基于產(chǎn)量與品質(zhì)的無(wú)芒雀麥灌溉制度研究

姜淵博，康燕霞，齊廣平，銀敏華，馬彥麟，汪精海，賈瓊，康瑤，張宏斌，唐仲霞，汪愛霞

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

河西走廊草原遼闊，土地肥沃，在我國(guó)西北生態(tài)保障和畜牧業(yè)發(fā)展中起著舉足輕重的作用［1］。近年來，該地區(qū)天然草場(chǎng)嚴(yán)重退化，引起的草畜矛盾和生態(tài)環(huán)境惡化等問題亟待解決［2-3］。我國(guó)人工草地總面積約為2000萬(wàn)hm2，僅占草地面積的5%左右，發(fā)展?jié)摿薮螅?］，建植人工草地可緩解天然草原放牧壓力，恢復(fù)其生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和文化功能［5］。然而傳統(tǒng)的人工草地存在生產(chǎn)管理水平較低，水資源利用效率不高等問題，在水資源短缺的河西地區(qū)嚴(yán)重制約著畜牧業(yè)發(fā)展與生態(tài)修復(fù)。在“先節(jié)水后調(diào)水”的西北旱區(qū)水治理準(zhǔn)則的推動(dòng)下，節(jié)水調(diào)虧灌溉理論與技術(shù)的推行為牧草穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)及草原生態(tài)恢復(fù)提供了新思路［6-9］。調(diào)虧灌溉是以水分為主導(dǎo)因子，在作物不同生育時(shí)期主動(dòng)施以一定程度水分脅迫，從而調(diào)節(jié)植株生理特性，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)并提高水分利用率［7］。因此，在水資源短缺的河西走廊地區(qū)將調(diào)虧灌溉應(yīng)用于人工草地建設(shè)意義重大。

無(wú)芒雀麥（Bromus inermis）為多年生禾本科牧草，在我國(guó)西北、東北、華北等16個(gè)省區(qū)均有大面積種植［10］，其產(chǎn)量高、品質(zhì)好、耐寒抗旱、根莖發(fā)達(dá)，被譽(yù)為“禾草飼料之王”，是人工草地建設(shè)的優(yōu)質(zhì)牧草［11］。調(diào)虧灌溉作為建植優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)人工草地及改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑，已有大量學(xué)者在單一水分調(diào)控模式對(duì)牧草生長(zhǎng)生理的影響［12-14］、產(chǎn)量品質(zhì)和水分利用效率的影響［15-16］和不同品種性狀差異［17-18］等方面作出研究。王海青等［19］發(fā)現(xiàn)，土壤水分維持在田間持水量的45%是冰草（Agropyron cristatum）和紫花苜蓿（Medicago sativa）高產(chǎn)節(jié)水的最佳補(bǔ)水選擇；董國(guó)鋒等［20］發(fā)現(xiàn)輕度水分調(diào)虧較充分灌溉沒有顯著降低牧草產(chǎn)量，并且提升了牧草水分利用效率。但關(guān)于系統(tǒng)比較河西走廊地區(qū)不同水分調(diào)控模式對(duì)人工草地影響的研究較少。灌溉制度模擬優(yōu)化克服了傳統(tǒng)田間試驗(yàn)耗時(shí)耗力，易受氣候條件、病蟲害等外界環(huán)境影響的缺點(diǎn)，可彌補(bǔ)短期大田試驗(yàn)結(jié)果的局限性，有助于田間管理決策［21］。相較于其他作物模型，基于水量平衡原理的灌溉制度優(yōu)化模型以日為時(shí)段，可以細(xì)致模擬土壤水分變化及植株蒸散發(fā)過程，輸出結(jié)果包含具體灌水日期、灌水定額，便于指導(dǎo)實(shí)踐［22-23］。在牧草方面灌溉制度模擬優(yōu)化研究主要集中于羊草（Leymus chinensis）［24］、老芒麥（Elymus sibiricus）［25］、早熟禾（Poa pratensis）［26］及黑麥草（Lolium perenne）［27］等，而關(guān)于河西走廊地區(qū)無(wú)芒雀麥的研究較少。

