噴灌不同灌溉處理對紫花苜蓿耗水特征和土壤微生物學(xué)特性的影響

張雪梅，張正安，王 飛，2

(1.大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司，天津 300000；2.甘肅省節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

紫花苜蓿(Algonquin)是優(yōu)質(zhì)的多年生豆科牧草，由于其營養(yǎng)豐富和利用價值較高，被譽(yù)為“牧草之王”[1]。我國苜蓿種植面積約為3.77×106 hm2[2]，主要分布在西北、華北、東北各省區(qū)。西北屬干旱半干旱地區(qū)，是水資源供需矛盾最為突出、水資源短缺問題最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。水資源的嚴(yán)重匱乏不僅制約區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生活水平的提高，也給西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。國家于2015年出臺《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》，提出將水資源緊缺作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重點問題，在西北地區(qū)規(guī)?；七M(jìn)噴灌、滴灌、微灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)，以緩解西北地區(qū)水資源供需矛盾和解決灌溉水浪費等問題。

噴灌是利用專門的設(shè)備將有壓水送到灌溉地帶，噴射并散成細(xì)小的水滴，滋潤作物的一種灌溉方法[3]。噴灌保土保肥，灌水均勻，田間灌水有效利用率高，與地面灌溉相比，一般可節(jié)水30%～50%[4]，廣泛用于苜蓿灌溉。同時噴灌也能有效改善土壤質(zhì)量，谷鵬等研究發(fā)現(xiàn)噴灌較滴灌、溝灌等能夠顯著改善土壤通透性、提高土壤微生物豐度[5]。也有研究發(fā)現(xiàn)土壤水分過高時，土壤酶活性減弱，當(dāng)土壤含水率適中時土壤酶活性偏高[6]。還有研究發(fā)現(xiàn)水分脅迫能夠顯著提高玉米根際土壤有機(jī)碳含量[7]，但卻降低了核桃根際高活性有機(jī)碳含量[8]，此外，水分脅迫能夠增加稻基農(nóng)田土壤微生物量碳含量和土壤微生物熵[9]，但在小麥、紫花苜蓿的研究上得出了相反的結(jié)論[10]。因此，不同灌溉方式和灌水量、灌水時間等對土壤酶、土壤氮素等土壤學(xué)特性指標(biāo)的影響具有很強(qiáng)的不確定性，仍需進(jìn)一步研究。本實驗開展噴灌不同灌溉模式對紫花苜蓿耗水特征、土壤學(xué)指標(biāo)影響的研究，以期為我國西北旱區(qū)苜蓿耗水及土壤環(huán)境調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗示范區(qū)概況

豐樂河灌區(qū)位于酒泉市肅州區(qū)城東南處約70km處，平均海拔1610m，屬典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。區(qū)內(nèi)氣候干燥，光照充足，晝夜溫差大，太陽輻射強(qiáng)，年平均氣溫7.9℃，無霜期130d。

研究區(qū)60cm以上土層為中壤土，60cm以下主要為砂土層；耕作層土壤肥力情況見表1。

表1 灌區(qū)土壤肥力基本情況

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1試驗材料

試驗以紫花苜蓿(Algonquin)為主要試材。紫花苜蓿屬長日照植物，播種前需曬種2～3d，以打破休眠，提高發(fā)芽率和幼苗整齊度。播前種子進(jìn)行丸衣化處理，按種子500kg+包衣材料150kg+黏合劑1.5kg+水75kg+鉬酸銨1.5kg的配方進(jìn)行。采用條播，行距25cm，撒播時要先淺耕后撒種，再耙耱，播量為7kg/hm2。

1.2.2試驗設(shè)計

為了確定噴灌條件下中低產(chǎn)田苜蓿耗水特性及水分調(diào)控對苜蓿生長過程和產(chǎn)量的影響，以水分作為單因素進(jìn)行調(diào)控。2018年5月—9月1日，采取大田試驗。試驗采用裂區(qū)方式設(shè)計，灌水設(shè)4個不同梯度，依次為T1(灌水定額：450 m3/hm2，灌溉定額：3600m3/hm2，灌水次數(shù)：8次)、T2(灌水定額：450m3/hm2，灌溉定額：3600m3/hm2，灌水次數(shù)：8次)、T3(灌水定額：525m3/hm2，灌溉定額：3675m3/hm2，灌水次數(shù)：7次)、CK(灌水定額：600m3/hm2，灌溉定額：4800m3/hm2，灌水次數(shù)：8次)，共計4個處理，每個處理3次重復(fù)，共計12個試驗小區(qū)，灌水時間及試驗設(shè)計見表2。

