灌溉和施氮对种植第2年紫花苜蓿产量、水分利用效率及土壤全氮含量的影响

尹 辉，王 琦，2，师尚礼，张恩和，王田涛，刘青林，刘朝巍，俞华林

（1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室和青藏高原冰冻圈观测试验研究站，甘肃 兰州 730000；3.甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州 730070）

紫花苜蓿是我国栽培历史悠久、分布面积广的多年生豆科牧草［1，2］。具有生态适应性广、草产量高、营养品质好等优良特性，是我国北方粮草轮作首选草种［3］。近年来，随着我国农业产业结构调整，紫花苜蓿种植逐渐被广大农民所重视，被认为是提高农业综合效益的重要手段［4］。甘肃省河西绿洲灌区是依赖高山冰雪融水灌溉的农业区，多年平均降水量160mm，降水 主要集中于7～9月，年蒸发量＞2000mm［5］，只有进行适当灌溉才可以进行牧草生产［6，7］，水资源缺乏成为限制紫花苜蓿生产的重要因素。因此，合理有效地利用灌溉水，提高降水利用效率是该地区进行紫花苜蓿建植和提高草产量的关键［8］。

苜蓿幼苗期或刈割后，根瘤菌活性比较弱，从土壤中吸收矿质氮难以满足其需求，因此，在苜蓿苗期或刈割后施入氮肥，可以促进幼苗生长，提高苜蓿干物质积累和营养成分［9］。但有些学者认为大量施氮会抑制根瘤发展，降低根毛侵染和已接种根的固氮活性［10］，国内外对紫花苜蓿种植施氮观点不统一。Raun和Johnson［11］的研究表明，与施氮11和22kg/hm2相比，施氮44kg/hm2将导致紫花苜蓿的产量降低、氮肥利用率也降低。

灌溉是影响紫花苜蓿生产力的关键因素［12］。孙洪仁等［13］研究表明，紫花苜蓿干物质产量随着灌水量增加而增加。陈林等［7］研究表明，当灌溉量＞175mm或＜100mm，灌溉对苜蓿干物质产量产生负效应。关于紫花苜蓿水分利用效率 （WUE）与灌溉量的关系，Guitjens等［14］认为紫花苜蓿WUE与灌溉量呈线性负相关，而Carter等［15］研究结果表明紫花苜蓿 WUE与灌溉量呈抛物线关系。探索种植紫花苜蓿的适宜灌溉量对节约水资源和提高紫花苜蓿生产力有一定的现实意义。

土壤全氮反映土壤氮素总量和源库水平［16］。刘志鹏等［17］研究表明，土壤全氮含量水平较低，表层0～20cm土壤中全氮含量相对最高。土壤全氮含量的垂直分布无较大波动，未出现明显的相对高值层和低值层。刘春红等［18］研究表明，农肥、化肥、秸秆的投入都能增加土壤全氮含量，其贡献率依次为农肥＞秸秆＞化肥。

近年来，多数研究集中于灌溉模式［19，20］、灌溉量、灌水次数和灌水时期［7，13，21］对紫花苜蓿草产量和WUE的影响，而研究灌溉和施氮互作对紫花苜蓿草产量、WUE以及土壤全氮影响的研究相对较少。研究不同灌溉和施氮对种植第2年紫花苜蓿草产量、WUE以及土壤全氮的影响，寻找种植第2年紫花苜蓿产量和WUE较高以及有利于培养肥力的最佳灌溉量和施氮量，旨在为合理利用有限水资源、提高氮肥利用率和减少氮素对地下水污染等方面提供理论依据。

1 研究地区概况与研究方法

1.1 试验地概况

试验于2010年4～10月在甘肃省武威市凉州区甘肃农业大学武威试验站进行，地理位置N 36°29′，E 101°49′。该区依靠石羊河水和地下水灌溉，常年平均地下水位65m以下，地下水补给量忽略不计。该地区属冷温带干旱区，是典型的大陆性气候，日照充足，热量丰富，气候干燥。平均海拔1 776m，降水年际和季节变化较大，多年平均降水量160mm，主要集中在7～9月，冬春季干旱，年潜在蒸发量2 400mm，年均气温7.12℃，1月最低气温为－27℃，7月最高气温为34℃，≥10℃年积温2 985℃。全年无霜期156d，太阳辐射总量6 000MJ/m2，年日照时数3 051h。土壤以绿洲灌淤土为主，粉沙壤质，土层深厚。

