地下滴灌關鍵技術參數對砂土地區苜蓿根系與產量的影響

關鍵詞：地下滴灌；苜蓿；滴頭流量；滴灌帶埋深；作物根系

0引言

我國農業用水量占比大，灌溉水利用系數偏低，節水潛力巨大。滴灌灌溉技術不斷發展，其在缺水的西北牧區具有良好的推廣應用前景。地下滴灌是一種微灌技術，具有少量多次、節水增產之特點，可有效減少土壤蒸發和深層滲漏，提高灌溉水利用效率。地下滴灌關鍵技術參數，如滴灌帶類型、灌水定額、滴灌帶埋深、滴頭流量、滴灌帶壁厚、滴頭間距等，決定了地下滴灌的灌水效果，最終影響作物根系生長及產量。相關學者研究發現，與地面灌溉相比，地下滴灌有效提高大田農作物、蔬菜和水果的產量與用水效率、灌溉水生產率和水生產率，優化作物根冠比，提高根系活力，促進作物對土壤養分的吸收。李德智等研究發現，滴頭流量為2.50L／h時，玉米水分利用效率和產量均處于較低水平，隨著滴頭流量的增大，玉米水分利用效率和產量先減小后增大。李顯激等建議地下滴灌棉田一次性滴灌帶埋深以15cm左右為宜，同時，地表蒸發隨著滴灌帶埋深的加大逐漸減小、深層滲漏損失逐漸增大。馬鐵成研究發現潛埋式滴灌（埋深為5～8cm）灌水定額在一定范圍內顯著影響北疆紫花苜蓿產量，其葉面積指數隨著灌水定額的增大而增大，生長呈現先快后慢的倒L形趨勢。適宜的地下滴灌灌水量能顯著提高水分利用效率，反之減少作物產量。

紫花苜蓿是牧區最具飼用和經濟價值的多年生牧草之一，其生長和灌水受時間（多年）和空間（地上地下）的限制。在鄂爾多斯等砂性土壤質苜蓿種植地區，不適宜推廣地面灌溉技術，且地面滴灌與多年生牧草在種植、刈割和管理方面的適應性較差，特別是苜蓿根系的發育具有階段性和動態性（一年刈割多茬），而滴灌帶的性能參數（壁厚、少量多次）存在多樣性和復雜性。本文基于紫花苜蓿地下滴灌田間試驗，探究砂性土壤環境條件下地下滴灌對紫花苜蓿根系和產量的影響，提出鄂爾多斯紫花苜蓿種植地區適宜地下滴灌關鍵技術參數，以期為該地區紫花苜蓿地下滴灌的推廣及應用提供科學依據與技術支撐。

1材料與方法

1.1試驗區概況

試驗區位于水利部灌溉試驗重點站（鄂爾多斯市鄂托克前旗敖勒召其鎮），該地區屬于中溫帶半干旱大陸性氣候區，年平均氣溫7.9℃，年平均降水量261mm，年平均水面蒸發量2498mm，年平均風速2.6m／s，年平均日照時數2958h；年平均無霜期157d，最大凍土層深度1.54m。根據項目組長期定位試驗，當地的苜蓿主要品種為草原二號，觀測根系主要埋深集中在20～60cm；根系最大、最小密集層埋深20～30cm。同時采用水量平衡方程對地下滴灌條件下紫花苜蓿整個生育期的耗水量和耗水強度進行計算，得出全生育期內耗水量為400～500mm、耗水強度為2.65～3.13mm／d，第二茬耗水量最大。有效降雨量Pi根據式（1）計算：

對試驗區土壤基本物理性質進行測定和調查，結果見表1。采用德國造激光粒度儀（HELOS/BR-RO-DOS）測定各層土樣粒徑，依據USDA土壤質地劃分標準確定土壤類型為砂土。環刀法測定土壤容重，飽和含水率為22.04%，田間持水率為18.58%，凋萎系數為3.51%，地下水埋深為1.2～2.0m。

