尹志榮,黃建成,桂林國(guó),趙 營(yíng),雷金銀
(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,銀川 750002)
寧夏農(nóng)業(yè)灌溉用水平均利用率在40%左右,人均水資源量不足200m3,水資源短缺已成為制約寧夏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境改善的最大瓶頸。枸杞作為寧夏特色優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)作物,生態(tài)適應(yīng)性極強(qiáng),抗旱、耐鹽堿、耐瘠薄,具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益[1]。近年來(lái),隨著寧夏節(jié)水農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,充分挖掘植物節(jié)水潛力,因地制宜打造規(guī)?;?biāo)準(zhǔn)化種植模式,有效促進(jìn)了枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新優(yōu)勢(shì)。
截至2018年底,寧夏枸杞種植面積已達(dá)6.7萬(wàn)hm2。實(shí)踐證明,枸杞滴灌栽培增產(chǎn)、節(jié)水效果最顯著。鄭國(guó)保等[2]以‘寧杞1號(hào)’為試材將枸杞園土壤水分變化分為四層,活躍層(0~30cm)、次活躍層(30~60cm)、緩變層(30~60cm)和均穩(wěn)層(100~180cm),并指出枸杞耗水深度一般在0~100cm,0~60cm土層變化尤為激烈。程良等[3]以‘寧杞7號(hào)’為試材研究中部干旱區(qū)覆膜情況下灌水定額為1620m3·hm-2時(shí)枸杞產(chǎn)量最高,覆膜枸杞水分利用率高于不覆膜處理。董世德等[4]開(kāi)展不同覆蓋措施對(duì)滴灌鹽漬土枸杞生長(zhǎng)及水鹽分布的影響,結(jié)果表明,黑膜覆蓋和草簾覆蓋能夠顯著減緩枸杞根區(qū)土壤水分耗散,土壤質(zhì)量含水率分別提高29.6%和13.3%。徐利崗等[5]認(rèn)為干旱區(qū)枸杞土壤水分變化敏感區(qū)域?yàn)榫鄻?shù)干水平距離40cm處的20~70cm土層,灌水前后土壤含水率在0.2%~4.3%,3750m3·hm-2時(shí)水分利用率及品質(zhì)相對(duì)較好。侯建安等[6]以‘寧杞8號(hào)’為試材分析灌水下限和灌水頻率對(duì)枸杞園土壤分布的影響,表明高頻灌水土壤水分變化保持在一個(gè)較穩(wěn)定的范圍,最佳灌水下限宜控制在田間最大持水量的85%。前人的這些研究多側(cè)重于灌水對(duì)枸杞產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率方面的研究且只選擇了一種供試品種,而關(guān)于不同灌水處理同時(shí)對(duì)多個(gè)品種土壤水分動(dòng)態(tài)變化的比較研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以4個(gè)枸杞品種為試驗(yàn)材料,研究不同灌水量對(duì)不同品種枸杞各土層土壤含水量運(yùn)移及水分利用率的影響,旨在為寧夏枸杞的水分合理調(diào)控提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2016年在寧夏農(nóng)林科學(xué)院園林場(chǎng)試驗(yàn)基地枸杞園進(jìn)行(樹(shù)齡2 a),年均降雨量186.7 mm,年均蒸發(fā)量2 500 mm,無(wú)霜期約154 d, ≥10 ℃積溫為3 475 ℃。試驗(yàn)地0~40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)11.04 g·kg-1,堿解氮57.5 mg·kg-1,速效磷49.2 mg·kg-1,速效鉀402 mg·kg-1。
