黃土高原苜蓿及后茬作物土壤水分恢復(fù)效應(yīng)及蒸散特征

宋麗萍，牛伊寧，羅珠珠，聶 軍，李騰飛，李玲玲

（1. 甘肅省干旱生境作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

蒸散是土壤蒸發(fā)和植物蒸騰向大氣輸送水汽的總稱(chēng)，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，是土壤-植物-大氣連續(xù)體系中水分循環(huán)的重要過(guò)程。土壤蒸發(fā)是維持土壤熱量和水分平衡的重要途徑，不僅受到氣溫、濕度、太陽(yáng)輻射等外在因素的影響，還受到土壤質(zhì)地、含水量、導(dǎo)水率等土壤性質(zhì)的影響。蒸騰是植物對(duì)水分吸收、運(yùn)輸?shù)闹饕獎(jiǎng)恿Γ軌虼龠M(jìn)植物體對(duì)礦物質(zhì)的吸收，降低植物體和葉片的溫度，有利于光合作用中CO2的積累。因此，對(duì)土壤蒸發(fā)以及作物耗水特性等的研究，是明確如何提高作物水分利用效率的重要工作[1]。

黃土高原丘陵溝壑區(qū)水土流失嚴(yán)重，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和過(guò)度耕作是導(dǎo)致水土流失的最主要原因，加之降水變率大，對(duì)化肥需求量逐年增加，形成了高投入、低產(chǎn)出、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定性差的局面[2-5]。紫花苜蓿(Medicago sativa)具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、蛋白質(zhì)豐富的飼草生產(chǎn)性能，以及耐寒、抗旱、截流和保土的生態(tài)適應(yīng)性[6]，從而成為黃土高原丘陵溝壑區(qū)首選的家畜牧草品種之一。但紫花苜蓿為多年生、深根系植物，具有強(qiáng)蒸散、高耗水特性。連續(xù)種植多年后，由于土壤水分過(guò)度消耗，深層土壤水分不能得到及時(shí)的補(bǔ)充，形成土壤干層，土壤水分生態(tài)環(huán)境惡化，對(duì)后茬作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生很大的影響[7-8]。因此，建立適宜的草田種植系統(tǒng)對(duì)合理利用土地資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有重要意義[9]。研究發(fā)現(xiàn)，將苜蓿引入農(nóng)田作物種植體系可以改良土壤、增加肥力、改善土壤質(zhì)量[10-12]，比單一種植糧食作物可獲得更高的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益[13]。苜蓿與作物組成的種植系統(tǒng)還可有效提高土壤氮素的利用效率，恢復(fù)苜蓿干土層水分[14-15]。

本研究在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的苜蓿地布設(shè)田間試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)草田種植體系作物的產(chǎn)量表現(xiàn)和耗水特性，以及土壤水分變化的研究，以期為該區(qū)苜蓿草地的可持續(xù)利用和建立適宜的糧草種植模式提供實(shí)踐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村。試驗(yàn)區(qū)屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔為2 000 m，年均太陽(yáng)輻射為592.9 kJ·cm-2，日照時(shí)數(shù)為 2 476.6 h，年均氣溫為6.4 ℃，≥ 0 ℃ 年積溫為 2 933.5 ℃·d，≥ 10 ℃ 年積溫為 2 239.1 ℃·d；無(wú)霜期為 140 d，年均降水量為 390.9 mm(圖1)，年蒸發(fā)量為 1 531 mm，干燥度為2.53，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚。0-200 cm土壤平均容重為1.17 g·cm-3，凋萎含水率為7.3%，飽和含水率為 21.9%；pH 8.36, 土壤有機(jī)質(zhì)含量為 12.0 g·kg-1, 全氮含量為 0.76 g·kg-1, 全磷含量為 1.77 g·kg-1，全鉀含量為18.3 g·kg-1。試驗(yàn)地多年平均降水量和試驗(yàn)期間的年降水量以及逐月的分布情況如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)地2012-2015年降水量及多年平均降水量變化Figure 1 Average monthly rainfall from 2012 to 2015 and long-term mean at the experimental sites