基于以上分析，為緩解河西走廊草畜矛盾、改善生態(tài)環(huán)境并提高水資源利用率，本研究通過對(duì)比分析兩種水分調(diào)控模式［分生育期調(diào)虧灌溉（I1）；全生育期調(diào)虧灌溉（I2）］下無(wú)芒雀麥產(chǎn)量與品質(zhì)效應(yīng)，尋求相對(duì)最優(yōu)的水分調(diào)控模式，然后基于水量平衡原理，由大田試驗(yàn)與典型年灌溉制度模擬結(jié)果進(jìn)行灌溉制度優(yōu)選，以期為區(qū)域畜牧業(yè)良性發(fā)展和人工草地灌溉制度科學(xué)制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2018-2020年在甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣明花鄉(xiāng)前灘村（39°40′N，98°47′E）開展大田試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)平均海拔為1388 m。2018、2019和2020年全年降水量分別為123.3、153.6和91.7 mm，無(wú)芒雀麥生長(zhǎng)季總降水量分別為98.6、128.5和68.5 mm，平均氣溫分別為19.6、19.5和19.9℃（圖1），年均蒸發(fā)量2144 mm，全年日照時(shí)數(shù)3020 h，全年無(wú)霜期為132 d左右，夏季炎熱，冬季寒冷，屬溫帶大陸性氣候。試驗(yàn)地土壤類型為砂壤土，田間持水量為29.68%（體積含水量），土壤容重為1.4 g·cm-3，0～60 cm土層土壤pH為7.26，有機(jī)質(zhì)含量為3.15 g·kg-1，全氮含量為0.22 g·kg-1，堿解氮含量為24.95 mg·kg-1，速效磷含量為3.15 mg·kg-1，速效鉀含量為235.44 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量為7.60 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量為8.41 mg·kg-1。

圖1 2018-2020年無(wú)芒雀麥生長(zhǎng)季每日氣象資料Fig.1 Daily meteorological data for the growing season of B.inermis from 2018 to 2020

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為多年生禾本科無(wú)芒雀麥（卡爾頓無(wú)芒雀麥，B.inermiscv.Carlton），由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)2種水分調(diào)控模式［分生育期調(diào)虧灌溉（I1）；全生育期調(diào)虧灌溉（I2）］，各自下設(shè)4個(gè)水分處理（表1），計(jì)劃濕潤(rùn)層為60 cm，各水分處理均以計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤體積含水量占田間持水量（field capacity，θFC）的百分比控制。各處理重復(fù)3次，共計(jì)24個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為5 m×5 m，小區(qū)間設(shè)1 m的隔離帶，無(wú)芒雀麥于2018年5月建植，采用人工條播方式，行距25 cm，播種量30 kg·hm-2，播種前選用磷酸二銨（18% N，46% P）作為底肥，施肥量為140 kg·hm-2。

表1 無(wú)芒雀麥水分調(diào)控試驗(yàn)灌水上下限Table 1 Upper and lower limits of irrigation for B.inermis moisture regulation trial（%）

于2018-2019年進(jìn)行分生育期調(diào)虧灌溉（I1）試驗(yàn)，各水分處理在建植/返青期灌水下限均為75% θFC，拔節(jié)期和抽穗期灌水下限均為：75% θFC（CK），65% θFC（F1），55% θFC（F2），45% θFC（F3），I1下當(dāng)土壤含水量下降至各自對(duì)應(yīng)θFC百分比下限時(shí)開始灌水，灌水上限均為85% θFC；于2019-2020年進(jìn)行全生育期調(diào)虧灌溉（I2）試驗(yàn)：充分灌水（75%～85% θFC，CK）、輕度水分虧缺（65%～75% θFC，Q1）、中度水分虧缺（55%～65% θFC，Q2）、重度水分虧缺（45%～55% θFC，Q3），I2下當(dāng)土壤含水量下降至各自對(duì)應(yīng)θFC百分比下限時(shí)開始灌水，灌水上限為其各自設(shè)計(jì)區(qū)間上限。

