土壤质地和灌溉水量对黑河中游地区甜高粱生长特征及水生产力的影响

朱钊岑，刘 冰，司 瑞，赵 颖

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院，中国生态系统网络临泽内陆河流域研究站，中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃 兰州 730000; 2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

灌溉水生产力受土壤、气候、作物与灌溉水平等多种因素的共同影响，但在相同灌溉处理与气候条件下，灌溉水生产力差异则主要由土壤质地差异决定[1-2]。因此，在区域尺度土地利用管理中，除通过采用先进灌溉技术提高灌溉水生产力外，应根据不同土壤质地确定作物最优灌溉时机，制定不同灌溉措施，对灌溉水进行合理分配，提高灌溉水生产力[3-6]。土壤质地是土壤结构的决定性因素，决定土壤保水保肥能力[7-8]。土壤质地可通过影响土壤水分再分布进而影响作物蒸散发[9]；同时也可通过影响作物的根系分布影响水分养分吸收[10-11]，并影响营养元素的淋溶与肥料利用效率[12-14]，从而影响作物生长特征、生物量与灌溉水生产力。然而，不同作物由于生理差异，导致其根系分布、养分吸收与干物质积累对土壤质地的响应存在显著差异[15-16]。土壤质地与灌溉水平对作物生长特征、生物量与灌溉水生产力存在交叉影响，不同作物在不同质地土壤种植应采用不同的灌溉措施[16-18]。因此，针对水资源短缺与贫瘠土地生产力低下等问题，确定土壤质地对作物生长和灌溉水生产力的影响，探讨作物在不同土壤质地下的生长特征与灌溉水生产力，针对不同土壤质地制定相应的灌溉措施，对于提高土地生产力、土壤改良与节水灌溉具有重要意义。

甜高粱是一种能源作物、饲料作物和糖科作物，具有极强的抗逆性与适应性，比其他作物更抗旱、耐盐碱和耐贫瘠[19-22]。黑河中游绿洲区，属于典型的荒漠环境，具有充足的光热资源，适合甜高粱生长[23]。但甜高粱种植普遍采用传统的漫灌模式，灌溉水生产力低下，同时由于边缘新垦绿洲开垦年限差异，土壤空间异质性极大，导致甜高粱生长特征、生物量与灌溉水生产力存在极大差异[2]。同时，按灌溉面积分配灌溉水量导致不同土壤质地农田灌溉用水出现了盈余与亏缺的现象，尤其是新垦绿洲砂质农田[24]。目前，对甜高粱生长特征、生物量的影响因素研究主要集中于温度、盐分及水分等方面，主要研究的是甜高粱的抗旱、耐盐碱及耐低温[25-28]。然而，不同土壤质地对甜高粱生长特征、生物量和灌溉水生产力影响的研究鲜有报道，同时缺乏不同土壤条件下作物合理灌溉的研究。因此，开展不同土壤质地节水灌溉对甜高粱生长特征、生物量和灌溉水生产力的影响研究，对于西北干旱区边缘绿洲种植结构优化与灌溉水合理分配具有重要意义。

本研究以黑河中游边缘绿洲为研究区，通过测定不同土壤质地与灌溉处理条件下甜高粱生长特征和生物量，计算灌溉水生产力，研究土壤质地与灌溉处理对甜高粱生长特征、生物量与灌溉水生产力的影响，分析不同土壤质地条件下的甜高粱生产的灌溉措施，为高效开发绿洲边际贫瘠土地、优化种植结构与灌溉措施提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验布设于中国生态系统网络临泽内陆河流域综合研究试验站(39°24′N，100°21′E)，位于黑河中游张掖绿洲临泽县北部，绿洲外为巴丹吉林沙漠南缘延伸带，是典型的荒漠绿洲。该地区属典型的干旱荒漠气候特征，年均降水量为116.8 mm，65%的降雨发生在6-9月，年均温7.6 ℃，≥10 ℃年积温为3 085 ℃，无霜期为168 d，平均日照时数为3 051 h[23]。地带性土壤为灰棕荒漠土，沿黑河河岸分布有小面积的潮土和灌淤土。同时由于开垦年限差异，土壤熟化程度存在显著的空间异质性。

1.2 试验设计

本试验选择了土壤有机械组成和养分含量存在明显梯度的5种土壤(表1)，砂壤土(S1和S2)，砂土(S3和S4)，壤砂土(S5)。土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质[2]Table 1 Basic physicochemical properties of different soils[2]

