不同灌溉模式下金盏花水分动态研究

2012-12-24钱永康何庆祥赵继荣雒淑珍

草业科学 2012年8期

钱永康，何庆祥，赵继荣，雒淑珍

（甘肃省农垦农业研究院，甘肃武威733006）

金盏花（Tageteserecta）又名万寿菊，是一种适应性广、可粗放管理的一年生草本花卉，可作为观赏花卉美化、净化环境。其花瓣中含有丰富的叶黄素，因此金盏花已成为一种特色经济作物在甘肃河西绿洲灌区进行大面积栽培。在国际市场上，1g叶黄素的价格与10g黄金相当［1］。目前，金盏花在河西地区的播种面积为1.33万hm2，年产金盏花颗粒约3万t或浸膏3 000t，约占世界产量的1／3以上［2］。但河西地区在栽培过程中存在灌水量过大，水资源严重浪费等问题。传统平作和大水漫灌的栽培模式表现出水分利用效率低（平均不足1kg·m-3）、水土流失严重和水环境污染严重等现象［3-5］。垄作沟灌作为节水抗旱的重要措施有着广阔的发展前景，它有效协调并解决了节水与增产之间的矛盾，是实现节水型生产的耕种新技术。我国在很早就垄作种植甘薯（Ipomoeabatatas）等作物，20世纪80年代以来陆续开展了水稻（Oryzaglaberrima）、玉米（Zeamays）、大豆（Glycinemax）和小麦（Triticum aestivum）等垄作栽培模式的研究，均取得了良好的效果［6］。垄作栽培具有调节地温、蓄水保墒、抑制杂草、培肥地力、改良土壤等生态效应，可使农作物产量大幅度提高，降低耗水系数［7］；提高用水效率［8-13］。金盏花是我国河西走廊主要的经济植物之一，垄作节水栽培模式在金盏花上应用较少，其中关于灌溉模式对金盏花垄作土壤水分动态变化方面的研究则更少［14-19］。因此，本研究以河西绿洲灌区金盏花的水分利用为切入点，进行金盏花节水栽培技术研究，旨为金盏花垄作沟灌技术推广提供技术支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验于2009年4―10月在北方干旱内陆河流域的甘肃省武威市凉州区黄羊镇进行，该区地处37°23′～38°12′N，101°59′～103°23′E。≥0℃积温为3 513.4℃·d，年日照时数2 945h；土壤为荒漠灌淤土，0～60cm土层土壤容重为2.7g·cm-3。0～20cm土壤养分含量为：有机质1.76%、全氮0.114%、碱解氮156.7mg·kg-1、速效磷28.1 mg·kg-1、速效钾324.0mg·kg-1，pH 值8.16；金盏花生长季降水量98mm。

试验设计：A为灌水方式，其中A1为平作畦灌，A2为垄作沟灌，因素B为灌水量，其中B1为4 200m3· hm-2、B2为3 600m3· hm-2、B3为3 000m3· hm-2，共有6个处理（A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3），采用随机区组设计，3次重复。小区面积为4.5m×4.0m，随机区组排列，小区间设置1.0m的隔离带。播种前每公顷施纯氮180kg和P2O5105kg。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙。2009年4月15日播种，基本苗均为57 000株·hm-2。其他管理措施同一般高产田。共灌水5次。从每年的5月末开始，隔25d灌水1次；灌水方式为平作畦灌和垄作沟灌。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤水分测定用土钻取0～80cm土层土样，每20cm为一层，共4层，称鲜质量，在105℃下烘至质量不变，称干质量，计算土壤含水量。

1.2.2 产量测定首次开花后，每隔12～15d采摘鲜花1次，共采5～6次，每小区选12株，调查每次采摘鲜花小区产量。

1.3 数据处理与统计分析试验数据用Excel 2003和DPS V6.0进行统计分析，并进行差异显著性比较分析和误差计算。

2 结果与分析

2.1 不同生育时期的土层含水量 2010年非常干旱，在播前、拔节、花蕾、始花、盛花、收获6个时期，测得0～80cm土层土壤含水量。随着生育期的推进各处理各土层土壤含水量的变化动态如图1所示。

