全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 苑期摇 摇 圆园员源年 源月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
青藏高原东北部 缘园园园 年来气候变化与若尔盖湿地历史生态学研究进展
何奕忻袁吴摇 宁袁朱求安袁等 渊员远员缘冤
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天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素 阿米娜木窑艾力袁常顺利袁张毓涛袁等 渊员远圆远冤噎噎
个体与基础生态
小兴安岭红松日径向变化及其对气象因子的响应 李兴欢袁刘瑞鹏袁毛子军袁等 渊员远猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响 吴波波袁郭剑芬袁吴君君袁等 渊员远源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
庞泉沟自然保护区典型森林土壤大团聚体特征 白秀梅袁韩有志袁郭汉清 渊员远缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
思茅松天然林树冠结构模型 欧光龙袁肖义发袁王俊峰袁等 渊员远远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
镁缺乏和过量胁迫对纽荷尔脐橙叶绿素荧光特性的影响 凌丽俐袁黄摇 翼袁彭良志袁等 渊员远苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎
斑块生境中食果鸟类对南方红豆杉种子的取食和传播 李摇 宁袁王摇 征袁鲁长虎袁等 渊员远愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
重金属铅与两种淡水藻的相互作用 刘摇 璐袁闫摇 浩袁李摇 诚袁等 渊员远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
刺参养殖池塘初级生产力及其粒级结构周年变化 姜森颢袁周一兵袁唐伯平袁等 渊员远怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
控渊微囊冤藻鲢尧鳙排泄物光能与生长活性 王银平袁谷孝鸿袁曾庆飞袁等 渊员苑园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五爪金龙中香豆素类物质含量及其对福寿螺尧水稻和稗草的影响 犹昌艳袁杨摇 宇袁胡摇 飞袁等 渊员苑员远冤噎噎噎
种群尧群落和生态系统
西双版纳国家级自然保护区勐腊子保护区亚洲象种群和栖息地评价 林摇 柳袁金延飞袁陈德坤袁等 渊员苑圆缘冤噎噎
莱州湾鱼类群落同功能种团的季节变化 李摇 凡袁徐炳庆袁马元庆袁等 渊员苑猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长期不同施肥方式对麦田杂草群落的影响 蒋摇 敏袁沈明星袁沈新平袁等 渊员苑源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 周摇 宏袁张恒嘉袁莫摇 非袁等 渊员苑缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
流域景观格局变化对洪枯径流影响的 杂宰粤栽模型模拟分析 林炳青袁陈兴伟袁陈摇 莹袁等 渊员苑苑圆冤噎噎噎噎噎
近 圆园年青藏高原东北部禾本科牧草生育期变化特征 徐维新袁辛元春袁张摇 娟袁等 渊员苑愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
丽江城市不同区域景观美学 郭先华袁赵千钧袁崔胜辉袁等 渊员苑怨源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
珠三角河网水域栅藻的时空分布特征 王摇 超袁李新辉袁赖子尼袁等 渊员愿园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
博斯腾湖细菌丰度时空分布及其与环境因子的关系 王博雯袁汤祥明袁高摇 光袁等 渊员愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
遗传算法支持下土地利用空间分形特征尺度域的识别 吴摇 浩袁李摇 岩袁史文中袁等 渊员愿圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
川西亚高山不同海拔岷江冷杉树轮碳稳定同位素对气候的响应 靳摇 翔袁徐摇 庆袁刘世荣袁等 渊员愿猿员冤噎噎噎噎
基于 耘杂阅粤的西北太平洋柔鱼资源空间热点区域及其变动研究 冯永玖袁陈新军袁杨铭霞袁等 渊员愿源员冤噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于居民生态认知的非使用价值支付意愿空间分异研究要要要以三江平原湿地为例
高摇 琴袁敖长林袁陈红光袁等 渊员愿缘员冤
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浑河河水及其沿岸地下水污染特征 崔摇 健袁都基众袁王晓光 渊员愿远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
社会生态系统及脆弱性驱动机制分析 余中元袁李摇 波袁张新时 渊员愿苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
等渗 晕葬悦造和 悦葬渊晕韵猿冤 圆胁迫对黄瓜幼苗生长和生理特性的影响 周摇 珩袁郭世荣袁邵慧娟袁等 渊员愿愿园冤噎噎噎
专家观点
关于野生态保护和建设冶名称和内涵的探讨 沈国舫 渊员愿怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园源
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 红豆杉人工林要要要红豆杉为常绿针叶乔木袁树高可达 圆缘皂袁属国家一级保护植物遥 红豆杉中含有的紫杉醇袁具有独
特的抗癌机制和较高的抗癌活性袁能阻止癌细胞的繁殖尧抑制肿瘤细胞的迁移袁是世界公认的抗癌药遥 红豆杉在我
国共有 源个种和 员个变种袁即云南红豆杉尧西藏红豆杉尧东北红豆杉尧中国红豆杉和南方红豆杉渊变种冤遥 由于天然红
豆杉稀缺袁国家严禁采伐利用袁因而我国南方很多地方都采取人工种植的方法生产利用遥 人工种植的南方红豆杉在
南方山区多呈斑块状分布袁斑块生境中鸟类对红豆杉种子的传播有重要的影响遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 7 期
2014年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.7
Apr.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家公益性行业(气象)科研专项( GYHY201106029鄄 2);国家重大基础研究计划 973 项目( 2009CB825101);国家科技支撑计划
(31070372);甘肃省自然基金 ( 1107RJZA124);甘肃省科学院开发与应用基金项目 ( 2012JK鄄 03 );教育部直属高校海外名师项目
(Ms2011LZDX059)
收稿日期:2012鄄06鄄10; 摇 摇 修订日期:2013鄄11鄄19
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhangbuchong@ hotmail.com; xiongyc@ lzu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201306101580
周宏,张恒嘉,莫非,赵鸿,王润元,吴姗,邓浩亮,Asfa Batool,Baoluo Ma,熊友才.极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程.生态学报,2014,
34(7):1757鄄1771.
Zhou H, Zhang H J,Mo F, Asfa B, Zhao H, Wang R Y, Wu S, Deng H L, Baoluo M, Xiong Y C.Ecological process of water transformation in furrow and
ridge mulching system in oat field under extreme drought scenario.Acta Ecologica Sinica,2014,34(7):1757鄄1771.
