极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程

周 宏，张恒嘉 ，莫 非，赵 鸿，，王润元，吴 姗，邓浩亮，Asfa Batool，Baoluo Ma，熊友才，*

(1.甘肃农业大学工学院，兰州 730070;2.兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所/草地农业生态系统国家重点实验室，兰州 730000;3.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省气候变化与减灾重点(开放)实验室，兰州 730020;4.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070;5.加拿大农业部ECORC研究中心，渥太华K1A 0C6 加拿大)

极端气候事件是区域范围内某一特定时期发生频率较低，但作用强度大、并对自然过程和人类生产活动产生重要影响的天气气候事件［1］，包括极端气温、极限降雨、干热风和冰雹等事件［2-3］。其中，极端气温和降雨具有高度的不可预测性，已成为影响旱区粮食安全和生态系统管理的主要生态因子［4］。自20世纪80年代以来，我国北方极端气候频发，表现为短期内连续暴雨或者长期极少降雨两种特征，其中后者对农业生产影响面更大［5-6］。极端气候事件增多加剧了农业生产的波动性，使农田生产系统的光、温、水、土、气等要素发生剧烈变化，对作物生长、水分利用和籽粒产量带来重大影响。在全球变化背景下，主粮作物包括小麦、玉米和水稻在内的产量受极端气候事件影响显著，造成粮食安全危机。在生态脆弱的黄土高原，上述危害更趋严重，探寻减缓和适应气候变化的策略已成为农业生态学领域的核心内容［7-8］。

水资源短缺、降雨少且波动性大是限制雨养农业区粮食产量提高和可持续性管理的瓶颈［9］，“卡脖子旱”问题十分突出。地膜覆盖自从1978年引入中国以来，经历了多次更新换代，并得到大面积推广和应用［10-11］。最近10年，垄沟覆膜微集雨栽培技术得到长足发展，因其集雨、保墒、抑蒸、增温、减少水土流失等优点，被广泛地应用于没有灌溉条件和春季土壤积温不足的半干旱和半湿润偏旱地区［12-18］。较传统平作耕作技术，垄沟覆膜技术能更加有效地抑制无效蒸发、提高降雨向土壤水和作物水的转化效率，解决作物水温供需错位矛盾，尤其是卡脖子旱问题，显著提高作物产量和水分利用效率［19-24］，为旱区农田水分生产力提升和农户生计改善提供了强大的技术支撑［25-26］。

然而，有报道指出垄沟覆膜在获得显著的增产效应同时，也会带来负面影响，包括生长后期的土壤干层问题，通常在土壤1 m深度以下出现干燥化现象［26，27-29］。那么，土壤干层问题究竟是垄沟覆膜引起的，还是作物本身在生长后期对土壤深处的水分过度利用所致?前期研究主要集中在丰水或者次丰水年份，在极端干旱条件下的田间试验还未见报道。更进一步地，垄沟覆膜条件下的水生产力和对天然降雨的利用效率如何?它们与极端干旱条件下土壤干层现象有正协同还是负协同效应?对上述问题的回答具有很重要的理论意义和实践价值。另一方面，在正常年份垄沟覆膜技术能够增加干物质积累，相应地提高籽粒产量，通常与单位面积上成穗数、穗粒数和粒重显著相关［30-32］。但是在极端干旱气候下，生物量的积累与产量如何分配?产量构成因子将如何变异?相关研究的报道较少，因此通过开展于大田试验，研究极端气候条件下的作物产量与生物量积累，产量构成要素的变化特性等关系，对提高旱区产量具有重要的意义。

