灌溉時期和灌水量對海河平原區紫花苜蓿生產性能的影響

游永亮， 李 源， 武瑞鑫， 劉貴波， 趙海明

(河北省農林科學院旱作農業研究所， 河北省農作物抗旱研究重點實驗室， 河北 衡水 053000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)作為一種優質的豆科飼草作物，在全世界有廣泛的分布，較適宜生長在年降水量為500～800 mm的地區[1-2]，相關研究報道顯示，苜蓿需水量和耗水量范圍一般在400～2 250 mm和300～2 250 mm[3]。有研究認為苜蓿是高耗水作物[4]，龐大的根系易形成土壤干層[5]，同時苜蓿又具有較強的抗旱性，在黃土高原區其他農作物出現凋萎時苜蓿仍可以正常生長[6]。晉小軍等[7]通過對隴東旱塬苜蓿、黃花菜(HemerocalliscitrinaBaroni)與主栽作物小麥(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)進行比較分析顯示，在特大干旱年份苜蓿抗旱性強于農作物小麥和玉米。多數研究者認為在半干旱和半濕潤易旱地區對苜蓿進行補充灌溉能夠提高苜蓿生產能力[8-10]，并且廣泛開展了苜蓿灌水量[11-13]、灌水方式[14-15]、灌水頻率[16]、水分利用效率[17]等方面的研究。

海河平原區已成為黃淮海地區最大最深的地下水漏斗區[18-19]，地下水超采量為全國的三分之一，對該區國民經濟發展造成威脅。農業用水占地下水采用量的70%，因此選擇抗旱節水作物是抑制海河平原區地下水超采的重要農藝措施。海河平原區是苜蓿生產的主要區域之一，有必要探討苜蓿的抗旱節水性，明確其是否需要灌溉。海河平原區苜蓿灌溉方面的研究較少，朱湘寧等[10]2001年在河北南皮對苜蓿第2茬生長初期進行灌溉，試驗結果顯示第2茬和第3茬苜蓿增產明顯，但該試驗僅為一年數據，且沒有對苜蓿全年生物產量以及水分利用效率進行比較。李新樂等[20]2007年在河北廊坊市中國農業科學院廊坊實驗基地(海拔25 m，沙壤土)研究不同降雨年型下灌溉對紫花苜蓿產量和土壤水分動態的影響，試驗結果顯示，枯水年(降雨量480.6 mm)宜采用苜蓿返青及1，2茬苜蓿刈割后灌水且每次灌水75 mm的灌溉模式；豐水年(降雨量636.4 mm)宜采用苜蓿返青及第1，2茬苜蓿刈割后灌水且每次灌水50 mm的灌溉模式。該試驗同樣沒有考慮水分利用效率。文霞等[13]2009年在河北廊坊市中國農業科學院廊坊實驗基地(海拔25 m，沙壤土)研究灌水量對種植第3年的苜蓿生產能力的影響，試驗結果顯示，灌水對第1茬苜蓿產草量無顯著影響，第2，3茬以及全年產草量隨灌水量增加而增加，認為在京南地區種植苜蓿應在第1，2茬苜蓿刈割后灌水，生長季降水總量在390.34 mm以下時全年最適宜灌水量為150 mm。該試驗僅為2009年一年的數據，且試驗年份降雨量較低，為非正常年份。海河平原區平均降雨量在500 mm左右，平均海拔50 m以下，70%的地塊有淺層地下水，80%降雨集中在7-9月份，在該區如此氣候條件下，年刈割5茬情況下苜蓿是否需要灌溉，以及灌溉時間和灌水定額目前并不明確。因此，本研究于2015-2017年連續3年在河北省深州市的河北省農林科學院旱作農業節水試驗站開展了苜蓿灌溉時期和灌水量研究，通過比較不同灌溉處理下苜蓿干草產量、農藝性狀、抗倒性以及水分利用效率等，為該區苜蓿合理灌溉提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河北省深州市河北省農林科學院旱作農業節水試驗站內進行。試驗地位于東經115°42′，北緯37°44′，海拔高度20 m，屬暖溫帶半干旱半濕潤季風氣候，年降水量497.1 mm，其中70%的降水集中在7-8月，年均溫13.3℃，最熱月均溫27.1℃，最冷月均溫-2.1℃，極端最高溫度42.8℃，極端最低溫度-23.0℃，無霜期202 d，初霜日10月22日，終霜日4月2日，年積溫(≥0℃)5 003.5℃，年有效積溫(≥10℃)4 603.7℃，土壤田間持水量27.8%。播種前測定基礎土壤樣品營養成分見表1。

