苜蓿草田地下滴灌適宜冬灌量

杜建民,王占軍,俞鴻千,季 波

(寧夏農林科學院荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002)

冬灌可有效改善越冬作物越冬期和返青期的土壤溫度和水分條件[1-2]，對多年生牧草生長發育尤其是第一茬草的生長具有促進作用[3]，是北方具有灌溉條件苜蓿草田越冬期常規的水分管理措施。在傳統漫灌條件下，苜蓿草田冬灌在越冬前深灌一次即可，灌水量多在1 500 m3·hm-2，保證土壤封凍前地表濕潤即可[4]。地下滴灌作為一種新興的高效節水技術，具有自動化程度高、降低地表濕度并防止深層滲漏的優點[5]，利于作物早熟和越冬并提高產量品質[6]，其栽培苜蓿較常規灌溉增產近40%[7]，在苜蓿飼草生產中得到了推廣應用。

目前，關于苜蓿草田生長季地下滴灌灌溉制度方面已開展了大量研究，仝炳偉等[8]提出了寧夏揚黃灌區苜蓿地下滴灌灌溉制度，張松等[9]對內蒙古毛烏素沙地苜蓿地下滴灌布設及灌溉關鍵技術參數進行了研究并提出優化灌溉制度，但非生長季苜蓿草田越冬期土壤水分變化及冬灌適宜灌水量研究較少。孫洪仁等[10]和許翠平等[11]利用Penman-Monteith公式根據多年氣象數據分別推求了阿魯科爾沁旗及北京地區苜蓿冬灌量；姚江華[12]對不同灌水和覆蓋時間對苜蓿越冬率及田間溫、濕度影響進行研究，但就冬灌引起農田水熱變化和適宜冬灌量方面未做探討。本研究以寧夏農墾茂盛草業有限公司地下滴灌苜蓿為試材，進行冬灌灌水量調控試驗，以越冬期土壤水熱變化和返青期苜蓿越冬率、分枝數等生長指標及第一茬草產量的監測為依據，對地下滴灌灌水方式下苜蓿冬灌適宜灌水量進行評價，以期為指導大田冬灌提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在寧夏農墾茂盛草業有限公司試驗地開展，地處賀蘭山東麓，屬賀蘭山沖積扇平原，地理位置38°30′～38°39′N，105°32′～106°9′E，海拔1 108～1 405 m，溫帶大陸性氣候，干旱少雨，日照充足，年均氣溫8.5℃，年均日照時數3 000 h，多年平均降雨量150～202 mm，無霜期150 d左右[13-14]。試驗地土壤類型為淡灰鈣土，0～20 cm土層土壤主要理化性狀為：pH8.73，全鹽1.25 g·kg-1，有機質12.81 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全氮0.61 g·kg-1，堿解氮22.44 mg·kg-1，速效磷49.45 mg·kg-1，速效鉀80.18 mg·kg-1，1 m土層土壤田間持水量25.83%(體積含量)，1 m土層土壤容重1.47 g·cm-3，試驗地地下水埋深2.8 m，一般年份凍土層深度在60 cm左右，凍土層最深達到88 cm[15-16]。具備灌溉條件。

1.2 試驗設計

試驗于2017年苜蓿冬灌時開展，采取單因素隨機區組設計，設4個冬灌灌水量處理，分別為600 m3·hm-2(處理T1)、900 m3·hm-2(處理T2)、1 200 m3·hm-2(處理T3)，以傳統漫灌冬灌量1 500 m3·hm-2為對照(CK)，3次重復。供試苜蓿為皇冠，3 a生,2015年機械條播，各處理在種植前完成地下滴灌的田間布設，采用內鑲貼片式滴灌管(內徑16 mm，壁厚0.6 mm，滴頭間距30 cm，額定流量1.6 L·h-1，額定工作壓力0.1 MPa)，滴灌管布設間距60 cm，埋深15 cm，小區面積6 m×10 m=60 m2，各小區四周留1 m寬隔離帶并埋設1.6 m深防滲膜，各小區安裝水表單獨計量灌水量。于2017年11月14日開始冬灌，為避免單次灌水量過大造成田間積水，各處理灌水3次間隔2 d，各處理單次灌水量為設計量的1/3，至11月20日冬灌結束。2018年苜蓿返青后各處理生產管理同常規。

