枸杞間作模式下水分調(diào)虧對紅豆草產(chǎn)量及水分利用影響

蔡玲惠，齊廣平，康燕霞，王金恒，李曉敏，趙 敏，賴桑迪，余曉雄

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗(yàn)站，甘肅 景泰 730400)

甘肅引黃灌區(qū)地域遼闊，占全省耕地面積的10%，是甘肅省重要的農(nóng)業(yè)商品生產(chǎn)基地[1]。該地區(qū)氣候干旱，土壤蒸發(fā)劇烈，農(nóng)業(yè)灌溉以大水漫灌為主，由此導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率低及土地鹽漬化等問題，嚴(yán)重阻礙了該地區(qū)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的推廣與發(fā)展[2]。枸杞作為一種耐鹽堿、抗干旱且經(jīng)濟(jì)效益高的作物[3]，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民開發(fā)鹽漬化土地的首選，隨著市場對枸杞需求不斷增大以及當(dāng)?shù)亻_發(fā)鹽漬化土地的程度不斷提高，枸杞的種植面積逐年擴(kuò)大，該地已發(fā)展成為全國枸杞第二大產(chǎn)區(qū)[4]。單一的枸杞種植，植被覆蓋率低，棵間裸露面大，更易造成土壤水分無效蒸發(fā)，加之當(dāng)?shù)剞r(nóng)民粗放的田間管理，導(dǎo)致次生鹽漬化程度加劇。此前許多學(xué)者的研究已證實(shí)了間作的優(yōu)勢，王雪蓉[5]試驗(yàn)表明玉米間作大豆可提高玉米干物質(zhì)量，系統(tǒng)干物質(zhì)量顯著高于單作。柏文戀[6]表示小麥間作蠶豆不僅有效降低了小麥種內(nèi)競爭，同時(shí)又提高了小麥最大生長速率。與此同時(shí)，李會(huì)科等[7]研究表明，果園生草可改良土壤實(shí)際肥力，相比于間作禾本科牧草，在蘋果園間作豆科牧草提供水水解氮能力更加明顯。因此為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益和生態(tài)保護(hù)的共贏，進(jìn)行果草間作的立體化種植模式顯得尤為必要。其中紅豆草作為多年生豆科牧草，不僅具有耐干旱，耐貧瘠，耐頻繁刈割、草質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，同時(shí)可以提高土壤肥力，改善土壤環(huán)境[8]，已成為枸杞間作牧草的不二選擇。

水分是間作系統(tǒng)作物結(jié)構(gòu)分布和中間競爭的重要因子之一[9]，如何在有限的水資源下，獲得更高效的生產(chǎn)效益，一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)內(nèi)容[10]。無計(jì)劃的大水漫灌，造成了一系列生態(tài)問題和嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)[11]，而調(diào)虧灌溉是外界主動(dòng)改變水分條件，對作物生理過程進(jìn)行干預(yù)，導(dǎo)致光合積累產(chǎn)物分配給不同的器官和組織，各器官養(yǎng)分積累配比發(fā)生變化，使得作物適應(yīng)新的環(huán)境，從而提高抗旱能力，即有效提高了水分利用效率[12]。目前，許多國內(nèi)外學(xué)者對于紅豆草做了大量研究[13- 15]，但對枸杞間作條件下紅豆草的產(chǎn)量、品質(zhì)及耗水規(guī)律研究較少，尤其在甘肅引黃灌區(qū)枸杞園間作條件下研究報(bào)道更為鮮有?；诖?，因此本研究以4年生枸杞、2年生紅豆草為研究對象，研究枸杞間作條件下，水分調(diào)虧對紅豆草不同茬次產(chǎn)量、品質(zhì)及耗水規(guī)律的影響，已期為甘肅引黃灌區(qū)高效節(jié)水、枸杞間作牧草綜合提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

