水氮互作對河西走廊紫花苜蓿品質的影響

文雅，張靜，馮萌，郭正剛

(蘭州大學草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，蘭州大學草業(yè)科學國家級實驗教學示范中心，蘭州大學農(nóng)業(yè)部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

紫花苜蓿(Medicagosativa)具有品質優(yōu)良的特點和肥田沃土的功能[1]，是北方地區(qū)奶業(yè)乃至集約化畜牧業(yè)發(fā)展重要的物質基礎，成為我國北方地區(qū)栽培最為廣泛的草種[2]。據(jù)《全國苜蓿產(chǎn)業(yè)規(guī)劃(2016-2020)》統(tǒng)計，2015年我國紫花苜蓿保留面積大約471萬hm2，已在甘肅河西走廊、內蒙古科爾沁草地和寧夏河套灌區(qū)形成三大種植基地。隨糧改飼、綠色發(fā)展、鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設的有序推進，紫花苜蓿種植面積還會不斷擴大。然而北方大多數(shù)地區(qū)紫花苜蓿的正常生長發(fā)育需要灌溉維持[3]，這必將加劇北方地區(qū)水資源虧缺的窘境。雖然紫花苜蓿根系具有生物固氮的能力，但1齡和2齡紫花苜蓿根系因不易形成根瘤而導致其固氮能力較弱[4]。因此氮素添加和灌溉是北方地區(qū)1齡和2齡紫花苜蓿維持正常生長發(fā)育的重要條件[5]。

水和肥是一對聯(lián)動因子，兩者之間合理配置時能形成協(xié)同效應，促進植物生長，而當兩者之間配置不合理時，則會演變?yōu)檗卓剐瑖乐赝{植物生長[6]。土壤含水量適宜時能夠促進土壤中氮素的運移及轉換，而土壤氮素含量滿足紫花苜蓿生長需求時，能夠一定程度上彌補水分缺少對紫花苜蓿生長的不利影響[7-8]，因此水氮耦合不僅能夠提高紫花苜蓿利用資源的效率，而且能夠節(jié)約灌溉量。水氮合理配置時能顯著提高紫花苜蓿水分利用效率和優(yōu)化地上地下生物量配置[9]，然而紫花苜蓿地上生物量轉化為動物性產(chǎn)品時，不僅與產(chǎn)量高低有關系，而且與品質和相對飼用價值密切相關[10]。牧草品質往往采用粗蛋白、粗纖維、粗脂肪含量等指標測度，而相對飼用價值取決于飼草料中的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量[11-12]。水氮合理配置能否改善紫花苜蓿的品質和相對飼用價值，尚需要科學試驗提供證據(jù)。因此，本試驗通過研究2年生紫花苜蓿在不同灌溉量和施氮量交互作用下的品質和相對飼用價值的變化特征，旨在為紫花苜蓿產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊中段的甘肅農(nóng)墾集團生地灣農(nóng)場(98°34′-98°41′ E, 40°13′-40°17′ N)，地處巴丹吉林沙漠邊緣，南接沙漠丘陵，東西毗鄰戈壁荒漠。氣候為典型溫帶大陸性氣候，平均海拔1260 m，平均降水量和蒸發(fā)量分別為64.8和2336.6 mm，平均日照總時數(shù)3193.2 h，≥10 ℃有效積溫3292 ℃，平均溫度9.1 ℃，最冷月(1月)均溫-8.9 ℃，最熱月(7月)均溫24.5 ℃。土壤類型為沙壤土質，其有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為10.11 g·kg-1、37 mg·kg-1、4 mg·kg-1和278 mg·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1供試材料 供試材料為2年生紫花苜蓿栽培草地，種植品種為“亮苜二號”。栽培草地建植于2014年5月5日，種植時沒有接種根瘤菌。氮源為尿素(含氮46.4%)，灌溉水為當?shù)剞r(nóng)民和企業(yè)常用灌溉紫花苜蓿的水，來自黑河。

