高寒區低溫水灌溉對春青稞生長和地溫變化的影響

劉 偉，徐 冰, ，湯鵬程，李澤坤

（1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018； 2.中國水利水電科學研究院 牧區水利科學研究所，呼和浩特 010020）

0 引 言

【研究意義】融雪水是西藏地區的重要灌溉水源，然而由于西藏高海拔地區低壓低氧、高輻射、近地層冷熱交換頻繁，加之土層稀薄，低溫融雪水利用不當容易對作物造成寒害。高山融雪水經過較短距離輸水進入土壤后水溫仍較低，低溫水會在一定程度上降低作物的根系活性，同時由于低溫融雪水的存在，高寒地區表層土壤易在春季連續發生凍融交替的現象，一些地區經低溫融雪水灌溉后出現作物返青推遲、出苗率低甚至死亡的現象[1]。青稞是西藏地區主要的糧食作物，播種面積占全區糧食作物播種總面積的60%以上，以青稞為主的藏區糧食安全問題以及青稞的栽培種植技術推廣和品種繁育等問題一直以來備受各界關注。

【研究進展】近年來，針對低溫水灌溉相關研究主要集中在灌溉水溫對于各類經濟作物的生長及產量等方面的影響，典型作物主要有花生[2-3]、黃瓜[4]、油麥菜[5]、番茄[6]、白菜[7]、小麥[8]、棉花[9]、棗樹[10]等。該類研究主要通過設置不同溫度的灌溉水源，進而監測灌水溫度與作物生長發育、生命活動（光合作用、成花坐果）以及最終作物產量之間的響應關系；針對不同灌溉水溫對土壤性質[11]的影響研究主要集中在融雪期凍土下滲機制[12]、滴灌土壤水分入滲規律[13-14]、水氮運移規律[15]等方面。該類研究通過對照試驗說明低溫水灌溉對土壤的理化性質產生影響，進而改變作物生長環境；另外，針對低溫水的現實來源，已有研究多集中在大型灌區的水庫水溫分層所導致的下泄水流溫度偏低這一現象[16-18]，因此，從工程措施角度展開了相應的增溫措施研究[19-22]。然而，針對西藏地區低溫融雪水灌溉對典型作物青稞生長發育的影響鮮有研究。

【切入點】西藏地區早春時節（4―5 月）在雨季尚未來臨且沒有其他灌水來源前提下，多采用融雪水自流漫灌作為春播作物的出苗水。然而由于灌水溫度較低（0～7 ℃），致使多年生作物返青延緩、1 年生作物出苗率低等現象發生。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究針對西藏高寒區在春季利用低溫融雪水漫灌這一獨特生產方式，以春青稞-藏青2000 為研究對象，旨在為融雪水資源的合理利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于中國科學院地理科學與資源研究所拉薩農業生態試驗站（29°40′N，91°17′E，海拔3 688 m），屬高原季風溫帶半干旱氣候區。年平均氣溫為7.7 ℃，最熱月7 月平均氣溫16.3 ℃，最冷月12 月平均氣溫為-1.5 ℃，無霜期120～130 d。年均降水量425 mm，年內分配不均，雨季為6 月中旬至9 月下旬，降水量為400 mm 左右，占全年降水量的90%以上，且多夜雨。土壤母質主要是沖積、洪積母質，質地偏沙，土壤質地為粉砂壤土，土層較薄，20 cm 以下可見大塊石礫，土壤體積質量1.41 g/cm3，田間持水率（質量含水率）22%，pH 值7.2。

1.2 試驗設計

試驗材料為春青稞-藏青2000，該品種春性中晚熟，生育期125～135 d，穗長方形，四棱，長齒芒，小穗密度中等。穴播，播深1.5～2.0 cm，每桶15～18 穴。每穴2～3 粒種子，人工點播。2018 年4 月25 日播種，2018 年9 月25 日收獲。出苗后追施尿素187.5 kg/hm2。桶栽單元采用直徑32 cm 的PVC 桶，底部以打孔鐵皮封底，桶高50 cm。桶中分層填入原狀土，底部20 cm 為大塊石礫，上部25 cm 為粉砂壤土，預留5 cm 以利于灌水和降雨入滲。桶壁外側間隔3 cm 設套筒預埋地下，使上方與地面平齊，降低太陽直射對桶體溫度變化的影響[23]。

對照處理為經過蓄水池收集且日照5 h 后的常溫水灌溉（CK），低溫水灌溉組設置3 個溫度水平：以同期渠水水溫為基礎，分別設置低于基礎的3 ℃（T1）、5 ℃（T2）、7 ℃（T3）3 個溫度水平。溫度設定通過索美特SMT-26L 小型冰箱進行處理，精度為±0.1 ℃。因桶栽試驗取樣為破壞性取樣，各處理設置9 個重復，共36 個桶栽單元，設有隔離帶和保護區。所有處理均為充分灌溉，灌水時間與灌水量見表1。