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依托2003年建植的苜蓿地，于2012年春季翻耕后開(kāi)始休閑或種植作物。供試作物分別為苜蓿、春小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)和谷子(Setaria italica)。試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理(表1)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)，小區(qū)面積 3.0 m × 7.0 m。2013-2015 年春季播種前一次性施入底肥，其中苜蓿-小麥、苜蓿-馬鈴薯、苜蓿-谷子處理均施純 N 105 kg·hm-2，苜蓿-玉米處理施純 N 200 kg·hm-2；各處理均施純P2O5105 kg·hm-2。玉米種植采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫娜るp壟溝播技術(shù)，其他作物采用常規(guī)大田種植方式。具體處理如表1所列。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤水分

試驗(yàn)地的水分共測(cè)定11個(gè)土層，分別為0-5、5-10、10-30、30-50、50-80、80-110、110-140、140-170、170-200、200-250和 250-300 cm，其中0-10 cm用烘干法測(cè)定，10 cm以下土層用土壤剖面水分速測(cè)儀(TRIME-T3C，德國(guó))每隔15 d測(cè)定一次。

1.3.2 棵間蒸發(fā)量

棵間蒸發(fā)量(E)采用自制的微型蒸發(fā)器在作物生長(zhǎng)期測(cè)定。微型蒸發(fā)器選用壁厚4 mm、內(nèi)徑11 cm、高15 cm的PVC管制作，每個(gè)小區(qū)中央的作物種植行間放置1個(gè)。蒸發(fā)器內(nèi)的土壤取田間的原狀土，每2～3 d更換1次，使其與大田的土壤水分保持一致，放置時(shí)使蒸發(fā)器的頂部與地面平齊，下雨后加測(cè)。每天08:00稱(chēng)重，根據(jù)前后2 d稱(chēng)重的差值除以蒸發(fā)器的體積計(jì)算日蒸發(fā)量。土壤棵間月累計(jì)蒸發(fā)量用日平均蒸發(fā)量計(jì)算。

1.3.3 作物產(chǎn)量

苜蓿分別在每年7月和10月中旬刈割，去邊行，按照每個(gè)小區(qū)兩次刈割的干草總產(chǎn)量，分別計(jì)算苜蓿的產(chǎn)量；

小麥、玉米、馬鈴薯和谷子分別在作物成熟后收獲，除去邊行，每個(gè)小區(qū)分別收割，分別計(jì)算作物籽粒、馬鈴薯塊莖的干物質(zhì)產(chǎn)量。

1.3.4 作物生育期耗水量和水分利用效率

式中：WU是作物生育期耗水量(mm)，P是作物生育期內(nèi)降水量(mm)，Sh和Ss分別是作物收獲后和播種前0-300 cm土層的土壤貯水量(mm)。

表1 試驗(yàn)處理描述Table 1 Treatments and their descriptions

式中：WUE表示作物的水分利用效率；Y是作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg·hm-2)，苜蓿用干草產(chǎn)量，馬鈴薯用塊莖的干物質(zhì)產(chǎn)量；WU是作物生育期耗水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以6種苜蓿-作物種植模式作為固定因子(Fix factor)，區(qū)組作為隨機(jī)因子 (Random factor)， 用SPSS18.0軟件對(duì)作物生育期棵間蒸發(fā)量(E)、耗水量(WU)和水分利用效率(WUE)進(jìn)行差異顯著性分析 (P＜ 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿連作及輪作處理土壤水分空間特征及恢復(fù)效果

2012年播種前(4月19日)和收獲后(10月2日)，以及2015年10月作物收獲后不同種植處理0-300 cm土層水分垂直變化規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯?，苜蓿經(jīng)過(guò)9年的生長(zhǎng)，2012年4月苜蓿地土壤水分在0-300 cm土層均低于土壤穩(wěn)定濕度(SSM)[16]，甚至在175 cm以下土層低于作物有效水分下限(CLL)[16]，土壤干燥化嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)3年的作物種植后，至2015年收獲期，相對(duì)于土壤下層，上層土壤的水分恢復(fù)效果較好。0-50 cm的土壤水分由于受土壤蒸發(fā)和降水的影響，變化較劇烈，無(wú)明顯規(guī)律性，而50 cm以下土層土壤水分變化較穩(wěn)定，其中，苜蓿連作處理(L-L)的土壤水分仍然低于土壤穩(wěn)定濕度。相比苜蓿連作(L-L)處理，其他處理0-300 cm土層的土壤含水量均不同程度的由上至下逐漸恢復(fù)，且均高于或者接近土壤穩(wěn)定濕度，土壤干層的水分得到改善。在0-300 cm土層中，苜蓿-休閑(L-F)、苜蓿-小麥(L-W)、苜蓿-玉米(L-C)、苜蓿-馬鈴薯(L-P)、苜蓿-谷子(L-M)處理的平均含水量分別比苜蓿連作處理(L-L)處理增加了34.9%、18.4%、19.0%、25.3%、16.4%。苜蓿-休閑處理(L-F)土壤干層水分的恢復(fù)效果最佳，其次為苜蓿-馬鈴薯(L-P)，而苜蓿-谷子處理(L-M)的水分恢復(fù)效果不明顯。

