壟作溝灌栽培技術(shù)的研究進(jìn)展

薛亮 馬忠明 呂曉東 唐文雪 連彩云 王智琦 馮守疆

摘要：綜述了河西走廊綠洲灌區(qū)壟作溝灌栽培技術(shù)對(duì)土壤和作物的影響及節(jié)水效益，指出在壟作溝灌技術(shù)主要技術(shù)參數(shù)、壟作溝灌條件下作物生理反應(yīng)、壟作溝灌技術(shù)條件下的水肥耦合模式、壟作溝灌對(duì)土壤養(yǎng)分損失的影響等方面還需深入研究。

關(guān)鍵詞：壟作溝灌；節(jié)水；栽培；效益；河西走廊

中圖分類(lèi)號(hào)：S318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2019）03-0078-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.（2019）03.016

Abstract：This article reviewed the affection of the technology of ridge tillage with ditch irrigation on soil and crop and the water-saving benefits in the oasis irrigation area of Hexi Corridor. It was pointed out that the key technical parameters of ridge tillage with ditch irrigation techniques， the physiological responses of crops and the coupling model of water and fertilizer under ridge tillage with ditch irrigation conditions， and the effects of ridge tillage with ditch irrigation on soil nutrient losses， were the fields necessarily to be studied further.

Key words：Ridge tillage with ditch irrigation；Water saving；Cultivation；Benefit；Hexi Corridor

河西走廊綠洲灌區(qū)地處我國(guó)西北干旱區(qū)，水資源短缺是制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要問(wèn)題。2017年區(qū)內(nèi)總耗水量達(dá)到51.3億m3，其中農(nóng)田灌溉耗水占76.8%，實(shí)際缺水6.69億m3，缺水程度達(dá)到8.3%[1 ]。由于缺乏適宜的節(jié)水新技術(shù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中尚采用大水漫灌等落后的灌溉方式，灌水次數(shù)多、灌溉量大，進(jìn)一步加劇了水資源短缺危機(jī)。針對(duì)區(qū)域現(xiàn)狀，眾多專(zhuān)家和學(xué)者在挖掘有限水資源、降低損耗、提升利用率等方面做了大量的研究工作，在傳統(tǒng)灌溉模式基礎(chǔ)上，從地面灌溉、地膜覆蓋、渠系防滲水等方面探索新的節(jié)水技術(shù)[2 ]，然而這些方法仍然只是從用水方式、水利修整等角度加以改進(jìn)，沒(méi)有深入研究水分供給與作物、土壤的關(guān)系。馬忠明等[3 - 4 ]將作物傳統(tǒng)的大田平作改為起壟栽培，以壟溝內(nèi)小水滲灌取代大水漫灌，提出了適宜河西灌區(qū)主要作物栽培的壟作溝灌技術(shù)。壟作溝灌技術(shù)增加了土壤表面積和光熱的截獲能力，改善了透光條件，減少田間實(shí)際灌溉面積，加大灌溉水的田間流速，降低灌溉后的深層滲漏和無(wú)效蒸發(fā)，提高了作物水分利用效率[5 ]。與滴灌、噴灌等技術(shù)相比，壟作溝灌技術(shù)簡(jiǎn)單易掌握、投入成本低、效果顯現(xiàn)快，在大田大面積應(yīng)用中具有明顯的實(shí)用前景，是綠洲灌區(qū)持續(xù)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的新模式。

1 壟作溝灌栽培對(duì)土壤性狀和作物發(fā)育的影響

1.1 改善了作物根際土壤物理性狀

地面形態(tài)的改變引起土壤質(zhì)量的變化，根際土壤的物理性狀變化尤為明顯。壟作溝灌模式的土壤堅(jiān)實(shí)度明顯低于平作，0～20 cm土層，壟作溝灌栽培容重較平作降低1.20%，10～20 cm土層較平作降低3.55%，0～20 cm土層平均較平作降低2.52%[6 ]。質(zhì)地較輕的土壤有利于形成疏松的壟床，促進(jìn)作物根系下扎和灌溉水的側(cè)滲，同時(shí)0～40 cm土層也是春小麥、啤酒大麥、制種玉米等作物根系分布的主要層次，土壤疏松透氣，有利于促進(jìn)作物對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用。

