紫花苜蓿虧缺灌溉栽培的綜合管理策略研究

摘要：本文綜述了虧缺灌溉在紫花苜蓿（Medicago sativa L.）栽培中的應用及效果，重點關注在水資源有限的條件下優化作物產量與水利用效率的方法。通過分析現有文獻，探討了精確灌溉調度和先進農業技術的結合應用，以及這些策略對土壤健康和生態系統的影響。綜合各類研究發現，虧缺灌溉在提高水分利用效率和維持紫花苜蓿高產方面具有顯著效果，同時強調了未來研究的方向，包括綜合管理策略的必要性，為農業水資源管理提供了新的視角和政策建議。

關鍵詞：虧缺灌溉；紫花苜蓿；水分利用效率

中圖分類號：S275.6""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1007-0435（2024）09-2677-09

Integrated Management Strategies of Deficit Irrigation Cultivation of Alfalfa

WU Xin1， ZHANG Rui1*， LI Miao-qi2， ZHANG Xiao-yan1， ZHANG Zhen-rong3， LU Xiao-bo4

（1.College of Water Resources and Hydropower Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China；

2. College of Mechanical and Electrical Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China；

3. Water Resources Utilization Center of Gansu Province， Lanzhou， Gansu Province 730300， China; 4.Gansu Water Resources

and Hydropower Survey and Design Research Institute Co.， Ltd. Lanzhou，Gansu Province 730000，China）

Abstract：This paper reviewed the application and effects of deficit irrigation on alfalfa cultivation，focusing on the methods of optimizing crop yield and water use efficiency under limited water resources. By analyzing existing literature，the combined application of precision irrigation scheduling and advanced agricultural technologies were discussed，as well as the impacts of these strategies on soil health and ecosystems. The study found that deficit irrigation had significant effects on improving water use efficiency and maintaining high yields of alfalfa. Meanwhile，the directions for future research was emphasized，including the necessity of integrated management strategies. This paper provided a new perspective and policy recommendations for agricultural water resources management.

Key words：Deficit irrigation;Alfalfa;Water use efficiency

收稿日期：2024-04-09；修回日期：2024-06-15

基金項目：甘肅省重點研發計劃：基于水聯網云專家的精準供水控制系統研制與示范（22YF7GA107）;甘肅省水利科學試驗研究及技術推廣計劃項目（22GSLK068、22GSLK069、24GSLK060）資助

作者簡介：

武欣（2000-），女，漢族，甘肅平川人，碩士研究生，E-mail：1308461247@qq.com;*通信作者Author for correspondence，E-mail：zhr_1029@163.com

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作為一種多年生豆科植物，以其高生物量產出和優良的營養價值而著稱，已成為全球農業中關鍵的飼料作物，具有極高的地位［1-2］。不僅如此，紫花苜蓿還因其固氮能力和改善土壤結構的特性，廣泛應用于畜牧業，尤其是在乳品和肉類生產方面［3］。紫花苜蓿在農業生產中具有顯著優勢，不僅提高土壤肥力，還通過改善土壤微生物群落，增強后續作物的產量［4］。此外，紫花苜蓿中豐富的粗蛋白和必需礦物質（如鈣、磷、鎂），使其成為降低飼料補充成本的經濟可行選擇［5］，這進一步凸顯其在可持續農業實踐中的重要地位。紫花苜蓿在不同氣候條件下的廣泛種植，顯著促進畜牧業的發展，尤其是在乳品和肉類生產方面。其高營養價值和高產量特性，使其成為畜牧業中不可或缺的飼料來源。