試驗(yàn)小區(qū)采用噴灌灌水方式，小區(qū)間布設(shè)聚乙烯管道，各小區(qū)中心位置設(shè)1.5 m高支管一個(gè)，上設(shè)塑料蝶形噴頭，噴頭為全圓噴灑，噴灑半徑為2～4 m，灌水量由水表（精度0.0001 m3）監(jiān)測(cè)，球閥控制，試驗(yàn)開展期間，各小區(qū)田間管理與當(dāng)?shù)乇３忠恢隆?/p>

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤體積含水率測(cè)定 在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)距中心位置1.25 m處隨機(jī)布設(shè)一個(gè)150 cm長(zhǎng)的時(shí)域反射儀（time-domain reflectometry，TDR）探管，采用PICO-BT TDR儀器（IMKO，德國(guó)）監(jiān)測(cè)土壤0～120 cm土層體積含水量［16］。在牧草全生育期每隔3～5 d測(cè)定一次，灌水前后和降水后加測(cè)，并定期利用烘干法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，土壤含水量測(cè)定主要用于判斷試驗(yàn)小區(qū)土壤水分是否達(dá)到灌水下限，進(jìn)而計(jì)算灌水量。

1.4.2 產(chǎn)量測(cè)定 在試驗(yàn)小區(qū)于每茬無(wú)芒雀麥初花期利用1 m×1 m樣方隨機(jī)選取一塊樣地留茬5 cm進(jìn)行刈割（2018年建植年刈割1茬，2019和2020年均刈割3茬），并立即稱量鮮重，之后放入烘箱，于105℃殺青30 min后，75℃恒溫烘48 h至恒重，冷卻后稱其干重計(jì)算干草產(chǎn)量（yield，Y，kg·hm-2）。

1.4.3 灌溉水利用效率

式中：IWUE為灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，kg·m-3）；Y為牧草產(chǎn)量（yield，kg·hm-2）；I為灌水量（irrigation amount，mm）。

1.4.4 水分利用效率

式中：WUE為水分利用效率（water use efficiency，kg·m-3）；ET為耗水量（evapotranspiration，mm）。

1.4.5 品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 粗蛋白（crude protein，CP）含量：在無(wú)芒雀麥每茬初花期，收獲植株地上部分，經(jīng)過殺青、烘干、粉碎后，利用全自動(dòng)凱氏定氮儀（K1160，中國(guó)）測(cè)定植株含氮量［16］，計(jì)算牧草的粗蛋白含量（%），公式如下：

式中：6.25為換算系數(shù)；ωN為植株含氮量（%）。

酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）和中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）含量（%）利用半自動(dòng)纖維分析儀（F800，中國(guó)）通過范氏（Van Soest）洗滌纖維分析法測(cè)定［28］。

1.4.6 熵權(quán)法賦權(quán) 熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，其依據(jù)原理為指標(biāo)變異程度越小，所能反映信息量越少，則其對(duì)應(yīng)的權(quán)值越低。假設(shè)給定了m個(gè)樣本（i=1，2，3，···，m）；n個(gè)具體評(píng)定指標(biāo)X1，X2，X3，···，X（nXj=｛x1j，x2j，x3j，···，xm｝j）（j=1，2，3，···，n），首先對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理，之后確定各指標(biāo)信息熵值：

式中：Zij為第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)樣本Mi的貢獻(xiàn)值；yij為歸一化后的指標(biāo)。

式中：Ej為所有樣本對(duì)指標(biāo)Xj的貢獻(xiàn)總量即信息熵值；常數(shù)P=1/ln（m），使得0≤Ej≤1；即Ej最大為1，Ej越小，表示該指標(biāo)對(duì)總體意義越大。

式中：Dj為信息效用值。

式中：Wj為各指標(biāo)所占權(quán)重（%）。

1.5 灌溉制度模擬模型構(gòu)建

為制定合理的灌溉制度，用交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言（interactive data language，IDL）對(duì)無(wú)芒雀麥全生育期的土壤水分消耗過程進(jìn)行模擬（土壤水分達(dá)到對(duì)應(yīng)θFC百分比下限，開始灌水至上限），進(jìn)而優(yōu)選灌溉制度，實(shí)現(xiàn)牧草節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。

