寒旱荒漠地區不同灌水處理對紫花苜蓿生長與產量 的影響

曹 彪， 何建村， 白云崗

(新疆水利水電科學研究院， 新疆 烏魯木齊 830049)

作為一種優質、高產、抗旱、適應性強的飼料作物[1-2]，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)在我國人工草地得到大面積種植[3]。正常生長的紫花苜蓿莖葉繁茂，需水量很大[4]，所以通過節水灌溉生產方式，提高水分利用效率，是發展人工草地的必然選擇。其中，淺埋式滴灌是增加產量、降低用水量的一種有效灌溉方式[5-6]。針對淺埋式滴灌條件下，紫花苜蓿生長特性、水肥耦合、滴灌帶布設，國內外學者進行了大量試驗研究[7-12]。但是隨著不同地區氣候環境、土壤類型、水文地質以及海拔高度等條件變化，牧草耗水量也不同。寒旱荒漠地區一般具有干燥少雨、蒸發強烈、土壤肥力差、有機質含量低、晝夜溫差大和干旱災害頻發的特點。很多牧區或農牧交錯區位于寒旱荒漠地區，因此針對寒旱荒漠地區紫花苜蓿淺埋式滴灌灌溉制度開展試驗研究，對于干旱荒漠地區退耕還草和人工草地合理開發利用具有重要意義。

灌水定額和灌水周期是作物節水灌溉研究的兩個重要指標[13]。本文通過分析灌水周期和灌水定額對紫花苜蓿各生育期株高、莖粗、干物質的作用效應，揭示灌水周期和灌水定額對紫花苜蓿生長的影響機理；結合不同試驗處理對紫花苜蓿產量的影響，統籌確定灌水周期和灌水定額合理組合，從而確定干旱荒漠地區紫花苜蓿最佳的灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年4—10月在阿勒泰地區青河縣境內的阿葦灌區實施。青河縣阿葦灌區位于準葛爾盆地東北部，阿勒泰山東南麓，試驗區地理坐標為46°25′30″ N，90°04′01″ E。試驗區氣候屬于大陸性溫帶寒溫帶氣候，高山高寒、空氣干燥，冬季漫長寒冷、風勢較大，夏季酷熱、年降雨量小、蒸發量大。當地極端最低氣溫為-53℃，最高氣溫為36.5℃，年平均氣溫1.3℃；年均降水量189.1 mm，蒸發量1 367 mm；無霜期平均為103 d，2016年試驗區終霜日是5月19日，始霜日出現在9月17日。土壤質地為沙土，土壤容重為1.74 g·cm-3，土壤田間持水量為13.3%。表1為阿葦灌區各層土壤顆粒粒徑組成，根據土壤質地分類標準，試驗區土壤80 cm以上部分為輕礫石粗砂土，80～100 cm為中礫石粗砂土。試驗地土壤粘粒含量較少，以粗沙、細沙為主，說明該地土壤孔隙多、粘性小，土壤通氣透水性強，蓄水保肥能力較差，容易受到干旱侵襲。