1.2試驗設計

田間試驗于2015-2016年開展，試驗用紫花苜蓿品種為草原2號，播種日期為2015年6月13日。播種前進行土地平整，種植行間距為15cm，期間同步進行中耕和除草等，在2016年進行取樣測定。各茬生育階段劃分為苗（返青）期、分枝期、現蕾期和初花期，第一茬4月12日至6月12日，第二茬6月13日至7月25日，第三茬7月26日至9月17日。

各茬生育期內灌水均采用地下滴灌方式，滴灌帶類型采用貼片式，壁厚為0.4mm，滴頭間距30cm，滴灌帶間距60cm，田間小區之間設置寬1m的隔離帶。試驗前已對滴灌帶的性能進行了室內測定，確保滴灌帶均勻度和流量的準確性。

結合鄂托克前旗試驗區的土壤類型和氣候條件以及適宜紫花苜蓿地下滴灌技術已有研究成果，據此確定了本研究的灌水時機和灌水量。灌水時機由苜蓿不同生育期實測土壤含水率確定，第一年（2015年）為保障苜蓿的生長，在苗期的土壤含水量為田間持水量的60%時開始灌溉，拔節期至開花期在土壤含水量為田間持水量的55%時開始灌溉；第二年（2016年）分別在第一茬返青期土壤含水量為田間持水量的55%、拔節期和分枝期為60%、開花期為65%，第二、第三茬返青期、拔節期和分枝期為60%、開花期為65%時開始灌溉。針對滴灌帶灌水技術參數中的滴灌帶埋深和滴頭流量分別開展了田間小區試驗。

滴灌帶埋深試驗（試驗一）中，設計了2個參數：灌水定額（Q）和滴灌帶埋深（D）。各處理水平設置具體為：滴灌帶埋深分別為10、20、30cm，灌水定額分別為15.0、22.5、30.0mm，共9個處理，3次重復，每個田間小區面積為20 mx5 m，每條滴灌帶控制2行苜蓿。滴灌帶埋深試驗各處理水平見表2。

滴灌帶滴頭流量試驗（試驗二）中，設計了3個參數：滴頭流量（L）、滴灌帶埋深（D）和灌水定額（Q）。各因素設置水平具體為：滴頭流量分別為1.38、2.00、3.00L/h，滴灌帶埋深分別為10、15cm，灌水定額分別為22.5、15.0mm，共12個處理，3次重復，每個田間小區面積為8mx20m，每條滴灌帶控制4行苜蓿，試驗處理水平見表3。

土壤墑情自動監測設備12套，分別對試驗二中的各處理深度為10、20、30、40、60cm土層土壤含水率進行連續監測，同時采用土鉆取土烘干法，從播種至收獲每10d測定1次土壤含水率對儀器進行校準。各處理灌水日期和灌水次數相同，水表記錄灌水量。

1.3測定指標與方法

1）苜蓿根莖分布指標：在開花期分別用鐵鍬挖取苜蓿根系，用純凈水沖洗干凈并吸干水分，采用Marquez-Ortiz法測定根莖直徑（游標卡尺測根莖膨大處長度）、根莖人土深度（從地表到根莖上端長度）、分枝數（從根莖直接長出的分枝數）。

2）苜蓿根系形態指標：采用Epson6.0根系特征掃描儀進行根系圖像處理，Johnson法確定根系形態特征，包括主根直徑（根莖1.0cm處直徑）、主根長度（根莖以下主根一直到根莖直徑≥0.1cm處的長度）、側根數（側根離主根0.5cm處的直徑≥0.1cm的根數量）、側根直徑、側根位置（距離根莖最近的一個側根位置）、根系生物量（根系干重）。

3）產量：在初花期（10%植株開花）刈割，每次刈割后進入下一輪生長周期，本試驗區的苜蓿每年刈割3茬。采用樣方法進行測定，在每個田間小區劃定的1m2樣方內隨機選取，稱地上部鮮重（5株），重復3次。

