水分调控与种植模式对枸杞生长和水分利用效率的影响

2021-10-09齐广平蔡玲惠赖桑迪王金恒王建军

农业工程 2021年8期

赵敏，齐广平，蔡玲惠，赖桑迪，王金恒，王建军

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州730070； 2.甘肃省景泰川电力提灌管理局灌溉试验站，甘肃景泰730400)

0 引言

枸杞(Lyciumbarbarum)是茄科、枸杞属植物，其果实“枸杞子”是一种食药兼用的功能性保健食品，在我国有上千年的栽培历史，主要分布在宁夏、甘肃、内蒙古和新疆等干旱半干旱区[1-4]。枸杞因耐盐碱、耐贫瘠、抗旱等特性，常被作为盐碱地改良和水土保持的先锋树种[5-6]。研究表明，适当灌溉不仅能提高枸杞的产量和水分利用效率，而且能节约水资源、保护生态环境。胥生荣等[7]和徐利岗等[8]对宁夏枸杞的研究均表明，适度水分亏缺会提高枸杞产量、品质和水分利用效率。蔡玲惠等[9]和苏鹏海等[10]对枸杞间作系统的研究发现，轻度水分亏缺可达到节水增产提质的目的。因此，合适的灌溉量能节约水资源并实现枸杞优质高产。

林草间作是一种集约种植模式，兼顾生态、社会和经济等效益，能减少水土流失、恢复生态平衡和缓解农林争地矛盾，对农林业的绿色健康发展及生态环境保护具有重要意义[11]。研究表明，仁用杏间作能促进新梢生长，提高叶片光合色素含量，增强光合作用，并能显著提高土地产出和水分利用效率[12]。果园间作绿肥苜蓿有利于提高地表覆盖率、防杂除草，改良土壤结构，增加土壤养分含量，提高作物产量和品质[13-14]。盐碱地枸杞间作不同作物均能有效提高土壤含水率，降低土壤含盐量，达到改良盐碱地的效果，并有利于提高枸杞产量[6，15]。

枸杞在甘肃景泰县产业化种植已近30年，至2016年，种植面积已达3 867 hm2，鲜果总产量达8.5万t，年总产值达5.8亿元，已成为景泰县的经济支柱产业，在脱贫攻坚和乡村振兴中发挥着重要作用[16]。甘肃引黄灌区水资源严重紧缺，当地枸杞灌溉以传统漫灌、沟灌为主，水分流失和蒸发严重，水分利用效率不高，制约当地枸杞产业发展和农民增产增收。鉴于此，本研究采用随机区组法进行大田林草间作水分调控灌溉试验，探究水分调控和间作苜蓿对土壤水分含量，以及枸杞耗水特征、生长、产量和水分利用效率的影响，旨在合理利用水土资源，提高枸杞产量和农民收益，为引黄灌区枸杞科学化种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验区概况

试验于2019—2020年在甘肃省景泰川电力提灌管理局灌溉试验站(104°08′E、37°23′N)进行。试验区属温带干旱型大陆气候，降雨稀少，年平均降水量185 mm，蒸发量大，年平均蒸发量3 028 mm，日温差大，多年平均气温8.6 ℃，最高气温35.6 ℃，最低气温-27 ℃，年平均日照时间2 652 h，年平均辐射量6.18×105J/cm2，无霜期191 d。土壤类型为壤土，干容重1.61 g/cm3，田间最大持水量为24.1%(质量含水量)。试验地土壤基础养分含量：有机质1.32 g/kg，速效氮74.51 mg/kg，速效磷26.31 mg/kg，pH值8.11。试验区2019年枸杞全生育期内降雨总量和平均气温分别为227 mm和19.1 ℃，2020年枸杞全生育期内降雨总量和平均气温分别为101 mm和19.7 ℃(图1)。

图1 2019年/2020年枸杞全生育期降雨总量和日平均气温Fig.1 Daily average temperature and total rainfall during growth period of Lycium barbarum in 2019/2020

