水分調(diào)控與種植模式對(duì)枸杞生長(zhǎng)和水分利用效率的影響

趙 敏，齊廣平，蔡玲惠，賴桑迪，王金恒，王建軍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070； 2.甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗(yàn)站，甘肅 景泰730400)

0 引言

枸杞(Lyciumbarbarum)是茄科、枸杞屬植物，其果實(shí)“枸杞子”是一種食藥兼用的功能性保健食品，在我國(guó)有上千年的栽培歷史，主要分布在寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古和新疆等干旱半干旱區(qū)[1-4]。枸杞因耐鹽堿、耐貧瘠、抗旱等特性，常被作為鹽堿地改良和水土保持的先鋒樹種[5-6]。研究表明，適當(dāng)灌溉不僅能提高枸杞的產(chǎn)量和水分利用效率，而且能節(jié)約水資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。胥生榮等[7]和徐利崗等[8]對(duì)寧夏枸杞的研究均表明，適度水分虧缺會(huì)提高枸杞產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率。蔡玲惠等[9]和蘇鵬海等[10]對(duì)枸杞間作系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，輕度水分虧缺可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)提質(zhì)的目的。因此，合適的灌溉量能節(jié)約水資源并實(shí)現(xiàn)枸杞優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

林草間作是一種集約種植模式，兼顧生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等效益，能減少水土流失、恢復(fù)生態(tài)平衡和緩解農(nóng)林爭(zhēng)地矛盾，對(duì)農(nóng)林業(yè)的綠色健康發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[11]。研究表明，仁用杏間作能促進(jìn)新梢生長(zhǎng)，提高葉片光合色素含量，增強(qiáng)光合作用，并能顯著提高土地產(chǎn)出和水分利用效率[12]。果園間作綠肥苜蓿有利于提高地表覆蓋率、防雜除草，改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤養(yǎng)分含量，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[13-14]。鹽堿地枸杞間作不同作物均能有效提高土壤含水率，降低土壤含鹽量，達(dá)到改良鹽堿地的效果，并有利于提高枸杞產(chǎn)量[6，15]。

枸杞在甘肅景泰縣產(chǎn)業(yè)化種植已近30年，至2016年，種植面積已達(dá)3 867 hm2，鮮果總產(chǎn)量達(dá)8.5萬t，年總產(chǎn)值達(dá)5.8億元，已成為景泰縣的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，在脫貧攻堅(jiān)和鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮著重要作用[16]。甘肅引黃灌區(qū)水資源嚴(yán)重緊缺，當(dāng)?shù)罔坭焦喔纫詡鹘y(tǒng)漫灌、溝灌為主，水分流失和蒸發(fā)嚴(yán)重，水分利用效率不高，制約當(dāng)?shù)罔坭疆a(chǎn)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增產(chǎn)增收。鑒于此，本研究采用隨機(jī)區(qū)組法進(jìn)行大田林草間作水分調(diào)控灌溉試驗(yàn)，探究水分調(diào)控和間作苜蓿對(duì)土壤水分含量，以及枸杞耗水特征、生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，旨在合理利用水土資源，提高枸杞產(chǎn)量和農(nóng)民收益，為引黃灌區(qū)枸杞科學(xué)化種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019—2020年在甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗(yàn)站(104°08′E、37°23′N)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶干旱型大陸氣候，降雨稀少，年平均降水量185 mm，蒸發(fā)量大，年平均蒸發(fā)量3 028 mm，日溫差大，多年平均氣溫8.6 ℃，最高氣溫35.6 ℃，最低氣溫-27 ℃，年平均日照時(shí)間2 652 h，年平均輻射量6.18×105J/cm2，無霜期191 d。土壤類型為壤土，干容重1.61 g/cm3，田間最大持水量為24.1%(質(zhì)量含水量)。試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)1.32 g/kg，速效氮74.51 mg/kg，速效磷26.31 mg/kg，pH值8.11。試驗(yàn)區(qū)2019年枸杞全生育期內(nèi)降雨總量和平均氣溫分別為227 mm和19.1 ℃，2020年枸杞全生育期內(nèi)降雨總量和平均氣溫分別為101 mm和19.7 ℃(圖1)。