燕麦(Avena sativa L.)是目前最具潜力的成为新一代主粮的栽培作物，可在多种土壤条件下种植［33］。它具有抗旱、耐寒、耐脊的特性［34］，特别适宜于西北干旱、高寒、贫瘠的黄土丘陵沟壑区［35］。在黄土高原半干旱冷凉地区，昼夜温差大、土壤质地偏砂，非常适合于燕麦生产。裸燕麦的蛋白质和脂肪含量分别高达15%和8.5%，分别是面粉和大米的2倍和4—7倍。由于燕麦脂肪中的主要成份是不饱和脂肪酸，其中具有降脂功效的亚油酸又占38.1%—52%，高居九种主要粮食作物之首［36-37］，因此它又是不可多得的功能保健食品［38-40］，具有广阔的市场潜力。另一方面，它既有野生性又有栽培性，粮草兼顾，有利于退耕还草，改善种植结构和生态环境，促进农牧业可持续发展。在全球气候变化下，黄土高原生态问题和粮食问题日趋突出，燕麦作物具有重要的应用价值。

目前极端气候对农业生态系统的影响研究主要集中在气候变暖导致高温天气［41-42］、暴雨事件［43］、洪涝、低温霜冻等方面［44-45］，且主要在大的时间和区域尺度上，对农田尺度上降雨格局发生改变导致极端干旱情景下的相关研究比较少见。垄沟覆盖技术作为一项重要的应对全球变化的耕作技术和应对措施，那么在应对极端气候情景有何种效果?降水、土壤水和作物水的转化效率如何?对土壤干层现象是正协同还是负协同效应?田间水分生产力和作物产量形成规律如何?对这些问题的回答首先必须建立在垄沟覆膜系统土壤水文过程和水生产力的基础研究上。本研究以燕麦为材料，以平地栽培充分供水为对照组，设置平地旱作栽培、垄沟无覆膜栽培、垄沟覆膜栽培和平地无栽培等4个处理组，通过探索极端气候背景下作物生长和水生态过程，探寻垄沟覆膜微集雨栽培技术区域适应性特征，为旱区农业和水资源可持续管理提供科学依据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

大田试验在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验站(104°37'E，35°35'N)进行。试验站海拔为1896.7 m，地处欧亚大陆腹地，是我国干旱气候区和半湿润气候区的重要气候过渡带。它既是气候变化的敏感区，又是生态环境比较脆弱的地带。其特点是光能较多，但雨热不同季，降水少且主要集中在 7—10月，占年降水量的86.9%。该地区气候干燥，年日照时间为2433 h，年平均气温6.7℃，多年平均降水量为381.7 mm，年蒸发量1531 mm，平均无霜期140 d，气候特点在黄土高原雨养农业区具有广泛的代表性和典型性。另外，该地区水土流失严重，生产力水平较低，土壤肥力中等，表层土壤为重壤土，地下水埋深大于40 m，1 m深土壤剖面平均容重为1.38 g/cm3。pH值8.36，表层0—40 cm平均土壤有机质11.01 g/kg，全氮0.73 g/kg，全磷1.77 g/kg，田间持水量的质量含水量为25.6%，凋萎系数为6.7%。

1.2 试验设计

试验共设5个处理组，其中种植处理4个，1个裸地无种植:

1)对照组(CK)，平地种植充分供水。

2)垄沟无覆膜种植(RF)，垄沟比40 cm∶40 cm，无灌溉处理。

3)垄沟覆膜种植(RFM)，垄沟比40 cm∶40 cm，无灌溉处理。

4)传统平地种植(FP)，无灌溉处理。

5)裸地(BF)，无种植无灌溉处理。

充分供水具体方法是在燕麦的苗期、分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期分别进行充分灌溉，灌水的下线指标为田间持水量的65%，这个值一般是高于凋萎系数，便于被植物所吸收。为降低大气蒸发而产生的水分损失，灌水选择在傍晚进行均匀的喷灌。在每次灌水前通过土钻取土、烘箱烘干法测定灌水前的土壤质量含水量，然后根据以下表达式确定具体灌水量

式中，M为灌水量(m3);r为以20 cm梯度，100 cm内不同剖面土壤容(g/m3);H为计划湿润层深度(cm)，依据作物的根系生长繁殖，每个生育期采取不同的湿润层(苗期20 cm;分蘖期40 cm，拔节期60 cm，抽穗期80 cm，灌浆期80 cm);θmax为灌水量下线(%);θ0灌水前土壤含水量(%);r水为水容重(kg/m3)。试验区域不考虑地下水补给对灌溉的影响。

