黑龍江省西部風沙半干旱區(qū)淺埋滴灌技術(shù)對大豆產(chǎn)量和水分利用效率的影響

摘要：為了有效提高黑龍江省西部風沙半干旱區(qū)大豆產(chǎn)量，提升水分利用效率，設置常規(guī)噴灌和淺埋滴灌兩個灌溉處理，選用兩個大豆主栽品種，通過田間小區(qū)試驗，優(yōu)化大豆全生育期水分利用效率并提升產(chǎn)量。結(jié)果表明，淺埋滴灌可以滿足大豆關鍵生育時期的水分需求。淺埋滴灌通過水分分次供給，能夠增加大豆群體效應。對比常規(guī)噴灌，淺埋滴灌能夠使大豆齊農(nóng)7號單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和產(chǎn)量分別提高27.71%、34.87%和25.30%，使黑農(nóng)531單株莢數(shù)、單株粒重、單株粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量分別提高25.09%、38.04%、52.97%、11.45%和24.68%；淺埋滴灌對比常規(guī)噴灌使水分利用效率提高26.02%～26.87%，灌溉水利用效率提高了27.30%～27.93%。淺埋滴灌通過多次少量水分供應，優(yōu)化大豆植株群體性狀，提升產(chǎn)量性狀，進而提升了水分利用效率和灌溉水利用效率。

關鍵詞：黑龍江省；淺埋滴灌;大豆;水分利用效率;產(chǎn)量

收稿日期：2024-11-18

基金項目：黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新跨越工程（CX23GG11，CX23JC06）；國家農(nóng)業(yè)環(huán)境齊齊哈爾觀測實驗站（NAES058AE10）；齊齊哈爾市科技計劃創(chuàng)新激勵項目（CNYGG-2023024）。

第一作者：楊慧瑩（1984-），女，碩士，助理研究員，從事農(nóng)業(yè)環(huán)境研究。E-mail：kikyo_young@163.com。

通信作者：申惠波（1974-），男，學士，研究員，從事作物耕作栽培研究。E-mail：13936641617@163.com。

中國地域廣闊，水資源的不均衡分布導致了農(nóng)業(yè)區(qū)域發(fā)展的不平衡。黑龍江省，作為中國的主要糧食生產(chǎn)省份，擁有廣闊的耕地面積，并包含多個積溫帶和氣候類型區(qū)，主要表現(xiàn)為典型的中溫帶大陸性氣候。該省西部地區(qū)主要是風沙半干旱區(qū)，特點是雨熱同期，但水資源的時空分布不均，季節(jié)性差異顯著。大豆作為一種C3作物，其全生育期的耗水量較大，且在不同生育階段耗水量存在差異。因此，采用合理的灌溉技術(shù)對于減少大豆生產(chǎn)用水、提高水分利用效率、保障區(qū)域農(nóng)業(yè)用水安全具有重要意義。大豆是全球第四大種植作物，也是中國種植面積和產(chǎn)量最高的豆類作物，它不僅是重要的飼料作物，也是重要的工業(yè)原料。大豆產(chǎn)能的提升已成為影響中國油料供應、糧食安全、畜牧業(yè)發(fā)展和高附加值產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵因素。因此，確保大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定和產(chǎn)能的提升對于保障中國的糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。黑龍江省的大豆產(chǎn)量位居全國第一，2022年全省播種面積達到493.2萬hm2，占全省糧食作物播種面積的32.42%。然而，黑龍江省大豆種植普遍采用噴灌或漫灌方式，導致農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大。因此，滴灌技術(shù)不僅能提高大豆的水分利用效率，還能促進大豆生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，對促進區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

