寒旱荒漠地區(qū)不同灌水處理對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)與產(chǎn)量 的影響

曹 彪， 何建村， 白云崗

(新疆水利水電科學(xué)研究院， 新疆 烏魯木齊 830049)

作為一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗旱、適應(yīng)性強(qiáng)的飼料作物[1-2]，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)在我國(guó)人工草地得到大面積種植[3]。正常生長(zhǎng)的紫花苜蓿莖葉繁茂，需水量很大[4]，所以通過節(jié)水灌溉生產(chǎn)方式，提高水分利用效率，是發(fā)展人工草地的必然選擇。其中，淺埋式滴灌是增加產(chǎn)量、降低用水量的一種有效灌溉方式[5-6]。針對(duì)淺埋式滴灌條件下，紫花苜蓿生長(zhǎng)特性、水肥耦合、滴灌帶布設(shè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[7-12]。但是隨著不同地區(qū)氣候環(huán)境、土壤類型、水文地質(zhì)以及海拔高度等條件變化，牧草耗水量也不同。寒旱荒漠地區(qū)一般具有干燥少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈、土壤肥力差、有機(jī)質(zhì)含量低、晝夜溫差大和干旱災(zāi)害頻發(fā)的特點(diǎn)。很多牧區(qū)或農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)位于寒旱荒漠地區(qū)，因此針對(duì)寒旱荒漠地區(qū)紫花苜蓿淺埋式滴灌灌溉制度開展試驗(yàn)研究，對(duì)于干旱荒漠地區(qū)退耕還草和人工草地合理開發(fā)利用具有重要意義。

灌水定額和灌水周期是作物節(jié)水灌溉研究的兩個(gè)重要指標(biāo)[13]。本文通過分析灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿各生育期株高、莖粗、干物質(zhì)的作用效應(yīng)，揭示灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)的影響機(jī)理；結(jié)合不同試驗(yàn)處理對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)量的影響，統(tǒng)籌確定灌水周期和灌水定額合理組合，從而確定干旱荒漠地區(qū)紫花苜蓿最佳的灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年4—10月在阿勒泰地區(qū)青河縣境內(nèi)的阿葦灌區(qū)實(shí)施。青河縣阿葦灌區(qū)位于準(zhǔn)葛爾盆地東北部，阿勒泰山東南麓，試驗(yàn)區(qū)地理坐標(biāo)為46°25′30″ N，90°04′01″ E。試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)儆诖箨懶詼貛Ш疁貛夂颍呱礁吆⒖諝飧稍?，冬季漫長(zhǎng)寒冷、風(fēng)勢(shì)較大，夏季酷熱、年降雨量小、蒸發(fā)量大。當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫為-53℃，最高氣溫為36.5℃，年平均氣溫1.3℃；年均降水量189.1 mm，蒸發(fā)量1 367 mm；無霜期平均為103 d，2016年試驗(yàn)區(qū)終霜日是5月19日，始霜日出現(xiàn)在9月17日。土壤質(zhì)地為沙土，土壤容重為1.74 g·cm-3，土壤田間持水量為13.3%。表1為阿葦灌區(qū)各層土壤顆粒粒徑組成，根據(jù)土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)區(qū)土壤80 cm以上部分為輕礫石粗砂土，80～100 cm為中礫石粗砂土。試驗(yàn)地土壤粘粒含量較少，以粗沙、細(xì)沙為主，說明該地土壤孔隙多、粘性小，土壤通氣透水性強(qiáng)，蓄水保肥能力較差，容易受到干旱侵襲。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理性狀Table 1 The soil physical properties in experimental zone

