水分調控對豆禾混播牧草產量及水分利用效率的影響

馬彥麟，汪精海，呂亞茹，馬煜，馬文瓊

(甘肅農業大學水利水電工程學院,甘肅 蘭州 730070)

人工草地是一種新型農業生態系統,對改善區域生態環境及促進草地畜牧業發展等方面有重要作用。然而,受重農輕牧思想的影響,人工草地主要建植在瘠薄地與鹽堿地中,種植管理大多沿用傳統方法,導致其生產潛力未能充分發揮[1-2]。

水分是作物維持生命活動的關鍵因子。合理有效的水分管理是提高人工草地生產力的重要保障[3]。一般而言,水分供應與牧草產量間存在報酬遞減規律,即一定范圍內隨著水分供應的增加,牧草產量呈指數增長,隨著土壤水分趨于飽和,產量增加變慢,之后增加水分會造成牧草減產。為獲得水效益最大化,需根據區域氣候條件、土壤類型及作物種類、生育時期等確定適宜的水分調控策略[4-6]。研究表明,在西北干旱荒漠區,土壤相對含水量為68.4%～71.8%時,草木樨的凈光合速率和生物量最優[7]。在黃土高原區,輕度水分脅迫(65%～80%田間持水量)條件下,苜蓿產量和品質均較優[8]。在青海荒漠草原區,隨灌水量增加,燕麥、箭筈豌豆混播草地耗水量顯著增加,拔節期和開花期灌水可獲得較高的牧草產量和水分利用效率[9]。科學適宜的種植模式也是提高人工草地生產力的重要途徑[10-11]。研究發現,在高寒荒漠區,與燕麥單播相比,燕麥與箭筈豌豆混播牧草的粗蛋白含量、產量和水分利用效率分別提高 42.0%、80.4% 和20.6%[12]。在西藏林芝河谷地帶,與紫花苜蓿單播和高羊茅單播相比,紫花苜蓿與高羊茅混播草地的產量和品質顯著提升[13]。在內蒙古中部鹽堿地,苜蓿與緣毛雀麥以1 ∶1或1 ∶3混播及苜蓿與新麥草、長穗偃麥草以1 ∶1或1 ∶2混播時,草地產量較高且群落組分較穩定[14]。

綜上,人工草地水分管理涉及灌水量、灌水時期等,人工草地種植模式涉及混播類型、混播比例等,而同時考慮水分調控與種植模式的研究較匱乏。鑒于此,本研究以典型西北內陸干旱區為研究區,以當地廣泛種植的無芒雀麥、苜蓿和紅豆草為對象,對比分析4 種水分調控和5 種種植模式對人工草地產量、土地當量比、競爭力指數(競爭比率和相對擁擠系數)和水分利用效率的影響,為促進人工草地節水、增產、高效生產提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年4—10 月在甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣明花鄉牧草高效節水灌溉技術示范與推廣基地(98°47′E,39°67′N,海拔1 387 m)進行。該地區位于祁連山北麓、河西走廊中部、巴丹吉林沙漠南緣,屬典型內陸干旱型氣候,多年平均降水量85 mm,年均蒸發量2 149 mm,年均氣溫7.3 ℃,年均無霜期130 d。試驗地土壤類型為砂壤土,0～100 cm 土層平均田間持水量29.68%(體積含水量),平均土壤容重1.4 g/cm3。耕層(0～30 cm)土壤基礎養分含量為:有機質3.16 g/kg,全氮0.22 g/kg、全磷0.24 g/kg、全鉀7.6 g/kg,硝態氮7.65 mg/kg、銨態氮8.49 mg/kg、有效磷3.18 mg/kg、速效鉀257.66 mg/kg,pH 值7.26。牧草生育期間降水總量和平均氣溫分別為50.9 mm 和19.3 ℃(圖1)。

圖1 牧草生育期間試驗區降水與氣溫分布Fig.1 Precipitation and temperature distribution during forage growing period

