垄沟集雨覆盖种植对土壤水分特征及红豆草生长特性的影响

张登奎，王 琦

(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)

干旱少雨是我国西北半干旱地区主要气候特征，频繁的干旱和不规则的降雨加剧该地区土壤干化和侵蚀风险[1]。土壤干化和侵蚀导致土地生产力不可逆转的下降，进而影响我国西北半干旱地区土地利用和农业生产的可持续性[2]。因此，有效管理有限水资源和提高降水利用效率在雨养农业生产系统中至关重要。此外，全球气候变暖增加陆面蒸发损失，提高植物需水要求，加重水资源利用压力，因此，优化用水成为保障该区旱地农业发展和粮食安全生产的首要任务[3]。近年来，垄沟集雨覆盖种植作为半干旱地区一种重要的节水耕作措施，具有优化作物用水模式和控制土地退化等特点，有效保障了半干旱地区的粮食安全和可持续生产[4-5]。

垄沟集雨种植系统将降雨产生的垄面径流收集于沟中，增加沟内(种植区)土壤水分含量，有效提高作物对降水和土壤水分的利用效率[6]。目前，垄沟集雨种植系统，尤其是结合覆盖材料的垄沟集雨覆盖种植系统已广泛应用于我国旱地农业生产[7]。垄沟集雨覆盖种植系统可以减少土壤蒸发，增加降水入渗时间，从而提高种植区内土壤水分含量[8]。前人研究发现，采用垄沟集雨覆盖种植可以维持土壤水分平衡，显著增加农作物和牧草的产量及水分利用效率[9-10]。近年来，垄沟集雨覆盖种植材料多采用普通地膜[11]，普通地膜覆盖阻止近地空间与膜下土壤热量交换，使膜下土壤吸热增多，改变土壤水分动态，改善土壤生态微环境；但普通地膜作为一种聚乙烯化学材料，易产生白色污染和农田地膜残留，造成土壤通气性变差，影响作物生长发育，过度使用普通地膜会造成严重的环境问题和社会问题[12]。生物可降解地膜原材料是一类生物质材料，易被土壤微生物分解，田间应用生物降解地膜可以培肥土壤和提高作物产量，具有较好的环保效应[13]。

红豆草(Onobrychisviciifolia)是一种抗寒抗旱特性较强的多年生深根型豆科牧草，其根系强大，主根粗壮，侧根繁多并着生大量根瘤，能有效地提高土壤肥力和控制水土流失[14]。红豆草的营养价值较高，适口性较好，其饲料价值与紫花苜蓿类似，是较佳的饲料牧草作物之一[15]。与其他豆科牧草相比，红豆草在各个生育阶段均含较高的浓缩单宁，可沉淀在瘤胃中形成大量持久性泡沫的可溶性蛋白质，使反刍家畜在青饲、放牧利用时不易发生膨胀病[16]。此外，与紫花苜蓿(Medicagosativa)相比，红豆草具有更强的抗旱性[17]，是半干旱地区种植紫花苜蓿的良好替代品。

垄沟集雨覆盖种植模式作为提高干旱半干旱地区作物生产力的有效措施，相关学者已对其进行了广泛研究。但研究主要集中于垄沟集雨种植玉米(Zeamayssp.)，小麦(Triticumaestivum)，马铃薯(Solanumtuberosum)和紫花苜蓿等作物[18-21]，对于垄沟集雨种植红豆草有关方面研究较少。通过研究垄沟集雨种植红豆草对土壤水分、越冬率、株高、分枝数和地上生物量的影响，为半干旱区豆科牧草栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

2016年3月29日～10月1日在中国气象局兰州干旱气象研究所干旱气象与生态环境试验基地(甘肃定西35°33′N，104°35′E，海拔1 896.7 m)进行大田试验。试验区属典型的半干旱地区，大陆性季风气候明显，光能较多，热量资源不足，降水稀少且变率大，气象灾害频繁。年日照时间为2 433 h，年均气温6.7℃，年均降水量386 mm(图1)，年均蒸发量是年均降水量的4.0倍，年平均无霜期140 d。试验地表层土壤为重壤土,田间持水量为25.6%，作物凋萎系数为6.7%，0～120 cm土壤平均容重1.38 g/cm3。

