灌水下限對紫花苜蓿產量、品質及水分利用效率的影響

孟洋洋，李茂娜，王云玲，金慶同，嚴海軍*

（1.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083；2.中國農業機械化科學研究院，北京 100083）

0 引 言

紫花苜蓿（Medicago sativa），以其蛋白質量高、抗逆性強、營養價值高、適口性好而聞名，是一種優質多年生豆科牧草[1]，被稱為“牧草之王、飼料皇后”[2]。為了促進苜蓿產業發展，2016年國家提出了一系列旨在促進我國苜蓿產業發展的文件[3-5]，2019年中央一號文件明確提出要大力發展青貯苜蓿優質飼料生產[6]。同時，紫花苜蓿是一種高耗水作物，年需水量范圍為400～2 250 mm[7]。華北地區是我國重要的紫花苜蓿主產區之一[8]，但是長期以來地下水過度開采形成了多個漏斗區，農業用水十分緊張，極大地限制了該地區苜蓿產業的發展。圓形噴灌機噴灌相比于傳統的地面灌溉技術，具有增產、省水、省工、保土和保肥、適應性強、機械化和自動化程度高[9]等優點，近幾年在紫花苜蓿種植區得到了廣泛應用。

國內外學者關于紫花苜蓿做了大量研究工作，有學者研究了苜蓿根系在土壤當中的分布情況[10-12]，也有學者應用不同灌水技術，研究不同地區適宜苜蓿生長的灌水下限[13-15]，發現在不同地區及不同生長茬次存在不同的研究結果，而華北地區適宜苜蓿生長的灌水下限研究成果較少。因此，本文使用圓形噴灌機灌溉技術，研究華北地區適宜紫花苜蓿生長的灌水下限，為該地區應用高效節水灌溉技術，提高水分利用效率（water use efficiency，WUE），實現優質高產栽培提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于河北省涿州市中國農業大學教學實驗場，北緯 39°27′，東經 115°21′，海拔 42 m，屬于暖溫帶半濕潤季風區，大陸性季風氣候顯著，季節溫差變化大且四季分明，光照充足，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量是 563.3 mm，年平均氣溫是11.6 ℃，7月氣溫最高，1月氣溫全年最低，年度溫差達到31.5 ℃，多年平均累積無霜期為178 d。試驗地屬于太行山山洪沖積扇，地勢平坦。根據土壤顆粒分析，試驗地的土壤質地（國際制）以砂土類為主，土質屬于堿性土，硝態氮量 13.92 mg/kg、有效磷量13.08 mg/kg、速效鉀量67.73 mg/kg、有機質量5.08 g/kg。

1.2 試驗材料與灌溉設備

試驗選擇的紫花苜蓿品種為WL363HQ，其具有優質耐旱耐寒的特點，于2014年9月22―23日播種，行距為30 cm。表1為紫花苜蓿生育階段劃分。由表1可以看出，2018年試驗地紫花苜蓿返青時間是4月7日，全生長季共生長4茬，刈割時間分別是5月25日、7月5日、8月18日、9月28日，4茬生長時長分別是 48、39、42、39 d。試驗通過圓形噴灌機（DYP，現代農裝科技股份有限公司）進行噴灌，水源為地下水，機組由三跨和懸臂組成，共140 m。經試驗得到，當噴灌機行走速度百分數在 20%～100%時，其徑向水量分布均勻系數為92%～94%[16]，表明機組具有較高的水量分布均勻性。

表1 紫花苜蓿生育階段劃分Table 1 Classification of the growth stage of alfalfa

1.3 試驗設計

試驗時間為2018年4月1日—9月30日止，圓形噴灌機灌溉共設置3個灌水處理，即W1處理：灌水下限45%FC（田間持水率為0.28 cm3/m3，灌水上限90%FC；W2處理：灌水下限60%FC，灌水上限90%FC；W3處理：根據當地生產經驗定額灌溉，作為對照（CK）。為保證各處理能夠依據設計灌水定額進行準確灌溉，不受其他處理區灌水的影響，本試驗依據標準[17]，將不同處理的相鄰小區邊界間距設置超過噴頭有效射程的2倍（圖1），而且噴灌機行走至2個處理的中間位置時改變行走速度或關閉，以完成各處理灌溉。每個處理設置3個重復，共9個小區，小區面積為60 m2（6 m×10 m），在每個小區中心位置安裝一根TRIME管，定期測定土壤含水率，當土壤含水率達到灌水下限時灌水，灌水定額計算式為：