1.2 試驗設計

試驗以4 年生人工牧草(2017 年5 月建植)為對象,設置水分調控和種植模式兩個因素。水分調控參照當地生產實踐以牧草全生育期土壤含水率(計劃濕潤層深度為60 cm)占田間持水量(Field capacity,FC)的百分比設置4 種,分別為充分灌水(FW:75%～85%FC,對照)、輕度虧水(LW:65%～75%FC)、中度虧水(MW:55%～65%FC)和重度虧水(SW:45%～55%FC)。種植模式參照當地適宜的人工牧草類型設置5 種,分別為無芒雀麥單播(B)、苜蓿單播(M)、紅豆草單播(O)、無芒雀麥與苜蓿混播(B＋M)和無芒雀麥與紅豆草混播(B＋O)。試驗共20 個處理(表1),每個處理重復3 次,合計60 個小區。小區面積為25 m2(5 m×5 m),小區邊緣埋有2 m 深塑料膜以防止水分互滲,試驗區四周布置2 m寬保護帶。灌水采用噴灌,試驗期間其他措施與當地常規管理保持一致。

表1 試驗設計Table 1 Experiment design

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分和灌水量

采用便攜式土壤剖面水分速測儀TDR(PICOBT,IMKO,德國)測定土壤含水率變化,并利用土鉆烘干法定期對土壤水分含量進行校準。灌水前后與降水后適時加測。

當實測土壤含水量下降至表1 中水分調控下限時,立即進行灌水,當達到水分調控上限時停止灌水,記錄每次灌水時間和灌水量。各次灌水量的總和即為牧草生長季總灌水量。

1.3.2 產量

牧草進入初花期時,各小區隨機選取1 m×1 m樣方距地面3 cm 刈割,混播牧草按草種(紅豆草、苜蓿、無芒雀麥)分離,并立即稱量牧草鮮質量。之后每個樣方隨機稱取3 份500 g 鮮草,裝入恒重后的信封并置于烘箱中,于105 ℃殺青30 min,75 ℃恒溫烘至恒重,冷卻稱其干質量,計算單位面積牧草產量。

1.4 相關計算

1.4.1 土地當量比(Land Equivalent Ratio，LER)

表示間作(混播)系統中作物對資源利用的競爭大小,是間作(混播)與單作(單播)所需土地的比值。LER值越大表明間作(混播)效果越好,LER＞1表示間作(混播)具有資源利用和產量優勢,LER＜1則表示間作(混播)無優勢[15]。計算公式為:

式中:Y1和Y1i分別表示作物1 在單播和混播時的產量,Y2和Y2i分別表示作物2 在單播和混播時的產量。

1.4.2 相對擁擠系數(Relative Crowding Coefficient，RCC)

用于評價間作(混播)系統中種間競爭力及資源利用效率的大小[16]。計算公式為:

式中:Z1i和Z2i分別表示混播系統中作物1 和作物2 的種植比例。

1.4.3 競爭比率(Competition Ratio，CR)

考慮混播系統中不同作物的種植比例,可用于衡量混播系統中作物間的競爭力及資源利用效率[17]。當CR＞1 時,表明混播系統中一種作物的競爭力強于另一種；CR＜1 時則相反。計算公式為:

1.4.4 耗水量(Evapotranspiration，ET)

采用水量平衡法計算牧草生長季耗水量(mm)。公式為:

式中:P為生長季降水量,mm；W1為第三茬牧草刈割后0～60 cm 土層土壤貯水量,mm；W2為第一茬返青期前0～60 cm 土層土壤貯水量,mm；I為生長季灌水量,mm；K為時段內地下水補給量,mm；R為時段內地表徑流,mm。由于牧草生育期間降水較小,且試驗小區地勢平坦,地下水埋深在5 m 以下,可忽略徑流和地下水補給。

1.4.5 水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)

根據牧草總產量和生長季總耗水量計算水分利用效率(kg/m3)。公式為:

式中:Y為牧草總產量,kg/hm2。

1.5 數據分析

分別采用Excel 2010 和SPSS22.0 進行數據整理與統計分析,方差分析使用最小顯著性差異法進行,顯著性水平為P＜0.05,使用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 水分調控對豆禾混播牧草產量的影響

