不同灌溉施肥條件對紫花苜蓿株高、產(chǎn)量及肥料利用效率的影響

黃佳媛 ，盧軒 ，李天琦 ，趙力興 ，高凱 *

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)飼用作物數(shù)字化栽培及高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 通遼 028043；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中‐美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；4 興安盟農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 興安盟 137400）

紫花苜蓿（Medicago sativa）為多年生豆科（Legu‐minosae）牧草，有“牧草之王”的美譽(yù)。近年來，國家種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力提倡退耕還林還草，苜蓿作為優(yōu)質(zhì)牧草之一，種植面積不斷擴(kuò)大，國內(nèi)市場對苜蓿的需求與日俱增。到2020年我國養(yǎng)殖場消費(fèi)優(yōu)質(zhì)商品苜蓿干草已達(dá)250萬噸，其中國產(chǎn)干草占供應(yīng)量的46%，進(jìn)口干草占53.4%［1］。我國仍然需要進(jìn)口大量優(yōu)質(zhì)苜蓿來解決市場需求［2］?？茽柷叩貐^(qū)響應(yīng)國家政策，苜蓿種植、加工業(yè)得到快速發(fā)展，種植面積不斷增加，投資力度不斷擴(kuò)大，機(jī)械化水平不斷提高，是新興的優(yōu)質(zhì)苜蓿生產(chǎn)基地［3］，享有“中國草都”之稱?？茽柷呱车匚挥谖覈狈礁珊蛋敫珊档貐^(qū)，土質(zhì)疏松，土壤貧瘠，養(yǎng)分含量低且流失嚴(yán)重，保水保肥能力較差，在實(shí)際生產(chǎn)中仍然存在苜蓿投資力度過大，產(chǎn)量及品質(zhì)下降，水肥利用效率低的現(xiàn)象，所以水分和肥料的合理施用顯得尤為重要［4］。

灌水和施肥是影響牧草生長發(fā)育的兩大必不可少的環(huán)境因素，水肥的高效利用是苜蓿高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵，利用水肥間的協(xié)同作用進(jìn)行合理的水肥管理是改善苜蓿生長發(fā)育和提高苜蓿草產(chǎn)量、品質(zhì)的重要手段［5］。大量研究表明合理的水肥管理能夠促進(jìn)苜蓿的生長發(fā)育，提高苜蓿的產(chǎn)量及品質(zhì)。沙栢平等［2］在寧夏地區(qū)設(shè)置不同施肥及灌水處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)灌水和施肥對苜蓿生長具有顯著影響，合理的水肥供應(yīng)能顯著提高紫花苜蓿的株高和生長速率，促進(jìn)光合同化物的積累及產(chǎn)量的形成；胡優(yōu)［6］對紫花苜蓿進(jìn)行水肥效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，灌水處理對苜蓿產(chǎn)量的影響要大于施肥處理，在灌水量為4 500 m3/hm2時，有利于苜蓿種植當(dāng)年干草產(chǎn)量的提高及營養(yǎng)物質(zhì)的積累；研究表明在分枝期到現(xiàn)蕾期紫花苜蓿的植株高度與生長速率呈正相關(guān)，水分供應(yīng)充足，苜蓿株高越高，產(chǎn)量也就越大［7］。但在不同生育時期苜蓿的需水量及需水規(guī)律不同，水分供應(yīng)根據(jù)苜蓿蒸騰速率及各地區(qū)的降雨量進(jìn)行補(bǔ)給，過量的灌水會造成苜蓿減產(chǎn)；肥料為苜蓿的生長提供營養(yǎng)元素，參與苜蓿的生理功能及代謝過程，缺乏或過剩都會使苜蓿生理功能失調(diào)而造成減產(chǎn)［8］。在干旱脅迫時水分成為影響苜蓿產(chǎn)量的限制因素，水分充足時苜蓿產(chǎn)量又受到肥料的制約，水分和肥料不是單獨(dú)發(fā)揮作用，而是相互促進(jìn)，相輔相成的。水分是肥料溶解、遷移的載體，而肥料只有溶解在水中才能在土壤中移動，運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而被植物吸收［9］。本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，針對科爾沁沙地的特性，以科爾沁沙地紫花苜蓿為試驗(yàn)材料，對其進(jìn)行灌水量和施肥量雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，研究不同灌溉量、施肥量對科爾沁沙地紫花苜蓿產(chǎn)量、肥料利用效率的影響，探討科爾沁沙地圓形噴灌機(jī)下人工種植紫花苜蓿草地適宜灌溉和施肥量，可為本地區(qū)建立高產(chǎn)節(jié)水的紫花苜蓿栽培技術(shù)提供依據(jù)，同時對促進(jìn)草牧業(yè)發(fā)展及解決苜蓿的市場需求也具有重要的意義。

