下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
黄土高原位于中国的西北部，介于34°~40°N和102°~112°E，包括青海、甘肃、山西、陕西和内蒙古等省（自治区），总面积达到62万km 2 ，约占我国国土面积的6%，其中半干旱区占我国国土面积的4.6%，该地区光热资源丰富，自然降水是该区旱地农业生产的唯一水分资源。其年总降雨量的70%分布在7—9月，并且呈现出降雨量少和变率大两个显著特征，造成了作物产量低甚至在个别年份作物绝产。因此，怎样将水土流失和无效蒸发尽可能地转化成生产力，是实现干旱半干旱雨养农业区水分利用效率提高的关键。与此同时，近几十年来，在气候变暖的背景下，我国黄土高原的干旱化也有加剧的趋势，黄土高原也面临着水土流失、荒漠化和盐碱化的趋势。
随着新中国成立后我国人口的膨胀，在20世纪80年代，针对在我国雨养农业区存在的农业用水匮乏这一现状，相关的研究人员提出了“主动抗旱，以雨水治旱”的思路，形成了现今的两大集雨体系——旱地集雨补灌农业技术体系和集水高效农业技术体系。这两大集雨体系的实施有效地解决了对有限降雨的收集、储存，对传统认为的无效降雨的回收力度大大加强了，蓄水系统的建立有效地减少了水分的无效蒸发，在集雨补灌农业体系中实现了降雨的再分配，很好地解决了在干旱地区降雨季节与作物需水关键期之间的供需不对口现象。
国际上最早的集雨农业科学试验是在1929年由澳大利亚工程师A.S.Knyon做的。他通过一个铁皮作为雨水收集介质，最后将其输送到一个带盖的蓄水池中，与此同时他分析了本地近50年的降雨数据，经计算得出了即使在降水量最少的年份，该雨水收集系统也能为一个6口人的家庭、2头牛、10匹马和150只羊提供一年的用水。在随后的第二次世界大战期间，随着机械动力技术对河流的开发和地下水开采技术的不断发展，人类对集雨农业技术研究的兴趣有所下降。随着第二次世界大战的结束和世界经济的复苏，在一些没有河流、地下水开采受限和降雨有限的地区，农业甚至是人畜饮水受到极大威胁的地区，成本更低的集雨农业技术重新受到人们的重视，因此，在此期间开展了大量相关试验研究，特别是进入20世纪后半期，各国的科研工作者对雨水的合理利用有了更深刻的认识和研究。如印度、尼泊尔、泰国、菲律宾、马里、坦桑尼亚及非洲各国，科研人员对于雨水的利用进行了系统的研究，在此期间衍生出了以下主要研究成果：
（1）微型集水区集雨系统的定量模拟研究。Boers、Zondrer Van、Ben-Asher和Warrick等共同合作开发研究了微型集水区的集雨方式，并建立了较好的微集水系统的模型。
（2）关于集雨模型的研究。
（3）以农业生产为目的集雨系统的研究。如Reij等科学家使用微型集雨方法来种植高粱和谷子，分别获得了1900.95kg/hm 2 和3101.6kg/hm 2 的高产。
（4）关于集雨系统的分类研究。
（5）微流域集水农业系统的研究。
（6）以改善农业生态环境为主的研究。
（7）屋面集雨系统的技术研究。
（8）以发展庭院经济为目的的集雨技术的研究。
（9）雨水对地下水的回灌技术研究。
（10）雾的收集和利用。
在距今4000多年前的商代就已经有了关于雨水收集和再利用的记载。除此之外，在商代黄河流域大规模的“沟洫”、秦汉时期的“陵塘”联用、唐代盛行“淤溉”，以及在600多年前的水窖、旱井都见证了我国集水技术的发展。在20世纪60年代，我国的科学家在研究黄土高原水土流失的问题时就涉及了雨水产流的相关技术的研究，70年代，在吕梁山通过采用梯田集雨技术来为发展当地的农牧业提供水源。
