度分別減少0.46和0.17 ℃，MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的壟上平均土壤溫度分別增加0.48、1.39、1.89、2.40、2.50、3.02和3.56 ℃。2015年土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的壟上平均土壤溫度分別增加2.16、4.10和4.81 ℃；2016年土壟的壟上平均土壤溫度減少0.05 ℃，生物可降解膜壟和塑料膜壟的壟上平均土壤溫度分別增加1.89和3.03 ℃。

圖5 2015和2016年壟上和溝中土壤溫度及氣溫變化Fig.5 Dynamics of soil temperature and air temperature on ridge tops and at furrow bottoms in 2015 and 2016

2.3.2土壤有效積溫變化特征 對壟溝集雨種植紫花苜蓿不同處理壟上和溝中土壤有效積溫進行分析比較(圖6)。在紫花苜蓿全生育期，不同處理壟上土壤有效積溫差異明顯，而溝中土壤有效積溫差異不明顯，且各處理壟上土壤有效積溫明顯高于溝中。在紫花苜蓿全生育期，2015年TFP、MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的壟上土壤有效積溫分別為2162.88、2544.44、2586.33、2664.11、2868.18、2982.82、3042.10、3035.84、3143.99和3153.85 ℃，溝中土壤有效積溫分別為2162.88、2157.13、2145.90、2222.94、2307.00、2258.70、2268.80、2282.88、2246.41和2234.53 ℃；2016年相同處理的壟上土壤有效積溫分別為2993.76、3073.76、3130.00、3256.99、3425.97、3531.90、3629.70、3636.88、3746.78和3849.63 ℃，溝中土壤有效積溫分別為2993.76、2790.04、2973.40、2758.94、3020.29、2839.95、2702.85、2895.97、2815.19和2830.72 ℃。同一覆蓋材料下，紫花苜蓿全生育期溝中土壤有效積溫隨壟寬增加變化不明顯，而壟上土壤有效積溫隨集雨壟寬度增加而增加。對同一覆蓋材料不同壟寬的壟上土壤有效積溫求平均值，得到土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的壟上土壤有效積溫。2015年塑料膜壟的壟上土壤有效積溫顯著(P<0.05)高于生物可降解膜壟，生物可降解膜壟的壟上土壤有效積溫顯著高于土壟，土壟的壟上土壤有效積溫顯著高于平作；2016年塑料膜壟的壟上土壤有效積溫顯著高于生物可降解膜壟，生物可降解膜壟的壟上土壤有效積溫顯著高于土壟和平作，土壟與平作之間差異不顯著。

圖6 2015和2016年壟上和溝中土壤有效積溫比較Fig.6 Comparison of soil effective accumulated temperature on ridge tops and at furrow bottoms in 2015 and 2016不同小寫字母表示差異顯著 (P<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences (P<0.05).

2.4 壟溝集雨種植對紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率的影響

各處理的凈干草產(chǎn)量大于實際干草產(chǎn)量(表2)。就紫花苜蓿全生育期實際干草產(chǎn)量而言，連續(xù)2年研究結(jié)果顯示，第1茬紫花苜蓿干草產(chǎn)量明顯高于第2和3茬。就紫花苜蓿全生育期而言，與傳統(tǒng)平作相比，2015年MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的實際干草產(chǎn)量分別增加19.94%、9.13%、5.76%、53.20%、41.83%、29.77%、62.69%、54.63%和39.82%；2016年MCS30和MCS60的干草產(chǎn)量分別減少4.39%和1.55%，MCS45、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的實際干草產(chǎn)量分別增加5.47%、11.26%、18.07%、15.18%、19.08%、22.24%和16.93%。同一覆蓋材料下，紫花苜蓿全生育期實際干草產(chǎn)量2015年隨集雨壟寬度增加而減少，2016年隨集雨壟寬度增加先增加后減少。連續(xù)2年結(jié)果顯示，塑料膜壟和生物可降解膜壟的實際干草產(chǎn)量顯著高于土壟和平作，塑料膜壟與生物可降解膜壟之間、平作與土壟之間差異不顯著。

水分利用效率(WUE)反映作物耗水與作物干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系。連續(xù)2年數(shù)據(jù)顯示，壟溝集雨種植能顯著提高紫花苜蓿的WUE(表2)。與傳統(tǒng)平作相比，2015年MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的WUE分別增加20.48、23.55、27.12、22.23、21.80、16.98、24.99、25.24和22.60 kg·hm-2·mm-1，2016年相同處理的WUE分別增加15.41、28.76、32.02、12.47、17.13、18.72、16.99、20.07和18.66 kg·hm-2·mm-1。2015年土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的WUE分別為傳統(tǒng)平作的2.01、1.87和2.04倍；2016年土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的WUE分別為傳統(tǒng)平作的1.79、1.50和1.58倍。連續(xù)2年結(jié)果顯示，塑料膜壟、生物可降解膜壟和土壟的WUE顯著高于平作，塑料膜壟與生物可降解膜壟和土壟之間差異不顯著。

