垄作沟播喷灌对油葵土壤水热调控及高效利用机理

丁 林，王福霞，吴 婕，王文娟

（1.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

油葵出油率高、适应性强、经济价值高、油质好，是一种高产健康的油料作物，在石羊河流域民勤绿洲种植较为普遍，年种植面积均在4 000 hm2以上［1，2］。该区域油葵现状种植模式以覆膜地面畦灌为主，灌溉定额在3 600～4 500 m3∕hm2之间［3］。近年来由于水资源供需矛盾突出，有限的水资源不能满足社会经济的快速发展，滴灌、喷灌、垄膜沟灌等高效节水技术逐渐在油葵种植中被推广应用。垄作沟播喷灌技术正是在这一背景下由科研人员借鉴旱作农业区垄作沟播栽培技术，结合灌溉农业区的特点及喷灌技术优点提出来的一项高效节水栽培技术［4］。由于该技术改善了土壤水、肥、气、热等状况［5，6］，可使灌溉水和降水集中入渗于作物根部，随种植膜孔入渗［7，8］，提高了土壤蓄水、保墒能力［9-11］，使有限水分被作物充分利用，实现了促进作物生长，提高了作物产量及水分利用效率的目的［12，13］。该技术已在部分井灌区的棉花、葵花、茴香等作物上推广应用，节水增产效果明显。本文作者及其合作者在棉花、食葵、茴香、油葵等作物上对垄作沟播喷灌技术参数与效益等开展了大量研究，主要针对作物耗水及灌溉制度［14］、生长特征与产量［15］、灌溉水分配与利用［16］、根系生长特征［17］等方面，已取得了一定的研究成果。但垄作沟播喷灌技术对水热利用的调控与高效利用等方面尚未开展深入研究，本研究针上述问题，结合油葵种植与垄作沟播喷灌技术的特点，在民勤绿洲采用大田垄作沟播喷灌种植（非复播）方式开展工作，从垄作沟播喷灌对土壤水热调控，油葵干物质积累与分配、产量与水分利用效率、水热高效利用效应等方面研究垄作沟播喷灌对油葵土壤水热的调控及高效利用机理，提出节水高产模式，以期为井灌区油葵水热高效利用与高质量生产提供理论基础，并促进垄作沟播喷灌技术的科学发展与推广应用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020年4月-2021年9月连续两年在甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站（甘肃省灌溉试验中心站）进行。试验区属典型的大陆性荒漠气候，地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界地带。区内气候干燥，风沙多，降水稀少，蒸发量大。多年平均气温7.8 ℃，平均湿度45%，平均降水110 mm，平均蒸发量2 644 mm。试验区土质0～60 cm 为黏壤土，60 cm 以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54 g∕cm3，孔隙率42.8%，pH值7.96，灌溉水为地下水，埋深30 m，矿化度0.91 g∕L。

1.2 试验设计

试验以油葵（品种为“矮大头”）为研究作物，以不同灌水定额各设4 个处理，以常规覆膜喷灌为对照，各小区随机布置，每个处理重复3 次，共计15 个试验小区。试验区垄沟规格依据双垄沟播机而定，为大小垄，大垄宽70 cm，小垄宽40 cm，沟深15 cm，作物种植行距与垄沟规格一致，均为大小行，大行距70 cm，小行距40 cm。种植时用双垄沟播机完成起垄覆膜，种子播在垄沟内，株距20 cm，每穴1～2 粒，理论保苗7.50～8.25 万株∕hm2（图1）。田间喷灌工程为半固定式喷灌，喷头流量为1.0 m3∕h，射程为6.5 m，工作压力0.25 MPa，喷头采用正方形布置方式，每个小区面积6.5 m×6.5 m。对照处理（CK）为覆膜平作喷灌，膜宽145 cm，种植规格为一膜3 行，行距45 cm，株距25 cm，每穴1～2 粒，理论保苗7.30～8.00 万株∕hm2。2020年各处理种植时间为4月25日、灌水时间为4月26日、6月7日、6月29日、7月18日、7月29日，收获时间为8月20日；2021年各处理种植时间为4月18日、灌水时间为4月26日、6月6日、6月25日、7月14日、7月26日，收获时间为8月12日。两年试验期间各处理底肥、追肥均一致，分别为底肥施氮肥450 kg∕hm2（尿素，46%N），磷肥300 kg∕hm2（磷二铵，16%P2O5）。在油葵开花期、灌浆期随水追肥2 次，每次施氮肥300kg∕hm2（尿素，46%N）。试验灌水定额设计参考试验区土壤及当地油葵灌溉制度，修正后根据垄作沟播特点设定，各处理冬季储水灌溉定额均为120 mm，垄沟处理生育期灌水定额分别为24 mm（T1）、30 mm（T2）、36 mm（T3）、42 mm（T4），对照处理灌水定额42 mm（CK），灌水次数均为5次，灌水时间分别为播种后、现蕾期、开花期、灌浆期、成熟期。2020年油葵生育期降水量为75.2 mm，其中4-6月12.3 mm，7-8月62.9 mm；2021 油葵生育期降水量为64.2 mm，其中4-6月14.8 mm，7-8月49.4 mm。

