全 文 ：不同集雨种植方式对干旱区紫花苜蓿种植的影响*
霍海丽1 摇 王摇 琦1**摇 张恩和2 摇 师尚礼1 摇 任摇 祥1 摇 王鹤龄3 摇 王田涛2 摇 刘青林2
( 1甘肃农业大学草业学院, 兰州 730070; 2甘肃农业大学农学院, 兰州 730070; 3中国气象局兰州干旱气象研究所 /甘肃省气
候变化与减灾重点(开放)实验室, 兰州 730020)
摘摇 要摇 在甘肃省定西半干旱黄土丘陵区采用完全随机设计,研究不同覆盖材料(普通地膜
CMR、生物可降解地膜 BMR 和土垄 SR)和不同沟垄比(60 cm 颐 30 cm、60 cm 颐 45 cm 和
60 cm 颐 60 cm)对径流效率、土壤贮水量、土壤含水量、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率的
影响.结果表明:SR、BMR和 CMR的平均径流效率分别为 32. 0% 、90. 7%和 96. 4% .在紫花苜
蓿生育前期(4—6 月),各处理之间土壤贮水量差异不显著;在紫花苜蓿生育后期(7—10
月),BMR和 CMR的土壤贮水量显著高于 SR,SR的土壤贮水量显著高于平作,如在紫花苜蓿
孕蕾期,平作、SR、BMR和 CMR 0 ~140 cm土层土壤贮水量分别为 223. 27、248. 56、277. 81 和
284郾 16 mm.平作、SR、BMR和 CMR全生育期实际干草产量分别为 4112. 1、3397. 5、4317. 8 和
4523郾 8 kg·hm-2,水分利用效率分别为 11. 08、10. 48、14. 56、14. 95 kg·mm-1·hm-2 .在同一
覆盖材料下,不同沟垄比对土壤贮水量和水分利用效率的影响不显著.当沟垄比为 60 cm 颐
44 cm时,CMR和 BMR处理的实际产量均达到最大.
关键词摇 径流效率摇 紫花苜蓿摇 土壤贮水量摇 干草产量
文章编号摇 1001-9332(2013)10-2770-09摇 中图分类号摇 S273. 1, S541摇 文献标识码摇 A
Effects of different water harvesting modes on alfalfa planting in semi鄄arid areas of North鄄
west China. HUO Hai鄄li1, WANG Qi1, ZHANG En鄄he2, SHI Shang鄄li1, REN Xiang1, WANG
He鄄ling3, WANG Tian鄄tao2, LIU Qing鄄lin2 ( 1College of Grassland Science, Gansu Agricultural Uni鄄
versity, Lanzhou 730070, China; 2College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou
730070, China; 3Gansu Province Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster,
Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(10): 2770-2778.
Abstract: A field experiment with complete random design was conducted to investigate the effects
of different mulching materials [common plastic film (CMR), biodegradable mulch film (BMR),
and soil crust (SR)] and different ratios of furrow to ridge (60 cm:30 cm, 60 cm:45 cm, and
60 cm:60cm) on the runoff efficiency, soil water storage, soil water content, and hay yield and
water use efficiency of alfalfa in semiarid areas of the Loess Plateau. The runoff efficiency in treat鄄
ments SR, BMR, and CMR was 32. 0% , 90. 7% , and 96. 4% , respectively. In the early growth
period of alfalfa (from April to June), the soil water storage between the treatments had no signifi鄄
cant difference, but in the late growth period ( from July to September), the soil water storage in
CMR and BMR was significantly higher than that in SR. The soil water storage in SR was signifi鄄
cantly higher than that in traditional planting (TP). At budding stage, the soil water storage in TP,
SR, BMR, and CMR was 223. 27, 248. 56, and 277. 81, and 284. 16 mm, respectively. In the
whole growth period, the hay yield of alfalfa in TP, SR, BMR, and CMR was 4112. 1, 3397. 5,
4317. 8, and 4523. 8 kg·hm-2, and the water use efficiency was 11. 08, 10. 48, 14. 56, and
14郾 95 kg·mm-1·hm-2, respectively. The ratio of furrow to ridge had no significant effects on the
water use efficiency in the same treatments. When the ratio of furrow to ridge was 60 cm:44 cm,
the hay yield in CMR and BMR reached the maximum.
Key words: runoff efficiency; alfalfa; soil water storage; hay yield.
*国家自然科学基金项目(41161090)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wangqigsau@ gmail. com
2013鄄02鄄01 收稿,2013鄄07鄄22 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 10 月摇 第 24 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2013,24(10): 2770-2778
摇 摇 甘肃省定西半干旱黄土丘陵区是典型农牧交错
带,是我国旱地农业中心带,该地区地下水位较深,
农业生产主要依靠天然降水[1-3] . 但该地区年降水
量(382 mm)较少,气候干燥,蒸发 (年均蒸发量
1500 mm)强烈,且降水主要集中在 7—9 月,大多以
暴雨形式出现,水土流失严重,农田生态系统遭到破
坏,土地生产力极低,小于 5 mm无效降雨和微效降
雨较多,该类降雨不利于植物对水分吸收[4-7] .如何
充分有效地利用有限降水资源、提高降水资源利用
效率,成为甘肃省定西半干旱黄土丘陵区农业可持
续发展的核心问题.