极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程
周摇 宏1,2,4,张恒嘉1,4,*,莫摇 非2,赵摇 鸿2,3,王润元3,吴摇 姗1,2,4,
邓浩亮1,2,4,Asfa Batool2,Baoluo Ma5,熊友才2,*
(1. 甘肃农业大学工学院, 兰州摇 730070; 2. 兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所 /草地农业生态系统国家重点实验室,兰州摇 730000;
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,兰州摇 730020;
4. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室,兰州摇 730070; 5. 加拿大农业部 ECORC研究中心,渥太华 K1A 0C6摇 加拿大)
摘要:围绕极端气候条件下沟垄沟覆盖系统水文过程和水生产力变化问题开展两年的大田试验研究。 以裸燕麦坝莜 3号品种
为材料,于 2010年和 2011年在甘肃定西进行,以充分灌溉为对照组,设置平地无种植、垄沟无覆膜种植、垄沟覆膜种植、裸地 4
个处理(此 4个处理均无灌溉),测定生育期降雨、气温、0—140 cm 土壤剖面水分变化、作物生长和产量等指标。 结果表明,
2010年和 2011年分别为阶段性极端干旱和全生育期极端干旱两个类型,均导致所有处理组中土壤剖面 60—100 cm的“土壤干
层冶现象,垄沟覆膜处理对“土壤干层冶现象具有显著的缓解效应。 与对照组相比,垄沟覆膜处理显著促进了收获期土壤剖面贮
水量的回升,其贮水量分别提高了 41.2 mm(2010年)和 22.4 mm(2011年),全生育期水分利用效率和水生产力分别提高了 1.7、
0.4 kg·hm-2·mm-1(2010年)和 6.5、9.8 kg·hm-2·mm-1(2011 年)。 另外,垄沟覆膜处理组的地上生物量比对照组降低了 30郾 5%
(2010年)和 67.42%(2011年),但收获指数较对照分别提高了 33.4%(2010年)和 55.6%(2011 年)。 研究表明,垄沟覆膜处理
促进了降水向土壤水和作物水的转化效率,显著地缓解了作物水分供需矛盾,是应对极端气候变化的重要生态策略。
关键词:极端干旱;垄沟覆膜系统;土壤水分;水生态过程;燕麦
Ecological process of water transformation in furrow and ridge mulching system
in oat field under extreme drought scenario
ZHOU Hong 1,2,4, ZHANG Hengjia1,4,*,MO Fei2, Asfa Batool2, ZHAO Hong2,3, Wang Runyuan3, WU Shan1,2,4,
DENG Haoliang 1,2,4, Baoluo Ma5, XIONG Youcai2,*
1 College of Engineering Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
2 MOE Key Laboratory of Arid and Grassland Ecology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
3 Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province,Key Open Laboratory of Arid climate Change and disaster Reduction of
CMA, Institute of Arid Meteorology, CMA, Lanzhou 730020,China
4 Gansu Key Laboratory of Aridland Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
5 Eastern Cereal and Oilseed Research Center, Agriculture and Agri鄄Food, Ottawa 1A 0C6, Ontario, Canada
Abstract: Extreme arid climate plays a critical role in affecting farmland hydrological process and crop yield in semiarid
rainfed agricultural area. However, relevant field studies on this issue are not enough documented and the related solution to
this issue is so far not well defined. Since 1990s, micro鄄field rain鄄harvesting farming technology has been developed and
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extended to a large area in semiarid Loess Plateau of northwest China, however, its functional role as a solution to cope with
extreme climate change is not well recognized. In this study, we designed a two鄄year field experiment to address the issues
of field water productivity and hydrological processes by applying ridge and furrow system under the condition of extreme
weather. Oat cultivar, Bayou 3 was used as research material in this study. Field experiment was conducted at the Arid
Meteorology and Ecological Experimental Station, Lanzhou Institute of Arid Meteorology of China Meteorological
Administration (Dingxi County, Gansu Province) in both years of 2010 and 2011, respectively. Five farming treatments
including micro鄄field rain鄄harvesting mulching technology were designed as follows: control with full irrigation, flat
planting, furrow and ridge without mulching planting, furrow and ridge with film mulching planting and bare field without
irrigation, respectively. Some critical parameters were systematically measured and recorded including rainfall amount, soil
moisture in 0—140cm soil profile, crop growth and yield formation during whole growth period. Least significant difference
(LSD) was used to detect mean differences between treatments (P<0.05). The results showed that year 2010 and 2011
belonged to two extreme climate types, i.e. phased extreme drought and whole extreme drought within the growth period. For
both years, extreme drought climate led to “dried soil layer冶 phenomenon in the soil profile of 60—100cm in all treatment
groups. However, the treatment of ridge and furrow with plastic mulching (RFM) was observed to have a significantly
positive effect on mitigating the occurrence of “dried soil layer冶 . The RFM treatment resulted in a significant overall upturn
in water storage amount in soil bulk at the harvesting period, with the increases in soil water storage by 41.2 mm in 2010
and 22.4 mm in 2011 in comparison with that of control group, respectively. In addition, water use efficiency and water
productivity of RFM treatment were increased by 1.7 kg·hm-2·mm-1 and 0.4 kg·hm-2·mm-1 in 2010 and 6.5 kg·hm-2·mm-1
and 9.8 kg·hm-2·mm-1 in 2011 in comparison with those of control group respectively. The performance of RFM treatment
was significantly superior to that of other treatments. It showed that RFM technology significantly enhanced the
transformation efficiency from natural rainwater to soil water and crop water. On the other hand, above鄄ground biomass in
RFM group was declined by 30.5% in 2010 and 67.42% in 2011 compared to that of control group, but the harvest index of
RFM group was increased by 33.4% in 2010 and 55.6% in 2011 in comparison with that of control group, respectively.
Furthermore, RFM treatment played a positive role in optimizing architecture traits of spike, increasing seed weight, kernels
per spike and grain weight per spike. Our study indicated that the RFM system can optimize water resources distribution,
mitigate temporal and spatial contradiction between water supply and water demand for oat crop production, and transform
more photosynthates from vegetative growth to reproductive growth. In conclusion, the RFM system displayed great potential
to relieve the occurrence of dry soil layer and improve water field productivity in rainfed oat field in 2010 and 2011. It can
be argued that the RFM system could serve as an important ecological strategy in response to extreme climate events and
improve food security in arid region.
