覆盖物提高了采用高床-沟灌方法种植向日葵的土壤水分、植物生长和种子产量 吴志林（Zhonglin Wu） 拉杰什·库马尔·苏特尔（Rajesh Kumar Soothar） 哈比布拉·梅蒙（Habibullah Memon） 法尔曼·阿里·钱迪奥（Farman Ali Chandio） 谢尔·阿里·谢赫（Sher Ali Shaikh）

《Water》：Mulching Improved Soil Water, Plant Growth, and Seed Yield of Sunflower Under Raised Bed–Furrow Irrigation Method Zhonglin Wu, Rajesh Kumar Soothar, Habibullah Memon, Farman Ali Chandio and Sher Ali Shaikh

　　摘要：塑料薄膜覆盖结合高床-沟灌是一种有效的技术，可以提高向日葵种植的种子产量、油含量以及植物水平的水分利用效率，同时还能优化水足迹。本研究在2023-2024年期间于灌溉与排水系的实验站进行了田间试验。试验包括三种类型的高床-沟灌（分别为垄高60厘米、45厘米和30厘米，沟宽30厘米），并分别进行了有膜和无膜处理。结果表明，有膜覆盖的高床处理比无膜处理表现出更高的土壤温度和水分含量。在有膜覆盖的沟灌处理中，种子产量和油含量最高，分别比对照组提高了35%和28%。种子产量与油含量呈正相关。此外，最大植物水平的水分利用效率出现在垄高45厘米且有膜覆盖的处理中，而最大的总水足迹则出现在垄高60厘米且无膜覆盖的处理中，这两者都超过了对照组。结论是，有膜覆盖结合高床-沟灌的向日葵种植显著提升了作物和水的生产效率。

1. 引言
水是农业中最重要的资源之一。随着工业和城市建设的竞争加剧，水资源的需求增加，导致农业用水的数量和质量下降[1]，因此水已成为限制农业生产的因素。优化灌溉，即适时且定量地使用灌溉水，可以提高作物产量并节省大量水分。然而，缺乏足够的信息来源来评估农场的水资源保护状况以及使用不当的灌溉技术仍然是一个重大挑战。因此，为了有效促进可持续农业的发展，改进的土地和水资源管理实践至关重要。此外，由于水资源管理不善，农业可能会成为水资源短缺的原因之一。因此，必须尽可能高效地利用水资源，尤其需要重视水资源管理。在巴基斯坦，尽管向日葵40年前就被引入作为一种油料作物，但由于各种生产和经济社会限制，其种植面积和产量一直波动[2,3,4,5]。向日葵油对胆固醇和心血管疾病有治疗效果，并能促进人体对脂溶性维生素A、D、E和K的吸收。其淡色、高不饱和脂肪酸含量、低亚油酸含量、平淡的味道以及较高的烟点使得从向日葵植物中提取的油（油含量在40%到52%之间）因具有降胆固醇作用而适合人类食用。除了高油含量外，其蛋白质含量在13%到20%之间，含有0.9%到1.7%的蛋氨酸和2.0%到3.8%的赖氨酸。工业和城市发展的竞争加剧导致了可用于农业的水资源数量和质量的减少，从而成为制约因素[6]。因此，灌溉水量不足是导致作物产量低和农业种植面积受限的原因之一。如果能够合理利用潜在的高产土地和宝贵水资源，这一问题可以得到解决。特别是在水资源紧张的情况下，通过优化灌溉或适时定量地使用灌溉水，将有助于提高向日葵产量并节约大量水资源。像许多其他作物一样，向日葵的种植严重依赖高效的水资源管理技术来确保最佳生长和产量。沟灌是一种广泛采用的灌溉方法，它将水直接引导到植物的根区。许多研究表明，灌溉方法对提高向日葵的生产力非常重要[7]。通过在沟形设计上进行改进和使用薄膜覆盖，可以进一步增强沟灌的效果[8]。据报道，薄膜覆盖可以改善土壤持水能力、减少蒸发损失并提高水分利用效率[9]。然而，在Sindh地区的农业气候条件下，关于如何实现最佳向日葵产量、土壤水分含量、土壤温度和灌溉水分利用效率之间的相互作用仍需进一步研究。为了克服这一限制，一个有效的灌溉系统结合适当的薄膜覆盖和灌溉方法是最佳选择。塑料薄膜覆盖是一种重要的农艺措施，通过增强土壤的吸水能力、减少土壤侵蚀和蒸发以及最小化地表径流来节省水资源[9]。在缺水环境中，薄膜覆盖可以改善土壤持水能力，成为更经济有效的保湿管理策略。薄膜覆盖的主要目的是减少水分蒸发和侵蚀[10]，调节土壤温度，增加持水能力，并抑制杂草生长[11]。为了保持土壤湿度和调节土壤温度，经常使用塑料薄膜[12]。此外，薄膜覆盖还有另一个积极效果，即减少土壤蒸发。活跃作物根区需要足够的水分，以满足营养吸收、蒸腾作用、发芽、根系发育以及有助于有机质分解和养分矿化的土壤微生物和化学活动。薄膜覆盖还会影响土壤养分，因为它可以通过提高土壤温度和水分含量来增强养分矿化[13,14]。与使用聚乙烯薄膜相比，一项研究发现可降解薄膜确实会影响细菌的生长和土壤中的酶活性；它们还能促进微生物资源、呼吸作用和功能[15]。研究表明，农业土壤中的外源性有机化合物会影响微生物系统的代谢过程和复杂性质[16]。微生物预计会在可降解薄膜上通过分解产生的成分而增加生物量[17]。根据Wang等人的研究[16]，薄膜下的有利温度和水分条件有利于植物根系的生长，从而增加根系产量。这些变化共同调节了微生物和酶的生成。

