微潤(rùn)灌與滴灌對(duì)黃芪草地溫度與產(chǎn)量的影響差異

高天明，張瑞強(qiáng)，王 健，楊志勇，岳征文(1．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；．水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 01000)

0 引 言

黃芪為豆科多年生草本植物，入藥部位為膜莢黃芪或蒙古黃芪的干燥根，主要產(chǎn)自內(nèi)蒙古、山西、甘肅、黑龍江等地。黃芪有補(bǔ)氣升陽(yáng)、固表止汗、托毒排膿、利水消腫和生肌等功效[1]。近年來(lái)對(duì)于黃芪的研究表明，其具有增強(qiáng)機(jī)體免疫功能，促進(jìn)機(jī)體代謝，強(qiáng)心，降壓，耐缺氧及應(yīng)激能力以及調(diào)節(jié)血糖的功效[2]。目前對(duì)黃芪的需求越來(lái)越多，但是黃芪的來(lái)源匱乏，野生黃芪資源逐年減少，急需發(fā)展人工栽培來(lái)緩解國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)對(duì)于黃芪的需求[3]。同時(shí)，黃芪地上莖葉也是優(yōu)質(zhì)的飼草料，牛、羊、馬等大型牲畜均喜食。因此，黃芪作為飼藥兩用植物具有廣闊的應(yīng)用前景[4,5]。

微潤(rùn)灌溉是一種利用半透膜技術(shù)原理，用微量的水以緩慢滲透的方式向土壤給水，使土壤保持濕潤(rùn)的地下灌溉方式[6,7]。目前針對(duì)微潤(rùn)灌溉的研究在水分入滲特性[7]、分布規(guī)律及均勻性評(píng)價(jià)[7,8]、溫室蔬菜與果樹(shù)增產(chǎn)及水分利用效率[9,10]等方面取得一些重要成果。溫度對(duì)作物生長(zhǎng)影響很大，作物完成各物候期的生長(zhǎng)都需要適宜的溫度和一定的溫度積累，因此，溫度是保障作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要因子[11]。對(duì)于干旱牧區(qū)，以草地節(jié)水灌溉為支撐的集約化人工草地建設(shè)，已成為我國(guó)牧區(qū)提高草地生產(chǎn)力，保障養(yǎng)畜規(guī)模穩(wěn)定的有力措施[12]。目前針對(duì)黃芪在微潤(rùn)灌溉條件下的溫度及產(chǎn)量研究還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。因此本文以微潤(rùn)灌黃芪為研究對(duì)象，以滴灌黃芪為對(duì)照，研究不同灌溉方式條件下黃芪溫度、物候期及產(chǎn)量等差異，為這微潤(rùn)灌+黃芪這一高附加值節(jié)水型人工草地模式的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗希拉穆仁鎮(zhèn)境內(nèi)的水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所綜合試驗(yàn)基地(以下簡(jiǎn)稱基地)，地理坐標(biāo)41°12′ N～41°31′N，111°00′E～111°20′ E。中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春秋季干旱多風(fēng)，夏季雨量較多，冬季干燥寒冷。年均降水量279.4 mm，主要集中于夏季，年均蒸發(fā)量2 305 mm，年均氣溫2.5 ℃，年均日照時(shí)數(shù)3 100～3 300 h，無(wú)霜期83 d，年均風(fēng)速4.5 m/s，冬春以北風(fēng)和西北風(fēng)為主，年大風(fēng)日數(shù)為63 d，沙塵暴日數(shù)20～25 d。地帶性土壤為栗鈣土，質(zhì)地粗糙，土層厚度一般30 cm，鈣積層厚度一般30～50 cm。地帶性植被建群種植物為克氏針茅，伴生冷蒿、羊草、冰草、糙隱子草、銀灰旋花、狹葉錦雞兒等多年生旱生草本和小灌木?；厮谙＠氯什菰话阌?月下旬植物返青，至8月下旬進(jìn)入枯萎期。

