水分调控对豆禾混播牧草产量及水分利用效率的影响

马彦麟，汪精海，吕亚茹，马煜，马文琼

(甘肃农业大学水利水电工程学院,甘肃 兰州 730070)

人工草地是一种新型农业生态系统,对改善区域生态环境及促进草地畜牧业发展等方面有重要作用。然而,受重农轻牧思想的影响,人工草地主要建植在瘠薄地与盐碱地中,种植管理大多沿用传统方法,导致其生产潜力未能充分发挥[1-2]。

水分是作物维持生命活动的关键因子。合理有效的水分管理是提高人工草地生产力的重要保障[3]。一般而言,水分供应与牧草产量间存在报酬递减规律,即一定范围内随着水分供应的增加,牧草产量呈指数增长,随着土壤水分趋于饱和,产量增加变慢,之后增加水分会造成牧草减产。为获得水效益最大化,需根据区域气候条件、土壤类型及作物种类、生育时期等确定适宜的水分调控策略[4-6]。研究表明,在西北干旱荒漠区,土壤相对含水量为68.4%～71.8%时,草木樨的净光合速率和生物量最优[7]。在黄土高原区,轻度水分胁迫(65%～80%田间持水量)条件下,苜蓿产量和品质均较优[8]。在青海荒漠草原区,随灌水量增加,燕麦、箭筈豌豆混播草地耗水量显著增加,拔节期和开花期灌水可获得较高的牧草产量和水分利用效率[9]。科学适宜的种植模式也是提高人工草地生产力的重要途径[10-11]。研究发现,在高寒荒漠区,与燕麦单播相比,燕麦与箭筈豌豆混播牧草的粗蛋白含量、产量和水分利用效率分别提高 42.0%、80.4% 和20.6%[12]。在西藏林芝河谷地带,与紫花苜蓿单播和高羊茅单播相比,紫花苜蓿与高羊茅混播草地的产量和品质显著提升[13]。在内蒙古中部盐碱地,苜蓿与缘毛雀麦以1 ∶1或1 ∶3混播及苜蓿与新麦草、长穗偃麦草以1 ∶1或1 ∶2混播时,草地产量较高且群落组分较稳定[14]。

综上,人工草地水分管理涉及灌水量、灌水时期等,人工草地种植模式涉及混播类型、混播比例等,而同时考虑水分调控与种植模式的研究较匮乏。鉴于此,本研究以典型西北内陆干旱区为研究区,以当地广泛种植的无芒雀麦、苜蓿和红豆草为对象,对比分析4 种水分调控和5 种种植模式对人工草地产量、土地当量比、竞争力指数(竞争比率和相对拥挤系数)和水分利用效率的影响,为促进人工草地节水、增产、高效生产提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020 年4—10 月在甘肃省张掖市肃南裕固族自治县明花乡牧草高效节水灌溉技术示范与推广基地(98°47′E,39°67′N,海拔1 387 m)进行。该地区位于祁连山北麓、河西走廊中部、巴丹吉林沙漠南缘,属典型内陆干旱型气候,多年平均降水量85 mm,年均蒸发量2 149 mm,年均气温7.3 ℃,年均无霜期130 d。试验地土壤类型为砂壤土,0～100 cm 土层平均田间持水量29.68%(体积含水量),平均土壤容重1.4 g/cm3。耕层(0～30 cm)土壤基础养分含量为:有机质3.16 g/kg,全氮0.22 g/kg、全磷0.24 g/kg、全钾7.6 g/kg,硝态氮7.65 mg/kg、铵态氮8.49 mg/kg、有效磷3.18 mg/kg、速效钾257.66 mg/kg,pH 值7.26。牧草生育期间降水总量和平均气温分别为50.9 mm 和19.3 ℃(图1)。

图1 牧草生育期间试验区降水与气温分布Fig.1 Precipitation and temperature distribution during forage growing period

