朱釗岑，劉 冰，司 瑞，趙 穎

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，中國生態(tài)系統(tǒng)網絡臨澤內陸河流域研究站，中國科學院內陸河流域生態(tài)水文重點實驗室，甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

灌溉水生產力受土壤、氣候、作物與灌溉水平等多種因素的共同影響，但在相同灌溉處理與氣候條件下，灌溉水生產力差異則主要由土壤質地差異決定[1-2]。因此，在區(qū)域尺度土地利用管理中，除通過采用先進灌溉技術提高灌溉水生產力外，應根據不同土壤質地確定作物最優(yōu)灌溉時機，制定不同灌溉措施，對灌溉水進行合理分配，提高灌溉水生產力[3-6]。土壤質地是土壤結構的決定性因素，決定土壤保水保肥能力[7-8]。土壤質地可通過影響土壤水分再分布進而影響作物蒸散發(fā)[9]；同時也可通過影響作物的根系分布影響水分養(yǎng)分吸收[10-11]，并影響營養(yǎng)元素的淋溶與肥料利用效率[12-14]，從而影響作物生長特征、生物量與灌溉水生產力。然而，不同作物由于生理差異，導致其根系分布、養(yǎng)分吸收與干物質積累對土壤質地的響應存在顯著差異[15-16]。土壤質地與灌溉水平對作物生長特征、生物量與灌溉水生產力存在交叉影響，不同作物在不同質地土壤種植應采用不同的灌溉措施[16-18]。因此，針對水資源短缺與貧瘠土地生產力低下等問題，確定土壤質地對作物生長和灌溉水生產力的影響，探討作物在不同土壤質地下的生長特征與灌溉水生產力，針對不同土壤質地制定相應的灌溉措施，對于提高土地生產力、土壤改良與節(jié)水灌溉具有重要意義。

甜高粱是一種能源作物、飼料作物和糖科作物，具有極強的抗逆性與適應性，比其他作物更抗旱、耐鹽堿和耐貧瘠[19-22]。黑河中游綠洲區(qū)，屬于典型的荒漠環(huán)境，具有充足的光熱資源，適合甜高粱生長[23]。但甜高粱種植普遍采用傳統(tǒng)的漫灌模式，灌溉水生產力低下，同時由于邊緣新墾綠洲開墾年限差異，土壤空間異質性極大，導致甜高粱生長特征、生物量與灌溉水生產力存在極大差異[2]。同時，按灌溉面積分配灌溉水量導致不同土壤質地農田灌溉用水出現(xiàn)了盈余與虧缺的現(xiàn)象，尤其是新墾綠洲砂質農田[24]。目前，對甜高粱生長特征、生物量的影響因素研究主要集中于溫度、鹽分及水分等方面，主要研究的是甜高粱的抗旱、耐鹽堿及耐低溫[25-28]。然而，不同土壤質地對甜高粱生長特征、生物量和灌溉水生產力影響的研究鮮有報道，同時缺乏不同土壤條件下作物合理灌溉的研究。因此，開展不同土壤質地節(jié)水灌溉對甜高粱生長特征、生物量和灌溉水生產力的影響研究，對于西北干旱區(qū)邊緣綠洲種植結構優(yōu)化與灌溉水合理分配具有重要意義。

本研究以黑河中游邊緣綠洲為研究區(qū)，通過測定不同土壤質地與灌溉處理條件下甜高粱生長特征和生物量，計算灌溉水生產力，研究土壤質地與灌溉處理對甜高粱生長特征、生物量與灌溉水生產力的影響，分析不同土壤質地條件下的甜高粱生產的灌溉措施，為高效開發(fā)綠洲邊際貧瘠土地、優(yōu)化種植結構與灌溉措施提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗布設于中國生態(tài)系統(tǒng)網絡臨澤內陸河流域綜合研究試驗站(39°24′N，100°21′E)，位于黑河中游張掖綠洲臨澤縣北部，綠洲外為巴丹吉林沙漠南緣延伸帶，是典型的荒漠綠洲。該地區(qū)屬典型的干旱荒漠氣候特征，年均降水量為116.8 mm，65%的降雨發(fā)生在6-9月，年均溫7.6 ℃，≥10 ℃年積溫為3 085 ℃，無霜期為168 d，平均日照時數為3 051 h[23]。地帶性土壤為灰棕荒漠土，沿黑河河岸分布有小面積的潮土和灌淤土。同時由于開墾年限差異，土壤熟化程度存在顯著的空間異質性。

