不同耕作措施对枸杞土壤水热动态、生长及果实产量与品质的影响

王嘉昕，高晓东，赵西宁，周艳清，吴普特

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 4.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

土壤水分作为陆地表面与大气循环中的重要一环，不仅能通过陆面蒸发、地表径流等直接影响水文循环，也能通过影响植株生长、光合作用等间接影响全球碳循环，在全球能量与水资源循环中扮演着重要角色[1-2]。同时，土壤水分在农业上，尤其是对作物生长、产量、农业灌溉制度制定等方面都具有重要的影响[3]。我国西北地区年降水量少，年际、年内降水量差异大，土壤含水量低是限制其作物产量增长的主要原因[4]。针对这个问题，前人研究提出了多种农艺保护措施如雨水集聚入渗技术[5]、农林复合系统[6]、耕作覆盖技术[7-9]，但是这些研究主要集中在降雨量在300～800 mm之间的半干旱和半湿润地区，而针对降雨量在300 mm以下的干旱地区的研究较为缺乏。青海省柴达木盆地是我国重要的内陆河灌溉农业区，其中枸杞是其代表性经济作物，目前柴达木盆地已经发展成为是全国第二大枸杞主产区，枸杞种植面积超过4.5万hm2，成为当地农牧业经济稳步发展、支撑农牧民增收致富的重要支柱产业。但是降水量少、地下水储量低是青海农业经济发展必须面对的紧迫问题。根据海西州气象资料显示，多年平均降水量仅约为200 mm[10]，无法满足枸杞作物需水要求。此外，严寒、土壤贫瘠也制约着当地农业的发展。研究表明，由于起垄覆盖措施可以有效地减少土壤蒸发并能通过垄作收集雨水，促进雨水入渗供沟内种植作物吸收，因此被广泛地应用于半干旱地区[11]。Mo等[8]研究表明，在肯尼亚半干旱农区，垄沟覆膜可以有效提高土壤储水量，并为作物生长初期提供舒适的土壤温度，促进作物生长和干物质积累，并提高作物产量和水分利用效率。目前，垄沟覆膜措施已被证明可以有效地提高中国西北半干旱半湿润地区玉米[12-13]、小麦[14]、苜蓿[15]和马铃薯[16]的产量和水分利用效率。但是，垄沟覆膜措施是否能够运用于西北内陆旱区农地还有待进一步深入研究。此前在青藏高原进行的研究表明[17-18]，平地覆膜可以通过改善土壤水热条件有效提高牧草产量，但是对于采用垄沟覆膜措施对土壤水热条件、作物生长及产量的影响少见报道。为此本研究基于当地平地裸土耕种的种植方式，选取平地裸地处理、平地覆膜和垄沟覆膜3种种植方式，探究这3种耕作措施下土壤水分、温度动态变化过程，并比较不同耕作措施下的枸杞生长、产量以及水分利用效率，以期为干旱内陆河灌区农业发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处柴达木盆地东北部，位于青海省海西州德令哈市的怀头他拉灌区(96°44′19″E，37°21′35″N，海拔2 869 m),年均日照时数达到3 554 h，总辐射量达到690～733 kJ·cm-2。多年平均降水量约为200 mm，降水主要集中在6—8月份，多年平均气温约为4.3℃，年蒸发量约为2 400 mm。试验地土壤质地为砂砾石土，0～40 cm土壤沙粒含量78%，粘粒、粉粒含量分别占11%和11%，有机质0.34%，总氮、总磷、总钾含量分别为0.037%、0.051%、2.35%。田间持水量为0.17 g·g-1，容重1.55 g·cm-3。