1.2 试验设计

试验以甘肃红豆草为指示作物，采用田间沟垄覆盖集雨种植设计，垄覆盖普通地膜(CPF)，生物可降解地膜(BMF)和土壤结皮(MCS)作为集雨区，沟无覆盖为种植区，试验采用单因素完全随机设计，共设10个处理：3种垄宽(30 cm，45 cm 和60 cm)×3种覆盖材料(CPF、BMF、MCS)+传统平作(TFP)，垄沟集雨种植各处理沟宽均为60 cm，传统平作作为对照，重复3次。普通塑料地膜厚度和生物可降解膜厚度均为0.008 mm，宽度为1.4 m。土壤结皮为原土拍打而成。根据当地种植经验，垄的坡度约为40°，垄高15～20 cm，每小区有4条垄和3条沟。

图1 2016年试验区降水量Fig.1 Precipitation at the experimental station in 2016

1.3 种植管理

2015年4月9日条播红豆草，对于垄沟集雨种植处理，每小区有3条沟，每条沟面积为6 m2(长10 m×宽0.6 m) ，每个试验小区的红豆草播种量均为100 kg/hm2，小区播种面积(3条沟面积) 为18 m2，播种深度为3～5 cm，行距为20 cm，每条沟种植3行红豆草，每小区共播种9行红豆草。对于传统平作处理不设垄沟措施，种植面积为36 m2(长10 m×宽3.6 m)，红豆草播种量为100 kg/hm2，每小区播种18行红豆草(图2)。在2015年10月12日红豆草收获后，对垄沟进行维护，保持垄和沟的完整性，在第2年龄红豆草返青前(2016年4月3日)，垄沟集雨种植处理重新覆盖生物可降解地膜和普通塑料地膜，土垄维持不变。在2015和2016年红豆草的整个生育期不施肥和灌溉，及时人工清除杂草。

图2 红豆草垄沟集雨覆盖种植Fig.2 Schematic diagram in ridge-furrow rainwater harvesting for sainfoin production

1.4 样品采集和测定

1.4.1 土壤水分测定 用烘干法(105℃，10 h)测定土壤含水量，测定时间为红豆草返青前，收获后和降水大于5 mm后，测定深度200 cm(0～20 cm以10 cm为分层、20～200 cm以20 cm为分层)，在每个小区沟中同一土层取3钻土样均匀混合后装入铝盒用于测定。土壤贮水量(W，mm)计算公式[22]：

(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为土壤深度(cm)，10为系数。

1.4.2 越冬率测定 红豆草返青后用60 cm×60 cm的样方定点测定各处理红豆草越冬后存活的株数和死亡株数。

越冬率(%)[23]=存活总株数/植株总数×100%

(2)

1.4.3 株高，分枝数和产量测定 在红豆草盛花期(2016年6月14日)，每个种植区内随机选取20株红豆草测量株高；在红豆草盛花期，每个小区随机选取60 cm×60 cm的样方，重复3次，将样方内红豆草齐地刈割测定分枝数，将刈割后的红豆草风干至恒重，计算其净干草产量。作物耗水量(ET，mm)和水分利用效率[(WUE，kg/(hm2·mm)]计算公式[24]：

(3)

ET2=P+(W1-W2)

(4)

(5)

式中：ET1为垄沟耕作种植红豆草生育期耗水量(mm)；ET2为传统平作种植红豆草生育期耗水量(mm)；P为红豆草生育期降水量(mm) ；Re为集雨垄的平均径流效率(%)；h1和h2分别为垄宽和沟宽(cm)；W1和W2分别为红豆草返青前一天和刈割后一天测定0～200 cm土壤深度的土壤贮水量；NFY为红豆草净干草产量(kg/hm2)；垄沟耕作种植净干草产量是基于沟面积的干草产量，传统平作种植净干草产量是基于小区总面积的干草产量。

1.5 数据处理

采用Excel 2016和SPSS 20.0对数据进行统计分析和图形绘制。

2 结果与分析

2.1 垄沟集雨种植红豆草对土壤贮水量的影响

土壤贮水量与降水、灌溉、蒸散、径流和下渗等因素有关，红豆草全生育期无灌溉，降水量较小，由于测定土层较深(200 cm)，土壤水下渗忽略不计。垄沟集雨种植红豆草各处理0～200 cm土层土壤贮水量随生育期延伸而变化(图3)。在红豆草返青期(3～4月)，气温较低，红豆草越冬后返青，生长缓慢，耗水量小，各处理贮水量呈增加趋势。在红豆草分枝期和初花期(5～6月)，红豆草进入旺盛生长阶段，降水开始增多，但红豆草耗水增加，土壤贮水量开始减小且各处理间差异较大。在红豆草收获期(6～7月)，红豆草进入生长停止期，作物生长对水分的需求减少，且此时期降水量较多，蒸腾耗水减少，各处理的土壤贮水量逐渐升高。红豆草全生育期，在同一覆盖材料下，不同垄宽处理的土壤贮水量排列次序为垄宽60 cm>垄宽45 cm>垄宽30 cm。就不同覆盖材料平均值而言，各处理土壤贮水量的排列次序为CPF>BMF>MSC>TFP，其中CPF45和BMF45土壤含水量显著大于MCS45和TFP，CPF45与BMF45和MCS45与TFP之间差异不显著。与传统平作相比，CPF，BMF和MSC土壤贮水量分别提高10.64，9.36和2.09 mm。

