寒旱荒漠地区不同灌水处理对紫花苜蓿生长与产量 的影响

曹 彪， 何建村， 白云岗

(新疆水利水电科学研究院， 新疆 乌鲁木齐 830049)

作为一种优质、高产、抗旱、适应性强的饲料作物[1-2]，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)在我国人工草地得到大面积种植[3]。正常生长的紫花苜蓿茎叶繁茂，需水量很大[4]，所以通过节水灌溉生产方式，提高水分利用效率，是发展人工草地的必然选择。其中，浅埋式滴灌是增加产量、降低用水量的一种有效灌溉方式[5-6]。针对浅埋式滴灌条件下，紫花苜蓿生长特性、水肥耦合、滴灌带布设，国内外学者进行了大量试验研究[7-12]。但是随着不同地区气候环境、土壤类型、水文地质以及海拔高度等条件变化，牧草耗水量也不同。寒旱荒漠地区一般具有干燥少雨、蒸发强烈、土壤肥力差、有机质含量低、昼夜温差大和干旱灾害频发的特点。很多牧区或农牧交错区位于寒旱荒漠地区，因此针对寒旱荒漠地区紫花苜蓿浅埋式滴灌灌溉制度开展试验研究，对于干旱荒漠地区退耕还草和人工草地合理开发利用具有重要意义。

灌水定额和灌水周期是作物节水灌溉研究的两个重要指标[13]。本文通过分析灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿各生育期株高、茎粗、干物质的作用效应，揭示灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿生长的影响机理；结合不同试验处理对紫花苜蓿产量的影响，统筹确定灌水周期和灌水定额合理组合，从而确定干旱荒漠地区紫花苜蓿最佳的灌溉制度。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年4—10月在阿勒泰地区青河县境内的阿苇灌区实施。青河县阿苇灌区位于准葛尔盆地东北部，阿勒泰山东南麓，试验区地理坐标为46°25′30″ N，90°04′01″ E。试验区气候属于大陆性温带寒温带气候，高山高寒、空气干燥，冬季漫长寒冷、风势较大，夏季酷热、年降雨量小、蒸发量大。当地极端最低气温为-53℃，最高气温为36.5℃，年平均气温1.3℃；年均降水量189.1 mm，蒸发量1 367 mm；无霜期平均为103 d，2016年试验区终霜日是5月19日，始霜日出现在9月17日。土壤质地为沙土，土壤容重为1.74 g·cm-3，土壤田间持水量为13.3%。表1为阿苇灌区各层土壤颗粒粒径组成，根据土壤质地分类标准，试验区土壤80 cm以上部分为轻砾石粗砂土，80～100 cm为中砾石粗砂土。试验地土壤粘粒含量较少，以粗沙、细沙为主，说明该地土壤孔隙多、粘性小，土壤通气透水性强，蓄水保肥能力较差，容易受到干旱侵袭。

表1 试验区土壤物理性状Table 1 The soil physical properties in experimental zone

1.2 试验设计

试验苜蓿是2012年8月10日播种的紫花苜蓿，品种名为‘阿尔冈金’(Poapretensis‘Algomguin’)，采用播种开沟铺带一体机一次性完成播种、铺设滴灌管带、开沟覆土，苜蓿行距为30 cm，播种量为52.5 kg·hm-2。播种当年 8月19日开始出苗，当年未收割，第二年的返青率达92%。毛管采用大禹节水集团股份有限公司生产的可以防负压的内镶贴片式滴灌带，滴头流量2.0 L·h-1，滴灌带埋深5～8 cm，毛管间距60 cm，毛管布置如图1所示。试验设3个灌水定额300 m3·hm-2，375 m3·hm-2，450 m3·hm-2；3个灌水周期6 d，9 d，12 d，共9个处理，重复一次，试验各处理的设计及对应的灌水量如表2所示。每个试验小区长30 m左右，宽2.4 m。试验约定灌水周期内单次降水大于15 mm，灌水周期延长3 d；单次降水大于20 mm，下一次灌水顺延4 d；单次降水大于30 mm，下一次灌水顺延6 d。第一茬苜蓿生育期内5月17日出现降雨最大值，单次有效降雨为8.8 mm；第二茬苜蓿生育期内8月2日出现降雨最大值，单次有效降雨5.2 mm，因此降雨未对试验计划产生影响。试验区地下水位较深，紫花苜蓿全生育期可视为无地下水补给。试验各处理分别在分支期和现蕾期统一随水施磷酸二氢钾10 kg·mu-1和尿素5 kg·mu-1。由于试验区位于高寒荒漠地区，所以紫花苜蓿全年收割两茬，第一茬于6月20日刈割，第二茬在9月5日刈割。