1.2 試驗(yàn)小區(qū)布置

于2012年春季建植1 hm2試驗(yàn)小區(qū)，土壤為中強(qiáng)石質(zhì)沙壤土，較為粗糙，有機(jī)質(zhì)約3%，堿解氮16 ppm，速效磷4 ppm，速效鉀105 ppm，pH值8.3。將該試驗(yàn)小區(qū)等分為兩部分，兩部分間隔距離6 m，分別布置滴灌和微潤(rùn)灌田間管道，條播黃芪，行距50 cm。灌溉水源均為地下水，其中滴灌由光伏提水系統(tǒng)直接供水，微潤(rùn)灌則由光伏提水至儲(chǔ)水箱內(nèi)，儲(chǔ)水箱高2.5 m，由儲(chǔ)水箱為微潤(rùn)管供水。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)溫度測(cè)量：2014年4月27日，在試驗(yàn)田安裝溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該套溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共8個(gè)溫度傳感器，分別編號(hào)1號(hào)、2號(hào)…8號(hào)。在滴灌和微潤(rùn)灌試驗(yàn)田以“品”字型各選取典型地段3處，1號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)滴灌試驗(yàn)田3處典型地段中間地段的冠層氣溫，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)傳感器分別監(jiān)測(cè)3處典型地段的土壤15 cm深度處的地溫。5號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)微潤(rùn)灌試驗(yàn)田3處典型地段中間地段的冠層氣溫，6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)傳感器分別監(jiān)測(cè)微潤(rùn)灌試驗(yàn)田3處典型地段的土壤15 cm深度處的地溫。監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔均為1 h。

(2)產(chǎn)量測(cè)定：2012年8月26日和2013年8月14日測(cè)定地上飼草產(chǎn)量，2014年9月14日測(cè)定地下根莖產(chǎn)量。

(3)生長(zhǎng)測(cè)定：2014年生長(zhǎng)期內(nèi)，對(duì)滴灌和微潤(rùn)灌區(qū)的黃芪每隔10 d左右測(cè)量高度和記錄物候期。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理并作圖，采用spss17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)比

2014年生長(zhǎng)期內(nèi)，滴灌區(qū)共灌溉4次，分別為5月20日、5月30日、6月22日、7月17日白天(7∶00-18∶00)灌溉9～10 h。圖1中，滴灌區(qū)灌溉后，冠層氣溫在夜間(19∶00-6∶00)與微潤(rùn)灌區(qū)相差無(wú)幾，但是在白天(7∶00-18∶00)則明顯低于微潤(rùn)區(qū)，其中5月20日-22日晝間平均冠層氣溫分別低3.2、2.1、2.6 ℃，5月30-6月1日分別低4.5、3.7、5.2 ℃，6月22日-24日分別低4、7.7、4.3 ℃，7月17日-19日分別低1.3、1.1、1.1 ℃。對(duì)于地溫，圖1中，滴灌區(qū)無(wú)論晝夜均低于微潤(rùn)灌區(qū)，其中5月20日-22日滴灌區(qū)日平均地溫相比微潤(rùn)灌區(qū)分別低1.5、2.2、2.3 ℃，5月30-6月1日分別低2.4、3.3、3 ℃，6月22日-24日分別低2.1、3、3 ℃，7月17日-19日分別低2.4、2.1、1.6 ℃。通過(guò)對(duì)比，滴灌后黃芪冠層氣溫和地溫均低于微潤(rùn)灌黃芪，并且這種情況通常持續(xù)3～5 d。

圖1 2014年滴灌灌溉后3 d內(nèi)冠層氣溫和地溫與微潤(rùn)灌對(duì)比

滴灌區(qū)和微潤(rùn)灌區(qū)黃芪的生長(zhǎng)期長(zhǎng)度不同，滴灌黃芪生長(zhǎng)期自4月25日返青至8月25日枯萎，共123 d，微潤(rùn)灌黃芪自4月25日返青至8月29日枯萎，共127 d。生長(zhǎng)期內(nèi)黃芪冠層氣溫和地溫日均值如圖2所示。

圖2中，微潤(rùn)灌區(qū)黃芪生長(zhǎng)期內(nèi)日均冠層氣溫平均值分別為15.4和15.6 ℃,地溫平均值分別為14.3和15 ℃，均不同程度高于滴灌黃芪，特別是在滴灌灌溉后的3～5 d內(nèi)，差異更為明顯。溫度對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，一般認(rèn)為，在溫度耐受范圍內(nèi)，植物的新陳代謝速率與溫度成正比例關(guān)系，并且植物完成其生命周期必須一定的溫度累積。

