水分調控與種植模式對枸杞生長和水分利用效率的影響

趙 敏，齊廣平，蔡玲惠，賴桑迪，王金恒，王建軍

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州730070； 2.甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站，甘肅 景泰730400)

0 引言

枸杞(Lyciumbarbarum)是茄科、枸杞屬植物，其果實“枸杞子”是一種食藥兼用的功能性保健食品，在我國有上千年的栽培歷史，主要分布在寧夏、甘肅、內蒙古和新疆等干旱半干旱區[1-4]。枸杞因耐鹽堿、耐貧瘠、抗旱等特性，常被作為鹽堿地改良和水土保持的先鋒樹種[5-6]。研究表明，適當灌溉不僅能提高枸杞的產量和水分利用效率，而且能節約水資源、保護生態環境。胥生榮等[7]和徐利崗等[8]對寧夏枸杞的研究均表明，適度水分虧缺會提高枸杞產量、品質和水分利用效率。蔡玲惠等[9]和蘇鵬海等[10]對枸杞間作系統的研究發現，輕度水分虧缺可達到節水增產提質的目的。因此，合適的灌溉量能節約水資源并實現枸杞優質高產。

林草間作是一種集約種植模式，兼顧生態、社會和經濟等效益，能減少水土流失、恢復生態平衡和緩解農林爭地矛盾，對農林業的綠色健康發展及生態環境保護具有重要意義[11]。研究表明，仁用杏間作能促進新梢生長，提高葉片光合色素含量，增強光合作用，并能顯著提高土地產出和水分利用效率[12]。果園間作綠肥苜蓿有利于提高地表覆蓋率、防雜除草，改良土壤結構，增加土壤養分含量，提高作物產量和品質[13-14]。鹽堿地枸杞間作不同作物均能有效提高土壤含水率，降低土壤含鹽量，達到改良鹽堿地的效果，并有利于提高枸杞產量[6，15]。

枸杞在甘肅景泰縣產業化種植已近30年，至2016年，種植面積已達3 867 hm2，鮮果總產量達8.5萬t，年總產值達5.8億元，已成為景泰縣的經濟支柱產業，在脫貧攻堅和鄉村振興中發揮著重要作用[16]。甘肅引黃灌區水資源嚴重緊缺，當地枸杞灌溉以傳統漫灌、溝灌為主，水分流失和蒸發嚴重，水分利用效率不高，制約當地枸杞產業發展和農民增產增收。鑒于此，本研究采用隨機區組法進行大田林草間作水分調控灌溉試驗，探究水分調控和間作苜蓿對土壤水分含量，以及枸杞耗水特征、生長、產量和水分利用效率的影響，旨在合理利用水土資源，提高枸杞產量和農民收益，為引黃灌區枸杞科學化種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1試驗區概況

試驗于2019—2020年在甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站(104°08′E、37°23′N)進行。試驗區屬溫帶干旱型大陸氣候，降雨稀少，年平均降水量185 mm，蒸發量大，年平均蒸發量3 028 mm，日溫差大，多年平均氣溫8.6 ℃，最高氣溫35.6 ℃，最低氣溫-27 ℃，年平均日照時間2 652 h，年平均輻射量6.18×105J/cm2，無霜期191 d。土壤類型為壤土，干容重1.61 g/cm3，田間最大持水量為24.1%(質量含水量)。試驗地土壤基礎養分含量：有機質1.32 g/kg，速效氮74.51 mg/kg，速效磷26.31 mg/kg，pH值8.11。試驗區2019年枸杞全生育期內降雨總量和平均氣溫分別為227 mm和19.1 ℃，2020年枸杞全生育期內降雨總量和平均氣溫分別為101 mm和19.7 ℃(圖1)。

圖1 2019年/2020年枸杞全生育期降雨總量和日平均氣溫Fig.1 Daily average temperature and total rainfall during growth period of Lycium barbarum in 2019/2020

1.2試驗設計

試驗采用兩因素隨機區組設計。因素1為水分調控(灌溉計劃濕潤層深度取60 cm，以田間持水量的百分比計土壤水分上下限)：充分灌溉W0，75%～85%；輕度虧缺W1，65%～75%；中度虧缺W2，55%～65%；重度虧缺W3，45%～55%。因素2為種植模式：枸杞單作D和枸杞間作苜蓿J。2017年4月下旬移栽兩年生枸杞苗木，南北行種植，株距150 cm，行距300 cm，同期在枸杞行間條播苜蓿(南北方向)，距樹干30 cm，行距30 cm(圖2)。8個處理設置3次重復試驗，共24個小區，每個小區面積為45 m2(7.5 m×6.0 m)，枸杞2行，每行5棵，共計10棵。種植后充分灌水保證枸杞和苜蓿成活和生長，每年于枸杞萌芽期開始前進行水分調控。為防止相鄰小區間水分互滲，布設防水塑料棚膜，埋深120 cm。各小區布置灌水管道，采用小畦灌溉方式，安裝精度為0.000 1 m3的閥門水表控制水量。具體試驗處理如表1所示。

