周 宏，張恒嘉 ，莫 非，趙 鴻，，王潤元，吳 姍，鄧浩亮，Asfa Batool，Baoluo Ma，熊友才，*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，蘭州 730070;2.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州 730000;3.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省氣候變化與減災(zāi)重點(開放)實驗室，蘭州 730020;4.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，蘭州 730070;5.加拿大農(nóng)業(yè)部ECORC研究中心，渥太華K1A 0C6 加拿大)

極端氣候事件是區(qū)域范圍內(nèi)某一特定時期發(fā)生頻率較低，但作用強度大、并對自然過程和人類生產(chǎn)活動產(chǎn)生重要影響的天氣氣候事件［1］，包括極端氣溫、極限降雨、干熱風(fēng)和冰雹等事件［2-3］。其中，極端氣溫和降雨具有高度的不可預(yù)測性，已成為影響旱區(qū)糧食安全和生態(tài)系統(tǒng)管理的主要生態(tài)因子［4］。自20世紀80年代以來，我國北方極端氣候頻發(fā)，表現(xiàn)為短期內(nèi)連續(xù)暴雨或者長期極少降雨兩種特征，其中后者對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響面更大［5-6］。極端氣候事件增多加劇了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的波動性，使農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的光、溫、水、土、氣等要素發(fā)生劇烈變化，對作物生長、水分利用和籽粒產(chǎn)量帶來重大影響。在全球變化背景下，主糧作物包括小麥、玉米和水稻在內(nèi)的產(chǎn)量受極端氣候事件影響顯著，造成糧食安全危機。在生態(tài)脆弱的黃土高原，上述危害更趨嚴重，探尋減緩和適應(yīng)氣候變化的策略已成為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的核心內(nèi)容［7-8］。

水資源短缺、降雨少且波動性大是限制雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)糧食產(chǎn)量提高和可持續(xù)性管理的瓶頸［9］，“卡脖子旱”問題十分突出。地膜覆蓋自從1978年引入中國以來，經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代，并得到大面積推廣和應(yīng)用［10-11］。最近10年，壟溝覆膜微集雨栽培技術(shù)得到長足發(fā)展，因其集雨、保墑、抑蒸、增溫、減少水土流失等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于沒有灌溉條件和春季土壤積溫不足的半干旱和半濕潤偏旱地區(qū)［12-18］。較傳統(tǒng)平作耕作技術(shù)，壟溝覆膜技術(shù)能更加有效地抑制無效蒸發(fā)、提高降雨向土壤水和作物水的轉(zhuǎn)化效率，解決作物水溫供需錯位矛盾，尤其是卡脖子旱問題，顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率［19-24］，為旱區(qū)農(nóng)田水分生產(chǎn)力提升和農(nóng)戶生計改善提供了強大的技術(shù)支撐［25-26］。

然而，有報道指出壟溝覆膜在獲得顯著的增產(chǎn)效應(yīng)同時，也會帶來負面影響，包括生長后期的土壤干層問題，通常在土壤1 m深度以下出現(xiàn)干燥化現(xiàn)象［26，27-29］。那么，土壤干層問題究竟是壟溝覆膜引起的，還是作物本身在生長后期對土壤深處的水分過度利用所致?前期研究主要集中在豐水或者次豐水年份，在極端干旱條件下的田間試驗還未見報道。更進一步地，壟溝覆膜條件下的水生產(chǎn)力和對天然降雨的利用效率如何?它們與極端干旱條件下土壤干層現(xiàn)象有正協(xié)同還是負協(xié)同效應(yīng)?對上述問題的回答具有很重要的理論意義和實踐價值。另一方面，在正常年份壟溝覆膜技術(shù)能夠增加干物質(zhì)積累，相應(yīng)地提高籽粒產(chǎn)量，通常與單位面積上成穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重顯著相關(guān)［30-32］。但是在極端干旱氣候下，生物量的積累與產(chǎn)量如何分配?產(chǎn)量構(gòu)成因子將如何變異?相關(guān)研究的報道較少，因此通過開展于大田試驗，研究極端氣候條件下的作物產(chǎn)量與生物量積累，產(chǎn)量構(gòu)成要素的變化特性等關(guān)系，對提高旱區(qū)產(chǎn)量具有重要的意義。

