不同灌溉方式对苜蓿土壤水分与灌溉水利用效率的影响

马明杰,赵经华,李冬民,杨胜春,王克贤,李 池

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052;2.克拉玛依绿城农业开发有限责任公司,新疆克拉玛依 834000)

0 引 言

【研究意义】水资源短缺严重威胁农业的发展[1]。新疆水资源时空分布极不平衡[2, 3]。水资源匮乏影响农牧业生产[4-7]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是高蛋白的豆科饲草作物[8-12]。2020年优质苜蓿新增种植面积超过20×104hm2,主要种植区位于西北干旱半干旱地区[13, 14]。苜蓿耗水量较大,每产出1 g的干物质需水约700～800 g的水[15]。寻求如何节约有限的水资源,提高灌溉水的利用效率,减弱干旱对农牧业的胁迫,对干旱半干旱地区水资源高效利用有重要意义。【前人研究进展】陶雪等[16]研究表明,浅埋滴灌埋深30 cm的土壤含水率高于喷灌、畦灌、无灌水处理的土壤含水率,同时苜蓿株高、茎粗、分枝数和产草量能有效提高,干草产量比喷灌处理提高了10.56%。郭学良等[17]研究表明,浅埋滴灌埋深15 cm相比较喷灌和漫灌不仅能降低杂草危害还能有效增产,且滴灌较喷管的节水率提高了13.3%。彭文栋等[18]通过研究发现,地下滴灌与浅埋式滴灌的苜蓿产量和水分效率均优于喷灌。【本研究切入点】由于苜蓿根系不耐淹,故漫灌在其灌溉中应用较少,喷灌在苜蓿灌溉中应用较为广泛。喷灌的类型多种多样,且不同类型喷灌有不同的灌水效果。需研究干旱半干旱条件下苜蓿的灌溉方式。【拟解决的关键问题】设置埋深10 cm的浅埋滴灌、滚移式喷灌和指针式喷灌3种灌溉方式的田间试验,对比研究不同灌溉方式对土壤含水率、苜蓿产量、灌溉水分利用效率和灌溉水生产效益的影响,分析不同灌溉方式对农田土壤含水率和苜蓿生长的影响,为苜蓿的种植选择科学合理的灌溉方式提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年在克拉玛依市农业综合开发区试验田进行,(N46°8′,E84°44′),海拔高度304 m左右。多年平均气温为8.3℃,日照时数2 711 h,占可照时数的61%,无霜期200 d左右,属于典型的温带大陆性干旱荒漠气候。年均降水量为109 mm,蒸发量是降水量的26倍,多年平均风速3.4 m/s,多年平均最大冻土深163 cm。试验地土壤为湖泊干沼土,土壤质地以壤质土为主。地表至地下40 cm平均容重1.33 g/cm3,最大田间持水量32.86%。试验区深度0～60 cm土壤化学特性:有机质10.86 g/kg、全氮0.43 g/kg、全磷0.88 g/kg、全钾20.46 g/kg、碱解氮31.56 mg/kg、速效磷6.25 mg/kg、速效钾104.97 mg/kg、pH值6.93。

农业综合开发区灌溉用水主要靠管道引水灌溉,每年水库大约供水1×108m3,灌溉方式采用滴灌、喷灌。2009年灌溉用水量的增加导致开发区约66%的土地地下水位埋深小于4 m,但水位上升速度减小至0.42 m/a。2013年地下水位仅上升了0.02 m,2016年上升至2.6 m。2009年时开发区四周及开发区中心“洼地”地下水位上升量较小,平均为6 m,试验区近年水位在3～4 m。选用建植6年的“三得利”紫花苜蓿作为试验品种。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置3个处理,分别是滚移式喷灌W1(Rolling sprinkler irrigation)、指针式喷灌W2(Pointer sprinkler irrigation)、浅埋滴灌W3(Shallow buried drip irrigation)3个处理,各有3个重复,共9个小区。表1,图1

表1 不同灌溉方式种植紫花苜蓿试验设计

图1 苜蓿种植模式及智墒的布置

苜蓿施肥在第一茬返青期前,采用的施肥量具体为氮肥用量300 kg/hm2,钾肥用量150 kg/hm2,磷肥用量375 kg/hm2,每茬苜蓿刈割后追施磷酸二铵90 kg/hm2,尿素60 kg/hm2。灌溉水由输水管道上的水表记录。在第一茬、第二茬、第三茬期间均采用无人机打药,主要防治苜蓿叶象甲、苜蓿青虫、蚜虫。苜蓿第一茬的时间4月20日～5月31日、第二茬的时间6月1日～7月8日、第三茬时间7月9日～8月9日、第四茬时间8月10日～9月30日。表2