1.2试验设计

试验采用两因素随机区组设计。因素1为水分调控(灌溉计划湿润层深度取60 cm，以田间持水量的百分比计土壤水分上下限)：充分灌溉W0，75%～85%；轻度亏缺W1，65%～75%；中度亏缺W2，55%～65%；重度亏缺W3，45%～55%。因素2为种植模式：枸杞单作D和枸杞间作苜蓿J。2017年4月下旬移栽两年生枸杞苗木，南北行种植，株距150 cm，行距300 cm，同期在枸杞行间条播苜蓿(南北方向)，距树干30 cm，行距30 cm(图2)。8个处理设置3次重复试验，共24个小区，每个小区面积为45 m2(7.5 m×6.0 m)，枸杞2行，每行5棵，共计10棵。种植后充分灌水保证枸杞和苜蓿成活和生长，每年于枸杞萌芽期开始前进行水分调控。为防止相邻小区间水分互渗，布设防水塑料棚膜，埋深120 cm。各小区布置灌水管道，采用小畦灌溉方式，安装精度为0.000 1 m3的阀门水表控制水量。具体试验处理如表1所示。

图2 间作种植模式Fig.2 Intercropping pattern

表1 试验处理设计

1.3测定项目及方法

土壤含水量：采用TRIME-PICO-BT土壤水分速测仪测定，在枸杞各生育时期采用土钻取土烘干法进行校核。整个试验期间每隔7 d测定1次，在枸杞树行间距枸杞30 cm和150 cm布设两个测点，深度为120 cm，每20 cm一层。当测定深度内土壤含水量平均值处于水分处理下限范围时，立即进行灌水。

灌水量：灌水量通过灌水定额公式确定。

A=10γh(θω-θ)

(1)

式中A——灌水量，mm

γ——土壤容重，1.61 g/cm3

h——计划湿润层深度，取60 cm

θω——土壤计划含水量上限(田间持水量与设计计划含水率上限的乘积)，%

θ——计划湿润层土壤实际平均含水量，%

耗水量：耗水量采用水量平衡公式计算。

ET=A+P+U-R-F±ΔW

(2)

(3)

式中ET——作物生育期耗水量，mm

A——生育期内灌水量，mm

P——生育期内有效降水量，mm，本研究采用经验系数计算有效降水量

pj——第j次降雨量，mm

j——降雨次数，j=1，2，3，…，n

aj——第j次降雨的有效利用系数，当次降雨pj<5 mm时，aj=0；当pj=5～50 mm时，aj=1.0；当pj>50 mm时，aj=0.8～0.7

U——地下水补给量，mm，试验区地下水埋深在30 m土层以下，因此地下水补给量为0

R——地表径流量，mm，试验区林草间作系统地势平坦，地表径流量为0

F——深层渗漏量，mm，试验区林草间作系统50～60 cm土层深度土壤水分从未达到过田间持水量水平，因此，深层渗漏为0

ΔW——苜蓿播种和收获时0～60 cm土壤贮水消耗量，mm

枸杞产量和百粒质量：自收获期开始(每年6月20日)至收获期结束(9月10日)每隔7 d采摘一次成熟的枸杞鲜果，收获后制干，计算得出产量。采用四分法将枸杞干果取百粒称质量，重复进行3次。

水分利用效率：本研究枸杞水分利用效率为间作系统全部面积中枸杞的产量与林草间作系统内的耗水量的比值，计算公式为

WUE=Y/ET

(4)

式中WUE——枸杞的水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——枸杞产量，kg/hm2

1.4数据分析

采用Microsoft Excel 2018软件进行数据整理和绘图；数据使用SPSS20.0软件进行单因素方差(one-way ANOVA，P<0.05)分析和Duncan′s多重差异分析。

2 结果与分析

2.1不同处理下间作系统的耗水特征

水分调控和间作处理显著(P<0.05)影响枸杞生育期的总耗水量(表2)，整体表现为枸杞间作苜蓿耗水量大于枸杞单作，且随水分亏缺程度加重呈递减趋势，2020年耗水量高于2019年。相同种植模式下，枸杞总耗水量随水分亏缺程度加重显著降低，枸杞单作最大耗水量为2020年DW0处理(858 mm)，较DW1、DW2、DW3处理分别增加了27.5%、56.3%和85.7%；枸杞间作苜蓿2020年JW0处理总耗水量最高为890 mm，与JW3处理极差最大达353 mm。同一水分调控下，枸杞间作苜蓿耗水量显著大于枸杞单作，2019年JW1和JW2处理较DW1(657 mm)和DW2(535 mm)处理分别增加了16.7%和29.7%。相同处理下，2020年总耗水量大于2019年。不同处理下，灌水量和总耗水量的变化趋势相似，枸杞单作灌水量低于枸杞间作苜蓿，随水分亏缺程度加重灌水量减小，2020年灌水量明显高于2019年。

