寧夏地區(qū)地下滴灌水肥耦合對紫花苜蓿種子產量及構成因素的影響

王星，黃薇，余淑艷，李小云，高雪芹，2，伏兵哲，2*

（1.寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021；2.寧夏草牧業(yè)工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021）

紫花苜蓿（Medicago sativa）具有生物量大、營養(yǎng)價值高和適口性好等優(yōu)點，是目前全世界廣泛種植的多年生豆科牧草之一。隨著我國農業(yè)產業(yè)結構調整，苜蓿的種植面積迅速增加，截至2020年我國商品苜蓿生產面積已達到63萬hm2［1］。隨著苜蓿種植面積的不斷擴大，對苜蓿的種子需求也日益增多，由于氣候降水以及一些田間管理技術等因素的制約，我國的苜蓿種子生產普遍產量低、質量不高，導致需大量進口苜蓿種子［2］。解決苜蓿種子生產中的主要技術瓶頸，提高苜蓿種子產量和質量，對促進我國民族種業(yè)振興和苜蓿產業(yè)發(fā)展具有重要意義［3-4］。

有研究表明，大多數植物在關鍵期灌水會提高種子產量［5］。Guo等［6］研究表明在紫花苜蓿結莢期灌水使其兩年種子產量分別提高了38%和41%。保持適當的土壤水分含量可以促進苜蓿根部向下生長，有利于提高紫花苜蓿的吸水能力。徐文婷等［7］的研究表明，鉀肥在苜蓿生長中起著關鍵作用，施用鉀肥可以提高苜蓿的抗寒、抗旱、抗病性，還可以改善苜蓿的新陳代謝，提高光合效率。有研究表明，磷肥會影響植株種子的結實率，缺磷的植株會表現籽粒少且種子空癟，而施用磷肥則會提高植物抗倒伏性；缺乏水分和養(yǎng)分時，會使得苜蓿受到水分及養(yǎng)分脅迫，影響植株的正常發(fā)育，增加落花落莢，降低種子產量［8-9］。大水漫灌很難精確控制種子田灌水量和施肥量，而地下滴灌可根據植物的需要靈活準確地控制水分和肥料施入時間、數量和施入點，既能保證植物必需的養(yǎng)分，又可以提高養(yǎng)分利用效率，避免養(yǎng)分淋失［10］。

寧夏回族自治區(qū)屬于大陸性氣候，四季光照充足，牧草生產條件優(yōu)越。但是以往對苜蓿種子生產的研究往往集中在株行間距［4］、灌溉次數［11］、灌溉方式［9］、施肥量和施肥方式［12］等，鮮有關于苜蓿種子生產中水肥耦合作用的報道，并且以往并未見到苜蓿種子生產中適合當地的灌水量及施肥量的相關報道。本試驗通過地下滴灌系統進行水肥精確控制，研究不同灌水量和施肥量對苜蓿種子產量構成因素及產量的影響，確立苜蓿種子生產最優(yōu)水肥配比，為當地苜蓿種子高產穩(wěn)產及水肥的高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以紫花苜蓿品種‘甘農4號’（Gannong No.4）為試驗材料。‘甘農4號’是甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院育成的一個抗旱、高產的優(yōu)良紫花苜蓿品種，也是寧夏大面積普遍推廣的苜蓿品種。供試肥料為磷酸一銨（N≥12%，P2O5≥61%）和硫酸鉀（K2O≥52%）。

1.2 試驗地概況

試驗在寧夏大學鹽池縣四墩子教學科研基地進行。試驗區(qū)位于寧夏東部，毛烏素沙地西南緣（107°17′E，37°46′N），海拔1436 m，年平均氣溫7.7℃，極端最高氣溫39.3℃，極端最低氣溫-28.9℃，≥10℃的年積溫為2950℃，無霜期162 d，年均日照時數2876 h，年均降水量289 mm，主要集中在6-9月，年蒸發(fā)量2690 mm，具有較好的光熱條件和較高的光溫生產潛力，是我國牧草種子生產的黃金地帶之一。試驗地土壤為黃綿土，0～60 cm土層土壤平均全氮含量為0.51 g·kg-1，堿解氮含量為19.8 mg·kg-1，全磷含量為0.49 g·kg-1，有效磷含量為13.97 mg·kg-1，全鉀含量為0.51 g·kg-1，速效鉀含量為9.87 mg·kg-1，有機質含量為0.51 g·kg-1。2017-2020年生長季試驗區(qū)氣象數據詳見圖1。