紫花苜蓿(Medicago sative)是我国栽培历史悠
久和分布面积较广的多年生深根系优质牧草,具有
适应性广、产量高、蛋白质丰富、适口性好等特点,是
甘肃省农业结构转型和生态环境建设中大力推广的
首选牧草[6] .但紫花苜蓿是高耗水的牧草,其需水
特征与甘肃省定西半干旱黄土丘陵区的降水资源错
位,降雨量无法满足其需水要求. 有研究发现,采用
沟垄集雨种植技术,在田间修筑沟垄,对有限降水资
源进行重新分配,使降水由垄面向沟内汇集,改善作
物水分供应状况,可使牧草种植区水分产生叠加、降
雨入渗更深、蒸发损失更小,能有效增加土壤蓄水、
延长水分有效期、提高水分利用效率[8-13] . Li 等[14]
和 Jia等[15]研究表明,在半干旱地区,沟垄集雨种植
紫花苜蓿的牧草产量和水分利用效率可比平作分别
提高 11% ~40%和 13% ~38% .
国内外沟垄集雨种植研究多集中于马铃薯(So鄄
lanum tuberosum)和玉米(Zea ways)等穴播类作物,
且多数研究利用普通地膜和土壤结皮作为覆盖材
料,而对生物可降解地膜种植紫花苜蓿的研究相对
较少.本研究结合沟垄集雨产流特征,研究不同覆盖
材料和不同沟垄比对紫花苜蓿干草产量、土壤贮水
量、土壤剖面含水量及水分利用效率的影响,确定了
我国甘肃省定西半干旱黄土丘陵区沟垄集雨种植紫
花苜蓿适宜覆盖材料和垄宽,以期为该地区农牧业
可持续发展奠定基础.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 试验区概况
试验于 2012 年 3 月在中国气象局兰州干旱气
象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地
(35毅33忆 N,104毅35忆 E)进行,该地海拔 1896. 7 m,属
典型的半干旱区. 该区光能较多,热量资源不足,雨
热同季,降水少且变率大;气候干燥,气象灾害频繁;
年日照时数 2433 h;年均气温 6. 7 益,年均最高和最
低气温分别为 25. 9 益 (7 月)和-13. 0 益 (1 月).
1971—2010 年平均降水量 383. 8 mm,冬季和夏季
的月降水量分别为 20 ~ 80 mm 和 150 ~ 270 mm;降
水在年内分布极不均匀,7—10 月降水占年降水量
的 86郾 9% ;蒸发强烈,年均潜在蒸发量达 1500 mm;
年均无霜期 140 d.试验地地势平坦,土壤为黄绵土,
0 ~ 1 m土壤平均容重为 1. 38 g·cm-3,田间持水量
为 25郾 6% ,永久萎蔫系数 6. 7% .供试土壤肥力状况
如表 1 所示.当地耕作制度为 1 年 1 熟,主要农作物
种类为春小麦(Triticum aestivum)、玉米、燕麦(Avena
sativa)、蚕豆 ( Vicia faba)、马铃薯、小米 (Panicum
miliaceum)和胡麻( Sesamum indicum),主要牧草种
类为紫花苜蓿和红豆草(Onobrychis viciaefolia).
1郾 2摇 试验设计
1郾 2郾 1 径流试验摇 试验采用随机排列,共设 9 个处
理(3 种沟垄比伊3 种覆盖材料),每个处理重复 3
次. 3 种覆盖材料为生物可降解膜、普通塑料膜和土
壤结皮,3 种沟垄比分别为 60 cm 颐 30 cm、60 cm 颐
45 cm和 60 cm 颐 60 cm(沟宽:垄宽). 3 种覆盖材料
垄土垄( ridges covered with soil crust)、生物可降解
地膜垄 ( ridges covered with biodegradable mulch
film) 和普通地膜垄 ( ridges covered with common
plastic film)的代表符号分别为 SR、BMR 和 CMR.