1.2 試驗設計

本試驗選擇了土壤有機械組成和養(yǎng)分含量存在明顯梯度的5種土壤(表1)，砂壤土(S1和S2)，砂土(S3和S4)，壤砂土(S5)。土壤基本理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質[2]Table 1 Basic physicochemical properties of different soils[2]

2018年-2019年進行甜高粱種植試驗，試驗品種為“近甜一號”，試驗小區(qū)面積為20 m2(5 m×4 m)，采用膜上種植，小區(qū)內甜高粱的行距為50 cm，株距為20 cm，種植密度為100 050株·hm-2。每個土壤質地設置3個灌溉水平，包括28.6%節(jié)水灌溉I1(6 000 m3·hm-2)，14.3%節(jié)水灌溉I2(7 200 m3·hm-2)，常規(guī)充分灌溉I3(8 400 m3·hm-2)，每個處理3個重復。播種前施用氮肥(尿素，含氮46%)140 kg·hm-2，磷肥(過磷酸鈣，有效磷含量大于12%)70 kg·hm-2作為底肥；拔節(jié)期施用氮肥170 kg·hm-2，磷肥70 kg·hm-2；開花期施氮肥30 kg·hm-2。

1.3 甜高粱生長指標的測定

甜高粱出苗50 d后，每個小區(qū)隨機選取一個(2×2)m2樣方，標定3株生長一致的甜高粱植株，收獲前10 d(2018年9月15日，2019年9月20日)，測定株高、莖稈直徑、綠葉數、莖稈汁液錘度和節(jié)間數。選取甜高粱莖稈的第二節(jié)測定莖稈直徑，莖稈汁液錘度測定部位是底部1/5處、中部1/2處和頂部4/5處。收獲期，收獲各樣方內的甜高粱植株，對每株地上部分分為莖稈、葉片和穗，分別稱其鮮重，然后在80 ℃烘干至恒重后稱重，獲得生物量干重[29]。

1.4 數據處理

灌溉水生產力是評估農業(yè)用水的重要指標[30]，對于農業(yè)發(fā)展具有重要意義，其計算公式為：

式中：IWP為灌溉水生產力，kg·m-3；Yield為地上生物量，kg；IPAR為植物總灌溉水量，m-3。

采用方差分析進行不同土壤質地對甜高粱生長特征與灌溉水生產力的差異分析，采用Person相關分析對土壤質地與甜高粱生長特征、灌溉水生產力進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤質地與灌溉水平對甜高粱生長特征的影響

與常規(guī)充分灌溉(I3)相比，28.6%節(jié)水灌溉(I1)和14.3%節(jié)水灌溉(I2)處理，除砂土外，甜高粱株高均呈現(xiàn)不同程度的增加(表2，表3)，增加幅度在1.00%～13.4%。在5種土壤質地中，不同灌溉處理間甜高粱株高差異顯著，I1和I2分別較I3分別增加了4.07%和3.77%。同時，不同灌溉處理間甜高粱節(jié)間數變化趨勢與株高一致，I1和I2分別較I3分別增加了8.22%和3.50%。然而，灌溉處理對甜高粱莖稈直徑的影響與株高和節(jié)間數呈現(xiàn)相反的趨勢。在5種土壤質地中，不同灌溉處理平均莖稈直徑，I1和I2較I3分別降低了3.92%和3.21%。除I2處理的底部、中部莖稈汁液錘度外，I1和I2甜高粱莖稈汁液錘度較I3增加幅度為0.02%～4.98%。

在5種不同土壤處理中，甜高粱株高、莖稈直徑、節(jié)間數和莖稈汁液錘度均呈現(xiàn)顯著差異(表2，表3)。其中，株高和莖稈直徑最大分別為壤砂土和砂壤土，最小均為砂土；然而土壤性質對甜高粱莖稈汁液錘度的影響與株高、莖稈直徑等生長參數呈現(xiàn)相反的趨勢，除頂部莖稈汁液錘度外，最大的均為砂土S3，且S3較其他土壤甜高粱平均莖稈汁液錘度高4.21%～20.7%；但S3頂部莖稈汁液錘度僅較S2和S4降低3.43%與0.96%。

2.2 土壤質地與灌溉水平對甜高粱地上部分生物量的影響

不同土壤條件下收獲期甜高粱生物量存在顯著差異(P< 0.05，圖1)，莖稈生物量變化范圍為6.62～19.7 t·hm-2，地上部分生物量變化范圍為12.1～32.9 t·hm-2。其中，甜高粱莖稈和地上部分生物量最高的均為S1，其生物量為27.6 t·hm-2，莖稈為15.4 t·hm-2。S3甜高粱莖稈和地上部分生物量最低，其生物量為15.5 t·hm-2，莖稈為8.78 t·hm-2。莖稈生物量占地上部分生物量的比例為44.2%～67.8%?？傮w來看，甜高粱莖稈生物量次序為砂壤土S1，壤砂土S5，砂壤土S2，砂土S4和砂土S3。