式中：H為作物計劃濕潤層的深度，本試驗取40 cm；θmax為灌水后土層允許達到的含水率的上限（體積含水率），本試驗取田間持水率的 90%；θmin為灌水前土層含水率下限（體積含水率）。

為保證紫花苜蓿正常返青，第1茬返青前各小區統一灌水20 mm作處理。田間持水量測量采用威爾科克斯法，測量深度為40 cm。圖2為試驗地全生育期內各處理的灌溉制度。W1、W2和W3處理每次的灌水定額分別為47、31、39 mm，其中，由于W1設置的灌溉下限較低，因此，其灌水間隔相對較長。

圖2 紫花苜蓿灌溉制度Fig.2 The irrigation schedule of alfalfa

1.4 測量指標

1）氣象參數。試驗區通過自動氣象站（WatchDog2900ET，SPECTRUM，美國）監測風速、風向、降水量、氣溫、相對濕度、太陽輻射等。

2）作物需水量。以蒸發蒸騰量（ETc）作為作物需水量，計算式為：

式中：Kc為作物系數；ET0為參考作物蒸騰量。

3）土壤水分。在每個小區沿對角線中心設1根測管，用TRIME（TRIME-T3，TDR，德國）測量土壤含水率，試驗設計每隔3 d測量1次土壤含水率，并在灌溉或降雨前、后加測，測量深度為0～20、20～40、40～60、60～80 cm。對每個處理0～40 cm深度的土壤含水率求平均值，以判斷該處理下的土壤含水率是否達到設定的灌水下限。

4）產量與品質。苜蓿鮮草產量測量在每個小區按照對角線法隨機選取3個1 m×1 m的大樣方，刈割留茬5 cm左右，刈割后稱鮮質量。在大樣方中隨機選取部分鮮草樣品，記為小樣方，稱量鮮草質量后裝進檔案袋，放入烘箱，在105 ℃殺青30 min后，將溫度調至65 ℃，恒溫下烘干48 h，冷卻后稱量得到干草質量，計算出小樣方干鮮比（干鮮比是樣品干草質量與鮮草質量的比值）。大樣方內干草產量是其鮮草產量與小樣方干鮮比的乘積。將烘干后的苜蓿樣品磨碎，使用Foss近紅外分析儀（NIR-TR-3750，Foss，美國）測定粗蛋白量（CP）、中性洗滌纖維量（ADF）和酸性洗滌纖維量（NDF），相對飼喂價值[20]（RFV），計算式為：

式中：DDM為飼草可消化的干物質，其單位為占干物質（DM）的百分比；DMI為飼草干物質的隨意采食量，其單位為占體重（BW）的百分比。RFV計算式中的 1.29是盛花期苜蓿可消化干物質的釆食量。表2是美國豆科牧草干草的質量評價標準。

5）細根生物量。在苜蓿整個生育過程中，用土鉆法取土觀察苜蓿細根生物量（直徑<2 mm），土鉆直徑5cm，隨機選擇相鄰2行的中間位置取根，每個生育期取1次苜蓿根系，深度是80 cm，每20 cm為1層，將所得根系清洗干凈稱鮮質量。