塑料薄膜覆盖通过减少蒸发有效降低了土壤水分损失，同时提高了作物产量[8,18,19,20]和土壤水分含量。在水资源有限的条件下，薄膜覆盖还被证明可以改善土壤持水能力，减轻水资源短缺对作物生产的不利影响。在世界许多地区，垄-沟耕作与塑料覆盖结合使用，以节约水资源和土壤。例如，覆盖垄沟的塑料薄膜可以增加土壤水分可用性、根密度、水分和能量效率、植物干重以及玉米产量，优于未进行土壤保护的平播作物[21]。在中国，使用垄-沟耕作结合聚乙烯薄膜覆盖种植小麦显著提高了产量、水分利用效率和作物质量，比对照组提高了约50%[22]。在干旱或半干旱地区，提高作物产量和节约水资源至关重要。与未覆盖薄膜的土壤相比，覆盖薄膜的土地会浪费更多水分。与传统的种植系统相比，塑料薄膜覆盖对水分利用效率有更明显积极的影响。因此，这种方法在全球范围内得到了广泛应用[23,24]，主要种植的作物包括玉米、土豆和向日葵。虽然任何旱季种植的主要资源都是水，但其他关键因素还包括薄膜类型、灌溉安排、灌溉技术选择和场地准备。这些技术与高床-沟灌不同，后者可以与薄膜覆盖结合使用。因此，本研究的目的是评估塑料薄膜覆盖对高床-沟灌系统下向日葵作物生长、产量参数和植物水平水分利用效率的影响。

