不同灌水模式對禾豆混播人工草地產量與品質的影響

康文彥，齊廣平，康燕霞，銀敏華，馬彥麟，張宏斌

(甘肅農業大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

西北內陸干旱草原區氣候以干旱、半干旱為主，蒸發量大、降水稀少，水資源匱乏，使得天然草地產量低。牧草產量短缺已嚴重制約了當地畜牧業的發展，因此人工建植草地是解決該地區牧草產量不足的重要途徑。目前，西北內陸干旱區人工草地大多存在經營管理不當、水資源浪費嚴重、牧草產量低下等問題[1- 2]。

紫花苜蓿是一種產量高、品質好的多年生豆科飼草，其利用方式多樣，是公認的“牧草之王”[3- 4]。無芒雀麥是多年生禾本科飼草，一般作為青貯飼料或調制成干草，具有耐寒、耐旱和耐牧、營養價值高、適口性好的特點[5]，其生長特性和苜蓿相似，二者具有一定的互補性。目前，我國飼草種植主要集中在西北、華北等干旱缺水地區，與其他作物相比，紫花苜蓿等飼草的耗水量較大[6]。隨著人工草地的大面積種植，提高單位面積牧草的產量和品質成為現階段研究的重點與焦點。發展節水灌溉、提高水分利用效率成為牧草生產的必然要求。地面噴灌技術具有節水、節地、省工和增產等優點[7]，研究結果表明，與漫灌相比，噴灌可以節水30%，提高水分利用效率15%，同時提高苜蓿的產量[8]。調虧灌溉技術是根據作物不同生育時期的需水量，人為施加一定的水分脅迫，實現水分的高效利用和作物的增產優質。目前，調虧灌溉技術已在多種作物和果樹節水高產和改善品質方面得到了廣泛的應用[9- 14]，但針對混播草地地面噴灌條件下的調虧灌溉研究較為匱乏。

在內陸干旱區，目前針對無芒雀麥單播及無芒雀麥/苜蓿混播的研究主要集中于研究牧草的混播比例、競爭力及穩定性等方面。王建麗[15]、鄭偉[16]、張永亮[17]等人在苜蓿和無芒雀麥混播草地生長速度和生物量動態研究中發現，混播草地的干草產量明顯高于單播草地，且苜蓿的競爭力大于無芒雀麥。蔣慧等[18]研究得出，混播相較于單播可以提高青貯牧草的品質。此外混播草地因牧草間的相互協同作用，可以大幅提高土壤水分的利用效率和牧草的粗蛋白含量[19- 21]，在內陸干旱區此研究結果還沒有得到很好地關注和應用。內陸干旱區水資源嚴重不足是制約當地人工草地生長的主要因素，然而現階段關于水分對人工草地產量和品質的研究較少。本研究以西北內陸干旱區為研究區域，通過大田試驗，探究不同種植模式和灌水方式對草地產量、品質、耗水量和水分利用效率的影響，旨在獲得適合當地牧草生產的種植和灌水方式，為當地畜牧業發展提供理論依據和技術支撐。

表1 土壤基本理化性狀

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于甘肅省酒泉市肅州區鏵尖鄉，區內平均海拔為1387m。該地區屬于典型的內陸沙漠型氣候，多年平均降水量85.3mm，多年平均蒸發量2148.8mm，年均氣溫7.3℃，全年日照時數3034h，無霜期130d。氣象數據(試驗期間的降雨量、空氣溫度、風速、濕度、ET0、太陽輻射等)由距離試驗地50m的農業氣象站測定。試驗地土壤為沙壤土，0～100cm土層土壤基礎理化性狀見表1。

