地下滴灌水肥耦合對紫花苜蓿草產量及品質的影響

沙栢平，謝應忠，高雪芹，蔡偉，伏兵哲

（寧夏大學農學院，寧夏 銀川750021）

紫花苜蓿（Medicago sativa）屬多年生豆科牧草，因其產草量高、營養豐富，被譽為“牧草之王”［1?2］。近年來隨國家種植業結構的調整，苜蓿種植面積由2001 年的203.8 萬hm2增至2017 年的415 萬hm2，累計增幅1 倍以上，年苜?？偖a量達到2933.6 萬t［3］，總體呈現出良好的發展態勢，但國內市場有約44%苜蓿仍然來自進口，進口優質苜蓿成為解決市場需求的一個重要途徑［4?5］。因此研究高產優質的紫花苜蓿種植模式對我國畜牧業發展有重要意義。

苜蓿的質量和產量與水肥密切相關，合理的水肥供應不僅能促進苜蓿的生長發育，提高產量和質量［6?8］，還能節水節肥，減少投入成本，增加農民收入。據胡優［9］在寧夏地區開展的滴灌條件下水肥效應對紫花苜蓿的影響試驗發現，不同灌水和肥料對苜蓿草產量有顯著的影響，其規律為灌水量>施用鉀肥>施用磷肥>施用氮肥，且灌水量為4500 m3·hm?2時，有利于種植當年苜蓿干草產量的提高，并保持相對較高的粗蛋白含量和較低的纖維含量［10］，在灌足凍水的情況下，增加灌水能顯著提高第2、3 茬苜蓿產量［11］。另有研究表明適當的水肥供應能顯著增加紫花苜蓿株高和葉面積，隨葉面積的增加，植株光合效率也顯著增加［12］。姬嬌嬌［13］研究發現，一周灌水兩次，并且在肥料中配施黃腐酸鉀時增產效果最好。同時Nuttall［14］研究發現，當N、P、K 比例為：N（10.3 kg·hm?2）∶P2O5（76.4 kg·hm?2）∶K2O（30.4 kg·hm?2）時增產效果最佳。

寧夏回族自治區，屬于典型的大陸性氣候，四季分明，日照充足，農業生產條件優越，苜蓿生產潛力巨大，年產量約占全國總產量的11.2%［15］。雖然在該地區生產牧草有得天獨厚的優勢，但長期以來該區域在飼草生產中以大水漫灌和肥料撒施的種植模式為主，這種粗放的栽培管理措施使得該地區的光熱資源優勢未能得到充分利用。因此本試驗在前人的研究基礎上結合生產實際，在寧夏黃河灌區開展“水肥一體化”技術研究，探索適合當地生產的最優水肥配比，以期為寧夏黃河灌區苜蓿灌水、施肥技術的完善與優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在寧夏農墾茂盛草業公司試驗基地進行，該基地地理位置為E 106°1′、N 38°5′，海拔為3456 m 。試驗區氣候屬典型溫帶大陸性氣候，年均氣溫8.5 ℃，年日照時數3100 h，年積溫（≥0 ℃）3300 ℃，無霜期165～195 d，年降水量170～200 mm，年均蒸發量1150～1650 mm，降水年內分配不均，干、濕明顯，7?9 月的降水量占全年降水量的60%～70%。試驗地土壤為粘粒土壤，田間持水量19.17%，容重1.52 g·cm?3，土壤總孔隙度38.25%，灌溉條件良好。播種前土壤理化性質和近3 年試驗地氣象狀況見表1 和表2。綜合3 年的氣象數據和土壤理化性質數據可知，3?10 月年降水量為180.5～205.0 mm，月降水量和月均溫相差不大，且試驗在同一試驗地進行，土壤養分狀況相同，對試驗的影響可忽略不計。

