噴灌條件下灌水量對建植初期紫花苜蓿產量與品質的影響

王云玲，王曉玉，李茂娜，嚴海軍,2(.中國農業大學水利與土木工程學院，北京00083；2.土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京00083)

0 引 言

隨著我國奶牛業的崛起，對于優質牧草的需求量也越來越大。紫花苜蓿作為一種多年生的豆科牧草，具有產草量高、草質優良、營養豐富、易于家畜消化等特點，被譽為“牧草之王”[1]。在我國，苜蓿已有2 000多年的栽培歷史，截止到2011年全國苜蓿保留種植面積達377.47萬hm2，是我國種植面積最大的牧草[2]。自2012年“振興奶業苜蓿發展行動”項目啟動以來，苜蓿的種植面積進一步擴大，并逐漸由北向南擴展，華北地區苜蓿種植面積也逐漸增加。

同時，苜蓿枝繁葉茂，生長迅速，需要蒸騰而消耗大量的水分[3]，因而灌水量會影響苜蓿的產量及品質。但我國水資源又十分緊缺，因而在苜蓿生產種植中必須要加大節水灌溉技術的推廣。圓形噴灌機作為大型噴灌機，具有自動化程度高、控制面積大、適應性強等優點，是國內外備受青睞的大型節水灌溉設備之一[4]。在采用節水灌溉技術的同時，對于苜蓿的需水規律、需水量以及科學的灌溉制度的探究，也成為苜蓿節水灌溉技術的關鍵問題。有研究表明，不同氣候區域、年份以及刈割茬次紫花苜蓿的需水量不同[5]。在紫花苜蓿生長期，鮮草產量隨灌溉量增加而增長，增產幅度也逐漸增大[6]。但在不同降水年型中灌水量對產量的影響又有不同的規律[7]。目前，對苜蓿需水規律以及灌溉制度等方面雖已有研究，但在圓形噴灌機條件下苜蓿灌溉制度的研究還較少，同時灌水量對苜蓿產量及品質等指標的影響，也需進一步研究。因而本文利用圓形噴灌機灌溉技術對華北地區苜蓿需水規律進行研究，并探究灌水量對苜蓿產量及品質的影響，從而制定科學合理的苜蓿灌溉制度，為華北地區建立高效節水的苜蓿栽培技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于河北省涿州市東城坊鎮中國農業大學教學實驗場，北緯39°27′，東經115°51′，海拔42 m。屬暖溫帶半濕潤季風區，大陸性季風氣候特點顯著，溫差變化大四季分明。多年平均降雨量563.3 mm，年平均溫度11.6 ℃，7月份溫度最高，1月份氣溫最低，年溫差31.5 ℃。無霜期累年平均為178 d，地面溫度累年平均為14.2 ℃，累年平均凍土深度為40 cm，最長連續凍結122 d，地下水埋深50 m。實驗場地質構造屬太行山山洪沖積扇。試驗地地勢平坦，根據土壤顆粒分析，土壤類型(國際制)以砂土類為主，0～60 cm土層土壤干密度1.59 g/cm3，0～60 cm土層田間持水量為0.225 cm3/cm3，0～20 cm土層平均pH為7.9，銨態氮含量為24.60 mg/kg，速效鉀含量為3.30 mg/kg，有機質8.75 g/kg。

1.2 試驗材料

試驗地苜蓿供試品種為優質耐寒的進口紫花苜蓿種子WL363HQ，并于2014年9月22、23日完成播種，播種方式采用條播，行距30 cm。為保證苜蓿順利越冬，于2014年11月25、26日對苜蓿進行覆膜。試驗地所用噴灌機由三跨加懸臂組成，苜蓿種植面積是噴灌機全圓噴灑區域的1/12，為0.513 hm2。噴灌機選用的噴頭為Nelson R3000旋轉式噴頭，共有34個，每個噴頭均配置0.138 MPa(20psi)的壓力調節器(美國Nelson)。水源為地下水井供水，入機流量60 m3/h。水力性能試驗測得噴灌機行走速度百分數在20%～100%時，徑向水量分布均勻系數CUHH為92%～94%，DULP為87%～89%，總體機組水量分布均勻系數較高[8]。

