灌溉時期和灌水量對海河平原區(qū)紫花苜蓿生產(chǎn)性能的影響

游永亮， 李 源， 武瑞鑫， 劉貴波， 趙海明

(河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所， 河北省農(nóng)作物抗旱研究重點實驗室， 河北 衡水 053000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)作為一種優(yōu)質(zhì)的豆科飼草作物，在全世界有廣泛的分布，較適宜生長在年降水量為500～800 mm的地區(qū)[1-2]，相關(guān)研究報道顯示，苜蓿需水量和耗水量范圍一般在400～2 250 mm和300～2 250 mm[3]。有研究認(rèn)為苜蓿是高耗水作物[4]，龐大的根系易形成土壤干層[5]，同時苜蓿又具有較強的抗旱性，在黃土高原區(qū)其他農(nóng)作物出現(xiàn)凋萎時苜蓿仍可以正常生長[6]。晉小軍等[7]通過對隴東旱塬苜蓿、黃花菜(HemerocalliscitrinaBaroni)與主栽作物小麥(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)進行比較分析顯示，在特大干旱年份苜?？购敌詮娪谵r(nóng)作物小麥和玉米。多數(shù)研究者認(rèn)為在半干旱和半濕潤易旱地區(qū)對苜蓿進行補充灌溉能夠提高苜蓿生產(chǎn)能力[8-10]，并且廣泛開展了苜蓿灌水量[11-13]、灌水方式[14-15]、灌水頻率[16]、水分利用效率[17]等方面的研究。

海河平原區(qū)已成為黃淮海地區(qū)最大最深的地下水漏斗區(qū)[18-19]，地下水超采量為全國的三分之一，對該區(qū)國民經(jīng)濟發(fā)展造成威脅。農(nóng)業(yè)用水占地下水采用量的70%，因此選擇抗旱節(jié)水作物是抑制海河平原區(qū)地下水超采的重要農(nóng)藝措施。海河平原區(qū)是苜蓿生產(chǎn)的主要區(qū)域之一，有必要探討苜蓿的抗旱節(jié)水性，明確其是否需要灌溉。海河平原區(qū)苜蓿灌溉方面的研究較少，朱湘寧等[10]2001年在河北南皮對苜蓿第2茬生長初期進行灌溉，試驗結(jié)果顯示第2茬和第3茬苜蓿增產(chǎn)明顯，但該試驗僅為一年數(shù)據(jù)，且沒有對苜蓿全年生物產(chǎn)量以及水分利用效率進行比較。李新樂等[20]2007年在河北廊坊市中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院廊坊實驗基地(海拔25 m，沙壤土)研究不同降雨年型下灌溉對紫花苜蓿產(chǎn)量和土壤水分動態(tài)的影響，試驗結(jié)果顯示，枯水年(降雨量480.6 mm)宜采用苜蓿返青及1，2茬苜蓿刈割后灌水且每次灌水75 mm的灌溉模式；豐水年(降雨量636.4 mm)宜采用苜蓿返青及第1，2茬苜蓿刈割后灌水且每次灌水50 mm的灌溉模式。該試驗同樣沒有考慮水分利用效率。文霞等[13]2009年在河北廊坊市中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院廊坊實驗基地(海拔25 m，沙壤土)研究灌水量對種植第3年的苜蓿生產(chǎn)能力的影響，試驗結(jié)果顯示，灌水對第1茬苜蓿產(chǎn)草量無顯著影響，第2，3茬以及全年產(chǎn)草量隨灌水量增加而增加，認(rèn)為在京南地區(qū)種植苜蓿應(yīng)在第1，2茬苜蓿刈割后灌水，生長季降水總量在390.34 mm以下時全年最適宜灌水量為150 mm。該試驗僅為2009年一年的數(shù)據(jù)，且試驗?zāi)攴萁涤炅枯^低，為非正常年份。海河平原區(qū)平均降雨量在500 mm左右，平均海拔50 m以下，70%的地塊有淺層地下水，80%降雨集中在7-9月份，在該區(qū)如此氣候條件下，年刈割5茬情況下苜蓿是否需要灌溉，以及灌溉時間和灌水定額目前并不明確。因此，本研究于2015-2017年連續(xù)3年在河北省深州市的河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)節(jié)水試驗站開展了苜蓿灌溉時期和灌水量研究，通過比較不同灌溉處理下苜蓿干草產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀、抗倒性以及水分利用效率等，為該區(qū)苜蓿合理灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河北省深州市河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)節(jié)水試驗站內(nèi)進行。試驗地位于東經(jīng)115°42′，北緯37°44′，海拔高度20 m，屬暖溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候，年降水量497.1 mm，其中70%的降水集中在7-8月，年均溫13.3℃，最熱月均溫27.1℃，最冷月均溫-2.1℃，極端最高溫度42.8℃，極端最低溫度-23.0℃，無霜期202 d，初霜日10月22日，終霜日4月2日，年積溫(≥0℃)5 003.5℃，年有效積溫(≥10℃)4 603.7℃，土壤田間持水量27.8%。播種前測定基礎(chǔ)土壤樣品營養(yǎng)成分見表1。