表2 中低產(chǎn)田苜蓿噴灌水分調(diào)控試驗設(shè)計

播種前，在試驗田中撒施磷酸二銨441kg/hm2、尿素150kg/hm2、硫酸鉀126kg/hm2作底肥，在生長期共施尿素兩次各處理分枝期(7月15日)沖施141.3kg/hm2，現(xiàn)蕾期(7月25日)沖施65.3kg/hm2；各處理的鋤草、噴施農(nóng)藥等措施均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。試驗小區(qū)布置如圖1所示。

圖1 苜蓿噴灌試驗小區(qū)布置圖

1.2.3試驗的材料與方法

試驗灌水設(shè)備采用指針式噴灌機(jī)灌溉：機(jī)組共有1跨，單跨長54.8m，懸臂長25.08m，噴灑半徑80m。噴灌機(jī)安裝低壓噴頭，選配0.14MPa壓力調(diào)節(jié)器，懸臂末端不安裝尾槍。

相關(guān)儀器還包括便攜式土壤水分測定儀、土鉆(2.0m)、皮尺、電子天平(0.01g)、烘箱(105℃)、環(huán)刀、水表、游標(biāo)卡尺、鋼卷尺、光譜儀、試管、移液槍、藥劑等。

1.3 測定指標(biāo)與測定方法

1.3.1氣象資料的觀測

逐日溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等氣象資料從當(dāng)?shù)貧庀笳精@取。

1.3.2田間持水量測定

采用室內(nèi)環(huán)刀法進(jìn)行測定。

1.3.3土壤水分的測定

土壤含水率用烘干法測定，苜蓿生育期開始每隔7d測定1次，雨前和雨后加測，灌水前后加測。每個試驗小區(qū)在其前中后5點選取5株苜蓿周圍取土，每株苜蓿周圍選取3點，取離根橫向距離20～30cm、土層深度分別為10、20、40、60、80、100cm處取樣，相同土層深度5點取其平均值作為該苜蓿根際土壤含水率，5株苜蓿根際土壤含水率取其平均值作為該小區(qū)土壤含水率。采用(型號：DHG-9036A)烘箱，105℃下烘8h。

1.3.4土壤生物學(xué)特性指標(biāo)測定

土壤蔗糖酶活性采用3，5二硝基水楊酸比色法測定，以24h后5g干土生成葡萄糖的mg數(shù)表示[11]。

土壤淀粉酶活性采用3，5二硝基水楊酸比色法測定，以24h后5g干土生成葡萄糖的mg數(shù)表示[12]。

有機(jī)碳(TOC)：0.5mol/L HCl去碳酸鹽后利用碳氮聯(lián)合分析儀測定(Multi C/N 2100s，Jena，Germany)。

微生物量碳氮(MBC)：0.5mol/L K2SO4浸提后利用碳氮聯(lián)合分析儀測定(Multi C/N 2100s，Jena，Germany)。

土壤微生物熵(qMB)=MBC/TOC

(1)

式中，qMB—土壤微生物熵；MBC—微生物量碳氮，g·kg-1；TOC—土壤有機(jī)碳，g·kg-1。

1.3.5土壤肥力測定

采用網(wǎng)格布點法，在苜蓿播種及收獲各測定耕作層20cm土樣，分別利用N-凱氏定氮法、磷-鉬銻抗比色法、鉀-火焰光度法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用隸屬綜合分析法對所測指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，取其隸屬函數(shù)均值對各水分優(yōu)化處理進(jìn)行總和排序，平均隸屬函數(shù)值最大表明該處理最優(yōu)，隸屬函數(shù)值計算公式[13]如下：

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，U(Xi)—第i個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xi—第i個指標(biāo)的抗旱系數(shù)；Xmax和Xmin—第i個指標(biāo)抗旱系數(shù)的最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同噴灌處理下苜蓿耗水特性