試驗(yàn)采用兩因素條區(qū)設(shè)計(jì),因素一為灌溉量,設(shè)灌溉量5 100 m3·hm-2(W1,當(dāng)?shù)罔坭缴a(chǎn)常規(guī)滴灌量)、4 350 m3·hm-2(W2)、3 600 m3·hm-2(W3)、2 850 m3·hm-2(W4)、2 100 m3·hm-2(W5);因素二為枸杞品種,‘寧杞1號(hào)’(V1)、‘寧杞5號(hào)’(V5)、‘寧杞7號(hào)’(V7)、‘寧杞9號(hào)’(V9),共4個(gè)品種。其中,‘寧杞1號(hào)’是寧夏農(nóng)林科學(xué)院選育的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性強(qiáng)的品種,已在寧夏、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、湖北、陜西等省、自治區(qū)推廣種植;‘寧杞5號(hào)’是2009年選育的枸杞新品種,相對(duì)‘寧杞1號(hào)’果粒更大、更均勻、易采摘、經(jīng)濟(jì)效益好,果粒呈長(zhǎng)圓形,果實(shí)成熟期比‘寧杞1號(hào)’提前1周左右,但該品種雄蕊花粉敗育,無(wú)花粉散出,先天雄性不育,需混栽授粉樹(shù)才能結(jié)果;‘寧杞7號(hào)’是從寧夏枸杞生產(chǎn)園中選育出的無(wú)性系新品種,在多年多點(diǎn)的品種對(duì)比試驗(yàn)與區(qū)域試驗(yàn)中表現(xiàn)出生長(zhǎng)快、自交親和水平高、抗逆性強(qiáng)、豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、果粒大、等級(jí)率高等特點(diǎn);‘寧杞9號(hào)’是以‘寧杞1號(hào)’同源四倍體98-2 與河北枸杞雜交選育獲得,葉片肥厚,長(zhǎng)橢圓形,果粒大。
每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)排列。試驗(yàn)園枸杞株行距3 m×1 m,每行設(shè)置1個(gè)灌水處理,每個(gè)品種14 m,試驗(yàn)小區(qū)面積約42 hm2。沿枸杞行每行鋪設(shè)一根滴灌管,每株枸杞樹(shù)下安裝 4 L·h-1流量的管上式滴頭1個(gè),每根滴灌管前安裝開(kāi)關(guān),整個(gè)灌水量由首部水表控制,灌水時(shí)間和灌水定額見(jiàn)表1。試驗(yàn)期間除灌水外,各處理鋤草、施肥、修剪等田間管理均保持一致。
1.3.1 土壤水分含量 每次灌溉前后用TDR土壤水分測(cè)定儀測(cè)定0~80 cm土層體積含水量,每10 cm為一層,降雨前后加測(cè)。
表1 灌水時(shí)間及灌水定額Table 1 Irrigation time and quota m3·hm-2
1.3.2 產(chǎn)量與水分利用效率 產(chǎn)量水平上枸杞的水分利用效率,即WUE=Y/ET。灌溉水利用效率IWUE=Y/I。式中,Y、ET、I分別為枸杞產(chǎn)量(kg·hm-2)、枸杞開(kāi)花期至落葉期內(nèi)(5~8月)不同品種的實(shí)際耗水量、灌水量。
耗水量采用水量平衡法計(jì)算。
產(chǎn)量為枸杞果熟期鮮果產(chǎn)量。
采用Microsoft excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖,采用DPS 9.50進(jìn)行方差分析。
