垄沟集雨种植的研究进展

张月荷，梁 霞，曹浚铂，张雨晴，刘小利，王金金，任小龙

（1.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2.农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室∕西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100）

0 引言

雨养农业占全球农田的75%[1]，是我国干旱、半干旱地区的主要农业生产方式，该区主要依靠自然降水进行农业生产。我国农业用水的紧缺不仅体现在数量上，也表现在农田灌溉水有效利用系数上[2]，水资源压力[3]和粮食产量增加（中国统计年鉴）滋生了农业抗旱节水技术思想的萌芽。垄沟集雨种植技术在水分利用率和作物产量方面有明显的促进作用，为了节约水资源和提高作物产量，该技术已在全球干旱、半干旱、半湿润偏旱和半湿润地区得到了广泛的研究[4]，尤其是在我国降雨量少的黄土高原旱地农业生态系统地区非常受欢迎。垄沟集雨种植技术被称为根区集雨集水（图1，以垄∶沟=40∶60 的玉米种植为例），是一种有效的原位降雨采集与利用技术[5,6]，在田间修筑交互排列的垄沟，由集雨垄收集雨水，沟内种植作物，来实现降水在种植沟内的叠加，该系统通过调节土壤水热环境来满足作物的生长需求，从而充分利用田间微量降水和无效降水[7]。土垄的集雨效果相对来说不够好，但是长期裸露的垄面容易形成一层土壤结皮，在遇到大雨或者暴雨的过程中，可以将不能及时入渗得雨水汇集到种植区，实现集雨的效果[8]。在众多学者和农民共同努力下该技术从最初简单的垄沟不覆盖技术到现在各种衍生模式的发展，如垄沟集雨技术经常与不同的覆盖材料相结合，通过垄面，将无效降水汇集在种植沟中，加快降雨入渗，实现增温保墒，提高水分利用效率[9]。本文从土壤属性、作物生长、产量、水分利用效率和温室气体排放等方面归纳了垄沟集雨种植技术的发展进程，客观的讨论了其对生产和环境的正负效应及发展前景，阐释了垄沟集雨种植技术增产增效的关键机理，以期为该系统的推广和应用提供理论支撑。

图1 垄沟集雨技术种植示意图（单位：cm）Fig 1 Schematic diagram of field planting on ridge-furrow rainwater harvesting technology

