CN108668813A - 一种适应农牧交错带的田间微集雨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应农牧交错带的田间微集雨方法，采用沟垄集雨技术，具体包括以下步骤：1)建立起垄沟植的田间垄沟集雨系统，垄面为集雨区，垄沟为种植区；2)垄面拱形且人工夯实。所述垄面宽度0.5‑1.5m；所述垄沟宽度0.5‑1.5m。所述集雨区的集雨面坡度40°，垄高0.20‑0.25m。本发明方法提高了种植区的土壤水分含量，提高了种植作物的产量，提高了降水利用效率，效果显著。

Description

一种适应农牧交错带的田间微集雨方法
技术领域
本发明属于农业技术领域，具体涉及一种适应农牧交错带的田间微集雨方法。
背景技术
我国北方农牧交错带地区多为雨养农业，大气降水不足且缺乏灌溉条件，水分条件成为限制农业发展的主要因素。在全球气候变化背景下，我国北方干旱有进一步加重的趋势，且极端降雨事件发生频率增加，增加了雨养农业生产的不确定性。田间集雨技术有效地缓解了干旱区农业需水压力，在半干旱偏旱地区农业发展过程中起着重要的作用。张建新就国内外旱地集雨技术的特点和研究进展进行了系统地论述，指出集雨技术正逐步走向推广应用，在我国北方干旱半干旱地区有着显著的经济、社会和生态效益。沟垄集雨技术是干旱半干旱区一项重要的田间雨水就地叠加利用技术，通过改善作物根区的水分满足度，提高农田生产力水平、作物产量和水分利用效率，许多学者对此进行了相关的研究。研究区域大多集中在西北黄土高原半干旱偏旱区，包括山西、甘肃、宁夏等省市，研究作物包括了一年生的小麦、燕麦、玉米、马铃薯等作物，也包括了老芒麦、紫花苜蓿等多年生牧草作物。莫非等总结了近30年黄土高原雨养农业区田间微集雨技术，指出垄沟覆盖微集雨栽培技术为西北旱区粮食单产大幅度提高提供了强大的支撑作用。以往的沟垄集雨试验多集中在研究不同材料集雨面的集雨效应，或是不同比例沟垄的集雨效应，但对不同的垄宽和沟宽的集雨效应研究较少，且有关北方农牧交错带地区沟垄集雨的效果研究较为鲜见。本发明针对半干旱偏旱区的北方农牧交错带雨养农业产量低且不稳的问题，采用田间集雨模式种植马铃薯，研究不同的垄宽和沟宽对土壤水分以及马铃薯生长、产量和水分利用效率的影响，旨在为我国农牧交错带地区采用沟垄集雨方式种植马铃薯提供理论依据和参考，为该地区雨养农业实现稳产提供科学思路。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种适应农牧交错带的田间微集雨方法。
本发明的具体技术方案如下。
一种适应农牧交错带的田间微集雨方法，其特征在于，采用沟垄集雨技术，具体包括以下步骤：
1)建立起垄沟植的田间垄沟集雨系统，垄面为集雨区，垄沟为种植区；
2)垄面拱形且人工夯实。
进一步，所述垄面宽度0.5-1.5m；所述垄沟宽度0.5-1.5m。
进一步，所述集雨区的集雨面坡度40°，垄高0.20-0.25m。
本发明的有益效果
1.沟垄集雨技术提高了种植区的土壤水分含量，马铃薯生育期内20～50cm土壤贮水量，NM1.0和NM1.5处理较CK高16.1％～26.0％，其叶面积指数和单株干物重均高于对照处理。
2.沟垄集雨处理的商品薯率均高于平作，NM1.0和NM1.5处理植区商品薯产量最高，分别增产102.6％～141.3％、79.2％～146.0％；NM1.0处理的带田商品薯产量较CK相比也显著提高。
3.沟垄集雨技术能够提高降水利用效率，2011～2012年NM1.0处理的水分利用效率分别比CK提高24.8％和16.5％，差异显著。
综合而言，NM1.0处理较其他集雨处理对改善土壤水分和提高农田生产力的影响更显著。
附图说明
图1为本发明沟垄集雨技术处理示意图。
图2为不同处理下20～50cm土壤贮水量示意图。
图3为不同处理对叶面积指数和干物重的影响示意图。
图4为2011～2012年不同集雨处理对降水利用效率的影响示意图。
图5为2012年不同处理下全生育期土壤剖面贮水量图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
1.材料和方法
1.1研究区域