1.2 试验设计

试验采用完全随机裂区设计，灌溉为主处理，灌溉量的3个水平为当地紫花苜蓿常规灌溉量330mm、节水20%灌溉量264mm和节水40%灌溉量198mm，施氮量为副处理，4个施N水平分别为N0、N40、N80、N120（折合纯氮0、40、80、120kg/hm2），灌溉水平中常规灌溉作为对照，施氮水平中N0作为对照，共有12个处理（3个灌溉水平×4个施氮水平），重复3次，小区面积为4m×9m＝36m2。为了消除小区之间的侧向水分与N素移动，主区之间设置1.25m人行道，副区之间设置1m走道。灌溉水源为附近井水，采用压管将井水灌入田间，用水表进行计量，灌水量及灌水时间见表1。2009年播种前，首先沿每一小区的对角线等距离取3钻土壤样品，采样深度40cm，按20cm分层，相同层次的土壤混合为1个样，分析土壤有机质、养分含量与pH值的变异系数，经统计分析符合农化试验的要求。土壤理化性质见表2［5］。

表1 紫花苜蓿生育期灌水量及灌溉时间Table 1 The rate and date of irrigation during alfalfa growing seasons mm

表2 试验区土壤理化学特性Table 2 Physical and chemical properties of soil profiles in the experimental plots

1.3 种植管理

供试材料为甘肃农业大学草业学院培育的甘农1号紫花苜蓿（Medicago varia cv.Gannong No.2）。2009年3月24日播种，播种量为18kg/hm2，行距15 cm，种子与基肥条播施入，称取每行播种量，按行播种，施入土壤的深度为1～2cm。根据当地农民施基肥经验，N0处理不施加氮肥，P肥和K肥与其他处理相同，各处理纯P（过磷酸钙，含P2O5为46%）和纯K（硫酸钾，含K2O为50%）用量分别为41和39kg/hm2。采用普通尿素（含氮46.4%）为氮源，氮肥全部用于追肥，追肥时间为紫花苜蓿分枝期（2010年5月8日）。分别于2010年5月8日、6月1日、6月20日和7月15日利用手工除草4次。2010年紫花苜蓿生育期降水量为118mm，降水量见图1。

图1 2010年紫花苜蓿生长期降水量动态Fig.1 The rainfall during the Medicago sativa growing seasons in 2010

1.4 样品采集及测定

紫花苜蓿初花期刈割，分别为2010年6月15日、8月6日和10月4日，选取小区中间行留茬5cm刈割，刈割面积为4m2，测定紫花苜蓿干草产量。在返青期 （2010－04－18）、第1茬收获期 （2010－06－16）、第2茬收获期（2010－08－07）和第3茬收获期（2010－10－04），按20cm分层，3次重复，采用烘干法测定0～20cm土壤含水量，并按照20cm分层测取鲜土样，过筛（2mm），在实验室用半微量凯氏法测定土壤全氮。土壤贮水量、耗水量和WUE采用以下公式计算：

式中，WU为紫花苜蓿生育期耗水量；P为生育期降水量；I为生育期内灌溉量；ΔW为土壤供水量，即播前（前1茬）与收获（后1茬）2时段0～120cm土壤贮水量的差值。

1.5 数据分析

利用完全随机模型分析灌溉与施氮对紫花苜蓿干草产量、水分利用效率以及土壤全氮含量的影响，将3次重复收集的参数采用SPSS16.0等软件进行方差分析和显著性检验；方差分析多重比较用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 灌溉和施氮对干草产量的影响