表1 試驗地土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil

表2 試驗地近3 年氣象狀況Table 2 Meteorological status in the past three years

1.2 試驗設計

試驗在地下滴灌條件下進行，以紫花苜蓿耐鹽品種巨能7 號為試驗材料，于2016 年5 月16 日人工條播，播種量15 kg·hm?2，播深2 cm，行距20 cm，滴灌帶鋪設于地下20 cm 處，間距60 cm，滴頭間距30 cm。試驗于2017 年進行，采用裂區試驗設計，設置4 個灌水梯度（W1、W2、W3、W4）為主區，5 個施肥梯度（F1、F2、F3、F4、F5）為副區，共設置20 個處理（表3），每處理設置3 次重復，共計60 個小區，小區面積24 m2（4 m×6 m），小區間間隔1 m，試驗地周圍設置1 m 的保護行。灌水量由主管道水表控制，采用“少量多次”的原則，分13 次灌入，第1 茬灌水4 次，第2 茬灌水3 次，第3 茬灌水3 次，第4 茬灌水2 次，外加一次凍水；試驗所用肥料為尿素（N≥46%），水溶性磷酸一氫氨（P2O5≥61%），硫酸鉀（K2O≥52%），施肥時將肥料溶于水中，隨地下滴灌系統灌入，每茬施肥一次，每茬施肥量分別占總施肥量的40%、30%、20%、10%。試驗期間除灌水、施肥外，其余田間管理均按照當地苜蓿高產田進行管理。

1.3 測定項目與方法

株高和生長速度，在返青期，每小區選擇長勢均一的苜蓿60 株，掛牌標記，用鋼卷尺測量其垂直高度，每隔10 d 測量一次，計算生長速度。生長速度=Δ 植株高度/生長天數。

分枝數，每小區選擇長勢均一的苜蓿，設置6 個1 m 樣段，記錄根莖處產生的分蘗數，即一級分枝數；并在每小區選擇長勢均一的10 株苜蓿單株，統計其每株枝條數，為二級分枝數。

產量及莖葉比測定，在苜蓿初花期，每小區隨機選取6 個長勢均一，且能代表該小區長勢的1 m×1 m 樣方，留茬5 cm 刈割，稱其鮮重，并取500 g 左右的鮮草裝袋，帶回實驗室，于105 ℃殺青30 min 后，65 ℃烘干至恒重，稱量干重，折合成每hm2干草產量；然后將烘干草樣莖葉分離，分別稱量莖和葉的重量，并計算葉莖比。

表3 試驗設計（試驗因素）Table 3 Test design（factors）

品質測定，將烘干草樣粉碎，過0.25 mm 篩，測定粗蛋白（crud protein，CP）［16］、酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）［17］、中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）［18］等營養成分，并計算相對飼喂價值（relative feeding value，RFV）。相對飼喂價值計算如下：

1.4 灌溉水分利用效率和肥料偏生產力

1.5 數據處理與分析

用Excel 2010 進行數據統計后，采用DPS 7.05 軟件進行方差分析和差異顯著性分析，綜合分析應用灰色關聯度法［21］和模糊優先比評價法［22］，并用Origin 8.0 軟件作圖。關聯系數［ξi(k)］、關聯度（γi）、權重系數（ωi）和加權關聯度（γi′）計算公式［23］如下：

式中：|x0(k)?xi(k)|為絕對值差值，記作?i(k)；ρ=0.5；n為樣本數。

2 結果與分析

2.1 水肥耦合對紫花苜蓿生長性能的影響

由表4 可知，水分和肥料對紫花苜蓿株高和生長速度均有顯著影響，隨灌水量和施肥量的增加，株高、生長速度呈先增后減的變化趨勢，均表現為W3、F2時，株高分別最高，生長速度分別最快；但在此條件下一級分枝數最小，二級分枝數最大，其余灌水條件對一級分枝數無顯著影響；增加施肥量對二級分枝數無顯著影響，但一級分枝數在F4條件下最小。灌水量對紫花苜蓿葉莖比無顯著影響，施肥量對葉莖比有顯著影響，在F4條件下最小，F1最大，分別為61%和69%；紫花苜蓿生產性能所有指標均隨種植年限的增長逐年減小。經F測驗表明：Y×W、Y×F、W×F 和Y×W×F 對株高和生長速度影響顯著，對二級分枝數沒有顯著影響；一級分枝數受到Y×W×F 交互作用的影響（P<0.05）；W×F、Y×W×F 對葉莖比有顯著影響。

