紫花苜蓿人工草地非充分灌溉技术创新应用研究

艾尔肯·苏里塔诺夫，麦麦提敏·乃依木（新疆维吾尔自治区草原总站，新疆　乌鲁木齐　830049）



紫花苜蓿人工草地非充分灌溉技术创新应用研究

艾尔肯·苏里塔诺夫，麦麦提敏·乃依木
（新疆维吾尔自治区草原总站，新疆乌鲁木齐830049）

摘要：为优化紫花苜蓿人工草地的非充分灌溉方式，逐步提高水分利用效率。本实验采用田间观测法，遵照以水定草、最大调亏的逆向思维，参照紫花苜蓿SPAC水分运移规律，对灌溉定额3 600 mm3/hm2（近似于360 mm降水）和1 800 mm3/hm2（近似于180 mm降水）进行了比对试验。结果表明在日均高温大于23℃的高耗水阶段减少充分灌溉定额的50%水量，在理论上放弃第二茬紫花苜蓿的产量，以最低灌溉量维持其主根颈以下免于严重失水导致萎蔫，度过高温高耗水时期再将灌溉量的余额分配于第三茬，最终减产率为29.1%，节水率50%。

关键词：SPAC系统;旱区；紫花苜蓿；非充分灌溉定额；水分利用效率

10.16863/j.cnki.1003-6377.2016.03.008

紫花苜蓿是具有世界栽培意义的优质豆科牧草，随着其种植面积的不断增长，我国北方种植业面临调整结构的压力。然而相对于美国的苜蓿产业，我国苜蓿产业发展较落后，种植面积基本维持在150万hm2左右，产量难以满足畜牧业的快速发展。据报道，相比其他作物，苜蓿的耗水量较大，在干旱、半干旱地区只能灌溉，因此灌溉条件成为紫花苜蓿人工草地建植成功与否的首要因素。农牧区水库的兴建使用，部分缓解了水草矛盾，然而依然无法扭转苜蓿人工草地缺水问题。现有的灌溉制度面临挑战。

国内外学者对紫花苜蓿节水灌溉做了很多研究，但是在因地制宜的限制下，对非充分灌溉制度的确定依然处于摸索阶段。本研究通过苜蓿人工草地SPAC系统水分运移规律，把握住水分高速运移的阶段，依托现有的田间观测试验，逆向思维并人为干扰高温期内第二茬次苜蓿的灌水强度，以最低灌水量免于紫花苜蓿的主根颈以下萎蔫，从而使有限的定额配水合理分配于第一、三茬次，分析比较紫花苜蓿的产量及水分利用效率，进而摸索干旱区紫花苜蓿人工草地实践中容易操作，并且与当地生产实际相符合的最低定额灌溉规律。

1　人工草地SPAC系统水分运移规律

“Soil-Plant-Atmosphere=Continuum”指土壤-植被-大气=连续体，简称SPAC。该研究将三重界面视作一个连续体，用连续的、系统的、动态的观念和定量的方法来研究SPAC中的水分运移。多年来在农业作物上研究较多，而牧草种植中的研究较少。因此研究人工草地SPAC中水分运移规律，对提高水分利用效率具有重要的现实意义。

1.1紫花苜蓿SPAC中的主要内容

地面基质水势是指在土壤-植被-大气=连续体系统中3个相互影响界面中的土壤中水分势指的高低，此过程水分以液相或固相形式储存，空间上处于底端，随温度变化较为稳定，是其他两个界面的物质基础。

叶面水势是指在SPAC系统中3个相互影响的界面中的植物界面里水分势指的高低，此过程水分以液相形式参与植物生长发育的所有新陈代谢，空间上处于中端，变化适中，是承接其他两个界面的核心生产目的。

大气水势是指在SPAC系统中3个连续影响的界面之一大气中水分势指的高低，此过程水分以气相形式运动转移，空间上处于上端，变幅较大。

1.2紫花苜蓿SPAC日运移规律

耦合系统中的这三个界面水势移动密切相关，以晴天为例，日变化总体趋势为：早晨空气湿度大，光照弱，整体界面气温低，夜间苜蓿根系的饱和吸水作用造成土壤基质及茎叶水势较高，大气水势则略低，此时水分运移处于相对停滞状态；随着光照射逐步增强，气温亦升高，大气高处的水汽开始加速逃逸，使得地面大气中的湿度向高处流动，而植株茎叶中水分开始溢出，流向趋于干燥的近地大气中，叶面蒸腾能力增强，土壤及根系的水分不断补充，土壤基质及茎叶水势随大气水势的增强而减弱，此时SPAC中水分运移处于高速移动状态；之后随着气温的逐步回落，近地大气湿度的重新聚集，土壤基质及茎叶水势逐渐回升，大气水势亦回落。

