寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)紫花苜蓿地下滴灌水肥耦合試驗(yàn)研究

周 乾，徐利崗，杜建民，劉燕茹

(1.寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院，銀川 750002；3.寧夏回族自治區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)辦公室，銀川 750002)

水資源短缺與節(jié)水將是我國(guó)不得不面對(duì)的永恒的主題。它不僅關(guān)系到國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全,而且關(guān)乎國(guó)家安全。農(nóng)業(yè)節(jié)水將是緩解我國(guó)水資源供需矛盾的主要途徑[1]。水肥一體化技術(shù)是通過(guò)利用管道灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水中，同時(shí)進(jìn)行灌溉與施肥，適時(shí)、適量地滿足農(nóng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分需求，實(shí)現(xiàn)水肥同步管理和水肥高效利用的農(nóng)業(yè)技術(shù)[2]。近年大面積示范表明，與傳統(tǒng)方式相比，水肥一體化技術(shù)可減少肥料揮發(fā)、固定以及淋洗的損失，肥料利用率可提高30%～50%，水分利用率可提高40%～60%[3]。因此摸清水肥一體化條件下苜蓿滴灌灌溉制度、水肥協(xié)同效應(yīng)等問(wèn)題對(duì)提高苜蓿地下滴灌水肥協(xié)同效率及產(chǎn)量顯得尤為重要。寧夏地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，氣候干旱少雨，水資源極為匱乏，針對(duì)寧夏農(nóng)業(yè)用水日趨緊張的現(xiàn)狀，為了使水資源得到高效利用，大力推廣滴灌技術(shù)是很有必要的[4]。在寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)，滴灌是最為重要的高效節(jié)水灌溉方式之一，地下滴灌灌溉方式比地面滴灌更加節(jié)水，得出科學(xué)合理的苜蓿地下滴灌灌溉制度是推廣苜蓿地下滴灌灌溉技術(shù)的關(guān)鍵。

本文針對(duì)寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)水資源短缺及優(yōu)化配置不合理的問(wèn)題，采用地下滴灌灌溉技術(shù)，通過(guò)田間試驗(yàn)，研究了水肥一體化下苜蓿地下滴灌灌溉與施肥交互作用機(jī)理，探明了水肥協(xié)同效應(yīng)與紫花苜蓿生長(zhǎng)之間的關(guān)系，提出了適宜寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)苜蓿地下滴灌水肥耦合灌溉制度，對(duì)提高紫花苜蓿產(chǎn)量，促進(jìn)寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)草畜產(chǎn)業(yè)發(fā)展，緩解寧夏水資源短缺，提高有限水資源利用效率和效益具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣青山鄉(xiāng)旺四灘村。鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)中南部，隸屬吳忠市管轄，地處陜、甘、寧、蒙四省(區(qū))交界地帶，在北緯37°04′～38°10′，東經(jīng)106°30′～107°47′之間；屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年日照時(shí)數(shù)為2 867.9 h；年平均氣溫8.5 ℃，≥10 ℃積溫2 944.9 ℃，無(wú)霜期128 d；降雨量290 mm左右，且年際變化大，多集中在7-9月，年蒸發(fā)量2 179.8 mm。

試驗(yàn)區(qū)土壤類型屬砂壤土，具體土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用灌水量和施肥量?jī)梢蛩囟嗨诫S機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共12組處理，供試苜蓿品種為甘農(nóng)3號(hào)，灌溉方式為地下滴灌，滴灌帶埋設(shè)深度為20 cm，滴灌帶鋪設(shè)間距60 cm，滴頭流量2 L/h，滴頭間距30 cm。目標(biāo)產(chǎn)量15 000 kg/hm2，所有試驗(yàn)處理均灌水12次、施肥4次，具體見(jiàn)表2和表3。試驗(yàn)采用地下滴灌進(jìn)行追肥，水溶性單質(zhì)肥分別為：氮肥采用尿素、磷肥采用磷酸一銨、鉀肥采用硫酸鉀。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)