燕麥(Avena sativa L.)是目前最具潛力的成為新一代主糧的栽培作物，可在多種土壤條件下種植［33］。它具有抗旱、耐寒、耐脊的特性［34］，特別適宜于西北干旱、高寒、貧瘠的黃土丘陵溝壑區(qū)［35］。在黃土高原半干旱冷涼地區(qū)，晝夜溫差大、土壤質(zhì)地偏砂，非常適合于燕麥生產(chǎn)。裸燕麥的蛋白質(zhì)和脂肪含量分別高達15%和8.5%，分別是面粉和大米的2倍和4—7倍。由于燕麥脂肪中的主要成份是不飽和脂肪酸，其中具有降脂功效的亞油酸又占38.1%—52%，高居九種主要糧食作物之首［36-37］，因此它又是不可多得的功能保健食品［38-40］，具有廣闊的市場潛力。另一方面，它既有野生性又有栽培性，糧草兼顧，有利于退耕還草，改善種植結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在全球氣候變化下，黃土高原生態(tài)問題和糧食問題日趨突出，燕麥作物具有重要的應(yīng)用價值。

目前極端氣候?qū)r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響研究主要集中在氣候變暖導(dǎo)致高溫天氣［41-42］、暴雨事件［43］、洪澇、低溫霜凍等方面［44-45］，且主要在大的時間和區(qū)域尺度上，對農(nóng)田尺度上降雨格局發(fā)生改變導(dǎo)致極端干旱情景下的相關(guān)研究比較少見。壟溝覆蓋技術(shù)作為一項重要的應(yīng)對全球變化的耕作技術(shù)和應(yīng)對措施，那么在應(yīng)對極端氣候情景有何種效果?降水、土壤水和作物水的轉(zhuǎn)化效率如何?對土壤干層現(xiàn)象是正協(xié)同還是負協(xié)同效應(yīng)?田間水分生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量形成規(guī)律如何?對這些問題的回答首先必須建立在壟溝覆膜系統(tǒng)土壤水文過程和水生產(chǎn)力的基礎(chǔ)研究上。本研究以燕麥為材料，以平地栽培充分供水為對照組，設(shè)置平地旱作栽培、壟溝無覆膜栽培、壟溝覆膜栽培和平地?zé)o栽培等4個處理組，通過探索極端氣候背景下作物生長和水生態(tài)過程，探尋壟溝覆膜微集雨栽培技術(shù)區(qū)域適應(yīng)性特征，為旱區(qū)農(nóng)業(yè)和水資源可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

大田試驗在中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗站(104°37'E，35°35'N)進行。試驗站海拔為1896.7 m，地處歐亞大陸腹地，是我國干旱氣候區(qū)和半濕潤氣候區(qū)的重要氣候過渡帶。它既是氣候變化的敏感區(qū)，又是生態(tài)環(huán)境比較脆弱的地帶。其特點是光能較多，但雨熱不同季，降水少且主要集中在 7—10月，占年降水量的86.9%。該地區(qū)氣候干燥，年日照時間為2433 h，年平均氣溫6.7℃，多年平均降水量為381.7 mm，年蒸發(fā)量1531 mm，平均無霜期140 d，氣候特點在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)具有廣泛的代表性和典型性。另外，該地區(qū)水土流失嚴重，生產(chǎn)力水平較低，土壤肥力中等，表層土壤為重壤土，地下水埋深大于40 m，1 m深土壤剖面平均容重為1.38 g/cm3。pH值8.36，表層0—40 cm平均土壤有機質(zhì)11.01 g/kg，全氮0.73 g/kg，全磷1.77 g/kg，田間持水量的質(zhì)量含水量為25.6%，凋萎系數(shù)為6.7%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5個處理組，其中種植處理4個，1個裸地?zé)o種植:

1)對照組(CK)，平地種植充分供水。

2)壟溝無覆膜種植(RF)，壟溝比40 cm∶40 cm，無灌溉處理。

3)壟溝覆膜種植(RFM)，壟溝比40 cm∶40 cm，無灌溉處理。

4)傳統(tǒng)平地種植(FP)，無灌溉處理。

5)裸地(BF)，無種植無灌溉處理。

充分供水具體方法是在燕麥的苗期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期分別進行充分灌溉，灌水的下線指標(biāo)為田間持水量的65%，這個值一般是高于凋萎系數(shù)，便于被植物所吸收。為降低大氣蒸發(fā)而產(chǎn)生的水分損失，灌水選擇在傍晚進行均勻的噴灌。在每次灌水前通過土鉆取土、烘箱烘干法測定灌水前的土壤質(zhì)量含水量，然后根據(jù)以下表達式確定具體灌水量

