丁 林，王福霞，吴 婕

(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)

垄作沟播喷灌技术是近几年科研人员在实践中提出的一项新型节水栽培技术。它结合了垄作沟播栽培技术与喷灌技术的特点[1-2]，主要应用于降水量250～500 mm的地区。该技术可改善作物生长环境，提高作物水分利用效率及产量[3-5]，非常适合井灌区管道灌溉系统。以往对垄作沟播技术的研究大多集中在旱作农业区，主要研究内容集中在垄沟种植对作物产量、水分利用效率、作物生理生态、土壤性质、土壤微生物等方面的影响[6-12]，研究作物涉及玉米、小麦、马铃薯、牧草、南瓜等。关于农艺及灌溉措施对农田小气候的影响研究大多集中在地膜覆盖、灌溉与秸秆覆盖、喷灌、膜下滴灌、施肥等对农田小气候的影响及作物水分利用等方面[13-20]。关于作物垄作沟播条件下光合特性的研究大多集中在旱地耕作条件下以及不同覆膜方式、水分胁迫对光合特性的影响[21-24]。然而，关于垄作沟播喷灌条件下农田小气候变化及光合特性的研究较少。喷灌条件下农田小气候与光合特性的改善是提高作物产量和水分利用效率的主要原因之一。笔者根据大田试验资料，研究全膜垄作沟播喷灌对农田小气候的影响及油葵光合特性变化，以期从机理方面揭示农田小气候及光合特性与作物产量及水分利用效率之间的关系，为农田高效用水提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况试验于2020年4月至2021年9月在甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站进行。试验区地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界地带，属于典型的大陆性荒漠气候。研究区气候干燥，光照充足，降水量少，蒸发量大，多风沙。多年平均气温7.8 ℃，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm。试验区土质0～60 cm为黏壤土，大于60 cm逐渐由黏壤土变为砂壤土，土壤平均容重为1.54 g/cm3，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，不同灌水定额各设置4个处理，以常规覆膜喷灌为对照(CK)，每个处理重复3次，共15个试验小区，各小区随机布置。试验区垄沟规格为大小垄，大垄宽70 cm，小垄宽40 cm，沟深15 cm，用双垄沟播机完成起垄覆膜。种子播在垄沟内，行距与垄沟规格一致，大行距70 cm，小行距40 cm，每穴1～2粒，株距20 cm，每穴留苗1株，对照处理一膜三行，膜宽1.45 m，行距45 cm，株距30 cm。田间喷灌方式为半固定式喷灌，喷头采用正方形布置，喷头流量为1.0 m3/h，射程6.5 m，工作压强0.25 MPa，每个小区面积6.5 m×6.5 m。各处理施肥及农艺措施均保持一致。试验小区冬季储水灌溉定额120 mm，2年各处理生育期灌水定额分别为25 mm(T1)、30 mm(T2)、36 mm(T3)、42 mm(T4)，对照(CK)处理灌水定额42 mm，灌水次数均为5次。

1.3 测定指标与方法

1.3.1农田小气候观测。通过PC-8便携式气象站(锦州阳光气象科技有限公司)测定温度、湿度、风速、降水等气象因素，小气候站安装在T3处理所在试验小区，采用太阳能供电，自动观测记录数据，观测时间间隔为每30 min 1次。

1.3.2作物冠层温度测定。使用红外测温仪分别在10：00和16：00测定油葵冠层温度，每个处理选择作物上、中、下3处叶片观测，重复3次。

1.3.3光合特性测定。使用ECA-PB0402(北京益康农科技发展有限公司)在作物不同生育期10：00和16：00测定光合速率、蒸腾速率；在每个生育期灌水后选定其中一天从09：00到19：00每隔2 h测定1次光合特性，分析其全天变化。

1.3.4气象资料观测。通过安装在距离试验区约50 m处气象观测场的 TRM-ZS2 全自动气象站(锦州阳光气象科技有限公司)观测并记录温度、湿度、降水量、蒸发量、风速、风向、日照时数、辐射量等气象因素，数据观测时间间隔为每30 min 1次。

1.4 数据统计与分析使用Excel 2016软件进行数据处理和制图，使用DPS 6.05统计软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 喷灌对环境温度的影响通过对2020年试验区油葵生育期农田小气候站与试验观测场气象站逐月环境温度(图1)对比发现，小气候站环境温度变化趋势与试验区外气象站一致，该试验条件下由于灌溉原因，小气候站环境温度较气象站均有不同程度降低，最大时可降低1.5 ℃以上，说明喷灌处理在高温时段可适当降低环境温度，使作物在高温时段免受侵害或减少侵害。通过对比历次灌水前后农田小气候站与试验观测场气象站72 h内环境温度(图2)发现，第1～4次灌水时小气候站环境温度峰值低于气象站，说明喷灌系统改善了田间小气候，有利于作物生长。第5次灌水时油葵已经接近成熟，大部分叶片枯黄，喷灌调节田间气候的能力减弱。