水分調控、種植模式及二者交互效應顯著影響牧草產量(表2),整體表現為隨水分虧缺程度加劇,牧草產量先增加(平穩)后降低,且B＋M 和B＋O＞M和O＞B。三茬牧草產量由大到小為第一茬、第二茬和第三茬,其中第一茬、第二茬和第三茬的產量分別為2 306.3～8 996.4 kg/hm2、1 574.0～7 390.6 kg/hm2和1 043.0～4 949.3 kg/hm2,占全年總產量的比例分別為35.4%～48.1%、28.6%～37.7%和17.3%～30.1%。在一定水分調控下,M、O、B＋M 和B＋O 模式的年產量較B 模式分別提高100.1%～137.8%、101.2%～136.0%、152.6%～192.4%和132.3%～194.4%；一定種植模式下,LW 的年產量較FW、MW和SW 分別提高-4.2%～20.2%、17.0%～48.3%和38.1%～66.9%。與處理BFW 相比,處理(B ＋M)LW 和(B ＋O)FW 的年產量分別提高203.5%和191.4%。可見,B＋M 結合輕度水分虧缺與B＋O 結合充分灌水有利于提高牧草產量。

表2 不同水分調控下的豆禾混播牧草產量Table 2 The yield of soybean-grass mixed-seeding forage under different water control kg·hm_-2

2.2 水分調控對豆禾混播牧草土地當量比的影響

由表3 可知,B＋M 和B＋O 模式在4 種水分調控下土地當量比均大于1,且苜蓿和紅豆草的偏土地當量比高于無芒雀麥。B＋M 模式的土地當量比在FW 條件下較高,且隨水分虧缺程度而降低；B＋O 模式的土地當量比在不同水分調控間變幅較小(1.59～1.74)。在FW 和MW 條件下,B＋M 的土地當量比高于B＋O,增幅分別為23.7%和6.9%；在LW 和SW 條件下,B＋O 的土地當量比高于B＋M,增幅分別為6.2%和8.0%。可見,混播具有顯著的產量優勢,B＋M 在充分灌水條件下可獲得較高的土地當量比,而B＋O 模式的土地當量比對水分調控不敏感。

表3 不同水分調控下的豆禾混播牧草土地當量比Table 3 Land equivalent ratio of forages mixed with legume and grass under different water control

2.3 水分調控對豆禾混播牧草競爭力指數的影響

2.3.1 相對擁擠系數

從表4 可知,在B＋M 模式中,無芒雀麥和苜蓿的相對擁擠系數分別為0.83～1.13 和0.89～1.21,其中苜蓿的相對擁擠系數在FW、LW 和MW 條件下大于1,且在LW 條件下達到最高,無芒雀麥的相對擁擠系數在SW 條件下大于1。在B＋O 模式中,無芒雀麥和紅豆草相對擁擠系數分別為0.73～0.94和1.06～1.37,其中紅豆草相對擁擠系數在LW 條件下達到最高。可見,豆科牧草(苜蓿和紅豆草)的混播優勢高于無芒雀麥,且在輕度水分虧缺條件下優勢較明顯。

表4 不同水分調控下的豆禾混播牧草相對擁擠系數Table 4 Relative crowding coefficient of forages mixed with legume and grass under different water regulation

2.3.2 競爭比率

從表5 可知,在B＋M 模式中,無芒雀麥和苜蓿的競爭比率分別為0.78～1.21 和0.82～1.27,其中苜蓿競爭比率在FW 條件下最高,但與LW 無顯著差異；在B＋O 模式中,無芒雀麥和紅豆草競爭比率分別為0.73～0.94 和1.06～1.37,LW 條件下紅豆草的競爭比率較FW、MW 和SW 分別提高18.1%、29.3%和16.1%。可見,與相對擁擠系數類似,競爭比率也表明豆科牧草(苜蓿和紅豆草)的競爭力高于無芒雀麥,尤其在輕度水分虧缺條件下。

表5 不同水分調控下的豆禾混播牧草競爭比率Table 5 The competition ratio of forages mixed with legume and grass under different water regulation

2.4 不同種植模式下牧草產量與耗水量之間的關系分析

將5 種種植模式的牧草產量與生育期耗水量進行擬合(圖2)發現,牧草產量與耗水量之間存在較好的二次拋物線關系,即在一定范圍內,隨耗水量增加,牧草產量逐漸提高,當達到某一臨界值后,增加耗水量反而會降低牧草產量。不同種植模式獲得最高產量時對應的耗水量存在差異。由擬合方程可知,無芒雀麥單播耗水量為577.7 mm 時,可獲得最高產量8 013.5 kg/hm2；苜蓿單播耗水量為633.3 mm 時,可獲得最高產量為15 627.8 kg/hm2；紅豆草單播耗水量為668.7 mm 時,可獲得最高產量為16 005.9 kg/hm2；無芒雀麥＋苜蓿耗水量為707.8 mm 時,可獲得最高產量為19 893.0 kg/hm2；無芒雀麥＋紅豆草耗水量為739.0 mm 時,可獲得最高產量為19 611.9 kg/hm2。可見,與單播相比,混播苜蓿的最高產量和對應的耗水量均較高。