表1 試驗地播種前土壤養(yǎng)分Table 1 Soil nutrients before sowing

1.2 試驗方法

試驗由2個小試驗組成，2個小試驗選用的苜蓿品種均為中苜1號，引自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，2014年秋播。試驗一采用的是1齡苜蓿，即試驗于2014年秋開始，2017年秋結(jié)束。試驗二采用的2齡苜蓿，即試驗于2015年秋開始，2017年秋結(jié)束。

2個試驗處理一致，即采用在苜蓿3個需水關(guān)鍵期灌水的方式設(shè)置6個灌水處理，分別為灌1次凍水(D)；灌1次返青水(F)；灌1次返青水和第1茬刈割后灌水(FY)；灌1次凍水和第1茬刈割后灌水(DY)；灌1次凍水、1次返青水和第1茬刈割后灌水(DFY)；以不灌溉為對照(CK)，每次灌水量均為75 mm。每個試驗均為隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，18個小區(qū)，兩個試驗共36個小區(qū)。小區(qū)面積16.5 m2(3 m×5.5 m)，每小區(qū)種植10行，行距30 cm，播種量15 kg·hm-2，播深2 cm。小區(qū)之間間隔2 m，防止水分側(cè)滲造成小區(qū)之間相互影響。

試驗采取小區(qū)畦灌方式，用水表計量灌水量。灌水時間分別為：2014-2015年度，2014年11月15日灌凍水，2015年3月25日灌返青水，5月25日第1茬刈割后灌水。2015-2016年度，2016年1月7日灌凍水，2016年4月5日灌返青水，2016年5月24日第1茬刈割后灌水。2016-2017年度，2016年11月23日灌凍水，4月1日灌返青水，5月28日第1茬刈割后灌水。

兩個試驗田間管理方式相同，造墑播種，播種前底肥施入復(fù)合肥1 125 kg·hm-2。試驗期間及時進行鋤草、病蟲害防控等田間管理，每個處理均年刈割5次，具體刈割時間見表2。為了保證當(dāng)年播種的苜蓿安全越冬，2014年11月15日所有小區(qū)均灌溉了凍水，灌水量75 mm。

表2 苜蓿各茬草刈割日期(月/日)Table 2 The cutting time of each cutting (Month/day)

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1干草產(chǎn)量 刈割測產(chǎn)時每小區(qū)去掉兩側(cè)邊行和50 cm行頭后，剩余全部刈割測定鮮草產(chǎn)量。隨機選取代表性鮮樣500 g，自然風(fēng)干后稱干重計算鮮干比(干重/鮮重)，折算出干草產(chǎn)量。