金盏花生育期间，无论灌水还是降雨，均不能改变平作和垄作各处理不同土层水分整体动态变化的下降趋势。在0～20、20～40cm土层，金盏花从播前至拔节期，平作各处理的土壤含水量均高于相应的垄作各处理，但经过拔节期稳定之后，垄作处理的土壤含水量要高于平作各处理。拔节期0～20cm土层，A2B1、A2B2和A2B3的处理较相应平作处理的土壤含水量分别低6.1%、3.9%和3.8%；盛花期垄作各处理土壤含水量均高于相应的平作各处理，A2B1、A2B2和A2B3的处理较相应平作处理的土壤含水量分别高11.8%、1.9%和0.4%。收获后，A2B1、A2B2和A2B3的处理较相应平作处理的平均土壤含水量分别高19.7%、4.7%和5.1%。

金盏花田0～80cm土层水分总体上也随时间呈递减趋势，但随着其土层的加深，水分下降趋势渐渐变缓，从土壤水分动态变化曲线的分枝可看出灌水的效应。不同处理各个时期灌水处理土壤水分最大变化幅度在0～20cm土层，其中垄作各处理变幅从大到小依次为A2B1、A2B2和A2B3。以上数据可看出，各处理在同一灌水量不同时期的土壤水分最大变化幅度相近。金盏花垄作沟灌的土壤水分在40～60和60～80cm要明显高于平作。与0～20、20～40和40～60cm土层相比，60～80cm土层水分动态变化显得更有规律性，即同期灌水的处理土壤水分动态变化曲线基本吻合，而且平作漫灌的规律性要优于垄作沟灌。

在降水和灌溉过后表层含水量急剧上升（图1），但在土壤深层（40～80cm），垄作沟灌各处理的土壤水分含量均大于其相应平作处理的。在60～80cm土层，A2B1处理最大含水量为24.1%；最小含水量15.9%；A2B2处理最大含水量为23.7%，最小含水量为15.6%；A2B3处理最大含水量为21.4%，最小含水量为15.3%；A1B1的最大含水量为23.8%，最小含水量为14.3%，A1B2的最大含水量为23.3%，最小含水量为14.3%；A1B3处理最大含水量为21.4%，最小含水量为11.6%；其中在始花期，A2B2处理较A1B3处理水分含量增加13.8%，盛花期为7.9%。金盏花垄作区域的上升速度要大于平作漫灌区，由于垄作沟灌各处理每次灌水只是在灌水沟里面灌，金盏花本身并不直接与灌溉水接触，其生长所需的水分只能靠灌水沟向垄体的侧渗，灌水沟内水分侧渗较强，之后随着土壤表面蒸发和金盏花蒸腾作用的进行，表层含水量逐渐下降，垄作沟灌含水量的下降速度要小于平作区，这是由于行间垄作减小了蒸发面积，起到了保水的作用，全生育期不同灌水处理间的差异要明显大于耕作方式的改变。

2.2 土壤水分纵深分布选择金盏花拔节、花蕾、始花、盛花、成熟5个生育时期来分析平作漫灌和垄作沟灌，金盏花田的土壤水分纵深分布基本呈明显的“W”型分布，而且“W”型分布区较浅（仅在0～60cm），垄作沟灌处理的其变化趋势明显优于平作漫灌。不同时期同一灌水处理间的土壤水分变化差异不大。垄作沟灌改变了SPAC系统的连续性，对土壤各层含水量的变化可以产生直接影响。垄作沟灌在拔节期前对0～60cm土壤水分纵深上没有显著变化，但经过拔节长时间的稳定之后，垄作沟灌各处理0～60cm土壤水分明显高于平作的相应处理，其中A2B1处理的水分含量保持在22.7%～19.6%，A2B2处理水分含量保持在22.1%～19.1%，A2B3处理水分含量保持在21.1%～18.4%，而A1B1处理水分含量保持在20.8%～15.9%，低于垄作，并且随金盏花的生长呈下降趋势（图2）。

图2 不同处理土壤水分垂直变化Fig.2 Vertical changes of soil water contents in different treatments

2.3 金盏花水分利用效率计算产量水平上的水分利用效率是单位耗水量的产量。金盏花水分利用效率（WUE）公式为：

式中，Y为产量，ET为农用耗水量（mm）。

根据农田水量平衡原理［20］计算农用耗水量为：

将（2）式代入（1）式得：

式中，W收获为收获时1m土体储水量（mm）；W播前为播种前80cm土体储水量（mm）；I为生育期灌水量（mm）；P为生育期降水量（mm）；G为作物利用地下水量（mm）。

由于试验地地下水位较深，因此取G＝0。

2.4 灌溉水和肥料利用效率

2.4.1 经济产量及生物量在不同的灌水条件下，垄作沟灌的总产量均略高于相应的常规灌溉，A2B1、A2B2、A2B3比 A1B1、A1B2、A1B3分别增产9.6、11.7和5.5（表1）。A2B1与A2B3处理总产量基本相当，A2B2处理总产量最高，与A1B1处理差异显著，比A1B1增产25.8%。可见灌溉方式对产量有较大的影响。