表1 試驗地播種前土壤養分Table 1 Soil nutrients before sowing

1.2 試驗方法

試驗由2個小試驗組成，2個小試驗選用的苜蓿品種均為中苜1號，引自中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，2014年秋播。試驗一采用的是1齡苜蓿，即試驗于2014年秋開始，2017年秋結束。試驗二采用的2齡苜蓿，即試驗于2015年秋開始，2017年秋結束。

2個試驗處理一致，即采用在苜蓿3個需水關鍵期灌水的方式設置6個灌水處理，分別為灌1次凍水(D)；灌1次返青水(F)；灌1次返青水和第1茬刈割后灌水(FY)；灌1次凍水和第1茬刈割后灌水(DY)；灌1次凍水、1次返青水和第1茬刈割后灌水(DFY)；以不灌溉為對照(CK)，每次灌水量均為75 mm。每個試驗均為隨機區組設計，3次重復，18個小區，兩個試驗共36個小區。小區面積16.5 m2(3 m×5.5 m)，每小區種植10行，行距30 cm，播種量15 kg·hm-2，播深2 cm。小區之間間隔2 m，防止水分側滲造成小區之間相互影響。

試驗采取小區畦灌方式，用水表計量灌水量。灌水時間分別為：2014-2015年度，2014年11月15日灌凍水，2015年3月25日灌返青水，5月25日第1茬刈割后灌水。2015-2016年度，2016年1月7日灌凍水，2016年4月5日灌返青水，2016年5月24日第1茬刈割后灌水。2016-2017年度，2016年11月23日灌凍水，4月1日灌返青水，5月28日第1茬刈割后灌水。

兩個試驗田間管理方式相同，造墑播種，播種前底肥施入復合肥1 125 kg·hm-2。試驗期間及時進行鋤草、病蟲害防控等田間管理，每個處理均年刈割5次，具體刈割時間見表2。為了保證當年播種的苜蓿安全越冬，2014年11月15日所有小區均灌溉了凍水，灌水量75 mm。

表2 苜蓿各茬草刈割日期(月/日)Table 2 The cutting time of each cutting (Month/day)

1.3 測定指標與方法

1.3.1干草產量 刈割測產時每小區去掉兩側邊行和50 cm行頭后，剩余全部刈割測定鮮草產量。隨機選取代表性鮮樣500 g，自然風干后稱干重計算鮮干比(干重/鮮重)，折算出干草產量。

1.3.2莖葉比 隨機選取代表性鮮樣500 g，將莖和葉(花序歸入葉)分開后自然風干，再分別稱重，計算莖葉比(葉質量/莖質量)。

1.3.3株高 刈割測產前每小區取中部有代表性的植株10株，分別測量地面至頂部高度，計算平均值。

1.3.4枝條數 刈割測產時每小區隨機選取3段1 m長樣點，統計地表根莖處形成的枝條數，然后折算成每平方米枝條數。

1.3.5抗倒性 各茬鮮草收獲測產前，按照倒伏劃分級標準記錄倒伏情況：0級(直立)、1級(傾斜≤30°)、2級(傾斜≤60°)、3級(傾斜>60°)。

1.3.6土壤水分動態監測 對試驗一進行了土壤水分動態監測。2015-2016年利用取土烘干法測定，返青期開始每半月測定一次，測定深度0～60 cm，20 cm一層。2017年利用TDR測定，返青期和每次刈割前后測定，測定深度0～120 cm，20 cm一層，換算成土壤質量含水量。

1.3.7水分利用效率(Water use efficiency,WUE) 依據生物量、返青時和最后一茬刈割時的土壤含水量計算水分利用效率。

WUE=Y/(W1-W2+P+G)

W1：返青時土壤貯水量(mm)；W2：最后一茬刈割時土壤貯水量(mm)；P：生育期降水量，G：生育期灌水量，水分利用效率用kg·hm-2·mm-1表示。2015-2016年利用0～60 cm土層貯水量計算，2017年利用0～120 cm土層貯水量計算。