1 垄沟集雨技术的研究进展

1.1 垄沟集雨种植对土壤属性的影响

1.1.1 垄沟集雨种植对土壤水分的影响

土壤水分是干旱胁迫对农业生态系统生产的主要驱动因素，它也是植物的直接水库，因此土壤水分胁迫对农业生产有着巨大的威胁[10]。世界上，每年70%的植物蒸腾用水量来自于当月降水，18%来自于存储在更深的非饱和土壤或岩石中的降水[11]，当作物处于干旱状态下，植株的根系会转移至更深层的土壤区、岩石水区域和地下水区域吸收水分。垄沟集雨种植技术对于水分的影响主要包括集雨、蓄水、保墒3个方面，采用垄上覆膜，抑制膜下土壤水分的蒸发，减少总蒸发面积，提高降雨入渗能力和土壤持水性能[12]；同时将雨水汇集叠加，强化降水下渗及侧渗，使水分蓄集在土壤水库中[13]。该技术的研究和应用主要集中在降雨量少且分布不均的干旱、半干旱和半湿润易旱区，在降雨较少的年份和地区集雨优势和效果更明显，有研究表明随着降雨量的增加，集雨种植增产幅度减少，产量呈现出：降雨量230 mm＞降雨量340 mm＞降雨量440 mm[14,15]，对于降雨量多的湿润区则为了防止涝害的发生将作物种植在垄上，沟中进行排水。同时垄沟结构和覆盖材料也影响着农田中水分的储存和消耗，张登奎、王琦[16]等人研究发现同一种覆盖材料的垄沟集雨种植模式下，其土壤贮水量显著高于传统平作，且土壤贮水量随垄宽增加而增加。张光鑫[6]等人的研究结果表明，3 种不同的垄沟结构对土壤含水量、作物产量和水分利用效率的改善效果不同，与传统平作相比较，在高垄沟比、均匀垄沟比和低垄沟比下，作物产量分别提高了37.65%、27.12%、31.70%，水分利用效率分别提高了47.70%、30.00%和17.80%。而同一垄沟比例下，垄沟宽窄不同，其农田水分调控效果及增产效应差异显著[17]。试验中适宜垄沟结构的不同可能是由于不同地区气候条件、土壤类型、覆盖材料和不同作物引起的（表1）。如：对于小麦来说，不同地区适宜的垄沟宽窄不同，但其适宜的垄沟比大体相同且为1～1.5，有研究表明[17,18]，在中国半干旱地区垄沟比为60∶60 可以协调种植面积的同时储存更多的水分，形成明显的“钟形”土壤水分含量分布，从而提高冬小麦干物质积累量、产量、经济效益和水热利用率，也有研究发现1～1.5 的垄沟比结合最小的垄沟单元尺寸适合东非旱作小麦生产和雨水利用[19,20]，在关中平原半湿润易旱区垄沟比为40∶40 的集雨种植模式效果最好[21]。对于在同一个地区，即中国半干旱地区，小麦、马铃薯和玉米的适宜垄沟宽窄以及垄沟比均不同。不同覆盖材料及覆盖面积的效果和作用也存在一定的差异，大部分的研究表明塑料地膜覆盖增产效果较好，其中全膜双垄沟、起垄覆膜和平作覆膜3种种植模式中，全膜双垄沟的效果最好，这可能是覆盖面积变大使蒸发面积变小，水分的消耗也减少[22]。总而言之，垄沟集雨种植技术的衍生模式减少了地表的水土流失，抑制了土壤水分的蒸发，从而改善降雨量少和降雨分配不均的问题。目前，垄沟集雨种植技术不仅在单季作物中表现为集雨保水的作用，而且在冬小麦-夏玉米的周年作物生产中也具有高效利用降水和灌溉水的特点，解决了多熟地区周年节水问题[23,24]，近几年这方面的研究才崭露头角，研究数量较少，未来将会有更多学者研究垄沟集雨种植对周年作物生产过程中的光、温、水、气变化机制，为一年两熟地区节约灌溉水资源和解决当地降水分布不均问题。

表1 垄沟覆盖下不同试验区适宜的垄沟结构Tab.1 Suitable ridge-furrow configuration in different studied sites under ridge-furrow planting patterns