隨著氣候變化和水資源短缺問題日益加劇，紫花苜蓿的重要性不僅體現在其農業生產上的優勢，更擴展至水資源管理領域。在這種背景下，虧缺灌溉作為一種重要的節水策略，受到廣泛關注。虧缺灌溉是指有意減少灌溉水量，使其低于作物的最大需水量，從而實現節水的目的，同時盡量減少對作物產量和質量的不利影響。尤其是在干旱和半干旱地區，虧缺灌溉對紫花苜蓿的產量和飼料質量具有顯著影響［6］，例如，在中國中西部干旱地區，實施虧缺灌溉雖然略有降低干草產量，但飼草質量有所提高［7］。遺傳研究進一步識別與紫花苜蓿在水分虧缺條件下生物量產量相關的標記位點，這些發現揭示不同品種對干旱的生理反應差異，進一步強調抗旱育種的復雜性。不同品種的紫花苜蓿對干旱的生理反應差異顯著，這揭示了抗旱育種的復雜性［8］，在高鹽環境下，一些品種表現出良好的適應性，為在邊際品質水和鹽堿土壤上的種植提供可能［9］。進一步的遺傳研究也為育種抗旱品種提供寶貴的見解［10］。

不僅如此，適度的虧缺灌溉還可以促進土壤微生物活性和多樣性，改善土壤健康［7］，并減少土壤侵蝕，增強土壤結構的穩定性［11］，虧缺灌溉通過提高土壤有機質含量和水分保持能力，進一步支持土壤生態系統服務的可持續發展［12］。總的來說，紫花苜蓿在現代農業中具有重要地位，不僅因其高產量和高營養價值，還因其對畜牧業和水資源管理的顯著貢獻。采用創新的灌溉策略和抗旱育種技術，將進一步提升其在可持續農業中的應用潛力。

1" 紫花苜蓿生長階段需水量的影響因素與研究貢獻

1.1" 氣候因子

紫花苜蓿的灌溉管理對于最優生長和產量至關重要。作物的總蒸騰（Evapotranspiration，ET）是決定灌溉需求的關鍵因素，受到氣候、土壤類型和生長階段等多種因素的影響。研究表明，紫花苜蓿的蒸散率和水分消耗隨這些因素而顯著變化，強調了精確估算水分需求對于可持續灌溉管理的重要性［13］。特別是，紫花苜蓿的需水量在很大程度上受當地環境條件的影響。在半干旱的地中海氣候條件下進行的研究表明，灌溉深度對紫花苜蓿的植株生長、牧草產量和氮含量有顯著影響。例如，淺層灌溉導致牧草產量減少約10%，而深層灌溉則有助于保持較高的產量和氮含量［14］。

在高海拔半干旱地區的研究表明，季節性虧缺灌溉影響紫花苜蓿干物質產量和水分利用效率（Water use efficiency，WUE），表明需要區域特定的灌溉規劃［15］。在波斯尼亞和黑塞哥維那薩拉熱窩地區的研究揭示，紫花苜蓿對水分的需求較高，并有效利用生長季節降雨的前植被水分儲備，突顯考慮當地水文條件對灌溉規劃的重要性［16］。

此外，在中亞費爾干納谷地的研究表明，淺水位顯著影響紫花苜蓿的水分使用，表明在缺水地區利用地下水灌溉具有潛在好處［17］。

1.2" 土壤因子

紫花苜蓿的水分需求變化也擴展到不同的土壤條件。在鹽堿性土壤地區，不同灌溉制度對紫花苜蓿的產量、質量和水分需求有顯著影響。研究表明，適度的虧缺灌溉能夠顯著提高紫花苜蓿的水分利用效率，同時維持較高的干草產量。數據顯示，適度的虧缺灌溉可以提高水分利用效率約25%，干草產量僅減少約5%［18-19］。

此外，使用根區水質模型（Root Zone Water Quality Model，RZWQM2）等模型進行的模擬研究能夠準確預測紫花苜蓿的蒸散量，協助開發不同土壤和氣候條件下的灌溉管理決策支持工具［20］。

1.3" 生長階段

地表下滴灌研究表明，特定的生長階段，如分株和分枝階段，對紫花苜蓿的需水量至關重要。具體數據表明，在分株階段，紫花苜蓿的需水量增加約20%，而在分枝階段，需水量則增加約15%［21］。這些研究強調紫花苜蓿生長期間耗水量的顯著變化，需要進行精確的灌溉規劃［22］。

紫花苜蓿在不同生長階段對水分的需求差異顯著。利用渦流相關系統（Eddy covariance system，ECS）直接測量紫花苜蓿日蒸散量提供有關其水分需求和作物系數的寶貴見解，有助于更精確的灌溉管理［23］。