灌水量和降雨量占总耗水量的比例分别为30.0%～80.2%和11.3%～49.7%，相同种植模式下，灌水量占总耗水量比例随水分亏缺程度加重而降低，降雨量占比变化趋势与之相反。同一水分处理下，枸杞间作苜蓿灌水量占耗水量的比例高于枸杞单作，降雨量占比低于枸杞单作。2020年降雨稀少，降水量比2019年低126 mm，各处理中2020年灌水量占比高于2019年，降水量占比低于2019年。各处理间土壤贮水消耗量(74～113 mm)差异不显著(P>0.05)。

表2 不同处理对间作系统耗水量及耗水比例的影响

2.2水分调控和间作处理对枸杞生长的影响

水分调控和间作苜蓿均会显著影响枸杞的株高、冠幅和地径等生长指标(表3)。相同种植模式下，枸杞株高、冠幅和地径生长量均会随着水分亏缺程度加重呈递减趋势，枸杞株高生长量(31.3～48.0 cm)充分灌溉W0和轻度亏缺W1处理差异不显著，枸杞冠幅生长量(48.1～68.0 cm)和地径生长量(3.8～7.4 mm)随水分亏缺程度加重差异比较显著。同一水分调控下，间作苜蓿处理枸杞的株高、冠幅和地径生长量均小于枸杞单作。随着树龄增加，枸杞株高生长变化量2020年高于2019年，冠幅和地径生长速度减缓，生长变化量2020年均低于2019年。

2.3水分调控和间作处理对枸杞产量和水分利用效率的影响

2.3.1干果百粒质量和产量

由图3可知，相同种植模式下，枸杞干果百粒质量随水分亏缺程度加重呈先增大后减小的趋势，拐点出现在W1水分处理下，2019年DW1和JW1处理干果百粒质量(16.93和17.34 g)较DW3和JW3处理分别提高了13.7%和30.9%。充分灌溉和轻度亏缺处理下，枸杞间作苜蓿干果百粒质量高于枸杞单作，2019年JW0和JW1较DW0(16.21 g)和DW1(16.93 g)处理分别提高了5.6%和2.4%；亏水情况严重时枸杞间作苜蓿干果百粒质量低于枸杞单作，2019年JW2和JW3较DW2(16.54 g)和DW3(14.89 g)处理分别降低了5.6%和1.1%。相同处理下枸杞干果百粒质量2020年明显高于2019年，极差达2.85 g。

水分调控对枸杞产量有显著影响，间作苜蓿对枸杞产量影响不显著。相同种植模式下，枸杞产量随水分亏缺程度加重呈递减趋势，2019年DW1、DW2、DW3较单作最高产量DW0(2 578 kg/hm2)处理分别降低了2.2%、24.1%和42.2%，JW1、JW2、JW3较枸杞间作苜蓿最高产量JW0(2 543 kg/hm2)处理分别降低了5.8%、28.3%和46.7%。同一水分处理下，枸杞间作苜蓿产量和枸杞单作产量差异不显著。相同处理下，2020年枸杞产量高于2019年，变化量为124～228 kg/hm2。