1.1.2 垄沟集雨种植对土壤温度的影响

土壤温度的高低影响着作物的生长发育，土壤温度太高会伤害植物的根部及茎干，若土壤温度太低则会妨碍植物摄取矿物质养分，土壤温度在8 ℃以上时春玉米才能维持正常的生命活动，低于15 ℃时不利于春玉米的生长发育[27,28]。垄沟集雨种植和覆盖技术的结合使用，不仅有集雨的效果，同时也对一些温度较低或较高地区的农作物有非常重要的增温或降温作用，这主要是由于覆盖材料决定的。温度较低的地区，一般覆盖塑料地膜、生物可降解膜等，起到增温的作用，且覆盖面积越大，增温效应越好，其产量相应的也越高，大小为：全膜双垄沟＞传统半覆膜＞平作不覆膜，全膜双垄沟种植方式在作物生长初期，即苗期，可以更好地增温保墒，此时植株矮小地表覆盖率低，较多的太阳光线照射到地表导致土壤增温显著，且可以明显抑制杂草生长与虫害的发生，从而保障作物初期生长，利于后期建成良好的植株和根系，促进水分和养分的吸收[28,29]。杨封科[30]等研究表明，垄沟集雨种植可以使作物生长在良好的水热环境中，对作物的生长产生一定的影响。该技术能够有增温效应主要由两方面因素引起的，一方面，垄上覆盖材料对土壤温度有一定的提高，土壤的热效应通过其导热性在垄沟系统间进行传递；另一方面，通过在田间起垄增加地面粗糙程度和地表面积，使地面接收到的太阳光辐射增多，提高了土壤温度[27]。对于温度较高的时段和地区，垄沟集雨种植技术结合秸秆覆盖可以起到降温作用，有研究表明与露地相比，秸秆覆盖全生育期平均温度减少12.7%，也会造成减产的趋势[31]。但垄上覆盖地膜，沟里覆盖秸秆的方式平衡了垄上塑料地膜的增温效应与沟中秸秆的降温效应，呈现出提高产量和水分利用效率的效果[32]。前人[9]对塑料地膜、液态地膜、生物可降解膜、作物秸秆等各种垄沟覆盖材料进行了对比研究（表2），发现秸秆覆盖有降温减产的趋势[31]，而塑料地膜在干旱、半干旱地区的作物生产中呈增温效应，尤其是在雨养农业和春季温度低的一些区域，能够提高耕层土壤温度、增加田间日辐射量[23]、增加粮食产量，但就控制白色污染和减少地膜残留而言，将新型材料的生物可降解地膜和液态地膜引入了农业生产中，覆盖在地表或按一定的比例稀释后喷施于集雨垄上，不仅可以解决地膜残留的生态环境问题和土壤结构破坏问题，而且在减少土壤水分蒸发、保水保墒方面具有正效应，同时液态地膜也是一种土壤改良剂[33,34]，然而，这两种清洁膜的增温增产效应不如塑料地膜的明显且生物可降解膜的成本较高，目前应用最广、最受农民欢迎的依然是塑料地膜，为了垄沟集雨技术未来的可持续发展，这种生物可降解地膜和液态地膜伴随着技术的改进和成本的降低可以作为未来垄沟集雨适宜的覆盖材料[6,35]。

表2 不同垄沟覆盖方式对作物生产效应的影响Tab.2 Effects of different ridge-furrow mulching methods on crop production

1.1.3 垄沟集雨种植对土壤养分的影响

土壤养分对于作物茁壮成长和最终获得较好产量有至关重要的作用，由于垄上不种植作物，种植沟中的作物可以吸收双倍种植面积的养分，垄沟集雨种植技术促进水分下渗的同时养分也随着水分汇集到种植沟中[41]。一方面，土壤水热状况的改变直接影响土壤养分的溶解和移动，与传统平作相比较能够有效的提高速效养分的含量[14,42]，同时在稻草、秸秆覆盖下，秸秆的分解可能会产生大量的可溶性有机碳随雨水下渗至土壤，有利于团聚体的形成，增加了有机碳含量，秸秆的降温保水作用可以让土壤有机碳稳定积累[19,43]；另一方面，垄沟覆膜技术在作物生长过程中微生物生物量的增加可以有助于有机物的分解，将更多的有机物返还给土壤，对损失的土壤有机碳有一定的补偿效应，从而改善土壤质量和农田生产力[44]。但也有研究表明：垄沟集雨种植技术使土壤水热状况改善，影响作物生长发育，促进作物根系对养分的吸收和利用，减少了土壤中的养分[45]。该系统和地膜覆盖相结合的方法使土壤有机碳在垄沟系统下的分解速率更快，全程地膜覆盖处理有机质下降21.2%[46]，这可能是在该系统对土壤温度和水分都有积极响应，持续较高的土壤温度和土壤水分改善了微生物的活性和增加了有机碳的矿化作用，降低了有机碳的含量和土壤肥力[19,43]。