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)苜蓿是2012年8月10日播種的紫花苜蓿，品種名為‘阿爾岡金’(Poapretensis‘Algomguin’)，采用播種開溝鋪帶一體機(jī)一次性完成播種、鋪設(shè)滴灌管帶、開溝覆土，苜蓿行距為30 cm，播種量為52.5 kg·hm-2。播種當(dāng)年 8月19日開始出苗，當(dāng)年未收割，第二年的返青率達(dá)92%。毛管采用大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的可以防負(fù)壓的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴頭流量2.0 L·h-1，滴灌帶埋深5～8 cm，毛管間距60 cm，毛管布置如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)灌水定額300 m3·hm-2，375 m3·hm-2，450 m3·hm-2；3個(gè)灌水周期6 d，9 d，12 d，共9個(gè)處理，重復(fù)一次，試驗(yàn)各處理的設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的灌水量如表2所示。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)30 m左右，寬2.4 m。試驗(yàn)約定灌水周期內(nèi)單次降水大于15 mm，灌水周期延長(zhǎng)3 d；單次降水大于20 mm，下一次灌水順延4 d；單次降水大于30 mm，下一次灌水順延6 d。第一茬苜蓿生育期內(nèi)5月17日出現(xiàn)降雨最大值，單次有效降雨為8.8 mm；第二茬苜蓿生育期內(nèi)8月2日出現(xiàn)降雨最大值，單次有效降雨5.2 mm，因此降雨未對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃產(chǎn)生影響。試驗(yàn)區(qū)地下水位較深，紫花苜蓿全生育期可視為無地下水補(bǔ)給。試驗(yàn)各處理分別在分支期和現(xiàn)蕾期統(tǒng)一隨水施磷酸二氫鉀10 kg·mu-1和尿素5 kg·mu-1。由于試驗(yàn)區(qū)位于高寒荒漠地區(qū)，所以紫花苜蓿全年收割兩茬，第一茬于6月20日刈割，第二茬在9月5日刈割。

圖1 毛管布置示意圖Fig.1 The sketch of lateral layout

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 The design of experiment

試驗(yàn)處理Treatment灌水周期Irrigation cycle/d灌水定額Quota of irrigating water/m3·hm-2灌溉定額Irrigation quotas/m3·hm-2第一茬 First cutting第二茬Second cutting合計(jì)TotalW116300240033005700W126375300041257125W136450360049508550W219300180021003900W229375225026254875W239450270031505850W3112300120018003000W3212375150022503750W3312450180027004500

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按“S”型曲線隨機(jī)選取具有代表性的10株苜蓿，每隔10 d測(cè)一次苜蓿株高、莖粗。株高在現(xiàn)蕾期前為從莖的最基部到最上葉頂端的距離，現(xiàn)蕾期后為從莖的最基部到穗頂端的距離；莖粗是用游標(biāo)卡尺量莖的最基部，東西、南北兩方向各測(cè)1次，取平均值。產(chǎn)量采用樣方法測(cè)定，各試驗(yàn)處理在每個(gè)生育期末，以1 m2為一個(gè)樣方，留茬高度5 cm左右，在每個(gè)處理小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)樣方，用鐮刀割取樣方內(nèi)苜蓿，稱重測(cè)定鮮草產(chǎn)量。同時(shí)在各個(gè)樣方中隨機(jī)取3個(gè)500 g左右鮮草樣帶回實(shí)驗(yàn)室105°殺青，65℃烘干24 h至恒重，計(jì)算干濕比，換算出干草產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 2007軟件進(jìn)行整理和制圖，采用 SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)，差異顯著性分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水定額對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的的影響

灌水周期分別為6 d，9 d，12 d，不同灌水定額紫花苜蓿株高、莖粗動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過程如圖2所示。由圖中株高、莖粗變化速率趨勢(shì)可知，紫花苜蓿分枝后期，現(xiàn)蕾期生長(zhǎng)較快，返青期和開花期生長(zhǎng)較緩慢。灌水周期為6 d時(shí)，第一茬紫花苜蓿灌水量越小，植株越高，W11株高均值達(dá)80.2 cm；第二茬紫花苜蓿，則較大灌水量，有利于植株生長(zhǎng)，W12和W13株高均值均達(dá)68.2 mm。灌水周期為6 d的三個(gè)試驗(yàn)處理植株生長(zhǎng)整體差異較小，莖粗表現(xiàn)為灌水量越小，莖粗越大的規(guī)律；灌水周期為9 d時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果整體呈灌水量越大，植株生長(zhǎng)越快的規(guī)律。株高生長(zhǎng)在分枝后期開始表現(xiàn)出差異，并且隨著生育天數(shù)的增加，紫花苜蓿植株生長(zhǎng)差別越來越顯著。紫花苜蓿整個(gè)生育期的株高和莖粗生長(zhǎng)速率W23>W22>W21；灌水周期為12 d時(shí)，紫花苜蓿的生長(zhǎng)速率W33>W32>W31，亦即灌水量越大，植株生長(zhǎng)越快。但生育后期3個(gè)處理均表現(xiàn)出缺水現(xiàn)象，植株普遍矮小，W32部分植株、W31幾乎全部植株出現(xiàn)葉片萎蔫等癥狀，這是由于灌水較少，灌水量不能滿足作物生長(zhǎng)需要，加之植株體內(nèi)水分散失，導(dǎo)致第二茬紫花苜蓿開花期莖粗下降?？梢姡嗨磕軌蝻@著影響紫花苜蓿的地上生物量[14]，適宜的灌水量能夠促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，提高紫花苜蓿的生產(chǎn)性能。