图1 生育期试验区内外环境温度的变化Fig.1 The changes of ambient temperature inside and outside the test area during the growth period

注：A.第1次灌水前后(4月26—28日)；B.第2次灌水前后(6月5—7日)；C.第3次灌水前后(6月28—30日)；D.第4次灌水前后(7月18—20日)；E.第5次灌水前后(7月28—30日)。Note：A.The first irrigation(April 26-28)；B.The second irrigation(June 5-7)；C.The third irrigation(June 28-30)；D.The fourth irrigation(July 18-20)；E.The fifth irrigation(July 28-30).图2 油葵各次灌水期试验区环境温度的变化Fig.2 Changes of ambient temperature in the test area in each irrigation stage of oil sunflower

2.2 喷灌对环境湿度的影响从图3可以看出，在油葵生育期试验区外气象站环境湿度变化不大，均为20%～30%，而试验区小气候站环境湿度明显高于试验区外气象站环境湿度，尤其在灌水过程中环境湿度明显增大，且随着作物的生长，其环境湿度也不断增加，也就是说灌水期间和灌水后作物通过蒸腾作用蒸发消耗水分能够使试验区环境湿度增加。通过对比历次灌水前后72 h内环境湿度(图4)发现，每次灌水期间试验区小气候站环境湿度变化明显，而试验区外气象站环境湿度变化较为平缓，尤其在第3～5次灌水时更为平缓。以上结果表明，喷灌对试验区环境湿度的影响较为明显。

图3 生育期试验区内外环境湿度的变化Fig.3 The changes of ambient humidity inside and outside the test area during the growth period

注：A.第1次灌水前后(4月26—28日)；B.第2次灌水前后(6月5—7日)；C.第3次灌水前后(6月28—30日)；D.第4次灌水前后(7月18—20日)；E.第5次灌水前后(7月28—30日)。Note：A.The first irrigation(April 26-28)；B.The second irrigation(June 5-7)；C.The third irrigation(June 28-30)；D.The fourth irrigation(July 18-20)；E.The fifth irrigation(July 28-30).图4 油葵各次灌水期试验区环境湿度的变化Fig.4 Changes of ambient humidity in the test area in each irrigation stage of oil sunflower

2.3 喷灌对油葵冠层温度的影响对第2次灌水前后(6月5和7日)观测的油葵冠层温度进行分析，分别在10：00和16：00测定，结果见表1。作物冠层温度随蒸腾蒸发量的不同有不同程度的变化，灌水较多的处理蒸腾蒸发量较大，冠层温度则较小，即蒸腾蒸发可调节叶面温度，适度灌水对于调节叶面温度、改善作物呼吸状况具有积极影响。在灌水前随着土壤水被不断利用，各处理土壤含水量差异较小，灌水前2个时段各处理冠层温度差异都不大，10：00时冠层温度最高值与最低值相差0.30 ℃，16：00时相差0.81 ℃。灌水后各处理冠层温度随灌水定额的不同而变化，其中T3和T4处理在10：00时冠层温度较T1处理分别降低1.67和1.80 ℃，在16：00时冠层温度较T1处理分别降低1.24和2.44 ℃，虽然CK灌水定额与T4处理相同，但其灌水后冠层温度显著高于T4处理(表1)。由此可见，灌水定额及耕作播种方式直接影响作物冠层温度，对灌水后冠层温度的影响较大，随着灌溉水的不断消耗，影响逐渐减弱。

表1 典型时段灌水前后油葵冠层温度的变化Table 1 Changes of canopy temperature of oil sunflower before and after the irrigation in the typical period 单位：℃

2.4 油葵光合及蒸腾指标变化

2.4.1全生育期光合和蒸腾速率的变化。在各生育期灌水后24 h分别在10：00和16：00 2个时段测定光合速率与蒸腾速率，结果见图5～6。从图5可以看出，各处理光合速率随生育期呈单峰曲线，水分相对充足的处理在各生育期光合速率相对较高，T3、T4处理全生育期都高于T1处理。T4处理与CK相比在灌水定额相同的条件下由于垄沟集水作用，作物根区水分相对充足，水分利用率较高，其光合速率远高于CK，甚至T3处理光合速率也高于CK。从蒸腾特征来看，全生育期各处理蒸腾速率的变化与光合速率变化一致，也呈单峰曲线，但蒸腾速率变化与光合速率变化恰好相反，灌水定额越大的处理蒸腾速率越小，主要由于叶片在长时间内保持湿润状态和环境湿度较大，减小了叶片蒸发面积及叶片内外的水汽压差，其数值明显低于对照及灌水定额较小的处理，而2个时段蒸腾速率表现出相似的变化规律(图6)。

