不同灌溉量對內蒙古人工草地主要牧草產量和水分利用效率的影響

王海青, 田育紅,*, 黃薇霖, 肖隨麗

1 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京師范大學資源學院, 北京 100875 2 環境保護部環境保護對外合作中心, 北京 100035

不同灌溉量對內蒙古人工草地主要牧草產量和水分利用效率的影響

王海青1, 田育紅1,*, 黃薇霖1, 肖隨麗2

1 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京師范大學資源學院, 北京 100875 2 環境保護部環境保護對外合作中心, 北京 100035

人工草地建設是緩解內蒙古地區草地生存壓力的必要途徑，而水分短缺是該區人工草地建設中牧草生長的主要限制因素，適量的人工補水以實現牧草的高產節水是解決這一問題的關鍵。以當地主要牧草冰草和紫花苜蓿為研究對象，開展單播和混播條件下不同灌溉量對牧草產量、光合性能和水分利用效率影響的對比試驗。研究結果表明：(1)豆禾混播有利于提高冰草和紫花苜蓿的產量；(2)8月初現蕾期是冰草和紫花苜蓿收割的最佳季節，此時牧草產量最高；(3)灌溉量達到田間持水量的45%(包含降雨量在內的單位面積灌溉量在7月初達到903.8 m3/hm2，在8月初達到1812.4 m3/hm2)是牧草高產節水的最佳補水選擇；(4)6—8月水分脅迫更有利于提高牧草的長期水分利用效率(long-term water use efficiency,WUEL)，開花期后補水對提高牧草WUEL的作用開始顯著；(5)在牧草產量最高的8月初水分脅迫更有利于提高牧草的瞬時水分利用效率(instantaneous water use efficiency,WUEI)，而在7月初光照強烈、水分蒸發量大時，較多地補水更有利于提高牧草的WUEI。

人工草地; 產量; 光合速率; 水分利用效率; 灌溉量

水分短缺是干旱半干旱區人工草地建設中牧草生長的關鍵制約因素。在所有的非生物脅迫中，干旱對牧草造成的損失占首位，僅次于生物脅迫中病蟲害造成的損失[1]。由于內蒙古草原區降水量少，水資源短缺，對人工草地選擇適當的補水方案進而提高牧草的產量和水分利用效率至關重要。生物量和光合生理特征是牧草產量分析的常用指標。其中光合作用是植物生產力構成的最主要因素。牧草凈光合速率在一天中的動態變化和出現峰值的高低是葉片光合能力與環境條件綜合作用的結果[2]，對其進行研究是分析環境因素影響植物生長和代謝的重要手段。

維持人工草地高產的關鍵性措施是灌溉，研究灌溉量對人工草地產量、光合性能和水分利用效率影響的較少。孫洪仁等[3]通過研究發現不同灌溉量之間紫花苜蓿的水分利用效率及耗水系數差異不顯著。同時多數有關補水灌溉對植物產量和光合性能影響的研究選擇的對象側重于農作物如馬鈴薯[4]、小麥[5]、水稻[6]等，而其他相關研究主要針對灌溉方式(溝灌、隔溝灌、畦灌、漫灌)對牧草生物量和水分利用效率的影響[7]、水分脅迫下牧草水分利用效率的變化[8]、不同種植時期牧草水分利用效率和耗水系數的差異[9]、不同品種和不同茬次之間耗水系數和水分利用效率的差異[10]等。但這些研究均未得出人工草地主要牧草高產節水的最佳補水量和補水時期。

為獲取內蒙古人工草地主要牧草冰草和紫花苜蓿高產節水的最佳補水量和補水時期，本研究開展不同補水條件下兩種牧草的單播以及混播情況下的產量、光合速率、瞬時(葉片、個體尺度)水分利用效率(WUEI)和長期(種群、群落尺度)水分利用效率(WUEL)的對比試驗，探討最佳補水方案，以期為緩解當地水資源短缺的壓力及為人工草地的可持續發展提供依據。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古錫林浩特市東部的內蒙古大學毛登牧場生態學實驗基地。該區屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬季受蒙古高壓控制，寒冷干燥；夏季受季風影響，溫暖濕潤。年平均氣溫1.7 ℃，年平均降水量300 mm，集中在6—9月，年日照時間2877 h，平均風速3.5 m/s[11]。該區以栗鈣土為主，溫性典型草原是主要的草地植被類型，建群種為大針茅和羊草，群落優勢植物有冰草與糙隱子草，常見種還有冷蒿、蔥類植物等[12]。

