水分脅迫對(duì)北疆地區(qū)人工牧草產(chǎn)量的影響

劉 虎，魏永富，郭克貞，江 偉

(1.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.福?？h水利局，新疆 福海 836400)

水分脅迫對(duì)北疆地區(qū)人工牧草產(chǎn)量的影響

劉 虎1，魏永富1，郭克貞1，江 偉2

(1.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.福?？h水利局，新疆 福海 836400)

人工牧草；耗水量；產(chǎn)量；水分生產(chǎn)效率；北疆

新疆北部阿勒泰草原的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)主要是在荒漠瘠薄的土地上開(kāi)發(fā)和發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)對(duì)2011年在阿勒泰地區(qū)福海縣開(kāi)展的紫花苜蓿、青貯玉米和蘇丹草的非充分灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，初步得到該區(qū)3種常見(jiàn)牧草耗水量與產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率的關(guān)系。結(jié)果表明，3種牧草均為充分灌溉條件下產(chǎn)量最高，蘇丹草產(chǎn)量與土壤含水量占田間持水量的百分比呈顯著的線性相關(guān)。苜蓿在返青—分枝期受旱時(shí)水分生產(chǎn)效率最高；蘇丹草全生育期受輕旱時(shí)水分生產(chǎn)效率最低，受重旱時(shí)水分生產(chǎn)效率最高；青貯玉米在抽穗—開(kāi)花期受輕旱時(shí)水分生產(chǎn)效率達(dá)到最高，拔節(jié)期和抽穗—開(kāi)花期連續(xù)受旱時(shí)水分生產(chǎn)效率最低。

新疆位于祖國(guó)西北邊陲，歐亞大陸腹地，其草地覆蓋面積占全區(qū)面積的34.4%，是構(gòu)成新疆生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是新疆草原畜牧業(yè)的基礎(chǔ)資源和生產(chǎn)基地。據(jù)2010年統(tǒng)計(jì)資料，全區(qū)天然草地總面積為5 568.16萬(wàn)hm2，居全國(guó)第三，可利用草地面積3 492.30萬(wàn)hm2，占草地面積的62.71%。然而全疆85%的天然草地已處于退化之中，其中嚴(yán)重退化的草地面積已占37.5%，并且草地退化和沙化面積仍以每年29萬(wàn)hm2的速度增加，草地生態(tài)日趨惡化的態(tài)勢(shì)嚴(yán)重，不僅直接威脅牧民的生活、生存環(huán)境，威脅牧區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而且直接影響和威脅北方乃至全國(guó)的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展[1-2]。北疆地區(qū)主要地表水源為額爾齊斯河和烏倫古河，根據(jù)自治區(qū)發(fā)展需要，額爾齊斯河水源通過(guò)“北水南調(diào)”工程調(diào)入烏魯木齊市和克拉瑪依市作為生活用水，因此在保證牧草產(chǎn)量不減產(chǎn)的條件下，探索北疆干旱荒漠地區(qū)作物耗水量與產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率的關(guān)系顯得意義重大[3-7]。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上[8-10]，對(duì)2011年在福?？h哈拉霍英水庫(kù)下游灌區(qū)開(kāi)展苜蓿、青貯玉米和蘇丹草非充分灌溉得到的灌水時(shí)間、灌水量、產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探索在北疆荒漠戈壁地環(huán)境下，不同受旱水平對(duì)人工牧草產(chǎn)量的影響，以期為今后合理開(kāi)發(fā)利用阿勒泰乃至北疆地區(qū)水土資源提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h哈拉霍英水庫(kù)下游灌區(qū)，西距烏倫古湖43 km，地理位置為東經(jīng)87°40′22″、北緯46°10′45″，海拔558 m。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，下伏為第三紀(jì)沉積層，上覆第四紀(jì)堆積層厚度不大，僅為30～50 cm，地表組成物質(zhì)較粗，主要為砂土和砂壤土。年平均太陽(yáng)總輻射量為546.7 kJ/cm2，其中4—9月占71.4%。年平均日照時(shí)間為2 881 h，其中4—9月占63%。試驗(yàn)區(qū)多年平均氣溫3.4 ℃，≥10 ℃積溫多年平均為2 904.9 ℃。無(wú)霜期較短，多年平均為147 d。試驗(yàn)區(qū)為荒漠戈壁地，氣候干旱，雨水較少，年蒸發(fā)量為1 830 mm，多年平均降水量為112.7 mm。