圖1 鹽池縣2017-2020年降水量及平均氣溫Fig.1 Precipitation and average air temperature of Yanchi County from 2017 to 2020

1.3 試驗設計

試驗于2016年5月進行地下滴灌帶鋪設和苜蓿種植，試驗小區(qū)面積為24 m（24 m×6 m），小區(qū)間隔1 m，且各小區(qū)之間地下用1 m深的大棚塑料膜隔離以防止水分滲漏，試驗地周圍設置1 m的保護行，3次重復，苜蓿種植密度為行距80 cm，株距25 cm，滴灌帶逐行鋪設于苜蓿行下20 cm處。2017-2020年進行水肥耦合試驗，采用裂區(qū)設計，主區(qū)為4個梯度灌水量（water treatment，S），其中S1～S4分別為900、1350、1800和2250 m3·hm-2；副區(qū)為5個梯度施肥量（fertilizer treatment，F），F1～F5分別為N-P2O5-K2O：0-0-0、9-45-60、18-90-120、27-135-180和36-180-240 kg·hm-2。一個生長季灌水4次，施肥2次，肥料隨灌水通過水肥一體化裝置施入。灌水施肥方案詳見表1。

表1 灌水施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization plan

1.4 測定指標及方法

1.4.1 種子產量構成因素的測定 在盛花期各處理小區(qū)隨機取20株進行標記，統計每株生殖枝數，每生殖枝上的花序數，每花序上的小花數和每小花胚珠數；在結莢期，統計每花序結莢數，每莢種子數；種子千粒重按照《草種子檢驗規(guī)程》［13］進行測量。

1.4.2 實際種子產量測定 在莢果70%變褐時對標記的單株進行人工收割，裝網袋，曬干后清選脫粒，分別稱重、記錄單株種子產量，并折算單位面積種子產量。

1.4.3 灌溉水分利用效率 灌溉水分利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）是指作物利用單位灌水量生產的經濟作物產量，公式如下：

1.4.4 肥料偏生產力 肥料偏生產力（partial fertilizer productivity，PFP）指施用某一特定肥料下的種子產量與施肥量的比值，公式如下：

1.5 數據處理

采用Excel 2010整理數據，應用DPS 7.05統計軟件對數據進行統計分析，應用Origin 2019繪圖軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合對苜蓿種子產量構成因素的影響

灌水對小花數、每株花序數、結莢數、每莢種子數、千粒重以及結莢率6個種子產量構成因素有極顯著影響，對生殖枝數無顯著影響。施肥對生殖枝數、小花數、結莢數、每莢種子數和結莢率有極顯著影響，對每株花序數和千粒重無顯著影響。灌水與施肥對小花數、每株花序數、結莢數、每莢種子數、千粒重以及結莢率均有極顯著耦合影響，對生殖枝數無顯著作用（表2）。

表2 不同水肥對苜蓿種子產量構成因素的影響Table 2 Effects of different water and fertilizer on components of alfalfa seed yield

2.2 水肥耦合對苜蓿種子產量的影響

灌水、施肥和不同年份對實際種子產量和理論種子產量都有極顯著的影響，其之間的耦合作用對實際種子產量和理論種子產量有極顯著的影響。同時灌水、施肥、不同年份及其之間的耦合作用對灌溉水分利用效率及肥料偏生產力也有極顯著的影響（表3）。

隨著灌水量的增加，4年累計實際種子產量呈先降低后增加的趨勢，4種灌水條件下4年累計實際種子產量從大到小排序為S1＞S4＞S3＞S2，S1和S4處理的4年累計實際種子產量顯著高于其他處理。而隨著施肥量的增加，4年累計實際種子產量呈先降低后增加的趨勢，在F4處理下4年累計實際種子產量達到最大值。5種施肥處理條件下4年累計實際種子產量從大到小為F4＞F5＞F1＞F3＞F2，F4和F5處理顯著高于其他處理（表3）。4年累計實際種子產量在S1F4處理達到最大值，為4848.77 kg·hm-2，較S2F4處理增幅達36.15%，顯著高于其他各處理（圖2）。

