灌水下限對紫花苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率的影響

孟洋洋，李茂娜，王云玲，金慶同，嚴(yán)海軍*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083）

0 引 言

紫花苜蓿（Medicago sativa），以其蛋白質(zhì)量高、抗逆性強(qiáng)、營養(yǎng)價值高、適口性好而聞名，是一種優(yōu)質(zhì)多年生豆科牧草[1]，被稱為“牧草之王、飼料皇后”[2]。為了促進(jìn)苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2016年國家提出了一系列旨在促進(jìn)我國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的文件[3-5]，2019年中央一號文件明確提出要大力發(fā)展青貯苜蓿優(yōu)質(zhì)飼料生產(chǎn)[6]。同時，紫花苜蓿是一種高耗水作物，年需水量范圍為400～2 250 mm[7]。華北地區(qū)是我國重要的紫花苜蓿主產(chǎn)區(qū)之一[8]，但是長期以來地下水過度開采形成了多個漏斗區(qū)，農(nóng)業(yè)用水十分緊張，極大地限制了該地區(qū)苜蓿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。圓形噴灌機(jī)噴灌相比于傳統(tǒng)的地面灌溉技術(shù)，具有增產(chǎn)、省水、省工、保土和保肥、適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化和自動化程度高[9]等優(yōu)點，近幾年在紫花苜蓿種植區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于紫花苜蓿做了大量研究工作，有學(xué)者研究了苜蓿根系在土壤當(dāng)中的分布情況[10-12]，也有學(xué)者應(yīng)用不同灌水技術(shù)，研究不同地區(qū)適宜苜蓿生長的灌水下限[13-15]，發(fā)現(xiàn)在不同地區(qū)及不同生長茬次存在不同的研究結(jié)果，而華北地區(qū)適宜苜蓿生長的灌水下限研究成果較少。因此，本文使用圓形噴灌機(jī)灌溉技術(shù)，研究華北地區(qū)適宜紫花苜蓿生長的灌水下限，為該地區(qū)應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水分利用效率（water use efficiency，WUE），實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于河北省涿州市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實驗場，北緯 39°27′，東經(jīng) 115°21′，海拔 42 m，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候顯著，季節(jié)溫差變化大且四季分明，光照充足，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量是 563.3 mm，年平均氣溫是11.6 ℃，7月氣溫最高，1月氣溫全年最低，年度溫差達(dá)到31.5 ℃，多年平均累積無霜期為178 d。試驗地屬于太行山山洪沖積扇，地勢平坦。根據(jù)土壤顆粒分析，試驗地的土壤質(zhì)地（國際制）以砂土類為主，土質(zhì)屬于堿性土，硝態(tài)氮量 13.92 mg/kg、有效磷量13.08 mg/kg、速效鉀量67.73 mg/kg、有機(jī)質(zhì)量5.08 g/kg。

1.2 試驗材料與灌溉設(shè)備

試驗選擇的紫花苜蓿品種為WL363HQ，其具有優(yōu)質(zhì)耐旱耐寒的特點，于2014年9月22―23日播種，行距為30 cm。表1為紫花苜蓿生育階段劃分。由表1可以看出，2018年試驗地紫花苜蓿返青時間是4月7日，全生長季共生長4茬，刈割時間分別是5月25日、7月5日、8月18日、9月28日，4茬生長時長分別是 48、39、42、39 d。試驗通過圓形噴灌機(jī)（DYP，現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司）進(jìn)行噴灌，水源為地下水，機(jī)組由三跨和懸臂組成，共140 m。經(jīng)試驗得到，當(dāng)噴灌機(jī)行走速度百分?jǐn)?shù)在 20%～100%時，其徑向水量分布均勻系數(shù)為92%～94%[16]，表明機(jī)組具有較高的水量分布均勻性。

表1 紫花苜蓿生育階段劃分Table 1 Classification of the growth stage of alfalfa

1.3 試驗設(shè)計

試驗時間為2018年4月1日—9月30日止，圓形噴灌機(jī)灌溉共設(shè)置3個灌水處理，即W1處理：灌水下限45%FC（田間持水率為0.28 cm3/m3，灌水上限90%FC；W2處理：灌水下限60%FC，灌水上限90%FC；W3處理：根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)經(jīng)驗定額灌溉，作為對照（CK）。為保證各處理能夠依據(jù)設(shè)計灌水定額進(jìn)行準(zhǔn)確灌溉，不受其他處理區(qū)灌水的影響，本試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[17]，將不同處理的相鄰小區(qū)邊界間距設(shè)置超過噴頭有效射程的2倍（圖1），而且噴灌機(jī)行走至2個處理的中間位置時改變行走速度或關(guān)閉，以完成各處理灌溉。每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共9個小區(qū)，小區(qū)面積為60 m2（6 m×10 m），在每個小區(qū)中心位置安裝一根TRIME管，定期測定土壤含水率，當(dāng)土壤含水率達(dá)到灌水下限時灌水，灌水定額計算式為：