改革开放之后，随着土地承包制度的改变，黄土高原地区大量闲置土地的利用对于发展集雨农业显得尤为重要，大量的关于集雨农业的研究逐渐在我国的黄土高原展开，主要研究了不同水土保持措施对降雨入渗以及产流的影响。在这其中，以垄沟为基础的栽培集雨技术是在传统栽培耕作基础上改进的一种新模式，后来在集雨的过程中采用了地膜覆盖技术，有效地汇集了降雨，最终实现了降水在空间上的叠加。在此期间，各级政府对该技术也逐渐重视，并于1988年在甘肃省召开的学术讨论会上首次提出“集水高效农业”的概念。进入20世纪90年代后，在政府和科研单位的共同合作下，建立了以集水技术为依托的庭院集水农业模式和以田间垄沟地膜覆盖微集雨种植模式，这两种模式的应用有效地解决了一般年份一个正常家庭的生活和部分农业用水，尤其是在农业生产方面实现了作物产量和水分利用效率的大幅增加。
生育期起垄的垄宽以25~60mm为宜，建议垄沟比为1∶1或2∶1为宜；夏闲期起垄垄宽以100cm为宜，垄沟比以小于或等于4:1为宜。可根据降雨量的多寡，调整垄沟宽比，通过增加或减少作物群体数量与集水面的大小，提高农田微集水技术的增产效果。在地膜覆盖的情况下，垄高应以15cm为宜。一般有拱形垄、梯形垄和三角形垄，有研究提出半干旱区在实施垄沟种植时应考虑采用三角形垄。垄向首先考虑沟垄应与等高线平行，其次才是与主风向垂直。
1.垄沟覆膜微集雨技术的蓄水保墒效应
垄沟覆膜微集雨技术的布置形式一般为垄沟相间排列，垄上的地膜起到集雨的效果，在沟内种植作物，两者共同构成了田间微集水种植系统，称为沟垄系统。该系统可以使有效的降水沿着垄顺流入沟中，实现了把垄上和沟里的降雨集中到沟中，这样能显著增加耕作区的土壤水分并促进雨水的入渗，从而加大对耕作层以下水分的补给。在该系统中，地膜不仅起到了集雨的作用，同时还起到了抑制土壤水分蒸发的效果，最终表现为膜下土壤的含水率相对于平地要高。王晓凌等通过人工模拟降雨试验，分别对垄宽和沟宽均为66cm的垄沟覆膜处理和平地分别人工降雨45mm，在第二天，观察各剖面的水分变化情况，其结果是平地下渗约30cm，而垄沟覆膜处理的沟中水分下渗50cm，由此可以看出，垄沟覆膜处理较平地处理多下渗20cm，且垄沟覆膜处理水分呈现出向土壤深层下渗的同时向侧翼土壤入渗的特点。因此，蒸发损失相对于平地会显著减少，其最主要的原因就是由于垄沟覆膜微集雨技术可使降水的入渗较平地深。因此，可以将地膜覆盖技术抑制蒸腾的机理理解为：地膜覆盖在土壤表面设置了一层不透水的物理阻隔，有效地阻止了土壤水分的纵向向上的移动，从而迫使水分横向运动，造成水分开始向无覆盖的地方移动或者向地膜的开孔处移动，因此改变了无地膜覆盖使土壤水分开放式的水分运动方式，有效地抑制了水分蒸发损失，造成总蒸发量大幅度下降，从而保证膜下土层有较高的含水量。在我国西北干旱半干旱地区，在年降雨量呈现降雨强度小且多为无效降水的情况下，垄沟覆膜微集雨技术可以显著地增加降雨的有效性。通过采用垄沟覆膜微集雨技术，可以使旱地小麦从无地膜覆盖之前对降雨的利用率32%增加到52%，实现对降雨资源更为合理的利用。
从不同垄沟宽度的集雨效果来看，总体呈现出膜垄窄沟>膜垄宽沟>土垄窄沟>土垄宽沟。李军研究表明，采用起垄覆膜春小麦技术后，试验田垄下2m土壤贮水量比平地处理的要高，对于窄沟型（垄宽和沟宽均为 0.67m）的垄沟集雨技术，其该剖面土壤贮水量为32.5mm，比平地处理提高了35.1%；对于宽沟型（垄宽和沟宽分别为0.67m和1.33m），其剖面的土壤贮水量为48.6mm，比平地处理提高了45.4%。
2.垄沟覆膜微集雨技术的增温效应