图1 双垄沟播喷灌垄沟模式及栽培示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of ridge-furrow spraying and irrigation mode and cultivation

1.3 测定指标与方法

表1 油葵垄作沟播喷灌灌溉参数设计Tab.1 Irrigation parameter design of furrow seeding and spray irrigation with oil sunflower

灌水量：采用管道输水，每个试验小区用独立闸阀及水表控制灌溉，灌水量由水表精确量测，水表测量精度为0.01 m3。

喷灌系统压力：采用变频设备控制灌水管道系统压力，采用恒压供水模式，压力设定为0.25 MPa。

土壤含水率：用HD2 测定土壤体积含水率，测定总深度为100 cm，每20 cm 为一层测定，每个处理分别在距离喷头4 m 处的垄顶和垄沟内埋设测管，每隔5～8 d 测定一次，降水及灌水前后加测，重复3次。

地温：利用地温计测定，分别在每个处理各安置1 套地温计，共观测5 个层次地温（5、10、15、20 和25 cm）。从油葵播种开始到收获每天进行观测。观测时间分别为8∶00、12∶00 和18∶00。

作物产量及水分利用效率：收获期每小区随机选2点，每点取样5～10株，将两个点的样品合成一个样，进行考种；按各小区单收计算产量。水分利用效率指油葵每消耗单位水量生产籽粒产量的量（kg∕m3）的比值。

种植效益与净产值：记录各处理生产资料、水电、劳务、机械、作物收购价等数据（数据均为2020年、2021年实际市场调研价格结合试验区各项材料用量和价格后确定），计算油葵产出与种植投入之差。

气象资料：通过PC-3 全自动气象站（辽宁锦州阳光气象科技有限公司）观测记载降水、蒸发、温度、湿度、辐射、风速、风向等气象因素。

1.4 数据分析及处理方法

用Excel2016 进行数据处理和制图，用DPS（v18.10）统计软件做方差分析，采用了LSD多重比较方法。

2 结果与分析

2.1 油葵不同位置土壤水分变化动态

由图2、3可以看出沟底和垄面土壤含水率的变化趋势与灌水频率一致，每次灌水后都会出现峰值，由于沟内入渗水分较多，沟内含水率峰值变化较陡。灌水前后含水率数值最大相差值出现在播种后，由于无作物覆盖，最大的T4 灌水前后含水率相差为2020年的5.91%，最小相差值出现在开花期，此阶段作物生长茂盛，最小的T1灌水前后含水率相差为2020年的1.6%。各处理垄面含水率变化与沟内相比较为平缓，每次灌水后都会出现峰值，但峰值都不大，均小于沟内含水率峰值，说明垄面渗入水分较少，灌水前后含水率数值最大相差为2021年T4 的3.99%，最小相差为2020年T1 的1.3%。虽然CK 处理灌水定额与T4 处理一样，但CK 处理在各生育阶段含水率均低于T4 处理，主要与种植方式有关，CK 处理为平作喷灌，不是全膜覆盖，增大了棵间蒸发。各处理峰值的大小与灌水定额大小呈线性关系，从整个生育期来说，含水率峰值的大小一直都在降低，说明土壤中原有的水分在油葵生育期被不断利用，且灌水量越小的处理利用量越多，其中在播种后到一水前下降更为明显，说明原有土壤水分（冬季储水）在这一阶段被大量利用。

图2 油葵全生育期沟内土壤含水率变化过程Fig.2 Variation process of soil moisture content in ditches during the whole growth period of oil sunflower