1.3 調查指標及方法

1.3.1 越冬率 在苜蓿草田2017年第4茬收獲后新植株生長出5 cm左右，在各試驗小區內選取并固定3個1 m2樣點，調查各樣點內成活的苜蓿植株數；于2018年4月8日苜蓿返青期結束(株高≥5 cm)時，在各小區固定樣點內調查成活的苜蓿株數。越冬率[17]按下式計算：

越冬率(%)=返青后樣方內成活株數/上年度樣方內成活株數×100

1.3.2 土壤含水量測定及貯水量計算 于2017年11月20日冬灌結束后2 d(11月22日)和2018年春季土壤解凍(0～100 cm土層土壤日均溫≥0℃)后的3月9日、3月19日、3月29日和4月8日用土鉆對各處理0～100 cm(以20 cm為1層)土層取樣，采用烘干法計算土壤水分質量百分含量，并按下式計算各土層土壤貯水量：

Wi=Wi質×pi×hi×150×0.667

式中,Wi為第i層土壤貯水量(m3·hm-2)；Wi質為第i層土壤質量含水量(%)；pi為第i層土壤容重，取值見表1；hi為第i層土層厚度(m)。試驗區地下水埋深2.8 m以下，按照《灌溉試驗規范SL13-2015》[18],地下水埋深大于2.5 m時地下水補給可忽略不計。

表1 試驗地各土層土壤容重/(g·cm-3)

1.3.3 氣溫及土壤溫度測定 試驗地氣溫采用Adcon-Ws自動氣象站對距地面2 m處氣溫進行監測，數據收集步長為30 min，取其日均值進行分析；土壤溫度采用EM50數據采集器連接5TE傳感器進行自動測量，數據收集步長為30 min，5TE傳感器于2017年11月冬灌前埋設于各處理土壤10、30、50、70 cm和90 cm土層處，取各土層各時間點地溫平均值作為當日0～100 cm土層地溫平均值進行分析。

1.3.4 測產 于2018年第一茬苜蓿初花期的5月26日，在各處理小區內隨機選取1 m2樣方進行人工刈割，重復3次，留茬高度5 cm左右，刈割后立即進行鮮樣稱重，取500 g左右鮮樣風干測干草產量，計算干鮮比。

1.4 數據分析

采用隸屬函數法對試驗監測數據進行綜合評價，與返青期苜蓿生長呈正相關的越冬率、一級分枝數、返青期耗水量和第一茬草產量用公式(1)計算隸屬函數值，與返青期苜蓿生長呈負相關的越冬期耗水量用公式(2)計算。隸屬函數值的計算公式為：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，R(Xi)為第i處理某項指標的隸屬函數值，Xi為第i處理某項指標測定值，Xmin和Xmax分別為各處理某項指標的最小值和最大值。

利用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2007進行試驗數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同冬灌量對苜蓿草田越冬期和返青期地溫的影響

由圖1知，試驗地2 m處日均氣溫在2017年11月22日至2018年4月8日觀測的138 d內，呈先下降后上升的過程，自11月22日冬灌結束后雖有波動但整體呈逐步下降趨勢，至觀測的第68天(2018年1月28日)日均氣溫達最低值-16.95℃，后逐漸回升，至觀測的第86天(2018年2月15日)日均氣溫達-0.03℃后2 m處日均氣溫均高于0℃。