在垄上覆膜后，耕层处的土壤温度显著增加，故垄覆膜处理垄上和沟中温度高于平作（对照）。与此同时，田间起垄覆膜，增加了田面凹凸不平，地面粗糙度加大，从而加大了地表面积，使得该模式可以接收更多的有效辐射。加之地膜覆盖具有保温作用，使土壤温度提高。大田土壤积温的提高有效地补偿了作物在出苗期间的土壤有效积温不足，有利于作物生长发育和最终的提高产量。垄或沟覆盖后，太阳辐射透过覆盖层投射到土壤上，实现了光能向热能的转化。由于覆盖层阻隔了土壤中热能向外扩散，从而实现了地表土壤的增温，由于不同土壤剖面热量的差异性造成热量向下层土壤传输。而在夜间由于外界气温降低，较为深层的土壤释放出部分热量向地表运动，从而减缓地表温度的大幅变化，由于地膜覆盖能显著增加覆膜垄作，耕层5cm处的土壤温度，因此有利于作物幼苗的生长。朝思明等对玉米的相关研究表明，在渭北旱源闲地，垄宽和沟宽均为66cm，在10月初15:00测定的垄上5cm、10cm和15cm温度较平作均高3℃，但是沟内覆膜的处理与平地处理相差不显著。在作物生长期间，垄作覆膜沟内温度均低于平作（对照），这是由于这两种处理沟内盖草或种玉米遮阴的影响。沟内温度低，可减少蒸发，有利于蓄水。
3.垄沟覆膜微集雨技术对土壤水、肥、汽、热的交互式影响
垄沟覆膜微集雨技术充分蓄积了有效的降雨，实现了将两个面（垄面和沟面）上的降雨汇集到一个面上（沟中），最终实现了种植区双向水分的叠加，因此相对于平地处理可以使降雨入渗更深，蒸发损失减少，其机理表现为地膜在大气间与土壤间形成了一层隔离带，减少土壤与大气之间的直接水分交换，从而减少土壤水分向大气的扩散，最大限度地储存了土壤水分。在干旱半干旱地区，土壤水分的变化对作物的产量和其他相关环境要素会产生很大的影响。例如，土壤水分的改善可以使作物的净光合速率显著提高，最终大幅提高产量；从另外一个角度讲，在没有额外灌溉的条件下，垄沟覆膜微集雨技术表现为显著提高了降水的利用率，特别是小雨的利用率，最终实现了在我国西北干旱半干旱地区对雨水高效利用的目的。此外，由于垄沟集雨种植技术是在沟内集中撒施肥料，避免了传统的全面施肥，化肥主要集中在了作物的播种沟中，因此有利于作物根系对养分的吸收和转化，使肥效得到充分发挥，并最终提高了肥料的利用率。土壤的水、肥、气、热协调，为土壤微生物繁衍创造了良好的环境，促进了土壤缓效养分的速效化和有机质的矿质化、腐殖化过程，使土壤理化性状得到改善。土壤水温条件改善，土壤呼吸加强，必然导致土壤中有机氮矿化速率增加、活性有机氮含量减小，减小同化产物在土壤中的积累；随土壤含水量增加，钾肥有效利用率提高。
采用垄沟覆膜微集雨技术，能显著改善作物生长环境中的水分和温度状况，土壤水分状况的改变会对作物的生长发育产生一系列的影响，譬如可使作物早出苗，加快作物在各主要生育期的生育进程。地膜覆盖可以有利于根系早扎、快生，而且还有利于延长作物生长后期部分根系的吸收功能，从而改变根系在土壤中的分布和增加根系活性，最终加快作物的生长，缩短作物的生育期。丁瑞霞对玉米的研究表明，采用垄沟覆膜微集雨技术，玉米出苗提早1~2天，拔节期提早7~8天，抽雄期提早6~10天；而对于谷子苗期较对照提早1~2天，拔节期提早4~13天，分蘖期提早6~12天，抽穗期提早11~20天；胡希远等对糜子的研究表明，垄沟覆膜微集雨技术的膜垄窄行（垄宽0.7m、沟宽0.6m）、膜垄宽行（垄宽0.7m、沟宽1.2m）、土垄窄行（垄宽 0.7m、沟宽 0.6m）、土垄宽行（垄宽 0.7m、沟宽1.2m）几种耕作模式，作物在幼苗期的鲜重、干重、株高和次生根数较平地处理都有较大的提高，其中鲜重增加46.2%~175.1%，干重增加31.6%~126.3%，株高增加26.0%~75.7%，次生根数增加 14.1%~54.7%。集水处理边行谷子平均株高较对照高出 31.9~33.9cm，中行谷子平均株高分别高出对照12.6~13.1cm；采用垄沟覆膜微集雨技术，玉米的平均株高高出对照25.0~28.8cm。而对于冬小麦，通过采用垄沟覆膜微集雨技术，可使冬小麦在幼苗期的鲜重、干重、株高和次生根数较平地处理分别提高 46.2%~175.1%、31.6%~126.3%、26.0%~75.7%、14.1%~54.7%。