紫花苜蓿累積株高（圖1）和總生長速度（圖2）隨灌水和施肥量的增加呈先增加后減小的變化趨勢，W3F2處理最大，在同一灌水條件下，累積株高和總生長速度隨施肥量的增加呈先增后減的趨勢。W1條件下，各肥料處理對一級分枝數（圖3）影響不顯著，其余各灌水條件下，一級分枝數隨施肥量的增加呈減少趨勢；在水肥耦合條件下，一級分枝數最大的處理為W4F1。二級分枝數隨灌水量、施肥量的增加先增多后減少，且所有的水肥耦合處理中W3F2組合的二級分枝數最大，累計達到31 個（圖4）。葉莖比隨水肥量的增加呈先增加后減小的趨勢，葉莖比最大的處理為W2F3，最小的處理為W3F3（圖5）。

2.2 水肥耦合對紫花苜蓿干草產量的影響

由表5 可知，紫花苜蓿干草產量隨灌水量的增加呈先增加后減小的趨勢，當灌水量從W1增加到W3時，3 年干草平均產量從15144.40 kg·hm?2增加到17113.99 kg·hm?2，增幅達到13%，但當灌水量增加到W4時，干草產量開始降低。4 種灌水條件下，紫花苜蓿干草產量從大到小的排序為W3>W4>W2>W1。在不同施肥處理下，3 年苜蓿平均干草產量為13140.46～17588.55 kg·hm?2，且隨施肥量的增加干草產量呈先增加后減小的趨勢，按從大到小的順序排序為F2>F3>F5>F4>F1，說明適當的施肥能顯著增加苜蓿干草產量，但當施肥超過一定量時，干草產量增加不明顯或出現減產現象。經顯著性檢驗可知，W、F、W×F 對紫花苜蓿干草產量均有極顯著影響。

表4 不同水、肥和種植年際對紫花苜蓿生長指標的影響Table 4 Effects of different water fertilizer treatment on the plants high and growth rate of alfalfa

在不同水肥耦合條件下，紫花苜蓿干草產量3 年的累積情況（圖6）為2017 年>2018 年>2019 年，說明隨種植年限的增加，紫花苜蓿干草產量逐年降低；2017?2019 年苜蓿干草產量分別為20697.13、14813.95、12660.22 kg·hm?2，每年減產約21.3%（表5）。在20 種不同水肥組合中，3 年干草累積產量隨灌水施肥量的增加呈先增加后減少的趨勢，在W1F1組合下累積的干草產量最低，W3F2組合累積的干草產量最高，兩者差異顯著，說明W3F2水肥組合能促進干物質的積累，顯著增加紫花苜蓿干草產量。

圖1 不同水肥處理對3 年累計株高的影響Fig.1 Effect of different water and fertilizer treatments on cumulative plant height in 3 years

圖2 不同水肥處理對3 年生長速度的影響Fig.2 Effect of different water and fertilizer treatments on the growth rate in 3 years

圖3 不同水肥處理對3 年一級分枝數的影響Fig.3 Effect of different water and fertilizer treatments on the number of first branches in 3 years

圖4 不同水肥處理對3 年二級分枝數的影響Fig.4 Effect of different water and fertilizer treatments on the number of secondary branches in 3 years

2.3 水肥耦合對紫花苜蓿飼草品質的影響

紫花苜蓿粗蛋白含量受種植年限的影響較大（表6），隨種植年限的增加，苜蓿粗蛋白含量呈減小的趨勢，2017 年蛋白含量最高，為19.70%，2019 年最低，為18.70%，損失了約5.10%；灌水和施肥對紫花苜蓿粗蛋白含量也有顯著影響，隨灌水和施肥量的增加，粗蛋白含量呈先增后減的趨勢，分別在W2、F3處達到最大，其含量分別為19.51%、19.38%。分別對4 個灌水處理和5 個肥料處理下紫花苜蓿粗蛋白含量按從大到小的順序進行排序如下：W2>W1>W3>W4；F3>F4>F5>F2>F1。ADF 和NDF 受到種植年限的影響較大，種植年限越長，ADF 和NDF 含量越高，ADF 含量每年約增長0.70%，NDF 含量每年約增長1.67%；除ADF 含量受水分影響較小之外，ADF 和NDF 均受到水肥的影響，隨施肥量的增加呈降低的趨勢。相對飼喂價值與ADF 和NDF 含量密切相關，在W2、F4處理下相對飼喂價值最高，均高于170.00；相對飼喂價值也受到種植年限的影響，2017 年最高，達到180.40，2019 年最低，為161.90。