1.2 垄沟集雨种植对作物生长、产量和水分利用效率的影响

垄沟集雨种植研究涉及的作物具体包括了小麦、玉米、油菜、马铃薯、谷子和苜蓿等。该技术改变了农田土壤水热微环境，培育健壮的根系，为后期建成作物株高、叶面积、生物量、生长速度等方面打下良好基础，是作物获得高产的有利保障。对于小麦[47-49]、玉米[50]单季作物来说，垄沟集雨种植技术改善了每个作物的生育进程，缩短了其生育时期，增加地上生物量和生长速度。李廷亮、谢英荷[51]等人研究发现垄沟集雨种植结合覆膜技术对于旱地冬小麦能够有很好的集雨保墒作用，改善小麦群体结构，增加小麦的分蘖数和穗数，该处理下小麦的株高和生物量均显著高于平作处理，分别高16.6%和34.7%[47]。玉米的出苗和拔节期分别提前2～3 d 和8～9 d，较平作而言，显著影响了春玉米的株高、吐丝期叶面积指数，成熟期干物质量、籽粒产量和作物水分利用效率，分别增加了12%～46%、8%～17%、19%～43%、23%～47%和18%～37%[29]。对于小麦-玉米周年生产[24]，垄沟集雨种植技术两者干物质积累量较平作共增加了5.32%，且主要是玉米季的贡献，这是由于起垄造成了小麦种植面积的减少，进而使干物质积累的增幅较少，该技术在麦-玉系统里也延缓冬小麦花后、夏玉米吐丝后功能叶片的衰老。对于垄沟集雨种植下马铃薯的商品率[25,52-57]、西南地区油菜的产量[58]以及比较抗旱的谷子水分利用[59,60]都呈现出相应的正效应，该技术不仅仅应用在农作物上，在苜蓿等牧草上也有很好增产效果[61]。垄沟系统对不同作物生长和产量的影响是不同的，该系统对大多数作物的作用呈显著性，对少数像谷子一样抗旱性强的作物影响较微小，可能是由于谷子这样抗旱性强的作物本身水分利用效率高，该系统对其影响较小。

垄沟集雨种植技术是对水、光、热、肥等资源的高效利用，确保种植区内作物的水分利用效率和产量最高，但对于像小麦这样的密植作物来说，该技术是通过减少农田实际播种面积而获得的，局部的增产并不一定意味着整体的增产，整体的增产效应是种植区内产量的增加和实际播种面积减少共同的结果[13]，也就是实际作物产量，而不是净作物产量。Zhang[44]等研究表明与无膜平栽相比，垄沟覆膜栽培、无膜垄沟栽培和覆膜平栽分别将作物的平均产量提高了33.8%、16.6%和27%，作物平均水分生产率分别提高35.8%、17.5%和27.8%。王云奇[62]等也研究了垄沟栽培对玉米产量和水分利用效率的影响，结果表明玉米产量和水分利用效率随气候、土壤和覆盖管理而产生变化，垄沟栽培可以使玉米的产量和水分利用效率分别提高47%和39%。Huang[63]等的研究表明，在半干旱和半湿润地区垄沟地膜覆盖模式与无膜平栽模式比较增加了玉米产量。垄沟集雨种植技术中垄沟比对作物产量和也有明显的差异[25]，垄沟比为40∶70、55∶55、70∶40 下，玉米产量分别增加26.1%、36.4%和50.3%[26]。Liu[17]等研究发现，垄沟集雨种植结合补灌技术对作物的产量也有极大的促进作用，干物质积累量和产量随着垄宽的增加呈先增加后减少的趋势，即60∶60 的垄沟系统具有更高的产量和水热利用率。以上多位学者的研究均发现垄沟集雨技术对作物的产量有贡献，其主要机制是垄沟系统结合覆膜技术和补灌技术的共同作用[64]，不同地区和不同作物下结合的技术也大不相同，在干旱、半干旱等地区可以结合覆盖技术，在半湿润易旱区、半湿润区可以结合补灌技术，但最终的目标都是提高作物的水分利用效率，获得了较好的产量和经济效益。