1.2 试验布设与观测

试验对象为4 a生枸杞，株高约1 m，每年4月初进行枸杞枝条修剪。试验选取3种耕作方式：(1)垄沟覆盖地布处理(MR)；(2)平地覆盖地布处理(MF)；(3)平地裸地处理(CK)。地布覆盖材料为黑色园艺地布(厚度为0.08 mm)，MF处理直接将地布覆盖在地表，MR处理将地布覆盖在垄沟上，MR处理垄高10 cm、宽32 cm，沟宽22 cm。每个处理有3个重复小区，小区面积30 m2(1.5 m×20 m)，枸杞株行距为1 m×1.5 m，采用完全随机区组设计。所有处理采用统一的地表滴灌方式，一年灌溉6次，每次灌水量约13 mm。2018年试验测定时段为整个生长季，依据枸杞生长特征，具体划分4个生育期，分别为：萌芽展叶期(5月28日—6月19日)、开花坐果期(6月20日—7月14日)、果实采摘期(7月15日—9月18日)、休眠期(9月19日—9月28日)。在各生育期内，从每个小区选取3株长势一致、具有代表性的枸杞植株，计量株高、地径(距离地表10 cm处株径)和叶面积指数。分别采用卷尺和游标卡尺测定株高、地径，叶面积指数采用LAI-2200C冠层分析仪测定；在果实采收期，每个处理随机选取100颗鲜果，用游标卡尺测量鲜果果径、果长，之后鲜果样冷藏送至西北农林科技大学测试中心进行果品测样。各处理产量由精度为0.1 g的电子天平测定。试验地气象数据由微型气象站实时监测获得，得到整个生长季降雨量为141.8 mm。通过ECH2O土壤水分测量系统(5TM传感器+EM50数据采集器，Meter group，USA)对各处理土壤剖面水分温度动态变化的实时监测，传感器埋深分别为20、40、60、80、100 cm，监测频率每小时测定1次。不同处理的棵间日土壤蒸发量由微型蒸渗仪(桶高20 cm、宽12 cm)观测获得，微型蒸渗仪置于两棵树间无冠层遮盖的位置，埋深为地表下20 cm处。MF处理下微型蒸渗仪埋在土里后并用原布覆盖，MR处理下微型蒸渗仪埋在沟内并用原布覆盖。利用地表蒸渗仪(桶深60 cm、直径40 cm)观测各处理的枸杞蒸散发量，枸杞种植于桶内，生长状况、耕种措施与大田一致。另外，水分利用效率WUE(g·kg-1)计算如下：

WUE=Y/ET

(1)

其中，Y为产量(kg·hm-2)，ET为作物整个生长季的蒸散发量(mm)。

土壤储水量SWS(mm)计算如下：

SWS=SWC×h

(2)

其中，SWC是土壤体积含水率(%)，h指土层深度(mm)。

土壤累积温度(℃)计算如下：

(3)

其中，Ad是d深处土层的累积温度(℃)，n是时间天数，tdi指d深处土层的日平均温度(℃)。

1.3 统计分析

数据的统计分析使用Microsoft Excel 2013和SPSS 18.0软件，绘图使用Origin 8.0软件，图表中的数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同耕作覆盖措施对土壤水分和土壤温度的影响

