灌溉方式與磷素對紫花苜蓿生產性能和營養品質的影響

摘要：為探究灌溉方式與磷素的互作模式對紫花苜蓿（Medicago sativa） 生產性能及營養品質的影響，本研究采用雙因素裂區設計，設置漫灌（F）、噴灌（S）、地下10 cm滴灌（D10）、地下20 cm滴灌（D20）和地下30 cm滴灌（D30）5種灌溉方式和0 kg·hm-2（P0），60 kg·hm-2（P1），120 kg·hm-2（P2）和180 kg·hm-2（P3） 4個施磷（P2O5）梯度。研究水磷耦合條件下苜蓿生產性能、飼草品質和水磷利用效率。結果表明：3種地下滴灌處理的土壤含水量、生產指標、營養指標、水分利用效率和磷肥偏生產力均顯著高于漫灌和噴灌處理；灌溉方式和施磷水平對苜蓿株高、分枝數、干草產量、粗蛋白含量、酸性洗滌纖維和相對飼喂價值均有顯著影響。通過主成分分析得出，在地下30 cm滴灌方式下，施P2O5 120 kg·hm-2時的水磷組合模式最好，產量和營養品質綜合排名第一，在生產上應用可得到優質牧草。

關鍵詞：紫花苜蓿；灌溉方式；磷素；生產性能；營養品質

中圖分類號：S963.22+3.3 """文獻標識碼：A """"文章編號：1007-0435（2024）05-1592-09

Effect of Irrigation Methods and Phosphorus on the Production Performance

and Nutritional Quality of Alfalfa

YE Yu-nong1，2， YU Shu-yan1，3， WANG Xing1， SONG Wen-xue1， WANG Jing1，

HU Peng-fei1， WANG Tong-rui1， GAO Xue-qin1， FU Bing-zhe1，2，3*

（1. College of Forestry and Prataculture， Ningxia University， Yinchuan， Ningxia 750021， China; 2. Ningxia Grass and

Animal Husbandry Engineering Research Center， Yinchuan， Ningxia 750021， China; 3. Key Innovation Laboratory of

Efficient Forage Production Mode， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Yinchuan， Ningxia 750021， China）

Abstract：The aim of this study was to investigate the impact of different interaction modes of irrigation methods and phosphorus fertilization on the production performance and nutritional quality of alfalfa （Medicago sativa）. Five irrigation methods，including flood irrigation （F），sprinkler irrigation （S），10 cm subsurface drip （D10），20 cm subsurface drip （D20） and 30 cm subsurface drip （D30），and four phosphorus application （P2O5） gradients of 0 kg·hm-2 （P0），60 kg·hm-2 （P1），120 kg·hm-2 （P2） and 180 kg·hm-2 （P3） were set up by two-factor split plot design. The production performance，fodder quality and water and phosphorus use efficiency of alfalfa under water and phosphorus coupling were investigated. The results showed that"the soil water content，production index，nutrient index，water use efficiency and phosphorus fertilizer partial productivity were significantly higher in the three drip treatments than in flood and sprinkler treatments. Irrigation methods and phosphorus fertilization levels had significant effects on alfalfa plant height，branch number，hay yield，crude protein content，acid detergent fiber and relative feed value. Principal component analysis showed that the combination of water and phosphorus was the best when"P2O5 120 kg·hm-2 was applied under drip irrigation at 30 cm depth，and the nutritional quality ranked first.

