紫花苜蓿人工草地非充分灌溉技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用研究

艾爾肯·蘇里塔諾夫，麥麥提敏·乃依木（新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，新疆　烏魯木齊　830049）

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紫花苜蓿人工草地非充分灌溉技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用研究

艾爾肯·蘇里塔諾夫，麥麥提敏·乃依木
（新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，新疆烏魯木齊830049）

摘要：為優(yōu)化紫花苜蓿人工草地的非充分灌溉方式，逐步提高水分利用效率。本實(shí)驗(yàn)采用田間觀測(cè)法，遵照以水定草、最大調(diào)虧的逆向思維，參照紫花苜蓿SPAC水分運(yùn)移規(guī)律，對(duì)灌溉定額3 600 mm3/hm2（近似于360 mm降水）和1 800 mm3/hm2（近似于180 mm降水）進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)。結(jié)果表明在日均高溫大于23℃的高耗水階段減少充分灌溉定額的50%水量，在理論上放棄第二茬紫花苜蓿的產(chǎn)量，以最低灌溉量維持其主根頸以下免于嚴(yán)重失水導(dǎo)致萎蔫，度過高溫高耗水時(shí)期再將灌溉量的余額分配于第三茬，最終減產(chǎn)率為29.1%，節(jié)水率50%。

關(guān)鍵詞：SPAC系統(tǒng);旱區(qū)；紫花苜蓿；非充分灌溉定額；水分利用效率

10.16863/j.cnki.1003-6377.2016.03.008

紫花苜蓿是具有世界栽培意義的優(yōu)質(zhì)豆科牧草，隨著其種植面積的不斷增長，我國北方種植業(yè)面臨調(diào)整結(jié)構(gòu)的壓力。然而相對(duì)于美國的苜蓿產(chǎn)業(yè)，我國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展較落后，種植面積基本維持在150萬hm2左右，產(chǎn)量難以滿足畜牧業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)報(bào)道，相比其他作物，苜蓿的耗水量較大，在干旱、半干旱地區(qū)只能灌溉，因此灌溉條件成為紫花苜蓿人工草地建植成功與否的首要因素。農(nóng)牧區(qū)水庫的興建使用，部分緩解了水草矛盾，然而依然無法扭轉(zhuǎn)苜蓿人工草地缺水問題?，F(xiàn)有的灌溉制度面臨挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)紫花苜蓿節(jié)水灌溉做了很多研究，但是在因地制宜的限制下，對(duì)非充分灌溉制度的確定依然處于摸索階段。本研究通過苜蓿人工草地SPAC系統(tǒng)水分運(yùn)移規(guī)律，把握住水分高速運(yùn)移的階段，依托現(xiàn)有的田間觀測(cè)試驗(yàn)，逆向思維并人為干擾高溫期內(nèi)第二茬次苜蓿的灌水強(qiáng)度，以最低灌水量免于紫花苜蓿的主根頸以下萎蔫，從而使有限的定額配水合理分配于第一、三茬次，分析比較紫花苜蓿的產(chǎn)量及水分利用效率，進(jìn)而摸索干旱區(qū)紫花苜蓿人工草地實(shí)踐中容易操作，并且與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際相符合的最低定額灌溉規(guī)律。

1　人工草地SPAC系統(tǒng)水分運(yùn)移規(guī)律

“Soil-Plant-Atmosphere=Continuum”指土壤-植被-大氣=連續(xù)體，簡稱SPAC。該研究將三重界面視作一個(gè)連續(xù)體，用連續(xù)的、系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的觀念和定量的方法來研究SPAC中的水分運(yùn)移。多年來在農(nóng)業(yè)作物上研究較多，而牧草種植中的研究較少。因此研究人工草地SPAC中水分運(yùn)移規(guī)律，對(duì)提高水分利用效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.1紫花苜蓿SPAC中的主要內(nèi)容

地面基質(zhì)水勢(shì)是指在土壤-植被-大氣=連續(xù)體系統(tǒng)中3個(gè)相互影響界面中的土壤中水分勢(shì)指的高低，此過程水分以液相或固相形式儲(chǔ)存，空間上處于底端，隨溫度變化較為穩(wěn)定，是其他兩個(gè)界面的物質(zhì)基礎(chǔ)。

葉面水勢(shì)是指在SPAC系統(tǒng)中3個(gè)相互影響的界面中的植物界面里水分勢(shì)指的高低，此過程水分以液相形式參與植物生長發(fā)育的所有新陳代謝，空間上處于中端，變化適中，是承接其他兩個(gè)界面的核心生產(chǎn)目的。