1.3 試驗設計

試驗于2015年3月15日-9月12日進行，只涉及灌水量一個因素，灌水量設3個水平分別為70%ETc、85%ETc、100%ETc(W1、W2、W3)。其中每個處理均設3個重復，共9個小區，每個小區面積均為7 m×10 m，圖1即為苜蓿灌水處理的小區布置圖。在100%ETc處理中裝有張力計與土壤濕度傳感器，對土壤含水量進行實時監測來確定灌水時間。每當土壤含水量達到60%田間持水量時開始灌水，灌水定額為灌水間隔內的累積作物需水量(ETc)減去累積有效降水量(≥5 mm的降水)。為保持苜蓿正常返青，返青期首次灌水各小區做統一處理。

圖1 苜蓿灌水處理小區布置圖 (單位：m) Fig.1 Layout of alfalfa irrigation treatments

累積作物需水量具體計算過程如下：首先根據各氣象因素利用Penman-Monteith公式[9]計算參考作物需水量ET0，并根據FAO56標準[9]確定作物系數，最后根據公式(2)計算出各時段ETc，并將灌水間隔內的ETc累加，即求得該時段內的累積作物需水量。

(1)

ETc=KcET0

(2)

式中：Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率，kPa/℃；Rn為植被表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數，kPa/℃；T為空氣平均溫度，℃；u2為在地面以上2 m高處的風速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實際水汽壓，kPa；ETc為作物實際蒸發蒸騰量，mm/d；Kc為作物系數，其隨生長天數變化見圖2；ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d。

圖2 2015年苜蓿各生育期作物系數變化圖Fig.2 Crop coefficients of alfalfa in different growth stages in 2015

1.4 測量指標

(1)氣象數據。試驗區安裝有自動氣象站(美國 WATCHDOG)對氣象參數進行實時監測(每0.5 h記錄一次)，主要包括風速、風向、降水量、氣溫、相對濕度、太陽輻射等。

(2)土壤水分。每次灌水前后1 d使用土鉆在每個小區內取土，取土深度為0～20、20～40、40～60、60～80 cm，并采用烘干法測量土壤質量含水率。同時在100%ETc處理的小區內安裝1個土壤水分傳感器以及2個張力計，對土壤水分進行實時監測以確定灌水時間。

(3)苜蓿指標。苜蓿所需測定的指標包括樣方鮮草產量、干鮮比、樣方干草產量以及品質。樣方鮮草產量采用刈割法測量，在每個小區內沿對角線取3個1 m×1 m的樣方，將樣方內苜蓿全部刈割并留茬5 cm，刈割后立即稱取樣方鮮草質量。在所取的樣方鮮草中隨機抽取部分樣品去除雜草后稱重，并放入檔案袋中保存。隨后將所取樣品烘干稱重，即可計算干鮮比，樣方干草重即為樣方鮮草重與干鮮比的乘積。苜蓿品質采用Foss近紅外分析儀測定粗蛋白(CP)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)，并根據NDF及ADF計算相對飼喂價值(RFV)。

1.5 數據分析

數據分析采用Excel 2007以及SPSS20.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 紫花苜蓿需水規律

試驗區苜蓿自2015年3月15日返青-9月12日第四茬刈割結束，全生長季共182 d。由于越冬前本試驗區苜蓿已覆膜，因而返青較早。全生長季內苜蓿共刈割4次，每茬苜蓿均在初花期刈割，時間分別為5月19日、6月22日、7月29日、9月12日。表1為苜蓿各茬生育期時間。

全生長季累積有效降水量為363.16 mm，降雨多集中在7-8月份。根據Penman-Monteith公式計算可得每天的ET0，圖3即苜蓿全生長季ET0變化圖。

表1 2015年苜蓿各茬生育期時間表Tab.1 Growing schedule of alfalfa in different growth stages in 2015

圖3 苜蓿全生長季ET0變化圖Fig.3 ET0 of alfalfa during the whole growing stages

由圖3可得，ET0在苜蓿全生長季不同時期內上下波動，變化范圍在0.3～6.0 mm/d，全生長季內平均ET0為3.3 mm/d。ET0整體變化趨勢為先增大后減小，6-7月份ET0較大。但該時段內降雨量少，為滿足苜蓿正常生長，則必須通過灌水補充植物所需水分。表2給出了苜蓿全生長季不同灌水處理下的灌水時間及灌水定額，從表2數據可得W1、W2、W3處理下總灌水定額分別為203.46、251.30、299.14 mm，各茬灌水量占總灌水定額的比例約為23%～26%、28%～30%、30%～33%、15%左右。結果表明，整個生長季灌水量最多的時期集中在第二、三茬，正是需水量大降雨量少的6-7月份。由表2可知，苜蓿從返青至第四茬最后一次灌水的累積ETc為602.74 mm，同時計算得第四茬最后一次灌水至刈割時段內累積ETc為60.65 mm，兩者相加得到苜蓿全生長季總需水量為663.39 mm，平均日需水強度為3.6 mm/d。

