再生水灌溉對紫花苜蓿產量和品質的影響

曹玉鈞，田軍倉, 2, 3，沈暉, 2, 3，閆新房, 2, 3

再生水灌溉對紫花苜蓿產量和品質的影響

曹玉鈞1，田軍倉1, 2, 3*，沈暉1, 2, 3，閆新房1, 2, 3

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

【】探究再生水灌溉不同因素對紫花苜蓿產量和品質的影響。通過三因素三水平正交試驗，利用極差分析和方差分析，研究了再生水灌溉不同因素的主次順序、顯著性、各因素影響趨勢及最優組合。灌溉定額對紫花苜蓿株高、莖粗、一級分枝數、干草產量、粗脂肪、粗纖維、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、相對飼喂價值、氮、磷、鉀和鈣影響顯著（<0.05），灌水水質對粗灰分影響顯著（<0.05），灌水技術因素和灌水水質因素對其他指標影響不顯著。綜合灌溉定額、灌水技術及灌水水質對紫花苜蓿生長、產量及品質的影響，最優組合為A3B2C1，與參考組合一致。在生育期降雨量為113.5 mm時，采用再生水灌溉定額為2 280 m3/hm2，灌水技術為地下滴灌，灌水水質為再生水，灌水定額為240 m3/hm2、灌溉次數為9次，為當地再生水灌溉水質、灌溉制度與灌水技術的最優組合（A3B2C1），該組合產量高，品質好，重金屬量遠小于國家標準。這為寧夏地區推廣再生水灌溉紫花苜蓿提供了理論依據。

生活再生水；紫花苜蓿；灌水技術；灌溉制度；地下滴灌

0 引言

【研究意義】紫花苜蓿（L.）是分布較為廣泛、產草量高、飼草營養價值高的優良豆科牧草，是發展畜牧業、加強生態建設、發展人工綠地不可缺少的主要牧草之一[1-3]。近年來，寧夏干旱地區紫花苜蓿種植面積持續擴大，水資源已成為制約苜蓿生產的一個重要因素。再生水是一種穩定可靠的水資源，通過適當的資源化處理，已應用于綠化灌溉等領域[4-8]。但是再生水灌溉農作物和紫花苜蓿研究較少。因此，開展寧夏地區生活再生水高效節水灌溉紫花苜蓿研究，對該地區緩解農業水資源危機、降低水環境污染和促進綠色發展具有重要意義[9-12]。【研究進展】再生水灌溉苜蓿已有一定的研究。王晉興等[13]采用盆栽試驗研究表明，與清水灌溉相比，再生水灌溉可以明顯提高苜蓿的株高和側枝數水平；長期灌溉各灌溉水質對苜蓿葉莖比的影響不顯著。張志華等[14]采用盆栽試驗研究表明，與清水灌溉相比，再生水能顯著增加苜蓿的株高、側枝數及產草量；再生水灌溉使苜蓿可溶性蛋白量增加78.43%。再生水灌溉較清水灌溉的苜蓿Ca和Mg量分別增加27.78%和26.61%；再生水灌溉苜蓿地上部鎘量較清水灌溉增加98.6%，但苜蓿重金屬鉛和鎘量低于國家衛生標準限值。李曉娜等[15]采用田間試驗研究表明，與自來水灌溉相比，3 a的再生水灌溉對苜蓿生長高度無明顯影響，可增加牧草礦質元素，但不會引起苜蓿植株重金屬的累積。劉惠青等[16]通過田間小區試驗研究表明，再生水和自來水（2∶1）混灌能明顯增加苜蓿產草量，隨著再生水灌溉占比逐漸降低，苜蓿粗蛋白呈先升高再降低的趨勢。再生水和自來水（1∶1）混灌可使苜蓿粗蛋白量高且中性洗滌纖維量低，品質較好。【切入點】再生水灌溉苜蓿增產優質效應的研究大多基于單一因素（灌溉定額或灌水水質）或二因素（灌溉定額和灌水水質）對苜蓿產量和品質的影響。再生水不同灌溉定額、灌水技術和灌水水質三因素對苜蓿產量和品質的影響研究鮮見報道，在寧夏地區再生水灌溉苜蓿未見報道。【擬解決的關鍵問題】因此，針對生活再生水灌溉定額、灌水技術及灌水水質三因素對苜蓿產量和品質的影響進行了系統研究，以便為寧夏中衛地區推廣再生水灌溉紫花苜蓿提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在寧夏中衛市沙坡頭區中衛第一污水廠中水示范基地進行，地理位置105°13′E、37°30′N，海拔1 228 m，屬于溫帶大陸性氣候。沙坡頭區年均降水量238 mm，年均蒸發量1 729 mm，年平均氣溫10.5 ℃，無霜期平均167 d。試驗區土壤于2019年5月8日取樣檢測。土壤質地為壤土，干體積質量為1.43 g/cm3，田間持水率為27%（質量含水率），土壤pH值為8.48，全鹽量為0.56 g/kg，有機質含量為13.42 g/kg，堿解氮量為31.02 mg/kg，速效磷量為18.7 mg/kg，速效鉀量為197.16 mg/kg。第1茬苜蓿生育期（5月12日—7月23日）降雨量為113.5 mm。再生水為中衛市第一污水處理廠將城市生活污水經過二級處理后的再生水。自來水為中衛市居民生活用自來水。試驗用水于試驗期（6、7月）取樣，由寧夏公眾第三方檢測中心測定，水質指標符合《農田灌水水質標準》（GB5084—2005）及《城市污水再生利用農田灌溉用水水質標準》（GB20922—2007）的規定。水質指標檢測結果見表1。

