覆盖材料和沟垄比对土壤贮水量和燕麦出苗率的影响

任　祥，王　琦，张恩和，王鹤龄，刘青林

(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，甘肃 兰州　730020；3.甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州　730070)



覆盖材料和沟垄比对土壤贮水量和燕麦出苗率的影响

任祥1，王琦1，张恩和2，王鹤龄3，刘青林2

(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，甘肃 兰州730020；3.甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州730070)

摘要：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基地进行，采用完全随机设计，研究不同覆盖材料(普通地膜、生物可降解地膜和土壤结皮)和不同沟垄比(60∶30 cm、60∶45 cm和60∶60 cm)对燕麦土壤贮水量和出苗率的影响。研究结果表明，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8%，13%和15%，土壤贮水量随垄宽增加而增加。普通膜垄、可降解膜垄和土垄燕麦出苗率比平作分别提高8%，28%和33%，燕麦出苗率随垄宽增加而增加。普通膜垄、可降解膜垄和土垄的燕麦出苗期比平作分别提前1.1，3.9和5.2 d，燕麦出苗期随垄宽增加而减小。普通覆膜、可降解覆膜和土垄可有效收集地面微降雨和地表径流，提高土壤含水量及贮水量，改善土壤水分状况，缩短燕麦出苗期，提高燕麦的出苗率。

关键词：覆盖材料；沟垄比；燕麦；土壤贮水量；出苗率

甘肃省黄土高原丘陵区降水稀少且气候不稳定，是中国最贫困的地区之一。干旱、水土流失和土壤侵蚀使该地区粮食产量系列严重影响。该地区受季风气候影响强烈，6～9月的降水量约占年降水量60%，在此期间，包括燕麦(Avenasativa)和小麦(Triticumaestivum)在内的很多作物已经错过作物关键需水期[1]。大多数降水以低强度(<5 mm)降雨为主，不能被农作物利用，而少数雷暴通常会导致巨大的水损失和土壤侵蚀[2]。随着过去40年极端降水事件的发生频率增加，该地区旱情趋势加剧。此外，一方面，地表水有限和地下水水位较低而且地下水矿物质含量较高，不利于灌溉[3]；另一方面，该地区蒸发强烈[4]，潜在蒸发量达1 531 mm。该区域春旱现象严重，降水稀少，每年2～3月降水量仅占全年降水量的3%～6%，造成该地区作物出苗难和出苗率低，甚至导致作物歉收或绝产，严重威胁当地春播生产。因此，如何提高作物出苗率成为该地区农民关心的问题。

沟垄集雨种植技术具有简单易操作、廉价、可复制、高效率和适应性强等特点[5]。沟垄集雨通常由修筑在缓坡或平地平行交错的沟垄组成，垄通常用地膜覆盖作为集雨区，沟无覆盖作为种植区，其方法是半干旱地区最有效的集雨应用技术。一方面，沟垄集雨种植提高降水利用效率，而且可以增加低强度雨的最大利用[6]；另一方面，垄上收集径流和沟内收集雨水叠加促进种植区深层土壤水分入渗[7]，利于贮存降雨和作物对水分的吸收和利用[8]。沟垄集雨种植技术改善土壤贮水量，有利于提高作物出苗率，为作物后期丰产丰收奠定良好基础。但是，普通地膜覆盖不仅可以导致环境问题(白色污染)，而且不利于春耕和作物生长。生物可降解膜不仅具有与普通地膜相同的集雨效果，而且生物可降解地膜还具有透气、透水和易降解等特点，随着绿色农业的发展，生物可降解地膜在农业生产受到关注。

燕麦为禾本科燕麦属一年生草本植物，是粮草兼用型作物[11]。燕麦作为牧草饲料，其粗蛋白、粗脂肪和无氮浸出物等含量较高，难以消化的纤维较低，动物生长所需营养物质含量丰富，既可以加工成燕麦青(干)草、青贮燕麦和燕麦籽等精饲料，而且收获籽实后的干草又是牲畜的优良粗饲料[12]。燕麦相对其他粮食作物，营养价值和经济价值较高，加工形式多样[13]。近年来，燕麦一直作为人类主要的早餐和农场动物的重要饲料，由于比小麦具有更长生长期和更高的干旱耐受性，燕麦在该地区已被广泛种植。

