高寒区低温水灌溉对春青稞生长和地温变化的影响

刘 伟，徐 冰, ，汤鹏程，李泽坤

（1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018； 2.中国水利水电科学研究院 牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020）

0 引 言

【研究意义】融雪水是西藏地区的重要灌溉水源，然而由于西藏高海拔地区低压低氧、高辐射、近地层冷热交换频繁，加之土层稀薄，低温融雪水利用不当容易对作物造成寒害。高山融雪水经过较短距离输水进入土壤后水温仍较低，低温水会在一定程度上降低作物的根系活性，同时由于低温融雪水的存在，高寒地区表层土壤易在春季连续发生冻融交替的现象，一些地区经低温融雪水灌溉后出现作物返青推迟、出苗率低甚至死亡的现象[1]。青稞是西藏地区主要的粮食作物，播种面积占全区粮食作物播种总面积的60%以上，以青稞为主的藏区粮食安全问题以及青稞的栽培种植技术推广和品种繁育等问题一直以来备受各界关注。

【研究进展】近年来，针对低温水灌溉相关研究主要集中在灌溉水温对于各类经济作物的生长及产量等方面的影响，典型作物主要有花生[2-3]、黄瓜[4]、油麦菜[5]、番茄[6]、白菜[7]、小麦[8]、棉花[9]、枣树[10]等。该类研究主要通过设置不同温度的灌溉水源，进而监测灌水温度与作物生长发育、生命活动（光合作用、成花坐果）以及最终作物产量之间的响应关系；针对不同灌溉水温对土壤性质[11]的影响研究主要集中在融雪期冻土下渗机制[12]、滴灌土壤水分入渗规律[13-14]、水氮运移规律[15]等方面。该类研究通过对照试验说明低温水灌溉对土壤的理化性质产生影响，进而改变作物生长环境；另外，针对低温水的现实来源，已有研究多集中在大型灌区的水库水温分层所导致的下泄水流温度偏低这一现象[16-18]，因此，从工程措施角度展开了相应的增温措施研究[19-22]。然而，针对西藏地区低温融雪水灌溉对典型作物青稞生长发育的影响鲜有研究。

【切入点】西藏地区早春时节（4―5 月）在雨季尚未来临且没有其他灌水来源前提下，多采用融雪水自流漫灌作为春播作物的出苗水。然而由于灌水温度较低（0～7 ℃），致使多年生作物返青延缓、1 年生作物出苗率低等现象发生。【拟解决的关键问题】因此，本研究针对西藏高寒区在春季利用低温融雪水漫灌这一独特生产方式，以春青稞-藏青2000 为研究对象，旨在为融雪水资源的合理利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于中国科学院地理科学与资源研究所拉萨农业生态试验站（29°40′N，91°17′E，海拔3 688 m），属高原季风温带半干旱气候区。年平均气温为7.7 ℃，最热月7 月平均气温16.3 ℃，最冷月12 月平均气温为-1.5 ℃，无霜期120～130 d。年均降水量425 mm，年内分配不均，雨季为6 月中旬至9 月下旬，降水量为400 mm 左右，占全年降水量的90%以上，且多夜雨。土壤母质主要是冲积、洪积母质，质地偏沙，土壤质地为粉砂壤土，土层较薄，20 cm 以下可见大块石砾，土壤体积质量1.41 g/cm3，田间持水率（质量含水率）22%，pH 值7.2。

1.2 试验设计

试验材料为春青稞-藏青2000，该品种春性中晚熟，生育期125～135 d，穗长方形，四棱，长齿芒，小穗密度中等。穴播，播深1.5～2.0 cm，每桶15～18 穴。每穴2～3 粒种子，人工点播。2018 年4 月25 日播种，2018 年9 月25 日收获。出苗后追施尿素187.5 kg/hm2。桶栽单元采用直径32 cm 的PVC 桶，底部以打孔铁皮封底，桶高50 cm。桶中分层填入原状土，底部20 cm 为大块石砾，上部25 cm 为粉砂壤土，预留5 cm 以利于灌水和降雨入渗。桶壁外侧间隔3 cm 设套筒预埋地下，使上方与地面平齐，降低太阳直射对桶体温度变化的影响[23]。

对照处理为经过蓄水池收集且日照5 h 后的常温水灌溉（CK），低温水灌溉组设置3 个温度水平：以同期渠水水温为基础，分别设置低于基础的3 ℃（T1）、5 ℃（T2）、7 ℃（T3）3 个温度水平。温度设定通过索美特SMT-26L 小型冰箱进行处理，精度为±0.1 ℃。因桶栽试验取样为破坏性取样，各处理设置9 个重复，共36 个桶栽单元，设有隔离带和保护区。所有处理均为充分灌溉，灌水时间与灌水量见表1。