1.2 试验设计

试验以4 年生人工牧草(2017 年5 月建植)为对象,设置水分调控和种植模式两个因素。水分调控参照当地生产实践以牧草全生育期土壤含水率(计划湿润层深度为60 cm)占田间持水量(Field capacity,FC)的百分比设置4 种,分别为充分灌水(FW:75%～85%FC,对照)、轻度亏水(LW:65%～75%FC)、中度亏水(MW:55%～65%FC)和重度亏水(SW:45%～55%FC)。种植模式参照当地适宜的人工牧草类型设置5 种,分别为无芒雀麦单播(B)、苜蓿单播(M)、红豆草单播(O)、无芒雀麦与苜蓿混播(B＋M)和无芒雀麦与红豆草混播(B＋O)。试验共20 个处理(表1),每个处理重复3 次,合计60 个小区。小区面积为25 m2(5 m×5 m),小区边缘埋有2 m 深塑料膜以防止水分互渗,试验区四周布置2 m宽保护带。灌水采用喷灌,试验期间其他措施与当地常规管理保持一致。

表1 试验设计Table 1 Experiment design

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分和灌水量

采用便携式土壤剖面水分速测仪TDR(PICOBT,IMKO,德国)测定土壤含水率变化,并利用土钻烘干法定期对土壤水分含量进行校准。灌水前后与降水后适时加测。

当实测土壤含水量下降至表1 中水分调控下限时,立即进行灌水,当达到水分调控上限时停止灌水,记录每次灌水时间和灌水量。各次灌水量的总和即为牧草生长季总灌水量。

1.3.2 产量

牧草进入初花期时,各小区随机选取1 m×1 m样方距地面3 cm 刈割,混播牧草按草种(红豆草、苜蓿、无芒雀麦)分离,并立即称量牧草鲜质量。之后每个样方随机称取3 份500 g 鲜草,装入恒重后的信封并置于烘箱中,于105 ℃杀青30 min,75 ℃恒温烘至恒重,冷却称其干质量,计算单位面积牧草产量。

1.4 相关计算

1.4.1 土地当量比(Land Equivalent Ratio，LER)

表示间作(混播)系统中作物对资源利用的竞争大小,是间作(混播)与单作(单播)所需土地的比值。LER值越大表明间作(混播)效果越好,LER＞1表示间作(混播)具有资源利用和产量优势,LER＜1则表示间作(混播)无优势[15]。计算公式为:

式中:Y1和Y1i分别表示作物1 在单播和混播时的产量,Y2和Y2i分别表示作物2 在单播和混播时的产量。

1.4.2 相对拥挤系数(Relative Crowding Coefficient，RCC)

用于评价间作(混播)系统中种间竞争力及资源利用效率的大小[16]。计算公式为:

式中:Z1i和Z2i分别表示混播系统中作物1 和作物2 的种植比例。

1.4.3 竞争比率(Competition Ratio，CR)

考虑混播系统中不同作物的种植比例,可用于衡量混播系统中作物间的竞争力及资源利用效率[17]。当CR＞1 时,表明混播系统中一种作物的竞争力强于另一种；CR＜1 时则相反。计算公式为:

1.4.4 耗水量(Evapotranspiration，ET)

采用水量平衡法计算牧草生长季耗水量(mm)。公式为:

式中:P为生长季降水量,mm；W1为第三茬牧草刈割后0～60 cm 土层土壤贮水量,mm；W2为第一茬返青期前0～60 cm 土层土壤贮水量,mm；I为生长季灌水量,mm；K为时段内地下水补给量,mm；R为时段内地表径流,mm。由于牧草生育期间降水较小,且试验小区地势平坦,地下水埋深在5 m 以下,可忽略径流和地下水补给。

1.4.5 水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)

根据牧草总产量和生长季总耗水量计算水分利用效率(kg/m3)。公式为:

式中:Y为牧草总产量,kg/hm2。

1.5 数据分析

分别采用Excel 2010 和SPSS22.0 进行数据整理与统计分析,方差分析使用最小显著性差异法进行,显著性水平为P＜0.05,使用Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 水分调控对豆禾混播牧草产量的影响