2 試驗設計

本研究試驗地塊于2012年5月中旬開地，6月9日播種，采取冰草單播、紫花苜蓿單播和冰草+紫花苜蓿混播三種播種方式，全年進行鋤草維護。補水處理在牧草生長的第二年進行，對每種播種方式均進行4種處理，各3個重復，共48個地塊。補水設計主要基于樣地的田間持水量(為27.29%)，涉及4個補水梯度，均不搭配人工遮雨棚。補水處理一按照田間持水量的85%計；補水處理二按照田間持水量的65%計；補水處理三按照田間持水量的45%計；處理四為雨養對照。澆水時間選擇牧草的3個生長關鍵期：返青期(5月中旬)、分蘗期(6月下旬)和抽穗期(7月下旬)。其中為保證牧草生長旺盛，返青期統一澆充足水，澆水量為田間持水量的85%。此后兩個時期的澆水則按補水梯度澆灌，補水量見表1。

試驗觀測在生長期的5月17日(返青期)、6月4日(分蘗期)、7月1日(抽穗期)、8月9日(現蕾期)和9月9日(初花期)5個時間點進行，主要觀測地上生物量和土壤含水量，重復3次，調查時補水總量(從年初牧草開始生長算起的降雨量+補水量)見表1。同時利用Li- 6400便攜式光合系統測定儀測定牧草一天中的各項光合性能指標，包括光合速率(Pn，μmol CO2m-2s-1)、蒸騰速率(Tr，molm-2s-1)等，測定時間為6:00—18:00，每隔2h測定一次，每個處理測定3個葉片作為重復，每個葉片記錄2次穩定的數據，并依據公式WUEI =Pn/Tr計算牧草WUEI。牧草WUEL利用下列計算公式[4]表示：

WUEL =W干物質/ET

式中,W干物質是牧草在某一生長期單位面積的干物質重(kg/hm2)，ET為牧草在某一生長期的蒸散發(mm)，其值由下列公式得出：

ET=P+I±vS

式中，P是某一時期的降雨量(mm)；I為某一時期的補水量(mm)；vS是該時期后期和初期土壤剖面水分含量(mm)之差，當后期土壤剖面水分含量高于前期時取-，反之取+。

表1 各時期補水量及調查時總補水量Table 1 Irrigation amount of different phases and gross irrigation amount

3 研究結果

3.1 不同補水處理對牧草產量的影響

3.1.1 不同補水處理下牧草產量動態變化

圖1 不同補水處理下不同時期各牧草的生物量

圖1顯示了不同補水處理下不同時期各牧草的生物量。從圖1可以看出，返青期澆水后，牧草的生物量差異均不明顯，因此，后期的生物量可作為補水處理影響牧草產量的依據。無論是單播還是混播，冰草和紫花苜蓿的生物量均在8月份達到最大，且補水處理三在生物量最高時對牧草產量的影響均最大。進入9月份之后，各處理下牧草的產量均有下降。牧草的生長季節十分短暫，抓住關鍵生長期進行補水是十分必要的。同時，建議在8月初對牧草進行收割，此時無論冰草和紫花苜蓿是單播還是混播，產量都是最高的。

3.1.2 不同補水處理對各時期牧草產量增量的影響

圖2顯示了不同補水處理下不同時期牧草的生物量增量。從圖2可以看出，對于單播冰草而言，無論哪種補水處理，生物量增長最快的都在6—7月份，而雨養處理下生物量增長最快的是在7—8月份，因此補水處理提前了單播冰草的快速生長時間。對于單播紫花苜蓿而言，補水處理一和處理二下生物量增長最快的時期均為6—7月份，而補水處理三和雨養條件下生物量增長最快的時期是7—8月份，因此補水處理一和補水處理二提前了它的快速生長時間。此外，在整個生長季內，大部分情況下，冰草和紫花苜蓿生物量增長最多的是補水處理一，且生物量的增長量一般隨著補水量的減少而降低。如果考慮在最佳收割季節8月初收獲，此時補水處理三是各牧草生物量增長最多的最佳補水方案，即在7月初對牧草的補水總量(包含降雨量)達到903.8 m3/hm2，在8月初對牧草的補水總量達到1812.4 m3/hm2。

圖2 不同處理下不同時期各牧草的生物量增量

3.1.3 不同播種方式對牧草產量的影響

從圖1可以看出，無論是冰草還是紫花苜蓿，混播后的產量都明顯要比單播提高很多。通過方差分析發現(表2)，在4種處理下混播的增產能力在顯著水平為0.05的情況下都是顯著的。因此，為提高牧草產量，用豆禾混播的方式最佳。

