水氮互作对河西走廊紫花苜蓿品质的影响

文雅，张静，冯萌，郭正刚

(兰州大学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，兰州大学草业科学国家级实验教学示范中心，兰州大学农业部草牧业创新重点实验室，甘肃 兰州 730020)

紫花苜蓿(Medicagosativa)具有品质优良的特点和肥田沃土的功能[1]，是北方地区奶业乃至集约化畜牧业发展重要的物质基础，成为我国北方地区栽培最为广泛的草种[2]。据《全国苜蓿产业规划(2016-2020)》统计，2015年我国紫花苜蓿保留面积大约471万hm2，已在甘肃河西走廊、内蒙古科尔沁草地和宁夏河套灌区形成三大种植基地。随粮改饲、绿色发展、乡村振兴和生态文明建设的有序推进，紫花苜蓿种植面积还会不断扩大。然而北方大多数地区紫花苜蓿的正常生长发育需要灌溉维持[3]，这必将加剧北方地区水资源亏缺的窘境。虽然紫花苜蓿根系具有生物固氮的能力，但1龄和2龄紫花苜蓿根系因不易形成根瘤而导致其固氮能力较弱[4]。因此氮素添加和灌溉是北方地区1龄和2龄紫花苜蓿维持正常生长发育的重要条件[5]。

水和肥是一对联动因子，两者之间合理配置时能形成协同效应，促进植物生长，而当两者之间配置不合理时，则会演变为拮抗效应，严重威胁植物生长[6]。土壤含水量适宜时能够促进土壤中氮素的运移及转换，而土壤氮素含量满足紫花苜蓿生长需求时，能够一定程度上弥补水分缺少对紫花苜蓿生长的不利影响[7-8]，因此水氮耦合不仅能够提高紫花苜蓿利用资源的效率，而且能够节约灌溉量。水氮合理配置时能显著提高紫花苜蓿水分利用效率和优化地上地下生物量配置[9]，然而紫花苜蓿地上生物量转化为动物性产品时，不仅与产量高低有关系，而且与品质和相对饲用价值密切相关[10]。牧草品质往往采用粗蛋白、粗纤维、粗脂肪含量等指标测度，而相对饲用价值取决于饲草料中的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量[11-12]。水氮合理配置能否改善紫花苜蓿的品质和相对饲用价值，尚需要科学试验提供证据。因此，本试验通过研究2年生紫花苜蓿在不同灌溉量和施氮量交互作用下的品质和相对饲用价值的变化特征，旨在为紫花苜蓿产业的可持续发展提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河西走廊中段的甘肃农垦集团生地湾农场(98°34′-98°41′ E, 40°13′-40°17′ N)，地处巴丹吉林沙漠边缘，南接沙漠丘陵，东西毗邻戈壁荒漠。气候为典型温带大陆性气候，平均海拔1260 m，平均降水量和蒸发量分别为64.8和2336.6 mm，平均日照总时数3193.2 h，≥10 ℃有效积温3292 ℃，平均温度9.1 ℃，最冷月(1月)均温-8.9 ℃，最热月(7月)均温24.5 ℃。土壤类型为沙壤土质，其有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为10.11 g·kg-1、37 mg·kg-1、4 mg·kg-1和278 mg·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1供试材料 供试材料为2年生紫花苜蓿栽培草地，种植品种为“亮苜二号”。栽培草地建植于2014年5月5日，种植时没有接种根瘤菌。氮源为尿素(含氮46.4%)，灌溉水为当地农民和企业常用灌溉紫花苜蓿的水，来自黑河。

1.2.2试验设计 试验设计为双因素设计，两个因素分别为灌溉量和施氮量，其中灌溉量为主因素，施氮量为副因素。灌溉量分别为117(1170 m3·hm-2)、156(1560 m3·hm-2)和192 mm(1920 m3·hm-2)3个水平，分别用W1、W2、W3表示，其中W1为当地常规灌溉量的60%，W2为当地常规灌溉量80%, W3为当地常规灌溉量(当地农户和企业的灌溉量)。施氮量(纯氮)设置4个水平，分别为0(N1)、40(N2)、80(N3)和120 kg·hm-2(N4)。共计12个处理，即W1N1、W1N2、W1N3、W1N4、W2N1、W2N2、W2N3、W2N4、W3N1、W3N2、W3N3、W3N4，每个处理重复3次，共计36个小区。小区采用完全随机区组排列，小区面积100 m2(10 m×10 m)，小区之间设置宽1 m的隔离带，以减小氮素和水分侧向移动对试验结果的影响。灌溉时采用塑料软管灌水，塑料软管顶端装置水表，控制灌水量，水表出口接有自制的多孔塑料管，以保证小区均匀灌溉。建植当年紫花苜蓿栽培草地产量不稳定，因此2015年(2龄)开始水氮互作处理。试验期间共计灌溉2次，分别为返青期和分枝期，施肥采用直接撒播方式，每次灌溉前1 d施肥，每次施设计肥料的1/2。各小区管理方式和当地农户保持一致，采用人工除杂。