表1 再生水和自來水水質指標

注 “-”表示該項未檢出，“/”表示無此項，下同。

1.2 試驗設計

試驗采用正交設計，試驗因素為灌溉定額（A）、灌水技術（B）、灌水水質（C），每個因素設3個水平，采用L9(34)正交表，共9個處理，每個處理3次重復。表2為正交試驗方案。

1.3 試驗實施

每個處理小區面積2.4 m×10 m，小區之間用塑料薄膜隔開，深度為1 m，防止水分互相滲透。紫花苜蓿播種時間為2019年5月12日，播種方式采用機械條播，種植行距20 cm，播量為30 kg/hm2，播深2 cm。試驗用紫花苜蓿品種為阿爾崗金（M.sativa L.cv. Algonquin）。田間灌溉量由水表控制。

根據小區內設置的土壤水分測量設備，結合研究區實際有效降雨量確定灌溉時間，第一茬苜蓿灌溉9次，為了保苗，種植后于5月13日、5月14日灌水2次，灌水定額為240 m3/hm2，灌溉水質為自來水。于5月20日開始按照試驗方案進行灌溉。灌溉時間分別為5月20日、5月28日、6月9日、6月14日、7月3日、7月15日、7月18日。紫花苜蓿在初花期（2019年7月23日）刈割收獲，刈割留茬高度為3~5 cm，同時測定各項試驗指標。

表2 正交試驗方案

1.4 測定項目及方法

試驗按處理收割鮮草，通過烘箱烘干至恒質量折算為干草質量。依據相關標準測定粗灰分量（Crude ash，）、粗蛋白質量（Crude protein，）、粗脂肪量（Crude fat，）、粗纖維量（Crude fiber，）、中性洗滌纖維量（Neutral detergent fiber，）和酸性洗滌纖維量（Acid detergent fiber，）、氮、磷、鉀、鈣、鎂、鉛和鉻量。相對飼喂價值（）是以可消化干物質（）為基礎，值越大，說明該牧草整體品質越好。其關系式為：

=×/1.29， （1）

=120/NDF， （2）

=88.9-0.779×， （3）

式中：為粗飼料干物質的隨意采食量占體質量的百分比；為可消化的干物質，單位為占干物質的百分比。

1.5 統計分析

文中數據處理分析使用Origin2016及DPS7.05軟件。運用DPS軟件進行方差分析（ANOVA），考慮95%的置信水平，應用Duncan新復極差法對不同處理進行多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 生活再生水灌溉對紫花苜蓿生長和產量的影響

