枸杞間作模式下水分調虧對紅豆草產量及水分利用影響

蔡玲惠，齊廣平，康燕霞，王金恒，李曉敏，趙 敏，賴桑迪，余曉雄

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站，甘肅 景泰 730400)

甘肅引黃灌區地域遼闊，占全省耕地面積的10%，是甘肅省重要的農業商品生產基地[1]。該地區氣候干旱，土壤蒸發劇烈，農業灌溉以大水漫灌為主，由此導致農業灌溉水利用效率低及土地鹽漬化等問題，嚴重阻礙了該地區高效節水農業的推廣與發展[2]。枸杞作為一種耐鹽堿、抗干旱且經濟效益高的作物[3]，是當地農民開發鹽漬化土地的首選，隨著市場對枸杞需求不斷增大以及當地開發鹽漬化土地的程度不斷提高，枸杞的種植面積逐年擴大，該地已發展成為全國枸杞第二大產區[4]。單一的枸杞種植，植被覆蓋率低，棵間裸露面大，更易造成土壤水分無效蒸發，加之當地農民粗放的田間管理，導致次生鹽漬化程度加劇。此前許多學者的研究已證實了間作的優勢，王雪蓉[5]試驗表明玉米間作大豆可提高玉米干物質量，系統干物質量顯著高于單作。柏文戀[6]表示小麥間作蠶豆不僅有效降低了小麥種內競爭，同時又提高了小麥最大生長速率。與此同時，李會科等[7]研究表明，果園生草可改良土壤實際肥力，相比于間作禾本科牧草，在蘋果園間作豆科牧草提供水水解氮能力更加明顯。因此為實現生產效益和生態保護的共贏，進行果草間作的立體化種植模式顯得尤為必要。其中紅豆草作為多年生豆科牧草，不僅具有耐干旱，耐貧瘠，耐頻繁刈割、草質優良等特點，同時可以提高土壤肥力，改善土壤環境[8]，已成為枸杞間作牧草的不二選擇。

水分是間作系統作物結構分布和中間競爭的重要因子之一[9]，如何在有限的水資源下，獲得更高效的生產效益，一直是學者們研究的熱點內容[10]。無計劃的大水漫灌，造成了一系列生態問題和嚴重的水資源浪費[11]，而調虧灌溉是外界主動改變水分條件，對作物生理過程進行干預，導致光合積累產物分配給不同的器官和組織，各器官養分積累配比發生變化，使得作物適應新的環境，從而提高抗旱能力，即有效提高了水分利用效率[12]。目前，許多國內外學者對于紅豆草做了大量研究[13- 15]，但對枸杞間作條件下紅豆草的產量、品質及耗水規律研究較少，尤其在甘肅引黃灌區枸杞園間作條件下研究報道更為鮮有。基于此，因此本研究以4年生枸杞、2年生紅豆草為研究對象，研究枸杞間作條件下，水分調虧對紅豆草不同茬次產量、品質及耗水規律的影響，已期為甘肅引黃灌區高效節水、枸杞間作牧草綜合提供理論依據和技術支撐。

圖1 小區布置示意圖

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于2019年在甘肅省景泰川電力提灌管理局灌溉試驗站(37°23′N、104°08′E)進行。該試驗區屬溫帶干旱型大陸氣候，年日照時數2652 h、平均輻射量6.18×105J/cm2、平均氣溫8.5℃，無霜期191 d，多年平均降水量185mm、蒸發量3028mm。土壤類型為壤土，土壤干密度1.61 g/cm3，田間最大持水量為24.1%。試驗地土壤基礎養分含量為：土壤有機質6.32 g/kg、全氮1.62 g/kg、速效氮74.51mg/kg，pH值8.11。

1.2 試驗設計

試驗采用單因子隨機組設計，設置4個水分梯度：充分灌溉CK((75%～85%)θf)、輕度虧缺T1((65%～75%)θf)、中度虧缺T2((55%～65%)θf)、重度虧缺T3((45%～55%)θf)，每個處理重復3次，共計12個小區。各小區面積為6m×7.5m，小區間作種植模式為枸杞間作紅豆草，枸杞株行距配置為1.5m×3.0m；紅豆草距枸杞樹30cm條播，行間距為30cm(如圖1所示)，種植密度為45 kg/hm2，土壤計劃濕潤層深度為60cm。

供試枸杞品種為寧杞一號，于2017年4月12日移栽兩年生枸杞苗木，紅豆草于同年4月20日種植。灌水方式為小畦灌溉，灌水量用水表嚴格控制，各小區之間間隔1m，邊緣設2m深塑料膜以防水分互滲。4組水分虧缺處理(CK、T1、T2、T3)除灌水程度不同外，其他田間管理措施均與當地枸杞種植一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1氣象數據