水分利用的平衡是大豆高產(chǎn)高效的關鍵因素之一。前人對大豆不同生育時期的水分需求進行了研究，而不同灌溉方式對大豆耗水、水分利用效率和需水規(guī)律的研究也有許多報道［1-4］。產(chǎn)量、水分利用效率與耗水量之間存在二次拋物線關系［5］，在一定灌水量范圍內(nèi)，大豆的產(chǎn)量及水分利用效率隨著灌水量的增加而增加［6］，特別是在大豆的分枝期和鼓粒成熟期，灌溉量的減少會明顯影響產(chǎn)量［7］。大豆的總投入隨著滴灌量的增加而增加，對純收益和投入產(chǎn)出比也有一定影響［8］。趙育恒［9］利用TOPSIS模型計算出大豆經(jīng)濟效益和水分利用效率的不同優(yōu)化方案。目前，大多數(shù)研究集中在常規(guī)灌溉和雨養(yǎng)灌溉上，而關于黑龍江省西部風沙半干旱區(qū)采用淺埋滴灌措施對春大豆全生育期土壤水分利用規(guī)律與經(jīng)濟效益相關性的綜合研究則較為罕見。本研究基于兩年的大田試驗，設置不同的灌溉處理和品種對比，測定土壤含水量、貯水量、大豆產(chǎn)量及水分利用效率等指標，分析大豆產(chǎn)量和水分利用效率，旨在明確黑龍江省西部風沙半干旱區(qū)大豆生產(chǎn)的適宜灌溉方式，為該地區(qū)大豆節(jié)水栽培提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院齊齊哈爾分院科

研實驗基地進行，屬于溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期，晝夜溫差大。降水主要集中在7月-9月。2023年4月-10月降水量540.4 mm，年平均氣溫4.4 ℃，生育期內(nèi)最高溫度為33.7 ℃，最低溫度為3.0 ℃，日照時數(shù)1 390.08 h；2024年4月-10月

降水量559.6 mm，生育期內(nèi)最高溫度為34.1 ℃，最低溫度為5.5 ℃，日照時數(shù)1 310.04 h。試驗土壤為黑鈣土，最大田間持水量為41.79%～42.70%，pH8.42，有機質(zhì)含量32.4 g·kg-1，堿解氮含量為100.19 mg·kg-1，速效磷10.60 mg·kg-1，速效鉀210.0 mg·kg-1，全氮0.18%，全磷0.07%，前茬作物均為玉米。

1.2 材料

春大豆供試品種為齊農(nóng)7號（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院齊齊哈爾分院提供，生育期平均120 d），黑農(nóng)531（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院大豆研究所提供，生育期平均123 d）。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計

根據(jù)黑龍江省西部地區(qū)1990-2021年降水時空分布特征［10-11］和本地區(qū)春大豆生產(chǎn)實際需水量［12］確定本試驗灌溉水量。采取隨機區(qū)組試驗設計，設置常規(guī)噴灌和淺埋滴灌，各處理3次重復，共計12個小區(qū)。播種密度32.5萬株·hm-2，130 cm大壟4行，株距9.5 cm。試驗播種日期為2023年5月15日和2024年5月9日，各處理除灌水量不同外，其他田間管理方式一致。噴灌采用卷簾噴灌，滴灌采用淺埋滴灌，具體滴灌水量見表1。

1.3.2 測定項目及方法

生育時期記載：準確記錄兩個大豆品種具體苗期、分枝期、盛花期、鼓粒期和成熟期。

土壤水分和容重測定：采用環(huán)刀法在大豆苗期、分枝期、盛花期、鼓粒期和成熟期按照0～10、10～20、20～30和40～60 cm進行取樣，測定播種前和成熟期的土壤容重及土壤質(zhì)量含水量。

土壤容重（g·cm-3）= 環(huán)刀內(nèi)土樣烘干質(zhì)量（g）/環(huán)刀體積（cm3）

生物量和產(chǎn)量測定：于大豆成熟期選取不同處理長勢均勻的植株10株，3次重復，105 ℃烘干至恒重，分別測定不同處理的全株干重，進一步計算不同灌溉方式下的生物產(chǎn)量。收獲期各小區(qū)取10 m行長，4大壟的大豆，3次重復，進行脫粒測產(chǎn)，計算經(jīng)濟產(chǎn)量和收獲指數(shù)。

水分利用率=產(chǎn)量/（播種時土壤貯水量-收獲時土壤貯水量+生育期降水量+灌溉水量）

灌溉水利用率=產(chǎn)量/灌溉水量［13］

式中，產(chǎn)量單位為kg·hm-2;水分利用率和灌溉水利用率單位為kg·（mm·hm2）-1。

土壤貯水量=土壤容重×采樣土層深度×10×土壤質(zhì)量含水量/100［14］

式中，土壤容重單位為g·cm-3；采樣土層深度單位為cm；土壤質(zhì)量含水量單位為%；10為換算系數(shù)；貯水量單位為mm。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析、處理和作圖；采用SAS 9.0進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式對大豆不同生育時期植株性狀的影響