Key words：Alfalfa;Irrigation method;Phosphorus;Production performance;Nutritional quality

紫花苜蓿（Medicago sativa）是一種優良的多年生豆科牧草，具有產量高、品質好、適應性強等特點，并有“牧草之王”之美譽［1］。近年來，隨著我國農業種植結構的調整，國家支持青貯玉米和苜蓿等優質飼草料種植，紫花苜蓿為“糧改飼”中的優選飼草之一［2］；而就當前苜蓿生產而言，大多數地區苜蓿還處在傳統的生產方式，苜蓿缺口量大且飼草生產潛能未能得到充分發揮。因此，探索苜蓿的新型高效栽培技術對維持苜蓿產業健康發展十分重要。

磷元素能夠促進植物更好的光合，有利于根系的生長發育，使得莖稈更加強壯，提高植物生物量［3］。有研究表明，磷素能夠有效的促進紫花苜蓿對其他營養元素的吸收利用，改善飼用價值，提高苜蓿干草產量［4-6］，施磷肥是提高紫花苜蓿牧草產量和營養品質的有效措施之一。磷肥在酸性土壤中，無定型的氧化鐵和氧化鋁固磷能力較強，能使植物得到有效利用；然而在堿性土壤中，過多的鈣離子易與磷酸根形成磷酸鈣沉淀，導致肥料利用率下降。我國西北地區土壤以地帶性灰鈣土和風沙土居多，偏堿性，故磷肥施入后，移動性低，大部分被金屬離子固定［7］，不易被植物吸收利用，紫花苜蓿磷素利用效率僅為5%～25%［8］。因此，如何提高紫花苜蓿磷肥利用效率是當前亟需解決的問題。

施磷與灌溉關系十分密切，適量的灌水有利于磷肥的移動和加速苜蓿根系對養分的吸收。磷的高效利用與土壤含水量密切相關，土壤含水量過低，會阻礙根系對磷元素的吸收和運輸，進而影響生理活動；反之，過度灌溉會使養分向土壤下層沉積。如何將施磷與灌溉進行有效結合，對提高紫花苜蓿的產量和品質非常重要［9］。我國苜蓿生產的主要灌溉方式有大水漫灌，噴灌和地下滴灌［10］。因此，本文通過研究不同灌溉方式下磷素對苜蓿生產性能和營養品質的影響，為苜蓿栽培尋找最優的灌溉方式和施磷水平，實現磷的高效利用并發揮水資源和磷肥的最大效益，從而達到培肥土壤、增加苜蓿產量的目的，以此為寧夏干旱地區苜蓿優質高產栽培提供技術方案和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于寧夏鹽池縣寧夏大學草業科學四墩子科研基地進行。該基地位于寧夏回族自治區東部（107°17′ E，37°46′ N），海拔1 436 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2 950℃，無霜期162 d，年均日照時數2 876 h，年均降水量289 mm，主要集中在6—9月，年蒸發量2 690 mm；試驗地土壤為砂壤土，土層深厚，有機質含量中等，灌溉采用機井灌溉，土層的平均土壤容重為1.43 g·cm-3，田間持水量為24.72%，土壤基本理化性質如下表（見表1）。2019—2020年2年試驗基地的氣象狀況如圖1所示。

1.2 試驗材料與設計

供試材料為‘甘農6號’紫花苜蓿，試驗采用雙因素裂區試驗設計，以灌水方式為主區，以施磷水平為副區，其中灌水為大水漫灌（F）、噴灌（S）、地下滴灌10 cm（D10）、地下滴灌20 cm（D20）和地下滴灌30 cm（D30）5個灌水方式，磷素添加為P2O5，分為對照（P0）0 kg·hm-2、低磷（P1）60 kg·hm-2、中磷（P2）120 kg·hm-2、高磷（P3）180 kg·hm-2 4個水平，試驗共20個處理，每個處理設3個重復，共60個小區，小區面積4 m×8 m，播種時間為2019年5月10日，采用人工條播，播種量15 kg·hm-2，播深2 cm，行距20 cm。磷肥作為試驗所用化學肥料于2020年4月添加。生長期間進行田間養護管理，2020年5月開始進行指標測定。