水分调控、种植模式及二者交互效应显著影响牧草产量(表2),整体表现为随水分亏缺程度加剧,牧草产量先增加(平稳)后降低,且B＋M 和B＋O＞M和O＞B。三茬牧草产量由大到小为第一茬、第二茬和第三茬,其中第一茬、第二茬和第三茬的产量分别为2 306.3～8 996.4 kg/hm2、1 574.0～7 390.6 kg/hm2和1 043.0～4 949.3 kg/hm2,占全年总产量的比例分别为35.4%～48.1%、28.6%～37.7%和17.3%～30.1%。在一定水分调控下,M、O、B＋M 和B＋O 模式的年产量较B 模式分别提高100.1%～137.8%、101.2%～136.0%、152.6%～192.4%和132.3%～194.4%；一定种植模式下,LW 的年产量较FW、MW和SW 分别提高-4.2%～20.2%、17.0%～48.3%和38.1%～66.9%。与处理BFW 相比,处理(B ＋M)LW 和(B ＋O)FW 的年产量分别提高203.5%和191.4%。可见,B＋M 结合轻度水分亏缺与B＋O 结合充分灌水有利于提高牧草产量。

表2 不同水分调控下的豆禾混播牧草产量Table 2 The yield of soybean-grass mixed-seeding forage under different water control kg·hm_-2

2.2 水分调控对豆禾混播牧草土地当量比的影响

由表3 可知,B＋M 和B＋O 模式在4 种水分调控下土地当量比均大于1,且苜蓿和红豆草的偏土地当量比高于无芒雀麦。B＋M 模式的土地当量比在FW 条件下较高,且随水分亏缺程度而降低；B＋O 模式的土地当量比在不同水分调控间变幅较小(1.59～1.74)。在FW 和MW 条件下,B＋M 的土地当量比高于B＋O,增幅分别为23.7%和6.9%；在LW 和SW 条件下,B＋O 的土地当量比高于B＋M,增幅分别为6.2%和8.0%。可见,混播具有显著的产量优势,B＋M 在充分灌水条件下可获得较高的土地当量比,而B＋O 模式的土地当量比对水分调控不敏感。

表3 不同水分调控下的豆禾混播牧草土地当量比Table 3 Land equivalent ratio of forages mixed with legume and grass under different water control

2.3 水分调控对豆禾混播牧草竞争力指数的影响

2.3.1 相对拥挤系数

从表4 可知,在B＋M 模式中,无芒雀麦和苜蓿的相对拥挤系数分别为0.83～1.13 和0.89～1.21,其中苜蓿的相对拥挤系数在FW、LW 和MW 条件下大于1,且在LW 条件下达到最高,无芒雀麦的相对拥挤系数在SW 条件下大于1。在B＋O 模式中,无芒雀麦和红豆草相对拥挤系数分别为0.73～0.94和1.06～1.37,其中红豆草相对拥挤系数在LW 条件下达到最高。可见,豆科牧草(苜蓿和红豆草)的混播优势高于无芒雀麦,且在轻度水分亏缺条件下优势较明显。

表4 不同水分调控下的豆禾混播牧草相对拥挤系数Table 4 Relative crowding coefficient of forages mixed with legume and grass under different water regulation

2.3.2 竞争比率

从表5 可知,在B＋M 模式中,无芒雀麦和苜蓿的竞争比率分别为0.78～1.21 和0.82～1.27,其中苜蓿竞争比率在FW 条件下最高,但与LW 无显著差异；在B＋O 模式中,无芒雀麦和红豆草竞争比率分别为0.73～0.94 和1.06～1.37,LW 条件下红豆草的竞争比率较FW、MW 和SW 分别提高18.1%、29.3%和16.1%。可见,与相对拥挤系数类似,竞争比率也表明豆科牧草(苜蓿和红豆草)的竞争力高于无芒雀麦,尤其在轻度水分亏缺条件下。

表5 不同水分调控下的豆禾混播牧草竞争比率Table 5 The competition ratio of forages mixed with legume and grass under different water regulation

2.4 不同种植模式下牧草产量与耗水量之间的关系分析

将5 种种植模式的牧草产量与生育期耗水量进行拟合(图2)发现,牧草产量与耗水量之间存在较好的二次抛物线关系,即在一定范围内,随耗水量增加,牧草产量逐渐提高,当达到某一临界值后,增加耗水量反而会降低牧草产量。不同种植模式获得最高产量时对应的耗水量存在差异。由拟合方程可知,无芒雀麦单播耗水量为577.7 mm 时,可获得最高产量8 013.5 kg/hm2；苜蓿单播耗水量为633.3 mm 时,可获得最高产量为15 627.8 kg/hm2；红豆草单播耗水量为668.7 mm 时,可获得最高产量为16 005.9 kg/hm2；无芒雀麦＋苜蓿耗水量为707.8 mm 时,可获得最高产量为19 893.0 kg/hm2；无芒雀麦＋红豆草耗水量为739.0 mm 时,可获得最高产量为19 611.9 kg/hm2。可见,与单播相比,混播苜蓿的最高产量和对应的耗水量均较高。

