淺埋地下滴灌不同土壤基質(zhì)勢調(diào)控對苜蓿生長和產(chǎn)量的影響

李榮承，萬書勤，李曉彬，康躍虎

淺埋地下滴灌不同土壤基質(zhì)勢調(diào)控對苜蓿生長和產(chǎn)量的影響

李榮承1,2，萬書勤1*，李曉彬1，康躍虎1,2

（1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

【目的】探明淺埋地下滴灌不同土壤基質(zhì)勢對苜蓿生長和產(chǎn)量的影響，制定呼倫貝爾地區(qū)苜蓿淺埋地下滴灌的灌溉制度?！痉椒ā恳宰匣ㄜ俎檠芯繉ο螅O(shè)置5個不同的土壤基質(zhì)勢下限處理，將滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢分別控制在-10、-20、-30、-40 kPa和-50 kPa，研究不同土壤基質(zhì)勢對土壤水分布、苜蓿生長、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響。【結(jié)果】淺埋地下滴灌條件下，控制滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢下限可以顯著改變土壤含水率的空間分布，該點土壤基質(zhì)勢閾值越高，0～30 cm土層的土壤含水率則越高。苜蓿的株高和產(chǎn)量隨著土壤基質(zhì)勢的降低呈先增加后降低的變化趨勢，土壤基質(zhì)勢下限控制在-20 kPa時的苜蓿株高和產(chǎn)量最高。苜蓿的平均灌溉水利用效率隨著土壤基質(zhì)勢的降低而升高，當(dāng)土壤基質(zhì)勢下限在-50～-40 kPa范圍內(nèi)時最高?！窘Y(jié)論】為了保證苜蓿高產(chǎn)，當(dāng)耕層土壤保水性能較差且土層淺薄時，淺埋地下滴灌條件下滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢下限建議控制在-20 kPa。

人工草地；淺埋地下滴灌；灌溉制度；土壤基質(zhì)勢；灌溉水利用效率

0 引 言

【研究意義】呼倫貝爾草原由于受到過度放牧、管理粗放及干旱等因素的影響，草場以每年2%的速度退化[1]。因此，建立高產(chǎn)、高效的人工草地，解決草畜矛盾，對天然草地的保護(hù)和恢復(fù)至關(guān)重要。呼倫貝爾地區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性草原氣候，降水不足且時空分布不均，無法滿足人工牧草的高產(chǎn)需求。灌溉是保證該地區(qū)人工牧草高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，提高飼草品質(zhì)的重要因素[2]。然而，當(dāng)?shù)厝斯つ敛莸姆N植業(yè)起步較晚，灌溉技術(shù)落后，仍缺乏適宜的灌溉制度。

滴灌是人工草地最有發(fā)展前景的高效灌溉技術(shù)之一[3]。淺埋地下滴灌是滴灌技術(shù)的主要應(yīng)用形式之一，將滴灌帶（管）埋設(shè)在地表以下5～10 cm深度處的土壤中，具有減少地面蒸發(fā)、避免滴灌帶受強風(fēng)影響等優(yōu)勢。此外，淺埋地下滴灌還具有不影響牧草刈割的優(yōu)勢。【研究進(jìn)展】當(dāng)前，牧草滴灌的灌溉制度的制定標(biāo)準(zhǔn)主要是基于灌溉定額和控制計劃濕潤層的土壤水分狀況[4-6]。灌溉定額受苜蓿品種、土壤類型、降水條件等因素影響，同一地區(qū)或類似地區(qū)推薦的灌溉定額差異較大，普適性較差。仝炳偉等[5]、蔡偉[6]針對寧夏地區(qū)苜蓿地下滴灌的推薦灌水量相差3 900 m3/hm2?？刂朴媱潩駶檶油寥浪譅顩r需要根據(jù)牧草生長發(fā)育確定適宜的計劃濕潤層深度和土壤水分指標(biāo)，常用的土壤水分指標(biāo)為田間持水率，但其田間測定工作量大，測定時間較長。植物根系吸水速率主要取決于土壤水勢與植物根系水勢之差。非鹽堿土和淡水灌溉條件下，可以根據(jù)植物根區(qū)土壤基質(zhì)勢來制定灌溉制度。郭少磊等[7]研究表明，地下滴灌條件下，距離滴頭橫向距離0 cm、地表20 cm深度處的土壤基質(zhì)勢能夠反映作物根系周圍的土壤水分狀況，通過監(jiān)控該點的土壤基質(zhì)勢可以有效制定地下滴灌的灌溉制度。這種方法在不同質(zhì)地結(jié)構(gòu)的土壤中具有通用性，不但可以反映根系吸收土壤水分的難易程度，而且不需要考慮蒸騰量、降水量及作物遺傳因素[8-9]?！厩腥朦c】紫花苜蓿素有“牧草之王”的美稱，其環(huán)境適應(yīng)性強、產(chǎn)草量高、飼用價值高。目前，淺埋地下滴灌不同土壤基質(zhì)勢調(diào)控對苜蓿生長和產(chǎn)量的影響尚不明確，在人工牧草方面基于土壤基質(zhì)勢的淺埋地下滴灌灌溉制度的研究較少。

