灌溉和施氮對種植第2年紫花苜蓿產量、水分利用效率及土壤全氮含量的影響

尹 輝，王 琦，2，師尚禮，張恩和，王田濤，劉青林，劉朝巍，俞華林

（1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中－美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室和青藏高原冰凍圈觀測試驗研究站，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅農業大學 農學院，甘肅 蘭州 730070）

紫花苜蓿是我國栽培歷史悠久、分布面積廣的多年生豆科牧草［1，2］。具有生態適應性廣、草產量高、營養品質好等優良特性，是我國北方糧草輪作首選草種［3］。近年來，隨著我國農業產業結構調整，紫花苜蓿種植逐漸被廣大農民所重視，被認為是提高農業綜合效益的重要手段［4］。甘肅省河西綠洲灌區是依賴高山冰雪融水灌溉的農業區，多年平均降水量160mm，降水 主要集中于7～9月，年蒸發量＞2000mm［5］，只有進行適當灌溉才可以進行牧草生產［6，7］，水資源缺乏成為限制紫花苜蓿生產的重要因素。因此，合理有效地利用灌溉水，提高降水利用效率是該地區進行紫花苜蓿建植和提高草產量的關鍵［8］。

苜蓿幼苗期或刈割后，根瘤菌活性比較弱，從土壤中吸收礦質氮難以滿足其需求，因此，在苜蓿苗期或刈割后施入氮肥，可以促進幼苗生長，提高苜蓿干物質積累和營養成分［9］。但有些學者認為大量施氮會抑制根瘤發展，降低根毛侵染和已接種根的固氮活性［10］，國內外對紫花苜蓿種植施氮觀點不統一。Raun和Johnson［11］的研究表明，與施氮11和22kg/hm2相比，施氮44kg/hm2將導致紫花苜蓿的產量降低、氮肥利用率也降低。

灌溉是影響紫花苜蓿生產力的關鍵因素［12］。孫洪仁等［13］研究表明，紫花苜蓿干物質產量隨著灌水量增加而增加。陳林等［7］研究表明，當灌溉量＞175mm或＜100mm，灌溉對苜蓿干物質產量產生負效應。關于紫花苜蓿水分利用效率 （WUE）與灌溉量的關系，Guitjens等［14］認為紫花苜蓿WUE與灌溉量呈線性負相關，而Carter等［15］研究結果表明紫花苜蓿 WUE與灌溉量呈拋物線關系。探索種植紫花苜蓿的適宜灌溉量對節約水資源和提高紫花苜蓿生產力有一定的現實意義。

土壤全氮反映土壤氮素總量和源庫水平［16］。劉志鵬等［17］研究表明，土壤全氮含量水平較低，表層0～20cm土壤中全氮含量相對最高。土壤全氮含量的垂直分布無較大波動，未出現明顯的相對高值層和低值層。劉春紅等［18］研究表明，農肥、化肥、秸稈的投入都能增加土壤全氮含量，其貢獻率依次為農肥＞秸稈＞化肥。

近年來，多數研究集中于灌溉模式［19，20］、灌溉量、灌水次數和灌水時期［7，13，21］對紫花苜蓿草產量和WUE的影響，而研究灌溉和施氮互作對紫花苜蓿草產量、WUE以及土壤全氮影響的研究相對較少。研究不同灌溉和施氮對種植第2年紫花苜蓿草產量、WUE以及土壤全氮的影響，尋找種植第2年紫花苜蓿產量和WUE較高以及有利于培養肥力的最佳灌溉量和施氮量，旨在為合理利用有限水資源、提高氮肥利用率和減少氮素對地下水污染等方面提供理論依據。

1 研究地區概況與研究方法

1.1 試驗地概況

試驗于2010年4～10月在甘肅省武威市涼州區甘肅農業大學武威試驗站進行，地理位置N 36°29′，E 101°49′。該區依靠石羊河水和地下水灌溉，常年平均地下水位65m以下，地下水補給量忽略不計。該地區屬冷溫帶干旱區，是典型的大陸性氣候，日照充足，熱量豐富，氣候干燥。平均海拔1 776m，降水年際和季節變化較大，多年平均降水量160mm，主要集中在7～9月，冬春季干旱，年潛在蒸發量2 400mm，年均氣溫7.12℃，1月最低氣溫為－27℃，7月最高氣溫為34℃，≥10℃年積溫2 985℃。全年無霜期156d，太陽輻射總量6 000MJ/m2，年日照時數3 051h。土壤以綠洲灌淤土為主，粉沙壤質，土層深厚。

