寧夏地區(qū)地下滴灌水肥耦合對(duì)紫花苜蓿種子產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

王星，黃薇，余淑艷，李小云，高雪芹，2，伏兵哲，2*

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.寧夏草牧業(yè)工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021）

紫花苜蓿（Medicago sativa）具有生物量大、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高和適口性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前全世界廣泛種植的多年生豆科牧草之一。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，苜蓿的種植面積迅速增加，截至2020年我國(guó)商品苜蓿生產(chǎn)面積已達(dá)到63萬(wàn)hm2［1］。隨著苜蓿種植面積的不斷擴(kuò)大，對(duì)苜蓿的種子需求也日益增多，由于氣候降水以及一些田間管理技術(shù)等因素的制約，我國(guó)的苜蓿種子生產(chǎn)普遍產(chǎn)量低、質(zhì)量不高，導(dǎo)致需大量進(jìn)口苜蓿種子［2］。解決苜蓿種子生產(chǎn)中的主要技術(shù)瓶頸，提高苜蓿種子產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)我國(guó)民族種業(yè)振興和苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義［3-4］。

有研究表明，大多數(shù)植物在關(guān)鍵期灌水會(huì)提高種子產(chǎn)量［5］。Guo等［6］研究表明在紫花苜蓿結(jié)莢期灌水使其兩年種子產(chǎn)量分別提高了38%和41%。保持適當(dāng)?shù)耐寥浪趾靠梢源龠M(jìn)苜蓿根部向下生長(zhǎng)，有利于提高紫花苜蓿的吸水能力。徐文婷等［7］的研究表明，鉀肥在苜蓿生長(zhǎng)中起著關(guān)鍵作用，施用鉀肥可以提高苜蓿的抗寒、抗旱、抗病性，還可以改善苜蓿的新陳代謝，提高光合效率。有研究表明，磷肥會(huì)影響植株種子的結(jié)實(shí)率，缺磷的植株會(huì)表現(xiàn)籽粒少且種子空癟，而施用磷肥則會(huì)提高植物抗倒伏性；缺乏水分和養(yǎng)分時(shí)，會(huì)使得苜蓿受到水分及養(yǎng)分脅迫，影響植株的正常發(fā)育，增加落花落莢，降低種子產(chǎn)量［8-9］。大水漫灌很難精確控制種子田灌水量和施肥量，而地下滴灌可根據(jù)植物的需要靈活準(zhǔn)確地控制水分和肥料施入時(shí)間、數(shù)量和施入點(diǎn)，既能保證植物必需的養(yǎng)分，又可以提高養(yǎng)分利用效率，避免養(yǎng)分淋失［10］。

寧夏回族自治區(qū)屬于大陸性氣候，四季光照充足，牧草生產(chǎn)條件優(yōu)越。但是以往對(duì)苜蓿種子生產(chǎn)的研究往往集中在株行間距［4］、灌溉次數(shù)［11］、灌溉方式［9］、施肥量和施肥方式［12］等，鮮有關(guān)于苜蓿種子生產(chǎn)中水肥耦合作用的報(bào)道，并且以往并未見(jiàn)到苜蓿種子生產(chǎn)中適合當(dāng)?shù)氐墓嗨考笆┓柿康南嚓P(guān)報(bào)道。本試驗(yàn)通過(guò)地下滴灌系統(tǒng)進(jìn)行水肥精確控制，研究不同灌水量和施肥量對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量的影響，確立苜蓿種子生產(chǎn)最優(yōu)水肥配比，為當(dāng)?shù)剀俎７N子高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及水肥的高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以紫花苜蓿品種‘甘農(nóng)4號(hào)’（Gannong No.4）為試驗(yàn)材料?！兽r(nóng)4號(hào)’是甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院育成的一個(gè)抗旱、高產(chǎn)的優(yōu)良紫花苜蓿品種，也是寧夏大面積普遍推廣的苜蓿品種。供試肥料為磷酸一銨（N≥12%，P2O5≥61%）和硫酸鉀（K2O≥52%）。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在寧夏大學(xué)鹽池縣四墩子教學(xué)科研基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于寧夏東部，毛烏素沙地西南緣（107°17′E，37°46′N），海拔1436 m，年平均氣溫7.7℃，極端最高氣溫39.3℃，極端最低氣溫-28.9℃，≥10℃的年積溫為2950℃，無(wú)霜期162 d，年均日照時(shí)數(shù)2876 h，年均降水量289 mm，主要集中在6-9月，年蒸發(fā)量2690 mm，具有較好的光熱條件和較高的光溫生產(chǎn)潛力，是我國(guó)牧草種子生產(chǎn)的黃金地帶之一。試驗(yàn)地土壤為黃綿土，0～60 cm土層土壤平均全氮含量為0.51 g·kg-1，堿解氮含量為19.8 mg·kg-1，全磷含量為0.49 g·kg-1，有效磷含量為13.97 mg·kg-1，全鉀含量為0.51 g·kg-1，速效鉀含量為9.87 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為0.51 g·kg-1。2017-2020年生長(zhǎng)季試驗(yàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖1。

