灌溉和施氮对河西走廊紫花苜蓿生物量分配与水分利用效率的影响*

冯 萌 于 成 林丽果 吴冬强 宋 锐 刘慧霞**



灌溉和施氮对河西走廊紫花苜蓿生物量分配与水分利用效率的影响*

冯 萌1于 成1林丽果2吴冬强1宋 锐2刘慧霞2**

(1．兰州大学草地农业科技学院/草地农业生态系统国家重点实验室 兰州 730020; 2. 西北民族大学生命科学与工程学院 兰州 730030)

确定河西地区紫花苜蓿栽培草地的合理施氮量和灌溉量, 对优化当地紫花苜蓿栽培草地生物量分配和提高水分利用效率具有重要意义。本研究利用田间试验研究了不同灌溉量(W1: 当地灌溉量的60%; W2: 当地灌溉量的80%; W3: 当地灌溉量1 920 m3·hm-2)和施氮量[N1: 0 kg(N)∙hm-2; N2: 40 kg(N)∙hm-2; N3: 80 kg(N)∙hm-2; N4: 120 kg(N)∙hm-2]对2年生紫花苜蓿生物量分配特征及水分利用效率的影响。结果表明: 灌溉量为W2和W3时均显著增加了紫花苜蓿株高、单株分枝数、地上生物量, 及20~40 cm、40~60 cm和0~60 cm土层的根系体积、根系生物量和水分利用效率, 且W2和W3的紫花苜蓿株高、单株分枝数和地上生物量差异不明显, 说明采用当地灌溉量的80%水量时, 紫花苜蓿水分利用效率最高。随着施氮量增加, 紫花苜蓿单株分枝数、叶茎比、根系体积、根系生物量、地上和地下生物量比和水分利用效率均呈现先增加后降低的趋势, 且在施氮量为80 kg(N)∙hm-2时最大, 说明紫花苜蓿根系发育和水分利用效率对氮的响应均存在剂量效应。在水氮互作条件下, 处理W2N2或W2N3中紫花苜蓿株高、单株分枝数、根系体积和0~20 cm、20~40 cm、0~60 cm根系生物量及地上生物量与地下生物量比值和水分利用效率达到最优。结合上述分析得出在灌溉量W2和施氮N3时, 紫花苜蓿地上地下生物量比值和水分利用效率达最大值, 表明河西走廊紫花苜蓿栽培草地的适宜灌溉量为当地灌溉的80%, 施氮量为80 kg·hm-2, 此时紫花苜蓿水分利用效率和地上地下生物量比值配置最优。

水氮互作 河西走廊 紫花苜蓿 产量构成 水分利用效率

紫花苜蓿()不仅产量和营养价值高, 而且能防风固沙、保持水土和肥田沃土[1-3], 因此其栽培草地在世界范围内分布最广[4]。虽然紫花苜蓿不耐涝, 但在干旱半干旱地区仍然需要灌溉以维持其正常生长发育[5]。随着我国西部地区各种生态建设工程的持续推进, 紫花苜蓿栽培面积将逐渐增加, 这将有力推进我国西部地区农业产业结构调整[6-7]。然而紫花苜蓿面积的增加, 势必会增加水资源灌溉量, 从而加剧西部地区水资源亏缺的困境。紫花苜蓿栽培草地是以收获其营养体生物量为目的的经济作物, 因此提高紫花苜蓿栽培草地水资源利用效率, 让每一克水生产出更多的营养体生物量, 是紫花苜蓿栽培草地管理的核心科学问题。紫花苜蓿根系在长期的生长发育过程中能够形成根瘤[8],实现固氮, 供给生长, 因此紫花苜蓿栽培草地管理中往往因避免水体富营养化而不便直接增施氮肥[9]。但1龄和2龄紫花苜蓿栽培草地, 若播种阶段没有接种根瘤菌时, 根系往往不易形成根瘤或根瘤数量较少, 自身固氮能力很弱[10], 此时需要增施氮满足紫花苜蓿生长对氮的需求。

