水分胁迫对北疆地区人工牧草产量的影响

2015-01-27魏永富郭克贞

中国水土保持 2015年3期

关键词：耗水量减产牧草

刘虎，魏永富，郭克贞，江伟

(1.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020； 2.福海县水利局，新疆福海 836400)

水分胁迫对北疆地区人工牧草产量的影响

刘虎1，魏永富1，郭克贞1，江伟2

(1.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020； 2.福海县水利局，新疆福海 836400)

人工牧草；耗水量；产量；水分生产效率；北疆

新疆北部阿勒泰草原的农牧业生产主要是在荒漠瘠薄的土地上开发和发展起来的。通过对2011年在阿勒泰地区福海县开展的紫花苜蓿、青贮玉米和苏丹草的非充分灌溉试验数据进行分析比较，初步得到该区3种常见牧草耗水量与产量、水分生产效率的关系。结果表明，3种牧草均为充分灌溉条件下产量最高，苏丹草产量与土壤含水量占田间持水量的百分比呈显著的线性相关。苜蓿在返青—分枝期受旱时水分生产效率最高；苏丹草全生育期受轻旱时水分生产效率最低，受重旱时水分生产效率最高；青贮玉米在抽穗—开花期受轻旱时水分生产效率达到最高，拔节期和抽穗—开花期连续受旱时水分生产效率最低。

新疆位于祖国西北边陲，欧亚大陆腹地，其草地覆盖面积占全区面积的34.4%，是构成新疆生态系统的主体，也是新疆草原畜牧业的基础资源和生产基地。据2010年统计资料，全区天然草地总面积为5 568.16万hm2，居全国第三，可利用草地面积3 492.30万hm2，占草地面积的62.71%。然而全疆85%的天然草地已处于退化之中，其中严重退化的草地面积已占37.5%，并且草地退化和沙化面积仍以每年29万hm2的速度增加，草地生态日趋恶化的态势严重，不仅直接威胁牧民的生活、生存环境，威胁牧区经济社会的可持续发展，而且直接影响和威胁北方乃至全国的生态安全和可持续发展[1-2]。北疆地区主要地表水源为额尔齐斯河和乌伦古河，根据自治区发展需要，额尔齐斯河水源通过“北水南调”工程调入乌鲁木齐市和克拉玛依市作为生活用水，因此在保证牧草产量不减产的条件下，探索北疆干旱荒漠地区作物耗水量与产量、水分生产效率的关系显得意义重大[3-7]。

本研究在前人研究的基础上[8-10]，对2011年在福海县哈拉霍英水库下游灌区开展苜蓿、青贮玉米和苏丹草非充分灌溉得到的灌水时间、灌水量、产量数据进行分析，探索在北疆荒漠戈壁地环境下，不同受旱水平对人工牧草产量的影响，以期为今后合理开发利用阿勒泰乃至北疆地区水土资源提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆阿勒泰地区福海县哈拉霍英水库下游灌区，西距乌伦古湖43 km，地理位置为东经87°40′22″、北纬46°10′45″，海拔558 m。试验区内地势平坦，下伏为第三纪沉积层，上覆第四纪堆积层厚度不大，仅为30～50 cm，地表组成物质较粗，主要为砂土和砂壤土。年平均太阳总辐射量为546.7 kJ/cm2，其中4—9月占71.4%。年平均日照时间为2 881 h，其中4—9月占63%。试验区多年平均气温3.4 ℃，≥10 ℃积温多年平均为2 904.9 ℃。无霜期较短，多年平均为147 d。试验区为荒漠戈壁地，气候干旱，雨水较少，年蒸发量为1 830 mm，多年平均降水量为112.7 mm。

1.2 试验区土壤与农作物

试验区土壤类型主要为淡棕钙土，土壤容重为1.618 g/cm3，土壤田间持水量为8.6%，土壤渗透系数为8.78 mm/d。项目区土壤肥力较差，有机质和全氮含量为0.42%和0.021%，碱解氮、速效磷和速效钾的含量分别为10、2.5和300 mg/kg。项目区土壤全盐含量(土水比1 ∶5)为1.05%，pH值8.4。本试验小区内灌溉用水主要取自乌伦古河地表水，水质较好，总盐分为0.34 mg/L，pH值为8.2，呈弱碱性。试验选择的农作物为紫花苜蓿(阿尔冈金)、青贮玉米(新青1号)和苏丹草(新苏2号)。

1.3 试验设计

灌溉制度试验采用田测法，小区面积为60 m2(10 m×6 m)，小区与小区之间都做了隔水处理，各小区周边都设置了保护区，以消除边缘小区与边行作物的边际影响。作物生育阶段划分见表1。