注：A.10：00；B.16：00。图5 全生育期光合速率的变化Fig.5 The changes of photosynthetic rate during the whole growth period

注：A.10：00；B.16：00。图6 全生育期蒸腾速率的变化 Fig.6 The changes of transpiration rate during the whole growth period

注：A.苗期；B.拔节期；C.开花期；D.灌浆期。Note：A.Seedling stage；B.Jointing stage；C.Flowering stage；D.Grain-filling stage.图7 油葵各生育期全天光合速率的变化Fig.7 Changes of the photosynthetic rate of oil sunflower in the whole day in different growth stages

注：A.苗期；B.拔节期；C.开花期；D.灌浆期。Note：A.Seedling stage；B.Jointing stage；C.Flowering stage；D.Grain-filling stage.图8 油葵不同生育期全天蒸腾速率的变化Fig.8 Changes of the transpiration rate of oil sunflower in the whole day in different growth stages

2.4.2不同生育期全天光合速率的变化。影响光合作用的外界条件每天都在时时刻刻变化着，所以光合速率在一天中也有变化，光合过程一般与太阳辐射进程相符合。从早晨开始光合作用逐渐加强，中午达到高峰，以后逐渐降低，日落时光合作用停止。该试验在各生育期灌水后24 h内连续观测光合速率的变化，结果见图7。T4和T3处理在各生育期光合速率较高，而T1处理较低，这与作物根区土壤水分状况有直接关系。从各生育期来看，油葵生育前期各处理间全天变化较为明显，随生育期的推移，各处理间差异逐渐减小(图7)。

2.4.3不同生育期全天蒸腾速率的变化。各生育期蒸腾速率变化同样呈单峰曲线，早上空气温度上升，相对湿度减小，蒸腾速率随之升高，12：00—13：00蒸腾速率达到一天中的顶峰。午后气温快速下降，空气相对湿度上升，蒸腾速率也随之降低。该试验在各生育期灌水后24 h内连续观测蒸腾速率的变化，结果见图8。在苗期油葵长势及叶面积差异较为明显，各处理蒸腾速率变化差异较大。T1和T2处理在各生育期蒸腾速率较高，而T4处理较低，虽然CK和T4处理灌水定额相同，但T4处理在各生育期的蒸腾速率低于CK，主要由于T4处理对灌溉水分的叠加利用较为充分，很好地调控了环境温湿度，降低了叶面蒸腾速率(图8)。

3 结论与讨论

通过研究垄作沟播喷灌条件下田间小气候及油葵光合特征变化，探讨了垄作沟播喷灌对油葵田间小气候及光合特性的影响，对于研究调节田间气候、促进油葵水分高效利用和提高油葵产量具有一定意义。结果表明：垄作沟播喷灌可以降低作物生育期环境温度，最大时可降低1.5 ℃以上，在高温时段可使作物免受干热风侵害或减少侵害，有利于作物生长。试验区小气候站环境湿度明显高于试验区外气象站的环境湿度，且随着作物的生长，其环境湿度也在不断增高。油葵冠层温度随蒸腾蒸发量的不同有不同程度的变化，适度灌水对于调节冠层温度、改善作物呼吸状况有积极影响。垄作沟播喷灌处理由于集水效果明显，对灌溉水可叠加利用，根区水分相对充足，不论是全天还是各生育期，其光合速率均相对较高，对作物产量形成及光合产物的分配有积极作用。灌水定额较大的处理由于叶片在长时间内保持湿润状态从而减小了叶片蒸发面积及叶片内外的水汽压差，其蒸腾速率明显低于对照及灌水定额较小的处理，且在适宜灌水条件(T3、T4)下效果更为明显。

该研究将灌溉农业区喷灌技术与旱作农业区的垄作沟播集雨技术有机结合，利用喷灌模拟降水、垄沟集水作用，将灌溉水充分利用，与已有研究[4-5]减少灌水量、提高作物产量及水分利用效率的研究结论相一致。在垄作沟播喷灌对农田小气候的影响研究结论与刘海军等[19]的研究结论相一致。在垄作沟播喷灌对作物光合特性的影响研究结论与杨晓光等[20]在喷灌小麦上的研究结论相一致。由于该试验在民勤红崖山灌区开展，受到气候及土壤等特殊条件的影响，研究结论中相关的指标与结论不能完全应用于类似地区，但总体结论对类似地区开展相关技术推广应用、制定灌水定额及灌水计划具有一定的指导意义。另外，由于田间小气候观测站测定指标不够全面，不能与其他田间小气候指标进行对比分析，影响了研究成果的准确性。因此，在后续研究中还应采取更先进的方法及测定指标、更优良的设备对田间小气候开展系统研究，而水分运移特征、水肥调控等还有待进一步研究。