1）模型依據(jù)原理：編程過程以水量平衡原理為基礎(chǔ)，采用的水量平衡方程為：

式中：Wj為第j天土壤有效儲(chǔ)水量（mm）；Wj-1為第j-1天土壤有效儲(chǔ)水量（mm）；Pj-1為第j-1天有效降水量（mm）；ETj-1為第j-1天實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量（mm）；Kj-1為第j-1天地下水補(bǔ)給量（mm）；由于灌溉上限為田間持水量的85%，所以不考慮深層滲漏。

2）所需數(shù)據(jù)：牧草生育時(shí)期（由田間試驗(yàn)觀測(cè)得出）；氣象數(shù)據(jù)：參考作物蒸發(fā)蒸騰量（reference evapotranspiration，ET0）由糧農(nóng)組織（food and agriculture organization of the united nations，F(xiàn)AO）推薦的Penmen-Monteith公式計(jì)算得出有效降水量［29］、實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量（ET）等；土壤數(shù)據(jù)：計(jì)劃濕潤(rùn)層深度、田間持水量、初始土壤含水量、土壤容重、地下水補(bǔ)給量［30］等。

3）模型評(píng)價(jià)：為驗(yàn)證該灌溉制度模型模擬效果，用平均相對(duì)誤差（mean relative error，MRE）、決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差（normalized root mean square error，nRMSE）進(jìn)行驗(yàn)證。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 22.0進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、繪圖及熵權(quán)計(jì)算，采用Origin 2019b進(jìn)行繪圖，IDL編程語(yǔ)言進(jìn)行灌溉制度模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量與無(wú)芒雀麥各指標(biāo)間的相關(guān)性

I1與I2兩種水分調(diào)控模式下，各茬次間灌水量與各指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果較為一致（圖2）?？傮w來看，除個(gè)別茬次外，灌水量與產(chǎn)量、粗蛋白含量之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），其中灌水量與產(chǎn)量表現(xiàn)為正相關(guān)；與粗蛋白含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；與酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量之間相關(guān)性不顯著（P＞0.05）。

圖2 灌水量與無(wú)芒雀麥各指標(biāo)間的相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis between irrigation amount and various indicators of B.inermis

2.2 水分調(diào)控模式對(duì)無(wú)芒雀麥產(chǎn)量的影響

由圖3可知，I1水分調(diào)控模式下，無(wú)芒雀麥產(chǎn)量隨灌水量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為開口向下的二次拋物線（y=-0.0188x2+17.7x+472.98，P＜0.001，R2=0.7282），I2水分調(diào)控模式下無(wú)芒雀麥產(chǎn)量隨灌水量增加呈對(duì)數(shù)增加（y=1878.5ln（x）-7143.3，P＜0.001，R2=0.3373），且I1下擬合優(yōu)度R2大于I2；I1曲線保持在I2曲線上方，即同一灌水量下，I1下無(wú)芒雀麥產(chǎn)量高于I2，也表明I1灌溉水利用效率大于I2，I1較I2產(chǎn)量提升平均可達(dá)23.11%；灌水量大于250 mm時(shí)，I1和I2下產(chǎn)量增長(zhǎng)有減緩趨勢(shì)。

圖3 灌水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between irrigation amount and yield

2.3 水分調(diào)控模式對(duì)無(wú)芒雀麥品質(zhì)的影響

由圖4可知，在I1和I2兩種水分調(diào)控模式下，無(wú)芒雀麥粗蛋白含量均隨灌水量的增加表現(xiàn)為對(duì)數(shù)減小趨 勢(shì)（I1：y=-2.661ln（x）+25.136，P＜0.001，R2=0.8401；I2：y=-2.012ln（x）+21.708，P＜0.001，R2=0.3736），且I1下擬合優(yōu)度R2大于I2；同時(shí)I1曲線位于I2上側(cè)，即同一灌水量下，I1水分調(diào)控模式下無(wú)芒雀麥粗蛋白含量高于I2，I1較I2粗蛋白含量平均提升6.09%；I1曲線的增幅大于I2，即一定范圍內(nèi)，分生育期調(diào)虧灌溉下，無(wú)芒雀麥粗蛋白含量變化更迅速。