從各處理0～100 cm土層平均地溫的變化來看(圖1、表2)，自11月22日冬灌結束至11月26日，受不同灌水量影響，各處理平均地溫下降程度不同，且隨灌水量增加降幅增大；而自11月27日開始，隨灌水量增加各處理平均地溫降幅變小，以CK平均地溫下降最為緩慢，灌水量最低的T1處理平均地溫下降最快，在12月12日T1處理0～100 cm土層平均地溫降至-0.41℃，最先進入凍融期，而T2、T3及CK進入凍融期時間不同程度有所延遲。在本試驗冬灌灌水量條件下，各處理凍融期歷時隨灌水量的增加而縮短，其中T3和CK均歷時6 d，低于其它各處理。進入凍結期，各處理平均地溫差異極小，隨灌水量的增加0～100 cm土層平均地溫略有升高，隨冬灌量的增加凍結期歷時縮短，在觀測76 d(2月5日)后，受氣溫升高的影響各處理平均地溫逐漸增加，至2月26日CK凍結期結束，歷時51 d，3月2日T2和T3處理凍結期結束，分別歷時63 d和61 d，T1在3月6日凍結期結束，歷時67 d。受3月份氣溫回升較快影響，地溫上升較快，各處理隨冬灌量增加消融期歷時增加，但消融末期逐步提前。

圖1 試驗地2 m處氣溫及各處理0～100 cm土層地溫變化(2017-11-22—2018-04-08)Fig.1 Change of average soil temperature in 0～100 cm underground and air temperature at 2 m

表2 苜蓿草田越冬期各處理0～100 cm土層凍融狀況

進入返青期(3月9日—4月8日)，冬灌量最低的T1處理0～100 cm土層地溫平均值波動大于其它各處理，而冬灌量最多的CK處理0～100 cm土層地溫平均值在相同時間點均低于T2和T3處理，T2和T3處理間土壤溫度曲線幾乎重合。

2.2 不同冬灌量對苜蓿草田越冬期和返青期土壤貯水量變化的影響

由表3知，冬灌結束后，各處理0～100 cm土層內土壤貯水量與灌前相比，T1增加580.94 m3·hm-2，T2增加855.97 m3·hm-2，T3增加1 144.23 m3·hm-2，CK增加1 498.68 m3·hm-2，分別占其冬灌量的96.82%、95.11%、95.35%和99.91%，各處理冬灌水下滲深度隨冬灌量增加而逐步增加，但均未下滲到100 cm以下土層。

苜蓿草田自冬灌后至翌年春季3月9日土壤消融結束的越冬期內，各處理受土壤熱量狀況不同而引發凍融期、凍結期和消融期歷時差異，表層土壤水分蒸發及深層土壤水分運移不同，導致各處理隨冬灌量的增加0～100 cm土層內土壤貯水消耗量逐步增加，其中T1在此階段的耗水量為53.70 m3·hm-2，T2為102.95 m3·hm-2，T3為301.5 m3·hm-2，CK為469.16 m3·hm-2，分別占其冬灌量600、900、1 200 m3·hm-2和1 500 m3·hm-2的8.95%、11.44%、25.13%和31.28%；同時，在苜蓿草田越冬期內，各處理0～60 cm土層內土壤貯水均為下降狀態，且以40～60 cm土層耗水量最高，而在60～100 cm土層內土壤貯水變化表現不一，T1和T2貯水量增加，但增幅隨冬灌量增加而下降，T3和CK貯水量下降，且隨冬灌量增加降幅增大。

在3月9日土壤消融期結束至4月8日的苜蓿返青期內，T1 在0～100 cm土層內土壤貯水量呈先下降后上升過程，在3月29日達最低值1 606.12 m3·hm-2，而T2、T3和CK在0～100 cm土層內土壤貯水量呈下降、上升再下降的3段式變化過程，在3月29日0～100 cm土層內土壤貯水量分別達到苜蓿返青期內最高值；各處理0～20 cm土層內土壤貯水量變化趨勢相同，均呈先下降后上升再下降的過程，而20～100 cm土層土壤貯水量變化不一。整體來看，各處理在苜蓿返青期始末，0～100 cm土層內土壤貯水量均呈消耗狀態，其中T1耗水量為212.87 m3·hm-2，T2為248.55 m3·hm-2，T3為186.78 m3·hm-2，CK為145.60 m3·hm-2，分別占其冬灌量的35.48%、27.62%、15.57%和9.71%，在返青期結束時，各處理0～100 cm土層內土壤貯水量隨冬灌量增加而增大。