1 材料和方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市阿魯科爾沁旗邵根鎮(zhèn)綠生源生態(tài)科技有限公司，地理坐標(biāo)為E 120°35′，N 43°42′，中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫 5.5 ℃，年日照時數(shù) 2 760~3 030 h，年積溫2 900~3 400 ℃，無霜期 95~140 d，年降水量 300~400 mm，主要集中在6~8月，年蒸發(fā)量2 000~2 500 mm。沙壤土，0~100 cm土層土壤容重為1.45 g/cm3，田間持水量為16.31%。試驗(yàn)地為2017年建植紫花苜蓿人工草地，品種為WL298HQ，播種量為45 kg/hm2，行距15 cm。試驗(yàn)地土壤營養(yǎng)成分堿解氮含量38.8 mg/kg，速效磷含量2.1 mg/kg，速效鉀含量103 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量7.28 mg/kg，pH值7.26。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用灌水量、施肥量的二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，具體如下：

灌 溉 量 ：60%ETc（Eapotranspiration，ETc）、80%ETc、 100%ETc、 120%ETc（60ET、 80ET、100ET、120ET），

施肥量：0、225、450、675、900 kg/hm2（CK、F1、F2、F3、F4），分 3次施入。

共20個小區(qū)，每個小區(qū)含5個重復(fù)，每個小區(qū)面積200 m2。

當(dāng)W3處理0~60 cm土層含水量達(dá)到田間持水量的 60% 時 W1、W2、W3、W4開始灌溉，灌溉量為相鄰兩次灌溉時期內(nèi)累計ETc的60%、80%、100%和120%。ETc利用日平均風(fēng)速、日最高氣溫、日最低氣溫、日最大相對濕度、日最小相對濕度、日降水量等氣象因子，依照Penman‐Monteith公式計算出參考作物蒸發(fā)量［10］；為判斷土壤水分含量是否到達(dá)灌溉下限，在W3處理內(nèi)埋設(shè)6組測定管，用來檢測W3處理內(nèi)不同位置土壤含水量，最終取6組數(shù)據(jù)的平均值，從而消除土壤空間變異性對灌水時間的影響，使用TRIME‐TDR測量系統(tǒng)測定土壤含水量，每天測定1次，分別在距地表20、40、60 cm處測定。

表1 2018年試驗(yàn)期內(nèi)氣象數(shù)據(jù)Table 1 Meteorological data during the test period in 2018

施肥時間為返青后（5月10日）、第1茬收獲后（6月16日）、第2茬收獲后（8月2日），每次施入總量的1/3，肥料為藍(lán)磷315，總養(yǎng)分含量（N+P2O5+K2O）≥45%，其中 N∶P∶K=11∶19∶15，施肥方式模擬當(dāng)?shù)厮室惑w化進(jìn)行，將肥料充分溶解后均勻撒入小區(qū)內(nèi)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 紫花苜蓿株高的測定 測產(chǎn)前，每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10株，用卷尺測量其自然株高。

1.3.2 紫花苜蓿生物量及根冠比的測定 地上生物量的測定：每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取4個1 m×1 m的樣方進(jìn)行刈割，留茬高度5 cm，刈割后立即稱取鮮重，烘干至恒重稱取干重。

