免费文献传递   相关文献

沟垄集雨对紫花苜蓿和裸燕麦出苗及土壤贮水量的影响



全 文 :书沟垄集雨对紫花苜蓿和裸燕麦出苗及土壤
贮水量的影响
霍海丽1,王 琦1,2,张恩和3,师尚礼1,任 祥1,
王田涛3,刘青林3
(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业
可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土
工程国家重点实验室和青藏高原冰冻圈观测试验研究站,甘肃 兰州 730000;
3.甘肃农业大学 农学院,甘肃 兰州 730070)
  摘要:采用沟垄覆膜集雨种植紫花苜蓿和裸燕麦,测定不同沟垄比和不同垄覆盖材料对植物土壤
贮水量和出苗数的影响。结果表明,沟中土壤贮水量随沟垄比增加而增加。普通地膜、可降解地膜和自
然降水形成的土壤结皮具有减少土壤蒸发的作用,从而提高土壤贮水量。2012年5月7日紫花苜蓿出
苗期测定结果显示,普通膜垄、可降解膜垄和土垄种植紫花苜蓿的土壤贮水量比平作分别提高为77,61
和38mm。2012年4月27日裸燕麦出苗期测定结果显示,普通膜垄、可降解膜垄和土垄种植裸燕麦的
土壤贮水量比平作分别提高102,83和61mm。普通地膜、可降解地膜和土垄处理提高了土壤含水量,
从而提高裸燕麦株数;普通膜垄、可降解膜垄和土垄的裸燕麦株数比平作分别提高47,37和11株/m2。
但高强度集雨不一定利于紫花苜蓿发芽,平作土壤含水量分布均匀,更有利于紫花苜蓿发芽。
  关键词:沟垄集雨;紫花苜蓿;裸燕麦;出苗数;土壤贮水量
  中图分类号:S 512.6;S 541  文献标识码:A  文章编号:1009-5500(2012)06-0001-06
  收稿日期:2012-07-21;修回日期:2012-09-24
  基金项目:国家自然科学基金(41161090)和国家牧草产
业技术体系项目(CARS-35)资助
  作者简介:霍海丽(1987-),女,河南叶县人,在读硕士。
E-mail:hhl8599118@163.com
王琦为通讯作者。
  干旱缺水和水土流失是制约甘肃省黄土高原丘陵
半干旱区农业发展的重要因素[1]。黄土高原丘陵半干
旱区农业生产主要依赖天然降水,1971~2010年平均
降水量为389.2mm,气候干燥,年潜在蒸发量为1 500
mm,<5mm的无效降水较多,降水时空分配不均,冬
春少雨,夏秋多雨[2]。这样的气候条件不仅加剧少雨
时段的干旱,而且为水土流失提供动力条件。同时水
土流失伴随着土壤养分、农药和杀虫剂等损失,导致下
游水质污染和河床淤积[3]。因此,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该区域
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、分布面积较广的多年生深根优质牧草,具有适应性
广、产量高、蛋白质丰富、适口性好等特点[4]。紫花苜
蓿和裸燕麦(Avena nuda)是我国半干旱区农业结构
转型和生态环境建设中大力推广的优良牧草和粮饲兼
用作物,为建立草田轮作和舍饲养殖业起到非常重要
的作用[5,6]。紫花苜蓿和裸燕麦是高耗水牧草,他们的
耗水规律与该区域降水资源错位。采用沟垄集雨种植
技术,在平地上人工起垄,形成沟和垄相间的微地形,
垄作为集雨区,沟作为种植区,垄上的降水顺垄流入沟
中,将垄和沟2个面上的降水集中到一个面上(沟)。
集雨系统能充分接收和贮存有限降水资源,使牧草种
植区水分产生叠加,土壤水分入渗越深,水分蒸发损失
越小[7-9],同时,沟垄集雨种植有利于牧草通风透光和
充分发挥边行优势,增加牧草产量[10]。
国内外对沟垄集雨种植进行了大量研究,但主要
集中在马铃薯和玉米等穴播作物上[11-13],对于紫花苜
