壩上農牧交錯區一年生飼草與主要農作物水分利用效率比較研究

王 婷， 王開麗， 豆鵬鵬， 黃 晶， 張旭澤， 苗正洲， 王 堃*

(1.中國農業大學草業科學與技術學院， 北京 100193)

水是作物生長的重要限制因子，在農業生產方面，水分與植物生長密切相關，植物吸收及傳輸養分，并利用水分進行生長，土壤水分起著至關重要的作用[1-2]。我國北方農牧交錯帶年平均降水在250～400 mm，屬于半干旱地區[3]，而地下水近年來呈現下降的趨勢，水資源緊缺、干旱問題較為突出，影響經濟和社會的發展。氣候干旱、水資源短缺、大風日數多、加之人類高強度的土地資源開發利用等綜合影響下，農牧交錯帶不斷突破生態系統健康閾值，成為了中國北方農牧交錯帶沙質荒漠化強烈發展的地區之一[4]。

水分利用效率指吸收單位碳的失水速率，即初級生產力與蒸散量的比值，水分利用效率也是評價植物生長適宜程度的綜合指標之一[5-6]。Miriti等[7-8]研究表明，土壤水分變化受土壤自身結構和作物種類、自然降水的影響，合理的選擇性種植作物可以改善耗水作物對土壤養分的過度消耗。Zwart等[9]研究表明世界先進水平小麥水分利用效率為1.7 kg·m-3，玉米為2.7 kg·m-3，目前很多作物的水分利用率與先進水平相比，其潛在水分利用率很高，但水分利用率還存在著很大差距。通過對現有植被水分利用效率與生長結構的系統研究，比較節水性強、生產力高的作物種植類型，可以為實現干旱和半干旱地區植被建設的可持續發展提供理論基礎[10]。鑒于此，本文進一步分析了一年生飼草與主要農作物對水資源的利用效率，以期為作物種植類型的選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

試驗地位于中國北方農牧交錯帶河北省張家口市察北管理區國家牧草產業體系張家口綜合試驗站(114°00′～118°15′ E，41°10～42°20′ N)。溫帶大陸性季風氣候，無霜期短，冬季寒冷漫長，春秋兩季短暫，風大沙多且降水少。當地種植的作物主要有小麥、胡麻、土豆、玉米、燕麥、莜麥、苜蓿等。2021年平均氣溫4.8℃，年降水量為389.8 mm，作物種植期內(5月28日至9月2日)降雨量占全年降雨量的61.6%。全年日照時數2 577.4 h，日照率年均66%，土壤質地為沙壤土，具體表層土壤各類指標如表1所示，試驗期間氣象條件圖1所示。

表1 試驗地基礎土壤養分指標Table 1 The basic soil nutrient indices of the experimental site

圖1 試驗期間氣象條件Fig.1 Meteorological conditions during the experiment period

1.2 試驗設計

本試驗采用隨機區組設計，試驗地前茬作物為黑麥草，種植的飼草或農作物種子均從當地農民處購得。分別種植3種一年生飼草，燕麥(播量為15 kg·畝-1)、箭筈豌豆(播量為5 kg·畝-1)、玉米(播量為10 000株·畝-1)和4種農作物，莜麥(播量為8 kg·畝-1)，小麥(播量為10·畝-1)、胡麻(播量為3 kg·畝-1)和馬鈴薯(播量為10 000株·畝-1)。每種作物種植4個重復，每個小區面積為3 m×5 m，保護行為1 m，玉米、馬鈴薯種植行距為30 cm，株距為20 cm，采用點播方法。燕麥、莜麥、小麥、胡麻種植行距為30 cm，采用條播方法(圖2)。采用旱作方式管理、測產、開展植保等農藝管理措施。

圖2 試驗地作物種植小區布置圖Fig.2 Layout of crop planting plots in the experimental site

1.3 植物及土壤特征測定

1.3.1土壤含水量 土壤含水量測定方法參照文獻[11]。于生長季每月初期，用5 cm直徑土鉆取0～10 cm和10～20 cm土層土樣，測定土壤質量含水量：

(1)

式中：M0為烘干鋁盒重(g)；M1為烘干前鋁盒與土樣重(g)；M2為烘干后鋁盒與土樣重(g)。

1.3.2產量和全生育期水分利用效率測定 作物成熟期進行測產，每個小區取樣10 株，莖葉分開稱取鮮重，65℃烘干72 h至恒重，稱取干重，計算鮮干比及莖葉比。每個小區收獲測產，獲得作物鮮重，并根據鮮干比估算作物干重產量。

產量或生物量水分利用效率WUE(kg·mm-1·ha-1)計算公式如下：

(2)

式中：Y為籽粒產量或生物量(kg·ha-1)；ET為農田實際蒸散量(mm)。

根據水分平衡法計算作物整個生育時期耗水量(ET):

ET=ΔS+M+Pr+K

(3)

