丁 林，王福霞，吳 婕，王文娟

（1.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

油葵出油率高、適應性強、經濟價值高、油質好，是一種高產健康的油料作物，在石羊河流域民勤綠洲種植較為普遍，年種植面積均在4 000 hm2以上［1，2］。該區(qū)域油葵現狀種植模式以覆膜地面畦灌為主，灌溉定額在3 600～4 500 m3∕hm2之間［3］。近年來由于水資源供需矛盾突出，有限的水資源不能滿足社會經濟的快速發(fā)展，滴灌、噴灌、壟膜溝灌等高效節(jié)水技術逐漸在油葵種植中被推廣應用。壟作溝播噴灌技術正是在這一背景下由科研人員借鑒旱作農業(yè)區(qū)壟作溝播栽培技術，結合灌溉農業(yè)區(qū)的特點及噴灌技術優(yōu)點提出來的一項高效節(jié)水栽培技術［4］。由于該技術改善了土壤水、肥、氣、熱等狀況［5，6］，可使灌溉水和降水集中入滲于作物根部，隨種植膜孔入滲［7，8］，提高了土壤蓄水、保墑能力［9-11］，使有限水分被作物充分利用，實現了促進作物生長，提高了作物產量及水分利用效率的目的［12，13］。該技術已在部分井灌區(qū)的棉花、葵花、茴香等作物上推廣應用，節(jié)水增產效果明顯。本文作者及其合作者在棉花、食葵、茴香、油葵等作物上對壟作溝播噴灌技術參數與效益等開展了大量研究，主要針對作物耗水及灌溉制度［14］、生長特征與產量［15］、灌溉水分配與利用［16］、根系生長特征［17］等方面，已取得了一定的研究成果。但壟作溝播噴灌技術對水熱利用的調控與高效利用等方面尚未開展深入研究，本研究針上述問題，結合油葵種植與壟作溝播噴灌技術的特點，在民勤綠洲采用大田壟作溝播噴灌種植（非復播）方式開展工作，從壟作溝播噴灌對土壤水熱調控，油葵干物質積累與分配、產量與水分利用效率、水熱高效利用效應等方面研究壟作溝播噴灌對油葵土壤水熱的調控及高效利用機理，提出節(jié)水高產模式，以期為井灌區(qū)油葵水熱高效利用與高質量生產提供理論基礎，并促進壟作溝播噴灌技術的科學發(fā)展與推廣應用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2020年4月-2021年9月連續(xù)兩年在甘肅省水利科學研究院民勤灌溉試驗站（甘肅省灌溉試驗中心站）進行。試驗區(qū)屬典型的大陸性荒漠氣候，地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶。區(qū)內氣候干燥，風沙多，降水稀少，蒸發(fā)量大。多年平均氣溫7.8 ℃，平均濕度45%，平均降水110 mm，平均蒸發(fā)量2 644 mm。試驗區(qū)土質0～60 cm 為黏壤土，60 cm 以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄葜貫?.54 g∕cm3，孔隙率42.8%，pH值7.96，灌溉水為地下水，埋深30 m，礦化度0.91 g∕L。