6）水分利用效率（water use efficiency，WUE）。根據作物耗水量和作物產量計算水分利用效率，計算式為：

式中：WUE為水分利用效率（kg/m3）；Y為產量（kg/hm2）；ET為作物耗水量（mm），采用土壤水量平衡公式[21]計算。

表2 美國豆科牧干草質量標準Table 2 American legume hay quality guidelines

1.5 數據分析

試驗數據使用Excel 2013與SPSS Statistics 20.0軟件處理與分析。

2 結果與分析

2.1 紫花苜蓿需水規律

圖3列出了試驗地苜蓿2018年生長季內的氣象及需水變化情況。由圖3可知，該地區各茬日均溫度分別為 17.95、26.09、28.41和 22.25 ℃，各茬日均太陽輻射分別為178.50、215.92、172.48和185 W/m2，各茬降雨量分別為50.3、35.8、199.0和25.4 mm。華北地區1 a刈割4次的紫花苜蓿年需水量為511.9 mm，而生長季內的降雨量為 310.5 mm，因此為保證華北地區紫花苜蓿正常生長，需要進行適當補充灌溉。由圖2可知，全生長季W1、W2、W3處理的灌水量分別是349、485、566 mm。全年各茬苜蓿的需水量分別為127.9、150.2、143.3、90.5 mm，對應灌水量分別為152.3、150.7、62.3、101.3 mm。可見，紫花苜蓿在第1、第2、第3茬內的需水量均較高，但僅在第1、第2茬內需要較多的灌水。這主要是因為第1茬生長期間雖氣溫較低，蒸發蒸騰作用也較弱，但最長的生長時間使其累積需水量相對較高；第2茬雖生長時間與第1茬相比較短，但期間的高溫和強太陽輻射，使得蒸發蒸騰作用迅速增強，作物需水量迅速增加；同樣第3茬內的高溫和較高的太陽輻射也使得作物需水量較高，但頻繁和較大的降雨適當補給了土壤中水分的消耗，因此該茬內雖作物需水量較高但所需的灌水量很低；第4茬雖氣溫下降，土壤蒸發強度下降，需水量降低，但降雨迅速減少，因此灌水量高于第3茬。

根據水量平衡公式，本文計算出紫花苜蓿不同灌水處理的耗水量。表3為2018年試驗期間氣象條件與ETc情況，由表3可知，苜蓿的耗水量會隨著灌水量的增加而顯著增加（P<0.05）。整體而言，各灌水處理在不同茬次內的耗水量規律為：第3茬>第2茬>第1茬>第4茬。其中，各灌水量在各茬的平均耗水量分別是154.68、195.67、232.89、107.39 mm。

2.2 紫花苜蓿根系分布規律

表4—表7列出了各茬苜蓿細根分布情況。由表4—表7可知，第1茬3個處理的平均根系密度分別為0.14、0.12和0.15 kg/m3；第2茬3個處理的平均根系密度分別為0.26、0.21和0.29 kg/m3；第3茬3個處理的平均根系密度分別為 0.15、0.12和 0.16 kg/m3；第4茬3個處理的平均根系密度分別為0.23、0.14和0.14 kg/m3。第1、第2、第3茬W3處理的根系密度最高，第4茬W1處理的根系密度最高。全年各茬苜蓿細根主要分布在0～40 cm土層，其約占總根系密度的92%，40～80 cm土層分布有少量細根，僅約占總根細密度的8%。總體而言，對于各茬苜蓿，生長后期的根系密度高于生長初期，即生殖生長期內（現蕾及初花期）的根系密度要高于營養生長期內（返青及分枝期）。

表3 不同灌水處理的紫花苜蓿耗水量Table 3 Water consumption of alfalfa under different irrigation treatments mm

表4 紫花苜蓿第1茬不同處理細根分布情況Table 4 Distributions of alfalfa fine roots in the first cutting

圖3 試驗地氣象與ETc情況Fig.3 Meteorological conditions and ETc of the experimental site

表5 紫花苜蓿第2茬在不同處理細根分布情況Table 5 Distributions of alfalfa fine roots in the second cutting

表6 紫花苜蓿第3茬不同處理細根分布情況Table 6 Distributions of alfalfa fine roots in the third cutting alfalfa

表7 紫花苜蓿第4茬不同處理細根分布情況Table 7 Distributions of alfalfa fine roots in the fourth cutting