紫花苜蓿整个生长季刈割2次，盛花期刈割，试验设5个处理，其中包括1个充分灌溉处理(MX1)和4个非充分灌溉处理，具体设计见表2。苏丹草整个生长季刈割1次，总共4个处理，包括重旱(SD1)、中旱(SD2)、轻旱(SD3)和充分灌溉(SD4)，各个处理的含水量下限分别为田间持水量的50%、60%、70%和75%，具体设计见表3。青贮玉米整个生长季刈割1次，初熟期刈割，试验设8个处理，其中1个充分灌溉处理(YM8)和7个非充分灌溉处理，具体设计见表4。各个处理设3次重复。

注：表中所列数值为土壤含水量下限值，其上限为田间持水量，余同。

1.4 试验方法与观测内容

作物播种(苜蓿返青)后，每隔10 d观测1次土壤含水量和项目区地下水位，灌水和降雨前后加测土壤含水量。根据实测土壤含水量，按照《节水灌溉工程技术规范》(GB/T 50363—2006)中的灌水定额计算公式，结合表2—4中不同处理土壤计划湿润层的含水量上下限值计算确定灌水量，记录灌水时间。记录不同处理各个生育阶段的进入时间，在苜蓿开花期、苏丹草初熟期、青贮玉米乳熟期测定鲜草质量和干草质量(阴干称量)。样方测产，样方面积1 m×1 m。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理的人工牧草耗水量

根据水量平衡原理，由试验测得的土壤含水量、灌水资料、灌水时间、地下水位和降雨等资料，计算人工牧草的耗水量，公式为

ET=P0+K+M+Wt+ΔW

式中：ET为作物生育阶段耗水量，mm；P0为生育阶段有效降雨量，mm；K为生育阶段地下水补给量，根据地下水位和土壤含水量，由定位通量法计算得到，mm；M为生育阶段灌溉量，mm；Wt为生育阶段由于计划湿润层增加而增加的水量，生育阶段内计划湿润层无变化此项不计；ΔW为生育阶段初至生育阶段末土壤计划湿润层内的储水量变化值，由于生育期始末土壤含水量不变，因而此项可忽略不计。

经计算，3种作物不同生育期和整个生育阶段耗水量见表5—7。由表可知，紫花苜蓿、苏丹草和青贮玉米在充分灌溉条件下耗水量分别为690.1、414.9和567.5 mm。

2.2 不同灌溉处理对人工牧草产量的影响

表8给出了试验中不同灌溉处理情况下的人工牧草产量与水分关系。由表8可知，不同灌溉处理条件下，人工牧草的产量和水分生产效率不同，总体说来，充分灌溉条件下产量最高。然而不同的灌水方式会得到不同的水分生产效率。

紫花苜蓿在充分灌溉条件下产量最高，为14 229.6 kg/hm2；苗期水分不足(MX3处理)对产量影响最小，水分生产效率最高，产量为13 776.9 kg/hm2，水分生产效率为2.18 kg/m3；整个生育期缺水对产量影响最大，水分生产效率最低；分枝—孕蕾期缺水比其他生育期缺水对产量影响大。

苏丹草在SD1处理下水分生产效率最高，并且水分生产效率随总灌水量的减少而增大，产量随总灌水量的减少而减少。在灌溉水资源充足条件下，应当采用SD4处理以保证产量，但是在灌溉水资源较为紧缺时，为了保证有限的水资源得到充分利用，应该采用SD1处理模式。

由青贮玉米耗水量与水分生产效率、产量的相互关系来看，YM8处理产量最高，YM3处理为次高，但YM3耗水量仅为YM8的76%，因此YM3可以作为节水丰产的灌溉处理。而其他处理的产量和水分生产效率较低。如果要在有限的水资源条件下，得到较高的青贮玉米产量，还需对水资源进行合理的配置与优化。

2.3 不同水分亏缺量下的减产率研究

从表9可知，紫花苜蓿生长发育过程中的水分胁迫均会引起一系列的不良后果，在作物生育情况方面最显著的表现是植株降低、作物产量下降。不同灌溉处理结果表明，在土壤水分适宜条件下紫花苜蓿不减产，随着土壤含水量的下降作物产量明显下降，当土壤水分控制在田间持水量的45%～50%时(MX5)，减产率达到了28.02%。从不同灌溉处理紫花苜蓿的产量可以看出，单阶段受旱时，返青—分枝期受旱减产最少，分枝—孕蕾期受旱减产最为明显。