1.2 試驗設計

供試的苜蓿(清水苜蓿，MedicagosativeL.cv.Qingshui)和無芒雀麥(卡爾頓無芒雀麥，BromusinermisLeyss.cv.Carlton)，由甘肅農業大學草業學院提供。試驗設種植方式和灌水水平2個因素，其中種植方式為無芒雀麥單播(播種量為30kg/hm2)和無芒雀麥/苜蓿混播(播種比例1∶1，播種量為15kg/hm2)。灌水水平設7個處理，分別在拔節期和抽穗期設低、中、高3種灌水下限(單播和混播的灌水下限相同)，以全生育期充分灌水為對照，各處理灌水下限(土壤的體積含水率占田間持水量的百分比，計劃濕潤層為60cm，當計劃濕潤層含水量達到下限時開始灌水，水分上限為85%的田間持水量)見表2。試驗采用完全隨機區組設計，每個處理設3個重復，一共設42個小區(面積5m×5m)，小區之間設1m的保護帶。試驗采用噴灌(灌水量由各小區安裝的水表控制)，噴頭(蝶形噴

表2 噴灌條件下調虧灌溉試驗灌水下限 單位：%

頭，大禹節水集團提供)噴射半徑2～4m，布設在小區的正中心。無芒雀麥和紫花苜蓿于2018年5月8日播種，人工條播，播深2cm，行距30cm。試驗期間，除草、施肥、病蟲害防治等與當地常規管理保持一致。

1.3 指標測定與方法

1.3.1土壤體積含水率

采用時域反射儀(Time Domain Reflectometry，TDR)觀測根區0～120cm土層的體積含水率，從播種到收獲期每隔3～5d測定一次，降雨、灌水前后加測，并定期采用土鉆法對測定結果進行校正。

1.3.2牧草干物質產量

每隔8～12d測定一次，在每個小區隨機取1.0m長的樣帶，將牧草齊地面刈割，稱牧草的鮮重，然后放入烘箱，用105℃殺青30min以后，在75℃下烘48h至恒重，稱取干物質的重量。

1.3.3粗蛋白含量及產量

在牧草收獲期取植株地上部分樣品，經殺青、烘干、粉碎后采用凱氏定氮法測定，用下式計算植株粗蛋白含量和產量：

CP=6.25ωN

(1)

CPY=CP×DM

(2)

式中，CP—粗蛋白質量分數，%；6.25—換算系數[22]；ωN—植株含氮量[23]，%；CPY—粗蛋白產量，kg·hm-2；DM—干物質產量，kg·hm-2。

1.3.4酸性洗滌纖維(Acid Detergent Fiber，ADF)和中性洗滌纖維(Neutral Detergent Fiber，NDF)

采用Van Soest法通過半自動纖維分析儀(F800)測定牧草酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量

1.3.5草地耗水量與水分利用效率

不同處理草地的耗水量采用水量平衡法計算，公式如下：

ETa=R+I+CR-ΔW-OF-P

(3)

式中，ETa—耗水量，mm；R—降水量，mm；I—灌水量，mm；CR—地下水向上補給量，mm；ΔW—生育期末土壤儲水量與生育期初土壤儲水量之差，mm；OF—徑流量，mm；P—深層滲漏量，mm。

表3 不同處理牧草耗水量及耗水來源比例

注：不同小寫字母表示變量之間差異顯著(P<0.05)。

因試驗區地形平坦，地下水較深，故CR、OF和P可忽略不計。因此可將式(3)簡化為：

ETa=R+I-ΔW

(4)

土壤儲水量的差值計算為：

(5)

式中，Hi、γi、θi2、θi1—第i層的土層厚度，mm、土壤容重，g·cm-3、計算時段結束和起始時的土壤含水量，%。其中土壤容重采用環刀法測定。

牧草干物質水分利用效率和粗蛋白水分利用效率的計算公式為：

(6)

(7)

式中，WUEDM—干物質水分利用效率，kg·m-3；WUECP—粗蛋白水分利用效率，kg·m-3。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2013整理數據、簡單統計分析和繪圖，利用IBM SPSS Statistics 22.0軟件進行數據間的方差分析、顯著性分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 牧草生育時期的降水和氣溫分布

試驗期間試驗地的降雨量及氣溫狀況如圖1所示。試驗期間，試驗地的總降雨量為85.16mm，接近多年平均降雨量85.30mm，其中大于等于5mm的有效降雨量為35.70mm。試驗地的平均氣溫為19.72℃。