表2 不同牧草不同播種方式的方差分析結果(Duncan grouping)Table 2 Results of variance analysis of different forage under different sowing patterns

播種方式中：1代表單播冰草，2代表單播紫花苜蓿，3代表混播紫花苜蓿+冰草；N為樣本數；顯著性數值大于0.05即為顯著

3.2 不同補水處理對牧草光合性能和WUEI的影響

表3顯示了不同補水處理下不同時期各牧草的光合速率、蒸騰速率和WUEI的日均值。從表3可以看出，無論是單播還是混播，與7月初相比，冰草和紫花苜蓿的光合速率、蒸騰速率和WUEI在8月初均有下降，因此牧草的葉片在8月初開始衰落，也意味著牧草的產量在此后會逐漸減少。對于單播冰草和混播冰草來說，3種補水處理均有利于提高牧草在7月初和8月初的光合速率、8月初的蒸騰速率以及7月初的WUEI。在8月初，雨養更有利于提高單播冰草的WUEI，補水處理三更有利于提高混播冰草的WUEI。對于單播紫花苜蓿和混播紫花苜蓿而言，三種補水處理均可提高牧草7月初和8月初的光合速率和WUEI以及8月初的蒸騰速率，而雨養更有利于提高牧草7月初的蒸騰速率。

表3 不同補水處理下不同時期各牧草的光合速率、蒸騰速率和WUEITable 3 Daily mean values of grass Pn, Tr, WUEI in different periods under different irrigation schemes

Duncan多重比較方差分析發現(表4)，在顯著水平為0.05的情況下，對于冰草和紫花苜蓿，無論是單播還是混播，4種處理對7月初和8月初牧草光合速率、蒸騰速率和WUEI影響的差異均不明顯(同屬一類子集)。因此，考慮到節水的同時提高牧草光合性能和產量，選用補水三的處理方式比較合適。

表4 不同播種方式下不同補水處理的光合、蒸騰和WUEI方差分析結果Table 4 Variance analysis of grass Pn, Tr and WUEI of different treatment in different periods

補水方案中：1代表補水處理一，2代表補水處理二，3代表補水處理三，4代表雨養；N為樣本數；顯著性數值大于0.05即為顯著

3.3 不同補水處理對牧草WUEL的影響

圖3顯示了不同補水處理下不同時期牧草的WUEL。從圖3可以看出，對于單播冰草而言，在6—7月WUEL最高的是補水處理三，在7—8月WUEL最高的是雨養。對于單播紫花苜蓿而言，在6—7月WUEL最高的是雨養，在7—8月WUEL最高的是補水處理三。對于混播紫花苜蓿+冰草而言，在6—7月水分利用效率最高的是雨養，在7—8月WUEL最高的是補水處理三。因此，對于冰草和紫花苜蓿(無論是單播還是混播)而言，在牧草生長旺季(6—8月份)，雨養或者補少量水(補水處理三)即可較好地提高牧草的WUEL。

圖3 不同補水處理下不同時期各牧草的WUEL

3.4 牧草增產節水效益分析

表5顯示了不同時期不同補水處理與雨養相比產量和WUEL增加的比例。從表5可以看出，與雨養處理相比，補水處理三在單播紫花苜蓿生長旺季能使其產量增加157.52%，WUEL增加59.54%；補水處理三在混播紫花苜蓿+冰草生長旺季能使其產量增加108.01%，WUEL增加36.20%；而對于單播冰草來說，在牧草的整個生長季節內，3種補水處理均能顯著提高牧草的產量和WUEL，為節水考慮，采取補水處理三為佳。因此，總的來說，對于冰草和紫花苜蓿而言，無論是單播還是混播，考慮牧草增產節水且WUEL顯著提高的綜合效益，補水處理三是進行人工補水干預的最佳方案。

4 結論與討論

在牧草生長旺季，在水分脅迫的情況下，植物體內的水分狀況會表現出如下特點：組織含水量下降，吸水量降低，蒸騰量減少，但蒸騰仍大于吸水[13]。同時，植物也會通過一系列的生理生化變化來適應水分脅迫生境，即在缺水條件下，植物體內會主動積累一些溶質，如可溶性糖、脯氨酸等。由于細胞內溶質增多，滲透勢下