表1 試驗區土壤物理性狀Table 1 The soil physical properties in experimental zone

1.2 試驗設計

試驗苜蓿是2012年8月10日播種的紫花苜蓿，品種名為‘阿爾岡金’(Poapretensis‘Algomguin’)，采用播種開溝鋪帶一體機一次性完成播種、鋪設滴灌管帶、開溝覆土，苜蓿行距為30 cm，播種量為52.5 kg·hm-2。播種當年 8月19日開始出苗，當年未收割，第二年的返青率達92%。毛管采用大禹節水集團股份有限公司生產的可以防負壓的內鑲貼片式滴灌帶，滴頭流量2.0 L·h-1，滴灌帶埋深5～8 cm，毛管間距60 cm，毛管布置如圖1所示。試驗設3個灌水定額300 m3·hm-2，375 m3·hm-2，450 m3·hm-2；3個灌水周期6 d，9 d，12 d，共9個處理，重復一次，試驗各處理的設計及對應的灌水量如表2所示。每個試驗小區長30 m左右，寬2.4 m。試驗約定灌水周期內單次降水大于15 mm，灌水周期延長3 d；單次降水大于20 mm，下一次灌水順延4 d；單次降水大于30 mm，下一次灌水順延6 d。第一茬苜蓿生育期內5月17日出現降雨最大值，單次有效降雨為8.8 mm；第二茬苜蓿生育期內8月2日出現降雨最大值，單次有效降雨5.2 mm，因此降雨未對試驗計劃產生影響。試驗區地下水位較深，紫花苜蓿全生育期可視為無地下水補給。試驗各處理分別在分支期和現蕾期統一隨水施磷酸二氫鉀10 kg·mu-1和尿素5 kg·mu-1。由于試驗區位于高寒荒漠地區，所以紫花苜蓿全年收割兩茬，第一茬于6月20日刈割，第二茬在9月5日刈割。

圖1 毛管布置示意圖Fig.1 The sketch of lateral layout

表2 試驗設計Table 2 The design of experiment

試驗處理Treatment灌水周期Irrigation cycle/d灌水定額Quota of irrigating water/m3·hm-2灌溉定額Irrigation quotas/m3·hm-2第一茬 First cutting第二茬Second cutting合計TotalW116300240033005700W126375300041257125W136450360049508550W219300180021003900W229375225026254875W239450270031505850W3112300120018003000W3212375150022503750W3312450180027004500

1.3 測定指標及方法

在每個小區內按“S”型曲線隨機選取具有代表性的10株苜蓿，每隔10 d測一次苜蓿株高、莖粗。株高在現蕾期前為從莖的最基部到最上葉頂端的距離，現蕾期后為從莖的最基部到穗頂端的距離；莖粗是用游標卡尺量莖的最基部，東西、南北兩方向各測1次，取平均值。產量采用樣方法測定，各試驗處理在每個生育期末，以1 m2為一個樣方，留茬高度5 cm左右，在每個處理小區隨機選取3個樣方，用鐮刀割取樣方內苜蓿，稱重測定鮮草產量。同時在各個樣方中隨機取3個500 g左右鮮草樣帶回實驗室105°殺青，65℃烘干24 h至恒重，計算干濕比，換算出干草產量。

1.4 數據分析

試驗數據采用 Excel 2007軟件進行整理和制圖，采用 SPSS 18.0進行數據統計分析和差異顯著性檢驗，差異顯著性分析采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 灌水定額對紫花苜蓿生長動態的的影響

灌水周期分別為6 d，9 d，12 d，不同灌水定額紫花苜蓿株高、莖粗動態生長過程如圖2所示。由圖中株高、莖粗變化速率趨勢可知，紫花苜蓿分枝后期，現蕾期生長較快，返青期和開花期生長較緩慢。灌水周期為6 d時，第一茬紫花苜蓿灌水量越小，植株越高，W11株高均值達80.2 cm；第二茬紫花苜蓿，則較大灌水量，有利于植株生長，W12和W13株高均值均達68.2 mm。灌水周期為6 d的三個試驗處理植株生長整體差異較小，莖粗表現為灌水量越小，莖粗越大的規律；灌水周期為9 d時，試驗結果整體呈灌水量越大，植株生長越快的規律。株高生長在分枝后期開始表現出差異，并且隨著生育天數的增加，紫花苜蓿植株生長差別越來越顯著。紫花苜蓿整個生育期的株高和莖粗生長速率W23>W22>W21；灌水周期為12 d時，紫花苜蓿的生長速率W33>W32>W31，亦即灌水量越大，植株生長越快。但生育后期3個處理均表現出缺水現象，植株普遍矮小，W32部分植株、W31幾乎全部植株出現葉片萎蔫等癥狀，這是由于灌水較少，灌水量不能滿足作物生長需要，加之植株體內水分散失，導致第二茬紫花苜蓿開花期莖粗下降。可見，灌水量能夠顯著影響紫花苜蓿的地上生物量[14]，適宜的灌水量能夠促進植株的生長，提高紫花苜蓿的生產性能。