式中：ΔS為土壤貯水消耗量(mm)；M為灌水量(mm)；本試驗采取旱作種植，灌水量為0；Pr為降水量(mm)；K為地下水補給量(mm)，當地下水埋深大于2.5 m時，K表示的地下水給作物補給量可以忽略，分析結果時可只考慮土壤貯水消耗量和降水量。

(3)葉片瞬時水分利用效率WUEi和潛在水分利用效率WUEp

在八月初使用LI-6400光合儀連續7天測得每種作物的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度，計算葉片瞬時水分利用效率，公式如下：

(4)

式中：Pn為葉片凈光合速率(μmol·m-2·s-1)；Tr為蒸騰速率(mmol·m-2·s-1)

(5)

式中：Gs為氣孔導度(mmol·m-2·s-1)

(4)植株養分含量測定植株全氮含量采用H2SO4-H2O2消解，連續流動分析儀(AA3，德國SEAL Analytical)進行測定；磷含量采用鉬銻抗比色法進行測定；NaOH熔融冷卻后，加HCl和H2SO4用火焰光度計進行鉀含量測定[12]。

(6)

1.4 數據分析

數據統計分析前進行正態分布和方差齊性檢驗，采用SPSS17.0單因素方差分析(ANOVA)檢驗，擬合多元回歸模型使用了R語言“MuMIn”包。全文的圖形可視化采用Origin 2021。

2 結果與分析

2.1 一年生飼草與主要農作物農藝性狀比較

農作物莜麥、小麥和胡麻的莖葉比均高于一年生飼草燕麥、箭筈豌豆和玉米，其中燕麥的差異最顯著，農作物馬鈴薯的莖葉比最低(圖3)。一年生飼草箭筈豌豆和玉米的鮮干比顯著高于農作物莜麥、小麥、胡麻的鮮干比(P<0.05)，小麥的鮮干比最低，顯著低于馬鈴薯、箭筈豌豆和玉米。

圖3 不同植株莖葉比和鮮干比Fig.3 Stem-leaf ratio and fresh-dry ratio of different plants注：不同字母表示不同作物莖葉比和鮮干比之間差異顯著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences in the ratio of stem to leaf and fresh to dry weight of different crops (P<0.05)

2.2 一年生飼草與主要農作物產量比較

由表2可知，鮮重產量玉米最高，為63.92 t·hm-2，其次是莜麥，為38.84 t·hm-2，均顯著高于小麥、胡麻、馬鈴薯、燕麥和箭筈豌豆。干重產量玉米和莜麥最高，分別為12.01 t·hm-2和13.05 t·hm-2，其次是小麥、胡麻和燕麥，最低的是馬鈴薯和箭筈豌豆。

表2 各作物產量相關信息Table 2 Information about the yield of each crop

2.3 一年生飼草與主要農作物水分利用率比較

圖4可知，葉片瞬時水分利用率和潛在水分利用率在不同作物之間是沒有顯著變化，小麥的瞬時水分利用率和潛在水分利用率最低，分別為0.77 g·kg-1和32.83 g·kg-1，玉米的瞬時水分利用率最高為1.195 g·kg-1，馬鈴薯的潛在水分利用率最高為42.06 g·kg-1，0～10 cm與10～20 cm土層中作物的水分利用效率規律基本一致，但在10～20 cm的平均利用率高于0～10 cm。作物間的水分利用率比較結果顯示玉米最高，在0～10 cm和10～20 cm土層中玉米水分利用率分別為116.70%，141.18%，顯著高于其他作物，莜麥分別為71.6%，85.65%，顯著高于小麥、胡麻、馬鈴薯、燕麥及箭筈豌豆。在0～10 cm箭筈豌豆水分利用率最低，僅為16.22%。在10～20 cm馬鈴薯土層中的水分利用率最低，僅為19.53%。

圖4 不同作物水分利用率Fig.4 Water use efficiency of different crops注：不同字母表示不同作物瞬時水分利用效率、潛在水分利用效率及水分利用效率之間的差異顯著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences between the instantaneous water use efficiency,potential water use efficiency and water use efficiency of different crops (P<0.05)

2.4 影響水分利用率的關鍵因子

表3可知，根據影響水資源利用的相關因子，模擬出一年生飼草水分利用率的多元線性回歸模型，該模型對于一年生飼草的水資源利用與各因子之間的關系具有較高的解釋力。一年生飼草水分利用率共擬合出兩個模型(WUE-1，WUE-2)，其中WUE-1最優，模型解釋度為89.10%，主要植物磷含量、植物鉀含量、溫度、細胞間CO2濃度和鮮干比解釋；瞬時水分利用率的三個模型(WUEi-1，WUEi-2，WUEi-3)，其中WUEi-1最優，模型解釋度為90.07%，主要由電導率、植物磷含量、植物鉀含量、溫度、細胞間CO2濃度和鮮干比解釋；潛在水分利用率總共擬合出四個多元回歸模型(WUEp-1，WUEp-2，WUEp-3，WUEp-4)，其中WUEp-2最優，解釋度在97.62%，主要由植物磷含量、細胞間CO2濃度，植物鉀含量和鮮干比來進行解釋。