表5 不同時期不同補水處理與雨養處理相比產量和WUEL增加的比例Table 5 Increase proportion of yield and WUEL of different treatment compared with treatment 4 in different periods

降，植物就可以從外界繼續吸水，維持細胞膨壓，使生理過程正常進行[14]。在本研究中發現，8月份冰草和紫花苜蓿充分體現了水分脅迫下的適應能力，所以不用補太多的水，牧草一天中的WUEI均值和WUEL均比較高。而7月份是當地降雨集中的時期，且太陽光照強烈，蒸發旺盛，使得牧草的水分保存策略(通過減少水分消耗最大化的提高WUEI)失去了適應優勢，因為強烈的蒸發過程消耗葉片獲取的水分，同時，與其相比較的牧草使用了充足的水分來保持競爭力[15]。因此，在7月份光照強烈時，牧草的WUEI日均值一般在補水處理二最高。但牧草的WUEL在7月份依然受到水分脅迫的影響，依然是在雨養或補水處理三的情況下數值最高。

本研究是在天然無棚的條件下開展的，選擇干旱半干旱地區人工草地建植的主要草種紫花苜蓿和冰草作為研究對象，是適應當地氣候和栽培條件的，符合建植人工草地的目的和要求。依據本研究的結論，即為實現內蒙古人工草地主要牧草冰草和紫花苜蓿高產節水的目標，應對兩種牧草以混播的方式種植，在8月初進行收割，同時在返青期補充足的水分，此后在7月初使單位面積灌水量(包括降雨量和補水量)達到903.8 m3/hm2，在8月初達到1812.4 m3/hm2。本研究結合水分脅迫的理論和實際降雨情況，同時考慮牧草WUEI和WUEL，其試驗設計方案可用于分析干旱半干旱區其他常見的人工草種，而研究的結果也有利于在研究區的人工草地建設中進行大面積推廣和應用。

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Analyzing the impact of irrigation quantity on biomass and water use efficiency of main grasses in artificial grassland in Inner Mongolia

WANG Haiqing1, TIAN Yuhong1,*, HUANG Weilin1, XIAO Suili2

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2ForeignEconomicCooperationOffice,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100035,China

The construction of artificial grassland is the necessary way to alleviate pressures on the grassland in Inner Mongolia. Water shortage is the major limiting factor for grass growth in artificial grassland in this region. Suitable irrigation quantity is the key to solve the problem of water shortage by both increasing grass yield and saving water. In this study, we selected two local typical grassesAgropyroncristatumandMedicagosativaLand conducted irrigation experiments with single sowing and mixture sowing of the two. Then comparative analyses were explored on biomass, photosynthesis and water use efficiency of the two grasses under different irrigation schemes. The results show that: (1) The mixture sowing of leguminous herbage and gramineous herbage is helpful to enhance the yields of the two plants.; (2) Squaring period in the early August is the best season for the harvesting ofAgropyroncristatumandMedicagosativaL, when the yields of the grasses are the highest; (3) Treatment 3, of which the irrigation quantity is up to 45% of the field capacity, the amount of water recharge per unit (including precipitation and irrigation) is 903.8 m3/hm2in early July and 1812.4 m3/hm2in early August, is the best water treatment choice for both grass yields increase and water-saving; (4) Rain-fed condition or irrigating a little water (treatment 3) is effective to increase long-term water use efficiency (WUEL) of the grasses from June to August. Irrigating more water (treatments 1 and 2) started to affect WUEL only after entering the flowering stage of the grasses; (5) Rain-fed condition or irrigating a little water is effective to increase grass leaf instantaneous water use efficiency (WUEI) in early August. However, because of intensive sunlight, water evaporation is high and it is more effective to increase WUEI by irrigating more water in early July.

artificial grassland; yield; photosynthesis; water use efficiency; irrigation quantity

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)課題(2014CB138803); 國家“十二五”科技支撐項目課題(2011BAC07B01)

2013- 12- 02;

2014- 08- 13

10.5846/stxb201312022858

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tianyuhong@bnu.edu.cn

王海青, 田育紅, 黃薇霖, 肖隨麗.不同灌溉量對內蒙古人工草地主要牧草產量和水分利用效率的影響.生態學報,2015,35(10):3225- 3232.

Wang H Q, Tian Y H, Huang W L, Xiao S L.Analyzing the impact of irrigation quantity on biomass and water use efficiency of main grasses in artificial grassland in Inner Mongolia.Acta Ecologica Sinica,2015,35(10):3225- 3232.