1.3.2莖葉比 隨機選取代表性鮮樣500 g，將莖和葉(花序歸入葉)分開后自然風(fēng)干，再分別稱重，計算莖葉比(葉質(zhì)量/莖質(zhì)量)。

1.3.3株高 刈割測產(chǎn)前每小區(qū)取中部有代表性的植株10株，分別測量地面至頂部高度，計算平均值。

1.3.4枝條數(shù) 刈割測產(chǎn)時每小區(qū)隨機選取3段1 m長樣點，統(tǒng)計地表根莖處形成的枝條數(shù)，然后折算成每平方米枝條數(shù)。

1.3.5抗倒性 各茬鮮草收獲測產(chǎn)前，按照倒伏劃分級標(biāo)準(zhǔn)記錄倒伏情況：0級(直立)、1級(傾斜≤30°)、2級(傾斜≤60°)、3級(傾斜>60°)。

1.3.6土壤水分動態(tài)監(jiān)測 對試驗一進行了土壤水分動態(tài)監(jiān)測。2015-2016年利用取土烘干法測定，返青期開始每半月測定一次，測定深度0～60 cm，20 cm一層。2017年利用TDR測定，返青期和每次刈割前后測定，測定深度0～120 cm，20 cm一層，換算成土壤質(zhì)量含水量。

1.3.7水分利用效率(Water use efficiency,WUE) 依據(jù)生物量、返青時和最后一茬刈割時的土壤含水量計算水分利用效率。

WUE=Y/(W1-W2+P+G)

W1：返青時土壤貯水量(mm)；W2：最后一茬刈割時土壤貯水量(mm)；P：生育期降水量，G：生育期灌水量，水分利用效率用kg·hm-2·mm-1表示。2015-2016年利用0～60 cm土層貯水量計算，2017年利用0～120 cm土層貯水量計算。

1.3.8氣象數(shù)據(jù) 試驗期間的降水、溫度等氣象數(shù)據(jù)均由試驗區(qū)小型氣象站觀測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用SPSS19.0進行分析，采用excel2007制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對苜蓿產(chǎn)草量的影響

對兩個試驗各處理苜蓿產(chǎn)草量進行統(tǒng)計(表3)，由表3看出，試驗一不同灌水處理下苜?？偖a(chǎn)草量除2016年外，2015年、2017年以及3年累計總產(chǎn)草量均高于對照，但差異不顯著。2016年各處理之間苜蓿產(chǎn)草量以DFY處理最高，之后為DY和D處理，三者苜蓿產(chǎn)草量均極顯著高于對照處理(P<0.01)，F(xiàn)Y處理下苜蓿產(chǎn)草量顯著高于對照(P<0.05)，而F處理下苜蓿產(chǎn)草量高于對照，但差異不顯著。從2016年苜蓿產(chǎn)草量結(jié)果顯示，苜蓿產(chǎn)草量DFY>DY>D>FY>F>CK，說明灌水量相同情況下，灌凍水效果優(yōu)于灌返青水，均有灌凍水條件下，灌水量越多，苜蓿產(chǎn)草量越高。試驗一的3年累計產(chǎn)草量變化趨勢和2016年相同。試驗二不同灌水處理下苜蓿每年產(chǎn)草量以及2年累計總產(chǎn)草量均高于對照，但差異不顯著(P>0.05)產(chǎn)草量變化趨勢為DFY>DY>FY>D>F>CK，和試驗一苜蓿產(chǎn)草量變化趨勢基本相同。

表3 不同處理下苜蓿的干草產(chǎn)量Table 3 The dry yield of alfalfa under different treatments /t·hm-2

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，下同

Note: Different lowercase or capital letter in the same column indicate significant differences at the 0.05 level or the 0.01 level, the same as below