Key Words: extreme climate; ridge and furrow with film mulching (RFPM); soil moisture; ecological processes; Oat
(Avena sativa L)
摇 摇 极端气候事件是区域范围内某一特定时期发生
频率较低,但作用强度大、并对自然过程和人类生产
活动产生重要影响的天气气候事件[1],包括极端气
温、极限降雨、干热风和冰雹等事件[2鄄3]。 其中,极端
气温和降雨具有高度的不可预测性,已成为影响旱
区粮食安全和生态系统管理的主要生态因子[4]。 自
20世纪 80 年代以来,我国北方极端气候频发,表现
为短期内连续暴雨或者长期极少降雨两种特征,其
中后者对农业生产影响面更大[5鄄6]。 极端气候事件
增多加剧了农业生产的波动性,使农田生产系统的
光、温、水、土、气等要素发生剧烈变化,对作物生长、
水分利用和籽粒产量带来重大影响。 在全球变化背
景下,主粮作物包括小麦、玉米和水稻在内的产量受
极端气候事件影响显著,造成粮食安全危机。 在生
态脆弱的黄土高原,上述危害更趋严重,探寻减缓和
适应气候变化的策略已成为农业生态学领域的核心
8571 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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内容[7鄄8]。
水资源短缺、降雨少且波动性大是限制雨养农
业区粮食产量提高和可持续性管理的瓶颈[9], “卡
脖子旱冶问题十分突出。 地膜覆盖自从 1978 年引入
中国以来,经历了多次更新换代,并得到大面积推广
和应用[10鄄11]。 最近 10年,垄沟覆膜微集雨栽培技术
得到长足发展,因其集雨、保墒、抑蒸、增温、减少水
土流失等优点,被广泛地应用于没有灌溉条件和春
季土壤积温不足的半干旱和半湿润偏旱地区[12鄄18]。
较传统平作耕作技术,垄沟覆膜技术能更加有效地
抑制无效蒸发、提高降雨向土壤水和作物水的转化
效率,解决作物水温供需错位矛盾,尤其是卡脖子旱
问题,显著提高作物产量和水分利用效率[19鄄24],为旱
区农田水分生产力提升和农户生计改善提供了强大
的技术支撑[25鄄26]。
然而,有报道指出垄沟覆膜在获得显著的增产
效应同时,也会带来负面影响,包括生长后期的土壤
干层问题,通常在土壤 1 m 深度以下出现干燥化现
象[26,27鄄29]。 那么,土壤干层问题究竟是垄沟覆膜引
起的,还是作物本身在生长后期对土壤深处的水分
过度利用所致? 前期研究主要集中在丰水或者次丰
水年份,在极端干旱条件下的田间试验还未见报道。
更进一步地,垄沟覆膜条件下的水生产力和对天然
降雨的利用效率如何? 它们与极端干旱条件下土壤
干层现象有正协同还是负协同效应? 对上述问题的
回答具有很重要的理论意义和实践价值。 另一方
面,在正常年份垄沟覆膜技术能够增加干物质积累,
相应地提高籽粒产量,通常与单位面积上成穗数、穗
粒数和粒重显著相关[30鄄32]。 但是在极端干旱气候
下,生物量的积累与产量如何分配? 产量构成因子
将如何变异? 相关研究的报道较少,因此通过开展
于大田试验,研究极端气候条件下的作物产量与生
物量积累,产量构成要素的变化特性等关系,对提高
旱区产量具有重要的意义。
燕麦(Avena sativa L.)是目前最具潜力的成为新
一代主粮的栽培作物,可在多种土壤条件下种
植[33]。 它具有抗旱、耐寒、耐脊的特性[34],特别适宜
于西北干旱、高寒、贫瘠的黄土丘陵沟壑区[35]。 在
黄土高原半干旱冷凉地区,昼夜温差大、土壤质地偏
砂,非常适合于燕麦生产。 裸燕麦的蛋白质和脂肪
含量分别高达 15% 和 8.5%,分别是面粉和大米的 2
倍和 4—7倍。 由于燕麦脂肪中的主要成份是不饱
和脂肪酸, 其中具有降脂功效的亚油酸又占
38郾 1%—52%,高居九种主要粮食作物之首[36鄄37],因
此它又是不可多得的功能保健食品[38鄄40],具有广阔
的市场潜力。 另一方面,它既有野生性又有栽培性,
粮草兼顾,有利于退耕还草,改善种植结构和生态环
境,促进农牧业可持续发展。 在全球气候变化下,黄
土高原生态问题和粮食问题日趋突出,燕麦作物具
有重要的应用价值。
目前极端气候对农业生态系统的影响研究主要
集中在气候变暖导致高温天气[41鄄42]、暴雨事件[43]、
洪涝、低温霜冻等方面[44鄄45],且主要在大的时间和区
域尺度上,对农田尺度上降雨格局发生改变导致极
端干旱情景下的相关研究比较少见。 垄沟覆盖技术
作为一项重要的应对全球变化的耕作技术和应对措
施,那么在应对极端气候情景有何种效果? 降水、土
壤水和作物水的转化效率如何? 对土壤干层现象是
正协同还是负协同效应? 田间水分生产力和作物产
量形成规律如何? 对这些问题的回答首先必须建立
在垄沟覆膜系统土壤水文过程和水生产力的基础研
究上。 本研究以燕麦为材料,以平地栽培充分供水
为对照组,设置平地旱作栽培、垄沟无覆膜栽培、垄
沟覆膜栽培和平地无栽培等 4 个处理组,通过探索
极端气候背景下作物生长和水生态过程,探寻垄沟
覆膜微集雨栽培技术区域适应性特征,为旱区农业
和水资源可持续管理提供科学依据和技术支撑。
1摇 材料和方法
1.1摇 研究区概况
大田试验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站(104毅37忆E,35毅35忆N)
进行。 试验站海拔为 1896.7 m,地处欧亚大陆腹地,
是我国干旱气候区和半湿润气候区的重要气候过渡
带。 它既是气候变化的敏感区,又是生态环境比较
脆弱的地带。 其特点是光能较多,但雨热不同季,
降水少且主要集中在 7—10 月,占年降水量的
86郾 9%。 该地区气候干燥,年日照时间为 2433 h,年
平均气温 6.7 益,多年平均降水量为 381.7 mm,年蒸
发量 1531 mm,平均无霜期 140 d,气候特点在黄土
高原雨养农业区具有广泛的代表性和典型性。 另
外,该地区水土流失严重,生产力水平较低,土壤肥
9571摇 7期 摇 摇 摇 周宏摇 等:极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 摇
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力中等,表层土壤为重壤土,地下水埋深大于 40 m,1
m深土壤剖面平均容重为 1.38 g / cm3。 pH 值 8. 36,
表层 0—40 cm 平均土壤有机质 11. 01 g / kg,全氮
0郾 73 g / kg,全磷 1.77 g / kg,田间持水量的质量含水
量为 25.6%,凋萎系数为 6.7%。
1.2摇 试验设计