圖1 2019年/2020年枸杞全生育期降雨總量和日平均氣溫Fig.1 Daily average temperature and total rainfall during growth period of Lycium barbarum in 2019/2020

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。因素1為水分調(diào)控(灌溉計(jì)劃濕潤(rùn)層深度取60 cm，以田間持水量的百分比計(jì)土壤水分上下限)：充分灌溉W0，75%～85%；輕度虧缺W1，65%～75%；中度虧缺W2，55%～65%；重度虧缺W3，45%～55%。因素2為種植模式：枸杞單作D和枸杞間作苜蓿J。2017年4月下旬移栽兩年生枸杞苗木，南北行種植，株距150 cm，行距300 cm，同期在枸杞行間條播苜蓿(南北方向)，距樹干30 cm，行距30 cm(圖2)。8個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)試驗(yàn)，共24個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為45 m2(7.5 m×6.0 m)，枸杞2行，每行5棵，共計(jì)10棵。種植后充分灌水保證枸杞和苜蓿成活和生長(zhǎng)，每年于枸杞萌芽期開始前進(jìn)行水分調(diào)控。為防止相鄰小區(qū)間水分互滲，布設(shè)防水塑料棚膜，埋深120 cm。各小區(qū)布置灌水管道，采用小畦灌溉方式，安裝精度為0.000 1 m3的閥門水表控制水量。具體試驗(yàn)處理如表1所示。

圖2 間作種植模式Fig.2 Intercropping pattern

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤含水量：采用TRIME-PICO-BT土壤水分速測(cè)儀測(cè)定，在枸杞各生育時(shí)期采用土鉆取土烘干法進(jìn)行校核。整個(gè)試驗(yàn)期間每隔7 d測(cè)定1次，在枸杞樹行間距枸杞30 cm和150 cm布設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，深度為120 cm，每20 cm一層。當(dāng)測(cè)定深度內(nèi)土壤含水量平均值處于水分處理下限范圍時(shí)，立即進(jìn)行灌水。

灌水量：灌水量通過灌水定額公式確定。

A=10γh(θω-θ)

(1)

式中A——灌水量，mm

γ——土壤容重，1.61 g/cm3

h——計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，取60 cm

θω——土壤計(jì)劃含水量上限(田間持水量與設(shè)計(jì)計(jì)劃含水率上限的乘積)，%

θ——計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤實(shí)際平均含水量，%

耗水量：耗水量采用水量平衡公式計(jì)算。

ET=A+P+U-R-F±ΔW

(2)

(3)

式中ET——作物生育期耗水量，mm

A——生育期內(nèi)灌水量，mm

P——生育期內(nèi)有效降水量，mm，本研究采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算有效降水量

pj——第j次降雨量，mm

j——降雨次數(shù)，j=1，2，3，…，n

aj——第j次降雨的有效利用系數(shù)，當(dāng)次降雨pj<5 mm時(shí)，aj=0；當(dāng)pj=5～50 mm時(shí)，aj=1.0；當(dāng)pj>50 mm時(shí)，aj=0.8～0.7

U——地下水補(bǔ)給量，mm，試驗(yàn)區(qū)地下水埋深在30 m土層以下，因此地下水補(bǔ)給量為0

R——地表徑流量，mm，試驗(yàn)區(qū)林草間作系統(tǒng)地勢(shì)平坦，地表徑流量為0

F——深層滲漏量，mm，試驗(yàn)區(qū)林草間作系統(tǒng)50～60 cm土層深度土壤水分從未達(dá)到過田間持水量水平，因此，深層滲漏為0

ΔW——苜蓿播種和收獲時(shí)0～60 cm土壤貯水消耗量，mm

枸杞產(chǎn)量和百粒質(zhì)量：自收獲期開始(每年6月20日)至收獲期結(jié)束(9月10日)每隔7 d采摘一次成熟的枸杞鮮果，收獲后制干，計(jì)算得出產(chǎn)量。采用四分法將枸杞干果取百粒稱質(zhì)量，重復(fù)進(jìn)行3次。