在第1、2茬，施氮40kg/hm2的干草产量显著高于施氮0、80和120kg/hm2；在第3茬，各施氮处理之间相差不显著（表3）。种植第2年紫花苜蓿进入旺盛生长期，根系发达，固氮酶活性较强，能通过根瘤菌进行自身固氮，对氮肥要求较低。在紫花苜蓿返青期，地温较低，幼苗植株较小，根瘤菌固氮酶活性受到抑制，需要一定的氮肥来满足紫花苜蓿生长发育需求，这导致施氮40kg/hm2第1茬和第2茬的干草产量显著高于施氮0、80和120kg/hm2。随着紫花苜蓿的生长，过量施氮（施氮80和120kg/hm2）抑制根瘤菌活性，不利于紫花苜蓿光合产物积累和产量形成。施氮40kg/hm2满足紫花苜蓿特定时期 （返青期和刈割期）的生长需求，有利于紫花苜蓿光合产物积累和产量形成。第3茬紫花苜蓿生育期较短、降水量较大和较低低温限制肥效的发挥，使第3茬各施氮处理间的产量差异不显著。全生育期的平均灌溉水平，施氮0、40、80和120 kg/hm2紫花苜蓿的干草产量分别为13 979、15 905、14 866、14 389kg/hm2，施氮40kg/hm2的总干草产量显著高于施氮80、120kg/hm2和不施氮处理，施氮40 kg/hm2的总干草产量比施氮0、80和120kg/hm2分别提高13.7%、6.8%和10.5%（表3）。当施氮量达到40kg/hm2时，第2年紫花苜蓿总干草产量达到最大值，小于或大于40kg/hm2施氮量抑制紫花苜蓿根瘤菌活性和光合作用，从而不利于紫花苜蓿。

紫花苜蓿第1茬刈割，常规灌溉的干草产量显著高于节水20%灌溉，节水20%灌溉的紫花苜蓿的干草产量显著高于节水40%灌溉；第2茬刈割，常规灌溉的紫花苜蓿的干草产量显著高于节水40%灌溉，节水20%与节水40%灌溉间相差不显著；紫花苜蓿第3茬刈割，不同灌溉间的干草产量差异不显著。全生育期比较，节水40%、20%和常规灌溉的全生育期（3茬）干草产量分别为14 017、14 763和15 575kg/hm2，常规灌溉的紫花苜蓿的干草产量显著高于节水20%灌溉，节水20%灌溉的紫花苜蓿的干草产量显著高于节水40%灌溉，常规灌溉的总干草产量比节水20%和节水40%灌溉分别提高了5.5%和11.1% （表3）。

2.4 灌溉和施氮对WUE的影响

就全生育期平均灌溉水平而言，施氮40kg/hm2的 WUE显著高于施氮80kg/hm2，施氮80kg/hm2的WUE显著高于不施氮处理，施氮120kg/hm2与不施氮处理差异不显著。施氮40kg/hm2的WUE比施氮0、80和120kg/hm2分别提高11.6%、6.8%和9.7%（表3）。当施氮量达到40kg/hm2时，第2年紫花苜蓿WUE达到最大值，为28.62kg/（mm·hm2），高于或低于40kg/hm2施氮量不利于产量形成。

就全生育期平均施氮水平而言，节水40%灌溉、节水20%灌溉和常规灌溉的全生育期平均WUE分别为26.89、27.49和25.96kg/（mm·hm2）。节水20%灌溉的WUE显著高于常规灌溉，节水20%灌溉的WUE与节水40%灌溉差异不显著。

表3 灌溉和施氮组合处理下紫花苜蓿干草产量和WUETable 3 Hay yield and water use efficiency of Medicago sativa as affected by irrigation and nitrogen supply levels

2.4 灌溉和施氮对土壤全氮的影响

在第3茬紫花苜蓿收获期，0～120cm土层土壤全氮含量变化为：各处理全氮主要富集于表层土壤（0～60cm），土壤全氮含量随土层深度的增加而减少。在节水40%灌溉水平下，施氮对各土层中全氮含量影响没有规律。在节水20%灌溉水平下，0～120cm土层，施氮 40kg/hm2总 体 显 著 高 于 施 氮 40、80、120 kg/hm2；不施氮全氮含量高于施氮80和120kg/hm2，但差异不明显。在常规灌溉条件下，0～100cm土层，施氮40kg/hm2全氮含量显著高于其他施氮。在100～120cm土层中，各施氮处理间差异不显著。在节水20%灌溉和常规灌溉下，施氮40kg/hm2能显著提高土壤中全氮含量；而施氮80和120kg/hm2处理反而降低土壤中全氮含量。

表4 灌溉和施氮组合处理下紫花苜蓿第3茬收割期0～120cm土层土壤全氮含量Table 4 The third harvest of 0～120cm soil total nitrogen of Medicago sativa as affected by irrigation and nitrogen supply levels

