不同灌溉下限对科尔沁沙地紫花苜蓿生产性能的影响

摘要：为了探究不同灌溉下限对科尔沁沙地紫花苜蓿（Medicago sativa L.）产量、品质及水分利用效率（Water use efficiency，WUE）的影响，本文以雨养（CK）作为对照，设置了70%～75%田间持水量（Field capacity，FC）（W1），60%～65% FC （W2），50%～55% FC（W3） 3个灌溉下限，试验结果表明：随着灌溉下限的增加，苜蓿耗水量与年产量均显著增加，但WUE显著降低，且耗水量与年产量、WUE间均呈抛物线关系；相比于W1，W2仅减产5.5%，但可节水22.7%且WUE提高14.5%；不同灌溉下限对粗蛋白含量（Crude protein，CP）无显著性影响，但灌溉下限的降低会引起相对饲喂价值（Relative feed value，RFV）明显升高。基于灰色关联度分析，结合产量、品质及WUE的表现，推荐60%～65% FC为科尔沁沙地苜蓿水分管理的灌溉下限。

关键词：紫花苜蓿；灌溉下限；产量；品质；水分利用效率

中图分类号：S541.9""" 文献标识码：A"""" 文章编号：1007-0435（2024）06-1968-06

Effect of Different Irrigation Limits on Alfalfa Production

Performance in Horqin Sandy Land

SUN Tie-nan1， LI Mao-na2*， CHEN Fen2， ZHANG Yu-xia1， WANG Xian-guo2

（1. College of Prataculture， Inner Mongolia University for Nationalities， Tongliao， Inner Mongolia 028000， China;

2. College of Grassland Science and Technology， China Agricultural University， Beijing 100193， China）

Abstract：In order to investigate the effects of different irrigation limits on yield，quality and water use efficiency of alfalfa （Medicago sativa L.） in Horqin Sandy Land，three irrigation treatments based on soil water limits were designed including 70% to 75% of field capacity （W1），60% to 65% of field capacity （W2） and 50% to 55% of field capacity （W3）. The results showed that the higher irrigation limit significantly improved the water consumption （ETa） and annual yield of alfalfa，but significantly decreased the water use efficiency （WUE）. The relationships between ETa，annual yield and WUE were parabolic. Compared with W1，W2 only reduced annual yields by 5.5%，but saved water by 22.7% and increased WUE by 14.5%. Irrigation limit had no significant effect on crude protein content，but caused a significant increase in relative feed value. Based on performance in yield，quality and WUE，using grey correlation analysis method found that 60%～65% of field capacity was recommended as the irrigation lower limit for water management of alfalfa in Horqin Sandy land.

Key words：Alfalfa;Irrigation limit;Yield;Quality;Water use efficiency

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）因具有产量高、营养价值高、适口性好等特点被誉为“牧草之王”，但作为一种多年生高耗水作物，常需要大量灌溉水来保持高产［1］。科尔沁沙地是我国重要的优质苜蓿生产基地，年商品草生产量占全国1/6，对于缓解国内草畜矛盾，保证粮食安全战略具有重要意义［2-3］。但同时，科尔沁沙地生态脆弱、水资源稀缺程度高，区域紫花苜蓿高产平均年需水量为825 mm［4］，降水仅能满足其需水量的25%～40%，亏缺部分几乎完全依靠开采地下水灌溉。长期超采地下水用于灌溉已导致区域地下水位的急剧下降，并引发了草地退化、土壤加剧沙化等一系列生态环境问题。面对全球水资源日趋紧张的现实，在我国生态文明的重压下，未来科尔沁沙地农业水资源将大幅缩减，这将严重威胁着区域苜蓿产业的可持续发展。

