水氮供应对地下滴灌紫花苜蓿生长特征及草地小气候的影响

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(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宜宾学院川茶学院，四川 宜宾 644000)

紫花苜蓿(Medicagosativa)简称苜蓿，是我国分布最广，栽培历史最悠久的豆科牧草，不仅具有产草量高、适应性强、饲草营养价值高等特点，而且有防风固沙和培肥地力等功效，因此其在我国栽培草地建植中具有举足轻重的作用[1-3]。作物的生长发育及产量形成与气候条件密切相关，尤其受到田间小气候的影响[4]。小气候又称微气候，是以作物为下垫面的一种特殊的气候条件，综合了光、温、水、热等诸多气象因子，是作物光合作用不可缺少的能量和物质[5-6]。小气候的变化不仅受到作物的品种、群体长势及结构的影响，还与农业栽培措施关系密切，可以通过灌溉和施肥等农业技术措施，来改善作物群体内部小气候特征，从而达到高产优质的目的[4,6]。近年来, 地下滴灌因具有显著的节水、增产、提高品质等巨大优势，同时与施肥作业相结合，能显著地改善作物的生长状况[1-2]。目前，地下滴灌技术在紫花苜蓿中的应用研究较多，包括对紫花苜蓿田间需水规律[7]、生长[8-9]、根系空间分布[10]以及水分利用效率及产量等方面的研究[11-12]，但以上研究多集中于对紫花苜蓿作物本身的影响, 并未涉及对草地小气候的影响。鉴于此，本研究以第2年紫花苜蓿为对象，在地下滴灌条件下研究不同灌水和施氮量处理下紫花苜蓿不同生育时期生长状况和草地小气候特征的变化，探讨紫花苜蓿生长状况与草地小气候特征的关系，揭示紫花苜蓿光热水等资源利用和高产形成的机制，以期为紫花苜蓿群体微环境生态因子的改善及高产优质栽培措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在宁夏农垦局贺兰山茂盛草业有限公司核心试验站进行。该站位于银川平原西部，贺兰山东麓山前冲、洪积倾斜平原区，地理坐标38°31′ N，106°8′ E，海拔1037 m。该区属中温带大陆性气候，年平均日照时数3000 h，年平均气温8.5 ℃，是全国太阳辐射和日照时数最多的地区之一。全年无霜期157 d，多年平均降水量203 mm，年蒸发量3000 mm左右，降水较为集中，主要集中于7-9月。试验田排灌方便，土壤类型为淡灰钙土，土壤耕层(0～20 cm)土壤容重为1.51 g·cm-3，田间持水量为21.95%，pH值为8.61，有机质含量13.43 g·kg-1，全盐含量0.26 g·kg-1，碱解氮43.91 mg·kg-1，速效磷10.65 mg·kg-1，速效钾128.26 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验地供试紫花苜蓿品种为巨能7号，于2016年5月16日人工开工条播，播种量22.5 kg·hm-2，播深2 cm，行距22.5 cm。试验地采用地下滴灌方式进行灌水，滴灌带间距60 cm，埋深20 cm，滴头间距30 cm，滴头流量3.0 L·h-1，用水表控制灌溉水量。2017年3-6月进行紫花苜蓿水肥互作试验处理。试验采用裂区设计，主处理为滴灌量，副处理为施氮量。滴灌量共设置3个水平，分别为：293(W1，2930 m3·hm-2)、330(W2，3300 m3·hm-2)和368 mm(W3，3680 m3·hm-2)，分别于苜蓿返青后(4月5日)、第1茬(4月23日、5月12日和5月20日)和第2茬(6月9日和6月21日)进行灌溉。施氮量共设置4个水平，分别为：对照(N0，0)、低氮(N1，52.5 kg·hm-2)、中氮(N2，84.0 kg·hm-2)和高氮(N3，115.5 kg·hm-2)，氮源为尿素(含N 46.4%)，分两次施用；分别于返青后(4月5日，施氮量的60%)及第1茬刈割后(6月3日，施氮量40%)结合灌溉进行。本试验共12个处理，每个处理重复3次，小区面积为4 m×6 m，各试验小区之间设置1 m的人行走道。

