灌溉次数和施肥量对甘肃引黄灌区紫花苜蓿种子产量的影响

陈冬冬，王彦荣，韩云华

(草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)



灌溉次数和施肥量对甘肃引黄灌区紫花苜蓿种子产量的影响

陈冬冬，王彦荣*，韩云华

(草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

摘要：甘肃引黄灌区根据农作物对水分的需求，通常在每年固定时期给水灌溉。本试验研究了甘肃引黄灌区不同灌溉次数(2，3，4次)和磷酸二铵施用量(0，180，360，540 kg/hm2)对紫花苜蓿种子产量及产量构成因素的影响，旨在寻找该地区紫花苜蓿种子生产的合理灌溉次数和最佳施肥量。通过两年的研究发现，灌溉次数对紫花苜蓿种子产量具有极显著影响(P<0.01)，灌溉次数增加反而降低种子产量，2次灌溉对紫花苜蓿种子生产较为适宜，两年的平均值分别为686和891 kg/hm2；种子产量随着施肥量的增加，呈现先升高后降低趋势,在施用360 kg/hm2肥量条件产量最高，两年的平均值分别为631和786 kg/hm2；灌溉次数和施肥量二者交互作用显著，在2次和3次灌溉条件下，施肥量增加显著提高种子产量；在4次灌溉条件下，随着施肥量增加呈现先上升后下降趋势；在2013年，2次灌溉、360 kg/hm2施肥量条件下的种子产量最高，为757 kg/hm2；在2014年，2次灌溉、540 kg/hm2施肥量条件下的种子产量最高，为1019 kg/hm2；苜蓿种子产量与单位面积生殖枝数、结荚花序数呈现显著正相关，相关系数分别为0.503和0.835；2次灌溉、360 kg/hm2磷酸二铵施肥条件为该地区较为经济、高效的灌溉和施肥条件。

关键词：紫花苜蓿；灌溉次数；施肥量；种子产量

紫花苜蓿(Medicagosativa)不仅营养价值高、适口性好[1]，而且具有较高的适应性、饲草生产潜力和优良的品质特性[2]。在我国，紫花苜蓿种植历史悠久[3]，目前已大规模推广，对我国畜牧业发展有着举足轻重的作用[4]。“草业振兴，种子先行”，优质牧草种子是发展草业生产的基本生产资料，是振兴草业的基础[5]。然而由于气候条件、生产技术等原因，我国紫花苜蓿种子产量普遍偏低，种子质量较差[6]，因此，开展紫花苜蓿种子生产技术研究对我国苜蓿产业发展有着重要意义。

灌溉是干旱、半干旱地区农业生产的根本[7]；紫花苜蓿种子生产时，较低的土壤水分产生一定的水分胁迫，根系不断生长以利用深层土体中贮藏的水分，进而使植株能够连续、缓慢的生长，是理想的种子田生长模式[8]。灌溉次数和灌溉量过多，不仅会造成水资源浪费和土壤盐渍化[9-10]，同时也会造成植物本身营养体徒长，削弱生殖生长，恶化种子的形成环境，进而降低种子产量[11]；相反，灌溉次数和灌溉量较少，紫花苜蓿种子田受到严重的水分胁迫，也会造成种子减产[12-13]。同时，灌溉时期对于紫花苜蓿种子生产也起到重要作用，在花期之前应该提供适宜的土壤水分促进前期的营养生长，而花期后应该减少灌溉，限制营养生长促进生殖生长[14]。通过控制苜蓿种子田的灌溉量、次数和时间，可有效避免种子田过度干旱和植株徒长，为种子生产提供适宜的条件[15]。因此，合理的灌溉制度是取得苜蓿种子高产的关键措施。

磷酸二铵是一种较为常见、广泛应用的磷、氮复合肥料，对紫花苜蓿种子有明显的增产作用，是制种紫花苜蓿最适肥料[16]；磷肥能够调控紫花苜蓿生殖生长，促进结实，同时增加苜蓿的茎粗，增强抗倒伏能力，有利于开花授粉和种子收获[17-18]；缺磷的植物结实少，子粒空瘪率增加，种子产量下降[19]，相反，过量会毒害植株而降低产量[20]。氮肥有利于地上部分生长，分枝增多，叶色加深，枝条生长加快[21]。豆科牧草本身具有一定固氮能力，但对于苜蓿种子生产田来说，根瘤菌前期固定的氮素能否满足后期的需求有待深入研究[22]。有研究表明，现蕾期过后，紫花苜蓿对氮肥的需要量增加，施氮肥能够满足苜蓿生育后期对氮素的需求，有利于种子的生产[22-23]。