灌溉制度是苜蓿水分生产的核心内容。通常，灌溉制度的确定多采用基于气象参数与基于土壤水分的两种方法［5］。当前，针对前者，研究们已在科尔沁沙地开展了较多的研究，如孙洪仁等［4］利用30年气象数据，基于P-M公式计算出阿鲁科尔沁地区的推荐灌溉定额为664 mm。李天琦等［6］通过比较四种灌水量条件对苜蓿产量与水分利用效率（Water use efficiency，WUE）的影响，提出科尔沁沙地苜蓿高产节水的灌溉水量为100% ETc。李振松等［7］通过试验发现科尔沁沙地灌溉定额为546 mm时可获得最高的苜蓿产量与WUE。由此可以看出，基于ETc的科尔沁沙地苜蓿灌溉定额，研究者们已有较为一致的结论，但关于土壤水分达到何种下限再进行灌溉的研究较为缺乏。

品质是商品苜蓿重要的生产评价指标，但受到的关注较少。柳佳等［8］通过研究发现苜蓿调整自身的形态和结构来适应不同的土壤水分条件，从而影响苜蓿品质。寇丹等［9］研究发现水分亏缺会导致苜蓿的茎叶比下降，粗蛋白含量提高，从而提高苜蓿品质。但霍海丽等［10］通过试验发现灌溉量过大或过小都会使苜蓿木质化程度提高，纤维含量增加从而影响相对饲喂价值（Relative feed value，RFV）。由此可见，灌水对苜蓿品质的影响还需进一步研究。因此，本研究通过探讨不同灌溉下限对紫花苜蓿产量、品质及WUE的影响，进而确定最佳的灌溉下限，以期为科尔沁沙地苜蓿产业的高质量发展提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于科尔沁沙地西缘的阿鲁科尔沁旗岩峰惠农科技有限公司（43.42′ N，120.35′ E），地属典型大陆型气候，无霜期95～140 d，年日照时数2 760～3 030 h，年降雨量300～400 mm，主要集中在7—8月。试验地土壤质地为砂壤土，计划湿润层（0～40 cm）土壤容重、田间持水量分别为1.45 g·cm-3，0.236 cm3·cm-3。0～40 cm土层碱解氮含量为50.80 mg·kg-1、速效磷含量为3.04 mg·kg-1、速效钾含量为95.51 mg·kg-1、有机碳含量为4.40 g·kg-1、全氮含量为0.71 g·kg-1、全磷含量为0.17 g·kg-1。试验地采用圆形喷灌机灌溉，机组长度146 m，控制面积6.67 hm2。试验地苜蓿于2021年7月13日建植，品种为‘骑士T’，播种量为22.5 kg·hm-2，行距20 cm。

1.2 试验设计

本试验于2022年4—8月进行，为确定科尔沁沙地苜蓿水分管理适宜的灌溉下限，试验采用随机区组方法，以雨养（CK）为对照，设计了高（W1）、中（W2）、低（W3） 3个灌溉下限，即土壤水分分别达到70%～75%的田间持水量（Field capacity，FC）、60%～65% FC、50%～55% FC，每个处理重复3次，共12个小区，试验小区面积为7 m×10 m。各处理的灌溉上限均为90% FC，灌水量依据0～40 cm计划深润层土壤水分上、下限方法而定。为满足试验设计的灌水要求，试验中通过调整喷灌机行走速度实现灌水量差异的处理，各处理的实际灌水量如表1所示。

1.3 试验测定指标

（1）气象数据

本试验采用安装在距试验地500 m处的便捷式气象站（HOBO，U30，美国）自动实施监测气象数据，包括温度、相对湿度、太阳辐射、风速、大气压强、降雨量等气象因子，采集频率为15 s。

（2）土壤含水量

本试验采用土壤水分监测仪（IMKO，Trime-T3，德国）测量各小区0～80 cm土层的土壤水分变化［12-13］，按照0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm分层测量。每2 d测量一次，并在灌溉与降雨后加测一次。

（3）水分利用效率（WUE）

植株生产单位面积产量所消耗的水量，即WUE为产量（Yield，Y）与实际耗水量（ETa）的比值，如公式1所示，单位为kg·m-3，实际耗水量根据公式（公式2）计算：

