再生水灌溉对紫花苜蓿产量和品质的影响

曹玉钧，田军仓, 2, 3，沈晖, 2, 3，闫新房, 2, 3

再生水灌溉对紫花苜蓿产量和品质的影响

曹玉钧1，田军仓1, 2, 3*，沈晖1, 2, 3，闫新房1, 2, 3

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021）

【】探究再生水灌溉不同因素对紫花苜蓿产量和品质的影响。通过三因素三水平正交试验，利用极差分析和方差分析，研究了再生水灌溉不同因素的主次顺序、显著性、各因素影响趋势及最优组合。灌溉定额对紫花苜蓿株高、茎粗、一级分枝数、干草产量、粗脂肪、粗纤维、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、相对饲喂价值、氮、磷、钾和钙影响显著（<0.05），灌水水质对粗灰分影响显著（<0.05），灌水技术因素和灌水水质因素对其他指标影响不显著。综合灌溉定额、灌水技术及灌水水质对紫花苜蓿生长、产量及品质的影响，最优组合为A3B2C1，与参考组合一致。在生育期降雨量为113.5 mm时，采用再生水灌溉定额为2 280 m3/hm2，灌水技术为地下滴灌，灌水水质为再生水，灌水定额为240 m3/hm2、灌溉次数为9次，为当地再生水灌溉水质、灌溉制度与灌水技术的最优组合（A3B2C1），该组合产量高，品质好，重金属量远小于国家标准。这为宁夏地区推广再生水灌溉紫花苜蓿提供了理论依据。

生活再生水；紫花苜蓿；灌水技术；灌溉制度；地下滴灌

0 引言

【研究意义】紫花苜蓿（L.）是分布较为广泛、产草量高、饲草营养价值高的优良豆科牧草，是发展畜牧业、加强生态建设、发展人工绿地不可缺少的主要牧草之一[1-3]。近年来，宁夏干旱地区紫花苜蓿种植面积持续扩大，水资源已成为制约苜蓿生产的一个重要因素。再生水是一种稳定可靠的水资源，通过适当的资源化处理，已应用于绿化灌溉等领域[4-8]。但是再生水灌溉农作物和紫花苜蓿研究较少。因此，开展宁夏地区生活再生水高效节水灌溉紫花苜蓿研究，对该地区缓解农业水资源危机、降低水环境污染和促进绿色发展具有重要意义[9-12]。【研究进展】再生水灌溉苜蓿已有一定的研究。王晋兴等[13]采用盆栽试验研究表明，与清水灌溉相比，再生水灌溉可以明显提高苜蓿的株高和侧枝数水平；长期灌溉各灌溉水质对苜蓿叶茎比的影响不显著。张志华等[14]采用盆栽试验研究表明，与清水灌溉相比，再生水能显著增加苜蓿的株高、侧枝数及产草量；再生水灌溉使苜蓿可溶性蛋白量增加78.43%。再生水灌溉较清水灌溉的苜蓿Ca和Mg量分别增加27.78%和26.61%；再生水灌溉苜蓿地上部镉量较清水灌溉增加98.6%，但苜蓿重金属铅和镉量低于国家卫生标准限值。李晓娜等[15]采用田间试验研究表明，与自来水灌溉相比，3 a的再生水灌溉对苜蓿生长高度无明显影响，可增加牧草矿质元素，但不会引起苜蓿植株重金属的累积。刘惠青等[16]通过田间小区试验研究表明，再生水和自来水（2∶1）混灌能明显增加苜蓿产草量，随着再生水灌溉占比逐渐降低，苜蓿粗蛋白呈先升高再降低的趋势。再生水和自来水（1∶1）混灌可使苜蓿粗蛋白量高且中性洗涤纤维量低，品质较好。【切入点】再生水灌溉苜蓿增产优质效应的研究大多基于单一因素（灌溉定额或灌水水质）或二因素（灌溉定额和灌水水质）对苜蓿产量和品质的影响。再生水不同灌溉定额、灌水技术和灌水水质三因素对苜蓿产量和品质的影响研究鲜见报道，在宁夏地区再生水灌溉苜蓿未见报道。【拟解决的关键问题】因此，针对生活再生水灌溉定额、灌水技术及灌水水质三因素对苜蓿产量和品质的影响进行了系统研究，以便为宁夏中卫地区推广再生水灌溉紫花苜蓿提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在宁夏中卫市沙坡头区中卫第一污水厂中水示范基地进行，地理位置105°13′E、37°30′N，海拔1 228 m，属于温带大陆性气候。沙坡头区年均降水量238 mm，年均蒸发量1 729 mm，年平均气温10.5 ℃，无霜期平均167 d。试验区土壤于2019年5月8日取样检测。土壤质地为壤土，干体积质量为1.43 g/cm³，田间持水率为27%（质量含水率），土壤pH值为8.48，全盐量为0.56 g/kg，有机质含量为13.42 g/kg，碱解氮量为31.02 mg/kg，速效磷量为18.7 mg/kg，速效钾量为197.16 mg/kg。第1茬苜蓿生育期（5月12日—7月23日）降雨量为113.5 mm。再生水为中卫市第一污水处理厂将城市生活污水经过二级处理后的再生水。自来水为中卫市居民生活用自来水。试验用水于试验期（6、7月）取样，由宁夏公众第三方检测中心测定，水质指标符合《农田灌水水质标准》（GB5084—2005）及《城市污水再生利用农田灌溉用水水质标准》（GB20922—2007）的规定。水质指标检测结果见表1。