2.2 苜蓿連作及輪作處理的田間水分蒸散特性

2015年不同處理的棵間日蒸發(fā)量變化狀況如圖3所示。作物生育前期(4-5月份)群體較小，各處理之間日蒸發(fā)量差異較大；作物生育中期(6-8月份)棵間日蒸發(fā)量變化明顯，除苜蓿-玉米(L-C)處理外，不同處理在6月27日、7月21日、8月6日及8月17日左右都蒸發(fā)較多；作物生育后期(9月份)除苜蓿-休閑(L-F)處理蒸發(fā)仍較強(qiáng)烈外，其他各處理間差異不明顯。

圖2 不同處理土壤水分空間分布Figure 2 Soil moisture distribution under different treatments

圖3 2015 年不同處理作物棵間蒸發(fā)日變化量Figure 3 Daily variation of soil evaporation under different treatments in 2015

不同處理下的棵間月累積蒸發(fā)量如圖4所示，可以看出，各處理之間由于作物生育期的不同，在7月份達(dá)到峰值；其中苜蓿-休閑(L-F)處理在整個(gè)生育期內(nèi)的蒸發(fā)量都是最高，苜蓿-玉米(L-C)處理在4、9月份的蒸發(fā)量和苜蓿-馬鈴薯(L-P)處理相當(dāng)外，其他月份均為最低。

圖4 2015年不同處理下土壤棵間月累積蒸發(fā)量Figure 4 Monthly variation of accumulated soil evaporation under different treatments in 2015

不同處理的總蒸發(fā)量表現(xiàn)為苜蓿-休閑(L-F) ＞苜蓿-谷子 (L-M) ＞ 苜蓿-馬鈴薯 (L-P) ＞ 苜蓿-小麥(L-W) ＞ 苜蓿連作 (L-L) ＞ 苜蓿-玉米 (L-C)處理，蒸發(fā)量在 50～239 mm(圖5)。苜蓿-休閑 (L-F)處理總蒸發(fā)量最大，顯著高于其他處理(P＜ 0.05)，而苜蓿-玉米(L-C)處理的蒸發(fā)量顯著低于其他處理。與苜蓿連作(L-L)處理相比，苜蓿-休閑(L-F)、苜蓿-馬鈴薯(L-P)和苜蓿-谷子(L-M)處理的土壤蒸發(fā)量分別增加了153.0%、38.0%和54.1%，差異顯著；而苜蓿-玉米(L-C)處理顯著減少了51.1%的土壤蒸發(fā)量。此外，不同處理作物全生育期的總蒸發(fā)量占耗水量的比例(E/WU)不同，其中苜蓿-休閑(L-F)處理高達(dá)91.3%，苜蓿連作(L-L)和苜蓿-小麥(L-W)處理在30.0%～45.0%，苜蓿-玉米(L-C)處理為17.4%?？傉舭l(fā)量占耗水量的比例總體表現(xiàn)與總蒸發(fā)量表現(xiàn)一致。

圖5 2015年不同處理作物生育期總蒸發(fā)量(E)和蒸發(fā)量與耗水量的比率(E/WU)Figure 5 Soil evaporation (E) and the ratio of evaporation to crop water use (E/WU) under different treatments in 2015