SR30、SR45和 SR60(BMR30、BMR45和 BMR60或 CMR30、
CMR45和 CMR60)的垄宽分别为 30、45 和 60 cm. 根
据当地种植经验,垄坡约 40o,垄高为 25 cm,垄沿等
高线修筑,垄长10 m.为了不产生径流淤积,垄和沟
表 1摇 试验区土壤理化特性
Table 1摇 Physical and chemical properties of soil profiles in the experimental plots
土层
Soil depth
(cm)
全氮
Total N
(g·kg-1)
全磷
Total P
(g·kg-1)
全钾
Total K
(g·kg-1)
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
碱解氮
Ammonium N
(mg·kg-1)
速效磷
Olsen P
(mg·kg-1)
速效钾
Available K
(mg·kg-1)
0 ~ 100 0. 78 0. 69 22. 40 10. 37 48 13. 35 204
177210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 霍海丽等: 不同集雨种植方式对干旱区紫花苜蓿种植的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
的坡度为 1 / 500(图 1). 普通塑料薄膜来自石家庄
开发区永盛塑料制品有限公司,厚度 0. 008 mm,宽
度 1. 2 ~ 1. 4 m;生物降解膜生产于德国 BASF 化工
厂,生物可降解地膜基料为聚乳酸(polylactic acid),
聚乳酸来源于玉米秸秆和其他可再利用原材料,宽
1郾 4 cm,厚 0. 008 mm;土垄为人工原土夯实.为防止
收集雨水下渗,垄四周用高出地面 8 cm 预制板围
起,垄坡脚两边的沟槽内铺设防水布以避免径流下
渗,垄两侧设 1. 5 m隔离区.生物可降解膜垄和普通
膜垄集水区安装 200 L 铁桶,土垄集水区安装 50 L
塑料桶,铁桶和塑料桶用以收集覆膜垄和土垄径流,
每次降雨后测定桶中的水质量,径流示意图见图 1.
2012 年生育期降雨量为 326. 9 mm(图 2),该降雨量
接近该区域 1971—2011 年的平均降雨量,该年降雨
量资料由中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱
气象与生态环境试验基地提供.
1郾 2郾 2 紫花苜蓿种植试验摇 试验以紫花苜蓿甘农 3
号为供试作物,采用田间沟垄覆盖集雨种植设计,垄
为集雨区,沟为种植区,小区随机排列,共设 10 个处
理(3种沟垄比伊3 种覆盖材料+1 平作),每个处理重
复 3次. 3 种覆盖材料分别为生物可降解膜、普通塑
料膜和土壤结皮,3种沟垄比分别为60 cm 颐 30 cm、
图 1摇 集雨垄的降雨鄄径流观测示意图
Fig. 1摇 Schematic diagram of measurement on rainfall鄄runoff of
water harvesting ridges.
图 2摇 2012 年研究区紫花苜蓿生育期的降雨量
Fig. 2摇 Rainfall during the alfalfa growing seasons in the study
area in 2012.
60 cm 颐 45 cm和 60 cm 颐 60 cm(沟宽:垄宽),各处
理沟宽均为 60 cm,以传统耕作———平作(TP)作为
对照.垄坡、垄高、垄长、垄形与径流试验完全相同,
每一小区有 4 条垄和 3 条沟,试验种植示意图见图
3,试验处理编号、集水区面积、产流区面积、覆盖材
料见表 2.
1郾 3摇 种植管理
试验地连续用于种植马铃薯 5 年,在 2011 年马
铃薯收获后,对试验地进行翻地和磨地各 1 次.在紫
花苜蓿播种前 30 d 开始整地、人工划分小区、起垄
和覆膜,于 2012 年 3 月 28 日完成沟垄布设和覆盖.
根据当地施肥经验,以过磷酸钙(420 kg·hm-2)和
尿素(220 kg·hm-2)作为基肥,播种前 2 种肥料混
合后条播施入沟中;而对平作处理,将肥料用条播机
施入种植带,施肥深度 20 cm. 2012 年 4 月 10 日,条
播播种紫花苜蓿.对于沟垄集雨种植处理,每个试验
小区具有 3 条沟和 4 条垄,每条沟面积为10 m (长)
伊0. 6 m(宽) = 6 m2,每个试验小区的播种量相同,
播种密度为 22. 5 kg·hm-2,播种深度为 2 ~ 3 cm,
行距为 15 cm,每条沟种植 4 行紫花苜蓿;对于平作
处理,紫花苜蓿种植不留集雨面积,种植面积为
10 m (长) 伊 3. 6 m(宽)= 36 m2,每一小区种植 24
行紫花苜蓿.紫花苜蓿整个生育期不施追肥,及时人
工除杂草,避免种植区(沟)土壤板结,但不容许踩
踏集雨区(垄),紫花苜蓿除草时间分别为 2012 年 5
月 10 日、6 月 15 日和 7 月 23 日,不进行灌溉.在紫
花苜蓿整个生育期,2012 年 6 月 25 日和 8 月 20 日
可降解膜损坏程度达 87. 6% ,从而影响集雨效果,
为保证集雨效果需进行换膜,换膜工作与播种前覆
膜工作类似.
1郾 4摇 样品采集与测定
在紫花苜蓿的初花期 (2012 年 8 月 19 日和
2012 年 10 月 16 日)对整个小区进行刈割,留茬高
度 5 cm,紫花苜蓿地上部分自然风干至恒量,测定
干草产量.
图 3摇 紫花苜蓿种植示意图
Fig. 3摇 Schematic diagram of alfalfa planting.