1.2.3取样和指标测定 采用对角线法在每个小区随机选择0.5 m×0.5 m的样方3个，样方位置离小区边距离超过1 m，收割地上生物量，现场迅速称其鲜重，然后从中收集150 g新鲜样品，其余样品带回实验室105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在75 ℃烘至恒重后称其重量。150 g新鲜样品先用自来水冲洗，再用去离子水冲洗干净，用粗滤纸擦干，于烘箱中105 ℃杀青15 min后，将温度调至65 ℃，恒温下烘48 h，然后将其粉碎，采用40目(0.45 mm)筛过滤，用于测定紫花苜蓿的品质指标[4]。样方生物量包括150 g用于测定品质的部分。

粗蛋白质采用半自动凯式定氮仪测定，粗脂肪含量测定采用ANKOM2000索氏抽提法，粗灰分含量测定采用干灰化法，纤维含量(粗纤维：crude fiber，CF；中性洗涤纤维：neutral detergent fiber，NDF；酸性洗涤纤维：acid detergent fiber，ADF)测定采用ANKOM2000纤维分析仪。

水分利用效率(water use efficiency，WUE)=地上生物量/灌水量，单位为kg·hm-2·mm-1

1.2.4相对饲用价值测定 相对饲用价值(relative feeding value, RFV)用干物质采食量(dry matter intake, DMI)和可消化干物质(digestible dry matter, DDM)计算，方法如下[13]：

RFV=DMI(%BW)×DDM(%DM)/1.29
DMI(%BW)=120/NDF(%DM)
DDM(%DM)=88.9-0.779×ADF(%DM)

式中：% BW是DMI的单位；% DM是NDF，ADF和DDM的单位。

1.3 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行Two-Way ANOVA方差分析。若单个因素显著影响紫花苜蓿测定指标，则用Duncan比较法进行多重比较分析；若灌溉量和施肥量交互作用显著，则用Matlab建立紫花苜蓿各项测定指标与灌溉量和施肥量之间的二元回归模型。

2 结果与分析

2.1 紫花苜蓿的生物量及水分利用效率

灌溉量显著影响紫花苜蓿地上生物量及其水分利用效率(P<0.01)，而施氮量、灌溉量和施肥量交互作用仅显著影响水分利用效率(P<0.01)(表1)。灌溉量为当地常规灌溉量60%时(W1)的地上生物量显著小于灌溉量为常规灌溉量80%时(W2)和常规灌溉量时(W3)的地上生物量(P<0.05)，但W2和W3间的地上生物量差异不显著(P>0.05)；W2的水分利用效率显著大于W3(P<0.05)，而W1又显著小于W3的水分利用效率(P<0.05)；随施氮量增加，紫花苜蓿水分利用效率呈现降低趋势，但氮素添加量为0(N1)和40 kg·hm-2(N2)之间差异不显著(P>0.05)。

水分利用效率(Y)与灌溉量(X1)、施氮量(X2)呈极显著回归关系，其拟合方程为Y=-148.36+2.194X1+0.0329X2-0.0069X12-0.00018X1X2-0.00015X22(R2=0.98)，X1和X2的一次项系数表明灌溉量和施氮量增加均能增加紫花苜蓿水分利用效率，且灌溉提高紫花苜蓿水分利用效率的效应要大于施氮效应，

表1 水氮互作对紫花苜蓿地上生物量和水分利用效率的影响Table 1 Effects of water-nitrogen interaction on shoot biomass and water use efficiency of alfalfa

注：*, **分别表示该处理在0.05和0.01水平具有显著效应；ns则表示该处理不是显著效应，不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P<0.05)，下同。

Notes: *, ** indicates significant at 0.05 and 0.01 level, respectively; ns means no significance; Different letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 levels， the same below.