表3為不同處理對紫花苜蓿生長指標、產量的影響，由表3可知，灌溉定額因素對株高、莖粗、干草產量和一級分枝數影響顯著（<0.05），灌水技術和水質因素無顯著影響。表4為紫花苜蓿生長和產量的極差分析，由表4可知，影響株高和一級分枝數的三因素主次順序為灌溉定額A>灌水技術B>灌水水質C，影響莖粗、干草產量的三因素主次順序為灌溉定額A>灌水水質C>灌水技術B。株高、莖粗、一級分枝數和干草產量隨灌溉定額的增加而增加，灌溉水分利用效率隨灌溉定額的增加而降低。對于莖粗，B3水平最高，對于株高、一級分枝數、干草產量和灌溉水分利用效率而言，B2水平最高。對于株高、一級分枝數、莖粗、干草產量和灌溉水分利用效率，C1水平最高。

由表3可知，株高、莖粗、一級分枝數、干草產量指標的最優組合均為A3B2C1，與參考組合A3B2C1一致，即灌溉定額為2 280m3/hm2，灌水技術為地下滴灌，灌水水質為再生水時，紫花苜蓿生長及產量指標最好。

表3 不同處理對紫花苜蓿生長指標、產量的影響

注 同列數據不同小寫字母表示差異顯著(＜0.05)；n表示在0.05水平差異不顯著，*表示在0.05水平差異顯著，下同。

表4 紫花苜蓿生長和產量的極差分析

2.2 生活再生水灌溉對紫花苜蓿品質的影響

表5為各處理紫花苜蓿品質量，由表5可知，灌溉定額因素對粗脂肪、粗纖維、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維及相對飼喂價值影響顯著（<0.05）。灌水水質因素對粗灰分影響顯著（<0.05），灌水技術因素和灌水水質因素對其他指標無顯著影響。表6為紫花苜蓿品質的極差分析，由表6可知，影響粗灰分的三因素主次順序為：灌溉定額A>灌水水質C>灌水技術B。影響其他指標的三因素主次順序為：灌溉定額A>灌水技術B＞灌水水質C。粗灰分、粗脂肪、粗蛋白及相對飼喂價值隨灌溉定額的增加而增加。對于粗灰分而言，B2水平最高，C1水平最高。對于相對飼喂價值、粗脂肪和粗蛋白而言，B2水平最高，C1水平最高。粗纖維和中性洗滌纖維隨灌溉定額的增加而減少；B2最低，C2水平最低。酸性洗滌纖維隨灌溉定額的增加而減少，B2水平最低，C1水平最低。

由表5可知，粗灰分、粗脂肪、粗蛋白、粗纖維、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維和相對飼喂價值的最優組合均為A3B2C1，與參考組合A3B2C1一致，即灌溉定額為2 280 m3/hm2，灌水技術為地下滴灌，灌水水質為再生水時，紫花苜蓿品質最好。

表5 各處理紫花苜蓿品質量

表6 紫花苜蓿品質的極差分析

2.3 生活再生水灌溉對紫花苜蓿的N、P、K、Ca及Mg量的影響

表7為各處理紫花苜蓿N、P、K、Ca及Mg量，由表7可知，灌溉定額因素對N、P和Ca量影響顯著（<0.05），灌溉定額因素對K和Mg量影響顯著，灌水技術和水質因素無顯著影響。表8為紫花苜蓿氮、磷、鉀、鈣及鎂含量的極差分析，由表8可知，影響N和K量的三因素主次順序為：灌溉定額A>灌水技術B>灌水水質C，影響P、Ca和Mg量的三因素主次順序為：灌溉定額A>灌水水質C>灌水技術B。N、P、K、Ca及Mg量隨灌溉定額的增加而增加。對于N、P、K及Ca量而言，B2水平最高。Mg量B3水平最高。N、P和量C1水平最高，Ca和Mg量C2水平最高。

由表7可知，N、P和K量的最優組合均為A3B2C1，與參考組合A3B2C1一致，即灌溉定額為2 280m3/hm2，灌水技術為地下滴灌，灌水水質為再生水時，紫花苜蓿N、P和K量最高，Ca和Mg量較高。

