灌水模式對高寒荒漠區混播人工草地產量及耗水特性的影響

余曉雄，齊廣平，康燕霞，銀敏華

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

青藏高原高寒荒漠草原區常年以干旱半干旱氣候為主，降水較少，水資源匱乏，天然草地產量低，嚴重制約著草地畜牧業和高原地區經濟可持續發展[1-2]。因此建立優質、高產的人工草地成為解決該區草畜供求矛盾，促進草地畜牧業可持續發展的關鍵[3]。水分是高寒荒漠區人工草地飼草生產的主要限制因素，合理的灌溉可以大幅提高牧草產量和品質，但目前該區人工草地生產管理粗放，牧民濫用灌溉水資源，灌溉制度不合理，不僅降低了水分利用效率，還造成了水資源浪費。

禾本科與豆科牧草混播不僅可以提高產草量和飼草品質，而且還能提高土壤肥力和改善土壤環境[4]，已逐漸成為高寒區人工草地建設的主要種植模式。該區一年生人工草地主要以抗旱、耐寒、耐堿的燕麥(Avena sativa L.)和箭筈豌豆(Vicia sativa L.)為主。燕麥常以單播或與箭筈豌豆混播[5]。目前，高寒區針對燕麥與箭筈豌豆混播人工草地的研究主要涉及品種篩選[6]、混播比例及密度[7]、施肥水平[8]、生產性能及營養價值評價[9]以及光能轉化效率[10]等方面，針對人工草地的灌水模式及水分利用效率等方面的研究鮮有報道，研究禾豆混播人工草地對灌水模式的響應，對水資源匱乏、灌溉制度不合理的高寒區牧草生產與管理具有現實意義。為此，本研究選取青海海西藏族自治州荒漠草原區開展大田試驗，研究不同灌水模式對燕麥箭筈豌豆混播人工草地產量、耗水特性及水分利用效率的影響，以期為高寒荒漠草原區人工草地節水灌溉提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年在青海省烏蘭縣茶卡鎮金泰牧場進行。當地海拔3150m，年降水量159.3mm，年蒸發量2074.1mm，氣候極為干燥，屬典型干旱大陸性氣候。年平均氣溫3.5℃，最高月均溫14.4℃，最低月均溫-12.4℃，極端最高氣溫34℃，極端最低氣溫-27.7℃。試驗地土壤類型為沙壤土，土壤容重為1.49g/cm2，田間持水量為20.38%，有機質含量為19.35g/kg，土壤銨態氮含量29.32mg/kg，硝態氮含量64.58mg/kg，速效磷含量0.828mg/kg，速效鉀含量25.86g/kg，pH值8.35。前茬作物為油菜。

試驗點氣象站的監測數據表明，牧草全生育期內降水量為350mm，降水主要集中在8月(187.50mm)，占全生育期降水總量的49.3%；牧草全生育期內平均溫度為12.52℃，最高氣溫出現在7月(15.71℃)，如圖1所示。

圖1 試驗期間的月降雨量與月平均氣溫

1.2 試驗材料

選用燕麥和箭筈豌豆為供試作物(種子由青海省農林科學研究院提供)，混播比例為燕麥∶箭筈豌豆=6∶4；實際播量為燕麥112.5kg/hm2，箭筈豌豆75kg/hm2。播種方式為條播，行距為20cm，2018年5月14日播種，9月15日收獲。

1.3 試驗設計

試驗設四種灌水處理：全生育期不灌水(C0)、拔節期灌水(C1)、拔節期+開花期灌水(C2)、拔節期+開花期+灌漿期灌水(C3)，每個處理重復3次，共計12個小區，小區面積為4m×5m。每次灌水25mm，即處理C0、C1、C2和C3的生育期灌水量分別為0、25、50、75mm。灌水量用水表嚴格控制，灌水方式為微噴灌。小區之間間隔1m，邊緣處理有2m深塑料膜以防止水分互滲，試驗區四周布設2m寬同種牧草保護帶。肥料(尿素75kg/hm2，磷酸二銨225kg/hm2)于牧草播種前一次性基施，其他管理措施同當地一般人工草地。

1.4 測定項目與方法

1.4.1生物量

在燕麥收獲期(箭筈豌豆結莢期)取樣，每小區隨機量取50cm樣段進行刈割，將燕麥與箭筈豌豆分離后分別稱取鮮重，然后放入105℃的烘箱中殺青(時間為30～40min)，再將烘箱溫度降至75℃烘干至恒重，待冷卻后稱取干物質質量。