图2 不同种植模式下牧草产量与耗水量之间的关系Fig.2 Correlation between forage yield and water consumption under different planting patterns

2.5 水分调控对豆禾混播牧草水分利用效率的影响

5 种种植模式的水分利用效率整体表现为B＋M和B＋O＞M 和O＞B,其中B、M 和O 模式随水分亏缺程度加剧,呈先增后降的趋势(LW 条件下最大),B＋M 模式随水分亏缺程度的加剧呈先增后降再增的趋势(LW 条件下最大,且与SW 无显著差异)；B＋O模式在FW 条件下最大,且LW、MW 和SW 之间无显著差异(表6)。具体而言,在一定水分调控下,M、O、B＋M 和B＋O 模式的水分利用效率较B 模式分别提高56.1%～137.7%、63.2%～190.5%、129.8%～224.5%和90.8%～340.0%。B、M、O 和B＋M 模式下,LW 的水分利用效率较FW 分别提高34.3%、21.0%、9.5%和17.4%；B＋O 模式下,FW 的水分利用效率较LW 提高71.7%。与处理BFW 相比,处理(B＋M)LW 和(B＋O)FW 的水分利用效率分别提高208.6%和340.0%。可见,豆科牧草的水分利用效率显著高于禾本科牧草,混播牧草的水分利用效率显著高于单播,LW 有利于提高B＋M 的水分利用效率,而FW 有利于提高B＋O 的水分利用效率。

表6 不同水分调控与种植模式下牧草的水分利用效率Table 6 Water use efficiency of forage under different water regulations and planting patterns kg·m-3

3 讨论

3.1 水分调控对豆禾混播牧草产量的影响

牧草属营养体作物,其产量为刈割后地上部分生物量。水分调控使牧草生育期间土壤含水量处于不同程度的亏缺状态,主要通过调节光合产物影响产量形成,且该效应随牧草种植模式不同而存在差异[18]。在西北内陆干旱区,与充分灌水相比,一定程度水分亏缺的牧草产量下降不显著,且生长前期亏水后复水对牧草产量具有明显的补偿效应；在一定水分条件下,混播较单播可提高牧草产量49.2%～60.5%[19]。在高寒荒漠区,燕麦与箭筈豌豆混播结合拔节期充分灌水＋开花期中度水分亏缺的牧草产量、粗蛋白含量、WUE 和IWUE 分别为14 330.2 kg/hm2、10.7%,31.5 kg/(hm2·mm)和81.0 kg/(hm2·mm),显著高于单播及其他灌水模式[12]。本研究充分证实了上述研究结果。在轻度水分亏缺条件下,单播和混播牧草的产量均显著高于中度和重度水分亏缺,且与充分灌水无显著差异。两种混播模式的年产量差异较小(分别为14 394.2～20 755.1 kg/hm2和13 826.6～19 928.4 kg/hm2),但无芒雀麦＋苜蓿的年产量在轻度水分亏缺条件下最大,而无芒雀麦＋红豆草的年产量在充分灌水条件下最大。这说明,无芒雀麦＋苜蓿混播优势大于无芒雀麦＋红豆草。可见,与籽实体作物类似,对于营养体的牧草也应给予适度的水分亏缺,以用较少的水分供应获得较高的经济产出。