式中，M為灌水量(m3);r為以20 cm梯度，100 cm內(nèi)不同剖面土壤容(g/m3);H為計劃濕潤層深度(cm)，依據(jù)作物的根系生長繁殖，每個生育期采取不同的濕潤層(苗期20 cm;分蘗期40 cm，拔節(jié)期60 cm，抽穗期80 cm，灌漿期80 cm);θmax為灌水量下線(%);θ0灌水前土壤含水量(%);r水為水容重(kg/m3)。試驗區(qū)域不考慮地下水補給對灌溉的影響。

所有壟溝栽培模式的設(shè)計壟寬40 cm，壟高20 cm，具體如圖1和圖2所表示。

圖1 壟溝無覆蓋種植Fig.1 The ridge and furrow without mulching planting

圖2 壟溝地膜覆蓋種植Fig.2 The ridge and furrow with film mulching planting

以燕麥“壩莜3號”為材料，地膜材質(zhì)為白色聚乙烯，小區(qū)面積為22 m2，且每個小區(qū)的播種密度相同。播前將試驗小區(qū)耕作層土壤進行30 cm深翻耕，同時施入底肥尿素270 kg/hm2，硫酸鉀105 kg/hm2，過磷酸鈣750 kg/hm2，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，按隨機因子裂區(qū)排列。

1.3 測定的項目與方法

1.3.1 土壤水分

土壤水分采用烘干法測定。播種前和收獲后取樣深度為140 cm，以20 cm為梯度進行采樣測定。生育期間取樣深度為100 cm，同樣采用20 cm為梯度進行采樣，用土鉆取樣鋁盒封裝帶回實驗室測定，用烘箱在105℃溫度下烘至恒重(約8 h)，然后計算土壤重量含水量。其中，土壤貯水量、土壤貯水量變化及耗水量的計算公式為:

式中，土層厚度為(mm);土壤含水率為(%);土壤容重為(g/m3);降雨量與土壤貯水量單位一致，均為(mm)。

式中，WUE為土壤水生產(chǎn)力(kg·hm-2·mm-1);Y為籽粒產(chǎn)量(kg/hm2);SWC為土壤耗水量(mm)。

式中，WP為大氣降水生產(chǎn)力(kg·hm-2·mm-1);P為生育期的有效降雨量(mm)。

1.3.2 出苗率

播種后定期觀察出苗并記錄，出苗以第1片葉伸出葉鞘2 cm為準(zhǔn)，直至燕麥達到生物學(xué)性狀“三葉一心”前，以最后一次觀察結(jié)果為準(zhǔn)，統(tǒng)計出實際出苗數(shù)，最后根據(jù)3次重復(fù)計算實際出苗率。

出苗率(%)=實際出苗數(shù)/實際播種數(shù)量×100%

1.3.3 干物質(zhì)

分別在燕麥的苗期、拔節(jié)期、分蘗期、孕穗期、灌漿期、每個小區(qū)隨機選取10株，帶回室內(nèi)晾干除去根部，包裝后放在105℃的恒溫箱內(nèi)烘30 min殺青，然后將溫度調(diào)至到80℃，繼續(xù)烘干至恒重測定干重。對于成熟期地上干物質(zhì)的測定，人工在每個小區(qū)隨機收取1 m2，除去地下根部，保留完整的地上部分。首先在自然條件下風(fēng)干除去一定的水分，然后用烘箱在80℃恒溫烘干至恒重。各小區(qū)單獨稱取重量，依據(jù)小區(qū)的面積折合為公頃數(shù)。

1.3.4 產(chǎn)量及構(gòu)成因子

在燕麥成熟期，每個小區(qū)隨機選取3 m2，人工收割，曬干至恒重后脫粒，然后將脫粒后的籽粒在自然條件下風(fēng)干除去雜物，考種辦法同生物量測定方法一致。計算3次重復(fù)產(chǎn)量的平均值，最后折合為公頃數(shù)。對于產(chǎn)量構(gòu)成要素測定，每個小區(qū)隨機取10株帶回室內(nèi)進行考種，測定分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重和千粒重等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析

實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)整理，并用Origin 8.0軟件作圖，所有數(shù)據(jù)的顯著性、誤差分析由SPSS 17.0軟件處理得到，而處理之間的各項指標(biāo)均由單因素SLD分析、比較，顯著性水平設(shè)定為α=0.05，各圖表中的數(shù)據(jù)均為平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究地點降雨分析及極端氣候界定

按聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署對極端氣候界定標(biāo)準(zhǔn)，某一時段降水量距平百分量-20%—-39%定為干旱，-40%—-59%為大旱，≤-60%為重早［46］。因此本文將60%定義為極值點來判斷干旱作為極端氣候的標(biāo)準(zhǔn)。在本研究的試驗點，2010年和2011年的降雨量均顯著低于過去30a的平均值，尤其是2011年，總降雨量僅為多年均值的22.58%，且在作物的3個生長繁殖階段:建苗期、生殖繁育、營養(yǎng)繁殖都發(fā)生了嚴重的干旱，在拔節(jié)期更為凸顯，降雨量僅僅為2.6 mm，而多年的均值為55.6 mm。2010年降雨量盡管比2011年高，但是在生殖繁殖后期和營養(yǎng)繁殖前期，發(fā)生了極端干旱現(xiàn)象，降雨量僅為16.0 mm，僅占全生育期的7.62%，與多年均值83.6 mm相比，具有顯著性的差異(表1)。雖然兩年發(fā)生極端干旱的時間段有所不同，且以小于距平值的60%為判斷標(biāo)準(zhǔn)，將2011年界定為全生育期持續(xù)極端干旱，簡稱為全生育期極端干旱年份;2010年界定為生育中后期階段性極端干旱，簡稱為階段性極端干旱。

表1 2010—2011年全生育期降雨量分布極其極端干旱的發(fā)生時段Table 1 Rainfall distribution in growing season and the time during extreme droughts in the 2010 and 2011

2.2 壟溝栽培模式對出苗的影響

種子出苗率低、出苗均勻度差，最終都會直接導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。通過分析發(fā)現(xiàn)2010年和2011兩年各處理之間出苗率出現(xiàn)顯著(P＜0.05)的差異。極端性極端干旱的2010年，處理RFM較CK提高了17.03%，RF、FP較 CK分別降低了11.28%、3.71%。全生育期極端干旱的2011年，各處理的出苗率受到了嚴重的影響，但總體趨勢仍然和2010年相似，表現(xiàn)為RFM＞RF＞FP，與CK 相比，處理RFM、RF，F(xiàn)P 的出苗率分別降低了76.46%、89.52%、89.67%(圖3)。在兩個極端氣候年份下，2010年由于其極端干旱發(fā)生在生育后期，出苗率并沒有受到太大影響，而2011年全生育期的極端干旱使播前土壤儲水和建苗階段土壤的供水量受到了嚴重的虧缺，導(dǎo)致出苗率嚴重降低。但是壟溝覆膜栽培其特有的集雨、增溫效應(yīng)，出苗率仍達到了15%，較 RF，F(xiàn)P相比，其提高了55.4%、56.1%，RF與FP之間沒有顯著差異。

圖3 不同處理燕麥出苗率Fig.3 The germination rate of oat under different treatments

2.3 壟溝栽培對全生育期生物量變化的影響

兩個極端氣候類型下，地上生物量積累隨生育期動態(tài)變化規(guī)律出現(xiàn)了較大差異。生育后期極端干旱的2010年各處理變化表明:處理FP、RF從分蘗期干重一直處于上升階段，隨后逐漸開始下降，到播種后90 d左右停止變化，趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)單峰型變化。處理RFM達到穩(wěn)定的時間相對于滯后幾天。收獲期 RFM、RF、FP 單株干物質(zhì)分別為 3.61、2.65 g、2.82 g，比對照依次降低了 21.22%、42.01%、38.29%，但是處理 RFM顯著高于 RF、FP，分別比其提高了26.59%、21.88%。且從全生育期地上干物質(zhì)變化可以看到，處理RFM達到峰值所需要時間較長，為后期光合有效物質(zhì)積累從莖向籽粒的轉(zhuǎn)移提供了可能(圖4)。對照CK由于后期土壤水分充足，生物量沒有出現(xiàn)明顯的拐點。全生育期極端干旱的2011年，處理RFM生物量收獲期其單株地上干物質(zhì)達到了28.36 g，較處理 CK、RF、FP分別提高了 83.83%、64.17%、68.97%，且干重出現(xiàn)峰值的時間都滯后于2010年各處理，而處理RF、FP由于水分虧缺導(dǎo)致的干旱脅迫，沒有出現(xiàn)峰值(圖4)。2011年全生育期水分虧缺也導(dǎo)致了繁殖分配盡可能向單株生物量積累轉(zhuǎn)移，提高光合積累向營養(yǎng)器官分配的比例，獲取較高的籽粒產(chǎn)量。從兩年生物量的變化可以看到，在生育前期，充分灌溉處理的生物量積累均高于其它處理，且處理FP、RF在95 d之前2010年生長優(yōu)勢優(yōu)于2011年，但2011年生育后期各處理表現(xiàn)出了較好的補償效應(yīng)，而較處理RF、FP，RFM對生物量補償較提前了10 d左右時間。