圖1 小區(qū)布置示意圖

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于2019年在甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗(yàn)站(37°23′N、104°08′E)進(jìn)行。該試驗(yàn)區(qū)屬溫帶干旱型大陸氣候，年日照時(shí)數(shù)2652 h、平均輻射量6.18×105J/cm2、平均氣溫8.5℃，無霜期191 d，多年平均降水量185mm、蒸發(fā)量3028mm。土壤類型為壤土，土壤干密度1.61 g/cm3，田間最大持水量為24.1%。試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為：土壤有機(jī)質(zhì)6.32 g/kg、全氮1.62 g/kg、速效氮74.51mg/kg，pH值8.11。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因子隨機(jī)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)水分梯度：充分灌溉CK((75%～85%)θf)、輕度虧缺T1((65%～75%)θf)、中度虧缺T2((55%～65%)θf)、重度虧缺T3((45%～55%)θf)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。各小區(qū)面積為6m×7.5m，小區(qū)間作種植模式為枸杞間作紅豆草，枸杞株行距配置為1.5m×3.0m；紅豆草距枸杞樹30cm條播，行間距為30cm(如圖1所示)，種植密度為45 kg/hm2，土壤計(jì)劃濕潤層深度為60cm。

供試枸杞品種為寧杞一號，于2017年4月12日移栽兩年生枸杞苗木，紅豆草于同年4月20日種植。灌水方式為小畦灌溉，灌水量用水表嚴(yán)格控制，各小區(qū)之間間隔1m，邊緣設(shè)2m深塑料膜以防水分互滲。4組水分虧缺處理(CK、T1、T2、T3)除灌水程度不同外，其他田間管理措施均與當(dāng)?shù)罔坭椒N植一致。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1氣象數(shù)據(jù)

氣象資料來源于安置在田間的Davis小型氣象站。氣象數(shù)據(jù)主要包括：溫度、降雨量、太陽輻射等。試驗(yàn)全生育期降雨量如圖2所示。

圖2 紅豆草全生育期氣溫與降水量分布

1.3.2牧草產(chǎn)量

為保證牧草產(chǎn)量和品質(zhì)，均在初花期進(jìn)行刈割，分別于2019年6月9日、7月17日、9月2日收獲三茬。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3個(gè)代表性1m×1m樣方，留茬高度為5cm。

1.3.3牧草品質(zhì)

粗蛋白含量(CP，%)：利用凱氏定氮儀測定粗蛋白含量。

粗蛋白產(chǎn)量(CPY，kg/m2):

CPY=CP×Y

(1)

式中，Y—紅豆草干草產(chǎn)量，kg/m2。

1.3.4土壤含水率

土壤含水率采用TDR測定，測量深度為0～60cm，每20cm為一層，利用烘干稱量法校核，灌水前后進(jìn)行加測。

1.3.5耗水量

采用水量平衡法計(jì)算作物耗水量，耗水量：

(2)

式中，i—土層編號；n—總土層數(shù)；γi—第i層土壤干密度，g/cm3;Hi—第i層土壤厚度；θi1、θi2—第i層土壤時(shí)段初和時(shí)段末的含水率，%，以占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計(jì)；I—時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；P0—有效降水量，mm；K—時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量。試驗(yàn)地地下水埋深大于2.5m，K值忽略不計(jì)。

1.3.6水分利用效率

水分利用效率(WUE)：

WUE=Y/ET

(3)

灌溉水利用效率(IUE)：

IUE=Y/I

(4)

降水利用效率(PUE):

PUE=Y/P0

(5)

粗蛋白水分利用效率(CPYE)：

CPYE=CPY/ET

(6)

式中，ET—總耗水量，mm；I—灌水量，mm；P0—有效降雨量，mm；

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPASS 17.0進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作條件下水分調(diào)虧對紅豆草產(chǎn)量的影響

如表1所示，紅豆草干草產(chǎn)量隨著水分虧缺程度的加重逐漸減小，全年干草產(chǎn)量表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3，CK產(chǎn)量達(dá)到18828.71 kg/hm2，與T1之間差異不顯著，而T1與T2、T3存在顯著差異(P<0.05)，T1較T2、T3產(chǎn)量分別增加27.53%、50.29%，T3產(chǎn)量最低，僅為18745.99 kg/hm2。從各茬次來看，產(chǎn)量隨刈割次數(shù)增加而減小，第一、二、三茬紅豆草平均產(chǎn)量分別占平均全年總產(chǎn)量43.88%、37.68%、18.44%，第三茬較第一茬對應(yīng)各處理分別降低61.51%、54.67%、55.52%、60.06%。第二茬T1處理產(chǎn)量最大，為7259.93 kg/hm2，且顯著高于其他各處理(P<0.05)。

