高寒區(qū)低溫水灌溉對(duì)春青稞生長(zhǎng)和地溫變化的影響

劉 偉，徐 冰, ，湯鵬程，李澤坤

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020）

0 引 言

【研究意義】融雪水是西藏地區(qū)的重要灌溉水源，然而由于西藏高海拔地區(qū)低壓低氧、高輻射、近地層冷熱交換頻繁，加之土層稀薄，低溫融雪水利用不當(dāng)容易對(duì)作物造成寒害。高山融雪水經(jīng)過較短距離輸水進(jìn)入土壤后水溫仍較低，低溫水會(huì)在一定程度上降低作物的根系活性，同時(shí)由于低溫融雪水的存在，高寒地區(qū)表層土壤易在春季連續(xù)發(fā)生凍融交替的現(xiàn)象，一些地區(qū)經(jīng)低溫融雪水灌溉后出現(xiàn)作物返青推遲、出苗率低甚至死亡的現(xiàn)象[1]。青稞是西藏地區(qū)主要的糧食作物，播種面積占全區(qū)糧食作物播種總面積的60%以上，以青稞為主的藏區(qū)糧食安全問題以及青稞的栽培種植技術(shù)推廣和品種繁育等問題一直以來備受各界關(guān)注。

【研究進(jìn)展】近年來，針對(duì)低溫水灌溉相關(guān)研究主要集中在灌溉水溫對(duì)于各類經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量等方面的影響，典型作物主要有花生[2-3]、黃瓜[4]、油麥菜[5]、番茄[6]、白菜[7]、小麥[8]、棉花[9]、棗樹[10]等。該類研究主要通過設(shè)置不同溫度的灌溉水源，進(jìn)而監(jiān)測(cè)灌水溫度與作物生長(zhǎng)發(fā)育、生命活動(dòng)（光合作用、成花坐果）以及最終作物產(chǎn)量之間的響應(yīng)關(guān)系；針對(duì)不同灌溉水溫對(duì)土壤性質(zhì)[11]的影響研究主要集中在融雪期凍土下滲機(jī)制[12]、滴灌土壤水分入滲規(guī)律[13-14]、水氮運(yùn)移規(guī)律[15]等方面。該類研究通過對(duì)照試驗(yàn)說明低溫水灌溉對(duì)土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變作物生長(zhǎng)環(huán)境；另外，針對(duì)低溫水的現(xiàn)實(shí)來源，已有研究多集中在大型灌區(qū)的水庫水溫分層所導(dǎo)致的下泄水流溫度偏低這一現(xiàn)象[16-18]，因此，從工程措施角度展開了相應(yīng)的增溫措施研究[19-22]。然而，針對(duì)西藏地區(qū)低溫融雪水灌溉對(duì)典型作物青稞生長(zhǎng)發(fā)育的影響鮮有研究。

【切入點(diǎn)】西藏地區(qū)早春時(shí)節(jié)（4―5 月）在雨季尚未來臨且沒有其他灌水來源前提下，多采用融雪水自流漫灌作為春播作物的出苗水。然而由于灌水溫度較低（0～7 ℃），致使多年生作物返青延緩、1 年生作物出苗率低等現(xiàn)象發(fā)生。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，本研究針對(duì)西藏高寒區(qū)在春季利用低溫融雪水漫灌這一獨(dú)特生產(chǎn)方式，以春青稞-藏青2000 為研究對(duì)象，旨在為融雪水資源的合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所拉薩農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（29°40′N，91°17′E，海拔3 688 m），屬高原季風(fēng)溫帶半干旱氣候區(qū)。年平均氣溫為7.7 ℃，最熱月7 月平均氣溫16.3 ℃，最冷月12 月平均氣溫為-1.5 ℃，無霜期120～130 d。年均降水量425 mm，年內(nèi)分配不均，雨季為6 月中旬至9 月下旬，降水量為400 mm 左右，占全年降水量的90%以上，且多夜雨。土壤母質(zhì)主要是沖積、洪積母質(zhì)，質(zhì)地偏沙，土壤質(zhì)地為粉砂壤土，土層較薄，20 cm 以下可見大塊石礫，土壤體積質(zhì)量1.41 g/cm3，田間持水率（質(zhì)量含水率）22%，pH 值7.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為春青稞-藏青2000，該品種春性中晚熟，生育期125～135 d，穗長(zhǎng)方形，四棱，長(zhǎng)齒芒，小穗密度中等。穴播，播深1.5～2.0 cm，每桶15～18 穴。每穴2～3 粒種子，人工點(diǎn)播。2018 年4 月25 日播種，2018 年9 月25 日收獲。出苗后追施尿素187.5 kg/hm2。桶栽單元采用直徑32 cm 的PVC 桶，底部以打孔鐵皮封底，桶高50 cm。桶中分層填入原狀土，底部20 cm 為大塊石礫，上部25 cm 為粉砂壤土，預(yù)留5 cm 以利于灌水和降雨入滲。桶壁外側(cè)間隔3 cm 設(shè)套筒預(yù)埋地下，使上方與地面平齊，降低太陽直射對(duì)桶體溫度變化的影響[23]。

