水分調控對混播人工草地產量、品質與水分利用的影響

張宏斌，齊廣平，康燕霞，銀敏華，馬彥麟，姜淵博，康 瑤

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

人工草地是現代化畜牧業生產體系中的一個重要組成部分。隨著我國畜牧業的快速發展，加強人工草地建設不僅能有效緩解飼草季節供應不均衡的矛盾，還能保障蛋白質飼料緊缺問題[1]。西北內陸干旱草原區幅員遼闊，土地和光熱資源豐富，是我國重要的畜牧業生產基地[2]。然而，該地區干旱少雨、水資源短缺、草原“三化”問題突出[3]，且人工草地生產管理粗放、生產水平低下，嚴重制約當地畜牧業的發展。隨著生態環境保護政策的推行，以節水灌溉為主的人工草地建設已發展成為保障農牧民收入、保護草原生態環境以及緩解草畜矛盾和生態惡化的重要途徑[4]。

紫花苜蓿(Medicago sativa L)被譽為“牧草之王”，是我國乃至世界范圍內種植面積最廣的多年生優質豆科牧草，不僅產量高、品質好，而且能提高土壤肥力，改善生態環境[5]，在河西干旱草原區畜牧業發展和生態保護中發揮有至關重要的作用[6]。無芒雀麥(Bromus inermis L.)具有適應性強、葉量大、適口性好等優點，各種家畜喜食[7]。多年生豆禾牧草混播種植方式具有產量高、草質優和營養搭配均衡等特點，是當前最主要的人工草地種植方式[8]。張永亮等[9]研究發現，苜蓿-無芒雀麥組合產量穩定性要優于苜蓿-垂穗披堿草組合。李強等[10]研究發現，紫花苜蓿和羊草混播時，利于豆科固氮的最優初始混播比例為50%。水分作為干旱區最為關鍵和敏感的生態因子，是影響人工草地生產力的主要因素之一[11]。目前國內外關于豆禾混播草地的研究主要集中于牧草種類[12]、混播比例[13]和施肥水平[14]等方面，關于水分調控對混播草地影響的研究鮮有報道。因此，本研究以紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播以及二者混播為研究對象，通過探究單、混播種植模式下紫花苜蓿和無芒雀麥的牧草產量、品質及水分利用對水分調控的響應，以期為保障區域生態環境和人工草地合理灌溉管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年在大禹節水集團牧草試驗基地進行，該基地位于甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣明花鄉前灘村，海拔1390m。該地屬西北內陸干旱草原區，日照強烈，多年平均降水量85mm，年均蒸發量2148mm，年均氣溫7.3℃，全年無霜期130d左右，屬典型內陸荒漠氣候區。試驗地土壤為砂壤土，田間持水量為21.2%(質量含水率)；0～100cm土壤有機質含量3.16g/kg，堿解氮含量25.12mg/kg，pH 7.28，土壤容重1.4g/cm3。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗以紫花苜蓿(清水苜蓿)和無芒雀麥(卡爾頓無芒雀麥)為研究對象，設種植模式和水分調控2個因素，其中種植方式為無芒雀麥單播(W)、紫花苜蓿單播(M)和無芒雀麥+紫花苜蓿混播(H，播種比例1∶1)；水分調控(以土壤水分占田間持水量(θf)的百分數計，計劃濕潤層深度60cm)設為充分灌水(T0，75%～85%)，輕度虧水(T1，65%～75%)，中度虧水(T2，55%～65%)和重度虧水(T3，45%～55%)。試驗采用隨機區組設計，每個處理設3個重復，共36個小區，小區間設置1m寬隔離帶，小區面積為5m×5m。具體試驗處理見表1。

草地于2017年5月建植，人工條播，條播間距為25cm。灌水方式采用噴灌，各小區鋪設PE材質熱熔管道，中央布設一個噴頭，噴頭采用塑料蝶形微噴頭，圓形噴射，噴射半徑2～4m。安裝閥門和水表(精度0.0001m3)控水。當計劃濕潤層的土壤體積含水量占田間持水量的百分比達到所在處理的設計水分下限時開始灌水，灌到設計水分上限。試驗期間，各處理的田間管理保持一致。

1.3 測定指標與方法

1.3.1氣象數據

利用布設在試驗基地的WSTQ天圻智能氣象站獲取試驗期間降水量、大氣溫度等氣象資料，如圖1所示。

表1 噴灌條件下人工草地調虧灌溉試驗設

1.3.2土壤含水率

采用便攜式時域反射儀TDR(德國IMKO公司產PICO-BT)測定土壤含水率，于每個試驗小區距離中央1.25m處隨機布設1根測管，監測根區0～120cm土層的體積含水率。每隔3d測定1次，灌水前后和降水后加測，每隔15d用取土烘干法對土壤含水率進行校正。土壤水分數據主要用來判斷土壤水分是否達到設計灌水下限，計算土壤儲水量變化，利用水量平衡法計算耗水量。