2.3 不同灌水處理對苜蓿產量、WUE的影響

表8為不同灌水處理紫花苜蓿的產量。由表8可知，苜蓿產量隨著刈割次數的增加不斷降低，表現出第1茬>第2茬>第3茬>第4茬。比較不同處理產量，第1茬表現為W3處理>W2處理>W1處理，第2、第3、第4茬表現為W3處理>W1處理>W2處理。第1茬灌水對產量無顯著影響（P>0.05），但是常規灌溉W3處理灌水量最高，產量也達到全年最高，為3.50 t/hm2，該茬內W1、W2、W3處理的產量分別占到全年的32.56%、35.10%、32.27%。第2茬灌水對產量無顯著影響（P>0.05），但是 W3處理產量高于 W1和W2處理，W3處理產量是3.47 mg/hm2。前2茬內的苜蓿產量對年產量的高低影響較大，第1茬和第2茬各處理產量均值之和為 6.6 mg/hm2，占年產量的65.1%。第 3茬灌水對產量有顯著影響（P<0.05），W3處理產量顯著高于W2和W1處理，W3處理產量是2.95 t/hm2。紫花苜蓿第4茬生育后期受到了嚴重的蟲害，為避免嚴重降低產量提前刈割，實際上未生長到初花期。

紫花苜蓿不同灌水處理的WUE如表8所示。由表8可知，W1處理下苜蓿全年的WUE顯著高于其余處理（P<0.05）。苜蓿WUE隨刈割次數的增加逐漸下降，各茬的平均WUE分別是2.47、1.65、1.16和0.79 kg/m3。其中，除第4茬由于嚴重病蟲害無法進行判斷外，僅第 1茬內灌水對WUE有顯著影響（P<0.05）。這主要是由于在產量差異很小的情況，W1處理的耗水量顯著低于（P<0.05）其余2種處理，即 W1處理分別較 W2和 W3處理的耗水量分別低78.72、124.42 mm。因此第 1茬內，W1處理WUE顯著高于W2和W3處理。然而，在第2、第3茬內，各處理的耗水量雖在數值上存在顯著差異（P<0.05），但在產量差異較小的情況下，其相對較小的耗水量差距在一定程度上縮小了各處理間的WUE差異，因此，在第2、第3茬內，灌水處理未對苜蓿WUE有顯著差異（P>0.05）。總體而言，W1處理相較于其余處理，在各茬及全年苜蓿的WUE方面均有較大優勢，W3處理雖獲得了最高的年產量，但其灌水量分別較W1與W2處理高出62.18%與16.70%，故年水分利用效率相對較低。

表8 不同灌水處理的紫花苜蓿產量、WUE和品質Table 8 Alfalfa yield, WUE and quality under different irrigation treatments

2.4 不同灌水處理對苜蓿品質的影響

苜蓿品質指標主要有粗蛋白量（CP）、中性洗滌纖維量（NDF）、酸性洗滌纖維量（ADF）、相對飼喂價值RFV等[22]，苜蓿品質等級是經過上述指標綜合確定。其中，RFV是NDF和ADF的綜合表現，可直接表觀可苜蓿中可被消化干物質的采食量。因此，本文主要通過CP和RFV這2個指標來評價灌水對紫花苜蓿品質的影響（表8）。由表8可知，4茬的粗蛋白平均量分別是20.80%、21.49%、21.04%、23.12%，粗蛋白量隨著刈割茬次增加呈增加趨勢。顯著性分析表明，不同灌水處理對苜蓿粗蛋白量無顯著影響（P>0.05）。第1茬W2處理的粗蛋白量最高，第2茬W1處理的粗蛋白量達到最高，第3、第4茬W3處理的粗蛋白量達到最高。

表8還給出了不同灌水處理的苜蓿相對飼喂價值（RFV）。由表8可知，4茬不同處理的RFV平均值分別是120.43、114.21、116.35、141.34，第4茬的RFV值最高，相比于第1、第2、第3茬分別高出17.36%、23.75%、21.40%，第1、第2、第3茬不同處理的苜蓿RFV值均表現為W1處理>W2處理>W3處理，第2茬表現為W1處理>W3處理>W2處理。第1、第4茬灌水對苜蓿的RFV值有顯著影響（P<0.05），第1茬W1處理顯著高于W3處理，第4茬W1處理顯著高于W2處理，第2、第3茬灌水對苜蓿的RFV值沒有顯著影響（P>0.05），但是W1處理的RFV值高于W2和W3處理。綜上所述，較少的灌水量可以增加相對飼喂價值。

