土壤質(zhì)地和灌溉水量對(duì)黑河中游地區(qū)甜高粱生長(zhǎng)特征及水生產(chǎn)力的影響

朱釗岑，劉 冰，司 瑞，趙 穎

(1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域研究站，中國(guó)科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

灌溉水生產(chǎn)力受土壤、氣候、作物與灌溉水平等多種因素的共同影響，但在相同灌溉處理與氣候條件下，灌溉水生產(chǎn)力差異則主要由土壤質(zhì)地差異決定[1-2]。因此，在區(qū)域尺度土地利用管理中，除通過(guò)采用先進(jìn)灌溉技術(shù)提高灌溉水生產(chǎn)力外，應(yīng)根據(jù)不同土壤質(zhì)地確定作物最優(yōu)灌溉時(shí)機(jī)，制定不同灌溉措施，對(duì)灌溉水進(jìn)行合理分配，提高灌溉水生產(chǎn)力[3-6]。土壤質(zhì)地是土壤結(jié)構(gòu)的決定性因素，決定土壤保水保肥能力[7-8]。土壤質(zhì)地可通過(guò)影響土壤水分再分布進(jìn)而影響作物蒸散發(fā)[9]；同時(shí)也可通過(guò)影響作物的根系分布影響水分養(yǎng)分吸收[10-11]，并影響營(yíng)養(yǎng)元素的淋溶與肥料利用效率[12-14]，從而影響作物生長(zhǎng)特征、生物量與灌溉水生產(chǎn)力。然而，不同作物由于生理差異，導(dǎo)致其根系分布、養(yǎng)分吸收與干物質(zhì)積累對(duì)土壤質(zhì)地的響應(yīng)存在顯著差異[15-16]。土壤質(zhì)地與灌溉水平對(duì)作物生長(zhǎng)特征、生物量與灌溉水生產(chǎn)力存在交叉影響，不同作物在不同質(zhì)地土壤種植應(yīng)采用不同的灌溉措施[16-18]。因此，針對(duì)水資源短缺與貧瘠土地生產(chǎn)力低下等問(wèn)題，確定土壤質(zhì)地對(duì)作物生長(zhǎng)和灌溉水生產(chǎn)力的影響，探討作物在不同土壤質(zhì)地下的生長(zhǎng)特征與灌溉水生產(chǎn)力，針對(duì)不同土壤質(zhì)地制定相應(yīng)的灌溉措施，對(duì)于提高土地生產(chǎn)力、土壤改良與節(jié)水灌溉具有重要意義。

甜高粱是一種能源作物、飼料作物和糖科作物，具有極強(qiáng)的抗逆性與適應(yīng)性，比其他作物更抗旱、耐鹽堿和耐貧瘠[19-22]。黑河中游綠洲區(qū)，屬于典型的荒漠環(huán)境，具有充足的光熱資源，適合甜高粱生長(zhǎng)[23]。但甜高粱種植普遍采用傳統(tǒng)的漫灌模式，灌溉水生產(chǎn)力低下，同時(shí)由于邊緣新墾綠洲開(kāi)墾年限差異，土壤空間異質(zhì)性極大，導(dǎo)致甜高粱生長(zhǎng)特征、生物量與灌溉水生產(chǎn)力存在極大差異[2]。同時(shí)，按灌溉面積分配灌溉水量導(dǎo)致不同土壤質(zhì)地農(nóng)田灌溉用水出現(xiàn)了盈余與虧缺的現(xiàn)象，尤其是新墾綠洲砂質(zhì)農(nóng)田[24]。目前，對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征、生物量的影響因素研究主要集中于溫度、鹽分及水分等方面，主要研究的是甜高粱的抗旱、耐鹽堿及耐低溫[25-28]。然而，不同土壤質(zhì)地對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征、生物量和灌溉水生產(chǎn)力影響的研究鮮有報(bào)道，同時(shí)缺乏不同土壤條件下作物合理灌溉的研究。因此，開(kāi)展不同土壤質(zhì)地節(jié)水灌溉對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征、生物量和灌溉水生產(chǎn)力的影響研究，對(duì)于西北干旱區(qū)邊緣綠洲種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化與灌溉水合理分配具有重要意義。