大氣水勢(shì)是指在SPAC系統(tǒng)中3個(gè)連續(xù)影響的界面之一大氣中水分勢(shì)指的高低，此過程水分以氣相形式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移，空間上處于上端，變幅較大。

1.2紫花苜蓿SPAC日運(yùn)移規(guī)律

耦合系統(tǒng)中的這三個(gè)界面水勢(shì)移動(dòng)密切相關(guān)，以晴天為例，日變化總體趨勢(shì)為：早晨空氣濕度大，光照弱，整體界面氣溫低，夜間苜蓿根系的飽和吸水作用造成土壤基質(zhì)及莖葉水勢(shì)較高，大氣水勢(shì)則略低，此時(shí)水分運(yùn)移處于相對(duì)停滯狀態(tài)；隨著光照射逐步增強(qiáng)，氣溫亦升高，大氣高處的水汽開始加速逃逸，使得地面大氣中的濕度向高處流動(dòng)，而植株莖葉中水分開始溢出，流向趨于干燥的近地大氣中，葉面蒸騰能力增強(qiáng)，土壤及根系的水分不斷補(bǔ)充，土壤基質(zhì)及莖葉水勢(shì)隨大氣水勢(shì)的增強(qiáng)而減弱，此時(shí)SPAC中水分運(yùn)移處于高速移動(dòng)狀態(tài)；之后隨著氣溫的逐步回落，近地大氣濕度的重新聚集，土壤基質(zhì)及莖葉水勢(shì)逐漸回升，大氣水勢(shì)亦回落。

在SPAC中水分實(shí)現(xiàn)了空間上由低到高的逆向運(yùn)移，時(shí)間上隨溫度高低而進(jìn)行的相變運(yùn)移。

1.3紫花苜蓿SPAC的生育期運(yùn)移規(guī)律

紫花苜蓿在充分灌溉下一般在4月中旬返青，6月下旬完成第一茬次生長周期，刈后進(jìn)入第二茬次生長期，該階段熱量條件較好，生長迅速，到8月05日進(jìn)行第2次刈割；刈割后迅速復(fù)生，但生長中期后氣溫下降，到9月下旬進(jìn)入開花后期進(jìn)行第3次刈割。在第一茬次生長期內(nèi)，紫花苜蓿返青后由于氣溫、太陽輻射和風(fēng)速等均處在一個(gè)緩慢的上升期，大氣水勢(shì)多在（68.09～182.70）mm/d之間，分枝期后隨著氣溫升高、輻射增強(qiáng)，生長速度加快，大氣水勢(shì)逐步升高，莖葉水勢(shì)和土壤基質(zhì)水勢(shì)的減弱不顯著。在第二茬次生長期內(nèi)，紫花苜蓿處于全年高溫、強(qiáng)日照階段，SPAC中的水分運(yùn)移加速循環(huán)，因逼近植株耐熱極限處于一個(gè)相對(duì)停滯生長階段，隨氣溫下降逐步改善。在第三茬次生長期內(nèi)，隨著刈后迅速返青生長，氣溫逐漸降低，蒸騰強(qiáng)度由緩慢下降到快速下降，大氣水勢(shì)回落，莖葉水勢(shì)和土壤基質(zhì)水勢(shì)的增強(qiáng)亦不明顯。

在干旱區(qū)的紫花苜蓿人工草地建設(shè)中，近年來陸續(xù)有學(xué)者提出：在充分灌溉中苜蓿的產(chǎn)量隨灌溉定額（供水量）的增加而增加，最終導(dǎo)致水量浪費(fèi)，以致水分利用率過低。因此，以全新思路摸索非充分灌溉優(yōu)化模式，在部分嚴(yán)重缺水的牧區(qū)新居周邊，論證降雨量及灌溉量合計(jì)300 mm左右的優(yōu)化灌溉方式尤為迫切。

2　材料和方法

2.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于農(nóng)業(yè)部野生牧草種質(zhì)資源保護(hù)基地進(jìn)行，位于烏魯木齊市南郊烏拉泊大東溝村，地理坐標(biāo)為北緯87°30'，東經(jīng)43°39'，屬溫帶大陸性荒漠氣候區(qū)，海拔1 168 m，年均降水量208.4 mm（2014年春夏降水量135.9 mm），年均蒸發(fā)量2 616.9 mm，年均無霜期179 d，年均日照時(shí)數(shù)2 813.5 h。土壤主要為上粘沙性土壤，地下水埋深一般為（8～10）m。