国内外关于沟垄集雨种植的研究多集中于马铃薯和玉米等穴播作物[14，15]，对于燕麦等条播类作物研究较少，且覆盖材料研究多偏重于普通地膜[16，17]，生物可降解膜在沟垄集雨系统的应用较少。通过研究不同覆盖材料和不同沟垄比(沟宽为定值)对半干旱区燕麦土壤贮水量和出苗率的影响，为半干旱区沟垄集雨种植燕麦提供一定的理论依据。

1材料和方法

1.1试验地概况

试验于2012年3月20～8月15日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1 896.7 m。基地处于黄土高原西部丘陵区，属半干旱区，光能较多，热量资源不足，雨热同季，气候干燥，属典型温带大陆性季风气候。≥0℃年积温2 933.5℃，≥10℃年积温2 239.1℃。年平均日照时数2 433 h，年平均气温6.7℃，年平均降水量383.8 mm。降水较少，且不规律，5～10月降水占全年降水量的86.9%；蒸发强烈，年潜在蒸发量1 531 mm，是年均降水量的4.0倍；无霜期140 d。试验地地势平坦，表层土壤为重壤土，田间持水量为25.6%，凋萎系数为6.7%。试验区0～20 cm土层土壤全氮平均含量为0.90 g/kg，全磷1.65 g/kg、全钾23.59 g/kg和有机质11.76 g/kg；碱解氮54.3 mg/kg、速效磷14.8 mg kg，速效钾245 mg/kg。当地种植制度为一年1熟，主要种植农作物有春小麦、玉米(Zeamays)、马铃薯(Solanumtuberosum)等粮食作物和胡麻(Sesamumindicum)等经济作物，主要种植牧草有紫花苜蓿(Medicagosativa)和红豆草(Onobrychisviciaefolia)。

1.2试验设计

试验以裸燕麦‘坝莜8号’为指示作物，采用田间沟垄覆盖集雨种植设计，垄覆盖不同材料，作为集雨区，沟不进行覆盖，作为种植区，小区随机排列，共设10个处理(3个沟垄比×3个覆盖材料+1平作)，重复3次。3个垄覆盖材料分别为普通塑料地膜、生物可降解地膜和土壤结皮，3个沟垄比分别为60 cm∶30 cm、60 cm∶45 cm和60 cm∶60 cm(沟宽∶垄宽),平作无覆盖作为对照。普通地膜垄、生物可降解地膜垄和土垄代表符号为CMR、BMR和SR。CMR30、CMR45和CMR60(BMR30、BMR45和BMR60或SR30、SR45和SR60)的垄宽分别为30、45和60 cm。根据当地马铃薯和玉米等沟垄集雨的种植经验，垄坡约为40°，垄高为25 cm，垄沿等高线修筑，垄长10 m(图1)。地膜购于石家庄市开发区永盛塑料制品有限公司，厚度为0.008 mm，宽度为1.2 m 和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改性淀粉，淀粉来源于玉米秸秆和其他可再利用原材料，厚度为0.008 mm，宽度为1.4 m；土垄为人工原土夯实，经过风吹雨打形成自然土壤结皮。

1.3田间管理

2012年试验前试验地连续种植5年马铃薯，2011年马铃薯收获后，对试验地分别进行翻地和耱地各1次。在燕麦播种前20 d(2012年3月20日)进行整地、划分小区、起垄和覆膜。根据当地施肥经验，过磷酸钙(420 kg/hm2)和尿素(220 kg/hm2)作为基肥，播种前(2012年4月9日)将2种肥料混合撒在土壤表面，然后翻入土壤，施肥深度20～30 cm。2012年4月10日条播播种燕麦。对沟垄集雨种植处理，每1试验小区3条沟和4条垄，每条沟面积为10 m×0.6 m，每个试验小区的播种面积(3条沟3 m×6 m)和播种密度(135 kg/hm2)相同，播种深度为2～3 cm，行距为20 cm，每条沟种植3行燕麦，每个试验小区种植9行燕麦；对平作处理，小区不留集雨区，种植面积为10 m×3.6 m，播种密度、播种深度和播种行距与沟垄集雨种植的种植区(沟)相同，每个小区种植18行燕麦。燕麦整个生育期不追肥和不灌溉。采用人工除草，禁止踩踏集雨区(垄)和破坏垄覆盖材料，除草时间分别为2012年5月10日、6月15日和7月23日。

