苜蓿草田地下滴灌适宜冬灌量

杜建民,王占军,俞鸿千,季 波

(宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，宁夏 银川 750002)

冬灌可有效改善越冬作物越冬期和返青期的土壤温度和水分条件[1-2]，对多年生牧草生长发育尤其是第一茬草的生长具有促进作用[3]，是北方具有灌溉条件苜蓿草田越冬期常规的水分管理措施。在传统漫灌条件下，苜蓿草田冬灌在越冬前深灌一次即可，灌水量多在1 500 m3·hm-2，保证土壤封冻前地表湿润即可[4]。地下滴灌作为一种新兴的高效节水技术，具有自动化程度高、降低地表湿度并防止深层渗漏的优点[5]，利于作物早熟和越冬并提高产量品质[6]，其栽培苜蓿较常规灌溉增产近40%[7]，在苜蓿饲草生产中得到了推广应用。

目前，关于苜蓿草田生长季地下滴灌灌溉制度方面已开展了大量研究，仝炳伟等[8]提出了宁夏扬黄灌区苜蓿地下滴灌灌溉制度，张松等[9]对内蒙古毛乌素沙地苜蓿地下滴灌布设及灌溉关键技术参数进行了研究并提出优化灌溉制度，但非生长季苜蓿草田越冬期土壤水分变化及冬灌适宜灌水量研究较少。孙洪仁等[10]和许翠平等[11]利用Penman-Monteith公式根据多年气象数据分别推求了阿鲁科尔沁旗及北京地区苜蓿冬灌量；姚江华[12]对不同灌水和覆盖时间对苜蓿越冬率及田间温、湿度影响进行研究，但就冬灌引起农田水热变化和适宜冬灌量方面未做探讨。本研究以宁夏农垦茂盛草业有限公司地下滴灌苜蓿为试材，进行冬灌灌水量调控试验，以越冬期土壤水热变化和返青期苜蓿越冬率、分枝数等生长指标及第一茬草产量的监测为依据，对地下滴灌灌水方式下苜蓿冬灌适宜灌水量进行评价，以期为指导大田冬灌提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在宁夏农垦茂盛草业有限公司试验地开展，地处贺兰山东麓，属贺兰山冲积扇平原，地理位置38°30′～38°39′N，105°32′～106°9′E，海拔1 108～1 405 m，温带大陆性气候，干旱少雨，日照充足，年均气温8.5℃，年均日照时数3 000 h，多年平均降雨量150～202 mm，无霜期150 d左右[13-14]。试验地土壤类型为淡灰钙土，0～20 cm土层土壤主要理化性状为：pH8.73，全盐1.25 g·kg-1，有机质12.81 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全氮0.61 g·kg-1，碱解氮22.44 mg·kg-1，速效磷49.45 mg·kg-1，速效钾80.18 mg·kg-1，1 m土层土壤田间持水量25.83%(体积含量)，1 m土层土壤容重1.47 g·cm-3，试验地地下水埋深2.8 m，一般年份冻土层深度在60 cm左右，冻土层最深达到88 cm[15-16]。具备灌溉条件。

1.2 试验设计

试验于2017年苜蓿冬灌时开展，采取单因素随机区组设计，设4个冬灌灌水量处理，分别为600 m3·hm-2(处理T1)、900 m3·hm-2(处理T2)、1 200 m3·hm-2(处理T3)，以传统漫灌冬灌量1 500 m3·hm-2为对照(CK)，3次重复。供试苜蓿为皇冠，3 a生,2015年机械条播，各处理在种植前完成地下滴灌的田间布设，采用内镶贴片式滴灌管(内径16 mm，壁厚0.6 mm，滴头间距30 cm，额定流量1.6 L·h-1，额定工作压力0.1 MPa)，滴灌管布设间距60 cm，埋深15 cm，小区面积6 m×10 m=60 m2，各小区四周留1 m宽隔离带并埋设1.6 m深防渗膜，各小区安装水表单独计量灌水量。于2017年11月14日开始冬灌，为避免单次灌水量过大造成田间积水，各处理灌水3次间隔2 d，各处理单次灌水量为设计量的1/3，至11月20日冬灌结束。2018年苜蓿返青后各处理生产管理同常规。