2.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地為種植第2年的紫花苜蓿（2013年春播，播量21.5 kg/hm2），品種為阿爾岡金，由農(nóng)業(yè)部牧草與草坪草種子質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（烏魯木齊）提供。噴灌材料采用雨鳥6分可調(diào)搖臂式噴頭，半徑為30 m。

2.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用田間比對(duì)試驗(yàn)法，根據(jù)2012-2013年充分灌溉試驗(yàn)結(jié)果，共設(shè)充分灌溉和非充分灌溉兩種灌溉處理水平，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)6個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為6.7 m×10 m=67 m2，為避免相互影響，各試驗(yàn)小區(qū)相隔10 m。灌溉方式為噴灌，水表計(jì)量。遵照以水定草、最大調(diào)虧的思路，參考以往的研究結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，全年充分灌溉定額為3 600 m3/hm2（近似于360 mm降水），正如前述在SPAC水分運(yùn)移中，在日均高溫大于23℃（如表二）的高耗水階段減少充分灌溉定額的50%水量，在理論上放棄第二茬紫花苜蓿產(chǎn)量，以最低灌溉量維持其主根莖以下免于嚴(yán)重失水導(dǎo)致萎蔫，度過高溫高耗水時(shí)期再將灌溉量的余額分配于第三茬，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水的試驗(yàn)?zāi)康模虼朔浅浞止喔榷~1800 m3/hm2（表1）。

表1　紫花苜蓿生育階段灌水定額設(shè)計(jì)

2.4測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤含水率測(cè)定：每次灌水前用土鉆取土樣，采用烘干稱重法測(cè)定。

紫花苜蓿產(chǎn)量測(cè)定:刈割前在每個(gè)試驗(yàn)不同灌溉處理小區(qū)隨機(jī)1 m×1 m樣方2個(gè),測(cè)定紫花苜蓿鮮草重量,并多點(diǎn)隨機(jī)取3 kg鮮草烘至含水量為14%,稱重,計(jì)算干物質(zhì)重量。

水分利用效率測(cè)算：灌溉水的利用效率=單位面積上的干物質(zhì)產(chǎn)量/單位面積上的灌溉用水量。

其他測(cè)算：試驗(yàn)區(qū)域地下水位在10 m以下，地下水在SPAC中根據(jù)水勢(shì)高低的補(bǔ)給作用較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)區(qū)域風(fēng)速測(cè)定為均值2.8，在噴灌時(shí)水分會(huì)出現(xiàn)飄散現(xiàn)象，在空氣干燥時(shí)段灌水造成的水汽漂移及蒸發(fā)損失不容小覷，因此將此損失與地下水補(bǔ)給相互抵消不予計(jì)算。

2.5數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel2010軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析。

3　結(jié)果與分析

3.1紫花苜蓿第一茬次的耗水規(guī)律（見表2）

表2　紫花苜蓿充分、非充分灌溉下生育狀況與產(chǎn)量

由于紫花苜蓿早春第一茬次生育期內(nèi)SPAC內(nèi)水分運(yùn)移隨萌芽開始啟動(dòng)。土壤、植被、大氣三重界面整體溫度緩慢上升，水分運(yùn)移趨于平靜，另外受雪水消融（冬灌）及降水的有效補(bǔ)充，在第一茬次生長各小區(qū)的田間持水量維持在50%上下，而土壤含水量處于較為抗旱的灌溉下限以上，直到生長后期5月下旬土壤含水量才下降至灌溉下限，在第一茬次生長后期開始灌水，兩種處理均為逐步增加灌溉量，且處理間的數(shù)據(jù)差異不顯著。由表2可以看出，紫花苜蓿一般在4月中旬返青，6月下旬完成第一茬次生長周期，在第一茬次生長期內(nèi)，紫花苜蓿返青后由于氣溫、太陽輻射和風(fēng)速等均處在一個(gè)緩慢的上升期，大氣水勢(shì)多在（68.09～182.70）mm/d之間，分枝期后隨著氣溫升高、輻射增強(qiáng)，生長速度加快，灌溉量開始增強(qiáng)。CF處理中自返青進(jìn)行首次灌水，而FCF處理則在分枝前期開始灌水，在CF和FCF的產(chǎn)量比對(duì)中相差無幾。在降水條件同等的前提下，F(xiàn)CF在灌水量上則減少了39%。