圖2 不同種植模式下牧草產量與耗水量之間的關系Fig.2 Correlation between forage yield and water consumption under different planting patterns

2.5 水分調控對豆禾混播牧草水分利用效率的影響

5 種種植模式的水分利用效率整體表現為B＋M和B＋O＞M 和O＞B,其中B、M 和O 模式隨水分虧缺程度加劇,呈先增后降的趨勢(LW 條件下最大),B＋M 模式隨水分虧缺程度的加劇呈先增后降再增的趨勢(LW 條件下最大,且與SW 無顯著差異)；B＋O模式在FW 條件下最大,且LW、MW 和SW 之間無顯著差異(表6)。具體而言,在一定水分調控下,M、O、B＋M 和B＋O 模式的水分利用效率較B 模式分別提高56.1%～137.7%、63.2%～190.5%、129.8%～224.5%和90.8%～340.0%。B、M、O 和B＋M 模式下,LW 的水分利用效率較FW 分別提高34.3%、21.0%、9.5%和17.4%；B＋O 模式下,FW 的水分利用效率較LW 提高71.7%。與處理BFW 相比,處理(B＋M)LW 和(B＋O)FW 的水分利用效率分別提高208.6%和340.0%。可見,豆科牧草的水分利用效率顯著高于禾本科牧草,混播牧草的水分利用效率顯著高于單播,LW 有利于提高B＋M 的水分利用效率,而FW 有利于提高B＋O 的水分利用效率。

表6 不同水分調控與種植模式下牧草的水分利用效率Table 6 Water use efficiency of forage under different water regulations and planting patterns kg·m-3

3 討論

3.1 水分調控對豆禾混播牧草產量的影響

牧草屬營養體作物,其產量為刈割后地上部分生物量。水分調控使牧草生育期間土壤含水量處于不同程度的虧缺狀態,主要通過調節光合產物影響產量形成,且該效應隨牧草種植模式不同而存在差異[18]。在西北內陸干旱區,與充分灌水相比,一定程度水分虧缺的牧草產量下降不顯著,且生長前期虧水后復水對牧草產量具有明顯的補償效應；在一定水分條件下,混播較單播可提高牧草產量49.2%～60.5%[19]。在高寒荒漠區,燕麥與箭筈豌豆混播結合拔節期充分灌水＋開花期中度水分虧缺的牧草產量、粗蛋白含量、WUE 和IWUE 分別為14 330.2 kg/hm2、10.7%,31.5 kg/(hm2·mm)和81.0 kg/(hm2·mm),顯著高于單播及其他灌水模式[12]。本研究充分證實了上述研究結果。在輕度水分虧缺條件下,單播和混播牧草的產量均顯著高于中度和重度水分虧缺,且與充分灌水無顯著差異。兩種混播模式的年產量差異較小(分別為14 394.2～20 755.1 kg/hm2和13 826.6～19 928.4 kg/hm2),但無芒雀麥＋苜蓿的年產量在輕度水分虧缺條件下最大,而無芒雀麥＋紅豆草的年產量在充分灌水條件下最大。這說明,無芒雀麥＋苜蓿混播優勢大于無芒雀麥＋紅豆草。可見,與籽實體作物類似,對于營養體的牧草也應給予適度的水分虧缺,以用較少的水分供應獲得較高的經濟產出。