1.3 调查指标及方法

1.3.1 越冬率 在苜蓿草田2017年第4茬收获后新植株生长出5 cm左右，在各试验小区内选取并固定3个1 m2样点，调查各样点内成活的苜蓿植株数；于2018年4月8日苜蓿返青期结束(株高≥5 cm)时，在各小区固定样点内调查成活的苜蓿株数。越冬率[17]按下式计算：

越冬率(%)=返青后样方内成活株数/上年度样方内成活株数×100

1.3.2 土壤含水量测定及贮水量计算 于2017年11月20日冬灌结束后2 d(11月22日)和2018年春季土壤解冻(0～100 cm土层土壤日均温≥0℃)后的3月9日、3月19日、3月29日和4月8日用土钻对各处理0～100 cm(以20 cm为1层)土层取样，采用烘干法计算土壤水分质量百分含量，并按下式计算各土层土壤贮水量：

Wi=Wi质×pi×hi×150×0.667

式中,Wi为第i层土壤贮水量(m3·hm-2)；Wi质为第i层土壤质量含水量(%)；pi为第i层土壤容重，取值见表1；hi为第i层土层厚度(m)。试验区地下水埋深2.8 m以下，按照《灌溉试验规范SL13-2015》[18],地下水埋深大于2.5 m时地下水补给可忽略不计。

表1 试验地各土层土壤容重/(g·cm-3)

1.3.3 气温及土壤温度测定 试验地气温采用Adcon-Ws自动气象站对距地面2 m处气温进行监测，数据收集步长为30 min，取其日均值进行分析；土壤温度采用EM50数据采集器连接5TE传感器进行自动测量，数据收集步长为30 min，5TE传感器于2017年11月冬灌前埋设于各处理土壤10、30、50、70 cm和90 cm土层处，取各土层各时间点地温平均值作为当日0～100 cm土层地温平均值进行分析。

1.3.4 测产 于2018年第一茬苜蓿初花期的5月26日，在各处理小区内随机选取1 m2样方进行人工刈割，重复3次，留茬高度5 cm左右，刈割后立即进行鲜样称重，取500 g左右鲜样风干测干草产量，计算干鲜比。

1.4 数据分析

采用隶属函数法对试验监测数据进行综合评价，与返青期苜蓿生长呈正相关的越冬率、一级分枝数、返青期耗水量和第一茬草产量用公式(1)计算隶属函数值，与返青期苜蓿生长呈负相关的越冬期耗水量用公式(2)计算。隶属函数值的计算公式为：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，R(Xi)为第i处理某项指标的隶属函数值，Xi为第i处理某项指标测定值，Xmin和Xmax分别为各处理某项指标的最小值和最大值。

利用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2007进行试验数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同冬灌量对苜蓿草田越冬期和返青期地温的影响

由图1知，试验地2 m处日均气温在2017年11月22日至2018年4月8日观测的138 d内，呈先下降后上升的过程，自11月22日冬灌结束后虽有波动但整体呈逐步下降趋势，至观测的第68天(2018年1月28日)日均气温达最低值-16.95℃，后逐渐回升，至观测的第86天(2018年2月15日)日均气温达-0.03℃后2 m处日均气温均高于0℃。