本研究以黑河中游邊緣綠洲為研究區(qū)，通過(guò)測(cè)定不同土壤質(zhì)地與灌溉處理?xiàng)l件下甜高粱生長(zhǎng)特征和生物量，計(jì)算灌溉水生產(chǎn)力，研究土壤質(zhì)地與灌溉處理對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征、生物量與灌溉水生產(chǎn)力的影響，分析不同土壤質(zhì)地條件下的甜高粱生產(chǎn)的灌溉措施，為高效開(kāi)發(fā)綠洲邊際貧瘠土地、優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)與灌溉措施提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域綜合研究試驗(yàn)站(39°24′N，100°21′E)，位于黑河中游張掖綠洲臨澤縣北部，綠洲外為巴丹吉林沙漠南緣延伸帶，是典型的荒漠綠洲。該地區(qū)屬典型的干旱荒漠氣候特征，年均降水量為116.8 mm，65%的降雨發(fā)生在6-9月，年均溫7.6 ℃，≥10 ℃年積溫為3 085 ℃，無(wú)霜期為168 d，平均日照時(shí)數(shù)為3 051 h[23]。地帶性土壤為灰棕荒漠土，沿黑河河岸分布有小面積的潮土和灌淤土。同時(shí)由于開(kāi)墾年限差異，土壤熟化程度存在顯著的空間異質(zhì)性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選擇了土壤有機(jī)械組成和養(yǎng)分含量存在明顯梯度的5種土壤(表1)，砂壤土(S1和S2)，砂土(S3和S4)，壤砂土(S5)。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)[2]Table 1 Basic physicochemical properties of different soils[2]

2018年-2019年進(jìn)行甜高粱種植試驗(yàn)，試驗(yàn)品種為“近甜一號(hào)”，試驗(yàn)小區(qū)面積為20 m2(5 m×4 m)，采用膜上種植，小區(qū)內(nèi)甜高粱的行距為50 cm，株距為20 cm，種植密度為100 050株·hm-2。每個(gè)土壤質(zhì)地設(shè)置3個(gè)灌溉水平，包括28.6%節(jié)水灌溉I1(6 000 m3·hm-2)，14.3%節(jié)水灌溉I2(7 200 m3·hm-2)，常規(guī)充分灌溉I3(8 400 m3·hm-2)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。播種前施用氮肥(尿素，含氮46%)140 kg·hm-2，磷肥(過(guò)磷酸鈣，有效磷含量大于12%)70 kg·hm-2作為底肥；拔節(jié)期施用氮肥170 kg·hm-2，磷肥70 kg·hm-2；開(kāi)花期施氮肥30 kg·hm-2。

1.3 甜高粱生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

甜高粱出苗50 d后，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取一個(gè)(2×2)m2樣方，標(biāo)定3株生長(zhǎng)一致的甜高粱植株，收獲前10 d(2018年9月15日，2019年9月20日)，測(cè)定株高、莖稈直徑、綠葉數(shù)、莖稈汁液錘度和節(jié)間數(shù)。選取甜高粱莖稈的第二節(jié)測(cè)定莖稈直徑，莖稈汁液錘度測(cè)定部位是底部1/5處、中部1/2處和頂部4/5處。收獲期，收獲各樣方內(nèi)的甜高粱植株，對(duì)每株地上部分分為莖稈、葉片和穗，分別稱其鮮重，然后在80 ℃烘干至恒重后稱重，獲得生物量干重[29]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

灌溉水生產(chǎn)力是評(píng)估農(nóng)業(yè)用水的重要指標(biāo)[30]，對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義，其計(jì)算公式為：

式中：IWP為灌溉水生產(chǎn)力，kg·m-3；Yield為地上生物量，kg；IPAR為植物總灌溉水量，m-3。

采用方差分析進(jìn)行不同土壤質(zhì)地對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征與灌溉水生產(chǎn)力的差異分析，采用Person相關(guān)分析對(duì)土壤質(zhì)地與甜高粱生長(zhǎng)特征、灌溉水生產(chǎn)力進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地與灌溉水平對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征的影響

