水分脅迫對北疆地區人工牧草產量的影響

劉 虎，魏永富，郭克貞，江 偉

(1.水利部 牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020； 2.福海縣水利局，新疆 福海 836400)

水分脅迫對北疆地區人工牧草產量的影響

劉 虎1，魏永富1，郭克貞1，江 偉2

(1.水利部 牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020； 2.福海縣水利局，新疆 福海 836400)

人工牧草；耗水量；產量；水分生產效率；北疆

新疆北部阿勒泰草原的農牧業生產主要是在荒漠瘠薄的土地上開發和發展起來的。通過對2011年在阿勒泰地區福海縣開展的紫花苜蓿、青貯玉米和蘇丹草的非充分灌溉試驗數據進行分析比較，初步得到該區3種常見牧草耗水量與產量、水分生產效率的關系。結果表明，3種牧草均為充分灌溉條件下產量最高，蘇丹草產量與土壤含水量占田間持水量的百分比呈顯著的線性相關。苜蓿在返青—分枝期受旱時水分生產效率最高；蘇丹草全生育期受輕旱時水分生產效率最低，受重旱時水分生產效率最高；青貯玉米在抽穗—開花期受輕旱時水分生產效率達到最高，拔節期和抽穗—開花期連續受旱時水分生產效率最低。

新疆位于祖國西北邊陲，歐亞大陸腹地，其草地覆蓋面積占全區面積的34.4%，是構成新疆生態系統的主體，也是新疆草原畜牧業的基礎資源和生產基地。據2010年統計資料，全區天然草地總面積為5 568.16萬hm2，居全國第三，可利用草地面積3 492.30萬hm2，占草地面積的62.71%。然而全疆85%的天然草地已處于退化之中，其中嚴重退化的草地面積已占37.5%，并且草地退化和沙化面積仍以每年29萬hm2的速度增加，草地生態日趨惡化的態勢嚴重，不僅直接威脅牧民的生活、生存環境，威脅牧區經濟社會的可持續發展，而且直接影響和威脅北方乃至全國的生態安全和可持續發展[1-2]。北疆地區主要地表水源為額爾齊斯河和烏倫古河，根據自治區發展需要，額爾齊斯河水源通過“北水南調”工程調入烏魯木齊市和克拉瑪依市作為生活用水，因此在保證牧草產量不減產的條件下，探索北疆干旱荒漠地區作物耗水量與產量、水分生產效率的關系顯得意義重大[3-7]。

本研究在前人研究的基礎上[8-10]，對2011年在福海縣哈拉霍英水庫下游灌區開展苜蓿、青貯玉米和蘇丹草非充分灌溉得到的灌水時間、灌水量、產量數據進行分析，探索在北疆荒漠戈壁地環境下，不同受旱水平對人工牧草產量的影響，以期為今后合理開發利用阿勒泰乃至北疆地區水土資源提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆阿勒泰地區福海縣哈拉霍英水庫下游灌區，西距烏倫古湖43 km，地理位置為東經87°40′22″、北緯46°10′45″，海拔558 m。試驗區內地勢平坦，下伏為第三紀沉積層，上覆第四紀堆積層厚度不大，僅為30～50 cm，地表組成物質較粗，主要為砂土和砂壤土。年平均太陽總輻射量為546.7 kJ/cm2，其中4—9月占71.4%。年平均日照時間為2 881 h，其中4—9月占63%。試驗區多年平均氣溫3.4 ℃，≥10 ℃積溫多年平均為2 904.9 ℃。無霜期較短，多年平均為147 d。試驗區為荒漠戈壁地，氣候干旱，雨水較少，年蒸發量為1 830 mm，多年平均降水量為112.7 mm。

1.2 試驗區土壤與農作物

試驗區土壤類型主要為淡棕鈣土，土壤容重為1.618 g/cm3，土壤田間持水量為8.6%，土壤滲透系數為8.78 mm/d。項目區土壤肥力較差，有機質和全氮含量為0.42%和0.021%，堿解氮、速效磷和速效鉀的含量分別為10、2.5和300 mg/kg。項目區土壤全鹽含量(土水比1 ∶5)為1.05%，pH值8.4。本試驗小區內灌溉用水主要取自烏倫古河地表水，水質較好，總鹽分為0.34 mg/L，pH值為8.2，呈弱堿性。試驗選擇的農作物為紫花苜蓿(阿爾岡金)、青貯玉米(新青1號)和蘇丹草(新蘇2號)。