圖1 鹽池縣2017-2020年降水量及平均氣溫Fig.1 Precipitation and average air temperature of Yanchi County from 2017 to 2020

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年5月進(jìn)行地下滴灌帶鋪設(shè)和苜蓿種植，試驗(yàn)小區(qū)面積為24 m（24 m×6 m），小區(qū)間隔1 m，且各小區(qū)之間地下用1 m深的大棚塑料膜隔離以防止水分滲漏，試驗(yàn)地周圍設(shè)置1 m的保護(hù)行，3次重復(fù)，苜蓿種植密度為行距80 cm，株距25 cm，滴灌帶逐行鋪設(shè)于苜蓿行下20 cm處。2017-2020年進(jìn)行水肥耦合試驗(yàn)，采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為4個(gè)梯度灌水量（water treatment，S），其中S1～S4分別為900、1350、1800和2250 m3·hm-2；副區(qū)為5個(gè)梯度施肥量（fertilizer treatment，F(xiàn)），F(xiàn)1～F5分別為N-P2O5-K2O：0-0-0、9-45-60、18-90-120、27-135-180和36-180-240 kg·hm-2。一個(gè)生長(zhǎng)季灌水4次，施肥2次，肥料隨灌水通過(guò)水肥一體化裝置施入。灌水施肥方案詳見(jiàn)表1。

表1 灌水施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization plan

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 種子產(chǎn)量構(gòu)成因素的測(cè)定 在盛花期各處理小區(qū)隨機(jī)取20株進(jìn)行標(biāo)記，統(tǒng)計(jì)每株生殖枝數(shù)，每生殖枝上的花序數(shù)，每花序上的小花數(shù)和每小花胚珠數(shù)；在結(jié)莢期，統(tǒng)計(jì)每花序結(jié)莢數(shù)，每莢種子數(shù)；種子千粒重按照《草種子檢驗(yàn)規(guī)程》［13］進(jìn)行測(cè)量。

1.4.2 實(shí)際種子產(chǎn)量測(cè)定 在莢果70%變褐時(shí)對(duì)標(biāo)記的單株進(jìn)行人工收割，裝網(wǎng)袋，曬干后清選脫粒，分別稱重、記錄單株種子產(chǎn)量，并折算單位面積種子產(chǎn)量。

1.4.3 灌溉水分利用效率 灌溉水分利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）是指作物利用單位灌水量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量，公式如下：

1.4.4 肥料偏生產(chǎn)力 肥料偏生產(chǎn)力（partial fertilizer productivity，PFP）指施用某一特定肥料下的種子產(chǎn)量與施肥量的比值，公式如下：

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010整理數(shù)據(jù)，應(yīng)用DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Origin 2019繪圖軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