2.4 壟溝栽培對燕麥產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

產(chǎn)量高低最終決定于各個產(chǎn)量構(gòu)成因子表現(xiàn)和貢獻率，階段性干旱的2010年，各處理除去分蘗數(shù)外，總體表現(xiàn)出如下趨勢:處理RFM較處理組FP、RF有顯著性差異，較對照CK無顯著性有差異。而RFM、RF、CK的穗鈴數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、千粒重均比 FP提高了 23.5%、1.7%、27.2%、-4.7%;-5.3%、-23.6%、0、-4.1%;25.5%、1.5%、36.3%、4.1%。處理 RF比對照 CK依次降低了 5.3%、23.6%、0、4.1%。分蘗數(shù)各處理之間沒有顯著性差異，這可能與播前土壤貯水相對較好，而處理CK由于全生育期進行了充分灌溉，有效分蘗數(shù)較其它處理之間表現(xiàn)出了差異。2011年全生育期極端干旱的背景下，處理RFM的優(yōu)勢進一步凸顯，以上4項產(chǎn)量構(gòu)成因子分別比 FP提高了 58.9%、130.6%、475%、5.1%;比 RF分別提高了-9.4%、6.4%、50.0%、2.6%。而2011年處理RFM的分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)較CK、RF、FP有顯著性差異，而處理RF、FP與CK之間同樣存在顯著性差異(表2)。就兩年處理RFM表現(xiàn)出現(xiàn)的優(yōu)勢而言，2011年在水分限制因子極端的調(diào)控下，尤其是單株粒數(shù)、單株粒重兩項產(chǎn)量構(gòu)成因子較2010年分別提高了0.6倍、5.1倍。這也可能是2011年出苗率極低的情況下，處理RFM產(chǎn)量與對照組相比沒有受到太大影響的原因。

圖4 不同處理燕麥單株地上生物量隨生育期的動態(tài)變化Fig.4 The dynamic of biomass per plant under different treatments during oat different growing season

在階段性干旱的2010年，所有處理的產(chǎn)量和生物量均高于全生育期極端干旱2011年，CK地上生物量積累均顯著高于2010、2011年各處理，這得益于它全生育期土壤水分的充足供應(yīng)。產(chǎn)量除2010年處理RFM外，兩年其它各處理均低于CK(表2)，且處理 RFM產(chǎn)量為 1833.5 kg/hm2，較 CK提高4.6%。階段性干旱的2010年RFM處理較CK收獲指數(shù)并沒有顯著提高，而全生育期極端干旱的2011較CK顯著提高了55.6%。全生育期極端干旱的2011年，處理RFM的產(chǎn)量依然達到了1360 kg/hm2，而RF這種栽培模式在極端干旱年份相對于傳統(tǒng)的耕作模式了反倒是限制了產(chǎn)量構(gòu)成要素的增長。收獲期地上生物量CK均顯著高于兩年各處理，2011年各處理生物量均顯著低于2010年各處理，但是在全生育期極端干的2011年處理RFM顯著的高于處理RF、FP。盡管生物量降低了，但產(chǎn)量并沒有相應(yīng)的大幅降低，這可能是覆膜壟溝栽培將有限的土壤水分用于增加產(chǎn)量構(gòu)成因子。

表2 不同處理對燕麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響Table 2 The effect of different treatments on oat yield and yield components

2.5 壟溝栽培對收獲期土壤水分變化影響

收獲期土壤含水量反映了作物在全生育期對土壤各剖面水分攝取狀況，在兩個極端干旱類型年份，剖面含水量基本以40—60 cm為拐點，從0—140 cm土壤水分的變化呈“V”形變化趨勢，2010、2011年處理組RFM、RF、FP、BF 0—60 cm耕作層土壤含水量分別為21.8%、16.7%、11.5%、16.3%;14.1%、14.9%、14.7%、16.4%;CK為14.65%。且土壤水分最低值發(fā)生在40—60 cm剖面內(nèi)，通過試驗也發(fā)現(xiàn)該層形成了土壤干層，而處理BF表層含水量基本一致。60 cm以下土壤含水量逐漸回升，兩年 80—140 cm RFM、RF、FP、BF處理組的含水量分別為13.5%、15.2%、14.4%、16.8%;13.2%、14.4%、13.5%、14.0%，CK為14.3%，可以發(fā)現(xiàn)，處理RFM含水量最低，這可能是覆膜處理作物生長優(yōu)勢通過蒸騰作用對表層