图1为不同处理不同深度土壤水分的日观测均值。由于雨水和灌溉水补给有限，不同处理的各层土壤含水率整体较低，均在20%以下。20 cm和40 cm浅层土壤在整个生长季动态变异明显，但60 cm深度及以下土层深度各处理的土壤水分在研究期间差异小，变异程度低，且土壤含水率日观测值均维持在12%以下(100 cm土层土壤含水率仅约为6%)，表明降水和灌溉水对深层土壤水分的补给有限，同时考虑到试验地的残余含水率为5%，我们认为100 cm土层的土壤含水率无法被作物吸收利用，枸杞根系主要吸收利用80 cm以上的浅层土壤水。地布覆盖处理有效提高了0～100 cm观测层的土壤含水率，在发生降水/灌溉事件之后，与CK相比MR和MF有效贮存了更多的土壤水分，随后3个处理的土壤含水率趋于一致，并于之后的降雨事件后再次呈现出差异。由于试验地处于极端干旱地区，无覆盖措施的CK地表无效蒸发更加强烈，较MR和MF更难保水。图2为各处理不同生育期土壤储水量垂直分布图，在萌芽展叶期(I)，MR处理计算的土壤储水量高于MF、CK两个处理；MR处理10～110 cm土层储水量与CK相比提高25.8 mm。这可能是由于枸杞刚开始生长时耗水不强烈，而垄沟覆盖有效提高了土壤的储水量；而在开花坐果期(II)MR处理与另外两个处理的储水量差异缩小；与CK相比，MR处理在10～50 cm土层储水量提高5.7 mm，50～110 cm提高5.2 mm；MF处理在10～110 cm土层仅比CK提高3.8 mm，这可能是由于垄沟覆盖地布措施有效促进作物生长，从而根系吸水强烈，进而导致MR更多的土壤水分被消耗。在果实采摘期间(III)MR和CK保持类似的剖面土壤水分变化趋势，而在70～110 cm土层MR具有更高的储水量；MF与MR处理储水量近似，较MR在10～30 cm土层具有更高的储水量，增加量为4.5 mm。在枸杞休眠期(IV)，地表10～50 cm土层储水量各处理无明显差异，但在深层50～110 cm土层地布覆盖处理下土壤储水量高于CK处理，表明地布覆盖和垄沟措施可以有效提高土壤储水量。在整个生长季，MR和MF处理10～110 cm土壤储水量较CK分别提高16%和6%。

前人研究认为枸杞的根系活跃层主要集中在0～40 cm[19]，因此本文只分析20 cm和40 cm的日土壤温度值，其动态变化和积温情况如图3所示。不同处理和不同深度土壤温度呈现单峰变化趋势，均在7月底和8月初达到峰值，其中20 cm土层可达28℃以上；40 cm土壤温度略低于20 cm，但是增温和降温过程均没有呈现明显的滞后现象。相比于平地裸地(CK)，地布覆盖起到了显著的增温作用。在20 cm土层MR处理下的土壤保持较高的土壤温度，与CK相比整个生长季的累积温度显著(P<0.05)提高，达到59 012℃，MF处理次之，达到57 172℃。在40 cm土层，MR处理累积温度与CK比较仍显著提高，达57 438℃。整个生长季内0～40 cm土层MR处理比CK提高4 755℃。在干旱高寒农业区，严寒是制约作物初期生长的一个重要限制因子，地布覆盖措施有效地提高作物根区土壤温度，有利于枸杞根系吸收利用土壤水分和养分，进而促进其生长和提高产量。

2.2 不同耕作覆盖措施对土壤蒸发和作物蒸腾的影响

不同处理下土壤棵间日蒸发结果如图4所示。裸地处理日土壤蒸发速率明显高于地布覆盖处理，蒸发速率最大值出现在枸杞开花坐果期，达4 mm·d-1。而当枸杞进入开花坐果末期后(7月1号)，各处理日土壤蒸发量开始减少。当发生降水或者灌溉后，土壤日蒸发量显著增大，然后逐渐降低。整个生长季CK累积蒸发量显著高于MF和MR处理(P<0.05)，整个生长季MR处理下土壤蒸发量为56.3±3.2 mm，MF处理为62.0±4.1 mm，而CK土壤蒸发量达到93.7±4.7 mm，比MR处理增加40%。然而，整个生长季CK的累积蒸腾量显著低于MF和MR(P<0.05)(图5)，这主要是因为由地表蒸渗仪计算的各处理累积蒸散发量接近(CK为189.1±27.6 mm，MF为193.3±22.8 mm，MR为214.7±24.2 mm)，而CK处理接近一半的水分都消耗在了无效土壤蒸发上，导致枸杞根系所能吸收利用的土壤水分有限。