1.3 試驗設計

灌溉制度試驗采用田測法，小區面積為60 m2(10 m×6 m)，小區與小區之間都做了隔水處理，各小區周邊都設置了保護區，以消除邊緣小區與邊行作物的邊際影響。作物生育階段劃分見表1。

紫花苜蓿整個生長季刈割2次，盛花期刈割，試驗設5個處理，其中包括1個充分灌溉處理(MX1)和4個非充分灌溉處理，具體設計見表2。蘇丹草整個生長季刈割1次，總共4個處理，包括重旱(SD1)、中旱(SD2)、輕旱(SD3)和充分灌溉(SD4)，各個處理的含水量下限分別為田間持水量的50%、60%、70%和75%，具體設計見表3。青貯玉米整個生長季刈割1次，初熟期刈割，試驗設8個處理，其中1個充分灌溉處理(YM8)和7個非充分灌溉處理，具體設計見表4。各個處理設3次重復。

注：表中所列數值為土壤含水量下限值，其上限為田間持水量，余同。

1.4 試驗方法與觀測內容

作物播種(苜蓿返青)后，每隔10 d觀測1次土壤含水量和項目區地下水位，灌水和降雨前后加測土壤含水量。根據實測土壤含水量，按照《節水灌溉工程技術規范》(GB/T 50363—2006)中的灌水定額計算公式，結合表2—4中不同處理土壤計劃濕潤層的含水量上下限值計算確定灌水量，記錄灌水時間。記錄不同處理各個生育階段的進入時間，在苜蓿開花期、蘇丹草初熟期、青貯玉米乳熟期測定鮮草質量和干草質量(陰干稱量)。樣方測產，樣方面積1 m×1 m。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉處理的人工牧草耗水量

根據水量平衡原理，由試驗測得的土壤含水量、灌水資料、灌水時間、地下水位和降雨等資料，計算人工牧草的耗水量，公式為

ET=P0+K+M+Wt+ΔW

式中：ET為作物生育階段耗水量，mm；P0為生育階段有效降雨量，mm；K為生育階段地下水補給量，根據地下水位和土壤含水量，由定位通量法計算得到，mm；M為生育階段灌溉量，mm；Wt為生育階段由于計劃濕潤層增加而增加的水量，生育階段內計劃濕潤層無變化此項不計；ΔW為生育階段初至生育階段末土壤計劃濕潤層內的儲水量變化值，由于生育期始末土壤含水量不變，因而此項可忽略不計。

經計算，3種作物不同生育期和整個生育階段耗水量見表5—7。由表可知，紫花苜蓿、蘇丹草和青貯玉米在充分灌溉條件下耗水量分別為690.1、414.9和567.5 mm。

2.2 不同灌溉處理對人工牧草產量的影響

表8給出了試驗中不同灌溉處理情況下的人工牧草產量與水分關系。由表8可知，不同灌溉處理條件下，人工牧草的產量和水分生產效率不同，總體說來，充分灌溉條件下產量最高。然而不同的灌水方式會得到不同的水分生產效率。

紫花苜蓿在充分灌溉條件下產量最高，為14 229.6 kg/hm2；苗期水分不足(MX3處理)對產量影響最小，水分生產效率最高，產量為13 776.9 kg/hm2，水分生產效率為2.18 kg/m3；整個生育期缺水對產量影響最大，水分生產效率最低；分枝—孕蕾期缺水比其他生育期缺水對產量影響大。

蘇丹草在SD1處理下水分生產效率最高，并且水分生產效率隨總灌水量的減少而增大，產量隨總灌水量的減少而減少。在灌溉水資源充足條件下，應當采用SD4處理以保證產量，但是在灌溉水資源較為緊缺時，為了保證有限的水資源得到充分利用，應該采用SD1處理模式。

由青貯玉米耗水量與水分生產效率、產量的相互關系來看，YM8處理產量最高，YM3處理為次高，但YM3耗水量僅為YM8的76%，因此YM3可以作為節水豐產的灌溉處理。而其他處理的產量和水分生產效率較低。如果要在有限的水資源條件下，得到較高的青貯玉米產量，還需對水資源進行合理的配置與優化。