1.2 壟作溝灌栽培模式對(duì)土壤水熱效應(yīng)的影響

溝灌改變了水分的入滲方式，水分垂向和側(cè)向的入滲同時(shí)存在，并且受到溝內(nèi)斷面性狀、土壤質(zhì)地和特性的影響，使得溝灌的土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)生改變[7 ]。較好的土壤結(jié)構(gòu)能夠提高土壤中的水分貯存量，相對(duì)于平作，壟作溝灌模式土壤含水量在0～10、10～20、20～40 cm的土壤深度分別提高了25.95%、2.59%、2.01%[6 ]。壟作栽培使土壤表面由平面型改變?yōu)椴ɡ诵?，擴(kuò)大了土壤表面積，有利于吸收太陽(yáng)輻射，增加土壤對(duì)光能的截獲量，提高耕層土壤溫度[8 ]。春小麥和啤酒大麥采用壟作溝灌栽培技術(shù)后，對(duì)土壤溫度具有明顯的影響。從春小麥播種后連續(xù)17 d（4月 4 — 20日）土壤溫度測(cè)定結(jié)果可以看出，壟作溝灌栽培后5～10 cm土層日均溫度均 高于平作，最高較平作提高2.15 ℃，最低較平作提高0.65 ℃，平均較平作提高 1.41 ℃[9 ]。

1.3 壟作溝灌栽培技術(shù)具有明顯的邊行優(yōu)勢(shì)

采用壟作溝灌栽培技術(shù)后，田間通風(fēng)透光得到改善，再加上壟作的增溫效應(yīng)，使作物個(gè)體發(fā)育條件更加優(yōu)化，表現(xiàn)很強(qiáng)的邊行優(yōu)勢(shì)[10 ]。與平作處理比較，壟作溝灌春小麥邊行和中行平均穗粒數(shù)增加3.8粒，增幅為10.35%；千粒重增加2.52 g，增幅為5.05%。壟作溝灌栽培啤酒大麥平均穗粒數(shù)增加0.7～7.4粒，平均千粒重增加2.1～5.4 g，分別增加2.83%～41.11%、4.93%～12.5%。明顯的邊行優(yōu)勢(shì)是促使壟作溝灌春小麥和啤酒大麥增產(chǎn)的主要原 因[4 ]。

1.4 壟作溝灌模式促進(jìn)了作物生長(zhǎng)

壟作模式使土壤的熟化層增加了10 cm，土壤與大氣的接觸面增加了38%，從而增加了作物根系空間，促進(jìn)了根系生 長(zhǎng)[11 ]。與平作相比，小麥壟作條件下0～20、20～50、50～100 cm土層內(nèi)根長(zhǎng)分別增加39.21%～40.60%、26.99%～27.58%、39.43%～59.49%[12 ]。根系生長(zhǎng)推動(dòng)了地上部器官的發(fā)育，壟作模式下葉面積系數(shù)較平作增加0.22～1.16，地上部分干物質(zhì)積累量增加9.56%～42.68%，株高降低6.41 cm[12 ]。戴德等[13 ]研究發(fā)現(xiàn)，壟作栽培小麥旗葉的葉綠素含量始終高于平作，且隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，后期衰減速率明顯低于平作，說(shuō)明壟作有利于延緩植株衰老，延長(zhǎng)葉片功能期，從而延長(zhǎng)籽粒灌漿時(shí)間，增加產(chǎn)量。任德昌等[14 ]研究表明，壟作栽培使冬小麥基部第一、二節(jié)間分別較對(duì)照短1.86、0.67 cm，莖粗分別增加0.14、0.11 mm，莖壁厚度兩節(jié)均增加0.14 mm，增加了植株抗倒伏能力。

2 壟作溝灌栽的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)