2018年-2019年进行甜高粱种植试验，试验品种为“近甜一号”，试验小区面积为20 m2(5 m×4 m)，采用膜上种植，小区内甜高粱的行距为50 cm，株距为20 cm，种植密度为100 050株·hm-2。每个土壤质地设置3个灌溉水平，包括28.6%节水灌溉I1(6 000 m3·hm-2)，14.3%节水灌溉I2(7 200 m3·hm-2)，常规充分灌溉I3(8 400 m3·hm-2)，每个处理3个重复。播种前施用氮肥(尿素，含氮46%)140 kg·hm-2，磷肥(过磷酸钙，有效磷含量大于12%)70 kg·hm-2作为底肥；拔节期施用氮肥170 kg·hm-2，磷肥70 kg·hm-2；开花期施氮肥30 kg·hm-2。

1.3 甜高粱生长指标的测定

甜高粱出苗50 d后，每个小区随机选取一个(2×2)m2样方，标定3株生长一致的甜高粱植株，收获前10 d(2018年9月15日，2019年9月20日)，测定株高、茎秆直径、绿叶数、茎秆汁液锤度和节间数。选取甜高粱茎秆的第二节测定茎秆直径，茎秆汁液锤度测定部位是底部1/5处、中部1/2处和顶部4/5处。收获期，收获各样方内的甜高粱植株，对每株地上部分分为茎秆、叶片和穗，分别称其鲜重，然后在80 ℃烘干至恒重后称重，获得生物量干重[29]。

1.4 数据处理

灌溉水生产力是评估农业用水的重要指标[30]，对于农业发展具有重要意义，其计算公式为：

式中：IWP为灌溉水生产力，kg·m-3；Yield为地上生物量，kg；IPAR为植物总灌溉水量，m-3。

采用方差分析进行不同土壤质地对甜高粱生长特征与灌溉水生产力的差异分析，采用Person相关分析对土壤质地与甜高粱生长特征、灌溉水生产力进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤质地与灌溉水平对甜高粱生长特征的影响

与常规充分灌溉(I3)相比，28.6%节水灌溉(I1)和14.3%节水灌溉(I2)处理，除砂土外，甜高粱株高均呈现不同程度的增加(表2，表3)，增加幅度在1.00%～13.4%。在5种土壤质地中，不同灌溉处理间甜高粱株高差异显著，I1和I2分别较I3分别增加了4.07%和3.77%。同时，不同灌溉处理间甜高粱节间数变化趋势与株高一致，I1和I2分别较I3分别增加了8.22%和3.50%。然而，灌溉处理对甜高粱茎秆直径的影响与株高和节间数呈现相反的趋势。在5种土壤质地中，不同灌溉处理平均茎秆直径，I1和I2较I3分别降低了3.92%和3.21%。除I2处理的底部、中部茎秆汁液锤度外，I1和I2甜高粱茎秆汁液锤度较I3增加幅度为0.02%～4.98%。

在5种不同土壤处理中，甜高粱株高、茎秆直径、节间数和茎秆汁液锤度均呈现显著差异(表2，表3)。其中，株高和茎秆直径最大分别为壤砂土和砂壤土，最小均为砂土；然而土壤性质对甜高粱茎秆汁液锤度的影响与株高、茎秆直径等生长参数呈现相反的趋势，除顶部茎秆汁液锤度外，最大的均为砂土S3，且S3较其他土壤甜高粱平均茎秆汁液锤度高4.21%～20.7%；但S3顶部茎秆汁液锤度仅较S2和S4降低3.43%与0.96%。

2.2 土壤质地与灌溉水平对甜高粱地上部分生物量的影响

不同土壤条件下收获期甜高粱生物量存在显著差异(P< 0.05，图1)，茎秆生物量变化范围为6.62～19.7 t·hm-2，地上部分生物量变化范围为12.1～32.9 t·hm-2。其中，甜高粱茎秆和地上部分生物量最高的均为S1，其生物量为27.6 t·hm-2，茎秆为15.4 t·hm-2。S3甜高粱茎秆和地上部分生物量最低，其生物量为15.5 t·hm-2，茎秆为8.78 t·hm-2。茎秆生物量占地上部分生物量的比例为44.2%～67.8%。总体来看，甜高粱茎秆生物量次序为砂壤土S1，壤砂土S5，砂壤土S2，砂土S4和砂土S3。