试验共设 5 个处理组,其中种植处理 4 个,1 个
裸地无种植:
1)对照组(CK),平地种植充分供水。
2) 垄沟无覆膜种植(RF), 垄沟比 40 cm 颐 40
cm,无灌溉处理。
3)垄沟覆膜种植(RFM),垄沟比 40 cm 颐40 cm,
无灌溉处理。
4)传统平地种植(FP),无灌溉处理。
5)裸地(BF),无种植无灌溉处理。
充分供水具体方法是在燕麦的苗期、分蘖期、拔
节期、孕穗期、灌浆期分别进行充分灌溉,灌水的下
线指标为田间持水量的 65%,这个值一般是高于凋
萎系数,便于被植物所吸收。 为降低大气蒸发而产
生的水分损失,灌水选择在傍晚进行均匀的喷灌。
在每次灌水前通过土钻取土、烘箱烘干法测定灌水
前的土壤质量含水量,然后根据以下表达式确定具
体灌水量
M= 36rH(兹max-兹0)
1
r水
(1)
式中,M 为灌水量(m3);r 为以 20 cm 梯度,100 cm
内不同剖面土壤容( g / m3 );H 为计划湿润层深度
(cm),依据作物的根系生长繁殖,每个生育期采取
不同的湿润层(苗期 20 cm;分蘖期 40 cm,拔节期 60
cm,抽穗期 80 cm,灌浆期 80 cm);兹 max 为灌水量下
线(%);兹0灌水前土壤含水量(%);r水为水容重(kg /
m3)。 试验区域不考虑地下水补给对灌溉的影响。
所有垄沟栽培模式的设计垄宽 40 cm,垄高 20
cm,具体如图 1和图 2所表示。
图 1摇 垄沟无覆盖种植
Fig.1摇 The ridge and furrow without mulching planting
以燕麦“坝莜 3 号冶为材料,地膜材质为白色聚
图 2摇 垄沟地膜覆盖种植
Fig.2摇 The ridge and furrow with film mulching planting
乙烯,小区面积为 22 m2,且每个小区的播种密度相
同。 播前将试验小区耕作层土壤进行 30 cm 深翻
耕,同时施入底肥尿素 270 kg / hm2,硫酸钾 105 kg /
hm2,过磷酸钙 750 kg / hm2,每个处理设置 3 个重复,
按随机因子裂区排列。
1.3摇 测定的项目与方法
1.3.1摇 土壤水分
土壤水分采用烘干法测定。 播种前和收获后取
样深度为 140 cm,以 20 cm 为梯度进行采样测定。
生育期间取样深度为 100 cm,同样采用 20 cm 为梯
度进行采样,用土钻取样铝盒封装带回实验室测定,
用烘箱在 105 益温度下烘至恒重(约 8 h),然后计算
土壤重量含水量。 其中,土壤贮水量、土壤贮水量变
化及耗水量的计算公式为:
土壤贮水量=土层厚度伊土壤含水量伊土壤容重 (2)
土壤贮水量变化 =收获时土壤贮水量-播种时土壤
贮水量 (3)
耗水量=生育期总有效降雨量+(播种时土壤贮水量
-收获时土壤贮水量) (4)
式中,土层厚度为(mm);土壤含水率为(%);土壤容
重为(g / m3);降雨量与土壤贮水量单位一致,均为
(mm)。
WUE=Y / SWC (5)
式中,WUE为土壤水生产力(kg·hm-2·mm-1);Y为籽
粒产量(kg / hm2);SWC为土壤耗水量(mm)。
WP=Y / P (6)
式中,WP为大气降水生产力(kg·hm-2·mm-1);P 为
生育期的有效降雨量(mm)。
1.3.2摇 出苗率
播种后定期观察出苗并记录,出苗以第 1 片叶
伸出叶鞘 2 cm 为准,直至燕麦达到生物学性状“三
叶一心冶前,以最后一次观察结果为准,统计出实际
出苗数,最后根据 3次重复计算实际出苗率。
出苗率(%)=实际出苗数 /实际播种数量伊100%
1.3.3摇 干物质
分别在燕麦的苗期、拔节期、分蘖期、孕穗期、灌
0671 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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浆期、每个小区随机选取 10 株,带回室内晾干除去
根部,包装后放在 105 益的恒温箱内烘 30 min杀青,
然后将温度调至到 80 益,继续烘干至恒重测定干
重。 对于成熟期地上干物质的测定,人工在每个小
区随机收取 1 m2,除去地下根部,保留完整的地上部
分。 首先在自然条件下风干除去一定的水分,然后
用烘箱在 80 益恒温烘干至恒重。 各小区单独称取
重量,依据小区的面积折合为公顷数。
1.3.4摇 产量及构成因子
在燕麦成熟期,每个小区随机选取 3 m2,人工收
割,晒干至恒重后脱粒,然后将脱粒后的籽粒在自然
条件下风干除去杂物,考种办法同生物量测定方法
一致。 计算 3 次重复产量的平均值,最后折合为公
顷数。 对于产量构成要素测定,每个小区随机取 10
株带回室内进行考种,测定分蘖数、穗粒数、穗粒重
和千粒重等指标。
1.4摇 数据的统计与分析
实验数据采用 Excel 2010 进行数据的基础整
理,并用 Origin 8.0 软件作图,所有数据的显著性、误
差分析由 SPSS 17.0 软件处理得到,而处理之间的各
项指标均由单因素 SLD分析、比较,显著性水平设定
为 琢= 0.05,各图表中的数据均为平均值。
2摇 结果与分析
2.1摇 研究地点降雨分析及极端气候界定
按联合国环境规划署对极端气候界定标准,某
一时段降水量距平百分量-20%—-39%定为干旱,
-40%—-59%为大旱,臆-60%为重早[46]。 因此本
文将 60%定义为极值点来判断干旱作为极端气候的
标准。 在本研究的试验点,2010年和 2011 年的降雨
量均显著低于过去 30a 的平均值,尤其是 2011 年,
总降雨量仅为多年均值的 22.58%,且在作物的 3 个
生长繁殖阶段:建苗期、生殖繁育、营养繁殖都发生
了严重的干旱,在拔节期更为凸显,降雨量仅仅为
2郾 6 mm,而多年的均值为 55.6 mm。 2010 年降雨量
尽管比 2011年高,但是在生殖繁殖后期和营养繁殖
前期,发生了极端干旱现象,降雨量仅为 16.0 mm,仅
占全生育期的 7.62%,与多年均值 83.6 mm 相比,具
有显著性的差异(表 1)。 虽然两年发生极端干旱的
时间段有所不同,且以小于距平值的 60%为判断标
准,将 2011年界定为全生育期持续极端干旱,简称
为全生育期极端干旱年份;2010 年界定为生育中后
期阶段性极端干旱,简称为阶段性极端干旱。
表 1摇 2010—2011年全生育期降雨量分布极其极端干旱的发生时段
Table 1摇 Rainfall distribution in growing season and the time during extreme droughts in the 2010 and 2011
年份
Year
总降雨
Rainfall
/ mm
统计指标