氣象資料來源于安置在田間的Davis小型氣象站。氣象數據主要包括：溫度、降雨量、太陽輻射等。試驗全生育期降雨量如圖2所示。

圖2 紅豆草全生育期氣溫與降水量分布

1.3.2牧草產量

為保證牧草產量和品質，均在初花期進行刈割，分別于2019年6月9日、7月17日、9月2日收獲三茬。每個小區隨機取3個代表性1m×1m樣方，留茬高度為5cm。

1.3.3牧草品質

粗蛋白含量(CP，%)：利用凱氏定氮儀測定粗蛋白含量。

粗蛋白產量(CPY，kg/m2):

CPY=CP×Y

(1)

式中，Y—紅豆草干草產量，kg/m2。

1.3.4土壤含水率

土壤含水率采用TDR測定，測量深度為0～60cm，每20cm為一層，利用烘干稱量法校核，灌水前后進行加測。

1.3.5耗水量

采用水量平衡法計算作物耗水量，耗水量：

(2)

式中，i—土層編號；n—總土層數；γi—第i層土壤干密度，g/cm3;Hi—第i層土壤厚度；θi1、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；I—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。

1.3.6水分利用效率

水分利用效率(WUE)：

WUE=Y/ET

(3)

灌溉水利用效率(IUE)：

IUE=Y/I

(4)

降水利用效率(PUE):

PUE=Y/P0

(5)

粗蛋白水分利用效率(CPYE)：

CPYE=CPY/ET

(6)

式中，ET—總耗水量，mm；I—灌水量，mm；P0—有效降雨量，mm；

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2007進行數據整理，采用SPASS 17.0進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 間作條件下水分調虧對紅豆草產量的影響

如表1所示，紅豆草干草產量隨著水分虧缺程度的加重逐漸減小，全年干草產量表現為CK>T1>T2>T3，CK產量達到18828.71 kg/hm2，與T1之間差異不顯著，而T1與T2、T3存在顯著差異(P<0.05)，T1較T2、T3產量分別增加27.53%、50.29%，T3產量最低，僅為18745.99 kg/hm2。從各茬次來看，產量隨刈割次數增加而減小，第一、二、三茬紅豆草平均產量分別占平均全年總產量43.88%、37.68%、18.44%，第三茬較第一茬對應各處理分別降低61.51%、54.67%、55.52%、60.06%。第二茬T1處理產量最大，為7259.93 kg/hm2，且顯著高于其他各處理(P<0.05)。

2.2 間作條件下水分調虧對紅豆草品質的影響

從表2可以看出，紅豆草粗蛋白含量隨水分虧缺程度的加重，呈遞增趨勢，T3平均總粗蛋白含量較CK提高7.69%。紅豆草粗蛋白含量隨茬次增加逐漸提高，各處理第一、二、三茬平均粗蛋白含量分別為13.66%、14.63%、16.68%。第一、三茬粗蛋白含量以T3最高，分別為14.65%、17.74%。第二茬紅豆草粗蛋白含量，T2達到最大值，為15.95%，與T1差異不顯著。粗蛋白產量大小取決于粗蛋白含量和干草產量的數值。從粗蛋白產量來看，三茬粗蛋白產量與對應茬次的干草產量變化趨勢一致。第一茬紅豆草CK處理粗蛋白產量最大，為1128.52 kg/hm2，但與T1處理差異不顯著。第二茬與第三茬T1處理的紅豆草粗蛋白產量分別為1118.03 kg/hm2和584.65 kg/hm2，且都顯著高于其它各處理(P<0.05)。全年總粗蛋白產量表現為T1>CK>T2>T3，T1較CK、T2、T3分別提高6.45%、23.71%、50.41%。

表1 各處理不同茬次紅豆草產量 單位：kg/hm2

2.3 間作條件下水分調虧對紅豆草水分利用效率影響

由表3可知，隨著水分虧缺加劇，灌水量逐漸減小。耗水量受水分虧缺程度影響明顯，水分虧缺程度越大，耗水量越小，反之，水分虧缺程度越小，耗水量越大。在不同虧水程度下，各個處理全年總耗水量之間存在顯著差異(P<0.05)。干物質水分利用效率，隨著虧水程度加劇呈先增大后減小趨勢，T1全年總干物質水分利用效率為27.73kg/(mm·hm2)，較CK、T2、T3分別提高6.12%、11.72%、16.46%。各茬次干物質水分利用效率都以T1最高，第一、二、三茬分別為38.96、32.76、14.25 kg/(mm·hm2)；T1全年粗蛋白水分利用效率最大，為4.07 kg/(mm·hm2)，且顯著高于其他各處理(P<0.05)。第一茬CK粗蛋白水分利用效率最低，較T1、T2、T3分別降低3.66%、1.19%、5.66%。第二、第三茬T1粗蛋白水分利用效率都以T1最大，分別為5.05、2.33 kg/(mm·hm2)；灌溉水利用效率隨水分虧缺的加劇而增大。不同水分處理下，CK灌溉量最大，灌溉水利用效率卻最小。降水利用效率與干草產量變化趨勢一致，CK全年降水利用效率最大，為58.74 kg/(mm·hm2)，但與T1差異不顯著(P<0.05)。