灌水對(duì)小花數(shù)、每株花序數(shù)、結(jié)莢數(shù)、每莢種子數(shù)、千粒重以及結(jié)莢率6個(gè)種子產(chǎn)量構(gòu)成因素有極顯著影響，對(duì)生殖枝數(shù)無(wú)顯著影響。施肥對(duì)生殖枝數(shù)、小花數(shù)、結(jié)莢數(shù)、每莢種子數(shù)和結(jié)莢率有極顯著影響，對(duì)每株花序數(shù)和千粒重?zé)o顯著影響。灌水與施肥對(duì)小花數(shù)、每株花序數(shù)、結(jié)莢數(shù)、每莢種子數(shù)、千粒重以及結(jié)莢率均有極顯著耦合影響，對(duì)生殖枝數(shù)無(wú)顯著作用（表2）。

表2 不同水肥對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of different water and fertilizer on components of alfalfa seed yield

2.2 水肥耦合對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量的影響

灌水、施肥和不同年份對(duì)實(shí)際種子產(chǎn)量和理論種子產(chǎn)量都有極顯著的影響，其之間的耦合作用對(duì)實(shí)際種子產(chǎn)量和理論種子產(chǎn)量有極顯著的影響。同時(shí)灌水、施肥、不同年份及其之間的耦合作用對(duì)灌溉水分利用效率及肥料偏生產(chǎn)力也有極顯著的影響（表3）。

隨著灌水量的增加，4年累計(jì)實(shí)際種子產(chǎn)量呈先降低后增加的趨勢(shì)，4種灌水條件下4年累計(jì)實(shí)際種子產(chǎn)量從大到小排序?yàn)镾1＞S4＞S3＞S2，S1和S4處理的4年累計(jì)實(shí)際種子產(chǎn)量顯著高于其他處理。而隨著施肥量的增加，4年累計(jì)實(shí)際種子產(chǎn)量呈先降低后增加的趨勢(shì)，在F4處理下4年累計(jì)實(shí)際種子產(chǎn)量達(dá)到最大值。5種施肥處理?xiàng)l件下4年累計(jì)實(shí)際種子產(chǎn)量從大到小為F4＞F5＞F1＞F3＞F2，F(xiàn)4和F5處理顯著高于其他處理（表3）。4年累計(jì)實(shí)際種子產(chǎn)量在S1F4處理達(dá)到最大值，為4848.77 kg·hm-2，較S2F4處理增幅達(dá)36.15%，顯著高于其他各處理（圖2）。

圖2 不同水肥處理下苜蓿的實(shí)際種子產(chǎn)量Fig.2 Practical seed yield of alfalfa under different water and fertilizer treatments

隨著灌水量的增加，理論種子產(chǎn)量呈先降低后增加的趨勢(shì)，4種灌水條件下理論種子產(chǎn)量從大到小為S1＞S4＞S3＞S2，在S1處理下達(dá)到最大值，并顯著高于其他各處理，與實(shí)際種子產(chǎn)量相匹配。而隨著施肥量的增加，理論種子產(chǎn)量呈先降低后增加的趨勢(shì)，理論種子產(chǎn)量從大到小為F5＞F1＞F4＞F2＞F3，在F5處理達(dá)到最大值，并顯著高于其他處理（表3）。理論種子產(chǎn)量在S1F5處理下達(dá)到最大值，為27586.33 kg·hm-2，顯著高于除S1F1外的其他各處理（圖3）。

圖3 不同水肥處理下苜蓿的理論種子產(chǎn)量Fig.3 Theoretical seed yield of alfalfa under different water and fertilizer treatments

灌溉水分利用效率在S1水平明顯高于其他3個(gè)處理，IWUE為0.40～1.35 kg·m-3。S1F4處理較S4F3處理顯著增加237.50%（圖4）。肥料偏生產(chǎn)力隨著施肥量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，肥料偏生產(chǎn)力為2.16～9.43 kg·kg-1，S4F2處理較S3F5處理增幅達(dá)336.57%（圖5）。

圖4 不同水肥處理下苜蓿的灌溉水分利用效率Fig.4 Irrigation water use efficiency of alfalfa under different water and fertilizer treatments

圖5 不同水肥處理下苜蓿的偏肥料生產(chǎn)力Fig.5 Partial fertilizer productivity of alfalfa under different water and fertilizer treatments