1.3.3牧草產量

在紫花苜蓿進入初花期時，各小區隨機選取1m×1m的樣地進行刈割，混播草地分離苜蓿、無芒雀麥，立即稱量牧草鮮重。然后放入烘箱，于105℃殺青30min， 65℃恒溫烘48h，冷卻稱其干重。

圖1 試驗期間降水量和平均氣溫分布

1.3.4牧草品質

粗蛋白質量分數(CP，%)：采用全自動凱氏定氮儀(Hanon K1160)測定粗蛋白含量。用下式計算粗蛋白產量(CPY，kg/hm2):

CPY=CP×Y

(1)

式中，Y—干物質產量，kg/hm2。

1.3.5作物耗水量

采用水量平衡法計算作物耗水量：

(2)

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、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，試驗地地下水較深，K值忽略不計。

1.3.6水分利用效率

水分利用效率計算公式：

WUE=Y/ET

(3)

式中，Y—牧草產量，kg/hm2；ET—總耗水量，mm。

1.4 數據處理

利用采用Microsoft Excel 2016和Origin 9.0軟件進行數據整理和繪圖，利用IBM SPSS Statistics22.0軟件進行數據的方差分析、顯著性檢驗和多重比較。

2 結果與分析

2.1 水分調控對人工草地耗水規律的影響

由表2可知，人工草地灌水量和耗水量變化規律基本一致，隨著灌水量的增加，人工草地耗水量也逐漸增大。H各茬次的灌水量均低于M，H比M年灌水量平均減少42.08mm；草地之間的耗水量差異顯著(P<0.05)，M較H、W年耗水量分別平均增加6.82%、17.09%。

H在各水分處理下灌水量和耗水量差異顯著(P<0.05)，HT0年灌水量和耗水量最大，為630.01、706.68mm，與HT0相比，HT1、 HT2和HT3的年耗水量分別降低了16.43%、21.45%和28.88%。種植模式、水分梯度對年耗水量影響極顯著(P<0.01)，二者的交互作用對年耗水量影響顯著(P<0.05)。

2.2 水分調控對人工草地干草產量的影響

如圖2所示，可以看出，各茬次間的干草產量表現為第一茬>第二茬>第三茬；三種草地第一茬的產量分別占年產量的42.76%(W)、43.44%(M)、44.24%(H)。從種植模式來看，混播較單播產量有顯著提高(P<0.05)，混播平均年產量為16332.18kg/hm2，較苜蓿、無芒雀麥單播平均年產量分別提高1716.34、9632.44kg/hm2；隨水分調控程度的加重，人工草地的干草產量逐漸下降；混播種植全年干草產量表現為T0>T1>T2>T3，T0產量達到19434.60kg/hm2，T1與之相比，降幅最小，為8.57%；T1與T2、T3差異顯著(P<0.05)，T1較T2、T3產量分別增加20.92%、32.26%。混播草地中禾草比例隨水分虧缺的加大而逐漸減少，無芒雀麥在混播草地年產量貢獻率依次為37.99%，36.53%，30.94%和28.18%。

表 2 不同水分梯度下人工草地各茬灌水量和耗水量 單位：mm

圖2 水分調控對人工草地干草產量的變化

2.3 水分調控對人工草地粗蛋白含量的影響

水分調控對人工草地粗蛋白含量影響顯著，見表3。隨著水分調虧的加劇，牧草粗蛋白含量逐漸升高，灌水量與粗蛋白含量呈負相關。W、M和H的蛋白含量差異顯著(P<0.05)，且含量大小為：M >H>W，三種草地的粗蛋白含量最高分別為23.17%(MT3)、22.13%(HT3)和13.55%(WT2)。從粗蛋白產量來看，各茬次粗蛋白產量與干草產量變化相近，H總粗蛋白平均產量最高，為3000.78kg/hm2，分別較W、M高2244.42、96.53kg/hm2。混播種植的總粗蛋白產量在T0下最高，為3156.42kg/hm2，但與T1差異不顯著，而T1與T2、T3存在顯著差異(P<0.05)，T1較T2、T3分別增加6.80%、9.67%。種植模式、水分梯度以及二者的交互作用對總粗蛋白產量影響極顯著(P<0.01)。