土壤肥力和水分对植物生长既具有协同作用, 又具有拮抗作用, 合理的水肥互作不仅能够提高紫花苜蓿产量, 减少灌溉量和施氮量, 还能够减轻土壤盐渍化[11]和减少水资源灌溉量[12]。已有研究表明, 水磷互作可显著增加紫花苜蓿地上生物量和水磷利用效率[13], 以及紫花苜蓿的根系生物量[14]。然而水氮互作能否像水磷互作一样提高1龄和2龄紫花苜蓿的地上地下产量和水分利用效率, 尚需科学试验提供证据。

河西走廊是甘肃省乃至全国重要的紫花苜蓿栽培草地分布区[15], 随着该区从制种基地向牧草生产基地的转型, 紫花苜蓿栽培草地面积逐年增加[16]。然而该区水资源供给主要靠内陆河, 水资源十分有限[17], 同时农户大面积种植紫花苜蓿时往往不会接种根瘤菌, 这严重影响了1龄和2龄紫花苜蓿栽培草地的生产性能。因此, 本研究分析了不同灌溉量和施氮量交互作用下紫花苜蓿产量和水分利用效率的变化特征, 以期丰富紫花苜蓿水肥耦合研究的内容, 为河西走廊地区1龄和2龄紫花苜蓿水肥管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省金塔县西北部的农垦集团生地湾农场(98°34¢~98°41¢N, 40°13¢~40°17¢E), 地处河西走廊中段巴丹吉林沙漠边缘, 东西与戈壁荒漠相接, 南与沙漠丘陵相接。平均海拔1 260 m, 气候为典型温带大陆性气候, 年均降水量64.8 mm, 年均蒸发量2 336.6 mm。年均气温9.1 ℃, 1月平均最低气温为零下8.9 ℃, 7月平均最高气温24.5 ℃。平均日照总时数为3 193.2 h, ≥10 ℃有效积温3 292 ℃, 全年无霜期120~150 d。土壤为砂壤土质, 土壤有机质含量10.11 g·kg-1, 碱解氮含量37 mg·kg-1, 速效磷含量4 mg·kg-1, 速效钾含量278 mg·kg-1。

1.2 试验设计

供试的紫花苜蓿栽培草地为2龄‘亮苜二号’草地, 该品种产地为加拿大, 具有抗逆性强、持续利用期长、草质优良、抗病性优秀、营养价值高等特点。2014年5月初种植, 种植时未接种根瘤菌。鉴于建植当年紫花苜蓿栽培草地产量不稳定, 于2015年(2龄)开始水氮互作试验处理。试验采用完全随机区组设计, 灌溉量为主处理, 施氮量为副处理。灌溉量共设置3个水平, 分别为117 mm (1 170 m3·hm-2)、156 mm (1 560 m3·hm-2)、192 mm (1 920 m3·hm-2), 用W1、W2、W3表示, 其中W3为当地常规灌溉量, W1为当地灌溉量的60%, W2为当地灌溉量80%。在生长季共灌溉2次, 第1次灌溉, 即返青水, 在5月初结束; 第2次灌溉为分枝期前后, 5月25日前结束。施氮量分别为0 kg(N)∙hm-2、40 kg(N)∙hm-2、80 kg(N)∙hm-2和120 kg(N)∙hm-2, 分别用N1、N2、N3和N4表示。共计12个处理(3个灌溉水平×4个施氮水平), 每个处理设置3个重复, 共计36个小区。小区面积为10 m× 10 m=100 m2。为减小氮素和水分侧向移动对试验结果的影响, 小区间设置宽1 m的走道。采用塑料软管灌水, 用水表计量灌水量, 每次灌水按照试验设计的定额水量进行灌溉, 水表出口接有自制的多孔塑管以保证小区内灌溉均匀。施肥采用直接撒播方式, 氮源为尿素(含氮46.4%)。施肥分为两次, 即灌溉前施肥, 每次根据试验设计定额只施入一半, 两次施入定额设计总量。

1.3 指标测定

株高、单株分枝数和茎叶比的测定: 在紫花苜蓿初花期(2015年6月15日)进行取样, 每小区在距小区边缘超过1 m的地方随机选择20株植株, 用卷尺测定其自然高度, 然后用手轻轻抛开选定植株地表土壤, 以主根为基础记录其枝条的一级分枝数。20株植株的平均高度和平均分枝数作为该小区紫花苜蓿植株的平均株高和单株分枝数。之后, 将植株齐地刈割, 分离茎和叶(花序包含至叶内), 带回实验室在105 ℃烘箱内杀青15 min, 然后在70~80 ℃烘至恒重称重, 20株的平均叶茎比作为植株叶茎比。

