壟作溝播噴灌對(duì)農(nóng)田小氣候及油葵光合特性的影響

丁 林，王福霞，吳 婕

(1.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730000)

壟作溝播噴灌技術(shù)是近幾年科研人員在實(shí)踐中提出的一項(xiàng)新型節(jié)水栽培技術(shù)。它結(jié)合了壟作溝播栽培技術(shù)與噴灌技術(shù)的特點(diǎn)[1-2]，主要應(yīng)用于降水量250～500 mm的地區(qū)。該技術(shù)可改善作物生長環(huán)境，提高作物水分利用效率及產(chǎn)量[3-5]，非常適合井灌區(qū)管道灌溉系統(tǒng)。以往對(duì)壟作溝播技術(shù)的研究大多集中在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，主要研究內(nèi)容集中在壟溝種植對(duì)作物產(chǎn)量、水分利用效率、作物生理生態(tài)、土壤性質(zhì)、土壤微生物等方面的影響[6-12]，研究作物涉及玉米、小麥、馬鈴薯、牧草、南瓜等。關(guān)于農(nóng)藝及灌溉措施對(duì)農(nóng)田小氣候的影響研究大多集中在地膜覆蓋、灌溉與秸稈覆蓋、噴灌、膜下滴灌、施肥等對(duì)農(nóng)田小氣候的影響及作物水分利用等方面[13-20]。關(guān)于作物壟作溝播條件下光合特性的研究大多集中在旱地耕作條件下以及不同覆膜方式、水分脅迫對(duì)光合特性的影響[21-24]。然而，關(guān)于壟作溝播噴灌條件下農(nóng)田小氣候變化及光合特性的研究較少。噴灌條件下農(nóng)田小氣候與光合特性的改善是提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的主要原因之一。筆者根據(jù)大田試驗(yàn)資料，研究全膜壟作溝播噴灌對(duì)農(nóng)田小氣候的影響及油葵光合特性變化，以期從機(jī)理方面揭示農(nóng)田小氣候及光合特性與作物產(chǎn)量及水分利用效率之間的關(guān)系，為農(nóng)田高效用水提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況試驗(yàn)于2020年4月至2021年9月在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬于典型的大陸性荒漠氣候。研究區(qū)氣候干燥，光照充足，降水量少，蒸發(fā)量大，多風(fēng)沙。多年平均氣溫7.8 ℃，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0～60 cm為黏壤土，大于60 cm逐漸由黏壤土變?yōu)樯叭劳粒寥榔骄葜貫?.54 g/cm3，灌溉水為地下水，埋深30 m，礦化度0.91 g/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)以油葵(品種為“矮大頭”)為研究作物，不同灌水定額各設(shè)置4個(gè)處理，以常規(guī)覆膜噴灌為對(duì)照(CK)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)布置。試驗(yàn)區(qū)壟溝規(guī)格為大小壟，大壟寬70 cm，小壟寬40 cm，溝深15 cm，用雙壟溝播機(jī)完成起壟覆膜。種子播在壟溝內(nèi)，行距與壟溝規(guī)格一致，大行距70 cm，小行距40 cm，每穴1～2粒，株距20 cm，每穴留苗1株，對(duì)照處理一膜三行，膜寬1.45 m，行距45 cm，株距30 cm。田間噴灌方式為半固定式噴灌，噴頭采用正方形布置，噴頭流量為1.0 m3/h，射程6.5 m，工作壓強(qiáng)0.25 MPa，每個(gè)小區(qū)面積6.5 m×6.5 m。各處理施肥及農(nóng)藝措施均保持一致。試驗(yàn)小區(qū)冬季儲(chǔ)水灌溉定額120 mm，2年各處理生育期灌水定額分別為25 mm(T1)、30 mm(T2)、36 mm(T3)、42 mm(T4)，對(duì)照(CK)處理灌水定額42 mm，灌水次數(shù)均為5次。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1農(nóng)田小氣候觀測。通過PC-8便攜式氣象站(錦州陽光氣象科技有限公司)測定溫度、濕度、風(fēng)速、降水等氣象因素，小氣候站安裝在T3處理所在試驗(yàn)小區(qū)，采用太陽能供電，自動(dòng)觀測記錄數(shù)據(jù)，觀測時(shí)間間隔為每30 min 1次。

1.3.2作物冠層溫度測定。使用紅外測溫儀分別在10：00和16：00測定油葵冠層溫度，每個(gè)處理選擇作物上、中、下3處葉片觀測，重復(fù)3次。

1.3.3光合特性測定。使用ECA-PB0402(北京益康農(nóng)科技發(fā)展有限公司)在作物不同生育期10：00和16：00測定光合速率、蒸騰速率；在每個(gè)生育期灌水后選定其中一天從09：00到19：00每隔2 h測定1次光合特性，分析其全天變化。