2.2 間作條件下水分調(diào)虧對紅豆草品質(zhì)的影響

從表2可以看出，紅豆草粗蛋白含量隨水分虧缺程度的加重，呈遞增趨勢，T3平均總粗蛋白含量較CK提高7.69%。紅豆草粗蛋白含量隨茬次增加逐漸提高，各處理第一、二、三茬平均粗蛋白含量分別為13.66%、14.63%、16.68%。第一、三茬粗蛋白含量以T3最高，分別為14.65%、17.74%。第二茬紅豆草粗蛋白含量，T2達(dá)到最大值，為15.95%，與T1差異不顯著。粗蛋白產(chǎn)量大小取決于粗蛋白含量和干草產(chǎn)量的數(shù)值。從粗蛋白產(chǎn)量來看，三茬粗蛋白產(chǎn)量與對應(yīng)茬次的干草產(chǎn)量變化趨勢一致。第一茬紅豆草CK處理粗蛋白產(chǎn)量最大，為1128.52 kg/hm2，但與T1處理差異不顯著。第二茬與第三茬T1處理的紅豆草粗蛋白產(chǎn)量分別為1118.03 kg/hm2和584.65 kg/hm2，且都顯著高于其它各處理(P<0.05)。全年總粗蛋白產(chǎn)量表現(xiàn)為T1>CK>T2>T3，T1較CK、T2、T3分別提高6.45%、23.71%、50.41%。

表1 各處理不同茬次紅豆草產(chǎn)量 單位：kg/hm2

2.3 間作條件下水分調(diào)虧對紅豆草水分利用效率影響

由表3可知，隨著水分虧缺加劇，灌水量逐漸減小。耗水量受水分虧缺程度影響明顯，水分虧缺程度越大，耗水量越小，反之，水分虧缺程度越小，耗水量越大。在不同虧水程度下，各個(gè)處理全年總耗水量之間存在顯著差異(P<0.05)。干物質(zhì)水分利用效率，隨著虧水程度加劇呈先增大后減小趨勢，T1全年總干物質(zhì)水分利用效率為27.73kg/(mm·hm2)，較CK、T2、T3分別提高6.12%、11.72%、16.46%。各茬次干物質(zhì)水分利用效率都以T1最高，第一、二、三茬分別為38.96、32.76、14.25 kg/(mm·hm2)；T1全年粗蛋白水分利用效率最大，為4.07 kg/(mm·hm2)，且顯著高于其他各處理(P<0.05)。第一茬CK粗蛋白水分利用效率最低，較T1、T2、T3分別降低3.66%、1.19%、5.66%。第二、第三茬T1粗蛋白水分利用效率都以T1最大，分別為5.05、2.33 kg/(mm·hm2)；灌溉水利用效率隨水分虧缺的加劇而增大。不同水分處理下，CK灌溉量最大，灌溉水利用效率卻最小。降水利用效率與干草產(chǎn)量變化趨勢一致，CK全年降水利用效率最大，為58.74 kg/(mm·hm2)，但與T1差異不顯著(P<0.05)。

表2 各處理不同茬次紅豆草粗蛋白產(chǎn)量

表3 各處理不同茬次紅豆草水分利用效率

3 討論

作物通過水分輸送滿足自身生長發(fā)育要求，當(dāng)土壤環(huán)境發(fā)生威脅時(shí)，作物必須進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，適應(yīng)環(huán)境變化，從而使得干物質(zhì)積累發(fā)生變化[16]。董國鋒等[17]研究結(jié)果表明，充分灌溉((65%～70%)θf)與輕度水分虧缺((60%～65%)θf)苜蓿干草產(chǎn)量無顯著差異，但顯著高于中度((50%～60%)θf)和重度水分虧缺((45%～50%)θf)。寇丹[18]研究了甘肅武威調(diào)虧灌溉對紫花苜蓿產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明當(dāng)土壤含水率大于60%θf時(shí)，干草產(chǎn)量無顯著降低，當(dāng)土壤含水率小于60%θf時(shí)，干草產(chǎn)量出現(xiàn)顯著降低。本試驗(yàn)結(jié)果為隨著虧水程度加劇，間作條件下紅豆草全年產(chǎn)量表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3，但CK與T1差異不顯著，T1顯著高于T2和T3，與上述兩結(jié)論相似。這是由于過低的土壤水分嚴(yán)重阻礙了紅豆草根系吸水，使得紅豆草光合作用受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致干物質(zhì)積累減少。隨著刈割次數(shù)增加，紅豆草產(chǎn)量逐漸減小，第三茬減產(chǎn)尤為顯著，這與紅豆草生長期和當(dāng)時(shí)生長所處的環(huán)境有關(guān)，三茬紅豆草的生育期分別為59、38、47d，第一茬紅豆草生長期最長，且光照充足，這些都有利于干物質(zhì)積累，因此第一茬紅豆草產(chǎn)量最高。第三茬紅豆草生長期在七月下旬到九月初，在關(guān)鍵生育期，晝夜溫差大，光照時(shí)間短，加之枸杞冠幅的增大，光照遮蔽面積也擴(kuò)大，嚴(yán)重抑制了光合作用的進(jìn)行，因而第三茬紅豆草產(chǎn)量驟減。土壤水分對于第一、二茬干重產(chǎn)量有顯著影響，對第三茬影響不顯著，這與李新樂等[19]研究結(jié)果一致。