1.2 試驗設計

試驗以油葵（品種為“矮大頭”）為研究作物，以不同灌水定額各設4 個處理，以常規(guī)覆膜噴灌為對照，各小區(qū)隨機布置，每個處理重復3 次，共計15 個試驗小區(qū)。試驗區(qū)壟溝規(guī)格依據雙壟溝播機而定，為大小壟，大壟寬70 cm，小壟寬40 cm，溝深15 cm，作物種植行距與壟溝規(guī)格一致，均為大小行，大行距70 cm，小行距40 cm。種植時用雙壟溝播機完成起壟覆膜，種子播在壟溝內，株距20 cm，每穴1～2 粒，理論保苗7.50～8.25 萬株∕hm2（圖1）。田間噴灌工程為半固定式噴灌，噴頭流量為1.0 m3∕h，射程為6.5 m，工作壓力0.25 MPa，噴頭采用正方形布置方式，每個小區(qū)面積6.5 m×6.5 m。對照處理（CK）為覆膜平作噴灌，膜寬145 cm，種植規(guī)格為一膜3 行，行距45 cm，株距25 cm，每穴1～2 粒，理論保苗7.30～8.00 萬株∕hm2。2020年各處理種植時間為4月25日、灌水時間為4月26日、6月7日、6月29日、7月18日、7月29日，收獲時間為8月20日；2021年各處理種植時間為4月18日、灌水時間為4月26日、6月6日、6月25日、7月14日、7月26日，收獲時間為8月12日。兩年試驗期間各處理底肥、追肥均一致，分別為底肥施氮肥450 kg∕hm2（尿素，46%N），磷肥300 kg∕hm2（磷二銨，16%P2O5）。在油葵開花期、灌漿期隨水追肥2 次，每次施氮肥300kg∕hm2（尿素，46%N）。試驗灌水定額設計參考試驗區(qū)土壤及當地油葵灌溉制度，修正后根據壟作溝播特點設定，各處理冬季儲水灌溉定額均為120 mm，壟溝處理生育期灌水定額分別為24 mm（T1）、30 mm（T2）、36 mm（T3）、42 mm（T4），對照處理灌水定額42 mm（CK），灌水次數均為5次，灌水時間分別為播種后、現蕾期、開花期、灌漿期、成熟期。2020年油葵生育期降水量為75.2 mm，其中4-6月12.3 mm，7-8月62.9 mm；2021 油葵生育期降水量為64.2 mm，其中4-6月14.8 mm，7-8月49.4 mm。

圖1 雙壟溝播噴灌壟溝模式及栽培示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of ridge-furrow spraying and irrigation mode and cultivation

1.3 測定指標與方法

表1 油葵壟作溝播噴灌灌溉參數設計Tab.1 Irrigation parameter design of furrow seeding and spray irrigation with oil sunflower

灌水量：采用管道輸水，每個試驗小區(qū)用獨立閘閥及水表控制灌溉，灌水量由水表精確量測，水表測量精度為0.01 m3。

噴灌系統(tǒng)壓力：采用變頻設備控制灌水管道系統(tǒng)壓力，采用恒壓供水模式，壓力設定為0.25 MPa。

土壤含水率：用HD2 測定土壤體積含水率，測定總深度為100 cm，每20 cm 為一層測定，每個處理分別在距離噴頭4 m 處的壟頂和壟溝內埋設測管，每隔5～8 d 測定一次，降水及灌水前后加測，重復3次。

地溫：利用地溫計測定，分別在每個處理各安置1 套地溫計，共觀測5 個層次地溫（5、10、15、20 和25 cm）。從油葵播種開始到收獲每天進行觀測。觀測時間分別為8∶00、12∶00 和18∶00。

作物產量及水分利用效率：收獲期每小區(qū)隨機選2點，每點取樣5～10株，將兩個點的樣品合成一個樣，進行考種；按各小區(qū)單收計算產量。水分利用效率指油葵每消耗單位水量生產籽粒產量的量（kg∕m3）的比值。

種植效益與凈產值：記錄各處理生產資料、水電、勞務、機械、作物收購價等數據（數據均為2020年、2021年實際市場調研價格結合試驗區(qū)各項材料用量和價格后確定），計算油葵產出與種植投入之差。

氣象資料：通過PC-3 全自動氣象站（遼寧錦州陽光氣象科技有限公司）觀測記載降水、蒸發(fā)、溫度、濕度、輻射、風速、風向等氣象因素。

1.4 數據分析及處理方法

用Excel2016 進行數據處理和制圖，用DPS（v18.10）統(tǒng)計軟件做方差分析，采用了LSD多重比較方法。

2 結果與分析

2.1 油葵不同位置土壤水分變化動態(tài)

