不同耕作措施對枸杞土壤水熱動態、生長及果實產量與品質的影響

王嘉昕，高曉東，趙西寧，周艷清，吳普特

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農林科技大學旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 4.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

土壤水分作為陸地表面與大氣循環中的重要一環，不僅能通過陸面蒸發、地表徑流等直接影響水文循環，也能通過影響植株生長、光合作用等間接影響全球碳循環，在全球能量與水資源循環中扮演著重要角色[1-2]。同時，土壤水分在農業上，尤其是對作物生長、產量、農業灌溉制度制定等方面都具有重要的影響[3]。我國西北地區年降水量少，年際、年內降水量差異大，土壤含水量低是限制其作物產量增長的主要原因[4]。針對這個問題，前人研究提出了多種農藝保護措施如雨水集聚入滲技術[5]、農林復合系統[6]、耕作覆蓋技術[7-9]，但是這些研究主要集中在降雨量在300～800 mm之間的半干旱和半濕潤地區，而針對降雨量在300 mm以下的干旱地區的研究較為缺乏。青海省柴達木盆地是我國重要的內陸河灌溉農業區，其中枸杞是其代表性經濟作物，目前柴達木盆地已經發展成為是全國第二大枸杞主產區，枸杞種植面積超過4.5萬hm2，成為當地農牧業經濟穩步發展、支撐農牧民增收致富的重要支柱產業。但是降水量少、地下水儲量低是青海農業經濟發展必須面對的緊迫問題。根據海西州氣象資料顯示，多年平均降水量僅約為200 mm[10]，無法滿足枸杞作物需水要求。此外，嚴寒、土壤貧瘠也制約著當地農業的發展。研究表明，由于起壟覆蓋措施可以有效地減少土壤蒸發并能通過壟作收集雨水，促進雨水入滲供溝內種植作物吸收，因此被廣泛地應用于半干旱地區[11]。Mo等[8]研究表明，在肯尼亞半干旱農區，壟溝覆膜可以有效提高土壤儲水量，并為作物生長初期提供舒適的土壤溫度，促進作物生長和干物質積累，并提高作物產量和水分利用效率。目前，壟溝覆膜措施已被證明可以有效地提高中國西北半干旱半濕潤地區玉米[12-13]、小麥[14]、苜蓿[15]和馬鈴薯[16]的產量和水分利用效率。但是，壟溝覆膜措施是否能夠運用于西北內陸旱區農地還有待進一步深入研究。此前在青藏高原進行的研究表明[17-18]，平地覆膜可以通過改善土壤水熱條件有效提高牧草產量，但是對于采用壟溝覆膜措施對土壤水熱條件、作物生長及產量的影響少見報道。為此本研究基于當地平地裸土耕種的種植方式，選取平地裸地處理、平地覆膜和壟溝覆膜3種種植方式，探究這3種耕作措施下土壤水分、溫度動態變化過程，并比較不同耕作措施下的枸杞生長、產量以及水分利用效率，以期為干旱內陸河灌區農業發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處柴達木盆地東北部，位于青海省海西州德令哈市的懷頭他拉灌區(96°44′19″E，37°21′35″N，海拔2 869 m),年均日照時數達到3 554 h，總輻射量達到690～733 kJ·cm-2。多年平均降水量約為200 mm，降水主要集中在6—8月份，多年平均氣溫約為4.3℃，年蒸發量約為2 400 mm。試驗地土壤質地為砂礫石土，0～40 cm土壤沙粒含量78%，粘粒、粉粒含量分別占11%和11%，有機質0.34%，總氮、總磷、總鉀含量分別為0.037%、0.051%、2.35%。田間持水量為0.17 g·g-1，容重1.55 g·cm-3。