2. 材料与方法
2.1. 试验地点
本研究在2023-2024年的生长季节于Sindh农业大学农业工程与技术系的实验站进行。该地点位于北纬25°25′28″、东经68°32′24″，海拔约为26米。实验开始前，从每个小区采集了深度达100厘米的复合土壤样本。实验土壤被分类为粘壤土，pH值为8.6，土壤电导率（EC1:5）为2.9 dS m?1，土壤容重为1.16 g cm?1，孔隙度为45%，0-100厘米深度的土壤含水量为14.5%。用于灌溉的地下水质量被评定为边缘水质，pH值为7.4，电导率为1.94 dS m?1。
2.2. 试验处理
试验采用随机完全区组设计，包括三种不同类型的高床-沟灌系统和两种薄膜覆盖处理，每种处理重复三次。处理组合见表1。
表1. 处理安排和组合。
因素A：高床-沟灌
RBF-1 = 垂垄高60厘米、沟宽30厘米的高床。
RBF-2 = 垂垄高45厘米、沟宽30厘米的高床。
FI = 常规沟灌方法（垄高30厘米、沟宽30厘米）。
因素B：塑料薄膜覆盖
PFM = 塑料薄膜覆盖。
NM = 无膜覆盖。
2.3. 土地准备、作物品种和灌溉计划
整个研究区域首先使用犁进行深耕。然后用圆盘耙将土块打碎，并用激光平整仪确保表面均匀。本研究使用了著名的向日葵品种KSF-7777，并遵循MINFAL[25]推荐的播种量和肥料用量。根据向日葵的农场水资源管理指南[25]，灌溉计划基于土壤水分消耗情况，每次灌溉在表层100厘米土壤中的水分消耗达到50%时进行。使用CROPWAT模型计算灌溉深度和频率，同时使用流量计（体积法）测量输送到作物的灌溉水量。CROPWAT 8.0版本使用过去十年的平均气象数据运行。气候数据（包括每日风速、太阳辐射、相对湿度和降水及气温）来自最近的农业气象站。该软件使用Penman–Monteith方程计算参考蒸发量，相关输入和输出数据见表2。
表2. CROPWAT 8.0版本的输入和输出数据（用于向日葵）。
表3. 向日葵整个生长期各处理中施加的灌溉水量、土壤水分亏缺和总用水量。
2.4. 测量和分析
在整个试验期间，每个处理的每个重复组中选取并标记了五株植物。每两周进行一次田间观察，记录关键生长参数，包括植株高度、茎秆周长、花序和种子指数。根据Soothar等人的研究[26]，茎秆周长是在距离地表10厘米处用卡尺测量的。植株高度是通过测量圆盘顶端到地面的距离确定的。在测定向日葵种子的油含量时，不同处理下的差异明显，这可能是由于不同处理下的土壤温度造成的。种子的油含量通过商用核磁共振光谱仪（NMRS）确定。NMR光谱法是目前测量向日葵种子油含量的一种更快更安全的方法。样品中氢含量的测量能够在不需要溶剂提取的情况下实现准确且高效的测定。对于核磁共振（NMR）光谱分析，准备了代表性的向日葵种子样本并将其放入NMR光谱仪中进行分析。在评估经济效益时，考虑了不同处理方式下劳动力和覆膜投入成本的变化。总投入成本是通过将劳动力、覆膜、种子和肥料的费用相加计算得出的。最后，通过将向日葵种植区与对照组进行比较来确定净收入差异。植物水平的水分利用效率（WUEp）定义为地上干生物量与总用水量的比值。蓝色水足迹的计算公式如下：

2.5. 统计分析
数据使用SPSS程序（版本21.0，SPSS公司，IBM公司，纽约州纽约市，美国）通过方差分析（ANOVA）进行处理。Duncan的多重范围测试在0.05的显著性水平上评估了各处理组之间的差异。

3. 结果
3.1. 土壤含水量（SMCs）和温度
在不同种植区的向日葵作物收获阶段，平均土壤含水量（SMCs）受到了塑料薄膜覆膜和垄沟灌溉方法的影响，如图1所示。结果显示，T5处理组（带覆膜的FI处理）的土壤含水量最高（平均0.17 cm?1），在0–100厘米深度范围内；其次是T1、T3、T4和T6处理组，分别为0.165、0.163、0.146和0.143 cm?1；而T2处理组（不覆膜的RBF-1）的土壤含水量最低。与非覆膜种植区相比，覆膜种植区的土壤含水量更高。根据现有文献，许多与土壤相关的过程，如植物生长和水分吸收，受到土壤温度、分布和持续时间等因素的显著影响。本研究主要关注塑料薄膜覆膜对垄沟灌溉系统下土壤温度的影响。图2展示了晴朗天气下不同处理方法在5厘米和10厘米深度处的土壤温度。与无覆膜种植区相比，覆膜种植区的土壤温度更高。