Statistical index
建苗
Seeding
formation
播种鄄苗期
Sowing鄄
seeding
生殖繁殖
Generative reproduction
苗期鄄分蘖
Seeding鄄
tillering
分蘖鄄拔节
Tillering鄄
jointing
拔节鄄抽穗
Jointing鄄
heading
营养繁殖
Vegetative reproduction
抽穗鄄灌浆
Heading鄄
filling
灌浆鄄成熟
Filling鄄
maturity
2010 209.9 分布时间段 / (月鄄日) 4鄄8—5鄄17 5鄄17—5鄄29 5鄄29—6鄄15 6鄄15—7鄄1 7鄄1—7鄄15 7鄄15—8鄄15
降雨 / mm 40.8 42 20.6 33 16 57.4
分布比例 / % 19.44 20.01 9.81 15.72 7.62 27.35
距平值 / mm 16.7 -4.5 -35 -39.2 -67.6 10.7
距平比例 / % 69.29 -9.68 -62.95 -54.29 -80.86 22.91
是否<-60% 未达极值 未达极值 破极值 接近极值 破极值 未达极值
2011 74.2 分布时间段 / (月鄄日) 4鄄10—6鄄10 6鄄10—6鄄23 6鄄23—7鄄10 7鄄10—7鄄25 7鄄25—8鄄12 8鄄12—9鄄11
降雨 / mm 16.9 9.3 2.6 9.5 13.5 20.5
分布比例 / % 22.78 12.53 3.50 12.80 18.19 27.63
距平值 / mm -7.2 -37.2 -53 -62.7 -70.1 -26.2
距平比例 / % -29.88 -80.00 -95.32 -86.84 -83.85 -56.10
是否<-60% 未达极值 破极值 破极值 破极值 破极值 接近极值
过去 30a 328.6 分布时间段 / (月鄄日) 4鄄5—5鄄15 5鄄15—5鄄30 5鄄30—6鄄15 6鄄15—7鄄0 7鄄0—15 7鄄15—8鄄15
Over the 降雨 / mm 24.1 46.5 55.6 72.2 83.6 46.7
past 30a 分布比例 / % 7.33 14.15 16.92 21.97 25.44 14.21
1671摇 7期 摇 摇 摇 周宏摇 等:极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 摇
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2.2摇 垄沟栽培模式对出苗的影响
种子出苗率低、出苗均匀度差,最终都会直接导
致作物产量下降。 通过分析发现 2010 年和 2011 两
年各处理之间出苗率出现显著(P<0.05)的差异。 极
端性极端干旱的 2010 年,处理 RFM 较 CK 提高了
17.03%,RF、FP 较 CK 分别降低了 11.28%、3.71%。
全生育期极端干旱的 2011 年,各处理的出苗率受到
了严重的影响,但总体趋势仍然和 2010 年相似,表
现为 RFM>RF>FP,与 CK相比,处理 RFM、RF,FP 的
出苗率分别降低了 76.46%、89.52%、89.67%(图 3)。
在两个极端气候年份下,2010 年由于其极端干旱发
生在生育后期,出苗率并没有受到太大影响,而 2011
年全生育期的极端干旱使播前土壤储水和建苗阶段
土壤的供水量受到了严重的亏缺,导致出苗率严重
降低。 但是垄沟覆膜栽培其特有的集雨、增温效应,
出苗率仍达到了 15%,较 RF,FP 相比,其提高了
55郾 4%、56.1%,RF与 FP 之间没有显著差异。
图 3摇 不同处理燕麦出苗率
Fig.3摇 The germination rate of oat under different treatments
不同字母表示不同处理间达到 0.05水平显著差异(P<0.05)
2.3摇 垄沟栽培对全生育期生物量变化的影响
两个极端气候类型下,地上生物量积累随生育
期动态变化规律出现了较大差异。 生育后期极端干
旱的 2010年各处理变化表明:处理 FP、RF从分蘖期
干重一直处于上升阶段,随后逐渐开始下降,到播种
后 90 d左右停止变化,趋于稳定,呈现单峰型变化。
处理 RFM达到稳定的时间相对于滞后几天。 收获
期 RFM、RF、FP 单株干物质分别为 3.61、2.65 g、2.82
g,比对照依次降低了 21.22%、42.01%、38郾 29%,但
是处理 RFM 显著高于 RF、 FP,分别比其提高了
26郾 59%、21.88%。 且从全生育期地上干物质变化可
以看到,处理 RFM 达到峰值所需要时间较长,为后
期光合有效物质积累从茎向籽粒的转移提供了可能
(图 4)。 对照 CK由于后期土壤水分充足,生物量没
有出现明显的拐点。 全生育期极端干旱的 2011 年,
处理 RFM生物量收获期其单株地上干物质达到了
28.36 g,较处理 CK、RF、FP 分别提高了 83. 83%、
64郾 17%、68.97%,且干重出现峰值的时间都滞后于
2010年各处理,而处理 RF、FP 由于水分亏缺导致的
干旱胁迫,没有出现峰值(图 4)。 2011 年全生育期
水分亏缺也导致了繁殖分配尽可能向单株生物量积
累转移,提高光合积累向营养器官分配的比例,获取
较高的籽粒产量。 从两年生物量的变化可以看到,
在生育前期,充分灌溉处理的生物量积累均高于其
它处理,且处理 FP、RF 在 95 d 之前 2010 年生长优
势优于 2011 年,但 2011 年生育后期各处理表现出
了较好的补偿效应,而较处理 RF、FP,RFM 对生物
量补偿较提前了 10 d左右时间。
2.4摇 垄沟栽培对燕麦产量构成因子的影响
产量高低最终决定于各个产量构成因子表现和
贡献率,阶段性干旱的 2010 年,各处理除去分蘖数
外,总体表现出如下趋势:处理 RFM 较处理组 FP、
RF有显著性差异,较对照 CK 无显著性有差异。 而
RFM、RF、CK的穗铃数、单株粒数、单株粒重、千粒重
均比 FP 提高了 23. 5%、 1. 7%、 27. 2%、 - 4. 7%;
-5.3%、-23.6%、0、 - 4郾 1%; 25. 5%、1. 5%、36. 3%、
4郾 1%。 处理 RF 比对照 CK 依次降低了 5. 3%、
23郾 6%、0、4.1%。 分蘖数各处理之间没有显著性差
异,这可能与播前土壤贮水相对较好,而处理 CK 由
于全生育期进行了充分灌溉,有效分蘖数较其它处
理之间表现出了差异。 2011年全生育期极端干旱的
背景下,处理 RFM 的优势进一步凸显,以上 4 项产
量构成因子分别比 FP 提高了 58. 9%、 130. 6%、