式中：H為作物計劃濕潤層的深度，本試驗取40 cm；θmax為灌水后土層允許達(dá)到的含水率的上限（體積含水率），本試驗取田間持水率的 90%；θmin為灌水前土層含水率下限（體積含水率）。

為保證紫花苜蓿正常返青，第1茬返青前各小區(qū)統(tǒng)一灌水20 mm作處理。田間持水量測量采用威爾科克斯法，測量深度為40 cm。圖2為試驗地全生育期內(nèi)各處理的灌溉制度。W1、W2和W3處理每次的灌水定額分別為47、31、39 mm，其中，由于W1設(shè)置的灌溉下限較低，因此，其灌水間隔相對較長。

圖2 紫花苜蓿灌溉制度Fig.2 The irrigation schedule of alfalfa

1.4 測量指標(biāo)

1）氣象參數(shù)。試驗區(qū)通過自動氣象站（WatchDog2900ET，SPECTRUM，美國）監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、氣溫、相對濕度、太陽輻射等。

2）作物需水量。以蒸發(fā)蒸騰量（ETc）作為作物需水量，計算式為：

式中：Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸騰量。

3）土壤水分。在每個小區(qū)沿對角線中心設(shè)1根測管，用TRIME（TRIME-T3，TDR，德國）測量土壤含水率，試驗設(shè)計每隔3 d測量1次土壤含水率，并在灌溉或降雨前、后加測，測量深度為0～20、20～40、40～60、60～80 cm。對每個處理0～40 cm深度的土壤含水率求平均值，以判斷該處理下的土壤含水率是否達(dá)到設(shè)定的灌水下限。

4）產(chǎn)量與品質(zhì)。苜蓿鮮草產(chǎn)量測量在每個小區(qū)按照對角線法隨機(jī)選取3個1 m×1 m的大樣方，刈割留茬5 cm左右，刈割后稱鮮質(zhì)量。在大樣方中隨機(jī)選取部分鮮草樣品，記為小樣方，稱量鮮草質(zhì)量后裝進(jìn)檔案袋，放入烘箱，在105 ℃殺青30 min后，將溫度調(diào)至65 ℃，恒溫下烘干48 h，冷卻后稱量得到干草質(zhì)量，計算出小樣方干鮮比（干鮮比是樣品干草質(zhì)量與鮮草質(zhì)量的比值）。大樣方內(nèi)干草產(chǎn)量是其鮮草產(chǎn)量與小樣方干鮮比的乘積。將烘干后的苜蓿樣品磨碎，使用Foss近紅外分析儀（NIR-TR-3750，F(xiàn)oss，美國）測定粗蛋白量（CP）、中性洗滌纖維量（ADF）和酸性洗滌纖維量（NDF），相對飼喂價值[20]（RFV），計算式為：

式中：DDM為飼草可消化的干物質(zhì)，其單位為占干物質(zhì)（DM）的百分比；DMI為飼草干物質(zhì)的隨意采食量，其單位為占體重（BW）的百分比。RFV計算式中的 1.29是盛花期苜?？上晌镔|(zhì)的釆食量。表2是美國豆科牧草干草的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

5）細(xì)根生物量。在苜蓿整個生育過程中，用土鉆法取土觀察苜蓿細(xì)根生物量（直徑<2 mm），土鉆直徑5cm，隨機(jī)選擇相鄰2行的中間位置取根，每個生育期取1次苜蓿根系，深度是80 cm，每20 cm為1層，將所得根系清洗干凈稱鮮質(zhì)量。

6）水分利用效率（water use efficiency，WUE）。根據(jù)作物耗水量和作物產(chǎn)量計算水分利用效率，計算式為：

式中：WUE為水分利用效率（kg/m3）；Y為產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為作物耗水量（mm），采用土壤水量平衡公式[21]計算。

表2 美國豆科牧干草質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Table 2 American legume hay quality guidelines

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)使用Excel 2013與SPSS Statistics 20.0軟件處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿需水規(guī)律