圖4 灌水量與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between irrigation amount and nutrient quality

在I1和I2兩種水分調(diào)控模式下，無(wú)芒雀麥酸性洗滌纖維含量隨灌水量增加而增加（I1：y=0.0216x+30.263，P＜0.001，R2=0.2698；I2：y=0.0218x+31.713，P＜0.001，R2=0.1592），擬合優(yōu)度均較低。I1與I2兩種水分調(diào)控模式下，無(wú)芒雀麥中性洗滌纖維含量隨灌水量減小呈緩慢減小趨勢(shì)（I1：y=0.0198x+40.938，P＜0.001，R2=0.1983；I2：y=0.0175x+48.185，P＞0.05，R2=0.0418），擬合優(yōu)度均偏低。

2.4 水分調(diào)控模式篩選

以上分析可知，I1水分調(diào)控模式的產(chǎn)量、品質(zhì)優(yōu)于I2，為了進(jìn)一步分析兩種水分調(diào)控模式下，各處理中牧草產(chǎn)量（Y）、水分利用效率（WUE）、灌溉水利用效率（IWUE）、粗蛋白（CP）、酸性洗滌纖維（ADF）和中性洗滌纖維（NDF）含量對(duì)無(wú)芒雀麥生產(chǎn)力的綜合影響，利用主成分分析法對(duì)6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維分析，提取2個(gè)特征值大于1的主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)88.280%（表2），說明前兩個(gè)主要成分可以反映原始數(shù)據(jù)的大多數(shù)信息，主成分1的貢獻(xiàn)率為58.005%，決定指標(biāo)為Y、WUE、IWUE和CP，主成分2貢獻(xiàn)率為30.275%，主要反映了ADF和NDF的信息。由主成分綜合得分（表3）得出，I1水分調(diào)控模式下各處理排名高于I2，即I1水分調(diào)控模式具有優(yōu)勢(shì)，I1F1處理綜合得分最高，表明I1F1為最優(yōu)的灌水處理。

表2 不同灌水處理下無(wú)芒雀麥各指標(biāo)主成分分析Table 2 Principal component analysis of each index of B.inermis with different irrigation treatments

表3 不同灌水處理無(wú)芒雀麥綜合得分Table 3 Overall score of B.inermis with different irrigation treatments

2.5 灌溉制度模擬

該灌溉制度模擬優(yōu)化基于水量平衡方程，應(yīng)用IDL編程語(yǔ)言，以日為時(shí)段，綜合考慮了土壤水分變化、典型年降水資料、作物蒸散發(fā)、地下水補(bǔ)給等因素模擬作物生長(zhǎng)季水分消耗過程，輸出結(jié)果為具體的灌水日期、灌溉次數(shù)及灌水量，便于指導(dǎo)實(shí)踐，并且其可用于作物全生育期模擬，也可用于部分生育期，適用于多茬次牧草灌溉制度模擬研究。由于河西走廊地區(qū)常年降水稀少，為驗(yàn)證I1F1灌水處理在典型枯水年下是否具有優(yōu)勢(shì)，從而用于當(dāng)?shù)啬敛莨喔戎贫葏⒖迹瑢?duì)I1水分調(diào)控模式下4個(gè)水分處理在典型枯水年下進(jìn)行灌溉制度模擬。

2.5.1 基于熵權(quán)法的無(wú)芒雀麥品質(zhì)指標(biāo)優(yōu)選 熵權(quán)法可以消除人為因素干擾，具有客觀賦權(quán)的優(yōu)勢(shì)，利用熵權(quán)法選取最具代表性的品質(zhì)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)灌溉制度模擬中不同情景無(wú)芒雀麥品質(zhì)的優(yōu)劣，由表4可以看出，無(wú)芒雀麥粗蛋白、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量所占的權(quán)重系數(shù)分別為59.04%、20.84%和20.12%，即無(wú)芒雀麥各品質(zhì)指標(biāo)對(duì)灌水處理的敏感度排序?yàn)椋捍值鞍缀浚舅嵝韵礈炖w維含量＞中性洗滌纖維含量，因此將粗蛋白含量作為評(píng)價(jià)無(wú)芒雀麥品質(zhì)的重要指標(biāo)，用于灌溉制度模擬中方案優(yōu)選。