對(duì)照處理為經(jīng)過蓄水池收集且日照5 h 后的常溫水灌溉（CK），低溫水灌溉組設(shè)置3 個(gè)溫度水平：以同期渠水水溫為基礎(chǔ)，分別設(shè)置低于基礎(chǔ)的3 ℃（T1）、5 ℃（T2）、7 ℃（T3）3 個(gè)溫度水平。溫度設(shè)定通過索美特SMT-26L 小型冰箱進(jìn)行處理，精度為±0.1 ℃。因桶栽試驗(yàn)取樣為破壞性取樣，各處理設(shè)置9 個(gè)重復(fù)，共36 個(gè)桶栽單元，設(shè)有隔離帶和保護(hù)區(qū)。所有處理均為充分灌溉，灌水時(shí)間與灌水量見表1。

表1 低溫水灌溉春青稞試驗(yàn)灌水時(shí)間與灌水量 Table 1 Irrigation date and amount of spring barley under low temperature water irrigation

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

春青稞生育期劃分：分蘗期（5 月10 日），拔節(jié)期（6 月5 日），抽穗期（7 月10 日），灌漿期（8 月10 日），成熟期（9 月27 日）。

春青稞長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量測(cè)定：長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo)（株高、株數(shù)、穗長(zhǎng)、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)等）每關(guān)鍵生育期測(cè)定1 次，每次取樣設(shè)3 組重復(fù)。產(chǎn)量指標(biāo)（穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、單產(chǎn)等）在成熟期測(cè)定，取樣3個(gè)重復(fù)。

通過試驗(yàn)田附近的氣象站自動(dòng)采集記錄氣象因素（氣溫、降水量、濕度、太陽輻射、大氣壓等）監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為10 min。

采用Invesible T-107 探針式溫度計(jì)（量程-50～330 ℃，精度為±0.1 ℃）在關(guān)鍵生育期灌水后5 h測(cè)定不同土層土壤溫度。4 個(gè)處理每次各選取3 個(gè)桶栽單元，每個(gè)單元分別對(duì)0～10、10～20 cm 土層進(jìn)行溫度測(cè)量以消除空間差異性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用最小顯著差數(shù)（LSD）法進(jìn)行多重比較。

圖1 生育期內(nèi)氣溫以及渠水溫度變化 Fig.1 Variation of temperature and channel water temperature during growth period

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫水對(duì)土壤溫度的影響

低溫水灌溉春青稞土壤溫度變化情況如圖2 所示（圖中不同字母表示處理間差異顯著（p＜0.05），下同。）。由圖2 可知，土壤溫度受外界溫度影響較大，隨外界溫度升高，0～10 cm 土層土壤溫度均升高，全生育期土壤溫度變幅約10 ℃。土壤溫度受灌水溫度影響，在分蘗期至拔節(jié)期最為顯著。原因可能是青稞苗期處于融凍期，此時(shí)外界溫度整體較低，而分蘗期之后外界溫度升高，地溫受到的影響開始逐步減緩。與CK 相比，T1、T2、T3 處理拔節(jié)期0～10 cm 土壤平均溫度分別減少0.90、3.78、6.07 ℃，10～20 cm土壤平均溫度分別減少0.54、2.06、3.32 ℃。由于深層土壤具有保溫作用，且水的比熱容比土壤大，表層土壤溫度更易受到灌水溫度的影響，導(dǎo)致青稞0～10 cm 土壤溫度偏低。