1.2 試驗布設與觀測

試驗對象為4 a生枸杞，株高約1 m，每年4月初進行枸杞枝條修剪。試驗選取3種耕作方式：(1)壟溝覆蓋地布處理(MR)；(2)平地覆蓋地布處理(MF)；(3)平地裸地處理(CK)。地布覆蓋材料為黑色園藝地布(厚度為0.08 mm)，MF處理直接將地布覆蓋在地表，MR處理將地布覆蓋在壟溝上，MR處理壟高10 cm、寬32 cm，溝寬22 cm。每個處理有3個重復小區，小區面積30 m2(1.5 m×20 m)，枸杞株行距為1 m×1.5 m，采用完全隨機區組設計。所有處理采用統一的地表滴灌方式，一年灌溉6次，每次灌水量約13 mm。2018年試驗測定時段為整個生長季，依據枸杞生長特征，具體劃分4個生育期，分別為：萌芽展葉期(5月28日—6月19日)、開花坐果期(6月20日—7月14日)、果實采摘期(7月15日—9月18日)、休眠期(9月19日—9月28日)。在各生育期內，從每個小區選取3株長勢一致、具有代表性的枸杞植株，計量株高、地徑(距離地表10 cm處株徑)和葉面積指數。分別采用卷尺和游標卡尺測定株高、地徑，葉面積指數采用LAI-2200C冠層分析儀測定；在果實采收期，每個處理隨機選取100顆鮮果，用游標卡尺測量鮮果果徑、果長，之后鮮果樣冷藏送至西北農林科技大學測試中心進行果品測樣。各處理產量由精度為0.1 g的電子天平測定。試驗地氣象數據由微型氣象站實時監測獲得，得到整個生長季降雨量為141.8 mm。通過ECH2O土壤水分測量系統(5TM傳感器+EM50數據采集器，Meter group，USA)對各處理土壤剖面水分溫度動態變化的實時監測，傳感器埋深分別為20、40、60、80、100 cm，監測頻率每小時測定1次。不同處理的棵間日土壤蒸發量由微型蒸滲儀(桶高20 cm、寬12 cm)觀測獲得，微型蒸滲儀置于兩棵樹間無冠層遮蓋的位置，埋深為地表下20 cm處。MF處理下微型蒸滲儀埋在土里后并用原布覆蓋，MR處理下微型蒸滲儀埋在溝內并用原布覆蓋。利用地表蒸滲儀(桶深60 cm、直徑40 cm)觀測各處理的枸杞蒸散發量，枸杞種植于桶內，生長狀況、耕種措施與大田一致。另外，水分利用效率WUE(g·kg-1)計算如下：

WUE=Y/ET

(1)

其中，Y為產量(kg·hm-2)，ET為作物整個生長季的蒸散發量(mm)。

土壤儲水量SWS(mm)計算如下：

SWS=SWC×h

(2)

其中，SWC是土壤體積含水率(%)，h指土層深度(mm)。

土壤累積溫度(℃)計算如下：

(3)

其中，Ad是d深處土層的累積溫度(℃)，n是時間天數，tdi指d深處土層的日平均溫度(℃)。

1.3 統計分析

數據的統計分析使用Microsoft Excel 2013和SPSS 18.0軟件，繪圖使用Origin 8.0軟件，圖表中的數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同耕作覆蓋措施對土壤水分和土壤溫度的影響