2.2 不同處理對苜蓿各茬次平均產(chǎn)草量的影響

對兩個試驗不同處理下苜蓿各茬次平均產(chǎn)草量進行統(tǒng)計(表4)，由表4可知，試驗一不同灌水處理下苜蓿各茬次平均產(chǎn)草量和對照相比均差異不顯著。除F處理第3茬、FY處理第4茬和DFY處理第4茬和5茬外，其余處理下各茬次平均產(chǎn)草量均大于對照。隨著灌溉次數(shù)增加，各茬次產(chǎn)草量整體呈逐漸增加趨勢。灌水量相同情況下，灌凍水對苜蓿增產(chǎn)效果優(yōu)于灌返青水，且灌水處理對前兩茬草增產(chǎn)效果明顯，對后3茬草增產(chǎn)效果減弱。試驗二不同處理下苜蓿各茬次產(chǎn)草量變化趨勢和試驗一基本相同。

表4 不同處理下苜蓿各茬次的平均產(chǎn)草量Table 4 The dry yield of alfalfa in different cutting times under different treatments /t·hm-2

2.3 不同處理對苜蓿莖葉比、株高、枝條數(shù)和抗倒性的影響

對兩個試驗不同處理下苜蓿各茬次莖葉比、株高、枝條數(shù)和抗倒性多年平均值進行統(tǒng)計(表5)。試驗一不同灌水處理下苜蓿莖葉比、株高和枝條數(shù)與對照相比均差異不顯著。從平均值來看，對照莖葉比高于其他灌水處理，株高低于其他灌水處理。除F處理外，對照枝條數(shù)低于其他灌水處理。說明增加灌水可提高苜蓿的株高和枝條數(shù)，降低苜蓿莖葉比。試驗二結(jié)果和試驗一結(jié)果類似。對兩個試驗不同灌水處理下苜蓿各茬次苜?？沟剐云骄颠M行統(tǒng)計(表5)。從表5來看，增加一次返青水苜蓿整體抗倒性減弱。

表5 不同處理下苜蓿各茬次莖葉比、株高、枝條數(shù)和抗倒性Table 5 The Ratio of stem/leaf, height, branches number and Lodging resistance of alfalfa under different treatments

2.4 不同處理對苜蓿水分利用效率的影響

對試驗一2015-2017年苜蓿的水分利用效率進行了統(tǒng)計(表6)，由表6可知，不同處理下苜蓿3年的水分利用效率均存在顯著差異(P<0.05)，隨著灌水量增加，苜蓿水分利用效率整體呈現(xiàn)下降趨勢。除2016年D處理和2017年F處理外，其他處理下的苜蓿水分利用效率均低于對照。三年平均值來看，不同處理下苜蓿水分利用效率存在極顯著差異(P<0.01)，且隨著灌水量增加呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，對照水分利用效率最高，DFY處理水分利用效率最低，二者差異極顯著(P<0.01)。

表6 不同處理下苜蓿水分利用效率Table 6 The water use efficiency of alfalfa under different treatments

2.5 不同處理下土壤水分動態(tài)變化

對試驗一各處理2015-2016年0～60 cm土壤以及2017年0～120 cm土壤平均水分動態(tài)變化進行了監(jiān)測，并利用田間持水量將測定的土壤含水量換算成相對含水量(圖1、圖2和圖3)，對試驗期間降水量進行了統(tǒng)計(表7)。從2015年土壤相對含水量來看(圖1)，4月20日(灌返青水26天后)CK處理土壤相對含水量74.39%，不同灌水處理土壤相對含水量在78.12%～85.37%之間，不同灌水處理和CK相比土壤相對含水量基本持平。6月2日(第1茬刈割后灌水9天后)CK處理土壤相對含水量70.42%，除FY處理土壤相對含水量(76.22%)高于CK外，其他不同灌水處理土壤相對含水量均低于CK。2016年不同灌水處理土壤相對含水量變化趨勢和2015年基本一致，但2015年5月中旬之前土壤相對含水量全部超過60%，2016年5月中旬之前土壤相對含水量(除剛灌溉后)基本在60%左右。2017年土壤相對含水量來看(圖3)，5月31日(第1茬刈割后灌水3天后)FY、DFY和DY處理下土壤相對含水量分別為69.06%，66.55%和63.77%，CK土壤相對含水量僅為44.69%，6月8日(第1茬刈割后灌水11天后)FY、DFY和DY處理下土壤相對含水量下降到60.64%，57.27%和54.31%，而CK土壤相對含水量上升到47.23%，土壤相對含水量差異縮小。2017年土壤相對含水量和2015-2016年相比，在5月中旬之前(除剛灌溉后)CK土壤相對含水量全部在40%以下，其他灌水處理土壤相對含水量基本在60%以下。6月份之后隨著降雨增加，2015-2017年各處理下土壤相對含水量和對照相比差異不大，幾乎全部在60%以上。