1.3.8氣象數據 試驗期間的降水、溫度等氣象數據均由試驗區小型氣象站觀測。

1.4 數據處理

試驗數據用SPSS19.0進行分析，采用excel2007制圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對苜蓿產草量的影響

對兩個試驗各處理苜蓿產草量進行統計(表3)，由表3看出，試驗一不同灌水處理下苜蓿總產草量除2016年外，2015年、2017年以及3年累計總產草量均高于對照，但差異不顯著。2016年各處理之間苜蓿產草量以DFY處理最高，之后為DY和D處理，三者苜蓿產草量均極顯著高于對照處理(P<0.01)，FY處理下苜蓿產草量顯著高于對照(P<0.05)，而F處理下苜蓿產草量高于對照，但差異不顯著。從2016年苜蓿產草量結果顯示，苜蓿產草量DFY>DY>D>FY>F>CK，說明灌水量相同情況下，灌凍水效果優于灌返青水，均有灌凍水條件下，灌水量越多，苜蓿產草量越高。試驗一的3年累計產草量變化趨勢和2016年相同。試驗二不同灌水處理下苜蓿每年產草量以及2年累計總產草量均高于對照，但差異不顯著(P>0.05)產草量變化趨勢為DFY>DY>FY>D>F>CK，和試驗一苜蓿產草量變化趨勢基本相同。

表3 不同處理下苜蓿的干草產量Table 3 The dry yield of alfalfa under different treatments /t·hm-2

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，下同

Note: Different lowercase or capital letter in the same column indicate significant differences at the 0.05 level or the 0.01 level, the same as below

2.2 不同處理對苜蓿各茬次平均產草量的影響

對兩個試驗不同處理下苜蓿各茬次平均產草量進行統計(表4)，由表4可知，試驗一不同灌水處理下苜蓿各茬次平均產草量和對照相比均差異不顯著。除F處理第3茬、FY處理第4茬和DFY處理第4茬和5茬外，其余處理下各茬次平均產草量均大于對照。隨著灌溉次數增加，各茬次產草量整體呈逐漸增加趨勢。灌水量相同情況下，灌凍水對苜蓿增產效果優于灌返青水，且灌水處理對前兩茬草增產效果明顯，對后3茬草增產效果減弱。試驗二不同處理下苜蓿各茬次產草量變化趨勢和試驗一基本相同。

表4 不同處理下苜蓿各茬次的平均產草量Table 4 The dry yield of alfalfa in different cutting times under different treatments /t·hm-2

2.3 不同處理對苜蓿莖葉比、株高、枝條數和抗倒性的影響

對兩個試驗不同處理下苜蓿各茬次莖葉比、株高、枝條數和抗倒性多年平均值進行統計(表5)。試驗一不同灌水處理下苜蓿莖葉比、株高和枝條數與對照相比均差異不顯著。從平均值來看，對照莖葉比高于其他灌水處理，株高低于其他灌水處理。除F處理外，對照枝條數低于其他灌水處理。說明增加灌水可提高苜蓿的株高和枝條數，降低苜蓿莖葉比。試驗二結果和試驗一結果類似。對兩個試驗不同灌水處理下苜蓿各茬次苜蓿抗倒性平均值進行統計(表5)。從表5來看，增加一次返青水苜蓿整體抗倒性減弱。

表5 不同處理下苜蓿各茬次莖葉比、株高、枝條數和抗倒性Table 5 The Ratio of stem/leaf, height, branches number and Lodging resistance of alfalfa under different treatments

2.4 不同處理對苜蓿水分利用效率的影響

對試驗一2015-2017年苜蓿的水分利用效率進行了統計(表6)，由表6可知，不同處理下苜蓿3年的水分利用效率均存在顯著差異(P<0.05)，隨著灌水量增加，苜蓿水分利用效率整體呈現下降趨勢。除2016年D處理和2017年F處理外，其他處理下的苜蓿水分利用效率均低于對照。三年平均值來看，不同處理下苜蓿水分利用效率存在極顯著差異(P<0.01)，且隨著灌水量增加呈現逐漸下降趨勢，對照水分利用效率最高，DFY處理水分利用效率最低，二者差異極顯著(P<0.01)。