表2 全生長季不同灌水處理下紫花苜蓿灌溉制度表Tab.2 Irrigation scheduling of alfalfa during the whole growing stages under different irrigation treatments

2.2 灌水量對紫花苜蓿產量及品質影響

2.2.1灌水量對紫花苜蓿產量影響

圖4給出了不同灌水處理下各茬的苜蓿產量，由圖4和表3可知，全生長季中第一到三茬的產量占苜蓿年總產量的80%左右，且前三茬產量差異不大，第四茬產量較低。灌水量對不同茬次的苜蓿產量影響不同，表3列出了不同灌水處理下各茬苜蓿平均產量顯著性分析結果。結果表明，第一茬與第四茬中灌水量對苜蓿產量影響不顯著，但整體變化趨勢為隨灌水量的增加產量先增加后減少；第二茬與第三茬中整體變化趨勢均為隨灌水量增加產量逐漸增加，但在第二茬中灌水量對產量影響不顯著，第三茬中W1、W2差異不顯著，W3與W1、W2差異顯著，該結果說明第三茬保證充足的灌水可使產量顯著增加。同時，由表3數據可得W1、W2、W3處理下紫花苜蓿全生長季總產量分別為10 616.22、11 428.51、11 307.02 kg/hm2，且不同灌水處理對全年產量影響不顯著，其中85%ETc處理下年產量最高。由表2可得W1、W2、W3處理下總灌水定額分別為203.46、251.30、299.14 mm，可計算得W1、W2、W3處理的灌溉水分利用系數(IWUE)分別為51.18、45.48、37.80 kg/(hm2·mm)。表明隨著灌水量增大，IWUE逐漸減小。

圖4 不同灌水處理下各茬苜蓿的產量Fig.4 Alfalfa yields in cutting stages under different irrigation treatments

表3 不同灌水處理下各茬苜蓿平均產量顯著性分析結果 kg/hm2Tab.3 Significant analysis results of average alfalfa yields under different irrigation treatments

注：根據Duncan多重比較，同列字母不同表示0.05水平上差異顯著，*表示極顯著。

2.2.2灌水量對紫花苜蓿品質影響

紫花苜蓿品質檢測的主要指標包括粗蛋白(CP)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)，其中CP是評價苜蓿營養價值的主要指標，CP含量越高苜蓿品質越好。根據中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量可計算相對飼喂價值(RFV)，RFV是國內外廣泛使用的苜蓿分級最終標準，RFV越高苜蓿品質越好。表4為美國豆科牧草干草質量標準。

表4 美國豆科牧草干草質量標準Tab.4 Hay quality standards of leguminous forage grass in the United States

表5給出了不同灌水處理下CP和RFV的顯著性分析結果，其中RFV是通過NDF和ADF計算所得，可間接反映灌水量對這兩個品質指標的影響。根據試驗結果可得，不同灌水處理下的各種苜蓿品質指標均無顯著性差異，且在不同茬次間各種品質指標隨灌水量變化的規律也不同。隨著茬次增加，CP含量與RFV整體均呈先增加后減小的趨勢，其中第二茬的CP含量和RFV最高，第一茬的最低。根據美國豆科牧草干草質量標準可將全生長季不同灌水處理下的苜蓿劃分不同等級。根據CP含量進行分級時，全生長季苜蓿質量均符合特級標準，且第二茬質量最佳。根據RFV進行分級時，第一茬質量屬一級標準，其余三茬質量均屬特級標準。由此結果可得，本試驗所得苜蓿品質較好，且第二茬苜蓿的品質最佳。