图3 红豆草生育期0～200 cm土壤贮水量Fig.3 Soil water storage in 0～200 cm soil depth in sainfoin growing season 注：TFP：传统平作；MSC：土垄；BMF：生物可降解膜垄；CPF：普通膜垄；下标30，45和60表示垄宽(cm)。根据Duncan多重比较，不同字母表示差异显著( P<0.05)，下同

2.2 垄沟集雨种植红豆草对土壤含水量空间变化的影响

为了更好的揭示垄沟集雨种植红豆草的土壤水分空间变化特征，选取垄宽均为45 cm的不同覆盖材料土壤含水量与传统平作进行比较。在红豆草返青前一天(2016年3月29日)，各处理(0～200 cm)土壤含水量随土层深度的增加呈现先增大后减小的趋势。在0～200 cm土层深度，各处理土壤含水量整体表现为CPF45>BMF45>MCS45>TFP(图4a)。不同处理间在0～40 cm和140～200cm土层深度的土壤含水量大于在40～140 cm土层深度。说明垄沟集雨覆盖种植红豆草对返青前40～140 cm土层的土壤含水量影响不大。红豆草返青前0～200 cm土层深度平均土壤含水量，CPF45，BMF45和MCS45土壤含水量均高于TFP，CPF45，BMF45和MCS45土壤含水量较TFP分别高了8.68%，8.14%和5.13%。

在红豆草刈割后一天(2016年6月14日)，各处理(0～200 cm)的土壤含水量随土层深度的增加呈现先增加后减小再增加的趋势。在0～200 cm土层，不同处理同一土层的土壤含水量，均表现为CPF45和BMF45大于MCS45和TFP。红豆草刈割期，与传统平作相比，土壤结皮覆盖垄沟集雨种植增加了0～120 cm土层的土壤含水量，减少了120～160 cm土层的土壤含水量。红豆草刈割后0～200 cm土层平均土壤含水量，各处理的排列次序为CPF45≈ BMF45> MCS45≈ TFP ，CPF45，BMF45和MCS45的土壤含水量与TFP相比，分别提高了8.8%，7.1%和1.5%。普通地膜和生物可降解地膜覆盖垄沟集雨种植增加了0～200 cm各土层的土壤含水量(图4)。

图4 红豆草不同时期不同土层的土壤含水量Fig.4 Soil moisture content varied with soil depth in different sainfoin growing seasons

2.3 垄沟集雨种植对红豆草越冬率的影响

越冬率是衡量红豆草生产性能的一个重要指标，越冬前幼苗状态、植株形态、营养物质积累等导致垄沟集雨种植各处理红豆草的越冬率出现差异(图5a)。在同一覆盖材料下，红豆草越冬率随垄宽的增加而增加，排列次序为垄宽60 cm>垄宽45 cm>垄宽30 cm。在土壤结皮覆盖种植中，MSC60红豆草越冬率显著高于MSC45，MSC45红豆草越冬率显著高于MSC30。在生物可降解地膜覆盖和普通地膜覆盖种植中，BMF60(CPF60)显著高于BMF45(CPF45)和BMF30(CPF30),BMF45(CPF45)和BMF30(CPF30)之间红豆草越冬率相差不显著。就不同覆盖材料平均值，普通地膜覆盖种植红豆草越冬率显著高于生物可降解地膜覆盖种植，生物可降解地膜覆盖种植红豆草越冬率显著高于土壤结皮覆盖种植。土壤结皮覆盖种植红豆草越冬率显著高于平作。与传统平作相比，CPF，BMF和MSC红豆草越冬率分别提高23.6%，18.1%和8.2%。

图5 垄沟集雨覆盖种植下红豆草的生长特性Fig.5 Effects of ridge-furrow rainwater harvesting with mulching on sainfoin growth characteristics