WUE=YETa（1）

ETa=ΔSW+I+Po+GW－Dp－R（2）

式中：ETa为作物耗水量，单位mm；ΔSW为0～80 cm土层内土壤水分变化量；I为实际灌水量单位mm；Po是有效降雨量［11］，单位mm；GW为地下水补给量，由于试验地地下水埋深为30 m，故此项忽略；Dp为深层渗漏，单位mm；R为地表径流，单位mm，由于试验地机组的设计喷灌强度较小且土壤渗透性较强，故Dp与R忽略。

（4）干草产量

本试验测产采用大小样方法。首先测量样方鲜草产量，在每个小区内随机取5个1 m×1 m的样方，将样方内苜蓿全部刈割并留茬5 cm，刈割后立即称取样方鲜草重量。在所取的样方鲜草中随机抽取部分样品去除杂草后称重，并放入档案袋中保存。随后将所取样品在烘箱中105℃杀青0.5 h，75℃烘干48 h后称重记录，即可计算干鲜比，样方干草重即为样方鲜草重与干鲜比的乘积。试验地每茬均在苜蓿初花期刈割，3茬刈割时间分别为6月7日、7月10日、8月8日。

（5）干草品质检测

苜蓿品质采用Foss近红外分析仪测定粗蛋白（Crude protein，CP）、中性洗涤纤维（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗涤纤维（Acid detergent fiber，ADF）含量，并根据NDF和ADF计算相对饲喂价值（RFV），如公式3，4，5所示。干草品质依据美国豆科牧草干草质量标准表［14］分级。

DMI=120/NDF（3）

DDM=88.9-（0.779×ADF）（4）

RFV= （DMI×DDM）/1.29（5）

式中，DDM是指饲草可消化的干物质，其单位为占饲草干物质的百分比，即%DM。DMI是指饲草干物质的随意采食量，其单位为占牲畜体重的百分比，即%BW。

1.4 数据分析

本试验采用Microsoft Excel 2007，SPSS 19.0和Origin 2021软件处理数据并绘制图表。苜蓿产量、品质及WUE的差异显著性采用Duncan法检验。

本试验采用灰色关联度分析法［15］，综合分析产量、品质及WUE指标，筛选最佳灌水处理。首先，以初始值法对数据进行无量纲化处理，构建“参考灌溉下限”的参考数列X0，以各处理下的各项指标所构成的数列为比较数列Xi（i=1，2，3，4），采用等权重法确定各指标，利用经标准化处理后的数据求出参考因素X0与比较因素Xi各对应点的绝对差值△i（k），根据公式6，7计算关联系数。

ξi（k）=minmin i kxo（k）-xi（k）+ρmaxmax i kxo（k）-xi（k）xo（k）-xi（k）+ρmaxmax i kxo（k）-xi（k）（6）

ri=1n∑nk=1ξi（k）（7）

式中：ρ为分辨系数，本文取0.5［15］，|X0（k）-Xi（k）|为绝对差值，min|X0（k）-Xi（k）|为X0二级最小差值绝对值，max|X0（k）-Xi（k）|为二级最大差值绝对值；公式7中ri为等权关联度。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉下限对苜蓿产量的影响

表2为试验期间不同灌溉下限的苜蓿干草产量。由表可知，各茬产量的年产量占比分别为38.1%，37%，24.9%。相较于CK，不同灌溉下限处理可帮助苜蓿产量提升242%，整体而言，苜蓿产量会随着灌溉下限的升高而增加，但在各茬内的表现存在一定差异。对于全年产量和第一茬产量，各灌水处理间存在显著差异（P＜0.05），表现为W1gt;W2＞W3＞CK。第二茬内，尽管W1与W2处理间的产量没有显著差异，但与W1相比，W2处理不但能使产量提高5%（269 kg·hm-2），还能节水25%（36 mm）。第三茬内，尽管W1，W2，W3间的产量无显著性差异，但相较于W1处理，W2与W3可分别节水17.3%，48.6%。