3.2 水分调控对豆禾混播牧草竞争力的影响

与单播(单作)相比,混播(间作)特有的群体结构可提高光能利用率,增强根系养分吸收,实现水、肥、气、热、光、空间等的充分利用,具有防治病虫害、控制杂草、抵御倒伏等优势,能获得较好的经济与生态效益[20]。优化种间关系是提高间混播(作)效应的生态学基础,常用的措施包括品种搭配、带型配置、空间结构、肥水管理等[21-22]。在西北半干旱区,黄宗昌等[16]通过设置不同饲草作物间作模式发现,间作系统的土地当量比＞1、实际产量损失指数＞0、系统增产率达19.6%～40.5%,表现出明显的间作优势,在玉米｜｜高丹草系统中,高丹草是优势物种,在高丹草｜｜燕麦系统中,燕麦是优势物种。在黄淮海地区,张桂国等[23]通过设置苜蓿｜｜玉米模式行数比得出,在间作第1 年,玉米的竞争力大于苜蓿,间作系统的总产量和经济效益低于单作玉米；在间作第2 年,苜蓿的竞争力大于玉米,间作系统总产量和经济效益高于玉米单作和苜蓿单作,且以行数比5 ∶2间作模式的效果最优。本研究通过分析混播牧草的土地当量比、相对拥挤系数和竞争比率等指标发现,B＋M 和B＋O 模式的土地当量比均大于1,豆科牧草的混播优势和竞争力高于无芒雀麦,尤其在轻度水分亏缺条件下。这主要是由于在禾豆混播草地中,冠层分布呈伞状结构,有利于提高群体透光率和光能截获率及光能的分层、高效利用。此外,具须根系的禾本科牧草根系发达密集,对水肥等营养的竞争能力较强,该竞争在一定程度上有利于激发豆科牧草的固氮能力。

3.3 水分调控对豆禾混播牧草水分利用效率的影响

水分调控可通过影响土壤微环境和作物生长状况,从而产生不同的水分利用效应[24]。种植模式通过改变冠层结构影响棵间蒸发与植株蒸腾,从而影响水分利用效率[25]。研究表明,在西北干旱草原区,草地耗水量随灌水量增加逐渐增大,苜蓿单播、无芒雀麦单播和苜蓿＋无芒雀麦的水分利用效率均在轻度水分亏缺条件下最高[26]。在青海高寒荒漠区,燕麦和箭筈豌豆混播草地的耗水量、产量和水分利用效率随灌水频次的增加而增加,拔节期与开花期分别灌水25 mm 可获得较高的牧草产量和水分利用效率[27]。在甘肃中部高寒阴湿区,燕麦与箭筈豌豆1 ∶1混播,并于分枝盛期和枝繁叶茂期分别灌水,可显著提高牧草水分利用效率[28]。本研究也发现,一定程度的水分亏缺有利于提高牧草的水分利用效率,其中B、M、O 和B＋M 模式均在轻度水分亏缺条件下水分利用效率达到最高,而B＋O 模式的水分利用效率在充分灌水条件下显著高于其他水分调控。这一定程度上表明,在B＋O 模式中,牧草之间的竞争会增加系统对水分的需求,而B＋M 模式中,牧草之间的竞争较无芒雀麦单播和苜蓿单播无明显增加。可见,混播草地合理水分调控与混播类型密切相关。生产实践中,应根据区域优势牧草的种植模式,在充分试验研究的基础上采用适宜的水分调控模式,以获得较优的经济与生态效益。

4 结论

(1)三茬牧草产量由大到小为第一茬、第二茬和第三茬,随水分亏缺程度的加剧,牧草产量呈先增加(平稳)后降低趋势,且B＋M 和B＋O＞M 和O＞B。B＋M 结合轻度水分亏缺与B＋O 结合充分灌水有利于提高牧草产量。

(2)B＋M 和B＋O 模式土地当量比大于1,且苜蓿和红豆草的偏土地当量比高于无芒雀麦。B＋M在充分灌水条件下可获得较高的土地当量比,而B＋O 模式的土地当量比对水分调控不敏感。相对拥挤系数和竞争比率一致表明,豆科牧草的混播优势和竞争力高于无芒雀麦,尤其在轻度水分亏缺条件下。

(3)牧草产量与耗水量间存在较好的二次抛物线关系,混播牧草最高产量和对应的耗水量均较高。5 种种植模式的水分利用效率表现为B＋M 和B＋O＞M 和O＞B,其中B、M、O 和B＋M 模式在LW 条件下最大,而B＋O 模式在FW 条件下最大。与处理BFW相比,处理(B＋M)LW 和(B＋O)FW 的水分利用效率分别提高208.6%和340.0%。

综上,豆禾混播可显著提高牧草产量、土地当量比和水分利用效率,其中B＋M 在LW 条件下效果较优,而B＋O 在FW 条件下效果较优。