表7 各處理紫花苜蓿N、P、K、Ca及Mg量

表8 紫花苜蓿N、P、K、Ca及Mg量的極差分析

注j表示指標極差。

2.4 生活再生水灌溉對紫花苜蓿重金屬量的影響

表9為紫花苜蓿Pb量的極差、方差分析，由表9可知，灌溉定額因素對紫花苜蓿Pb量影響顯著（<0.05），灌水技術與灌水水質因素對紫花苜蓿含Pb量無顯著影響。影響Pb量的三因素主次順序為：灌溉定額A>灌水水質C>灌水技術B。含Pb量隨灌溉定額的增加而增加，B1水平最低，C3水平最低。

表9 紫花苜蓿Pb量的極差、方差分析

表10為各處理紫花苜蓿含Pb、Cr量，由表10可知，Pb量（0.19 mg/kg）最大。但其含量與國家飼料衛生標準（GB13078—2017）相比，Pb、Cr量遠小于國家規定標準（Pb≤30 mg/kg，鉻≤5 mg/kg）。Pb量的最優組合為A1B1C3，與參考組合A1B1C3一致，即灌溉定額為2 280 m3/hm2、灌水技術為地表滴灌，灌水水質為混灌時，紫花苜蓿重金屬Pb元素量最低。

表10 各處理紫花苜蓿含Pb、Cr量

3 討論

1）本研究表明，紫花苜蓿株高、莖粗和干草產量隨再生水灌溉定額的增加而增加，再生水有利于株高、莖粗和干草產量的增加。這與王晉興等[13]、張志華等[14]、王北洪等[17]的研究結果基本一致。原因可能是再生水中含有的營養成分通過灌溉進入土壤，可提高土壤肥力，促進作物生長并可增加作物生物量。李曉娜等[15]研究表明，使用再生水灌溉苜蓿會使苜蓿植株品質提高。本研究表明，紫花苜蓿品質指標（如粗脂肪和粗蛋白含量等）隨再生水灌溉定額的增加而增加，品質指標（如粗纖維和酸性洗滌纖維等）隨再生水灌溉定額的增加而減少，再生水灌溉有利于苜蓿品質的提高。本研究表明，紫花苜蓿N、P、K、Ca和Mg量隨再生水灌溉定額的增加而增加，再生水灌溉有利于增加苜蓿N、K和Mg等量。這與張志華等[14]、李曉娜等[19]研究結果基本一致。王新等[20]研究表明，低劑量的重金屬濃度對紫花苜蓿的生長有一定刺激作用。本研究表明，苜蓿含Pb量隨灌溉定額的增加而增加，灌水水質對苜蓿含Pb量無顯著影響。重金屬（Pb和Cr）量遠小于國家飼料衛生標準，初步說明再生水短期灌溉重金屬累計情況不明顯。這與張志華等[14]的研究結果基本一致。

2）合理的灌水技術是干旱區實現節水高產的重要途徑。地下滴灌技術對土壤結構的破壞小，有利于保持作物根區疏松通透，并可有效減少水分的蒸發損失，提高水分利用效率，節水增產提質效果明顯。與地表滴灌和微噴灌相比，采用地下滴灌技術，紫花苜蓿株高、一級分枝數和干草產量的最高，紫花苜蓿品質指標（如粗灰分、粗脂肪和粗蛋白量等）最高，品質指標（如粗纖維和酸性洗滌纖維等）最低，紫花苜蓿N、P、K及Ca量最高。這與彭文棟等[21]、張前兵等[22]研究結果相類似。

綜上所述，再生水是寧夏地區紫花苜蓿種植及牧草生產可利用的灌溉資源，但其長期效應尚需開展進一步研究。

4 結論

1）灌溉定額為2 280 m3/hm2，灌水技術為地下滴灌，灌水水質為再生水時，紫花苜蓿株高、莖粗、一級分枝數、產草量最高。

2）參考組合（A3B2C1）與最優組合一致，苜蓿的粗灰分、粗脂肪、粗蛋白及相對飼喂價值最大和粗纖維、酸性洗滌纖維及中性洗滌纖維最小，紫花苜蓿的N、P、K量最高，Ca和Mg量較高，紫花苜蓿品質較好。