1.4" 綜合研究貢獻

在美國大平原和山間西部的田間研究顯示，紫花苜蓿生物量產量與蒸散之間存在線性關系，虧缺灌溉下相對蒸散量下降速度快于相對生物量產量，表明通過控制灌溉策略對節約水資源有較大潛力［24］。

新的研究進一步支持這些發現。例如，在中國新疆進行的一項研究表明，通過調節灌溉頻率和深度，可以顯著提高紫花苜蓿的產量和水分利用效率。研究顯示，適當的灌溉管理可以將水分利用效率提高30%，同時產量僅減少約8%［19-20］。此外，在美國科羅拉多州進行的研究表明，不同的灌溉制度對紫花苜蓿的生長和產量有顯著影響，研究顯示，深層灌溉導致干草產量增加約12%，而淺層灌溉則導致產量減少約7%［24］。

2" 水分管理策略

2.1" 虧缺灌溉策略

虧缺灌溉在水資源保護中扮演關鍵角色，通過將水分應用降至作物總蒸散需求以下，實現水資源的節約。通過控制水分脅迫來維持產量水平的同時減少水分消耗。諸如調節虧缺灌溉（Regulated deficit irrigation，RDI）［25］和部分根區干燥（Partial root-zone drying，PRD）［26］技術在實現這種平衡方面非常有效。RDI側重于在關鍵生長階段優化水分利用，以提高單位水分的產量，而PRD基于植物的生理反應，利用根區內交替的濕潤和干燥周期優化水分利用。

2.2" 先進的灌溉技術

如基于物聯網的強化學習的灌溉控制，運用現代傳感器技術，顯著提高通過平衡作物產量和水資源消耗而帶來的凈收益［27］。使用計算機視覺的智能灌溉，如非接觸式視覺系統，有效預測灌溉需求［28］。基于物聯網的智能灌溉系統，如LoRa，通過先進的數據收集和自動化提供精確的WUE［29］。

2.3" 精確灌溉和綜合管理

精確灌溉的特點是對各種灌溉因素的最優管理，對于適應不同灌溉條件和種植過程至關重要。這種方法涵蓋土壤質量、灌溉計劃、水資源分配和氣候適應方面的進步［30］。物聯網在農業中的整合提供精確高效利用水資源的技術，包括傳感器、無人機和云服務［31］。物聯網系統中的安全性至關重要，輕量級加密技術確保效率［32］。滴灌作為一種微灌溉方法，已顯著進步，提高水資源效率［33］，而灌溉中的新數字技術，如基于人工智能的自動化，顯示出未來應用的無限潛力［34］。

3" 養分管理和綜合農藝實踐

3.1" 養分管理策略

優化紫花苜蓿產量涉及水分管理和養分施用策略之間的精細平衡。虧缺灌溉結合養分管理，可以顯著提高紫花苜蓿的產量和水分利用效率。研究表明，中度虧缺灌溉，即減少25%的水分使用量，產量則減少約10%～15%，這種減少因區域和氣候條件而異。例如，在半干旱地區，虧缺灌溉可能導致產量減少20%，但通常可以通過提高30%的WUE來抵消［35-36］。例如，結合磷肥施用可以在虧缺灌溉條件下顯著提高干草產量和WUE［37］。此外，硼酸的葉面施用也顯示出提高紫花苜蓿種子產量的效果［38］。

3.2 "灌溉技術與精確養分管理結合

紫花苜蓿的種植，尤其是在半干旱和干旱地區，要求戰略性資源管理以優化產量。滴灌系統結合磷施用可以顯著提高干草產量和WUE［37］。在新墨西哥州的研究表明，適度的水分虧缺可以在實現節水的同時維持較高的產量［39］。此外，調整灌溉時間，尤其是在收獲前一周，有效地減少雜草的出現同時提高飼料質量［40］。