表3 不同处理对枸杞生长变化量的影响

2.3.2水分利用效率

由图4可知，相同种植模式下枸杞水分利用效率随水分亏缺程度加重呈先增大后减小的趋势，轻度亏缺W1处理达最大值，2019年DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]和JW1[3.12 kg/(hm2·mm)]处理分别较DW0、DW2、DW3和JW0、JW2、JW3处理提高了21.5%、4.9%、21.0%和6.2%、18.9%、20.4%。充分灌溉下，间作苜蓿对枸杞的水分利用效率影响不显著；水分亏缺处理下，枸杞间作苜蓿的水分利用效率显著低于枸杞单作，2019年JW1、JW2和JW3处理水分利用效率分别较DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]、DW2[3.65 kg/(hm2·mm)]和DW3[3.17 kg/(hm2·mm)]处理降低了18.5%、28.2%和18.2%。2020年相同处理下枸杞的水分利20.4%。充分灌溉下，间作苜蓿对枸杞的水分利用效率影响不显著；水分亏缺处理下，枸杞间作苜蓿的水分利用效率显著低于枸杞单作，2019年JW1、JW2和JW3处理水分利用效率分别较DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]、DW2[3.65 kg/(hm2·mm)]和DW3[3.17 kg/(hm2·mm)]处理降低了18.5%、28.2%和18.2%。2020年相同处理下枸杞的水分利用效率与2019年差异不显著，不同处理间枸杞水分利用效率变化趋势与2019年趋于一致。

图3 不同处理枸杞干果百粒质量和产量Fig.3 100-seed weight and yield of Lycium barbarum dry fruit under different treatments

图4 不同处理枸杞水分利用效率Fig.4 Water use efficiency of Lycium barbarum under different treatments

3 讨论

3.1不同处理下间作系统的耗水特征分析

水分调控与间作处理通过影响农田微环境和中间关系，从而影响枸杞的耗水特征。郑国保等[17]研究不同灌溉定额对枸杞土壤水分动态变化规律的影响得出，土壤含水量主要随着灌水量的增加而增大，灌水量少的处理对土壤水分消耗的相对多一些，随灌水量增加，对土壤水分的消耗逐渐减少。徐鹏等[18]对南疆地区枣棉间作耗水特性的研究中得出，间作群体较单作一定程度上能抑制农田蒸发且有利于土壤贮水的利用，枣树主要利用土壤深层水分，棉花以消耗浅层土壤水分为主，枣棉间作能够协调利用土壤各层水分。齐广平等[19]和李晓敏等[20]对枸杞间作苜蓿的研究发现，枸杞生育期的总耗水量均表现为随灌水亏缺程度的提高呈现降低趋势。本研究结果表明，枸杞生育期的总耗水量随灌水亏缺程度加重而减少，水分调控能提高土壤贮水消耗量，降低枸杞总耗水量；枸杞间作苜蓿灌水量占总耗水量的比值高于枸杞单作，可见间作有利于灌水量的利用。

3.2水分调控和间作处理对枸杞生长的影响

水分调控与间作处理对枸杞的生长影响差异显著。尹志荣等[21]研究发现，随着灌溉量的逐渐减少，枸杞的株高、茎粗出现先增加后减少的趋势。王龙强等[22]调查表明，间作在一定程度上抑制了枸杞的正常生长发育。本研究结果与前人研究基本一致，相同种植模式下，枸杞的株高、冠幅和地径生长量随水分亏缺程度加重呈递减趋势；同一水分处理条件下，单作枸杞的株高、冠幅、地径生长量均大于间作，即间作会一定程度上抑制枸杞生长。

3.3水分调控和间作处理对枸杞产量和水分利用效率的影响

产量和水分利用效率是评价作物生产和经济效益的综合指标。水分调控与间作处理显著影响枸杞的产量与水分利用效率。徐利岗等[8]在基于土壤水分下限控制的宁夏枸杞滴灌灌溉制度试验研究中得出，适度水分亏缺反而会提高水分利用效率，但过度缺水会影响枸杞的产量，也将降低水分利用效率。赵彦波等[23]研究发现，在覆膜条件下，灌溉定额为1 620 m3/hm2时枸杞生长量与产量均达到最大，灌溉定额大于1 620 m3/hm2时，枸杞生长与产量反而随灌溉定额增加而减小，说明枸杞灌溉定额过大会影响枸杞长势和产量。本研究表明，轻度亏缺灌溉W1处理下枸杞的产量与充分灌溉W0差异不显著，但水分利用效率最高。灌水量充足的条件下，枸杞间作苜蓿较单作枸杞产量增加，亏缺灌溉下作物种间水分竞争加剧，枸杞间作苜蓿产量低于枸杞单作。但是枸杞间作苜蓿系统中苜蓿产量可达(12 678.27～19 228.56 kg/hm2)，总经济效益显著高于枸杞单作。