地下生物量：第3茬刈割后，在樣方內(nèi)隨機(jī)選取25 cm×25 cm×25 cm的小樣方進(jìn)行取樣，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室洗凈，稱取鮮重，烘干至恒重稱取干重。

1.3.3 參數(shù)計算 根冠比=地下生物量/地上總生物量。

采用下面的公式計算肥料的相關(guān)參數(shù)［11］

AE=（Y-Y0）/F

式中：AE為肥料農(nóng)學(xué)效率，Y為施肥區(qū)苜蓿產(chǎn)量，Y0無肥區(qū)苜蓿產(chǎn)量（kg/hm2），F(xiàn) 施肥量（kg/hm2）。

PFP =Y/F

式中：PFP為肥料偏生產(chǎn)力，Y為施肥區(qū)苜蓿產(chǎn)量（kg/hm2），F(xiàn)為施肥量（kg/hm2）。

FCR：肥料貢獻(xiàn)率=（施肥區(qū)產(chǎn)量-無肥區(qū)產(chǎn)量）/施肥區(qū)產(chǎn)量 × 100%。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 采用DPS 14.0軟件和Excel對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥和灌水對紫花苜蓿生物量及肥料利用效率的影響

灌水對苜蓿第2、3茬株高及肥料偏生產(chǎn)力具有極顯著影響（P<0.01），對苜蓿肥料貢獻(xiàn)率具有顯著影響（P<0.05）；施肥對苜蓿第1、2茬株高具有極顯著影響（P<0.01）（表2）。灌水和施肥對苜蓿第 1、2茬株高、第3茬地上生物量、根冠比、地下生物量、總生物量、肥料農(nóng)學(xué)效率、肥料偏生產(chǎn)力及肥料貢獻(xiàn)率均具有極顯著影響（P<0.01）。

表2 施肥和灌水對紫花苜蓿生物量及肥料利用效率影響的方差分析Table 2 Effects of fertilization and irrigation on biomass volume and fertilizer utilization efficiency of alfalfa

2.2 施肥和灌水對紫花苜蓿株高的影響

在60ET灌水F3施肥條件下第1茬株高達(dá)到最大值，為71.8 cm ，在60ET灌水F3施肥條件下第2茬株高達(dá)到最大值，為79.32 cm ，在60ET灌水F4施肥條件下第3茬株高達(dá)到最大值，為81.44 cm；相同灌溉量不同施肥處理條件下第2茬和第3茬株高均顯著高于對照（P<0.05），相同施肥量不同灌水條件下，第2茬和第3茬均隨著灌水量的增加呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢；第1茬紫花苜蓿株高隨著施肥和灌水量的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。在不同灌水和施肥條件下，苜蓿株高隨著茬次的增加呈逐漸增加的變化趨勢（表3）。

表3 不同施肥和灌水條件下的紫花苜蓿株高Table 3 Alfalfa plant heights under fertilization and irrigation levels

2.3 施肥和灌水對紫花苜蓿產(chǎn)量的影響

第1、2茬地上生物量和總生物量的最大值均出現(xiàn)在80ET灌水F2施肥條件下，分別為5 716.84、6 492.36和18 903.15 g，第3茬地上生物量和地下生物量的最大值均出現(xiàn)在120ET灌水F1施肥條件下，分別為4 637.75和4 464.00 g。在相同施肥不同灌水條件下，苜蓿第1茬地上生物量隨著灌水量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢；除F4施肥水平，各施肥水平下苜蓿第2茬生物量的最大值均出現(xiàn)在80ET時；苜蓿第3茬地上生物量最大值均出現(xiàn)在120ET；地下生物量和總生物量表現(xiàn)出不同的變化趨勢。在120ET灌水處理下，各施肥水平下的苜蓿地上、地下和總生物量均無顯著性差異；在其他灌水處理下，苜蓿地上、地下和總生物量表現(xiàn)出不同的變化趨勢。苜蓿3茬生物量中第2茬生物量大于第1茬生物量和第3茬生物量（表4）。