3 討論

在干旱和半干旱區(qū)，稀少和不規(guī)則的降水特征對區(qū)域農(nóng)牧業(yè)發(fā)展具有較大影響，采用壟溝集雨種植技術(shù)能適應(yīng)全球氣候變化和改變作物水分利用模式[22]。壟溝集雨措施將傳統(tǒng)平作改變?yōu)閴艤舷嚅g的地形，壟作為集雨區(qū)，降水在集雨壟面形成徑流，徑流沿壟面匯集于種植區(qū)溝內(nèi)， 增加種植區(qū)溝內(nèi)土壤含水量。紫花苜蓿為多年生深根性豆科牧草，地下根系發(fā)達，在改善生態(tài)環(huán)境、水土保持方面具有天然優(yōu)勢；同時，紫花苜蓿具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性強、分布廣等優(yōu)點，是首選家畜優(yōu)質(zhì)粗飼料，然而，日益加劇的干旱對紫花苜蓿的種植構(gòu)成嚴重威脅。紫花苜蓿蒸散量高于其他作物，而較高蒸散導(dǎo)致深層土壤經(jīng)常處于水分虧缺狀態(tài)，從而產(chǎn)生土壤干層，導(dǎo)致紫花苜蓿植被衰退，干旱程度隨紫花苜蓿生長年限增加而增加[23]。李玉山[24]認為在紫花苜蓿生長連續(xù)種植第3年，土壤

表2 2015和2016年壟溝集雨種植紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率Table 2 Alfalfa forage yield and water use efficiency with ridge-furrow rainwater harvesting in 2015 and 2016

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant differences (P<0.05).

干層主要出現(xiàn)于1.0～2.1 m，在紫花苜蓿連續(xù)生長第6年，土壤干層導(dǎo)致苜蓿種群密度、莖粗和葉面積下降。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)2015和2016年分別屬于枯水年和偏枯年，降水不足和土壤水分累積消耗導(dǎo)致壟溝集雨種植各處理0～3.0 m土層土壤含水量均呈“V”字形分布，表層(0～40 cm)和深層(140～300 cm)土壤含水量較高，中間層(40～140 cm)土壤含水量較低。與傳統(tǒng)平作相比，壟溝集雨種植能提高紫花苜蓿3茬收獲期0～3.0 m土壤含水量。紫花苜蓿壟溝集雨種植0～3.0 m的平均土壤含水量隨紫花苜蓿生育期和生長年限增加而下降。周宏等[25]研究表明，壟溝集雨種植具有高效的集雨性和減少蒸散性，能提高土壤水分潛在恢復(fù)能力，對土壤干旱程度具有一定的緩解效應(yīng)。本研究中，與傳統(tǒng)平作相比，MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的2年紫花苜蓿全生育期0～3.0 m平均土壤貯水量分別增加2.63、13.48、22.70、22.06、31.19、38.49、28.75、44.47和47.41 mm。壟溝集雨種植可減少土壤水分無效蒸發(fā)，增加翌年作物返青前的土壤貯水量和緩解干旱脅迫，具有較好集水保墑和緩解干旱等效果。本研究發(fā)現(xiàn)，壟溝集雨連續(xù)種植第4和5年紫花苜蓿各處理處于干旱脅迫狀態(tài)，隨生育期延伸，各處理的干旱脅迫狀態(tài)加劇，尤其是傳統(tǒng)平作。在降水量少和降水分布不規(guī)律的干旱和半干旱區(qū)，壟溝集雨種植可適當緩解干旱脅迫，但無法徹底解決多年生深根性豆科牧草紫花苜蓿種植的干旱脅迫問題。許多研究表明[26-28]，我國半干旱黃土高原區(qū)土層深厚，紫花苜蓿草地年蒸散量大于年降水量，淺層土壤水分不能滿足植物生長需要，較高蒸散導(dǎo)致土壤干化和土壤干層形成。