地上和地下生物量测定: 在测定完株高和单枝分株数后, 在每个小区采用对角线法选择3个0.5 m× 0.5 m的样方, 收获其地上生物量, 然后将其带回实验室在105 ℃下杀青30 min, 75 ℃下烘至恒重后称重。用小土铲挖土柱, 每20 cm取样(土和根的混合物), 直至60 cm深, 每个样先用0.5 mm的网筛过筛, 然后将其放在双层纱布内洗净, 剔除杂物, 获取根系样品。实验室内用滤纸吸干根系表面的水分, 将其放入盛有一定水量的量筒内, 并用玻璃棒轻轻搅动, 排除水中空气, 此时量筒内水分升高的体积, 即为紫花苜蓿根系体积。将根系样品放在75 ℃烘箱中, 烘24 h, 冷却后称重, 即为各层根系的干重。

叶茎比计算公式为:

叶茎比=叶的生物量/茎的生物量 (1)

灌溉水利用效率计算公式为:

灌溉水利用效率(kg·hm-2·mm-1)=地上生物量(kg·hm-2)/灌水量(mm) (2)

1.4 统计分析

将灌溉量和施氮量作为变量, 采用SPSS19.0软件进行Two-Way ANOVA方差分析, 采用Duncan比较法进行多重比较分析, 采用MATLAB建立水氮互作对地下生物量和水分利用效率效应的二元回归模型。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对紫花苜蓿地上生物量和植物学特征的影响

灌溉量与施氮量的交互作用明显影响了紫花苜蓿株高和单株分枝数, 分别在W2N2和W2N3处理最大, 但对紫花苜蓿地上生物量及叶茎比没有显著影响。灌溉量对紫花苜蓿株高、单株分枝数和地上生物量产生明显影响(表1), 但对叶茎比没有显著影响, 具体表现为灌溉量为W1处理植株株高和单株分枝数均显著小于W2和W3处理(<0.05), W2和W3间差异不显著, 而地上生物量随灌溉量的增加呈先增加后降低的变化趋势, 在W2时达最高。施氮量对紫花苜蓿单株分枝数和叶茎比产生显著影响, 而对株高和地上生物量没有显著影响, 表现为施肥量N2和N3处理的单株分枝数显著大于N1处理, 叶茎比表现为随着施氮量逐渐增加呈现先升高后降低的趋势, N3处理的叶茎比最大, 而N1、N2和N4处理叶茎比之间差异不显著(<0.05)。

表1 水氮互作对紫花苜蓿地上生物量和植物学特征的影响

W1: 当地灌溉量的60%; W2: 当地灌溉量的80%; W3: 当地灌溉量, 1 920 m3·hm-2; N1: 0 kg(N)∙hm-2; N2: 40 kg(N)∙hm-2; N3: 80 kg(N)∙hm-2; N4: 120 kg(N)∙hm-2。*和**分别表示该处理在0.05和0.01水平具有显著效应, ns则表示该因素不具显著效应; 不同小写字母表示不同灌溉处理间差异显著(<0.05), 下同。W1: 60% of the conventional irrigation amount; W2: 80% of the conventional irrigation amount; W3: the conventional irrigation amount, 1 920 m3∙hm-2; N1: 0 kg(N)∙hm-2; N2: 40 kg(N)∙hm-2; N3: 80 kg(N)∙hm-2; N4: 120 kg(N)∙hm-2. * and ** indicate significance at 0.05 and 0.01 level, respectively; ns indicates no significance. Different lowercase letters indicate significant differences among irrigation treatments at 0.05 level. The same below.