圖1為不同處理不同深度土壤水分的日觀測均值。由于雨水和灌溉水補給有限，不同處理的各層土壤含水率整體較低，均在20%以下。20 cm和40 cm淺層土壤在整個生長季動態變異明顯，但60 cm深度及以下土層深度各處理的土壤水分在研究期間差異小，變異程度低，且土壤含水率日觀測值均維持在12%以下(100 cm土層土壤含水率僅約為6%)，表明降水和灌溉水對深層土壤水分的補給有限，同時考慮到試驗地的殘余含水率為5%，我們認為100 cm土層的土壤含水率無法被作物吸收利用，枸杞根系主要吸收利用80 cm以上的淺層土壤水。地布覆蓋處理有效提高了0～100 cm觀測層的土壤含水率，在發生降水/灌溉事件之后，與CK相比MR和MF有效貯存了更多的土壤水分，隨后3個處理的土壤含水率趨于一致，并于之后的降雨事件后再次呈現出差異。由于試驗地處于極端干旱地區，無覆蓋措施的CK地表無效蒸發更加強烈，較MR和MF更難保水。圖2為各處理不同生育期土壤儲水量垂直分布圖，在萌芽展葉期(I)，MR處理計算的土壤儲水量高于MF、CK兩個處理；MR處理10～110 cm土層儲水量與CK相比提高25.8 mm。這可能是由于枸杞剛開始生長時耗水不強烈，而壟溝覆蓋有效提高了土壤的儲水量；而在開花坐果期(II)MR處理與另外兩個處理的儲水量差異縮小；與CK相比，MR處理在10～50 cm土層儲水量提高5.7 mm，50～110 cm提高5.2 mm；MF處理在10～110 cm土層僅比CK提高3.8 mm，這可能是由于壟溝覆蓋地布措施有效促進作物生長，從而根系吸水強烈，進而導致MR更多的土壤水分被消耗。在果實采摘期間(III)MR和CK保持類似的剖面土壤水分變化趨勢，而在70～110 cm土層MR具有更高的儲水量；MF與MR處理儲水量近似，較MR在10～30 cm土層具有更高的儲水量，增加量為4.5 mm。在枸杞休眠期(IV)，地表10～50 cm土層儲水量各處理無明顯差異，但在深層50～110 cm土層地布覆蓋處理下土壤儲水量高于CK處理，表明地布覆蓋和壟溝措施可以有效提高土壤儲水量。在整個生長季，MR和MF處理10～110 cm土壤儲水量較CK分別提高16%和6%。

前人研究認為枸杞的根系活躍層主要集中在0～40 cm[19]，因此本文只分析20 cm和40 cm的日土壤溫度值，其動態變化和積溫情況如圖3所示。不同處理和不同深度土壤溫度呈現單峰變化趨勢，均在7月底和8月初達到峰值，其中20 cm土層可達28℃以上；40 cm土壤溫度略低于20 cm，但是增溫和降溫過程均沒有呈現明顯的滯后現象。相比于平地裸地(CK)，地布覆蓋起到了顯著的增溫作用。在20 cm土層MR處理下的土壤保持較高的土壤溫度，與CK相比整個生長季的累積溫度顯著(P<0.05)提高，達到59 012℃，MF處理次之，達到57 172℃。在40 cm土層，MR處理累積溫度與CK比較仍顯著提高，達57 438℃。整個生長季內0～40 cm土層MR處理比CK提高4 755℃。在干旱高寒農業區，嚴寒是制約作物初期生長的一個重要限制因子，地布覆蓋措施有效地提高作物根區土壤溫度，有利于枸杞根系吸收利用土壤水分和養分，進而促進其生長和提高產量。

2.2 不同耕作覆蓋措施對土壤蒸發和作物蒸騰的影響

不同處理下土壤棵間日蒸發結果如圖4所示。裸地處理日土壤蒸發速率明顯高于地布覆蓋處理，蒸發速率最大值出現在枸杞開花坐果期，達4 mm·d-1。而當枸杞進入開花坐果末期后(7月1號)，各處理日土壤蒸發量開始減少。當發生降水或者灌溉后，土壤日蒸發量顯著增大，然后逐漸降低。整個生長季CK累積蒸發量顯著高于MF和MR處理(P<0.05)，整個生長季MR處理下土壤蒸發量為56.3±3.2 mm，MF處理為62.0±4.1 mm，而CK土壤蒸發量達到93.7±4.7 mm，比MR處理增加40%。然而，整個生長季CK的累積蒸騰量顯著低于MF和MR(P<0.05)(圖5)，這主要是因為由地表蒸滲儀計算的各處理累積蒸散發量接近(CK為189.1±27.6 mm，MF為193.3±22.8 mm，MR為214.7±24.2 mm)，而CK處理接近一半的水分都消耗在了無效土壤蒸發上，導致枸杞根系所能吸收利用的土壤水分有限。