1.3.4氣象資料觀測。通過安裝在距離試驗(yàn)區(qū)約50 m處氣象觀測場的 TRM-ZS2 全自動(dòng)氣象站(錦州陽光氣象科技有限公司)觀測并記錄溫度、濕度、降水量、蒸發(fā)量、風(fēng)速、風(fēng)向、日照時(shí)數(shù)、輻射量等氣象因素，數(shù)據(jù)觀測時(shí)間間隔為每30 min 1次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析使用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，使用DPS 6.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴灌對(duì)環(huán)境溫度的影響通過對(duì)2020年試驗(yàn)區(qū)油葵生育期農(nóng)田小氣候站與試驗(yàn)觀測場氣象站逐月環(huán)境溫度(圖1)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，小氣候站環(huán)境溫度變化趨勢與試驗(yàn)區(qū)外氣象站一致，該試驗(yàn)條件下由于灌溉原因，小氣候站環(huán)境溫度較氣象站均有不同程度降低，最大時(shí)可降低1.5 ℃以上，說明噴灌處理在高溫時(shí)段可適當(dāng)降低環(huán)境溫度，使作物在高溫時(shí)段免受侵害或減少侵害。通過對(duì)比歷次灌水前后農(nóng)田小氣候站與試驗(yàn)觀測場氣象站72 h內(nèi)環(huán)境溫度(圖2)發(fā)現(xiàn)，第1～4次灌水時(shí)小氣候站環(huán)境溫度峰值低于氣象站，說明噴灌系統(tǒng)改善了田間小氣候，有利于作物生長。第5次灌水時(shí)油葵已經(jīng)接近成熟，大部分葉片枯黃，噴灌調(diào)節(jié)田間氣候的能力減弱。

圖1 生育期試驗(yàn)區(qū)內(nèi)外環(huán)境溫度的變化Fig.1 The changes of ambient temperature inside and outside the test area during the growth period

注：A.第1次灌水前后(4月26—28日)；B.第2次灌水前后(6月5—7日)；C.第3次灌水前后(6月28—30日)；D.第4次灌水前后(7月18—20日)；E.第5次灌水前后(7月28—30日)。Note：A.The first irrigation(April 26-28)；B.The second irrigation(June 5-7)；C.The third irrigation(June 28-30)；D.The fourth irrigation(July 18-20)；E.The fifth irrigation(July 28-30).圖2 油葵各次灌水期試驗(yàn)區(qū)環(huán)境溫度的變化Fig.2 Changes of ambient temperature in the test area in each irrigation stage of oil sunflower

2.2 噴灌對(duì)環(huán)境濕度的影響從圖3可以看出，在油葵生育期試驗(yàn)區(qū)外氣象站環(huán)境濕度變化不大，均為20%～30%，而試驗(yàn)區(qū)小氣候站環(huán)境濕度明顯高于試驗(yàn)區(qū)外氣象站環(huán)境濕度，尤其在灌水過程中環(huán)境濕度明顯增大，且隨著作物的生長，其環(huán)境濕度也不斷增加，也就是說灌水期間和灌水后作物通過蒸騰作用蒸發(fā)消耗水分能夠使試驗(yàn)區(qū)環(huán)境濕度增加。通過對(duì)比歷次灌水前后72 h內(nèi)環(huán)境濕度(圖4)發(fā)現(xiàn)，每次灌水期間試驗(yàn)區(qū)小氣候站環(huán)境濕度變化明顯，而試驗(yàn)區(qū)外氣象站環(huán)境濕度變化較為平緩，尤其在第3～5次灌水時(shí)更為平緩。以上結(jié)果表明，噴灌對(duì)試驗(yàn)區(qū)環(huán)境濕度的影響較為明顯。

圖3 生育期試驗(yàn)區(qū)內(nèi)外環(huán)境濕度的變化Fig.3 The changes of ambient humidity inside and outside the test area during the growth period

注：A.第1次灌水前后(4月26—28日)；B.第2次灌水前后(6月5—7日)；C.第3次灌水前后(6月28—30日)；D.第4次灌水前后(7月18—20日)；E.第5次灌水前后(7月28—30日)。Note：A.The first irrigation(April 26-28)；B.The second irrigation(June 5-7)；C.The third irrigation(June 28-30)；D.The fourth irrigation(July 18-20)；E.The fifth irrigation(July 28-30).圖4 油葵各次灌水期試驗(yàn)區(qū)環(huán)境濕度的變化Fig.4 Changes of ambient humidity in the test area in each irrigation stage of oil sunflower