由圖1可知,不同枸杞品種土壤含水量的變化差異顯著,整體呈波動(dòng)式遞減趨勢(shì),生育后期 (7~8月)土壤含水量低于生育前期(4~6月),這主要是因?yàn)槊妊科谥灵_(kāi)花期是枸杞需水關(guān)鍵期,此時(shí)充足的土壤水分含量才能滿足植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。土壤含水量第一次峰值出現(xiàn)在5月12日灌水后,之后隨時(shí)間的推移 ‘寧杞7號(hào)’和 ‘寧杞9號(hào)’土壤水分含量逐漸降低,至下次灌水后又出現(xiàn)新的峰值,‘寧杞1號(hào)’和‘寧杞5號(hào)’變化有別,‘寧杞1號(hào)’W2、W3、W5處理土壤含水量下降,W4、W1處理土壤含水量上升,而‘寧杞5號(hào)’W1、W5處理土壤含水量下降,W2、W3、W4土壤含水量上升。不同灌水量之間,W5處理土壤含水量較低,尤其對(duì)‘寧杞5號(hào)’和‘寧杞7號(hào)’,平均為16.74%和17.37%;計(jì)算4個(gè)品種栽培下W5處理的平均土壤含水量?jī)H16.91%;W1處理土壤含水量也不高,對(duì)‘寧杞1號(hào)’和‘寧杞9號(hào)’,平均14.59%和16.70%;計(jì)算4個(gè)品種栽培下W1處理的平均土壤含水量為18.40%。對(duì)于‘寧杞5號(hào)’和‘寧杞7號(hào)’,W5處理灌水量少于W1 處理3 000 m3·hm-2,但土壤含水量卻高出W1處理 15.35%和0.06%,同時(shí)W4、W3處理0~20 cm的土壤含水量整體高于其他處理。由此可見(jiàn),枸杞生育期內(nèi)土壤水分含量的變化規(guī)律與灌溉量無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系,灌水量過(guò)于飽和或減小太多均會(huì)影響土壤含水量的變化。W5和W1處理土壤含量最低,平均分別為16.91%和18.40%。
圖1 枸杞生育期內(nèi)不同灌水量下0~20 cm土壤水分含量Fig.1 Soil water content of 0-20 cm under different irrigation amounts during growth period of wolfberry
剖面土壤含水量在枸杞生育期內(nèi)的變化十分明顯,如圖2所示。隨土壤深度的增加,0~60 cm土層土壤含水量變化極為劇烈,而底層60~80 cm 土壤含水量變化相對(duì)緩慢,表明隨土層加深土壤含水量受灌水的影響減小,灌水后土壤含水量的變化與灌水前相比,整體上以40 cm為“臨界點(diǎn)”開(kāi)始下降逐漸趨于平緩。對(duì)于‘寧杞1號(hào)’,灌前、灌后各處理剖面土壤含水量的變化隨土層深度的增加波動(dòng)幅度較大,W5處理土壤含水量最低,變化極為劇烈,隨灌溉時(shí)間的增加W1處理不同土層土壤含水量逐漸減小,僅次于W5處理,而W3~W4處理土壤含水量相對(duì)較高,穩(wěn)定在 19.83%~20.31%。對(duì)于‘寧杞5號(hào)’,灌水后土壤含水量的變化與灌水前相似,灌后1 d和灌后 3 d、灌后5 d的土壤含水量在0~40 cm土層變化趨勢(shì)基本一致,僅灌后3 d時(shí)40 cm土層的土壤含水量急劇下降,后又逐漸趨于平緩,W5處理土壤含水量最低,平均為 16.44%,W4處理土壤含水量最高,平均為 23.86%。對(duì)于‘寧杞7號(hào)’,灌后與灌前剖面土壤含水量只有W4處理變化顯著,且土壤含水量最低為15.24%,其他處理趨勢(shì)一致,灌后1 d時(shí)W1處理土壤含水量高于W5處理,灌后3 d至5 d時(shí)W5處理的土壤含水量反而高于W1,表明過(guò)量灌溉在滿足作物正常需水外,很大一部分可能耗于無(wú)效蒸發(fā),導(dǎo)致土壤含水量與虧缺灌溉條件下的土壤含水量差異較小,還有可能加速土壤水分向深層運(yùn)移。對(duì)于‘寧杞9號(hào)’,除W1土壤含水量變化波動(dòng)較大外,隨灌溉時(shí)間的增加其他灌水處理變化比較穩(wěn)定,差異較小,但整體上W2處理不同層次土壤含水量較高,平均為19.78%,W3次之為18.41%。