3 討 論

參考作物需水量(ET0)主要與氣象參數有關，王鵬濤等人[10]研究表明ET0對氣溫、平均風速、日照時數為正敏感，而對相對濕度為負敏感，且冀北地區ET0的主導因子是日照時數與溫度。本試驗區屬于冀北地區，試驗結果表明苜蓿全生長季ET0呈現出先增加后減小的趨勢，則主要因為苜蓿全生長季初期與末期氣溫較低、日照時數較短，而中期氣溫較高、日照時數較長。ET0的這種變化趨勢也間接反映出苜蓿需水量的變化情況，說明在苜蓿全生長季中期需水量較大，這與灌水量主要集中在二、三茬的結果相符。試驗區苜蓿全生長季內總需水量為663.39 mm，這與許翠平等人[11]對北京地區研究所得的砂壤土條件下苜蓿需水量為716.8 mm較為接近。苜蓿平均日需水強度為3.6 mm/d，這與孫洪仁等人[5]總結得出的紫花苜蓿全生長季需水強度范圍在3～7 mm/d的結果相符。

表5 全生長季苜蓿不同灌水處理下主要品質指標顯著性分析結果Tab.5 Significant analysis results of alfalfa quality indexes in the whole growing stages under different irrigation treatments

注：根據Duncan多重比較，同列字母不同表示0.05水平上差異顯著，*表示極顯著。

本研究中，灌水量對第一茬苜蓿產量無顯著影響，且產量隨灌水量增加先增大后減小，該結果與文霞等人[12]對京南地區苜蓿產量與灌水量之間關系的研究結果一致。由于試驗地苜蓿為建植第一年，第一茬時根系還不發達，水分攝取量主要取決于根系發育狀況。同時第一茬苜蓿需水量較少，且越冬前的冬灌水使土層儲水量充足，故灌水量對該茬苜蓿產量影響不顯著。在第二到三茬中，隨灌水量增加苜蓿產量逐漸增加。這是由于隨溫度升高苜蓿需水量逐漸增大，水分成為影響產量的重要因素。尤其在第三茬需水量較大的分枝期無任何降水，水分主要靠灌溉補充，因而灌水量對該茬產量影響顯著。而在第三茬現蕾后期至第四茬收獲降水量明顯增多，該階段有效降水量達130.96 mm占苜蓿全生長季總有效降水量的36%。而該時段苜蓿總需水量為176.45 mm，降水量可以滿足作物大部分需水，從而灌水量對第四茬苜蓿產量影響不顯著。對于全年產量而言，灌水量的影響也不顯著，其中85%ETc處理獲得最大產量。同時，隨著灌水量的增加，灌溉水分利用效率減少，所以為獲得較高的灌溉水分利用效率以及最優的產量，可考慮85%ETc處理作為最優灌水量。

對于品質的顯著性分析結果表明，不同灌水處理對各茬苜蓿的品質均無顯著性差異。李茂娜[13]研究結果表明，灌水對粗蛋白含量影響基本不顯著，這與本文結果相一致。但有結果表明隨著灌水量的增加，中性洗滌纖維逐漸增加，粗蛋白含量隨之降低[14]；或隨灌水量增加苜蓿葉和莖粗蛋白含量、粗纖維含量會顯著增加[15]。因此，在這方面的研究結果還存在分歧，需進一步試驗研究。另外，本次試驗苜蓿刈割時間均選在初花期，多數研究表明初花期刈割所得的苜蓿品質較高[16,17]，因而本試驗苜蓿品質較好，普遍屬特級標準。

4 結 語

(1)試驗地所在的華北地區紫花苜蓿全生長季總需水量為663.39 mm，平均日需水強度為3.6 mm/d。需水量整體變化趨勢為先增大后減小，第二、三茬為苜蓿需水量最大時期，灌水量最多時期也集中在該階段。

(2)不同灌水處理下產量在不同茬次之間變化規律不同，第一茬與第四茬隨灌水量的增加產量先增加后減少，但差異不顯著；第二、三茬中隨灌水量增加產量逐漸增加，第三茬中差異較顯著。灌水量對全年產量影響不顯著，85%ETc處理下全年產量最大。隨著灌水量增大，IWUE逐漸減小。為獲得較高的灌溉水分利用效率以及最優的產量，可考慮W2處理作為最優灌水量。

(3)本次試驗所得苜蓿品質較好，普遍屬特級標準。但不同灌水處理對各茬苜蓿的品質均無顯著性影響，對該方面的研究結果還存在差異，因而還需進一步試驗研究。

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