隨灌溉量的增加，各土壤甜高粱生物量變化情況存在顯著差異。除砂壤土S1外，呈現(xiàn)顯著的增加趨勢外，其余土壤質地甜高粱均呈現(xiàn)逐漸降低或先增加后降低的變化趨勢。5種土壤質地中，甜高粱生物量呈現(xiàn)隨灌溉量的增加而逐漸降低，I1和I2甜高粱莖稈生物量分別較I3增加了9.71%和2.75%，總生物量為8.96%和3.25%。

表2 甜高粱生長特征Table 2 Growth characteristics of sweet sorghum

表3 土壤質地與灌溉水平對甜高粱生長特征的影響(平均值)Table 3 Effects of soil and irrigation on the growth characteristics of sweet sorghum(Average values)

注：不同小寫字母表示LSD 0.05水平差異顯著。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences at LSD 0.05 level.The same is as below.圖1 不同土壤條件下甜高粱生物量Fig.1 Biomass of sweet sorghum with different soils

2.3 土壤質地與灌溉水平對甜高粱灌溉水生產力的影響

在不同的土壤條件與灌溉水平下，甜高粱灌溉水生產力介于1.73～4.95 kg·m-3之間；最高值出現(xiàn)在S5的I1處理，為4.95 kg·m-3；最低值出現(xiàn)在S4的I3處理，為1.73 kg·m-3(圖2)。不同土壤質地甜高粱灌溉水生產力存在顯著差異，S3和S4顯著低于S5和S1、S2。不同土壤質地，灌溉水生產力隨灌溉量的增加其變化趨勢存在一定差異，但總體呈現(xiàn)降低的變化趨勢。甜高粱I3處理的灌溉水生產力相較于I1處理降低了在3.27%～50.0%，其中S2降低幅度最大，表明土壤質地與灌溉條件對甜高粱灌溉水生產力存在交叉影響。

土壤質地與灌溉處理對甜高粱灌溉水生產力具有顯著影響(圖3)。在不同土壤質地下，甜高粱灌溉水生產力隨土壤黏粉粒、有機質和全氮含量的增加而逐漸增加。但土壤黏粉粒含量達到30.0%、有機質含量達到6 g·kg-1、全氮含量達到0.45 g·kg-1以上時，灌溉水生產力逐漸下降。

灌溉對甜高粱生長特征與水生產力具有一定影響，但各處理間差異不顯著(圖4)。

圖2 不同土壤條件下甜高粱灌溉水生產力Fig.2 Irrigation water productivity of sweet sorghum with different soils

圖3 甜高粱灌溉水生產力與土壤粘粉粒、有機質和全氮含量的關系Fig.3 Relationships of sweet sorghum irrigation water productivity with silt+clay content,organic matter content and total nitrogen content in the soil

3 討 論

3.1 灌溉對甜高粱生長特征與灌溉水生產力的影響

作物生長性狀與水生產力受土壤質地和灌溉等多種因素的綜合影響[2]。針對藜谷和馬鈴薯等作物的研究表明，充分灌溉較節(jié)水灌溉能促進作物對養(yǎng)分的吸收利用，提高光能利用率，促進莖葉生長，有利于產量的提高[11,17]。而對棉花的研究表明，節(jié)水灌溉后棉花莖葉生物量較充分灌溉有所提高，但籽棉產量持平或有所提高[2,32]。解婷婷等[29]在河西走廊的研究表明中度干旱脅迫下甜高粱的生物產量和水分利用效率均最高。本研究表明，在充分灌溉條件下，甜高粱莖粗高于節(jié)水灌溉，但差異不顯著，且其它生長特征、生物量、灌溉水生產力均低于節(jié)水灌溉。本研究結果表明在肥料充足的前提下，充分灌溉不能促進甜高粱產量提高，I1、I2生物量較I3提高6.30%和3.17%，且灌溉水生產力急劇降低，分別降低48.8%與20.4%；同時土壤水分含量過多會導致作物營養(yǎng)品質下降，I2、I3甜高粱莖稈汁液錘度較I1分別降低2.39%與2.04%。已有研究證明，土壤水分脅迫抑制作物的生長發(fā)育，降低光合性能，從而導致作物減產，同時土壤水分含量過多或過少均不利于作物產量提高[29,33]。因此，可通過優(yōu)化灌溉措施實現(xiàn)甜高粱節(jié)水與增產的協(xié)調。