3.3" 綜合農藝實踐

在水資源短缺的背景下，優化紫花苜蓿產量需要將虧缺灌溉與精確的農藝實踐相結合。研究表明，磷的應用與灌溉管理相結合，可以在滴灌條件下提高紫花苜蓿干草產量和WUE［41］。此外，使用生物炭等土壤改良劑可以在虧缺灌溉條件下提高土壤健康和作物產量［42］。將先進灌溉技術與農藝實踐結合，可以在各種氣候和土壤條件下實現可持續和高效的紫花苜蓿種植。

3.4" 虧缺灌溉與農藝實踐相結合

RDI已被證明能有效管理水分使用，同時不會顯著影響產量。例如，在加利福尼亞州低沙漠的研究表明，適度的水分虧缺能夠在節約水資源的同時維持較高的紫花苜蓿產量［36］。在中國中西部干旱地區的研究發現，尤其是在單一生長階段應用RDI時，可以獲得更高的產量［43］。此外，研究還探索水分和鹽分脅迫對紫花苜蓿干物質和WUE的影響。例如，中國西北部的研究表明，紫花苜蓿干物質和WUE隨著水分虧缺和鹽度水平的增加而下降，強調在不同環境條件下制定灌溉策略的必要性［44］。對于地下滴灌下部分根區干燥的引入，研究結果表明，PRD可以提高紫花苜蓿的干草產量和水分生產力［45］，這種效果對兩年生作物尤為明顯。

3.5" 融合先進技術與農藝實踐的未來方向

結合先進技術和農藝實踐不僅限于當前的應用，還涉及未來的發展方向。將虧缺灌溉與農藝實踐結合的范圍不僅限于水分和養分管理。例如，利用基因組學研究來提高紫花苜蓿的WUE和產量，可能會帶來新的突破。圖1說明通過不同灌溉制度和養分應用對紫花苜蓿基因表達的影響，這可能有助于可以更好地理解這些因素如何在分子水平上對影響作物生長和應對壓力的作用。

實施這些多樣化的灌溉策略需要了解特定農業環境、資源可用性以及每種農耕場景的技術能力。例如，地下滴灌和覆蓋物等技術有效減少灌溉農業中的消耗性水足跡［46-48］。基于物聯網（IoT）的傳感器和執行器能夠實現農業灌溉中的經濟高效的模型預測控制［49］。此外，作物輪作搭配的選擇，如表1所述，對保持土壤健康和水分保持具有關鍵作用，影響灌溉技術的成功。

4" 灌溉管理的技術進步

灌溉技術的進步，特別是精準農業工具的應用，顯著改變了紫花苜蓿種植中水資源的管理方式。土壤濕度傳感器和自動灌溉系統等創新工具能夠實時監測土壤水分含量，實現精確高效的灌溉［59］。可變率灌溉（Variable rate irrigation，VRI）系統和滴灌技術，通過直接向植物根區輸送水分，減少浪費［60-62］。采用VRI系統可使水分使用量減少高達30%，同時產量維持率可達90%［63］。

田間試驗證實了這些技術的優勢。在美國西部干旱地區，土壤濕度傳感器與自動滴灌系統的結合提高25%的水分利用效率，并減少水的使用量［64］。在半干旱地區，自動中心樞軸系統節水約20%，同時保持與充分灌溉相當的產量［35］。回歸分析顯示，精準農業工具的使用與水分效率和產量的提高之間存在強烈的正相關性［65］。盡管初始投資較高，但長期的節水成本和潛在的產量增加可以抵消這些費用。通過補貼或共享資源模型，小型農場也能負擔這些技術，從而改善其經濟可行性。

將先進灌溉技術整合到紫花苜蓿農業實踐中，提供一種可持續且經濟上有益的農業途徑。適用于各種農場規模和條件，鞏固其在現代農業中的重要地位。

5" 紫花苜蓿種植中虧缺灌溉的生態權衡

虧缺灌溉是一種旨在節約水資源的農業策略，特別是在紫花苜蓿等作物種植中，由于其對環境和生態系統潛在的影響而受到關注。盡管在節水方面提供顯著的好處，但長期對土壤健康、作物產量和生態系統服務的影響不容忽視。近期研究深入探討這些影響的各個方面，揭示水資源節約與環境可持續性之間的復雜相互作用。

