調虧灌溉對高寒荒漠區人工混播草地土壤環境與牧草生長的影響

汪精海，李廣，銀敏華，齊廣平，康燕霞，馬彥麟

（1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

高寒荒漠區海拔高、氣候寒冷，自然條件惡劣，天然草地生產能力極為有限［1］。近年來，隨著經濟社會發展，人口持續上升和人們膳食結構改善，對畜產品的需求逐年增加，導致草場超載過度。加之受全球氣候變暖和人類活動的影響，高寒荒漠區生態環境急劇惡化，草地生態系統嚴重退化［2—3］。建植人工草地是解決該區域草畜失衡的重要途徑，且對于改良土壤，促進草地畜牧業健康發展，實現當地農牧民增產增收和加快生態屏障與綠色家園建設具有現實意義［4—6］。

燕麥（Avena sativa）是禾本科燕麥屬一年生糧飼兼用型作物，具有耐寒、耐貧瘠、抗旱等特點。在籽粒不易成熟的高海拔地區，燕麥一般作為青貯飼料或用于調制干草，營養豐富，產草量高，適口性好，是種植最廣泛的飼草［7］。箭筈豌豆（Vicia sativa）為一年生優質豆科牧草，可通過根瘤菌固氮改善草地氮素平衡。燕麥與箭筈豌豆混播不僅能提高飼草產量和品質，而且有助于改善土壤肥力，在時間和空間上充分利用環境資源，是高寒荒漠草原區普遍采用的種植模式［8—11］。由于高寒荒漠區人工草地大多建設在水資源短缺，土壤肥力層淺薄的農牧交錯帶或天然草原區，生產管理粗放，水肥利用效率低下，且僅依靠當地天然降水無法滿足牧草生長需求，因此采用科學高效的灌溉管理是獲得高產與提升生產力的重要保障。研究表明，在青海高寒荒漠區，燕麥和箭筈豌豆混播的耗水量、產量和水分利用效率隨灌溉頻次的增加而增加，拔節期與開花期分別灌水25 mm可獲得較高的產量和水分利用效率［12］。在甘肅中部西南高寒陰濕區，燕麥與箭筈豌豆1∶1混播，并于分枝盛期和枝繁葉茂期分別灌1次水，其飼草產量和相對飼喂價值顯著提高［13］。在青海海西藏族荒漠草原區，隨灌水量的增加，燕麥、箭筈豌豆混播草地的耗水量顯著增加，土壤貯水消耗量和降水量占耗水量的比例逐漸降低，拔節期和開花期灌水可獲得較高的干物質水分利用效率和粗蛋白水分利用效率［14］。

綜上，關于高寒荒漠區燕麥與箭筈豌豆混播的灌水模式主要集中于灌水量、灌水次數和灌水時期，涉及的指標主要包括耗水特征、產量、品質和水分利用。在促進牧草產量和品質提升的基礎上，兼顧草地土壤環境是綠色生態型草地畜牧業持續健康發展的客觀要求。大量研究表明，在作物生長前期進行適度虧水鍛煉，后期復水可實現補償性生長，從而顯著提高作物產量和水分利用效率［15—18］。現階段將調虧灌溉應用于高寒荒漠區人工草地的研究較為匱乏，尤其是考慮土壤環境的相關研究尚未開展。鑒于此，以燕麥和箭筈豌豆混播草地為研究對象，對比分析7種調虧灌溉模式（設置不同的虧缺時期和虧缺度）對混播草地土壤環境（土壤水分、土壤溫度和土壤養分）和牧草生長（株高、莖葉比、產量和水氮利用效率）的影響，旨在明確混播牧草的水分吸收利用過程及合理灌水模式，為實現人工草地節水、增產、高效、綠色生產提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年5—9月在青海省烏蘭縣茶卡鎮金泰牧場（36°40′N、99°19′E，海拔3160 m，圖1）進行。該地位于柴達木盆地東北部，冬季漫長、寒冷，夏季短暫、溫涼，屬高原大陸性氣候，年均蒸發量2074.1 mm，多年平均降水量211 mm（主要集中在6—9月），年平均氣溫3.8℃，極端最高氣溫34℃，極端最低氣溫—27.7℃。試驗地土壤為砂壤土，0～60 cm土層平均田間持水率25%，凋萎含水率8.5%（均為質量含水率），平均土壤容重1.49 g·cm—3。耕層土壤（0～30 cm）基礎肥力（質量比）為：有機質19.35 g·kg—1，全氮0.84 g·kg—1，全磷0.60 g·kg—1，全鉀14.10 g·kg—1，速效氮64.58 mg·kg—1，速效磷1.90 mg·kg—1，速效鉀31.16 mg·kg—1，pH值8.35。圖2為牧草生育期間逐日降水與平均氣溫分布（降水總量和平均氣溫分別為212 mm和12.9℃）。