2.2 灌水周期對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的的影響

灌水定額分別為300 m3·hm-2，375 m3·hm-2，450 m3·hm-2，不同灌水周期紫花苜蓿株高、莖粗動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過程如圖3所示。灌水定額在300 m3·hm-2的情況下，紫花苜蓿生長(zhǎng)速度W11>W21>W31，且灌水周期為6 d的處理從分枝期開始株高和莖粗均高于灌水周期9 d和12 d的試驗(yàn)處理，說明高頻率小水量的灌溉有利于紫花苜蓿的生長(zhǎng)。當(dāng)灌水定額為375 m3·hm-2時(shí)，紫花苜蓿株高、莖粗生長(zhǎng)速度W12>W22>W32，表現(xiàn)出頻率越高的灌水處理，苜蓿植株生長(zhǎng)的越好，但主要是在紫花苜蓿分枝后期差異顯著，說明灌水定額為375 m3·hm-2時(shí)，紫花苜蓿在分枝前期和返青期適當(dāng)延長(zhǎng)灌水周期，分枝后期縮短灌水周期。當(dāng)灌水定額達(dá)到450 m3·hm-2時(shí)，紫花苜蓿株高生長(zhǎng)速度W13>W23>W33，但W13和W23差異不明顯。說明灌水定額為450 m3·hm-2時(shí)，灌水周期為6 d和9 d的試驗(yàn)處理對(duì)比，株高差異不大，但是灌水周期為9 d時(shí)更有利于紫花苜蓿莖粗的生長(zhǎng)。綜上所述，紫花苜蓿適宜的灌水方式可以通過合理安排灌水周期和灌水定額來實(shí)現(xiàn)，即延長(zhǎng)灌水周期、相應(yīng)提高灌水定額，或是降低灌水定額、相應(yīng)縮短灌水周期，通過尋找合理的灌溉周期和灌水定額組合，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果。

圖2 灌水量對(duì)紫花苜蓿株高、莖粗的影響Fig.2 Effects of irrigation amount on plant height and stem diameter of alfalfa

2.3 灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)的影響

根據(jù)試驗(yàn)植株調(diào)查，紫花苜蓿整個(gè)生育期各生育階段劃分如表3所示。牧草的產(chǎn)量主要是莖葉產(chǎn)量，通過紫花苜蓿植株變化速率可以衡量其生物量累積的快慢。植株變化速率可以由株高、莖粗以及干物質(zhì)的變化定量進(jìn)行分析。對(duì)株高和莖粗變化速率以及各生育階段干物質(zhì)積累量進(jìn)行方差分析，方差分析采用F檢驗(yàn)的方法，差異性檢驗(yàn)值如表4所示。

圖3 灌水周期對(duì)紫花苜蓿株高、莖粗的影響Fig.3 Effects of irrigation cycle on plant height and stem diameter of alfalfa

表3 紫花苜蓿各生育期劃分Table 3 The growth period division of alfalfa

紫花苜蓿第一茬返青期株高受灌水周期和灌水定額交互作用影響極顯著(P<0.01)，株高在分枝期、孕蕾期、初花期均受灌水周期影響極顯著(P<0.01)，在孕蕾期和初花期受灌水定額影響極顯著(P<0.01)。灌水周期在分枝期對(duì)紫花苜蓿莖粗影響極顯著(P<0.01)，在孕蕾期影響顯著(P<0.05)。灌水定額對(duì)莖粗在孕蕾期影響極顯著(P<0.01)，在返青期和初花期影響顯著(P<0.05)。灌水周期和灌水定額的交互作用對(duì)孕蕾期和初花期莖粗影響非常顯著(P<0.01)；干物質(zhì)在返青期受灌水周期和灌水定額影響不大，在孕蕾期受灌水周期和灌水定額單獨(dú)和交互影響均極顯著(P<0.01)，在初花期和分枝期受灌水周期和灌水定額單獨(dú)作用影響極顯著(P<0.01)，受灌水周期和灌水定額的交互作用影響顯著(P<0.05)；灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿第二茬生長(zhǎng)的影響與第一茬基本相同，但由于紫花苜蓿第二茬在7月份返青，生長(zhǎng)階段溫度較高，第二茬受灌水周期和灌水定額的影響與第一茬還表現(xiàn)出不一樣的特點(diǎn)。第二茬紫花苜蓿返青期受灌水周期和灌水定額單獨(dú)影響極顯著(P<0.01)，干物質(zhì)受灌水定額影響顯著(P<0.05)。與第一茬紫花苜蓿不同，分枝期株高受灌水周期和灌水定額影響不顯著，莖粗受灌水定額影響顯著，干物質(zhì)受灌水定額和灌水周期影響非常顯著。第二茬紫花苜?，F(xiàn)蕾期溫度較高，更有利于生殖生長(zhǎng)，第二茬紫花苜蓿現(xiàn)蕾期株高和莖粗受灌水周期和灌水定額影響均不顯著，干物質(zhì)受灌水定額影響顯著，受灌水定額和灌水周期交互影響不顯著。第二茬紫花苜蓿開花期株高受灌水周期影響顯著，干物質(zhì)受灌水周期和灌水定額交互影響不顯著。