2772 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 2摇 沟垄集雨种植紫花苜蓿试验设计
Table 2摇 Experimental design for alfalfa planting using rainwater harvesting with furrows and ridges
处理
Treatment
沟垄比
Furrow : ridge
(cm)
垄面积
Area of ridge
(m2)
沟面积
Area of furrow
(m2)
小区面积
Area of plot
(m2)
覆盖材料
Mulch material
TP - - - 36. 0 -
SR30 60 颐 30 9. 0 18 27. 0 土壤结皮 Soil Crust
SR45 60 颐 45 13. 5 18 31. 5
SR60 60 颐 60 18. 0 18 36. 0
BMR30 60 颐 30 9. 0 18 27. 0 生物可降解膜 Biodegradable mulch film
BMR45 60 颐 45 13. 5 18 31. 5
BMR60 60 颐 60 18. 0 18 36. 0
CMR30 60 颐 30 9. 0 18 27. 0 普通膜 Common plastic film
CMR45 60 颐 45 13. 5 18 31. 5
CMR60 60 颐 60 18. 0 18 36. 0
TP: 平作 Traditional planting; SR: 土垄 Ridges covered with soil crust; BMR: 生物可降解地膜垄 Ridges covered with biodegradable mulch film;
CMR: 普通地膜垄 Ridges covered with common plastic film.
摇 摇 在紫花苜蓿播种前、收获后和降雨 (降雨量
>5 mm)后测定土壤含水量. 采用烘干法(105 益,
10 h)测定土壤含水量,测定深度 0 ~ 140 cm,按 0 ~
10、10 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100、100 ~
120和 120 ~140 cm分层,每个小区取 3 钻土样,同一
层次 3个土样混合均匀.同时用环刀法测土壤容重.
降雨径流量和集水效率可用径流系数进行计
算,径流系数综合反映降雨损失,其大小取决于流域
下垫面条件、降雨持续时间、降雨强度和地面坡度等
因素,是一个综合指数.一次降雨的径流系数(琢)表
示为[16]:
琢=R / P (1)
式中:P 为实际降水量 ( mm); R 为地面净水量
(mm).
土壤贮水量(W)和水分利用效率(WUE)可根
据以下公式进行计算[17]:
W= 兹BDH伊10 (2)
集雨种植: ET1 =P +Re P
h1
h2
+ (W1-W2) (3)
平作: ET2 =P+ (W1-W2) (4)
集雨种植: WUE1 =
Y(h1+h2)
ETh2
(5)
平作: WUE2 =
Y
ET2
(6)
式中:W1和 W2分别为播种前和收获后土壤深度 0 ~
140 cm的土壤贮水量(mm);兹 为土壤质量含水量
(% );BD 为土壤容重 ( g·cm-3 );H 为土壤深度
(cm);10 为系数;ET1和 ET2分别为沟垄集雨种植和
平作紫花苜蓿耗水量(mm);WUE1和 WUE2分别为
沟垄集雨种植水分利用效率和平作水分利用效率
(kg·mm-1·hm-2);Re为集雨垄的径流效率;P 为
紫花苜蓿生育期的降水量(mm);h1和 h2分别为垄
宽和沟宽(cm);Y为沟垄总面积计算的全生育期实
际干草产量(kg·hm-2).
1郾 5摇 数据处理
利用完全随机模型分析沟垄集雨种植对紫花苜
蓿干草产量和水分利用效率的影响.采用 SPSS 15. 0
与 Excel 2010 软件进行方差分析和显著性检验;方
差分析多重比较采用 Duncan法(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同覆盖材料集雨垄的径流特征
在降雨径流观测试验中,径流观测时间为 2012
年 4 月 11 日—10 月 20 日,该期间共降雨 35 次,总
降雨量 312. 9 mm,7—9 月降雨占紫花苜蓿全生育
期降雨量的 64. 4% .土垄(SR)产生 20 次径流,生物
可降解地膜垄(BMR)和普通地膜垄(CMR)分别产
生 28 次径流. 将径流量与降雨量进行回归分析可
知,SR、BMR 和 CMR 的临界产流降雨量分别为
4郾 13、0. 80 和 0. 93 mm,降雨量与径流量的决定系
数分别为 0. 8022、0. 9846 和 0. 9923,产流后的径流
效率分别为 32. 0% 、90. 7%和 96. 4% (图 4). 在降
雨过程中,CMR 和 BMR 的降雨损失主要为膜的截
留量(润湿量)和降雨过程中的蒸发量,蒸发损失和
降雨入渗量较小,可以忽略不计,导致这两种垄的径
流效率较高. SR 的降雨入渗、径流积流和蒸发损失
较大,入渗是土垄降雨的主要损失,大部分降雨渗入
垄上,当降雨强度大于土垄的入渗强度时,土垄才产
生径流,使土垄的径流效率较低.