水分利用效率：本研究枸杞水分利用效率為間作系統(tǒng)全部面積中枸杞的產(chǎn)量與林草間作系統(tǒng)內(nèi)的耗水量的比值，計(jì)算公式為

WUE=Y/ET

(4)

式中WUE——枸杞的水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——枸杞產(chǎn)量，kg/hm2

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖；數(shù)據(jù)使用SPSS20.0軟件進(jìn)行單因素方差(one-way ANOVA，P<0.05)分析和Duncan′s多重差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同處理下間作系統(tǒng)的耗水特征

水分調(diào)控和間作處理顯著(P<0.05)影響枸杞生育期的總耗水量(表2)，整體表現(xiàn)為枸杞間作苜蓿耗水量大于枸杞單作，且隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢(shì)，2020年耗水量高于2019年。相同種植模式下，枸杞總耗水量隨水分虧缺程度加重顯著降低，枸杞單作最大耗水量為2020年DW0處理(858 mm)，較DW1、DW2、DW3處理分別增加了27.5%、56.3%和85.7%；枸杞間作苜蓿2020年JW0處理總耗水量最高為890 mm，與JW3處理極差最大達(dá)353 mm。同一水分調(diào)控下，枸杞間作苜蓿耗水量顯著大于枸杞單作，2019年JW1和JW2處理較DW1(657 mm)和DW2(535 mm)處理分別增加了16.7%和29.7%。相同處理下，2020年總耗水量大于2019年。不同處理下，灌水量和總耗水量的變化趨勢(shì)相似，枸杞單作灌水量低于枸杞間作苜蓿，隨水分虧缺程度加重灌水量減小，2020年灌水量明顯高于2019年。

灌水量和降雨量占總耗水量的比例分別為30.0%～80.2%和11.3%～49.7%，相同種植模式下，灌水量占總耗水量比例隨水分虧缺程度加重而降低，降雨量占比變化趨勢(shì)與之相反。同一水分處理下，枸杞間作苜蓿灌水量占耗水量的比例高于枸杞單作，降雨量占比低于枸杞單作。2020年降雨稀少，降水量比2019年低126 mm，各處理中2020年灌水量占比高于2019年，降水量占比低于2019年。各處理間土壤貯水消耗量(74～113 mm)差異不顯著(P>0.05)。

表2 不同處理對(duì)間作系統(tǒng)耗水量及耗水比例的影響

2.2水分調(diào)控和間作處理對(duì)枸杞生長(zhǎng)的影響

水分調(diào)控和間作苜蓿均會(huì)顯著影響枸杞的株高、冠幅和地徑等生長(zhǎng)指標(biāo)(表3)。相同種植模式下，枸杞株高、冠幅和地徑生長(zhǎng)量均會(huì)隨著水分虧缺程度加重呈遞減趨勢(shì)，枸杞株高生長(zhǎng)量(31.3～48.0 cm)充分灌溉W0和輕度虧缺W1處理差異不顯著，枸杞冠幅生長(zhǎng)量(48.1～68.0 cm)和地徑生長(zhǎng)量(3.8～7.4 mm)隨水分虧缺程度加重差異比較顯著。同一水分調(diào)控下，間作苜蓿處理枸杞的株高、冠幅和地徑生長(zhǎng)量均小于枸杞單作。隨著樹齡增加，枸杞株高生長(zhǎng)變化量2020年高于2019年，冠幅和地徑生長(zhǎng)速度減緩，生長(zhǎng)變化量2020年均低于2019年。

2.3水分調(diào)控和間作處理對(duì)枸杞產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2.3.1干果百粒質(zhì)量和產(chǎn)量

由圖3可知，相同種植模式下，枸杞干果百粒質(zhì)量隨水分虧缺程度加重呈先增大后減小的趨勢(shì)，拐點(diǎn)出現(xiàn)在W1水分處理下，2019年DW1和JW1處理干果百粒質(zhì)量(16.93和17.34 g)較DW3和JW3處理分別提高了13.7%和30.9%。充分灌溉和輕度虧缺處理下，枸杞間作苜蓿干果百粒質(zhì)量高于枸杞單作，2019年JW0和JW1較DW0(16.21 g)和DW1(16.93 g)處理分別提高了5.6%和2.4%；虧水情況嚴(yán)重時(shí)枸杞間作苜蓿干果百粒質(zhì)量低于枸杞單作，2019年JW2和JW3較DW2(16.54 g)和DW3(14.89 g)處理分別降低了5.6%和1.1%。相同處理下枸杞干果百粒質(zhì)量2020年明顯高于2019年，極差達(dá)2.85 g。