图1　燕麦种植Fig.1　Schematic diagram of naked oat planting

1.4样品采集及测定

于燕麦播种后1 d用土钻在沟内取土，采用烘干法(105℃，10 h)测定土壤含水量，测定深度140 cm，按0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100，100～120，120～140 cm分层，每个小区取3钻土样，同一层次3个土样混合均匀。

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：

W=θ×BD×H×10

(1)

式中：W为土壤贮水量，θ为土壤质量含水量(%)，BD为土壤容量(g/cm3)，H为土壤厚度(cm)，10为系数。

在每个小区随机选取3个60 cm×60 cm 调查样方，燕麦播种后8 d，当出苗率达到稳定值时开始测定出苗数目，测定间隔为3 d，共测定5次，计算5次出苗数的平均值。幼苗出土后两片子叶平展时作为燕麦的出苗标准，当田间50%植株达到出苗标准的日期为出苗期。

1.5数据分析

数据采用Excel 2010和SPSS19.0软件进行相关性分析和方差分析；方差分析多重比较用Duncan法(P<0.05)。各图表中数据均为平均值。

2结果与分析

2.1覆盖材料和沟垄比对土壤贮水量的影响

在土垄种植中，沟垄比对土壤贮水量影响差异不显著；在生物可降解膜垄种植中，BMR60的土壤贮水量显著高于BMR45和BMR30，BMR45与BMR30之间土壤贮水量差异不显著；在普通膜垄种植中，CMR60的土壤贮水量显著高于CMR30和CMR45，CMR30与CMR45之间土壤贮水量相差不显著。从总体情况分析，燕麦土壤贮水量随沟垄比的减小而增加。CMR和BMR的土壤贮水量显著高于SR，SR的土壤贮水量显著高于TP，CMR与BMR之间土壤贮水量相差不显著。燕麦土壤贮水量的排列次序为：CMR>BMR>SR>TP(图2)。SR，BMR和CMR燕麦土壤贮水量比TP分别提高8%，13%和15%。

图2　覆盖材料和沟垄比处理下的燕麦土壤贮水量Fig.2　Effects of mulching material and ratio of furrows to ridges on soil water storage of oat

2.2覆盖材料和沟垄比对燕麦出苗率的影响

在土垄种植中，沟垄比对燕麦出苗率影响不显著，在生物可降解膜垄和普通膜垄种植中，BMR60(CMR60)的燕麦出苗率显著高于BMR30(CMR30)，BMR30(CMR30)和BMR60(CMR60)与BMR45(CMR45)之间燕麦出苗率相差不显著。燕麦出苗率随沟垄比的减小而增加。CMR和BMR燕麦出苗率显著高于SR和TP，CMR与BMR、SR与TP之间相差不显著。燕麦出苗率排列次序为：CMR>BMR>SR>TP(图3)。SR、BMR和CMR的燕麦出苗率比TP分别提高8%、28%和33%。同期研究结果表明，SR，BMR和CMR的平均集雨效率分别为32.0%、90.7% 和96.4%，SR，BMR和CMR有较高的集雨效率，从而增加种植带沟中土壤水分，有利于燕麦种子萌发和燕麦出苗，为提高牧草产量和质量奠定良好基础。

图3　覆盖材料和沟垄比处理下的燕麦出苗率Fig.3　Effects of mulching material and ratio of furrows to ridges on rate of emergency of oat

2.3覆盖材料和沟垄比对燕麦出苗期的影响

在土垄种植中，SR30燕麦出苗期显著高于SR45，SR30和SR45与SR60之间燕麦出苗期相差不显著。生物可降解膜垄和普通膜垄种植中，BMR30(CMR30)燕麦出苗期显著高于BMR45(CMR45)和(CMR60)，BMR45(CMR45)与BMR60(CMR60)之间燕麦出苗期相差不显著。燕麦出苗期随沟垄比的减小而减小。TP燕麦出苗期显著高于SR，SR燕麦出苗期显著高于CMR和BMR，CMR与BMR之间燕麦出苗期相差不显著。燕麦出苗期排列次序为：TP>SR>BMR>CMR。SR，BMR和CMR的燕麦出苗期比TP分别提前1.1、3.9和5.2 d(图4)。

图4　覆盖材料和沟垄比处理下的燕麦出苗期Fig.4　Effects of mulching material and ratio of furrows to ridges on period of emergence of oat