3.2. 植物生长参数
在整个生长季节中，向日葵作物的株高和茎粗度受到垄沟灌溉和塑料薄膜覆膜的显著影响，如图3和图4所示。播种后，在实验期间不同时间点测量了植物的高度。收获阶段时，T1处理组（带覆膜的RBF-1）的株高最高（143厘米），其次是T3、T5、T2和T6处理组，分别为137、128、122和111厘米；而T4处理组（不覆膜的RBF-2）的株高最低（108厘米）。然而，不同的覆膜方法显著增加了株高，在T1处理组中增加了14%，在T3处理组中增加了21%，在T5处理组中增加了13%。同样，在成熟期，不同的覆膜方法也显著增加了茎粗度，在T1处理组中增加了28%，在T3处理组中增加了8%，在T5处理组中增加了19%。图3显示了不同处理方法对向日葵作物株高的影响。图4显示了不同处理方法对向日葵作物茎粗度的影响。

3.3. 花头直径和种子指数
不同处理条件下的向日葵作物的花头直径和种子指数如图5和图6所示。结果显示，T5处理组（带覆膜的FI）的花头直径最大（15厘米），其次是T1、T3、T6和T4处理组，分别为14.7、13.3、11.7和9.3厘米；而T2处理组（不覆膜的RBF-1）的花头直径最小（9厘米）。不同的覆膜方法显著增加了花头直径，在T1处理组中增加了39%，在T3处理组中增加了30%，在T5处理组中增加了22%。这些农业措施对向日葵作物的整体生产力有显著影响。图6显示了不同处理条件下向日葵作物的种子指数。数据表明，不同垄沟灌溉方法和覆膜实践对向日葵植物的种子指数有显著差异。收获时，T3处理组（带覆膜的RBF-2）的种子指数最高，其次是T1、T4、T5和T6处理组，分别为9.7、9.6、9.7和8.7 g；而T2处理组（不覆膜的RBF-1）的种子指数最低。

3.4. 种子产量和油含量以及经济效益
实验结果显示，垄沟灌溉方法和覆膜实践对向日葵植物的种子产量有显著影响（图7）。收获时，T5处理组（带覆膜的FI）的种子产量最高（1175 Kg ha?1），其次是T3、T4、T1和T6处理组，分别为1048、892、835和759 Kg ha?1；而T2处理组（不覆膜的RBF-1）的种子产量最低（607 Kg ha?1）。不同的覆膜方法显著增加了种子产量，在T1处理组中增加了27%，在T3处理组中增加了15%，在T5处理组中增加了35%。塑料薄膜覆膜、垄沟灌溉实践和劳动力导致了各处理组投入成本的显著差异，如表4所示。产出结果排序为：T5 < T3 < T4 < T1 < T6 < T2。这一趋势与向日葵作物的种子产量相似。T5处理的净收益/收入和产出/投入比率达到了最大值，净收入比T6处理组增加了211,375卢比/公顷。该研究旨在考察塑料薄膜覆膜和垄沟灌溉方法在海得拉巴地区当地气候条件下的向日葵作物油含量的影响，结果表明不同处理方法下的向日葵种子油含量存在差异（图8）。收获时，T5处理组（带覆膜的FI）的油含量最高（占种子的40%），其次是T3、T1、T4和T6处理组，分别为37%、34%、31%和29%；而T2处理组（不覆膜的RBF-1）的油含量最低。不同的覆膜方法显著增加了油含量，在T1处理组中增加了18%，在T3处理组中增加了16%，在T5处理组中增加了28%。分析数据显示，向日葵的种子产量与油含量呈正相关（图9）。