3）再生水灌溉的紫花苜蓿植株體內重金屬（Pb、鉻）量較低，處于安全范圍，影響Pb量的三因素主次順序為：灌溉定額A＞灌水水質C＞灌水技術B。且均遠小于國家飼料衛生標準，再生水灌溉短期不會引起苜蓿植株體內重金屬的大量累積。

在生育期降雨量為113.5 mm條件下，采用再生水灌溉定額為2 280 m3/hm2，灌水技術為地下滴灌，灌水水質為再生水，灌水定額為240 m3/hm2、灌溉次數為9次，為當地再生水灌溉水質、灌溉制度與灌水技術的最優組合。這個組合紫花苜蓿生長最好、產量最高，品質最優，且植株重金屬量處于安全范圍。

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The Effects of Reclaimed Water Irrigation on Growth and Quality of Alfalfa in Ningxia

CAO Yujun1, TIAN Juncang1,2,3*,SHEN Hui1,2,3, YAN Xinfang1,2,3

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2.Engineering Technology Research Center of Water-saving and Water Resource Regulation in Ningxia, Yinchuan 750021, China; 3.Engineering Research Center for Efficient Utilization of Modern Agricultural Water Resources in Arid Regions, Ministry of Education, Yinchuan 750021, China)

【】Ningxia is in arid and semi-arid region in China, characterized by uneven spatiotemporal precipitation, strong evaporation, long cold winter, short hot summer, and late arrival of spring and early onset of autumn. Over the past years the planting areas of alfalfa in Ningxia have continued to increase due to its high yield and nutrition, but water resource scarcity has constrained its production. Reclaimed domestic wastewater can be used as an alternative irrigation water source, but it is rich in salt content and other organic and inorganic contaminants, and the impact of its irrigation on growth and quality of alfalfa remains obscure.【】This paper aims to experimentally unravel the changes in growth and quality traits of the alfalfa irrigated with treated urban domestic wastewater.【】The experiment consisted of three factors and three levels, all designed using the orthogonal test. The primary- and second-order factors of the irrigation that affected alfalfa growth and quality traits were calculated using the variance analysis, from which the optimal combination was proposed.【】Irrigation amount impacted plant height, stem thickness, first-level branch number, hay yield, crude fat, crude fiber, acid detergent fiber, neutral detergent fiber, relative feeding value, nitrogen, phosphorus, potassium and calcium all at significant level (<0.05). The effect of water quality on crude ash was also at significant level (<0.05). Irrigation method and water quality did not show significant effects on other plant traits. The optimal combination of irrigation amount, irrigation method and water quality for alfalfa growth, yield and quality was A3B2C1, consistent with the references.【】When rainfall during the growth season of alfalfa was 113.5 mm, irrigating 2 280 m3/hm2of water in nine times using surface drip irrigation, with each time irrigating 240 m3/hm2of the reclaimed water, was optimal (A3B2C1). This could ensure high and quality yield while in the meantime keep heavy metal contents in the crops far less than the national standard.

reclaimed domestic water; alfalfa; irrigation technology; irrigation schedule; subsurface drip irrigation

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020180

1672 - 3317（2021）01 - 0055 - 07

2020-03-30

國家重點研發計劃課題（2018YFC0408104）

曹玉鈞（1994-），男。碩士研究生，主要從事節水灌溉理論與技術研究。E-mail: 956928175@qq.com

田軍倉（1958-），男。教授，博士生導師，主要從事節水灌溉理論與技術研究。E-mail: slxtjc@163.com

曹玉鈞, 田軍倉, 沈暉, 等．再生水灌溉對紫花苜蓿產量和品質的影響[J]．灌溉排水學報, 2021, 40(1): 55-61.

CAO Yunjun, TIAN Juncang, SHEN Hui, et al. The Effects of Reclaimed Water Irrigation on Growth and Quality of Alfalfa in Ningxia[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 55-61.

責任編輯：白芳芳