在SPAC中水分实现了空间上由低到高的逆向运移，时间上随温度高低而进行的相变运移。

1.3紫花苜蓿SPAC的生育期运移规律

紫花苜蓿在充分灌溉下一般在4月中旬返青，6月下旬完成第一茬次生长周期，刈后进入第二茬次生长期，该阶段热量条件较好，生长迅速，到8月05日进行第2次刈割；刈割后迅速复生，但生长中期后气温下降，到9月下旬进入开花后期进行第3次刈割。在第一茬次生长期内，紫花苜蓿返青后由于气温、太阳辐射和风速等均处在一个缓慢的上升期，大气水势多在（68.09～182.70）mm/d之间，分枝期后随着气温升高、辐射增强，生长速度加快，大气水势逐步升高，茎叶水势和土壤基质水势的减弱不显著。在第二茬次生长期内，紫花苜蓿处于全年高温、强日照阶段，SPAC中的水分运移加速循环，因逼近植株耐热极限处于一个相对停滞生长阶段，随气温下降逐步改善。在第三茬次生长期内，随着刈后迅速返青生长，气温逐渐降低，蒸腾强度由缓慢下降到快速下降，大气水势回落，茎叶水势和土壤基质水势的增强亦不明显。

在干旱区的紫花苜蓿人工草地建设中，近年来陆续有学者提出：在充分灌溉中苜蓿的产量随灌溉定额（供水量）的增加而增加，最终导致水量浪费，以致水分利用率过低。因此，以全新思路摸索非充分灌溉优化模式，在部分严重缺水的牧区新居周边，论证降雨量及灌溉量合计300 mm左右的优化灌溉方式尤为迫切。

2　材料和方法

2.1试验地概况

试验于农业部野生牧草种质资源保护基地进行，位于乌鲁木齐市南郊乌拉泊大东沟村，地理坐标为北纬87°30'，东经43°39'，属温带大陆性荒漠气候区，海拔1 168 m，年均降水量208.4 mm（2014年春夏降水量135.9 mm），年均蒸发量2 616.9 mm，年均无霜期179 d，年均日照时数2 813.5 h。土壤主要为上粘沙性土壤，地下水埋深一般为（8～10）m。

2.2试验材料

试验地为种植第2年的紫花苜蓿（2013年春播，播量21.5 kg/hm2），品种为阿尔冈金，由农业部牧草与草坪草种子质量监督检验测试中心（乌鲁木齐）提供。喷灌材料采用雨鸟6分可调摇臂式喷头，半径为30 m。

2.3试验方法

试验采用田间比对试验法，根据2012-2013年充分灌溉试验结果，共设充分灌溉和非充分灌溉两种灌溉处理水平，每个处理设3个重复，共计6个试验小区，每个试验小区面积为6.7 m×10 m=67 m2，为避免相互影响，各试验小区相隔10 m。灌溉方式为喷灌，水表计量。遵照以水定草、最大调亏的思路，参考以往的研究结果进行设置，全年充分灌溉定额为3 600 m3/hm2（近似于360 mm降水），正如前述在SPAC水分运移中，在日均高温大于23℃（如表二）的高耗水阶段减少充分灌溉定额的50%水量，在理论上放弃第二茬紫花苜蓿产量，以最低灌溉量维持其主根茎以下免于严重失水导致萎蔫，度过高温高耗水时期再将灌溉量的余额分配于第三茬，进而达到节水的试验目的，因此非充分灌溉定额1800 m3/hm2（表1）。

表1　紫花苜蓿生育阶段灌水定额设计

2.4测定指标及方法

土壤含水率测定：每次灌水前用土钻取土样，采用烘干称重法测定。

紫花苜蓿产量测定:刈割前在每个试验不同灌溉处理小区随机1 m×1 m样方2个,测定紫花苜蓿鲜草重量,并多点随机取3 kg鲜草烘至含水量为14%,称重,计算干物质重量。