不同年份的實(shí)際種子產(chǎn)量及理論種子產(chǎn)量差異極顯著，隨著時(shí)間的推移呈上升趨勢(shì)，但是在2019年突然降低并且顯著低于2018與2020年，可能與當(dāng)年的降水量有關(guān)（圖1，表3）。

表3 不同水肥對(duì)苜蓿實(shí)際種子產(chǎn)量、理論種子產(chǎn)量、灌溉水分利用效率及肥料偏生產(chǎn)力的影響Table 3 Effects of different amount of water and fertilizer on alfalfa practical seed yield，theoretical seed yield，irrigation water use efficiency and partial fertilizer productivity（F value）

2.3 苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因子與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)性分析

采取逐步回歸的方法，對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因子與苜蓿種子產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析，建立苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因子與苜蓿種子產(chǎn)量的回歸方程為Y=743.26+1.503X1-17.45X2-1676.77X3+815.16X4（F=49.52，P＜0.01），X1為花序數(shù)、X2為生殖枝數(shù)、X3為結(jié)莢率、X4為千粒重。這4個(gè)苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因子被納入回歸方程，表示這4個(gè)因子在所有苜蓿種子產(chǎn)量的影響因子中占主導(dǎo)地位。為了進(jìn)一步分析這4個(gè)因子對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大小，進(jìn)一步進(jìn)行通徑分析。

花序數(shù)和生殖枝數(shù)直接通徑系數(shù)大于間接通徑系數(shù)總和，而結(jié)莢率和千粒重的直接通徑系數(shù)均小于間接通徑系數(shù)總和（表4），這表明花序數(shù)和生殖枝數(shù)是通過(guò)直接作用的方式來(lái)影響苜蓿種子產(chǎn)量，而結(jié)莢率和千粒重通過(guò)間接影響花序數(shù)和生殖枝數(shù)來(lái)影響苜蓿種子產(chǎn)量。根據(jù)4個(gè)因子對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度從高到低為：每株花序數(shù)（X1）＞千粒重（X4）＞結(jié)莢率（X3）＞生殖枝數(shù)（X2）。

表4 苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因子與苜蓿種子產(chǎn)量的通徑分析Table 4 Path analysis of alfalfa seed yield components and alfalfa seed yield

2.4 回歸模型

為了進(jìn)一步探究水肥耦合作用對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量的影響，以灌水量和施肥量為自變量，苜蓿種子產(chǎn)量為因變量，進(jìn)行回歸模擬，得到了二次回歸模型 如 下 ：y=0.20166x1-0.07521x2-1.91921×10-5x12-8.12063×10-5x22+2.7269×10-4x1x2+816.62625（R2=0.84，P=0.00245＜0.01），x1為灌水量，x2為施肥量，y為苜蓿種子產(chǎn)量。對(duì)回歸模型進(jìn)行分析可知，一次項(xiàng)系數(shù)有正有負(fù)，二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，水肥耦合系數(shù)為正，這說(shuō)明隨著灌水量和施肥量的增加，苜蓿種子產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，并且水肥耦合作用對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量有正相關(guān)的影響（圖6）。

圖6 苜蓿種子實(shí)際產(chǎn)量回歸尋優(yōu)模型Fig.6 Regression optimization model of actual alfalfa seed yield

在灌水量為900～2250 m·3hm-2，施肥量為0～456 kg·hm-2內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)分析，結(jié)果表明當(dāng)灌水量為2250 m·3hm-2，施肥量為437.39 kg·hm-（2N肥34.53 kg·hm-2，P肥172.65 kg·hm-2，K肥230.20 kg·hm-2）時(shí)苜蓿種子產(chǎn)量最高，為1438.13 kg·hm-2。