从各处理0～100 cm土层平均地温的变化来看(图1、表2)，自11月22日冬灌结束至11月26日，受不同灌水量影响，各处理平均地温下降程度不同，且随灌水量增加降幅增大；而自11月27日开始，随灌水量增加各处理平均地温降幅变小，以CK平均地温下降最为缓慢，灌水量最低的T1处理平均地温下降最快，在12月12日T1处理0～100 cm土层平均地温降至-0.41℃，最先进入冻融期，而T2、T3及CK进入冻融期时间不同程度有所延迟。在本试验冬灌灌水量条件下，各处理冻融期历时随灌水量的增加而缩短，其中T3和CK均历时6 d，低于其它各处理。进入冻结期，各处理平均地温差异极小，随灌水量的增加0～100 cm土层平均地温略有升高，随冬灌量的增加冻结期历时缩短，在观测76 d(2月5日)后，受气温升高的影响各处理平均地温逐渐增加，至2月26日CK冻结期结束，历时51 d，3月2日T2和T3处理冻结期结束，分别历时63 d和61 d，T1在3月6日冻结期结束，历时67 d。受3月份气温回升较快影响，地温上升较快，各处理随冬灌量增加消融期历时增加，但消融末期逐步提前。

图1 试验地2 m处气温及各处理0～100 cm土层地温变化(2017-11-22—2018-04-08)Fig.1 Change of average soil temperature in 0～100 cm underground and air temperature at 2 m

表2 苜蓿草田越冬期各处理0～100 cm土层冻融状况

进入返青期(3月9日—4月8日)，冬灌量最低的T1处理0～100 cm土层地温平均值波动大于其它各处理，而冬灌量最多的CK处理0～100 cm土层地温平均值在相同时间点均低于T2和T3处理，T2和T3处理间土壤温度曲线几乎重合。

2.2 不同冬灌量对苜蓿草田越冬期和返青期土壤贮水量变化的影响

由表3知，冬灌结束后，各处理0～100 cm土层内土壤贮水量与灌前相比，T1增加580.94 m3·hm-2，T2增加855.97 m3·hm-2，T3增加1 144.23 m3·hm-2，CK增加1 498.68 m3·hm-2，分别占其冬灌量的96.82%、95.11%、95.35%和99.91%，各处理冬灌水下渗深度随冬灌量增加而逐步增加，但均未下渗到100 cm以下土层。

苜蓿草田自冬灌后至翌年春季3月9日土壤消融结束的越冬期内，各处理受土壤热量状况不同而引发冻融期、冻结期和消融期历时差异，表层土壤水分蒸发及深层土壤水分运移不同，导致各处理随冬灌量的增加0～100 cm土层内土壤贮水消耗量逐步增加，其中T1在此阶段的耗水量为53.70 m3·hm-2，T2为102.95 m3·hm-2，T3为301.5 m3·hm-2，CK为469.16 m3·hm-2，分别占其冬灌量600、900、1 200 m3·hm-2和1 500 m3·hm-2的8.95%、11.44%、25.13%和31.28%；同时，在苜蓿草田越冬期内，各处理0～60 cm土层内土壤贮水均为下降状态，且以40～60 cm土层耗水量最高，而在60～100 cm土层内土壤贮水变化表现不一，T1和T2贮水量增加，但增幅随冬灌量增加而下降，T3和CK贮水量下降，且随冬灌量增加降幅增大。

在3月9日土壤消融期结束至4月8日的苜蓿返青期内，T1 在0～100 cm土层内土壤贮水量呈先下降后上升过程，在3月29日达最低值1 606.12 m3·hm-2，而T2、T3和CK在0～100 cm土层内土壤贮水量呈下降、上升再下降的3段式变化过程，在3月29日0～100 cm土层内土壤贮水量分别达到苜蓿返青期内最高值；各处理0～20 cm土层内土壤贮水量变化趋势相同，均呈先下降后上升再下降的过程，而20～100 cm土层土壤贮水量变化不一。整体来看，各处理在苜蓿返青期始末，0～100 cm土层内土壤贮水量均呈消耗状态，其中T1耗水量为212.87 m3·hm-2，T2为248.55 m3·hm-2，T3为186.78 m3·hm-2，CK为145.60 m3·hm-2，分别占其冬灌量的35.48%、27.62%、15.57%和9.71%，在返青期结束时，各处理0～100 cm土层内土壤贮水量随冬灌量增加而增大。