與常規(guī)充分灌溉(I3)相比，28.6%節(jié)水灌溉(I1)和14.3%節(jié)水灌溉(I2)處理，除砂土外，甜高粱株高均呈現(xiàn)不同程度的增加(表2，表3)，增加幅度在1.00%～13.4%。在5種土壤質(zhì)地中，不同灌溉處理間甜高粱株高差異顯著，I1和I2分別較I3分別增加了4.07%和3.77%。同時(shí)，不同灌溉處理間甜高粱節(jié)間數(shù)變化趨勢(shì)與株高一致，I1和I2分別較I3分別增加了8.22%和3.50%。然而，灌溉處理對(duì)甜高粱莖稈直徑的影響與株高和節(jié)間數(shù)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。在5種土壤質(zhì)地中，不同灌溉處理平均莖稈直徑，I1和I2較I3分別降低了3.92%和3.21%。除I2處理的底部、中部莖稈汁液錘度外，I1和I2甜高粱莖稈汁液錘度較I3增加幅度為0.02%～4.98%。

在5種不同土壤處理中，甜高粱株高、莖稈直徑、節(jié)間數(shù)和莖稈汁液錘度均呈現(xiàn)顯著差異(表2，表3)。其中，株高和莖稈直徑最大分別為壤砂土和砂壤土，最小均為砂土；然而土壤性質(zhì)對(duì)甜高粱莖稈汁液錘度的影響與株高、莖稈直徑等生長(zhǎng)參數(shù)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，除頂部莖稈汁液錘度外，最大的均為砂土S3，且S3較其他土壤甜高粱平均莖稈汁液錘度高4.21%～20.7%；但S3頂部莖稈汁液錘度僅較S2和S4降低3.43%與0.96%。

2.2 土壤質(zhì)地與灌溉水平對(duì)甜高粱地上部分生物量的影響

不同土壤條件下收獲期甜高粱生物量存在顯著差異(P< 0.05，圖1)，莖稈生物量變化范圍為6.62～19.7 t·hm-2，地上部分生物量變化范圍為12.1～32.9 t·hm-2。其中，甜高粱莖稈和地上部分生物量最高的均為S1，其生物量為27.6 t·hm-2，莖稈為15.4 t·hm-2。S3甜高粱莖稈和地上部分生物量最低，其生物量為15.5 t·hm-2，莖稈為8.78 t·hm-2。莖稈生物量占地上部分生物量的比例為44.2%～67.8%?？傮w來(lái)看，甜高粱莖稈生物量次序?yàn)樯叭劳罶1，壤砂土S5，砂壤土S2，砂土S4和砂土S3。

隨灌溉量的增加，各土壤甜高粱生物量變化情況存在顯著差異。除砂壤土S1外，呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)外，其余土壤質(zhì)地甜高粱均呈現(xiàn)逐漸降低或先增加后降低的變化趨勢(shì)。5種土壤質(zhì)地中，甜高粱生物量呈現(xiàn)隨灌溉量的增加而逐漸降低，I1和I2甜高粱莖稈生物量分別較I3增加了9.71%和2.75%，總生物量為8.96%和3.25%。

表2 甜高粱生長(zhǎng)特征Table 2 Growth characteristics of sweet sorghum

表3 土壤質(zhì)地與灌溉水平對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征的影響(平均值)Table 3 Effects of soil and irrigation on the growth characteristics of sweet sorghum(Average values)

注：不同小寫字母表示LSD 0.05水平差異顯著。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences at LSD 0.05 level.The same is as below.圖1 不同土壤條件下甜高粱生物量Fig.1 Biomass of sweet sorghum with different soils

2.3 土壤質(zhì)地與灌溉水平對(duì)甜高粱灌溉水生產(chǎn)力的影響

在不同的土壤條件與灌溉水平下，甜高粱灌溉水生產(chǎn)力介于1.73～4.95 kg·m-3之間；最高值出現(xiàn)在S5的I1處理，為4.95 kg·m-3；最低值出現(xiàn)在S4的I3處理，為1.73 kg·m-3(圖2)。不同土壤質(zhì)地甜高粱灌溉水生產(chǎn)力存在顯著差異，S3和S4顯著低于S5和S1、S2。不同土壤質(zhì)地，灌溉水生產(chǎn)力隨灌溉量的增加其變化趨勢(shì)存在一定差異，但總體呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。甜高粱I3處理的灌溉水生產(chǎn)力相較于I1處理降低了在3.27%～50.0%，其中S2降低幅度最大，表明土壤質(zhì)地與灌溉條件對(duì)甜高粱灌溉水生產(chǎn)力存在交叉影響。

