微噴帶灌溉對燕麥和箭筈豌豆混播土壤水分和溫度的影響

馬利利，李正鵬，汪文成，韓 梅，嚴清彪，蔣福禎

(1.青海大學，西寧 810016；2.青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，西寧 810016)

0 引 言

青海省位于青藏高原東北部，是高寒地區的典型代表地。同時也是我國五大牧區之一[1]。青海省具有氣溫低、晝夜溫差大、降雨少而集中、日照長、太陽輻射強等特點，屬于典型的高原大陸性氣候。全省多數地區年降水量平均值為200～500 mm，但年潛在蒸發量一般在1 500～3 000 mm[2]。由于青海省受高寒地區的水分條件限制，降水量少，蒸發量大，地下水資源貧乏，嚴重影響了當地牧草發展。因此，對當地人工飼草進行適當的灌溉是至關重要的。

燕麥(Avena sativa L.)是一年生禾本科飼草，具有耐旱、抗寒、適應性強和耐貧瘠等特點[3]。在高寒牧區，燕麥作為優質的一年生飼草作物，是建立人工草地和冬春補飼的首選草種[4]。青海省作為牧區省份, 因其低溫、生長季節短等氣候條件使得燕麥成了本省的重要的飼草，被廣泛地在青海省種植。箭筈豌豆(Vicia sativa)是一年生優質的豆科牧草，豆科牧草能改善草地氮素的平衡，提高草地動物蛋白質的形成。但當這些豆科牧草高達50 cm時，易倒伏，不利于收獲[5]。因此，牧區常采用燕麥和箭筈豌豆混播，這種模式不但可以提高牧草產量, 而且改善了飼用品質，為家畜提供了優質牧草[6,7]。

土壤水分是作物生長發育過程中所需水分的主要來源，掌握土壤含水量的變化情況是農作物進行科學合理用水的重要依據[8]。同時，灌水可以使土壤具備一定的含水量以滿足植物正常生長的需求[9]。因此，在高寒荒漠區開展灌水對土壤水分影響的研究，對該地區節約水資源具有一定的實際意義。近年來，許多學者已經在灌水對土壤水分影響方面有了一定的研究成果。張步翀等[10]在河西地區研究了灌溉對春小麥下土壤水分動態變化的影響，表明春小麥全生育期內所有水分處理不同土層深度變化趨勢基本一致，且土壤水分變化隨著土層深度的加深逐漸趨于平緩。趙靜[8]、朱湘寧等[11]分別研究了西北地區和華北平原地區灌溉對苜蓿土壤水分的影響，結果均表明灌水對表層土壤含水量影響較大，對深層的土壤含水量影響較小。灌水可以調整土壤中的水、肥、氣、熱等環境參數，農作物的生長受土壤中的水、熱狀況的顯著影響[12]。土壤溫度作為土壤熱狀況的綜合體現，不僅直接影響作物的生長，同時對土壤水分有間接的影響[13]。王建東等[12]研究了華北地區灌水對玉米地土壤溫度的影響，表明灌水可以顯著延遲氣溫對地溫的影響，同時一定的灌水具有顯著平穩地溫作用。董波等[14]研究了灌水處理對冬小麥土壤溫度的影響，結果表明土壤溫度的變化受到土壤含水量的影響。李萌等[15]研究了灌水處理下香梨地土壤溫度的變化特征，表明灌水處理土壤溫度與氣溫的密切程度隨著土層深度的增加逐漸減小，其中表層土壤溫度受氣溫的影響最大。

目前，國內關于灌水對其他作物和多年生飼草土壤水分動態變化和土壤溫度影響方面的研究較多[16-20]，但對高寒荒漠區飼草混播模式下灌水對土壤水分和土壤溫度的影響研究報道幾乎沒有。因此，本研究通過微噴帶灌溉模式針對燕麥箭筈豌豆混播，初步探討了高寒荒漠區飼草混播模式下灌水對土壤水分和土壤溫度影響，以期為高寒荒漠地區飼草混播節水灌溉提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于青海省烏蘭縣茶卡鎮金泰哇玉牧場，地理位置為東經99°18′，北緯36°40′，海拔為3 087.6 m。年日照時數為3 182 h，年均氣溫3.79 ℃。年平均降水量176 mm，年潛在蒸發量2 000～3 000 mm，具有明顯的高原大陸性氣候特征。土壤類型為栗鈣土。試驗地2018年生育期內降雨量和日平均空氣溫度情況如圖1所示。