2.3 不同水分虧缺量下的減產率研究

從表9可知，紫花苜蓿生長發育過程中的水分脅迫均會引起一系列的不良后果，在作物生育情況方面最顯著的表現是植株降低、作物產量下降。不同灌溉處理結果表明，在土壤水分適宜條件下紫花苜蓿不減產，隨著土壤含水量的下降作物產量明顯下降，當土壤水分控制在田間持水量的45%～50%時(MX5)，減產率達到了28.02%。從不同灌溉處理紫花苜蓿的產量可以看出，單階段受旱時，返青—分枝期受旱減產最少，分枝—孕蕾期受旱減產最為明顯。

從表10可知，不同水分條件下蘇丹草的產量是不一樣的，充分灌溉條件下(SD4處理)產量最高，受重旱時產量最低，減產率達到了21.18%。而且由圖1可看出，蘇丹草產量與土壤水分占田間持水量的百分比呈線性相關，其相關系數R達到0.895(R2=0.801 3)。

青貯玉米各處理產量和減產率見表11。青貯玉米生長發育的各個階段，水分脅迫均會引起一系列的不良后果，其中最明顯的影響是植株降低、分蘗能力減弱、葉面積減少、作物產量下降。單階段受旱時，抽穗—開花期受重旱減產最為嚴重(減產55.96%)，因為該階段玉米處于生殖生長階段，這一階段如果受到重旱將嚴重影響后期產量；在苗期、拔節期和灌漿—乳熟期，最為敏感的是苗期(減產36.76%)，這是由于項目區青貯玉米播種時間為初夏，播種后即進入高溫、干熱、少雨天氣，故苗期應進行灌溉補墑；此外，青貯玉米在拔節期水分生理活動也不同于其他作物的“蹲苗”，栽培管理的要點是促分蘗、促拔節，如果此時受旱可減產19.88%。項目區主要為戈壁土，蒸發快，保水能力較差，灌水后表層水分很快下滲或蒸發，因此灌水應盡量采用“量少次多”的灌溉制度，造成上干下濕的狀態，以促進分蘗。

3 結 論

本研究中，紫花苜蓿在全年中收獲兩茬，每茬生長期約為60 d，全生育期連續受旱時，耗水量為605.3 mm，僅為充分灌溉時的87.7%；蘇丹草的耗水量隨著作物受旱情況的加劇而逐漸減少，其充分灌溉的耗水量為414.9 mm，重旱條件下耗水量僅為充分灌溉的49.7%；青貯玉米抽穗—開花期不灌水條件下耗水量最小，僅為341.0 mm，為充分灌溉時的60%。

不同灌溉處理條件下，人工牧草的產量和水分生產效率不同，總體來說，充分灌溉條件下產量最高。紫花苜蓿在返青—分枝期受旱減產率最小，水分生產效率最高；全生育期受旱減產率最大，達到28.02%，水分生產效率也最低。蘇丹草的規律與紫花苜蓿相似，其作物減產率與受旱程度的關系呈線性關系，全生育期受輕旱時水分生產效率最低，受重旱時水分生產效率最高。青貯玉米在抽穗—開花期受輕旱時，產量僅次于充分灌溉的情況，其水分生產效率達到最高，但耗水量僅為充分灌溉的76%；而拔節期和抽穗—開花期連旱對產量的影響最大，減產率最大，同時該受旱條件下水分生產效率亦最低。

北疆地區作為水資源十分緊張的地區，地表水源受山區降雪的影響，豐枯水年交替明顯，在灌溉水資源較為緊缺時，為了保證有限的水資源得到充分利用，應該采用不同的灌溉模式，并根據現有研究成果及經驗值，在保證較高水分生產效率的情況下，結合農藝措施、保水材料等，合理地分配水資源。

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(責任編輯 徐素霞)

中國水科院專項經費項目(MK2014J03)；水利部公益性行業科研專項經費項目(201201008)；新疆水利科技項目專項經費項目(2014G01)

S274

A

1000-0941(2015)03-0054-04

劉虎(1985—)，男，湖北仙桃市人，工程師，碩士，主要從事牧區灌溉排水與農業資源環境方面的研究。

2014-06-14