杜建民,王占軍,俞鴻千,季 波

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002)

冬灌可有效改善越冬作物越冬期和返青期的土壤溫度和水分條件[1-2]，對多年生牧草生長發(fā)育尤其是第一茬草的生長具有促進(jìn)作用[3]，是北方具有灌溉條件苜蓿草田越冬期常規(guī)的水分管理措施。在傳統(tǒng)漫灌條件下，苜蓿草田冬灌在越冬前深灌一次即可，灌水量多在1 500 m3·hm-2，保證土壤封凍前地表濕潤即可[4]。地下滴灌作為一種新興的高效節(jié)水技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高、降低地表濕度并防止深層滲漏的優(yōu)點(diǎn)[5]，利于作物早熟和越冬并提高產(chǎn)量品質(zhì)[6]，其栽培苜蓿較常規(guī)灌溉增產(chǎn)近40%[7]，在苜蓿飼草生產(chǎn)中得到了推廣應(yīng)用。

目前，關(guān)于苜蓿草田生長季地下滴灌灌溉制度方面已開展了大量研究，仝炳偉等[8]提出了寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)苜蓿地下滴灌灌溉制度，張松等[9]對內(nèi)蒙古毛烏素沙地苜蓿地下滴灌布設(shè)及灌溉關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究并提出優(yōu)化灌溉制度，但非生長季苜蓿草田越冬期土壤水分變化及冬灌適宜灌水量研究較少。孫洪仁等[10]和許翠平等[11]利用Penman-Monteith公式根據(jù)多年氣象數(shù)據(jù)分別推求了阿魯科爾沁旗及北京地區(qū)苜蓿冬灌量；姚江華[12]對不同灌水和覆蓋時(shí)間對苜蓿越冬率及田間溫、濕度影響進(jìn)行研究，但就冬灌引起農(nóng)田水熱變化和適宜冬灌量方面未做探討。本研究以寧夏農(nóng)墾茂盛草業(yè)有限公司地下滴灌苜蓿為試材，進(jìn)行冬灌灌水量調(diào)控試驗(yàn)，以越冬期土壤水熱變化和返青期苜蓿越冬率、分枝數(shù)等生長指標(biāo)及第一茬草產(chǎn)量的監(jiān)測為依據(jù)，對地下滴灌灌水方式下苜蓿冬灌適宜灌水量進(jìn)行評價(jià)，以期為指導(dǎo)大田冬灌提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在寧夏農(nóng)墾茂盛草業(yè)有限公司試驗(yàn)地開展，地處賀蘭山東麓，屬賀蘭山?jīng)_積扇平原，地理位置38°30′～38°39′N，105°32′～106°9′E，海拔1 108～1 405 m，溫帶大陸性氣候，干旱少雨，日照充足，年均氣溫8.5℃，年均日照時(shí)數(shù)3 000 h，多年平均降雨量150～202 mm，無霜期150 d左右[13-14]。試驗(yàn)地土壤類型為淡灰鈣土，0～20 cm土層土壤主要理化性狀為：pH8.73，全鹽1.25 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)12.81 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全氮0.61 g·kg-1，堿解氮22.44 mg·kg-1，速效磷49.45 mg·kg-1，速效鉀80.18 mg·kg-1，1 m土層土壤田間持水量25.83%(體積含量)，1 m土層土壤容重1.47 g·cm-3，試驗(yàn)地地下水埋深2.8 m，一般年份凍土層深度在60 cm左右，凍土層最深達(dá)到88 cm[15-16]。具備灌溉條件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年苜蓿冬灌時(shí)開展，采取單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)4個(gè)冬灌灌水量處理，分別為600 m3·hm-2(處理T1)、900 m3·hm-2(處理T2)、1 200 m3·hm-2(處理T3)，以傳統(tǒng)漫灌冬灌量1 500 m3·hm-2為對照(CK)，3次重復(fù)。供試苜蓿為皇冠，3 a生,2015年機(jī)械條播，各處理在種植前完成地下滴灌的田間布設(shè)，采用內(nèi)鑲貼片式滴灌管(內(nèi)徑16 mm，壁厚0.6 mm，滴頭間距30 cm，額定流量1.6 L·h-1，額定工作壓力0.1 MPa)，滴灌管布設(shè)間距60 cm，埋深15 cm，小區(qū)面積6 m×10 m=60 m2，各小區(qū)四周留1 m寬隔離帶并埋設(shè)1.6 m深防滲膜，各小區(qū)安裝水表單獨(dú)計(jì)量灌水量。于2017年11月14日開始冬灌，為避免單次灌水量過大造成田間積水，各處理灌水3次間隔2 d，各處理單次灌水量為設(shè)計(jì)量的1/3，至11月20日冬灌結(jié)束。2018年苜蓿返青后各處理生產(chǎn)管理同常規(guī)。