所有垄沟栽培模式的设计垄宽40 cm，垄高20 cm，具体如图1和图2所表示。

图1 垄沟无覆盖种植Fig.1 The ridge and furrow without mulching planting

图2 垄沟地膜覆盖种植Fig.2 The ridge and furrow with film mulching planting

以燕麦“坝莜3号”为材料，地膜材质为白色聚乙烯，小区面积为22 m2，且每个小区的播种密度相同。播前将试验小区耕作层土壤进行30 cm深翻耕，同时施入底肥尿素270 kg/hm2，硫酸钾105 kg/hm2，过磷酸钙750 kg/hm2，每个处理设置3个重复，按随机因子裂区排列。

1.3 测定的项目与方法

1.3.1 土壤水分

土壤水分采用烘干法测定。播种前和收获后取样深度为140 cm，以20 cm为梯度进行采样测定。生育期间取样深度为100 cm，同样采用20 cm为梯度进行采样，用土钻取样铝盒封装带回实验室测定，用烘箱在105℃温度下烘至恒重(约8 h)，然后计算土壤重量含水量。其中，土壤贮水量、土壤贮水量变化及耗水量的计算公式为:

式中，土层厚度为(mm);土壤含水率为(%);土壤容重为(g/m3);降雨量与土壤贮水量单位一致，均为(mm)。

式中，WUE为土壤水生产力(kg·hm-2·mm-1);Y为籽粒产量(kg/hm2);SWC为土壤耗水量(mm)。

式中，WP为大气降水生产力(kg·hm-2·mm-1);P为生育期的有效降雨量(mm)。

1.3.2 出苗率

播种后定期观察出苗并记录，出苗以第1片叶伸出叶鞘2 cm为准，直至燕麦达到生物学性状“三叶一心”前，以最后一次观察结果为准，统计出实际出苗数，最后根据3次重复计算实际出苗率。

出苗率(%)=实际出苗数/实际播种数量×100%

1.3.3 干物质

分别在燕麦的苗期、拔节期、分蘖期、孕穗期、灌浆期、每个小区随机选取10株，带回室内晾干除去根部，包装后放在105℃的恒温箱内烘30 min杀青，然后将温度调至到80℃，继续烘干至恒重测定干重。对于成熟期地上干物质的测定，人工在每个小区随机收取1 m2，除去地下根部，保留完整的地上部分。首先在自然条件下风干除去一定的水分，然后用烘箱在80℃恒温烘干至恒重。各小区单独称取重量，依据小区的面积折合为公顷数。

1.3.4 产量及构成因子

在燕麦成熟期，每个小区随机选取3 m2，人工收割，晒干至恒重后脱粒，然后将脱粒后的籽粒在自然条件下风干除去杂物，考种办法同生物量测定方法一致。计算3次重复产量的平均值，最后折合为公顷数。对于产量构成要素测定，每个小区随机取10株带回室内进行考种，测定分蘖数、穗粒数、穗粒重和千粒重等指标。

1.4 数据的统计与分析

实验数据采用Excel 2010进行数据的基础整理，并用Origin 8.0软件作图，所有数据的显著性、误差分析由SPSS 17.0软件处理得到，而处理之间的各项指标均由单因素SLD分析、比较，显著性水平设定为α=0.05，各图表中的数据均为平均值。