2.3 不同耕作措施对枸杞生长参数的影响

不同处理枸杞生长参数的统计结果如图6所示。在整个生长季的多次测量中，株高表现均为MR>MF>CK，但不同处理之间均无显著差异。在枸杞萌芽展叶和开花坐果期间，观测到各处理株高的快速增长，之后的生长阶段各处理下的枸杞株高无明显变化。此外，在枸杞果实采摘期间，同时观测到各处理的最大株高、叶面积指数数值，MR处理在整个生长季较另外两个处理拥有更大的叶面积指数，CK处理最小。表1为不同处理枸杞地径的观测结果。在萌芽展叶期，MR处理下的枸杞地径显著高于另外两个处理(P<0.05)。在夏果、秋果采摘初期观测到MR处理下枸杞地径显著高于CK处理(P<0.05)；之后的生长季内，各处理地径无显著差异。需要注意的是，在7月末至8月初，夏果采摘后秋果采摘前，出现了枸杞植株收缩的现象，表现为在8月初枸杞株高、叶面积指数以及地径的观测值均出现减少。

表1 不同耕作措施下枸杞地径生长情况

2.4 不同耕作措施对产量、水分利用效率及品质的影响

不同处理下枸杞产量和品质的统计结果如表2所示。可以看出，MR处理枸杞果径(夏果9.36±0.09 mm，秋果8.65±0.13 mm)、果长(夏果121.40±17.47 mm，秋果339.18±52.41 mm)和单株产量(夏果121.40±17.47 g，秋果339.18±52.41 g)均显著高于另外两个处理(P<0.05),其次是MF处理。虽然CK处理枸杞果径、单株产量在夏果采摘期内均最低，但在秋果采摘期产量却增长迅猛，甚至单株产量超过MF处理。枸杞总产量MR处理最高，达到1 312.17 kg·hm-2，比CK增加16%，其次是MF处理，达到1 179.9 kg·hm-2。MR和MF处理产量的提高可能与其水分条件改善密切相关。水分利用效率MR>MF>CK，MR较CK水分利用效率提高3%，但是并未观察到显著性差异。由表3可知，各处理之间除总酸含量MR显著高于MF处理外(P<0.05)，不同处理果实Vc含量和总糖含量未发现显著性差异。

表2 不同耕作措施下的枸杞子产量

表3 不同耕作措施下的枸杞子品质

3 讨 论

在干旱半干旱地区，地布覆盖与垄沟技术相结合的垄沟覆盖技术，可以通过起垄将雨水集蓄在沟内以显著提高土壤有效水含量[11,20]。假设垄沟覆盖系统的保水保温能力保持不变，在枸杞萌芽展叶阶段，MR处理下的枸杞根区土壤储水量显著高于另外两个处理，而差异在枸杞开花坐果和果实采摘期逐渐缩小(图2)，这可能是由于在营养生长期，MR的土壤温度高、储水量大，促进了根系的生长发育，导致耗水量变大，进而缩小了3个处理之间的土壤储水量差异。如图6所示，MR处理下的枸杞株高、叶面积指数明显增加，这会导致更高的水分和养分吸收能力[21-22]。在果实采摘期间，10～30 cm土层同为地布覆盖措施的MF较MR处理具有更高的储水量(图2)，这可能也是由于MR处理枸杞的根系吸水更为强烈，导致土壤水分被更多地消耗，而与MF相比土壤储水量较低。MF措施虽然可以抑制土壤蒸发，提高浅层土壤含水量，却没有垄沟的集蓄入渗功能，无法保持更高的深层土壤储水量。此外，在整个生长期内各处理土壤储水量在100 cm深度内保持不变，且仅仅维持在6%左右，接近土壤残余含水率，表明枸杞根系主要吸水区域未达到地表以下1 m，这与前人研究结果类似[23]；除气象条件外，浅层根区也可能部分归因于地表滴灌的灌溉方式或者土壤质地的影响[24]。