水分利用效率测算：灌溉水的利用效率=单位面积上的干物质产量/单位面积上的灌溉用水量。

其他测算：试验区域地下水位在10 m以下，地下水在SPAC中根据水势高低的补给作用较为复杂，有待进一步研究。本试验区域风速测定为均值2.8，在喷灌时水分会出现飘散现象，在空气干燥时段灌水造成的水汽漂移及蒸发损失不容小觑，因此将此损失与地下水补给相互抵消不予计算。

2.5数据分析

用Microsoft Excel2010软件对所有数据进行处理并分析。

3　结果与分析

3.1紫花苜蓿第一茬次的耗水规律（见表2）

表2　紫花苜蓿充分、非充分灌溉下生育状况与产量

由于紫花苜蓿早春第一茬次生育期内SPAC内水分运移随萌芽开始启动。土壤、植被、大气三重界面整体温度缓慢上升，水分运移趋于平静，另外受雪水消融（冬灌）及降水的有效补充，在第一茬次生长各小区的田间持水量维持在50%上下，而土壤含水量处于较为抗旱的灌溉下限以上，直到生长后期5月下旬土壤含水量才下降至灌溉下限，在第一茬次生长后期开始灌水，两种处理均为逐步增加灌溉量，且处理间的数据差异不显著。由表2可以看出，紫花苜蓿一般在4月中旬返青，6月下旬完成第一茬次生长周期，在第一茬次生长期内，紫花苜蓿返青后由于气温、太阳辐射和风速等均处在一个缓慢的上升期，大气水势多在（68.09～182.70）mm/d之间，分枝期后随着气温升高、辐射增强，生长速度加快，灌溉量开始增强。CF处理中自返青进行首次灌水，而FCF处理则在分枝前期开始灌水，在CF和FCF的产量比对中相差无几。在降水条件同等的前提下，FCF在灌水量上则减少了39%。

由日变化规律可知经过夜晚土壤的溶液浓度稀释至最佳状态，以致清晨土壤含水量最具时效性，即土壤基质水势优良，有利于紫花苜蓿以水分为主载体的吸收利用，其后在一天中土壤溶液浓度很难达到清晨的最佳水平。早春的土壤基质及溶液浓度是FCF处理下产量不低于CF处理的原因，主要得益于早春土壤基质的稳定，整个冬季土壤层中缓慢水分运移将土壤溶液浓度调配至最易于紫花苜蓿根系吸收的状态，连续第二年的生长促进土壤基质趋于配合苜蓿的生长需要。很多研究将冬季简单视为休眠期可能过于草率，冬灌就是具有说服力的证明。在返青后即加大灌溉量，容易打破这种缓慢形成的最佳浓度，结果可能适得其反。然而FCF的水分供应设计中随水分运移的加快逐步增加，一定程度上维护了最佳浓度，萌芽状态发育良好的嫩芽对最终的苜蓿品质意义重大。土壤溶液浓度利用地下水及相关矿物质进行自我调整过程复杂多样，有待于进一步研究。

3.2非充分灌溉方式对紫花苜蓿总产量的影响

在第1茬次生长期内，由于大气温度带动土壤及界面温度逐步上升，SPAC内水分运移随萌芽开始启动，故耗水强度亦随土壤基质水势及茎叶水势的细微变化开始缓慢增强，分枝期后随着SPAC内各个界面温度升高，水分运移速度加快，耗水强度快速加强，据郭克贞等研究，到6月上旬盛花期耗水强度达到最大值6.2 mm/d左右。在第二茬次生长期内，紫花苜蓿处于全年高温、强日照阶段，SPAC中的水分运移随着大气水势的牵引作用增强而加速循环，因逼近植株耐热极限陷入一个相对缓慢发育阶段，其后随气温降低逐步改善。本研究运用全新思路，是对紫花苜蓿非充分灌溉的特殊优化，主要考虑节水，其次兼顾其整个生育阶段的健康状况，用紫花苜蓿整个生育期总耗水量的50%置换第二茬次苜蓿的产量预期。由表1可知在CF处理中灌水设计定额占到总灌水量的50%，是由于在此阶段紫花苜蓿光热条件导致水分运移迅速，三重界面高效耦合，促进植株快速分枝，叶面积指数越大，营养生长和生殖生长就越旺盛，水分的消耗也就越强。在FCF处理中第二茬次生长期内灌水量骤减至50 m3（近似于5 mm),理论生育期50 d，共灌水5次。生产目的仅为保全苜蓿主根茎，承受干旱胁迫，人为降低其产量。有研究报道，在西北旱区土壤含水量低于50%田间持水量时，土壤有效含水量减少，苜蓿开始出现干旱胁迫，进而造成紫花苜蓿光合作用减弱，最终引起苜蓿产量大幅下降。因此，FCF处理第二茬阶段中土壤水分仅依靠降水和土壤贮水无法维持苜蓿的正常生长，土壤水分达到胁迫程度时，苜蓿呈现旱生状态的特征，会导致植株高度降低，甚至影响到苜蓿根颈受伤。如表2所述，至刈割苜蓿株高只有150 mm，产量只有1 077 kg/hm2。