2 结果与分析

2.1 研究地点降雨分析及极端气候界定

按联合国环境规划署对极端气候界定标准，某一时段降水量距平百分量-20%—-39%定为干旱，-40%—-59%为大旱，≤-60%为重早［46］。因此本文将60%定义为极值点来判断干旱作为极端气候的标准。在本研究的试验点，2010年和2011年的降雨量均显著低于过去30a的平均值，尤其是2011年，总降雨量仅为多年均值的22.58%，且在作物的3个生长繁殖阶段:建苗期、生殖繁育、营养繁殖都发生了严重的干旱，在拔节期更为凸显，降雨量仅仅为2.6 mm，而多年的均值为55.6 mm。2010年降雨量尽管比2011年高，但是在生殖繁殖后期和营养繁殖前期，发生了极端干旱现象，降雨量仅为16.0 mm，仅占全生育期的7.62%，与多年均值83.6 mm相比，具有显著性的差异(表1)。虽然两年发生极端干旱的时间段有所不同，且以小于距平值的60%为判断标准，将2011年界定为全生育期持续极端干旱，简称为全生育期极端干旱年份;2010年界定为生育中后期阶段性极端干旱，简称为阶段性极端干旱。

表1 2010—2011年全生育期降雨量分布极其极端干旱的发生时段Table 1 Rainfall distribution in growing season and the time during extreme droughts in the 2010 and 2011

2.2 垄沟栽培模式对出苗的影响

种子出苗率低、出苗均匀度差，最终都会直接导致作物产量下降。通过分析发现2010年和2011两年各处理之间出苗率出现显著(P＜0.05)的差异。极端性极端干旱的2010年，处理RFM较CK提高了17.03%，RF、FP较 CK分别降低了11.28%、3.71%。全生育期极端干旱的2011年，各处理的出苗率受到了严重的影响，但总体趋势仍然和2010年相似，表现为RFM＞RF＞FP，与CK 相比，处理RFM、RF，FP 的出苗率分别降低了76.46%、89.52%、89.67%(图3)。在两个极端气候年份下，2010年由于其极端干旱发生在生育后期，出苗率并没有受到太大影响，而2011年全生育期的极端干旱使播前土壤储水和建苗阶段土壤的供水量受到了严重的亏缺，导致出苗率严重降低。但是垄沟覆膜栽培其特有的集雨、增温效应，出苗率仍达到了15%，较 RF，FP相比，其提高了55.4%、56.1%，RF与FP之间没有显著差异。

图3 不同处理燕麦出苗率Fig.3 The germination rate of oat under different treatments

2.3 垄沟栽培对全生育期生物量变化的影响

两个极端气候类型下，地上生物量积累随生育期动态变化规律出现了较大差异。生育后期极端干旱的2010年各处理变化表明:处理FP、RF从分蘖期干重一直处于上升阶段，随后逐渐开始下降，到播种后90 d左右停止变化，趋于稳定，呈现单峰型变化。处理RFM达到稳定的时间相对于滞后几天。收获期 RFM、RF、FP 单株干物质分别为 3.61、2.65 g、2.82 g，比对照依次降低了 21.22%、42.01%、38.29%，但是处理 RFM显著高于 RF、FP，分别比其提高了26.59%、21.88%。且从全生育期地上干物质变化可以看到，处理RFM达到峰值所需要时间较长，为后期光合有效物质积累从茎向籽粒的转移提供了可能(图4)。对照CK由于后期土壤水分充足，生物量没有出现明显的拐点。全生育期极端干旱的2011年，处理RFM生物量收获期其单株地上干物质达到了28.36 g，较处理 CK、RF、FP分别提高了 83.83%、64.17%、68.97%，且干重出现峰值的时间都滞后于2010年各处理，而处理RF、FP由于水分亏缺导致的干旱胁迫，没有出现峰值(图4)。2011年全生育期水分亏缺也导致了繁殖分配尽可能向单株生物量积累转移，提高光合积累向营养器官分配的比例，获取较高的籽粒产量。从两年生物量的变化可以看到，在生育前期，充分灌溉处理的生物量积累均高于其它处理，且处理FP、RF在95 d之前2010年生长优势优于2011年，但2011年生育后期各处理表现出了较好的补偿效应，而较处理RF、FP，RFM对生物量补偿较提前了10 d左右时间。