2.2 水氮互作对紫花苜蓿根系的影响

2.2.1 对根系体积的影响

灌溉量和施氮量交互作用明显影响了不同土层紫花苜蓿根系体积(表2), 其中0~20 cm和0~60 cm根系体积在W2N2处理达最高(<0.05), 20~40 cm在W2N1和W2N2处理达最大值(0.05), 40~60 cm根系体积在W2N2和W2N3达最大值(<0.05)。单因素条件下, 灌溉量明显影响了20~40 cm、40~60 cm和0~60 cm土层紫花苜蓿根系体积, 但对0~20 cm土层根系体积没有显著影响, 表现为随灌溉量增加, 20~ 40 cm、40~60 cm和0~60 cm根系体积均为先增加后降低的变化趋势(<0.05), 灌溉量为W2时最大。施氮量明显影响了紫花苜蓿根系体积, 其中20~40 cm土层紫花苜蓿根系体积随施氮量增加具有降低趋势, 施氮量为N4时的根系体积显著小于其他施氮量, 而其他土层紫花苜蓿根系体积均随施氮量增加表现为先增加后降低, 最大值出现于N2或N3处理(<0.05)。

2.2.2 对根系生物量的影响

灌溉量、施氮量以及两者间的交互作用均明显影响了不同土层紫花苜蓿的根系生物量(表3)。其交互作用使0~20 cm、20~40 cm、0~60 cm土层根系生物量在W2N3处理达最高, 而40~60 cm土层根系生物量在W3N2处理达最大。0~20 cm、20~40 cm、40~ 60 cm和0~60 cm土层根系生物量均随灌溉量增加呈增加态势, 其中20~40 cm、40~60 cm和0~60 cm土层根系生物量在W2和W3间差异不显著, 但W2和W3处理的根系生物量却显著大于W1处理的根系生物量。随施氮量增加, 不同土层生物量基本表现为先增加后降低的变化趋势, 最大值出现于N3。

2.3 水氮互作对紫花苜蓿地上和地下生物量比的影响

灌溉量与施氮量交互作用显著影响紫花苜蓿地上和地下生物量比(表4)。在灌溉和施氮交互作用的影响下, 各土层地上和地下生物量比均在W2N3处理达最大。灌溉量对紫花苜蓿地上和地下生物量比没有明显影响, 但施氮量显著影响了紫花苜蓿地上和地下生物量比, 随施氮量增加, 不同土层地上和地下生物量比均表现为先增加后降低的趋势, 其中施肥量为N3时的地上和地下生物量比显著大于其他施肥量处理(<0.05)。

表2 水氮互作对紫花苜蓿不同土层根系体积的影响

表3 水氮互作对紫花苜蓿地下生物量的影响

续表

处理Treatment地下生物量 Underground biomass (g·m-3) 0~20 cm20~40 cm40~60 cm0~60 cm 灌溉量×施氮量Irrigation amount × nitrogen application rate W2N1407.3±49.4c424.9±45.4abc304.9±17.0cdef1 137.0±107.8cdef N2485.9±36.3bc363.7±40.8cde363.7±40.8abcd1 213.3±114.6cde N3795.0±43.1a513.5±26.6a410.7±26.7ab1 719.1±57.2a N4604.3±44.7b381.0±40.9bcde335.7±15.7bcdef1 321.0±96.5bcd W3N1439.7±17.3c285.2±17.1de344.4±43.5abcde1 069.3±39.1def N2588.4±26.7b500.6±46.6a426.5±20.3a1 515.6±75.8ab N3498.8±45.0bc500.7±27.0a367.4±37.8abcd1 367.0±90.5bc N4488.4±33.5bc498.8±44.9a380.3±20.3abc1 368.0±96.4bc 显著性Sig.*******

表4 水氮耦合对紫花苜蓿地上和地下生物量比的影响

2.4 水氮互作对紫花苜蓿水分利用效率的影响

灌溉量、施氮量及其交互作用均显著影响了紫花苜蓿的水分利用效率(图1)。两个因子的交互作用影响下, 紫花苜蓿水分利用效率在处理W2N3时达最高。随着灌溉量增加, 紫花苜蓿水分利用效率总体呈先增加后降低的变化态势, 在W2时达最大(<0.05); 随施氮量增加, 紫花苜蓿水分利用效率呈先升高后降低的趋势, 在施氮量为N3时达最高(<0.05)。

IA: 灌溉量; NAR: 施氮量; IA´NAR: 灌溉量和施氮量交互作用。 IA: irrigation amount; NAR: nitrogen application rate; IA´NAR: interaction between irrigation amount and nitrogen application rate.