1.2.2試驗設計 試驗設計為雙因素設計，兩個因素分別為灌溉量和施氮量，其中灌溉量為主因素，施氮量為副因素。灌溉量分別為117(1170 m3·hm-2)、156(1560 m3·hm-2)和192 mm(1920 m3·hm-2)3個水平，分別用W1、W2、W3表示，其中W1為當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉量的60%，W2為當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉量80%, W3為當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉量(當?shù)剞r(nóng)戶和企業(yè)的灌溉量)。施氮量(純氮)設置4個水平，分別為0(N1)、40(N2)、80(N3)和120 kg·hm-2(N4)。共計12個處理，即W1N1、W1N2、W1N3、W1N4、W2N1、W2N2、W2N3、W2N4、W3N1、W3N2、W3N3、W3N4，每個處理重復3次，共計36個小區(qū)。小區(qū)采用完全隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積100 m2(10 m×10 m)，小區(qū)之間設置寬1 m的隔離帶，以減小氮素和水分側向移動對試驗結果的影響。灌溉時采用塑料軟管灌水，塑料軟管頂端裝置水表，控制灌水量，水表出口接有自制的多孔塑料管，以保證小區(qū)均勻灌溉。建植當年紫花苜蓿栽培草地產(chǎn)量不穩(wěn)定，因此2015年(2齡)開始水氮互作處理。試驗期間共計灌溉2次，分別為返青期和分枝期，施肥采用直接撒播方式，每次灌溉前1 d施肥，每次施設計肥料的1/2。各小區(qū)管理方式和當?shù)剞r(nóng)戶保持一致，采用人工除雜。

1.2.3取樣和指標測定 采用對角線法在每個小區(qū)隨機選擇0.5 m×0.5 m的樣方3個，樣方位置離小區(qū)邊距離超過1 m，收割地上生物量，現(xiàn)場迅速稱其鮮重，然后從中收集150 g新鮮樣品，其余樣品帶回實驗室105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在75 ℃烘至恒重后稱其重量。150 g新鮮樣品先用自來水沖洗，再用去離子水沖洗干凈，用粗濾紙擦干，于烘箱中105 ℃殺青15 min后，將溫度調至65 ℃，恒溫下烘48 h，然后將其粉碎，采用40目(0.45 mm)篩過濾，用于測定紫花苜蓿的品質指標[4]。樣方生物量包括150 g用于測定品質的部分。

粗蛋白質采用半自動凱式定氮儀測定，粗脂肪含量測定采用ANKOM2000索氏抽提法，粗灰分含量測定采用干灰化法，纖維含量(粗纖維：crude fiber，CF；中性洗滌纖維：neutral detergent fiber，NDF；酸性洗滌纖維：acid detergent fiber，ADF)測定采用ANKOM2000纖維分析儀。

水分利用效率(water use efficiency，WUE)=地上生物量/灌水量，單位為kg·hm-2·mm-1

1.2.4相對飼用價值測定 相對飼用價值(relative feeding value, RFV)用干物質采食量(dry matter intake, DMI)和可消化干物質(digestible dry matter, DDM)計算，方法如下[13]：

RFV=DMI(%BW)×DDM(%DM)/1.29
DMI(%BW)=120/NDF(%DM)
DDM(%DM)=88.9-0.779×ADF(%DM)

式中：% BW是DMI的單位；% DM是NDF，ADF和DDM的單位。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件進行Two-Way ANOVA方差分析。若單個因素顯著影響紫花苜蓿測定指標，則用Duncan比較法進行多重比較分析；若灌溉量和施肥量交互作用顯著，則用Matlab建立紫花苜蓿各項測定指標與灌溉量和施肥量之間的二元回歸模型。

2 結果與分析

2.1 紫花苜蓿的生物量及水分利用效率

灌溉量顯著影響紫花苜蓿地上生物量及其水分利用效率(P<0.01)，而施氮量、灌溉量和施肥量交互作用僅顯著影響水分利用效率(P<0.01)(表1)。灌溉量為當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉量60%時(W1)的地上生物量顯著小于灌溉量為常規(guī)灌溉量80%時(W2)和常規(guī)灌溉量時(W3)的地上生物量(P<0.05)，但W2和W3間的地上生物量差異不顯著(P>0.05)；W2的水分利用效率顯著大于W3(P<0.05)，而W1又顯著小于W3的水分利用效率(P<0.05)；隨施氮量增加，紫花苜蓿水分利用效率呈現(xiàn)降低趨勢，但氮素添加量為0(N1)和40 kg·hm-2(N2)之間差異不顯著(P>0.05)。