2.2 物候期對(duì)比

圖3可以看出，滴灌與微潤(rùn)灌黃芪均在2014年4月25日返青，并且在各物候期的生長(zhǎng)高度相差并不顯著，但二者的物候期有較顯著的差異。微潤(rùn)灌黃芪于5月8日進(jìn)入分枝期，滴灌黃芪于5月10日進(jìn)入分枝期，相比微潤(rùn)灌黃芪晚2 d。現(xiàn)蕾期微潤(rùn)灌黃芪為6月7日，而滴灌黃芪則于6月10日現(xiàn)蕾，晚3 d。初花期微潤(rùn)灌黃芪為6月10日，而滴灌黃芪則于6月17日初花，晚7 d。以后的盛花期、結(jié)莢期、成熟期，滴灌黃芪均較微潤(rùn)灌黃芪晚5～9 d。但是，滴灌黃芪于8月25日進(jìn)入枯萎期，微潤(rùn)灌黃芪于8月29日才進(jìn)入枯萎期，較微潤(rùn)灌黃芪早4 d。

營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(返青、分枝)滴灌黃芪冠層≥10 ℃活動(dòng)積溫累積為495日度，微潤(rùn)灌為491日度，土壤≥5℃活動(dòng)積溫累積二者分別為470日度和471日度。滴灌黃芪于6月10日完成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，而微潤(rùn)灌在6月7日由于地溫活動(dòng)積溫累積與滴灌黃芪相近，便開(kāi)始現(xiàn)蕾，比滴灌黃芪提早3 d完成了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。生殖生長(zhǎng)期(現(xiàn)蕾、開(kāi)花、結(jié)莢)滴灌黃芪冠層≥10 ℃活動(dòng)積溫累積為853日度，微潤(rùn)灌為845日度，土壤≥5 ℃活動(dòng)積溫累積二者分別為800日度和832日度。微潤(rùn)灌黃芪提早5 d達(dá)到了與滴灌黃芪相近的活動(dòng)積溫的累積。成熟期滴灌黃芪冠層≥10 ℃活動(dòng)積溫累積為431日度，微潤(rùn)灌為576日度，土壤≥5 ℃活動(dòng)積溫累積二者分別為441日度和583日度，微潤(rùn)灌黃芪明顯大于滴灌黃芪。這是由于微潤(rùn)灌黃芪成熟期相比滴灌黃芪提早9 d，并且枯萎期延后4 d，因此整個(gè)成熟期，微潤(rùn)灌黃芪相比滴灌黃芪多13 d。

圖2 2014年滴灌與微潤(rùn)灌黃芪生長(zhǎng)期內(nèi)冠層氣溫與地溫日均值

圖3 2014年滴灌與微潤(rùn)灌黃芪物候期生長(zhǎng)高度

整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，滴灌黃芪冠層≥10 ℃活動(dòng)積溫累積為1 786日度，土壤≥5 ℃活動(dòng)積溫累積為1 711日度，微潤(rùn)灌黃芪冠層≥10 ℃活動(dòng)積溫累積為1 876日度，土壤≥5 ℃活動(dòng)積溫累積為1 858日度。微潤(rùn)灌黃芪生長(zhǎng)期內(nèi)冠層≥10 ℃和土壤≥5 ℃活動(dòng)積溫較滴灌黃芪分別高90日度和147日度。

因此，微潤(rùn)灌黃芪由于溫度高于滴灌黃芪，雖然對(duì)高度生長(zhǎng)影響不大，但使其各物候期均提前于滴灌黃芪，并且枯萎期延后于滴灌黃芪。

2.3 產(chǎn)量對(duì)比

黃芪為多年生飼藥兩用植物，其地上植株可以每年刈割一次，地下根莖一般需要生長(zhǎng)3年才可藥用。表1中，2012年和2013年均于8月中下旬的開(kāi)花期刈割，2014年于9月中旬的枯萎期末收獲藥用根。微潤(rùn)灌區(qū)黃芪干草及根產(chǎn)量明顯高于滴灌區(qū)：2012年為苗期，兩塊試驗(yàn)田黃芪飼草產(chǎn)量均不高，但微潤(rùn)灌區(qū)明顯高于滴灌區(qū)81%；2013年為生長(zhǎng)第二年，兩塊試驗(yàn)田黃芪飼草產(chǎn)量相比各自的2012年大幅提高，微潤(rùn)灌區(qū)明顯高于滴灌區(qū)49%；2014年為黃芪干根收獲期，微潤(rùn)灌區(qū)黃芪根產(chǎn)量明顯高于滴灌區(qū)60%。