在壟溝集雨種植中，壟溝相間地形可降低溝中風速，壟面覆蓋材料可提高日間土壤增溫幅度和減緩夜間土壤降溫幅度，有利于土壤吸收和貯存熱量。同時，土壤積溫對作物生長發(fā)育和干物質(zhì)積累影響較大[29-30]。申麗霞等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米出苗關(guān)鍵期，生物可降解地膜和塑料地膜能顯著提高0～0.1 m土壤積溫，出苗期提前4 d。本試驗發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)2年紫花苜蓿全生育期，壟溝集雨種植對壟上表層土壤溫度影響明顯。與傳統(tǒng)平作相比，土壟、生物可降解膜壟和塑料膜壟的2年壟上平均土壤溫度分別增加1.05、2.99和3.92 ℃，且壟上土壤溫度隨集雨壟寬度增加而增加。侯慧芝等[32]研究發(fā)現(xiàn)，與平作相比，全膜覆蓋壟溝種植和全膜覆蓋壟上微溝種植的馬鈴薯全生育期≥10 ℃土壤有效積溫分別增加482.80～616.00 ℃和401.80～550.00 ℃。本試驗發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)平作相比，MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的2年壟上土壤有效積溫分別增加230.78、279.84、382.23、568.76、679.04、757.58、758.04、867.06和923.42 ℃，壟溝集雨種植未明顯改變紫花苜蓿全生育期溝中土壤有效積溫。在紫花苜蓿全生育期，塑料地膜和生物可降解地膜可阻礙土壤和大氣間的潛熱通量和熱傳導(dǎo)，增加壟上土壤溫度和有效積溫。在紫花苜蓿現(xiàn)蕾期和刈割期，較高植株阻礙太陽輻射，壟上覆蓋材料對壟上土壤溫度和有效積溫的效果隨生育期延伸而減小。在本研究中，溝無覆蓋，作為種植區(qū)，溝中采光面積隨植株生長而減小，壟上覆蓋材料對溝中土壤溫度和有效積溫影響不明顯。

壟溝集雨種植能匯集天然降水和徑流，增加溝中土壤水分入滲深度，減少壟上水分蒸發(fā)損失，提高降水資源利用率和土壤水分有效性，從而促進作物生長發(fā)育[33]。Li 等[34]研究表明，在干旱年份，壟溝集雨種植有利于降水富集和作物生產(chǎn)力維持。本試驗表明，就土地生產(chǎn)力而言，與傳統(tǒng)平作相比，MCS30、MCS45、MCS60、BF30、BF45、BF60、PF30、PF45和PF60的2年實際干草產(chǎn)量分別增加26.27%、50.33%、54.74%、49.12%、71.45%、81.99%、59.40%、78.76%和86.05%，WUE分別增加17.94、26.16、29.57、17.35、19.47、17.85、20.99、22.66和20.63 kg·hm-2·mm-1。在壟溝集雨種植中，土壤水熱條件是影響作物生長發(fā)育的重要因素。壟溝集雨種植改變局部微地形，從而增大土壤比表面積和改變土壤與大氣間的水熱交換，進而改善土壤水熱條件。劉玉華等[35]研究表明，熱量指標影響紫花苜蓿再生性，相對較低溫度有利于紫花苜蓿第2和3茬草產(chǎn)量及全年草產(chǎn)量的提高。本研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)平作相比，壟溝集雨種植增加溝中土壤水分和緩解土壤干旱程度，同時，溝中地溫處于相對較低水平，避免了紫花苜蓿生長中期和后期的高溫脫水等現(xiàn)象。在干旱和半干旱區(qū)，壟溝集雨種植技術(shù)能潛在提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力，后續(xù)有待對多年生深根性豆科牧草紫花苜蓿土壤水熱平衡，尤其根系層土壤干燥化，做進一步深入研究。

4 結(jié)論

在紫花苜蓿連續(xù)種植第4和5年，與傳統(tǒng)平作相比，壟溝集雨種植可提高0～3.0 m土層土壤含水量，依次排序為塑料膜壟>生物可降膜壟>土壟>傳統(tǒng)平作，且土壤含水量隨集雨壟寬度增加而增加；壟溝集雨種植明顯緩解土壤干旱脅迫，但壟溝集雨連續(xù)種植第4和5年紫花苜蓿一直處于干旱脅迫狀態(tài)，隨生育期延伸，各處理干旱脅迫程度加劇，尤其是傳統(tǒng)平作。不同處理之間的溝中土壤溫度差異不明顯，壟上土壤溫度差異明顯，且壟上的土壤溫度隨集雨壟寬度增加而增加；壟溝集雨種植具有調(diào)溫保墑的作用，能提高紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率，今后對多年生深根性豆科牧草紫花苜蓿的根系層土壤干燥化機理需要做進一步研究。