圖1 試驗區全生育期內降雨量和平均氣溫

1.2 試驗材料

供試燕麥品種為青引3號，由湟中縣天興草業有限公司提供。箭筈豌豆品種為西牧324，由青海省農林科學院提供。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設兩個水分處理：全生育期不灌水(CK)及灌拔節(6月29日)和開花(7月26日)兩水(25 mm +25 mm，Y2)，每處理重復4次，共計8個小區。試驗小區面積為4 m×5 m，播種方式為南北向條播。播種日期為2018-05-14，收獲日期為2018-09-11。燕麥的播量為112.5 kg/hm2，箭筈豌豆播量為75 kg/hm2，禾豆同行混播，行距為20 cm。播種前施基肥，尿素75 kg/hm2，磷酸二銨150 kg/hm2，2018年6月29日結合灌水每小區追施326 g尿素。灌水利用試驗田節水灌溉系統，采用直徑為40 mm的微噴帶灌溉，帶寬1.8 m，每小區每次灌水0.5 m3，采用水表計量。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤含水量和土壤溫度

土壤含水量和土壤溫度均采用IST.HRG C-16S型號土壤墑情儀(北京東方潤澤生態科技股份有限公司)進行監測，土壤含水量測定深度為60 cm(每10 cm為一層，共6層)，土壤溫度測定深度為60 cm(每10 cm為一層，加地面溫度，共7層)，每小時監測一次。

1.4.2 氣象數據

降雨量、氣溫、風速、太陽輻射等氣象指標通過安裝在試驗地50 m的WSS0G10A天圻氣象站(北京東方潤澤生態科技股份有限公司)測定。

1.4.3 數據分析

數據處理與方差分析采用均Excel 2010和SPSS 22.0軟件。

2 結果分析

2.1 灌水對土壤水分的影響

2.1.1 灌水對0～60 cm土層平均土壤含水量的影響

灌水和降雨均能有效增加土壤的含水量，使短期內土壤含水量得以提高(圖2)。不灌水與灌水處理在飼草整個生育期內變化趨勢一致，但變化幅度有所不同。不灌水處理CK的波動范圍在10.19%～24.65%，變幅為14.46%；灌水處理Y2的波動范圍在12.48%～23.37%，變幅為10.89 %，波動幅度表現為CK>Y2(圖2)。在未灌水前一段時間(6月2日-6月28日)，不灌水處理平均含水量為22.37%，灌水處理的含水量為20.16%，不灌水處理的土壤體積含水量高于灌水處理(CK>Y2);在第一次灌水后(6月29日)，Y2處理的土壤含水量明顯上升，但隨著飼草生育期的進行，對土壤水分有所消耗，因此土壤含水量呈現下降的趨勢。第二次灌水后(7月26日)，CK和Y2處理的平均土壤含水量分別為13.64%和15.58%，灌水處理土壤含水量高于不灌水處理。這說明，灌水能夠在一定的程度上提高土壤含水量。

圖2 不同處理下0～60 cm土層土壤含水量

2.1.2 灌水對不同深度土壤含水量的影響

不同土層深度的土壤含水量有較明顯的垂直變化規律性。0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤含水量變化趨勢是一致的。土壤含水量變化幅度隨著土層深度的加深逐漸減小(圖3)。在0～20 cm土層土壤含水量變幅度最大達到20.04%，這可能是由于淺層土壤易受降雨和灌水的影響；生育前期(6月2日-6月28日)0～20 cm 土層內CK和Y2的平均含水量分別為20.42%和18.42%，表現為CK>Y2。但隨著灌水的影響， CK和Y2的平均含水量分別為15.21%和15.89%，這表明，灌水能夠影響土壤含水量。20～40和40～60 cm土層土壤含水量變化幅度次之變化幅度分別為11.78%～15.66%和8.9%～15.38%；隨著生育期的進行，20～40 cm土層的土壤含水量均為下降趨勢，這可能是由于隨著飼草生長，根系大量集中在20 cm左右，其植株蒸騰主要消耗20～40 cm土層的水分；40～60 cm土層內的土壤含水量在整個生育期內變化比較小，這可能是由于灌水和降水對深層的土壤影響較小。