表1 再生水和自来水水质指标

注 “-”表示该项未检出，“/”表示无此项，下同。

1.2 试验设计

试验采用正交设计，试验因素为灌溉定额（A）、灌水技术（B）、灌水水质（C），每个因素设3个水平，采用L9(34)正交表，共9个处理，每个处理3次重复。表2为正交试验方案。

1.3 试验实施

每个处理小区面积2.4 m×10 m，小区之间用塑料薄膜隔开，深度为1 m，防止水分互相渗透。紫花苜蓿播种时间为2019年5月12日，播种方式采用机械条播，种植行距20 cm，播量为30 kg/hm2，播深2 cm。试验用紫花苜蓿品种为阿尔岗金（M.sativa L.cv. Algonquin）。田间灌溉量由水表控制。

根据小区内设置的土壤水分测量设备，结合研究区实际有效降雨量确定灌溉时间，第一茬苜蓿灌溉9次，为了保苗，种植后于5月13日、5月14日灌水2次，灌水定额为240 m3/hm2，灌溉水质为自来水。于5月20日开始按照试验方案进行灌溉。灌溉时间分别为5月20日、5月28日、6月9日、6月14日、7月3日、7月15日、7月18日。紫花苜蓿在初花期（2019年7月23日）刈割收获，刈割留茬高度为3~5 cm，同时测定各项试验指标。

表2 正交试验方案

1.4 测定项目及方法

试验按处理收割鲜草，通过烘箱烘干至恒质量折算为干草质量。依据相关标准测定粗灰分量（Crude ash，）、粗蛋白质量（Crude protein，）、粗脂肪量（Crude fat，）、粗纤维量（Crude fiber，）、中性洗涤纤维量（Neutral detergent fiber，）和酸性洗涤纤维量（Acid detergent fiber，）、氮、磷、钾、钙、镁、铅和铬量。相对饲喂价值（）是以可消化干物质（）为基础，值越大，说明该牧草整体品质越好。其关系式为：

=×/1.29， （1）

=120/NDF， （2）

=88.9-0.779×， （3）

式中：为粗饲料干物质的随意采食量占体质量的百分比；为可消化的干物质，单位为占干物质的百分比。

1.5 统计分析

文中数据处理分析使用Origin2016及DPS7.05软件。运用DPS软件进行方差分析（ANOVA），考虑95%的置信水平，应用Duncan新复极差法对不同处理进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 生活再生水灌溉对紫花苜蓿生长和产量的影响