377210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 霍海丽等: 不同集雨种植方式对干旱区紫花苜蓿种植的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 土垄、生物可降解膜垄和普通膜垄的径流量与降雨量
关系
Fig. 4摇 Correlations between runoff and rainfall for ridges cov鄄
ered with soil crust, biodegradable mulch film and common plas鄄
tic film.
SR: 土垄 Ridges covered with soil crust; BMR: 生物可降解地膜垄
Ridges covered with biodegradable mulch film; CMR: 普通地膜垄 Rid鄄
ges covered with common plastic film. 下同 The same below.
2郾 2摇 沟垄集雨种植对土壤贮水量的影响
在同一生育时期,将 10 个处理 0 ~ 140 cm土壤
贮水量统计求均值,得到各处理的土壤贮水量.从图
5 可 以 看 出, 2012 年 4—5 月, 较 少 降 雨 量
(38. 9 mm)和较低蒸发(棵间蒸发)蒸腾(叶面蒸
腾)及作物生长所消耗水分使各处理间的土壤贮水
量处于全生育期较低,且不同处理间的土壤贮水量
相差不显著;2012 年 6—8 月,较高蒸发、蒸腾和作
物生长所消耗水分使各处理的土壤贮水量处于全生
育期最低;2012 年 9—10 月,由于气温降低和降雨
量增多使各处理的土壤贮水量处于全生育期最高.
2012 年 7 月,紫花苜蓿进入营养生长和生殖生长并
进期,同时随气温升高、降雨量增多和作物生育期延
伸,不同覆盖材料处理间土壤贮水量差异显著,同一
覆盖材料下,不同沟垄比之间土壤贮水量差异不显
著,如 7 月 22 日测定的 TP、SR30、SR45、SR60、BMR30、
BMR45、BMR60、CMR30、CMR40和 CMR60的 0 ~ 140 cm
土壤贮水量分别为 223. 27、246. 43、248. 17、251郾 09、
271. 74、277. 63、284. 06、281. 83、289郾 67 和 280郾 98
mm.与平作相比,BMR和 CMR 径流效率较高,能将
无效降水经过叠加富集为有效降雨,显著增加了沟
中土壤水分含量,而且覆盖抑制土壤水分无效蒸发,
从而使 CMR和 BMR的土壤贮水量显著高于平作.
土垄的径流效率较低,只在高强度降雨下才产生径
流,集雨效果较低,使土垄与平作之间土壤贮水量相
差不显著.
2郾 3摇 沟垄集雨种植对土壤剖面含水量的影响
沟垄集雨种植紫花苜蓿,集雨垄产生的径流先
流入沟边,经过一定时间的运移和下渗到达沟中,沟
边和沟中土壤水分的差异影响沟内牧草生长发育.
选取垄宽 45 cm 的土垄( SR45 )、生物可降解膜垄
(BMR45)和普通膜垄(CMR45)作为研究对象,测定
紫花苜蓿第 1 茬收后和第 2 茬收后沟边和沟中的土
壤含水量. 由图 6 可以看出,第 1 茬收后(8 月 19
日),SR45沟边和沟中 0 ~ 140 cm土壤平均含水量分
别为 13. 8%和 13. 5% ,BMR45沟边和沟中土壤平均
含水量分别为 15. 0%和 13. 7% ,CMR45沟边和沟中
0 ~ 1 4 0 cm土壤平均含水量分别为1 5 . 2 % 和
图 5摇 紫花苜蓿生育期内 0 ~ 140 cm土层土壤贮水量
Fig. 5摇 Soil water storage on 0-140 cm soil depth in alfalfa growing season.
TP: 平作 Traditional planting. 下同 The same below. 不同小写字母表示相同观测日期不同处理之间差异显著(P<0. 05) Different letters indicated
significant difference at 0. 05 level in the same time at different treatments.
4772 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 6摇 SR45、BMR45和 CMR45沟边和沟中土壤水分含量比较
Fig. 6摇 Comparison of soil water contents at edge and central of furrow in SR45, BMR45 and CMR45 .
A: 2012鄄08鄄19; B: 2012鄄10鄄16. a)SR45; b)BMR45; c)CMR45 .
14郾 4% ;第 2 茬收后(10 月 16 日),SR45沟边和沟中
0 ~ 140 cm 土壤平均含水量分别为 16郾 6% 和
16郾 2% ,BMR45沟边和沟中 0 ~ 140 cm 土壤平均含
水量分别为 19. 9% 和 17. 6% ,CMR45沟边和沟中
0 ~ 140 cm 土壤平均含水量分别为 17. 6% 和
17郾 0% . 8 月 19 日,SR45沟边与沟中的土壤含水量差
异不显著,原因在于土垄的集雨效率低、产生径流量
较少;BMR45和 CMR45的沟边土壤含水量显著大于
沟中,原因在于 BMR和 CMR的径流效率高,产生的
径流先到达沟边,导致沟边和沟中土壤贮水量差异
显著. 10 月 16 日测定 SR45和 BMR45沟中与沟边土
壤含水量规律与 8 月 19 日类似,CMR45沟边与沟中
土壤含水量差异不显著.在紫花苜蓿生育后期,普通
地膜出现损坏,降低集雨效率,导致沟边与沟中土壤
含水量的差异程度减少.