由圖2、3可以看出溝底和壟面土壤含水率的變化趨勢與灌水頻率一致，每次灌水后都會出現峰值，由于溝內入滲水分較多，溝內含水率峰值變化較陡。灌水前后含水率數值最大相差值出現在播種后，由于無作物覆蓋，最大的T4 灌水前后含水率相差為2020年的5.91%，最小相差值出現在開花期，此階段作物生長茂盛，最小的T1灌水前后含水率相差為2020年的1.6%。各處理壟面含水率變化與溝內相比較為平緩，每次灌水后都會出現峰值，但峰值都不大，均小于溝內含水率峰值，說明壟面滲入水分較少，灌水前后含水率數值最大相差為2021年T4 的3.99%，最小相差為2020年T1 的1.3%。雖然CK 處理灌水定額與T4 處理一樣，但CK 處理在各生育階段含水率均低于T4 處理，主要與種植方式有關，CK 處理為平作噴灌，不是全膜覆蓋，增大了棵間蒸發(fā)。各處理峰值的大小與灌水定額大小呈線性關系，從整個生育期來說，含水率峰值的大小一直都在降低，說明土壤中原有的水分在油葵生育期被不斷利用，且灌水量越小的處理利用量越多，其中在播種后到一水前下降更為明顯，說明原有土壤水分（冬季儲水）在這一階段被大量利用。

圖2 油葵全生育期溝內土壤含水率變化過程Fig.2 Variation process of soil moisture content in ditches during the whole growth period of oil sunflower

2.2 油葵不同土壤深度溫度變化動態(tài)

通過連續(xù)觀測試驗區(qū)0～25 cm土層溫度變化可知（圖4），雖然在同一天內土壤溫度隨時間變化呈現出低-高-低的單峰變化規(guī)律，但整個油葵生育期土壤溫度變化與氣溫及灌水有較為明顯的關系。隨著灌水的實施，土壤溫度變化較大，灌前地溫較高，灌后地溫下降，隨著水分消耗地溫又緩慢上升，灌水定額較小的處理地溫相對較高，主要是由于外界環(huán)境對土壤溫度影響較大，而土壤缺水對溫度起不到調控作用。就不同深度而言，全生育期不同深度地溫變化趨勢均一致，只是5、10 cm 處地溫變化波動較為強烈，15～25 cm處較為平緩，且5、10 cm處地溫峰值均高于15、20 和25 cm 處，主要是上層土壤溫度受大氣溫度及土壤水分影響較大，而下層土壤溫度受大氣溫度影響較小，而受土壤水分的影響較大。就整個生育期而言，雖然0～25 cm 深度的土壤溫度自油葵播種后開始到7月下旬因氣溫變化有個別突變的現象，但總體都表現出上升的趨勢，這是由于自油葵播種后開始到7月下旬氣溫總體呈持續(xù)上升趨勢。各處理全生育期土壤溫度變化趨勢均一致，但灌水量大的處理地溫相對較低，主要是由于灌水量大，土壤濕度就大，導致地溫較低。CK 及T1 處理相比其他壟作溝播處理土壤溫度變化幅度大，而T3、T4處理由于灌水后水分疊加利用及保墑效果良好等因素影響，對地溫起到了一定調控作用，其數值變化較為平緩。總體來看，在壟作溝播噴灌油葵生育期適宜灌水定額可有效調控地溫，使地溫條件適宜作物生長并減少水分無效蒸發(fā)，對土壤水熱的調控及利用較為有效，能提高水熱利用效率，對油葵產量形成及穩(wěn)產高產有一定促進作用。

圖3 油葵全生育期壟面土壤含水率變化過程Fig.3 Change process of soil moisture content on ridge surface during the whole growth period of oil sunflower

圖4 油葵全生育期不同時段0～25 cm土層溫度變化過程Fig.4 Temperature changes in 0～25 cm soil layer at different periods during the whole growth period of oil sunflower