图1 毛管布置示意图Fig.1 The sketch of lateral layout

表2 试验设计Table 2 The design of experiment

试验处理Treatment灌水周期Irrigation cycle/d灌水定额Quota of irrigating water/m3·hm-2灌溉定额Irrigation quotas/m3·hm-2第一茬 First cutting第二茬Second cutting合计TotalW116300240033005700W126375300041257125W136450360049508550W219300180021003900W229375225026254875W239450270031505850W3112300120018003000W3212375150022503750W3312450180027004500

1.3 测定指标及方法

在每个小区内按“S”型曲线随机选取具有代表性的10株苜蓿，每隔10 d测一次苜蓿株高、茎粗。株高在现蕾期前为从茎的最基部到最上叶顶端的距离，现蕾期后为从茎的最基部到穗顶端的距离；茎粗是用游标卡尺量茎的最基部，东西、南北两方向各测1次，取平均值。产量采用样方法测定，各试验处理在每个生育期末，以1 m2为一个样方，留茬高度5 cm左右，在每个处理小区随机选取3个样方，用镰刀割取样方内苜蓿，称重测定鲜草产量。同时在各个样方中随机取3个500 g左右鲜草样带回实验室105°杀青，65℃烘干24 h至恒重，计算干湿比，换算出干草产量。

1.4 数据分析

试验数据采用 Excel 2007软件进行整理和制图，采用 SPSS 18.0进行数据统计分析和差异显著性检验，差异显著性分析采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 灌水定额对紫花苜蓿生长动态的的影响

灌水周期分别为6 d，9 d，12 d，不同灌水定额紫花苜蓿株高、茎粗动态生长过程如图2所示。由图中株高、茎粗变化速率趋势可知，紫花苜蓿分枝后期，现蕾期生长较快，返青期和开花期生长较缓慢。灌水周期为6 d时，第一茬紫花苜蓿灌水量越小，植株越高，W11株高均值达80.2 cm；第二茬紫花苜蓿，则较大灌水量，有利于植株生长，W12和W13株高均值均达68.2 mm。灌水周期为6 d的三个试验处理植株生长整体差异较小，茎粗表现为灌水量越小，茎粗越大的规律；灌水周期为9 d时，试验结果整体呈灌水量越大，植株生长越快的规律。株高生长在分枝后期开始表现出差异，并且随着生育天数的增加，紫花苜蓿植株生长差别越来越显著。紫花苜蓿整个生育期的株高和茎粗生长速率W23>W22>W21；灌水周期为12 d时，紫花苜蓿的生长速率W33>W32>W31，亦即灌水量越大，植株生长越快。但生育后期3个处理均表现出缺水现象，植株普遍矮小，W32部分植株、W31几乎全部植株出现叶片萎蔫等症状，这是由于灌水较少，灌水量不能满足作物生长需要，加之植株体内水分散失，导致第二茬紫花苜蓿开花期茎粗下降。可见，灌水量能够显著影响紫花苜蓿的地上生物量[14]，适宜的灌水量能够促进植株的生长，提高紫花苜蓿的生产性能。

2.2 灌水周期对紫花苜蓿生长动态的的影响

灌水定额分别为300 m3·hm-2，375 m3·hm-2，450 m3·hm-2，不同灌水周期紫花苜蓿株高、茎粗动态生长过程如图3所示。灌水定额在300 m3·hm-2的情况下，紫花苜蓿生长速度W11>W21>W31，且灌水周期为6 d的处理从分枝期开始株高和茎粗均高于灌水周期9 d和12 d的试验处理，说明高频率小水量的灌溉有利于紫花苜蓿的生长。当灌水定额为375 m3·hm-2时，紫花苜蓿株高、茎粗生长速度W12>W22>W32，表现出频率越高的灌水处理，苜蓿植株生长的越好，但主要是在紫花苜蓿分枝后期差异显著，说明灌水定额为375 m3·hm-2时，紫花苜蓿在分枝前期和返青期适当延长灌水周期，分枝后期缩短灌水周期。当灌水定额达到450 m3·hm-2时，紫花苜蓿株高生长速度W13>W23>W33，但W13和W23差异不明显。说明灌水定额为450 m3·hm-2时，灌水周期为6 d和9 d的试验处理对比，株高差异不大，但是灌水周期为9 d时更有利于紫花苜蓿茎粗的生长。综上所述，紫花苜蓿适宜的灌水方式可以通过合理安排灌水周期和灌水定额来实现，即延长灌水周期、相应提高灌水定额，或是降低灌水定额、相应缩短灌水周期，通过寻找合理的灌溉周期和灌水定额组合，达到节水增产的效果。

图2 灌水量对紫花苜蓿株高、茎粗的影响Fig.2 Effects of irrigation amount on plant height and stem diameter of alfalfa

