不同灌溉方式對苜蓿土壤水分與灌溉水利用效率的影響

馬明杰,趙經華,李冬民,楊勝春,王克賢,李 池

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院,烏魯木齊 830052;2.克拉瑪依綠城農業開發有限責任公司,新疆克拉瑪依 834000)

0 引 言

【研究意義】水資源短缺嚴重威脅農業的發展[1]。新疆水資源時空分布極不平衡[2, 3]。水資源匱乏影響農牧業生產[4-7]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是高蛋白的豆科飼草作物[8-12]。2020年優質苜蓿新增種植面積超過20×104hm2,主要種植區位于西北干旱半干旱地區[13, 14]。苜蓿耗水量較大,每產出1 g的干物質需水約700～800 g的水[15]。尋求如何節約有限的水資源,提高灌溉水的利用效率,減弱干旱對農牧業的脅迫,對干旱半干旱地區水資源高效利用有重要意義。【前人研究進展】陶雪等[16]研究表明,淺埋滴灌埋深30 cm的土壤含水率高于噴灌、畦灌、無灌水處理的土壤含水率,同時苜蓿株高、莖粗、分枝數和產草量能有效提高,干草產量比噴灌處理提高了10.56%。郭學良等[17]研究表明,淺埋滴灌埋深15 cm相比較噴灌和漫灌不僅能降低雜草危害還能有效增產,且滴灌較噴管的節水率提高了13.3%。彭文棟等[18]通過研究發現,地下滴灌與淺埋式滴灌的苜蓿產量和水分效率均優于噴灌。【本研究切入點】由于苜蓿根系不耐淹,故漫灌在其灌溉中應用較少,噴灌在苜蓿灌溉中應用較為廣泛。噴灌的類型多種多樣,且不同類型噴灌有不同的灌水效果。需研究干旱半干旱條件下苜蓿的灌溉方式。【擬解決的關鍵問題】設置埋深10 cm的淺埋滴灌、滾移式噴灌和指針式噴灌3種灌溉方式的田間試驗,對比研究不同灌溉方式對土壤含水率、苜蓿產量、灌溉水分利用效率和灌溉水生產效益的影響,分析不同灌溉方式對農田土壤含水率和苜蓿生長的影響,為苜蓿的種植選擇科學合理的灌溉方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年在克拉瑪依市農業綜合開發區試驗田進行,(N46°8′,E84°44′),海拔高度304 m左右。多年平均氣溫為8.3℃,日照時數2 711 h,占可照時數的61%,無霜期200 d左右,屬于典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候。年均降水量為109 mm,蒸發量是降水量的26倍,多年平均風速3.4 m/s,多年平均最大凍土深163 cm。試驗地土壤為湖泊干沼土,土壤質地以壤質土為主。地表至地下40 cm平均容重1.33 g/cm3,最大田間持水量32.86%。試驗區深度0～60 cm土壤化學特性:有機質10.86 g/kg、全氮0.43 g/kg、全磷0.88 g/kg、全鉀20.46 g/kg、堿解氮31.56 mg/kg、速效磷6.25 mg/kg、速效鉀104.97 mg/kg、pH值6.93。

農業綜合開發區灌溉用水主要靠管道引水灌溉,每年水庫大約供水1×108m3,灌溉方式采用滴灌、噴灌。2009年灌溉用水量的增加導致開發區約66%的土地地下水位埋深小于4 m,但水位上升速度減小至0.42 m/a。2013年地下水位僅上升了0.02 m,2016年上升至2.6 m。2009年時開發區四周及開發區中心“洼地”地下水位上升量較小,平均為6 m,試驗區近年水位在3～4 m。選用建植6年的“三得利”紫花苜蓿作為試驗品種。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設置3個處理,分別是滾移式噴灌W1(Rolling sprinkler irrigation)、指針式噴灌W2(Pointer sprinkler irrigation)、淺埋滴灌W3(Shallow buried drip irrigation)3個處理,各有3個重復,共9個小區。表1,圖1

表1 不同灌溉方式種植紫花苜蓿試驗設計

圖1 苜蓿種植模式及智墑的布置

苜蓿施肥在第一茬返青期前,采用的施肥量具體為氮肥用量300 kg/hm2,鉀肥用量150 kg/hm2,磷肥用量375 kg/hm2,每茬苜蓿刈割后追施磷酸二銨90 kg/hm2,尿素60 kg/hm2。灌溉水由輸水管道上的水表記錄。在第一茬、第二茬、第三茬期間均采用無人機打藥,主要防治苜蓿葉象甲、苜蓿青蟲、蚜蟲。苜蓿第一茬的時間4月20日～5月31日、第二茬的時間6月1日～7月8日、第三茬時間7月9日～8月9日、第四茬時間8月10日～9月30日。表2