而X12和X22的二次项系数说明紫花苜蓿水分利用效率随灌溉量和施氮量增加呈一条开口向下的抛物线(图1)，水分利用效率最高的组合为灌溉量为常规灌溉量80%和施氮量为80 kg·hm-2的组合(W2N3)。

图1 水氮互作下紫花苜蓿水分利用效率曲面图Fig.1 Surface charts of water use efficiency of alfalfa under water-nitrogen interaction

2.2 紫花苜蓿的品质

灌溉量、施氮量以及交互作用对粗蛋白、粗纤维、粗脂肪和粗灰分的影响存在一定差异，其中灌溉量显著影响粗蛋白质和粗脂肪含量(P<0.01)，施氮量显著影响粗蛋白(P<0.05)和粗灰分含量(P<0.01)，而交互作用仅显著影响粗蛋白含量(P<0.05)(表2)。随灌溉量从W1增至W3，粗蛋白质先增加后降低趋势，而粗脂肪呈现增加趋势(P<0.05)。随施氮量增加，紫花苜蓿粗蛋白和粗灰分均呈现先增加后降低趋势，且在N3时最大(P<0.05)。

紫花苜蓿粗蛋白含量(Y)与灌溉量(X1)和施氮量(X2)间呈现出极显著的回归关系，二元二次多项式拟合数学模型为Y=-13.79+0.0225X1+0.1253X2-7.433X12-2.664X1X2-0.0006X22(R2=0.8)，说明灌溉量和施肥量对紫花苜蓿粗蛋白含量均具有明显递增作用，一定含水量范围内施氮的增产效应大于灌水的增产效应。X12、X22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表现一条开口朝下的抛物线(图2)，紫花苜蓿粗蛋白含量在W2N3时达到最高。

2.3 紫花苜蓿的相对饲用价值

灌溉量和施氮量对紫花苜蓿中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和相对饲用价值均具有显著影响(P<0.01)，但两者交互作用仅对中性洗涤纤维和相对饲用价值具有显著影响(P<0.01)(表3)。紫花苜蓿中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和相对饲用价值在W1时显著小于W2和W3(P<0.05)，W2和W3之间差异不显著。随着施氮量增加，紫花苜蓿中性洗涤纤维表现为增加趋势，而酸性洗涤纤维与相对饲用价值表现为先增加后降低趋势(P<0.05)。

紫花苜蓿中性洗涤纤维(Y)与灌溉量(X1)和施氮量(X2)存在较为显著的回归关系，其二元二次多项式拟合方程式为：Y=4.978+0.0425X1+0.2917X2-0.9048X12-0.0001X1X2-0.0003X22(R2=0.7)，X1和X2的系数表明灌溉和施肥量对紫花苜蓿中性洗涤纤维含量均具有明显增加作用， 一定含水量范围内施氮量增产效应大于灌溉量的增产效应，而X12和X22的系数说明紫花苜蓿随灌溉量和施氮量增加中性洗涤纤维含量图呈一条开口向下的抛物线，存在报酬递减规律(图3a)，中性洗涤纤维最大值出现在W1N3。

表2 水氮互作对紫花苜蓿品质的影响Table 2 Effects of water-nitrogen interaction on quality of alfalfa (%)

相对饲用价值(Y)与灌溉量(X1)和施氮量(X2)呈极显著回归关系，拟合方程为Y=-183.96+0.3725X1+0.6936X2-0.0001X12+0.0001X1X2-0.0054X22(R2=0.8)，X1和X2的系数说明灌溉量和施氮量均能够增加紫花苜蓿的相对饲用价值，一定灌溉量范围内施氮提高紫花苜蓿相对饲用价值的效应大于灌溉的效应。而X12和X22的系数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3b)，相对饲用价值最大值出现在W2N2。

表3 水氮互作对相对饲用价值的影响Table 3 Effects of water-nitrogen interaction on relative feeding value of alfalfa (%)

图2 水氮互作下紫花苜蓿粗蛋白含量的曲面图Fig.2 Surface charts of crude protein content of alfalfa under water-nitrogen interaction

图3 水氮互作下紫花苜蓿中性洗涤纤维(a)和相对饲用价值(b)曲面图Fig.3 Surface charts of neutral detergent fiber (a) and relative feeding value (b) of alfalfa under water-nitrogen interaction