表4 灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿各生育期生長(zhǎng)指標(biāo)影響主體間效應(yīng)檢驗(yàn)Table 4 Intersubjective effect test of effects of irrigation cycle and irrigation quota on growth index of alfalfa in different growth stages

注：sig<0.01表示極顯著，sig<0.05表示顯著

Note：Sig<0.01 indicates very significant difference, Sig<0.05 indicates significant difference

2.4 不同水分處理對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響

第一茬紫花苜蓿返青主要受上一年度降雪影響，所以各處理土壤含水率初始水平基本相同。試驗(yàn)區(qū)紫花苜蓿約在4月底開始返青，5月3日第一次灌水，6月18日結(jié)束灌水，第一茬灌水歷時(shí)45 d，第二茬7月3日開始灌水，9月2日結(jié)束灌水，灌水歷時(shí)61 d。

表5為不同水分處理下紫花苜蓿干、濕重及顯著性比較。最高鮮、干重的試驗(yàn)處理灌水周期均為6 d。第一茬紫花苜蓿中W13鮮草產(chǎn)量最高，鮮重為39 653 kg·hm-2，W12干草產(chǎn)量最高，干重為10 254 kg·hm-2。鮮重最大的不一定干重最高，主要是受干濕比的影響。灌水周期6 d時(shí)，灌水量多的干濕比反而小，W12干濕比為0.31，而W13干濕比僅為0.23。第二茬紫花苜蓿中W13鮮、干重最大，鮮重為32 783 kg·hm-2，干重為8 916 kg·hm-2。灌水周期為6 d的試驗(yàn)處理，鮮重均隨灌水量增加而增大，但第一茬差異顯著，第二茬差異不顯著，而且第二茬耗水要比第一茬多，這是由于干旱荒漠地區(qū)第二茬紫花苜蓿生長(zhǎng)階段溫度較高，蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)烈。第一茬紫花苜蓿干重W11W12，說明灌水周期為6 d時(shí)，灌水定額從300 m3·hm-2增加到450 m3·hm-2，紫花苜蓿干物質(zhì)積累呈先增大后減小的規(guī)律。當(dāng)灌水周期為9 d和12 d時(shí)，W21W21>W31，W12>W22>W32，W23>W33，說明當(dāng)灌水周期大于9 d時(shí)，高頻率灌溉有利于紫花苜蓿干、濕重的提高。但是由第一茬干重W13

表5 不同試驗(yàn)處理紫花苜蓿的產(chǎn)量及顯著性比較Table 5 Comparison of yield and significance of alfalfa under different treatments

注：同列不同小寫字母表示不同處理差異顯著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters within the same column indicate significate difference at the 0.05 level

2.5 紫花苜蓿的優(yōu)化灌溉制度

優(yōu)化灌溉制度是為了獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，通過充分利用牧草植物體對(duì)缺水具有的抗逆特性，合理確定其不同生育期灌水量和灌水時(shí)間，制定具有節(jié)水、增產(chǎn)、高效益的灌水模式[18-20]。通過2016年紫花苜蓿的灌溉試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)亟笛?duì)土壤水分的供應(yīng)，第一茬紫花苜蓿返青期合理灌水制度為灌水定額300 m3·hm-2左右，灌水周期9 d，在溫度允許的條件下，第一次灌水可適當(dāng)提前，以加快紫花苜蓿的返青速度。紫花苜蓿分枝期灌水周期對(duì)其株高和莖粗影響顯著，宜采用高頻率中水量的灌溉方式，即灌水周期6 d，灌水定額為375 m3·hm-2，以促進(jìn)紫花苜蓿植株生長(zhǎng)。紫花苜?，F(xiàn)蕾期生長(zhǎng)受灌水周期和灌水定額影響非常顯著，所以采用高頻率大水量的灌溉方式，即灌水周期6 d，灌水定額450 m3·hm-2。開花期采用中頻率大水量的灌溉方式，主要是因?yàn)楦哳l率灌水紫花苜蓿干濕比較低，不利于干物質(zhì)的形成。紫花苜蓿第一茬灌水約8次，總灌水量約為3 075 m3·hm-2左右。第二茬紫花苜蓿返青期和分枝期選擇灌水周期6 d，灌水定額為300 m3·hm-2的組合有利于植株的生長(zhǎng)；現(xiàn)蕾期選擇灌水周期6 d，灌水定額375 m3·hm-2的灌水組合既有利于植株生長(zhǎng)又利于紫花苜蓿生物量積累；初花期可以延長(zhǎng)灌水周期，以提高刈割時(shí)紫花苜蓿干濕比，因此選擇灌水周期為9 d，灌水定額450 m3·hm-2的灌水組合。紫花苜蓿第二茬灌水約10次，總灌水量為3375 m3·hm-2。