【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究以苜蓿為研究對象，通過控制滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢下限，研究淺埋地下滴灌不同土壤基質(zhì)勢條件下的土壤水分分布、苜蓿產(chǎn)量、灌溉水利用效率，確定苜蓿適宜的土壤基質(zhì)勢下限，為苜蓿淺埋地下滴灌灌溉制度制定提供理論依據(jù)。

1 試驗與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020—2022年在中國科學(xué)院呼倫貝爾市草牧業(yè)工程實驗室（東經(jīng)119°74′，北緯49°07′）開展。試驗區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性草原氣候，年平均氣溫為-1.1 ℃，年平均降水量為349.20 mm，降水量時空分布不勻。試驗區(qū)土壤類型為砂壤土，0～40 cm土層的平均土壤體積質(zhì)量和飽和含水率為1.56 g/cm3和0.39 cm3/cm3。0～40 cm土層的土壤飽和泥漿提取液的平均pH值為7.25，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷的平均質(zhì)量濃度分別為16.33、0.89 mg/L和0.15 mg/L。不同土層的土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗材料與農(nóng)藝措施

供試苜蓿品種為龍牧806。苜蓿于2020年6月5日播種，8月19日測產(chǎn)。2021年僅進(jìn)行第二茬試驗，7月28日灌溉返青水，9月28日測產(chǎn)。2022年5月25日進(jìn)行第一茬返青水灌溉，7月3日測產(chǎn)；8月12日進(jìn)行第二茬返青水灌溉，9月27日測產(chǎn)。試驗小區(qū)規(guī)格為5.0 m×5.4 m。采用人工行播，行距為30 cm，每個小區(qū)的播種量為41.2 g，滴灌帶鋪設(shè)間距為60 cm，埋設(shè)于距地表以下10 cm深度處的土壤中。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個不同土壤基質(zhì)勢處理，分別為控制滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢下限為-10、-20、-30、-40、-50 kPa。每個處理設(shè)置3個重復(fù)。

播種后對每個處理立即進(jìn)行32 mm的灌溉，苗期依據(jù)幼苗根系分布范圍內(nèi)的土壤墑情進(jìn)行灌溉，每次灌水量為3～4 mm。苗期后，按照設(shè)定的土壤基質(zhì)勢下限進(jìn)行施肥和灌溉，每次灌水量為8 mm，在刈割前7 d停止灌溉。為確保苜蓿順利越冬和返青，設(shè)置冬灌和返青水灌溉的灌水量為32 mm。依據(jù)當(dāng)?shù)剀俎８弋a(chǎn)施肥方案的90%（2020年70%）進(jìn)行施肥。肥料選擇水溶性較高的磷酸二氫鉀和尿素，2020年（僅收獲一茬）施用磷酸二氫鉀149.10 kg/hm2，尿素66.15 kg/hm2；2021年和2022年每茬施用磷酸二氫鉀191.70 kg/hm2，尿素85.05 kg/hm2。

1.4 測定項目及方法

在苜蓿長勢均勻的位置安裝直徑為20 cm的蒸發(fā)皿和雨量筒，每日記錄水面蒸發(fā)量和降水量。在每個處理的田間首部安裝水表，于每次灌水后計量灌水量。每個處理選取試驗小區(qū)內(nèi)苜蓿長勢均勻的位置，在距離地表20 cm（距離滴頭正下方10 cm）深度處埋設(shè)負(fù)壓計，于每日08:00和14:00讀數(shù)以指示灌溉。在苜蓿的分枝期采集土樣，取樣點位置為距離滴頭水平0、7.5、15、22.5、30 cm處，取樣深度為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm和60～80 cm。采用鋁盒烘干法測定土壤質(zhì)量含水率。初花期在每個試驗小區(qū)隨機選取13株長勢均勻的苜蓿，測量每株苜蓿的株高、莖粗（距地表以下5 cm處）和分枝數(shù)，并對葉（小葉、小葉柄、托葉、花序）和莖進(jìn)行分離，稱取鮮質(zhì)量后放入信封中，烘干至恒質(zhì)量后再次測定葉和莖的干質(zhì)量。初花期在每個小區(qū)選取苜蓿長勢均勻的2塊地（規(guī)格為1.0 m×1.2 m）進(jìn)行測產(chǎn)，留茬高度為5 cm，稱量鮮草產(chǎn)量。