1.3 测定项目与方法

1.3.1苜蓿生长特征 2017年第2茬紫花苜蓿分枝期(6月8日)、现蕾期(6月17日)和初花期(6月25日)，分别于各处理小区内随机选择20株苜蓿，用量取法测定株高，即地面至苜蓿顶端叶尖的高度[2-3]；然后取苜蓿顶

叶向下第3片完全展开的健康完整叶片[13]，每个小区取20片小叶用游标卡尺测量功能叶(三小叶的中间叶片)的长度与宽度，按叶面积=叶长×叶宽×0.71[14]估算公式计算其叶面积；苜蓿初花期在每个小区内用对角线法取3处样方，每处样方选取1 m×1 m刈割，测各试验小区鲜草产量。

1.3.2草地小气候 按照往返观测法，于晴天13:00-14:00 进行草地小气候因子的测定[4]。光照强度采用CEM DT -1301 照度计(深圳华盛昌机械实业有限公司)测定，采用TES-1370分析仪(台湾泰仕电子工业股份有限公司)测定株间气温和相对湿度，测定部位为紫花苜蓿群体内距地面5 cm、20 cm、2/3株高和冠顶，测定时期为紫花苜蓿分枝期(6月8日)、现蕾期(6月17日)和初花期(6月25日)。采用ZDR-41温度记录仪(杭州泽大仪器有限公司，精度±0.1 ℃)测定土壤5、10、20和30 cm土层的土壤温度，温度记录仪10 min自采数据一次，测定结果取其平均值进行分析。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据统计处理，用DPS 7.50软件进行方差分析和相关性分析，多重比较采用Duncan新复极差法检验。显著性水平：显著(P<0.05)；极显著(P<0.01)。

2 结果与分析

2.1 不同水氮供应对紫花苜蓿生长特征的影响

图1 不同水氮供应对紫花苜蓿株高的影响Fig.1 Effects of different water and nitrogen supply on the plant height of alfalfa 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).下同The same below.

2.1.1不同水氮供应对紫花苜蓿株高的影响 如图1 所示，不同水氮供应条件下，紫花苜蓿的株高均随生育期的延长而增加。紫花苜蓿分枝期，不同施氮量对紫花苜蓿株高影响不同，即在W1和W2处理下，随着施氮量的增加株高呈缓慢增加趋势，但在W3处理下，株高在N0和N1处理下缓慢增加，在N2和N3处理下略有下降；不同滴灌量对紫花苜蓿株高具有明显的影响，W1处理下苜蓿株高平均值均低于W2和W3处理。紫花苜蓿现蕾期间，株高增长较快(3.79 cm·d-1)；随着滴灌量的增加，紫花苜蓿株高显著增加(P<0.05)，且随施氮量的增加均有不同程度的增加，但在W3处理下，株高在N3处理下略有降低。与现蕾期株高相比，初花期株高增长缓慢(2.71 cm·d-1)；随着滴灌量的增加株高缓慢增加，但W1、W2和W3处理间株高均无显著差异(P>0.05)。在滴灌量适宜条件下，增施氮肥能明显提高紫花苜蓿生长，在紫花苜蓿整个生育期中，W2N3处理下的株高最高，为87.5 cm，其次为W3N3，其对应株高为87.3 cm，W1N0处理下株高最低，为78.6 cm。