圖1 試驗期間降雨量和溫度

2.2 不同處理的耗水特征

試驗期間各處理全生育期的耗水量及耗水來源比例見表3。從表3中可以看出，混播處理的耗水量顯著高于單播處理的耗水量，且牧草生育期的耗水量隨著灌水下限的降低逐漸減少。在單播和混播各處理中，均表現為CK處理的耗水量(單播為324.01mm，混播為365.66mm)顯著高于其它各處理(P<0.05)，A4處理下的耗水量最小(單播為152.54mm，混播為193.01mm)。牧草全生育期內有效降雨量僅為35.70mm，耗水量主要來源于灌水(占耗水量的60%以上)，各處理下牧草對土壤貯水量表現為混播A4處理下的的消耗量最大，為21.12mm，單播CK處理的最小，為10.40mm。

2.3 不同處理的干草產量

單播和混播條件下的干草產量如圖2(a)—(b)所示。由圖2分析可知，在單播和混播種植模式下，比較CK、A4、A5、A6四個處理的干物質產量，干草產量CK>A6>A5>A4，各處理之間差異顯著(P<0.05)，隨著虧水程度的加重，單播和混播處理的干物質產量均呈下降趨勢，且當土壤的含水量低于55%FC時，牧草的干物質產量明顯下降。比較CK和A1、A2、A3三個處理，CK和A1、A2、A3各處理之間的差異顯著(P<0.05)。在單播草地中，比較A1、A2、A3和A4、A5、A6六個處理，在抽穗期進行充分灌溉后牧草產量增加，在A5和A2，A4和A1這兩組處理中，干物質產量差異顯著(P<0.05)，復水補償效果明顯，水分虧缺在牧草抽穗期比拔節期更加敏感，而在混播草地中，比較A1、A2、A3和A4、A5、A6六個處理，在抽穗期進行充分灌溉后牧草產量增加，有一定的復水補償效應，A1和A4差異顯著(P<0.05)A2和A5、A3和A6之間差異不顯著。在同一灌水水平下，混播各處理的干物質產量顯著高于單播處理，CK處理下混播干物質產量為6135.06kg·hm-2，單播為4066.45kg·hm-2，混播比單播高出50.87%。

圖2 單播(a)和混播(b)草地各處理地上干物質產量

2.4 不同處理的牧草品質

2.4.1粗蛋白產量

不同處理下牧草的粗蛋白含量和粗蛋白產量見表4。通過比較表4中各處理對牧草粗蛋白含量的影響，可以得出，在同一種植模式下，隨著水分虧缺程度加重，牧草的蛋白含量呈增加趨勢。在單播草地中，通過各處理的比較發現，CK處理的粗蛋白質量分數最低，為9.58%，顯著低于其它各處理(P<0.05)，A4處理的粗蛋白質量分數最高，為12.16%，與其它各處理存在顯著性別差異(P<0.05)。混播草地中，A4處理下的無芒雀麥粗蛋白質量分數最高，為14.04%，與A5處理無顯著性差異，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)；A4處理下的苜蓿粗蛋白質量分數最高，為20.27%，與其它處理存在顯著性差異(P<0.05)。苜蓿粗蛋白質量分數顯著高于無芒雀麥。同一灌溉水平下，混播處理中的無芒雀麥粗蛋白質量分數高于單播無芒雀麥粗蛋白質量分數，高出11.21%-15.76%。

粗蛋白產量與牧草的干物質產量及蛋白質量分數密切有關。從表4中可以看出，同一灌溉水平下，混播處理的粗蛋白產量顯著高于單播處理的粗蛋白產量，并且隨著虧水程度的增加，牧草粗蛋白產量呈現下降趨勢。在單播和混播草地中，均表現為A4處理最低(分別為315.22kg·hm-2和649.81kg·hm-2)；單播條件下，A3處理的粗蛋白產量最高，達到398.48kg·hm-2，且與CK和A6處理沒有顯著性差異，混播條件下，CK處理的粗蛋白產量最高，達到649.81kg·hm-2，且與A3和A5無顯著性差異。