1.3 調(diào)查指標(biāo)及方法

1.3.1 越冬率 在苜蓿草田2017年第4茬收獲后新植株生長出5 cm左右，在各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)選取并固定3個(gè)1 m2樣點(diǎn)，調(diào)查各樣點(diǎn)內(nèi)成活的苜蓿植株數(shù)；于2018年4月8日苜蓿返青期結(jié)束(株高≥5 cm)時(shí)，在各小區(qū)固定樣點(diǎn)內(nèi)調(diào)查成活的苜蓿株數(shù)。越冬率[17]按下式計(jì)算：

越冬率(%)=返青后樣方內(nèi)成活株數(shù)/上年度樣方內(nèi)成活株數(shù)×100

1.3.2 土壤含水量測定及貯水量計(jì)算 于2017年11月20日冬灌結(jié)束后2 d(11月22日)和2018年春季土壤解凍(0～100 cm土層土壤日均溫≥0℃)后的3月9日、3月19日、3月29日和4月8日用土鉆對各處理0～100 cm(以20 cm為1層)土層取樣，采用烘干法計(jì)算土壤水分質(zhì)量百分含量，并按下式計(jì)算各土層土壤貯水量：

Wi=Wi質(zhì)×pi×hi×150×0.667

式中,Wi為第i層土壤貯水量(m3·hm-2)；Wi質(zhì)為第i層土壤質(zhì)量含水量(%)；pi為第i層土壤容重，取值見表1；hi為第i層土層厚度(m)。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深2.8 m以下，按照《灌溉試驗(yàn)規(guī)范SL13-2015》[18],地下水埋深大于2.5 m時(shí)地下水補(bǔ)給可忽略不計(jì)。

表1 試驗(yàn)地各土層土壤容重/(g·cm-3)

1.3.3 氣溫及土壤溫度測定 試驗(yàn)地氣溫采用Adcon-Ws自動(dòng)氣象站對距地面2 m處氣溫進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)收集步長為30 min，取其日均值進(jìn)行分析；土壤溫度采用EM50數(shù)據(jù)采集器連接5TE傳感器進(jìn)行自動(dòng)測量，數(shù)據(jù)收集步長為30 min，5TE傳感器于2017年11月冬灌前埋設(shè)于各處理土壤10、30、50、70 cm和90 cm土層處，取各土層各時(shí)間點(diǎn)地溫平均值作為當(dāng)日0～100 cm土層地溫平均值進(jìn)行分析。

1.3.4 測產(chǎn) 于2018年第一茬苜蓿初花期的5月26日，在各處理小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取1 m2樣方進(jìn)行人工刈割，重復(fù)3次，留茬高度5 cm左右，刈割后立即進(jìn)行鮮樣稱重，取500 g左右鮮樣風(fēng)干測干草產(chǎn)量，計(jì)算干鮮比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用隸屬函數(shù)法對試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價(jià)，與返青期苜蓿生長呈正相關(guān)的越冬率、一級分枝數(shù)、返青期耗水量和第一茬草產(chǎn)量用公式(1)計(jì)算隸屬函數(shù)值，與返青期苜蓿生長呈負(fù)相關(guān)的越冬期耗水量用公式(2)計(jì)算。隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式為：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，R(Xi)為第i處理某項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xi為第i處理某項(xiàng)指標(biāo)測定值，Xmin和Xmax分別為各處理某項(xiàng)指標(biāo)的最小值和最大值。

利用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2007進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冬灌量對苜蓿草田越冬期和返青期地溫的影響

由圖1知，試驗(yàn)地2 m處日均氣溫在2017年11月22日至2018年4月8日觀測的138 d內(nèi)，呈先下降后上升的過程，自11月22日冬灌結(jié)束后雖有波動(dòng)但整體呈逐步下降趨勢，至觀測的第68天(2018年1月28日)日均氣溫達(dá)最低值-16.95℃，后逐漸回升，至觀測的第86天(2018年2月15日)日均氣溫達(dá)-0.03℃后2 m處日均氣溫均高于0℃。