壟作溝灌模式降低了土壤容重，提高了入滲水頭高度和土壤初始含水率，壟體容重的降低增加了濕周長(zhǎng)度、濕潤(rùn)鋒側(cè)向入滲距離、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度和土壤入滲速率。在相同水平側(cè)滲距離條件下，隨著入滲水頭高度的升高，垂向入滲距離顯著減少，灌水定額明顯減少；隨著土壤初始含水率的增加，濕周長(zhǎng)度、濕潤(rùn)鋒垂向入滲距離、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度、相鄰兩條濕潤(rùn)鋒間隔距離、土壤入滲速率均呈增大趨勢(shì)，到達(dá)穩(wěn)定入滲速率所用時(shí)間縮短，從而總體上減少了灌水量[15 ]。此外，壟作溝灌相對(duì)于平作其節(jié)水效應(yīng)還表現(xiàn)在中后期耗水量的減少方面，與平作相比，在抽穗-灌漿中期階段和灌漿中期-成熟階段，在較高灌溉定額（3 750 m3/hm2）條件下，春小麥日均耗水量低于平作栽培，比平作分別低1.28、1.36 mm/d[12 ]。河西灌區(qū)春小麥、制種玉米和啤酒大麥三種作物在壟作溝灌模式下水分利用效率可提高1.84～3.38 kg/（mm·hm2），節(jié)水750～1 800 m3/hm2，同時(shí)產(chǎn)量增加了6.86%～34.97%[5 ]。李升東等[16 ]研究表明，與傳統(tǒng)平作相比，冬小麥壟作栽培后可節(jié)水40%。趙蕊等[17 ]在張掖市對(duì)比了不同種植方式對(duì)制種玉米的影響，結(jié)果表明，全膜壟作溝灌模式較傳統(tǒng)平作方式增產(chǎn)13.55%，水分生產(chǎn)效率提高了0.79 kg/（mm·hm2），節(jié)水2 850 m3/hm2。在經(jīng)濟(jì)作物種植中，壟作溝灌模式也具有顯著的節(jié)水效應(yīng)。大田番茄每次灌水量可較平作減少225 m3/hm2，全生育期總節(jié)水1 350 m3/hm2，節(jié)水接近20%，節(jié)約水費(fèi)405元/hm2；番茄平均產(chǎn)量可達(dá)到9.3萬(wàn)kg/hm2，產(chǎn)值達(dá)4.65萬(wàn)元/hm2，較傳統(tǒng)地膜番茄增產(chǎn)1.05萬(wàn)kg/hm2，增加產(chǎn)值12.7%。食用向日葵在采用全膜壟作溝灌時(shí)產(chǎn)量達(dá)到6 396 kg/hm2，增產(chǎn)12.27%；單方水效益為4.84元/m3，均較常規(guī)條膜覆蓋平作節(jié)水13.2%[18 ]。在馬鈴薯上的研究發(fā)現(xiàn)，壟作溝灌模式使幼苗的自然出頂率達(dá)到95%以上，提前成熟15～20 d，可以增產(chǎn)30%以上，節(jié)水1 500～2 250 m3/hm2[19 ]。同時(shí)采用間作模式后，作物水分利用率提升更為明顯。玉米間作豌豆條件下，2種作物的混合產(chǎn)量為16 895.3 kg/hm2，增產(chǎn)達(dá)14.97%，水分利用效率為26.61 kg/（hm2·mm），節(jié)水1 268.4 m3/hm2[20 ]。趙繼榮等[21 ]對(duì)壟作條件下金盞花的土壤水分變化進(jìn)行了研究，認(rèn)為同大田的平作漫灌相比，壟作溝灌在各生育期各個(gè)土層中保持了較高的水分，水分利用效率提高了41.15%，可增產(chǎn)25%。

3 壟作溝灌栽培技術(shù)配套農(nóng)機(jī)具的研發(fā)

壟作溝灌栽培是一項(xiàng)新的地面灌溉技術(shù)[22 ]，現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)具已不能滿(mǎn)足進(jìn)一步挖掘作物生產(chǎn)潛力的需要，為此，相關(guān)研發(fā)單位在引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研制了3代小麥/啤酒大麥壟作播種機(jī)和2代玉米/制種玉米起壟覆膜機(jī)。適合18～30馬力拖拉機(jī)作業(yè)的第三代2BL-4小麥/啤酒大麥壟作播種機(jī)工作性能更加優(yōu)化、穩(wěn)定，播種質(zhì)量顯著提高，能夠適應(yīng)春小麥、啤酒大麥等密植作物的壟作溝灌栽培技術(shù)要求，作業(yè)后壟幅75 cm，壟寬50 cm，壟高20 cm，溝寬25 cm，開(kāi)溝、起壟、播種、鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序一次性完成，降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率，為春小麥、啤酒大麥壟作溝灌技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的機(jī)具支撐[23 ]。改進(jìn)完成的BFM-2玉米/制種玉米起壟覆膜機(jī)，能按玉米及制種玉米壟膜溝灌栽培的種植要求一次性完成開(kāi)溝、起壟、鎮(zhèn)壓、覆膜作業(yè)，起壟覆膜規(guī)范，起壟壟幅100 cm，壟寬60 cm，溝寬40 cm，壟高20 cm，起壟覆膜后壟面平整，壓膜嚴(yán)實(shí)，壟體具有一定的堅(jiān)實(shí)度，增強(qiáng)了起壟后的保墑效果，提高了播種質(zhì)量。起壟覆膜工作效率大幅度提高，節(jié)約了玉米/制種玉米壟膜溝灌節(jié)水栽培的生產(chǎn)成本，為該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的機(jī)具支撐[24 - 25 ]。