1.4.2牧草粗蛋白含量及總量測定

將干草樣粉碎后，過1mm篩，采用凱氏定氮法測定牧草粗蛋白含量，計算方法如下：

(1)

式中，CP—植株粗蛋白百分含量，%；0.014—氮元素的毫克當量；6.25為換算系數；V1—滴定時所消耗鹽酸標準溶液的體積，ml；V2—滴定空白時所消耗的標準鹽酸體積，ml；c—鹽酸的當量濃度；m—試樣重，g。

植株粗蛋白產量計算如下：

CPY=CP×Y

(2)

式中，CPY—植株粗蛋白產量，kg/hm2，Y—干物質產量，kg/hm2。

1.4.3田間耗水量和水分利用效率的計算

利用土壤熵情儀(IST.HRG C-16S，北京東方潤澤生態科技股份有限公司生產)實時監測各小區內土壤含水量變化，測定深度為60cm，利用烘干法對土壤水分含量進行校準。田間耗水量ET計算如下：

(3)

式中，i—土層編號；n—總土層數；γi—第i層土壤干容重;Hi—第i層土壤厚度，cm；θi1和θi2—第i層土壤時段初和時段末的含水率，%，以占干土質量的百分數計；M—時段內的灌水量，mm；P0—有效降水量，mm；K—時段內的地下水補給量。試驗地地下水埋深大于2.5m，K值忽略不計。

水分利用效率為：

WUE=Y/ET

(4)

灌溉水利用效率為：

IUE=Y/I

(5)

降水利用效率為:

PUE=Y/P

(6)

式中，Y—牧草產量，kg/hm2；ET—總耗水量，mm；I—灌水量，mm；P—降雨量，mm。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010及SPSS 19.0進行數據處理及相關分析，運用Duncan新復極差法(SSR)進行多重比較和差異顯著性、相關性分析(極顯著P<0.01，顯著P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同灌水模式對混播牧草鮮、干草產量的影響

不同處理下燕麥和箭筈豌豆混播鮮干草產量見表1。灌水處理下鮮、干草產量均顯著高出不灌水處理(P<0.05)，與C0處理相比，C1、C2和C3處理的平均鮮草產量分別提高29.78%、34.01%、31.91%，平均干草產量分別提高19.26%、29.47%、32.34%，說明灌水可以顯著提升高寒區混播牧草的產量。收獲時C2處理鮮草產量最高，為71291.80kg/hm2，比C1處理高出34.01%；C3處理干物質產量最高，為29322.72kg/hm2，比C1處理高出32.34%，與C2處理相比無顯著差異(P>0.05)，見表1。

表1 不同灌水模式下牧草收獲期鮮草產量和干草產量 單位：kg/hm2

注：表中數據為三個重復的平均值；表中同列不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

2.2 不同灌水模式對混播牧草粗蛋白含量與累積量的影響

粗蛋白產量主要和牧草干物質產量及其含氮量有關。不同處理下燕麥和箭筈豌豆混播粗蛋白含量與累積量見表2。從表2中可以看出，箭筈豌豆的粗蛋白含量顯著高于燕麥的粗蛋白含量，隨著灌水次數的增加，混播牧草粗蛋白含量呈下降趨勢。灌水增加，燕麥粗蛋白產量呈下降趨勢，而箭筈豌豆粗蛋白產量呈現先增加后減小的趨勢。C1處理下燕麥和箭筈豌豆粗蛋白產量均最高，燕麥粗蛋白產量為1311.28kg/hm2，箭筈豌豆粗蛋白產量為1185.24kg/hm2，C3處理下燕麥和箭筈豌豆粗蛋白產量均最低，燕麥粗蛋白產量為559.02kg/hm2，箭筈豌豆粗蛋白產量為750.69kg/hm2。不同灌水處理粗蛋白產量的變化規律與干物質變化規律相反。收獲期C1處理粗蛋白產量最高，達到2496.52kg/hm2，C3處理粗蛋白產量最低，為1309.71kg/hm2，說明水分過度虧缺或后期土壤水分過多均不利于牧草形成較高的粗蛋白產量。