2.4.2 水分利用率和氮肥利用率各处理中，A2B3处理水分利用率最高，A2B2次之；其中A2B3处理水分利用率达142.38kg·mm-1·hm-2，比同灌水量的平作大水漫灌处理高6.7%，比A1B1处理的提高了29.1%（表1）。相同灌水量下垄作沟灌比相应平作漫灌的水分利用率要高。可见垄作沟灌能提高水分利用率，尤其在中低灌水量条件下更为显著。在半干旱地区金盏花采用垄作沟灌栽培，虽因作物蒸腾作用加大，土壤耗水量增加，土壤平均储水量下

表1 不同处理对金盏花水和氮素利用率的影响Table 1 Effect of different treatments on use efficiency of water and N fertilizer of marigolds

式中，U1、U0分别为施肥区与不施肥区作物吸收的养分含量（kg·hm-2）；W为肥料施用量（kg·hm-2），C为肥料养分含量。结果可看出，无论是低灌水量3 000m3·hm-2还是高灌水量4 200 m3·hm-2，垄作沟灌均比大水漫灌能提高肥料利用率（表1）。灌水3 600m3·hm-2时，垄作沟灌比大水漫灌提高肥料利用率近13.5%；灌水4 200 m3·hm-2时，提高了26%。这与一些试验［20-23］（增加灌水量能提高肥料利用率）结果一致。

3 讨论与结论

金盏花栽培的根本目的是获得优质高产。在河西绿洲灌区，农业用水已经到了将灌溉水作为调控水的程度，因而不可能在一个生长季浇4～5次水。不同种植方式下金盏花土壤水分动态变化研究结果表明，垄作沟灌能良好的保持土壤深层水分。张步翀和李凤民［21］在干旱环境下研究了春小麦生长季所有调控灌溉处理，得出不同土层深度土壤水分全生育期变化模式基本一致；两个试验年度不同水分调控处理的上层（0～40cm）土壤水分变化剧烈，而下层（40～120cm）变化相对较为平缓，并且随着土层深度的增加，土壤水分变化逐渐趋于平缓。本研究的部分结果验证了此结论。金盏花生育期间，无论灌水还是降水，均不能改变平作和垄作各处理不同土层水分整体动态变化的下降趋势。金盏花土壤水分垂直变化很大，但各层间的变化表现出明显的层次性。0～20和20～40cm的土壤水分变化幅度较大，降水及灌溉对土层表层土壤水分影响较大，而不易影响下层土壤水分（40～80cm），这些结果为河西绿洲灌区的农业干旱监测调控提供了理论依据。

通过对不同种植方式下金盏花土壤水分动态变化分析研究可以看出，不同种植模式下金盏花土壤含水量呈规律性变化，这种规律性变化与金盏花在拔节期以后，进入营养生长与生殖生长并进阶段，且生长量和生长速度较大有关［23-24］。特别是垄作沟灌，使其生长的土壤环境得到改善，耕层水分较多，温度较高，促进微生物活动及养分的有效性［25-26］，从而表现出较强的生长势和生长量。不同土层深度土壤含水量随金盏花生育期的延后，垄作沟灌多数表现为随之降低的趋势，土层内平均土壤含水量较平作漫灌增加值呈现由高到低的规律性变化。本试验仅研究了垄作沟灌金盏花0～80cm内土壤水分动态变化，大于80cm土层深度的水分动态变化规律还有待于进一步深入研究。

垄作沟灌下金盏花产量、总耗水量及水分利用效率存在明显差异。本研究表明，在干旱、少雨、高海拔的河西绿洲灌区进行小麦垄作栽培，可以节水29.1%，与墨西哥国际小麦改良中心小麦垄作节水30%［27］、山东省农科院小麦垄作节水40%［28-29］的试验结果基本一致。与平作漫灌相比，垄作沟灌更能够较充分地利用有限的灌溉水，增强作物的抗旱能力。垄作灌水不漫垄，水分在下渗的同时又存在侧渗过程，不会造成水分下渗过深，减少水肥淋溶损失，垄沟的存在为植株间通风通光创造了便利通道，提高水肥利用效率的同时也促进了光合作用［30］。对金盏花的抗旱机制，平作覆膜漫灌、垄作覆膜沟灌等种植方式相结合，垄作覆膜沟灌的农艺措施与田间小气候、土壤水分和作物产量提高程度等问题，尚有待进一步深入研究。

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