表1 滴灌與微潤(rùn)灌溉區(qū)黃芪產(chǎn)量對(duì)比

注：2012、2013年為干草產(chǎn)量，2014年為干根產(chǎn)量。

3 討 論

灌溉方式對(duì)地溫的影響，不同研究者的結(jié)論有所不同，如陳德軍[13]等在新疆灌區(qū)研究顯示灌溉能夠增加地溫，而劉瑩[14]等、張娜[15]等、謝美玲[16]等分別在吉林和新疆地區(qū)研究顯示灌溉能夠降低地溫。但筆者認(rèn)為，灌溉對(duì)地溫的影響主要取決于水和土壤的溫度差異，即如果水溫高于地溫，則灌溉具有增溫作用，如果水溫低于地溫，則灌溉具有降溫作用，另外，當(dāng)水溫與地溫接近時(shí)，由于水的巨大比熱，則灌溉具有減小地溫變幅的作用。本研究灌溉水源為地下水，水溫較低，灌溉后必然降低地溫。這種降溫程度顯然與灌溉流量呈正比，試驗(yàn)小區(qū)微潤(rùn)灌溉流量一般0.1～0.2 mm/h，滴灌流量一般6～8 mm/h，相差懸殊。因此，微潤(rùn)灌由于較小的流量對(duì)地溫的降溫作用明顯滴灌，從而導(dǎo)致微潤(rùn)灌區(qū)地溫高于滴灌區(qū)。與此同時(shí)，空氣與土壤時(shí)刻進(jìn)行著熱量交換，地溫的降低也同時(shí)通過(guò)熱通量使冠層氣溫降低，因此，微潤(rùn)灌黃芪冠層氣溫也同樣高于滴灌黃芪。

試驗(yàn)區(qū)生長(zhǎng)季內(nèi)，黃芪草地冠層極少數(shù)最低氣溫為-1 ℃，最高也極少數(shù)超過(guò)40 ℃，而地溫大部分時(shí)期維持在10～20 ℃之間，春季極少數(shù)時(shí)期降低至5 ℃。植物完成某一物候期的生長(zhǎng)，需要一定的活動(dòng)溫度的積累。一般地上部分的活動(dòng)溫度為≥10 ℃，地下部分為≥5 ℃。由于微潤(rùn)灌黃芪溫度相對(duì)較高，因此其活動(dòng)積溫高于滴灌黃芪，使其生長(zhǎng)期提前于而枯萎期延后于滴灌黃芪，即微潤(rùn)灌黃芪整個(gè)生長(zhǎng)期較滴灌黃芪長(zhǎng)。

眾所周知，光合作用是植物生長(zhǎng)的保障，而溫度是影響光合速率的重要因素。對(duì)于C3草本植物，其最低耐受溫度為-2～0 ℃，最適溫度為20～30 ℃，最高耐受溫度為40～50 ℃，在最低耐受溫度至適宜溫度范圍內(nèi)，溫度越高則光合速率也越高，生長(zhǎng)量也越大，當(dāng)在適宜溫度至最高耐受溫度范圍內(nèi)時(shí)，溫度越高則光合速率越低，生長(zhǎng)量也越小[11]。試驗(yàn)區(qū)生長(zhǎng)季內(nèi)，黃芪草地冠氣溫和地溫大多數(shù)處于最低耐受溫度至適宜溫度范圍內(nèi)。因此，黃芪的生長(zhǎng)量與溫度成正比，由于微潤(rùn)灌黃芪草地的溫度高于滴灌黃芪，從而，微潤(rùn)灌黃芪生長(zhǎng)量也相應(yīng)高于滴灌黃芪。

綜上，由于微潤(rùn)灌黃芪溫度高于滴灌黃芪，導(dǎo)致微潤(rùn)灌黃芪生長(zhǎng)期相對(duì)較長(zhǎng)，生長(zhǎng)量相對(duì)較高，最終導(dǎo)致微潤(rùn)灌黃芪產(chǎn)量高于滴灌黃芪。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)滴灌后黃芪冠層氣溫和地溫均低于微潤(rùn)灌黃芪，并且這種情況通常持續(xù)3～5 d。

(2)生長(zhǎng)季內(nèi)，微潤(rùn)灌黃芪冠層≥10 ℃和土壤≥5 ℃活動(dòng)積溫較滴灌黃芪分別高90日度和147日度。

(3)微潤(rùn)灌黃芪與滴灌黃芪相比，高度生長(zhǎng)差異不顯著，但微潤(rùn)灌黃芪生長(zhǎng)期提前于而枯萎期延后于滴灌黃芪，即微潤(rùn)灌黃芪整個(gè)生長(zhǎng)期較滴灌黃芪長(zhǎng)。

(4)微潤(rùn)灌黃芪干草產(chǎn)量高于滴灌黃芪50%以上，藥用根產(chǎn)量高于滴灌黃芪60%。

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