表3 各处理苜蓿冬灌至返青期0～100 cm土层土壤贮水状况

在苜蓿草田冬灌结束至苜蓿返青的整个时间段内，各处理0～100 cm土层贮水量在相同时间点均随冬灌量的增加而增加，但土壤水分消耗量也随冬灌量的增加而增加，其中T1耗水量为266.56 m3·hm-2，T2为351.51 m3·hm-2，T3为488.28 m3·hm-2，CK为614.77 m3·hm-2，分别占其冬灌量的44.43%、39.06%、40.69%和40.98%。

2.3 不同冬灌量处理对苜蓿返青及第一茬干草产量的影响

由表4知，各处理苜蓿越冬率为CK>T3>T2>T1，以CK的93.3%±3.1%为最高值，与其它各处理差异达显著水平，以T1处理的87.3%±3.0%为最低值，T1与T2处理间差异不显著。各处理随冬灌量的增加苜蓿越冬率逐步增加且呈线性相关，其回归方程为y=2.04x+84.95,决定系数R2=0.984，如图2所示。

图2 越冬率与冬灌量的相关性分析Fig.2 Relativity between overwintering rate and winter irrigation amount

各处理一级分枝数随冬灌量的增加呈先增加后下降的趋势，见表4，以T2处理的7.62±0.28个·株-1分枝数最高，CK处理的7.28±0.76个·株-1为最低值，但各处理间分枝数差异达不到显著水平。不同冬灌量对苜蓿第一茬干草产量影响较大，试验各处理第一茬干草产量大小为：CK>T3>T2>T1，以CK的9061.65±187.5 kg·hm-2为最高值，与T3处理的产量8 741.25±146.7 kg·hm-2间差异不显著，但与T2和T1处理间产量差异达显著水平，以T1处理的7 303.35±153.15 kg·hm-2为最低值，且与其它各处理间差异达显著水平。对冬灌量与第一茬干草产量进行回归分析，其回归方程为y=-0.002x2+6.94x+4065,决定系数R2=0.97,见图3，表明在试验取值范围内，随冬灌量的增加第一茬干草产量逐步增加，按照方程预测，在冬灌量为1 735 m3·hm-2时，第一茬干草理论产量达最高值10 085.45 kg·hm-2。

表4 不同冬灌量对苜蓿返青及第一茬草产量的影响

注：不同字母表示各处理在0.05水平下差异显著。

Note: Different letters indicate significant difference among different treatments at 0.05 level.

图3 冬灌量与第一茬干草产量回归分析Fig.3 Regression analysis relativity between hay yields of first stubble and winter irrigation amount

2.4 不同冬灌灌水量对苜蓿返青及第一茬草产量影响的综合评价

如表5所示，各处理隶属函数平均值排列顺序为：T2>T3>T1>CK，以T2的0.756为最高值，说明冬灌灌水量900 m3·hm-2为最优处理，有利于苜蓿草田越冬和返青生长，提高冬灌灌溉水利用效率。

表5 不同冬灌量处理苜蓿越冬、返青及第一茬草生长状况隶属函数值

3 讨 论

冬灌是北方季节性冻融地区提高苜蓿越冬率和缓解春旱、促进幼苗生长发育的主要农业措施之一。在冬灌后冻融期土壤水热的运移变化是非常复杂的[19]。本研究表明，在冬灌结束土壤水热状况经过短暂平衡后，受气温大幅下降的影响，各处理土壤温度逐渐下降，由于水分热容量大于土壤[20]，导致灌水量多的处理地温下降缓慢，冻结期出现的时间随灌水量的增加而出现迟滞，这与刘姗姗[21]的研究结论相同；在进入冻结期后，冰的出现使土壤导热能力提升[22]，各处理0～100 cm土层平均温度随灌水量的增加而升高，致使随灌水量的增加冻结期缩短，灌水量最高的处理冻结期历时51 d，比灌水量最低的处理冻结期缩短16 d，这与曹鹭[23]研究认为土壤温度随灌水量的增加在冻结阶段升高且冻结期缩短的结论相一致；而在消融期随灌水量增加土壤温度增加趋缓，这与刘秀位等[24]的研究结论相一致，但消融期结束时间随灌水量增加而提前。