1.2 試驗(yàn)區(qū)土壤與農(nóng)作物

試驗(yàn)區(qū)土壤類型主要為淡棕鈣土，土壤容重為1.618 g/cm3，土壤田間持水量為8.6%，土壤滲透系數(shù)為8.78 mm/d。項(xiàng)目區(qū)土壤肥力較差，有機(jī)質(zhì)和全氮含量為0.42%和0.021%，堿解氮、速效磷和速效鉀的含量分別為10、2.5和300 mg/kg。項(xiàng)目區(qū)土壤全鹽含量(土水比1 ∶5)為1.05%，pH值8.4。本試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)灌溉用水主要取自烏倫古河地表水，水質(zhì)較好，總鹽分為0.34 mg/L，pH值為8.2，呈弱堿性。試驗(yàn)選擇的農(nóng)作物為紫花苜蓿(阿爾岡金)、青貯玉米(新青1號(hào))和蘇丹草(新蘇2號(hào))。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

灌溉制度試驗(yàn)采用田測(cè)法，小區(qū)面積為60 m2(10 m×6 m)，小區(qū)與小區(qū)之間都做了隔水處理，各小區(qū)周邊都設(shè)置了保護(hù)區(qū)，以消除邊緣小區(qū)與邊行作物的邊際影響。作物生育階段劃分見(jiàn)表1。

紫花苜蓿整個(gè)生長(zhǎng)季刈割2次，盛花期刈割，試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，其中包括1個(gè)充分灌溉處理(MX1)和4個(gè)非充分灌溉處理，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。蘇丹草整個(gè)生長(zhǎng)季刈割1次，總共4個(gè)處理，包括重旱(SD1)、中旱(SD2)、輕旱(SD3)和充分灌溉(SD4)，各個(gè)處理的含水量下限分別為田間持水量的50%、60%、70%和75%，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。青貯玉米整個(gè)生長(zhǎng)季刈割1次，初熟期刈割，試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理，其中1個(gè)充分灌溉處理(YM8)和7個(gè)非充分灌溉處理，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。各個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。

注：表中所列數(shù)值為土壤含水量下限值，其上限為田間持水量，余同。

1.4 試驗(yàn)方法與觀測(cè)內(nèi)容

作物播種(苜蓿返青)后，每隔10 d觀測(cè)1次土壤含水量和項(xiàng)目區(qū)地下水位，灌水和降雨前后加測(cè)土壤含水量。根據(jù)實(shí)測(cè)土壤含水量，按照《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50363—2006)中的灌水定額計(jì)算公式，結(jié)合表2—4中不同處理土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的含水量上下限值計(jì)算確定灌水量，記錄灌水時(shí)間。記錄不同處理各個(gè)生育階段的進(jìn)入時(shí)間，在苜蓿開(kāi)花期、蘇丹草初熟期、青貯玉米乳熟期測(cè)定鮮草質(zhì)量和干草質(zhì)量(陰干稱量)。樣方測(cè)產(chǎn)，樣方面積1 m×1 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理的人工牧草耗水量