灌溉水利用效率（）的計算式為：

式中：為每一茬苜蓿的鮮草產(chǎn)量（kg/hm2）；為每一茬生育期的總灌水量（m3/hm2）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Surfer 20、Excel 2016進(jìn)行繪圖，采用IBM SPSS 26進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間降水量、蒸發(fā)量和不同處理的灌水量

2020年試驗周期內(nèi)的累積降水量為205.90 mm，累積蒸發(fā)量為314.10 mm。2021年第二茬試驗周期內(nèi)累積降水量為143.70 mm，累積蒸發(fā)量為219.70 mm。2022年第一茬試驗周期內(nèi)累積降水量為78.10 mm，累積蒸發(fā)量為258.90 mm。2022年第二茬試驗周期內(nèi)累積降水量為34.40 mm，累積蒸發(fā)量為256.40 mm。按照干旱系數(shù)法的劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，試驗區(qū)2020年和2021年為豐水年，2022年為干旱年。

不同處理的灌溉情況如表2—表5所示。在2020年和2021年，除2021年的-50 kPa處理外，苜蓿的灌水量總體上隨土壤基質(zhì)勢的降低而減少，-10 kPa處理的灌水量最多，不同處理間灌水量差異較小。2020年是試驗開始的第一年，為了保證出苗和幼苗生長，在播種后和苗期進(jìn)行適度灌溉，灌溉周期相對較長，各處理的灌水量較高。在2022年（干旱年），隨著土壤基質(zhì)勢的降低，2茬苜蓿的灌水量呈先增加后減少的趨勢，土壤基質(zhì)勢為-20 kPa時灌水量最多，不同處理之間灌水量差異較大。

表2 2020年不同土壤基質(zhì)勢處理下的灌溉情況

表3 2021年不同土壤基質(zhì)勢處理下的灌溉情況

表4 2022年第一茬不同土壤基質(zhì)勢處理下的灌溉情況

表5 2022年第二茬不同土壤基質(zhì)勢處理下的灌溉情況

2.2 苜蓿生長期內(nèi)20 cm深度處土壤基質(zhì)勢的變化規(guī)律

不同降水年型苜蓿生長階段土壤基質(zhì)勢的變化存在顯著差異（圖1）。2020年降水充足且分布均勻，不同處理土壤基質(zhì)勢的波動幅度較小，且不同處理間土壤基質(zhì)勢差異不顯著，-10、-20、-30、-40、-50 kPa處理的土壤平均基質(zhì)勢分別為-7.57、-6.79、-8.80、-13.16、-7.79 kPa，其中-30 kPa和-50 kPa處理的土壤基質(zhì)勢未降低到設(shè)定的灌溉閾值。2021年不同處理土壤基質(zhì)勢的波動幅度較大，但均低于設(shè)定閾值，-10、-20、-30、-40、-50 kPa處理的土壤平均基質(zhì)勢分別為-6.62、-10.04、-13.08、-13.94、-22.28 kPa。2022年不同處理間土壤基質(zhì)勢差異較大且波動劇烈。6月30日和9月25日后，不同處理的土壤基質(zhì)勢顯著低于設(shè)定閾值。-10、-20、-30、-40、-50 kPa處理的第一茬土壤平均基質(zhì)勢分別為-8.85、-15.50、-18.80、-26.43、-31.18 kPa，第二茬分別為-9.15、-18.88、-21.44、-23.14、-36.03 kPa。

2.3 苜蓿分枝期土壤含水率空間變化規(guī)律

苜蓿分枝期生長迅速，耗水強度大，這一時期的土壤水分狀況對苜蓿產(chǎn)量具有顯著影響[11]。由于個別試驗小區(qū)在40～60 cm深度及以下區(qū)域為砂石層，因此部分處理未能獲得0～80 cm全部土層的土壤含水率空間分布。

無論是在2021年（豐水年）還是2022年（干旱年），淺埋地下滴灌灌溉條件下，隨著土層深度的增加，土壤含水率均顯著降低。土壤基質(zhì)勢閾值顯著影響土壤含水率的空間分布，滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢閾值越高，0～30 cm土層的土壤含水率則越高（圖2）。其中，2021年-10、-20、-30、-40 kPa和-50 kPa處理下的0～30 cm土層的平均土壤含水率分別為12.74%、11.65%、12.20%、11.81%和10.84%，約為田間持水率（砂壤土田間持水率按照文獻(xiàn)[12]的標(biāo)準(zhǔn)計算）的91%、83%、87%、84%和77%；40～80 cm土層的土壤含水率顯著降低。2022年-10、-20、-30、-40 kPa和-50 kPa處理0～30 cm土層的平均土壤含水率分別為9.35%、8.29%、7.10%、9.09%和6.87%，約為田間持水率的67%、59%、51%、65%和49%。