2.3 灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿生长的影响

根据试验植株调查，紫花苜蓿整个生育期各生育阶段划分如表3所示。牧草的产量主要是茎叶产量，通过紫花苜蓿植株变化速率可以衡量其生物量累积的快慢。植株变化速率可以由株高、茎粗以及干物质的变化定量进行分析。对株高和茎粗变化速率以及各生育阶段干物质积累量进行方差分析，方差分析采用F检验的方法，差异性检验值如表4所示。

图3 灌水周期对紫花苜蓿株高、茎粗的影响Fig.3 Effects of irrigation cycle on plant height and stem diameter of alfalfa

表3 紫花苜蓿各生育期划分Table 3 The growth period division of alfalfa

紫花苜蓿第一茬返青期株高受灌水周期和灌水定额交互作用影响极显著(P<0.01)，株高在分枝期、孕蕾期、初花期均受灌水周期影响极显著(P<0.01)，在孕蕾期和初花期受灌水定额影响极显著(P<0.01)。灌水周期在分枝期对紫花苜蓿茎粗影响极显著(P<0.01)，在孕蕾期影响显著(P<0.05)。灌水定额对茎粗在孕蕾期影响极显著(P<0.01)，在返青期和初花期影响显著(P<0.05)。灌水周期和灌水定额的交互作用对孕蕾期和初花期茎粗影响非常显著(P<0.01)；干物质在返青期受灌水周期和灌水定额影响不大，在孕蕾期受灌水周期和灌水定额单独和交互影响均极显著(P<0.01)，在初花期和分枝期受灌水周期和灌水定额单独作用影响极显著(P<0.01)，受灌水周期和灌水定额的交互作用影响显著(P<0.05)；灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿第二茬生长的影响与第一茬基本相同，但由于紫花苜蓿第二茬在7月份返青，生长阶段温度较高，第二茬受灌水周期和灌水定额的影响与第一茬还表现出不一样的特点。第二茬紫花苜蓿返青期受灌水周期和灌水定额单独影响极显著(P<0.01)，干物质受灌水定额影响显著(P<0.05)。与第一茬紫花苜蓿不同，分枝期株高受灌水周期和灌水定额影响不显著，茎粗受灌水定额影响显著，干物质受灌水定额和灌水周期影响非常显著。第二茬紫花苜蓿现蕾期温度较高，更有利于生殖生长，第二茬紫花苜蓿现蕾期株高和茎粗受灌水周期和灌水定额影响均不显著，干物质受灌水定额影响显著，受灌水定额和灌水周期交互影响不显著。第二茬紫花苜蓿开花期株高受灌水周期影响显著，干物质受灌水周期和灌水定额交互影响不显著。

表4 灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿各生育期生长指标影响主体间效应检验Table 4 Intersubjective effect test of effects of irrigation cycle and irrigation quota on growth index of alfalfa in different growth stages

注：sig<0.01表示极显著，sig<0.05表示显著

Note：Sig<0.01 indicates very significant difference, Sig<0.05 indicates significant difference

2.4 不同水分处理对苜蓿产量的影响

第一茬紫花苜蓿返青主要受上一年度降雪影响，所以各处理土壤含水率初始水平基本相同。试验区紫花苜蓿约在4月底开始返青，5月3日第一次灌水，6月18日结束灌水，第一茬灌水历时45 d，第二茬7月3日开始灌水，9月2日结束灌水，灌水历时61 d。

表5为不同水分处理下紫花苜蓿干、湿重及显著性比较。最高鲜、干重的试验处理灌水周期均为6 d。第一茬紫花苜蓿中W13鲜草产量最高，鲜重为39 653 kg·hm-2，W12干草产量最高，干重为10 254 kg·hm-2。鲜重最大的不一定干重最高，主要是受干湿比的影响。灌水周期6 d时，灌水量多的干湿比反而小，W12干湿比为0.31，而W13干湿比仅为0.23。第二茬紫花苜蓿中W13鲜、干重最大，鲜重为32 783 kg·hm-2，干重为8 916 kg·hm-2。灌水周期为6 d的试验处理，鲜重均随灌水量增加而增大，但第一茬差异显著，第二茬差异不显著，而且第二茬耗水要比第一茬多，这是由于干旱荒漠地区第二茬紫花苜蓿生长阶段温度较高，蒸发蒸腾强烈。第一茬紫花苜蓿干重W11W12，说明灌水周期为6 d时，灌水定额从300 m3·hm-2增加到450 m3·hm-2，紫花苜蓿干物质积累呈先增大后减小的规律。当灌水周期为9 d和12 d时，W21W21>W31，W12>W22>W32，W23>W33，说明当灌水周期大于9 d时，高频率灌溉有利于紫花苜蓿干、湿重的提高。但是由第一茬干重W13

表5 不同试验处理紫花苜蓿的产量及显著性比较Table 5 Comparison of yield and significance of alfalfa under different treatments

注：同列不同小写字母表示不同处理差异显著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters within the same column indicate significate difference at the 0.05 level