表2 苜蓿灌溉制度

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤含水率

采用北京東方潤澤生態科技股份有限公司生產的智墑。在每個重復苜蓿主根一側布置1根智墑管,每根智墑管的觀測深度為10、20、30、40、50、60、70、80、90和100 cm,每月10日、20日、30日記錄1次。

1.2.2.2 苜蓿收割

各處理小區的上中下部分分別收割2 m2,風干至含水量低于18%時(風干1～2 d,到用手可以將苜蓿干清脆的掰斷時),稱干草重,再取各處理3個重復的平均值并折算出單位面積產量。

1.2.2.3 灌溉水利用效率

各處理苜蓿各茬風干草的產量(kg/hm2)除以各茬灌溉水量(m3)得到灌溉水利用效率。

1.2.2.4 產 量

苜蓿風干草全年產量(kg/hm2)乘以1.60元/kg(該年度苜蓿市場價格)減去苜蓿種植全年投入成本(元/hm2)。

1.2.2.5 苜蓿水分利用效益

苜蓿一年純利潤除以全年生育期灌溉水量(m3)得出水產值(元/m3)。

1.3 數據處理

利用Excel2016軟件進行數據整理、簡單統計分析和Origin2021軟件繪圖,用SPSS25.0軟件進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式土壤水分變化

研究表明,淺埋滴灌顯著高于指針式噴灌和滾移式噴灌處理(P<0.05),表現為淺埋滴灌>指針式噴灌>滾移式噴灌,淺埋滴灌較指針式噴灌和滾移式噴灌處理高出6.96%、8.04%。在地表以下10 cm處淺埋滴灌的土壤含水率與噴灌差異性顯著(P<0.05),指針式噴灌與滾移式噴灌差異性不顯著(P>0.05),表現為淺埋滴灌>滾移式噴灌>指針式噴灌。在地表以下20 cm處淺埋滴灌與2種噴灌差異均顯著(P>0.05),表現為淺埋滴灌>指針式噴灌>滾移式噴灌。表層(0～30 cm)土壤的土壤含水率偏高,主要因為灌溉方式不同導致噴灌地表土壤板結,毛細現象及無效蒸發強烈,淺埋滴灌直接將水輸送至耕作層土壤,減少了地表無效損失。在40～100 cm的土層中淺埋滴灌的土壤含水率均顯著高于指針式噴灌和滾移式噴灌的土壤含水率(P<0.05)。指針式噴灌的土壤含水率略大于滾移式噴灌的土壤含水率,但指針式噴灌的土壤含水率與滾移式噴灌的土壤含水率的差異性并不顯著(P>0.05)。淺埋滴灌、滾移式滴灌、指針式噴灌的土壤含水量曲線呈現單峰變化,峰值大都出現在40～70 cm的土層,與該土層土壤土質有關,0～40 cm為重壤土,40～90 cm為偏沙性的壤土再往下為粘性土。圖2

注:小寫字母表示差異性

2.2 不同灌溉方式對紫花苜蓿產草量的影響

研究表明,淺埋滴灌的全年產量最高,為15 094.10 kg/hm2。較滾移式噴灌、指針式噴灌全年產量具有顯著差異(P<0.05),分別提高了7.15%、6.67%。全年3種灌溉水方式四茬產量的平均值分別占總產量平均值的41.22%、23.41%、18.31%、17.05%各茬次的產量逐漸減小。3種灌溉方式下第一茬苜蓿產量對全年產量貢獻最高,分別占全年產量的41.18%、41.26%、41.22%。第三茬淺埋滴灌與指針式噴灌處理的干草產量相差不大(P>0.05),淺埋滴灌與滾移式噴灌處理、指針式噴灌處理的第一茬、第二茬、第四茬的干草產量均顯著(P<0.05)。第一茬的產量接近全年總產量的一半,注重第一茬苜蓿的田間管理,避免病蟲害等的發生是保證全年產量的關鍵工作。表3

表3 不同處理各茬苜蓿風干草產量變化

2.3 不同灌溉方式對灌溉水利用效率的影響

研究表明,灌溉方式與灌溉水利用效率存在明顯的關系。不同灌溉方式苜蓿的灌溉水利用效率有明顯的變化表現為淺埋滴灌>移式噴灌>指針式噴灌,淺埋滴灌的值最高為2.84 kg/m3,與滾移式噴灌和指針式噴灌的差幅分別為40.59%、41.29%。各種灌溉方式全生育期均表現出相似的規律,后面三茬苜蓿的灌溉水利用效率顯著小于第一茬(P<0.05),四茬的灌溉水利用效率差異不顯著(P>0.05),第一茬的平均灌溉水利用效率表現最高,為2.97 kg/m3,比后三茬平均高出了33.78%、54.68%、44.87%。表4