紫花苜蓿种子发育过程中环境条件与农艺技术对种子产量都有较大的影响[24]；甘肃引黄灌区气候干燥, 热量充足，是紫花苜蓿种子生产适宜区域，然而该地区农业生产受到引水灌溉的条件限制，灌溉按照月份进行。本研究建植适宜密度的紫花苜蓿种子生产田，在当地农业传统的引黄灌溉次数上做出假设，设置不同的灌溉次数和施肥量，寻找合理的高效节水灌溉模式和最佳施肥量，为该地区的紫花苜蓿种子生产提供科学依据。

1材料与方法

1.1品种来源

本试验所用品种为巨人紫花苜蓿(AmeriStand201)，原产地美国，于2010年采自兰州大学张掖西部草业试验基地。

1.2试验地概况

试验于兰州大学景泰实习基地进行(37°14′ N, 104°05′ E)，海拔1276 m，位于河西走廊东端门户，黄土高原与腾格里沙漠过渡地区，为温带大陆性气候。年日照时数2726 h，无霜期141 d，年均温8.2℃，年降水量185 mm，年蒸发量3038 mm。土壤类型为灰钙土，pH值为8.71，土壤有机质含量15.16 g/kg，全氮含量0.72 g/kg，速效磷3.05～9.02 mg/kg，速效钾109～148 mg/kg。图1 为2013-2014两年该地区的降雨量与平均气温；降雨主要集中在6-8月，占全年总量的62.2%。

图1　2013-2014年实验区3-9月降雨量及平均气温Fig.1　Precipitation and average air temperature from March to September in Jingtai in 2013 and 2014

1.3试验设计

本研究在采用稀植化策略[25-26]建植的二年龄种子田进行，行距80 cm，株距30 cm；采用裂区设计，3次重复。主区为不同的灌溉次数，即2次灌溉、3次灌溉、4次灌溉，每次灌溉量约为600 m3/hm2，灌溉量由水表计量，灌溉时间见表1；其中4次灌溉次数为当地传统农业的灌溉方式。副区为不同的磷酸二铵(P2O5≥48%，N≥18%)施肥处理，施肥量分别为0，180，360，540 kg/hm2；每小区面积为18 m2(3.0 m×6.0 m)，试验地周围设置1 m的保护行。

1.4指标测定

1.4.1紫花苜蓿物候期观测参考《苜蓿生产与管理指南》[27]进行，对试验田的物候期进行测定，鉴别标准：50%的植株达到某一生育阶段即判为到达该生育期。

表1　紫花苜蓿生育期的灌溉时间表

注：“√”代表灌溉。

Note:“√”for irrigation.

1.4.2土壤水分的测定通过PR2土壤剖面水分分析仪，对土壤容积含水量进行测定，每个月测两次；分别测定10，20，30，40，60，100 cm土层深度的土壤水分。

1.4.3实际种子产量测定当70%的荚果成熟时人工收割，取1 m×1 m的样方，测量该样方内的生殖枝数量，晒干后清选脱粒，分别称重、记载各小区的种子产量。

1.4.4种子产量构成因素的测定在盛花期各处理小区随机取30个枝条，统计枝条上的花序数、每花序上的小花数和每小花胚珠数；在结荚期各处理小区随机取30个枝条测量紫花苜蓿的每生殖枝结荚花序数，每花序小荚数，每小荚种子数；种子千粒重按照《牧草种子检验规程》[28]进行测量。

潜在产量=生殖枝数×盛花期花序数×每花序小花数×每小花胚珠数×千粒重/103

1.5统计分析

采用Excel 2003完成数据录入工作，整理，作图。应用SPSS 17.0统计软件对两年的数据进行处理，将年份视为固定因子，通过标准F检验分析年份、灌溉次数和施肥量的作用以及三者之间的交互作用；为详细说明每一年的结果，不同年份间的结果分开展示；此外，还应用最小显著差数法(LSD，P≤0.05)和相关性分析对数据进行处理。

2结果与分析

2.1物候期测定结果

对种子田整体的物候期进行了观测(表2)，两年的生育期分别为140和130 d，其中2014年成熟期较2013年提前，观察土壤水分测定结果可以发现，2014年7-9月土壤水分下降较大，生长后期适度的干旱条件有利于授粉、种子成熟和收获[8]。