表6 不同處理下苜蓿水分利用效率Table 6 The water use efficiency of alfalfa under different treatments

2.5 不同處理下土壤水分動態變化

對試驗一各處理2015-2016年0～60 cm土壤以及2017年0～120 cm土壤平均水分動態變化進行了監測，并利用田間持水量將測定的土壤含水量換算成相對含水量(圖1、圖2和圖3)，對試驗期間降水量進行了統計(表7)。從2015年土壤相對含水量來看(圖1)，4月20日(灌返青水26天后)CK處理土壤相對含水量74.39%，不同灌水處理土壤相對含水量在78.12%～85.37%之間，不同灌水處理和CK相比土壤相對含水量基本持平。6月2日(第1茬刈割后灌水9天后)CK處理土壤相對含水量70.42%，除FY處理土壤相對含水量(76.22%)高于CK外，其他不同灌水處理土壤相對含水量均低于CK。2016年不同灌水處理土壤相對含水量變化趨勢和2015年基本一致，但2015年5月中旬之前土壤相對含水量全部超過60%，2016年5月中旬之前土壤相對含水量(除剛灌溉后)基本在60%左右。2017年土壤相對含水量來看(圖3)，5月31日(第1茬刈割后灌水3天后)FY、DFY和DY處理下土壤相對含水量分別為69.06%，66.55%和63.77%，CK土壤相對含水量僅為44.69%，6月8日(第1茬刈割后灌水11天后)FY、DFY和DY處理下土壤相對含水量下降到60.64%，57.27%和54.31%，而CK土壤相對含水量上升到47.23%，土壤相對含水量差異縮小。2017年土壤相對含水量和2015-2016年相比，在5月中旬之前(除剛灌溉后)CK土壤相對含水量全部在40%以下，其他灌水處理土壤相對含水量基本在60%以下。6月份之后隨著降雨增加，2015-2017年各處理下土壤相對含水量和對照相比差異不大，幾乎全部在60%以上。

表7 試驗期間月平均降水量Table 7 Month average rainfall in the area from November 2014 to October 2017

圖1 2015年不同處理下0～60 cm土壤平均相對含水量Fig.1 The average relative soil water content in 0～60 cm under different treatments in 2015

圖2 2016年不同處理下0～60 cm土壤平均相對含水量Fig.2 The average relative soil water content in 0～60 cm under different treatments in 2016

圖3 2017年不同處理下0～120 cm土壤平均相對含水量Fig.3 The average relative soil water content in 0～120 cm under different treatments in 2017

3 討論

3.1 灌溉對苜蓿生物產量的影響

大多數學者研究結果顯示，增加灌水量能夠不同程度增加苜蓿生物產量[10,13,20-22]，本研究結果顯示，除試驗一2016年不同灌水處理下苜蓿干草產量存在顯著差異外，2015年、2017年以及3年總產量均差異不顯著。對比不同處理下苜蓿每茬次產量，差異同樣不顯著。分析認為，對試驗一苜蓿所有處理于2014年11月15日進行了冬灌，保證幼苗安全越冬。而2015年第1茬苜蓿生長在3-5月份，氣溫不高，地面蒸發不強，冬灌的水分足夠第1茬苜蓿生長需要。2015年4月和5月較往常年份降雨量增加(表2)，分別降雨47.4 mm和83.0 mm，降雨導致不同灌水處理下第2茬苜蓿產量差異不明顯。第3茬及以后本地區進入雨季，土壤水分含量基本一致，苜蓿干草產量沒有差異。2015年11月至2016年3月降雨量少，灌水處理下試驗一苜蓿前兩茬草產量及全年總產量存在顯著差異。以上結果也印證了苜蓿生物產量和耗水量呈正相關關系的結論[6,23]。

3.2 灌溉對苜蓿農藝性狀的影響

苜蓿生長前期輕度干旱會導致植株枝條數降低，導致苜蓿減產15%[24]。另有研究認為灌溉會不同程度影響苜蓿株高[12,25]和莖葉比[11-12]。本試驗結果顯示不同灌水處理下苜蓿株高、莖葉比和枝條數和對照相比差異不顯著。分析原因，除上述降雨因素外，該地區有淺層地下水[26]，而苜蓿是深根系作物，是否因苜蓿利用了淺層地下水還需進一步驗證。