水分消耗的同時，發(fā)達的根系會進一步將深層土壤水向上運輸，以供給作物各個階段對水分的需求。處理BF水分消耗主要是蒸發(fā)損失，因此含水量相對高于其它處理，2010年整個0—140 cm剖面基本維持在15%左右(圖5)，幾乎成直線型變化，2011年BF下層含水量低于RF、CK，高于RFM、FP，仍然遵循V型趨勢，但拐點發(fā)生在80 cm左右處。且兩年的研究表明，120 cm以下剖面土壤水分，幾乎不受耕作的影響，兩年處理RFM、RF、FP、BF的含水量分別為16.3%、17.1%、17.5%、17.1%;14.7%、15.1%、14.7%、15.1%，且階段性極端干旱的2010年要高于全生育期極端干旱的2011年。

圖5 不同處理收獲期0—140cm各剖面的土壤水分含量變化Fig.5 The dynamic of soil water content with soil depth changes under different treatments during mature stage

2.6 壟溝栽培對全生育期土壤貯水量變化影響

在階段性極端干旱的2010年，土壤貯水量在全生育期的變化經(jīng)歷了3個主要的過程，前40 d略有增加，后面持續(xù)降低，但并非直線下降，而在70 d左右水分又一次短暫的回升，這可能是在這個生育階段降水的補給超過作物的耗水需求，再從灌漿期到成熟期貯水量回升階段。在開始階段，處理RFM要略高于RF和CK，隨后開始下降，這與其作物生長旺盛，對水分的高消耗有關(guān)，而在后期的恢復(fù)階段，處理RFM可以更有效的將降雨轉(zhuǎn)化為土壤水，貯水量明顯高于其它處理，且表現(xiàn)出BF＞RFM＞RF＞CK＞FP(圖5)，進一步凸顯了處理RFM種耕作栽培方式對土壤水分利用的優(yōu)勢。裸地由于無種植，除表層在開始階段受到蒸發(fā)影響外，此后水分相對穩(wěn)定，基本維持在210 mm左右，不受作物生長對水分的主動調(diào)控。全生育期極端干旱的2011年各，各處理經(jīng)歷了兩個變化階段，從開始到90 d左右下降階段，隨后到收獲期的回升階段，而處理RFM的下降一直持續(xù)到了100 d左右，在前80 d要高于BF和FP，而在隨后的90—100 d左右處理FP水分開始緩慢回升，而處理RF、RFM在短暫時間內(nèi)再次出現(xiàn)了急劇下降階段，從開始200 mm左右直降到135 mm(圖5)，盡管收獲期水分逐步的開始恢復(fù)，但由于前一階段對水分的過度消耗，加之沒有降雨及時的補給，導(dǎo)致收獲后土壤貯水量低于其它處理，有如下趨勢:BF＞FP＞RF＞CK＞RFM。在兩個極端氣候類型背景下，降雨相對較好的2010年，各處理生育期的平均貯水量均高于2011年，而壟溝處理RF、RFM在生育后期貯水開始明顯回升，2010年處理RFM 100 d以后貯水量達到了171.4 mm，較 RF、FP分別提高了4.3 mm、30.5 mm，2011年RF貯水量為195.4 mm，較其它處理最高。

圖6 不同處理下1m內(nèi)土壤剖面貯水量變化Fig.6 The dynamic of stored water amount within one-meter soil depth under different treatments

2.7 壟溝栽培對作物生育期、耗水量、水分利用效率、水生產(chǎn)力的影響

在階段性極端干旱的2010年，處理FP生育期要短于處理RFM約一周的時間，而充分灌溉處理CK的生育期最長，達到了119 d。這與水分充足拓寬了灌漿期長度有關(guān)，而全生育期極端干旱的2011年各處理的生育期相對于2010年平均延后了25 d左右(表3)。2010年各處理土壤耗水量為FP＞CK＞RF＞RFM，處理RFM低于其它處理，而在全生育期極端干旱2011年恰好相反，處理RFM由于其在生物量繁殖優(yōu)勢，導(dǎo)致了對土壤水過度消耗和利用，耗水量最高。2010年處理RFM水分利用效率較對照提高了22.4%;全生育期極端干旱的2011年，處理RFM水分利用效率達到了14.1 kg·mm-1·hm-2，較對照CK提高了85.5%，且比2010年提高了34.2%，而兩年處理RF和FP水分利用效率分別為5.3、5.0;5.7、5.0 kg·mm-1·hm-2均 顯 著 低 于 CK 值7.6 kg·mm-1·hm-2。極端性極端干旱的2010年，覆膜處理RFM大田的水生產(chǎn)力顯著性高于CK，而處理RF、FP顯著低于CK。全生育期極端干旱的2011年，處理RFM的水分利用效率，水生產(chǎn)力均顯著高于其它處理，尤其水生產(chǎn)力達到了18.3 kg·mm-1·hm-2，比對照CK提高了53.6%(表3)，但處理組RF和FP顯著低于對照組。