2.1.1 株高

由圖2A可知，對比淺埋滴灌處理，常規(guī)噴灌對苗期齊農(nóng)7號和黑農(nóng)531的株高影響差異顯著，分別增加7.95%和5.83%；淺埋滴灌處理黑農(nóng)531分枝期的株高較常規(guī)噴灌顯著增加8.58%；淺埋滴灌處理齊農(nóng)7號鼓粒期的株高對比常規(guī)噴灌顯著增加28.87%；盛花期和成熟期兩種灌溉處理下的兩個大豆品種株高差異均不顯著。

2.1.2 莖粗

由圖2B可知，對比淺埋滴灌，苗期黑農(nóng)531常規(guī)噴灌處理的莖粗顯著增加11.99%；盛花期齊農(nóng)7號常規(guī)噴灌處理的莖粗顯著增加5.52%；分枝期和鼓粒期兩個灌溉處理下的兩個品種莖粗差異不顯著；對比常規(guī)噴灌處理，淺埋滴灌對成熟期黑農(nóng)531的莖粗顯著增加18.38%。

2.1.3 葉面積指數(shù)

由圖2C可知，對比淺埋滴灌處理，苗期和分枝期黑農(nóng)531常規(guī)噴灌處理的葉面積指數(shù)分別顯著增加23.74%和21.74%；盛花期兩個灌溉處理下的兩個品種葉面積指數(shù)差異均不顯著；對比常規(guī)噴灌處理，鼓粒期齊農(nóng)7號淺埋滴灌處理的葉面積指數(shù)顯著增加22.54%；淺埋滴灌對成熟期齊農(nóng)7號和黑農(nóng)531的葉面積指數(shù)影響差異均顯著，分別增加16.52%和17.99%。

2.1.4 干物質(zhì)積累

由圖2D可知，苗期和分枝期不同灌溉處理下的兩個大豆品種地下干物質(zhì)差異均不顯著；對比常規(guī)噴灌，淺埋滴灌對盛花期和鼓粒期齊農(nóng)7號地下干物質(zhì)影響差異顯著，分別增加36.90%和17.00%；淺埋滴灌對成熟期黑農(nóng)531地下干物質(zhì)影響差異顯著，增加18.77%。

由圖2E可知，苗期和分枝期不同灌溉處理下的兩個品種地上干物質(zhì)差異不顯著；對比常規(guī)噴灌，淺埋滴灌對盛花期和鼓粒期齊農(nóng)7號地上干物質(zhì)影響差異顯著，分別顯著增加37.15%和44.47%；淺埋滴灌對成熟期齊農(nóng)7號和黑農(nóng)531地上干物質(zhì)影響差異顯著，分別增加19.22%和15.37%。

2.2 不同灌溉方式對大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素和產(chǎn)量的影響

由表2可知，與常規(guī)噴灌處理相比，淺埋滴灌下齊農(nóng)7號和黑農(nóng)531的單株莢數(shù)、單株粒重、單株粒數(shù)和產(chǎn)量均顯著增加，分別增加27.71%和25.09%、33.90%和38.04%、34.87%和52.97%、25.30%和24.68%。與常規(guī)噴灌處理相比，淺埋滴灌對黑農(nóng)531的百粒重影響差異顯著，增加11.45%。

2.3 不同灌溉方式對大豆收獲指數(shù)的影響

由表3可知，對比常規(guī)噴灌處理，淺埋滴灌處理下齊農(nóng)7號和黑農(nóng)531的籽粒干重及收獲指數(shù)分別增加0.23%和0.38%、4.76%和10.00%；植株干重分別減少3.87%和8.52%。

2.4 不同灌溉方式對大豆水分利用率的影響

由表4可知，淺埋滴灌處理對比常規(guī)噴灌處理生育期內(nèi)水分利用率提高了26.02%～26.87%，灌溉水利用效率提高了27.30%～27.93%。

通過在本地區(qū)氣候條件下進行兩個品種兩個灌溉方式試驗，發(fā)現(xiàn)在淺埋滴灌和常規(guī)噴灌補水量基本相當?shù)那闆r，淺埋滴灌方式水分利用率和灌溉水利用效率都優(yōu)于常規(guī)噴灌，說明淺埋滴灌方式更適用于黑龍江省西部風沙半干旱區(qū)。