1第32卷 第6期           草 原 与 草 坪2012年
DOI:10.13817/j.cnki.cyycp.2012.06.009
蓿和裸燕麦等行播作物研究比较少,且覆盖材料研究
多偏重于普通地膜,对可降解地膜的研究较少。本文
着重研究不同覆盖材料和不同沟垄比(沟宽为定值)对
半干旱区紫花苜蓿和裸燕麦出苗数和土壤贮水量的影
响,确定适宜覆盖材料和垄宽,为半干旱区沟垄集雨种
植紫花苜蓿和裸燕麦提供一定的理论依据。
1 材料和方法
1.1 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进行,地理
位置N 35°33′,E 104°35′,海拔1 896.7m,属典型的半
干旱区。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,气温日较差大,气象灾害频繁。
年日照2 433h;年平均气温6.7℃。1971~1990年平
均降水量386.0mm。降水在年内分布极不均匀,7~
10月降水占年降水量的86.9%;蒸发强烈,年均潜在
蒸发量高达1 500mm,为年均降水量的4倍;平均无
霜期140d。试验地地势平坦,土壤为黄绵土,质地为
重壤,土壤深度0~100cm,平均容重为1.38g/cm3,
田间持水量为25.6%。
1.2 试验设计
试验以紫花苜蓿品种甘农3号和裸燕麦品种坝莜
8号为材料,采用田间沟垄覆盖集水种植设计,垄为集
雨区,沟为种植区,小区随机排列,共设3种沟垄比×3
种覆盖材料+1平作10个处理,重复3次。不同覆盖
材料分为普通塑料膜、可降解膜和土壤结皮,不同沟垄
(单位:cm)比为60∶30,60∶45和60∶60,沟宽均为60
cm,传统耕作(平作)作为对照,根据当地种植经验,垄
坡约为40°,垄高为25cm,垄沿等高线修筑,垄长
10m,每小区有4条垄和3条沟(图1,2和表1)。
1.3 种植管理
紫花苜蓿和裸燕麦播种前30d开始整地、划分小
区、起 垄 和 覆 膜,过 磷 酸 钙 420 kg/hm2 和 尿 素
220kg/hm2作为基肥,施肥深度10cm。对于沟垄集
雨种植,播种前将2种肥料混合后条播施入沟中;对平
作处理,播种前将2种肥料混合后用手平均撒施。
2012年4月10~12日播种,紫花苜蓿和裸燕麦的播
种量分别为22.5kg/hm2和135kg/hm2,称取每行播
种量,用手均匀撒施,按行播种,播种深度为2~3cm,
紫花苜蓿和裸燕麦的行距分别为15cm和20cm。对
于沟垄集雨种植处理,沟宽60cm,每条沟种植4行紫
花苜蓿或3行裸燕麦;对于平作处理,紫花苜蓿和裸燕
麦种植不留集雨区域,小区宽3.6m,分别种植24行
紫花苜蓿或18行裸燕麦。紫花苜蓿和裸燕麦整个生
育期不施追肥,及时人工除杂草,紫花苜蓿除草时间分
别为2012年5月10日、6月15日及7月23日,裸燕
麦除草时间分别为2012年5月17日、6月23日及7
月26日,各处理不灌溉。
图1 紫花苜蓿种植图
Fig.1 Schematic diagram of alfalfa planting
图2 裸燕麦种植图
Fig.1 Schematic diagram of naked oat planting
1.4 样品采集及测定
2012年5月7日紫花苜蓿出苗期和2012年4月
27日裸燕麦出苗期用土钻在沟内取土。采用烘干法
(105℃,10h)测定土壤含水量,测定深度120cm,按
照0~10,10~20,20~40,40~60,60~80,80~100,
100~120cm分层,每个小区取3钻土样,同一层次3
个土样混合均匀。在每个小区内随机选取3个60cm
×60cm调查样方,紫花苜蓿播种后56d,裸燕麦播种
后45d,当出苗率达到稳定值时开始测定出苗数目,测