圖4 灌溉量與甜高粱生物量、灌溉水生產力回歸關系Fig.4 Relationships of irrigation with sweet sorghum yield and irrigation water productivity

3.2 土壤質地對甜高粱生長特征與灌溉水生產力的影響

土壤理化性質決定土壤對作物生長的水肥供應能力，與作物的生長特征和灌溉水生產力密切相關[11]。隨著社會發(fā)展與人口擴張，干旱區(qū)綠洲面積不斷擴大，由于不同的開墾年限與灌溉水平，綠洲土壤性狀呈現(xiàn)較大差異。砂壤土和壤砂土耕作時間較長，土壤保肥透氣能力較好，導致根系主要分布層土壤水分和養(yǎng)分條件好，能較好的促進作物的生長；然而砂土土壤結構與保水保肥能力較差，土壤田間持水量較低，導致根系主要分布層土壤水分、養(yǎng)分條件較差，導致在相同水肥條件下水肥利用效率降低，不利于作物的生長發(fā)育[8,24,34]。本研究中，除莖稈汁液錘度外，砂土種植的甜高粱生長特征均與灌溉水生產力低于壤砂土和砂壤土，且生物量與灌溉水生產力差異顯著(P<0.05)，這與其它區(qū)域不同作物研究結果一致[2,15,17]。表明甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土。不同土壤質地對甜高粱莖稈汁液錘度影響存在差異，主要由于不同質地土壤的持水能力差異較大。前人研究表明適當的減少土壤水分有助于甜高粱植株糖分的積累，提高莖稈汁液錘度，但土壤水分過低會影響糖分累積，降低莖稈汁液錘度[34-35]。在本研究中，砂土S3甜高粱莖稈汁液錘度最高，然而砂土S4則最低，且砂土S3、S4甜高粱生物量與灌溉水生產力均較低。主要原因在于土壤持水能力差異(表1)；相同灌溉條件下，砂土中能被甜高粱吸收利用的水分較少，影響了甜高粱生物量的積累，導致其灌溉水生產力較低。適當的水分脅迫有利于發(fā)育過程中糖分的積累[36]，導致砂土S3甜高粱莖稈汁液錘度最高；但S4土壤持水能力極差，導致甜高粱生長過程中水分脅迫較大，不利于其糖分含量的積累，最終導致砂土S4甜高粱莖稈汁液錘度最低。表明適當的水分脅迫有利于甜高粱糖分的累積。

土壤基本理化性質與甜高粱生長特征與灌溉水生產力的相關性結果表明，除莖粗與節(jié)間數和土壤基本理化性質存在顯著相關性外，甜高粱其它生長特征和灌溉水生產力與土壤基本理化性質相關性均不顯著(表4)。除容重與甜高粱生長特征和灌溉水生產力呈現(xiàn)負相關關系，其余均呈現(xiàn)正相關關系；汁液錘度則相反，與容重呈現(xiàn)正相關關系。研究結果進一步表明在黏粉粒含量越低、砂粒含量越高、容重越大的土壤中，甜高粱生長與灌溉水生產力均越低[31]，但莖稈汁液錘度則越高。表明甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土，且適當的水分脅迫有利于甜高粱糖分含量的積累。同時表明，在干旱區(qū)綠洲應結合土壤質地選擇不同類型的甜高粱，其中飼用甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土，糖用甜高粱適合種植于砂土。

表4 土壤基本理化性質與甜高粱生長特征和灌溉水生產力的相關分析Table 4 Correlation analysis of soil physicochemical properties and growth characteristics of sweet sorghum and irrigation water productivity

4 結 論

甜高粱的生長特征與灌溉水生產力均受土壤質地和灌溉水平的交叉影響。與I3灌溉處理相比，I1和I2甜高粱莖稈生物量分別增加了7.81%和3.57%，地上部分生物量增加了6.30%和3.17%。隨灌溉量的降低，甜高粱灌溉水生產力顯著增加，I1和I2分別較I3的2.44 kg·m-3提高了48.8%和20.4%。除莖稈汁液錘度外，甜高粱其它生長特征和灌溉水生產力總體表現(xiàn)為砂壤土>壤砂土>砂壤土>砂土。灌溉水生產力與土壤質地呈現(xiàn)多項式關系，土壤黏粉粒與養(yǎng)分含量過高會導致灌溉水生產力的降低；提升增加灌溉量對于產量的提升不顯著，但顯著降低了灌溉水生產力。表明甜高粱適合種植于砂壤土和壤砂土，且適當的水分脅迫有利于甜高粱糖分含量的積累。