表2 苜蓿灌溉制度

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤含水率

采用北京东方润泽生态科技股份有限公司生产的智墒。在每个重复苜蓿主根一侧布置1根智墒管,每根智墒管的观测深度为10、20、30、40、50、60、70、80、90和100 cm,每月10日、20日、30日记录1次。

1.2.2.2 苜蓿收割

各处理小区的上中下部分分别收割2 m2,风干至含水量低于18%时(风干1～2 d,到用手可以将苜蓿干清脆的掰断时),称干草重,再取各处理3个重复的平均值并折算出单位面积产量。

1.2.2.3 灌溉水利用效率

各处理苜蓿各茬风干草的产量(kg/hm2)除以各茬灌溉水量(m3)得到灌溉水利用效率。

1.2.2.4 产 量

苜蓿风干草全年产量(kg/hm2)乘以1.60元/kg(该年度苜蓿市场价格)减去苜蓿种植全年投入成本(元/hm2)。

1.2.2.5 苜蓿水分利用效益

苜蓿一年纯利润除以全年生育期灌溉水量(m3)得出水产值(元/m3)。

1.3 数据处理

利用Excel2016软件进行数据整理、简单统计分析和Origin2021软件绘图,用SPSS25.0软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式土壤水分变化

研究表明,浅埋滴灌显著高于指针式喷灌和滚移式喷灌处理(P<0.05),表现为浅埋滴灌>指针式喷灌>滚移式喷灌,浅埋滴灌较指针式喷灌和滚移式喷灌处理高出6.96%、8.04%。在地表以下10 cm处浅埋滴灌的土壤含水率与喷灌差异性显著(P<0.05),指针式喷灌与滚移式喷灌差异性不显著(P>0.05),表现为浅埋滴灌>滚移式喷灌>指针式喷灌。在地表以下20 cm处浅埋滴灌与2种喷灌差异均显著(P>0.05),表现为浅埋滴灌>指针式喷灌>滚移式喷灌。表层(0～30 cm)土壤的土壤含水率偏高,主要因为灌溉方式不同导致喷灌地表土壤板结,毛细现象及无效蒸发强烈,浅埋滴灌直接将水输送至耕作层土壤,减少了地表无效损失。在40～100 cm的土层中浅埋滴灌的土壤含水率均显著高于指针式喷灌和滚移式喷灌的土壤含水率(P<0.05)。指针式喷灌的土壤含水率略大于滚移式喷灌的土壤含水率,但指针式喷灌的土壤含水率与滚移式喷灌的土壤含水率的差异性并不显著(P>0.05)。浅埋滴灌、滚移式滴灌、指针式喷灌的土壤含水量曲线呈现单峰变化,峰值大都出现在40～70 cm的土层,与该土层土壤土质有关,0～40 cm为重壤土,40～90 cm为偏沙性的壤土再往下为粘性土。图2

注:小写字母表示差异性

2.2 不同灌溉方式对紫花苜蓿产草量的影响

研究表明,浅埋滴灌的全年产量最高,为15 094.10 kg/hm2。较滚移式喷灌、指针式喷灌全年产量具有显著差异(P<0.05),分别提高了7.15%、6.67%。全年3种灌溉水方式四茬产量的平均值分别占总产量平均值的41.22%、23.41%、18.31%、17.05%各茬次的产量逐渐减小。3种灌溉方式下第一茬苜蓿产量对全年产量贡献最高,分别占全年产量的41.18%、41.26%、41.22%。第三茬浅埋滴灌与指针式喷灌处理的干草产量相差不大(P>0.05),浅埋滴灌与滚移式喷灌处理、指针式喷灌处理的第一茬、第二茬、第四茬的干草产量均显著(P<0.05)。第一茬的产量接近全年总产量的一半,注重第一茬苜蓿的田间管理,避免病虫害等的发生是保证全年产量的关键工作。表3

表3 不同处理各茬苜蓿风干草产量变化

2.3 不同灌溉方式对灌溉水利用效率的影响

研究表明,灌溉方式与灌溉水利用效率存在明显的关系。不同灌溉方式苜蓿的灌溉水利用效率有明显的变化表现为浅埋滴灌>移式喷灌>指针式喷灌,浅埋滴灌的值最高为2.84 kg/m3,与滚移式喷灌和指针式喷灌的差幅分别为40.59%、41.29%。各种灌溉方式全生育期均表现出相似的规律,后面三茬苜蓿的灌溉水利用效率显著小于第一茬(P<0.05),四茬的灌溉水利用效率差异不显著(P>0.05),第一茬的平均灌溉水利用效率表现最高,为2.97 kg/m3,比后三茬平均高出了33.78%、54.68%、44.87%。表4