2.3 不同種植模式下作物產(chǎn)量表現(xiàn)及水分利用效率

在連續(xù)種植9 a苜蓿后輪作種植糧食作物，不同處理的耗水量(WU)及WUE變化規(guī)律不同(表2)。2013年各處理的耗水量表現(xiàn)為苜蓿連作(L-L) ＞ 苜蓿-谷子 (L-M) ＞ 苜蓿-玉米 (L-C) ＞ 苜蓿-馬鈴薯(L-P) ＞ 苜蓿-休閑 (L-F) ＞ 苜蓿-小麥 (L-W)處理，苜蓿連作(L-L)的耗水量顯著高于苜蓿-小麥(L-W)處理 (P＜ 0.05)；WUE 表現(xiàn)為苜蓿-馬鈴薯(L-P) ＞ 苜蓿連作 (L-L) ＞ 苜蓿-玉米 (L-C) ＞ 苜蓿-谷子 (L-M) ＞ 苜蓿-小麥 (L-W)處理。2014 年，苜蓿-小麥(L-W)處理的耗水量顯著低于其他各處理，而其他處理之間差異不顯著(P＞ 0.05)；WUE表現(xiàn)為苜蓿連作 (L-L) ＞ 苜蓿-馬鈴薯 (L-P) ＞ 苜蓿-玉米 (L-C) ＞ 苜蓿-小麥 (L-W) ＞ 苜蓿-谷子 (L-M)；在2015年，苜蓿連作(L-L)和苜蓿-玉米(L-P)處理的耗水量顯著高于苜蓿-小麥(L-W)處理，其他處理之間差異不顯著；苜蓿連作(L-L)、苜蓿-玉米(L-P)和苜蓿-馬鈴薯(L-P) 處理之間的WUE差異不顯著，但是他們的WUE值都顯著高于苜蓿-小麥(L-W)和苜蓿-谷子(L-M)處理。

表2 不同處理下作物的水分消耗量和水分利用效率Table 2 Water use amount and water use efficiency (WUE) of crops under different treatments

從種植的作物來(lái)看，苜蓿、玉米和谷子的耗水量較高，小麥的耗水量最低；苜蓿、馬鈴薯和玉米的水分利用效率高，而小麥和谷子的水分利用效率相對(duì)較低。綜合來(lái)看，在降水量較少的年份，相對(duì)于苜蓿連作，種植馬鈴薯的水分利用效率較高，而種植小麥雖耗水量較少，但水分利用效率較低。

3 討論

有研究表明，種植苜蓿后輪作種植其他作物，可以提高后茬作物產(chǎn)量，比其他茬口增產(chǎn)30.0%以上[17]。在山西西南地區(qū)，苜蓿和其他作物輪作可提高后茬小麥產(chǎn)量30.0%左右；在陜西關(guān)中地區(qū)，苜蓿后茬對(duì)小麥的增產(chǎn)幅度為30.0～50.0%[18]。韓麗娜[19]對(duì)輪作油菜(Brassica napus)和冬小麥的研究結(jié)果表明，和苜蓿輪作可以提高后茬作物的產(chǎn)量和水分利用效率，兩年的試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)為輪作苜蓿后，作物的水分利用效率較常規(guī)農(nóng)田增加。毛桂蓮等[20]研究結(jié)果顯示，與苜蓿連作的水分利用效率相比，輪作1 年玉米和高粱(Sorghum bicolor)的水分利用率分別增加了1.14和1.09倍，產(chǎn)量分別增加了0.98和1.08倍。這主要是因?yàn)檐俎８?，留在土壤中的大量苜蓿根系改善了土壤結(jié)構(gòu)；另一方面，苜蓿根瘤的固氮作用增加了苜蓿組織的氮含量，留在土壤中的苜蓿根系及其殘留物分解后，也促使農(nóng)田土壤氮的含量和有效性顯著增加[21-22]。因此，在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中引入苜蓿等豆科作物，可以提高作物的產(chǎn)量，增加農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)水資源有限，降水分布變率大，選擇合適的作物種類(lèi)尤其重要。本研究種植的作物中，水分利用效率以及耗水量均是玉米、馬鈴薯較高，小麥最低，處理間差異顯著。這可能是因?yàn)橛衩缀婉R鈴薯的生長(zhǎng)期為4月底到10月初，與該地區(qū)的雨季同期，水分充足，有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育。小麥生長(zhǎng)期為3月底到8月初，生育前期降水不足，影響小麥的出苗率，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。綜合水分利用效率和作物產(chǎn)量來(lái)看，種植玉米、馬鈴薯效果較好，這與前人研究結(jié)果具有相似之處[23-24]。