475%、5. 1%;比 RF 分别提高了 - 9. 4%、 6. 4%、
50郾 0%、2.6%。 而 2011 年处理 RFM 的分蘖数和有
效分蘖数较 CK、RF、FP 有显著性差异,而处理 RF、
FP 与 CK之间同样存在显著性差异(表 2)。 就两年
处理 RFM表现出现的优势而言,2011年在水分限制
因子极端的调控下,尤其是单株粒数、单株粒重两项
产量构成因子较 2010年分别提高了 0.6 倍、5.1 倍。
这也可能是 2011年出苗率极低的情况下,处理 RFM
产量与对照组相比没有受到太大影响的原因。
2671 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 4摇 不同处理燕麦单株地上生物量随生育期的动态变化
Fig.4摇 The dynamic of biomass per plant under different treatments during oat different growing season
摇 摇 在阶段性干旱的 2010 年,所有处理的产量和生
物量均高于全生育期极端干旱 2011 年,CK 地上生
物量积累均显著高于 2010、2011 年各处理,这得益
于它全生育期土壤水分的充足供应。 产量除 2010
年处理 RFM外,两年其它各处理均低于 CK(表 2),
且处理 RFM 产量为 1833. 5 kg / hm2,较 CK 提高
4郾 6%。 阶段性干旱的 2010年 RFM 处理较 CK 收获
指数并没有显著提高,而全生育期极端干旱的 2011
较 CK 显著提高了 55郾 6%。 全生育期极端干旱的
2011年,处理 RFM的产量依然达到了 1360 kg / hm2,
而 RF这种栽培模式在极端干旱年份相对于传统的
耕作模式了反倒是限制了产量构成要素的增长。 收
获期地上生物量 CK 均显著高于两年各处理,2011
年各处理生物量均显著低于 2010 年各处理,但是在
全生育期极端干的 2011 年处理 RFM 显著的高于处
理 RF、FP。 尽管生物量降低了,但产量并没有相应
的大幅降低,这可能是覆膜垄沟栽培将有限的土壤
水分用于增加产量构成因子。
表 2摇 不同处理对燕麦产量及产量构成因子的影响
Table 2摇 The effect of different treatments on oat yield and yield components
处理
Treatment
年份
Year
分蘖数
Tiller
number
有效分蘖数
Available
tillers
number
穗铃数
Spikelet
numbers
单穗粒数
Grain
number
per spike
单穗粒重
Grain
weight
per spike
/ g
千粒重
Thousand
seed
weight
/ g
地上生物量
Above鄄
ground
biomass
/ (kg / hm2)
产量
Yield
/ (kg / hm2)
收获指数
Harvest
index
增加
产量
Increase
yield
/ %
CK 2010 2.10a 1.23a 47.6a 101.2a 1.60a 15.9ac 22090.0a 1752.9a 0.08 0
FP 2010 2.40a 1.00a 35.3b 99.5a 1.1b 14.6b 11271.3b 1258.4b 0.11 -28.2
2011 5.53b 2.00b 38.2b 72.1b 1.6a 15.5a 972.0c 426.1c 0.44 -75.6
RF 2010 1.63a 1.33a 33.4b 76.0b 1.1b 14.0b 10267.9b 1155.6b 0.11 -34.1
2011 5.33b 2.63b 34.6b 76.7b 2.4c 15.9a 1143.4c 446.2c 0.39 -74.6
RFM 2010 1.90a 1.00a 44.3a 101.0a 1.5a 15.2a 15339.8d 1833.5d 0.12 4.6
2011 8.87c 5.47d 60.7d 166.3c 9.2d 16.3c 7197.7e 1360.6e 0.18 -22.4
摇 摇 同一列中不同字母表示不同处理间达到 0.05水平显著差异(P < 0.05)
3671摇 7期 摇 摇 摇 周宏摇 等:极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 摇
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2.5摇 垄沟栽培对收获期土壤水分变化影响
收获期土壤含水量反映了作物在全生育期对土
壤各剖面水分摄取状况,在两个极端干旱类型年份,
剖面含水量基本以 40—60 cm为拐点,从 0—140 cm
土壤水分的变化呈“V冶形变化趋势,2010、2011 年处
理组 RFM、RF、 FP 、BF 0—60 cm耕作层土壤含水量
分别为 21.8%、16.7%、11.5%、16.3%;14.1%、14.9%、
14.7%、16.4%;CK为 14.65%。 且土壤水分最低值发
生在 40—60 cm 剖面内,通过试验也发现该层形成
了土壤干层,而处理 BF 表层含水量基本一致。 60
cm 以下土壤含水量逐渐回升,两年 80—140 cm
RFM、RF、 FP 、BF 处理组的含水量分别为 13.5%、
15.2%、14.4%、16.8%;13.2%、14.4%、13.5%、14.0%,
CK为 14.3%,可以发现,处理 RFM 含水量最低,这
可能是覆膜处理作物生长优势通过蒸腾作用对表层
水分消耗的同时,发达的根系会进一步将深层
土壤水向上运输,以供给作物各个阶段对水分的需
求。 处理 BF水分消耗主要是蒸发损失,因此含水量
相对高于其它处理,2010 年整个 0—140 cm 剖面基
本维持在 15%左右(图 5),几乎成直线型变化,2011
年 BF下层含水量低于 RF、CK,高于 RFM、FP,仍然
遵循 V型趋势,但拐点发生在 80 cm 左右处。 且两
年的研究表明,120 cm以下剖面土壤水分,几乎不受
耕作的影响,两年处理 RFM、RF、 FP 、BF 的含水量
分别为 16.3%、17.1%、17.5%、17.1%;14.7%、15.1%、
14.7%、15.1%,且阶段性极端干旱的 2010 年要高于
全生育期极端干旱的 2011年。
图 5摇 不同处理收获期 0—140cm各剖面的土壤水分含量变化
Fig.5摇 The dynamic of soil water content with soil depth changes under different treatments during mature stage