2.5 水氮互作与紫花苜蓿地下生物量和水分利用效率的关系

2.5.1 灌溉量和施氮量与地下生物量的关系

地上生物量()与灌溉量(1)、施氮量(2)的二元二次多项式拟合的数学模型为=-4 091+6.7551+ 9.0012-0.002 0912-0.000 412-0.060 2422,检验时,=0.000 032,2=0.8, 说明灌水量、施氮量与紫花苜蓿地下生物量具有极其显著回归关系。12的一次项系数均为正值, 说明灌溉量和施氮量对紫花苜蓿地下生物量均具有明显增产作用, 且2系数1系数, 表明在一定含水量范围内施氮的增产效应大于灌水的增产效应。1222的二次项系数均为负值, 说明紫花苜蓿随灌溉量和施氮量增加呈一条开口向下的抛物线, 存在报酬递减规律(图2a), 说明一定灌水条件下, 随施氮量增加紫花苜蓿地下生物量先增加后降低, 而一定施氮条件下, 随灌水量增加紫花苜蓿地下生物量亦呈先增加后降低的趋势, 因此紫花苜蓿最高地下生物量出现在W2N3。

2.5.2 灌溉量和施氮量与水分利用效率的关系

水分利用效率()与灌溉量(1)、施氮量(2)的数学拟合方程为=-148.36+2.1941+0.032 92-0.006 912-0.000 1812-0.000 1522,检验时,=0.000 041,2=0.98, 说明灌水量、施氮量均与紫花苜蓿的水分利用效率呈极显著回归关系。12的一次项系数均为正值, 表明灌溉量和施氮量均能够增加紫花苜蓿的水分利用效率, 且1系数>2系数, 表明在一定施氮量范围内灌水提高紫花苜蓿水分利用效率的效应大于施氮的效应。1222的二次项系数均为负值, 说明紫花苜蓿随灌溉量和施氮量增加呈一条开口向下的抛物线(图2b)。在灌水一定的条件下, 随施氮量增加紫花苜蓿水分利用效率先增加后降低; 在施氮量一定条件下, 随灌水量增加紫花苜蓿水分利用效率呈先增加后降低的趋势, 紫花苜蓿最高水分利用效率出现在W2N3。

3 结论和讨论

河西走廊乃至西北内陆河流域紫花苜蓿生产不仅受水资源短缺的影响, 而且受土壤肥力的影响[17-18]。随着河西走廊逐渐成为甘肃省乃至全国紫花苜蓿生产的重点区域[15,19], 如何通过较低的灌溉量和施肥量维持紫花苜蓿正常产量成为高效利用自然资源、且不降低经济收益的重要科学问题。研究结果表明, 虽然灌溉量没有明显影响紫花苜蓿叶茎比、0~20 cm土层紫花苜蓿的根系体积、地上和地下生物量比; 但其显著影响了紫花苜蓿株高、单株分枝数、地上生物量, 以及20~40 cm、40~60 cm、0~60 cm土层的根系体积、根系生物量和水分利用效率。说明灌溉量通过影响地上生物量而影响单位面积产值[20], 并通过影响深层根系分布而影响紫花苜蓿利用较深土壤层资源的能力[21]。W2(灌溉量为当地灌溉量的80%)和W3(当地灌溉量)处理紫花苜蓿株高、单株分枝数和地上生物量差异不明显, 但W2却显著增加了土壤深层紫花苜蓿的根系体积, 提高了水分利用效率, 说明采用当地灌溉量的80%水量时, 就能够维持紫花苜蓿栽培草地的正常产量, 主要原因是增加了根系利用土壤深层资源的能力, 提高了紫花苜蓿的水分利用效率, 因此当地管理紫花苜蓿栽培草地时常用的灌溉量过大, 客观上造成水资源浪费。但当紫花苜蓿灌溉量为当地灌溉量的60%时, 紫花苜蓿地上产量及构成要素、根系生物量和体系均显著降低, 说明此时已经对紫花苜蓿的正常生长形成水分胁迫, 从而抑制了紫花苜蓿的生产[22], 水分利用效率也很低。因此仅从灌溉量的角度, 河西走廊当地管理紫花苜蓿栽培草地时, 其采用的灌溉量较正常需求过大, 适当地降低紫花苜蓿灌溉量(节省20%的灌溉量)就能实现紫花苜蓿节水而不减产的目的。