随灌溉量的增加，各土壤甜高粱生物量变化情况存在显著差异。除砂壤土S1外，呈现显著的增加趋势外，其余土壤质地甜高粱均呈现逐渐降低或先增加后降低的变化趋势。5种土壤质地中，甜高粱生物量呈现随灌溉量的增加而逐渐降低，I1和I2甜高粱茎秆生物量分别较I3增加了9.71%和2.75%，总生物量为8.96%和3.25%。

表2 甜高粱生长特征Table 2 Growth characteristics of sweet sorghum

表3 土壤质地与灌溉水平对甜高粱生长特征的影响(平均值)Table 3 Effects of soil and irrigation on the growth characteristics of sweet sorghum(Average values)

注：不同小写字母表示LSD 0.05水平差异显著。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences at LSD 0.05 level.The same is as below.图1 不同土壤条件下甜高粱生物量Fig.1 Biomass of sweet sorghum with different soils

2.3 土壤质地与灌溉水平对甜高粱灌溉水生产力的影响

在不同的土壤条件与灌溉水平下，甜高粱灌溉水生产力介于1.73～4.95 kg·m-3之间；最高值出现在S5的I1处理，为4.95 kg·m-3；最低值出现在S4的I3处理，为1.73 kg·m-3(图2)。不同土壤质地甜高粱灌溉水生产力存在显著差异，S3和S4显著低于S5和S1、S2。不同土壤质地，灌溉水生产力随灌溉量的增加其变化趋势存在一定差异，但总体呈现降低的变化趋势。甜高粱I3处理的灌溉水生产力相较于I1处理降低了在3.27%～50.0%，其中S2降低幅度最大，表明土壤质地与灌溉条件对甜高粱灌溉水生产力存在交叉影响。

土壤质地与灌溉处理对甜高粱灌溉水生产力具有显著影响(图3)。在不同土壤质地下，甜高粱灌溉水生产力随土壤黏粉粒、有机质和全氮含量的增加而逐渐增加。但土壤黏粉粒含量达到30.0%、有机质含量达到6 g·kg-1、全氮含量达到0.45 g·kg-1以上时，灌溉水生产力逐渐下降。

灌溉对甜高粱生长特征与水生产力具有一定影响，但各处理间差异不显著(图4)。

图2 不同土壤条件下甜高粱灌溉水生产力Fig.2 Irrigation water productivity of sweet sorghum with different soils

图3 甜高粱灌溉水生产力与土壤粘粉粒、有机质和全氮含量的关系Fig.3 Relationships of sweet sorghum irrigation water productivity with silt+clay content,organic matter content and total nitrogen content in the soil

3 讨 论

3.1 灌溉对甜高粱生长特征与灌溉水生产力的影响

作物生长性状与水生产力受土壤质地和灌溉等多种因素的综合影响[2]。针对藜谷和马铃薯等作物的研究表明，充分灌溉较节水灌溉能促进作物对养分的吸收利用，提高光能利用率，促进茎叶生长，有利于产量的提高[11,17]。而对棉花的研究表明，节水灌溉后棉花茎叶生物量较充分灌溉有所提高，但籽棉产量持平或有所提高[2,32]。解婷婷等[29]在河西走廊的研究表明中度干旱胁迫下甜高粱的生物产量和水分利用效率均最高。本研究表明，在充分灌溉条件下，甜高粱茎粗高于节水灌溉，但差异不显著，且其它生长特征、生物量、灌溉水生产力均低于节水灌溉。本研究结果表明在肥料充足的前提下，充分灌溉不能促进甜高粱产量提高，I1、I2生物量较I3提高6.30%和3.17%，且灌溉水生产力急剧降低，分别降低48.8%与20.4%；同时土壤水分含量过多会导致作物营养品质下降，I2、I3甜高粱茎秆汁液锤度较I1分别降低2.39%与2.04%。已有研究证明，土壤水分胁迫抑制作物的生长发育，降低光合性能，从而导致作物减产，同时土壤水分含量过多或过少均不利于作物产量提高[29,33]。因此，可通过优化灌溉措施实现甜高粱节水与增产的协调。

图4 灌溉量与甜高粱生物量、灌溉水生产力回归关系Fig.4 Relationships of irrigation with sweet sorghum yield and irrigation water productivity