2.6摇 垄沟栽培对全生育期土壤贮水量变化影响
在阶段性极端干旱的 2010 年,土壤贮水量在全
生育期的变化经历了 3 个主要的过程,前 40 d 略有
增加,后面持续降低,但并非直线下降,而在 70 d 左
4671 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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右水分又一次短暂的回升,这可能是在这个生育阶
段降水的补给超过作物的耗水需求,再从灌浆期到
成熟期贮水量回升阶段。 在开始阶段,处理 RFM 要
略高于 RF和 CK,随后开始下降,这与其作物生长旺
盛,对水分的高消耗有关,而在后期的恢复阶段,处
理 RFM可以更有效的将降雨转化为土壤水,贮水量
明显高于其它处理,且表现出 BF>RFM>RF>CK>FP
(图 5),进一步凸显了处理 RFM 种耕作栽培方式对
土壤水分利用的优势。 裸地由于无种植,除表层在
开始阶段受到蒸发影响外,此后水分相对稳定,基本
维持在 210 mm左右,不受作物生长对水分的主动调
控。 全生育期极端干旱的 2011 年各,各处理经历了
两个变化阶段,从开始到 90 d左右下降阶段,随后到
收获期的回升阶段,而处理 RFM 的下降一直持续到
了 100 d左右,在前 80 d要高于 BF和 FP,而在随后
的 90—100 d左右处理 FP 水分开始缓慢回升,而处
理 RF、RFM 在短暂时间内再次出现了急剧下降阶
段,从开始 200 mm左右直降到 135 mm(图 5),尽管
收获期水分逐步的开始恢复,但由于前一阶段对水
分的过度消耗,加之没有降雨及时的补给,导致收获
后土壤贮水量低于其它处理,有如下趋势:BF>FP>
RF> CK> RFM。 在两个极端气候类型背景下,降雨
相对较好的 2010年,各处理生育期的平均贮水量均
高于 2011年,而垄沟处理 RF、RFM在生育后期贮水
开始明显回升,2010年处理 RFM 100 d 以后贮水量
达到了 171.4 mm,较 RF、FP 分别提高了 4. 3 mm、
30郾 5 mm,2011年 RF 贮水量为 195.4 mm,较其它处
理最高。
图 6摇 不同处理下 1m内土壤剖面贮水量变化
Fig.6摇 The dynamic of stored water amount within one鄄meter soil depth under different treatments
2.7摇 垄沟栽培对作物生育期、耗水量、水分利用效
率、水生产力的影响
在阶段性极端干旱的 2010 年,处理 FP 生育期
要短于处理 RFM 约一周的时间,而充分灌溉处理
CK的生育期最长,达到了 119 d。 这与水分充足拓
宽了灌浆期长度有关,而全生育期极端干旱的 2011
年各处理的生育期相对于 2010 年平均延后了 25 d
左右(表 3)。 2010年各处理土壤耗水量为 FP>CK>
RF>RFM,处理 RFM低于其它处理,而在全生育期极
端干旱 2011 年恰好相反,处理 RFM 由于其在生物
5671摇 7期 摇 摇 摇 周宏摇 等:极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 摇
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量繁殖优势,导致了对土壤水过度消耗和利用,耗水
量最高。 2010年处理 RFM 水分利用效率较对照提
高了 22. 4%;全生育期极端干旱的 2011 年,处理
RFM水分利用效率达到了 14.1 kg·mm-1·hm-2,较对
照 CK提高了 85.5%,且比 2010 年提高了 34.2%,而
两年处理 RF 和 FP 水分利用效率分别为 5.3、5.0;
5郾 7、 5. 0 kg·mm-1·hm-2 均 显 著 低 于 CK 值
7.6 kg·mm-1·hm-2。 极端性极端干旱的 2010 年,覆
膜处理 RFM大田的水生产力显著性高于 CK,而处
理 RF、FP 显著低于 CK。 全生育期极端干旱的 2011
年,处理 RFM的水分利用效率,水生产力均显著高
于其它处理,尤其水生产力达到了 18.3 kg·mm-1·
hm-2,比对照 CK提高了 53.6%(表 3),但处理组 RF
和 FP 显著低于对照组。
表 3摇 不同处理下燕麦大田土壤耗水量、水分利用效率、水生产力比较
Table 3摇 Comparisons of water consumption, yield and water use efficiency under different treatments in an oat field
处理
Treatment
年份
Year
生育期
The whole
of growth
/ d
降雨
Rainfall
/ mm
土壤供水量
SWS
/ mm
土壤耗水量
SWC
/ mm
产量
Yield
/ (kg / hm2)
水分利用效率
WUE
/ (kg·hm-2·
mm-1)
增加水分
利用效率
Increase
WUE
/ %
水生产力
Water
productivity
/ (kg·hm-2·
mm-1)
CK 2010 119a 206.6 23.7b 230.3a 1752.9a 7.6a 0 8.5a
RF 2010 115a 206.6 10.5c 217.1ca 1155.6b 5.3b -30.3 5.6b
2011 137b 74.2 4.5a 78.7b 446.2c 5.7 b -25.0 6.0b
RFM 2010 111a 206.6 -8.4c 198.0c 1833.5d 9.3c 22.4 8.9a
2011 138b 74.2 22.2b 96.4b 1360.6e 14.1d 85.5 18.3c
FP 2010 116a 206.6 46.8a 253.4a 1258.4be 5.0b -34.2 6.1b
2011 137b 74.2 11.4c 85.6b 426.1c 5.0b -34.2 5.7b
摇 摇 同一列中不同字母表示不同处理间达到 0.05水平显著差异(P < 0.05)
3摇 讨论
垄沟覆膜集雨栽培技术大幅度提高生物量的积
累和提升作物产量,已经成为雨养农业区生产力跃
升和稳定的主要强动力[47鄄53]。 垄沟与地膜相结合耕
作模式,首先是通过增加雨水收集效率和土壤容纳
降雨的空间,进而提高作物水分利用效率,形成较好
的水分补偿效应,有效地弥补了裸露栽培水分蒸发
快、不保墒的缺陷,显著地改变了作物对极端干旱气
候的适应对策,最终影响作物的出苗、成苗和产量形
成[53鄄55]。 该技术能明显减除玉米“卡脖子旱冶现象,