圖1 試驗區地理位置Fig.1 Geographical location of the experimental area

圖2 牧草生育期間逐日降水量與平均氣溫分布Fig.2 Distribution of daily precipitation and average temperature dur ing the gr owth period of for age

1.2 試驗設計

試驗以燕麥（青引3號）和箭筈豌豆（西牧324）混播草地（條播，行距20 cm，參照當地牧民經驗設播種比例為6∶4，即燕麥播種量為112.5 kg·hm—2，箭筈豌豆播種量為75 kg·hm—2）為研究對象，設置7種灌溉模式（以田間持水量的百分比計土壤水分上下限，灌溉計劃濕潤層深度取60 cm，表1），即在燕麥拔節期和開花期分別設輕度虧水（mild water deficit，W1）、中度虧水（moderate water deficit，W2）、重度虧水（severe water deficit，W3），田間持水量分別為65%～75%，55%～65%,45%～55%，以全生育期充分灌水W0（CK，75%～85%）為對照。每個處理重復3次，小區面積為48 m2（6 m×8 m）（圖3），隨機區組排列。灌水方式為微噴灌，灌水量采用水表嚴格控制。小區之間間隔1 m，邊緣埋有2 m深塑料膜以防止水分互滲，試驗區四周布設2 m寬相同牧草保護帶。肥料（尿素75 kg·hm—2，磷酸二銨225 kg·hm—2）于牧草播種前一次性基施，除草、病蟲害防治等田間管理措施同當地一般人工草地。牧草于2019年5月18日播種，同年9月15日收獲。

圖3 試驗小區設計Fig.3 Design of exper imental plot

表1 試驗處理設計Table 1 Experimental treatment design

1.3 測定項目及方法

1.3.1土壤貯水量 利用埋設于各小區的土壤墑情儀（IST.HRG C-16S，北京東方潤澤生態科技股份有限公司生產）實時監測土壤含水率變化，測定深度為60 cm（燕麥根系較淺，此深度可滿足要求），利用土鉆取土樣后采用烘干法定期對土壤含水率進行校正。土壤貯水量計算公式為：

式中：W為土壤貯水量（mm）；H為土層深度（cm）；ρ為土壤干容重（g·cm—3）；B為土壤質量含水率（%）。

1.3.2土壤溫度 利用埋設于各小區的土壤墑情儀（同1.3.1）實時監測0～60 cm土層（以10 cm為間隔，即0、10、20、30、40、50和60 cm）的土壤溫度，每小時監測一次。

1.3.3土壤養分 測定牧草收獲后耕層土壤（0～30 cm）養分。采用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質；采用凱氏定氮儀（FOSS 2300型，丹麥）測定全氮；采用鉬銻抗比色法測定全磷；采用火焰分光光度計法測定全鉀；采用堿解擴散法測定堿解氮；采用0.5 mol·L—1NaHCO3浸提比色法測定速效磷；采用NH4OAc浸提火焰光度法測定速效鉀。

1.3.4牧草生長指標 在收獲時各處理隨機選取代表性樣段0.3 m齊地面刈割，采用卷尺測量燕麥和箭筈豌豆的株高；莖葉分離稱取鮮重，隨后分別置于105℃烘箱中殺青30 min，75℃下烘至恒定質量，計算燕麥和箭筈豌豆的莖葉比（莖葉比＝莖干重/葉干重）。各處理隨機選取1.0 m長樣段，烘干、稱重并計算單位面積燕麥和箭筈豌豆的產量。