表4 熵權(quán)法計(jì)算結(jié)果匯總Table 4 Summary of calculation results of entropy method（%）

2.5.2 灌溉制度模擬效果驗(yàn)證 由表5可知，此模型模擬2019年I1水分調(diào)控模式CK水分處理下灌水量，MRE、R2、RMSE、nRMSE分別為13.84%、0.985、24.56 mm、13.58%，模擬精度較高，故此模型可用于灌溉制度模擬。

表5 灌水量的真實(shí)值與預(yù)測(cè)值Table 5 Real and predicted values of irrigation amount

2.5.3典型枯水年的選擇 對(duì)1956-2020年降水量系列資料進(jìn)行排頻計(jì)算，得到各個(gè)頻率情況下的降水量值。取p=75%所對(duì)應(yīng)的降水量作為枯水年的設(shè)計(jì)值，分析得出1994年降水資料可作為代表年降水資料（因?yàn)槠渥罱咏O(shè)計(jì)值且年內(nèi)分配最不利，圖5）。由聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦的Penmen-Monteith公式計(jì)算得出典型枯水年逐旬參照作物蒸散量（表6）。

圖5 1956-2020年降水量頻率曲線擬合Fig.5 Frequency curve fitting of precipitation from 1956 to 2020

表6 典型枯水年逐旬參照作物蒸散量Table 6 Reference crop evapotranspiration by decade in a typical dry year

2.5.4 灌溉制度情景模擬 對(duì)I1水分調(diào)控模式下4種灌水處理在典型枯水年下進(jìn)行模擬（表7），依據(jù)I1下灌水量與產(chǎn)量、品質(zhì)擬合關(guān)系，對(duì)各灌溉制度下的產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行分析。

表7 灌溉制度模擬情景Table 7 Simulation scenarios of irrigation scheduling

由典型枯水年無(wú)芒雀麥灌溉制度模擬結(jié)果（表8）可知，無(wú)芒雀麥全年DCK情景下灌水量最大，為601.49 mm，DF1、DF2、DF3較DCK分別減少79.73、137.96和196.29 mm；灌溉水利用效率隨虧水程度的加劇逐漸增大，DF1、DF2、DF3較DCK分別提升6.21%、9.94%和16.15%；DF1較DCK年產(chǎn)量下降率最小，為7.88%，DF2和DF3較DCK年產(chǎn)量下降率較大，分別為15.12%和21.88%；DF1、DF2、DF3較DCK粗蛋白含量增長(zhǎng)率分別為3.03%、6.24%和8.89%。

表8 典型枯水年無(wú)芒雀麥灌溉制度模擬Table 8 Simulation of irrigation scheduling for B.inermis in a typical dry water year

產(chǎn)量作為評(píng)價(jià)植株生長(zhǎng)及增益的重要指標(biāo)，由于DF2和DF3情景模擬下，無(wú)芒雀麥年產(chǎn)量下降率較大，不能作為最優(yōu)方案。基于節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目的出發(fā)，DF1情景模擬中無(wú)芒雀麥年產(chǎn)量下降率最小，且灌溉水利用效率及粗蛋白含量相較于DCK均有較大提升，為最優(yōu)方案。