圖3列出了試驗地苜蓿2018年生長季內(nèi)的氣象及需水變化情況。由圖3可知，該地區(qū)各茬日均溫度分別為 17.95、26.09、28.41和 22.25 ℃，各茬日均太陽輻射分別為178.50、215.92、172.48和185 W/m2，各茬降雨量分別為50.3、35.8、199.0和25.4 mm。華北地區(qū)1 a刈割4次的紫花苜蓿年需水量為511.9 mm，而生長季內(nèi)的降雨量為 310.5 mm，因此為保證華北地區(qū)紫花苜蓿正常生長，需要進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充灌溉。由圖2可知，全生長季W(wǎng)1、W2、W3處理的灌水量分別是349、485、566 mm。全年各茬苜蓿的需水量分別為127.9、150.2、143.3、90.5 mm，對應(yīng)灌水量分別為152.3、150.7、62.3、101.3 mm?？梢?，紫花苜蓿在第1、第2、第3茬內(nèi)的需水量均較高，但僅在第1、第2茬內(nèi)需要較多的灌水。這主要是因為第1茬生長期間雖氣溫較低，蒸發(fā)蒸騰作用也較弱，但最長的生長時間使其累積需水量相對較高；第2茬雖生長時間與第1茬相比較短，但期間的高溫和強(qiáng)太陽輻射，使得蒸發(fā)蒸騰作用迅速增強(qiáng)，作物需水量迅速增加；同樣第3茬內(nèi)的高溫和較高的太陽輻射也使得作物需水量較高，但頻繁和較大的降雨適當(dāng)補(bǔ)給了土壤中水分的消耗，因此該茬內(nèi)雖作物需水量較高但所需的灌水量很低；第4茬雖氣溫下降，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度下降，需水量降低，但降雨迅速減少，因此灌水量高于第3茬。

根據(jù)水量平衡公式，本文計算出紫花苜蓿不同灌水處理的耗水量。表3為2018年試驗期間氣象條件與ETc情況，由表3可知，苜蓿的耗水量會隨著灌水量的增加而顯著增加（P<0.05）。整體而言，各灌水處理在不同茬次內(nèi)的耗水量規(guī)律為：第3茬>第2茬>第1茬>第4茬。其中，各灌水量在各茬的平均耗水量分別是154.68、195.67、232.89、107.39 mm。

2.2 紫花苜蓿根系分布規(guī)律

表4—表7列出了各茬苜蓿細(xì)根分布情況。由表4—表7可知，第1茬3個處理的平均根系密度分別為0.14、0.12和0.15 kg/m3；第2茬3個處理的平均根系密度分別為0.26、0.21和0.29 kg/m3；第3茬3個處理的平均根系密度分別為 0.15、0.12和 0.16 kg/m3；第4茬3個處理的平均根系密度分別為0.23、0.14和0.14 kg/m3。第1、第2、第3茬W3處理的根系密度最高，第4茬W1處理的根系密度最高。全年各茬苜蓿細(xì)根主要分布在0～40 cm土層，其約占總根系密度的92%，40～80 cm土層分布有少量細(xì)根，僅約占總根細(xì)密度的8%?？傮w而言，對于各茬苜蓿，生長后期的根系密度高于生長初期，即生殖生長期內(nèi)（現(xiàn)蕾及初花期）的根系密度要高于營養(yǎng)生長期內(nèi)（返青及分枝期）。

表3 不同灌水處理的紫花苜蓿耗水量Table 3 Water consumption of alfalfa under different irrigation treatments mm

表4 紫花苜蓿第1茬不同處理細(xì)根分布情況Table 4 Distributions of alfalfa fine roots in the first cutting

圖3 試驗地氣象與ETc情況Fig.3 Meteorological conditions and ETc of the experimental site

表5 紫花苜蓿第2茬在不同處理細(xì)根分布情況Table 5 Distributions of alfalfa fine roots in the second cutting

表6 紫花苜蓿第3茬不同處理細(xì)根分布情況Table 6 Distributions of alfalfa fine roots in the third cutting alfalfa

表7 紫花苜蓿第4茬不同處理細(xì)根分布情況Table 7 Distributions of alfalfa fine roots in the fourth cutting