2.4 垄沟栽培对燕麦产量构成因子的影响

产量高低最终决定于各个产量构成因子表现和贡献率，阶段性干旱的2010年，各处理除去分蘖数外，总体表现出如下趋势:处理RFM较处理组FP、RF有显著性差异，较对照CK无显著性有差异。而RFM、RF、CK的穗铃数、单株粒数、单株粒重、千粒重均比 FP提高了 23.5%、1.7%、27.2%、-4.7%;-5.3%、-23.6%、0、-4.1%;25.5%、1.5%、36.3%、4.1%。处理 RF比对照 CK依次降低了 5.3%、23.6%、0、4.1%。分蘖数各处理之间没有显著性差异，这可能与播前土壤贮水相对较好，而处理CK由于全生育期进行了充分灌溉，有效分蘖数较其它处理之间表现出了差异。2011年全生育期极端干旱的背景下，处理RFM的优势进一步凸显，以上4项产量构成因子分别比 FP提高了 58.9%、130.6%、475%、5.1%;比 RF分别提高了-9.4%、6.4%、50.0%、2.6%。而2011年处理RFM的分蘖数和有效分蘖数较CK、RF、FP有显著性差异，而处理RF、FP与CK之间同样存在显著性差异(表2)。就两年处理RFM表现出现的优势而言，2011年在水分限制因子极端的调控下，尤其是单株粒数、单株粒重两项产量构成因子较2010年分别提高了0.6倍、5.1倍。这也可能是2011年出苗率极低的情况下，处理RFM产量与对照组相比没有受到太大影响的原因。

图4 不同处理燕麦单株地上生物量随生育期的动态变化Fig.4 The dynamic of biomass per plant under different treatments during oat different growing season

在阶段性干旱的2010年，所有处理的产量和生物量均高于全生育期极端干旱2011年，CK地上生物量积累均显著高于2010、2011年各处理，这得益于它全生育期土壤水分的充足供应。产量除2010年处理RFM外，两年其它各处理均低于CK(表2)，且处理 RFM产量为 1833.5 kg/hm2，较 CK提高4.6%。阶段性干旱的2010年RFM处理较CK收获指数并没有显著提高，而全生育期极端干旱的2011较CK显著提高了55.6%。全生育期极端干旱的2011年，处理RFM的产量依然达到了1360 kg/hm2，而RF这种栽培模式在极端干旱年份相对于传统的耕作模式了反倒是限制了产量构成要素的增长。收获期地上生物量CK均显著高于两年各处理，2011年各处理生物量均显著低于2010年各处理，但是在全生育期极端干的2011年处理RFM显著的高于处理RF、FP。尽管生物量降低了，但产量并没有相应的大幅降低，这可能是覆膜垄沟栽培将有限的土壤水分用于增加产量构成因子。

表2 不同处理对燕麦产量及产量构成因子的影响Table 2 The effect of different treatments on oat yield and yield components

2.5 垄沟栽培对收获期土壤水分变化影响

收获期土壤含水量反映了作物在全生育期对土壤各剖面水分摄取状况，在两个极端干旱类型年份，剖面含水量基本以40—60 cm为拐点，从0—140 cm土壤水分的变化呈“V”形变化趋势，2010、2011年处理组RFM、RF、FP、BF 0—60 cm耕作层土壤含水量分别为21.8%、16.7%、11.5%、16.3%;14.1%、14.9%、14.7%、16.4%;CK为14.65%。且土壤水分最低值发生在40—60 cm剖面内，通过试验也发现该层形成了土壤干层，而处理BF表层含水量基本一致。60 cm以下土壤含水量逐渐回升，两年 80—140 cm RFM、RF、FP、BF处理组的含水量分别为13.5%、15.2%、14.4%、16.8%;13.2%、14.4%、13.5%、14.0%，CK为14.3%，可以发现，处理RFM含水量最低，这可能是覆膜处理作物生长优势通过蒸腾作用对表层