3.2 水分調控對豆禾混播牧草競爭力的影響

與單播(單作)相比,混播(間作)特有的群體結構可提高光能利用率,增強根系養分吸收,實現水、肥、氣、熱、光、空間等的充分利用,具有防治病蟲害、控制雜草、抵御倒伏等優勢,能獲得較好的經濟與生態效益[20]。優化種間關系是提高間混播(作)效應的生態學基礎,常用的措施包括品種搭配、帶型配置、空間結構、肥水管理等[21-22]。在西北半干旱區,黃宗昌等[16]通過設置不同飼草作物間作模式發現,間作系統的土地當量比＞1、實際產量損失指數＞0、系統增產率達19.6%～40.5%,表現出明顯的間作優勢,在玉米｜｜高丹草系統中,高丹草是優勢物種,在高丹草｜｜燕麥系統中,燕麥是優勢物種。在黃淮海地區,張桂國等[23]通過設置苜蓿｜｜玉米模式行數比得出,在間作第1 年,玉米的競爭力大于苜蓿,間作系統的總產量和經濟效益低于單作玉米；在間作第2 年,苜蓿的競爭力大于玉米,間作系統總產量和經濟效益高于玉米單作和苜蓿單作,且以行數比5 ∶2間作模式的效果最優。本研究通過分析混播牧草的土地當量比、相對擁擠系數和競爭比率等指標發現,B＋M 和B＋O 模式的土地當量比均大于1,豆科牧草的混播優勢和競爭力高于無芒雀麥,尤其在輕度水分虧缺條件下。這主要是由于在禾豆混播草地中,冠層分布呈傘狀結構,有利于提高群體透光率和光能截獲率及光能的分層、高效利用。此外,具須根系的禾本科牧草根系發達密集,對水肥等營養的競爭能力較強,該競爭在一定程度上有利于激發豆科牧草的固氮能力。

3.3 水分調控對豆禾混播牧草水分利用效率的影響

水分調控可通過影響土壤微環境和作物生長狀況,從而產生不同的水分利用效應[24]。種植模式通過改變冠層結構影響棵間蒸發與植株蒸騰,從而影響水分利用效率[25]。研究表明,在西北干旱草原區,草地耗水量隨灌水量增加逐漸增大,苜蓿單播、無芒雀麥單播和苜蓿＋無芒雀麥的水分利用效率均在輕度水分虧缺條件下最高[26]。在青海高寒荒漠區,燕麥和箭筈豌豆混播草地的耗水量、產量和水分利用效率隨灌水頻次的增加而增加,拔節期與開花期分別灌水25 mm 可獲得較高的牧草產量和水分利用效率[27]。在甘肅中部高寒陰濕區,燕麥與箭筈豌豆1 ∶1混播,并于分枝盛期和枝繁葉茂期分別灌水,可顯著提高牧草水分利用效率[28]。本研究也發現,一定程度的水分虧缺有利于提高牧草的水分利用效率,其中B、M、O 和B＋M 模式均在輕度水分虧缺條件下水分利用效率達到最高,而B＋O 模式的水分利用效率在充分灌水條件下顯著高于其他水分調控。這一定程度上表明,在B＋O 模式中,牧草之間的競爭會增加系統對水分的需求,而B＋M 模式中,牧草之間的競爭較無芒雀麥單播和苜蓿單播無明顯增加。可見,混播草地合理水分調控與混播類型密切相關。生產實踐中,應根據區域優勢牧草的種植模式,在充分試驗研究的基礎上采用適宜的水分調控模式,以獲得較優的經濟與生態效益。

4 結論

(1)三茬牧草產量由大到小為第一茬、第二茬和第三茬,隨水分虧缺程度的加劇,牧草產量呈先增加(平穩)后降低趨勢,且B＋M 和B＋O＞M 和O＞B。B＋M 結合輕度水分虧缺與B＋O 結合充分灌水有利于提高牧草產量。

(2)B＋M 和B＋O 模式土地當量比大于1,且苜蓿和紅豆草的偏土地當量比高于無芒雀麥。B＋M在充分灌水條件下可獲得較高的土地當量比,而B＋O 模式的土地當量比對水分調控不敏感。相對擁擠系數和競爭比率一致表明,豆科牧草的混播優勢和競爭力高于無芒雀麥,尤其在輕度水分虧缺條件下。

(3)牧草產量與耗水量間存在較好的二次拋物線關系,混播牧草最高產量和對應的耗水量均較高。5 種種植模式的水分利用效率表現為B＋M 和B＋O＞M 和O＞B,其中B、M、O 和B＋M 模式在LW 條件下最大,而B＋O 模式在FW 條件下最大。與處理BFW相比,處理(B＋M)LW 和(B＋O)FW 的水分利用效率分別提高208.6%和340.0%。

綜上,豆禾混播可顯著提高牧草產量、土地當量比和水分利用效率,其中B＋M 在LW 條件下效果較優,而B＋O 在FW 條件下效果較優。