2.3 噴灌對(duì)油葵冠層溫度的影響對(duì)第2次灌水前后(6月5和7日)觀測的油葵冠層溫度進(jìn)行分析，分別在10：00和16：00測定，結(jié)果見表1。作物冠層溫度隨蒸騰蒸發(fā)量的不同有不同程度的變化，灌水較多的處理蒸騰蒸發(fā)量較大，冠層溫度則較小，即蒸騰蒸發(fā)可調(diào)節(jié)葉面溫度，適度灌水對(duì)于調(diào)節(jié)葉面溫度、改善作物呼吸狀況具有積極影響。在灌水前隨著土壤水被不斷利用，各處理土壤含水量差異較小，灌水前2個(gè)時(shí)段各處理冠層溫度差異都不大，10：00時(shí)冠層溫度最高值與最低值相差0.30 ℃，16：00時(shí)相差0.81 ℃。灌水后各處理冠層溫度隨灌水定額的不同而變化，其中T3和T4處理在10：00時(shí)冠層溫度較T1處理分別降低1.67和1.80 ℃，在16：00時(shí)冠層溫度較T1處理分別降低1.24和2.44 ℃，雖然CK灌水定額與T4處理相同，但其灌水后冠層溫度顯著高于T4處理(表1)。由此可見，灌水定額及耕作播種方式直接影響作物冠層溫度，對(duì)灌水后冠層溫度的影響較大，隨著灌溉水的不斷消耗，影響逐漸減弱。

表1 典型時(shí)段灌水前后油葵冠層溫度的變化Table 1 Changes of canopy temperature of oil sunflower before and after the irrigation in the typical period 單位：℃

2.4 油葵光合及蒸騰指標(biāo)變化

2.4.1全生育期光合和蒸騰速率的變化。在各生育期灌水后24 h分別在10：00和16：00 2個(gè)時(shí)段測定光合速率與蒸騰速率，結(jié)果見圖5～6。從圖5可以看出，各處理光合速率隨生育期呈單峰曲線，水分相對(duì)充足的處理在各生育期光合速率相對(duì)較高，T3、T4處理全生育期都高于T1處理。T4處理與CK相比在灌水定額相同的條件下由于壟溝集水作用，作物根區(qū)水分相對(duì)充足，水分利用率較高，其光合速率遠(yuǎn)高于CK，甚至T3處理光合速率也高于CK。從蒸騰特征來看，全生育期各處理蒸騰速率的變化與光合速率變化一致，也呈單峰曲線，但蒸騰速率變化與光合速率變化恰好相反，灌水定額越大的處理蒸騰速率越小，主要由于葉片在長時(shí)間內(nèi)保持濕潤狀態(tài)和環(huán)境濕度較大，減小了葉片蒸發(fā)面積及葉片內(nèi)外的水汽壓差，其數(shù)值明顯低于對(duì)照及灌水定額較小的處理，而2個(gè)時(shí)段蒸騰速率表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律(圖6)。

注：A.10：00；B.16：00。圖5 全生育期光合速率的變化Fig.5 The changes of photosynthetic rate during the whole growth period

注：A.10：00；B.16：00。圖6 全生育期蒸騰速率的變化 Fig.6 The changes of transpiration rate during the whole growth period

注：A.苗期；B.拔節(jié)期；C.開花期；D.灌漿期。Note：A.Seedling stage；B.Jointing stage；C.Flowering stage；D.Grain-filling stage.圖7 油葵各生育期全天光合速率的變化Fig.7 Changes of the photosynthetic rate of oil sunflower in the whole day in different growth stages

注：A.苗期；B.拔節(jié)期；C.開花期；D.灌漿期。Note：A.Seedling stage；B.Jointing stage；C.Flowering stage；D.Grain-filling stage.圖8 油葵不同生育期全天蒸騰速率的變化Fig.8 Changes of the transpiration rate of oil sunflower in the whole day in different growth stages

2.4.2不同生育期全天光合速率的變化。影響光合作用的外界條件每天都在時(shí)時(shí)刻刻變化著，所以光合速率在一天中也有變化，光合過程一般與太陽輻射進(jìn)程相符合。從早晨開始光合作用逐漸加強(qiáng)，中午達(dá)到高峰，以后逐漸降低，日落時(shí)光合作用停止。該試驗(yàn)在各生育期灌水后24 h內(nèi)連續(xù)觀測光合速率的變化，結(jié)果見圖7。T4和T3處理在各生育期光合速率較高，而T1處理較低，這與作物根區(qū)土壤水分狀況有直接關(guān)系。從各生育期來看，油葵生育前期各處理間全天變化較為明顯，隨生育期的推移，各處理間差異逐漸減小(圖7)。