表3 各處理苜蓿冬灌至返青期0～100 cm土層土壤貯水狀況

在苜蓿草田冬灌結束至苜蓿返青的整個時間段內，各處理0～100 cm土層貯水量在相同時間點均隨冬灌量的增加而增加，但土壤水分消耗量也隨冬灌量的增加而增加，其中T1耗水量為266.56 m3·hm-2，T2為351.51 m3·hm-2，T3為488.28 m3·hm-2，CK為614.77 m3·hm-2，分別占其冬灌量的44.43%、39.06%、40.69%和40.98%。

2.3 不同冬灌量處理對苜蓿返青及第一茬干草產量的影響

由表4知，各處理苜蓿越冬率為CK>T3>T2>T1，以CK的93.3%±3.1%為最高值，與其它各處理差異達顯著水平，以T1處理的87.3%±3.0%為最低值，T1與T2處理間差異不顯著。各處理隨冬灌量的增加苜蓿越冬率逐步增加且呈線性相關，其回歸方程為y=2.04x+84.95,決定系數R2=0.984，如圖2所示。

圖2 越冬率與冬灌量的相關性分析Fig.2 Relativity between overwintering rate and winter irrigation amount

各處理一級分枝數隨冬灌量的增加呈先增加后下降的趨勢，見表4，以T2處理的7.62±0.28個·株-1分枝數最高，CK處理的7.28±0.76個·株-1為最低值，但各處理間分枝數差異達不到顯著水平。不同冬灌量對苜蓿第一茬干草產量影響較大，試驗各處理第一茬干草產量大小為：CK>T3>T2>T1，以CK的9061.65±187.5 kg·hm-2為最高值，與T3處理的產量8 741.25±146.7 kg·hm-2間差異不顯著，但與T2和T1處理間產量差異達顯著水平，以T1處理的7 303.35±153.15 kg·hm-2為最低值，且與其它各處理間差異達顯著水平。對冬灌量與第一茬干草產量進行回歸分析，其回歸方程為y=-0.002x2+6.94x+4065,決定系數R2=0.97,見圖3，表明在試驗取值范圍內，隨冬灌量的增加第一茬干草產量逐步增加，按照方程預測，在冬灌量為1 735 m3·hm-2時，第一茬干草理論產量達最高值10 085.45 kg·hm-2。

表4 不同冬灌量對苜蓿返青及第一茬草產量的影響

注：不同字母表示各處理在0.05水平下差異顯著。

Note: Different letters indicate significant difference among different treatments at 0.05 level.

圖3 冬灌量與第一茬干草產量回歸分析Fig.3 Regression analysis relativity between hay yields of first stubble and winter irrigation amount

2.4 不同冬灌灌水量對苜蓿返青及第一茬草產量影響的綜合評價

如表5所示，各處理隸屬函數平均值排列順序為：T2>T3>T1>CK，以T2的0.756為最高值，說明冬灌灌水量900 m3·hm-2為最優處理，有利于苜蓿草田越冬和返青生長，提高冬灌灌溉水利用效率。

表5 不同冬灌量處理苜蓿越冬、返青及第一茬草生長狀況隸屬函數值

3 討 論

冬灌是北方季節性凍融地區提高苜蓿越冬率和緩解春旱、促進幼苗生長發育的主要農業措施之一。在冬灌后凍融期土壤水熱的運移變化是非常復雜的[19]。本研究表明，在冬灌結束土壤水熱狀況經過短暫平衡后，受氣溫大幅下降的影響，各處理土壤溫度逐漸下降，由于水分熱容量大于土壤[20]，導致灌水量多的處理地溫下降緩慢，凍結期出現的時間隨灌水量的增加而出現遲滯，這與劉姍姍[21]的研究結論相同；在進入凍結期后，冰的出現使土壤導熱能力提升[22]，各處理0～100 cm土層平均溫度隨灌水量的增加而升高，致使隨灌水量的增加凍結期縮短，灌水量最高的處理凍結期歷時51 d，比灌水量最低的處理凍結期縮短16 d，這與曹鷺[23]研究認為土壤溫度隨灌水量的增加在凍結階段升高且凍結期縮短的結論相一致；而在消融期隨灌水量增加土壤溫度增加趨緩，這與劉秀位等[24]的研究結論相一致，但消融期結束時間隨灌水量增加而提前。