1.3 垄沟集雨种植对气体排放和环境的影响

温室气体的排放对于全球的气候变化有着重要的影响，据IPCC 第五次评估报告显示，气候变化对粮食产量进一步产生不利影响，2030-2049 年间的粮食产量与20 世纪后期相比，约10%的预测显示产量损失超过25%，而预估到2050 年粮食需求则每10 年将增加14%，如果适应措施得当，可以减少气候变化对粮食产量的不利影响。垄沟集雨种植技术对于农田温室气体排放以及环境有一定的影响，其种植密度和施肥量的变化都会影响土壤CO2的排放[65,66]，有研究结果表明，垄沟集雨种植技术不仅可以增加春玉米的产量，而且能够有效的减少农田温室气体的排放，与平作相比，其全球增温潜势和温室气体密度分别减少1.0%～16.1%和13.0%～56.8%，显著改变了冬小麦农田的土壤呼吸作用，同时也改变了土壤氨挥发的动态过程，降低了土壤氨挥发和氮肥损失[67]，也有研究表示垄沟种植不仅显著降低了玉米生长季的CO2排放，而且提高了碳排放效率[68]，徐悦悦[69]等人研究了在垄沟覆盖系统下模拟三种不同降雨条件结合四种补灌处理对温室气体排放强度的影响，结果表明，同一补灌水平，不同降雨条件下的垄沟覆盖系统下N2O 排放通量、CO2排放通量和温室气体排放强度均低于平作。但是，也有研究结果显示垄沟集雨种植系统作物产量提高的同时也增加了CO2的排放量[70,71]，其在麦-玉轮作系统中温室气体排放量处于平地全覆膜和不覆膜之间，比平地不覆膜温室气体排放量高46.4%[72]，这可能和地膜覆盖有一定的关系。地膜覆盖在干旱、半干旱区对土壤的保温蓄水、作物生长发育和作物获得高产和优质方面都有一定的优势，但是随着地膜逐年使用且覆盖面积的不断壮大，产生了更大的碳足迹和潜在环境问题，地膜残留问题对生态环境产生负面效果的同时也破坏了土壤结构，这引发了对农业可持续发展和生态环境保护的思考。

2 结语与展望

垄沟集雨种植技术与覆盖技术的联合作用，使其在全球干旱、半干旱地区发展迅速且应用广泛，对当地的粮食生产产生了极大的促进作用。该技术通过收集降雨和减少土壤表面蒸发来调节农田土壤水热状况，增加微生物数量和活性，改善土壤养分含量，从而促进根系吸收营养物质，使作物获得良好的生长环境，提高作物产量和经济效益，增加农民的经济收入。目前，垄沟集雨种植技术不仅限于干旱、半干旱地区发展，其探索和研究已经延伸至有灌溉条件的半湿润偏旱区和半湿润区，以期作为一种新的农田节水策略，在节约灌水资源的同时，达到增加作物产量和农民收益的效果。

此外，垄沟集雨种植技术的推广应用还存在诸多限制因素。首先，对于不同区域和不同作物缺乏适宜的垄沟集雨综合技术集成体系。由于各个地区的气候条件、土壤类型、以及覆盖材料等方面存在差异，使该技术在特定地区的适应性方面的研究不是很全面，应结合大数据技术，采用数据分析，确定垄沟集雨种植在不同区域不同作物适宜的垄沟结构和覆盖材料，为垄沟集雨综合技术集成体系的完善提供依据；其次，该系统中塑料地膜造成的环境污染、撕膜挑膜现象以及难于机械化操作等问题制约着垄沟集雨技术的推广和应用。未来的研究还需针对现有的负效应，提出科学的解决方案，如采用更加清洁和降解快的地膜，对于半湿润地区甚至可以去掉地膜等；采用秸秆还田和垄沟集雨相结合，补偿土壤养分的流失，提升垄沟集雨种植技术的全程机械化作业水平，将覆膜种床构建、膜上精量播种、残膜回收等技术相融合，研究出高水平的全程机械化作业装备；最后，缺乏相应的模型模拟垄沟集雨种植技术的增产效应。垄沟集雨种植的模型模拟主要集中在水肥运移的研究，对于作物生长发育过程的描述和作物产量的预测方面研究较少，还需将一些农业生态系统模型应用于垄沟集雨系统中，建立相应的数据库，模拟不同垄沟结构在不同区域、作物上的植株生长发育过程和增产效果。