圖2 間作種植模式Fig.2 Intercropping pattern

表1 試驗處理設計

1.3測定項目及方法

土壤含水量：采用TRIME-PICO-BT土壤水分速測儀測定，在枸杞各生育時期采用土鉆取土烘干法進行校核。整個試驗期間每隔7 d測定1次，在枸杞樹行間距枸杞30 cm和150 cm布設兩個測點，深度為120 cm，每20 cm一層。當測定深度內土壤含水量平均值處于水分處理下限范圍時，立即進行灌水。

灌水量：灌水量通過灌水定額公式確定。

A=10γh(θω-θ)

(1)

式中A——灌水量，mm

γ——土壤容重，1.61 g/cm3

h——計劃濕潤層深度，取60 cm

θω——土壤計劃含水量上限(田間持水量與設計計劃含水率上限的乘積)，%

θ——計劃濕潤層土壤實際平均含水量，%

耗水量：耗水量采用水量平衡公式計算。

ET=A+P+U-R-F±ΔW

(2)

(3)

式中ET——作物生育期耗水量，mm

A——生育期內灌水量，mm

P——生育期內有效降水量，mm，本研究采用經驗系數計算有效降水量

pj——第j次降雨量，mm

j——降雨次數，j=1，2，3，…，n

aj——第j次降雨的有效利用系數，當次降雨pj<5 mm時，aj=0；當pj=5～50 mm時，aj=1.0；當pj>50 mm時，aj=0.8～0.7

U——地下水補給量，mm，試驗區地下水埋深在30 m土層以下，因此地下水補給量為0

R——地表徑流量，mm，試驗區林草間作系統地勢平坦，地表徑流量為0

F——深層滲漏量，mm，試驗區林草間作系統50～60 cm土層深度土壤水分從未達到過田間持水量水平，因此，深層滲漏為0

ΔW——苜蓿播種和收獲時0～60 cm土壤貯水消耗量，mm

枸杞產量和百粒質量：自收獲期開始(每年6月20日)至收獲期結束(9月10日)每隔7 d采摘一次成熟的枸杞鮮果，收獲后制干，計算得出產量。采用四分法將枸杞干果取百粒稱質量，重復進行3次。

水分利用效率：本研究枸杞水分利用效率為間作系統全部面積中枸杞的產量與林草間作系統內的耗水量的比值，計算公式為

WUE=Y/ET

(4)

式中WUE——枸杞的水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——枸杞產量，kg/hm2

1.4數據分析

采用Microsoft Excel 2018軟件進行數據整理和繪圖；數據使用SPSS20.0軟件進行單因素方差(one-way ANOVA，P<0.05)分析和Duncan′s多重差異分析。

2 結果與分析

2.1不同處理下間作系統的耗水特征

水分調控和間作處理顯著(P<0.05)影響枸杞生育期的總耗水量(表2)，整體表現為枸杞間作苜蓿耗水量大于枸杞單作，且隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢，2020年耗水量高于2019年。相同種植模式下，枸杞總耗水量隨水分虧缺程度加重顯著降低，枸杞單作最大耗水量為2020年DW0處理(858 mm)，較DW1、DW2、DW3處理分別增加了27.5%、56.3%和85.7%；枸杞間作苜蓿2020年JW0處理總耗水量最高為890 mm，與JW3處理極差最大達353 mm。同一水分調控下，枸杞間作苜蓿耗水量顯著大于枸杞單作，2019年JW1和JW2處理較DW1(657 mm)和DW2(535 mm)處理分別增加了16.7%和29.7%。相同處理下，2020年總耗水量大于2019年。不同處理下，灌水量和總耗水量的變化趨勢相似，枸杞單作灌水量低于枸杞間作苜蓿，隨水分虧缺程度加重灌水量減小，2020年灌水量明顯高于2019年。