圖5 不同水肥處理對3 年葉莖比的影響Fig.5 Effects of different water and fertilizer treatments on leaf-stem ratio in 3 years

表5 水肥耦合對不同年際干草產量的影響Table 5 Effect of water and fertilizer coupling on grass hay yield in different years（kg·hm-2）

不同灌水處理條件下，滴灌苜蓿粗蛋白累積含量（圖7）隨施肥量的增加呈先增加后減少的趨勢，在F3處理下達到最大值；W2條件下，紫花苜蓿粗蛋白含量最高，且顯著高于其他灌水處理。在所有水肥耦合處理中，W2F3處理紫花苜蓿粗蛋白累積含量達到最大值，可達到63.2%，與最小值相差7.9%。在不同水肥組合條件下，W1F5處理紫花苜蓿NDF（圖8）累積含量最低，為114.76%，其余處理差異不顯著；而灌水施肥對ADF（圖9）含量的影響無明顯的規律。紫花苜蓿相對飼喂價值（RFV）在W1處理下，隨施肥量的增加呈先減后增的趨勢，而在其余水分條件下，增加施肥量對RFV 含量無顯著的影響。W2F4的水肥組合RFV含量最大，為532.61，與最小值相差50.54，差異顯著（圖10）。

圖6 不同水肥處理對3 年累積干草產量的影響Fig.6 Effects of different water and fertilizer treatments on cumulative hay yield in 3 years

2.4 灌水和施肥對灌溉水分利用效率和肥料偏生產力的影響

灌溉水分利用效率隨灌水量的增加呈降低的趨勢，隨施肥量的增加呈先增后減小的變化趨勢，按從大到小的順序排列為W1>W2>W3>W4，F2>F3>F4>F5>F1；肥料偏生產力隨灌水量的增加呈先增后減的趨勢，隨施肥量的增加呈減小趨勢，按從大到小的 順 序 排 列 為W3>W4>W1>W2，F2>F3>F4>F5。水肥交互作用下，灌溉水分利用效率和肥料偏生產力均為W3F2處理效果最佳，說明該處理能顯著提高灌溉水利用效率和肥料偏生產力，能更好地配置水資源和使用肥料，以達到最優的投入產出比（圖11）。

2.5 水肥耦合紫花苜蓿各生長指標與干草產量的灰色關聯度分析和模糊相似優先比評價

為了進一步明確滴灌紫花苜蓿各生長性狀指標與干草產量的相關性以及對紫花苜蓿干草產量的貢獻率，本研究將不同年份的苜蓿的株高、生長速度、分枝數及葉莖比與苜蓿干草產量進行灰色關聯度分析，結果表明（表7），2017?2019 年紫花苜蓿各生長性狀與干草產量的相關性大小順序為生長速度>株高>二級分枝數>一級分枝數>葉莖比，說明生長速度、株高和二級分枝數與干草產量的相關性較大，對干草產量的貢獻較大，一級分枝數和葉莖比與干草產量的相關性較小，對干草產量的貢獻較小。

表6 不同水、肥和種植年限對紫花苜蓿營養品質的影響Table 6 Effects of different water，fertilizer and planting years on the nutritional quality of alfalfa

圖7 不同水肥處理對粗蛋白的影響Fig.7 Effect of different water and fertilizer treat?ments on crude protein

圖8 不同水肥處理對NDF 的影響Fig.8 Effect of different water and fertilizer treat?ments on NDF

圖9 不同水肥處理對ADF 的影響Fig.9 Effect of different water and fertilizer treat?ments on NDF

圖10 不同水肥處理對RFV 的影響Fig.10 Effect of different water and fertilizer treat?ments on RFV

圖11 不同水肥處理對IWUE 和PFP 的影響Fig.11 Effects of different water and fertilizer treatments on IWUE and PFP