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機裂區設計，灌溉為主處理，灌溉量的3個水平為當地紫花苜蓿常規灌溉量330mm、節水20%灌溉量264mm和節水40%灌溉量198mm，施氮量為副處理，4個施N水平分別為N0、N40、N80、N120（折合純氮0、40、80、120kg/hm2），灌溉水平中常規灌溉作為對照，施氮水平中N0作為對照，共有12個處理（3個灌溉水平×4個施氮水平），重復3次，小區面積為4m×9m＝36m2。為了消除小區之間的側向水分與N素移動，主區之間設置1.25m人行道，副區之間設置1m走道。灌溉水源為附近井水，采用壓管將井水灌入田間，用水表進行計量，灌水量及灌水時間見表1。2009年播種前，首先沿每一小區的對角線等距離取3鉆土壤樣品，采樣深度40cm，按20cm分層，相同層次的土壤混合為1個樣，分析土壤有機質、養分含量與pH值的變異系數，經統計分析符合農化試驗的要求。土壤理化性質見表2［5］。

表1 紫花苜蓿生育期灌水量及灌溉時間Table 1 The rate and date of irrigation during alfalfa growing seasons mm

表2 試驗區土壤理化學特性Table 2 Physical and chemical properties of soil profiles in the experimental plots

1.3 種植管理

供試材料為甘肅農業大學草業學院培育的甘農1號紫花苜蓿（Medicago varia cv.Gannong No.2）。2009年3月24日播種，播種量為18kg/hm2，行距15 cm，種子與基肥條播施入，稱取每行播種量，按行播種，施入土壤的深度為1～2cm。根據當地農民施基肥經驗，N0處理不施加氮肥，P肥和K肥與其他處理相同，各處理純P（過磷酸鈣，含P2O5為46%）和純K（硫酸鉀，含K2O為50%）用量分別為41和39kg/hm2。采用普通尿素（含氮46.4%）為氮源，氮肥全部用于追肥，追肥時間為紫花苜蓿分枝期（2010年5月8日）。分別于2010年5月8日、6月1日、6月20日和7月15日利用手工除草4次。2010年紫花苜蓿生育期降水量為118mm，降水量見圖1。

圖1 2010年紫花苜蓿生長期降水量動態Fig.1 The rainfall during the Medicago sativa growing seasons in 2010

1.4 樣品采集及測定

紫花苜蓿初花期刈割，分別為2010年6月15日、8月6日和10月4日，選取小區中間行留茬5cm刈割，刈割面積為4m2，測定紫花苜蓿干草產量。在返青期 （2010－04－18）、第1茬收獲期 （2010－06－16）、第2茬收獲期（2010－08－07）和第3茬收獲期（2010－10－04），按20cm分層，3次重復，采用烘干法測定0～20cm土壤含水量，并按照20cm分層測取鮮土樣，過篩（2mm），在實驗室用半微量凱氏法測定土壤全氮。土壤貯水量、耗水量和WUE采用以下公式計算：

式中，WU為紫花苜蓿生育期耗水量；P為生育期降水量；I為生育期內灌溉量；ΔW為土壤供水量，即播前（前1茬）與收獲（后1茬）2時段0～120cm土壤貯水量的差值。

1.5 數據分析

利用完全隨機模型分析灌溉與施氮對紫花苜蓿干草產量、水分利用效率以及土壤全氮含量的影響，將3次重復收集的參數采用SPSS16.0等軟件進行方差分析和顯著性檢驗；方差分析多重比較用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 灌溉和施氮對干草產量的影響