4 壟作溝灌技術(shù)尚需進(jìn)一步研究和解決的問(wèn)題

壟作溝灌技術(shù)革新了傳統(tǒng)的平作模式，將灌水和施肥集中供給，優(yōu)化了水肥管理方案，并與覆膜技術(shù)有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)了作物早熟，突破了大田玉米和制種玉米的適種海拔上限，并通過(guò)配套農(nóng)機(jī)具實(shí)現(xiàn)了一次性完成作物起壟、覆膜、播種作業(yè)，有效的推動(dòng)了河西綠洲灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。但由于開(kāi)展的試驗(yàn)研究相對(duì)較少，研究的適宜作物種類(lèi)較少，距離實(shí)際的生產(chǎn)要求尚有不少差距，需要在諸多方面進(jìn)行深入研究。

4.1 壟作溝灌技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)

在改變現(xiàn)有耕作模式的情況下，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的改變，水分的流動(dòng)、入滲方式隨之改變，灌水濕潤(rùn)方式的改變或?qū)ψ魑锏脑耘嘁?guī)格有新的要求。因而有必要進(jìn)一步研究壟作溝灌模式下土壤水分的入滲規(guī)律、土壤中養(yǎng)分運(yùn)移累效應(yīng)，并根據(jù)相應(yīng)的變化細(xì)化壟、溝的精準(zhǔn)尺寸、作物的種植密度、灌水的合理流量和頻率，以及相應(yīng)的肥料施用方案等。

4.2 壟作溝灌條件下作物生理反應(yīng)

將傳統(tǒng)的漫灌改變?yōu)闇瞎嗪髣?shì)必會(huì)引起時(shí)間和空間上部分作物的階段性水分虧缺或盈余，作物個(gè)體或群體的棵間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰較漫灌發(fā)生改變。探求壟作溝灌栽培對(duì)作物田間小氣候條件（光、溫、水、氣等）的影響，壟作栽培中作物的需（耗）水規(guī)律、需肥規(guī)律，以及光能利用率的變化規(guī)律，建立綜合判斷作物需水模型，是進(jìn)一步深化技術(shù)理論的要求，也是加快推廣應(yīng)用的需要。

4.3 壟作溝灌技術(shù)條件下的水肥耦合模式

大田土體結(jié)構(gòu)的變化在引起水分管理方式改變的同時(shí)也使作物對(duì)養(yǎng)分的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和累積過(guò)程產(chǎn)生變化。在進(jìn)一步減少化肥施用量的外界動(dòng)力和作物在新栽培模式下養(yǎng)分需求發(fā)生改變的內(nèi)部要求下，研究壟作溝灌條件下的水肥耦合作用，尋找不同作物養(yǎng)分合理配比和優(yōu)化組合，形成一系列針對(duì)性的水肥管理方案，既能有效補(bǔ)充和發(fā)展壟作溝灌技術(shù)，也是生產(chǎn)實(shí)踐的急迫希求。

4.4 壟作溝灌對(duì)土壤養(yǎng)分損失的影響

立地條件的變化勢(shì)必會(huì)對(duì)作物吸收肥料養(yǎng)分產(chǎn)生影響，并使土壤中養(yǎng)分的運(yùn)移和再分布呈現(xiàn)不同的規(guī)律。掌握農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中化肥尤其是氮素的吸收、淋洗、轉(zhuǎn)化、揮發(fā)等效應(yīng)，能夠正確的評(píng)價(jià)壟作溝灌模式下溫室氣體的溫室效應(yīng)，合理判斷該項(xiàng)技術(shù)在優(yōu)化農(nóng)田土壤環(huán)境中的作用。

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（本文責(zé)編：陳 偉）