1~4分別表示灌水前、灌水后1 d、灌水后3 d和灌水后5 d;A.寧杞1號(hào);B.寧杞5號(hào);C.寧杞7號(hào);D.寧杞9號(hào)
由上述分析可知,水量過(guò)于飽和的充分灌溉W1在灌水時(shí),只有部分水分被作物吸收,另一部分水分耗于無(wú)效蒸發(fā),還有一部分水分可能流失于深層滲漏,實(shí)際用水效率低下。而灌水量減少的處理,在滿足作物正常生長(zhǎng)所需的需水量外,土壤含水量比過(guò)量灌溉土壤含水率要高。
根據(jù)不同枸杞品種主要生育期5~8月實(shí)際耗水量、鮮果產(chǎn)量計(jì)算水分利用率及灌溉水利用效率(表2),結(jié)果表明不同灌水量明顯影響枸杞品種產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率。隨著灌水量的減少,5~8月鮮果產(chǎn)量整體呈先增加后下降再增加的“N”字形趨勢(shì),灌水量與產(chǎn)量無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系,W5處理顯著提高‘寧杞1號(hào)’和‘寧杞5號(hào)’的產(chǎn)量,其中比‘寧杞1號(hào)’栽培條件下W1、W2、W3、W4處理產(chǎn)量的平均值增產(chǎn)56.46%,比‘寧杞5號(hào)’栽培條件下W1、W2、W3、W4處理產(chǎn)量的平均值增產(chǎn)52.80%;W2處理僅次之,顯著提高了‘寧杞7號(hào)’和‘寧杞9號(hào)’產(chǎn)量,比‘寧杞7號(hào)’栽培條件下W1、W3、W4、W5處理產(chǎn)量的平均值增產(chǎn)22.66%,比‘寧杞9號(hào)’栽培條件下W1、W3、W4、W5處理產(chǎn)量的平均增產(chǎn)43.23%。5~8月耗水量不同處理間存在顯著或極顯著差異,均以W2處理為拐點(diǎn)先增加后下降呈倒“V”字形,W2處理耗水量最高,平均為228.77 mm。水分利用效率不同品種規(guī)律不一,灌水處理間差異極顯著,隨灌水量的減少,‘寧杞1號(hào)’呈先下降后增加再下降再增加的“W”字形趨勢(shì),W5處理水分利用效率最高為17.82 kg·m-3,較W1處理提高60.40%,W3處理水分利用效率僅次于W5處理,為17.73 kg·m-3;‘寧杞5號(hào)’先增加后下降再增加呈“N”字形,W5處理水分效率最高為11.72 kg·m-3,較W1處理提高90.57%,W2處理次之為6.79 kg·m-3;‘寧杞7號(hào)’水分利用效率整體偏低,W5處理表現(xiàn)稍好,相比W1處理產(chǎn)量增加5.05%的同時(shí),水分利用效率極顯著提高49.54%,與W2、W3、W4處理相比水分利用效率平均提高56.67%,而W2處理僅提高 3.64%;‘寧杞9號(hào)’呈先增加后下降再增加再下降的“M”字形趨勢(shì),W4處理水分利用效率最高為8.16 kg·m-3,W5、W2處理次之分別為7.86 kg·m-3、7.83 kg·m-3。灌溉水利用效率除寧杞9號(hào)灌水處理間差異不顯著外,‘寧杞1號(hào)’‘寧杞5號(hào)’‘寧杞7號(hào)’W5處理與其他處理差異均達(dá)極顯著水平,其他處理間無(wú)顯著差異。
表2 不處理下不同枸杞品種水分利用效率及灌溉水利用效率Table 2 Water use efficiency and irrigation water use efficiency of different wolfberry varieties under different treatments