2.2 灌水對土壤溫度的影響

2.2.1 灌水對不同土層全生育期內日平均土壤溫度的影響

隨著土層深度的加深土壤溫度波動幅度逐漸減弱，兩個處理地面溫度、10、20、30、40、50和60 cm的土壤溫度波動范圍分別在4.6～20.6、7.8～19.1、10.2～19.2、10.3～18.1、10.6～17.5、10.5～16.7和11.2～17.2 ℃(圖4)，這說明灌水和氣溫對深層的土壤溫度影響比較小。土壤地面的溫度受太陽輻射和氣溫的影響變化幅度較大為16 ℃，隨著土層深度的加深，土壤溫度受氣溫的影響也逐漸減弱。在飼草生長早期(6月2日-6月29日)，由于飼草的生物量和葉面積都較小，對太陽輻射的阻擋能力較弱，因此土壤表層容易受到太陽輻射，0～30 cm土層內的土壤溫度隨氣溫變化比較明顯。在生育中后期(7月20日以后)，隨著飼草的生長發育，各處理只有地面溫度受氣溫的影響較大，但影響程度明顯小于生育早期，其他土層的土壤溫度基本趨于穩定(圖4)。在整個生育期內，CK與Y2的變化趨勢一致，變化幅度分別為15.96和14.61 ℃， CK處理變化幅度大于Y2處理，這說明灌水能夠降低土壤溫度，使得Y2的土壤溫度變化幅度減弱。因此灌水在一定程度上能夠平穩地溫。

圖3 不同處理下不同土層土壤含水量

圖4 不同處理下不同土層全生育期內日平均土壤溫度變化

2.2.2 不同處理下土壤溫度日變化特征

土壤溫度日變化呈單峰曲線，CK和Y2處理下土壤溫度日變化幅度隨著土層深度的增加逐漸趨于平穩，地面溫度由于受到太陽輻射和氣溫的變化，其變化幅度相對較大，深層土壤溫度基本保持不變(圖5)。0∶00-24∶00的土壤溫度存在下降和上升兩個階段，在7∶00-15∶00期間，土壤溫度處于上升的階段，而在16∶00到次日的6∶00土壤溫度處于下降的階段。CK和Y2處理下地面溫度的最大值分別出現在15∶00和14∶00；10 cm的最大值分別出現在17∶00和15∶00，20、30、40、50和60 cm的最大值的出現均隨著土層的加深均有所延后(圖5)。由此可見，各層土壤溫度最大值出現的時間隨著土層深度的增加逐漸推遲，這可能是由于土壤熱傳導對太陽輻射變化具有滯后性。

圖5 不同處理下不同土層土壤溫度日變化(7月31日)

2.3 不同處理下土壤溫度隨氣溫變化特征

通過對CK和Y2全生育期內氣溫(x)與土壤溫度(y)進行回歸分析發現，各處理及不同深度的土壤溫度與氣溫都呈正相關，并且相關性顯著(表1)。CK和Y2的地面溫度與氣溫相關系數分別為0.919 3和0.900 8，均達到0.9以上，說明地面溫度受氣溫的影響最大。CK和Y2 10～60 cm土壤溫度與氣溫的相關系數范圍分別在0.529 3～0.816 5和0.541 3～0.761 5，由此可知，各處理隨著土層深度的加深，氣溫與土壤溫度的相關系數逐漸減小，這說明氣溫對土壤溫度的影響隨著土層深度的加深而逐漸減弱。同時，Y2處理下氣溫與土壤溫度的相關程度都小于CK處理，這說明CK處理下的地溫受氣溫的影響大于Y2處理，變化幅度也較大；Y2的土壤溫度受氣溫影響較小，變化幅度較平穩(表1)。因此可以得出，灌水在一定程度上能夠平穩土壤溫度。

表1 全生育期內氣溫對不同土層土壤溫度的影響

2.4 不同土層土壤溫度隨土壤含水率變化特征

CK與Y2處理下各土層土壤含水率與各層土壤溫度之間的Person相關系數表明，各土層含水量與土壤溫度之間均存在負相關(表2)，這可能是由于土壤含水量的變化直接影響了土壤的比熱容，從而影響土壤溫度的變化，土壤含水量高時，土壤溫度升溫較慢，兩者之間反向變化導致了負相關。在CK處理下，地面溫度、10 cm和20 cm土壤溫度與0～30 cm的土壤含水量均為極顯著負相關，地面溫度與10 cm處的土壤水分相關系數最大達到0.497，這是由于表層土壤含水率易受到降雨等外界因素影響，尤其是在溫度的影響下變化更為活躍。同時，40～60 cm的土壤溫度與0～60 cm的土壤水分之間也均為極顯著負相關，60 cm處的土壤溫度與40 cm處的土壤水分相關系數最大達到0.626。在Y2處理下，地面溫度與0～30 cm的土壤含水率呈極顯著負相關關系；30 cm處的土壤水分與30～60 cm的土壤溫度也存在極顯著負相關；40～60 cm處的土壤含水率與相鄰土層的土壤溫度也存在極顯著負相關，在60 cm處土壤溫度與土壤水分的相關系數最高為0.511。