表2 各處理不同茬次紅豆草粗蛋白產量

表3 各處理不同茬次紅豆草水分利用效率

3 討論

作物通過水分輸送滿足自身生長發育要求，當土壤環境發生威脅時，作物必須進行自我調節，適應環境變化，從而使得干物質積累發生變化[16]。董國鋒等[17]研究結果表明，充分灌溉((65%～70%)θf)與輕度水分虧缺((60%～65%)θf)苜蓿干草產量無顯著差異，但顯著高于中度((50%～60%)θf)和重度水分虧缺((45%～50%)θf)。寇丹[18]研究了甘肅武威調虧灌溉對紫花苜蓿產量的影響，結果表明當土壤含水率大于60%θf時，干草產量無顯著降低，當土壤含水率小于60%θf時，干草產量出現顯著降低。本試驗結果為隨著虧水程度加劇，間作條件下紅豆草全年產量表現為CK>T1>T2>T3，但CK與T1差異不顯著，T1顯著高于T2和T3，與上述兩結論相似。這是由于過低的土壤水分嚴重阻礙了紅豆草根系吸水，使得紅豆草光合作用受到抑制，進而導致干物質積累減少。隨著刈割次數增加，紅豆草產量逐漸減小，第三茬減產尤為顯著，這與紅豆草生長期和當時生長所處的環境有關，三茬紅豆草的生育期分別為59、38、47d，第一茬紅豆草生長期最長，且光照充足，這些都有利于干物質積累，因此第一茬紅豆草產量最高。第三茬紅豆草生長期在七月下旬到九月初，在關鍵生育期，晝夜溫差大，光照時間短，加之枸杞冠幅的增大，光照遮蔽面積也擴大，嚴重抑制了光合作用的進行，因而第三茬紅豆草產量驟減。土壤水分對于第一、二茬干重產量有顯著影響，對第三茬影響不顯著，這與李新樂等[19]研究結果一致。

除產量之外，品質也是評價牧草優劣的關鍵因素之一[20]。而粗蛋白是衡量牧草品質最常用的指標。本試驗結果表明，隨著水分虧缺程度的加劇，第一茬和第三茬粗蛋白含量逐漸增大，這一結果與文霞[21]、康文彥[22]等研究結果一致。這主要是因為莖比葉對于水分虧缺更為敏感，隨著水分虧程度加劇，對于莖生長發育抑制作用愈發強烈，導致葉在生物量中的比重逐漸增大，而葉中所含有的粗蛋白遠遠高于莖，所以粗蛋白含量隨水分虧缺程度的加劇而增大。粗蛋白產量則受粗蛋白含量和干物質量影響，由于產量的變化，粗蛋白產量也隨之改變。

水分是作物生長發育必不可少的因素，也是運輸養分的載體。水分利用效率的大小由產量和耗水量兩個因素決定。干旱脅迫一定程度上限制了作物的生長發育，因而耗水量降低，使得水分利用效率相對增加。因此人們常以犧牲產量為代價，去提高作物的水分利用效率[23]，但是過高的水分虧缺導致過低的產量對于現實農業生產不具有實際意義。各茬耗水量隨著刈割次數的增加逐漸增大。試驗表明輕度水分虧缺可以有效提高水分利用效率，與張效星等[24]研究結果相似。而對于不同茬次的水分利用效率的高低，劉國利[25]、孫洪仁[26]等研究表明因為作物生長的地域和環境的差異，還沒有嚴格的定論。盡管降低灌水量，可以一定程度上提高粗蛋白含量和水分利用效率，同時也會大幅降低產量。因此最優效益并不是僅僅取決于產量，還要綜合灌水量、產量、品質和水分利用效率等，將田間投入與產出綜合考慮得出的效益才最為經濟。

4 結語

(1)枸杞間作模式下，紅豆草產量隨虧水程度的加劇逐漸減小，輕度水分虧缺條件下紅豆草產量與充分灌溉無顯著差異；同一水分處理下，產量隨刈割次數增加呈遞減趨勢，且第三茬減產情況明顯。

(2)紅豆草粗蛋白含量隨水分虧缺程度加劇呈遞增趨勢；粗蛋白產量在輕度水分虧缺條件下較充分灌溉提升6.06%；隨水分虧缺程度加劇，WUE呈先增大后減小趨勢，輕度水分虧缺條件下WUE最大。

(3)枸杞間作模式下，輕度水分虧缺((65%～75%)θf)可獲得較高的干草產量、粗蛋白產量和水分利用效率，可達到節水增產提質的目的。

本研究可為引黃灌區枸杞間作模式下的高效節水制度提供一定借鑒。不足之處在于本試驗只分析了水分調虧對紅豆草的影響，而對枸杞的影響需進一步探明。