不同灌水處理下噴灌苜蓿耗水特性見表3，中低產(chǎn)田苜蓿噴灌條件下，耗水量、耗水強(qiáng)度與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，隨著生育期的進(jìn)行呈由高到低的變化規(guī)律，且峰值均出現(xiàn)在分枝—現(xiàn)蕾期；隨著生育期的進(jìn)行，T2處理耗水強(qiáng)度明顯低于T1，全生育期耗水量較T1處理降低8.4%，說明灌水延長灌水周期能夠有效的減少作物的耗水。T1、T2、T3處理較對照CK處理，全生育期耗水量依次降低50.7%、54.9%、35.8%。研究發(fā)現(xiàn)生育期內(nèi)耗水膜系數(shù)與耗水量、耗水強(qiáng)度的變化規(guī)律一致，灌溉周期的延長能夠有效的減少作物的耗水。與CK處理的對比發(fā)現(xiàn)，T1耗水膜系數(shù)的變化規(guī)律與CK基本一致，這說明作物生育期內(nèi)影響耗水膜系數(shù)的主要因素是灌溉周期。

表3 不同灌水處理下噴灌苜蓿耗水特性

2.2 不同噴灌處理下苜蓿根際土壤酶活性變化

不同噴灌處理對苜蓿根系土壤酶活性的影響如圖2所示，土壤蔗糖酶和淀粉酶均呈現(xiàn)先增大后減小變化趨勢。6月1日(灌水前期)，各處理間土壤蔗糖酶活性和淀粉酶活性無顯著(P<0.05)差異；隨著時間推移，7月1日，T2處理的土壤蔗糖酶活性顯著高于其余處理，較CK處理高20.5%，T3處理的土壤蔗糖酶活性也顯著(P<0.05)高于CK處理(高12.3%，)，T1與CK處理、T1與T3出處理間無顯著(P<00.05)差異。此時段T2處理的淀粉酶活性也顯著(P<0.05)高于其他處理，較CK處理高12%；8月1日，T1、T2、T3處理的土壤蔗糖酶活性顯著(P<0.05)高于CK處理，依次高25.2%、29.1%、13.4%，T2、T3處理的土壤淀粉酶活性顯著(P<0.05)高于T1、CK處理，T2、T3處間，T1、CK處理間不存在顯著性(P<0.05)差異。

圖2 不同噴灌處理對苜蓿根際土壤酶活性的影響

2.3 不同噴灌處理下苜蓿根系土壤有機(jī)碳(TOC)、微生物量碳(MBC)和微生物熵(qMB)變化

不同噴灌處理對苜蓿根系土壤有機(jī)碳(TOC)、微生物量碳(MBC)的影響如圖3所示?？傮w來看，灌水全過程內(nèi)，土壤有機(jī)碳總體趨勢無明顯變化，土壤微生物量碳呈先增大后平穩(wěn)變化趨勢。6月1日，各處理間土壤有機(jī)碳和土壤微生物量碳均無顯著(P<0.05)差異；7月1日，各處理間土壤有機(jī)碳不存在顯著(P<0.05)差異，T1、T2處理的土壤微生物量碳顯著(P<0.05)高于CK、T3處理，CK與T3處理間無顯著(P<0.05)差異；8月1日各處理間土壤有機(jī)碳不存在顯著(P<0.05)差異，T2處理的土壤微生物量碳顯著(P<0.05)高于其余處理。

圖3 不同噴灌處理對苜蓿根際土壤TOC、MBC、qMB的影響

土壤微生物熵(qMB)作為表征土壤碳動態(tài)和土壤質(zhì)量的有效研究指標(biāo)，從微生物的角度出發(fā)揭示了土壤肥力情況。如圖3所示，灌水全過程內(nèi)，qMB呈先增大后減小的變化趨勢。6月1日，各處理間qMB不存在顯著(P<0.05)性差異；7月1日，CK、T1、T2處理的qMB顯著(P<0.05)高于T3處理，CK、T1、T2處理間無顯著(P<0.05)性差異；8月1日，T1、T2、T3處理的qMB顯著(P<0.05)高于CK處理，依次較CK高13.5%、17.0%、13.7%，其余各處理間無顯著(P<0.05)差異。