綜上分析,不同灌水量條件下,不同枸杞品種獲得節(jié)水高產(chǎn)的灌水處理不同,綜合考慮枸杞產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率,本試驗(yàn)條件下,W2和W5處理是節(jié)水高產(chǎn)的處理;同一灌水量條件下,不同品種間‘寧杞1號(hào)’產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率顯著高于其他品種,表明同等土壤、種植管理水平上‘寧杞1號(hào)’耐旱節(jié)水增產(chǎn)效果更突出。
灌水是影響枸杞園土壤水分動(dòng)態(tài)的重要因素[7],科學(xué)合理的滴灌量是實(shí)現(xiàn)枸杞節(jié)水增效的前提保障。本試驗(yàn)結(jié)果表明,枸杞全生育期內(nèi)土壤水分含量呈波動(dòng)式遞減趨勢(shì),生育后期的土壤水分低于生育前期,不同品種因每次的滴灌量不同導(dǎo)致土壤水分含量峰值存在差異,其主要原因是5、6月份為枸杞萌芽開(kāi)花關(guān)鍵期,此時(shí)需水量大,充足灌水有助于促進(jìn)枸杞生殖生長(zhǎng),而到后期7、8月份灌水量逐漸減小,只需滿足枸杞營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)所需水分。不同灌水處理間W5、W1處理0~20 cm土層土壤含水量低下,平均達(dá)到16.91%和18.40%,而W3、W4處理平均達(dá)到20.55%、 20.84%,這表明在0~20 cm土壤水分活躍層,土壤儲(chǔ)水能力受灌水量影響顯著,灌水量過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響淺根層土壤含水量的變化,這與賀軍奇等[8]的研究相似。
不同滴灌量對(duì)不同枸杞品種灌水前后剖面土壤含水量的變化亦具有顯著影響。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同滴灌量條件下,灌水后剖面土壤含水量的變化與灌水前相比,整體上以40 cm為“臨界點(diǎn)”開(kāi)始下降逐漸趨于平緩。不同灌水處理間,‘寧杞1號(hào)’和‘寧杞5號(hào)’枸杞在W5處理下土壤含水量表現(xiàn)最低;‘寧杞7號(hào)’枸杞則在W4處理下土壤含水量最低,0~80 cm土壤平均含水量?jī)H為15.24%;‘寧杞9號(hào)’枸杞隨土層加深土壤含水量變化規(guī)律不明顯,灌水后0~30 cm土層以W5處理土壤含水量最低,30~50 cm土層以W1處理土壤含水量最低,50~70 cm土層以W4處理土壤含水量最低,70~80 cm土層又以W1處理土壤含水量最低。綜合分析表明,灌水過(guò)量容易造成無(wú)效蒸發(fā)和淋溶損失,適度的滴灌量是減少無(wú)效損失和提高水分利用效率的有效途徑。目前,寧夏枸杞的種植以《寧夏枸杞滴灌種植技術(shù)規(guī)程DB64/T 1294-2016》為參考,關(guān)于不同品種枸杞的適宜灌溉量尚未明確說(shuō)明,本研究在上述參考的前提下,同時(shí)開(kāi)展4個(gè)常用枸杞品種的灌水研究,詳細(xì)了解不同品種對(duì)不同滴灌量的響應(yīng),這對(duì)優(yōu)化不同品種最佳灌溉制度十分必要。
枸杞產(chǎn)量及水分利用效率受生態(tài)環(huán)境因素及栽培措施的共同影響,不同灌水量條件下,枸杞品種的耗水特性、產(chǎn)量和水分利用效率存在較大差異。本研究綜合考慮枸杞產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率發(fā)現(xiàn),對(duì)枸杞這種極耐旱作物而言,在枸杞生育期內(nèi)充足的水分供應(yīng)使得枸杞水分利用效率低下,反而在常規(guī)滴灌量基礎(chǔ)上根據(jù)枸杞需水關(guān)鍵期進(jìn)行適當(dāng)水量調(diào)控,有利于提高枸杞產(chǎn)量及水分利用效率,這與徐利崗等[9]研究一致。