2.4出苗率和土壤贮水量的相关性分析

试验对燕麦出苗率与土壤贮水量进行相关性分析，得到燕麦出苗率与土壤贮水量的相关性系数为r=0.813(P<0.01)，表明燕麦土壤贮水量越高，出苗率越好，燕麦播种前期良好的贮水量有利于燕麦出苗(图5)。沟垄集雨技术使燕麦出苗期提前，有利于提高燕麦出苗率，从而促进燕麦后期生长，为作物高产和增产奠定良好基础。

图5　出苗率和土壤贮水量相关性分析Fig.5　The correlation between emergence rate and soil water storage

3讨论与结论

土壤含水量是限制作物生长的重要因素，尤其在降水量稀少和降水分配不均匀的干旱和半干旱地区。最大限度的增加土壤含水量和减少土壤水分蒸发对半干旱地区农业的可持续发展具有重要意义。沟垄集雨种植作为重要节水措施，可有效抑制土壤水分蒸发，增加种植区土壤含水量，进而改善农田的水分状况。李荣等[18]研究结果表明，在玉米生长前期，沟垄集雨种植处理可明显提高土壤贮水量。梁美英等[19]研究结果表明，可降解地膜和普通地膜具有显著的保水作用。试验结果表明，普通膜垄和可降解膜垄的土壤贮水量显著高于土垄，土垄的土壤贮水量显著高于平作，普通膜垄与可降解膜垄之间土壤贮水量相差不显著。土垄、可降解膜垄和普通膜垄的燕麦土壤贮水量比平作分别提高8%，13%和15%。沟垄集雨种植收集垄上降雨，提高沟内土壤水分，而且垄覆膜和土壤结皮减少垄上土壤水分蒸发，进而提高种植区土壤贮水量；生物可降解膜垄和普通膜垄的收集雨水效果和抑制土壤蒸发效果好于土垄，生物可降解膜垄和普通膜垄土壤贮水量显著高于土垄。

燕麦出苗期和出苗率决定燕麦后期生长状况和产量高低，土壤水分和土壤温度是燕麦出苗期和出苗率的决定因素。甘肃省黄土高原丘陵半干旱区春季降水较少，春旱现象严重，经常导致作物出苗率低和出苗效果较差。沟垄集雨种植对于提高种植区土壤水分和土壤温度具有较好效果，可以缩短燕麦出苗期，提高燕麦出苗率。尹国丽等[20]研究结果表明，覆膜垄处理的出苗率比平作提高6.1 %，土垄处理出苗率比平作降低4.7 %。马树庆等[21]研究结果表明，耕层土壤湿度越大，玉米出苗越快，出苗率越高。结果表明，土垄、可降解膜垄和普通膜垄的燕麦出苗率比平作分别提高8%，28%和33%，土垄、可降解膜垄和普通膜垄的燕麦出苗期比平作分别缩短1.1，3.9和5.2 d。沟垄集雨种植收集垄上和沟中雨水，提高种植区土壤水分，垄覆膜减少土壤水分蒸发和提高土壤温度，有利于燕麦出苗。

参考文献：

[1]Qin S H,Zhang J L,Dai H L,etal.Effect of ridge-furrow and plastic-mulching planting patterns on yield formation and water movement of potato in a semi-arid area[J].Agric Water Manage,2014,131：87-94.

[2]顾贺.地面不同垄沟形式对土壤水分的影响[J].草原与草坪,2012,33(5):1-6.

[3]Li X Y,Gong J D.Effect of different ridge:furrow ratios and supplement irrigation on crop production in ridge and furrow rainfall harvesting system with mulches[J].Agric Water Manage,2002b,54：243-254.

[4]霍海丽,王琦,张恩和,等.沟垄集雨对紫花苜蓿和裸燕麦出苗及土壤贮水量的影响[J].草原与草坪,2012,32(6):1-5.

[5]王俊鹏,韩清芳,王龙昌,等.宁南半干旱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.

[6]李青峰,杜文华.陇东旱塬区不同宽度垄沟集雨种植对玉米营养生长的影响[J].草原与草坪,2013,3(4):54-56.

[7]Li X Y,Gong J D.Effect of different ridge:Furrow ratios and supplemental irrigation on crop production in ridge and furrow rainfall harvesting system with mulches[J].Agricultural Water Management,2002,54(3):243-254.