从表10可知，不同水分条件下苏丹草的产量是不一样的，充分灌溉条件下(SD4处理)产量最高，受重旱时产量最低，减产率达到了21.18%。而且由图1可看出，苏丹草产量与土壤水分占田间持水量的百分比呈线性相关，其相关系数R达到0.895(R2=0.801 3)。

青贮玉米各处理产量和减产率见表11。青贮玉米生长发育的各个阶段，水分胁迫均会引起一系列的不良后果，其中最明显的影响是植株降低、分蘖能力减弱、叶面积减少、作物产量下降。单阶段受旱时，抽穗—开花期受重旱减产最为严重(减产55.96%)，因为该阶段玉米处于生殖生长阶段，这一阶段如果受到重旱将严重影响后期产量；在苗期、拔节期和灌浆—乳熟期，最为敏感的是苗期(减产36.76%)，这是由于项目区青贮玉米播种时间为初夏，播种后即进入高温、干热、少雨天气，故苗期应进行灌溉补墒；此外，青贮玉米在拔节期水分生理活动也不同于其他作物的“蹲苗”，栽培管理的要点是促分蘖、促拔节，如果此时受旱可减产19.88%。项目区主要为戈壁土，蒸发快，保水能力较差，灌水后表层水分很快下渗或蒸发，因此灌水应尽量采用“量少次多”的灌溉制度，造成上干下湿的状态，以促进分蘖。

3 结论

本研究中，紫花苜蓿在全年中收获两茬，每茬生长期约为60 d，全生育期连续受旱时，耗水量为605.3 mm，仅为充分灌溉时的87.7%；苏丹草的耗水量随着作物受旱情况的加剧而逐渐减少，其充分灌溉的耗水量为414.9 mm，重旱条件下耗水量仅为充分灌溉的49.7%；青贮玉米抽穗—开花期不灌水条件下耗水量最小，仅为341.0 mm，为充分灌溉时的60%。

不同灌溉处理条件下，人工牧草的产量和水分生产效率不同，总体来说，充分灌溉条件下产量最高。紫花苜蓿在返青—分枝期受旱减产率最小，水分生产效率最高；全生育期受旱减产率最大，达到28.02%，水分生产效率也最低。苏丹草的规律与紫花苜蓿相似，其作物减产率与受旱程度的关系呈线性关系，全生育期受轻旱时水分生产效率最低，受重旱时水分生产效率最高。青贮玉米在抽穗—开花期受轻旱时，产量仅次于充分灌溉的情况，其水分生产效率达到最高，但耗水量仅为充分灌溉的76%；而拔节期和抽穗—开花期连旱对产量的影响最大，减产率最大，同时该受旱条件下水分生产效率亦最低。

北疆地区作为水资源十分紧张的地区，地表水源受山区降雪的影响，丰枯水年交替明显，在灌溉水资源较为紧缺时，为了保证有限的水资源得到充分利用，应该采用不同的灌溉模式，并根据现有研究成果及经验值，在保证较高水分生产效率的情况下，结合农艺措施、保水材料等，合理地分配水资源。

[1] Marvin E Jensen.耗水量与灌溉需水量[M].熊运章,林性粹,译.北京:农业出版社,1982：55-82．

[2] 郭克贞.草原节水灌溉理论与实践[M].呼和浩特:内蒙古人民出版社,2003：79-116.

[3] 李浩波,高云英,张景武,等.紫花苜蓿耗水规律及其用水效率研究[J].干旱地区农业研究,2006,24(6):163-167.

[4] Allen R G,Pereira L S,Raes D,et al.Crop evapotranspiration： Guidelines for computing crop water requirements[M].Rome,Italy：FAO,1998:17-27.

[5] 李取生,李晓军,李秀军.松嫩平原西部典型农田需水规律研究[J].地理科学,2004,24(1):109-114.

[6] 李远华.节水灌溉理论与技术[M].武汉:武汉水利电力大学出版社,1999:1-59.

[7] 马灵玲,占车生,唐玲俐,等.作物需水量研究进展的回顾与展望[J].干旱区地理,2005,28(4):531-537.

[8] 刘虎,伊力哈木,郭克贞,等.北疆地区干旱荒漠草地牧草需水量与需水规律研究[J].灌溉排水学报,2011,30(3):132-135.

[9] 刘虎,苏佩凤,王永增,等.新疆北部荒漠地区春小麦、甜菜需水量与需水规律研究[J].干旱区资源与环境,2011,25(11):182-186.

[10] 刘虎,苏佩凤,郭克贞,等.北疆干旱荒漠地区春小麦与苜蓿灌溉制度研究[J].中国农学通报,2012,28(3):187-190.

(责任编辑徐素霞)