3.2 土壤质地对甜高粱生长特征与灌溉水生产力的影响

土壤理化性质决定土壤对作物生长的水肥供应能力，与作物的生长特征和灌溉水生产力密切相关[11]。随着社会发展与人口扩张，干旱区绿洲面积不断扩大，由于不同的开垦年限与灌溉水平，绿洲土壤性状呈现较大差异。砂壤土和壤砂土耕作时间较长，土壤保肥透气能力较好，导致根系主要分布层土壤水分和养分条件好，能较好的促进作物的生长；然而砂土土壤结构与保水保肥能力较差，土壤田间持水量较低，导致根系主要分布层土壤水分、养分条件较差，导致在相同水肥条件下水肥利用效率降低，不利于作物的生长发育[8,24,34]。本研究中，除茎秆汁液锤度外，砂土种植的甜高粱生长特征均与灌溉水生产力低于壤砂土和砂壤土，且生物量与灌溉水生产力差异显著(P<0.05)，这与其它区域不同作物研究结果一致[2,15,17]。表明甜高粱适合种植于砂壤土和壤砂土。不同土壤质地对甜高粱茎秆汁液锤度影响存在差异，主要由于不同质地土壤的持水能力差异较大。前人研究表明适当的减少土壤水分有助于甜高粱植株糖分的积累，提高茎秆汁液锤度，但土壤水分过低会影响糖分累积，降低茎秆汁液锤度[34-35]。在本研究中，砂土S3甜高粱茎秆汁液锤度最高，然而砂土S4则最低，且砂土S3、S4甜高粱生物量与灌溉水生产力均较低。主要原因在于土壤持水能力差异(表1)；相同灌溉条件下，砂土中能被甜高粱吸收利用的水分较少，影响了甜高粱生物量的积累，导致其灌溉水生产力较低。适当的水分胁迫有利于发育过程中糖分的积累[36]，导致砂土S3甜高粱茎秆汁液锤度最高；但S4土壤持水能力极差，导致甜高粱生长过程中水分胁迫较大，不利于其糖分含量的积累，最终导致砂土S4甜高粱茎秆汁液锤度最低。表明适当的水分胁迫有利于甜高粱糖分的累积。

土壤基本理化性质与甜高粱生长特征与灌溉水生产力的相关性结果表明，除茎粗与节间数和土壤基本理化性质存在显著相关性外，甜高粱其它生长特征和灌溉水生产力与土壤基本理化性质相关性均不显著(表4)。除容重与甜高粱生长特征和灌溉水生产力呈现负相关关系，其余均呈现正相关关系；汁液锤度则相反，与容重呈现正相关关系。研究结果进一步表明在黏粉粒含量越低、砂粒含量越高、容重越大的土壤中，甜高粱生长与灌溉水生产力均越低[31]，但茎秆汁液锤度则越高。表明甜高粱适合种植于砂壤土和壤砂土，且适当的水分胁迫有利于甜高粱糖分含量的积累。同时表明，在干旱区绿洲应结合土壤质地选择不同类型的甜高粱，其中饲用甜高粱适合种植于砂壤土和壤砂土，糖用甜高粱适合种植于砂土。

表4 土壤基本理化性质与甜高粱生长特征和灌溉水生产力的相关分析Table 4 Correlation analysis of soil physicochemical properties and growth characteristics of sweet sorghum and irrigation water productivity

4 结 论

甜高粱的生长特征与灌溉水生产力均受土壤质地和灌溉水平的交叉影响。与I3灌溉处理相比，I1和I2甜高粱茎秆生物量分别增加了7.81%和3.57%，地上部分生物量增加了6.30%和3.17%。随灌溉量的降低，甜高粱灌溉水生产力显著增加，I1和I2分别较I3的2.44 kg·m-3提高了48.8%和20.4%。除茎秆汁液锤度外，甜高粱其它生长特征和灌溉水生产力总体表现为砂壤土>壤砂土>砂壤土>砂土。灌溉水生产力与土壤质地呈现多项式关系，土壤黏粉粒与养分含量过高会导致灌溉水生产力的降低；提升增加灌溉量对于产量的提升不显著，但显著降低了灌溉水生产力。表明甜高粱适合种植于砂壤土和壤砂土，且适当的水分胁迫有利于甜高粱糖分含量的积累。