水分利用效率(Y)與灌溉量(X1)、施氮量(X2)呈極顯著回歸關系，其擬合方程為Y=-148.36+2.194X1+0.0329X2-0.0069X12-0.00018X1X2-0.00015X22(R2=0.98)，X1和X2的一次項系數(shù)表明灌溉量和施氮量增加均能增加紫花苜蓿水分利用效率，且灌溉提高紫花苜蓿水分利用效率的效應要大于施氮效應，

表1 水氮互作對紫花苜蓿地上生物量和水分利用效率的影響Table 1 Effects of water-nitrogen interaction on shoot biomass and water use efficiency of alfalfa

注：*, **分別表示該處理在0.05和0.01水平具有顯著效應；ns則表示該處理不是顯著效應，不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)，下同。

Notes: *, ** indicates significant at 0.05 and 0.01 level, respectively; ns means no significance; Different letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 levels， the same below.

而X12和X22的二次項系數(shù)說明紫花苜蓿水分利用效率隨灌溉量和施氮量增加呈一條開口向下的拋物線(圖1)，水分利用效率最高的組合為灌溉量為常規(guī)灌溉量80%和施氮量為80 kg·hm-2的組合(W2N3)。

圖1 水氮互作下紫花苜蓿水分利用效率曲面圖Fig.1 Surface charts of water use efficiency of alfalfa under water-nitrogen interaction

2.2 紫花苜蓿的品質

灌溉量、施氮量以及交互作用對粗蛋白、粗纖維、粗脂肪和粗灰分的影響存在一定差異，其中灌溉量顯著影響粗蛋白質和粗脂肪含量(P<0.01)，施氮量顯著影響粗蛋白(P<0.05)和粗灰分含量(P<0.01)，而交互作用僅顯著影響粗蛋白含量(P<0.05)(表2)。隨灌溉量從W1增至W3，粗蛋白質先增加后降低趨勢，而粗脂肪呈現(xiàn)增加趨勢(P<0.05)。隨施氮量增加，紫花苜蓿粗蛋白和粗灰分均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，且在N3時最大(P<0.05)。

紫花苜蓿粗蛋白含量(Y)與灌溉量(X1)和施氮量(X2)間呈現(xiàn)出極顯著的回歸關系，二元二次多項式擬合數(shù)學模型為Y=-13.79+0.0225X1+0.1253X2-7.433X12-2.664X1X2-0.0006X22(R2=0.8)，說明灌溉量和施肥量對紫花苜蓿粗蛋白含量均具有明顯遞增作用，一定含水量范圍內施氮的增產(chǎn)效應大于灌水的增產(chǎn)效應。X12、X22的二次項系數(shù)均為負值，說明紫花苜蓿隨灌溉量和施氮量增加表現(xiàn)一條開口朝下的拋物線(圖2)，紫花苜蓿粗蛋白含量在W2N3時達到最高。

2.3 紫花苜蓿的相對飼用價值

灌溉量和施氮量對紫花苜蓿中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和相對飼用價值均具有顯著影響(P<0.01)，但兩者交互作用僅對中性洗滌纖維和相對飼用價值具有顯著影響(P<0.01)(表3)。紫花苜蓿中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和相對飼用價值在W1時顯著小于W2和W3(P<0.05)，W2和W3之間差異不顯著。隨著施氮量增加，紫花苜蓿中性洗滌纖維表現(xiàn)為增加趨勢，而酸性洗滌纖維與相對飼用價值表現(xiàn)為先增加后降低趨勢(P<0.05)。