3 討論

3.1 水分調(diào)控模式對(duì)無(wú)芒雀麥產(chǎn)量的影響

調(diào)虧灌溉的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最優(yōu)，并非單純追求總產(chǎn)量的增加。通過嚴(yán)格調(diào)控土壤水分虧缺狀態(tài)，可有效控制植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)并促進(jìn)同化物向不同組織器官分配，從而影響植株地上、地下部分生物量，以實(shí)現(xiàn)無(wú)芒雀麥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量提升、品質(zhì)優(yōu)化和效率增長(zhǎng)的綜合性目的［31］。在小麥（Triticum aestivum）［32-33］、燕麥（Avena sativa）［34］、紫花苜蓿［35］的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的增加，作物產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后逐漸減小的二次拋物線變化趨勢(shì)，這表明適度的水分虧缺有利于作物的生長(zhǎng)，灌水過量反而會(huì)使作物產(chǎn)量下降，這可能與調(diào)虧灌溉會(huì)影響作物的生理生化特性有關(guān)，在一定水分虧缺條件下，為滿足牧草需水要求，植物根系會(huì)深入土層，以有效利用土壤水分，使得作物的抗旱性得到有效提升，因此，適當(dāng)水分脅迫不僅能提升作物水分利用率，同時(shí)還會(huì)降低牧草減產(chǎn)率［36］。本研究得出，在I1和I2兩種水分調(diào)控模式下，無(wú)芒雀麥產(chǎn)量會(huì)隨著灌水量的增大呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)，其中I1呈二次拋物線變化，I2則表現(xiàn)為對(duì)數(shù)增加（圖3），總體均表現(xiàn)為先迅速增加，后逐漸趨于平緩。造成I2產(chǎn)量表現(xiàn)為對(duì)數(shù)增加的原因可能是全生育期調(diào)虧灌溉下，各處理灌水量并未達(dá)到無(wú)芒雀麥產(chǎn)量下降轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在本研究中，I1和I2水分調(diào)控模式下，隨著灌水量的增加，無(wú)芒雀麥產(chǎn)量增幅逐漸減小，這與余曉雄等［37］和王家瑞等［38］的研究結(jié)果基本一致。I1曲線位于I2曲線上方，表明分生育期調(diào)虧灌溉更有利于無(wú)芒雀麥產(chǎn)量的增加和灌溉水利用效率的提高，其原因可能是，在I1模式下，作物需水關(guān)鍵期復(fù)水補(bǔ)償可保證牧草充足水供應(yīng)，而非關(guān)鍵期水分脅迫可實(shí)現(xiàn)牧草虧水鍛煉，這與王鈞等［39］的研究結(jié)果相似。

3.2 水分調(diào)控模式對(duì)無(wú)芒雀麥品質(zhì)的影響

粗蛋白含量作為權(quán)衡牧草品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，反映了牧草滿足牲畜蛋白質(zhì)需求的能力［40］。牧草纖維含量的多少將直接影響牧草的采食量及家畜消化率，其含量越高，牧草的品質(zhì)越差［41］。相關(guān)研究表明，黑麥草、草甸羊茅（Festuca pratensis）和扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）等禾本科牧草的粗蛋白含量會(huì)隨著水分虧缺的加劇逐漸增大，酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量則逐漸減少［42-44］。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致，在I1和I2兩種水分調(diào)控模式下，灌水量與粗蛋白含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著灌水量的減少，無(wú)芒雀麥粗蛋白含量呈對(duì)數(shù)型增加（圖4），而酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量呈緩慢減小趨勢(shì)。造成這一結(jié)果的原因可能是：無(wú)芒雀麥粗蛋白含量分配表現(xiàn)為：葉＞莖；纖維含量表現(xiàn)為：莖＞葉。而水分虧缺會(huì)在一定程度上抑制無(wú)芒雀麥節(jié)間伸長(zhǎng)，使得植株莖的生長(zhǎng)發(fā)育受到影響，進(jìn)一步導(dǎo)致其莖葉比減小，因此，適度水分脅迫可有效增加植株粗蛋白含量，減少酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量。汪精海等［28］關(guān)于燕麥的研究發(fā)現(xiàn)，隨著水分虧缺的加劇，燕麥的粗蛋白含量呈先增大后減小的趨勢(shì)，本研究結(jié)果與此有所差異，其原因可能與牧草類型、地域氣候條件、土壤中氮素分布及有限水分供應(yīng)位置等因素有關(guān)。I2較I1，無(wú)芒雀麥粗蛋白含量低且酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量高，其原因可能是：在I2模式下無(wú)芒雀麥?zhǔn)冀K處于水分脅迫狀態(tài)，這間接抑制了植株葉片的生長(zhǎng)，同時(shí)為尋求水分以維持自生生存，葉片中大部分能量被消耗于地下根系生長(zhǎng)。