水分消耗的同时，发达的根系会进一步将深层土壤水向上运输，以供给作物各个阶段对水分的需求。处理BF水分消耗主要是蒸发损失，因此含水量相对高于其它处理，2010年整个0—140 cm剖面基本维持在15%左右(图5)，几乎成直线型变化，2011年BF下层含水量低于RF、CK，高于RFM、FP，仍然遵循V型趋势，但拐点发生在80 cm左右处。且两年的研究表明，120 cm以下剖面土壤水分，几乎不受耕作的影响，两年处理RFM、RF、FP、BF的含水量分别为16.3%、17.1%、17.5%、17.1%;14.7%、15.1%、14.7%、15.1%，且阶段性极端干旱的2010年要高于全生育期极端干旱的2011年。

图5 不同处理收获期0—140cm各剖面的土壤水分含量变化Fig.5 The dynamic of soil water content with soil depth changes under different treatments during mature stage

2.6 垄沟栽培对全生育期土壤贮水量变化影响

在阶段性极端干旱的2010年，土壤贮水量在全生育期的变化经历了3个主要的过程，前40 d略有增加，后面持续降低，但并非直线下降，而在70 d左右水分又一次短暂的回升，这可能是在这个生育阶段降水的补给超过作物的耗水需求，再从灌浆期到成熟期贮水量回升阶段。在开始阶段，处理RFM要略高于RF和CK，随后开始下降，这与其作物生长旺盛，对水分的高消耗有关，而在后期的恢复阶段，处理RFM可以更有效的将降雨转化为土壤水，贮水量明显高于其它处理，且表现出BF＞RFM＞RF＞CK＞FP(图5)，进一步凸显了处理RFM种耕作栽培方式对土壤水分利用的优势。裸地由于无种植，除表层在开始阶段受到蒸发影响外，此后水分相对稳定，基本维持在210 mm左右，不受作物生长对水分的主动调控。全生育期极端干旱的2011年各，各处理经历了两个变化阶段，从开始到90 d左右下降阶段，随后到收获期的回升阶段，而处理RFM的下降一直持续到了100 d左右，在前80 d要高于BF和FP，而在随后的90—100 d左右处理FP水分开始缓慢回升，而处理RF、RFM在短暂时间内再次出现了急剧下降阶段，从开始200 mm左右直降到135 mm(图5)，尽管收获期水分逐步的开始恢复，但由于前一阶段对水分的过度消耗，加之没有降雨及时的补给，导致收获后土壤贮水量低于其它处理，有如下趋势:BF＞FP＞RF＞CK＞RFM。在两个极端气候类型背景下，降雨相对较好的2010年，各处理生育期的平均贮水量均高于2011年，而垄沟处理RF、RFM在生育后期贮水开始明显回升，2010年处理RFM 100 d以后贮水量达到了171.4 mm，较 RF、FP分别提高了4.3 mm、30.5 mm，2011年RF贮水量为195.4 mm，较其它处理最高。

图6 不同处理下1m内土壤剖面贮水量变化Fig.6 The dynamic of stored water amount within one-meter soil depth under different treatments

2.7 垄沟栽培对作物生育期、耗水量、水分利用效率、水生产力的影响

在阶段性极端干旱的2010年，处理FP生育期要短于处理RFM约一周的时间，而充分灌溉处理CK的生育期最长，达到了119 d。这与水分充足拓宽了灌浆期长度有关，而全生育期极端干旱的2011年各处理的生育期相对于2010年平均延后了25 d左右(表3)。2010年各处理土壤耗水量为FP＞CK＞RF＞RFM，处理RFM低于其它处理，而在全生育期极端干旱2011年恰好相反，处理RFM由于其在生物量繁殖优势，导致了对土壤水过度消耗和利用，耗水量最高。2010年处理RFM水分利用效率较对照提高了22.4%;全生育期极端干旱的2011年，处理RFM水分利用效率达到了14.1 kg·mm-1·hm-2，较对照CK提高了85.5%，且比2010年提高了34.2%，而两年处理RF和FP水分利用效率分别为5.3、5.0;5.7、5.0 kg·mm-1·hm-2均 显 著 低 于 CK 值7.6 kg·mm-1·hm-2。极端性极端干旱的2010年，覆膜处理RFM大田的水生产力显著性高于CK，而处理RF、FP显著低于CK。全生育期极端干旱的2011年，处理RFM的水分利用效率，水生产力均显著高于其它处理，尤其水生产力达到了18.3 kg·mm-1·hm-2，比对照CK提高了53.6%(表3)，但处理组RF和FP显著低于对照组。