2.3 不同灌水處理對苜蓿產(chǎn)量、WUE的影響

表8為不同灌水處理紫花苜蓿的產(chǎn)量。由表8可知，苜蓿產(chǎn)量隨著刈割次數(shù)的增加不斷降低，表現(xiàn)出第1茬>第2茬>第3茬>第4茬。比較不同處理產(chǎn)量，第1茬表現(xiàn)為W3處理>W2處理>W1處理，第2、第3、第4茬表現(xiàn)為W3處理>W1處理>W2處理。第1茬灌水對產(chǎn)量無顯著影響（P>0.05），但是常規(guī)灌溉W3處理灌水量最高，產(chǎn)量也達(dá)到全年最高，為3.50 t/hm2，該茬內(nèi)W1、W2、W3處理的產(chǎn)量分別占到全年的32.56%、35.10%、32.27%。第2茬灌水對產(chǎn)量無顯著影響（P>0.05），但是 W3處理產(chǎn)量高于 W1和W2處理，W3處理產(chǎn)量是3.47 mg/hm2。前2茬內(nèi)的苜蓿產(chǎn)量對年產(chǎn)量的高低影響較大，第1茬和第2茬各處理產(chǎn)量均值之和為 6.6 mg/hm2，占年產(chǎn)量的65.1%。第 3茬灌水對產(chǎn)量有顯著影響（P<0.05），W3處理產(chǎn)量顯著高于W2和W1處理，W3處理產(chǎn)量是2.95 t/hm2。紫花苜蓿第4茬生育后期受到了嚴(yán)重的蟲害，為避免嚴(yán)重降低產(chǎn)量提前刈割，實際上未生長到初花期。

紫花苜蓿不同灌水處理的WUE如表8所示。由表8可知，W1處理下苜蓿全年的WUE顯著高于其余處理（P<0.05）。苜蓿WUE隨刈割次數(shù)的增加逐漸下降，各茬的平均WUE分別是2.47、1.65、1.16和0.79 kg/m3。其中，除第4茬由于嚴(yán)重病蟲害無法進(jìn)行判斷外，僅第 1茬內(nèi)灌水對WUE有顯著影響（P<0.05）。這主要是由于在產(chǎn)量差異很小的情況，W1處理的耗水量顯著低于（P<0.05）其余2種處理，即 W1處理分別較 W2和 W3處理的耗水量分別低78.72、124.42 mm。因此第 1茬內(nèi)，W1處理WUE顯著高于W2和W3處理。然而，在第2、第3茬內(nèi)，各處理的耗水量雖在數(shù)值上存在顯著差異（P<0.05），但在產(chǎn)量差異較小的情況下，其相對較小的耗水量差距在一定程度上縮小了各處理間的WUE差異，因此，在第2、第3茬內(nèi)，灌水處理未對苜蓿WUE有顯著差異（P>0.05）?？傮w而言，W1處理相較于其余處理，在各茬及全年苜蓿的WUE方面均有較大優(yōu)勢，W3處理雖獲得了最高的年產(chǎn)量，但其灌水量分別較W1與W2處理高出62.18%與16.70%，故年水分利用效率相對較低。

表8 不同灌水處理的紫花苜蓿產(chǎn)量、WUE和品質(zhì)Table 8 Alfalfa yield, WUE and quality under different irrigation treatments

2.4 不同灌水處理對苜蓿品質(zhì)的影響

苜蓿品質(zhì)指標(biāo)主要有粗蛋白量（CP）、中性洗滌纖維量（NDF）、酸性洗滌纖維量（ADF）、相對飼喂價值RFV等[22]，苜蓿品質(zhì)等級是經(jīng)過上述指標(biāo)綜合確定。其中，RFV是NDF和ADF的綜合表現(xiàn)，可直接表觀可苜蓿中可被消化干物質(zhì)的采食量。因此，本文主要通過CP和RFV這2個指標(biāo)來評價灌水對紫花苜蓿品質(zhì)的影響（表8）。由表8可知，4茬的粗蛋白平均量分別是20.80%、21.49%、21.04%、23.12%，粗蛋白量隨著刈割茬次增加呈增加趨勢。顯著性分析表明，不同灌水處理對苜蓿粗蛋白量無顯著影響（P>0.05）。第1茬W2處理的粗蛋白量最高，第2茬W1處理的粗蛋白量達(dá)到最高，第3、第4茬W3處理的粗蛋白量達(dá)到最高。

表8還給出了不同灌水處理的苜蓿相對飼喂價值（RFV）。由表8可知，4茬不同處理的RFV平均值分別是120.43、114.21、116.35、141.34，第4茬的RFV值最高，相比于第1、第2、第3茬分別高出17.36%、23.75%、21.40%，第1、第2、第3茬不同處理的苜蓿RFV值均表現(xiàn)為W1處理>W2處理>W3處理，第2茬表現(xiàn)為W1處理>W3處理>W2處理。第1、第4茬灌水對苜蓿的RFV值有顯著影響（P<0.05），第1茬W1處理顯著高于W3處理，第4茬W1處理顯著高于W2處理，第2、第3茬灌水對苜蓿的RFV值沒有顯著影響（P>0.05），但是W1處理的RFV值高于W2和W3處理。綜上所述，較少的灌水量可以增加相對飼喂價值。