1.3.5水氮利用效率 采用水量平衡法計算牧草生育期耗水量（evapotranspiration，ET），公式為：

式中：ET為生育期總耗水量（mm）；P為生育期降水量（mm）；W1為收獲后0～60 cm土層土壤貯水量（mm）；W2為播種時0～60 cm土層土壤貯水量（mm）；I為灌水量（mm）；K為時段內地下水補給量（mm）；R為時段內地表徑流（mm）。由于牧草生育期間降水量較小，且試驗小區地勢平坦，地下水埋深在5 m以下，可忽略徑流和地下水補給。

根據混播牧草總產量和生育期耗水量計算水分利用效率和灌水利用效率。

式中：Y為混播牧草總產量（yield，kg·hm—2）；WUE為水分利用效率（water use efficiency，kg·hm—2·mm—1）；IUE為灌水利用效率（irrigation use efficiency，kg·hm—2·mm—1）。

收獲的牧草植株樣品經粉碎過篩后用H2SO4—H2O2消解，采用凱氏定氮儀測定莖稈和葉片中氮素含量。利用以下公式計算氮素吸收效率和氮肥偏生產力。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據整理；利用Origin 9.0軟件作圖；使用SPSS 19.0軟件對數據進行方差分析（最小顯著差異法，P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同灌水模式的土壤環境效應

2.1.1對土壤水分的影響 貯水量是一定時期內土壤水分收支的綜合反映。不同灌水處理的平均土壤貯水量差異顯著，整體表現為充分灌水處理高于水分虧缺處理，且隨虧缺程度的提高呈降低趨勢（圖4）。拔節期重度、中度和輕度虧水處理的平均土壤貯水量分別為132.9、140.2和150.9 mm，較充分灌水處理分別減少19.4%、15.0%和8.5%；開花期重度、中度和輕度虧水處理的平均土壤貯水量分別為135.5、144.4和154.0 mm，較充分灌水處理分別減少17.8%、12.5%和6.6%。同一水分虧缺條件下，拔節期虧水處理與開花期虧水處理的平均土壤貯水量無顯著差異（P＞0.05）。

圖4 不同灌水模式下牧草生育期平均土壤貯水量Fig.4 Average soil water storage during the growth period of forages under different irrigation patterns

2.1.2對土壤溫度的影響 灌水可通過改變地表覆蓋和牧草生長影響土壤溫度，尤其是耕層土壤溫度。以牧草生育期0（地表）和30 cm土層的平均土壤溫度為例進行分析（圖5）。與充分灌水處理相比，水分虧缺處理的平均土壤溫度顯著提高，隨水分虧缺程度的加劇，提高幅度增大，且當水分虧缺程度一定時，拔節期虧水處理顯著高于開花期虧水處理。0 cm土層處，各處理的平均土壤溫度為13.7～15.4℃，其中處理BW3較處理QW0、BW1、KW1和KW3分別提高12.4%、5.5%、9.2%和5.7%。受太陽輻射的影響，與0 cm土層相比，各處理30 cm土層的平均土壤溫度較低（13.6～15.0℃），處理間土壤溫度的差異較?。ㄗ畲鬄?.4℃）。

圖5 不同灌水模式下牧草生育期平均土壤溫度Fig.5 Average soil temperature during the growth period of forages under different irrigation patterns

2.1.3對土壤養分的影響 土壤有機質和氮、磷、鉀含量是土壤肥力的標志，也是實現作物高產優質的物質基礎。牧草收獲后各處理的土壤養分含量較播種前呈降低趨勢。土壤有機質含量表現為充分灌水處理與開花期輕度、中度虧水處理差異不顯著，但均顯著高于拔節期虧水處理（表2）。處理之間土壤全氮、全磷和全鉀含量無顯著差異。這可能是由于牧草生育期間施用化學肥料，全氮、全磷和全鉀的分解與補充基本達到平衡。堿解氮含量表現為處理KW1最高，處理QW0和KW2（二者差異不顯著）次之，處理BW2和BW3較低。速效磷含量表現為處理BW3、KW2和KW3顯著高于其他處理。類似地，速效鉀含量（26.63～29.55 mg·kg—1）表現為處理BW2和BW3與處理KW2差異不顯著，但均顯著高于其他處理。這表明適度水分調控可促進箭筈豌豆根瘤固氮，提高土壤速效氮含量，而中度或重度水分虧缺會顯著影響牧草對土壤速效磷和速效鉀的吸收。