表4 不同灌溉方式下灌溉水利用效率

2.4 不同灌溉方式對灌溉水生產效益的影響

研究表明,淺埋滴灌與滾移式噴灌、指針式噴灌的水分利用效率分別是2.83、1.98、1.97 kg/m3,分別提高了43.65%、0.5%,差異性顯著(P<0.05)。淺埋滴灌與滾移式噴灌、指針式噴灌的純利潤分別是6 263.56、4 380.55、4 480.70 元/hm2,分別提高了37.86%、34.69%。淺埋滴灌與滾移式噴灌、指針式噴灌差異性顯著(P<0.05),滾移式噴灌與指針式噴灌差異性不顯著(P>0.05)。3種處理單位體積水產值分別為4.64、3.28、3.27元/m3,淺埋滴灌相比較滾移式噴灌和指針式噴灌各提高了41.89%、0.3%。不同灌溉方式下單位體積水產值和單位體積水利潤均是淺埋滴灌最優。表5

表5 不同灌溉方式下的灌溉水利用效率與效益比較

3 討 論

3.1不同的灌溉方式會影響作物的生長發育,是因為可以提高作物產量和灌溉水利用效率以及土壤含水量[12, 19]。試驗研究發現淺埋滴灌的表層土壤含水量高于指針式噴灌和滾移式噴灌,與

郭學良、陶雪等[16, 17]研究結果相似。郭學良等[17]認為噴灌相比較淺埋滴灌更容易使土壤表層板結,試驗地氣候干燥、光照時間長等因素使毛細作用加強,棵間蒸發變大而丟失大量水分導致的。淺埋滴灌是將水直接注入作物根系附近的土壤中,所以大部分水存在被根系吸收利用的可能,當植被覆蓋率高時,只有少部分滲到地表的被蒸發。噴灌灌溉時凌空噴出的水霧會隨風飄散,干燥的氣候也會造成大量的的水汽蒸發,其損失不能忽略[16]。由于埋深10 cm的淺埋滴灌埋深淺,表層土壤的土壤水分含量很高,無效蒸發也很大[18]。土壤含水量呈現單峰變化與張樹振等[20]的研究結果相似。郭學良等[17]研究發現,埋深15 cm的淺埋滴灌的灌溉水量主要集中在10～35 cm的土層中,噴灌灌溉水量主要集中在10～40 cm的土層中。研究表明,埋深10 cm的淺埋滴灌和噴灌的土壤含水量峰值都出現在40～60 cm深度的土壤中。造成灌溉水峰值不同的原因是郭學良等[17]所在試驗地土質為粘土,導致灌溉水的水平擴散大于垂直擴散。彭文棟等[18]研究結果表明,埋深10 cm的淺埋滴灌與噴灌灌溉水主要在40～60 cm,與研究結果一致。淺埋滴灌在保持土壤水分含量方面更優于指針式噴管和滾移式噴灌。在種植苜蓿時優先選擇淺埋滴灌作為灌溉方式。

3.2研究表明,整個生育期不同茬次間灌溉水利用效率有明顯的差異,隨收獲茬數的增加,產量和灌溉水利用效率降低,與張前兵等[21]得出的結論相似。主要原因第三、四茬氣溫降低,日照時間變短導致光合能力減弱,有機物的積累減少,并且收割的茬數對苜蓿的活性也有負面效應。因此,氣候、茬次、灌溉量灌溉方式等條件影響紫花苜蓿水分利用效率[22]。研究表明,第一茬苜蓿的產量占全年產量的41.2%,與張前兵[23]、彭文棟等[18]的研究一致。趙經華[24]、李天琪等[25]研究表明苜蓿產量各茬呈現先曾后減的趨勢,與研究發現存在差異,可能為各茬灌水量的不同,趙經華等[24]的灌溉制度設計為全年同水平每次灌水量一致,李天琪等[25]的灌溉制度設計為第二茬灌溉水為全年灌溉水量的49.46%,試驗淺埋滴灌第一茬灌溉水量占全年灌溉水量的34.37%。其余各茬逐漸降低。研究發現第三茬、第四茬苜蓿平均值分別占總產量平均值的18.31%、17.05%。差異并不顯著,原因是第四茬苜蓿有機物積累的速度更低,但有機物積累的時間比前三茬多一半。淺埋滴灌與兩種噴灌相比,淺埋式滴灌的苜蓿產量和灌溉水利用效率更優,結果與陶雪[26]及Grimes等[27]的研究一致。

4 結 論

淺埋滴灌的土壤平均含水量在試驗期內是最高的,指針式噴灌與滾移式噴灌差異不顯著。淺埋滴灌苜蓿的總產量和灌溉水利用效率最優,總產量較滾移式噴灌和指針式噴灌高出7.14%、6.67%,灌溉水利用效率分別高出43.65%、42.92%。淺埋滴灌單位體積水產值分別高出滾移式噴灌與指針式噴灌41.89%、41.46%。單位體積水利潤分別高出90.47%、84.61%。 淺埋滴灌可以優先作為苜蓿種植的灌溉方式。