種植耗水量低的作物或者進(jìn)行低耗水的處理對(duì)土壤水分的恢復(fù)有著極為重要的作用，可以通過(guò)增加作物的蒸騰作用以及降低土壤水分的蒸發(fā)量來(lái)提高作物的水分利用效率。在本研究中，各作物處理的耗水量表現(xiàn)為苜蓿-玉米(L-C) ＞ 苜蓿-谷子 (L-M) ＞ 苜蓿-馬鈴薯 (L-P) ＞ 苜蓿-休閑 (L-F) ＞苜蓿-小麥(L-W)，種植玉米的耗水量最高，種植小麥的最低。從不同處理下的土壤水分蒸發(fā)量來(lái)看，種植玉米明顯降低了土壤的棵間蒸發(fā)，通過(guò)蒸發(fā)散失的水分比例也最小，可見(jiàn)苜蓿-玉米的種植模式能有效抑制土壤蒸發(fā)，促進(jìn)作物的蒸騰耗水。這是因?yàn)楸狙芯恐校衩椎脑耘喾绞讲捎玫氖钱?dāng)?shù)赝茝V的全膜雙壟溝播技術(shù)，該技術(shù)具有較好的蓄水保墑、增產(chǎn)增效的作用，從而提高了玉米的水分利用效率[25]。

有研究認(rèn)為，種植苜蓿會(huì)更多地利用40-68 mm土層的水分[26]。隨著苜蓿種植年限的延長(zhǎng)，苜蓿過(guò)度利用深層土壤的水分，會(huì)出現(xiàn)明顯的土壤干層[27-28]。羅珠珠等[29]研究結(jié)果表明，紫花苜蓿持續(xù)種植3年后，土壤表現(xiàn)為嚴(yán)重干燥，之后表現(xiàn)為強(qiáng)烈干燥和極度干燥。劉忠民和山倫[16]認(rèn)為，紫花苜蓿生長(zhǎng)4年就應(yīng)該進(jìn)行輪作以恢復(fù)土壤水分。韓麗娜[19]研究表明，合理的草田輪作方式能夠緩解苜蓿草地的水分過(guò)耗狀況，使土壤的水分得到恢復(fù)。因此，適時(shí)和合理的苜蓿草地輪作對(duì)恢復(fù)土壤水分具有重要意義。本研究表明，休閑或者與糧食作物輪作3年后，農(nóng)田0-300 cm土層的平均含水量比苜蓿連作處理增加了18.4%～34.9%，土壤水分由上至下均不同程度的得到恢復(fù)，且逐漸高于或者接近土壤穩(wěn)定濕度，土壤干層水分明顯改善。另一方面，土壤干層的水分恢復(fù)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，完全達(dá)到土壤穩(wěn)定濕度更是需要經(jīng)過(guò)數(shù)十年的時(shí)間[30-31]。本研究中苜蓿輪作種植作物的時(shí)間僅有3年的時(shí)間，0-300 cm的土壤水分已經(jīng)得到了不同程度的恢復(fù)，土壤水分完全恢復(fù)的狀況還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

連續(xù)種植9年的苜蓿草地移除苜蓿后，經(jīng)過(guò)連續(xù)3年的糧食作物輪作，作物的平均水分利用效率表現(xiàn)為種植馬鈴薯的水分利用效率最高，種植小麥的水分利用效率最低；因此，就水分利用效率而言，輪作種植馬鈴薯的效果最好，玉米次之。

在0-300 cm土層中，不同處理的耗水量表現(xiàn)為連作苜蓿的水分消耗最高，接下來(lái)是種植玉米和馬鈴薯，種植小麥的水分消耗最低；但是，作物水分蒸發(fā)與消耗的比值表現(xiàn)為土壤休閑時(shí)最高，種植玉米時(shí)最小，表明種植玉米抑制了土壤水分的蒸發(fā)，促進(jìn)了作物的蒸騰耗水。

苜蓿草地輪作種植糧食作物有利于土壤水分的恢復(fù)，緩解了苜蓿地土壤水分的過(guò)度消耗。輪作作物處理0-300 cm土層的平均含水量比苜蓿連作處理增加了18.4～34.9%，苜蓿-休閑處理對(duì)于土壤干層水分的恢復(fù)效果最佳，其次為苜蓿-馬鈴薯。

本研究表明，在黃土高原半干旱區(qū)種植苜蓿多年后，應(yīng)當(dāng)適時(shí)的與一年生糧食作物進(jìn)行輪作。綜合作物水分利用效率和水分恢復(fù)效果來(lái)看，當(dāng)?shù)剀俎＿B作多年后換茬種植馬鈴薯和玉米效果較好。