3 討論

水肥是苜蓿種子生產(chǎn)的重要因素，本試驗(yàn)表明過(guò)高的土壤水分含量和過(guò)多的施肥會(huì)降低苜蓿種子產(chǎn)量。Krogman等［14］認(rèn)為過(guò)多的土壤水分會(huì)使苜蓿過(guò)度營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，降低苜蓿種子產(chǎn)量。同時(shí)過(guò)量的灌水會(huì)導(dǎo)致苜蓿下部花序敗育以及增加苜蓿倒伏現(xiàn)象，都會(huì)使得苜蓿種子產(chǎn)量降低［15-17］。Yamada等［18］的研究認(rèn)為適當(dāng)?shù)乃置{迫是苜蓿種子豐產(chǎn)的關(guān)鍵，可以有效抑制苜蓿的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，促進(jìn)苜蓿小花結(jié)莢，使得苜蓿結(jié)莢率上升，從而獲得更高的種子產(chǎn)量。根據(jù)李麗［19］的研究，苜蓿在前期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程中消耗了大部分的氮肥，在不施氮肥的情況下，結(jié)莢期可能會(huì)因?yàn)槿狈Φ囟焕诘叵蛏称鞴俎D(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致苜蓿種子產(chǎn)量降低。趙宇星［20］的研究表明，生長(zhǎng)后期適當(dāng)補(bǔ)充氮肥以及合適的氮磷鉀肥比例會(huì)提高苜蓿種子產(chǎn)量。孟季蒙等［10］的研究表明，當(dāng)灌水量為909.62 kg·hm-2時(shí)種子產(chǎn)量最高，本研究結(jié)論與此一致。田新會(huì)等［21］的研究表明，當(dāng)施肥量為N肥47 kg·hm-2，P肥120 kg·hm-2，K肥30 kg·hm-2時(shí)苜蓿種子產(chǎn)量最高。本研究中當(dāng)灌水量為900 m3·hm-2，施肥量為N肥27 kg·hm-2，P肥135 kg·hm-2，K肥180 kg·hm-2時(shí)苜蓿種子產(chǎn)量最高，與前人的研究結(jié)果不同，可能是因?yàn)樵囼?yàn)地土壤肥力情況不同。

水肥控制對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量構(gòu)成因素有非常重要的影響［22］。Rumbaugh等［23］的研究認(rèn)為每株花序數(shù)、千粒重、每莢種子數(shù)與苜蓿種子產(chǎn)量呈正相關(guān)，而總枝條數(shù)、單粒種子重則與苜蓿種子產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。王玉祥等［24］的研究表明，苜蓿前期生長(zhǎng)需氮量并不高，而生長(zhǎng)后期苜蓿缺氮?jiǎng)t會(huì)落莢落花導(dǎo)致種子產(chǎn)量降低。苜蓿為喜磷植物［25］，王赟文［26］的研究表明施加磷肥可以通過(guò)提高苜蓿的花序數(shù)、結(jié)莢率和種子數(shù)來(lái)影響種子產(chǎn)量。鄭敏娜等［27］的研究表明隨著施磷量的增加，苜蓿的結(jié)莢數(shù)明顯增多，結(jié)莢率顯著增加。鞠曉峰等［28］研究表明施鉀會(huì)提高花序上的小花數(shù)并利于苜蓿潛在種子產(chǎn)量的提高，在缺鉀的土壤中施用鉀肥會(huì)有效提高種子產(chǎn)量，在高鉀的土壤中施鉀肥也會(huì)使苜蓿的種子產(chǎn)量有所提高。在本研究中土壤含鉀量低，因此這可能是高施肥量在本試驗(yàn)中產(chǎn)量增加較為明顯的原因。在本研究中，根據(jù)通徑分析，花序數(shù)、生殖枝數(shù)、結(jié)莢率和千粒重對(duì)苜蓿種子產(chǎn)量影響較為顯著，而隨著施肥量和灌水量的增加，都有不同幅度地呈先增加后降低的趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果相同。

4 結(jié)論

在本研究中，隨著施肥量和灌水量的增加，苜蓿種子產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢(shì)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和前人研究，在苜蓿種子的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該控制前期的施氮量并施入磷鉀肥，在生長(zhǎng)后期適當(dāng)?shù)难a(bǔ)施氮肥并在結(jié)莢期灌水，可以有效控制無(wú)效分蘗，防止苜蓿倒伏，提高種子產(chǎn)量。