黄土高原苜蓿及后茬作物土壤水分恢复效应及蒸散特征

时间：2024-07-28

宋丽萍，牛伊宁，罗珠珠，聂军，李腾飞，李玲玲

（1. 甘肃省干旱生境作物学国家重点实验室 / 甘肃农业大学，甘肃兰州 730070；2. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070）

蒸散是土壤蒸发和植物蒸腾向大气输送水汽的总称，影响植物的生长发育，是土壤-植物-大气连续体系中水分循环的重要过程。土壤蒸发是维持土壤热量和水分平衡的重要途径，不仅受到气温、湿度、太阳辐射等外在因素的影响，还受到土壤质地、含水量、导水率等土壤性质的影响。蒸腾是植物对水分吸收、运输的主要动力，能够促进植物体对矿物质的吸收，降低植物体和叶片的温度，有利于光合作用中CO2的积累。因此，对土壤蒸发以及作物耗水特性等的研究，是明确如何提高作物水分利用效率的重要工作[1]。

黄土高原丘陵沟壑区水土流失严重，当地传统的农业生产系统和过度耕作是导致水土流失的最主要原因，加之降水变率大，对化肥需求量逐年增加，形成了高投入、低产出、农业系统稳定性差的局面[2-5]。紫花苜蓿(Medicago sativa)具有高产、优质、蛋白质丰富的饲草生产性能，以及耐寒、抗旱、截流和保土的生态适应性[6]，从而成为黄土高原丘陵沟壑区首选的家畜牧草品种之一。但紫花苜蓿为多年生、深根系植物，具有强蒸散、高耗水特性。连续种植多年后，由于土壤水分过度消耗，深层土壤水分不能得到及时的补充，形成土壤干层，土壤水分生态环境恶化，对后茬作物的生长产生很大的影响[7-8]。因此，建立适宜的草田种植系统对合理利用土地资源，实现农牧业的可持续发展和提高农业生态系统生产力具有重要意义[9]。研究发现，将苜蓿引入农田作物种植体系可以改良土壤、增加肥力、改善土壤质量[10-12]，比单一种植粮食作物可获得更高的生态效益和经济效益[13]。苜蓿与作物组成的种植系统还可有效提高土壤氮素的利用效率，恢复苜蓿干土层水分[14-15]。

本研究在黄土高原丘陵沟壑区的苜蓿地布设田间试验，通过对草田种植体系作物的产量表现和耗水特性，以及土壤水分变化的研究，以期为该区苜蓿草地的可持续利用和建立适宜的粮草种植模式提供实践和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市安定区李家堡镇麻子川村。试验区属中温带半干旱区，平均海拔为2 000 m，年均太阳辐射为592.9 kJ·cm-2，日照时数为 2 476.6 h，年均气温为6.4 ℃，≥ 0 ℃ 年积温为 2 933.5 ℃·d，≥ 10 ℃ 年积温为 2 239.1 ℃·d；无霜期为 140 d，年均降水量为 390.9 mm(图1)，年蒸发量为 1 531 mm，干燥度为2.53，为典型的雨养农业区。土壤为典型的黄绵土，土质疏松，土层深厚。0-200 cm土壤平均容重为1.17 g·cm-3，凋萎含水率为7.3%，饱和含水率为 21.9%；pH 8.36, 土壤有机质含量为 12.0 g·kg-1, 全氮含量为 0.76 g·kg-1, 全磷含量为 1.77 g·kg-1，全钾含量为18.3 g·kg-1。试验地多年平均降水量和试验期间的年降水量以及逐月的分布情况如图1所示。

图1 试验地2012-2015年降水量及多年平均降水量变化Figure 1 Average monthly rainfall from 2012 to 2015 and long-term mean at the experimental sites

1.2 试验设计

本试验依托2003年建植的苜蓿地，于2012年春季翻耕后开始休闲或种植作物。供试作物分别为苜蓿、春小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、马铃薯(Solanum tuberosum)和谷子(Setaria italica)。试验共设置6个处理(表1)，采用随机区组排列，3 次重复，小区面积 3.0 m × 7.0 m。2013-2015 年春季播种前一次性施入底肥，其中苜蓿-小麦、苜蓿-马铃薯、苜蓿-谷子处理均施纯 N 105 kg·hm-2，苜蓿-玉米处理施纯 N 200 kg·hm-2；各处理均施纯P2O5105 kg·hm-2。玉米种植采用当地常用的全膜双垄沟播技术，其他作物采用常规大田种植方式。具体处理如表1所列。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分