3 討論

3.1 不同灌溉方式對大豆植株的影響

灌溉方式和田間水分管理對大豆株型的調(diào)控至關重要。研究表明，滴灌能夠提高耕作層土壤溫度，而播種期的種子和苗期植株對土壤溫度較為敏感，這直接影響了生育進程和株型生長［15-16］。郭振宇等［2］研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉方式對大豆的生理指標產(chǎn)生不同程度的影響，滴灌通過提高土壤溫度顯著提升了大豆的葉面積指數(shù)。葉面積指數(shù)是提高糧食產(chǎn)量和減少土壤蒸發(fā)的積極指標［17］。本研究中，淺埋滴灌處理下齊農(nóng)7號在鼓粒期以及黑農(nóng)531在成熟期的葉面積指數(shù)明顯高于常規(guī)噴灌處理。結(jié)合降水和灌水情況，本地區(qū)在大豆的關鍵生育時期，降水明顯無法滿足大豆生長的需要，淺埋滴灌能比常規(guī)噴灌更有效地補充大豆關鍵生育時期的水分需求。及時補充水分使得淺埋滴灌處理下的大豆植株衰老速度明顯慢于常規(guī)灌溉［18-19］。風沙半干旱區(qū)的氣候?qū)ψ魑锷L有顯著影響，植株生長的關鍵需水時期葉片指標隨土壤水分變化呈現(xiàn)整體延后變化［20］。在灌水量一致的條件下，滴灌有助于增加作物的株高、莖粗、葉面積和地上部干物質(zhì)［21］。地上生物量是作物生長的物質(zhì)基礎，與產(chǎn)量形成密切相關［22-24］。同時，在大豆生長關鍵時期給予水分供給，有助于增加大豆干物質(zhì)的積累［25］。本研究中，齊農(nóng)7號在鼓粒期的葉面積和地上干物質(zhì)在淺埋滴灌下明顯高于常規(guī)噴灌，黑農(nóng)531在生殖生長階段植株指標整體高于常規(guī)噴灌處理，但差異不顯著，表明淺埋滴灌處理在不同品種上植株性狀表現(xiàn)存在差異。

3.2 不同灌溉方式對大豆產(chǎn)量的影響

大量研究已經(jīng)證實，大豆對水分的需求較為敏感［26］，特別是在其關鍵生育時期，灌溉的頻率和量對大豆的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量構(gòu)成具有顯著影響，進而直接影響到最終產(chǎn)量。在大豆的關鍵生育階段，水分供應直接關系到植株的生長狀況，而在營養(yǎng)生長期，水分的限制會進一步影響到生殖生長期的進程，導致輸送到豆莢和籽粒的營養(yǎng)物質(zhì)減少，進而影響大豆干物質(zhì)在豆莢和籽粒中的分配［27］。研究表明，在大豆的鼓粒期進行滴灌補水可以加快干物質(zhì)的積累速度，增加干物質(zhì)總量，這對于提高單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重，以及最終獲得更高的產(chǎn)量是有利的［28-29］。此外也有研究表明，增加灌溉量可以顯著提升產(chǎn)量和百粒重［30-31］，盡管對單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的影響不大［2］，但全生長季的充足水分供應對提高產(chǎn)量至關重要，特別是在花期之前的水分供應，如果不足或缺失，將對后續(xù)的生殖生長產(chǎn)生負面影響［32-33］。

在本研究中，對比兩個大豆品種在常規(guī)噴灌和淺埋滴灌下的百粒重差異，發(fā)現(xiàn)只有齊農(nóng)7號在兩種灌溉方式下的百粒重差異不顯著。然而，在單株莢數(shù)、單株粒重、單株粒數(shù)和產(chǎn)量方面，兩個品種的淺埋滴灌處理均顯著高于常規(guī)灌溉處理，這表明淺埋滴灌在提高產(chǎn)量和植株生長指標方面具有明顯優(yōu)勢。

3.3 不同灌溉方式對大豆水分利用效率的影響

在整個生長周期內(nèi)實施滴灌管理能夠提升大豆的莢果產(chǎn)量，并增強灌溉水的使用效率［34］。通過調(diào)整灌溉方式與有效降雨相結(jié)合，僅在大豆生長的關鍵時期進行針對性補水，可以有效提升水分利用效率［35］。作物的水分利用效率與其生長發(fā)育階段緊密相關［36］。恰當?shù)墓喔确椒ú粌H能夠促進植物生長，提高水分利用效率，還能在節(jié)約水資源的同時實現(xiàn)高產(chǎn)［3，37］。灌溉方法的效率直接關系到灌溉水的使用效率和作物產(chǎn)量［38］。