通过增加穗粒数和千粒重等穗部相关系数、以及单
位面积的分蘖数而达到增产目标[56鄄61]。
土壤深层干燥化在旱作农业区是一种特殊水文
现象,其后果是形成土壤干层。 研究指出,黄土高原
旱作粮田深层土壤干燥化现象日益凸显,受植被覆
盖类型、作物种类、土壤类型和播种年限的影响,土
壤干层的变动范围存在较大的差异,且随着播种年
限增加和连续干旱的发生,土壤干燥程度会加
深[62鄄64]。 已有研究表明,以土壤水分含量低于 11%
的土层全部看作土壤干层[65]。 本研究发现两年收
获期不同剖面的水分变化主要发生在 1 m以上的土
层,除去充分灌溉,其它 3 个处理组 FP、RF 和 RFM
对 60 cm处水分的消耗最为严重,两年平均含水量
分别为 9.9%、11.0%、11.1%,低于其它各剖面,出现
了土壤干层。 在 2011 年处理 RFM 含水量最低,仅
为 9.5%,推测是由于在极端干旱与水势梯度双重作
用下,土壤水分强烈蒸发形成[66]。 但覆膜处理由于
其高效的集雨性和抑蒸性,能够快速促进表面水分
的回升,表层土壤水分高于其它处理,因此能够囤积
更多有效水分向下运输,也提高了土壤水分潜在的
恢复能力,这对连年播种可能加剧的土壤干层现象
具有一定的缓解效应。 而垄沟无覆膜处理 1 m 以下
水分受作物的生长而发生的迁移和交换影响较小,
能维持较为稳定的含水值。 平种和裸地由于其表层
蒸发高,导致了较大的下层水分波动[59],既不利于
各个土壤剖面维持水分动态平衡,也不利于极端气
候下作物的持久抗旱性。
两个极端干旱类型年份,生育期土壤贮水量呈
现出以孕穗期为分界点,前期一直降低,随后逐渐恢
复。 2010年前期垄沟覆膜处理低于其它处理,这与
生育期降雨分布均匀正常年份垄沟地膜覆盖能够提
6671 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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高土壤贮水量有差异[67鄄68],这可能是垄沟覆膜系统
增加了燕麦建苗期水分的供应,为燕麦出苗和前期
生长提供了充足水分的储备,尤其消耗了耕作层土
壤蓄水。 由于处理 RFM 产流快,减少了径流量,两
年前期土壤贮水量较高,而后期含水量低是由于作
物生物量的积累和籽粒灌浆的形成加速了水分的消
耗,实现了前期蓄水后期供水,解决了降雨导致的作
物水分供需矛盾,整个生育期 1 m 内平均贮水量比
垄沟无覆盖、平地分别提高 4.1、12.1 mm。 已有研究
表明,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 mm 和 61 mm,尽管受
到干旱抑制,提高幅度较小,但是膜垄集雨优势依然
明显,与本研究结果一致[69]。 而在全生育极端干旱
2011年孕穗期以后垄沟覆膜处理 1 m内平均贮水量
仅为 158.9 mm,较垄沟无覆盖和平种减少了 24.3、
14.3 mm,首先由于垄沟覆膜栽培体系根据群体生长
的需求对土壤水分进行了时间上的再分配,其次是
极端干旱气候条件下,垄沟覆膜在抑蒸、集雨和膜下
毛细管提“墒冶的共同作用下,以消耗深层土壤贮水
量为代价维持作物生长[70鄄72]。 垄沟覆膜处理的高耗
水也加大了后期土壤水分恢复的难度和周期。 尽管
对照组在两个极端干旱年份从苗期到灌浆期土壤贮
水量相对较高,但收获期土壤水分没有表现出回升
的趋势,因此在旱地雨养农业可持续的背景下,此种
耕作方式不利于下茬作物的生产。
土壤鄄植物鄄大气连续体是实现农田水循环的关
键[73],而土壤水是降雨转化为作物水的中间枢纽。
当极端干旱导致的水分亏缺出现在苗期时,会发生
作物物候的改变,尤其拉长出苗所需的时间,这从
2011年的苗期来看,比 2010 年平均晚了 25 d 左右,
最终导致了整个燕麦物候期的滞后。 这与研究表明
水分缺失常常使植物物候延迟,推迟时间与干旱程
度有关一致[74]。 研究指出,在生育期 230,340 mm
和 440 mm 不同的降雨条件下,通过垄沟覆膜方式播
种,玉米水分利用效率和产量分别较传统平种提高
了 77.4%,43.1%,9.5%;82.8%,43.4%,11郾 2%[75],证
明在降雨量为 230 mm的最低年份,各项指标提升的
潜力最大。 本研究表明,在极端干旱环境下,垄沟覆
膜覆盖能够进一步提高土壤水的利用效率和大田水
生产力,尤其在 2011年生育期降雨量仅为 74.2 mm,
两项指标较对照分别提高了 85.5%、115.3%,产量较
平种提高了 209.1%,与以上研究相一致。 因此垄沟
覆盖栽培系统在极端干旱年份,最大程度的满足了
作物对水分的供需分配,实现了雨水、土壤水、作物
水“三水冶的优化配置利用,从空间上拉拢了该区降
水资源与作物需水之间的错位,是应对极端干旱条
件,维持产量稳定的优势选择。
4摇 结论与展望
燕麦作为寒旱地区的优势作物,对自然环境具
有较强的适应能力,不仅有利于调节当地的农事活
动,而且由于其抗旱、耐寒的优良特性,其未来必将
有广阔的应用和推广空间[76鄄77]。 而垄沟覆膜栽培也
极大地弥补了燕麦在极端气候下的产量亏缺,尤其
在全球气候变化的背景下,其作为第三主粮的生产
潜力为解决我国高寒草地草畜供求矛盾,保护草地
资源可持续性发展和世界粮食安全做出贡献[78鄄79]。
在极端气候事件发生情况下,垄沟覆膜栽培技
术作为重要抗旱技术具有较好的适应性,尽管产量
输出和地上生物量积累受到了抑制,但可通过积极
提升生育后期土壤水分以缓解土壤干层,并采取不
同的生物量补偿和穗部优化策略来缓解极端干旱带
来的产量下降。 从时间和空间尺度上优化了作物对
水资源的供需匹配,从而提高了作物水分利用效率
和大田水生产力,提高了极端干旱背景下燕麦的抗
旱性和大田产量的稳定性,是应对极端气候变化和
提高旱区粮食安全的重要生态策略。 我们的研究旨
在为干旱区雨养农业应付极端气候提供一定的借
鉴,也拓展了垄沟覆盖栽培作为重要的抗旱技术在
更复杂环境下推广可能。 然而在极端气候的影响
下,作物地下根系的分布和分配,以及土壤养分的输
入和输出变化尚需进一步的探究,力求从土壤水分、
养分、以及作物株型指标综合解释其应对极端天气
的生产、生态过程。
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1771摇 7期 摇 摇 摇 周宏摇 等:极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 魏辅文摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
中国科学院生态环境研究中心
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