2.4.3不同生育期全天蒸騰速率的變化。各生育期蒸騰速率變化同樣呈單峰曲線，早上空氣溫度上升，相對(duì)濕度減小，蒸騰速率隨之升高，12：00—13：00蒸騰速率達(dá)到一天中的頂峰。午后氣溫快速下降，空氣相對(duì)濕度上升，蒸騰速率也隨之降低。該試驗(yàn)在各生育期灌水后24 h內(nèi)連續(xù)觀測蒸騰速率的變化，結(jié)果見圖8。在苗期油葵長勢及葉面積差異較為明顯，各處理蒸騰速率變化差異較大。T1和T2處理在各生育期蒸騰速率較高，而T4處理較低，雖然CK和T4處理灌水定額相同，但T4處理在各生育期的蒸騰速率低于CK，主要由于T4處理對(duì)灌溉水分的疊加利用較為充分，很好地調(diào)控了環(huán)境溫濕度，降低了葉面蒸騰速率(圖8)。

3 結(jié)論與討論

通過研究壟作溝播噴灌條件下田間小氣候及油葵光合特征變化，探討了壟作溝播噴灌對(duì)油葵田間小氣候及光合特性的影響，對(duì)于研究調(diào)節(jié)田間氣候、促進(jìn)油葵水分高效利用和提高油葵產(chǎn)量具有一定意義。結(jié)果表明：壟作溝播噴灌可以降低作物生育期環(huán)境溫度，最大時(shí)可降低1.5 ℃以上，在高溫時(shí)段可使作物免受干熱風(fēng)侵害或減少侵害，有利于作物生長。試驗(yàn)區(qū)小氣候站環(huán)境濕度明顯高于試驗(yàn)區(qū)外氣象站的環(huán)境濕度，且隨著作物的生長，其環(huán)境濕度也在不斷增高。油葵冠層溫度隨蒸騰蒸發(fā)量的不同有不同程度的變化，適度灌水對(duì)于調(diào)節(jié)冠層溫度、改善作物呼吸狀況有積極影響。壟作溝播噴灌處理由于集水效果明顯，對(duì)灌溉水可疊加利用，根區(qū)水分相對(duì)充足，不論是全天還是各生育期，其光合速率均相對(duì)較高，對(duì)作物產(chǎn)量形成及光合產(chǎn)物的分配有積極作用。灌水定額較大的處理由于葉片在長時(shí)間內(nèi)保持濕潤狀態(tài)從而減小了葉片蒸發(fā)面積及葉片內(nèi)外的水汽壓差，其蒸騰速率明顯低于對(duì)照及灌水定額較小的處理，且在適宜灌水條件(T3、T4)下效果更為明顯。

該研究將灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)噴灌技術(shù)與旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的壟作溝播集雨技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用噴灌模擬降水、壟溝集水作用，將灌溉水充分利用，與已有研究[4-5]減少灌水量、提高作物產(chǎn)量及水分利用效率的研究結(jié)論相一致。在壟作溝播噴灌對(duì)農(nóng)田小氣候的影響研究結(jié)論與劉海軍等[19]的研究結(jié)論相一致。在壟作溝播噴灌對(duì)作物光合特性的影響研究結(jié)論與楊曉光等[20]在噴灌小麥上的研究結(jié)論相一致。由于該試驗(yàn)在民勤紅崖山灌區(qū)開展，受到氣候及土壤等特殊條件的影響，研究結(jié)論中相關(guān)的指標(biāo)與結(jié)論不能完全應(yīng)用于類似地區(qū)，但總體結(jié)論對(duì)類似地區(qū)開展相關(guān)技術(shù)推廣應(yīng)用、制定灌水定額及灌水計(jì)劃具有一定的指導(dǎo)意義。另外，由于田間小氣候觀測站測定指標(biāo)不夠全面，不能與其他田間小氣候指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，影響了研究成果的準(zhǔn)確性。因此，在后續(xù)研究中還應(yīng)采取更先進(jìn)的方法及測定指標(biāo)、更優(yōu)良的設(shè)備對(duì)田間小氣候開展系統(tǒng)研究，而水分運(yùn)移特征、水肥調(diào)控等還有待進(jìn)一步研究。