2.4 垄沟集雨覆盖种植对红豆草株高，分枝数及产量的影响

垄沟集雨种植红豆草株高，分枝数和产量因覆盖材料和耕作措施不同而出现差异(图5b、5c、5d)。在同一覆盖材料下，红豆草株高，分枝数和产量随垄宽的增加而增加，排列次序为垄宽60 cm>45 cm>30 cm。红豆草的株高和分枝数，在土壤结皮覆盖种植中，MSC30，MSC45和MSC60之间差异不显著，在生物可降解地膜覆盖和普通地膜覆盖种植中，BMF60(CPF60)显著高于BMF45(CPF45)，BMF45(CPF45)显著高于BMF30(CPF30)。红豆草产量在3种覆盖材料种植中，均表现为垄宽60 cm种植处理显著高于垄宽45 cm，垄宽45 cm种植处理显著高于垄宽30 cm。就不同覆盖材料红豆草株高，分枝数和产量的平均值而言，以上指标均表现为普通地膜覆盖种植和生物可降解地膜覆盖种植显著高于土壤结皮覆盖种植，土壤结皮覆盖种植显著高于传统平作。与传统平作相比，CPF、BMF和MSC红豆草株高分别提高56.6%、47.7%和21.9%；分枝数分别提高30.6%、25.8%和7.8%，CPF，BMF和MSC红豆草净干草产量分别是传统平作的2.8，2.6和2.1倍。

2.5 垄沟集雨种植对红豆草耗水量的影响

垄沟集雨覆盖种植影响红豆草生育期耗水量。红豆草全生育期，在同一覆盖材料下，红豆草耗水量随垄宽的增加而增加，排列次序为垄宽60 cm>45 cm>30 cm。在土壤结皮覆盖种植中，MSC30，MSC45和MSC60之间红豆草耗水量差异不显著。在生物可降解地膜覆盖种植中，BMF60红豆草耗水量显著高于BMF45和BMF30，BMF45和BMF30之间相差不显著。在普通地膜覆盖种植中，CPF60红豆草耗水量显著高于CPF45，CPF45红豆草耗水量显著高于CPF30。不同覆盖材料红豆草耗水量的平均值，普通地膜覆盖种植和生物可降解地膜覆盖种植显著高于土壤结皮覆盖种植，土壤结皮覆盖种植显著高于传统平作。与传统平作相比，CPF，BMF和MSC处理红豆草生育期耗水量分别提高40.5%，30.1%和16.1%(图6a)。

图6 垄沟集雨种植下红豆草的耗水量和水分利用效率Fig.6 Effects of ridge-furrow rainwater harvesting with mulching on sainfoin growth characteristics

2.6 垄沟集雨种植对红豆草水分利用效率的影响

垄沟集雨种植对红豆草水分利用效率因各处理作物产量和耗水量的不同而出现差异(图6b)。红豆草全生育期，在土壤结皮覆盖种植中，MSC45和MSC60红豆草水分利用效率显著高于MSC30，MSC45和MSC60之间红豆草水分利用效率差异不显著，3种垄宽处理红豆草水分利用效率排列次序为MSC60> MSC45> MSC30。在生物可降解地膜覆盖种植中，BMF30、BMF45和BMF60之间红豆草水分利用效率相差不显著，3种垄宽处理红豆草水分利用效率排列次序为BMF60≈ BMF45> BMF30。在普通地膜覆盖种植中，CPF30和CPF45红豆草水分利用效率显著高于CPF60，CPF30和CPF45之间红豆草水分利用效率相差不显著，3种垄宽处理红豆草水分利用效率排列次序为BMF30>BMF45> BMF60。就不同覆盖材料红豆草水分利用效率的平均值而言，普通地膜覆盖种植和生物可降解地膜覆盖种植显著高于土壤结皮覆盖种植，土壤结皮覆盖种植显著高于平作。CPF、BMF、MSC和TFP红豆草水分利用效率分别为45.6、44.9、40.0和22.2 kg/(hm2·mm)。

3 讨论

研究不同集雨垄垄宽和不同覆盖材料的集雨种植与传统平作种植差异，以寻求半干旱区种植红豆草较佳措施。结果表明，降水分布和垄沟集雨覆盖系统(耕作系统和覆盖系统)对土壤水分储存及红豆草产量有显著影响。杜轶等[25]研究发现，垄沟集雨覆盖种植比传统平作截留更多降雨，并允许截留的降雨渗入种植区土壤，从而增加了种植区土壤水分含量。试验结果表明，红豆草全生育期与传统平作相比，普通地膜，生物可降解地膜和土壤结皮覆盖的垄沟集雨种植均可提高种植区内土壤水分，且表现为普通地膜和生物可降解地膜覆盖种植显著高于土壤结皮覆盖种植。试验还发现垄沟集雨覆盖种植红豆草对返青前40～140 cm土层的土壤含水量影响不大。这是由于冬季降雨较少，表层土壤没有降雨径流流向种植区，且多年生牧草冬季地上部分停止生长，植物蒸腾较少，土壤水分损失主要来源于土壤蒸发[26]。此外，我国西北降雨大部分发生在夏末秋初,该时间段内的土壤蒸发和植物蒸腾也达到最高，因此，在高蒸发需求条件下，垄沟集雨系统中土壤结皮表层增加一定覆盖物，可以减少水分蒸发损失和增加作物可用土壤水分[27]。与传统耕作相比，垄沟集雨种植使土壤具有更强蓄水能力，且差异性随干旱程度增加而增加[28]。试验表明，在红豆草收获后，与传统平作相比，土壤结皮覆盖垄沟集雨种植增加了0～120 cm土层深度的土壤含水量，减少了120～160 cm土层深度的土壤含水量；普通地膜和生物可降解地膜覆盖垄沟集雨种植增加0～200 cm各土层深度的土壤含水量。