表4 施肥和灌水對紫花苜蓿產(chǎn)量的影響Table 4 Alfalfa yield under fertilization and irrigation conditions kg·hm-2

2.4 施肥和灌水對紫花苜蓿根冠比的影響

在120ET灌水F1施肥條件下苜蓿根冠比達(dá)到最大值，為0.345（圖1）。在相同灌水不同施肥處理時，在60ET、80ET 灌水條件下，苜蓿根冠比隨著施肥量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的變化趨勢，100ET 、120ET灌水條件下苜蓿根冠比隨著施肥量的增加表現(xiàn)出不同的變化趨勢；在相同施肥和不同灌水處理下，在F1、F2施肥水平下，苜蓿根冠比隨著灌溉量的增加呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢，F(xiàn)3、F4灌水條件下苜蓿根冠比隨著灌水量的增加表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

圖1 不同施肥和灌水條件下的根冠比Fig.1 Alfalfa plant ratio of root to shoot under irrigation and fertilization

2.5 施肥和灌水對紫花苜蓿的肥料利用效率的影響

肥料農(nóng)學(xué)效率最大值出現(xiàn)在80ET灌水和F2施肥條件下，肥料偏生產(chǎn)力的最大值出現(xiàn)在80ET灌水和F1施肥條件下，肥料貢獻(xiàn)率的最大值出現(xiàn)在100ET灌水和F4施肥條件下，值分別為7.15 kg/kg、60.08 kg/kg、23.48%（表5）。在相同灌水而不同施肥的條件下，120ET灌水下不同施肥對肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻(xiàn)率沒有顯著性影響，而肥料偏生產(chǎn)力在各灌水處理下隨著施肥量的升高而降低，在60ET灌水處理下肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻(xiàn)率隨著施肥量的增加呈逐漸升高的變化趨勢；在相同施肥不同灌水條件下，除F4施肥處理外，肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻(xiàn)率隨著灌水量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，肥料偏生產(chǎn)力在F2和F4施肥處理下隨著灌水量的增加呈先升高后降低的變化趨勢。

表5 施肥和灌水對紫花苜蓿肥料利用效率的影響Table 5 The effects of fertilization and irrigation on the fertilizer utilization efficiency of alfalfa

3 討論

水分是植物生長發(fā)育過程中重要的環(huán)境因素，是土壤養(yǎng)分與植物根系聯(lián)系的媒介，作物的產(chǎn)量更是與土壤水分密切相關(guān)，肥料只有溶于水中才能在土壤中遷移，最后被植物根系吸收［12］，而肥料中的礦質(zhì)元素也能促進(jìn)植物對水肥的利用，提高水分的利用效率［13］。生物量是體現(xiàn)植物生長狀況和生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。趙金梅等［14］和霍海麗等［15］的研究表明水分可以促進(jìn)作物增產(chǎn)，苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)隨灌水量的增加而增加。也有研究表明灌水較多，間隔時間過長不利于苜蓿生長，會造成苜蓿矮小，產(chǎn)量下降，水分利用效率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重［16］。董國鋒等［17］和寇丹等［18］研究表明適量的水分虧缺不總是造成作物減產(chǎn)，在作物生長的一定生育時期，適度的缺水會使作物在節(jié)水的同時獲得高產(chǎn)；孟兆江等［19］的研究表明玉米（Zea mays）調(diào)虧灌溉可以達(dá)到玉米高產(chǎn)的目的，同時還可以避免水資源的浪費(fèi)。本研究發(fā)現(xiàn)在相同施肥量的情況下，苜蓿第1茬和第2茬地上生物量的最大值均出現(xiàn)在80ET時，顯著高于其他灌水處理，說明適度的水分不足不會使苜蓿產(chǎn)量下降，反而會刺激苜蓿自身的調(diào)節(jié)機(jī)制和補(bǔ)償功能，促進(jìn)光合同化物的積累，與正常灌溉下的苜蓿產(chǎn)量無顯著性差異，這與前人［20］的研究較為一致。此外生長期內(nèi)收獲3茬苜蓿，生物量的大小關(guān)系為第2茬地上生物量>第1茬地上生物量>第3茬地上生物量，這可能是由于第2茬草生長階段北方地區(qū)降雨量增多，且第2茬時的溫濕度使得苜?？焖偕L，所以第2茬生物量最大，第1茬和第3茬生長階段降雨量較少，苜蓿的水分來源主要靠灌溉獲取，且返青后氣溫較低，抑制了雜草的生長，充足的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)給苜蓿，使其生長發(fā)育較快，因此第1茬生物量要高于第3茬生物量［21］；還可能是因?yàn)檐俎５?、2茬生長期內(nèi)灌水較多，第3茬生長期內(nèi)的灌水較少導(dǎo)致第1、2茬生物量高于第3茬生物量，水分可以提高土壤養(yǎng)分的礦化及有效性，促進(jìn)苜蓿根系對水分及養(yǎng)分的吸收和利用，而養(yǎng)分能夠加快苜蓿光合作用同化物積累，提高水分利用效率，這與馬彥麟等［22］的研究結(jié)果一致。