试验地的水分共测定11个土层，分别为0-5、5-10、10-30、30-50、50-80、80-110、110-140、140-170、170-200、200-250和 250-300 cm，其中0-10 cm用烘干法测定，10 cm以下土层用土壤剖面水分速测仪(TRIME-T3C，德国)每隔15 d测定一次。

1.3.2 棵间蒸发量

棵间蒸发量(E)采用自制的微型蒸发器在作物生长期测定。微型蒸发器选用壁厚4 mm、内径11 cm、高15 cm的PVC管制作，每个小区中央的作物种植行间放置1个。蒸发器内的土壤取田间的原状土，每2～3 d更换1次，使其与大田的土壤水分保持一致，放置时使蒸发器的顶部与地面平齐，下雨后加测。每天08:00称重，根据前后2 d称重的差值除以蒸发器的体积计算日蒸发量。土壤棵间月累计蒸发量用日平均蒸发量计算。

1.3.3 作物产量

苜蓿分别在每年7月和10月中旬刈割，去边行，按照每个小区两次刈割的干草总产量，分别计算苜蓿的产量；

小麦、玉米、马铃薯和谷子分别在作物成熟后收获，除去边行，每个小区分别收割，分别计算作物籽粒、马铃薯块茎的干物质产量。

1.3.4 作物生育期耗水量和水分利用效率

式中：WU是作物生育期耗水量(mm)，P是作物生育期内降水量(mm)，Sh和Ss分别是作物收获后和播种前0-300 cm土层的土壤贮水量(mm)。

表1 试验处理描述Table 1 Treatments and their descriptions

式中：WUE表示作物的水分利用效率；Y是作物的经济产量(kg·hm-2)，苜蓿用干草产量，马铃薯用块茎的干物质产量；WU是作物生育期耗水量(mm)。

1.4 数据处理

以6种苜蓿-作物种植模式作为固定因子(Fix factor)，区组作为随机因子 (Random factor)，用SPSS18.0软件对作物生育期棵间蒸发量(E)、耗水量(WU)和水分利用效率(WUE)进行差异显著性分析 (P＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 苜蓿连作及轮作处理土壤水分空间特征及恢复效果

2012年播种前(4月19日)和收获后(10月2日)，以及2015年10月作物收获后不同种植处理0-300 cm土层水分垂直变化规律如图2所示。可以看出，苜蓿经过9年的生长，2012年4月苜蓿地土壤水分在0-300 cm土层均低于土壤稳定湿度(SSM)[16]，甚至在175 cm以下土层低于作物有效水分下限(CLL)[16]，土壤干燥化严重。经过3年的作物种植后，至2015年收获期，相对于土壤下层，上层土壤的水分恢复效果较好。0-50 cm的土壤水分由于受土壤蒸发和降水的影响，变化较剧烈，无明显规律性，而50 cm以下土层土壤水分变化较稳定，其中，苜蓿连作处理(L-L)的土壤水分仍然低于土壤稳定湿度。相比苜蓿连作(L-L)处理，其他处理0-300 cm土层的土壤含水量均不同程度的由上至下逐渐恢复，且均高于或者接近土壤稳定湿度，土壤干层的水分得到改善。在0-300 cm土层中，苜蓿-休闲(L-F)、苜蓿-小麦(L-W)、苜蓿-玉米(L-C)、苜蓿-马铃薯(L-P)、苜蓿-谷子(L-M)处理的平均含水量分别比苜蓿连作处理(L-L)处理增加了34.9%、18.4%、19.0%、25.3%、16.4%。苜蓿-休闲处理(L-F)土壤干层水分的恢复效果最佳，其次为苜蓿-马铃薯(L-P)，而苜蓿-谷子处理(L-M)的水分恢复效果不明显。

2.2 苜蓿连作及轮作处理的田间水分蒸散特性

2015年不同处理的棵间日蒸发量变化状况如图3所示。作物生育前期(4-5月份)群体较小，各处理之间日蒸发量差异较大；作物生育中期(6-8月份)棵间日蒸发量变化明显，除苜蓿-玉米(L-C)处理外，不同处理在6月27日、7月21日、8月6日及8月17日左右都蒸发较多；作物生育后期(9月份)除苜蓿-休闲(L-F)处理蒸发仍较强烈外，其他各处理间差异不明显。