根據(jù)水量平衡原理，由試驗(yàn)測(cè)得的土壤含水量、灌水資料、灌水時(shí)間、地下水位和降雨等資料，計(jì)算人工牧草的耗水量，公式為

ET=P0+K+M+Wt+ΔW

式中：ET為作物生育階段耗水量，mm；P0為生育階段有效降雨量，mm；K為生育階段地下水補(bǔ)給量，根據(jù)地下水位和土壤含水量，由定位通量法計(jì)算得到，mm；M為生育階段灌溉量，mm；Wt為生育階段由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量，生育階段內(nèi)計(jì)劃濕潤(rùn)層無(wú)變化此項(xiàng)不計(jì)；ΔW為生育階段初至生育階段末土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量變化值，由于生育期始末土壤含水量不變，因而此項(xiàng)可忽略不計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，3種作物不同生育期和整個(gè)生育階段耗水量見(jiàn)表5—7。由表可知，紫花苜蓿、蘇丹草和青貯玉米在充分灌溉條件下耗水量分別為690.1、414.9和567.5 mm。

2.2 不同灌溉處理對(duì)人工牧草產(chǎn)量的影響

表8給出了試驗(yàn)中不同灌溉處理情況下的人工牧草產(chǎn)量與水分關(guān)系。由表8可知，不同灌溉處理?xiàng)l件下，人工牧草的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率不同，總體說(shuō)來(lái)，充分灌溉條件下產(chǎn)量最高。然而不同的灌水方式會(huì)得到不同的水分生產(chǎn)效率。

紫花苜蓿在充分灌溉條件下產(chǎn)量最高，為14 229.6 kg/hm2；苗期水分不足(MX3處理)對(duì)產(chǎn)量影響最小，水分生產(chǎn)效率最高，產(chǎn)量為13 776.9 kg/hm2，水分生產(chǎn)效率為2.18 kg/m3；整個(gè)生育期缺水對(duì)產(chǎn)量影響最大，水分生產(chǎn)效率最低；分枝—孕蕾期缺水比其他生育期缺水對(duì)產(chǎn)量影響大。

蘇丹草在SD1處理下水分生產(chǎn)效率最高，并且水分生產(chǎn)效率隨總灌水量的減少而增大，產(chǎn)量隨總灌水量的減少而減少。在灌溉水資源充足條件下，應(yīng)當(dāng)采用SD4處理以保證產(chǎn)量，但是在灌溉水資源較為緊缺時(shí)，為了保證有限的水資源得到充分利用，應(yīng)該采用SD1處理模式。

由青貯玉米耗水量與水分生產(chǎn)效率、產(chǎn)量的相互關(guān)系來(lái)看，YM8處理產(chǎn)量最高，YM3處理為次高，但YM3耗水量?jī)H為YM8的76%，因此YM3可以作為節(jié)水豐產(chǎn)的灌溉處理。而其他處理的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率較低。如果要在有限的水資源條件下，得到較高的青貯玉米產(chǎn)量，還需對(duì)水資源進(jìn)行合理的配置與優(yōu)化。

2.3 不同水分虧缺量下的減產(chǎn)率研究

從表9可知，紫花苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的水分脅迫均會(huì)引起一系列的不良后果，在作物生育情況方面最顯著的表現(xiàn)是植株降低、作物產(chǎn)量下降。不同灌溉處理結(jié)果表明，在土壤水分適宜條件下紫花苜蓿不減產(chǎn)，隨著土壤含水量的下降作物產(chǎn)量明顯下降，當(dāng)土壤水分控制在田間持水量的45%～50%時(shí)(MX5)，減產(chǎn)率達(dá)到了28.02%。從不同灌溉處理紫花苜蓿的產(chǎn)量可以看出，單階段受旱時(shí)，返青—分枝期受旱減產(chǎn)最少，分枝—孕蕾期受旱減產(chǎn)最為明顯。

從表10可知，不同水分條件下蘇丹草的產(chǎn)量是不一樣的，充分灌溉條件下(SD4處理)產(chǎn)量最高，受重旱時(shí)產(chǎn)量最低，減產(chǎn)率達(dá)到了21.18%。而且由圖1可看出，蘇丹草產(chǎn)量與土壤水分占田間持水量的百分比呈線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.895(R2=0.801 3)。