2.2土壤水分测定结果

灌溉主要对0～40 cm土壤水分造成影响，对40～100 cm土壤水分影响较小；在不同灌溉次数下，苜蓿种子田返青期土壤水分基本一致，由于前一年的冬灌和雪水的补给，土壤含水量均较高；4月末进行第一次灌溉，土壤含水量呈现上升趋势；5月中旬以后，随着气温的升高，蒸发量增加，土壤含水量开始下降；其中4次灌溉次数种子田在5月末较其他灌溉次数多灌溉一次，故4次灌溉次数下，4-6月0～40 cm的土壤水分较高；6月中旬各处理均灌溉一次，土壤水分得到补充；在7月中旬，3和4次灌溉条件下种子田灌溉，2次灌溉次数种子田不灌溉，因此2次灌溉条件下种子田土壤水分下降明显，相对于3和4次灌溉，0～40 cm土壤含水量较低(图2和图3)。

表2　紫花苜蓿物候期

图2　2013年返青至种子收获不同灌溉次数下土壤水分(0～40 cm，40～100 cm)变化Fig.2　Average soil moisture content (0-40 cm，40-100 cm) of seed plots with different irrigation treatments in 2013

图3　2014年返青至种子收获不同灌溉次数下土壤水分(0～40 cm，40～100 cm)变化Fig.3　Average soil moisture content (0-40 cm，40-100 cm) of seed plots with different irrigation treatments in 2014

处理Treatmentdf生殖枝数Effectivestems/m2盛花期花序数Inflorescence/stem结荚花序数Racemes/stem每花序小花数Florets/inflorescence每花序荚果数Pods/raceme每荚种子数Seeds/pod千粒重1000-seedweight潜在产量Potentialyield实际产量Actualyield年份Year(Y)2NS*******NS******灌溉次数Irrigationtimes(I)3********NS*******肥量Fertilizerrate(F)4NS***NSNS**NS***Y×I6NS**NS*NSNSNS*Y×F8NSNSNSNSNS*NSNSNSI×F12NS****NSNSNSNSNS**Y×I×F24NS**NSNSNSNSNSNSNS

注：*差异显著(P<0.05)，* *差异极显著(P<0.01)，NS差异不显著。

Note: *significant at the 0.05 probability level;**significant at the 0.01 probability level; NS, not significant.

通过F检验对两年的产量及产量构成因素数据进行分析，得到如下结果(表3)：不同的年份种子产量存在显著差异(P<0.01)，是由于不同年份的气候条件不同造成的，其中最主要原因是由于2014年早期降雨较高(图1)，促进了前期的营养生长，进而增加了种子产量；灌溉次数不同，种子产量存在显著差异(P<0.01)，生殖枝数、盛花期花序数、结荚花序数、每花序小花数、每荚种子数、千粒重均存在显著差异(P<0.05)；肥量不同的条件下，种子产量差异显著(P<0.05)，盛花期花序数、结荚花序数、每荚种子数存在显著差异(P<0.05)；实际种子产量受到灌溉次数和肥量交互作用差异显著(P<0.01)，潜在种子产量受到灌溉和肥量的交互作用不显著。

2.3灌溉次数和施肥对紫花苜蓿种子产量的影响

两年的实验结果表明(表4)，灌溉次数对紫花苜蓿种子产量影响极显著(P<0.01)，随着灌溉次数的增加，种子产量呈现下降趋势，两次灌溉条件下，种子产量最高，两年的平均值分别为 686和891 kg/hm2；施肥量对种子产量的影响显著(P<0.05)，随着施肥量增加，种子产量呈现先升高后降低趋势，在360 kg/hm2肥量条件下种子产量最高，两年的平均值分别为631和786 kg/hm2；灌溉次数和施肥量对种子产量交互作用显著(P<0.01)，在2和3次灌溉条件下，种子产量随着施肥量的增加，呈现升高的趋势；在4次灌溉条件下，种子产量随着施肥量增加，呈现先升高后降低的趋势。在2013年，2次灌溉条件下，360 kg/hm2肥量条件下种子产量最高，为757 kg/hm2；在2014年，2次灌溉条件下，540 kg/hm2肥量条件下种子产量最高，为1019 kg/hm2；两年间，2次灌溉条件下，360和540 kg/hm2肥量条件下的种子产量差异不明显， 而且360 kg/hm2肥量条件下相对施肥较少，较为经济。

灌溉次数对潜在种子产量影响显著(P<0.01)，其中2和3次灌溉条件下，种子产量较高，4次灌溉条件下种子产量较低；施肥量对种子潜在产量影响显著(P<0.01)，随着施肥量的增加，种子潜在产量呈现上升趋势(表4)。

表4　灌溉次数和施肥量对于紫花苜蓿种子

注： 同列不同字母表示在0.05水平下差异显著。下同。

Note: Different letters in the same column mean significant differences at the 0.05 level. The same below.