表1 低溫水灌溉春青稞試驗灌水時間與灌水量 Table 1 Irrigation date and amount of spring barley under low temperature water irrigation

1.3 測定內容及方法

春青稞生育期劃分：分蘗期（5 月10 日），拔節期（6 月5 日），抽穗期（7 月10 日），灌漿期（8 月10 日），成熟期（9 月27 日）。

春青稞長勢及產量測定：長勢指標（株高、株數、穗長、葉面積指數、干物質等）每關鍵生育期測定1 次，每次取樣設3 組重復。產量指標（穗長、穗粒數、百粒質量、單產等）在成熟期測定，取樣3個重復。

通過試驗田附近的氣象站自動采集記錄氣象因素（氣溫、降水量、濕度、太陽輻射、大氣壓等）監測時間間隔為10 min。

采用Invesible T-107 探針式溫度計（量程-50～330 ℃，精度為±0.1 ℃）在關鍵生育期灌水后5 h測定不同土層土壤溫度。4 個處理每次各選取3 個桶栽單元，每個單元分別對0～10、10～20 cm 土層進行溫度測量以消除空間差異性。

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS 22.0 軟件進行單因素方差分析，采用最小顯著差數（LSD）法進行多重比較。

圖1 生育期內氣溫以及渠水溫度變化 Fig.1 Variation of temperature and channel water temperature during growth period

2 結果與分析

2.1 低溫水對土壤溫度的影響

低溫水灌溉春青稞土壤溫度變化情況如圖2 所示（圖中不同字母表示處理間差異顯著（p＜0.05），下同。）。由圖2 可知，土壤溫度受外界溫度影響較大，隨外界溫度升高，0～10 cm 土層土壤溫度均升高，全生育期土壤溫度變幅約10 ℃。土壤溫度受灌水溫度影響，在分蘗期至拔節期最為顯著。原因可能是青稞苗期處于融凍期，此時外界溫度整體較低，而分蘗期之后外界溫度升高，地溫受到的影響開始逐步減緩。與CK 相比，T1、T2、T3 處理拔節期0～10 cm 土壤平均溫度分別減少0.90、3.78、6.07 ℃，10～20 cm土壤平均溫度分別減少0.54、2.06、3.32 ℃。由于深層土壤具有保溫作用，且水的比熱容比土壤大，表層土壤溫度更易受到灌水溫度的影響，導致青稞0～10 cm 土壤溫度偏低。

低溫水灌溉導致土壤溫度變化劇烈，且主要在作物抽穗期之前產生影響，而生育中后期受大氣溫度提升的影響，土壤溫度變化幅度減小。與CK 相比，T1、T2、T3 處理土壤溫度受灌水溫度影響依次增加，以T3 處理為例，各生育期（分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期）0～10 cm 土層平均土壤溫度較CK 依次減少2.87、6.07、3.51、0.54、1.65 ℃。土壤溫度變化在分蘗期至拔節期減幅最大，至灌漿期減幅逐步減小，灌漿期至成熟期有小幅增長。各生育期10～20 cm 土層平均土壤溫度較CK 依次減少1.14、3.32、3.10、0.21、1.41 ℃。土壤溫度變化規律與0～10 cm 土層基本一致，整體幅度較上層略小。分蘗期、拔節期、抽穗期、成熟期低溫水灌溉對0～10 cm 土壤溫度影響顯著（p<0.05）；拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期低溫水灌溉對10～20 cm土壤溫度影響顯著（p<0.05）。所有低溫處理均與CK差異顯著（p<0.05）。

圖2 低溫水灌溉春青稞0～20 cm 土層土壤溫度變化 Fig.2 Changes of soil temperature in 0～20cm soil layer of spring highland barley irrigated by low-temperature water