紫花苜蓿中性洗滌纖維(Y)與灌溉量(X1)和施氮量(X2)存在較為顯著的回歸關系，其二元二次多項式擬合方程式為：Y=4.978+0.0425X1+0.2917X2-0.9048X12-0.0001X1X2-0.0003X22(R2=0.7)，X1和X2的系數(shù)表明灌溉和施肥量對紫花苜蓿中性洗滌纖維含量均具有明顯增加作用， 一定含水量范圍內施氮量增產(chǎn)效應大于灌溉量的增產(chǎn)效應，而X12和X22的系數(shù)說明紫花苜蓿隨灌溉量和施氮量增加中性洗滌纖維含量圖呈一條開口向下的拋物線，存在報酬遞減規(guī)律(圖3a)，中性洗滌纖維最大值出現(xiàn)在W1N3。

表2 水氮互作對紫花苜蓿品質的影響Table 2 Effects of water-nitrogen interaction on quality of alfalfa (%)

相對飼用價值(Y)與灌溉量(X1)和施氮量(X2)呈極顯著回歸關系，擬合方程為Y=-183.96+0.3725X1+0.6936X2-0.0001X12+0.0001X1X2-0.0054X22(R2=0.8)，X1和X2的系數(shù)說明灌溉量和施氮量均能夠增加紫花苜蓿的相對飼用價值，一定灌溉量范圍內施氮提高紫花苜蓿相對飼用價值的效應大于灌溉的效應。而X12和X22的系數(shù)說明紫花苜蓿隨灌溉量和施氮量增加呈一條開口向下的拋物線(圖3b)，相對飼用價值最大值出現(xiàn)在W2N2。

表3 水氮互作對相對飼用價值的影響Table 3 Effects of water-nitrogen interaction on relative feeding value of alfalfa (%)

圖2 水氮互作下紫花苜蓿粗蛋白含量的曲面圖Fig.2 Surface charts of crude protein content of alfalfa under water-nitrogen interaction

圖3 水氮互作下紫花苜蓿中性洗滌纖維(a)和相對飼用價值(b)曲面圖Fig.3 Surface charts of neutral detergent fiber (a) and relative feeding value (b) of alfalfa under water-nitrogen interaction

3 討論

3.1 水氮互作對河西走廊紫花苜蓿產(chǎn)量和水分利用效率的響應

水肥是紫花苜蓿栽培草地管理的關鍵因子[14]。合理施肥和精準灌溉能夠提高紫花苜蓿栽培草地的產(chǎn)量[2,7]，增加種植者的收益，固定更多的碳[15]。本研究表明，當灌溉量為常規(guī)灌溉量80%時，并沒有顯著降低紫花苜蓿地上生物量，而且提高了紫花苜蓿水分利用效率，而灌溉量為常規(guī)灌溉量60%時，紫花苜蓿地上和水分利用效率均顯著降低，說明采用常規(guī)灌溉量80%的用水量，就能夠滿足紫花苜蓿正常生產(chǎn)的需求，主要原因是適當水分脅迫刺激了紫花苜蓿根系的發(fā)育[2]，其可以從更廣范圍內吸收水分和養(yǎng)分[16]，滿足紫花苜蓿生長的需求，從而實現(xiàn)節(jié)約水資源的目標，但水分過少時，紫花苜蓿生長則會遭受嚴重限制，這與Guo等[3]研究結果一致。雖然紫花苜蓿地上生物量對施氮量沒有明顯的響應，但水分利用效率卻存在一定的劑量效應，當施氮量小于80 kg·hm-2時，紫花苜蓿水分利用效率變化不大，而超過80 kg·hm-2時，紫花苜蓿水分利用效率顯著降低，主要原因是水氮互作對紫花苜蓿水分利用效率影響為開口向下的拋物線，說明并不是氮肥越多，灌溉量越大，紫花苜蓿水分利用效率越高，灌溉量一定的條件下，隨施氮量增加紫花苜蓿水分利用效率先增加后降低；施氮量一定的條件下，隨灌溉量增加紫花苜蓿水分利用效率呈先增加后降低的趨勢，只有水氮配置為W2N2(灌溉量為當?shù)毓喔鹊?0%，施氮量為40 kg·hm-2)或W2N3(灌溉量為當?shù)毓喔鹊?0%，施氮量為80 kg·hm-2)時，水分利用效率較優(yōu)，此時氮肥有明顯調水作用，且灌溉量有明顯調肥作用，適宜水氮互作通過促進植物根系發(fā)育，增強根系的吸水功能[17]，使紫花苜蓿獲取更多養(yǎng)分和水分[18]，且能夠降低葉水勢，提高水分利用效率[19]，使一部分原來對植物生長“無效”的水變得“有效”，因此從資源高效利用和紫花苜蓿產(chǎn)量維持角度，水氮互作一定程度上能夠減少紫花苜蓿栽培草地管理中的灌溉量和施肥量，實現(xiàn)不減產(chǎn)且節(jié)約灌溉量和減少施肥成本的目標。