2郾 4摇 沟垄集雨种植对紫花苜蓿干草产量的影响
为了有效分析集雨垄的集雨效果,采用 2 种方
法计算干草产量.净干草产量等于小区产量除以沟
面积,净干草产量反映垄集雨效果和单株生长状况;
实际干草产量等于小区产量除以小区总面积(垄面
积+沟面积),实际干草产量能反映聚水效果与有效
种植面积的关系.
由表 3可以看出,紫花苜蓿净干草产量(Y1)排
列次序为 CMR>BMR>SR>平作,并且净干草产量随
沟垄比增加而增加.第 1茬和和第 2 茬实际干草产量
(Y2)排列次序均为 CMR>BMR>平作>SR.在普通膜
垄种植中,CMR45的实际干草产量最高;在生物可降
解膜垄种植中,BMR45的实际干草产量最高;在土垄
种植中,SR30的实际干草产量最高.全生育期实际干
草产量排列次序为 CMR45 >BMR45 >CMR30 >CMR60 >
BMR30>BMR60>平作>SR30>SR45>SR60 .就各覆盖材料
平均值而言,CMR 的全生育期实际干草产量显著高
于平作,平作全生育期实际干草产量显著高于 SR,
CMR与 BMR、BMR 与平作之间差异不显著.就全生
育期而言,CMR(4523. 8 kg·hm-2)和 BMR的干草产
量 (4317. 8 kg·hm-2)比平作(4112. 1 kg·hm-2)分
别提高 10% 和 5% , SR 的干草产量 ( 3397. 5
kg·hm-2)较平作降低 17% . 沟垄集雨种植由沟和
垄组成,只有沟种植紫花苜蓿,垄作为径流区. 与平
作相比,SR种植面积较小,SR60小区面积与平作小
区面积相等,SR60小区种植面积占平作种植面积的
50% ,沟垄集雨种植以减少种植面积为代价,尽管
SR的净干草产量大于平作,同时 2012 年紫花苜蓿
生育期内降雨量为 312. 9 mm,该生育期降雨量接近
该区年均降雨量,但高于干旱年份的降雨量.集雨增
产效果无法补偿种植面积减少的减产效果,因此 SR
的全生育期实际干草产量低于平作. 对于 CMR 和
BMR而言,集雨增产效果大于种植面积减少的减产
效果,使 CMR和 BMR的全生育期实际干草产量高
于平作.在 CMR和 BMR种植中,垄宽为 45 cm 集雨
垄(CMR45和 BMR45)的全生育期的实际干草产量显
著高于垄宽为 30 cm 集雨垄(CMR30和 BMR30)和垄
577210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 霍海丽等: 不同集雨种植方式对干旱区紫花苜蓿种植的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 沟垄集雨种植紫花苜蓿的干草产量和水分利用效率
Table 3摇 Hay yield and WUE of alfalfa under water harvesting planting with ridges and furrows
处理
Treatment
第 1 茬干草产量
Hay yield of 1st cut
(kg·hm-2)
Y1 Y2
第 2 茬干草产量
Hay yield of 2st cut
(kg·hm-2)
Y1 Y2
全生育期干草产量
Total hay yields
(kg·hm-2)
Y1 Y2
较平作增加
Increase compared
with TP
(% )
水分利用效率
WUE
(kg·mm-1
·hm-2)
TP 2215. 5e 2215. 5d 1896. 6d 1896. 6bc 4112. 1f 4112. 1d - 11. 08b
SR30 2868. 1d 1912. 1e 2822. 8c 1881. 9bc 5690. 9e 3793. 9e -7. 7 11. 36b
SR45 3054. 2d 1745. 2ef 2848. 4c 1627. 7e 5902. 6e 3372. 9f -18. 0 10. 52b
SR60 3141. 7d 1570. 8f 2907. 7c 1454. 9f 6051. 3de 3025. 7g -26. 4 9. 55b
BMR30 3496. 8c 2331. 2c 2865. 4c 1910. 2bc 6362. 2cd 4241. 4cd 3. 1 11. 87a
BMR45 4561. 2b 2606. 4ab 3343. 6b 1910. 7bc 7904. 8b 4517. 0b 9. 9 15. 64a
BMR60 4908. 5a 2454. 3bc 3481. 3ab 1740. 7d 8389. 8a 4194. 9d 2. 0 16. 16a
CMR30 3712. 6c 2475. 0bc 2995. 7c 1997. 2ab 6708. 3c 4472. 2bc 8. 8 14. 44a
CMR45 4767. 5ab 2724. 3a 3582. 7a 2047. 3a 8350. 3a 4771. 6a 16. 0 15. 54a
CMR60 5029. 0a 2514. 5bc 3626. 1a 1813. 1cd 8655. 1a 4327. 6bcd 5. 2 14. 88a
Y1: 净干草产量(垄) Hay yield based on only the area of the furrows; Y2:实际干草产量(沟+垄) Hay yield based on the land area including the rid鄄
ges and furrows. 同列不同字母表示差异显著 (P<0. 05 ) Different letters in the same column indicated significant difference at 0. 05 level.