[8]任小龙,贾志宽,韩娟,等.半干旱区模拟降雨下沟垄集雨种植对夏玉米生产影响[J].农业工程学报,2007(10)：45-50．

[9]刘晓英,李玉中,李巧珍,等.田间集雨对冬小麦生理、生长和产量的影响[J].农业工程学报,2006,22(9):64-69.

[10]高宗军,李美,高兴祥,等.不同耕作方式对冬小麦田杂草群落的影响[J].草业学报,2011,21(1)：15-21.

[11]赵桂琴,师尚礼．青藏高原饲用燕麦研究与生产现状、存在问题与对策[J]．草业科学,2004,21(11)：17-21.

[12]刘振恒,武高林,仁青草,等．发展以燕麦为支柱产业的可持续高寒草地畜牧业[J]．草业科学,2007,24(9)：67-69.

[13]胡新中.燕麦食品加工及功能特性研究进展[J]．麦类作物学报,2005,25(5) :122-124.

[14]Tian Y,Su D R,Li F M,etal.Effect of rainwater harvesting with ridge and furrow on yield of potato in semiarid areas[J].Field Crops Research,2003,84(3):385-391.

[15]Kayombo B,Hatibu N,Mahoo H F.Effect of micro-catchment rainwater harvesting on yield of maize in a semi-arid area[C].Conserving Soil and Water for Society:Sharing Solutions,2004.

[16]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):421-425.

[17]莫非,周宏,王建永,等.田间微集雨技术研究及应用[J].农业工程学报,2013,29(8):1-17.

[18]李荣,侯贤清,贾志宽,等.沟垄全覆盖种植方式对旱地玉米生长及水分利用效率的影响[J].生态学报,2013,33(7):2282-2291．

[19]梁美英,卜玉山,李伟,等.不同覆盖材料土壤水温效应与作物增产效应分析[J].中国农学通报,2011,27(9):328-335.

[20]尹国丽,贠旭疆,师尚礼,等.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.

[21]马树庆,王琪，吕厚荃,等.水分和温度对春玉米出苗速度和出苗率的影响[J].生态学报,2012,32(11):3378-3385.

Effects of ratio of furrows to ridges and mulching material on soil water storage and emergency rate of oat

REN Xiang1,WANG Qi1,ZHANG En-he2，WANG He-ling3,LIU Qing-lin2

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070,China； 2.AgronomyCollege,GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China；Key(Open)LaboratoryofAridClimaticChangingandReducingDisasterofGansuProvince，InstituteofAridMeteorology，ChinaMeteorologicalAdministration，Lanzhou730020，China)

Abstract：In order to improve soil water content and emergency rate of crops in the semiarid region in northwest China，a field experiment with a randomized complete block design was conducted in 2012 at Dingxi Arid Meteorology and Ecological Environment Experimental Station of Institute of Arid Meteorology of China Meteorological Administration.The experiment investigated the effects of different mulching materials (biodegradable

mulch film，common plastic film，no mulching (compacted soil with soil crust)) and furrow-to-ridge ratios (60 cm∶30 cm，60 cm∶45 cm and 60 cm∶60 cm) of rainfall harvesting cultivation with ridge and furrow on soil water storage and emergency rate of oat. The results showed that the soil water storage of oat under ridge covered with common plastic film (CMR),ridge covered with biodegradable mulch film (BMR) and ridge with compacted soil (SR)planting were 8%，13% and 15% higher than that of traditional planting (TP) respectively，while the emergency rate of oat under CMR，BMR and SR planting were 8%，28% and 33% higher than that of TP respectively. In most cases，soil water storage and emergency rate of oat increased with the increasing of ridge width. The period of emergence under CMR，BMR and SR planting were 1.1，3.9 and 5.2 days slower than that of TP respectively，the emergence period of oat decreased with the increasing of ridge width. CMR，BMR，SR collected light rainfall and runoff from ridges effectively，improved soil water content and soil water storage，decreased emergence period and increased emergency rate of oat.

Key words：mulching material；ratio of furrow to ridge；oat；soil water storage；emergency rate

中图分类号：S 544

文献标识码：A

文章编号：1009-5500(2016)01-0078-06

作者简介：任祥(1984-)，男，山东莱芜市人，硕士研究生。

基金项目：国家自然科学基金项目(41161090)资助

收稿日期：2015-03-27； 修回日期：2015-04-17

E-mail：renxiang20031984@163.com

王琦为通讯作者。