定间隔为3d,共测定5次,计算5次出苗数的平均值。
1.5 数据分析
土壤贮水量是指一定土层厚度的土壤总含水量,
以土层深度(mm)表示,其计算式为:
土壤贮水量=θ×BD×H×10 (1)
式中:θ为土壤质量含水量(%),BD为土壤容重,H 为
土壤厚度(cm),10为系数。
利用完全随机模型分析沟垄集雨种植对紫花苜蓿
2       GRASSLAND AND TURF(2012)            Vol.32No.6
表1 沟垄集雨种植试验设计
Table 1 Experimental design of furrow and ridge planting with rainfal harvesting
处理 沟垄比/cm 产流面积/m2 小区面积/m2 沟面积/m2 垄覆盖方式
BMR30  60∶30  9.0  27.0  18 可降解膜覆盖
BMR45  60∶45  13.5  31.5  18 可降解膜覆盖
BMR60  60∶60  18.0  36.0  18 可降解膜覆盖
MR30  60∶30  9.0  27.0  18 普通膜覆盖
MR45  60∶45  13.5  31.5  18 普通膜覆盖
MR60  60∶60  18.0  36.0  18 普通膜覆盖
SR30  60∶30  9.0  27.0  18 原土夯实
SR45  60∶45  13.5  31.5  18 原土夯实
SR60  60∶60  18.0  36.0  18 原土夯实
平作 / / 36 / /
和裸燕麦出苗数及土壤贮水量的影响,试验数据采用
SPSS15.0与Excel软件进行统计分析,用Duncan’s
新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 覆盖材料和沟垄比对紫花苜蓿出苗数的影响
在同一覆盖材料下,将三个沟垄比(每个沟垄比有
三个重复)紫花苜蓿出苗数统计求均值,得到各沟垄比
的平均株数,SR30,SR45和SR60的紫花苜蓿株数分
别为226,240和205株/m2,沟垄比对紫花苜蓿株数
影响显著;BMR30,BMR45和BMR60的株数分别为
221,246和201株/m2,沟垄比对紫花苜蓿株数影响显
著;MR30,MR45和 MR60的紫花苜蓿株数分别为
198,222和205株/m2,沟垄比对紫花苜蓿株数影响不
显著(图3)。将平作和3种覆盖材料(每种覆盖材料
处理有3个重复)的紫花苜蓿出苗数求均值,得到平
图3 沟垄比和覆盖材料下的紫花苜蓿株数
Fig.3 Effects of ratio of furrow to ridge and
mulching material on number of alfalfa
作、土垄、可降解膜垄和普通膜垄的平均株数,通过对
不同覆盖材料紫花苜蓿株数进行比较,平作、土垄、可
降解膜垄和普通膜垄的紫花苜蓿株数分别为246,
224,223和208株/m2。通过显著性分析,平作的紫花
苜蓿株数显著大于土垄和可降解膜垄,土垄与可降解
膜垄的紫花苜蓿株数相差不显著,土垄与可降解膜垄
的紫花苜蓿株数显著大于膜垄。尹国丽等[6]研究发现
普通地膜和可降解地膜具有减少土壤蒸发等作用,从
而提高紫花苜蓿株数。本研究发现,普通地膜和可降
解地膜沟边土壤含水量过高,导致土壤板结,对紫花苜
蓿发芽不利。平作土壤含水量分布均匀,更有利于紫
花苜蓿发芽。
2.2 覆盖材料和沟垄比对裸燕麦出苗数的影响
SR30,SR45和SR60的裸燕麦株数分别为154,
153和156株/m2,沟垄比对裸燕麦株数影响不显著;
BMR 30,BMR45和BMR60的株数分别为200,179
图4 沟垄比和覆盖材料下的裸燕麦株数
Fig.4 Effects of ratio of furrow to ridge and mulching