除產(chǎn)量之外，品質(zhì)也是評價(jià)牧草優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一[20]。而粗蛋白是衡量牧草品質(zhì)最常用的指標(biāo)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水分虧缺程度的加劇，第一茬和第三茬粗蛋白含量逐漸增大，這一結(jié)果與文霞[21]、康文彥[22]等研究結(jié)果一致。這主要是因?yàn)榍o比葉對于水分虧缺更為敏感，隨著水分虧程度加劇，對于莖生長發(fā)育抑制作用愈發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致葉在生物量中的比重逐漸增大，而葉中所含有的粗蛋白遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于莖，所以粗蛋白含量隨水分虧缺程度的加劇而增大。粗蛋白產(chǎn)量則受粗蛋白含量和干物質(zhì)量影響，由于產(chǎn)量的變化，粗蛋白產(chǎn)量也隨之改變。

水分是作物生長發(fā)育必不可少的因素，也是運(yùn)輸養(yǎng)分的載體。水分利用效率的大小由產(chǎn)量和耗水量兩個(gè)因素決定。干旱脅迫一定程度上限制了作物的生長發(fā)育，因而耗水量降低，使得水分利用效率相對增加。因此人們常以犧牲產(chǎn)量為代價(jià)，去提高作物的水分利用效率[23]，但是過高的水分虧缺導(dǎo)致過低的產(chǎn)量對于現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不具有實(shí)際意義。各茬耗水量隨著刈割次數(shù)的增加逐漸增大。試驗(yàn)表明輕度水分虧缺可以有效提高水分利用效率，與張效星等[24]研究結(jié)果相似。而對于不同茬次的水分利用效率的高低，劉國利[25]、孫洪仁[26]等研究表明因?yàn)樽魑锷L的地域和環(huán)境的差異，還沒有嚴(yán)格的定論。盡管降低灌水量，可以一定程度上提高粗蛋白含量和水分利用效率，同時(shí)也會(huì)大幅降低產(chǎn)量。因此最優(yōu)效益并不是僅僅取決于產(chǎn)量，還要綜合灌水量、產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率等，將田間投入與產(chǎn)出綜合考慮得出的效益才最為經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

(1)枸杞間作模式下，紅豆草產(chǎn)量隨虧水程度的加劇逐漸減小，輕度水分虧缺條件下紅豆草產(chǎn)量與充分灌溉無顯著差異；同一水分處理下，產(chǎn)量隨刈割次數(shù)增加呈遞減趨勢，且第三茬減產(chǎn)情況明顯。

(2)紅豆草粗蛋白含量隨水分虧缺程度加劇呈遞增趨勢；粗蛋白產(chǎn)量在輕度水分虧缺條件下較充分灌溉提升6.06%；隨水分虧缺程度加劇，WUE呈先增大后減小趨勢，輕度水分虧缺條件下WUE最大。

(3)枸杞間作模式下，輕度水分虧缺((65%～75%)θf)可獲得較高的干草產(chǎn)量、粗蛋白產(chǎn)量和水分利用效率，可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)提質(zhì)的目的。

本研究可為引黃灌區(qū)枸杞間作模式下的高效節(jié)水制度提供一定借鑒。不足之處在于本試驗(yàn)只分析了水分調(diào)虧對紅豆草的影響，而對枸杞的影響需進(jìn)一步探明。