宽为 60 cm 集雨垄 ( CMR60和 BMR60 ), CMR30与
CMR60、BMR30与 BMR60之间差异不显著;在 SR种植
中,垄宽为 30 cm 集雨垄(SR30)的全生育期实际干
草产量显著高于垄宽为 45 cm 集雨垄(SR45),SR45
的全生育期实际干草产量显著高于垄宽为 60 cm 集
雨垄(SR60).
2郾 5摇 沟垄集雨种植对水分利用效率的影响
紫花苜蓿水分利用效率排列次序为 BMR60 >
BMR45>CMR45>CMR60 >CMR30 >BMR30 >SR30 >平作>
SR45>SR60(表 3). 就各覆盖材料平均值而言,CMR
和 BMR的水分利用效率显著高于 SR 和平作,CMR
与 BMR、SR与平作之间差异不显著.就平均水分利
用效率而言,CMR(14. 95 kg·mm-1·hm-2)和 BMR
的水分利用效率(14. 56 kg·mm-1·hm-2)较平作
(11. 08 kg·mm-1·hm-2 )分别提高 35%和 31% ,
SR的水分利用效率(10. 48 kg·mm-1·hm-2)较平
作降低 5% . CMR30、CMR45和 CMR60的水分利用效率
分别为 14. 44、15. 54 和 14. 88 kg·mm-1 ·hm-2,
BMR30、BMR45 和 BMR60 的水分利用效率分别为
11郾 87、15. 64 和 16. 16 kg·mm-1·hm-2,SR30、SR45
和 SR60的水分利用效率分别为 11. 36、10. 52 和
9郾 55b kg·mm-1·hm-2 . 总体来看,同一覆盖材料
下,不同沟垄比对水分利用效率影响不显著.
2郾 6摇 最佳沟垄比的确定
为了确定同一覆盖材料下的最佳沟垄比,对
CMR和 BMR 的全生育期实际干草产量(y)和垄宽
(30、45 和 60 cm,x)进行回归分析,得到实际干草产
量与垄宽的二次抛物线关系,CMR 和 BMR 处理的
回归方程分别为 y = - 1. 652x2 + 143. 86x + 1643. 3
(R2 =0. 9988)和 y = -1. 3283x2 + 117. 99x + 1897. 1
(R2 =0. 9989).当 x = 44 时,CMR 和 BMR 全生育期
实际干草产量达到最大值. 当沟垄比为 60 cm 颐
44 cm时,CMR和 BMR的全生育期实际干草产量分
别达到 4774. 9 和 4517. 1 kg·hm-2(图 7).
图 7摇 普通膜垄和生物可降解膜垄干草经济产量与垄宽的
关系
Fig. 7摇 Relationships between hay yield and ridge width under
CMR and BMR.
3摇 讨摇 摇 论
地表径流是甘肃省定西半干旱黄土丘陵区土壤
水分、养分迁移和再分配的主要途径,研究不同覆盖
材料集雨垄的径流效率对该区域农业可持续发展具
有重要意义.多数研究采用直线回归法,通过对降雨
量与径流量建立线性关系,确定临界产流降雨量和
产流后的集水效率[18] . Li 等[19]在甘肃皋兰的研究
结果表明,膜垄和土垄的平均径流效率分别为 87%
和 7% ,膜垄的临界产流降雨量为 0. 8 mm,土垄仅
在高强度降雨下产生径流,集雨效果不明显. 王
6772 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
琦[20]在甘肃省榆中兰州大学校区的研究表明,普通
膜垄和土垄的平均径流效率分别为 90%和 16郾 2% .
从降雨到径流形成是一个复杂的动态过程,它不仅
与集雨垄覆盖材料、集雨垄宽度和集雨垄坡度等有
关,而且受降雨特征(雨量、雨强、降雨时间、雨前土
壤含水量)和气候因素等的影响.本研究结果表明,
SR、BMR 和 CMR 平均径流效率分别为 30郾 9% 、
93郾 4%和 86. 5% ,临界产流降雨量分别为 4郾 13、
0郾 80 和 0. 93 mm.本试验通过人工压实原土而形成
土垄,土垄结皮越厚、越致密,其径流效率越高.