2.2 灌水周期對紫花苜蓿生長動態的的影響

灌水定額分別為300 m3·hm-2，375 m3·hm-2，450 m3·hm-2，不同灌水周期紫花苜蓿株高、莖粗動態生長過程如圖3所示。灌水定額在300 m3·hm-2的情況下，紫花苜蓿生長速度W11>W21>W31，且灌水周期為6 d的處理從分枝期開始株高和莖粗均高于灌水周期9 d和12 d的試驗處理，說明高頻率小水量的灌溉有利于紫花苜蓿的生長。當灌水定額為375 m3·hm-2時，紫花苜蓿株高、莖粗生長速度W12>W22>W32，表現出頻率越高的灌水處理，苜蓿植株生長的越好，但主要是在紫花苜蓿分枝后期差異顯著，說明灌水定額為375 m3·hm-2時，紫花苜蓿在分枝前期和返青期適當延長灌水周期，分枝后期縮短灌水周期。當灌水定額達到450 m3·hm-2時，紫花苜蓿株高生長速度W13>W23>W33，但W13和W23差異不明顯。說明灌水定額為450 m3·hm-2時，灌水周期為6 d和9 d的試驗處理對比，株高差異不大，但是灌水周期為9 d時更有利于紫花苜蓿莖粗的生長。綜上所述，紫花苜蓿適宜的灌水方式可以通過合理安排灌水周期和灌水定額來實現，即延長灌水周期、相應提高灌水定額，或是降低灌水定額、相應縮短灌水周期，通過尋找合理的灌溉周期和灌水定額組合，達到節水增產的效果。

圖2 灌水量對紫花苜蓿株高、莖粗的影響Fig.2 Effects of irrigation amount on plant height and stem diameter of alfalfa

2.3 灌水周期和灌水定額對紫花苜蓿生長的影響

根據試驗植株調查，紫花苜蓿整個生育期各生育階段劃分如表3所示。牧草的產量主要是莖葉產量，通過紫花苜蓿植株變化速率可以衡量其生物量累積的快慢。植株變化速率可以由株高、莖粗以及干物質的變化定量進行分析。對株高和莖粗變化速率以及各生育階段干物質積累量進行方差分析，方差分析采用F檢驗的方法，差異性檢驗值如表4所示。

圖3 灌水周期對紫花苜蓿株高、莖粗的影響Fig.3 Effects of irrigation cycle on plant height and stem diameter of alfalfa

表3 紫花苜蓿各生育期劃分Table 3 The growth period division of alfalfa

紫花苜蓿第一茬返青期株高受灌水周期和灌水定額交互作用影響極顯著(P<0.01)，株高在分枝期、孕蕾期、初花期均受灌水周期影響極顯著(P<0.01)，在孕蕾期和初花期受灌水定額影響極顯著(P<0.01)。灌水周期在分枝期對紫花苜蓿莖粗影響極顯著(P<0.01)，在孕蕾期影響顯著(P<0.05)。灌水定額對莖粗在孕蕾期影響極顯著(P<0.01)，在返青期和初花期影響顯著(P<0.05)。灌水周期和灌水定額的交互作用對孕蕾期和初花期莖粗影響非常顯著(P<0.01)；干物質在返青期受灌水周期和灌水定額影響不大，在孕蕾期受灌水周期和灌水定額單獨和交互影響均極顯著(P<0.01)，在初花期和分枝期受灌水周期和灌水定額單獨作用影響極顯著(P<0.01)，受灌水周期和灌水定額的交互作用影響顯著(P<0.05)；灌水周期和灌水定額對紫花苜蓿第二茬生長的影響與第一茬基本相同，但由于紫花苜蓿第二茬在7月份返青，生長階段溫度較高，第二茬受灌水周期和灌水定額的影響與第一茬還表現出不一樣的特點。第二茬紫花苜蓿返青期受灌水周期和灌水定額單獨影響極顯著(P<0.01)，干物質受灌水定額影響顯著(P<0.05)。與第一茬紫花苜蓿不同，分枝期株高受灌水周期和灌水定額影響不顯著，莖粗受灌水定額影響顯著，干物質受灌水定額和灌水周期影響非常顯著。第二茬紫花苜蓿現蕾期溫度較高，更有利于生殖生長，第二茬紫花苜蓿現蕾期株高和莖粗受灌水周期和灌水定額影響均不顯著，干物質受灌水定額影響顯著，受灌水定額和灌水周期交互影響不顯著。第二茬紫花苜蓿開花期株高受灌水周期影響顯著，干物質受灌水周期和灌水定額交互影響不顯著。