苜蓿生產的經濟價值是多指標的綜合體，在考量苜蓿經濟價值時，單一指標的評價方法不能完整地體現其經濟價值，因此需要綜合的評價方法來判斷。相似優先比是模糊性度量的一種形式，它是以評價的樣本與理想樣本作對比，得出的相似程度值越小，說明評價樣本越接近理想樣本。因此，為了探明滴灌苜蓿各水肥處理的最優模式，將滴灌苜蓿的干草產量、CP、 IWUE、PFP 和RFV 的最大值作為理想樣本，對各指標進行模糊相似優先比評價（表8），相比于以單一指標為評價方法，可得出更加具有綜合經濟性狀的一個排序結果。結果表明：W3F2組合的模式更加接近理想狀態，即灌水6000 m3·hm?2，N：30 kg·hm?2，P2O5：45 kg·hm?2，K2O：60 kg·hm?2的水肥配比最為適宜。

2.6 回歸尋優模型

為了進一步探明灌水和施肥對IWUE、PFP 和干草產量的影響，以灌水量和總施肥量為自變量，灌溉水分利用效率、肥料偏生產力和3 年平均干草產量為因變量，進行回歸模擬，分別得到干草產量與灌水量和施肥量、IWUE 與灌水量和施肥量和PFP 與灌水量和施肥量的二次回歸模型（表9）。

回歸方程進行顯著性檢驗，均達到顯著水平，說明該方程擬合程度較好，能夠反映實際情況。對IWUE 與灌水量和施肥量的模型分析可知（圖12），一次項系數為正，二次項系數為負，水肥交互項系數為負，說明灌溉水分利用效率隨灌水量、施肥量的增加呈先增加后減小的趨勢，最高峰出現在灌水量為5500～6500 m3·hm?2，施肥量為150～250 kg·hm?2，且水肥交互作用對灌溉水分利用效率有負效應。肥料偏生產力隨灌水量和施肥量的增加呈先增加后減小的趨勢（圖13），最高點坐標為（6144.40，269.53）。紫花苜蓿干草產量與灌水量、施肥量的模型（圖14）為開口向下的拋物線，且交互項系數為負，說明干草產量隨灌水量和施肥量的增加呈先增后減的變化趨勢，但超過一定額度時對干草產量產生負效應，影響干草產量的形成；尋優結果表明，灌水量為6023.84 m3·hm?2，施肥量為315.37 kg·hm?2時增產效果最佳。綜合研究表明，滴灌條件下紫花苜蓿生產最適宜的水肥 范 圍 為：灌 水 量6000～6500 m3·hm?2，施 肥 量 為250～320 kg·hm?2。

表7 不同年份紫花苜蓿生長性狀與干草產量的灰色關聯度分析Table 7 Grey correlation analysis of alfalfa growth traits and hay yield in different years

表8 不同水肥處理最優相似度排序Table 8 Sorting statistics of optimal similarity of different water and fertilizer treatments

表9 灌水量和施肥量與灌溉水分利用效率、肥料偏生產力和干草產量之間的回歸關系Table 9 Regression relationship between irrigation and fertilization and irrigation water use efficiency，fertilizer partial produc?tivity and hay yield

圖12 灌水和施肥與IWUE 的回歸模型Fig.12 Regression model of irrigation and fertilization and IWUE

圖13 灌水和施肥與PFP 的回歸模型Fig.13 Regression model of irrigation and fertilization and PFP

圖14 灌水和施肥與干草產量的回歸模型Fig.14 Regression model of irrigation and fertilization and hay yield

3 討論

3.1 水肥耦合對紫花苜蓿生產性能的影響

灌水、施肥在紫花苜蓿生育期起到至關重要的作用，研究發現適量的灌水施肥能顯著增加植株高度，提高生長速率，促進干草產量的形成，過量的水肥供給不但不能增加產量，還會導致水肥資源的浪費，甚至會污染環境［24］。在本試驗中，隨施肥量和灌水量的增加，紫花苜蓿株高、生長速度呈先增加后降低的變化趨勢。這與前人的研究結果吻合，說明在紫花苜蓿生長對水分和養分的需求量之下進行灌水施肥，能顯著提高植物對水分和養分的利用效率，但當供給量大于需求量時，養分不能被植物充分吸收，多余養分殘留于土壤中，造成土壤板結，土壤有機質含量降低，理化性質惡化，肥料利用率下降，土壤微生物群落結構發生變化［25］。