圖1 不同處理苜蓿生長階段土壤基質(zhì)勢變化

圖2 2021年和2022年第一茬苜蓿分枝期不同處理土壤含水率分布

2.4 苜蓿初花期生長指標(biāo)

由于2020年-30 kPa和-50 kPa處理的土壤基質(zhì)勢未降低到灌溉閾值，因此僅分析-10、-20、-40 kPa處理。由表6可知，2020年苜蓿的株高、莖粗和分枝數(shù)隨著土壤基質(zhì)勢的降低先增加后降低，均在-20 kPa處理下達(dá)到最高；不同處理間的莖葉比沒有顯著差異。2021年苜蓿的株高隨著土壤基質(zhì)勢的降低先增加后降低，-10 kPa和-20 kPa處理下的平均株高顯著高于-30、-40 kPa和-50 kPa處理；莖粗、分枝數(shù)和干鮮比在不同處理間沒有顯著差異。2022年第一茬苜蓿的株高隨著土壤基質(zhì)勢的降低先增加后降低，在-20 kPa處理下達(dá)到最高；莖粗、分枝數(shù)和莖葉比在不同處理間沒有顯著差異。第二茬苜蓿的株高、莖粗和分枝數(shù)均隨著土壤基質(zhì)勢的降低先增加后降低，在-20 kPa處理下達(dá)到最高，但處理間沒有顯著差異。

表6 不同土壤基質(zhì)勢苜蓿初花期生長指標(biāo)

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。

2.5 苜蓿鮮草產(chǎn)量

由表7可知，除了2022年第二茬-50 kPa處理的苜蓿鮮草產(chǎn)量顯著低于其他處理外，其余處理間的鮮草產(chǎn)量均無顯著差異，但總體上鮮草產(chǎn)量隨著土壤基質(zhì)勢的降低呈先增加后降低的趨勢，在-20 kPa處理下達(dá)到最高。其中，2020—2022年-20 kPa處理的苜蓿鮮草平均產(chǎn)量為18 795.14 kg/hm2，相比-10、-30、-40 kPa和-50 kPa處理的分別提高9.40%、11.19%、14.73%和27.95%。相比以往研究中地面灌溉條件下的同一試驗區(qū)的相同苜蓿品種[13]，本研究中-20 kPa處理下的苜蓿鮮草產(chǎn)量有顯著提升。

表7 2020—2022年不同土壤基質(zhì)勢處理下的苜蓿鮮草產(chǎn)量

2.6 灌溉水利用效率

由表8可知，不同處理的灌溉水利用效率介于9.03～26.77 kg/m3之間，-10、-20、-30、-40、-50 kPa 處理的平均灌溉水利用效率分別為12.67、13.35、15.02、15.05、16.72 kg/m3。

表8 2020—2022年不同土壤基質(zhì)勢處理下的灌溉水利用效率

3 討 論

淺埋地下滴灌條件下，控制滴頭正下方10 cm深度（距離滴頭橫向距離0 cm、地表以下20 cm深度處）處的土壤基質(zhì)勢下限可以顯著影響土壤含水率的空間分布，該點土壤基質(zhì)勢閾值越高，0～30 cm土層的土壤含水率則越高。苜蓿株高、鮮草產(chǎn)量和灌溉水利用效率與該點土壤基質(zhì)勢存在密切關(guān)系，這與康躍虎等[8]在地表滴灌條件下的研究結(jié)論一致。地表滴灌條件下，控制滴頭正下方的土壤基質(zhì)勢可以有效控制作物根系分布范圍內(nèi)的土壤水分狀況，且作物的生長、產(chǎn)量、耗水特征與該點土壤基質(zhì)勢關(guān)系密切，可以通過監(jiān)控該點的土壤基質(zhì)勢來制定地表滴灌的灌溉制度[14-15]。本試驗區(qū)的土壤為砂壤土，保水能力差且土層厚度較?。ㄔ?0～60 cm深度及以下為砂石層），該土壤條件下苜蓿根系分布區(qū)儲存的水量有限，在苜蓿需水高峰期（苜蓿全生長季的需水強度為3～7 mm/d，短期極端最高需水強度可達(dá)到14 mm/d[16]），如果土壤基質(zhì)勢較低，則無法及時補充根系主要分布區(qū)消耗的土壤水分，苜蓿易遭受水分脅迫。在干旱年，-50～-10 kPa處理0～30 cm土層的平均土壤含水率在6.87%～9.35%之間，約為田間持水率的49%～67%，而寇丹[17]推薦的田間持水率為60%。因此，考慮到苜蓿的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，當(dāng)耕作層土壤保水能力較差且土層淺薄時，苜蓿淺埋地下滴灌滴頭正下方10 cm深度處土壤基質(zhì)勢下限建議為-20 kPa，以防苜蓿在需水關(guān)鍵期遭受干旱，造成大幅度減產(chǎn)。這與李森等[18]推薦的土壤基質(zhì)勢下限較為接近。