在第1、2茬，施氮40kg/hm2的干草產量顯著高于施氮0、80和120kg/hm2；在第3茬，各施氮處理之間相差不顯著（表3）。種植第2年紫花苜蓿進入旺盛生長期，根系發達，固氮酶活性較強，能通過根瘤菌進行自身固氮，對氮肥要求較低。在紫花苜蓿返青期，地溫較低，幼苗植株較小，根瘤菌固氮酶活性受到抑制，需要一定的氮肥來滿足紫花苜蓿生長發育需求，這導致施氮40kg/hm2第1茬和第2茬的干草產量顯著高于施氮0、80和120kg/hm2。隨著紫花苜蓿的生長，過量施氮（施氮80和120kg/hm2）抑制根瘤菌活性，不利于紫花苜蓿光合產物積累和產量形成。施氮40kg/hm2滿足紫花苜蓿特定時期 （返青期和刈割期）的生長需求，有利于紫花苜蓿光合產物積累和產量形成。第3茬紫花苜蓿生育期較短、降水量較大和較低低溫限制肥效的發揮，使第3茬各施氮處理間的產量差異不顯著。全生育期的平均灌溉水平，施氮0、40、80和120 kg/hm2紫花苜蓿的干草產量分別為13 979、15 905、14 866、14 389kg/hm2，施氮40kg/hm2的總干草產量顯著高于施氮80、120kg/hm2和不施氮處理，施氮40 kg/hm2的總干草產量比施氮0、80和120kg/hm2分別提高13.7%、6.8%和10.5%（表3）。當施氮量達到40kg/hm2時，第2年紫花苜蓿總干草產量達到最大值，小于或大于40kg/hm2施氮量抑制紫花苜蓿根瘤菌活性和光合作用，從而不利于紫花苜蓿。

紫花苜蓿第1茬刈割，常規灌溉的干草產量顯著高于節水20%灌溉，節水20%灌溉的紫花苜蓿的干草產量顯著高于節水40%灌溉；第2茬刈割，常規灌溉的紫花苜蓿的干草產量顯著高于節水40%灌溉，節水20%與節水40%灌溉間相差不顯著；紫花苜蓿第3茬刈割，不同灌溉間的干草產量差異不顯著。全生育期比較，節水40%、20%和常規灌溉的全生育期（3茬）干草產量分別為14 017、14 763和15 575kg/hm2，常規灌溉的紫花苜蓿的干草產量顯著高于節水20%灌溉，節水20%灌溉的紫花苜蓿的干草產量顯著高于節水40%灌溉，常規灌溉的總干草產量比節水20%和節水40%灌溉分別提高了5.5%和11.1% （表3）。

2.4 灌溉和施氮對WUE的影響

就全生育期平均灌溉水平而言，施氮40kg/hm2的 WUE顯著高于施氮80kg/hm2，施氮80kg/hm2的WUE顯著高于不施氮處理，施氮120kg/hm2與不施氮處理差異不顯著。施氮40kg/hm2的WUE比施氮0、80和120kg/hm2分別提高11.6%、6.8%和9.7%（表3）。當施氮量達到40kg/hm2時，第2年紫花苜蓿WUE達到最大值，為28.62kg/（mm·hm2），高于或低于40kg/hm2施氮量不利于產量形成。

就全生育期平均施氮水平而言，節水40%灌溉、節水20%灌溉和常規灌溉的全生育期平均WUE分別為26.89、27.49和25.96kg/（mm·hm2）。節水20%灌溉的WUE顯著高于常規灌溉，節水20%灌溉的WUE與節水40%灌溉差異不顯著。

表3 灌溉和施氮組合處理下紫花苜蓿干草產量和WUETable 3 Hay yield and water use efficiency of Medicago sativa as affected by irrigation and nitrogen supply levels

2.4 灌溉和施氮對土壤全氮的影響

在第3茬紫花苜蓿收獲期，0～120cm土層土壤全氮含量變化為：各處理全氮主要富集于表層土壤（0～60cm），土壤全氮含量隨土層深度的增加而減少。在節水40%灌溉水平下，施氮對各土層中全氮含量影響沒有規律。在節水20%灌溉水平下，0～120cm土層，施氮 40kg/hm2總 體 顯 著 高 于 施 氮 40、80、120 kg/hm2；不施氮全氮含量高于施氮80和120kg/hm2，但差異不明顯。在常規灌溉條件下，0～100cm土層，施氮40kg/hm2全氮含量顯著高于其他施氮。在100～120cm土層中，各施氮處理間差異不顯著。在節水20%灌溉和常規灌溉下，施氮40kg/hm2能顯著提高土壤中全氮含量；而施氮80和120kg/hm2處理反而降低土壤中全氮含量。

表4 灌溉和施氮組合處理下紫花苜蓿第3茬收割期0～120cm土層土壤全氮含量Table 4 The third harvest of 0～120cm soil total nitrogen of Medicago sativa as affected by irrigation and nitrogen supply levels