大水漫灌：通過地下輸水管道到地表出水口進行灌溉；噴灌：采用半徑為3 m的立柱式噴灌；地下滴灌管直徑為16 mm，滴頭間距為30 cm，每個滴頭每小時出水量為1 L，小區設置獨立閥門控制灌水。灌水采用“少量多次”的灌水原則，第一次灌水于返青前，而后在每一茬刈割之后進行灌水，共進行4次灌水，不同灌溉方式的灌溉量相同。全年總計灌水3 000 m3·hm-2，每一次的灌水量為750 m3·hm-2。肥料分別為：尿素（N≥46%）、氯化鉀：（K2O≥60%）、和磷酸二銨（P2O5≥46%），磷肥在苜蓿返青期時一次性開溝施入，開溝深度為10 cm，尿素和氯化鉀采用水肥一體化施入，具體試驗設計和灌水施肥方案見下表（表2）。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量測定 土壤含水量采用烘干法［11］。在三茬灌水前取樣測定土壤含水量。5月26日進行第一次灌水。在6月23日進行二次灌溉。在7月21日進行第三次灌水。將取回的土壤樣品置于105℃烘箱中烘干至恒重，測定不同深度土層的土壤含水量并求其平均值。

1.3.2 紫花苜蓿生產性能的測定 株高：每茬苜蓿初花期刈割時，在每個小區隨機選取20株，測定其垂直高度。

分枝數：每個小區選取長勢均一的6個l m樣段，測定苜蓿所產生枝條的數量。

產量及莖葉比：分別于5月26日、6月23日、7月21日在苜蓿初花期，在每個小區選取長勢一致的3個1 m×2 m樣方刈割，稱其鮮重，并每個小區取2個500 g左右的鮮草裝袋帶回實驗室，在烘箱中105℃殺青30 min后，于65℃烘干至恒重，稱其干重，計算干草產量（t·hm-2），最后將烘干后的草樣進行人工莖葉分離，分別稱重，并計算莖葉比。

1.3.3 紫花苜蓿營養指標的測定 將另一袋苜蓿干草樣粉碎，過0.25 mm篩，根據《飼料及飼料添加劑質量檢測方法與品質管理》對粗蛋白（Crude protein，CP）、中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber，ADF）進行測定［12］。并計算相對飼喂價值（Relative feeding value，RFV），相對飼喂價值計算如下：RFV=（88.9-0.779×ADF）×（120/NDF）/1.29［13］。

1.3.4 灌溉水分利用效率和肥料偏生產力

水分利用效率（IWUE） =全年干草產量/灌水量。

磷肥偏生產力（PFP） =全年干草產量/施磷量［14］。

1.4 數據處理與分析

利用Microsoft excel 2010軟件對數據進行初步統計，用DPS 7.05進行方差分析和顯著性檢驗，用SPSS 26.0進行主成分分析（PCA）和Origin 2022作圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式對紫花苜蓿土壤含水量的影響

如圖2所示，在相同的灌水量下，不同灌溉方式對不同深度土層的土壤含水量均有顯著影響（Plt;0.05）。3種地下滴灌處理的土壤含水量高于漫灌和噴灌處理。在0～20 cm土層中，漫灌和噴灌差異不顯著，D10處理的土壤含水量最高。在20～40 cm土層中，D20的土壤含水量最高，顯著高于漫灌處理。40～60 cm土層中，D30的土壤含水量最高，顯著高于噴灌處理，漫灌和噴灌之間無顯著性差異。同種灌溉條件下的土壤含水量隨著刈割次數的增加呈下降的趨勢。

2.2 不同灌溉方式與磷素對紫花苜蓿株高、分枝數、莖葉比和干草產量的影響

如表3所示，灌溉方式（I）對紫花苜蓿3茬平均株高、平均分枝數和累計干草產量均有極顯著影響（Plt;0.01），對莖葉比沒有影響；磷素處理（P）對株高和分枝數有極顯著影響（Plt;0.01），對總干草產量有顯著影響（Plt;0.05），對莖葉比沒有影響；水磷耦合（I×P）對其莖葉比有極顯著影響（Plt;0.01），對其它生產性能指標沒有影響。株高在D30P2處理下達到最大，達到86.84 cm，相較于平均株高最低的FP0處理提高了30.17%。平均分枝數在D20P2處理下達到最多，為96.56條，相較于分枝數最少的FP0處理提高了55.84%。D30P1的總干草產量最高，為18.34 t·hm-2，相較于最低的FP0處理提高了43.12%。3茬苜蓿平均莖葉比范圍在0.97～1.30，D20P1處理下的苜蓿莖葉比最大，其他處理之間無顯著差異。（圖3）