2.4灌溉次数和施肥量对紫花苜蓿种子产量构成因素的影响

2.4.1灌溉次数对产量构成因素的影响灌溉次数显著影响生殖枝数(P<0.01)，呈现先升高后降低的趋势，在3次灌溉条件下最高，两年分别为183和182枝；灌溉次数对盛花期花序数影响显著(P<0.01)，呈现先升高后降低的趋势，在3次灌溉条件下最高，两年分别为41.6和34.9个；灌溉次数增加显著减少结荚花序数(P<0.01)；每花序小花数随着灌溉次数的增加呈下降趋势；每花序小荚数对灌溉次数的响应规律不明显；每荚种子数，呈现先上升后下降的趋势，在3次灌溉条件下最高，分别为4.8和4.7个；千粒重随着灌溉次数的增加，呈现显著下降趋势(P<0.01)(表5)。

2.4.2施肥量对产量构成因素的影响盛花期花序数随着施肥量的增加而显著增加(P<0.01)，在540 kg/hm2肥量条件下最高，两年的结果分别为39.8和35.9个，结荚花序数随着施肥量的增加先升高后降低，在360 kg/hm2肥量条件下两年的均值最高，两年的结果分别为16.7和18.2个；每花序荚果数随着施肥量的增加呈现下降趋势；不同肥量条件下，每m2生殖枝数、每花序小花数、每花序荚果数和千粒重变化规律不明显(表5)。

表5　灌溉次数和施肥量对紫花苜蓿种子产量构成因素的影响

2.4.3水肥耦合对产量构成因素的影响盛花期花序数和结荚花序数受灌溉次数和施肥量的交互作用显著(P<0.01)(表3)，在2和3次灌溉条件下，随着施肥量的增加种子产量呈现上升趋势，在4次灌溉条件下，随着施肥量的增加呈现先升高后降低的趋势(图4)。

图4　2013-2014年灌溉次数和施肥量对盛花期花序数和结荚花序数的影响Fig.4　Effect of irrigation mode and fertilization rate on the inflorescence/stem and racemes/stem in 2013 and 2014　2，3，4次分别代表不同的灌溉次数；0，180，360，540分别代表0，180，360， 540 kg/hm2磷酸二铵的肥量处理。Twice, three times, four times for different irrigation times; 0，180，360，540 for different rate of phosphate diamine (0, 180, 360, 540 kg/hm2).

2.5紫花苜蓿种子实际产量及其构成因素相关性分析

在紫花苜蓿种子产量构成因素中，单位面积生殖枝数、结荚花序数、潜在产量与种子实际产量达到极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.503，0.835和0.364；说明紫花苜蓿种子产量主要受生殖枝数和结荚花序数的影响。其中生殖枝数与结荚花序数呈显著正相关，盛花期花序数与每花序小荚数、千粒重呈显著正相关(表6)。

表6　紫花苜蓿种子实际产量及其构成因素相关分析

注：*显著相关(P<0.05)；* *极显著相关(P<0.01)。

Note: * mean significant correlation at 0.05 level; ** mean highly significant correlation at 0.01 level.

3结论与讨论

对于多年龄留种苜蓿，较高的土壤水分不利于种子的生产。李雪峰和李卫军[29]、李拥军和闵继淳[30]的研究表明适宜的土壤水分可以避免种子形成的过程中受到严重水分胁迫的不良影响, Krogman和Hobbs[14]的研究表明盛花期后较高的土壤水分会促进苜蓿的营养生长，不利于紫花苜蓿的生殖生长；在本研究中，2，3次灌溉与4次灌溉相比，4次灌溉的土壤含水量在整个生长季均处于较高的水平，然而种子实际产量较低，产量构成因素中，生殖枝数、盛花期花序数、结荚花序数均显著低于2，3次灌溉；结合田间观察，其主要原因是由于植株生长后期密度过大，授粉不良，植株底部花序败育所致。吴素琴和张自和[31]提出个体分散、土壤环境较贫瘠，生物之间的竞争不激烈，有利于植物产生大量的种子；反之，生物之间的竞争激烈，植物种群往往产生少量的种子。

磷酸二铵的施用能够提高紫花苜蓿种子产量。库尔班·尼扎米丁等[16]在新疆的试验结果表明紫花苜蓿在磷酸二铵施用量达到150 kg/hm2条件时开始增产(土壤速效磷含量为13.2 mg/kg)，在肥量为300 kg/hm2，效果最好。这与本研究结果中360 kg/hm2肥量条件下获得最高产量基本一致。