表4 不同灌溉方式下灌溉水利用效率

2.4 不同灌溉方式对灌溉水生产效益的影响

研究表明,浅埋滴灌与滚移式喷灌、指针式喷灌的水分利用效率分别是2.83、1.98、1.97 kg/m3,分别提高了43.65%、0.5%,差异性显著(P<0.05)。浅埋滴灌与滚移式喷灌、指针式喷灌的纯利润分别是6 263.56、4 380.55、4 480.70 元/hm2,分别提高了37.86%、34.69%。浅埋滴灌与滚移式喷灌、指针式喷灌差异性显著(P<0.05),滚移式喷灌与指针式喷灌差异性不显著(P>0.05)。3种处理单位体积水产值分别为4.64、3.28、3.27元/m3,浅埋滴灌相比较滚移式喷灌和指针式喷灌各提高了41.89%、0.3%。不同灌溉方式下单位体积水产值和单位体积水利润均是浅埋滴灌最优。表5

表5 不同灌溉方式下的灌溉水利用效率与效益比较

3 讨 论

3.1不同的灌溉方式会影响作物的生长发育,是因为可以提高作物产量和灌溉水利用效率以及土壤含水量[12, 19]。试验研究发现浅埋滴灌的表层土壤含水量高于指针式喷灌和滚移式喷灌,与

郭学良、陶雪等[16, 17]研究结果相似。郭学良等[17]认为喷灌相比较浅埋滴灌更容易使土壤表层板结,试验地气候干燥、光照时间长等因素使毛细作用加强,棵间蒸发变大而丢失大量水分导致的。浅埋滴灌是将水直接注入作物根系附近的土壤中,所以大部分水存在被根系吸收利用的可能,当植被覆盖率高时,只有少部分渗到地表的被蒸发。喷灌灌溉时凌空喷出的水雾会随风飘散,干燥的气候也会造成大量的的水汽蒸发,其损失不能忽略[16]。由于埋深10 cm的浅埋滴灌埋深浅,表层土壤的土壤水分含量很高,无效蒸发也很大[18]。土壤含水量呈现单峰变化与张树振等[20]的研究结果相似。郭学良等[17]研究发现,埋深15 cm的浅埋滴灌的灌溉水量主要集中在10～35 cm的土层中,喷灌灌溉水量主要集中在10～40 cm的土层中。研究表明,埋深10 cm的浅埋滴灌和喷灌的土壤含水量峰值都出现在40～60 cm深度的土壤中。造成灌溉水峰值不同的原因是郭学良等[17]所在试验地土质为粘土,导致灌溉水的水平扩散大于垂直扩散。彭文栋等[18]研究结果表明,埋深10 cm的浅埋滴灌与喷灌灌溉水主要在40～60 cm,与研究结果一致。浅埋滴灌在保持土壤水分含量方面更优于指针式喷管和滚移式喷灌。在种植苜蓿时优先选择浅埋滴灌作为灌溉方式。

3.2研究表明,整个生育期不同茬次间灌溉水利用效率有明显的差异,随收获茬数的增加,产量和灌溉水利用效率降低,与张前兵等[21]得出的结论相似。主要原因第三、四茬气温降低,日照时间变短导致光合能力减弱,有机物的积累减少,并且收割的茬数对苜蓿的活性也有负面效应。因此,气候、茬次、灌溉量灌溉方式等条件影响紫花苜蓿水分利用效率[22]。研究表明,第一茬苜蓿的产量占全年产量的41.2%,与张前兵[23]、彭文栋等[18]的研究一致。赵经华[24]、李天琪等[25]研究表明苜蓿产量各茬呈现先曾后减的趋势,与研究发现存在差异,可能为各茬灌水量的不同,赵经华等[24]的灌溉制度设计为全年同水平每次灌水量一致,李天琪等[25]的灌溉制度设计为第二茬灌溉水为全年灌溉水量的49.46%,试验浅埋滴灌第一茬灌溉水量占全年灌溉水量的34.37%。其余各茬逐渐降低。研究发现第三茬、第四茬苜蓿平均值分别占总产量平均值的18.31%、17.05%。差异并不显著,原因是第四茬苜蓿有机物积累的速度更低,但有机物积累的时间比前三茬多一半。浅埋滴灌与两种喷灌相比,浅埋式滴灌的苜蓿产量和灌溉水利用效率更优,结果与陶雪[26]及Grimes等[27]的研究一致。

4 结 论

浅埋滴灌的土壤平均含水量在试验期内是最高的,指针式喷灌与滚移式喷灌差异不显著。浅埋滴灌苜蓿的总产量和灌溉水利用效率最优,总产量较滚移式喷灌和指针式喷灌高出7.14%、6.67%,灌溉水利用效率分别高出43.65%、42.92%。浅埋滴灌单位体积水产值分别高出滚移式喷灌与指针式喷灌41.89%、41.46%。单位体积水利润分别高出90.47%、84.61%。 浅埋滴灌可以优先作为苜蓿种植的灌溉方式。