表3为不同处理对紫花苜蓿生长指标、产量的影响，由表3可知，灌溉定额因素对株高、茎粗、干草产量和一级分枝数影响显著（<0.05），灌水技术和水质因素无显著影响。表4为紫花苜蓿生长和产量的极差分析，由表4可知，影响株高和一级分枝数的三因素主次顺序为灌溉定额A>灌水技术B>灌水水质C，影响茎粗、干草产量的三因素主次顺序为灌溉定额A>灌水水质C>灌水技术B。株高、茎粗、一级分枝数和干草产量随灌溉定额的增加而增加，灌溉水分利用效率随灌溉定额的增加而降低。对于茎粗，B3水平最高，对于株高、一级分枝数、干草产量和灌溉水分利用效率而言，B2水平最高。对于株高、一级分枝数、茎粗、干草产量和灌溉水分利用效率，C1水平最高。

由表3可知，株高、茎粗、一级分枝数、干草产量指标的最优组合均为A3B2C1，与参考组合A3B2C1一致，即灌溉定额为2 280m3/hm2，灌水技术为地下滴灌，灌水水质为再生水时，紫花苜蓿生长及产量指标最好。

表3 不同处理对紫花苜蓿生长指标、产量的影响

注 同列数据不同小写字母表示差异显著(＜0.05)；n表示在0.05水平差异不显著，*表示在0.05水平差异显著，下同。

表4 紫花苜蓿生长和产量的极差分析

2.2 生活再生水灌溉对紫花苜蓿品质的影响

表5为各处理紫花苜蓿品质量，由表5可知，灌溉定额因素对粗脂肪、粗纤维、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维及相对饲喂价值影响显著（<0.05）。灌水水质因素对粗灰分影响显著（<0.05），灌水技术因素和灌水水质因素对其他指标无显著影响。表6为紫花苜蓿品质的极差分析，由表6可知，影响粗灰分的三因素主次顺序为：灌溉定额A>灌水水质C>灌水技术B。影响其他指标的三因素主次顺序为：灌溉定额A>灌水技术B＞灌水水质C。粗灰分、粗脂肪、粗蛋白及相对饲喂价值随灌溉定额的增加而增加。对于粗灰分而言，B2水平最高，C1水平最高。对于相对饲喂价值、粗脂肪和粗蛋白而言，B2水平最高，C1水平最高。粗纤维和中性洗涤纤维随灌溉定额的增加而减少；B2最低，C2水平最低。酸性洗涤纤维随灌溉定额的增加而减少，B2水平最低，C1水平最低。

由表5可知，粗灰分、粗脂肪、粗蛋白、粗纤维、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维和相对饲喂价值的最优组合均为A3B2C1，与参考组合A3B2C1一致，即灌溉定额为2 280 m3/hm2，灌水技术为地下滴灌，灌水水质为再生水时，紫花苜蓿品质最好。

表5 各处理紫花苜蓿品质量

表6 紫花苜蓿品质的极差分析

2.3 生活再生水灌溉对紫花苜蓿的N、P、K、Ca及Mg量的影响

表7为各处理紫花苜蓿N、P、K、Ca及Mg量，由表7可知，灌溉定额因素对N、P和Ca量影响显著（<0.05），灌溉定额因素对K和Mg量影响显著，灌水技术和水质因素无显著影响。表8为紫花苜蓿氮、磷、钾、钙及镁含量的极差分析，由表8可知，影响N和K量的三因素主次顺序为：灌溉定额A>灌水技术B>灌水水质C，影响P、Ca和Mg量的三因素主次顺序为：灌溉定额A>灌水水质C>灌水技术B。N、P、K、Ca及Mg量随灌溉定额的增加而增加。对于N、P、K及Ca量而言，B2水平最高。Mg量B3水平最高。N、P和量C1水平最高，Ca和Mg量C2水平最高。

由表7可知，N、P和K量的最优组合均为A3B2C1，与参考组合A3B2C1一致，即灌溉定额为2 280m3/hm2，灌水技术为地下滴灌，灌水水质为再生水时，紫花苜蓿N、P和K量最高，Ca和Mg量较高。