Chang[25]研究结果表明，地布覆盖可以有效提高土壤温度，这与本研究结果相一致。主要是因为覆盖层阻碍了土壤和空气之间的水分交换，从而减少了土壤与空气之间的潜热通量交换[26]。特别是本研究试验场地代表了典型的高山干旱地区，严寒是限制作物生长和增产的主要因素之一，秋季温度的快速下降通常会导致作物的正常成熟受阻。虽然一些研究表明，超过40 d的薄膜覆盖是不必要的，甚至对作物发育产生不利影响[27]，但此类结果在我们研究的气象条件下未明显观测到，这表明在高寒农业区长期地布覆盖是一种增温保墒促进作物生长的有效措施已有研究表明覆盖措施可以有效减少土壤蒸发，储存更多的土壤水供植株生长所需[28]，这与本研究观测到的结果类似(图4，图5)。关键原因是地布覆盖可以通过限制土壤和空气之间的水分交换来有效地抑制由土壤蒸发所造成的水分流失[29]。而对于本研究中发现的MR措施下的蒸发显著低于MF措施下的蒸发，这可能是由于垄沟促进水分的深层入渗从而减少地表水蒸发[30]。

快速稳定的生长对作物产量很重要[31]。本研究发现，垄沟覆盖地布条件下的枸杞生长最好，其次是MF，这反映在测量的植株生长参数中(表1)，先前研究也报道了类似的结果[32]。这有两种可能的解释：首先，地布覆盖措施改善了浅层土壤的水热条件从而促进作物的生长[33]；其次是由于垄沟系统有助于增加深层土壤含水量，进而有利于植物在补充降水或灌溉水很少或没有时利用深层土壤水生长。本研究还发现，在7月下旬至8月上旬期间，枸杞表现出休眠现象(图6)，这可能归因于枸杞的生长生理特性或气象条件的变化[34-35]。尽管如此，枸杞在MR措施下的收缩现象变化最不明显，这表明在青藏高原MR措施可以保证作物稳定地生长。

提高产量和水分利用效率是我国西北干旱地区农业研究的主要目标[36]。之前的研究已经证明，覆盖是提高作物产量和水分利用效率的有效方法[37-38]。这是由于覆盖可以有效地减少土壤蒸发[29]，以便通过蒸腾保留更多的水用于作物生长[13]。本研究结果表明，未覆盖地布处理的蒸散发量较低，这与前人研究结果类似[39]。同时，尽管MR和MF处理的蒸散发量高于CK，但蒸发量远低于CK，这意味着MR和MF有更多的水被分配到植物蒸腾作用。此外，与CK相比，MR和MF处理提高了枸杞子产量，并有效增大枸杞子的果径和果长。因此，本研究结果可为干旱高寒农业的可持续发展提供技术支撑。

4 结 论

本研究以青藏高原干旱内陆河灌区枸杞为对象，基于高频率连续定位观测数据分析了多种耕作覆盖措施对灌区土壤水热、蒸散发和作物生长情况开展了研究，发现垄沟覆盖地布处理表现出良好的增温保墒作用，与平地裸地种植相比，20 cm和40 cm土层积温显著(P<0.05)提高,并使10～110 cm土壤储水量提高达16%。同时覆盖措施有效抑制土壤蒸发量，与平地裸地种植相比，垄沟覆盖措施有效抑制土壤蒸发量40%，这为枸杞开花坐果提供了良好的水热环境，促进了枸杞果树的生长和产量的提高，枸杞生长期内观测到的株高、叶面积指数均大于平地裸地种植，但没有发现显著性差异(P<0.05)，枸杞地径的观测值在枸杞生长前期显著高于平地裸地种植(P<0.05)。在7月末至8月初，夏果采摘后秋果采摘前出现了枸杞植株收缩的现象，表现为在8月初，枸杞株高、叶面积指数以及地径的观测值均出现减少。垄沟覆盖地布处理下的枸杞子果径、果长、单株产量和总产量均优于另外两个处理，实现了更高的水分利用效率。但是垄沟覆盖措施对枸杞子Vc含量、总糖含量等果实品质指标无显著性影响。综上所述，垄沟覆盖地布措施不仅适用于半干旱和半湿润地区，对寒旱区作物实现增产和水分利用效率提高也效果显著，值得在干旱内陆河灌区进行推广。