土壤質(zhì)地與灌溉處理對(duì)甜高粱灌溉水生產(chǎn)力具有顯著影響(圖3)。在不同土壤質(zhì)地下，甜高粱灌溉水生產(chǎn)力隨土壤黏粉粒、有機(jī)質(zhì)和全氮含量的增加而逐漸增加。但土壤黏粉粒含量達(dá)到30.0%、有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到6 g·kg-1、全氮含量達(dá)到0.45 g·kg-1以上時(shí)，灌溉水生產(chǎn)力逐漸下降。

灌溉對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征與水生產(chǎn)力具有一定影響，但各處理間差異不顯著(圖4)。

圖2 不同土壤條件下甜高粱灌溉水生產(chǎn)力Fig.2 Irrigation water productivity of sweet sorghum with different soils

圖3 甜高粱灌溉水生產(chǎn)力與土壤粘粉粒、有機(jī)質(zhì)和全氮含量的關(guān)系Fig.3 Relationships of sweet sorghum irrigation water productivity with silt+clay content,organic matter content and total nitrogen content in the soil

3 討 論

3.1 灌溉對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征與灌溉水生產(chǎn)力的影響

作物生長(zhǎng)性狀與水生產(chǎn)力受土壤質(zhì)地和灌溉等多種因素的綜合影響[2]。針對(duì)藜谷和馬鈴薯等作物的研究表明，充分灌溉較節(jié)水灌溉能促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，提高光能利用率，促進(jìn)莖葉生長(zhǎng)，有利于產(chǎn)量的提高[11,17]。而對(duì)棉花的研究表明，節(jié)水灌溉后棉花莖葉生物量較充分灌溉有所提高，但籽棉產(chǎn)量持平或有所提高[2,32]。解婷婷等[29]在河西走廊的研究表明中度干旱脅迫下甜高粱的生物產(chǎn)量和水分利用效率均最高。本研究表明，在充分灌溉條件下，甜高粱莖粗高于節(jié)水灌溉，但差異不顯著，且其它生長(zhǎng)特征、生物量、灌溉水生產(chǎn)力均低于節(jié)水灌溉。本研究結(jié)果表明在肥料充足的前提下，充分灌溉不能促進(jìn)甜高粱產(chǎn)量提高，I1、I2生物量較I3提高6.30%和3.17%，且灌溉水生產(chǎn)力急劇降低，分別降低48.8%與20.4%；同時(shí)土壤水分含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)下降，I2、I3甜高粱莖稈汁液錘度較I1分別降低2.39%與2.04%。已有研究證明，土壤水分脅迫抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育，降低光合性能，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)，同時(shí)土壤水分含量過(guò)多或過(guò)少均不利于作物產(chǎn)量提高[29,33]。因此，可通過(guò)優(yōu)化灌溉措施實(shí)現(xiàn)甜高粱節(jié)水與增產(chǎn)的協(xié)調(diào)。

圖4 灌溉量與甜高粱生物量、灌溉水生產(chǎn)力回歸關(guān)系Fig.4 Relationships of irrigation with sweet sorghum yield and irrigation water productivity