表7 各处理紫花苜蓿N、P、K、Ca及Mg量

表8 紫花苜蓿N、P、K、Ca及Mg量的极差分析

注j表示指标极差。

2.4 生活再生水灌溉对紫花苜蓿重金属量的影响

表9为紫花苜蓿Pb量的极差、方差分析，由表9可知，灌溉定额因素对紫花苜蓿Pb量影响显著（<0.05），灌水技术与灌水水质因素对紫花苜蓿含Pb量无显著影响。影响Pb量的三因素主次顺序为：灌溉定额A>灌水水质C>灌水技术B。含Pb量随灌溉定额的增加而增加，B1水平最低，C3水平最低。

表9 紫花苜蓿Pb量的极差、方差分析

表10为各处理紫花苜蓿含Pb、Cr量，由表10可知，Pb量（0.19 mg/kg）最大。但其含量与国家饲料卫生标准（GB13078—2017）相比，Pb、Cr量远小于国家规定标准（Pb≤30 mg/kg，铬≤5 mg/kg）。Pb量的最优组合为A1B1C3，与参考组合A1B1C3一致，即灌溉定额为2 280 m3/hm2、灌水技术为地表滴灌，灌水水质为混灌时，紫花苜蓿重金属Pb元素量最低。

表10 各处理紫花苜蓿含Pb、Cr量

3 讨论

1）本研究表明，紫花苜蓿株高、茎粗和干草产量随再生水灌溉定额的增加而增加，再生水有利于株高、茎粗和干草产量的增加。这与王晋兴等[13]、张志华等[14]、王北洪等[17]的研究结果基本一致。原因可能是再生水中含有的营养成分通过灌溉进入土壤，可提高土壤肥力，促进作物生长并可增加作物生物量。李晓娜等[15]研究表明，使用再生水灌溉苜蓿会使苜蓿植株品质提高。本研究表明，紫花苜蓿品质指标（如粗脂肪和粗蛋白含量等）随再生水灌溉定额的增加而增加，品质指标（如粗纤维和酸性洗涤纤维等）随再生水灌溉定额的增加而减少，再生水灌溉有利于苜蓿品质的提高。本研究表明，紫花苜蓿N、P、K、Ca和Mg量随再生水灌溉定额的增加而增加，再生水灌溉有利于增加苜蓿N、K和Mg等量。这与张志华等[14]、李晓娜等[19]研究结果基本一致。王新等[20]研究表明，低剂量的重金属浓度对紫花苜蓿的生长有一定刺激作用。本研究表明，苜蓿含Pb量随灌溉定额的增加而增加，灌水水质对苜蓿含Pb量无显著影响。重金属（Pb和Cr）量远小于国家饲料卫生标准，初步说明再生水短期灌溉重金属累计情况不明显。这与张志华等[14]的研究结果基本一致。

2）合理的灌水技术是干旱区实现节水高产的重要途径。地下滴灌技术对土壤结构的破坏小，有利于保持作物根区疏松通透，并可有效减少水分的蒸发损失，提高水分利用效率，节水增产提质效果明显。与地表滴灌和微喷灌相比，采用地下滴灌技术，紫花苜蓿株高、一级分枝数和干草产量的最高，紫花苜蓿品质指标（如粗灰分、粗脂肪和粗蛋白量等）最高，品质指标（如粗纤维和酸性洗涤纤维等）最低，紫花苜蓿N、P、K及Ca量最高。这与彭文栋等[21]、张前兵等[22]研究结果相类似。

综上所述，再生水是宁夏地区紫花苜蓿种植及牧草生产可利用的灌溉资源，但其长期效应尚需开展进一步研究。

4 结论

1）灌溉定额为2 280 m3/hm2，灌水技术为地下滴灌，灌水水质为再生水时，紫花苜蓿株高、茎粗、一级分枝数、产草量最高。

2）参考组合（A3B2C1）与最优组合一致，苜蓿的粗灰分、粗脂肪、粗蛋白及相对饲喂价值最大和粗纤维、酸性洗涤纤维及中性洗涤纤维最小，紫花苜蓿的N、P、K量最高，Ca和Mg量较高，紫花苜蓿品质较好。