2.2 油葵不同土壤深度温度变化动态

通过连续观测试验区0～25 cm土层温度变化可知（图4），虽然在同一天内土壤温度随时间变化呈现出低-高-低的单峰变化规律，但整个油葵生育期土壤温度变化与气温及灌水有较为明显的关系。随着灌水的实施，土壤温度变化较大，灌前地温较高，灌后地温下降，随着水分消耗地温又缓慢上升，灌水定额较小的处理地温相对较高，主要是由于外界环境对土壤温度影响较大，而土壤缺水对温度起不到调控作用。就不同深度而言，全生育期不同深度地温变化趋势均一致，只是5、10 cm 处地温变化波动较为强烈，15～25 cm处较为平缓，且5、10 cm处地温峰值均高于15、20 和25 cm 处，主要是上层土壤温度受大气温度及土壤水分影响较大，而下层土壤温度受大气温度影响较小，而受土壤水分的影响较大。就整个生育期而言，虽然0～25 cm 深度的土壤温度自油葵播种后开始到7月下旬因气温变化有个别突变的现象，但总体都表现出上升的趋势，这是由于自油葵播种后开始到7月下旬气温总体呈持续上升趋势。各处理全生育期土壤温度变化趋势均一致，但灌水量大的处理地温相对较低，主要是由于灌水量大，土壤湿度就大，导致地温较低。CK 及T1 处理相比其他垄作沟播处理土壤温度变化幅度大，而T3、T4处理由于灌水后水分叠加利用及保墒效果良好等因素影响，对地温起到了一定调控作用，其数值变化较为平缓。总体来看，在垄作沟播喷灌油葵生育期适宜灌水定额可有效调控地温，使地温条件适宜作物生长并减少水分无效蒸发，对土壤水热的调控及利用较为有效，能提高水热利用效率，对油葵产量形成及稳产高产有一定促进作用。

图3 油葵全生育期垄面土壤含水率变化过程Fig.3 Change process of soil moisture content on ridge surface during the whole growth period of oil sunflower

图4 油葵全生育期不同时段0～25 cm土层温度变化过程Fig.4 Temperature changes in 0～25 cm soil layer at different periods during the whole growth period of oil sunflower

2.3 油葵干物质积累与分配特征

作物生长过程中光合产物的累积量及其在不同器官中的合理分配是作物经济产品形成的重要基础，也是探索、筛选和评价高效节水灌溉技术的重要依据。由图5可知各处理在苗期-拔节期主要以叶片生长为主，叶干物质占比较高，两年均在45%以上，其中T3处理2021年达到了51.21%；开花期叶干物质占比有所下降，而茎干物质占比有所升高，但茎、叶干物质仍占绝大部分，茎干物质占比均在37%以上，部分处理已超过44%，叶干物质占比均在28%以上，两者占总干物质的65%以上；灌浆期叶干物质占比继续下降，而盘干物质占比有所升高，茎、叶、盘干物质占总干物质的89%以上，其中茎干物质占比均在33%以上，叶干物质占比均在23%以上，盘干物质占比均在27%以上；成熟期叶干物质占比继续下降，均降到了20%以下，而盘干物质占比继续升高，占比均超过了40%，茎、盘干物质占总干物质的72%以上，其中茎干物质占比均在35%以内，盘干物质占比均在40%以上。就根干物质占比来说，在整个生育期变化较为平缓，均在20%以下，且随油葵生长其占比逐渐下降。

图5 油葵不同生育期各部分干物质占总干物质的比例Fig.5 Proportion of dry matter of different parts in total dry matter at different growth stages of oil sunflower

各处理不同生育期干物质积累方差分析见表2，由表2可知T3、T4 处理在两年试验期各生育期干物质积累量均较大，2020年前两个生育期与CK、T1、T2 均有极显著差异，在后两个生育期与T1、T2 均有极显著差异；2021年T3、T4 处理各生育期均与T1、T2 均有极显著差异，上述表现一定程度上与灌水定额有关系，同时可以看出，虽然T3 处理灌水定额小于CK 和T4，但其干物质积累量并不小，甚至超过了CK 和T4，说明T3 处理对水有限水分的利用效率较高，进而提高了干物质积累效率，结合干物质在各个器官的分配特点，对产量的提高起到了积极作用

表2 油葵不同生育期干物质积累情况g∕m2Tab.2 Dry matter accumulation in different growth stages of oil sunflower