3 讨论

3.1 水氮互作对河西走廊紫花苜蓿产量和水分利用效率的响应

水肥是紫花苜蓿栽培草地管理的关键因子[14]。合理施肥和精准灌溉能够提高紫花苜蓿栽培草地的产量[2,7]，增加种植者的收益，固定更多的碳[15]。本研究表明，当灌溉量为常规灌溉量80%时，并没有显著降低紫花苜蓿地上生物量，而且提高了紫花苜蓿水分利用效率，而灌溉量为常规灌溉量60%时，紫花苜蓿地上和水分利用效率均显著降低，说明采用常规灌溉量80%的用水量，就能够满足紫花苜蓿正常生产的需求，主要原因是适当水分胁迫刺激了紫花苜蓿根系的发育[2]，其可以从更广范围内吸收水分和养分[16]，满足紫花苜蓿生长的需求，从而实现节约水资源的目标，但水分过少时，紫花苜蓿生长则会遭受严重限制，这与Guo等[3]研究结果一致。虽然紫花苜蓿地上生物量对施氮量没有明显的响应，但水分利用效率却存在一定的剂量效应，当施氮量小于80 kg·hm-2时，紫花苜蓿水分利用效率变化不大，而超过80 kg·hm-2时，紫花苜蓿水分利用效率显著降低，主要原因是水氮互作对紫花苜蓿水分利用效率影响为开口向下的抛物线，说明并不是氮肥越多，灌溉量越大，紫花苜蓿水分利用效率越高，灌溉量一定的条件下，随施氮量增加紫花苜蓿水分利用效率先增加后降低；施氮量一定的条件下，随灌溉量增加紫花苜蓿水分利用效率呈先增加后降低的趋势，只有水氮配置为W2N2(灌溉量为当地灌溉的80%，施氮量为40 kg·hm-2)或W2N3(灌溉量为当地灌溉的80%，施氮量为80 kg·hm-2)时，水分利用效率较优，此时氮肥有明显调水作用，且灌溉量有明显调肥作用，适宜水氮互作通过促进植物根系发育，增强根系的吸水功能[17]，使紫花苜蓿获取更多养分和水分[18]，且能够降低叶水势，提高水分利用效率[19]，使一部分原来对植物生长“无效”的水变得“有效”，因此从资源高效利用和紫花苜蓿产量维持角度，水氮互作一定程度上能够减少紫花苜蓿栽培草地管理中的灌溉量和施肥量，实现不减产且节约灌溉量和减少施肥成本的目标。

3.2 水氮互作对河西走廊紫花苜蓿品质和相对饲用价值的响应

紫花苜蓿作为优质饲料，其栽培草地管理不仅要关注产量高低，还要关注其品质和转化为动物性产品的性能[20]。当灌溉量为常规灌溉量80%时，不仅提高了粗蛋白质含量，而且能维持粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量稳定，其中粗脂肪与牧草适口性密切相关[13]，而中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维与牧草消化率密切相关[21]，这说明常规灌溉量80%的灌溉量既能提高紫花苜蓿的品质，又能维持紫花苜蓿的适口性和消化率，从而提高了紫花苜蓿的相对饲用价值。随施氮量增加，紫花苜蓿粗蛋白、酸性洗涤纤维含量和相对饲用价值均表现为先增加后降低趋势，而中性洗涤纤维则呈现增加的趋势，说明氮对紫花苜蓿品质影响可能存在剂量效应，只有添加适量氮素才能增加紫花苜蓿品质和相对饲用价值。

水氮互作条件下，紫花苜蓿粗蛋白、中性洗涤纤维含量和相对饲用价值与施氮量和灌溉量的关系为二元多项式，呈开口向下的抛物线，说明一定灌溉量条件下，随施氮量增加紫花苜蓿粗蛋白、中性洗涤纤维含量和相对饲用价值先增加后降低，一定施氮条件下，随灌水量增加紫花苜蓿粗蛋白、中性洗涤纤维含量和相对饲用价值亦呈先增加后降低的趋势，并没有出现粗蛋白含量随着施氮量和灌溉量增加而增加的现象，说明水氮只有在耦合最好的状态时提高紫花苜蓿的品质。粗蛋白含量、相对饲用价值和中性洗涤纤维与灌溉量和施氮量的拟合方程中，施氮量系数大于灌溉量系数，说明氮对紫花苜蓿品质和相对饲用价值的贡献率要大于灌溉量对紫花苜蓿品质和相对饲用价值的贡献率。虽然水氮互作显著影响了中性洗涤纤维含量，但对酸性洗涤纤维含量没有显著影响，导致相对饲用价值最大的水氮组合和中性洗涤纤维最小的水氮组合并不一致，主要原因是相对饲用价值不仅受中性洗涤纤维含量响应，还受酸性洗涤纤维含量的影响。因此水氮合理配置不仅能够优化地上地下生物量配置[9]，还能提高紫花苜蓿水分利用效率，更能提高紫花苜蓿品质和相对饲用价值。

4 结论

河西走廊紫花苜蓿栽培草地施肥和灌溉的最佳水平为W2N2(灌溉量为当地灌溉的80%，施氮量为40 kg·hm-2)或W2N3(灌溉量为当地灌溉的80%，施氮量为80 kg·hm-2)。研究证实了紫花苜蓿水分利用效率、品质和相对饲用价值与施氮量和灌溉量之间表现为二元二次多项式关系，其中一次项系数为正，二次项系数为负，说明虽然灌溉量和施氮量对紫花苜蓿水分利用效率、品质和相对饲用价值具有正向作用，但存在报酬递减规律，即只有合理的施氮配置才能提高紫花苜蓿水分利用效率、品质、相对饲用价值。