3.2 土壤質(zhì)地對(duì)甜高粱生長(zhǎng)特征與灌溉水生產(chǎn)力的影響

土壤理化性質(zhì)決定土壤對(duì)作物生長(zhǎng)的水肥供應(yīng)能力，與作物的生長(zhǎng)特征和灌溉水生產(chǎn)力密切相關(guān)[11]。隨著社會(huì)發(fā)展與人口擴(kuò)張，干旱區(qū)綠洲面積不斷擴(kuò)大，由于不同的開(kāi)墾年限與灌溉水平，綠洲土壤性狀呈現(xiàn)較大差異。砂壤土和壤砂土耕作時(shí)間較長(zhǎng)，土壤保肥透氣能力較好，導(dǎo)致根系主要分布層土壤水分和養(yǎng)分條件好，能較好的促進(jìn)作物的生長(zhǎng)；然而砂土土壤結(jié)構(gòu)與保水保肥能力較差，土壤田間持水量較低，導(dǎo)致根系主要分布層土壤水分、養(yǎng)分條件較差，導(dǎo)致在相同水肥條件下水肥利用效率降低，不利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育[8,24,34]。本研究中，除莖稈汁液錘度外，砂土種植的甜高粱生長(zhǎng)特征均與灌溉水生產(chǎn)力低于壤砂土和砂壤土，且生物量與灌溉水生產(chǎn)力差異顯著(P<0.05)，這與其它區(qū)域不同作物研究結(jié)果一致[2,15,17]。表明甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土。不同土壤質(zhì)地對(duì)甜高粱莖稈汁液錘度影響存在差異，主要由于不同質(zhì)地土壤的持水能力差異較大。前人研究表明適當(dāng)?shù)臏p少土壤水分有助于甜高粱植株糖分的積累，提高莖稈汁液錘度，但土壤水分過(guò)低會(huì)影響糖分累積，降低莖稈汁液錘度[34-35]。在本研究中，砂土S3甜高粱莖稈汁液錘度最高，然而砂土S4則最低，且砂土S3、S4甜高粱生物量與灌溉水生產(chǎn)力均較低。主要原因在于土壤持水能力差異(表1)；相同灌溉條件下，砂土中能被甜高粱吸收利用的水分較少，影響了甜高粱生物量的積累，導(dǎo)致其灌溉水生產(chǎn)力較低。適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于發(fā)育過(guò)程中糖分的積累[36]，導(dǎo)致砂土S3甜高粱莖稈汁液錘度最高；但S4土壤持水能力極差，導(dǎo)致甜高粱生長(zhǎng)過(guò)程中水分脅迫較大，不利于其糖分含量的積累，最終導(dǎo)致砂土S4甜高粱莖稈汁液錘度最低。表明適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于甜高粱糖分的累積。

土壤基本理化性質(zhì)與甜高粱生長(zhǎng)特征與灌溉水生產(chǎn)力的相關(guān)性結(jié)果表明，除莖粗與節(jié)間數(shù)和土壤基本理化性質(zhì)存在顯著相關(guān)性外，甜高粱其它生長(zhǎng)特征和灌溉水生產(chǎn)力與土壤基本理化性質(zhì)相關(guān)性均不顯著(表4)。除容重與甜高粱生長(zhǎng)特征和灌溉水生產(chǎn)力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其余均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；汁液錘度則相反，與容重呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果進(jìn)一步表明在黏粉粒含量越低、砂粒含量越高、容重越大的土壤中，甜高粱生長(zhǎng)與灌溉水生產(chǎn)力均越低[31]，但莖稈汁液錘度則越高。表明甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土，且適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于甜高粱糖分含量的積累。同時(shí)表明，在干旱區(qū)綠洲應(yīng)結(jié)合土壤質(zhì)地選擇不同類型的甜高粱，其中飼用甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土，糖用甜高粱適合種植于砂土。

表4 土壤基本理化性質(zhì)與甜高粱生長(zhǎng)特征和灌溉水生產(chǎn)力的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of soil physicochemical properties and growth characteristics of sweet sorghum and irrigation water productivity

4 結(jié) 論

甜高粱的生長(zhǎng)特征與灌溉水生產(chǎn)力均受土壤質(zhì)地和灌溉水平的交叉影響。與I3灌溉處理相比，I1和I2甜高粱莖稈生物量分別增加了7.81%和3.57%，地上部分生物量增加了6.30%和3.17%。隨灌溉量的降低，甜高粱灌溉水生產(chǎn)力顯著增加，I1和I2分別較I3的2.44 kg·m-3提高了48.8%和20.4%。除莖稈汁液錘度外，甜高粱其它生長(zhǎng)特征和灌溉水生產(chǎn)力總體表現(xiàn)為砂壤土>壤砂土>砂壤土>砂土。灌溉水生產(chǎn)力與土壤質(zhì)地呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系，土壤黏粉粒與養(yǎng)分含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致灌溉水生產(chǎn)力的降低；提升增加灌溉量對(duì)于產(chǎn)量的提升不顯著，但顯著降低了灌溉水生產(chǎn)力。表明甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土，且適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于甜高粱糖分含量的積累。