2.3 不同耕作措施對枸杞生長參數的影響

不同處理枸杞生長參數的統計結果如圖6所示。在整個生長季的多次測量中，株高表現均為MR>MF>CK，但不同處理之間均無顯著差異。在枸杞萌芽展葉和開花坐果期間，觀測到各處理株高的快速增長，之后的生長階段各處理下的枸杞株高無明顯變化。此外，在枸杞果實采摘期間，同時觀測到各處理的最大株高、葉面積指數數值，MR處理在整個生長季較另外兩個處理擁有更大的葉面積指數，CK處理最小。表1為不同處理枸杞地徑的觀測結果。在萌芽展葉期，MR處理下的枸杞地徑顯著高于另外兩個處理(P<0.05)。在夏果、秋果采摘初期觀測到MR處理下枸杞地徑顯著高于CK處理(P<0.05)；之后的生長季內，各處理地徑無顯著差異。需要注意的是，在7月末至8月初，夏果采摘后秋果采摘前，出現了枸杞植株收縮的現象，表現為在8月初枸杞株高、葉面積指數以及地徑的觀測值均出現減少。

表1 不同耕作措施下枸杞地徑生長情況

2.4 不同耕作措施對產量、水分利用效率及品質的影響

不同處理下枸杞產量和品質的統計結果如表2所示。可以看出，MR處理枸杞果徑(夏果9.36±0.09 mm，秋果8.65±0.13 mm)、果長(夏果121.40±17.47 mm，秋果339.18±52.41 mm)和單株產量(夏果121.40±17.47 g，秋果339.18±52.41 g)均顯著高于另外兩個處理(P<0.05),其次是MF處理。雖然CK處理枸杞果徑、單株產量在夏果采摘期內均最低，但在秋果采摘期產量卻增長迅猛，甚至單株產量超過MF處理。枸杞總產量MR處理最高，達到1 312.17 kg·hm-2，比CK增加16%，其次是MF處理，達到1 179.9 kg·hm-2。MR和MF處理產量的提高可能與其水分條件改善密切相關。水分利用效率MR>MF>CK，MR較CK水分利用效率提高3%，但是并未觀察到顯著性差異。由表3可知，各處理之間除總酸含量MR顯著高于MF處理外(P<0.05)，不同處理果實Vc含量和總糖含量未發現顯著性差異。

表2 不同耕作措施下的枸杞子產量

表3 不同耕作措施下的枸杞子品質

3 討 論

在干旱半干旱地區，地布覆蓋與壟溝技術相結合的壟溝覆蓋技術，可以通過起壟將雨水集蓄在溝內以顯著提高土壤有效水含量[11,20]。假設壟溝覆蓋系統的保水保溫能力保持不變，在枸杞萌芽展葉階段，MR處理下的枸杞根區土壤儲水量顯著高于另外兩個處理，而差異在枸杞開花坐果和果實采摘期逐漸縮小(圖2)，這可能是由于在營養生長期，MR的土壤溫度高、儲水量大，促進了根系的生長發育，導致耗水量變大，進而縮小了3個處理之間的土壤儲水量差異。如圖6所示，MR處理下的枸杞株高、葉面積指數明顯增加，這會導致更高的水分和養分吸收能力[21-22]。在果實采摘期間，10～30 cm土層同為地布覆蓋措施的MF較MR處理具有更高的儲水量(圖2)，這可能也是由于MR處理枸杞的根系吸水更為強烈，導致土壤水分被更多地消耗，而與MF相比土壤儲水量較低。MF措施雖然可以抑制土壤蒸發，提高淺層土壤含水量，卻沒有壟溝的集蓄入滲功能，無法保持更高的深層土壤儲水量。此外，在整個生長期內各處理土壤儲水量在100 cm深度內保持不變，且僅僅維持在6%左右，接近土壤殘余含水率，表明枸杞根系主要吸水區域未達到地表以下1 m，這與前人研究結果類似[23]；除氣象條件外，淺層根區也可能部分歸因于地表滴灌的灌溉方式或者土壤質地的影響[24]。