2.3 油葵干物質積累與分配特征

作物生長過程中光合產物的累積量及其在不同器官中的合理分配是作物經濟產品形成的重要基礎，也是探索、篩選和評價高效節(jié)水灌溉技術的重要依據。由圖5可知各處理在苗期-拔節(jié)期主要以葉片生長為主，葉干物質占比較高，兩年均在45%以上，其中T3處理2021年達到了51.21%；開花期葉干物質占比有所下降，而莖干物質占比有所升高，但莖、葉干物質仍占絕大部分，莖干物質占比均在37%以上，部分處理已超過44%，葉干物質占比均在28%以上，兩者占總干物質的65%以上；灌漿期葉干物質占比繼續(xù)下降，而盤干物質占比有所升高，莖、葉、盤干物質占總干物質的89%以上，其中莖干物質占比均在33%以上，葉干物質占比均在23%以上，盤干物質占比均在27%以上；成熟期葉干物質占比繼續(xù)下降，均降到了20%以下，而盤干物質占比繼續(xù)升高，占比均超過了40%，莖、盤干物質占總干物質的72%以上，其中莖干物質占比均在35%以內，盤干物質占比均在40%以上。就根干物質占比來說，在整個生育期變化較為平緩，均在20%以下，且隨油葵生長其占比逐漸下降。

圖5 油葵不同生育期各部分干物質占總干物質的比例Fig.5 Proportion of dry matter of different parts in total dry matter at different growth stages of oil sunflower

各處理不同生育期干物質積累方差分析見表2，由表2可知T3、T4 處理在兩年試驗期各生育期干物質積累量均較大，2020年前兩個生育期與CK、T1、T2 均有極顯著差異，在后兩個生育期與T1、T2 均有極顯著差異；2021年T3、T4 處理各生育期均與T1、T2 均有極顯著差異，上述表現一定程度上與灌水定額有關系，同時可以看出，雖然T3 處理灌水定額小于CK 和T4，但其干物質積累量并不小，甚至超過了CK 和T4，說明T3 處理對水有限水分的利用效率較高，進而提高了干物質積累效率，結合干物質在各個器官的分配特點，對產量的提高起到了積極作用

表2 油葵不同生育期干物質積累情況g∕m2Tab.2 Dry matter accumulation in different growth stages of oil sunflower

2.4 油葵產量特征與水分利用效率

油葵各處理產量及產量構成要素、水分利用效率等見表3所示?？傻贸龉嗨~大小與種植方式對產量有決定作用。壟溝處理4 個灌水定額條件下兩年產量最高的均為T3 處理，兩年分別為8 213.5 和8 389.3 kg∕hm2，其次為T4 處理，其中2020年T3、T4 處理與CK 及其他壟溝處理均有及顯著差異；2021年T3 處理與其他處理均有及顯著差異。就產量構成因素而言，T3、T4處理兩年盤干重、百粒重均較大，與其余處理有極顯著差異；T3處理單盤籽粒重均在較高值，與T1、T2處理差異極顯著，但與T4 和CK 處理差異不明顯。在相同灌水定額條件下（T4 與CK），壟溝處理灌溉水利用率較高，其單盤籽粒數較多，籽粒較重，百粒重較大，在出苗率無明顯差異的條件下，產量相對較高。由于各處理在生育過程中氣候條件一致，因此各處理耗水量及水分利用率與生育期灌溉定額有直接關系，灌溉定額大，耗水量相對較多，水分利用率相對較低。但相同灌溉定額下，壟溝處理對水分利用效率有很大影響，如CK 處理兩年水分利用率分別為2.35 kg∕m3和2.38 kg∕m3，而壟溝處理水分利用效率均在2.5 kg∕m3以上，較CK 處理2020年提高0.18～0.34 kg∕m3，2021年提高0.16～0.54 kg∕m3，兩年間壟溝處理水分利用效率與CK 均有及顯著差異，由此可得壟作溝播噴灌處理大大提高了水分利用效率。通過對油葵生產成本及效益的估算，從凈產值來看，T3 處理兩年均為最高，分別為20 704.2 元∕hm2和21 407.2元∕hm2，2020年與T4 處理無差異，與其余處理有極顯著差異，2021年與其他處理均有極顯著差異，且T3 處理兩年凈產值較CK 處理分別提高6.7%和10.2%。由此可見，油葵采用壟作溝播噴灌技術，可以在一定程度上抑制土壤蒸發(fā)量，減少灌水定額，充分利用灌溉水，在實際油葵種植生產中可采取壟作溝播噴灌技術，建議采用灌水定額36 mm，灌水頻率依據氣候條件保持在3～5次為宜，這樣不僅可節(jié)約有限水資源，還可有效調控地溫地溫，提高水分利用效率，達到節(jié)水、增效的目的。