低溫水灌溉導(dǎo)致土壤溫度變化劇烈，且主要在作物抽穗期之前產(chǎn)生影響，而生育中后期受大氣溫度提升的影響，土壤溫度變化幅度減小。與CK 相比，T1、T2、T3 處理土壤溫度受灌水溫度影響依次增加，以T3 處理為例，各生育期（分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期）0～10 cm 土層平均土壤溫度較CK 依次減少2.87、6.07、3.51、0.54、1.65 ℃。土壤溫度變化在分蘗期至拔節(jié)期減幅最大，至灌漿期減幅逐步減小，灌漿期至成熟期有小幅增長(zhǎng)。各生育期10～20 cm 土層平均土壤溫度較CK 依次減少1.14、3.32、3.10、0.21、1.41 ℃。土壤溫度變化規(guī)律與0～10 cm 土層基本一致，整體幅度較上層略小。分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期低溫水灌溉對(duì)0～10 cm 土壤溫度影響顯著（p<0.05）；拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期低溫水灌溉對(duì)10～20 cm土壤溫度影響顯著（p<0.05）。所有低溫處理均與CK差異顯著（p<0.05）。

圖2 低溫水灌溉春青稞0～20 cm 土層土壤溫度變化 Fig.2 Changes of soil temperature in 0～20cm soil layer of spring highland barley irrigated by low-temperature water

2.2 低溫水對(duì)春青稞生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

2.2.1 作物長(zhǎng)勢(shì)情況

低溫水灌溉條件下春青稞不同生育期長(zhǎng)勢(shì)變化如圖3 所示。由圖3（a）可知，青稞地上生物量拔節(jié)期至灌漿期增長(zhǎng)速度最快，成熟期達(dá)到最大。與CK相比，T1、T2、T3 處理灌漿期地上生物量平均分別減少20.73%、28.06%、35.44%。CK 灌漿期至成熟期地上生物量增加33.83 g，占總生物量的14.54%。而T1、T2、T3 處理灌漿期之后地上生物量增加量明顯降低，僅增加了地上生物量總量的5.89%、1.20%和0.25%。隨灌水溫度的降低，地上生物量不同程度的減少，表明低溫水灌溉條件下不利于春青稞地上生物量的積累，且灌水溫度越低，影響越劇烈。根生物量變化規(guī)律如圖3（b）所示。由圖3（b）可知，拔節(jié)期CK 根生物量為35.30 g，T1、T2、T3 處理較CK分別減少了45.38%、56.49%、58.24%。表明低溫水灌溉可以明顯限制分蘗期青稞根系的發(fā)育。青稞根系抽穗期至成熟期發(fā)育較緩，至收獲時(shí)，CK 根生物量為68.87 g，T1、T2、T3 處理較CK 分別減少了18.73%、22.68%、22.04%。單從成熟期來看，低溫水灌溉對(duì)春青稞根系發(fā)育的影響程度較大。從作物全生育期來看，低溫水灌溉對(duì)青稞的根系發(fā)育影響主要集中在分蘗期和拔節(jié)期。隨外界溫度和灌水溫度的逐步提升，加之作物自身的根系發(fā)育旺盛期就在分蘗期，分蘗期之后表現(xiàn)為累積寒害影響，影響幅度有所減緩。株高的變化如圖3（c）所示。由圖3（c）可知，春青稞株高拔節(jié)期至灌漿期增長(zhǎng)速度最快，灌漿期達(dá)到最大，與CK 相比，T1、T2、T3 處理灌漿期株高分別減少了8.25%、16.94%、23.67%。灌漿期至成熟期株高變化趨于穩(wěn)定。T1、T2、T3 處理成熟期株高分別減少了6.30、15.40、21.90 cm。T3 處理明顯大于其他處理，可知灌水溫度越低，株高越低。葉面積指數(shù)變化規(guī)律如圖3（d）。由圖3（d）可知，青稞葉面積指數(shù)拔節(jié)期至抽穗期增長(zhǎng)速度最快，抽穗期達(dá)到最大，與CK 相比，T1、T2、T3 處理抽穗期葉面積指數(shù)分別減少13.85%、35.47%、46.37%。灌漿期至成熟期隨著青稞葉片發(fā)育減緩，植株體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要集中作用于青稞籽粒灌漿，葉面積指數(shù)相應(yīng)有所下降。至成熟期，籽粒形成，葉片枯黃，CK 葉面積指數(shù)為4.98，T1、T2、T3 處理葉面積指數(shù)分別減少了19.98%、24.47%、39.43%?？芍蜏厮喔葧?huì)明顯限制青稞分蘗期葉片發(fā)育，并在生育后期出現(xiàn)累積寒害影響的基礎(chǔ)上，加劇葉片枯黃程度，降低葉面積指數(shù)。