就全年總干草產量來看（圖4），3種地下滴灌處理的全年總干草產量要顯著高于漫灌和噴灌，總干草產量在D30達到最大，為17.44 t·hm-2，相較于F處理提高了29.32%。磷素處理的全年苜蓿干草產量在P2處達到最大，為16.38 t·hm-2，相較于P0處理提高了5.72%，4個磷肥梯度下全年干草產量的大小變化規律為：P2gt;P1gt;P3gt;P0。

2.3 不同灌溉方式與磷素對紫花苜蓿營養品質的影響

由表4所示，灌溉方式（I）對3茬紫花苜蓿的平均CP，ADF，NDF含量和RFV均有極顯著影響（Plt;0.01）；磷素施用（P）對紫花苜蓿CP含量和ADF有顯著影響（Plt;0.05），對NDF和RFV沒有顯著性影響；水磷耦合（I×P）對其營養指標均沒有顯著性影響。CP含量在D30P1處達到最大，為23.40%；相較于最低CP含量的SP1處理提高了24.03%。RFV在D30P2處達到最高，顯著高于最低的FP0處理16.41%（圖5）。

2.4 不同灌溉方式與磷素對水分利用效率和磷肥偏生產力的影響

由圖6可知，除不施磷P0處理外，同一灌溉方式處理下磷肥偏生產力隨著磷肥的增加依次減少，其中P1處理的磷肥偏生產力最大，P3處理的最小，兩者之間差異顯著；不同灌溉方式處理的磷肥偏生產力總體變化規律大小為：D30gt;D20gt;D10gt;Sgt;F。漫灌、地下滴灌10 cm、地下滴灌20 cm和地下滴灌30 cm處理的水分利用效率隨著磷肥的增加先升高后降低，在P2處達到最大；噴灌處理的水分利用效率整體差異性變化不顯著。不同灌溉方式下的水分利用效率總體變化大小為：D30gt;D20gt;D10gt;Sgt;F。水磷耦合條件下，D30P1處理的磷肥偏生產力達到最大，水分利用效率最高的處理為D30P2。

2.5 主成分分析

采用主成分分析對紫花苜蓿的生產性能、營養品質共8個指標進行分析（表5），根據特征值大于1的原則，提取2個主要成分，貢獻率分別為69.877%，14.275%;代表了總體信息的84.152%。第一主成分的特征值為5.590，此成分中載荷值較高的有株高、干草產量、分枝數、粗蛋白含量和相對飼喂價值，主要反映了苜蓿的營養品質和產量狀況。第二主成分的特征值為1.142，此成分中載荷值較高的為莖葉比（0.945），反應苜蓿的營養品質和適口性。利用主成分載荷矩陣中的數值除以開平方的特征值得到2個主成分中每個性狀所對應的系數即特征向量A1和A2。將特征向量和紫花苜蓿主要性狀的標準化數據帶入主成分的計算模型，得出苜蓿公因子Y1和Y2：

Y1=0.37X1+0.39X2+0.40X3+0.08X4+0.39X5 -0.32X6 -0.37X7+0.39X8；

Y2=0.04X1+0.21X2+0.11X3+0.88X4 -0.08X5+0.38X6+0.07X7 -0.08X8；

按照公式Y=（69.877Y1+14.275Y2）/84.152對2種公因子進行綜合評價，得出灌溉方式和磷肥處理對紫花苜蓿產量和營養品質的得分，得分最高的為D30P2處理（表6）。