在相同施氮水平下，不同灌溉對各土層中全氮含量影響沒有出現規律性變化，節水40%灌溉降低土壤中全氮含量；在同一灌溉水平下，施氮40kg/hm處理全氮含量總體顯著高于不施氮和施氮80、120kg/hm2，其他各處理間差異不顯著。說明適量施氮（40 kg/hm2）有利于提高0～120cm土層中土壤全氮含量，利于紫花苜蓿地維持長久肥效性；施氮80、120kg/hm2處理對提高紫花苜蓿0～120cm土層中土壤全氮含量影響不大，甚至還降低。

3 討論

孫洪仁等［13］研究結果表明，隨著灌溉量由0增至400mm，紫花苜蓿干草產量由3 304.7kg/hm2增至7 423.3kg/hm2，不同灌溉的苜蓿干草產量差異顯著，不同灌溉量之間水分利用效率差異不顯著。試驗結果表明，紫花苜蓿干草產量隨灌溉量增加而顯著增加，WUE隨灌溉量增加而先增加后降低。節水20%灌溉的WUE顯著高于常規灌溉，節水40%灌溉的 WUE與節水20%灌溉的 WUE差異不顯著。劉愛紅等［22］研究表明，灌溉362mm和灌溉527mm處理的水分利用效率顯著高于灌溉237mm。紫花苜蓿產量和水分利用效率對灌溉量的變化具有不同步性，水分利用效率隨灌溉量增加而減少，干草產量隨灌溉量增加而增加。

研究者Raun等［11］認為，對紫花苜蓿施氮肥不經濟。Carter等［15］認為，只有那些沒有有效接種的植株，其干草產量隨施氮量增加而增加。Jenkins等［9］認為，在土壤氮素含量較低時，或苜蓿返青期以及刈割期根瘤菌固氮作用比較弱時，需要施入一定量的氮來滿足紫花苜蓿需求。試驗結果表明。從紫花苜蓿全生育期來看，當施氮量達40kg/hm2時，紫花苜蓿全年干草產量（15 905kg/hm2）和 WUE［28.62kg/（mm·hm2）］均達到最大值，施氮40kg/hm2的總干草產量比施氮0、80和120kg/hm2分別提高13.7%、6.8%和10.5%，施氮40kg/hm2的 WUE比施氮0、80和120kg/hm2分別提高11.6%、6.8%和9.7%。Raun等［11］研究表明，每茬刈割后立即施入0、11、22、44kg/hm2氮肥的試驗中，施氮11、22kg/hm2紫花苜蓿總干物質產量高于不施氮和施氮44kg/hm2。施氮44kg/hm2導致紫花苜蓿減產；而11、22kg/hm2處理獲得較高產量和最高氮肥利用效率，這與本文觀點保持一致。本研究結果中，施氮40kg/hm2能滿足紫花苜蓿特定時期生長需求，有利于紫花苜蓿光合產物積累和產量形成。而不施氮或過量施氮（施氮80和120kg/hm2）影響紫花苜蓿光合產物積累和產量形成。

土壤全氮含量是土壤肥力的主要指標之一，土壤全氮含量隨著土壤有機質含量的增加而增加［23，24］。李小涵［25］研究結果表明，同一施肥水平的不同土層，隨土層深度增加，土壤全氮含量呈下降趨勢；在0～20cm土層，當施氮量增加到一定程度時，土壤全氮并不因施氮量的增加而增加。而在20～40cm土層，土壤全氮含量與施氮量高低已無關系。本研究結果表明，灌溉對0～120cm土層中全氮含量影響沒有出現規律性變化；適量施氮40kg/hm2提高0～120cm土層中全氮含量，而施氮80、120kg/hm2對提高紫花苜蓿0～120cm土層中土氮含量影響不大。

4 結論

紫花苜蓿干草產量隨灌溉量增加而增加，WUE隨灌溉量增加而先增加后減少。當施氮量為40kg/hm2時，紫花苜蓿全年干草產量達15 905kg/hm2、WUE達28.62kg/（mm·hm2）以及0～120cm土層中土壤全氮含量均達到最大值。結合兩年的試驗，在河西綠洲石羊河灌區，節水20%灌溉和施氮40kg/hm2為該地第2年紫花苜蓿最佳生產模式。此外，紫花苜蓿是多年生草本植物，需要長期對其生長特性、草產量、水分利用效率做進一步研究。

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