由日變化規(guī)律可知經(jīng)過夜晚土壤的溶液濃度稀釋至最佳狀態(tài)，以致清晨土壤含水量最具時(shí)效性，即土壤基質(zhì)水勢(shì)優(yōu)良，有利于紫花苜蓿以水分為主載體的吸收利用，其后在一天中土壤溶液濃度很難達(dá)到清晨的最佳水平。早春的土壤基質(zhì)及溶液濃度是FCF處理下產(chǎn)量不低于CF處理的原因，主要得益于早春土壤基質(zhì)的穩(wěn)定，整個(gè)冬季土壤層中緩慢水分運(yùn)移將土壤溶液濃度調(diào)配至最易于紫花苜蓿根系吸收的狀態(tài)，連續(xù)第二年的生長促進(jìn)土壤基質(zhì)趨于配合苜蓿的生長需要。很多研究將冬季簡單視為休眠期可能過于草率，冬灌就是具有說服力的證明。在返青后即加大灌溉量，容易打破這種緩慢形成的最佳濃度，結(jié)果可能適得其反。然而FCF的水分供應(yīng)設(shè)計(jì)中隨水分運(yùn)移的加快逐步增加，一定程度上維護(hù)了最佳濃度，萌芽狀態(tài)發(fā)育良好的嫩芽對(duì)最終的苜蓿品質(zhì)意義重大。土壤溶液濃度利用地下水及相關(guān)礦物質(zhì)進(jìn)行自我調(diào)整過程復(fù)雜多樣，有待于進(jìn)一步研究。

3.2非充分灌溉方式對(duì)紫花苜?？偖a(chǎn)量的影響

在第1茬次生長期內(nèi)，由于大氣溫度帶動(dòng)土壤及界面溫度逐步上升，SPAC內(nèi)水分運(yùn)移隨萌芽開始啟動(dòng)，故耗水強(qiáng)度亦隨土壤基質(zhì)水勢(shì)及莖葉水勢(shì)的細(xì)微變化開始緩慢增強(qiáng)，分枝期后隨著SPAC內(nèi)各個(gè)界面溫度升高，水分運(yùn)移速度加快，耗水強(qiáng)度快速加強(qiáng)，據(jù)郭克貞等研究，到6月上旬盛花期耗水強(qiáng)度達(dá)到最大值6.2 mm/d左右。在第二茬次生長期內(nèi)，紫花苜蓿處于全年高溫、強(qiáng)日照階段，SPAC中的水分運(yùn)移隨著大氣水勢(shì)的牽引作用增強(qiáng)而加速循環(huán)，因逼近植株耐熱極限陷入一個(gè)相對(duì)緩慢發(fā)育階段，其后隨氣溫降低逐步改善。本研究運(yùn)用全新思路，是對(duì)紫花苜蓿非充分灌溉的特殊優(yōu)化，主要考慮節(jié)水，其次兼顧其整個(gè)生育階段的健康狀況，用紫花苜蓿整個(gè)生育期總耗水量的50%置換第二茬次苜蓿的產(chǎn)量預(yù)期。由表1可知在CF處理中灌水設(shè)計(jì)定額占到總灌水量的50%，是由于在此階段紫花苜蓿光熱條件導(dǎo)致水分運(yùn)移迅速，三重界面高效耦合，促進(jìn)植株快速分枝，葉面積指數(shù)越大，營養(yǎng)生長和生殖生長就越旺盛，水分的消耗也就越強(qiáng)。在FCF處理中第二茬次生長期內(nèi)灌水量驟減至50 m3（近似于5 mm),理論生育期50 d，共灌水5次。生產(chǎn)目的僅為保全苜蓿主根莖，承受干旱脅迫，人為降低其產(chǎn)量。有研究報(bào)道，在西北旱區(qū)土壤含水量低于50%田間持水量時(shí)，土壤有效含水量減少，苜蓿開始出現(xiàn)干旱脅迫，進(jìn)而造成紫花苜蓿光合作用減弱，最終引起苜蓿產(chǎn)量大幅下降。因此，F(xiàn)CF處理第二茬階段中土壤水分僅依靠降水和土壤貯水無法維持苜蓿的正常生長，土壤水分達(dá)到脅迫程度時(shí)，苜蓿呈現(xiàn)旱生狀態(tài)的特征，會(huì)導(dǎo)致植株高度降低，甚至影響到苜蓿根頸受傷。如表2所述，至刈割苜蓿株高只有150 mm，產(chǎn)量只有1 077 kg/hm2。