北方农牧交错带地区位于内蒙古高原南缘和长城沿线，大致沿北方400mm降水等值线走向，行政区划涉及内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、甘肃、宁夏、河北、山西、陕西等9省106个旗(县市)，总面积654 564km2，是连接农区与牧区的过渡地带。试验于2011～2012年在内蒙古自治区武川县农业部武川农业环境科学观测试验站(41°8′N，111°17′E)进行。试验区土壤类型为栗钙土，pH8.24～8.27，0～100cm土壤中全氮、速效磷、速效钾、有机质平均含量分别为1.09g/kg、4.96mg/kg、105.27mg/kg和13.41％。
武川县属典型的半干旱偏旱区，农业以雨养农业为主，水浇地仅占耕地面积的8％左右。气候带有显著的大陆性特点：日光资源比较丰富、无霜期短、冬季多大风。该地区年平均降水量为343.0mm，75％的降水集中在夏季，不足以满足马铃薯生长的需水要求，但降水时间相对集中且单次降水强度大，统计表明，1960～2010年间降水以小降水事件(≤10mm)为主，但≥10mm降水量占生育期总降水量的62.8％，是决定降水总量的主要因子，适合发展集雨农业。2011～2012年试验进行的两年时间，降水量分别为281.2和414.1mm，其中马铃薯生育期降水量分别为201.1和285.4mm。显然，2011年为正常年份，2012年为较湿润年份(数据源自内蒙古武川县气象局1960～2012年地面观测资料)。
1.2专利设计
采取起垄沟植的田间垄沟集雨系统，垄面为集雨区，垄沟为种植区(图1中(a)为平面图，(b)为立体图)。供试作物为“紫花白”马铃薯(Solanum tuberosum.cv.Zi Huabai)。试验共设置4个处理：1)CK：平作，作为对照；2)NM1.5：垄和沟的宽度都为1.5m；3)NM1.0：垄和沟的宽度都为1.0m；4)NM0.5：垄和沟的宽度都为0.5m。
试验小区长10m，宽6m。垄高20～25cm，集雨面坡度约为40°，垄面拱形且人工夯实。每个处理3个重复，试验小区随机分布。小区建在一整块农田中，土壤的理化性质差别不大，2011年秋季马铃薯收获后，进行垄面修整，第二年5月份在相同位置播种，保证了试验土壤的连续性和一致性。
马铃薯种植方式为穴播，人工种植，深度6～10cm，每个小区马铃薯播种均为行距50cm，株距50cm,但由于NM1.5和NM1.0集雨面积(垄面积)增加，实际种植面积(沟面积)相对减少，降低了区域尺度上的种植密度，NM0.5和CK种植密度为每公顷40,000株，NM1.5和NM1.0分别为每公顷26,000株和30,000株。播种前施入基肥：磷酸二氢铵75kg/hm2，尿素90kg/hm2，氯化钾60kg/hm2。马铃薯生育期期间没有追肥和补灌。
1.3测定项目和方法
马铃薯各个生育期进行生物量测定，每个取3株马铃薯，立即用叶面积仪(型号:LI-3000C)测量叶面积，之后用烘干法(105℃杀青15分钟，85℃烘至恒重)测定干物质重(地上部分和地下部分总和)，叶面积和干物质重取三株平均值。
土壤湿度采用中子法(型号：CPN 503DR Hydroprobe)测定，深度20～100cm，每10cm一个层次，马铃薯生育期每隔10天测定一次，雨后加测。
土壤贮水量(Soil Water Storage,SWS)按公式(1)计算：
式中，ρ-土壤容重(g cm-3),θi-土壤质量含水量(g/g％),hi-土层深度(cm)。
产量测定时每个小区取两行，每行取5米左右进行测定，记录实际的株数，将商品薯(重量大于100g)和小薯分别称重。按照两种计算方法计算了产量：1)将小区内的集雨区和种植区面积都计算在内，换算成的每公顷产量，记为带田产量(Y，ton ha-1)，带田产量即为小区的实际产量，可以用来评价集水面积对种植面积减少的补偿效应；2)仅根据小区种植区面积而不计算集雨区面积，换算成的每公顷产量，记为植区产量(Y2,ton ha-1)，可以反映集水效果和单株生长状况。
水分利用效率(water use efficiency,WUE,kg/(mm·ha))为作物产量与生长季耗水量的比值。
CK处理WUE计算：
WUE＝Y/(ΔW+P) (2)
其中，Y为带田产量(kg/ha)，P为生育期降水量(mm)，ΔW为土壤供水量(mm).