沟垄集雨栽培技术将集雨垄产生的径流和沟中
的降雨进行叠加,可以有效增加沟中土壤水分,从而
改善沟中水分状况和提高作物产量[21] .寇江涛和师
尚礼[22]研究表明,沟垄集雨栽培条件下,膜垄和土
垄的紫花苜蓿年平均干草产量较平作分别提高
205. 0%和 163. 6% . 贾宇等[1]研究表明,膜垄的紫
花苜蓿干草产量比平作显著提高 10. 7% ~ 40. 3% ,
土垄的干草产量比平作下降 14. 2% ~ 28. 3% .沟垄
集雨种植技术减少种植面积,在降水偏少或偏多的
情况下,集雨增产效果小于种植面积减少的减产效
果,从而引起牧草干产量减少.在降水比较充沛的地
区,水分不再是限制农作物生长的关键因子,沟垄集
雨种植将失去其意义[21] . 2012 年紫花苜蓿生育期
降雨量较干旱年份多,水分对牧草产量的提高作用
不明显,BMR和 CMR 全生育期干草产量仅较平作
分别提高 2. 0% ~ 9. 9%和 5. 2% ~ 16. 0% ,土垄较
平作降低 7. 7% ~26. 4% .因此,协调好聚水与有效
种植面积的关系,才能使沟垄集雨种植技术起到集
雨、增温、增墒和增产效果[23] .
沟垄集雨技术是半干旱黄土丘陵区雨水资源开
发利用的基础,其目的是采取人工措施,将产生于集
流面的径流进行蓄集和利用,进而提高自然降水的
利用效率[24] . 朱国庆等[25]在甘肃定西半干旱地区
通过 4 年的春小麦试验表明,沟垄覆盖栽培的春小
麦水分利用效率平均提高 3. 05 kg·hm-2·mm-1 .
Wang等[26]连续 2 年的马铃薯种植试验表明,膜垄
的水分利用效率显著高于土垄,土垄的水分利用效
率显著高于平作.本研究结果表明,CMR和 BMR 的
平均水分利用效率比平作分别提高 35%和 31% ,
SR较平作降低 5% .沟垄覆膜集雨技术使垄上降雨
顺垄流入沟中,CMR 和 BMR 还可以有效抑制土壤
水分蒸发损失,增加种植区土壤含水量,使其水分利
用效率高于土垄和平作.
4摇 结摇 摇 论
在甘肃省定西半干旱黄土丘陵区,SR、BMR 和
CMR 平均径流效率分别为 32. 0% 、 90. 7% 和
96郾 4% ,临界产流降雨量分别为 3. 99、 0. 86 和
0. 23 mm. BMR和 CMR的土壤贮水量显著高于 SR,
SR 的土壤贮水量显著高于平作. 在紫花苜蓿孕蕾
期, TP、 SR30、 SR45、 SR60、 BMR30、 BMR45、 BMR60、
CMR30、CMR40和 CMR60的 0 ~ 140 cm 土壤贮水量分
别 为 223郾 27、 246郾 43、 248郾 17、 251郾 09、 271郾 74、
277郾 63、284. 06、281. 83、289. 67 和 280. 98 mm.土垄
沟边与沟中土壤含水量差异不显著,可降解膜垄和
普通膜垄沟边土壤含水量显著高于沟中. 在紫花苜
蓿第 1 茬收后,垄宽 45 cm 的土垄沟边与沟中的土
壤含水量分别为 13. 8%和 13. 5% ;垄宽 45 cm的可
降解膜垄沟边与沟中的土壤含水量分别为 15. 0%
和 13郾 7% ;垄宽 45 cm的普通膜垄沟边与沟中的土
壤含水量分别为 15. 2%和 14. 4% .就紫花苜蓿全生
育期而言,SR 全生育期实际干草产量( SR30、SR45、
SR60全生育期实际干草产量分别为 3793. 9、3372郾 9、
3025. 7 kg·hm-2)较平作(4112. 1 kg·hm-2)降低
7. 7% ~ 26. 4% , BMR 全生育期实际干草产量
(BMR30、BMR45、BMR60全生育期实际干草产量分别
为 4241. 4、4517. 0、4194. 9 kg·hm-2 )较平作提高
2. 0% ~ 9郾 9% , CMR 全生育期实际干草产量
(CMR30、CMR40、CMR60全生育期实际干草产量分别
为 4472. 2、4771. 6、4327. 6 kg·hm-2)较平作提高
5. 2% ~12. 0% .就平均水分利用效率而言,SR的水
分 利 用 效 率 (10. 48 kg·mm-1·hm-2) 较 平 作
(11郾 08 kg·mm-1·hm-2)降低 5. 5% ,BMR(14. 56
kg·mm-1·hm-2)和 CMR 的水分利用效率(14. 95
kg·mm-1 · hm-2 ) 较平作分别提高 31郾 4% 和
35郾 0% ,不同沟垄比对水分利用效率的影响不显著.
当沟垄比为 60 cm 颐 44 cm 时,普通膜垄(4774. 9
kg·hm-2) 和 生 物 可 降 解 膜 垄 处 理 ( 4517郾 1
kg·hm-2)的实际产量均达到最大值.
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作者简介摇 霍海丽,女,1987 年生,硕士研究生.主要从事干
旱区农作物节水研究. E鄄mail: hhl8599118@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
8772 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