青貯玉米各處理產(chǎn)量和減產(chǎn)率見(jiàn)表11。青貯玉米生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段，水分脅迫均會(huì)引起一系列的不良后果，其中最明顯的影響是植株降低、分蘗能力減弱、葉面積減少、作物產(chǎn)量下降。單階段受旱時(shí)，抽穗—開(kāi)花期受重旱減產(chǎn)最為嚴(yán)重(減產(chǎn)55.96%)，因?yàn)樵撾A段玉米處于生殖生長(zhǎng)階段，這一階段如果受到重旱將嚴(yán)重影響后期產(chǎn)量；在苗期、拔節(jié)期和灌漿—乳熟期，最為敏感的是苗期(減產(chǎn)36.76%)，這是由于項(xiàng)目區(qū)青貯玉米播種時(shí)間為初夏，播種后即進(jìn)入高溫、干熱、少雨天氣，故苗期應(yīng)進(jìn)行灌溉補(bǔ)墑；此外，青貯玉米在拔節(jié)期水分生理活動(dòng)也不同于其他作物的“蹲苗”，栽培管理的要點(diǎn)是促分蘗、促拔節(jié)，如果此時(shí)受旱可減產(chǎn)19.88%。項(xiàng)目區(qū)主要為戈壁土，蒸發(fā)快，保水能力較差，灌水后表層水分很快下滲或蒸發(fā)，因此灌水應(yīng)盡量采用“量少次多”的灌溉制度，造成上干下濕的狀態(tài)，以促進(jìn)分蘗。

3 結(jié) 論

本研究中，紫花苜蓿在全年中收獲兩茬，每茬生長(zhǎng)期約為60 d，全生育期連續(xù)受旱時(shí)，耗水量為605.3 mm，僅為充分灌溉時(shí)的87.7%；蘇丹草的耗水量隨著作物受旱情況的加劇而逐漸減少，其充分灌溉的耗水量為414.9 mm，重旱條件下耗水量?jī)H為充分灌溉的49.7%；青貯玉米抽穗—開(kāi)花期不灌水條件下耗水量最小，僅為341.0 mm，為充分灌溉時(shí)的60%。

不同灌溉處理?xiàng)l件下，人工牧草的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率不同，總體來(lái)說(shuō)，充分灌溉條件下產(chǎn)量最高。紫花苜蓿在返青—分枝期受旱減產(chǎn)率最小，水分生產(chǎn)效率最高；全生育期受旱減產(chǎn)率最大，達(dá)到28.02%，水分生產(chǎn)效率也最低。蘇丹草的規(guī)律與紫花苜蓿相似，其作物減產(chǎn)率與受旱程度的關(guān)系呈線性關(guān)系，全生育期受輕旱時(shí)水分生產(chǎn)效率最低，受重旱時(shí)水分生產(chǎn)效率最高。青貯玉米在抽穗—開(kāi)花期受輕旱時(shí)，產(chǎn)量?jī)H次于充分灌溉的情況，其水分生產(chǎn)效率達(dá)到最高，但耗水量?jī)H為充分灌溉的76%；而拔節(jié)期和抽穗—開(kāi)花期連旱對(duì)產(chǎn)量的影響最大，減產(chǎn)率最大，同時(shí)該受旱條件下水分生產(chǎn)效率亦最低。

北疆地區(qū)作為水資源十分緊張的地區(qū)，地表水源受山區(qū)降雪的影響，豐枯水年交替明顯，在灌溉水資源較為緊缺時(shí)，為了保證有限的水資源得到充分利用，應(yīng)該采用不同的灌溉模式，并根據(jù)現(xiàn)有研究成果及經(jīng)驗(yàn)值，在保證較高水分生產(chǎn)效率的情況下，結(jié)合農(nóng)藝措施、保水材料等，合理地分配水資源。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

中國(guó)水科院專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(MK2014J03)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201201008)；新疆水利科技項(xiàng)目專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2014G01)

S274

A

1000-0941(2015)03-0054-04

劉虎(1985—)，男，湖北仙桃市人，工程師，碩士，主要從事牧區(qū)灌溉排水與農(nóng)業(yè)資源環(huán)境方面的研究。

2014-06-14