肥料中含有作物所需要的礦質(zhì)元素，它們參與作物的光合作用和代謝過程，也是植物體多種化合物及輔酶的組成成分，是作物達(dá)到高產(chǎn)的限制性因素［23］。但也有研究顯示不合理的施肥不僅不會促進(jìn)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，還會降低肥料的利用效率，造成環(huán)境的污染及資源的浪費(fèi)［24］。肥料利用率是評價養(yǎng)分管理的重要指標(biāo)，而近年來由于有機(jī)和無機(jī)肥料的增施，土壤及環(huán)境中的養(yǎng)分增加，肥料利用率低下，肥料偏生產(chǎn)率逐漸成為評價的指標(biāo)［11，25］。肥料偏生產(chǎn)力指在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)單位農(nóng)作物所需要施入的化肥數(shù)量，對施肥的宏觀決策有一定的指導(dǎo)意義，而肥料農(nóng)學(xué)效率是評價肥料增產(chǎn)效益較為準(zhǔn)確的指標(biāo)［26］。胡偉等［27］的研究表明，一定程度的灌水量和施肥量可以提高紫花苜蓿的氮肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力。張冠初等［28］發(fā)現(xiàn)適量地減施氮肥再配施鈣肥能夠增加植株的凈光合速率、產(chǎn)量和肥料貢獻(xiàn)率。本研究發(fā)現(xiàn)肥料的農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻(xiàn)率120ET高灌水處理下，隨著施肥量的增加沒有顯著性差異，但顯著低于80ET低灌水處理，且肥料的農(nóng)學(xué)效率在80 ET灌水條件下達(dá)到峰值；肥料偏生產(chǎn)力在F2和F4施肥處理下隨著灌水量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，進(jìn)一步解釋了降雨或灌水過多會造成土壤養(yǎng)分的淋溶損失，肥料供應(yīng)不足，植物生長緩慢，降低肥料的利用效率［29］。

4 結(jié)論

在科爾沁沙地適量的灌水和施肥能顯著提高紫花苜蓿的株高、地上生物量、根冠比，灌水和施肥均會影響苜蓿的生物量和肥料利用效率，在高灌水處理下隨著施肥量的增加，苜蓿產(chǎn)量和肥料利用效率較低灌水處理低，在80ET灌水量、450 kg/hm2施肥量下苜蓿第 1，2茬生物量達(dá)最大值，分別為 5 717 g/m2、6 492 g/m2；3茬苜蓿中第3茬株高最大，最大值出現(xiàn)在900 kg/hm2施肥條件下，與450 kg/hm2施肥處理無顯著差異；在80ET灌水450 kg/hm2施肥處理下肥料農(nóng)學(xué)效率達(dá)到最大值，且顯著高于60ET和120ET灌水處理。從節(jié)水和可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，科爾沁地區(qū)最佳灌水量和施肥量是80ET和450 kg/hm2。