2.2 不同灌溉下限对苜蓿品质指标的影响

表3为试验期间苜蓿CP，ADF，NDF和RFV的分析结果。试验结果表明，ADF和NDF仅在第二茬内随灌溉下限的提高逐渐上升，由于RFV是二者的综合指标，故本文重点讨论不同灌溉下限对CP与RFV的影响。试验地区各处理下的CP和RFV分别在23.02%～24.88%，121.47%～171.99%之间，都位于较高水平，基本各处理下的苜蓿可达到一级或特级水平。具体而言，除第二茬内W1处理下的RFV显著低于其余处理，其余各茬处理间的CP与RFV均无显著差异。相比于CP，RFV对灌溉下限的改变响应更明显。第一茬内，随着灌溉下限的提高，RFV逐渐上升，而第二茬却表现出相反的趋势。第二茬内，相比于W1，W2与W3分别节水25% （36 mm），50% （72 mm），苜蓿RFV提高12.7%，17.8%。第三茬内，苜蓿RFV均无显著差异，W2和W3品质均为一级，W3相比于W2节水37.9% （47 mm），RFV提高了1.6%。

2.3 不同灌溉下限对水分利用效率的影响

表4列出了试验期间不同灌溉处理下的苜蓿WUE。结果表明，随着灌溉下限的升高，苜蓿耗水量呈明显增加趋势，而WUE却显著降低。不同处理下的苜蓿年均WUE在1.99～2.28 kg·m-3之间，其基本规律表现为W1lt;W2＝CKlt;W3。各灌水处理下苜蓿的WUE均值表现为第二茬＞第一茬＞第三茬。第一茬内，CK处理下的WUE高达6.65 kg·m-3，而不同灌溉下限处理下的WUE在1.91～2.46 kg·m-3之间，W3下的WUE也比W1与W2处理平均高出26.5%。第二茬内，WUE在W1与W2之间有显著性差异，W2相比W1的WUE提高31.1%。第三茬内，不同灌溉下限处理下的WUE表现为W1lt;W2lt;W3。

2.4 耗水量与产量、水分利用效率间的关系

图1为试验地苜蓿耗水量与产量、WUE间的函数关系。如图所示，耗水量与产量、WUE间的关系均呈明显的抛物线趋势。其拟合关系分别为Yield=-0.030 3ET2a +47.199ETa-3 358.5，WUE=-0.000 005ET2a+0.004 2ETa+1.711 6，这说明开始时产量与WUE均随着耗水量的增加而增加，在达到峰值后，二者将随着耗水量的增加而降低。然而，根据耗水量与产量、WUE间的拟合关系可知，获得产量峰值与WUE峰值的耗水量分别是779 mm，420 mm，这说明无法同时获得最大产量与WUE。若以最大产量为目标进行水分管理时，WUE将较最大值下降24.7%；而以最大WUE为目标进行水分管理时，产量将损失30.3%。

2.5 基于灰色关联度的综合评价

为进一步筛选科尔沁沙地苜蓿适宜的灌溉下限，本文综合产量、品质指标、水分利用效率，采用灰色关联度，分析了不同灌溉下限的关联度系数。由于产量、品质与水分利用效率对于商品苜蓿生产均很重要，故而本文采用等权重分析法，等权关联度值反映了各灌溉处理与参考标准之间的差异大小，关联度大的数列与参考数列越接近，综合指标表现最优，反之越差。表5结果表明，在试验地区各处理的表现优劣分别为W2＞W3＞W1＞CK。

3 讨论

科尔沁沙地属于半干旱地区，灌溉是影响该区域苜蓿生产的重要因素，科学合理的水分管理是保证该区域苜蓿的高产优质的重要前提。其中，确定土壤水分灌溉下限是制定灌溉制度的重要内容，因此本文试图通过探讨不同土壤水分下限对苜蓿产量、品质及WUE的影响，进而筛选出科尔沁沙地苜蓿生产中适宜的灌溉下限。