灌水量和降雨量占總耗水量的比例分別為30.0%～80.2%和11.3%～49.7%，相同種植模式下，灌水量占總耗水量比例隨水分虧缺程度加重而降低，降雨量占比變化趨勢與之相反。同一水分處理下，枸杞間作苜蓿灌水量占耗水量的比例高于枸杞單作，降雨量占比低于枸杞單作。2020年降雨稀少，降水量比2019年低126 mm，各處理中2020年灌水量占比高于2019年，降水量占比低于2019年。各處理間土壤貯水消耗量(74～113 mm)差異不顯著(P>0.05)。

表2 不同處理對間作系統耗水量及耗水比例的影響

2.2水分調控和間作處理對枸杞生長的影響

水分調控和間作苜蓿均會顯著影響枸杞的株高、冠幅和地徑等生長指標(表3)。相同種植模式下，枸杞株高、冠幅和地徑生長量均會隨著水分虧缺程度加重呈遞減趨勢，枸杞株高生長量(31.3～48.0 cm)充分灌溉W0和輕度虧缺W1處理差異不顯著，枸杞冠幅生長量(48.1～68.0 cm)和地徑生長量(3.8～7.4 mm)隨水分虧缺程度加重差異比較顯著。同一水分調控下，間作苜蓿處理枸杞的株高、冠幅和地徑生長量均小于枸杞單作。隨著樹齡增加，枸杞株高生長變化量2020年高于2019年，冠幅和地徑生長速度減緩，生長變化量2020年均低于2019年。

2.3水分調控和間作處理對枸杞產量和水分利用效率的影響

2.3.1干果百粒質量和產量

由圖3可知，相同種植模式下，枸杞干果百粒質量隨水分虧缺程度加重呈先增大后減小的趨勢，拐點出現在W1水分處理下，2019年DW1和JW1處理干果百粒質量(16.93和17.34 g)較DW3和JW3處理分別提高了13.7%和30.9%。充分灌溉和輕度虧缺處理下，枸杞間作苜蓿干果百粒質量高于枸杞單作，2019年JW0和JW1較DW0(16.21 g)和DW1(16.93 g)處理分別提高了5.6%和2.4%；虧水情況嚴重時枸杞間作苜蓿干果百粒質量低于枸杞單作，2019年JW2和JW3較DW2(16.54 g)和DW3(14.89 g)處理分別降低了5.6%和1.1%。相同處理下枸杞干果百粒質量2020年明顯高于2019年，極差達2.85 g。

水分調控對枸杞產量有顯著影響，間作苜蓿對枸杞產量影響不顯著。相同種植模式下，枸杞產量隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢，2019年DW1、DW2、DW3較單作最高產量DW0(2 578 kg/hm2)處理分別降低了2.2%、24.1%和42.2%，JW1、JW2、JW3較枸杞間作苜蓿最高產量JW0(2 543 kg/hm2)處理分別降低了5.8%、28.3%和46.7%。同一水分處理下，枸杞間作苜蓿產量和枸杞單作產量差異不顯著。相同處理下，2020年枸杞產量高于2019年，變化量為124～228 kg/hm2。

表3 不同處理對枸杞生長變化量的影響

2.3.2水分利用效率

由圖4可知，相同種植模式下枸杞水分利用效率隨水分虧缺程度加重呈先增大后減小的趨勢，輕度虧缺W1處理達最大值，2019年DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]和JW1[3.12 kg/(hm2·mm)]處理分別較DW0、DW2、DW3和JW0、JW2、JW3處理提高了21.5%、4.9%、21.0%和6.2%、18.9%、20.4%。充分灌溉下，間作苜蓿對枸杞的水分利用效率影響不顯著；水分虧缺處理下，枸杞間作苜蓿的水分利用效率顯著低于枸杞單作，2019年JW1、JW2和JW3處理水分利用效率分別較DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]、DW2[3.65 kg/(hm2·mm)]和DW3[3.17 kg/(hm2·mm)]處理降低了18.5%、28.2%和18.2%。2020年相同處理下枸杞的水分利20.4%。充分灌溉下，間作苜蓿對枸杞的水分利用效率影響不顯著；水分虧缺處理下，枸杞間作苜蓿的水分利用效率顯著低于枸杞單作，2019年JW1、JW2和JW3處理水分利用效率分別較DW1[3.83 kg/(hm2·mm)]、DW2[3.65 kg/(hm2·mm)]和DW3[3.17 kg/(hm2·mm)]處理降低了18.5%、28.2%和18.2%。2020年相同處理下枸杞的水分利用效率與2019年差異不顯著，不同處理間枸杞水分利用效率變化趨勢與2019年趨于一致。