表1 低温水灌溉春青稞试验灌水时间与灌水量 Table 1 Irrigation date and amount of spring barley under low temperature water irrigation

1.3 测定内容及方法

春青稞生育期划分：分蘖期（5 月10 日），拔节期（6 月5 日），抽穗期（7 月10 日），灌浆期（8 月10 日），成熟期（9 月27 日）。

春青稞长势及产量测定：长势指标（株高、株数、穗长、叶面积指数、干物质等）每关键生育期测定1 次，每次取样设3 组重复。产量指标（穗长、穗粒数、百粒质量、单产等）在成熟期测定，取样3个重复。

通过试验田附近的气象站自动采集记录气象因素（气温、降水量、湿度、太阳辐射、大气压等）监测时间间隔为10 min。

采用Invesible T-107 探针式温度计（量程-50～330 ℃，精度为±0.1 ℃）在关键生育期灌水后5 h测定不同土层土壤温度。4 个处理每次各选取3 个桶栽单元，每个单元分别对0～10、10～20 cm 土层进行温度测量以消除空间差异性。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析，采用最小显著差数（LSD）法进行多重比较。

图1 生育期内气温以及渠水温度变化 Fig.1 Variation of temperature and channel water temperature during growth period

2 结果与分析

2.1 低温水对土壤温度的影响

低温水灌溉春青稞土壤温度变化情况如图2 所示（图中不同字母表示处理间差异显著（p＜0.05），下同。）。由图2 可知，土壤温度受外界温度影响较大，随外界温度升高，0～10 cm 土层土壤温度均升高，全生育期土壤温度变幅约10 ℃。土壤温度受灌水温度影响，在分蘖期至拔节期最为显著。原因可能是青稞苗期处于融冻期，此时外界温度整体较低，而分蘖期之后外界温度升高，地温受到的影响开始逐步减缓。与CK 相比，T1、T2、T3 处理拔节期0～10 cm 土壤平均温度分别减少0.90、3.78、6.07 ℃，10～20 cm土壤平均温度分别减少0.54、2.06、3.32 ℃。由于深层土壤具有保温作用，且水的比热容比土壤大，表层土壤温度更易受到灌水温度的影响，导致青稞0～10 cm 土壤温度偏低。

低温水灌溉导致土壤温度变化剧烈，且主要在作物抽穗期之前产生影响，而生育中后期受大气温度提升的影响，土壤温度变化幅度减小。与CK 相比，T1、T2、T3 处理土壤温度受灌水温度影响依次增加，以T3 处理为例，各生育期（分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期）0～10 cm 土层平均土壤温度较CK 依次减少2.87、6.07、3.51、0.54、1.65 ℃。土壤温度变化在分蘖期至拔节期减幅最大，至灌浆期减幅逐步减小，灌浆期至成熟期有小幅增长。各生育期10～20 cm 土层平均土壤温度较CK 依次减少1.14、3.32、3.10、0.21、1.41 ℃。土壤温度变化规律与0～10 cm 土层基本一致，整体幅度较上层略小。分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期低温水灌溉对0～10 cm 土壤温度影响显著（p<0.05）；拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期低温水灌溉对10～20 cm土壤温度影响显著（p<0.05）。所有低温处理均与CK差异显著（p<0.05）。

图2 低温水灌溉春青稞0～20 cm 土层土壤温度变化 Fig.2 Changes of soil temperature in 0～20cm soil layer of spring highland barley irrigated by low-temperature water