2.4 油葵产量特征与水分利用效率

油葵各处理产量及产量构成要素、水分利用效率等见表3所示。可得出灌水定额大小与种植方式对产量有决定作用。垄沟处理4 个灌水定额条件下两年产量最高的均为T3 处理，两年分别为8 213.5 和8 389.3 kg∕hm2，其次为T4 处理，其中2020年T3、T4 处理与CK 及其他垄沟处理均有及显著差异；2021年T3 处理与其他处理均有及显著差异。就产量构成因素而言，T3、T4处理两年盘干重、百粒重均较大，与其余处理有极显著差异；T3处理单盘籽粒重均在较高值，与T1、T2处理差异极显著，但与T4 和CK 处理差异不明显。在相同灌水定额条件下（T4 与CK），垄沟处理灌溉水利用率较高，其单盘籽粒数较多，籽粒较重，百粒重较大，在出苗率无明显差异的条件下，产量相对较高。由于各处理在生育过程中气候条件一致，因此各处理耗水量及水分利用率与生育期灌溉定额有直接关系，灌溉定额大，耗水量相对较多，水分利用率相对较低。但相同灌溉定额下，垄沟处理对水分利用效率有很大影响，如CK 处理两年水分利用率分别为2.35 kg∕m3和2.38 kg∕m3，而垄沟处理水分利用效率均在2.5 kg∕m3以上，较CK 处理2020年提高0.18～0.34 kg∕m3，2021年提高0.16～0.54 kg∕m3，两年间垄沟处理水分利用效率与CK 均有及显著差异，由此可得垄作沟播喷灌处理大大提高了水分利用效率。通过对油葵生产成本及效益的估算，从净产值来看，T3 处理两年均为最高，分别为20 704.2 元∕hm2和21 407.2元∕hm2，2020年与T4 处理无差异，与其余处理有极显著差异，2021年与其他处理均有极显著差异，且T3 处理两年净产值较CK 处理分别提高6.7%和10.2%。由此可见，油葵采用垄作沟播喷灌技术，可以在一定程度上抑制土壤蒸发量，减少灌水定额，充分利用灌溉水，在实际油葵种植生产中可采取垄作沟播喷灌技术，建议采用灌水定额36 mm，灌水频率依据气候条件保持在3～5次为宜，这样不仅可节约有限水资源，还可有效调控地温地温，提高水分利用效率，达到节水、增效的目的。

表3 油葵产量与水分利用效率Tab.3 Oil sunflower yield and water use efficiency

3 结论与讨论

3.1 讨 论

本研究借鉴旱作农业区的垄作沟播集雨技术与灌溉农业区喷灌技术的特点，在已有研究基础上开展垄作沟播喷灌技术对土壤水热的调控与高效利用研究，与已有研究中减少灌水量、提高作物产量，促进灌溉水量合理分配与利用等方面的研究结论是相同的［15，16］。在节水灌溉技术调控土壤水热状况，提高水热利用效率、促进干物质积累分配方面的研究结论与膜下滴灌油葵与甜菜［18，19］、交替隔沟灌甜椒［20］、秸秆覆盖冬小麦［21］、膜上灌春小麦［22］、麦秸塑膜覆合覆盖玉米［23］等作物上的研究结论是一致的。但由于试验在民勤红崖山灌区开展，受气候、土壤性质、作物品种等影响，研究结论有一定局限性，相关的指标与推荐定额不能完全应用于类似地区及类似作物，但总体适用条件及变化趋势不变，对类似地区开展垄作沟播喷灌技术推广应用、水管理部门制定灌水定额、配水计划等均有一定的指导意义。另外由于仪器设备及数据测定分析手段的局限性，部分数据收集频率不够，影响了部分数据及结论的准确性。因此在后续研究中，还应采取更为先进的方法及设备对土壤水热、作物指标开展精确量测，使研究结论更符合实际，有利于推广应用。

3.2 结 论

本文通过研究垄作沟播喷灌条件下土壤水分与温度变化特征，油葵干物质积累与分配、产量与水分利用等指标，探讨了垄作沟播喷灌对土壤水热的调控与高效利用机理与效应，对研究垄作沟播喷灌条件下油葵水热高效利用及提高产量与效益有一定指导意义。相关结论如下：①垄作沟播处理沟内入渗水分较多，含水率峰值变化较陡，在油葵生育期可减少棵间蒸发，充分利用土壤中的冬季灌溉储水量和有限的灌溉水资源，提高了水分利用效率。②垄作沟播处理土壤温度变化较CK 处理幅度较小，尤其T3、T4处理地温变化较为平缓，说明在垄作沟播油葵生育期适宜地温条件可减少水分无效蒸发，对土壤水热的调控较为有效，能提高水热利用效率，对油葵产量形成有一定促进作用。③虽然油葵各生育阶段不同器官干物质占比无明显规律，但总干物质积累量在各处理间差异明显，以致各处理盘干物质积累量也有明显差异，在成熟期，T3、T4处理干物质积累量均高于其他垄沟处理和CK 处理，在提高总体光合产物的同时提高了经济产品的积累量，达到了高产高效的目的。④垄作沟播处理可提高油葵产量，在适宜灌水定额（T3）条件下，油葵产量较CK 分别高6.1%和8.3%，水分利用效率较CK 分别提高0.18～0.34 和0.16～0.54 kg∕m3，T3 处理两年净产值均为最高，分别为20 704.2和21 407.2元∕hm2，较CK分别提高6.7%和10.2%。⑤油葵采用垄作沟播喷灌技术，可以在一定程度上抑制土壤蒸发量，减少灌水定额，充分利用灌溉水，在实际油葵种植生产中可采取垄作沟播喷灌技术，灌水定额以36 mm 为宜，灌溉频率依据气候选择3～5次为宜，该技术在降水介于250～500 mm的北方井灌区较为实用。