在土壤水分变化方面，本研究认为苜蓿越冬期土壤水分消耗量随冬灌量的增加而增加，在冬灌后至冻融末期，0～100 cm土层土壤平均温度≥0℃，土壤水分在温度梯度和重力作用下不断蒸发和向下扩散，随冬灌量增加各处理土壤温度下降趋缓而使得冻结期出现推迟，导致0～100 cm土层土壤贮水消耗量同冬灌量呈正比；进入冻结期后，气温低蒸发弱，土壤水分的耗损很小,这与刘帅等[25]的研究结论相一致；进入消融期，土壤温度的升高和消融期持续时间长短均与灌水量呈正相关，土壤自上而下逐渐解冻，土壤水由固相变为液相，下渗水分受未解冻土层截留而滞留在冻结带锋面上方[26]，致使土壤墒情增加[27]，土壤水分通过蒸发逐渐消耗，且消耗量随冬灌量增加而增加。在整个越冬期内，各处理在0～60cm土层内土壤贮水均为消耗状态，且以0～20 cm土层耗水量最高[28]。在苜蓿返青期土壤水分变化方面的研究少见报道。

在苜蓿冬灌适宜灌水量方面，本研究通过隶属函数法对不同灌水量下苜蓿越冬及返青生长状况进行综合评价，确定了900 m3·hm-2为试验区苜蓿草田的最优冬灌量，这与孙洪仁等[10]和许翠平等[11]利用Penman-Montieth公式推求的阿鲁科尔沁旗及北京地区苜蓿冬灌量分别为990 m3·hm-2和850 m3·hm-2的结论略有差异，可能是由试验区域土壤持水状况或气象环境条件不同造成的。

4 结 论

1)在地下滴灌灌溉条件下，苜蓿草田不同冬灌灌水量对0～100 cm土层土壤水热状况影响差异明显，冬灌后，各处理随灌水量的增加土壤温度下降趋缓，冻融期出现推迟且历时变短；在冻结期，0～100 cm土层平均温度随灌水量的增加而略有降低，导致随灌水量的增加冻结期缩短；消融期历时较短，各处理相差在1～4 d之间，且随冬灌量增加消融期逐步提前。

2)在苜蓿越冬期内，随冬灌量的增加各处理0～100 cm土层内土壤贮水消耗量逐步增加，T1为53.70 m3·hm-2，T2为102.95 m3·hm-2，T3为301.50 m3·hm-2，CK为469.16 m3·hm-2，分别占其冬灌量的8.95%、11.44%、25.13%和31.28%，各处理在0～60 cm土层内土壤贮水均呈消耗状态，且以40～60 cm土层耗水量最高；在苜蓿返青期内，各处理0～100 cm土层内土壤贮水消耗量T1为212.87 m3·hm-2，T2为248.55 m3·hm-2，T3为186.78 m3·hm-2，CK为145.60 m3·hm-2，分别占其冬灌量的35.48%、27.62%、15.57%和9.71%。

3)在本试验条件下，越冬率和第一茬草产量与冬灌量呈正相关关系，一级分枝数则随冬灌量的增加呈先增加后下降的趋势，以T2的7.62±0.28个·株-1分枝数为最高值，但各处理间差异未达到显著水平。采用隶属函数法对不同冬灌灌水量下苜蓿草田越冬率、一级分枝数、第一茬草产量、越冬期和返青期耗水量进行综合评价，结果表明在宁夏灌区苜蓿草田地下滴灌冬灌灌水量为900 m3·hm-2时，最有利于提高冬灌灌溉水利用效率和改善苜蓿草田越冬、返青状况。