表3 油葵產量與水分利用效率Tab.3 Oil sunflower yield and water use efficiency

3 結論與討論

3.1 討 論

本研究借鑒旱作農業(yè)區(qū)的壟作溝播集雨技術與灌溉農業(yè)區(qū)噴灌技術的特點，在已有研究基礎上開展壟作溝播噴灌技術對土壤水熱的調控與高效利用研究，與已有研究中減少灌水量、提高作物產量，促進灌溉水量合理分配與利用等方面的研究結論是相同的［15，16］。在節(jié)水灌溉技術調控土壤水熱狀況，提高水熱利用效率、促進干物質積累分配方面的研究結論與膜下滴灌油葵與甜菜［18，19］、交替隔溝灌甜椒［20］、秸稈覆蓋冬小麥［21］、膜上灌春小麥［22］、麥秸塑膜覆合覆蓋玉米［23］等作物上的研究結論是一致的。但由于試驗在民勤紅崖山灌區(qū)開展，受氣候、土壤性質、作物品種等影響，研究結論有一定局限性，相關的指標與推薦定額不能完全應用于類似地區(qū)及類似作物，但總體適用條件及變化趨勢不變，對類似地區(qū)開展壟作溝播噴灌技術推廣應用、水管理部門制定灌水定額、配水計劃等均有一定的指導意義。另外由于儀器設備及數據測定分析手段的局限性，部分數據收集頻率不夠，影響了部分數據及結論的準確性。因此在后續(xù)研究中，還應采取更為先進的方法及設備對土壤水熱、作物指標開展精確量測，使研究結論更符合實際，有利于推廣應用。

3.2 結 論

本文通過研究壟作溝播噴灌條件下土壤水分與溫度變化特征，油葵干物質積累與分配、產量與水分利用等指標，探討了壟作溝播噴灌對土壤水熱的調控與高效利用機理與效應，對研究壟作溝播噴灌條件下油葵水熱高效利用及提高產量與效益有一定指導意義。相關結論如下：①壟作溝播處理溝內入滲水分較多，含水率峰值變化較陡，在油葵生育期可減少棵間蒸發(fā)，充分利用土壤中的冬季灌溉儲水量和有限的灌溉水資源，提高了水分利用效率。②壟作溝播處理土壤溫度變化較CK 處理幅度較小，尤其T3、T4處理地溫變化較為平緩，說明在壟作溝播油葵生育期適宜地溫條件可減少水分無效蒸發(fā)，對土壤水熱的調控較為有效，能提高水熱利用效率，對油葵產量形成有一定促進作用。③雖然油葵各生育階段不同器官干物質占比無明顯規(guī)律，但總干物質積累量在各處理間差異明顯，以致各處理盤干物質積累量也有明顯差異，在成熟期，T3、T4處理干物質積累量均高于其他壟溝處理和CK 處理，在提高總體光合產物的同時提高了經濟產品的積累量，達到了高產高效的目的。④壟作溝播處理可提高油葵產量，在適宜灌水定額（T3）條件下，油葵產量較CK 分別高6.1%和8.3%，水分利用效率較CK 分別提高0.18～0.34 和0.16～0.54 kg∕m3，T3 處理兩年凈產值均為最高，分別為20 704.2和21 407.2元∕hm2，較CK分別提高6.7%和10.2%。⑤油葵采用壟作溝播噴灌技術，可以在一定程度上抑制土壤蒸發(fā)量，減少灌水定額，充分利用灌溉水，在實際油葵種植生產中可采取壟作溝播噴灌技術，灌水定額以36 mm 為宜，灌溉頻率依據氣候選擇3～5次為宜，該技術在降水介于250～500 mm的北方井灌區(qū)較為實用。