在非充分供水條件下紫花苜蓿土壤水分過低，紫花苜蓿根系受水分過小脅迫，土壤基質(zhì)勢(shì)較低，無法形成莖葉水勢(shì)促進(jìn)生長發(fā)育。但地下根頸沒有萎蔫受傷，原因有待分析。在試驗(yàn)中田間持水量處于較低水平，凋萎含水量的連續(xù)檢測(cè)中處于14%，略低于14.7%粘性土壤的凋萎系數(shù)，整個(gè)理論生長季內(nèi)的灌水量累計(jì)為250 m3/hm2（25 mm），相對(duì)于CF處理下的1 600 m3/hm2（160 mm)節(jié)水1 350 m3/hm2。

3.3不同處理中水分利用效率與減產(chǎn)率的比較

紫花苜蓿生育期各階段對(duì)水分的需求不同，SPAC中水分運(yùn)移規(guī)律說明：在總灌水量定額的前提下，產(chǎn)量源于不同的生長階段的需水量分配。因此，在生育期內(nèi)少量多灌縮短間隔對(duì)其生長有利。

由表3可知，CF處理下紫花苜蓿三茬產(chǎn)量合計(jì)13 412 kg/hm2，其總灌水量3 600 m3/hm2本來就是當(dāng)?shù)赝扑]性的最低灌水定額，灌溉水分利用效率為39.9 kg·hm2·mm3。FCF處理下三茬產(chǎn)量合計(jì)9 522 kg/hm2，相對(duì)于CF減產(chǎn)29.1%，前提是只有1 800 m3/hm2總灌溉量,相對(duì)于CF處理節(jié)水率達(dá)50%，可以說是有限定額水量在作物生育期內(nèi)的最苛刻分配。運(yùn)用SPAC中水分運(yùn)移規(guī)律，避開高溫高耗水的第二茬次生產(chǎn)，主動(dòng)減產(chǎn)29.1%，實(shí)現(xiàn)總生育期內(nèi)50%的節(jié)水率。

表3　水分虧缺對(duì)紫花苜蓿牧草產(chǎn)量的影響

4　討　論

基于SPAC系統(tǒng)下的紫花苜蓿人工草地在充分灌溉下，第一茬次在生育狀況及產(chǎn)量上均優(yōu)于第二茬次，整個(gè)冬季土壤溶液濃度的自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)初春生育需求的作用顯著。

在充分灌溉和非充分灌溉的定額灌水比對(duì)中，人工干擾第二茬次的正常生長，CF處理下灌溉定額3 600 m3/hm2比對(duì)FCF處理下減產(chǎn)29.1%，然而灌水量卻增加了一倍。這說明灌水時(shí)期的影響大于灌水總量的影響，實(shí)際生產(chǎn)中水分過大脅迫方面重于水分過小脅迫方面,造成水資源的不合理利用，以致在人工草地的灌溉水分利用效率過低。這對(duì)于西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)中提高自然降水和灌溉水的利用效率意義重大。

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中圖分類號(hào)：S812.6+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-6377（2016）03-0038-07

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)公益性科研項(xiàng)目（KY2015006）

作者簡介：艾爾肯·蘇里塔諾夫（1970-），男（柯爾克孜族），大學(xué)本科，畜牧師，主要從事牧草種子檢驗(yàn)及草原保護(hù)與建設(shè)工作。E-mail:xjcyerkensltnf009@163.com

收稿日期：2016-01-20，修回日期：2016-01-25

Study on Innovation and Application of Inadequate Irrigation Technology in Alfalfa Artificial Grassland

AERKEN·Sulitanuofu，MAIMAITIMIN·Naiyimu
(General Grassland Station of Xinjiang,Urumqi 830049,China)

Abstract:To optimize the alfalfa inadequate irrigation methods of artificial grassland,gradually improve water use efficiency,This experiment adopts the field observation method according to the reverse thinking of grass depending on waterandmost major lossbased on Alfalfa SPAC water migration rule,compared irrigation quota for 3600 mm/hm(similar to 360 mm ofrainfall)with 1800 mmr/hm(similar to 180 mm of rainfall).It is showed that when the average daily temperature is greater than 23℃,reduce 50%of irrigation quotato theoretically give up the second crop of Alfalfa production,the lowest amount of irrigation maintains its taproot below the neck from severe water loss cause wilting,after high temperature and high water consumption period,distribute water amount balance in the third,the final reduction rate is 29.1%,and the water saving rate is 50%.

Key words:SPAC system;arid regions.alfalfa;inadequate irrigation quota;water use efficiency(wue)