1.4數據處理

采用SPSS 22.0統計軟件進行單因素（One-WayANOVA）方差分析和多重比較，采用Excel 2019軟件對數據進行整理、分析和繪圖。

2結果分析

2.1地下滴灌關鍵技術參數對苜蓿根系特征的影響

由表4可知，試驗一中滴灌帶埋深對苜蓿根系特征中的根尖數、主根長、側根發生數、側根位置有顯著影響。埋深10cm的根尖數顯著大于埋深20、30cm的，說明苜蓿根系主要集中分布在10～30cm，埋深10cm的根系為了獲得生長所需水分，生長出了更多的根尖，其根尖數相對較多。而埋深20、30cm的主根長、側根發生數和側根位置顯著高于埋深10cm的，這是由于滴灌帶附近水分充足，因此根系生長旺盛。在試驗中發現，滴灌帶埋深對根系比表面積、側根直徑的影響并不顯著。本試驗結果與滴灌帶埋深對夏玉米根重密度影響的研究結果相一致；同時，試驗取根過程中還發現側根主要分布在10～30cm處。因此，滴灌帶埋深宜設置在20cm左右，這樣有利于水肥有效地運輸到根部，保證能被根系高效吸收。

由表4可知，試驗二中滴頭流量對苜蓿根系特征中的主根直徑、側根直徑、側根發生數有顯著影響，滴頭流量為2.0L/h的較滴頭流量為1.38L/h和3.0L/h的分別顯著高出24.13%和30.12%、16.67%和31.25%、10.00%和22.22%，說明滴頭流量為2.0L/h有利于苜蓿根系的生長和發育。不同滴頭流量的根系比表面積、分枝數和根系生物量也存在顯著差異，具體表現為滴頭流量為1.38、2.0L/h的較3.0L/h的分枝數分別多20%、33.33%，當滴頭流量為2.0L/h時，苜蓿根系的分枝數最多，根系比表面積最大，根系生物量最高，有利于苜蓿的地上部分發育。說明苜蓿地下滴灌關鍵技術參數中的滴灌帶滴頭流量控制在2.0L/h以下時有利于苜蓿的根系發育。

由表4可知，試驗二中灌水定額對苜蓿的根系比表面積、根尖數、側根發生數、側根位置影響顯著。灌水定額為15.0mm較22.5mm的根系根尖數顯著提高24.11%，22.5mm的側根位置比15.0mm的低50.12%，說明減少灌水定額有利于苜蓿根系向下發育。灌水定額為15.0mm的根系比表面積較22.5mm處理顯著提高23.29%，且側根發生數更多。說明隨著灌水定額的減少，苜蓿地上部分生長發育需水強烈，根系的比表面積和根尖都會進一步增加，從而提高吸收水分的機會、保證植株的正常生長。同時，適當降低灌水定額有利于苜蓿根系向下扎深，側根位置更加靠下，有利于苜蓿在當地多風氣候的砂地生長。但隨著灌水定額的減少，根系分枝數減少，紫花苜蓿的產量會有所降低。

2.2地下滴灌關鍵技術參數對苜蓿產量的影響

滴灌帶埋深對作物生態形狀和生理活動的影響最終反映在產量上，作物生長發育的不同時期進行不同滴灌帶埋深的滴灌，會直接影響作物的生育、生理指標，最終影響作物產量。由圖2可知，試驗一中相同的灌水定額下，滴灌帶埋深為20cm的苜蓿產量最大，埋深為10cm的產量最小，不同處理間無顯著差異。當灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為10cm的產量較灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為20cm的產量降低了2.4%，無顯著差異。說明，滴灌帶埋深對苜蓿的產量影響較小，且各處理不同苜蓿茬次產量間也無顯著差異。

在試驗二中，苜蓿生育期內共刈割三茬，這里選取第二茬苜蓿產量進行分析。由圖3（圖中Q1、Q2分別為灌水定額22.5、15.0mm，D1、D2分別為滴灌帶埋深10、15cm）可知，在灌水定額和埋深相同的情況下，不同滴頭流量對苜蓿產量有影響。對比不同滴頭流量的苜蓿產量發現，滴頭流量為2.00L/h的苜蓿產量最高、1.38L/h次之、3.00L/h產量最小。當灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為10cm時各處理無明顯差異，埋深為15.0mm時，滴頭流量為2.00L/h較3.00L/h的產量顯著提高了10%。當灌水定額為15.0mm、滴灌帶埋深為10cm時，滴頭流量為2.00L/h較3.00L/h的產量顯著提高了9.14%；當灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為15mm時，滴頭流量為2.00L/h較3.00L/h的產量顯著提高了20%。說明隨著灌水定額和滴頭流量減小，處理間產量差異更加顯著，當灌水定額較小時，滴頭流量越大，土壤灌水均勻性越差，導致苜蓿的根系不能充分利用土壤有效水，造成產量下降。同時，在砂土地下滴灌條件下，滴頭流量為2.00L/h時更有利于提高苜蓿的產量。