5.1" 土壤健康

Abdelrasheed發現虧缺灌溉可能對土壤健康產生不利影響，盡管使用基于生物炭的土壤改良劑可以緩解這些負面效果［62］。虧缺灌溉導致土壤微生物活動減少，土壤有機質含量下降，從而影響土壤結構和肥力。這些變化可能對長期土壤健康產生不利影響，降低土壤的可持續生產力。

5.2" 作物反應（產量和質量）

5.2.1" 產量" 雖然虧缺灌溉可以有效減少水分使用量，但往往會在作物產量方面產生負面影響。Ding等［66-67］觀察到虧缺灌溉可以減輕小麥產量的減少，但只在某個閾值內有效，超過這個閾值，尤其是在氣候變化導致溫度上升的壓力下，負面影響變得更為明顯。Liu等［47］的研究表明，雖然虧缺灌溉可以維持高的飼草產量，但其效果根據灌溉階段的不同而有顯著差異。

5.2.2" 質量" 在紫花苜蓿這種關鍵飼料作物中，虧缺灌溉的應用需要謹慎管理以保持飼料質量。例如，研究顯示，在某些情況下，虧缺灌溉可能會導致紫花苜蓿中某些營養成分的減少，如蛋白質含量下降和纖維含量增加，從而影響飼料質量［42］。此外，虧缺灌溉可能導致紫花苜蓿中的礦物質如鈣和磷的含量變化，這些礦物質對于牲畜的營養非常重要［43］。

新的研究也表明，不同灌溉管理對紫花苜蓿的營養成分有顯著影響。例如，Liu等［47］研究發現，虧缺灌溉可以改善紫花苜蓿的營養質量，但需要在不同生長階段進行調節以獲得最佳效果。此外，Shock等人［45］的研究指出，適度的虧缺灌溉可以在保持種子產量的同時提高種子的活力。Lin等［20］通過基因組關聯研究發現，水分脅迫下紫花苜蓿的營養質量和抗旱性相關基因有顯著變化。

5.3" 綜合生態影響

虧缺灌溉的生態影響超出對作物產量和質量的影響。Hommadi等［68］展示諸如秋葵之類的作物在虧缺灌溉下會表現出壓力，但創新的水管理實踐，如地下水分保持技術，可以減輕這些負面影響。此外，Dehkordi等［69］強調考慮作物對水分脅迫的特定反應的重要性，他們指出虧缺灌溉可能分別對生長特性和輻射利用效率產生負面影響。Adiba等［70］進一步說明這些發現，他們的研究表明虧缺灌溉可能顯著降低石榴的產量和果實質量，并影響杏樹土壤微生物群落。

這些研究得出的集體見解強調，雖然虧缺灌溉是缺水環境中的寶貴工具，但實際應用要管理得當。將先進的灌溉技術與對土壤健康和作物反應的持續監測相結合，對于確保節水工作不會無意中損害其旨在保護的生態系統至關重要。因此，作為綜合管理方法的一部分，虧缺灌溉有望成為一種可持續的農業實踐，但前提是必須認真考慮并解決其對生態的廣泛影響。

6" 研究空白和未來方向

6.1" 土壤健康和生態系統影響

在虧缺灌溉條件下的紫花苜蓿種植領域，越來越多的人主張采用綜合的多學科方法，重點關注對土壤健康和生態系統的長期影響。灌溉方法與土壤微生物組多樣性以及植物健康之間錯綜復雜的關系對于可持續農業方法至關重要［71］。未來的研究應關注以下方面：