在本研究中，對兩個大豆品種進行常規(guī)噴灌和淺埋滴灌的對比試驗，旨在評估兩種灌溉方法下的灌溉水利用效率和水分利用效率。結(jié)果顯示，在兩種灌溉處理下，兩個品種的收獲指數(shù)變化不大，這表明在本地區(qū)，淺埋滴灌在保證產(chǎn)量的同時，能夠有效提升大豆的水分利用效率和灌溉水利用效率。本研究僅進行兩年田間實驗，且試驗期間試驗地降水量偏多，可通過延長試驗周期，獲取更多不同降水量下的數(shù)據(jù)支持，用以進一步優(yōu)化淺埋滴灌的灌溉制度，特別是在不同生育階段灌水量和灌水頻率的調(diào)整，通過更精細的水分管理，提高大豆的產(chǎn)量和水分利用效率。淺埋滴灌技術(shù)在大豆花期之后能夠顯著增加葉面積，促進地上部干物質(zhì)的積累，這對于提高大豆粒重和最終產(chǎn)量具有積極作用。通過分次供水，淺埋滴灌有效減輕了灌溉對植株的降溫效應，從而避免了對植株形態(tài)發(fā)育的不利影響，保持了合理的株型，并增強了群體效應。本研究僅選取了兩個本地主栽品種，后續(xù)可以通過增加試驗品種數(shù)量，研究掩埋滴灌技術(shù)對不同大豆品種的適應性，確定淺埋滴灌技術(shù)在不同品種上的普適性。還可以增加肥料配施，進一步研究優(yōu)化灌溉和施肥的協(xié)同效應，在大豆生產(chǎn)中實現(xiàn)更高的資源利用效率和產(chǎn)能提升。

4 結(jié)論

淺埋滴灌技術(shù)在滿足大豆關鍵生育期水分需求方面表現(xiàn)出顯著效果。與常規(guī)噴灌相比，淺埋滴灌能夠顯著提升大豆的單株莢數(shù)（25.09%～27.71%）、單株粒重（33.90%～38.04%）、單株粒數(shù)（34.87%～52.97%）及產(chǎn)量（24.68%～25.30%）。在收獲指數(shù)無顯著差異的前提下，淺埋滴灌相較于常規(guī)噴灌，其水分利用效率提升26.02%～26.87%，灌溉水利用效率提高27.30%～27.93%。因此，綜合考慮，淺埋滴灌技術(shù)更適合黑龍江省西部風沙半干旱區(qū)大豆生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，是一種有效的節(jié)水增產(chǎn)灌溉方式。

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Impact of Subsurface Drip Irrigation Technology on Soybean Yield and Water Use Efficiency in Semi-Arid Area of Western Heilongjiang Province

YANG Huiying，WANG Yuxian，GAO Pan，XU Yingying， ZHANG Gongliang，YAN Feng，DONG Yang，SHEN Huibo

（Qiqihar Branch， Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Qiqihar 161006，China）

Abstract：In order to effectively improve soybean yield and water use efficiency

in Semi-Arid Area of Western Heilongjiang Province， two irrigation treatments were set up， conventional sprinkler irrigation and shallow buried drip irrigation. Two main soybean varieties were selected for a field plot experiment to optimize the water use efficiency throughout the soybean growth period and increase yield. The results showed that shallow buried drip irrigation can meet the water needs of soybeans during critical growth periods. Shallow buried drip irrigation supplies water in multiple stages， enhancing the population effect. Compared with conventional sprinkler irrigation， shallow buried drip irrigation increased the number of pods per plant， the number of seeds per plant， and the yield of Qinong 7 by 27.71%， 34.87%， and 25.30%， respectively. For Heinong 531， it increased the number of pods per plant， the weight of seeds per plant， the number of seeds per plant， the weight of 100 seeds， and the yield by 25.09%， 38.04%， 52.97%，11.45%， and 24.68%， respectively. Shallow buried drip irrigation improved water use efficiency by 26.02% to 26.87% and irrigation water use efficiency by 27.30% to 27.93%. Shallow buried drip irrigation optimizes the population traits of soybean plants through multiple small water supplies， enhances yield traits， and thereby improves water use efficiency and irrigation water use efficiency.

Keywords：Heilongjiang Province; subsurface drip irrigation; soybean; water use efficiency; yield