圖3 不同處理枸杞干果百粒質量和產量Fig.3 100-seed weight and yield of Lycium barbarum dry fruit under different treatments

圖4 不同處理枸杞水分利用效率Fig.4 Water use efficiency of Lycium barbarum under different treatments

3 討論

3.1不同處理下間作系統的耗水特征分析

水分調控與間作處理通過影響農田微環境和中間關系，從而影響枸杞的耗水特征。鄭國保等[17]研究不同灌溉定額對枸杞土壤水分動態變化規律的影響得出，土壤含水量主要隨著灌水量的增加而增大，灌水量少的處理對土壤水分消耗的相對多一些，隨灌水量增加，對土壤水分的消耗逐漸減少。徐鵬等[18]對南疆地區棗棉間作耗水特性的研究中得出，間作群體較單作一定程度上能抑制農田蒸發且有利于土壤貯水的利用，棗樹主要利用土壤深層水分，棉花以消耗淺層土壤水分為主，棗棉間作能夠協調利用土壤各層水分。齊廣平等[19]和李曉敏等[20]對枸杞間作苜蓿的研究發現，枸杞生育期的總耗水量均表現為隨灌水虧缺程度的提高呈現降低趨勢。本研究結果表明，枸杞生育期的總耗水量隨灌水虧缺程度加重而減少，水分調控能提高土壤貯水消耗量，降低枸杞總耗水量；枸杞間作苜蓿灌水量占總耗水量的比值高于枸杞單作，可見間作有利于灌水量的利用。

3.2水分調控和間作處理對枸杞生長的影響

水分調控與間作處理對枸杞的生長影響差異顯著。尹志榮等[21]研究發現，隨著灌溉量的逐漸減少，枸杞的株高、莖粗出現先增加后減少的趨勢。王龍強等[22]調查表明，間作在一定程度上抑制了枸杞的正常生長發育。本研究結果與前人研究基本一致，相同種植模式下，枸杞的株高、冠幅和地徑生長量隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢；同一水分處理條件下，單作枸杞的株高、冠幅、地徑生長量均大于間作，即間作會一定程度上抑制枸杞生長。

3.3水分調控和間作處理對枸杞產量和水分利用效率的影響

產量和水分利用效率是評價作物生產和經濟效益的綜合指標。水分調控與間作處理顯著影響枸杞的產量與水分利用效率。徐利崗等[8]在基于土壤水分下限控制的寧夏枸杞滴灌灌溉制度試驗研究中得出，適度水分虧缺反而會提高水分利用效率，但過度缺水會影響枸杞的產量，也將降低水分利用效率。趙彥波等[23]研究發現，在覆膜條件下，灌溉定額為1 620 m3/hm2時枸杞生長量與產量均達到最大，灌溉定額大于1 620 m3/hm2時，枸杞生長與產量反而隨灌溉定額增加而減小，說明枸杞灌溉定額過大會影響枸杞長勢和產量。本研究表明，輕度虧缺灌溉W1處理下枸杞的產量與充分灌溉W0差異不顯著，但水分利用效率最高。灌水量充足的條件下，枸杞間作苜蓿較單作枸杞產量增加，虧缺灌溉下作物種間水分競爭加劇，枸杞間作苜蓿產量低于枸杞單作。但是枸杞間作苜蓿系統中苜蓿產量可達(12 678.27～19 228.56 kg/hm2)，總經濟效益顯著高于枸杞單作。

4 結論

(1)枸杞生育期總耗水量整體表現為枸杞間作苜蓿大于枸杞單作，隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢，其中2020年JW1比DW1總耗水量高21.7%。

(2)枸杞株高、冠幅和地徑生長量隨水分虧缺程度加重呈遞減趨勢，虧缺灌溉較充分灌溉生長量減少了0.62%～53.95%。株高生長量隨樹齡增加而增大，冠幅和地徑生長量隨樹齡增加而減小。間作在一定程度抑制枸杞生長，相同水分調控下間作生長量較單作降低了1.32%～44.09%。

(3)間作種植輕度虧缺JW0處理枸杞干果百粒質量最大，其中2020年JW0干果百粒質量為19.04 g，水分虧缺和間作種植會一定程度上影響枸杞產量。

(4)枸杞水分利用效率隨水分虧缺程度加重呈先增大后減小的趨勢，輕度虧缺W1處理最大，較其他水分處理提高了2.07%～25.93%。間作種植水分利用效率低于單作，但總產值高于枸杞單作。