Chang[25]研究結果表明，地布覆蓋可以有效提高土壤溫度，這與本研究結果相一致。主要是因為覆蓋層阻礙了土壤和空氣之間的水分交換，從而減少了土壤與空氣之間的潛熱通量交換[26]。特別是本研究試驗場地代表了典型的高山干旱地區，嚴寒是限制作物生長和增產的主要因素之一，秋季溫度的快速下降通常會導致作物的正常成熟受阻。雖然一些研究表明，超過40 d的薄膜覆蓋是不必要的，甚至對作物發育產生不利影響[27]，但此類結果在我們研究的氣象條件下未明顯觀測到，這表明在高寒農業區長期地布覆蓋是一種增溫保墑促進作物生長的有效措施已有研究表明覆蓋措施可以有效減少土壤蒸發，儲存更多的土壤水供植株生長所需[28]，這與本研究觀測到的結果類似(圖4，圖5)。關鍵原因是地布覆蓋可以通過限制土壤和空氣之間的水分交換來有效地抑制由土壤蒸發所造成的水分流失[29]。而對于本研究中發現的MR措施下的蒸發顯著低于MF措施下的蒸發，這可能是由于壟溝促進水分的深層入滲從而減少地表水蒸發[30]。

快速穩定的生長對作物產量很重要[31]。本研究發現，壟溝覆蓋地布條件下的枸杞生長最好，其次是MF，這反映在測量的植株生長參數中(表1)，先前研究也報道了類似的結果[32]。這有兩種可能的解釋：首先，地布覆蓋措施改善了淺層土壤的水熱條件從而促進作物的生長[33]；其次是由于壟溝系統有助于增加深層土壤含水量，進而有利于植物在補充降水或灌溉水很少或沒有時利用深層土壤水生長。本研究還發現，在7月下旬至8月上旬期間，枸杞表現出休眠現象(圖6)，這可能歸因于枸杞的生長生理特性或氣象條件的變化[34-35]。盡管如此，枸杞在MR措施下的收縮現象變化最不明顯，這表明在青藏高原MR措施可以保證作物穩定地生長。

提高產量和水分利用效率是我國西北干旱地區農業研究的主要目標[36]。之前的研究已經證明，覆蓋是提高作物產量和水分利用效率的有效方法[37-38]。這是由于覆蓋可以有效地減少土壤蒸發[29]，以便通過蒸騰保留更多的水用于作物生長[13]。本研究結果表明，未覆蓋地布處理的蒸散發量較低，這與前人研究結果類似[39]。同時，盡管MR和MF處理的蒸散發量高于CK，但蒸發量遠低于CK，這意味著MR和MF有更多的水被分配到植物蒸騰作用。此外，與CK相比，MR和MF處理提高了枸杞子產量，并有效增大枸杞子的果徑和果長。因此，本研究結果可為干旱高寒農業的可持續發展提供技術支撐。

4 結 論

本研究以青藏高原干旱內陸河灌區枸杞為對象，基于高頻率連續定位觀測數據分析了多種耕作覆蓋措施對灌區土壤水熱、蒸散發和作物生長情況開展了研究，發現壟溝覆蓋地布處理表現出良好的增溫保墑作用，與平地裸地種植相比，20 cm和40 cm土層積溫顯著(P<0.05)提高,并使10～110 cm土壤儲水量提高達16%。同時覆蓋措施有效抑制土壤蒸發量，與平地裸地種植相比，壟溝覆蓋措施有效抑制土壤蒸發量40%，這為枸杞開花坐果提供了良好的水熱環境，促進了枸杞果樹的生長和產量的提高，枸杞生長期內觀測到的株高、葉面積指數均大于平地裸地種植，但沒有發現顯著性差異(P<0.05)，枸杞地徑的觀測值在枸杞生長前期顯著高于平地裸地種植(P<0.05)。在7月末至8月初，夏果采摘后秋果采摘前出現了枸杞植株收縮的現象，表現為在8月初，枸杞株高、葉面積指數以及地徑的觀測值均出現減少。壟溝覆蓋地布處理下的枸杞子果徑、果長、單株產量和總產量均優于另外兩個處理，實現了更高的水分利用效率。但是壟溝覆蓋措施對枸杞子Vc含量、總糖含量等果實品質指標無顯著性影響。綜上所述，壟溝覆蓋地布措施不僅適用于半干旱和半濕潤地區，對寒旱區作物實現增產和水分利用效率提高也效果顯著，值得在干旱內陸河灌區進行推廣。