圖2 不同水肥處理下苜蓿的實際種子產量Fig.2 Practical seed yield of alfalfa under different water and fertilizer treatments

隨著灌水量的增加，理論種子產量呈先降低后增加的趨勢，4種灌水條件下理論種子產量從大到小為S1＞S4＞S3＞S2，在S1處理下達到最大值，并顯著高于其他各處理，與實際種子產量相匹配。而隨著施肥量的增加，理論種子產量呈先降低后增加的趨勢，理論種子產量從大到小為F5＞F1＞F4＞F2＞F3，在F5處理達到最大值，并顯著高于其他處理（表3）。理論種子產量在S1F5處理下達到最大值，為27586.33 kg·hm-2，顯著高于除S1F1外的其他各處理（圖3）。

圖3 不同水肥處理下苜蓿的理論種子產量Fig.3 Theoretical seed yield of alfalfa under different water and fertilizer treatments

灌溉水分利用效率在S1水平明顯高于其他3個處理，IWUE為0.40～1.35 kg·m-3。S1F4處理較S4F3處理顯著增加237.50%（圖4）。肥料偏生產力隨著施肥量的增加呈現下降的趨勢，肥料偏生產力為2.16～9.43 kg·kg-1，S4F2處理較S3F5處理增幅達336.57%（圖5）。

圖4 不同水肥處理下苜蓿的灌溉水分利用效率Fig.4 Irrigation water use efficiency of alfalfa under different water and fertilizer treatments

圖5 不同水肥處理下苜蓿的偏肥料生產力Fig.5 Partial fertilizer productivity of alfalfa under different water and fertilizer treatments

不同年份的實際種子產量及理論種子產量差異極顯著，隨著時間的推移呈上升趨勢，但是在2019年突然降低并且顯著低于2018與2020年，可能與當年的降水量有關（圖1，表3）。

表3 不同水肥對苜蓿實際種子產量、理論種子產量、灌溉水分利用效率及肥料偏生產力的影響Table 3 Effects of different amount of water and fertilizer on alfalfa practical seed yield，theoretical seed yield，irrigation water use efficiency and partial fertilizer productivity（F value）

2.3 苜蓿種子產量構成因子與產量關聯性分析

采取逐步回歸的方法，對苜蓿種子產量構成因子與苜蓿種子產量進行回歸分析，建立苜蓿種子產量構成因子與苜蓿種子產量的回歸方程為Y=743.26+1.503X1-17.45X2-1676.77X3+815.16X4（F=49.52，P＜0.01），X1為花序數、X2為生殖枝數、X3為結莢率、X4為千粒重。這4個苜蓿種子產量構成因子被納入回歸方程，表示這4個因子在所有苜蓿種子產量的影響因子中占主導地位。為了進一步分析這4個因子對苜蓿種子產量的貢獻大小，進一步進行通徑分析。

花序數和生殖枝數直接通徑系數大于間接通徑系數總和，而結莢率和千粒重的直接通徑系數均小于間接通徑系數總和（表4），這表明花序數和生殖枝數是通過直接作用的方式來影響苜蓿種子產量，而結莢率和千粒重通過間接影響花序數和生殖枝數來影響苜蓿種子產量。根據4個因子對苜蓿種子產量的貢獻度從高到低為：每株花序數（X1）＞千粒重（X4）＞結莢率（X3）＞生殖枝數（X2）。

表4 苜蓿種子產量構成因子與苜蓿種子產量的通徑分析Table 4 Path analysis of alfalfa seed yield components and alfalfa seed yield

2.4 回歸模型

為了進一步探究水肥耦合作用對苜蓿種子產量的影響，以灌水量和施肥量為自變量，苜蓿種子產量為因變量，進行回歸模擬，得到了二次回歸模型 如 下 ：y=0.20166x1-0.07521x2-1.91921×10-5x12-8.12063×10-5x22+2.7269×10-4x1x2+816.62625（R2=0.84，P=0.00245＜0.01），x1為灌水量，x2為施肥量，y為苜蓿種子產量。對回歸模型進行分析可知，一次項系數有正有負，二次項系數為負，水肥耦合系數為正，這說明隨著灌水量和施肥量的增加，苜蓿種子產量會出現先增加后降低的趨勢，并且水肥耦合作用對苜蓿種子產量有正相關的影響（圖6）。