研究空白：灌溉方法對土壤微生物多樣性和生態系統功能的長期影響。

填補方法：通過長期田間實驗和現代分子生物學技術（如高通量測序）研究灌溉方法對土壤微生物組的影響。

解決方案：制定優化的灌溉策略，促進土壤微生物多樣性和生態系統服務功能。

6.2" 鹽漬土壤水分脅迫

調整灌溉方法以提高土壤質量和減輕鹽漬土壤水分脅迫的重要性也得到強調［72］。未來的研究方向包括：

研究空白：不同灌溉策略在鹽漬土壤條件下的效果和最佳實踐。

填補方法：開展比較研究，測試不同的灌溉方法（如滴灌、噴灌）對鹽漬土壤中紫花苜蓿生長的影響。

解決方案：開發適應性灌溉技術，結合土壤改良劑，減輕鹽漬土壤對作物的影響。

6.3" 水分供應與害蟲動態

水分供應減少與害蟲動態之間的相互作用是一個關鍵的研究領域。高效管理農業資源的復雜性要求研究重點放在節水型害蟲控制策略上［73］。未來的研究應包括：

研究空白：水分供應減少對害蟲群落結構和動態的影響。

填補方法：通過田間實驗和模擬研究，分析不同灌溉水平對害蟲種群的影響。

解決方案：開發綜合害蟲管理策略，結合節水灌溉技術，減少害蟲對作物的影響。

6.4" 基因改良與精準農業

在基因進步領域，尤其是在提高紫花苜蓿耐旱性方面，已經取得長足進步。對CRISPR和其他基因改造的研究有望徹底改變干旱環境中的紫花苜蓿種植［74］。未來的研究方向包括：

研究空白：基因改良技術在提高紫花苜蓿耐旱性方面的應用。

填補方法：利用CRISPR等基因編輯技術，培育耐旱性更強的紫花苜蓿品種。研究表明，NAC基因在調控紫花苜蓿應對干旱脅迫方面起重要作用，例如，MsNAC036和MsNAC053等基因在干旱脅迫下上調表達，顯著提高植株的耐旱性［75］。

解決方案：結合精準農業技術，優化WUE和作物健康管理，制定新的種植標準。通過全基因組關聯分析（GWAS）技術，識別出與紫花苜蓿種子產量和大小相關的重要基因標記，為分子育種提供新的方向［76］。

這些研究進展和未來方向為提高紫花苜蓿的耐旱性和種子產量提供堅實的基礎，將進一步促進紫花苜蓿在干旱地區的種植和生產。

6.5" 氣候建模與混播草地水氮調控

氣候建模對于在不斷變化的氣候條件下制定有彈性的紫花苜蓿灌溉策略至關重要。對混播草地水氮調控的研究突出表明，需要對資源協同作用有細致入微的了解，以提高紫花苜蓿的生產力［43］。研究方向包括：

研究空白：氣候變化對紫花苜蓿灌溉需求的影響。

填補方法：利用氣候模型預測未來氣候變化對紫花苜蓿生長的影響，并調整灌溉策略。

解決方案：開展混播草地試驗，優化水氮調控，提高作物生產力。

6.6" 經濟影響與輪作

先進灌溉技術的經濟影響為農民了解其可行性和效益提供寶貴的視角［44］。輪作在改善土壤健康和保水方面的作用至關重要［72］。未來的研究應包括：

研究空白：先進灌溉技術的經濟效益評估和輪作對土壤健康的影響。

填補方法：通過經濟分析和田間試驗，評估不同灌溉技術的成本效益和輪作制度的土壤改良效果。

解決方案：推廣高效灌溉技術，制定合理的輪作計劃，改善土壤健康和資源利用效率。

這些研究主題共同強調綜合戰略的必要性，該戰略應考慮生態影響、土壤健康、水質、技術進步和基因改良。這種綜合方法對于在全球缺水的情況下制定可持續的紫花苜蓿種植戰略至關重要。

7" 結論

本文強調虧缺灌溉策略對提高紫花苜蓿產量和水分生產率的重要意義，尤其是在缺水地區。綜述了在這種條件下影響紫花苜蓿產量的各種復雜因素。文章強調節水與作物產量優化之間的平衡，以及精確灌溉調度和整合先進農業技術的必要性。研究還探討這些灌溉方法對土壤健康和生態系統服務的生態影響。

確定研究空白和未來研究領域，包括虧缺灌溉對紫花苜蓿產量和環境影響的長期影響，以及提高紫花苜蓿抗旱能力的先進遺傳和技術解決方案。本綜述有助于了解農業的可持續灌溉實踐，倡導將科學見解與實際應用相結合的方法。它能為農業部門的政策制定者和利益相關者提供寶貴的視角，促進兼顧生產力和環境管理的可持續實踐。

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（責任編輯" 劉婷婷）