研究结果表明, 紫花苜蓿单株分枝数、叶茎比、根系体积、根系生物量、地上和地下生物量比和水分利用效率均随施氮量增加先增加后降低, 说明紫花苜蓿根系发育能力和水分利用效率对氮的响应均存在剂量效应, 表现为施氮量为N3[80 kg(N)∙hm-2]时最大, 说明80 kg(N)∙hm-2可考虑为当地的最适宜施氮量。最适施氮量能够促进紫花苜蓿叶片[23]和根系[24]的生长, 提高紫花苜蓿叶片光合生产能力和水分利用能力, 并通过增加紫花苜蓿根系而提高其摄取养分和水分的能力[25], 且有助于紫花苜蓿将光合产物更多地分配于地上。当研究地区的施氮量低于80 kg(N)∙hm-2时, 土壤养分供给能力较低[26], 紫花苜蓿叶片生长和根系发育受阻, 迫使光合能力和水分利用效率降低[24], 而当施氮量超过80 kg(N)∙hm-2, 土壤供给的可利用氮盈余, 紫花苜蓿根系从较小范围内吸收的氮量就能满足其生长需求, 因而导致根系自身发育能力减缓, 这从施氮量为120 kg(N)∙hm-2和80 kg(N)∙hm-2时紫花苜蓿根系集中分布层(20~40 cm)根系体积和生物量差异不显著得到佐证。

灌溉和施肥具有一定的协同效应[27-28], 这是因为适当施氮能够改善土壤的理化性质, 提高土壤的通气性, 有助于溶入水中的氮在土壤中转移和运输, 从而加快氮素固定和矿化[29]。然而当施氮量和灌溉量不匹配时, 过量施肥会提高土壤水势, 易使紫花苜蓿遭受水分胁迫, 影响其生长, 而当土壤水分过大时, 土壤中的硝态氮会因淋洗而部分损失, 形成氮素供给不足[30]。研究结果表明在W2N2[灌溉量为当地灌溉的80%, 施氮量为40 kg(N)∙hm-2]或W2N3[灌溉量为当地灌溉的80%, 施氮量为80 kg(N)∙hm-2]时, 紫花苜蓿株高、单株分枝数、根系体积、0~20 cm、20~40 cm和0~60 cm根系生物量、水分利用效率和地上生物量与地下生物量比值达最优。这是因为适宜的水氮互作会增加叶片气孔导度, 增强紫花苜蓿光合速率和水分利用效率[31]: 一方面通过促进植物根系发育, 增强根系的吸水功能, 提高作物水分利用效率[32]; 另一方面, 提高土壤水分的有效性, 使一部分原来对紫花苜蓿生长“无效”的水变得“有效”[33]。紫花苜蓿的地上生物量通常作为人们获取的目标产物, 是植物初级生产力的最终表现, 而根系生物量的积累是植物在地下获取资源能力的直接表达方式之一, 较强的根系发展能力, 能吸收更多的营养元素和水分能力, 从而提高紫花苜蓿地上生物量, 提高地上生物量与地下生物量比值和水分利用效率是紫花苜蓿实现高产高效的基础。灌溉量和施肥量与紫花苜蓿根系生物量模拟关系, 灌溉量和施肥量与紫花苜蓿水分利用效率的模拟关系, 均表现为一条开口向下的抛物线, 说明灌溉量和施肥量均存在报酬递减规律, 只有在适当灌溉量和施肥量条件下, 紫花苜蓿地上地下生物量配置和水分利用效率才能最符合经营管理目标。河西走廊适宜的灌溉量为当地农民灌溉的80%和施氮量为80 kg(N)∙hm-2, 此时紫花苜蓿水分利用效率和地上地下生物量比值配置最优。

综上所述, 灌溉量、施氮量, 以及两者互作均明显影响了紫花苜蓿地下生物量和水分利用效率。当施入一定量的氮肥后, 采用比当地正常灌溉水平较低的灌溉量可维持与正常灌溉水平下紫花苜蓿地下生物量, 即灌溉量为当地灌溉水平80%、氮肥施入量为80 kg(N)∙hm-2, 地上生物量与地下生物量比值和水分利用效率最高, 整体上证明了水肥互作能够降低紫花苜蓿栽培草地管理中的灌溉量和施肥量, 从而实现节约灌溉和减少生产施肥成本的目标。