由于集雨处理下集雨面汇集一部分降水至种植区，使得种植区获得相对更多的水分供作物生长，因此计算时需对种植区的降水量进行订正：
其中，Pc为集雨处理种植区水分折合量(mm)，L1，L2分别为垄宽和沟宽(m)，α为集雨面的集雨效率。
集雨处理WUE计算：
产量、降水利用效率等数据采用SAS软件ANOVA方差分析过程(PROC ANOVA；SASInstitute,2008)进行显著性检验，Excel进行图形绘制。
2结果与分析
2.1土壤贮水量(SWS)
沟垄集雨技术通过改变地形结构使降水在地表重新分配，种植区的土壤水分得到改善。由图2可见，集雨处理种植区20～50cm土壤贮水量高于对照处理。较CK相比，2011年NM1.5、NM1.0和NM0.5处理下的全生育期土壤贮水量平均值分别提高21.0％、16.1％和10.6％；2012年则为26.0％、21.1％和6.0％，2年增加的幅度相似。特别是7月份雨季开始后(播种后50天左右)，集雨处理较对照处理相比能显著提高土壤贮水量，NM1.5和NM1.0处理土壤贮水量最高，较CK分别提高25.1％和22.8％(2011年)，37.8％和28.7％(2012年)。
2.2叶面积指数(LAI)和干物重
集雨处理使作物在生育期内获得更多的水分，有利于作物生长发育。2年试验中，集雨处理的马铃薯叶面积指数和单株干物重均高于对照处理(图3)。块茎形成期至淀粉积累期，NM1.5和NM1.0处理的叶面积指数均显著高于CK；块茎膨大期，所有处理的叶面积指数均达到最大值，NM1.5和NM1.0处理的叶面积指数分别较CK提高31.9％和43.0％(2011年)，57.8％和48.7％(2012年)；淀粉积累期，NM1.5和NM1.0处理具有较高的叶面积指数，有利于植株光合作用积累生物量，对最终产量的提高具有积极的影响。较CK相比，NM1.5和NM1.0处理显著提高了单株干物质重，成熟期时分别提高了25.7％和35.5％(2011年)，37.9％和50.6％(2012年)。
2.3产量
从表1中可以看出，集雨处理的商品薯率高于CK，NM1.0和NM1.5处理商品薯率最高，分别比CK高21.3～22.9％和15.5～30.5％。2年试验的带田总产量的规律变化不完全一致，2011年集雨处理的带田总产量较CK相比没有显著性差异；2012年NM0.5和NM1.0带田总产量增产幅度最大，分别增产19.5％和16.4％，差异显著(P<0.05)，其他集雨处理较CK相比没有显著性差异。集雨处理下带田商品薯产量均大于CK，2011年带田商品薯产量顺序为NM1.0>NM0.5>NM1.5>CK；2011年则为NM1.0>NM1.5>NM0.5>CK。2年试验，NM1.0处理的带田商品薯产量分别增产52.0％(2011年)和81.0％(2012年)，差异显著；NM1.5(2012年)处理的带田商品薯与CK相比也存在显著性差异。
集雨处理下的植区产量均高于平作处理。2011～2012年，NM1.0和NM1.5处理的植区总产量最高，增产幅度38.5％～55.1％，差异显著，NM0.5处理较CK相比差异不显著。植区商品薯产量与植区总产量规律变化一致，较CK相比，2011～2012年NM1.0和NM1.5处理的植区商品薯产量分别增产102.6％、79.2％和141.3％、146.0％，差异显著。
表1 2011～2012年不同集雨处理下马铃薯产量
Y1为带田产量，Y2为植区产量。不同字母表示差异显著(P<0.05)。
2.4水分利用效率(WUE)
由图4可见，2011年，NM1.5和NM1.0处理均显著提高水分利用效率，分别较CK高15.4％和12.7％；NM0.5的降水利用效率低于CK，原因在于NM0.5的产量与CK相当，但集雨处理下折合降水量较CK大。2012年，集雨处理的水分利用效率大小排序为NM1.0>NM1.5>NM0.5，分别较CK高23.4％、17.9％和16.4％。
3讨论
农牧交错带是连接东部农耕区与西部草原牧区的半干旱生态过渡带，该地区生态环境脆弱，旱灾频发，年际间粮食产量波动较大，决定了农牧交错带地区不是我国的粮食主产区。因此，实现小区域高产、保证粮食稳产和生态环境可持续发展是农牧交错地区的重要目标。