3.3 灌溉制度模擬

合理的灌溉制度是干旱地區(qū)作物節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的保證。作物模型可以彌補(bǔ)短期試驗(yàn)結(jié)論的局限性，減少試驗(yàn)過程中人力和經(jīng)濟(jì)的投入，實(shí)現(xiàn)多種灌水模式模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)［21］。本試驗(yàn)灌溉制度模擬是基于水量平衡原理，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)氣候特征、作物生理生長(zhǎng)特性做出的合理調(diào)整優(yōu)化措施，輸出結(jié)果包含具體灌水定額，灌水次數(shù)，灌水日期，以便于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，并且可進(jìn)行全生育期或部分生育期水量變化模擬，適合于無(wú)芒雀麥多茬次牧草灌溉制度模擬優(yōu)化。通過對(duì)2019年CK處理下模型模擬效果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)灌水量真實(shí)值與預(yù)測(cè)值誤差在允許范圍內(nèi)，MRE、R2、RMSE、nRMSE分別為13.84%、0.985、24.56 mm、13.58%，模擬精度較好，可用于河西走廊無(wú)芒雀麥灌溉制度模擬優(yōu)化。大田試驗(yàn)結(jié)果得出I1F1處理最優(yōu)，為驗(yàn)證大田試驗(yàn)結(jié)果在河西走廊地區(qū)的普適性，選擇典型枯水年作為模擬年份，對(duì)I1水分調(diào)控模式下4種灌溉制度進(jìn)行情景模擬（表8）發(fā)現(xiàn)：典型枯水年下，情景DF1為最優(yōu)處理，這與大田試驗(yàn)主成分分析結(jié)果一致；情景模擬中隨著虧水程度的加重，作物灌溉水利用效率增加，這與馬千虎等［45］模擬高寒地區(qū)燕麥灌溉水利用效率結(jié)果相符；其次，隨著灌水量減少，牧草粗蛋白含量增加，產(chǎn)量下降率逐漸變大，情景DF3較DCK年減產(chǎn)21.88%，這與徐冰等［46］研究發(fā)現(xiàn)不灌水與充分灌溉相比，燕麥減產(chǎn)率高達(dá)30%的結(jié)果相似。結(jié)合大田試驗(yàn)分析與典型枯水年灌溉制度情景模擬結(jié)果，推薦DF1灌溉制度作為河西走廊地區(qū)無(wú)芒雀麥參考灌溉制度。

4 結(jié)論

科學(xué)的水分調(diào)控模式是保障河西走廊地區(qū)人工草地節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的重要手段。本研究結(jié)論如下：1）隨著灌水量增加，無(wú)芒雀麥產(chǎn)量表現(xiàn)為：在分生育期調(diào)虧灌溉I1下呈開口向下的二次拋物線變化趨勢(shì)，在全生育期調(diào)虧灌溉I2下呈對(duì)數(shù)型增加趨勢(shì)；I1和I2兩種模式下，隨灌水量減小，無(wú)芒雀麥粗蛋白含量均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，而酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量均呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)。2）同一灌水量下，分生育期調(diào)虧灌溉的產(chǎn)量和粗蛋白含量均高于全生育期調(diào)虧灌溉模式，其產(chǎn)量平均提升23.11%，粗蛋白含量平均提升6.09%，結(jié)合主成分分析結(jié)果，不同生育期調(diào)虧灌溉較優(yōu)。3）由大田試驗(yàn)及典型枯水年灌溉制度模擬結(jié)果可知，適宜河西走廊地區(qū)無(wú)芒雀麥參考的灌溉制度為在I1DF1處理下［返青期（75%～85% θFC），拔節(jié)期（65%～85% θFC），抽穗期（65%～85%θFC）］，灌水次數(shù)為12次，灌溉定額為521.76 mm。