material on number of naked oat
3第32卷 第6期           草 原 与 草 坪2012年
和161株/m2,沟垄比对裸燕麦株数影响显著,裸燕麦
株数随沟垄比增加而减少;MR30,MR 45和 MR 60
的裸燕麦株数分别为190,185和194株/m2,沟垄比
对裸燕麦株数影响不显著(图4)。通过对不同覆盖材
料处理裸燕麦株数进行比较,平作、土垄、可降解膜垄
和普通膜垄的裸燕麦株数分别为143、154、180和190
株/m2,通过显著性分析,普通膜垄的株数显著大于可
降解膜垄,可降解膜垄的株数显著大于土垄,土垄的株
数显著大于平作。普通膜垄、可降解膜垄和土垄的裸
燕麦株数比平作分别提高47,37和11株/m2。研究
发现普通地膜、可降解地膜和土垄具有减少土壤蒸发
等作用,从而提高裸燕麦出苗数。
2.3 不同的覆盖材料和沟垄比对紫花苜蓿土壤贮水
量的影响
在0~120cm土层,SR30,SR45和SR60的土壤
贮水量分别为337,392和402mm,土壤贮水量随沟垄
比增加而增加;在0~120cm 土层,BMR30,BMR45
和BMR60的土壤贮水量分别为368,406和426mm,
土壤贮水量随沟垄比增加而增加(图5);0~120cm土
壤深度,MR30,MR45和 MR60的土壤贮水量分别为
407,419和423mm,土壤贮水量随沟垄比增加而增
加。通过对不同覆盖材料0~120cm土壤深度的土壤
贮水量进行比较,平作、土垄、可降解膜垄和普通膜垄
的土壤贮水量分别为339,377,400和416mm,通过
显著性分析,普通膜垄的土壤贮水量显著大于可降解
膜垄,可降解膜垄的土壤贮水量显著大于土垄,土垄的
土壤贮水量显著大于平作。普通膜垄、可降解膜垄和
土垄的土壤贮水量比平作分别提高77,61和38mm,
研究发现普通地膜和可降解地膜具有减少土壤蒸发等
图5 沟垄比和覆盖材料下的紫花苜蓿土壤贮水量
Fig.5 Effects of ratio of furrow to ridge and mulching
material on soil water storage of alfalfa
作用,从而提高土壤贮水量。土垄的土壤结皮具有减
少蒸发量作用,蒸发量与结皮厚度成正比,厚度越厚,
蒸发量越高。普通膜垄和可降解膜垄集雨效率较高,
使沟中水分产生明显叠加,膜垄处理土壤贮水量显著
高于土垄和平作。
2.4 覆盖材料和沟垄比对裸燕麦土壤贮水量的影响
在0~120cm土层,SR30,SR45和SR60的土壤
贮水量分别为326,381和389mm,土壤贮水量随沟垄
比增加而增加 (图 6);在 0~120cm 土壤深度,
BMR30,BMR45 和 BMR60 的土壤贮水量分别为
349,393和418mm,土壤贮水量随沟垄比增加而增
加;0~120cm土壤,MR30,MR45和 MR60的土壤贮
水量分别为346,432和441mm,土壤贮水量随沟垄比
增加而增加。通过对不同覆盖材料0~120cm土壤深
度的土壤贮水量进行比较,平作、土垄、可降解膜垄和
普通膜垄土壤贮水量分别为304,365,387和406mm,
通过显著性分析,普通膜垄的土壤贮水量显著大于可
降解膜垄,可降解膜垄的土壤贮水量显著大于土垄,土
垄的土壤贮水量显著大于平作。普通膜垄、可降解膜
垄和土垄的土壤贮水量比平作分别提高102,83和61
mm。研究发现普通地膜和可降解地膜具有减少土壤
蒸发等作用,从而提高土壤贮水量。土垄的土壤结皮
具有减少蒸发量作用,蒸发量与结皮厚度成正比,厚度
越厚,蒸发量越高。普通膜垄和可降解膜垄集雨效率
较高,使沟中水分产生明显叠加,膜垄处理土壤贮水量
显著高于土垄和平作。
图6 沟垄比和覆盖材料下的裸燕麦土壤贮水量
Fig.6 Effects of ratio of furrow to ridge and mulching