3.5. 植物水平的水分利用效率和蓝色水足迹及总水足迹
结果表明，在不同的垄沟灌溉方法和覆膜实践条件下，向日葵植物的植物水平水分利用效率和蓝色水足迹及总水足迹存在显著差异（表5）。植物水平水分利用效率结果显示，T3处理组（带覆膜的RBF-2）的植物水平水分利用效率最高，其次是T5、T1、T2和T6处理组，分别为3.6、3.5、2.1和2.0 Kg m?3；而T4处理组（不覆膜的RBF-2）的植物水平水分利用效率最低（1.9 Kg m?3）。不同的覆膜方法显著增加了植物水平水分利用效率，在T1处理组中增加了40%，在T3处理组中增加了54%，在T5处理组中增加了45%。同样，在实验期间，蓝色水足迹的最大值出现在T2处理组（带覆膜的RBF-1），其次是T6、T4、T1和T2处理组；而最低值出现在T5处理组（不覆膜的FI）。塑料薄膜覆膜显著降低了蓝色水足迹，在T1处理组中减少了38%，在T3处理组中减少了17%，在T5处理组中减少了54%。在不同的灌溉条件下（垄沟灌溉），总水足迹也呈现出类似的趋势。

3.6. 不同参数之间的相关性分析
对向日葵生长、产量参数、植物水平水分利用效率（WUEp）和水足迹的相关性分析显示，除蓝色水足迹和总水足迹外，所有指标之间均存在高度显著的正相关关系（p值分别为0.01和0.001）。表6显示了r2值。数据表明，茎粗度和花头直径、每株叶片数、种子产量和干生物量之间存在显著正相关，而与蓝色水足迹和总水足迹之间存在负相关。此外，花头直径与每株植物的叶片数、种子产量和植物层面的水分利用效率呈强正相关，但与蓝水足迹和总水足迹呈负相关。种子产量与每株植物的叶片数、种子指数、干生物量及WUEp呈高度显著的正相关，而与蓝水足迹和总水足迹呈负相关。这些结果表明，种子产量与干生物量参数之间的r2值显著增加，从而在沟灌和覆膜条件下提高了向日葵的产量（0.677**）。表6显示了不同处理下各种作物参数之间的相关性分析。4. 讨论农业是巴基斯坦经济的支柱，完全依赖于地表水用于灌溉。地表水短缺对巴基斯坦构成了重大挑战。在干旱和半干旱地区，将塑料薄膜覆膜与高床-沟灌系统结合使用已被证明可以改善作物生长和种子产量，同时节约用水[27]。结果显示，在0-100厘米深度范围内，使用覆膜的FI处理下的SMC最高（17%），其次是其他处理方式；而没有覆膜的RBF-1条件下的SMC最低。这种土壤湿度的差异可以归因于塑料薄膜覆膜处理所需的水量比传统处理方式更少。塑料薄膜覆膜有助于保持土壤中的水分，并通过减少土壤蒸发率为作物根区提供适当的水分[21]。我们的实验结果表明，塑料薄膜覆膜处理对土壤湿度有显著影响，同时还能保持土壤中的水分，减少蒸发，并为作物根区提供适量的水分。据文献报道，诸如植物生长和土壤水分吸收等各种与土壤相关的过程受土壤温度、分布和持续时间的影响显著。本研究主要关注了塑料薄膜覆膜处理对高床-沟灌技术下土壤温度的影响。图2展示了晴天时不同处理下5厘米和10厘米深度的土壤温度。与未覆膜的田块相比，覆膜处理的田块中的土壤温度更高。这些结果与Hasanvand等人的研究结果一致[28]，他们观察到覆膜类型和栽培方法对生物产量有显著影响。研究表明，虽然像小麦秸秆这样的有机覆膜材料因其保水性能可以提高生物产量，但塑料覆膜可能在生长季节产生高温，从而对产量产生负面影响。类似地，Amini等人[29]报告称覆膜对豆类的生物产量有促进作用，其中包含覆盖植物的处理方法明显优于未覆盖的处理方法。