表3 不同处理下燕麦大田土壤耗水量、水分利用效率、水生产力比较Table 3 Comparisons of water consumption，yield and water use efficiency under different treatments in an oat field

3 讨论

垄沟覆膜集雨栽培技术大幅度提高生物量的积累和提升作物产量，已经成为雨养农业区生产力跃升和稳定的主要强动力［47-53］。垄沟与地膜相结合耕作模式，首先是通过增加雨水收集效率和土壤容纳降雨的空间，进而提高作物水分利用效率，形成较好的水分补偿效应，有效地弥补了裸露栽培水分蒸发快、不保墒的缺陷，显著地改变了作物对极端干旱气候的适应对策，最终影响作物的出苗、成苗和产量形成［53-55］。该技术能明显减除玉米“卡脖子旱”现象，通过增加穗粒数和千粒重等穗部相关系数、以及单位面积的分蘖数而达到增产目标［56-61］。

土壤深层干燥化在旱作农业区是一种特殊水文现象，其后果是形成土壤干层。研究指出，黄土高原旱作粮田深层土壤干燥化现象日益凸显，受植被覆盖类型、作物种类、土壤类型和播种年限的影响，土壤干层的变动范围存在较大的差异，且随着播种年限增加和连续干旱的发生，土壤干燥程度会加深［62-64］。已有研究表明，以土壤水分含量低于11%的土层全部看作土壤干层［65］。本研究发现两年收获期不同剖面的水分变化主要发生在1 m以上的土层，除去充分灌溉，其它3个处理组FP、RF和RFM对60 cm处水分的消耗最为严重，两年平均含水量分别为9.9%、11.0%、11.1%，低于其它各剖面，出现了土壤干层。在2011年处理RFM含水量最低，仅为9.5%，推测是由于在极端干旱与水势梯度双重作用下，土壤水分强烈蒸发形成［66］。但覆膜处理由于其高效的集雨性和抑蒸性，能够快速促进表面水分的回升，表层土壤水分高于其它处理，因此能够囤积更多有效水分向下运输，也提高了土壤水分潜在的恢复能力，这对连年播种可能加剧的土壤干层现象具有一定的缓解效应。而垄沟无覆膜处理1 m以下水分受作物的生长而发生的迁移和交换影响较小，能维持较为稳定的含水值。平种和裸地由于其表层蒸发高，导致了较大的下层水分波动［59］，既不利于各个土壤剖面维持水分动态平衡，也不利于极端气候下作物的持久抗旱性。