3 討論

3.1 不同灌溉方式與磷素對紫花苜蓿生產性能的影響

灌水、施肥在紫花苜蓿的生育期起著至關重要的作用，適量的施肥灌水有利于提高牧草的生產性能，使得干草產量增加；而過量的水肥不僅不利于增加牧草產量，并且還會造成環境污染［15］。有研究表明［16-17］，刈割茬次、灌水量、施肥量均對紫花苜蓿株高、生長速度、密度、干草產量均有極顯著的影響，灌水可以顯著提高苜蓿的株高、二級分枝數、莖葉比和干草產量，施肥可以顯著降低一級分枝數和顯著增加二級分枝數、根系生物量。磷不足會對作物各種代謝過程起抑制作用，不僅影響植株生長緩慢，株體矮小，延遲成熟；還會使光合速率下降，嚴重影響光合產物的輸出，導致產量下降。但同時，干旱半干旱地區的石灰性土壤固磷能力很強，致使土壤中速效磷的含量下降。

地下滴灌相較于漫灌和噴灌來說是一種高效的節水灌溉技術，水分通過鋪設在地下的滴灌帶滲入作物根部的土壤，促進水分被根系吸收，改善根區的土壤，減少地表水分的無效蒸發，有利于保持土壤含水量［18］。而漫灌時，水滲進土壤的速度緩慢，造成蒸發量增大，同時削弱了土壤的通氣程度，極易造成根系的無氧呼吸。噴灌灌溉苜蓿時，會因水汽飄移蒸發和冠層截留造成大量水分損失［19-21］。在等量灌水條件下，地下滴灌土壤含水量高，保存土壤水分的能力較強，提高了苜蓿的水分利用效率；良好的灌溉方式，可為紫花苜蓿創造最適宜的水分環境，可以改變土壤物理性質和化學性質，促進團粒結構的形成，使土壤中水、肥、氣、熱等狀況達到協調平衡的狀態。綜合全年草產量發現地下滴灌苜蓿3茬產量遠高于其他灌溉方式，因此地下滴灌能夠顯著提高苜蓿產量［22］。

在本試驗中，不同灌溉方式和施磷量下，株高和分枝數存在顯著差異。3茬苜蓿株高和分枝數大小為：漫灌lt;噴灌lt;3種地下滴灌，表明地下滴灌比噴灌和漫灌更有利于植物的地上生物量的增加，使得地上產量達最大，這與夏玉慧等［23］研究結果相似。苜蓿分枝數和株高隨著磷肥的增加呈先增加后降低趨勢，在P2處理下達到最大值，這與孫艷梅等［24］研究結果相似，說明施磷過多反而抑制植物的生長，適量的磷肥有利于植物株高和分枝的增加。水肥耦合中，3茬苜蓿平均株高和分枝數均是D30P2處理最大。

3.2 不同灌溉方式與磷素對紫花苜蓿營養品質的影響

紫花苜蓿的CP，ADF，NDF和RFV是評價品質的重要指標［25］，灌溉方式和磷素的變化影響苜蓿品質好壞和產量的高低。關于施磷對苜蓿品質和產量的已有大量研究，有研究表明，適量施磷可在一定程度上提高紫花苜蓿的粗蛋白和粗脂肪含量，降低粗纖維含量，從而提高紫花苜蓿營養品質［26-27］，但過量施磷會增加紫花苜蓿對干旱脅迫的敏感程度，從而使蒸騰速率和光合速率下降，最后導致紫花苜蓿營養成分下降，因為苜蓿植株吸收磷素有一定的閾值［28-32］。本試驗中，ADF和NDF含量隨著磷肥的增加呈現先減少后增加的趨勢，CP和RFV含量隨著磷肥的增加先升高后降低，這與霍海麗等［33］在灌溉和施磷下對紫花苜蓿干草產量及營養成分的研究結果一致，這是由于適量施磷能促進植物對氮的吸收和轉化，提高豆科植物根瘤菌的固氮能力，從而改善植物的氮素營養狀況，進一步提高植株粗蛋白含量，降低中性洗滌纖維含量，使紫花苜蓿達到優質苜蓿的標準。陶雪等［34］研究發現，盡管地下滴灌處理的粗蛋白含量最低，但與漫灌、噴灌和對照處理相比，地下滴灌處理可顯著提高苜蓿干草產量，進而顯著提高了苜蓿的粗蛋白產量；在本試驗中漫灌和噴灌處理的CP顯著低于3種地下滴灌處理，ADF和NDF含量變化正好與CP的變化相反，這與蘇亞麗等［35］研究水肥耦合對敖漢苜蓿營養成分的結果一致。