表7 試驗期間月平均降水量Table 7 Month average rainfall in the area from November 2014 to October 2017

圖1 2015年不同處理下0～60 cm土壤平均相對含水量Fig.1 The average relative soil water content in 0～60 cm under different treatments in 2015

圖2 2016年不同處理下0～60 cm土壤平均相對含水量Fig.2 The average relative soil water content in 0～60 cm under different treatments in 2016

圖3 2017年不同處理下0～120 cm土壤平均相對含水量Fig.3 The average relative soil water content in 0～120 cm under different treatments in 2017

3 討論

3.1 灌溉對苜蓿生物產(chǎn)量的影響

大多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果顯示，增加灌水量能夠不同程度增加苜蓿生物產(chǎn)量[10,13,20-22]，本研究結(jié)果顯示，除試驗一2016年不同灌水處理下苜蓿干草產(chǎn)量存在顯著差異外，2015年、2017年以及3年總產(chǎn)量均差異不顯著。對比不同處理下苜蓿每茬次產(chǎn)量，差異同樣不顯著。分析認(rèn)為，對試驗一苜蓿所有處理于2014年11月15日進行了冬灌，保證幼苗安全越冬。而2015年第1茬苜蓿生長在3-5月份，氣溫不高，地面蒸發(fā)不強，冬灌的水分足夠第1茬苜蓿生長需要。2015年4月和5月較往常年份降雨量增加(表2)，分別降雨47.4 mm和83.0 mm，降雨導(dǎo)致不同灌水處理下第2茬苜蓿產(chǎn)量差異不明顯。第3茬及以后本地區(qū)進入雨季，土壤水分含量基本一致，苜蓿干草產(chǎn)量沒有差異。2015年11月至2016年3月降雨量少，灌水處理下試驗一苜蓿前兩茬草產(chǎn)量及全年總產(chǎn)量存在顯著差異。以上結(jié)果也印證了苜蓿生物產(chǎn)量和耗水量呈正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[6,23]。

3.2 灌溉對苜蓿農(nóng)藝性狀的影響

苜蓿生長前期輕度干旱會導(dǎo)致植株枝條數(shù)降低，導(dǎo)致苜蓿減產(chǎn)15%[24]。另有研究認(rèn)為灌溉會不同程度影響苜蓿株高[12,25]和莖葉比[11-12]。本試驗結(jié)果顯示不同灌水處理下苜蓿株高、莖葉比和枝條數(shù)和對照相比差異不顯著。分析原因，除上述降雨因素外，該地區(qū)有淺層地下水[26]，而苜蓿是深根系作物，是否因苜蓿利用了淺層地下水還需進一步驗證。