2.4.2酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量

不同處理下的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量見表5。表5結果表明，單播無芒雀麥在A3處理的ADF含量最低，為31.85%，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)。在混播各處理下，A3處理下的無芒雀麥ADF含量最低，為31.92%，與A2和A6處理不存在顯著性差異，與其它處理存在顯著性差異(P<0.05)；A3處理下的苜蓿ADF含量最低，為30.40%，與其它處理存在顯著性差異(P<0.05)。說明適度的水分虧缺可以促進牧草的營養生長，降低牧草的ADF含量。

表4 不同處理下牧草的粗蛋白含量和粗蛋白產量

注：字母含義同表3。

表5 不同處理下的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量 單位：%

注：字母含義同表3。

同一種植模式下，對比分析各處理的NDF含量，隨著虧水程度的加重，各處理下牧草的酸性洗滌纖維含量呈現先減小后增大的趨勢。單播處理中，A3處理下的NDF最低，與A2和A6處理無顯著性差異，A3處理NDF含量比CK處理降低了17.25%。混播處理下，A3處理下無芒雀麥的NDF最低，與其它處理存在顯著性差異(P<0.05)，A3處理NDF含量比CK處理降低了16.15%；A3處理下苜蓿NDF含量最低，為40.03%，A4處理下苜蓿NDF含量最高，為49.23%，A3處理與A6處理不存在顯著性差異，但顯著低于其它各處理(P<0.05)。說明適度的水分虧缺可以降低牧草的NDF含量，而過度的虧水提高了NDF含量。

2.5 不同處理的干物質水分利用效率和粗蛋白水分利用效率

單播和混播草地各處理水分利用效率如圖3所示。從圖3中可以得到，同一灌溉水平下，混播處理下干物質水分利用效率高于單播處理下的水分利用效率。同一種植模式下，隨著調虧程度的加重，水分利用效率逐漸增大。在各處理中，CK處理下的水分利用效率最低(單播為1.25kg·m-3，混播為1.68kg·m-3)，CK處理與A3處理不存在顯著性差異，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)，A4處理下的水分利用效率最高(單播和混播分別為2.07kg·m-3、2.51kg·m-3)，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)。在水分利用效率最低CK處理和最高的A4處理下，混播草地的水分利用效率比單播高出34.40%和21.26%。

單播和混播草地各處理蛋白水分利用效率如圖4所示。圖4的結果表明，在單播草地的各處理中，CK處理的粗蛋白水分利用效率最低，為0.12kg·m-3，與A3處理不存在顯著性差異，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)，A4處理下的水分利用效率最高，達到0.21kg·m-3，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)。混播草地處理下，CK處理下的水分利用效率最低，為0.26kg·m-3，與A3處理不存在顯著性差異，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)，A4處理下的粗蛋白水分利用效率最高，達到0.44kg·m-3，與其它各處理存在顯著性差異(P<0.05)。同一灌水水平下，混播處理下的蛋白水分利用效率均高于單播處理下的粗蛋白水分利用效率，可見，混播可以顯著提高牧草粗蛋白水分利用效率。

圖3 單播和混播草地各處理水分利用效率

圖4 單播和混播草地各處理蛋白水分利用效率

3 討論

3.1 水分虧缺和混播對草地產量和品質的影響

水分虧缺對牧草的干物質積累、分配、產量及品質均具有明顯的改善作用[24- 26]。牧草的干物質產量是指刈割后牧草地上部分的生物量，大部分生物量是光合作用的產物。調虧灌溉使得土壤的含水量在不同的生育時期處于不同的虧缺狀態，水分虧缺抑制了牧草的光合作用，導致光合產物減少，牧草的干物質產量下降[27]。研究結果表明，與充分灌溉相比，不同生育期虧水處理的牧草產量下降不明顯，即前期調虧后復水對牧草生長產生了一定的補償效應。另外，混播較單播能夠顯著提高草地的干物質產量，增幅為49.18%-60.45%。