在試驗一中，水分虧缺對苜蓿根系狀態和生理活動的影響最終反映在產量上，作物生長發育的不同時期進行不同的水分處理，會直接影響作物的生育、生理指標，最終影響作物產量。由圖4可知，苜蓿的產量與生育期的灌水量有關，隨著灌水定額的增大而增大。滴灌帶埋深為20cm情況下不同灌水定額的第一、第二、第三茬總產量分別6970.5、9087.0、10762.5kg/hm2。隨著灌水定額的增加，產量分別增加30.4%和18.4%。第一茬苜蓿的各處理產量與第二茬無明顯差異。隨著灌水定額的增大，不同滴灌帶埋深的苜蓿總產量均存在顯著差異。

3討論

地下滴灌通過影響土壤濕潤體形態特征及其水分運動規律從而改善苜蓿根系特征與產量，特別是對砂土地區的實際應用具有重要意義。本研究區的夏季苜蓿田間蒸發強烈，水分向上運動增加，土壤含水率直接或間接影響了苜蓿根系的生長，最終表現在株高和產量等生育指標上，在研究結果中也發現當滴灌帶埋深為20cm時，苜蓿根系密集區也位于此，其不僅抑制了棵間土壤蒸發，而且提高了水分利用效率。這與本研究中，當滴灌帶埋深為10cm時有利于根系根尖生長、不利于側根的生長的結果相似，進一步體現出滴灌帶的埋深直接決定了砂性土壤濕潤鋒的位置，非飽和土壤水分垂直人滲較水平人滲快，濕潤鋒的形狀影響苜蓿根系形態和根系側根的分布，對苜蓿根系主根的影響并不顯著，這與張望望等、夏玉慧等的研究結果相似。還有一些研究也表明適宜的滴灌帶埋深能夠提高作物產量，如：劉曉菲等研究中發現，當滴灌帶埋深為20～30cm時，馬鈴薯可獲得最大單產：李蓓等研究發現，相比于滴灌帶埋深10cm，滴灌帶埋深為15、30cm可顯著提高春玉米籽粒和鮮穗產量，均與本研究的結果相似。

在本研究中，濕潤鋒水平和垂直方向上的運移距離均隨灌水定額和滴頭流量的增大而增大，特別是在砂性土壤中，灌水定額和滴頭流量過大，易造成深層滲漏，影響產量。相關的研究中，隨著滴頭流量的減小，灌水均勻性增強，苜蓿分枝數較多，更有利于作物地上部分的生長發育并提高產量，水分利用效率也較高。本研究結果中，當灌水定額為22.5mm、滴頭流量為2.00L/h時，更有利于苜蓿根系的生長發育，產量的增幅明顯，說明當減少灌水定額和滴頭流量時，根系向下發育顯著影響苜蓿的根系比表面積、根尖數、側根發生數、側根位置，這與汪堃等的研究結果相似。一些研究還發現，干草產量的貢獻二級分枝數>一級分枝數，促進了根系生長和生物量的增加，提高了苜蓿二級分支、葉面積指數和干草產量，也與本研究所得增加灌水定額能夠顯著提高苜蓿產量的結果相一致。

4結論

地下滴灌關鍵技術參數中的滴灌帶埋深為20cm、滴頭流量為2.00L/h、灌水定額為22.5mm時，更有利于砂土地區苜蓿根系的生長和產量的提高。灌水定額對根系特征中的比表面積、根尖數、側根發生數、側根位置有顯著影響。滴灌帶埋深對苜蓿側根的影響顯著；同時，在一定范圍內，隨著灌水定額的增大，苜蓿產量逐漸增加。滴灌帶埋深為20cm時，隨著灌水定額和滴頭流量的減小，苜蓿產量提高，而滴灌帶埋深對產量的影響不顯著。