3.3 灌溉對苜蓿水分利用效率的影響

苜蓿水分利用效率方面，王雪等[27]研究結果顯示，充分供水條件下(灌水量為200 mm)苜蓿全年水分利用效率最低，為21.85 kg·hm-2·mm-1，適宜供水條件下(灌水量175 mm)時苜蓿全年水分利用效率最高，為43.09 kg·hm-2·mm-1。劉愛紅等[28]研究結果顯示，隨著灌水量的增加，苜蓿水分利用效率呈現先升高后降低的趨勢，馬令法[29]研究結果顯示隨著灌水量的增加，苜蓿水分利用效率逐漸升高。本試驗結果與上述研究結果均不一致，本試驗結果顯示隨著灌水量的增加，苜蓿水分利用效率逐漸降低。孫洪仁等[3]歸納了國內外對苜蓿水分利用效率的研究結果，認為在相對正常的田間栽培管理條件下，建植當年紫花苜蓿水分利用效率的范圍為8～12 kg·hm-2·mm-1，建植2年及以上者為12～25 kg·hm-2·mm-1，而本試驗結果顯示苜蓿3年平均水分利用效率在30.49～40.09 kg·hm-2·mm-1，遠高于上述統計結果。苜蓿水分利用效率可能與試驗區域、年度氣候差異等原因有關。另外本試驗在分析苜蓿水分利用效率時，耗水量采用開始時土壤貯水量+降水量+灌水量-結束時土壤貯水量的計算方式，忽略了地下滲漏量等，可能并未真正體現苜蓿自身耗水量。同時，苜蓿持續生產能力一般5年左右，而本試驗只觀測了苜蓿在不同灌水條件下前3年的生產能力和水分利用效率，觀測5年可能更具說服力。同時，苜蓿是多年生作物，根系發達，而本試驗小區面積16.5 m2(3 m×5.5 m)，小區間隔2 m，小區面積較小，小區之間是否會有相互影響還需進一步觀測。

3.4 灌溉對苜蓿地土壤含水量變化的影響

土壤含水量是影響苜蓿耗水強度的重要因子[3]。當苜蓿從出苗到刈割期土壤相對含水量處于45%以下時，苜蓿生長發育不良，年底植株死亡率較高；土壤相對含水量在60%以上時苜蓿植株生長較好[30]。本試驗對土壤含水量進行了動態監測，并利用田間持水量計算土壤相對含水量(圖1～3)。2015年5月中旬之前土壤相對含水量全部在60%以上，土壤水分處于相對充足狀態，2016年5月中旬之前土壤相對含水量全部在50%以上，接近60%，土壤水分基本滿足苜蓿生長需求。2017年5月中旬之前土壤相對含水量(除剛灌溉后)CK土壤相對含水量很少超過40%，土壤水分處于相對虧缺狀態，而其他灌水處理土壤相對含水量幾乎全部在45%～60%之間，基本滿足苜蓿生長需求。6月份之后隨著降水增加，2015-2017年各處理下土壤相對含水量幾乎全部在60%以上，均處于相對充足狀態。分析原因，11月至次年5月份期間降水量3個年度分別為157.6 mm，107.7 mm和62.0 mm，是造成2015年和2016年6月份之前土壤相對含水量高，而2017年土壤相對含水量低的原因。2016年和2015年相比，5月中旬之前土壤相對含水量低，基本滿足苜蓿生長需求，并未達到充足狀態，可能是2016年不同灌水處理下苜蓿產量顯著高于CK，而2015年苜蓿產量卻差異不顯著的原因。

4 結論

試驗結果顯示，在海河平原區，灌溉能提高苜蓿產草量，但和不灌溉相比增產差異不顯著，隨著灌水量的增加苜蓿株高和枝條數等農藝性狀有所改善，但抗倒性減弱，水分利用效率逐漸降低，且差異極顯著(P<0.01)。綜合分析，在海河平原區水資源極度緊缺情況下苜蓿種植一般無需灌溉，但在年度降雨量較少，特別是冬春季節降雨較少的年份，建議對苜蓿進行1次補灌，選擇灌凍水，灌水量75 mm，可能對提高苜蓿當年生物產量以及提高苜蓿持續生產能力具有一定促進作用。