2.5 紫花苜蓿的优化灌溉制度

优化灌溉制度是为了获取最大的经济效益，通过充分利用牧草植物体对缺水具有的抗逆特性，合理确定其不同生育期灌水量和灌水时间，制定具有节水、增产、高效益的灌水模式[18-20]。通过2016年紫花苜蓿的灌溉试验，同时结合当地降雪对土壤水分的供应，第一茬紫花苜蓿返青期合理灌水制度为灌水定额300 m3·hm-2左右，灌水周期9 d，在温度允许的条件下，第一次灌水可适当提前，以加快紫花苜蓿的返青速度。紫花苜蓿分枝期灌水周期对其株高和茎粗影响显著，宜采用高频率中水量的灌溉方式，即灌水周期6 d，灌水定额为375 m3·hm-2，以促进紫花苜蓿植株生长。紫花苜蓿现蕾期生长受灌水周期和灌水定额影响非常显著，所以采用高频率大水量的灌溉方式，即灌水周期6 d，灌水定额450 m3·hm-2。开花期采用中频率大水量的灌溉方式，主要是因为高频率灌水紫花苜蓿干湿比较低，不利于干物质的形成。紫花苜蓿第一茬灌水约8次，总灌水量约为3 075 m3·hm-2左右。第二茬紫花苜蓿返青期和分枝期选择灌水周期6 d，灌水定额为300 m3·hm-2的组合有利于植株的生长；现蕾期选择灌水周期6 d，灌水定额375 m3·hm-2的灌水组合既有利于植株生长又利于紫花苜蓿生物量积累；初花期可以延长灌水周期，以提高刈割时紫花苜蓿干湿比，因此选择灌水周期为9 d，灌水定额450 m3·hm-2的灌水组合。紫花苜蓿第二茬灌水约10次，总灌水量为3375 m3·hm-2。

3 讨论与结论

寒旱荒漠地区，气候干冷，温度回升缓慢，全年无霜期较短，试验区紫花苜蓿刈割两茬。由于整个生育期气象不同，紫花苜蓿第一茬和第二茬最佳灌水周期和灌水量组合不完全相同，紫花苜蓿第一茬灌水量约为3 075 m3·hm-2。第二茬灌水量约为3 375 m3·hm-2。全年总灌水量约为6 450 m3·hm-2，这与郭学良等[21]研究成果基本一致。

2014-2015年试验设计的灌溉周期分别为5 d，10 d，15 d，灌水定额分别为225 m3·hm-2，300 m3·hm-2， 375 m3·hm-2，结果为灌水周期为5 d的处理产量高于灌水周期10 d和15 d的试验处理。而灌水周期为10 d时，虽然灌水量越大，产量越高，但灌水定额为375 m3·hm-2的试验处理，产量也只有灌水周期为5 d和灌水定额225 m3·hm-2试验处理的68.7%，因此可以确定试验区灌水周期应该介于5 ～10 d。通过2016年紫花苜蓿的灌溉试验，紫花苜蓿经过优化的灌水频次为：第一茬灌水约8次，第二茬灌水约10次，灌水周期介于6 ～9 d，灌水定额在300～450 m3·hm-2。本文提出的灌水定额和灌水频次均较高，主要是由于试验区苜蓿种植时播种量较大，且每年返青率较高，紫花苜蓿耗水量较大，最终产量也较高。苜蓿虽然是多年生深根系作物，但是当存在较为严重的土壤障碍因子时，紫花苜蓿根系入土深度常可浅至不足1 m，一般不超过2 m[22]，而且紫花苜蓿根系生物量在0～30 cm土层的分布比例在60%～90%之间[23-24]，在0～30 cm土层土壤水分变化也是最活跃的区域[21]。所以小水量高频次的滴灌既可以减少土壤深层渗漏又避免地面积水过多，更加有利于根系对水分的吸收，提高水分的有效利用率。郭学良等[21]和李茂娜等[25]亦提出适当的增加灌水频次，可以节水增产。

通过对株高和茎粗变化速率以及各生育阶段干物质积累量进行方差分析，灌水周期和灌水量对不同生育阶段的紫花苜蓿株高、茎粗和干物质积累量影响程度各不相同。说明紫花苜蓿适宜的灌水方式可以通过合理安排灌水周期和灌水定额，即增大灌水周期、提高灌水定额，或者缩短灌水周期、减小灌水定额，达到节水增产的效果。

高频率灌水促进紫花苜蓿生长，有利于鲜物质的积累，但生长后期紫花苜蓿植株水分含量较高，干湿比较低，不利于紫花苜蓿干物质的最终形成。因此干旱缺水地区，紫花苜蓿在生育后期可通过在浅埋式滴灌方式下延长灌水周期，增加灌水定额，以提高紫花苜蓿产量。