根據表2中的美國豆科牧草干草質量標準，綜合考慮粗蛋白量、相對飼喂價值來確定紫花苜蓿的品質等級（表8）。由表8可知，第1、第2、第3茬苜蓿，第1茬除W1處理外，屬于二級標準，而第4茬刈割較早，屬于一級標準。

3 討 論

華北地區 1 a刈割 4茬的紫花苜蓿年需水量為511.9 mm，這與王曉玉[21]在該地區得到的602.74 mm年需水結果較為接近。苜蓿根系生長主要分布在0～40 cm土層，根系占比約90%以上，這與郭彥軍等[10]與韓清芳等[11]研究結果較為一致。苜蓿WUE隨著刈割次數的增加不斷下降，這與李茂娜等[22]與仝炳偉等[23]在內蒙古地區的研究結果相同。華北地區作為我國最大的地下水超采區，嚴格控制灌溉定額已成為保證該地區農業可持續發展的重要舉措[24]。因此，在適當保證苜蓿產量、品質的條件下，節水效果及水分利用效率將是該地區進行灌溉管理時重點考慮的因素。本文將綜合各處理對苜蓿產量、品質、WUE及節水效果進行分析討論。第1茬內，雖然W1處理苜蓿產量相比于W2和W3處理降低了5.29%和8%，但是其節水率分別相較于二者高 61.71%（W2）和 68.84%（W3），這主要是由于生長初期，土壤內可利用含水量較高，W1處理有效利用了土層中水分以滿足作物需水要求，在大量減少灌水的情況下并未引起作物顯著減產。正因如此，第1茬內W1處理下的水分利用效率也顯著高于W2和W3處理。此外，與Vough等[25]的研究結果相似，本試驗中不同灌水處理對粗蛋白量也無顯著影響。同時，由于該茬內W1處理減少灌水量對苜蓿相對飼喂價值和品級還具有提高作用。因此，建議第1茬灌水可以采取W1處理指導灌溉。第2茬內，W1處理苜蓿產量相比于 W2處理提高了3.61%，比W3處理降低了8.93%，但是W1處理相比于W2和W3處理節約灌溉用水約9.03%、9.62%，同時各處理下的水分利用效率表現為 W1處理>W3處理>W2處理，且不同灌水處理對粗蛋白量、相對飼喂價值及品質等級均無影響。因此，建議第2茬可采取W1處理進行灌溉。第3茬為華北地區的雨季，頻繁的降雨很大程度上消除了各處理間的灌水差異，同時根據W1處理獲得該茬內最大WUE及各處理間苜蓿品級無差異的結果，建議該茬內仍使用W1處理進行灌溉。第4茬是該年內苜蓿生長的最后1茬，雖然試驗期間由于爆發的病蟲害，導致無法根據該茬產量、WUE及品質分析等進行合理的灌水推薦，但根據該地區長期的管理經驗，為實現苜蓿順利越冬，并適當補充由于前期虧水引起的土體中可利用水量的大量消耗，以保證第2年初期苜蓿正常生長，因此建議該茬采取W2處理進行灌溉為宜。

4 結 論

1）華北平原地區全年刈割4茬的紫花苜蓿的年需水量為511.9 mm，其細根主要分布在0～40 cm土層內。

2）各灌水處理間的紫花苜蓿產量、品質及WUE無顯著差異。W1處理在保證較高年產量的同時，獲得了最高的WUE，并在第1、第2、第3茬內其節水率高于W2和W3處理；W2處理在產量、品質及水分利用效率方面均處于較低水平；W3處理雖獲得了最高的年產量，但其灌水量分別較W1與W2處理高62.18%與16.70%。

3）綜合各灌水處理的節水效果及其對苜蓿產量、品質和水分利用第效率的影響，建議華北地區紫花苜蓿在第1、第2、第3茬采用45%FC灌水下限，在第4茬采用60%FC灌水下限的方法進行灌溉管理。