在土壤水分變化方面，本研究認為苜蓿越冬期土壤水分消耗量隨冬灌量的增加而增加，在冬灌后至凍融末期，0～100 cm土層土壤平均溫度≥0℃，土壤水分在溫度梯度和重力作用下不斷蒸發和向下擴散，隨冬灌量增加各處理土壤溫度下降趨緩而使得凍結期出現推遲，導致0～100 cm土層土壤貯水消耗量同冬灌量呈正比；進入凍結期后，氣溫低蒸發弱，土壤水分的耗損很小,這與劉帥等[25]的研究結論相一致；進入消融期，土壤溫度的升高和消融期持續時間長短均與灌水量呈正相關，土壤自上而下逐漸解凍，土壤水由固相變為液相，下滲水分受未解凍土層截留而滯留在凍結帶鋒面上方[26]，致使土壤墑情增加[27]，土壤水分通過蒸發逐漸消耗，且消耗量隨冬灌量增加而增加。在整個越冬期內，各處理在0～60cm土層內土壤貯水均為消耗狀態，且以0～20 cm土層耗水量最高[28]。在苜蓿返青期土壤水分變化方面的研究少見報道。

在苜蓿冬灌適宜灌水量方面，本研究通過隸屬函數法對不同灌水量下苜蓿越冬及返青生長狀況進行綜合評價，確定了900 m3·hm-2為試驗區苜蓿草田的最優冬灌量，這與孫洪仁等[10]和許翠平等[11]利用Penman-Montieth公式推求的阿魯科爾沁旗及北京地區苜蓿冬灌量分別為990 m3·hm-2和850 m3·hm-2的結論略有差異，可能是由試驗區域土壤持水狀況或氣象環境條件不同造成的。

4 結 論

1)在地下滴灌灌溉條件下，苜蓿草田不同冬灌灌水量對0～100 cm土層土壤水熱狀況影響差異明顯，冬灌后，各處理隨灌水量的增加土壤溫度下降趨緩，凍融期出現推遲且歷時變短；在凍結期，0～100 cm土層平均溫度隨灌水量的增加而略有降低，導致隨灌水量的增加凍結期縮短；消融期歷時較短，各處理相差在1～4 d之間，且隨冬灌量增加消融期逐步提前。

2)在苜蓿越冬期內，隨冬灌量的增加各處理0～100 cm土層內土壤貯水消耗量逐步增加，T1為53.70 m3·hm-2，T2為102.95 m3·hm-2，T3為301.50 m3·hm-2，CK為469.16 m3·hm-2，分別占其冬灌量的8.95%、11.44%、25.13%和31.28%，各處理在0～60 cm土層內土壤貯水均呈消耗狀態，且以40～60 cm土層耗水量最高；在苜蓿返青期內，各處理0～100 cm土層內土壤貯水消耗量T1為212.87 m3·hm-2，T2為248.55 m3·hm-2，T3為186.78 m3·hm-2，CK為145.60 m3·hm-2，分別占其冬灌量的35.48%、27.62%、15.57%和9.71%。

3)在本試驗條件下，越冬率和第一茬草產量與冬灌量呈正相關關系，一級分枝數則隨冬灌量的增加呈先增加后下降的趨勢，以T2的7.62±0.28個·株-1分枝數為最高值，但各處理間差異未達到顯著水平。采用隸屬函數法對不同冬灌灌水量下苜蓿草田越冬率、一級分枝數、第一茬草產量、越冬期和返青期耗水量進行綜合評價，結果表明在寧夏灌區苜蓿草田地下滴灌冬灌灌水量為900 m3·hm-2時，最有利于提高冬灌灌溉水利用效率和改善苜蓿草田越冬、返青狀況。