圖3 低溫水灌溉春青稞生育期作物長(zhǎng)勢(shì)變化 Fig.3 The regularity of crop growth in the growing period of spring barley irrigated by low temperature water

表2 低溫水灌溉青稞不同水溫處理產(chǎn)量構(gòu)成要素 Table 2 Simulation of Components and yield of barley irrigated with low temperature water

2.2.2 產(chǎn)量

不同處理產(chǎn)量構(gòu)成要素及產(chǎn)量如表2 所示。由表2 可知，CK 穗長(zhǎng)20.10 cm，T1、T2、T3 處理穗長(zhǎng)較CK 分別減少3.23%、5.31%、1.41%；CK 百粒質(zhì)量8.22 g，T1、T2、T3 處理平均百粒質(zhì)量較CK 分別減少12.37%、14.81%、18.66%；CK 單穗粒數(shù)67 粒，T1、T2、T3 處理平均單穗穗粒數(shù)較CK 分別減少12.00%、23.50%、25.50%；CK 平均產(chǎn)量10 247.25 kg/hm2，T1、T2、T3處理平均產(chǎn)量較CK減產(chǎn)19.62%、38.59%、42.52%。低溫水可顯著降低春青稞產(chǎn)量，灌水溫度越低，減產(chǎn)幅度越大。同時(shí)，越低的灌水溫度對(duì)孕穗數(shù)量、籽粒發(fā)育、灌漿飽滿程度等的影響越嚴(yán)重，進(jìn)而影響春青稞的產(chǎn)量。由方差分析與多重比較分析可知，百粒質(zhì)量、穗數(shù)、單穗粒數(shù)以及產(chǎn)量等產(chǎn)量因素影響極顯著（p<0.01）。

3 討 論

研究得出低溫水灌溉導(dǎo)致春青稞減產(chǎn)的結(jié)果，與李志剛[2]、劉盈茹等[3]、李明等[4]研究結(jié)果類似，主要原因是低溫水通過降低土壤溫度，限制了根系發(fā)育，從而影響了春青稞的生長(zhǎng)及產(chǎn)量。低溫水灌溉形成的寒害主要集中在春青稞的苗期至拔節(jié)期，導(dǎo)致作物出苗推遲，此后的各關(guān)鍵生育期均受到不同程度的推遲，導(dǎo)致作物生育期延長(zhǎng)了10～20 d。融雪水作為出苗水相較于生育期內(nèi)其他灌水更為重要。從外部條件來看，此時(shí)正值凍融期，大氣溫度偏低，甚至?xí)械勾汉茸匀粸?zāi)害發(fā)生。分蘗期灌水溫度的降低對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的傷害就顯得格外突出[24-26]。因此盡可能地提高作物生育初期的灌水溫度是十分有必要的。

低溫水灌溉條件下土壤水熱運(yùn)移規(guī)律、根系發(fā)育規(guī)律將是下一步的研究重點(diǎn)。合理利用融雪水可以從制定合理的春灌灌水制度著手，在滿足作物出苗的前提下，盡可能地減少由灌水溫度產(chǎn)生的次生寒害。同時(shí)由于西藏日溫差較大，太陽輻射強(qiáng)，可以從灌水時(shí)間（日尺度）角度展開研究，從而最大程度避免低溫水春灌對(duì)作物的影響，進(jìn)而更加科學(xué)、合理地利用融雪水水源。

4 結(jié) 論

1）低溫水灌溉較常溫水灌溉會(huì)直接導(dǎo)致青稞根區(qū)土壤溫度降低，間接影響青稞根系吸水及生長(zhǎng)發(fā)育。在條件允許的情況下，西藏高寒區(qū)融雪水灌溉應(yīng)結(jié)合蓄水池增溫（日照等措施）處理后進(jìn)行。

2）低溫水灌溉較常溫水灌溉減少作物干物質(zhì)累積、降低作物株高、抑制作物長(zhǎng)勢(shì)等。融雪水春灌建議以少量多次為原則，灌水盡量在地溫較高時(shí)到達(dá)田間，最大程度避免融雪水寒害影響。