水分調(diào)控對(duì)枸杞產(chǎn)量有顯著影響，間作苜蓿對(duì)枸杞產(chǎn)量影響不顯著。相同種植模式下，枸杞產(chǎn)量隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢(shì)，2019年DW1、DW2、DW3較單作最高產(chǎn)量DW0(2 578 kg/hm2)處理分別降低了2.2%、24.1%和42.2%，JW1、JW2、JW3較枸杞間作苜蓿最高產(chǎn)量JW0(2 543 kg/hm2)處理分別降低了5.8%、28.3%和46.7%。同一水分處理下，枸杞間作苜蓿產(chǎn)量和枸杞單作產(chǎn)量差異不顯著。相同處理下，2020年枸杞產(chǎn)量高于2019年，變化量為124～228 kg/hm2。

表3 不同處理對(duì)枸杞生長(zhǎng)變化量的影響

2.3.2水分利用效率

由圖4可知，相同種植模式下枸杞水分利用效率隨水分虧缺程度加重呈先增大后減小的趨勢(shì)，輕度虧缺W1處理達(dá)最大值，2019年DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]和JW1[3.12 kg/(hm2·mm)]處理分別較DW0、DW2、DW3和JW0、JW2、JW3處理提高了21.5%、4.9%、21.0%和6.2%、18.9%、20.4%。充分灌溉下，間作苜蓿對(duì)枸杞的水分利用效率影響不顯著；水分虧缺處理下，枸杞間作苜蓿的水分利用效率顯著低于枸杞單作，2019年JW1、JW2和JW3處理水分利用效率分別較DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]、DW2[3.65 kg/(hm2·mm)]和DW3[3.17 kg/(hm2·mm)]處理降低了18.5%、28.2%和18.2%。2020年相同處理下枸杞的水分利20.4%。充分灌溉下，間作苜蓿對(duì)枸杞的水分利用效率影響不顯著；水分虧缺處理下，枸杞間作苜蓿的水分利用效率顯著低于枸杞單作，2019年JW1、JW2和JW3處理水分利用效率分別較DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]、DW2[3.65 kg/(hm2·mm)]和DW3[3.17 kg/(hm2·mm)]處理降低了18.5%、28.2%和18.2%。2020年相同處理下枸杞的水分利用效率與2019年差異不顯著，不同處理間枸杞水分利用效率變化趨勢(shì)與2019年趨于一致。

圖3 不同處理枸杞干果百粒質(zhì)量和產(chǎn)量Fig.3 100-seed weight and yield of Lycium barbarum dry fruit under different treatments

圖4 不同處理枸杞水分利用效率Fig.4 Water use efficiency of Lycium barbarum under different treatments

3 討論

3.1不同處理下間作系統(tǒng)的耗水特征分析

水分調(diào)控與間作處理通過影響農(nóng)田微環(huán)境和中間關(guān)系，從而影響枸杞的耗水特征。鄭國(guó)保等[17]研究不同灌溉定額對(duì)枸杞土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的影響得出，土壤含水量主要隨著灌水量的增加而增大，灌水量少的處理對(duì)土壤水分消耗的相對(duì)多一些，隨灌水量增加，對(duì)土壤水分的消耗逐漸減少。徐鵬等[18]對(duì)南疆地區(qū)棗棉間作耗水特性的研究中得出，間作群體較單作一定程度上能抑制農(nóng)田蒸發(fā)且有利于土壤貯水的利用，棗樹主要利用土壤深層水分，棉花以消耗淺層土壤水分為主，棗棉間作能夠協(xié)調(diào)利用土壤各層水分。齊廣平等[19]和李曉敏等[20]對(duì)枸杞間作苜蓿的研究發(fā)現(xiàn)，枸杞生育期的總耗水量均表現(xiàn)為隨灌水虧缺程度的提高呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明，枸杞生育期的總耗水量隨灌水虧缺程度加重而減少，水分調(diào)控能提高土壤貯水消耗量，降低枸杞總耗水量；枸杞間作苜蓿灌水量占總耗水量的比值高于枸杞單作，可見間作有利于灌水量的利用。