表3 不同處理下燕麥大田土壤耗水量、水分利用效率、水生產(chǎn)力比較Table 3 Comparisons of water consumption，yield and water use efficiency under different treatments in an oat field

3 討論

壟溝覆膜集雨栽培技術(shù)大幅度提高生物量的積累和提升作物產(chǎn)量，已經(jīng)成為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)生產(chǎn)力躍升和穩(wěn)定的主要強動力［47-53］。壟溝與地膜相結(jié)合耕作模式，首先是通過增加雨水收集效率和土壤容納降雨的空間，進而提高作物水分利用效率，形成較好的水分補償效應(yīng)，有效地彌補了裸露栽培水分蒸發(fā)快、不保墑的缺陷，顯著地改變了作物對極端干旱氣候的適應(yīng)對策，最終影響作物的出苗、成苗和產(chǎn)量形成［53-55］。該技術(shù)能明顯減除玉米“卡脖子旱”現(xiàn)象，通過增加穗粒數(shù)和千粒重等穗部相關(guān)系數(shù)、以及單位面積的分蘗數(shù)而達到增產(chǎn)目標(biāo)［56-61］。

土壤深層干燥化在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)是一種特殊水文現(xiàn)象，其后果是形成土壤干層。研究指出，黃土高原旱作糧田深層土壤干燥化現(xiàn)象日益凸顯，受植被覆蓋類型、作物種類、土壤類型和播種年限的影響，土壤干層的變動范圍存在較大的差異，且隨著播種年限增加和連續(xù)干旱的發(fā)生，土壤干燥程度會加深［62-64］。已有研究表明，以土壤水分含量低于11%的土層全部看作土壤干層［65］。本研究發(fā)現(xiàn)兩年收獲期不同剖面的水分變化主要發(fā)生在1 m以上的土層，除去充分灌溉，其它3個處理組FP、RF和RFM對60 cm處水分的消耗最為嚴重，兩年平均含水量分別為9.9%、11.0%、11.1%，低于其它各剖面，出現(xiàn)了土壤干層。在2011年處理RFM含水量最低，僅為9.5%，推測是由于在極端干旱與水勢梯度雙重作用下，土壤水分強烈蒸發(fā)形成［66］。但覆膜處理由于其高效的集雨性和抑蒸性，能夠快速促進表面水分的回升，表層土壤水分高于其它處理，因此能夠囤積更多有效水分向下運輸，也提高了土壤水分潛在的恢復(fù)能力，這對連年播種可能加劇的土壤干層現(xiàn)象具有一定的緩解效應(yīng)。而壟溝無覆膜處理1 m以下水分受作物的生長而發(fā)生的遷移和交換影響較小，能維持較為穩(wěn)定的含水值。平種和裸地由于其表層蒸發(fā)高，導(dǎo)致了較大的下層水分波動［59］，既不利于各個土壤剖面維持水分動態(tài)平衡，也不利于極端氣候下作物的持久抗旱性。

兩個極端干旱類型年份，生育期土壤貯水量呈現(xiàn)出以孕穗期為分界點，前期一直降低，隨后逐漸恢復(fù)。2010年前期壟溝覆膜處理低于其它處理，這與生育期降雨分布均勻正常年份壟溝地膜覆蓋能夠提高土壤貯水量有差異［67-68］，這可能是壟溝覆膜系統(tǒng)增加了燕麥建苗期水分的供應(yīng)，為燕麥出苗和前期生長提供了充足水分的儲備，尤其消耗了耕作層土壤蓄水。由于處理RFM產(chǎn)流快，減少了徑流量，兩年前期土壤貯水量較高，而后期含水量低是由于作物生物量的積累和籽粒灌漿的形成加速了水分的消耗，實現(xiàn)了前期蓄水后期供水，解決了降雨導(dǎo)致的作物水分供需矛盾，整個生育期1 m內(nèi)平均貯水量比壟溝無覆蓋、平地分別提高4.1、12.1 mm。已有研究表明，裸燕麥普通膜壟、可降解膜壟和土壟的土壤貯水量比平作分別提高102、83 mm和61 mm，盡管受到干旱抑制，提高幅度較小，但是膜壟集雨優(yōu)勢依然明顯，與本研究結(jié)果一致［69］。而在全生育極端干旱2011年孕穗期以后壟溝覆膜處理1 m內(nèi)平均貯水量僅為158.9 mm，較壟溝無覆蓋和平種減少了24.3、14.3 mm，首先由于壟溝覆膜栽培體系根據(jù)群體生長的需求對土壤水分進行了時間上的再分配，其次是極端干旱氣候條件下，壟溝覆膜在抑蒸、集雨和膜下毛細管提“墑”的共同作用下，以消耗深層土壤貯水量為代價維持作物生長［70-72］。壟溝覆膜處理的高耗水也加大了后期土壤水分恢復(fù)的難度和周期。盡管對照組在兩個極端干旱年份從苗期到灌漿期土壤貯水量相對較高，但收獲期土壤水分沒有表現(xiàn)出回升的趨勢，因此在旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)的背景下，此種耕作方式不利于下茬作物的生產(chǎn)。