2.4 水分調控對人工草地水分利用效率的影響

由圖3所示，不同水分調控處理下人工草地的水分利用效率存在差異，且各茬次之間有所不同，第一茬3種種植模式的水分利用效率均高于第二茬和第三茬；相比W，M和H顯著提高了水分利用效率。由圖3(d)所示，不同種植模式下，全年水分利用效率均表現為T1處理下最高，且混播種植大于單播種植，H的全年平均水分利用效率為2.77kg/m3，較W、M分別提高了122.28%、18.52%。混播種植下，T1處理水分利用效率顯著高于其他水分處理(P<0.05)，HT1較HT0、HT2、HT3水分利用效率提高了9.45%、14.02%和12.73%產量是農牧業生產中最重要的生長指標，草地的干草產量是通過光合作用產生的地上部分各生物量之和。水分是植物各種生理活動的必要條件，水分調虧灌溉下，土壤含水量虧缺會影響牧草的光合作用，進而導致干草產量降低[16]。本研究表明，隨著水分虧缺的加大，人工草地的干草產量降低。T1處理與 T0處理相比，無芒雀麥單播之間差異不顯著(P<0.05)，苜蓿單播降低產量8.28%，混播降低8.57%。在相同水分虧缺條件下，混播草地全年干草產量均高于兩種牧草的單播產量，這與徐然然[17]，康文彥[6]的研究結果相似。混播草地的平均年產量是單播無芒雀麥的1.45倍，這與Sebahattin[18]研究得出的混播產量是單播平均值的1.7倍的結果相似；產生這一現象可能是由于豆禾混播后，紫花苜蓿通過共生菌固定的氮被禾本科利用，促進了無芒雀麥的生長，同時迫使紫花苜蓿固定更多的氮來保證自身需求。同時，混播草地提高植被覆蓋度，降低土壤水分的無效蒸發，提高水分利用效率，促進牧草生長。本研究表明，隨著水分虧缺的加大，無芒雀麥干草產量在混播產量中的比例下降，水分對豆禾混播草地的影響是一個復雜的過程，豆科和禾本科在混播系統中生態位有差異[19]，對豆禾混播水分競爭關系還需進一步研究。

3 討論

水分是影響作物生產的首要因素，水分虧缺會影響人工草地的生長，制約草地生物量的積累[15]。

表3 水分調控對人工草地各茬粗蛋白含量和粗蛋白產量

圖3 水分調控對人工草地水分利用效率的影響

粗蛋白含量的高低是反映牧草營養價值的重要指標之一，是食草家畜不可或缺的營養物質[20]。蔻丹[21]等研究結果顯示，灌溉量和牧草粗蛋白含量呈負相關，隨著水分虧缺的加重，牧草的粗蛋白含量增大，這與本研究結果一致。這可能是因為水分虧缺對牧草莖的生長抑制大于葉片，在紫花苜蓿和無芒雀麥中，葉片的粗蛋白含量要高于莖，水分虧缺加大后導致葉片在植株中的占比加大，從而粗蛋白含量增高。蔣慧[22]等研究發現，混播種植的苜蓿和無芒雀麥粗蛋白含量均高于單播，本研究中混播草地的粗蛋白含量低于苜蓿單播，但高于無芒雀麥單播。粗蛋白產量是衡量牧草經濟效益主要參照，在各水分梯度下，混播均能提高粗蛋白產量。

在農牧業發展中，獲取較高的作物產量和水資源利用效率成為人們追求的主要目標。提高農業用水效率是保障生態環境健康，實現農業高效用水的必然選擇[23]。提高人工草地水分利用效率是保障當地農牧業可持續發展的首要問題，適宜的水分調虧灌溉可以降低作物的耗水量，提高水分效率[24- 25]。本研究表明，不同的灌水量對人工草地水分利用和干物質形成有很大影響，隨著水分虧缺程度的加大，人工草地的灌水量和耗水量均降低。同一種植模式下，牧草在T1水分處理下的水分利用效率最高；在同一水分調控處理下，各茬次混播草地的水分利用效率均高于單播，這可能是因為無芒雀麥根系分布淺，主要吸收上層土壤水分，苜蓿根系較深，可利用下層土壤水分，促進了混播草地水分利用效率的提高，且由于紫花苜蓿和無芒雀麥生態位的不同，混播草地的覆蓋度更大，草地無效蒸發降低。王自奎[26]等在小麥/玉米套作的研究中也發現，土壤水分的無效蒸發是降低草群水分利用效率的影響因子之一。

4 結論

(1)從種植模式看：混播種植較無芒雀麥、紫花苜蓿單播年產量分別增幅143.77%、11.74%；混播種植與紫花苜蓿單播的粗蛋白含量和粗蛋白產量無顯著差異。

(2)從水分梯度看：隨虧水程度加劇，單播和混播草地的粗蛋白含量逐漸增加，水分利用效率先增大后減小，三種種植模式均在輕度水分調控下水分利用效率達到最高，其中混播種植輕度水分調控下水分利用效率達到3.01kg/m3。

本研究可為河西內陸干旱草原區高效節水人工草地的建設與發展提供理論依據。但本試驗只對單混播種植模式下人工草地全生育期的水分調控進行了研究，而分生育時期水分調控對人工草地的影響需要進一步的探究。