3）再生水灌溉的紫花苜蓿植株体内重金属（Pb、铬）量较低，处于安全范围，影响Pb量的三因素主次顺序为：灌溉定额A＞灌水水质C＞灌水技术B。且均远小于国家饲料卫生标准，再生水灌溉短期不会引起苜蓿植株体内重金属的大量累积。

在生育期降雨量为113.5 mm条件下，采用再生水灌溉定额为2 280 m3/hm2，灌水技术为地下滴灌，灌水水质为再生水，灌水定额为240 m3/hm2、灌溉次数为9次，为当地再生水灌溉水质、灌溉制度与灌水技术的最优组合。这个组合紫花苜蓿生长最好、产量最高，品质最优，且植株重金属量处于安全范围。

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The Effects of Reclaimed Water Irrigation on Growth and Quality of Alfalfa in Ningxia

CAO Yujun1, TIAN Juncang1,2,3*,SHEN Hui1,2,3, YAN Xinfang1,2,3

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2.Engineering Technology Research Center of Water-saving and Water Resource Regulation in Ningxia, Yinchuan 750021, China; 3.Engineering Research Center for Efficient Utilization of Modern Agricultural Water Resources in Arid Regions, Ministry of Education, Yinchuan 750021, China)

【】Ningxia is in arid and semi-arid region in China, characterized by uneven spatiotemporal precipitation, strong evaporation, long cold winter, short hot summer, and late arrival of spring and early onset of autumn. Over the past years the planting areas of alfalfa in Ningxia have continued to increase due to its high yield and nutrition, but water resource scarcity has constrained its production. Reclaimed domestic wastewater can be used as an alternative irrigation water source, but it is rich in salt content and other organic and inorganic contaminants, and the impact of its irrigation on growth and quality of alfalfa remains obscure.【】This paper aims to experimentally unravel the changes in growth and quality traits of the alfalfa irrigated with treated urban domestic wastewater.【】The experiment consisted of three factors and three levels, all designed using the orthogonal test. The primary- and second-order factors of the irrigation that affected alfalfa growth and quality traits were calculated using the variance analysis, from which the optimal combination was proposed.【】Irrigation amount impacted plant height, stem thickness, first-level branch number, hay yield, crude fat, crude fiber, acid detergent fiber, neutral detergent fiber, relative feeding value, nitrogen, phosphorus, potassium and calcium all at significant level (<0.05). The effect of water quality on crude ash was also at significant level (<0.05). Irrigation method and water quality did not show significant effects on other plant traits. The optimal combination of irrigation amount, irrigation method and water quality for alfalfa growth, yield and quality was A3B2C1, consistent with the references.【】When rainfall during the growth season of alfalfa was 113.5 mm, irrigating 2 280 m3/hm2of water in nine times using surface drip irrigation, with each time irrigating 240 m3/hm2of the reclaimed water, was optimal (A3B2C1). This could ensure high and quality yield while in the meantime keep heavy metal contents in the crops far less than the national standard.

reclaimed domestic water; alfalfa; irrigation technology; irrigation schedule; subsurface drip irrigation

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020180

1672 - 3317（2021）01 - 0055 - 07

2020-03-30

国家重点研发计划课题（2018YFC0408104）

曹玉钧（1994-），男。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 956928175@qq.com

田军仓（1958-），男。教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: slxtjc@163.com

曹玉钧, 田军仓, 沈晖, 等．再生水灌溉对紫花苜蓿产量和品质的影响[J]．灌溉排水学报, 2021, 40(1): 55-61.

CAO Yunjun, TIAN Juncang, SHEN Hui, et al. The Effects of Reclaimed Water Irrigation on Growth and Quality of Alfalfa in Ningxia[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 55-61.

责任编辑：白芳芳