material on soil water storage of naked oat
3 讨论和结论
紫花苜蓿和裸燕麦在黄土高原半干旱区种植面积
4       GRASSLAND AND TURF(2012)            Vol.32No.6
逐年扩大。由于降水少,蒸发强烈,草地水分不足,特
别是土壤的干旱化对紫花苜蓿和裸燕麦的高产稳产造
成较大威胁。解决土壤干旱化的问题是大面积推广人
工紫花苜蓿和裸燕麦种植的前提。实施垄覆膜集雨种
植,能够使垄上降水流入沟中,产生水分叠加,同时田
间沟垄可以减小风速,抑制蒸发,提高入渗深度[7,14],
达到蓄积雨水、增加土壤含水量、提高牧草水分利用效
率的目的[15-17]。紫花苜蓿和裸燕麦播种以后,当地的
降水多为<5mm无效降水,土垄、可降解膜垄和普通
膜垄作为集雨面能够收集和集聚这部分降水,将<5
mm的无效、微效降水有效化[18],供紫花苜蓿生长利
用。该研究发现,紫花苜蓿普通膜垄、可降解膜垄和土
垄的土壤贮水量比平作分别提高77,61和38mm。裸
燕麦普通膜垄、可降解膜垄和土垄的土壤贮水量比平
作分别提高102,83和61mm。由于紫花苜蓿出苗时
受到土壤板结的影响,出苗时间较裸燕麦晚,测定土壤
含水量的时间较晚,因此,受蒸腾影响更大、时间更长,
导致同种覆膜处理的土壤贮水量较裸燕麦低。研究发
现普通地膜和可降解地膜具有减少土壤蒸发等作用,
从而提高土壤贮水量。土垄的土壤结皮具有减少蒸发
量作用,蒸发量与结皮厚度成正比,厚度越厚,蒸发量
越高。
由于普通地膜和可降解地膜能够增加表层土壤的
含水量,促进紫花苜蓿和裸燕麦的出苗和生长。本研
究发现,普通膜垄、可降解膜垄和土垄的裸燕麦株数比
平作分别提高47,37和11株/m2。研究发现普通地
膜、可降解地膜和土垄具有减少土壤蒸发等作用,从而
提高裸燕麦株数。但普通地膜和可降解地膜沟边土壤
含水量过高,导致土壤板结,对种子较小的紫花苜蓿发
芽不利。平作土壤含水量分布均匀,更有利于紫花苜
蓿发芽。沟垄集雨种植增加了土壤含水量,尤其普通
地膜和可降解地膜处理,但高强度集雨不一定利于紫
花苜蓿发芽。
普通膜垄,可降解膜垄和土垄种植紫花苜蓿的土
壤贮水量比平作分别提高77,61和38mm。普通膜
垄,可降解膜垄和土垄种植裸燕麦的土壤贮水量比平
作分别提高102,83和61mm。普通地膜、可降解地膜
和土垄处理提高土壤含水量,从而提高裸燕麦株数,普
通膜垄、可降解膜垄和土垄的裸燕麦株数比平作分别
提高47,37和11株/m2。但高强度集雨不一定利于
紫花苜蓿发芽,平作土壤含水量分布均匀,更有利于紫
花苜蓿发芽。
参考文献:
[1] 王斌瑞,罗彩霞,王克勤.国内外土壤蓄水保墒技术研究
动态[J].世界林业研究,1997(2):203-210.
[2] 李小雁,张瑞玲.旱作农田沟垄微型集雨集合覆盖玉米种
植试验研究[J].水土保持学报,2005,19(2):45-52.
[3] 李小雁.干旱半干旱过渡带雨水集流实验与微型生态集
雨模式[D].兰州:中国科学院寒区旱区环境与工程研究
所,2000.
[4] 杨青川,孙彦.紫花苜蓿在北京市种植业结构调整中的作
用[D].北京:北京农业科学院,2000.
[5] 陈红,黄高宝,李玲玲,等.旱作全膜双垄沟播对玉米苗期
土壤水分的影响[J].甘肃农业大学学报,2011,46(5):50
-55.
[6] 尹国丽,贠旭疆,师尚礼.半干旱区沟垄集雨种植对紫花
苜蓿出苗及草产量的影响[J].甘肃农业大学学报,2010,
45(1):111-115.
[7] 李凤民,王静,赵松岭.半干旱黄土高原给水高效农业的
发展[J].应用生态学报,1999,19(2):152-157.
[8] 王正兴.黄土高原有水干早和基本农田建设[J].水土保
持学报,1990,4(1):80-87.