表2 各層土壤含水率與各層土壤溫度之間的Person相關系數

注： *表示顯著相關(P<0.05)；**表示極顯著相關(P<0.01) 。

3 討 論

灌水可以為牧草提供適宜的土壤水分，土壤水分通過影響土壤肥力、土壤溫度等指標，對作物生長發育產生重要的作用。因此，研究土壤水分的變化規律具有一定的實際意義[21]。本試驗通過對高寒荒漠區飼草混播模式下灌水對土壤水分的影響研究表明，CK與Y2處理在飼草整個生育期內土壤水分變化趨勢一致，但變化幅度卻有所不同，CK變化幅度為14.46%；Y2變化幅度為10.89%，波動幅度表現為CK>Y2。這一結論與劉戰東[22]對不同灌水處理下玉米地土壤水分動態變化研究結果一致。不同土層深度的土壤含水量有較明顯的垂直變化規律性。0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤含水量變化趨勢是一致的。土壤含水量變化幅度隨著土層深度的加深基本趨于穩定，這與張步翀[4]和杜宏娟[23]研究結果一致。本試驗中，0～20 cm的土壤含水量由于受灌水和降雨的影響變化幅度最大達到20.04%。這與佟長福[24]對飼草地土壤水分動態變化的研究結果一致。

本試驗研究表明，兩個處理地面溫度、10、20、30、40、50和60 cm的土壤溫度波動范圍分別在4.6～20.6、7.8～19.1、10.2～19.2、10.3～18.1、10.6～17.5、10.5～16.7和11.2～17.2 ℃，可以得出隨著土層深度的加深土壤溫度波動幅度逐漸減弱。CK與Y2的變化趨勢一致，變化幅度分別為15.96和14.61 ℃，表現為CK>Y2，這說明CK處理下的地溫波動范圍受氣溫的影響大于Y2處理。灌水之后Y2處理的土壤溫度明顯有所下降，使得Y2的土壤溫度變化幅度減弱，因此灌水在一定程度上能夠平穩地溫。這一結論與王建東[5]的灌溉具有顯著平抑地溫作用的結論一致。李波[25]等通過對土壤溫度日變化分析得出，各層的土壤溫度最大值出現時間隨土層深度增加而推遲。這與本試驗由于土壤熱傳導對太陽輻射變化具有滯后性，各層土壤溫度最大值出現的時間隨著土層深度的增加逐漸推遲的研究結果一致。通過對CK和Y2全生育期內氣溫與土壤溫度進行回歸分析發現，氣溫與地面溫度的相關系數達到0.9以上，說明氣溫對地面溫度的影響最大。Y2處理下氣溫與土壤溫度的相關程度都小于CK處理，這說明CK處理下的地溫受氣溫的影響大于Y2處理，這與王建東[5]的未灌水處理下的土壤溫度波動受氣溫的影響大于灌水處理這一研究結果相一致。

本研究通過對CK與Y2處理下各土層土壤含水率與各層土壤溫度之間的Person相關系數表明，由于土壤水分的變化直接影響了土壤的比熱容，從而影響土壤溫度的變化。因此各土層含水量與土壤溫度之間均存在負相關關系，既土壤含水量越高，土壤溫度越低。這與李波[25]和依艷麗[26]土壤含水率與土壤溫度之間呈負相關的研究結果一致。

4 結 語

本試驗通過灌水對高寒荒漠區微噴帶灌溉模式下燕麥箭筈豌豆混播土壤水分和土壤溫度影響的初步研究，得出以下結論:

(1)不灌水與灌水處理0～60 cm土壤水分在飼草整個生育期內變化趨勢一致，但變化幅度卻有所不同，不灌水處理的變化幅度為14.46%；灌水處理變化幅度為10.89%。土壤含水量變化幅度隨著土層深度的加深逐漸減小，0～20 cm土層的土壤含水量受灌水和降雨的影響變化幅度最大達到20.04%。

(2)不灌水與灌水處理0～60 cm土壤溫度在整個生育期內的波動受氣溫的影響大于灌水處理，土壤溫度變化幅度分別為15.96和14.61 ℃，說明灌水在一定程度上能夠平穩地溫。土壤溫度日最大值出現的時間隨著土層深度的增加逐漸推遲。

(3)灌水與不灌水處理下土壤含水率與土壤溫度之間的Person相關系數表明，各土層含水率與土壤溫度之間均存在負相關關系，相關系數最大達到0.626。