表4 灌水周期和灌水定額對紫花苜蓿各生育期生長指標影響主體間效應檢驗Table 4 Intersubjective effect test of effects of irrigation cycle and irrigation quota on growth index of alfalfa in different growth stages

注：sig<0.01表示極顯著，sig<0.05表示顯著

Note：Sig<0.01 indicates very significant difference, Sig<0.05 indicates significant difference

2.4 不同水分處理對苜蓿產量的影響

第一茬紫花苜蓿返青主要受上一年度降雪影響，所以各處理土壤含水率初始水平基本相同。試驗區紫花苜蓿約在4月底開始返青，5月3日第一次灌水，6月18日結束灌水，第一茬灌水歷時45 d，第二茬7月3日開始灌水，9月2日結束灌水，灌水歷時61 d。

表5為不同水分處理下紫花苜蓿干、濕重及顯著性比較。最高鮮、干重的試驗處理灌水周期均為6 d。第一茬紫花苜蓿中W13鮮草產量最高，鮮重為39 653 kg·hm-2，W12干草產量最高，干重為10 254 kg·hm-2。鮮重最大的不一定干重最高，主要是受干濕比的影響。灌水周期6 d時，灌水量多的干濕比反而小，W12干濕比為0.31，而W13干濕比僅為0.23。第二茬紫花苜蓿中W13鮮、干重最大，鮮重為32 783 kg·hm-2，干重為8 916 kg·hm-2。灌水周期為6 d的試驗處理，鮮重均隨灌水量增加而增大，但第一茬差異顯著，第二茬差異不顯著，而且第二茬耗水要比第一茬多，這是由于干旱荒漠地區第二茬紫花苜蓿生長階段溫度較高，蒸發蒸騰強烈。第一茬紫花苜蓿干重W11W12，說明灌水周期為6 d時，灌水定額從300 m3·hm-2增加到450 m3·hm-2，紫花苜蓿干物質積累呈先增大后減小的規律。當灌水周期為9 d和12 d時，W21W21>W31，W12>W22>W32，W23>W33，說明當灌水周期大于9 d時，高頻率灌溉有利于紫花苜蓿干、濕重的提高。但是由第一茬干重W13

表5 不同試驗處理紫花苜蓿的產量及顯著性比較Table 5 Comparison of yield and significance of alfalfa under different treatments

注：同列不同小寫字母表示不同處理差異顯著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters within the same column indicate significate difference at the 0.05 level