根據(jù)表2中的美國豆科牧草干草質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮粗蛋白量、相對飼喂價值來確定紫花苜蓿的品質(zhì)等級（表8）。由表8可知，第1、第2、第3茬苜蓿，第1茬除W1處理外，屬于二級標(biāo)準(zhǔn)，而第4茬刈割較早，屬于一級標(biāo)準(zhǔn)。

3 討 論

華北地區(qū) 1 a刈割 4茬的紫花苜蓿年需水量為511.9 mm，這與王曉玉[21]在該地區(qū)得到的602.74 mm年需水結(jié)果較為接近。苜蓿根系生長主要分布在0～40 cm土層，根系占比約90%以上，這與郭彥軍等[10]與韓清芳等[11]研究結(jié)果較為一致。苜蓿WUE隨著刈割次數(shù)的增加不斷下降，這與李茂娜等[22]與仝炳偉等[23]在內(nèi)蒙古地區(qū)的研究結(jié)果相同。華北地區(qū)作為我國最大的地下水超采區(qū)，嚴(yán)格控制灌溉定額已成為保證該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[24]。因此，在適當(dāng)保證苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)的條件下，節(jié)水效果及水分利用效率將是該地區(qū)進(jìn)行灌溉管理時重點考慮的因素。本文將綜合各處理對苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)、WUE及節(jié)水效果進(jìn)行分析討論。第1茬內(nèi)，雖然W1處理苜蓿產(chǎn)量相比于W2和W3處理降低了5.29%和8%，但是其節(jié)水率分別相較于二者高 61.71%（W2）和 68.84%（W3），這主要是由于生長初期，土壤內(nèi)可利用含水量較高，W1處理有效利用了土層中水分以滿足作物需水要求，在大量減少灌水的情況下并未引起作物顯著減產(chǎn)。正因如此，第1茬內(nèi)W1處理下的水分利用效率也顯著高于W2和W3處理。此外，與Vough等[25]的研究結(jié)果相似，本試驗中不同灌水處理對粗蛋白量也無顯著影響。同時，由于該茬內(nèi)W1處理減少灌水量對苜蓿相對飼喂價值和品級還具有提高作用。因此，建議第1茬灌水可以采取W1處理指導(dǎo)灌溉。第2茬內(nèi)，W1處理苜蓿產(chǎn)量相比于 W2處理提高了3.61%，比W3處理降低了8.93%，但是W1處理相比于W2和W3處理節(jié)約灌溉用水約9.03%、9.62%，同時各處理下的水分利用效率表現(xiàn)為 W1處理>W3處理>W2處理，且不同灌水處理對粗蛋白量、相對飼喂價值及品質(zhì)等級均無影響。因此，建議第2茬可采取W1處理進(jìn)行灌溉。第3茬為華北地區(qū)的雨季，頻繁的降雨很大程度上消除了各處理間的灌水差異，同時根據(jù)W1處理獲得該茬內(nèi)最大WUE及各處理間苜蓿品級無差異的結(jié)果，建議該茬內(nèi)仍使用W1處理進(jìn)行灌溉。第4茬是該年內(nèi)苜蓿生長的最后1茬，雖然試驗期間由于爆發(fā)的病蟲害，導(dǎo)致無法根據(jù)該茬產(chǎn)量、WUE及品質(zhì)分析等進(jìn)行合理的灌水推薦，但根據(jù)該地區(qū)長期的管理經(jīng)驗，為實現(xiàn)苜蓿順利越冬，并適當(dāng)補(bǔ)充由于前期虧水引起的土體中可利用水量的大量消耗，以保證第2年初期苜蓿正常生長，因此建議該茬采取W2處理進(jìn)行灌溉為宜。

4 結(jié) 論

1）華北平原地區(qū)全年刈割4茬的紫花苜蓿的年需水量為511.9 mm，其細(xì)根主要分布在0～40 cm土層內(nèi)。

2）各灌水處理間的紫花苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)及WUE無顯著差異。W1處理在保證較高年產(chǎn)量的同時，獲得了最高的WUE，并在第1、第2、第3茬內(nèi)其節(jié)水率高于W2和W3處理；W2處理在產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率方面均處于較低水平；W3處理雖獲得了最高的年產(chǎn)量，但其灌水量分別較W1與W2處理高62.18%與16.70%。

3）綜合各灌水處理的節(jié)水效果及其對苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用第效率的影響，建議華北地區(qū)紫花苜蓿在第1、第2、第3茬采用45%FC灌水下限，在第4茬采用60%FC灌水下限的方法進(jìn)行灌溉管理。