表2 收獲后不同灌水模式耕層（0～30 cm）土壤平均養分含量（質量比）Table 2 Aver age soil nutr ient content（mass ratio）of the cultivated layer（0-30 cm）under differ ent irr igation patter ns after harvest

2.2 不同灌水模式的牧草生長效應

2.2.1對牧草株高的影響 同一灌水模式下，燕麥的株高高于箭筈豌豆，前者為97.0～139.8 cm，后者為76.9～122.3 cm（圖6）。不同灌水模式下，燕麥與箭筈豌豆的株高變化基本一致，均表現為隨水分虧缺程度的加劇呈降低趨勢，且虧水程度相同時，開花期虧水較拔節期虧水可獲得較高的株高。燕麥和箭筈豌豆的株高均在開花期輕度虧水條件下達到最高值，且顯著高于充分灌水處理。在拔節期中度和重度虧水條件下，燕麥株高較低且二者差異不顯著；而箭筈豌豆株高在拔節期重度虧水條件下達到最低值。

圖6 不同灌水模式下收獲時混播牧草的株高Fig.6 Plant heights of mixed forages at harvest under different irrigation patterns

2.2.2對牧草莖葉比的影響 就燕麥而言，處理間莖葉比為1.36～3.27，表現為：QW0＞BW1和KW1（二者無顯著差異）＞BW2、KW2和KW3（三者無顯著差異）＞BW3（圖7）。與燕麥相比，不同灌水模式下箭筈豌豆的莖葉比變幅較?。?.37～1.89），整體表現為開花期虧水處理顯著高于充分灌水處理和拔節期虧水處理，且同一生育期不同水分虧缺程度間差異不顯著?？梢?，燕麥莖葉比對土壤水分狀況的敏感度高于箭筈豌豆。

圖7 不同灌水模式下收獲時混播牧草的莖葉比Fig.7 Stem-leaf ratio of mixed forages at harvest under different irrigation patterns

2.2.3對牧草產量的影響 就燕麥產量而言，處理KW1最 高（10261.6 kg·hm—2），處 理BW3最 低（6544.8 kg·hm—2），與處理QW0相比，處理BW1、BW2和BW3的產量分別降低14.7%、13.8%和31.9%，而處理KW1、KW2和KW3的產量分別降低—6.8%、0.5%和6.2%。處理間箭筈豌豆的產量（1266.3～4771.7 kg·hm—2）整體低于燕麥，但變化趨勢基本一致?；觳ツ敛莸目偖a量表現為，處理KW1（14490.1kg·hm—2）最高，處理KW2（14330.2 kg·hm—2，與處理KW1和QW0差異不顯著）次之，而處理BW1、BW2、BW3和KW3均顯著低于處理QW0（圖8）。

圖8 不同灌水模式下混播牧草的產量Fig.8 Yield of mixed forages under different irrigation patterns

2.3 不同灌水模式的水氮利用效率

2.3.1耗水特性 灌水模式顯著影響牧草生育期的灌水量（126.5～223.0 mm），其中充分灌水處理顯著高于虧水處理，且同一水分虧缺程度下，開花期虧水處理顯著高于拔節期虧水處理（處理KW1和BW1除外）（表3）。不同處理間土壤貯水消耗量（47.6～77.1mm）無明顯變化特征。各處理的灌水量/耗水量、降水量/耗水量和土壤貯水消耗量/耗水量分別為32.8%～44.4%、42.2%～54.9% 和 11.7%～16.9%。處理間生育期耗水量（386.1～502.6 mm）表現為QW0＞BW1＞KW1、KW2和KW3（三者之間差異不顯著）＞BW2＞BW3。

表3 不同灌水模式對混播牧草耗水量及耗水來源比例的影響Table 3 Effects of different irrigation patterns on the water consumption and the proportion of water consumption sources of mixed forages