3 討論與結(jié)論

寒旱荒漠地區(qū)，氣候干冷，溫度回升緩慢，全年無霜期較短，試驗(yàn)區(qū)紫花苜蓿刈割兩茬。由于整個(gè)生育期氣象不同，紫花苜蓿第一茬和第二茬最佳灌水周期和灌水量組合不完全相同，紫花苜蓿第一茬灌水量約為3 075 m3·hm-2。第二茬灌水量約為3 375 m3·hm-2。全年總灌水量約為6 450 m3·hm-2，這與郭學(xué)良等[21]研究成果基本一致。

2014-2015年試驗(yàn)設(shè)計(jì)的灌溉周期分別為5 d，10 d，15 d，灌水定額分別為225 m3·hm-2，300 m3·hm-2， 375 m3·hm-2，結(jié)果為灌水周期為5 d的處理產(chǎn)量高于灌水周期10 d和15 d的試驗(yàn)處理。而灌水周期為10 d時(shí)，雖然灌水量越大，產(chǎn)量越高，但灌水定額為375 m3·hm-2的試驗(yàn)處理，產(chǎn)量也只有灌水周期為5 d和灌水定額225 m3·hm-2試驗(yàn)處理的68.7%，因此可以確定試驗(yàn)區(qū)灌水周期應(yīng)該介于5 ～10 d。通過2016年紫花苜蓿的灌溉試驗(yàn)，紫花苜蓿經(jīng)過優(yōu)化的灌水頻次為：第一茬灌水約8次，第二茬灌水約10次，灌水周期介于6 ～9 d，灌水定額在300～450 m3·hm-2。本文提出的灌水定額和灌水頻次均較高，主要是由于試驗(yàn)區(qū)苜蓿種植時(shí)播種量較大，且每年返青率較高，紫花苜蓿耗水量較大，最終產(chǎn)量也較高。苜蓿雖然是多年生深根系作物，但是當(dāng)存在較為嚴(yán)重的土壤障礙因子時(shí)，紫花苜蓿根系入土深度常可淺至不足1 m，一般不超過2 m[22]，而且紫花苜蓿根系生物量在0～30 cm土層的分布比例在60%～90%之間[23-24]，在0～30 cm土層土壤水分變化也是最活躍的區(qū)域[21]。所以小水量高頻次的滴灌既可以減少土壤深層滲漏又避免地面積水過多，更加有利于根系對(duì)水分的吸收，提高水分的有效利用率。郭學(xué)良等[21]和李茂娜等[25]亦提出適當(dāng)?shù)脑黾庸嗨l次，可以節(jié)水增產(chǎn)。

通過對(duì)株高和莖粗變化速率以及各生育階段干物質(zhì)積累量進(jìn)行方差分析，灌水周期和灌水量對(duì)不同生育階段的紫花苜蓿株高、莖粗和干物質(zhì)積累量影響程度各不相同。說明紫花苜蓿適宜的灌水方式可以通過合理安排灌水周期和灌水定額，即增大灌水周期、提高灌水定額，或者縮短灌水周期、減小灌水定額，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果。

高頻率灌水促進(jìn)紫花苜蓿生長(zhǎng)，有利于鮮物質(zhì)的積累，但生長(zhǎng)后期紫花苜蓿植株水分含量較高，干濕比較低，不利于紫花苜蓿干物質(zhì)的最終形成。因此干旱缺水地區(qū)，紫花苜蓿在生育后期可通過在淺埋式滴灌方式下延長(zhǎng)灌水周期，增加灌水定額，以提高紫花苜蓿產(chǎn)量。