灌溉次数和施肥量对于种子产量构成因素的影响区别较大，其中灌溉的作用较为明显，除每花序荚果数均受到显著影响(表3)，在降雨稀少，蒸发量高的甘肃引黄灌区，灌溉成为紫花苜蓿种子生产的关键因子，灌溉次数、灌溉量、灌溉时间的不同均会对种子产量和产量构成要素造成一定的影响[8]；不同施肥量条件下的盛花期花序数、结荚花序数和每小荚种子数差异显著，杨俱和和高继飞[32]、陈强等[17]的研究表明施磷可显著提高花序数；王赟文[33]在酒泉试验表明，春秋两季施磷肥，种子产量与每个枝条的结荚花序数具有极显著的正相关关系(r=0.871，P=0.001)，本试验结果与该研究结果一致。本研究得出，结荚花序数受到灌溉次数和施肥量以及二者互作效应差异显著，且结荚花序数与种子产量呈显著正相关，灌溉次数和施肥量通过影响结荚花序数进而影响种子产量，Iannucci等[2]、Hacquet[34]的研究也表明结荚花序数与种子产量相关均极显著，且可作为苜蓿高产品种选育的重要指标[35]。

对于实际种子产量，不同灌溉次数和施肥量间存在互作效应，2和3次灌溉条件下，种子实际产量随着施肥量的增加呈现上升趋势；4次灌溉条件下，随着施肥量的增加呈现先升高后降低趋势。然而对于种子田的潜在产量，不存在互作效应(表3)，由此可见，交互作用是由于植株生长后期的生长条件造成的，韩建国和李敏[36]指出传粉受精率低、受精后合子败育率高结实率低是限制潜在种子产量实现的主要因素，4次灌溉条件种子田在生长后期出现倒伏，透风、透光和授粉受到严重阻碍，植株底部几乎没有结荚花序产生，因此4次灌溉的种子田结荚花序数显著降低(表5)，进而影响种子产量。耿志广[37]的研究表明倒伏显著影响了结荚花序数，王赟文等[8]、张自和[26]的研究也表明倒伏、个体间竞争加剧会显著降低种子产量。在这种条件下，较低的肥量对苜蓿的种子生产有利，故在4次灌溉条件下，呈现先升高后降低趋势。

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Effects of irrigation frequency and fertilizer rate on alfalfa seed yields in the Yellow River irrigated region

CHEN Dong-Dong， WANG Yan-Rong*， HAN Yun-Hua

StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

Abstract:Given crop demand for water in the Yellow River irrigation region of Gansu province, irrigation needs to be supplied for fixed periods. To explore optimum irrigation strategies and fertilizing methods, the effects of different irrigation frequencies (two, three and four times) and application rates of phosphate diamine (0, 180, 360, 540 kg/ha) on alfalfa seed yield and yield components were studied. The results showed significant differences in seed yield for the different irrigation frequencies (P<0.01). Seed yield decreased with increased irrigation frequency. Irrigating two times was suitable for local alfalfa seed production, with the average yields in 2013 and 2014 being 686 and 891 kg/ha respectively. With increased fertilizer rates, actual seed yield first increased and then decreased, with the highest yields achieved under a fertilizer rate of 360 kg/ha (average yields in 2013 and 2014 were 631 and 786 kg/ha respectively). Irrigation frequency and fertilizer rate interacted in terms of alfalfa seed yield. Under two-times and three-times irrigation, increasing fertilizer rates could improve seed yield significantly. Under four-times irrigation, with increased fertilizer rates the seed yields first increased and then decreased. In 2013, the highest actual seed yields (757.28 kg/ha) were obtained with two-times irrigation and a fertilizer rate of 360 kg/ha. In 2014, the highest actual seed yields (1018.75 kg/ha) were obtained with two-times irrigation and a fertilizer rate of 540 kg/ha. Alfalfa seed yield had significant correlations with effective fertile tiller number (R2=0.503) and inflorescence number (R2=0.835). In summary, two-times irrigation and a fertilizer rate of 360 kg/ha are recommended for local alfalfa seed production.

Key words:alfalfa; irrigation times; fertilizer rate; seed yields

*通信作者

Corresponding author. E-mail：Yrwang@lzu.edu.cn

作者简介：陈冬冬(1989-)，男，吉林四平人，在读硕士。E-mail：Cdongdong0@163.com

基金项目：草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky-2015-40)和公益性行业(农业)科研专项经费(201403048-3)资助。

收稿日期：2015-05-28；改回日期：2015-08-25

DOI：10.11686/cyxb2015269

http://cyxb.lzu.edu.cn

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