從各處理0～100 cm土層平均地溫的變化來看(圖1、表2)，自11月22日冬灌結(jié)束至11月26日，受不同灌水量影響，各處理平均地溫下降程度不同，且隨灌水量增加降幅增大；而自11月27日開始，隨灌水量增加各處理平均地溫降幅變小，以CK平均地溫下降最為緩慢，灌水量最低的T1處理平均地溫下降最快，在12月12日T1處理0～100 cm土層平均地溫降至-0.41℃，最先進(jìn)入凍融期，而T2、T3及CK進(jìn)入凍融期時(shí)間不同程度有所延遲。在本試驗(yàn)冬灌灌水量條件下，各處理凍融期歷時(shí)隨灌水量的增加而縮短，其中T3和CK均歷時(shí)6 d，低于其它各處理。進(jìn)入凍結(jié)期，各處理平均地溫差異極小，隨灌水量的增加0～100 cm土層平均地溫略有升高，隨冬灌量的增加凍結(jié)期歷時(shí)縮短，在觀測76 d(2月5日)后，受氣溫升高的影響各處理平均地溫逐漸增加，至2月26日CK凍結(jié)期結(jié)束，歷時(shí)51 d，3月2日T2和T3處理凍結(jié)期結(jié)束，分別歷時(shí)63 d和61 d，T1在3月6日凍結(jié)期結(jié)束，歷時(shí)67 d。受3月份氣溫回升較快影響，地溫上升較快，各處理隨冬灌量增加消融期歷時(shí)增加，但消融末期逐步提前。

圖1 試驗(yàn)地2 m處氣溫及各處理0～100 cm土層地溫變化(2017-11-22—2018-04-08)Fig.1 Change of average soil temperature in 0～100 cm underground and air temperature at 2 m

表2 苜蓿草田越冬期各處理0～100 cm土層凍融狀況

進(jìn)入返青期(3月9日—4月8日)，冬灌量最低的T1處理0～100 cm土層地溫平均值波動(dòng)大于其它各處理，而冬灌量最多的CK處理0～100 cm土層地溫平均值在相同時(shí)間點(diǎn)均低于T2和T3處理，T2和T3處理間土壤溫度曲線幾乎重合。

2.2 不同冬灌量對苜蓿草田越冬期和返青期土壤貯水量變化的影響

由表3知，冬灌結(jié)束后，各處理0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水量與灌前相比，T1增加580.94 m3·hm-2，T2增加855.97 m3·hm-2，T3增加1 144.23 m3·hm-2，CK增加1 498.68 m3·hm-2，分別占其冬灌量的96.82%、95.11%、95.35%和99.91%，各處理冬灌水下滲深度隨冬灌量增加而逐步增加，但均未下滲到100 cm以下土層。

苜蓿草田自冬灌后至翌年春季3月9日土壤消融結(jié)束的越冬期內(nèi)，各處理受土壤熱量狀況不同而引發(fā)凍融期、凍結(jié)期和消融期歷時(shí)差異，表層土壤水分蒸發(fā)及深層土壤水分運(yùn)移不同，導(dǎo)致各處理隨冬灌量的增加0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水消耗量逐步增加，其中T1在此階段的耗水量為53.70 m3·hm-2，T2為102.95 m3·hm-2，T3為301.5 m3·hm-2，CK為469.16 m3·hm-2，分別占其冬灌量600、900、1 200 m3·hm-2和1 500 m3·hm-2的8.95%、11.44%、25.13%和31.28%；同時(shí)，在苜蓿草田越冬期內(nèi)，各處理0～60 cm土層內(nèi)土壤貯水均為下降狀態(tài)，且以40～60 cm土層耗水量最高，而在60～100 cm土層內(nèi)土壤貯水變化表現(xiàn)不一，T1和T2貯水量增加，但增幅隨冬灌量增加而下降，T3和CK貯水量下降，且隨冬灌量增加降幅增大。

在3月9日土壤消融期結(jié)束至4月8日的苜蓿返青期內(nèi)，T1 在0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水量呈先下降后上升過程，在3月29日達(dá)最低值1 606.12 m3·hm-2，而T2、T3和CK在0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水量呈下降、上升再下降的3段式變化過程，在3月29日0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水量分別達(dá)到苜蓿返青期內(nèi)最高值；各處理0～20 cm土層內(nèi)土壤貯水量變化趨勢相同，均呈先下降后上升再下降的過程，而20～100 cm土層土壤貯水量變化不一。整體來看，各處理在苜蓿返青期始末，0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水量均呈消耗狀態(tài)，其中T1耗水量為212.87 m3·hm-2，T2為248.55 m3·hm-2，T3為186.78 m3·hm-2，CK為145.60 m3·hm-2，分別占其冬灌量的35.48%、27.62%、15.57%和9.71%，在返青期結(jié)束時(shí)，各處理0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水量隨冬灌量增加而增大。