表2 不同灌水處理下混播牧草粗蛋白含量及產量

注：表示字母含義同表1。

2.3 不同灌水模式對混播草地田間耗水特性的影響

不同灌水模式對混播草地田間耗水特性的影響見表3。由表3可知，隨著灌水量的增加，混播牧草在全生育期的總耗水量呈增加趨勢，C1、C2和C3處理在全生育期總耗水量較C0分別增加27.94、56.9、107.05mm。草地灌水量占總耗水量的比例隨著灌水量的增加而增加，但降水量和土壤貯水消耗量占總耗水量的比例隨著灌水量的增加而降低。C0處理下降水量和土壤貯水消耗量占總耗水量的比例較C1、C2和C3分別增加7%、14.1%、26.2%和15.9%、44.0%、83.1%。灌水量從C0的0mm增加到C3的75mm，降水量、灌水量和土壤貯水消耗量占總耗水量比例的變異系數分別為8.5%、70.4%、22.1%，說明灌水量對土壤貯水消耗量占總耗水量比例的影響較降水量顯著，改變灌水量可以有效調節禾豆混播草地對土壤貯水的吸收利用。

表3 不同灌水模式對混播草地田間耗水特性的影響

注：表示字母含義同表1。

2.4 不同灌水模式對混播牧草不同生育階段耗水量、耗水模系數及耗水強度的影響

不同灌水模式對混播牧草不同生育階段耗水量、耗水模系數及耗水強度的影響見表4。由表4結果可知，從不同生育期來看，拔節期至開花期混播牧草的耗水量最大。拔節期至開花期，C1、C2和C3處理的耗水量顯著高于C0處理(P<0.05)，說明拔節水增加了此階段人工草地的耗水量；開花期至灌漿期，C0與C1處理間耗水量差異不顯著，C2處理的耗水量顯著高于C0、C1處理；灌漿期至收獲期，耗水量表現為C3>C2>C1>C0，但C2與C3處理間無顯著差異，說明灌漿水對灌漿期至收獲期的耗水量無顯著影響。從全生育期來看，總灌水量越大，總耗水量越大，拔節期的耗水量顯著高于開花期和灌漿期，說明拔節水是影響全生育期耗水量的關鍵。

表4 不同灌水模式對混播牧草不同生育階段耗水量、耗水模系數及耗水強度的影響

注：CA為耗水量；CP為耗水模系數(各生育階段耗水量/總耗水量)；CD為耗水強度(各生育階段耗水量/各生育階段天數)。

隨灌水量的增加，耗水強度總體呈增大趨勢；拔節期至開花期，C0處理的耗水強度顯著低于其他處理；開花期至灌漿期，處理間差異不顯著(P>0.05)；灌漿期至成熟期，C3處理的耗水強度顯著高于C0、C1處理，但與C2處理差異不顯著，說明灌漿水對混播牧草灌漿至收獲期的耗水強度無顯著影響。

2.5 不同灌水模式對混播牧草水分利用效率的影響

由表5結果可知，隨灌水量的增加，燕箭混播牧草的干物質水分利用效率和粗蛋白水分利用效率均呈先升后降趨勢，C2處理的干物質水分利用效率最高，達到64.17kg·hm-2·mm-1，顯著高于其他處理，說明灌拔節水+開花水可以顯著提高干物質水分利用效率，C1與C3處理較C2處理水分利用效率較低，前者是因為灌水量不足導致干物質產量過低，后者是因為灌水量過多而造成耗水量增大；C1處理的粗蛋白水分利用效率最高，達到5.78kg·hm-2·mm-1，顯著高于C3處理(P>0.05)，但與C0和C2處理差異不顯著(P>0.05)。隨灌水量增加，灌水利用效率(IUE)顯著降低，C3處理較C1和C2處理分別降低60.2%和32.3%；土壤貯水利用效率(SUE)和降水利用效率(PUE)增加。

表5 不同灌水模式對混播牧草水分利用效率的影響 單位：kg·hm-2·mm-1

注：表示字母含義同表1。

3 討論

灌溉是作物高產的基礎，適量的灌水量可以提高作物產量；但過量灌溉會導致作物產量和水分利用效率降低[11-12]。研究表明，作物產量與灌水量表現為拋物線關系，當灌水量達到一定程度后，產量呈下降趨勢[13]。本研究結果表明，與全生育期不灌水相比，3種灌水模式均能顯著提升燕箭混播牧草的鮮干草產量，其中，拔節期+開花期灌水處理的牧草產量最高。這與張勝全等[14]在冬小麥中的研究結果相似；牧草增產幅度隨灌水量的增加的而減小，灌拔節水牧草產量較不灌水處理增加29.78%，灌拔節水+開花水較灌拔節水牧草增產幅度為6.7%，灌3水較灌2水增產幅度為-3.2%，產量開始下降，這與王家瑞等[15]的研究結果基本一致。灌拔節水處理的粗蛋白產量顯著高于其他灌水處理，表明過度干旱或灌水次數較多均不利于形成較高粗蛋白產量。文霞等[16]在灌水量對紫花苜蓿生產能力的研究中也表明，隨著灌水量的增加，粗蛋白含量逐漸減少，灌水量和粗蛋白含量呈負相關。這可能是由于隨著灌水量的增加，燕麥的莖葉比增大，導致葉片在植株中所占比例減小，從而致使粗蛋白產量減小。