[9] 李军,王龙昌,孙小文.宁南半干旱偏旱区农田沟垄径流
集蓄保墒效果与增产效应研究[J].干旱地区农业研究,
1999,17(2):89-93.
[10] 王龙昌,贾志宽.北方旱区农业节水技术[M].西安:世
界图书出版公司,1998:39-41.
[11] 王琦,张恩和,李凤民.半干旱地区膜垄和土垄的集雨效
率和不同集雨时期土壤水分比较[J].生态学报,2004,
24(8):1820-1823.
[12] 王琦,张恩和,李凤民,等.半干旱地区沟垄微型集雨种
植马铃薯最优沟垄比的确定[J].农业工程学报,2005,
21(1):38-41.
[13] 王琦.半干旱地区沟垄微型集雨种植马铃薯生态效应研
究[D].兰州:甘肃农业大学,2003.
[14] 李晓雁.人工集水面降雨径流观测实验研究[J].水土
保持学报,2001,15(1):1-4.
[15] 崔欢虎,王娟玲,靖华,等.田间微集雨种植方式及播种
行距对小麦产量和水分利用效率的影响[J].中国生态
农业学报,2009,17(5):91-94.
[16] 王彩绒,田霄鸿,李生秀,等.沟垄覆膜集雨栽培对冬小
麦水分利用效率及产量的影响[J].中国农业科学,
2004,37(2):208-214.
[17] 张德奇,廖允成,贾志宽,等.宁南旱区谷子集水保水技
5第32卷 第6期           草 原 与 草 坪2012年
术效应研究[J].中国生态农业学报,2006,14(4):51-
53.
[18] 王俊鹏,韩清芳,王龙昌,等.宁南半干旱地区农田微集
水种植技术效果研究[J].西北农业大学学报,2000,28
(4):16-20.
Effects of rainwater harvesting plantingwith ridges and
furrow on number of plant and soil water storage
of alfalfa and naked oat
HUO Hai-li 1,WANG Qi 1,2,ZHANG En-he3,SHI Shang-li 1,REN Xiang1,
WANG Tian-tao3,LIU Qing-lin3
(1.College of Pratacultural Science,Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem,
Ministry of Education/Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province/Sino-U.S.Centers for
Grazingland Ecosystem Sustainability,Lanzhou730070,China;2.State Key Laboratory of Frozen
Soils Engineering and Cryosphere Research Station of the Qinghai Tibetan Plateau,Cold and Arid
Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,
Lanzhou730000;3.Agronomy College,Gansu Agricultural University,Lanzhou730000)
  Abstract:It is low annual precipitation,dry climate and high evaporation in semiarid areas of the Loess Plat-
eau.The number of plant was low due to the semiarid climate.The experiment was conducted to investigate the
effects of different coverage materials and ratios of furrow to ridge on emergence rate and soil water storage of
alfalfa and naked oat,using rainfal harvesting technique with ridges and furrows,and ridges serve as runoff
zones and furrows serve as planting zones.The results showed that soil water storage increased with ratio of
ridge to furrow,and ridges covered with ordinary plastic film and with biodegradable film reduced evaporation
and increased soil water storage in 120cm depth.Compared with traditional planting,on May 7,2012,the soil
water storage of alfalfa were 77,61and 38mm in ridges covered with ordinary plastic film,ridges covered with
biodegradable film and ridges compacted with soil,respectively.Compared with traditional planting,on April
27,2012,the soil water storage of naked oat were 102,83and 61mm in ridges covered with ordinary plastic
film,ridges covered with biodegradable film and ridges compacted with soil,respectively.The ridge covered
with ordinary plastic film and the ridge covered with biodegradable film enhances soil water content,and high
soil water content was good for naked oat seed germination.Compared with traditional planting,the increases of
plants were 47,37and 11(plant m-2)in ridges covered with ordinary plastic film,ridges covered with biode-
gradable film and ridges compacted with soil.But high soil water was not good for alfalfa seed germination.
  Key words:rainwater harvesting;alfalfa;naked oat;number of plant;soil water storage
6       GRASSLAND AND TURF(2012)            Vol.32No.6