图2 不同处理土壤水分空间分布Figure 2 Soil moisture distribution under different treatments

图3 2015 年不同处理作物棵间蒸发日变化量Figure 3 Daily variation of soil evaporation under different treatments in 2015

不同处理下的棵间月累积蒸发量如图4所示，可以看出，各处理之间由于作物生育期的不同，在7月份达到峰值；其中苜蓿-休闲(L-F)处理在整个生育期内的蒸发量都是最高，苜蓿-玉米(L-C)处理在4、9月份的蒸发量和苜蓿-马铃薯(L-P)处理相当外，其他月份均为最低。

图4 2015年不同处理下土壤棵间月累积蒸发量Figure 4 Monthly variation of accumulated soil evaporation under different treatments in 2015

不同处理的总蒸发量表现为苜蓿-休闲(L-F) ＞苜蓿-谷子 (L-M) ＞苜蓿-马铃薯 (L-P) ＞苜蓿-小麦(L-W) ＞苜蓿连作 (L-L) ＞苜蓿-玉米 (L-C)处理，蒸发量在 50～239 mm(图5)。苜蓿-休闲 (L-F)处理总蒸发量最大，显著高于其他处理(P＜ 0.05)，而苜蓿-玉米(L-C)处理的蒸发量显著低于其他处理。与苜蓿连作(L-L)处理相比，苜蓿-休闲(L-F)、苜蓿-马铃薯(L-P)和苜蓿-谷子(L-M)处理的土壤蒸发量分别增加了153.0%、38.0%和54.1%，差异显著；而苜蓿-玉米(L-C)处理显著减少了51.1%的土壤蒸发量。此外，不同处理作物全生育期的总蒸发量占耗水量的比例(E/WU)不同，其中苜蓿-休闲(L-F)处理高达91.3%，苜蓿连作(L-L)和苜蓿-小麦(L-W)处理在30.0%～45.0%，苜蓿-玉米(L-C)处理为17.4%。总蒸发量占耗水量的比例总体表现与总蒸发量表现一致。

图5 2015年不同处理作物生育期总蒸发量(E)和蒸发量与耗水量的比率(E/WU)Figure 5 Soil evaporation (E) and the ratio of evaporation to crop water use (E/WU) under different treatments in 2015

2.3 不同种植模式下作物产量表现及水分利用效率

在连续种植9 a苜蓿后轮作种植粮食作物，不同处理的耗水量(WU)及WUE变化规律不同(表2)。2013年各处理的耗水量表现为苜蓿连作(L-L) ＞苜蓿-谷子 (L-M) ＞苜蓿-玉米 (L-C) ＞苜蓿-马铃薯(L-P) ＞苜蓿-休闲 (L-F) ＞苜蓿-小麦 (L-W)处理，苜蓿连作(L-L)的耗水量显著高于苜蓿-小麦(L-W)处理 (P＜ 0.05)；WUE 表现为苜蓿-马铃薯(L-P) ＞苜蓿连作 (L-L) ＞苜蓿-玉米 (L-C) ＞苜蓿-谷子 (L-M) ＞苜蓿-小麦 (L-W)处理。2014 年，苜蓿-小麦(L-W)处理的耗水量显著低于其他各处理，而其他处理之间差异不显著(P＞ 0.05)；WUE表现为苜蓿连作 (L-L) ＞苜蓿-马铃薯 (L-P) ＞苜蓿-玉米 (L-C) ＞苜蓿-小麦 (L-W) ＞苜蓿-谷子 (L-M)；在2015年，苜蓿连作(L-L)和苜蓿-玉米(L-P)处理的耗水量显著高于苜蓿-小麦(L-W)处理，其他处理之间差异不显著；苜蓿连作(L-L)、苜蓿-玉米(L-P)和苜蓿-马铃薯(L-P) 处理之间的WUE差异不显著，但是他们的WUE值都显著高于苜蓿-小麦(L-W)和苜蓿-谷子(L-M)处理。

表2 不同处理下作物的水分消耗量和水分利用效率Table 2 Water use amount and water use efficiency (WUE) of crops under different treatments

从种植的作物来看，苜蓿、玉米和谷子的耗水量较高，小麦的耗水量最低；苜蓿、马铃薯和玉米的水分利用效率高，而小麦和谷子的水分利用效率相对较低。综合来看，在降水量较少的年份，相对于苜蓿连作，种植马铃薯的水分利用效率较高，而种植小麦虽耗水量较少，但水分利用效率较低。