两个极端干旱类型年份，生育期土壤贮水量呈现出以孕穗期为分界点，前期一直降低，随后逐渐恢复。2010年前期垄沟覆膜处理低于其它处理，这与生育期降雨分布均匀正常年份垄沟地膜覆盖能够提高土壤贮水量有差异［67-68］，这可能是垄沟覆膜系统增加了燕麦建苗期水分的供应，为燕麦出苗和前期生长提供了充足水分的储备，尤其消耗了耕作层土壤蓄水。由于处理RFM产流快，减少了径流量，两年前期土壤贮水量较高，而后期含水量低是由于作物生物量的积累和籽粒灌浆的形成加速了水分的消耗，实现了前期蓄水后期供水，解决了降雨导致的作物水分供需矛盾，整个生育期1 m内平均贮水量比垄沟无覆盖、平地分别提高4.1、12.1 mm。已有研究表明，裸燕麦普通膜垄、可降解膜垄和土垄的土壤贮水量比平作分别提高102、83 mm和61 mm，尽管受到干旱抑制，提高幅度较小，但是膜垄集雨优势依然明显，与本研究结果一致［69］。而在全生育极端干旱2011年孕穗期以后垄沟覆膜处理1 m内平均贮水量仅为158.9 mm，较垄沟无覆盖和平种减少了24.3、14.3 mm，首先由于垄沟覆膜栽培体系根据群体生长的需求对土壤水分进行了时间上的再分配，其次是极端干旱气候条件下，垄沟覆膜在抑蒸、集雨和膜下毛细管提“墒”的共同作用下，以消耗深层土壤贮水量为代价维持作物生长［70-72］。垄沟覆膜处理的高耗水也加大了后期土壤水分恢复的难度和周期。尽管对照组在两个极端干旱年份从苗期到灌浆期土壤贮水量相对较高，但收获期土壤水分没有表现出回升的趋势，因此在旱地雨养农业可持续的背景下，此种耕作方式不利于下茬作物的生产。

土壤-植物-大气连续体是实现农田水循环的关键［73］，而土壤水是降雨转化为作物水的中间枢纽。当极端干旱导致的水分亏缺出现在苗期时，会发生作物物候的改变，尤其拉长出苗所需的时间，这从2011年的苗期来看，比2010年平均晚了25 d左右，最终导致了整个燕麦物候期的滞后。这与研究表明水分缺失常常使植物物候延迟，推迟时间与干旱程度有关一致［74］。研究指出，在生育期 230，340 mm和440 mm不同的降雨条件下，通过垄沟覆膜方式播种，玉米水分利用效率和产量分别较传统平种提高了 77.4%，43.1%，9.5%;82.8%，43.4%，11.2%［75］，证明在降雨量为230 mm的最低年份，各项指标提升的潜力最大。本研究表明，在极端干旱环境下，垄沟覆膜覆盖能够进一步提高土壤水的利用效率和大田水生产力，尤其在2011年生育期降雨量仅为74.2 mm，两项指标较对照分别提高了85.5%、115.3%，产量较平种提高了209.1%，与以上研究相一致。因此垄沟覆盖栽培系统在极端干旱年份，最大程度的满足了作物对水分的供需分配，实现了雨水、土壤水、作物水“三水”的优化配置利用，从空间上拉拢了该区降水资源与作物需水之间的错位，是应对极端干旱条件，维持产量稳定的优势选择。

4 结论与展望

燕麦作为寒旱地区的优势作物，对自然环境具有较强的适应能力，不仅有利于调节当地的农事活动，而且由于其抗旱、耐寒的优良特性，其未来必将有广阔的应用和推广空间［76-77］。而垄沟覆膜栽培也极大地弥补了燕麦在极端气候下的产量亏缺，尤其在全球气候变化的背景下，其作为第三主粮的生产潜力为解决我国高寒草地草畜供求矛盾，保护草地资源可持续性发展和世界粮食安全做出贡献［78-79］。

在极端气候事件发生情况下，垄沟覆膜栽培技术作为重要抗旱技术具有较好的适应性，尽管产量输出和地上生物量积累受到了抑制，但可通过积极提升生育后期土壤水分以缓解土壤干层，并采取不同的生物量补偿和穗部优化策略来缓解极端干旱带来的产量下降。从时间和空间尺度上优化了作物对水资源的供需匹配，从而提高了作物水分利用效率和大田水生产力，提高了极端干旱背景下燕麦的抗旱性和大田产量的稳定性，是应对极端气候变化和提高旱区粮食安全的重要生态策略。我们的研究旨在为干旱区雨养农业应付极端气候提供一定的借鉴，也拓展了垄沟覆盖栽培作为重要的抗旱技术在更复杂环境下推广可能。然而在极端气候的影响下，作物地下根系的分布和分配，以及土壤养分的输入和输出变化尚需进一步的探究，力求从土壤水分、养分、以及作物株型指标综合解释其应对极端天气的生产、生态过程。

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