合理的集雨技术可以将更多的水分汇集到种植区，缓解作物水分亏缺，且集雨区的宽度越大，种植区土壤含水率越高,本发明表明集雨处理下种植区20～50cm土壤贮水量明显较CK高。这一点可以用TOPMODEL模型中的地形指数[topographic index,ln(a/tanβ)]来解释，为此我们对剖面上(垄上，垄下，沟中(图1b)，地形指数大小排序为：沟中＞垄下＞垄上≈平作)的土壤贮水量进行了验证分析，如图5可见，土壤贮水量与地形指数之间具有较好的相关关系，地形指数数值越大表明汇流面积大，相应的土壤水分状况越好，反之亦然。NM1.5处理的土壤剖面上土壤贮水量大小排序为NM1.5-F(垄上)>NM1.5-RF(垄下)>NM1.5R(沟中)，与地形指数的大小排序一致；NM1.0也有相似的规律，垄上(NM1.5、NM1.0)与平作处理的地形指数相近，二者的土壤贮水量也近似相等。图5所示为2012年不同处理下全生育期土壤剖面贮水量，其中：NM1.5-R,NM1.5-RF,NM1.5-F分别表示NM1.5处理的垄上(集雨区)，垄下和沟中(种植区)；NM1.0-R,NM1.0-RF,NM1.0-F意义同上。NM1.5-R,NM1.5-RF,NM1.5-F refer to the middle of ridge,junction of ridge and furrow,and middleof furrow in NM1.5treatment,the same with NM1.0treatment.
集雨处理下的马铃薯在生长发育期间获得了更多的水分，单株长势好，叶面积指数和单株干物质重都显著大于对照处理，最终提高商品薯率和商品薯产量，对小面积高产和大面积稳产有重要的作用；同时，需要指出的是，沟垄集雨技术是“以土地面积换取产量”，起垄方式减少了土地种植面积，降低了区域尺度上的种植密度，对总产量会产生负面作用，如研究中NM1.5处理虽然植区总产量较CK增产39.8％，但是带田总产量却与CK无显著性差异。这里便存在一个种植面积与集雨面积如何取舍的矛盾，理论而言，根据集雨面径流量、沟中的降雨量和土壤供水量三者之和等于种植作物需水量的观点可以确定某地区适宜沟垄比例，但理论的比例不能直接应用到实际生产，因为可能会出现集雨技术带来的产量提高和环境增益不足以弥补损失的经济效益的情况，如本发明中NM1.5处理带田总产量降低的例子，即使是同一沟垄比例的集雨处理(如NM1.5、NM1.0和NM0.5，比例均为1:1)，不同的沟垄宽度对农田生产力的影响效果也不同。实际生产中如何协调正负反馈平衡，找到经济效益、环境承载和农田生产力最优化时的垄沟宽度，需要进一步的理论研究和试验验证。

Claims (6)

1.一种适应农牧交错带的田间微集雨方法，其特征在于，采用沟垄集雨技术，具体包括以下步骤：
1)建立起垄沟植的田间垄沟集雨系统，垄面为集雨区，垄沟为种植区；
2)垄面拱形且人工夯实。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述垄面宽度0.5-1.5m；所述垄沟宽度0.5-1.5m。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述垄面宽度1.0m；所述垄沟宽度1.0m。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集雨区的集雨面坡度40°，垄高0.20-0.25m。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述农牧交错带的位置是沿中国北方400mm降水等值线走向，总面积约65万平方公里。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述农牧交错带的位置是41°8′N，111°17′E；土壤类型为栗钙土，pH 8.24～8.27，0～100cm土壤中全氮、速效磷、速效钾、有机质平均含量分别为1.09g/kg、4.96mg/kg、105.27mg/kg和13.41％。
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