土壤-植物-大氣連續(xù)體是實現(xiàn)農(nóng)田水循環(huán)的關(guān)鍵［73］，而土壤水是降雨轉(zhuǎn)化為作物水的中間樞紐。當(dāng)極端干旱導(dǎo)致的水分虧缺出現(xiàn)在苗期時，會發(fā)生作物物候的改變，尤其拉長出苗所需的時間，這從2011年的苗期來看，比2010年平均晚了25 d左右，最終導(dǎo)致了整個燕麥物候期的滯后。這與研究表明水分缺失常常使植物物候延遲，推遲時間與干旱程度有關(guān)一致［74］。研究指出，在生育期 230，340 mm和440 mm不同的降雨條件下，通過壟溝覆膜方式播種，玉米水分利用效率和產(chǎn)量分別較傳統(tǒng)平種提高了 77.4%，43.1%，9.5%;82.8%，43.4%，11.2%［75］，證明在降雨量為230 mm的最低年份，各項指標(biāo)提升的潛力最大。本研究表明，在極端干旱環(huán)境下，壟溝覆膜覆蓋能夠進一步提高土壤水的利用效率和大田水生產(chǎn)力，尤其在2011年生育期降雨量僅為74.2 mm，兩項指標(biāo)較對照分別提高了85.5%、115.3%，產(chǎn)量較平種提高了209.1%，與以上研究相一致。因此壟溝覆蓋栽培系統(tǒng)在極端干旱年份，最大程度的滿足了作物對水分的供需分配，實現(xiàn)了雨水、土壤水、作物水“三水”的優(yōu)化配置利用，從空間上拉攏了該區(qū)降水資源與作物需水之間的錯位，是應(yīng)對極端干旱條件，維持產(chǎn)量穩(wěn)定的優(yōu)勢選擇。

4 結(jié)論與展望

燕麥作為寒旱地區(qū)的優(yōu)勢作物，對自然環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力，不僅有利于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)事活動，而且由于其抗旱、耐寒的優(yōu)良特性，其未來必將有廣闊的應(yīng)用和推廣空間［76-77］。而壟溝覆膜栽培也極大地彌補了燕麥在極端氣候下的產(chǎn)量虧缺，尤其在全球氣候變化的背景下，其作為第三主糧的生產(chǎn)潛力為解決我國高寒草地草畜供求矛盾，保護草地資源可持續(xù)性發(fā)展和世界糧食安全做出貢獻［78-79］。

在極端氣候事件發(fā)生情況下，壟溝覆膜栽培技術(shù)作為重要抗旱技術(shù)具有較好的適應(yīng)性，盡管產(chǎn)量輸出和地上生物量積累受到了抑制，但可通過積極提升生育后期土壤水分以緩解土壤干層，并采取不同的生物量補償和穗部優(yōu)化策略來緩解極端干旱帶來的產(chǎn)量下降。從時間和空間尺度上優(yōu)化了作物對水資源的供需匹配，從而提高了作物水分利用效率和大田水生產(chǎn)力，提高了極端干旱背景下燕麥的抗旱性和大田產(chǎn)量的穩(wěn)定性，是應(yīng)對極端氣候變化和提高旱區(qū)糧食安全的重要生態(tài)策略。我們的研究旨在為干旱區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)應(yīng)付極端氣候提供一定的借鑒，也拓展了壟溝覆蓋栽培作為重要的抗旱技術(shù)在更復(fù)雜環(huán)境下推廣可能。然而在極端氣候的影響下，作物地下根系的分布和分配，以及土壤養(yǎng)分的輸入和輸出變化尚需進一步的探究，力求從土壤水分、養(yǎng)分、以及作物株型指標(biāo)綜合解釋其應(yīng)對極端天氣的生產(chǎn)、生態(tài)過程。

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