表2 基于水肥協(xié)同效應(yīng)地下滴灌苜蓿水肥一體化技術(shù)研究試驗(yàn)處理表

表3 基于水肥協(xié)同效應(yīng)地下滴灌苜蓿水肥一體化技術(shù)研究試驗(yàn)方案表

續(xù)表3 基于水肥協(xié)同效應(yīng)地下滴灌苜蓿水肥一體化技術(shù)研究試驗(yàn)方案表

1.3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

(1)氣象參數(shù)：小型自動(dòng)氣象站，全年逐日溫度、降雨量、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速，數(shù)據(jù)步長(zhǎng)為60 min。

(2)生育期：記錄各生育階段時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

(3)土壤含水量：采用PR2土壤剖面水分監(jiān)測(cè)儀。生育期內(nèi)每10 d測(cè)定1次，灌水及有效降水(5 mm以上)后加測(cè)。監(jiān)測(cè)0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm土層土壤含水量。

(4)生態(tài)指標(biāo)：用鋼卷尺每隔10 d測(cè)定1次株高，苜蓿每茬次收割時(shí)測(cè)量1次，每個(gè)處理選定10株樣株進(jìn)行測(cè)量，取平均值。

(5)產(chǎn)量指標(biāo)：鮮草重、干草重、干鮮比，每茬次分別測(cè)產(chǎn)。苜蓿開(kāi)花達(dá)到5%左右時(shí)測(cè)定，每茬收割面積1 m2，收割后稱鮮草重,后105 ℃殺青1 h，后置于75 ℃恒溫下烘48 h，冷卻后稱干草重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥組合對(duì)地下滴灌苜蓿株高的影響

2018年4月18日進(jìn)行第一次株高測(cè)量，第一茬測(cè)量6次，第二茬測(cè)量4次，第三茬測(cè)量4次，每個(gè)處理選定長(zhǎng)勢(shì)具有代表性的十株植株作為固定測(cè)量對(duì)象，剔除最大值、最小值求得平均值。根據(jù)不同生育期地下滴灌苜蓿的株高繪制圖1、圖2和圖3。

從圖1至圖3可以看出，地下滴灌苜蓿每茬次株高均表現(xiàn)為D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12。

圖1 不同處理對(duì)地下滴灌第一茬苜蓿株高的影響

圖2 不同處理對(duì)地下滴灌第二茬苜蓿株高的影響

圖3 不同處理對(duì)地下滴灌第三茬苜蓿株高的影響

2.2 不同水肥組合對(duì)地下滴灌苜蓿耗水量和耗水強(qiáng)度的影響

本次試驗(yàn)在田間條件下采用水量平衡法對(duì)苜蓿耗水量和耗水過(guò)程進(jìn)行分析。因?yàn)檐俎Ｐ杷纳趦?nèi)變化，主要是其自身的生理特性與當(dāng)?shù)貧庀髼l件及土壤條件影響的結(jié)果，因而這種計(jì)算能夠基本反映該區(qū)苜蓿耗水的實(shí)際變化趨勢(shì)，且切合生產(chǎn)實(shí)際，從而便于調(diào)整灌水定額和灌溉制度。根據(jù)水分收支情況，試驗(yàn)區(qū)水量平衡可用下式：

ED=(W0-WE)+M+P+K-D-R

(1)

式中：ED為耗水量，mm；W0、WE分別為生育期某階段初、末100 cm土層的土壤含水量，mm；M為某階段內(nèi)的灌水量，mm；P為某階段內(nèi)的降雨量，mm；K為某階段內(nèi)地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層滲漏量，mm；R為徑流量，mm。

由于試驗(yàn)區(qū)地下水位埋藏較深，可不計(jì)地下水補(bǔ)給，生育期內(nèi)降雨量較少，且強(qiáng)度低，降水就地入滲，地表徑流量可以忽略，在不考慮深層滲漏量的情況下，水量平衡方程可簡(jiǎn)化為：

ED=(W0-WE)+M+P

(2)