本研究已发现适宜的水氮互作能够提高第1茬紫花苜蓿水分利用效率, 但水氮互作条件下是否能够影响第2茬紫花苜蓿植株性状、产量以及水分利用效率, 有待进一步研究。

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Effects of water and nitrogen fertilizer on biomass distribution and water use efficiency of alfalfa () in Hexi Corridor*

FENG Meng1,YU Cheng1, LIN Liguo2, WU Dongqiang1, SONG Rui2, LIU Huixia2**

(1. State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems / College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China; 2. College of Life Science and Engineering, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, China)

Alfalfa () has high nutritional quality and biomass production and is widely used as pasture in animal production and soil erosion control. There are many factors influencing the production of alfalfa, including fertilizer and water use. The applications of both nitrogen and irrigation have been the critical factors for improving water use efficiency without considerable yield reduction in alfalfa. Thus the determination of a reasonable application of nitrogen andirrigation is important for the optimization of biomass distribution characteristics and improvement of water use efficiency in alfalfa fields in Hexi Corridor. To that end, a field study was conducted in 2014 in Jiuquan City (in the Hexi Corridor of Gansu Province, China) to research the effects of different irrigation amounts (W1: 60% of the conventional irrigation amount; W2: 80% of the conventional irrigation amount; W3: the conventional irrigation amount, 1 920 m3·hm-2) and nitrogen application rates [N1: 0 kg(N)∙hm-2; N2: 40 kg(N)∙hm-2; N3: 80 kg(N)∙hm-2; N4: 120 kg(N)∙hm-2] on biomass distribution characteristics and water use efficiency of 2-year alfalfa plantations. The study investigated the effects of nitrogen application, irrigation and the related interaction on alfalfa plant height, branch number per plant, leaf-stem ratio, root volume, root biomass, aboveground- belowground biomass ratio and water use efficiency. The results suggested that W2and W3treatments significantly increased plant height, branch number per plant and aboveground biomass. It also increased root biomass, root volume in 20-40 cm, 40-60 cm and 0-60 cm soil layer and water use efficiency. Moreover, plant height, branch number per plant and aboveground biomass were not obviously different between W2and W3treatments. This suggested that 80% of the conventional irrigation scheme not only maintained normal biomass production in alfalfa plants, but also improved water use efficiency. Branch number per plant, leaf-stem ratio, root volume, root biomass, aboveground-belowground biomass ratio and water use efficiency initially increased and then decreased with increasing nitrogen application. These parameters peaked under the treatment of 80 kg(N)∙hm-2nitrogen, which suggested that nitrogen application significantly influenced root development and water use efficiency of alfalfa plants. Besides this, W2N2or W2N3treatments had the potential to optimize plant height, branch number per plant, root volume and belowground biomass in the 0-20 cm, 20-40 cm and 0-60 cm soil layers. The ratio of aboveground to belowground biomass and water use efficiency was also optimized under W2N2or W2N3treatments. It was concluded that 80% of the conventional irrigation amount and 80 kg(N)∙hm-2of nitrogen application were the optimal treatment for alfalfa pasture in Hexi Corridor.

Water-nitrogen interaction; Hexi Corridor; Alfalfa; Yield components; Water use efficiency

10.13930/j.cnki.cjea.160449

S541.9

A

1671-3990(2016)12-1623-10

2016-05-16 接受日期: 2016-09-08

* 甘肃省科技重大专项项目(2013GS05907)和兰州大学中央高校基本科研业务费(lzujbky-2014-m01)资助

**通讯作者:刘慧霞, 主要研究方向为草业科学。E-mail: liuhuixia2@aliyun.com 冯萌, 主要研究方向为草业科学。E-mail: fengm15@lzu.edu.cn

* Supported by the Key Science and Technology Project of Gansu Province (2013GS05907) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Lanzhou University (lzujbky-2014-m01)

** Corresponding author, E-mail: liuhuixia2@aliyun.com

Received May 16, 2016; accepted Sep. 8, 2016