2.3.2水氮利用效率 水分利用效率表現為處理KW1最高（與處理KW2差異不顯著），分別較處理QW0、BW1、BW2、BW3和KW3顯著提高20.6%、35.8%、17.9%、57.2%和27.2%（圖9）。灌水利用效率表現為處理KW2最高（81.0 kg·hm—2·mm—1，與處理KW1和BW2差異不顯著），處理KW3次之，處理QW0、BW1和BW3較低（三者之間無顯著差異）。灌水模式顯著影響牧草氮素吸收效率（0.58～1.09 kg·kg—1），整體表現為隨虧水程度增加，吸收效率呈降低趨勢，且一定虧水程度下，開花期虧水處理的氮素吸收效率顯著高于拔節期虧水處理，其中處理KW1最高，分別較處理QW0、KW2和BW1顯著提高14.5%、10.7%和24.6%。處理間氮肥偏生產力的變化特征與氮素吸收效率類似（處理BW2除外），其中處理KW1（與處理KW2無顯著差異）分別較處 理QW0、BW1、BW2、BW3和KW3顯著提高9.3%、28.6%、21.3%、85.5%和27.3%。

圖9 不同灌水模式下混播牧草的水氮利用效率Fig.9 Water and nitrogen use efficiency of mixed forages under different irrigation patterns

3 討論

3.1 灌水模式對土壤環境的影響

灌水可直接或間接地影響土壤微生態環境，是保障農牧業生產的重要措施。灌水模式會影響土壤水分狀況。本研究發現，隨灌水虧缺程度的增加，混播草地的平均土壤貯水量呈降低趨勢，且同一水分虧缺條件下，拔節期虧水與開花期虧水處理無顯著差異。這與李晶等［19］在馬鈴薯（Solanum tuberosum）和萬文亮等［20］在春小麥（Triticum aestivum）研究中的結果一致。土壤溫度是土壤熱狀況的反映，主要受太陽輻射、地表覆蓋及植株生長等因素影響［21］。灌水模式會通過改變植株生長和冠層覆蓋度，影響地表截獲的太陽輻射，進而影響土壤溫度。趙財等［22］研究發現，隨著灌水水平降低，玉米（Zea mays）農田土壤積溫逐漸增加，適宜的水分虧缺可通過穩定土壤溫度獲得較高的經濟效益。薛道信等［23］研究表明，馬鈴薯生育期土壤溫度主要受氣溫和灌水影響，灌水后土壤溫度整體下降，且對淺層土壤的影響明顯大于深層土壤。鄒慧等［24］研究得出，不同虧水程度處理的土壤溫度差異顯著，但該差異隨生育期推進逐漸減小。本研究也得出類似的結果，6種水分虧缺處理的平均土壤溫度顯著高于充分灌水處理。此外，本研究發現，拔節期虧水處理的平均土壤溫度顯著高于開花期虧水處理。這可能是由于拔節期虧水不利于牧草生長，后期復水不能產生補償效應，使得冠層覆蓋度降低。土壤水熱條件影響土壤微生物活性，養分轉化與釋放及牧草養分吸收與利用，進而影響土壤養分狀況［21］。研究表明，越冬期輕度水分調虧或拔節期中度水分調虧均可顯著增強冬小麥對土壤氮素的吸收利用能力，從而減少肥料氮在土壤中的殘留［25］。膜下滴灌調虧灌溉可減少土壤速效養分流失，促進馬鈴薯對氮、鉀等營養元素的吸收［23］。與前人研究結果不同，本研究發現開花期輕度虧水處理的土壤堿解氮含量顯著高于充分灌水處理。這可能與混播牧草中箭筈豌豆能通過自身的根瘤固氮有關，即燕麥與箭筈豌豆混播條件下適宜的土壤水分調控在提高牧草生長的同時，也可改善土壤肥力狀況（表2和圖9）。