表3 一年生飼草水分利用率多元回歸模型Table 3 Multiple regression model of annual forage water use efficiency

由表4可知，農作物水分利用率根據各因子之間的相關性總共擬合出8個模型(WUE-1，WUE-2，WUE-3，WUE-4，WUE-5，WUE-6，WUE-7，WUE-8)，其中WUE-8最優，模型的解釋度為47.40%，農作物中莖葉比、植物氮含量和細胞間CO2濃度越大，對于農作物水分利用率的促進作用越強；瞬時水分利用率總共擬合出五個多元回歸模型(WUEi-1，WUEi-2，WUEi-3，WUEi-4，WUEi-5)，其中WUEi-2模型最優，解釋為92.3%，主要由莖葉比、蒸騰速率、植物磷含量、溫度、植物氮含量、細胞間CO2濃度，植物鉀含量共同解釋，；潛在水分利用率總共擬合出兩個多元回歸模型(WUEp-1，WUEp-2)，其中WUEp-2)最優，解釋度為92.0%，莖葉比、植物磷含量、植物氮含量和細胞間CO2濃度越高，農作物的潛在水分利用率就越高。且所有模型均可以在一定程度解釋農作物產量與其相關環境因子之間的關系(P<0.01)。

表4 農作物水分利用率多元回歸模型Table 4 Multiple regression model of crop water use efficiency

3 討論

水資源處于農業發展的短板位置，邵云等[12]研究我國北方農牧交錯帶水分利用效率，發現植被種植類型是主導水分利用效率的主要因子。因此，種植不同的作物，對于水分的利用效率也截然不同。本試驗的研究結果發現一年生飼草與農作物對水的利用效率存在顯著差異，支撐了其論點。此外，在本試驗期間，河北壩上農牧交錯區2021年全年降水量為389.8 mm，在作物生育期內降水量為240.0 mm，生育期處于夏季，氣溫高導致水分蒸散量大，降水的季節性分配不均都會造成水資源供求矛盾以及限制水熱組合協調性，更可能對生態農業可持續發展和光、熱、土地資源生產效力耦合效應產生負面影響[13]。

一年生飼草利用方式主要是青貯飼料或者青飼料，其莖葉比和鮮干比是決定一年生飼草生產量的重要組成部分，莖葉比中葉片比例越高，養分含量越高，適口性也隨之變化[14-16]。鮮干比反映牧草干物質積累程度和利用價值[17]，莖葉比低，鮮干比高?？梢哉{制干草或者做青飼料[18]。本文研究中燕麥的莖葉比最低，說明燕麥的飼用價值較高，與趙桂琴等[19]得出的燕麥因其莖葉比和鮮干比較優而飼用價值較高結論一致。

農牧交錯帶干旱少雨的氣候狀態有利于促進根系對深層土壤水分的吸收，特別是在作物生育后期[20]，本文研究結果顯示作物對水分的利用主要集中在10～20 cm土層。說明旱作方式促進了作物的根系生長，使得作物對深層次的土壤水分利用率提高。本文研究結果表明一年生飼草的產量要高于農作物，說明在同等的降雨條件下，不考慮經濟效益，僅生態效益而言一年生飼草的水資源利用率要更高，楊曉亞等[21]研究同樣說明產量的形成與土壤耗水量有直接關系，一年生飼草較適合在該區域種植，本試驗結果顯示玉米的鮮重產量為63.92 t·hm-2，水分利用率也為幾種作物中最高，這與張書興等[22]所述優良的青貯玉米必須具備高生物產量的品質一致，一方面有利于減緩作物對土壤水環境的損耗，同時也有利于生態農牧業的可持續發展。一年生飼草水分利用率和瞬時水分利用率大于農作物，潛在水分利用率小于農作物，而農作物馬鈴薯水分利用率最低，潛在水分利用率最高，趙麗麗等[23]研究表明以地上籽實為利用方式的作物其地下生物量的增加可以使作物保持較高的水分利用率，這與本文馬鈴薯水分利用率最低相悖，原因在于馬鈴薯作為農作物其利用方式主要以地下莖為主，本研究結果表明馬鈴薯在其生育階段形成塊莖時耗水量較多，需要充足水分，結合河北壩上地區干旱少雨的氣候條件，種植馬鈴薯可能會導致該地區水資源的過度消耗。唐建昭等[24]研究發現，未來氣候變化對農牧交錯帶馬鈴薯等農作物的產量和水分利用效率具有正面影響，未來氣候情景下，該地區的農業發展更適宜灌溉生產。

4 結論

一年生飼草水分利用率和瞬時水分利用率大于農作物，潛在水分利用率小于農作物。玉米和莜麥水分利用率最高，馬鈴薯水分利用率最低，潛在水分利用率最高。一年生飼草玉米的莖葉含水比和產量最高，燕麥次之，箭筈豌豆最低。