在非充分供水条件下紫花苜蓿土壤水分过低，紫花苜蓿根系受水分过小胁迫，土壤基质势较低，无法形成茎叶水势促进生长发育。但地下根颈没有萎蔫受伤，原因有待分析。在试验中田间持水量处于较低水平，凋萎含水量的连续检测中处于14%，略低于14.7%粘性土壤的凋萎系数，整个理论生长季内的灌水量累计为250 m3/hm2（25 mm），相对于CF处理下的1 600 m3/hm2（160 mm)节水1 350 m3/hm2。

3.3不同处理中水分利用效率与减产率的比较

紫花苜蓿生育期各阶段对水分的需求不同，SPAC中水分运移规律说明：在总灌水量定额的前提下，产量源于不同的生长阶段的需水量分配。因此，在生育期内少量多灌缩短间隔对其生长有利。

由表3可知，CF处理下紫花苜蓿三茬产量合计13 412 kg/hm2，其总灌水量3 600 m3/hm2本来就是当地推荐性的最低灌水定额，灌溉水分利用效率为39.9 kg·hm2·mm3。FCF处理下三茬产量合计9 522 kg/hm2，相对于CF减产29.1%，前提是只有1 800 m3/hm2总灌溉量,相对于CF处理节水率达50%，可以说是有限定额水量在作物生育期内的最苛刻分配。运用SPAC中水分运移规律，避开高温高耗水的第二茬次生产，主动减产29.1%，实现总生育期内50%的节水率。

表3　水分亏缺对紫花苜蓿牧草产量的影响

4　讨　论

基于SPAC系统下的紫花苜蓿人工草地在充分灌溉下，第一茬次在生育状况及产量上均优于第二茬次，整个冬季土壤溶液浓度的自我调节以适应初春生育需求的作用显著。

在充分灌溉和非充分灌溉的定额灌水比对中，人工干扰第二茬次的正常生长，CF处理下灌溉定额3 600 m3/hm2比对FCF处理下减产29.1%，然而灌水量却增加了一倍。这说明灌水时期的影响大于灌水总量的影响，实际生产中水分过大胁迫方面重于水分过小胁迫方面,造成水资源的不合理利用，以致在人工草地的灌溉水分利用效率过低。这对于西北干旱地区农业中提高自然降水和灌溉水的利用效率意义重大。

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中图分类号：S812.6+8

文献标识码：A

文章编号：1003-6377（2016）03-0038-07

基金项目：新疆维吾尔自治区公益性科研项目（KY2015006）

作者简介：艾尔肯·苏里塔诺夫（1970-），男（柯尔克孜族），大学本科，畜牧师，主要从事牧草种子检验及草原保护与建设工作。E-mail:xjcyerkensltnf009@163.com

收稿日期：2016-01-20，修回日期：2016-01-25

Study on Innovation and Application of Inadequate Irrigation Technology in Alfalfa Artificial Grassland

AERKEN·Sulitanuofu，MAIMAITIMIN·Naiyimu
(General Grassland Station of Xinjiang,Urumqi 830049,China)

Abstract:To optimize the alfalfa inadequate irrigation methods of artificial grassland,gradually improve water use efficiency,This experiment adopts the field observation method according to the reverse thinking of grass depending on waterandmost major lossbased on Alfalfa SPAC water migration rule,compared irrigation quota for 3600 mm/hm(similar to 360 mm ofrainfall)with 1800 mmr/hm(similar to 180 mm of rainfall).It is showed that when the average daily temperature is greater than 23℃,reduce 50%of irrigation quotato theoretically give up the second crop of Alfalfa production,the lowest amount of irrigation maintains its taproot below the neck from severe water loss cause wilting,after high temperature and high water consumption period,distribute water amount balance in the third,the final reduction rate is 29.1%,and the water saving rate is 50%.

Key words:SPAC system;arid regions.alfalfa;inadequate irrigation quota;water use efficiency(wue)