2.5 紫花苜蓿的優化灌溉制度

優化灌溉制度是為了獲取最大的經濟效益，通過充分利用牧草植物體對缺水具有的抗逆特性，合理確定其不同生育期灌水量和灌水時間，制定具有節水、增產、高效益的灌水模式[18-20]。通過2016年紫花苜蓿的灌溉試驗，同時結合當地降雪對土壤水分的供應，第一茬紫花苜蓿返青期合理灌水制度為灌水定額300 m3·hm-2左右，灌水周期9 d，在溫度允許的條件下，第一次灌水可適當提前，以加快紫花苜蓿的返青速度。紫花苜蓿分枝期灌水周期對其株高和莖粗影響顯著，宜采用高頻率中水量的灌溉方式，即灌水周期6 d，灌水定額為375 m3·hm-2，以促進紫花苜蓿植株生長。紫花苜蓿現蕾期生長受灌水周期和灌水定額影響非常顯著，所以采用高頻率大水量的灌溉方式，即灌水周期6 d，灌水定額450 m3·hm-2。開花期采用中頻率大水量的灌溉方式，主要是因為高頻率灌水紫花苜蓿干濕比較低，不利于干物質的形成。紫花苜蓿第一茬灌水約8次，總灌水量約為3 075 m3·hm-2左右。第二茬紫花苜蓿返青期和分枝期選擇灌水周期6 d，灌水定額為300 m3·hm-2的組合有利于植株的生長；現蕾期選擇灌水周期6 d，灌水定額375 m3·hm-2的灌水組合既有利于植株生長又利于紫花苜蓿生物量積累；初花期可以延長灌水周期，以提高刈割時紫花苜蓿干濕比，因此選擇灌水周期為9 d，灌水定額450 m3·hm-2的灌水組合。紫花苜蓿第二茬灌水約10次，總灌水量為3375 m3·hm-2。

3 討論與結論

寒旱荒漠地區，氣候干冷，溫度回升緩慢，全年無霜期較短，試驗區紫花苜蓿刈割兩茬。由于整個生育期氣象不同，紫花苜蓿第一茬和第二茬最佳灌水周期和灌水量組合不完全相同，紫花苜蓿第一茬灌水量約為3 075 m3·hm-2。第二茬灌水量約為3 375 m3·hm-2。全年總灌水量約為6 450 m3·hm-2，這與郭學良等[21]研究成果基本一致。

2014-2015年試驗設計的灌溉周期分別為5 d，10 d，15 d，灌水定額分別為225 m3·hm-2，300 m3·hm-2， 375 m3·hm-2，結果為灌水周期為5 d的處理產量高于灌水周期10 d和15 d的試驗處理。而灌水周期為10 d時，雖然灌水量越大，產量越高，但灌水定額為375 m3·hm-2的試驗處理，產量也只有灌水周期為5 d和灌水定額225 m3·hm-2試驗處理的68.7%，因此可以確定試驗區灌水周期應該介于5 ～10 d。通過2016年紫花苜蓿的灌溉試驗，紫花苜蓿經過優化的灌水頻次為：第一茬灌水約8次，第二茬灌水約10次，灌水周期介于6 ～9 d，灌水定額在300～450 m3·hm-2。本文提出的灌水定額和灌水頻次均較高，主要是由于試驗區苜蓿種植時播種量較大，且每年返青率較高，紫花苜蓿耗水量較大，最終產量也較高。苜蓿雖然是多年生深根系作物，但是當存在較為嚴重的土壤障礙因子時，紫花苜蓿根系入土深度常可淺至不足1 m，一般不超過2 m[22]，而且紫花苜蓿根系生物量在0～30 cm土層的分布比例在60%～90%之間[23-24]，在0～30 cm土層土壤水分變化也是最活躍的區域[21]。所以小水量高頻次的滴灌既可以減少土壤深層滲漏又避免地面積水過多，更加有利于根系對水分的吸收，提高水分的有效利用率。郭學良等[21]和李茂娜等[25]亦提出適當的增加灌水頻次，可以節水增產。

通過對株高和莖粗變化速率以及各生育階段干物質積累量進行方差分析，灌水周期和灌水量對不同生育階段的紫花苜蓿株高、莖粗和干物質積累量影響程度各不相同。說明紫花苜蓿適宜的灌水方式可以通過合理安排灌水周期和灌水定額，即增大灌水周期、提高灌水定額，或者縮短灌水周期、減小灌水定額，達到節水增產的效果。

高頻率灌水促進紫花苜蓿生長，有利于鮮物質的積累，但生長后期紫花苜蓿植株水分含量較高，干濕比較低，不利于紫花苜蓿干物質的最終形成。因此干旱缺水地區，紫花苜蓿在生育后期可通過在淺埋式滴灌方式下延長灌水周期，增加灌水定額，以提高紫花苜蓿產量。