2.2 低温水对春青稞生长及产量的影响

2.2.1 作物长势情况

低温水灌溉条件下春青稞不同生育期长势变化如图3 所示。由图3（a）可知，青稞地上生物量拔节期至灌浆期增长速度最快，成熟期达到最大。与CK相比，T1、T2、T3 处理灌浆期地上生物量平均分别减少20.73%、28.06%、35.44%。CK 灌浆期至成熟期地上生物量增加33.83 g，占总生物量的14.54%。而T1、T2、T3 处理灌浆期之后地上生物量增加量明显降低，仅增加了地上生物量总量的5.89%、1.20%和0.25%。随灌水温度的降低，地上生物量不同程度的减少，表明低温水灌溉条件下不利于春青稞地上生物量的积累，且灌水温度越低，影响越剧烈。根生物量变化规律如图3（b）所示。由图3（b）可知，拔节期CK 根生物量为35.30 g，T1、T2、T3 处理较CK分别减少了45.38%、56.49%、58.24%。表明低温水灌溉可以明显限制分蘖期青稞根系的发育。青稞根系抽穗期至成熟期发育较缓，至收获时，CK 根生物量为68.87 g，T1、T2、T3 处理较CK 分别减少了18.73%、22.68%、22.04%。单从成熟期来看，低温水灌溉对春青稞根系发育的影响程度较大。从作物全生育期来看，低温水灌溉对青稞的根系发育影响主要集中在分蘖期和拔节期。随外界温度和灌水温度的逐步提升，加之作物自身的根系发育旺盛期就在分蘖期，分蘖期之后表现为累积寒害影响，影响幅度有所减缓。株高的变化如图3（c）所示。由图3（c）可知，春青稞株高拔节期至灌浆期增长速度最快，灌浆期达到最大，与CK 相比，T1、T2、T3 处理灌浆期株高分别减少了8.25%、16.94%、23.67%。灌浆期至成熟期株高变化趋于稳定。T1、T2、T3 处理成熟期株高分别减少了6.30、15.40、21.90 cm。T3 处理明显大于其他处理，可知灌水温度越低，株高越低。叶面积指数变化规律如图3（d）。由图3（d）可知，青稞叶面积指数拔节期至抽穗期增长速度最快，抽穗期达到最大，与CK 相比，T1、T2、T3 处理抽穗期叶面积指数分别减少13.85%、35.47%、46.37%。灌浆期至成熟期随着青稞叶片发育减缓，植株体营养物质主要集中作用于青稞籽粒灌浆，叶面积指数相应有所下降。至成熟期，籽粒形成，叶片枯黄，CK 叶面积指数为4.98，T1、T2、T3 处理叶面积指数分别减少了19.98%、24.47%、39.43%。可知低温水灌溉会明显限制青稞分蘖期叶片发育，并在生育后期出现累积寒害影响的基础上，加剧叶片枯黄程度，降低叶面积指数。

图3 低温水灌溉春青稞生育期作物长势变化 Fig.3 The regularity of crop growth in the growing period of spring barley irrigated by low temperature water

表2 低温水灌溉青稞不同水温处理产量构成要素 Table 2 Simulation of Components and yield of barley irrigated with low temperature water

2.2.2 产量

不同处理产量构成要素及产量如表2 所示。由表2 可知，CK 穗长20.10 cm，T1、T2、T3 处理穗长较CK 分别减少3.23%、5.31%、1.41%；CK 百粒质量8.22 g，T1、T2、T3 处理平均百粒质量较CK 分别减少12.37%、14.81%、18.66%；CK 单穗粒数67 粒，T1、T2、T3 处理平均单穗穗粒数较CK 分别减少12.00%、23.50%、25.50%；CK 平均产量10 247.25 kg/hm2，T1、T2、T3处理平均产量较CK减产19.62%、38.59%、42.52%。低温水可显著降低春青稞产量，灌水温度越低，减产幅度越大。同时，越低的灌水温度对孕穗数量、籽粒发育、灌浆饱满程度等的影响越严重，进而影响春青稞的产量。由方差分析与多重比较分析可知，百粒质量、穗数、单穗粒数以及产量等产量因素影响极显著（p<0.01）。

3 讨 论

研究得出低温水灌溉导致春青稞减产的结果，与李志刚[2]、刘盈茹等[3]、李明等[4]研究结果类似，主要原因是低温水通过降低土壤温度，限制了根系发育，从而影响了春青稞的生长及产量。低温水灌溉形成的寒害主要集中在春青稞的苗期至拔节期，导致作物出苗推迟，此后的各关键生育期均受到不同程度的推迟，导致作物生育期延长了10～20 d。融雪水作为出苗水相较于生育期内其他灌水更为重要。从外部条件来看，此时正值冻融期，大气温度偏低，甚至会有倒春寒等自然灾害发生。分蘖期灌水温度的降低对作物生长发育的伤害就显得格外突出[24-26]。因此尽可能地提高作物生育初期的灌水温度是十分有必要的。

低温水灌溉条件下土壤水热运移规律、根系发育规律将是下一步的研究重点。合理利用融雪水可以从制定合理的春灌灌水制度着手，在满足作物出苗的前提下，尽可能地减少由灌水温度产生的次生寒害。同时由于西藏日温差较大，太阳辐射强，可以从灌水时间（日尺度）角度展开研究，从而最大程度避免低温水春灌对作物的影响，进而更加科学、合理地利用融雪水水源。

4 结 论

1）低温水灌溉较常温水灌溉会直接导致青稞根区土壤温度降低，间接影响青稞根系吸水及生长发育。在条件允许的情况下，西藏高寒区融雪水灌溉应结合蓄水池增温（日照等措施）处理后进行。

2）低温水灌溉较常温水灌溉减少作物干物质累积、降低作物株高、抑制作物长势等。融雪水春灌建议以少量多次为原则，灌水尽量在地温较高时到达田间，最大程度避免融雪水寒害影响。