圖6 苜蓿種子實際產量回歸尋優(yōu)模型Fig.6 Regression optimization model of actual alfalfa seed yield

在灌水量為900～2250 m·3hm-2，施肥量為0～456 kg·hm-2內進行尋優(yōu)分析，結果表明當灌水量為2250 m·3hm-2，施肥量為437.39 kg·hm-（2N肥34.53 kg·hm-2，P肥172.65 kg·hm-2，K肥230.20 kg·hm-2）時苜蓿種子產量最高，為1438.13 kg·hm-2。

3 討論

水肥是苜蓿種子生產的重要因素，本試驗表明過高的土壤水分含量和過多的施肥會降低苜蓿種子產量。Krogman等［14］認為過多的土壤水分會使苜蓿過度營養(yǎng)生長，降低苜蓿種子產量。同時過量的灌水會導致苜蓿下部花序敗育以及增加苜蓿倒伏現象，都會使得苜蓿種子產量降低［15-17］。Yamada等［18］的研究認為適當的水分脅迫是苜蓿種子豐產的關鍵，可以有效抑制苜蓿的營養(yǎng)生長，促進苜蓿小花結莢，使得苜蓿結莢率上升，從而獲得更高的種子產量。根據李麗［19］的研究，苜蓿在前期營養(yǎng)生長過程中消耗了大部分的氮肥，在不施氮肥的情況下，結莢期可能會因為缺乏氮素而不利于氮素向生殖器官轉移，從而導致苜蓿種子產量降低。趙宇星［20］的研究表明，生長后期適當補充氮肥以及合適的氮磷鉀肥比例會提高苜蓿種子產量。孟季蒙等［10］的研究表明，當灌水量為909.62 kg·hm-2時種子產量最高，本研究結論與此一致。田新會等［21］的研究表明，當施肥量為N肥47 kg·hm-2，P肥120 kg·hm-2，K肥30 kg·hm-2時苜蓿種子產量最高。本研究中當灌水量為900 m3·hm-2，施肥量為N肥27 kg·hm-2，P肥135 kg·hm-2，K肥180 kg·hm-2時苜蓿種子產量最高，與前人的研究結果不同，可能是因為試驗地土壤肥力情況不同。

水肥控制對苜蓿種子產量構成因素有非常重要的影響［22］。Rumbaugh等［23］的研究認為每株花序數、千粒重、每莢種子數與苜蓿種子產量呈正相關，而總枝條數、單粒種子重則與苜蓿種子產量呈負相關。王玉祥等［24］的研究表明，苜蓿前期生長需氮量并不高，而生長后期苜蓿缺氮則會落莢落花導致種子產量降低。苜蓿為喜磷植物［25］，王赟文［26］的研究表明施加磷肥可以通過提高苜蓿的花序數、結莢率和種子數來影響種子產量。鄭敏娜等［27］的研究表明隨著施磷量的增加，苜蓿的結莢數明顯增多，結莢率顯著增加。鞠曉峰等［28］研究表明施鉀會提高花序上的小花數并利于苜蓿潛在種子產量的提高，在缺鉀的土壤中施用鉀肥會有效提高種子產量，在高鉀的土壤中施鉀肥也會使苜蓿的種子產量有所提高。在本研究中土壤含鉀量低，因此這可能是高施肥量在本試驗中產量增加較為明顯的原因。在本研究中，根據通徑分析，花序數、生殖枝數、結莢率和千粒重對苜蓿種子產量影響較為顯著，而隨著施肥量和灌水量的增加，都有不同幅度地呈先增加后降低的趨勢，這與前人的研究結果相同。

4 結論

在本研究中，隨著施肥量和灌水量的增加，苜蓿種子產量呈先增加后降低的趨勢。結合試驗數據和前人研究，在苜蓿種子的實際生產中應該控制前期的施氮量并施入磷鉀肥，在生長后期適當的補施氮肥并在結莢期灌水，可以有效控制無效分蘗，防止苜蓿倒伏，提高種子產量。