采用上式計(jì)算生育期內(nèi)各階段各處理實(shí)際耗水量及耗水強(qiáng)度，土壤含水量變化考慮100 cm深土層的含水量變化。計(jì)算2018年苜蓿各茬次耗水量及耗水強(qiáng)度，見(jiàn)表4。

表4 2018年苜蓿各茬次耗水量及耗水強(qiáng)度計(jì)算表

繪制2018年不同處理苜蓿全生育期耗水量圖，見(jiàn)圖4。各處理苜蓿全生育期耗水量大小依次為：D6>D5>D4>D7>D11>D9>D12>D10>D8>D3>D2>D1。各處理苜蓿在現(xiàn)蕾期和分枝期耗水量顯著大于其他生育階段耗水量，說(shuō)明該時(shí)段是苜蓿需水關(guān)鍵期。2018年各品種苜蓿第二茬平均耗水強(qiáng)度>第三茬平均耗水強(qiáng)度>第一茬平均耗水強(qiáng)度。

圖4 2018年不同處理苜蓿全生育期耗水量圖

2.3 不同水肥組合對(duì)地下滴灌苜蓿產(chǎn)量和水分利用效率的影響

根據(jù)不同處理苜蓿產(chǎn)量，計(jì)算出作物水分利用效率，分別繪制圖5和圖6。由圖5可知，不同處理苜蓿干草重表現(xiàn)為：D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12，產(chǎn)量最高的處理是處理D11(灌溉定額為3 150 m3/hm2，施肥量為N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2)，苜蓿產(chǎn)量達(dá)到16 590 kg/hm2，其次是處理D10、D6和D5，分別為16 350、16 200和16 005 kg/hm2；由圖6可知，不同處理苜蓿水分利用效率表現(xiàn)為：D3>D10>D11>D1>D9>D4>D2>D5>D8>D6>D7>D12，其中處理D3、D10、D11苜蓿水分利用效率分別為2.03、2.02、2.01 kg/m3，沒(méi)有顯著差異。處理D12苜蓿水分利用效率最低僅為1.51 kg/m3。

圖5 2018年不同處理苜蓿干草重

圖6 2018年不同處理苜蓿水分利用效率

綜上分析，各水肥處理下苜蓿水分利用效率和產(chǎn)量都較高的是處理D11(灌溉定額為3 150 m3/hm2，施肥量為N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2)，苜蓿水分利用效率達(dá)到2.01 kg/m3，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量為16 590 kg/hm2。最適宜的苜蓿地下滴灌水肥灌溉制度為，灌溉定額3 150 m3/hm2，施肥量N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2，具體水肥方案為D11處理。

3 結(jié) 論

(1)地下滴灌苜蓿每茬次株高均表現(xiàn)為D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12；各處理苜蓿全生育期耗水量大小依次為：D6>D5>D4>D7>D11>D9>D12>D10>D8>D3>D2>D1。各處理苜蓿在現(xiàn)蕾期和分枝期耗水量顯著大于其他生育階段耗水量。2018年各品種苜蓿第二茬平均耗水強(qiáng)度>第三茬平均耗水強(qiáng)度>第一茬平均耗水強(qiáng)度。

(2)不同處理苜蓿干草重表現(xiàn)為：D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12，產(chǎn)量最高的處理是處理D11，苜蓿產(chǎn)量達(dá)到1 107 kg/hm2；不同處理苜蓿水分利用效率表現(xiàn)為：D3>D10>D11>D1>D9>D4>D2>D5>D8>D6>D7>D12，其中處理D3、D10、D11苜蓿水分利用效率沒(méi)有顯著差異。

(3)綜合分析紫花苜蓿生長(zhǎng)、水分、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率等指標(biāo)，得出了寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)苜蓿地下滴灌水肥耦合灌溉制度為，灌溉定額3 150 m3/hm2，施肥量N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2，具體水肥耦合灌溉制度見(jiàn)表5。

表5 寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)苜蓿地下滴灌水肥耦合灌溉制度表