除此之外，莖葉比也是衡量紫花苜蓿營養品質的一個重要指標，紫花苜蓿的蛋白含量主要來源于葉片，莖葉比越小說明紫花苜蓿營養越好。施磷對苜蓿的莖葉比無顯著影響，這與文霞［36］的研究結果一致。由于苜蓿從營養生長進入生殖生長過程中，葉片所積累的光合產物會不斷地向莖稈轉移，這樣，莖稈的干物質積累率要快于葉片，導致莖葉比會上升。綜上，地下滴灌和適量施用磷肥可以提高苜蓿的營養品質。

3.3 "不同灌溉方式與施磷對水分利用效率和磷肥偏生產力的影響

水分和磷肥是影響作物生長的兩大因素，水肥協同效應明顯提高作物的產量，適量施肥可提高水分的利用效率和磷肥利用效率［37-39］。增施磷肥可促進植物的生長發育和品質形成，提高和增大根系活躍吸收面積和根系活力，促進根系對水分的吸收［40-41］。由于磷肥在土壤中流動性差，灌水影響磷素在土壤中的移動和植物對磷素的吸收、利用和分配［42-43］。本研究結果表明，漫灌和噴灌的磷肥偏生產力和水分利用效率小于3種地下滴灌方式的，地下滴灌更有利于促進水肥耦合的協同作用，促進紫花苜蓿的增產增收和提高水分利用效率，這與樊毅等［44-45］研究結果一致。在不同灌溉方式下，水分利用效率隨著磷肥的增加呈現先增加后降低的趨勢，表明一定范圍內增加磷肥量能顯著提高水分利用效率，但過高的水肥供給會帶來明顯的負效應［46］；除P0處理，在同一灌溉方式下，磷肥偏生產力隨著磷肥的增加而減少，在P1處理下磷肥偏生產力最大，P3處理最小，這與李新樂等［47］研究水磷對苜蓿產量和水肥利用效率的試驗結果不同，這可能是試驗研究地土壤條件差異造成的結果。綜上所述，地下滴灌并配合磷肥更適合我國西北干旱地區苜蓿的優質高效栽培。

4 結論

地下滴灌處理下的紫花苜蓿生產性能、營養品質、土壤含水量、水分利用效率和磷肥偏生產力都明顯高于漫灌和噴灌；適當的施磷能提高苜蓿產量和營養品質，但過量施磷也會降低苜蓿產量和營養品質。通過主成分分析得知，當灌溉方式為地下30 cm滴灌，施磷量（P2O5）為120 kg·hm-2時，苜蓿全年干草產量高達最大，營養品質最好，且水分利用效率和磷肥偏生產力達到最優，說明地下滴灌30 cm和施磷量為120 kg·hm-2組合為最佳水磷供應方案，適合寧夏干旱半干旱地區推廣應用。

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（責任編輯 劉婷婷）

收稿日期：2023-10-13；修回日期：2023-12-19

基金項目：寧夏自然基金（2022AAC03058）；國家自然基金（32260349）資助

作者簡介：

葉雨濃（2000-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事牧草種質資源和遺傳育種研究，E-mail：YYN3225@outlook.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：fbzhe19@163.com