表3 各處理苜蓿冬灌至返青期0～100 cm土層土壤貯水狀況

在苜蓿草田冬灌結(jié)束至苜蓿返青的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，各處理0～100 cm土層貯水量在相同時(shí)間點(diǎn)均隨冬灌量的增加而增加，但土壤水分消耗量也隨冬灌量的增加而增加，其中T1耗水量為266.56 m3·hm-2，T2為351.51 m3·hm-2，T3為488.28 m3·hm-2，CK為614.77 m3·hm-2，分別占其冬灌量的44.43%、39.06%、40.69%和40.98%。

2.3 不同冬灌量處理對苜蓿返青及第一茬干草產(chǎn)量的影響

由表4知，各處理苜蓿越冬率為CK>T3>T2>T1，以CK的93.3%±3.1%為最高值，與其它各處理差異達(dá)顯著水平，以T1處理的87.3%±3.0%為最低值，T1與T2處理間差異不顯著。各處理隨冬灌量的增加苜蓿越冬率逐步增加且呈線性相關(guān)，其回歸方程為y=2.04x+84.95,決定系數(shù)R2=0.984，如圖2所示。

圖2 越冬率與冬灌量的相關(guān)性分析Fig.2 Relativity between overwintering rate and winter irrigation amount

各處理一級分枝數(shù)隨冬灌量的增加呈先增加后下降的趨勢，見表4，以T2處理的7.62±0.28個(gè)·株-1分枝數(shù)最高，CK處理的7.28±0.76個(gè)·株-1為最低值，但各處理間分枝數(shù)差異達(dá)不到顯著水平。不同冬灌量對苜蓿第一茬干草產(chǎn)量影響較大，試驗(yàn)各處理第一茬干草產(chǎn)量大小為：CK>T3>T2>T1，以CK的9061.65±187.5 kg·hm-2為最高值，與T3處理的產(chǎn)量8 741.25±146.7 kg·hm-2間差異不顯著，但與T2和T1處理間產(chǎn)量差異達(dá)顯著水平，以T1處理的7 303.35±153.15 kg·hm-2為最低值，且與其它各處理間差異達(dá)顯著水平。對冬灌量與第一茬干草產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析，其回歸方程為y=-0.002x2+6.94x+4065,決定系數(shù)R2=0.97,見圖3，表明在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，隨冬灌量的增加第一茬干草產(chǎn)量逐步增加，按照方程預(yù)測，在冬灌量為1 735 m3·hm-2時(shí)，第一茬干草理論產(chǎn)量達(dá)最高值10 085.45 kg·hm-2。

表4 不同冬灌量對苜蓿返青及第一茬草產(chǎn)量的影響

注：不同字母表示各處理在0.05水平下差異顯著。

Note: Different letters indicate significant difference among different treatments at 0.05 level.

圖3 冬灌量與第一茬干草產(chǎn)量回歸分析Fig.3 Regression analysis relativity between hay yields of first stubble and winter irrigation amount

2.4 不同冬灌灌水量對苜蓿返青及第一茬草產(chǎn)量影響的綜合評價(jià)

如表5所示，各處理隸屬函數(shù)平均值排列順序?yàn)椋篢2>T3>T1>CK，以T2的0.756為最高值，說明冬灌灌水量900 m3·hm-2為最優(yōu)處理，有利于苜蓿草田越冬和返青生長，提高冬灌灌溉水利用效率。

表5 不同冬灌量處理苜蓿越冬、返青及第一茬草生長狀況隸屬函數(shù)值

3 討 論

冬灌是北方季節(jié)性凍融地區(qū)提高苜蓿越冬率和緩解春旱、促進(jìn)幼苗生長發(fā)育的主要農(nóng)業(yè)措施之一。在冬灌后凍融期土壤水熱的運(yùn)移變化是非常復(fù)雜的[19]。本研究表明，在冬灌結(jié)束土壤水熱狀況經(jīng)過短暫平衡后，受氣溫大幅下降的影響，各處理土壤溫度逐漸下降，由于水分熱容量大于土壤[20]，導(dǎo)致灌水量多的處理地溫下降緩慢，凍結(jié)期出現(xiàn)的時(shí)間隨灌水量的增加而出現(xiàn)遲滯，這與劉姍姍[21]的研究結(jié)論相同；在進(jìn)入凍結(jié)期后，冰的出現(xiàn)使土壤導(dǎo)熱能力提升[22]，各處理0～100 cm土層平均溫度隨灌水量的增加而升高，致使隨灌水量的增加凍結(jié)期縮短，灌水量最高的處理凍結(jié)期歷時(shí)51 d，比灌水量最低的處理凍結(jié)期縮短16 d，這與曹鷺[23]研究認(rèn)為土壤溫度隨灌水量的增加在凍結(jié)階段升高且凍結(jié)期縮短的結(jié)論相一致；而在消融期隨灌水量增加土壤溫度增加趨緩，這與劉秀位等[24]的研究結(jié)論相一致，但消融期結(jié)束時(shí)間隨灌水量增加而提前。