这支持了这样的结论：有机覆膜，尤其是使用秸秆等材料，能有效增加向日葵的生物量生产，而塑料覆膜在生长季节高温地区可能产生不利影响。研究了塑料薄膜覆膜与高床-沟灌系统结合使用对向日葵生长和产量特性的影响。收获时，采用塑料薄膜覆膜的RBF-1处理产生的植株最高，其次是T2、T3、T4、T5和T6。一些研究者报告称，在塑料薄膜覆膜条件下更高的生长速率与较高的土壤温度和更好的冠层发育有关。本研究表明，高床-沟灌系统与塑料薄膜覆膜的结合使用对植株高度有积极影响。值得注意的是，高床-沟灌和塑料薄膜覆膜对向日葵的茎秆粗度、花头直径、种子指数、种子产量和油含量也有显著影响（图3、图4、图5、图6和图7）。这些结果全面展示了这些做法如何影响向日葵生长的多个方面。特别是，塑料薄膜覆膜相比未覆膜处理显著提高了花头直径，这可能是由于有利的微气候条件所致。然而，覆膜处理下茎秆粗度减小可能是因为塑料薄膜覆膜导致土壤温度升高，从而产生轻微的压力，对茎秆发育产生负面影响。先前的研究也发现了类似的发现，环境因素如土壤温度和水分平衡显著影响茎秆厚度。这一结果也与Xiao等人的研究一致[30]，他们指出较高的植物密度会导致茎秆变细，强调了环境和农艺因素在茎秆发育中的作用。高床-沟灌系统与塑料薄膜覆膜之间的相互作用显著。特别是，种子指数和种子产量受到这种相互作用的影响。观察到的种子产量提高和水足迹减少可能归因于减少土壤蒸发、改善土壤水分保持、控制蒸腾作用以及增强养分吸收和运输到植物组织的作用。Thidar等人[31]和Soothar等人[32]报告称，塑料薄膜和不同的覆膜方法显著影响作物生长参数。在水分受限条件下，塑料薄膜覆膜处理的田块通常表现出更强的适应能力，即使在灌溉量减少的情况下也表现优于未覆膜处理的田块。Javed等人[33]和Mebrahtu等人[34]也报告了覆膜对作物生长的积极作用。此外，不同的覆膜方法显著提高了油含量，在相同的高床-沟灌系统下，T1的处理中油含量提高了18%，T3提高了16%，T5提高了28%。分析数据显示，向日葵的种子产量与油含量呈正相关（图8）。Kumar等人[35]观察到，使用聚乙烯薄膜的处理导致种子重量增加，他们的研究中记录到的200粒种子的重量最高。他们指出，聚乙烯薄膜覆膜对干物质含量和种子重量有积极影响，这可能是由于资源利用和土壤条件的改善。向日葵作物的水足迹受到高床-沟灌方法和塑料薄膜覆膜的显著影响。此外，在沙漠气候条件下，尚未明确补充灌溉是否可以在营养生长期和生殖期提高谷物产量并减少水足迹[18,35]。Zhao等人[36]的先前研究表明，覆膜下的向日葵具有更高的水分利用效率。然而，塑料薄膜覆膜、不同的沟灌配置和不同的劳动力需求导致高床-沟灌处理之间的投入成本存在显著差异。T5处理的净收益和投入/产出比最高，净收入相比T6（无覆膜的沟灌处理）增加了211,375卢比/公顷。5. 结论在干旱和半干旱地区，向日葵是在没有覆膜的高床和沟渠中种植的，其产量低于使用塑料薄膜覆膜的处理。我们的研究结果表明，在相同的灌溉方式下，塑料薄膜覆膜与高床沟灌结合使用使T5处理的种子产量增加了35%。在所有处理中，使用塑料薄膜覆膜的FI处理（T5）的油含量最高（100克种子中的40%）。与对照组（T6）相比，T5处理的净收益增加了211,375卢比/公顷，而T5处理的净收入最高。高床-沟灌技术和覆膜技术对植物层面的水分利用效率、蓝水足迹和总水足迹有显著影响。覆膜处理显著减少了与无覆膜高床-沟灌处理相比的蓝水足迹。因此，这种综合管理方法被推荐为在水资源短缺地区提高向日葵种植效果的有效农艺策略。