3.2 水氮互作對河西走廊紫花苜蓿品質和相對飼用價值的響應

紫花苜蓿作為優(yōu)質飼料，其栽培草地管理不僅要關注產(chǎn)量高低，還要關注其品質和轉化為動物性產(chǎn)品的性能[20]。當灌溉量為常規(guī)灌溉量80%時，不僅提高了粗蛋白質含量，而且能維持粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量穩(wěn)定，其中粗脂肪與牧草適口性密切相關[13]，而中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維與牧草消化率密切相關[21]，這說明常規(guī)灌溉量80%的灌溉量既能提高紫花苜蓿的品質，又能維持紫花苜蓿的適口性和消化率，從而提高了紫花苜蓿的相對飼用價值。隨施氮量增加，紫花苜蓿粗蛋白、酸性洗滌纖維含量和相對飼用價值均表現(xiàn)為先增加后降低趨勢，而中性洗滌纖維則呈現(xiàn)增加的趨勢，說明氮對紫花苜蓿品質影響可能存在劑量效應，只有添加適量氮素才能增加紫花苜蓿品質和相對飼用價值。

水氮互作條件下，紫花苜蓿粗蛋白、中性洗滌纖維含量和相對飼用價值與施氮量和灌溉量的關系為二元多項式，呈開口向下的拋物線，說明一定灌溉量條件下，隨施氮量增加紫花苜蓿粗蛋白、中性洗滌纖維含量和相對飼用價值先增加后降低，一定施氮條件下，隨灌水量增加紫花苜蓿粗蛋白、中性洗滌纖維含量和相對飼用價值亦呈先增加后降低的趨勢，并沒有出現(xiàn)粗蛋白含量隨著施氮量和灌溉量增加而增加的現(xiàn)象，說明水氮只有在耦合最好的狀態(tài)時提高紫花苜蓿的品質。粗蛋白含量、相對飼用價值和中性洗滌纖維與灌溉量和施氮量的擬合方程中，施氮量系數(shù)大于灌溉量系數(shù)，說明氮對紫花苜蓿品質和相對飼用價值的貢獻率要大于灌溉量對紫花苜蓿品質和相對飼用價值的貢獻率。雖然水氮互作顯著影響了中性洗滌纖維含量，但對酸性洗滌纖維含量沒有顯著影響，導致相對飼用價值最大的水氮組合和中性洗滌纖維最小的水氮組合并不一致，主要原因是相對飼用價值不僅受中性洗滌纖維含量響應，還受酸性洗滌纖維含量的影響。因此水氮合理配置不僅能夠優(yōu)化地上地下生物量配置[9]，還能提高紫花苜蓿水分利用效率，更能提高紫花苜蓿品質和相對飼用價值。

4 結論

河西走廊紫花苜蓿栽培草地施肥和灌溉的最佳水平為W2N2(灌溉量為當?shù)毓喔鹊?0%，施氮量為40 kg·hm-2)或W2N3(灌溉量為當?shù)毓喔鹊?0%，施氮量為80 kg·hm-2)。研究證實了紫花苜蓿水分利用效率、品質和相對飼用價值與施氮量和灌溉量之間表現(xiàn)為二元二次多項式關系，其中一次項系數(shù)為正，二次項系數(shù)為負，說明雖然灌溉量和施氮量對紫花苜蓿水分利用效率、品質和相對飼用價值具有正向作用，但存在報酬遞減規(guī)律，即只有合理的施氮配置才能提高紫花苜蓿水分利用效率、品質、相對飼用價值。