當(dāng)耕作層土壤保水能力較好且土層深厚時，在缺水地區(qū)考慮到水資源的高效利用，苜蓿淺埋地下滴灌滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢下限建議為-40 kPa，以提高灌溉水利用效率。這與Hanson等[19]推薦的土壤基質(zhì)勢閾值基本一致。

4 結(jié) 論

1）淺埋地下滴灌條件下，控制滴頭正下方10 cm深度處的土壤基質(zhì)勢下限可以顯著影響土壤含水率空間分布，該點土壤基質(zhì)勢閾值越高，0～30 cm土層的平均土壤含水率則越高。

2）隨著土壤基質(zhì)勢的降低，苜蓿的株高和鮮草產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢，當(dāng)土壤基質(zhì)勢下限為-20 kPa時，苜蓿的株高和鮮草產(chǎn)量最高。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）

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Effects of Matric Potential Threhold Used for Control of Shallow Drip Irrigaion on Growth and Yield of Alfalfa

LI Rongcheng1,2, WAN Shuqin1*, LI Xiaobin1, KANG Yuehu1,2

(1. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 2. College of Resources and Environment Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

【Objective】Matric potential measured at a position below the emitter is often used as a threshold to control drip irrigation. In this paper we investigate the effect of the threshold on growth and yield of alfalfa irrigted by shallow drip irrigation.【Method】The field experiment was conducted in Hulunbeier area in Inner Mongolia, with the variety Longmu 806 used as the model plant. We compared five matrix potential thresholds measured at the depth of 10 cm below the emitter: -10, -20, -30, -40 kPa and -50 kPa, to study their effects on soil moisture distribution, growth and fresh grass yield, as well as water use efficiency of the alfalfa.【Result】The matrix potential threhold significantly affected spatial distribution of soil moisture; the higher the soil matrix potential threshold was, the higher the soil water content in the 0～30 cm soil layer was. With the decrease in the matrix potential, the plant height and fresh grass yield of the alfalfa increased first and then declined; the highest plant height and fresh grass yield were achieved when the soil matrix potential was -20 kPa. The average irrigation water use efficiency of the alfalfa increased with the decrease in soil matrix potential, and the highest irrigation water use efficiency was when the soil matrix potential was between -50 kPa and -40 kPa.【Conclusion】In order to maintain high and stable grass yield, for 1～3 year old alfalfa, the soil matrix potential threshold at the depth of 10 cm underneath the emitter of the shallow subsurface drip irrigation should be -20 kPa, when water holding capacity of the soil in the tillage layer is poor and the roots of the alfalfa are shallow.

artificial grassland; shallow subsurface drip irrigation; irrigation schedule; soil matrix potential; irrigation water use efficiency

1672 - 3317（2023）09 - 0025 - 07

S275.6；S541

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023084

李榮承, 萬書勤, 李曉彬, 等. 淺埋地下滴灌不同土壤基質(zhì)勢調(diào)控對苜蓿生長和產(chǎn)量的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2023, 42(9): 25-31.

LI Rongcheng, WAN Shuqin, LI Xiaobin, et al. Effects of Matric Potential Threhold Used for Control of Shallow Drip Irrigaion on Growth and Yield of Alfalfa[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 25-31.

2023-03-09

2023-05-12

2023-09-15

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項課題（XDA26050104）；中國科學(xué)院前沿研究項目（QYZDJ-SSW-DQC028）

李榮承（1997-），男。碩士研究生，主要從事農(nóng)田水循環(huán)與節(jié)水灌溉研究。E-mail: lirc.20s@igsnrr.ac.cn

萬書勤（1978-），女。副研究員，主要從事農(nóng)田水循環(huán)與節(jié)水灌溉研究。E-mail: wansq@igsnrr.ac.cn

@《灌溉排水學(xué)報》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：韓 洋