3.2水分調(diào)控和間作處理對(duì)枸杞生長(zhǎng)的影響

水分調(diào)控與間作處理對(duì)枸杞的生長(zhǎng)影響差異顯著。尹志榮等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉量的逐漸減少，枸杞的株高、莖粗出現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。王龍強(qiáng)等[22]調(diào)查表明，間作在一定程度上抑制了枸杞的正常生長(zhǎng)發(fā)育。本研究結(jié)果與前人研究基本一致，相同種植模式下，枸杞的株高、冠幅和地徑生長(zhǎng)量隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢(shì)；同一水分處理?xiàng)l件下，單作枸杞的株高、冠幅、地徑生長(zhǎng)量均大于間作，即間作會(huì)一定程度上抑制枸杞生長(zhǎng)。

3.3水分調(diào)控和間作處理對(duì)枸杞產(chǎn)量和水分利用效率的影響

產(chǎn)量和水分利用效率是評(píng)價(jià)作物生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的綜合指標(biāo)。水分調(diào)控與間作處理顯著影響枸杞的產(chǎn)量與水分利用效率。徐利崗等[8]在基于土壤水分下限控制的寧夏枸杞滴灌灌溉制度試驗(yàn)研究中得出，適度水分虧缺反而會(huì)提高水分利用效率，但過度缺水會(huì)影響枸杞的產(chǎn)量，也將降低水分利用效率。趙彥波等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在覆膜條件下，灌溉定額為1 620 m3/hm2時(shí)枸杞生長(zhǎng)量與產(chǎn)量均達(dá)到最大，灌溉定額大于1 620 m3/hm2時(shí)，枸杞生長(zhǎng)與產(chǎn)量反而隨灌溉定額增加而減小，說明枸杞灌溉定額過大會(huì)影響枸杞長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量。本研究表明，輕度虧缺灌溉W1處理下枸杞的產(chǎn)量與充分灌溉W0差異不顯著，但水分利用效率最高。灌水量充足的條件下，枸杞間作苜蓿較單作枸杞產(chǎn)量增加，虧缺灌溉下作物種間水分競(jìng)爭(zhēng)加劇，枸杞間作苜蓿產(chǎn)量低于枸杞單作。但是枸杞間作苜蓿系統(tǒng)中苜蓿產(chǎn)量可達(dá)(12 678.27～19 228.56 kg/hm2)，總經(jīng)濟(jì)效益顯著高于枸杞單作。

4 結(jié)論

(1)枸杞生育期總耗水量整體表現(xiàn)為枸杞間作苜蓿大于枸杞單作，隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢(shì)，其中2020年JW1比DW1總耗水量高21.7%。

(2)枸杞株高、冠幅和地徑生長(zhǎng)量隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢(shì)，虧缺灌溉較充分灌溉生長(zhǎng)量減少了0.62%～53.95%。株高生長(zhǎng)量隨樹齡增加而增大，冠幅和地徑生長(zhǎng)量隨樹齡增加而減小。間作在一定程度抑制枸杞生長(zhǎng)，相同水分調(diào)控下間作生長(zhǎng)量較單作降低了1.32%～44.09%。

(3)間作種植輕度虧缺JW0處理枸杞干果百粒質(zhì)量最大，其中2020年JW0干果百粒質(zhì)量為19.04 g，水分虧缺和間作種植會(huì)一定程度上影響枸杞產(chǎn)量。

(4)枸杞水分利用效率隨水分虧缺程度加重呈先增大后減小的趨勢(shì)，輕度虧缺W1處理最大，較其他水分處理提高了2.07%～25.93%。間作種植水分利用效率低于單作，但總產(chǎn)值高于枸杞單作。