关于垄沟覆膜微集雨技术对作物生育期持续时间的影响，白秀梅研究表明，起垄覆膜技术使玉米苗期较对照提早2~3天，拔节期较对照提早9天，从整个生育期各处理的生育期总长度来看，垄沟覆膜较对照提早约半个月成熟。高世铭等的研究结果表明，采用垄沟覆膜微集雨技术，春小麦的出苗期较平地提早7~9天，而出苗到三叶期之间的生育期缩短，三叶期到拔节期生育期变长，开花期到成熟期延长，从各处理与对照相比，覆盖处理生长期一般提早10~20天，其中苗期缩短5~12天，开花期提前3~16天，结实期提前4~15天。从而把生长高峰调整到光热条件最好的时期，使作物可以充分利用当地的光热资源，为作物早熟、高产、优质奠定基础。与此同时，地膜覆盖能有效增加有效分蘖数，并有利于穗后期分化。全程覆膜旱地小麦苗期较对照提前2天，分蘖期提早4~5天，越冬期推迟7~8天，返青提早4~5天，拔节期提前3~4天，抽穗较提早3~4天，成熟期提前3~4天，因此，地膜覆盖可显著缩短作物各生育期的持续时间。
垄沟覆膜微集雨技术能显著改善作物生长环境中的水分状况，土壤水分状况的改善必然影响到其生长发育，最终影响到作物的产量。李小雁的研究表明，采用垄沟覆膜微集雨技术，当垄上覆膜沟内也有覆盖物时，1998年，玉米的产量比传统的平地种植模式增加108%~143%，比垄覆膜沟不覆膜处理增产16%~50%，1999年，由于降雨较多，增产幅度较小，垄沟集雨比平作（对照）增产44%~69%，比垄沟不覆膜处理增产19%~39%。王俊鹏、韩清芳等的研究表明，当垄沟宽度均为60cm时，与平作（对照）相比，玉米和小麦分别增产达69.8%和80.8%；当垄沟宽度均为75cm时，两种作物的增产幅度依次为 54.7%和46.6%；朱国庆在定西干旱半干旱雨养农业区通过采用微集雨种植技术得出，采用垄沟覆膜微集雨技术可使春小麦产量较平作（对照）提高34.4%~58.8%。朱国庆与王俊鹏指出，带型、茬口和降水年型（丰水年、平水年和枯水年）是影响垄沟覆膜微集雨技术增产效果最主要的几个因素。
通过甘肃省定西市多年的试验结果和当地群众在生产实践中的经验，春小麦在低产年份（降雨相对干旱年份）对土壤水的利用并不充分，而在高产年份（降水相对充分年份）对土壤水的利用则相对充分。因此，垄沟覆膜微集雨技术可以通过改变作物耗水量中的土壤供水量最终实现水分利用效率的提高。Passniuar指出，根系是同化产物的主要消耗器官之一，生产单位干重根系所消耗同化物质为生产单位地上部分干重所消耗同化物的两倍，且根系呼吸速率远远大于地上部分的呼吸速率。垄沟覆膜微集雨技术通过改善土壤水分条件，使得作物不需要通过大量的根系来适宜土壤中的水分胁迫，因而相对于平地处理可以有效地减少根系对同化产物的消耗，从而使大量的同化产物分配在作物的籽粒上，进而显著地提高作物的产量和水分利用效率。在宁南国家旱农试区，在垄沟宽度均为60cm的垄上覆膜处理比平地处理的水分利用效率增加了4.1kg/（mm·hm 2 ）。胡希远研究表明，同一带宽的垄上覆膜处理比垄上无覆膜处理的水分利用率高1.14~1.7kg/（mm·hm 2 ）；在垄宽相同的情况下，宽窄沟对水分利用效率贡献相对较小，仅0.27~1.45kg/（mm·hm 2 ）。截至目前，许多研究结果均证实了垄沟覆膜微集雨技术可显著提高作物的水分利用效率。
自然降雨变律指降水量的年（或季、月）际变化，包含降雨频度和强度两个方面，是控制植物种群动态的关键因子。Baskin与Lundholm研究表明降雨变律通过决定植物种群的种子萌发、出苗、生长速率和竞争能力，来形成差异化的植物种群组成和丰富度。IPCC第四次评估报告显示了对影响生态系统的降雨变律已经并将持续发生变化。Schwinning与Fay研究表明无论是在干旱半干旱或者湿地生态系统中，这种降雨量在时间和数量上的变化将会对自然生态系统、农业生态系统均具影响。而作为由大量一年生作物组成的我国西北干旱半干旱雨养农业生态系统，经受着该区域降雨量少和变律大两个不利的自然降雨状况，作物对这种降雨变律的响应存在极度敏感性。