品質是衡量牧草生產的重要指標，目前市場上出售的牧草大多以粗蛋白含量劃分等級，按質量確定出售價格[28- 29]。研究發現，隨著虧水程度的加重，灌水量逐漸減少，牧草的粗蛋白含量逐漸增大，即灌溉量與粗蛋白含量呈負相關關系，這與蔻丹[3]、蘇亞麗[30]等人的結論相一致。牧草的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量隨著虧水程度的加重呈現先減小后增大的趨勢，適度的虧水可以促進牧草的營養生長，降低牧草的纖維含量，而過度虧水提高了牧草的纖維含量。這與馬彥麟[31]等人的結論相一致。

牧草粗蛋白產量是衡量草地產量和品質的重要體現。草地經濟效益的增加，一方面要提高草地的干物質產量，另一方面要改善品質。水分調虧可以提高牧草的粗蛋白含量，但同時降低了牧草的干物質產量，甚至牧草干物質產量下降程度大于粗蛋白含量提高的程度，導致草地粗蛋白產量的降低。因此，在實際生產過程中，應同時考慮這兩種因素。研究結果表明，隨著調虧程度的加重，牧草粗蛋白的產量在全生育期重度調虧的A4和拔節期重度調虧的A2處理最低。苜蓿和無芒雀麥混播種植中，苜蓿可以通過自身的根瘤菌固定空氣中的氮素，其固定的氮素除了供自身的生長需要外，還可以向混播草地中的無芒雀麥提供氮素，提高其蛋白含量，此外由于苜蓿縱向根系發達，根系較深，無芒雀麥根系橫向發達，根系淺，使得混播草地中的氮素得到更加充分的應用。本研究也證實了這一現象，混播草地中的無芒雀麥蛋白含量較單播草地可提高10.00%- 15.56%。

3.2 水分調虧和混播對草地水分和粗蛋白利用效率的影響

調虧灌溉對內陸干旱區人工建植草地耗水規律影響著性，隨著虧水程度的加重，灌溉量和耗水量不斷減少，而水分利用效率不斷增大。與充分灌水處理相比，牧草在拔節期虧水、抽穗期復水處理的牧草產量下降不明顯，說明牧草在抽穗期對水分虧缺較為敏感，抽穗期的耗水強度高于拔節期。這一結論與楊磊[32]、孫洪仁[6]等人的研究相一致。由于混播草地中苜蓿和無芒雀麥的根系分布于地下的空間大，而單播無芒雀麥根系分布較淺，所以對水分的利用效率較低。另外，在混播條件下，混播草地的植被覆蓋度高于單播草地，試驗點6—9月份氣溫高，土壤蒸發大，覆蓋度較高的處理可以有效減少土壤水分的無效蒸發[33- 34]，從而提高水分的利用效率。本研究中混播草地水分利用效率較單播提高21.26%～35.2%。水分調虧和混播種植方式可改變牧草的粗蛋白水分利用效率。本研究發現，全生育期重度虧水的A4處理顯著高于其它處理，另外，混播處理下的粗蛋白水分利用效率均高于單播處理。

4 結論

(1)同一種植模式下，隨著灌水虧缺程度的加重，牧草的干物質產量呈下降趨勢，且當灌水下限達到55%FC后牧草干物質產量下降顯著，可以得出在此水分條件下，牧草出現干旱脅迫。水分虧缺使得水分利用效率顯著提高，提高土壤水分的利用率。

(2)水分調虧和混播種植可以明顯提高牧草的品質。虧水處理可以提高牧草的粗蛋白含量，而混播可以提高牧草的粗蛋白含量，混播種植方式可以顯著提高草地的粗蛋白產量。適度的水分調虧可以降低牧草的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量，提升牧草的品質。

(3)混播牧草在拔節期灌水下限為65%FC的處理可以提高當地牧草的產量和品質，同時達到節約水資源的目的。

本試驗只對混播牧草拔節期和抽穗期的水分調虧做了具體研究，而其它時期水分虧缺對混播牧草產量和品質的影響需要進一步的研究。