2.2 低溫水對春青稞生長及產量的影響

2.2.1 作物長勢情況

低溫水灌溉條件下春青稞不同生育期長勢變化如圖3 所示。由圖3（a）可知，青稞地上生物量拔節期至灌漿期增長速度最快，成熟期達到最大。與CK相比，T1、T2、T3 處理灌漿期地上生物量平均分別減少20.73%、28.06%、35.44%。CK 灌漿期至成熟期地上生物量增加33.83 g，占總生物量的14.54%。而T1、T2、T3 處理灌漿期之后地上生物量增加量明顯降低，僅增加了地上生物量總量的5.89%、1.20%和0.25%。隨灌水溫度的降低，地上生物量不同程度的減少，表明低溫水灌溉條件下不利于春青稞地上生物量的積累，且灌水溫度越低，影響越劇烈。根生物量變化規律如圖3（b）所示。由圖3（b）可知，拔節期CK 根生物量為35.30 g，T1、T2、T3 處理較CK分別減少了45.38%、56.49%、58.24%。表明低溫水灌溉可以明顯限制分蘗期青稞根系的發育。青稞根系抽穗期至成熟期發育較緩，至收獲時，CK 根生物量為68.87 g，T1、T2、T3 處理較CK 分別減少了18.73%、22.68%、22.04%。單從成熟期來看，低溫水灌溉對春青稞根系發育的影響程度較大。從作物全生育期來看，低溫水灌溉對青稞的根系發育影響主要集中在分蘗期和拔節期。隨外界溫度和灌水溫度的逐步提升，加之作物自身的根系發育旺盛期就在分蘗期，分蘗期之后表現為累積寒害影響，影響幅度有所減緩。株高的變化如圖3（c）所示。由圖3（c）可知，春青稞株高拔節期至灌漿期增長速度最快，灌漿期達到最大，與CK 相比，T1、T2、T3 處理灌漿期株高分別減少了8.25%、16.94%、23.67%。灌漿期至成熟期株高變化趨于穩定。T1、T2、T3 處理成熟期株高分別減少了6.30、15.40、21.90 cm。T3 處理明顯大于其他處理，可知灌水溫度越低，株高越低。葉面積指數變化規律如圖3（d）。由圖3（d）可知，青稞葉面積指數拔節期至抽穗期增長速度最快，抽穗期達到最大，與CK 相比，T1、T2、T3 處理抽穗期葉面積指數分別減少13.85%、35.47%、46.37%。灌漿期至成熟期隨著青稞葉片發育減緩，植株體營養物質主要集中作用于青稞籽粒灌漿，葉面積指數相應有所下降。至成熟期，籽粒形成，葉片枯黃，CK 葉面積指數為4.98，T1、T2、T3 處理葉面積指數分別減少了19.98%、24.47%、39.43%。可知低溫水灌溉會明顯限制青稞分蘗期葉片發育，并在生育后期出現累積寒害影響的基礎上，加劇葉片枯黃程度，降低葉面積指數。

圖3 低溫水灌溉春青稞生育期作物長勢變化 Fig.3 The regularity of crop growth in the growing period of spring barley irrigated by low temperature water

表2 低溫水灌溉青稞不同水溫處理產量構成要素 Table 2 Simulation of Components and yield of barley irrigated with low temperature water

2.2.2 產量

不同處理產量構成要素及產量如表2 所示。由表2 可知，CK 穗長20.10 cm，T1、T2、T3 處理穗長較CK 分別減少3.23%、5.31%、1.41%；CK 百粒質量8.22 g，T1、T2、T3 處理平均百粒質量較CK 分別減少12.37%、14.81%、18.66%；CK 單穗粒數67 粒，T1、T2、T3 處理平均單穗穗粒數較CK 分別減少12.00%、23.50%、25.50%；CK 平均產量10 247.25 kg/hm2，T1、T2、T3處理平均產量較CK減產19.62%、38.59%、42.52%。低溫水可顯著降低春青稞產量，灌水溫度越低，減產幅度越大。同時，越低的灌水溫度對孕穗數量、籽粒發育、灌漿飽滿程度等的影響越嚴重，進而影響春青稞的產量。由方差分析與多重比較分析可知，百粒質量、穗數、單穗粒數以及產量等產量因素影響極顯著（p<0.01）。

3 討 論

研究得出低溫水灌溉導致春青稞減產的結果，與李志剛[2]、劉盈茹等[3]、李明等[4]研究結果類似，主要原因是低溫水通過降低土壤溫度，限制了根系發育，從而影響了春青稞的生長及產量。低溫水灌溉形成的寒害主要集中在春青稞的苗期至拔節期，導致作物出苗推遲，此后的各關鍵生育期均受到不同程度的推遲，導致作物生育期延長了10～20 d。融雪水作為出苗水相較于生育期內其他灌水更為重要。從外部條件來看，此時正值凍融期，大氣溫度偏低，甚至會有倒春寒等自然災害發生。分蘗期灌水溫度的降低對作物生長發育的傷害就顯得格外突出[24-26]。因此盡可能地提高作物生育初期的灌水溫度是十分有必要的。

低溫水灌溉條件下土壤水熱運移規律、根系發育規律將是下一步的研究重點。合理利用融雪水可以從制定合理的春灌灌水制度著手，在滿足作物出苗的前提下，盡可能地減少由灌水溫度產生的次生寒害。同時由于西藏日溫差較大，太陽輻射強，可以從灌水時間（日尺度）角度展開研究，從而最大程度避免低溫水春灌對作物的影響，進而更加科學、合理地利用融雪水水源。

4 結 論

1）低溫水灌溉較常溫水灌溉會直接導致青稞根區土壤溫度降低，間接影響青稞根系吸水及生長發育。在條件允許的情況下，西藏高寒區融雪水灌溉應結合蓄水池增溫（日照等措施）處理后進行。

2）低溫水灌溉較常溫水灌溉減少作物干物質累積、降低作物株高、抑制作物長勢等。融雪水春灌建議以少量多次為原則，灌水盡量在地溫較高時到達田間，最大程度避免融雪水寒害影響。