垄沟集雨系统种植作物比传统耕作种植具有更大的生产潜力，垄沟集雨覆盖系统在田间作物生产中的最大优势是增加种植区内土壤水分，促进植物幼苗建成和植株生长[29]。垄沟集雨通过改变田间微地形减缓风速，减少土壤蒸发，增加种植区内土壤水分含量，促进植株生长，提高作物产量。同时，地膜覆盖显著增加了植物对温度、水分和养分的可获得性，提高多年生作物的越冬能力[30]。试验表明，与传统平作相比，普通地膜覆盖、生物可降解地膜覆盖和土壤结皮覆盖种植红豆草越冬率分别提高23.6%，18.1%和8.2%；株高分别提高56.6%，47.7%和21.9%；分枝数分别提高30.6%，25.8%和7.8%。普通地膜覆盖、生物可降解地膜覆盖和土壤结皮覆盖种植红豆草的净干草产量分别是传统平作的2.8，2.6和2.1倍。红豆草越冬率、株高、分枝数和净干草产量均表现为普通地膜覆盖高于生物可降解地膜覆盖，生物可降解地膜覆盖种植高于土壤结皮覆盖。

垄沟集雨种植系统作为一种保护性耕作系统，可以提高作物产量和优化水分利用效率[31]。传统平作种植水分有限，作物长势较弱，植物通过蒸腾作用散失的水分较少；塑料覆盖的垄沟种植系统增加土壤水分含量，使得覆膜土地能够支持更好的植物生长。通过延长植物冠层的遮荫效应，植物生长得到了积极的反馈，从而降低了风速、到达土壤的太阳辐射量和土壤温度，最终减少了蒸发水分损失[32]。随着植物冠层的生长，蒸腾逐渐增加，因此，垄沟集雨种植增加作物耗水量[33]。试验结果表明，与传统平作相比，普通地膜覆盖，生物可降解地膜覆盖和土壤结皮覆盖种植红豆草生育期耗水量分别提高40.5%，30.1%和16.1%。在半干旱区干旱胁迫持续增加的情况下，垄沟集雨覆盖种植是一种同时提高作物水分利用率和产量的有效节水耕作措施。霍海丽等[34]研究表明，普通地膜和生物可降解地膜平均水分利用效率比传统平作分别提高35% 和31%。试验结果表明，与传统平作相比，普通地膜覆盖，生物可降解地膜覆盖和土壤结皮覆盖种植红豆草水分利用效率分别提高23.4，22.7和17.8 kg/(hm2·mm)。通过分析，消除或减少非生产性水的使用，是增加西北干旱半干旱区作物水分利用效率和产量的有效方法。在干旱半干旱区，地膜覆盖可能是提高作物效益的一个有效措施，但大量的塑料残留物可能会导致土壤结构恶化，从而导致农业生产不可持续。生物降解地膜覆盖可以作为半干旱地区垄沟集雨种植和其他旱作系统提高水分利用效率和作物产量短期可行的选择。

4 结论

普通地膜和生物可降解地膜覆盖垄沟集雨种植技术是提高半干旱区红豆草产量和水分利用效率的有效技术。普通地膜和生物可降解地膜覆盖垄沟集雨种植可以显著提高种植区土壤含水量。通过改善作物根区土壤水分微环境，普通地膜和生物可降解地膜覆盖垄沟集雨种植显著提高了红豆草越冬率、株高、分枝数、净干草产量、作物耗水量和水分利用效率。但普通地膜和生物可降解地膜覆盖种植之间在以上指标中差异不显著。与普通地膜覆盖相比，生物可降解地膜覆盖较大可能减少土壤残留和土壤污染，是半干旱地区垄沟集雨种植红豆草和实现农业生产可持续的有效措施之一。