全球气候变暖所带来的降雨变律幅度的增大显著地影响着北美草原生态系统中的净地表生物量。先前的大量研究表明降雨变律的增大对草原草地的生产力起到了负面的影响，降雨变律和产量两者之间的关系根据一个多年的长系列数据，表现出在全生育的前期前者对后者具有促进作用，而在后期则前者对后者具有一定的负面影响。对于冠层高大的草原生态系统来说，降雨量增大但是降雨间隔增大时，草地净地表生物量减少约18%；但是对于半干旱区域的草原生态系统，地表净生物量增加约30%；而对于地处两种草原生态系统过渡的混合草原生态系统，地表净生物量增加达到了约70%。
目前，在降雨变律频繁发生的背景下，大量研究集中在生育期降雨总量对水分利用和产量形成的耦合关系上，但国内对涉及降雨变律对作物和土壤水动态的研究严重不足，而国外已有针对降雨总量和降雨变律对草原生态系统重要性的相关研究。对干旱半干旱一年生作物而言，不同物候期自然降雨频度和强度的变化将会对作物产量和水分利用效率产生多变的影响。尤其是在前期作物萌发、成苗以及作物需水临界期降雨的分配都会对作物的生长造成很大的影响。前期的缺水会造成作物出苗率差；而在后期，作物需水临界期降雨量的不足则会极大地降低作物的产量。在作物的生育前期，如果降雨增多则会显著地促进作物营养器官的生长发育，为在后期的生殖阶段籽粒的灌浆提供先决条件，这对于春种夏收作物最终夺取高产起到了决定性的作用。此外，对适合在我国西北雨养农业区各种降雨变律下垄沟宽度比例的研究严重不足，一个合理的垄沟比例是可以在最大程度集蓄雨水的同时提高作物产量以及水分利用效率，是应对不同降雨年型和降雨变律的人为可控因素，因此这项研究对于发展精细农业和提高雨水资源利用率显得尤为重要。
地膜覆盖技术自1978年被引入我国，在我国西北雨养农业区得到快速和大面积推广，这主要是由于地膜覆盖技术可以更有效地利用有限的降雨资源，使垄上降雨顺垄面流入沟中，把两个面上的降雨集中到一个面上，同时垄上覆盖减少了地面蒸发，使降雨入渗更深，蒸发损失减小。近年来，这项技术已经成功地应用在玉米、春小麦、棉花和土豆等很多粮食作物上。诸多研究表明，该技术相对于传统的平地种植可显著地提高作物产量和水分利用效率。
在垄沟覆膜微集雨技术体系中，垄的主要作用在于产流，沟的主要作用在于集流，产流和集流之间的比例匹配问题尤为重要，这与最终的集雨效率密切相关。前期在垄沟宽度比例设计方面研究非常少见，且在宽度比例对雨水、土壤水和作物水的转化效率研究基本没有文献记载。该研究的重要性体现在垄沟宽度之比对雨水、土壤水和作物水之间的转化效率的分析，其结果直接影响到作物的产量和水分利用效率，也间接影响土壤质量的可持续发展，最终影响到垄沟覆膜微集雨技术的示范与推广。在前期的调研中发现，农户在采纳和实施垄沟覆膜微集雨技术时，由于操作随意性较大、技术本身欠规范等原因，在实践中所采用的垄沟宽度之比主要为2:1、1:1和2:3等。这3种规格的集雨效率及对农田水生态过程的影响研究可能有较大差异，而且前期大量的研究集中在微集雨技术与降雨总量的关系上，对生育期内的降雨变律研究非常缺乏。
本篇以燕麦为供试作物，通过设置不同集雨产流方式（膜垄、土垄）和其对应的3种垄沟比种植模式外加平地和裸地处理，研究了其在两种降雨变律年型下各微集雨模式地上部生长指标和土壤水分动态、产量及水分利用效率的变化，旨在为深层认识不同降水变律年份下，不同微集雨模式下土壤水分动态以及为水分利用效率的提高提供理论基础，为干旱半干旱地区农业生态系统应对不同降雨变律年型提出适宜的微集雨模式。