3.2 灌水模式對牧草生長的影響

作物在不同生長階段對土壤水分的敏感程度存在差異。在長期進化過程中，作物產生了對水分暫時虧缺的適應性和補償性，具有一定的生理節水與抗旱能力［26］。調虧灌溉即利用作物自身的調節和補償效應以達到節水增產的效果。本研究發現，同一灌水模式下，燕麥的株高顯著高于箭筈豌豆；不同灌水模式下，燕麥與箭筈豌豆的株高表現為隨水分虧缺程度的加劇逐漸降低，且二者均在開花期輕度虧水條件下達到最高值。這表明在混播條件下，禾本科的競爭力強于豆科，開花期輕度虧水后復水有助于牧草株高的補償性生長。與株高不同，燕麥和箭筈豌豆分別在充分灌水和開花期虧水條件下獲得最高莖葉比。燕麥產量和混播牧草總產量均在開花期輕度虧水條件下達到最高值?？艿さ龋?7］在地下調虧滴灌對紫花苜蓿（Medicago sativa）生長的研究中發現，與現蕾期相比，分枝前期和分枝期調虧灌水有利于降低莖葉比，提高干草產量。本研究結果與此不同，研究間的差異可能由兩方面因素引起：一方面，紫花苜蓿在試驗年內可多次刈割，單個生育期較短，故在生育期進行水分調控后復水對植株的影響較小，而本研究中燕麥和箭筈豌豆均為一年生牧草，生育期較長，水分調控的時間相應較長；另一方面，與試驗期間的降水分布有關，在本研究中，降水主要分布于牧草苗期和拔節前期，拔節期牧草植株矮小，抗逆性弱，此時進行中度和重度水分調控不利于復水后牧草的補償性生長，相比而言，在開花期進行一定程度的水分調控可在減少灌水的同時促進牧草生長。

3.3 灌水模式對牧草水氮利用效率的影響

產量和水肥利用效率是評價種植模式與管理措施的綜合指標。水分調控可通過影響土壤微環境和作物生長，產生不同的產量與水肥利用效應。研究表明，塊莖形成期輕度水分虧缺可獲得較高的馬鈴薯產量和水分利用效率［28］。著色成熟期干旱脅迫（田間持水率的55%～80%）可達到節水與提高葡萄（Vitis vinifera）果實產量和水氮利用效率的效果，是甘肅設施栽培葡萄最佳的水分調控模式［29］。與常規畦灌和隔溝交替灌溉相比，隔溝調虧灌溉（返青—拔節期土壤含水率為田間持水率的55%～65%）的節水增產效果最佳［30］。本研究對上述結論也有所證實，開花期輕度和中度水分調虧處理的水分利用效率、灌水利用效率和氮肥偏生產力顯著高于充分灌水處理，且二者之間無顯著差異。然而，康文彥等［31］在西北內陸干旱區苜蓿與無芒雀麥（Bromusinermis）混播草地中研究得出，拔節期輕度水分虧缺（灌水下限為田間持水率的65%）可減少草地無效蒸發，提高牧草產量、品質和水分利用效率?？梢?，混播草地的合理水分調虧程度和時期與試驗區域和牧草類型有關。生產實踐中，應在充分試驗研究的基礎上采用適宜的調虧灌溉模式，以獲得最優的經濟與生態效益。

4 結論

1）平均土壤貯水量隨水分虧缺程度的提高呈降低趨勢。同一水分虧缺條件下，拔節期虧水與開花期虧水處理的平均土壤貯水量無顯著差異。

2）水分虧缺處理的平均土壤溫度顯著高于充分灌水處理，且隨水分虧缺程度的加劇，提高幅度增大。虧水程度一定時，拔節期虧水處理的平均土壤溫度顯著高于開花期虧水處理。

3）與播種前相比，收獲后各處理的土壤養分含量呈降低趨勢。開花期輕度虧水可顯著提高土壤速效氮含量，中度或重度水分虧缺顯著影響牧草對土壤速效磷和速效鉀的吸收。

4）開花期中度虧水處理可減少灌水量20.6%，并獲得較高的產量（14330.2 kg·hm—2）、水分利用效率（31.5 kg·hm—2·mm—1）、灌水利用效率（81.0 kg·hm—2·mm—1）、氮素吸收效率（0.99 kg·kg—1）和氮肥偏生產力（191.1 kg·kg—1），是高寒荒漠區燕麥與箭筈豌豆混播人工草地的適宜水分管理模式。