3 讨论

有研究表明，种植苜蓿后轮作种植其他作物，可以提高后茬作物产量，比其他茬口增产30.0%以上[17]。在山西西南地区，苜蓿和其他作物轮作可提高后茬小麦产量30.0%左右；在陕西关中地区，苜蓿后茬对小麦的增产幅度为30.0～50.0%[18]。韩丽娜[19]对轮作油菜(Brassica napus)和冬小麦的研究结果表明，和苜蓿轮作可以提高后茬作物的产量和水分利用效率，两年的试验结果均表现为轮作苜蓿后，作物的水分利用效率较常规农田增加。毛桂莲等[20]研究结果显示，与苜蓿连作的水分利用效率相比，轮作1 年玉米和高粱(Sorghum bicolor)的水分利用率分别增加了1.14和1.09倍，产量分别增加了0.98和1.08倍。这主要是因为苜蓿耕翻后，留在土壤中的大量苜蓿根系改善了土壤结构；另一方面，苜蓿根瘤的固氮作用增加了苜蓿组织的氮含量，留在土壤中的苜蓿根系及其残留物分解后，也促使农田土壤氮的含量和有效性显著增加[21-22]。因此，在农业系统中引入苜蓿等豆科作物，可以提高作物的产量，增加农业系统的稳定性。

黄土高原旱作农业区水资源有限，降水分布变率大，选择合适的作物种类尤其重要。本研究种植的作物中，水分利用效率以及耗水量均是玉米、马铃薯较高，小麦最低，处理间差异显著。这可能是因为玉米和马铃薯的生长期为4月底到10月初，与该地区的雨季同期，水分充足，有利于作物的生长发育。小麦生长期为3月底到8月初，生育前期降水不足，影响小麦的出苗率，导致产量降低。综合水分利用效率和作物产量来看，种植玉米、马铃薯效果较好，这与前人研究结果具有相似之处[23-24]。

种植耗水量低的作物或者进行低耗水的处理对土壤水分的恢复有着极为重要的作用，可以通过增加作物的蒸腾作用以及降低土壤水分的蒸发量来提高作物的水分利用效率。在本研究中，各作物处理的耗水量表现为苜蓿-玉米(L-C) ＞苜蓿-谷子 (L-M) ＞苜蓿-马铃薯 (L-P) ＞苜蓿-休闲 (L-F) ＞苜蓿-小麦(L-W)，种植玉米的耗水量最高，种植小麦的最低。从不同处理下的土壤水分蒸发量来看，种植玉米明显降低了土壤的棵间蒸发，通过蒸发散失的水分比例也最小，可见苜蓿-玉米的种植模式能有效抑制土壤蒸发，促进作物的蒸腾耗水。这是因为本研究中，玉米的栽培方式采用的是当地推广的全膜双垄沟播技术，该技术具有较好的蓄水保墒、增产增效的作用，从而提高了玉米的水分利用效率[25]。

有研究认为，种植苜蓿会更多地利用40-68 mm土层的水分[26]。随着苜蓿种植年限的延长，苜蓿过度利用深层土壤的水分，会出现明显的土壤干层[27-28]。罗珠珠等[29]研究结果表明，紫花苜蓿持续种植3年后，土壤表现为严重干燥，之后表现为强烈干燥和极度干燥。刘忠民和山伦[16]认为，紫花苜蓿生长4年就应该进行轮作以恢复土壤水分。韩丽娜[19]研究表明，合理的草田轮作方式能够缓解苜蓿草地的水分过耗状况，使土壤的水分得到恢复。因此，适时和合理的苜蓿草地轮作对恢复土壤水分具有重要意义。本研究表明，休闲或者与粮食作物轮作3年后，农田0-300 cm土层的平均含水量比苜蓿连作处理增加了18.4%～34.9%，土壤水分由上至下均不同程度的得到恢复，且逐渐高于或者接近土壤稳定湿度，土壤干层水分明显改善。另一方面，土壤干层的水分恢复是一个缓慢的过程，完全达到土壤稳定湿度更是需要经过数十年的时间[30-31]。本研究中苜蓿轮作种植作物的时间仅有3年的时间，0-300 cm的土壤水分已经得到了不同程度的恢复，土壤水分完全恢复的状况还有待进一步研究。