2.4 土壤生物學(xué)特性隸屬函數(shù)分析

土壤生物學(xué)特性指標(biāo)隸屬函數(shù)綜合分析見表4，7月1日和8月1日各處理土壤生物學(xué)特性指標(biāo)及產(chǎn)量隸屬度綜合排名分別為T2>T1>T3>CK、T2>T3>T1>CK，由此可知不同噴灌處理一定程度上均能提高土壤綜合性能，且T2處理最佳。

表4 土壤生物學(xué)特性隸屬函數(shù)綜合分析

3 討論

試驗研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿耗水量耗水強(qiáng)度與灌溉定額、灌溉時間有明顯關(guān)系，灌水延長灌水周期能夠有效減少作物的耗水，降低苜蓿耗水強(qiáng)度。

土壤酶廣泛分布于土壤，大多由植物根系分泌產(chǎn)生，參與了土壤中各種生化活動，測定相應(yīng)的土壤酶活性能夠進(jìn)一步理解土壤在其生態(tài)狀態(tài)下生物化學(xué)過程的強(qiáng)度，土壤蔗糖酶和淀粉酶都是表征土壤氮素轉(zhuǎn)化速率和土壤生化反應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)鍵酶之一[14]，本實驗研究發(fā)現(xiàn)，蔗糖酶在指標(biāo)測試中期(7月1日)達(dá)到最大，這可能是因為此時段土壤溫度較高，土壤中各種生化反應(yīng)、水熱交換運移等達(dá)到最大。此時利于土壤蔗糖酶的積累，淀粉酶則影響不大，這說明土壤蔗糖酶對土壤環(huán)境變化的響應(yīng)更加敏感，這與藺寶軍研究結(jié)果相似[14]。A’Bear(2014)[15]，Geisseler(2011)[16]等指出，土壤水分狀況是影響植物根際土壤酶活性的重要因素，本實驗研究發(fā)現(xiàn)過高的水分不利于土壤酶的積累，同時還發(fā)現(xiàn)灌水周期延長有助于土壤酶積累。

土壤有機(jī)碳庫是土壤碳庫最重要的組成部分之一，雖然所含的微生物量碳占比較少，但卻是土壤中最活躍的部分，直接參與土壤生化過程，土壤微生物量碳和微生物熵變化可反映土壤耕作制度和土壤肥力的變化以及土壤的污染程度。樊利華等[17]認(rèn)為，土壤氮素對土壤含水量的響應(yīng)極為敏感，這與灌水時間、土壤含水量，土壤中碳源代謝、氮素轉(zhuǎn)化涉及的復(fù)雜的生化過程有關(guān)。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳和土壤微生物量碳對不同噴灌處理的響應(yīng)不明顯，這可能是因為土壤有機(jī)碳庫儲量積累和變化是一個比較漫長的過程，不同噴灌灌水量所引起的苜蓿根系分泌物的量的變化不足以導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量顯著改變。另一方面，苜蓿根際分泌物會首先供給根際土壤微生物利用和繁殖，因此不同噴灌處理對土壤總有機(jī)碳含量沒有顯著影響，并且生育期內(nèi)其含量波動較小。土壤微生物量碳和土壤微生物熵生育期內(nèi)有所增加，這可能也是因為灌水使得根系活力提高，進(jìn)而引起植物根系分泌的各類有機(jī)無機(jī)質(zhì)增加。

4 結(jié)論

綜合上述分析，就降低苜蓿耗水強(qiáng)度和改善土壤肥力考慮，T2處理為最佳水分調(diào)控模式，可達(dá)到提高水資源利用率和改善土壤條件目的。其灌溉模式是：灌水定額為450 m3/hm2，灌溉定額為3600m3/hm2，灌水周期為10d，灌水次數(shù)為8次。建議該地區(qū)中低產(chǎn)田紫花苜蓿灌溉制度可采取上述模式。后續(xù)實驗研究還將從耗水-產(chǎn)量-品質(zhì)進(jìn)行多學(xué)科、多方法綜合評價，以便獲得更加科學(xué)和全面的研究結(jié)論。