本文设置的不同灌溉下限在水分管理中分别代表着“高频少量”“中频中量”“低频大量”三种灌水量。试验结果表明，随着灌溉下限的增加，苜蓿产量基本呈增加趋势，尤其是第一茬内，这主要是由于第一茬内降雨稀少，在52 d的生长时间内仅发生了24 mm的有效降雨，且时期内科尔沁沙地风速较大，大风干旱的气候导致作物水分消耗较快［16］，及时灌水（高处理）更有利于苜蓿生长并积累较大的地上生物量从而获得高产。而在降雨增多的第二、三茬内，产量随灌溉下限增加呈先增大后减小的趋势，说明该时段内过多的水分供应反而会降低苜蓿生长速度，这可能是由于高温高湿对苜蓿光合作用起到一定抑制作用［17］，甚至引起了苜蓿的休眠［18］。同时，耗水量与产量、WUE间的函数关系也表明灌水量的持续增加并不能带来产量的增高，反而会导致WUE大幅下降，这一结果也被Lamm等［19］、王云玲等［20］证明。本试验中，各处理的WUE分布在1.42～3.66 kg·m-3之间，尽管各茬间的规律略有差异，但整体也都表现为W3＞W2＞W1gt;CK。这是由于WUE是产量与耗水量的比值，相比于雨养，水分的投入是增加产量并提高WUE的重要方法，但增加到一定程度后，水分投入增量带来的产量增率便会下降，故而本文中的WUE随着灌溉下限的升高而降低。

对于商品苜蓿产区，品质是与产量同等重要的因素。衡量苜蓿品质的指标众多，由于篇幅限制，本文选择了具有代表性的CP与RFV进行研究。整体而言，本试验地的苜蓿品质可达到一级甚至特级水平，这主要有以下两个原因：一是试验品种优良［21］，二是试验过程中选择了适宜的收获时期与较低损耗的收获方法［22］。不同灌溉下限对CP含量无显著性影响，但随着灌溉下限的降低RFV会明显升高，这与Li等［23］在内蒙古鄂托克旗地区得到的结果基本一致。这可能是由于水分供应的降低，苜蓿植株的茎杆变得更加细小，导致纤维素含量降低［24-25］，故而RFV增加。

由此可以看出苜蓿产量、WUE以及品质对不同灌溉下限的响应存在较大差异，甚至是相反的变化趋势，而这些均是制定苜蓿灌溉管理需要重点考虑的因子。因此，本文通过采用灰色关联度方法，并采用等权重分析，综合各因子对试验中采用的3种不同的灌溉下限及雨养进行评价，尽管三个灌溉下限间的灰色关联度接近，但整体以W2处理为表现最佳。

值得说明的是，由于试验地苜蓿为建植第二年，根系分布较浅，这会对试验结果造成一定影响。同时，比较阿鲁科尔沁旗1984—2013年降雨资料可知，试验年属于平水年，试验结果虽具有一定代表性，但年际间气候差异对苜蓿生长的影响仍不可忽视，因此建议研究者们能够选择不同建植年限的苜蓿开展连续的水分管理试验。

4 结论

试验结果表明，相比于雨养，灌水可帮助苜蓿产量提高201%～272%。随着灌溉下限的升高，苜蓿年产量显著增加，但WUE会显著降低。品质方面，不同灌溉下限对CP含量无显著性影响，但灌溉下限的降低会引起RFV明显升高。耗水量与产量、WUE间的关系呈抛物线趋势，即随着耗水量的增加产量和WUE呈先增加后降低的规律。基于灰色关联度分析，当灌溉下限为60%～65% FC时，科尔沁沙地苜蓿产量、品质及WUE的表现综合最佳。

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（责任编辑 闵芝智）