在相同施氮水平下，不同灌溉对各土层中全氮含量影响没有出现规律性变化，节水40%灌溉降低土壤中全氮含量；在同一灌溉水平下，施氮40kg/hm处理全氮含量总体显著高于不施氮和施氮80、120kg/hm2，其他各处理间差异不显著。说明适量施氮（40 kg/hm2）有利于提高0～120cm土层中土壤全氮含量，利于紫花苜蓿地维持长久肥效性；施氮80、120kg/hm2处理对提高紫花苜蓿0～120cm土层中土壤全氮含量影响不大，甚至还降低。

3 讨论

孙洪仁等［13］研究结果表明，随着灌溉量由0增至400mm，紫花苜蓿干草产量由3 304.7kg/hm2增至7 423.3kg/hm2，不同灌溉的苜蓿干草产量差异显著，不同灌溉量之间水分利用效率差异不显著。试验结果表明，紫花苜蓿干草产量随灌溉量增加而显著增加，WUE随灌溉量增加而先增加后降低。节水20%灌溉的WUE显著高于常规灌溉，节水40%灌溉的 WUE与节水20%灌溉的 WUE差异不显著。刘爱红等［22］研究表明，灌溉362mm和灌溉527mm处理的水分利用效率显著高于灌溉237mm。紫花苜蓿产量和水分利用效率对灌溉量的变化具有不同步性，水分利用效率随灌溉量增加而减少，干草产量随灌溉量增加而增加。

研究者Raun等［11］认为，对紫花苜蓿施氮肥不经济。Carter等［15］认为，只有那些没有有效接种的植株，其干草产量随施氮量增加而增加。Jenkins等［9］认为，在土壤氮素含量较低时，或苜蓿返青期以及刈割期根瘤菌固氮作用比较弱时，需要施入一定量的氮来满足紫花苜蓿需求。试验结果表明。从紫花苜蓿全生育期来看，当施氮量达40kg/hm2时，紫花苜蓿全年干草产量（15 905kg/hm2）和 WUE［28.62kg/（mm·hm2）］均达到最大值，施氮40kg/hm2的总干草产量比施氮0、80和120kg/hm2分别提高13.7%、6.8%和10.5%，施氮40kg/hm2的 WUE比施氮0、80和120kg/hm2分别提高11.6%、6.8%和9.7%。Raun等［11］研究表明，每茬刈割后立即施入0、11、22、44kg/hm2氮肥的试验中，施氮11、22kg/hm2紫花苜蓿总干物质产量高于不施氮和施氮44kg/hm2。施氮44kg/hm2导致紫花苜蓿减产；而11、22kg/hm2处理获得较高产量和最高氮肥利用效率，这与本文观点保持一致。本研究结果中，施氮40kg/hm2能满足紫花苜蓿特定时期生长需求，有利于紫花苜蓿光合产物积累和产量形成。而不施氮或过量施氮（施氮80和120kg/hm2）影响紫花苜蓿光合产物积累和产量形成。

土壤全氮含量是土壤肥力的主要指标之一，土壤全氮含量随着土壤有机质含量的增加而增加［23，24］。李小涵［25］研究结果表明，同一施肥水平的不同土层，随土层深度增加，土壤全氮含量呈下降趋势；在0～20cm土层，当施氮量增加到一定程度时，土壤全氮并不因施氮量的增加而增加。而在20～40cm土层，土壤全氮含量与施氮量高低已无关系。本研究结果表明，灌溉对0～120cm土层中全氮含量影响没有出现规律性变化；适量施氮40kg/hm2提高0～120cm土层中全氮含量，而施氮80、120kg/hm2对提高紫花苜蓿0～120cm土层中土氮含量影响不大。

4 结论

紫花苜蓿干草产量随灌溉量增加而增加，WUE随灌溉量增加而先增加后减少。当施氮量为40kg/hm2时，紫花苜蓿全年干草产量达15 905kg/hm2、WUE达28.62kg/（mm·hm2）以及0～120cm土层中土壤全氮含量均达到最大值。结合两年的试验，在河西绿洲石羊河灌区，节水20%灌溉和施氮40kg/hm2为该地第2年紫花苜蓿最佳生产模式。此外，紫花苜蓿是多年生草本植物，需要长期对其生长特性、草产量、水分利用效率做进一步研究。

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