本試驗(yàn)條件下,W5處理在常規(guī)灌水量減少58.82%的基礎(chǔ)上,‘寧杞1號(hào)’和‘寧杞5號(hào)’枸杞產(chǎn)量明顯提高了34.22%和36.12%,水分利用效率增加了60.40%和90.57%;‘寧杞7號(hào)’和‘寧杞9號(hào)’則受W2處理的影響顯著,枸杞產(chǎn)量分別提高了16.57%和97.10%,水分利用效率增加了3.64%和77.95%,表明不同品種對(duì)灌水量的響應(yīng)不同,適度的水分虧缺可以達(dá)到提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的目的[10]。這主要是由于枸杞生長(zhǎng)物候期對(duì)水分的敏感性存在差異,張自剛[11]研究表明枸杞周年耗水量為盛化期>盛果期>營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期>秋果生長(zhǎng)期>秋果采收期,而本研究在果熟期對(duì)各處理每次灌水定額進(jìn)行調(diào)控,尤其在盛果期(7月9日)將W5處理的灌水定額加大,高于W3、W4處理而低于W1、W2處理,保證了盛果期灌水量對(duì)枸杞果實(shí)膨大的有效影響,這就促使W5處理在不減產(chǎn)的情況下反而能提高產(chǎn)量。張智猛等[12]在花生上做了相關(guān)研究,認(rèn)為適當(dāng)干旱和適時(shí)補(bǔ)水可顯著提高水分生產(chǎn)效率和花生產(chǎn)量。山侖等[13]也認(rèn)為在作物生長(zhǎng)的某些生育時(shí)期適當(dāng)控制水分對(duì)于作物的增產(chǎn)更為有效。這均與本研究結(jié)果一致。葛宇等[14]研究不同灌水量對(duì)復(fù)播油葵耗水特性的影響,表明水分利用率隨灌水量的增加而減少。張忠學(xué)等[15]研究不同灌水處理對(duì)小麥生長(zhǎng)及水分利用效率的影響,表明隨著灌溉量的增加,農(nóng)田總耗水量増加,灌溉水利用比例提高,水分利用效率降低。這與本研究也有相似之處。本研究中因品間差異,‘寧杞1號(hào)’枸杞水分利用效率隨灌水量的減少呈“W”形趨勢(shì),其他3個(gè)品種則隨灌水量的減少基本上呈先增加后減少再增加的“N”形趨勢(shì),同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在低灌水量下產(chǎn)量表現(xiàn)好的品種水分利用效率也會(huì)表現(xiàn)更佳,這與品種抗旱性密切相關(guān),比如W5處理灌溉下‘寧杞1號(hào)’和‘寧杞5號(hào)’枸杞。近年來(lái)根據(jù)區(qū)域優(yōu)勢(shì)、地力條件選用耐旱高產(chǎn)枸杞品種及優(yōu)化灌溉制度,成為寧夏枸杞綠色高質(zhì)量發(fā)展關(guān)注的主要方面,因此,開(kāi)展不同品種適宜灌溉量和合理灌溉制度的研究,是提高水分利用效率和產(chǎn)量的關(guān)鍵。
不同滴灌量條件下,枸杞生育期內(nèi)不同品種0~20 cm土壤含水量隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈波動(dòng)式遞減變化趨勢(shì),剖面土壤含水量隨土層的加深漸趨平緩,隨灌溉時(shí)間的增加W5、W1處理變化幅度最大,土壤含水量最低。
不同品種產(chǎn)量及水分利用效率對(duì)滴灌量的響應(yīng)不同。 ‘寧杞1號(hào)’和‘寧杞5號(hào)’枸杞,W5處理顯著提高枸杞產(chǎn)量和水分利用效率; ‘寧杞7號(hào)’枸杞,W5處理在高出W1處理產(chǎn)量5.05%的情況下,水分利用效率提高49.54%,W2處理產(chǎn)量增加16.57%,但水分利用效率僅提高3.64%; ‘寧杞9號(hào)’枸杞,灌水量減少的處理產(chǎn)量均比對(duì)照增加,水分利用效率增效更為顯著,綜合考慮W4處理效果最佳。