在土壤水分變化方面，本研究認(rèn)為苜蓿越冬期土壤水分消耗量隨冬灌量的增加而增加，在冬灌后至凍融末期，0～100 cm土層土壤平均溫度≥0℃，土壤水分在溫度梯度和重力作用下不斷蒸發(fā)和向下擴(kuò)散，隨冬灌量增加各處理土壤溫度下降趨緩而使得凍結(jié)期出現(xiàn)推遲，導(dǎo)致0～100 cm土層土壤貯水消耗量同冬灌量呈正比；進(jìn)入凍結(jié)期后，氣溫低蒸發(fā)弱，土壤水分的耗損很小,這與劉帥等[25]的研究結(jié)論相一致；進(jìn)入消融期，土壤溫度的升高和消融期持續(xù)時(shí)間長短均與灌水量呈正相關(guān)，土壤自上而下逐漸解凍，土壤水由固相變?yōu)橐合?，下滲水分受未解凍土層截留而滯留在凍結(jié)帶鋒面上方[26]，致使土壤墑情增加[27]，土壤水分通過蒸發(fā)逐漸消耗，且消耗量隨冬灌量增加而增加。在整個(gè)越冬期內(nèi)，各處理在0～60cm土層內(nèi)土壤貯水均為消耗狀態(tài)，且以0～20 cm土層耗水量最高[28]。在苜蓿返青期土壤水分變化方面的研究少見報(bào)道。

在苜蓿冬灌適宜灌水量方面，本研究通過隸屬函數(shù)法對不同灌水量下苜蓿越冬及返青生長狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，確定了900 m3·hm-2為試驗(yàn)區(qū)苜蓿草田的最優(yōu)冬灌量，這與孫洪仁等[10]和許翠平等[11]利用Penman-Montieth公式推求的阿魯科爾沁旗及北京地區(qū)苜蓿冬灌量分別為990 m3·hm-2和850 m3·hm-2的結(jié)論略有差異，可能是由試驗(yàn)區(qū)域土壤持水狀況或氣象環(huán)境條件不同造成的。

4 結(jié) 論

1)在地下滴灌灌溉條件下，苜蓿草田不同冬灌灌水量對0～100 cm土層土壤水熱狀況影響差異明顯，冬灌后，各處理隨灌水量的增加土壤溫度下降趨緩，凍融期出現(xiàn)推遲且歷時(shí)變短；在凍結(jié)期，0～100 cm土層平均溫度隨灌水量的增加而略有降低，導(dǎo)致隨灌水量的增加凍結(jié)期縮短；消融期歷時(shí)較短，各處理相差在1～4 d之間，且隨冬灌量增加消融期逐步提前。

2)在苜蓿越冬期內(nèi)，隨冬灌量的增加各處理0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水消耗量逐步增加，T1為53.70 m3·hm-2，T2為102.95 m3·hm-2，T3為301.50 m3·hm-2，CK為469.16 m3·hm-2，分別占其冬灌量的8.95%、11.44%、25.13%和31.28%，各處理在0～60 cm土層內(nèi)土壤貯水均呈消耗狀態(tài)，且以40～60 cm土層耗水量最高；在苜蓿返青期內(nèi)，各處理0～100 cm土層內(nèi)土壤貯水消耗量T1為212.87 m3·hm-2，T2為248.55 m3·hm-2，T3為186.78 m3·hm-2，CK為145.60 m3·hm-2，分別占其冬灌量的35.48%、27.62%、15.57%和9.71%。

3)在本試驗(yàn)條件下，越冬率和第一茬草產(chǎn)量與冬灌量呈正相關(guān)關(guān)系，一級分枝數(shù)則隨冬灌量的增加呈先增加后下降的趨勢，以T2的7.62±0.28個(gè)·株-1分枝數(shù)為最高值，但各處理間差異未達(dá)到顯著水平。采用隸屬函數(shù)法對不同冬灌灌水量下苜蓿草田越冬率、一級分枝數(shù)、第一茬草產(chǎn)量、越冬期和返青期耗水量進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果表明在寧夏灌區(qū)苜蓿草田地下滴灌冬灌灌水量為900 m3·hm-2時(shí)，最有利于提高冬灌灌溉水利用效率和改善苜蓿草田越冬、返青狀況。