3.3 灌溉對苜蓿水分利用效率的影響

苜蓿水分利用效率方面，王雪等[27]研究結(jié)果顯示，充分供水條件下(灌水量為200 mm)苜蓿全年水分利用效率最低，為21.85 kg·hm-2·mm-1，適宜供水條件下(灌水量175 mm)時苜蓿全年水分利用效率最高，為43.09 kg·hm-2·mm-1。劉愛紅等[28]研究結(jié)果顯示，隨著灌水量的增加，苜蓿水分利用效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，馬令法[29]研究結(jié)果顯示隨著灌水量的增加，苜蓿水分利用效率逐漸升高。本試驗結(jié)果與上述研究結(jié)果均不一致，本試驗結(jié)果顯示隨著灌水量的增加，苜蓿水分利用效率逐漸降低。孫洪仁等[3]歸納了國內(nèi)外對苜蓿水分利用效率的研究結(jié)果，認(rèn)為在相對正常的田間栽培管理條件下，建植當(dāng)年紫花苜蓿水分利用效率的范圍為8～12 kg·hm-2·mm-1，建植2年及以上者為12～25 kg·hm-2·mm-1，而本試驗結(jié)果顯示苜蓿3年平均水分利用效率在30.49～40.09 kg·hm-2·mm-1，遠(yuǎn)高于上述統(tǒng)計結(jié)果。苜蓿水分利用效率可能與試驗區(qū)域、年度氣候差異等原因有關(guān)。另外本試驗在分析苜蓿水分利用效率時，耗水量采用開始時土壤貯水量+降水量+灌水量-結(jié)束時土壤貯水量的計算方式，忽略了地下滲漏量等，可能并未真正體現(xiàn)苜蓿自身耗水量。同時，苜蓿持續(xù)生產(chǎn)能力一般5年左右，而本試驗只觀測了苜蓿在不同灌水條件下前3年的生產(chǎn)能力和水分利用效率，觀測5年可能更具說服力。同時，苜蓿是多年生作物，根系發(fā)達(dá)，而本試驗小區(qū)面積16.5 m2(3 m×5.5 m)，小區(qū)間隔2 m，小區(qū)面積較小，小區(qū)之間是否會有相互影響還需進一步觀測。

3.4 灌溉對苜蓿地土壤含水量變化的影響

土壤含水量是影響苜蓿耗水強度的重要因子[3]。當(dāng)苜蓿從出苗到刈割期土壤相對含水量處于45%以下時，苜蓿生長發(fā)育不良，年底植株死亡率較高；土壤相對含水量在60%以上時苜蓿植株生長較好[30]。本試驗對土壤含水量進行了動態(tài)監(jiān)測，并利用田間持水量計算土壤相對含水量(圖1～3)。2015年5月中旬之前土壤相對含水量全部在60%以上，土壤水分處于相對充足狀態(tài)，2016年5月中旬之前土壤相對含水量全部在50%以上，接近60%，土壤水分基本滿足苜蓿生長需求。2017年5月中旬之前土壤相對含水量(除剛灌溉后)CK土壤相對含水量很少超過40%，土壤水分處于相對虧缺狀態(tài)，而其他灌水處理土壤相對含水量幾乎全部在45%～60%之間，基本滿足苜蓿生長需求。6月份之后隨著降水增加，2015-2017年各處理下土壤相對含水量幾乎全部在60%以上，均處于相對充足狀態(tài)。分析原因，11月至次年5月份期間降水量3個年度分別為157.6 mm，107.7 mm和62.0 mm，是造成2015年和2016年6月份之前土壤相對含水量高，而2017年土壤相對含水量低的原因。2016年和2015年相比，5月中旬之前土壤相對含水量低，基本滿足苜蓿生長需求，并未達(dá)到充足狀態(tài)，可能是2016年不同灌水處理下苜蓿產(chǎn)量顯著高于CK，而2015年苜蓿產(chǎn)量卻差異不顯著的原因。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果顯示，在海河平原區(qū)，灌溉能提高苜蓿產(chǎn)草量，但和不灌溉相比增產(chǎn)差異不顯著，隨著灌水量的增加苜蓿株高和枝條數(shù)等農(nóng)藝性狀有所改善，但抗倒性減弱，水分利用效率逐漸降低，且差異極顯著(P<0.01)。綜合分析，在海河平原區(qū)水資源極度緊缺情況下苜蓿種植一般無需灌溉，但在年度降雨量較少，特別是冬春季節(jié)降雨較少的年份，建議對苜蓿進行1次補灌，選擇灌凍水，灌水量75 mm，可能對提高苜蓿當(dāng)年生物產(chǎn)量以及提高苜蓿持續(xù)生產(chǎn)能力具有一定促進作用。