3.2 水肥耦合對紫花苜蓿干草產量及飼草品質的影響

紫花苜蓿干草產量、粗蛋白含量、NDF 和ADF 含量是評定飼草是否優良的重要指標，而這些指標與水肥供應有密切的關系。本研究表明，適量的增加灌水、施肥能顯著提高干草產量，且生長速度、株高和二級分枝數對干草產量的貢獻較大，一級分枝數對干草產量的貢獻較?。淮值鞍缀侩S灌水和施肥量的增加呈先增后減的變化趨勢，分別在W2、F3處達到最大。除ADF 含量受水分影響較小之外，ADF 和NDF 均受到水肥的影響，隨施肥量的增加呈減小的趨勢。這與魏臻武等［26］和徐文婷［27］的研究結果一致，說明適當的增加灌水量和施肥量對提高干草產量、粗蛋白含量具有一定的潛力。這可能是由于在苜蓿生長過程中，隨灌水量的增加谷氨酰胺合成酶活性顯著增高，蛋白質水解酶內肽酶、氨肽酶、羧肽酶活性降低［28］，粗蛋白合成速度加快，水解速度降低，粗蛋白含量增加。但隨著灌水量的持續增加，苜蓿生育期逐漸延長，產量逐漸增加，蛋白質含量逐漸減少，蛋白質含量與產量呈負相關［29］。N、P、K 是植物生長必需的營養元素，三者之間存在相互促進的作用，而N 又被稱為植物體內的“生命元素”又和蛋白質的合成有關［30］。苜蓿生長期補充氮肥能促進磷肥、鉀肥的吸收，顯著增加蛋白含量，過量的肥料投入則會導致植株瘋長，產量顯著增加，但蛋白含量未增加。增加灌水施肥不但能增加粗蛋白含量，還能顯著降低ADF 和NDF 含量。這是由于增加灌水施肥能滿足植株生長，植株含水量較高，木質化進程減緩，ADF 和NDF 含量降低。

3.3 水肥耦合對灌溉水分利用率及肥料偏生產力的影響

滴灌苜蓿生長期，合理的水肥供應不但能顯著提高干草產量，提高品質，還能提高水分利用和肥料使用效率。張興國等［31］在研究水肥耦合對溫室葡萄（Vitis vinifera）產量和水肥利用的影響時發現，在一定范圍內，增加水肥用量有利于產量和水肥利用率的提高，但過高的水肥供給會帶來明顯的負效應。另據邢英英等［32］的研究可知，減小灌水量、增大施肥量能顯著提高水分利用效率，增大灌水量，降低施肥量能提高肥料偏生產力，而且水分和肥料使用效率受灌水施肥的影響規律完全相反。本研究與其結果一致，但還發現增加灌水量，肥料偏生產力呈先增后減的變化；增加施肥量，灌溉水分利用效率呈先增后減的變化趨勢，且在水肥耦合作用下，灌溉水分利用效率和肥料偏生產力均為W3F2處理效果最佳，這一結論與之不同，這可能是地域的差異和植物本身存在的差異造成的。

4 結論

在寧夏黃河灌區滴灌苜蓿生產時，適量地增加灌水、施肥能顯著提高紫花苜蓿株高、生長速度和干草產量；隨施肥量和灌水量的增加呈先增加后減小的變化趨勢，且在W3、F2水平下達到最大值。W3F2（灌水6000 m3·hm?2，N：30 kg·hm?2，P2O5：45 kg·hm?2，K2O：60 kg·hm?2）的水肥耦合處理能夠獲得較高的干草產量（19831.83 kg·hm?2）和蛋白含量（19.28%）、相對較低的NDF（39.71%）和ADF（23.17%）含量，并且在該水平下，灌溉水分利用效率和肥料偏生產力顯著提高。利用以灌水量和施肥量為自變量，灌溉水分利用效率、肥料偏生產力和3 年平均干草產量為因變量建立的回歸尋優模型得出，在該區域滴灌條件下建植苜蓿時，最適宜的灌水和施肥范圍為：灌水量為6000～6500 m3·hm?2，施肥量為250～320 kg·hm?2。