提高作物水分利用效率是節水農業的首要問題[17]，適宜的灌溉量或水分虧缺可以降低作物的耗水量，提高水分利用效率[18-19]，其關鍵在于尋找高效利用土壤貯水的灌水模式[20]。本研究表明，灌水對燕箭混播牧草的產量、耗水特性及水分利用效率影響顯著，隨灌水量增加，牧草的總耗水量增加，而土壤貯水消耗量和降雨量占總耗水量的比例降低，這與馮福學等[21]的研究結果相同。全生育期不灌水處理的土壤貯水消耗量和降雨量占總耗水量的比例為18.84%和85.47%，顯著高于灌水處理的土壤貯水消耗量和降雨量；隨灌水量增加，土壤貯水消耗量占總耗水量比例的變異系數大于降雨量占總耗水量比例的變異系數，說明灌水量對土壤貯水消耗量占總耗水量比例的影響大于降雨量占總耗水量的比例，這與王德梅等的研究結果基本一致[22]。以上研究結果為提高高寒區燕箭混播人工草地土壤水利用效率提供了理論依據。

灌水對燕麥不同生育期的耗水指標具有調控作用。隨生育進程的不斷推進，燕箭混播牧草的階段耗水量和階段耗水模系數均逐漸減小，這一結果與馮福學等[23]的研究結果相反，這可能是因為本次試驗在高寒區開展，燕麥拔節期正處于當地氣溫最高時，牧草光合作用劇烈，草地蒸發量大，使得牧草階段耗水量在拔節期處于最大，隨著生育時期推進，當地氣溫降低，陰雨天氣增多，牧草光合作用減弱，生長緩慢，階段耗水量逐漸降低。本研究發現，隨生育時期的推進，不灌水和灌拔節水處理的階段耗水強度逐漸減小，灌2水和灌3水處理的階段耗水強度逐漸增大，這是因為不灌水和只灌拔節水處理過度水分虧缺，抑制牧草后期生長，導致耗水強度減弱；而灌2水和灌3水處理草地水分充足，牧草植株生長旺盛，耗水強度逐漸增強。前人研究表明，灌拔節水和灌漿水可以提高開花期至成熟期的耗水模系數，進而提升生育后期的水分利用效率，為提高產量打下基礎[24]。

牧草產量和水分利用效率與耗水量密切相關，但同時也受試驗區環境及氣候等因素的影響，前人對產量和水分利用效率的研究結果不盡相同。馮福學等研究發現，隨灌水量增加，燕麥水分利用效率逐漸降低。王家瑞等在冬小麥的研究中發現，隨灌水量增加，產量和水分利用效率均增加。Kang等[25]則認為，冬小麥產量、水分利用效率和耗水量之間均呈二次曲線關系。本研究結果表明，隨灌水量增加，牧草產量和水分利用效率均增加，其中干草產量以灌3水處理最大，但與灌2水處理差異不顯著；干物質水分利用效率以灌拔節水+開花水處理的最大；粗蛋白水分利用效率以灌拔節水處理的最大，但與灌拔節水+開花水處理差異不顯著。

4 結論

(1)在高寒荒漠草原區環境下，通過灌水可以顯著提升燕箭混播人工草地鮮干草產量和粗蛋白產量，灌拔節水+開花水條件下，燕箭混播牧草鮮草產量最高，干草產量較高，干物質水分利用效率最高。

(2)隨灌水量增加，牧草的總耗水量顯著增加，土壤貯水消耗量和降水量占總耗水量的百分率降低，干物質水分利用效率和粗蛋白水分利用效率先增加后減小。土壤貯水消耗量占總耗水量比例受灌水量的影響大于降水量占總耗水量比例。

(3)灌水對燕麥不同生育期的耗水指標具有調控作用，隨生育進程不斷推進，高寒區燕箭混播牧草的階段耗水量和階段耗水模系數均逐漸減小，不灌水和灌拔節水處理的階段耗水強度逐漸減小，灌拔節水+開花水與灌拔節水+開花水+灌漿水處理的階段耗水強度逐漸增大。

(4)高寒區燕箭混播牧草采用灌拔節水+開花水的灌水模式，既能獲得高產高品質，又能顯著提升牧草水分利用效率，節約灌溉用水，是當地較佳的混播牧草灌水模式。