2.1.2不同水氮供应对紫花苜蓿叶面积的影响 如图2所示，随着紫花苜蓿生育期的推进，其叶面积呈逐渐增加趋势，不同处理下苜蓿叶面积均在初花期达到最大值。不同施氮量条件下，紫花苜蓿不同生育时期的叶面积大小变化趋势不同。其中，在苜蓿的分枝期，叶面积随施氮量的逐渐增加呈先增大后降低再增大的趋势，N0与N1、N2、N3处理之间叶面积差异显著(P<0.05)，N1、N2、N3处理之间叶面积差异不显著(P>0.05)。苜蓿现蕾期，叶面积随施氮量的增加而增加，N0与N2、N3之间叶面积差异显著(P<0.05)，N0与N1之间叶面积差异不显著(P>0.05)，N1与N2之间叶面积差异不显著(P>0.05)，N2与N3之间叶面积差异不显著(P>0.05)。苜蓿初花期，叶面积随施氮量增加显著增加，在N3处理下达到最大，但N3和N2之间叶面积差异不显著(P>0.05)(图2A)。不同滴灌量对紫花苜蓿不同生育时期叶面积大小影响不同；紫花苜蓿分枝期时，不同滴灌量对其叶面积无显著影响；在现蕾期和初花期，紫花苜蓿叶面积随滴灌量的增加而缓慢增加，均在W3处理下达到最大(图2B)。

图2 不同水氮供应对紫花苜蓿叶面积的影响Fig.2 Effects of different water and nitrogen supply on the leaf area of alfalfa

2.1.3不同水氮供应对紫花苜蓿草产量的影响 由图3可以看出，不同水氮供应对紫花苜蓿鲜草产量影响不同。滴灌量相同时，紫花苜蓿鲜草产量随着施氮量的增加而增加，当施氮量增加到一定值时，继续增施氮肥，其增产效果在不同滴灌量处理下表现出不同的趋势；其中在W1和W3处理下，随施氮量的增加，鲜草产量增加，而在W2处理下，当施氮量低于N2(84 kg·hm-2)时，鲜草产量随施氮量的增加而增加，超过84 kg·hm-2时则略有下降。当施氮量相同时，紫花苜蓿鲜草产量随滴灌量的增加而显著增加，且W3处理鲜草产量显著高于W1处理(P<0.05)。W3N3处理下苜蓿鲜草产量最高，为34951.8 kg·hm-2，与W3N3相比，W2N2处理下滴灌量减少了10.3%，而鲜草产量仅减少了2.1%，W2N2处理在紫花苜蓿鲜草产量减少不显著的情况下，节水节肥效果明显。

图3 不同水氮供应对紫花苜蓿鲜草产量影响Fig.3 Effects of different water and nitrogen supply on fresh forage yield of alfalfa

2.2 不同水氮供应对紫花苜蓿草地小气候的影响

2.2.1不同水氮供应对紫花苜蓿群体内部光照强度的影响 如图4所示，不同水氮处理条件下，紫花苜蓿群体内部不同高度处光照强度差异显著(P<0.05)。随着紫花苜蓿冠顶向下距地面高度的降低，各处理群体内光照强度均呈下降趋势，在距地面5 cm处各群体光照强度降到最小值；与紫花苜蓿不同生育时期冠顶光照强度相比，紫花苜蓿分枝期、现蕾期和初花期距地5 cm处光照强度平均值分别降低了45.6%、93.8%和98.3%。滴灌量相同时，除分枝期外，紫花苜蓿各层光照强度均在N3处理下较低，N0处理最高；苜蓿初花期，与N0处理各层光照强度平均值相比，N3、N2、N1处理分别降低了1.7、1.2、0.6 klx。3个不同滴灌量处理下紫花苜蓿群体内部光照强度变化趋势一致，随着滴灌量的增加，紫花苜蓿各层群体内部光照强度逐渐降低，这可能是由于滴灌量增加使紫花苜蓿群体株高和叶面积增大，上层光能吸收较多，下层漏光较少所致。

2.2.2不同水氮供应对紫花苜蓿株间气温的影响 由图5可知，不同水氮处理条件下，随着距地面距离的增大，紫花苜蓿各处理株间气温均呈降低趋势，距地面5 cm处株间气温最高，冠顶最低。滴灌量相同时，同一高度处紫花苜蓿株间气温多在N0处理下出现最大值，N1和N2处理居中，N3处理最低；N0、N1、N2、N3处理下紫花苜蓿不同高度处株间气温(不同生育时期3个灌水处理平均值)分别为30.7、30.4、30.2、29.9 ℃(5 cm)，30.1、29.8、29.6、29.3 ℃(20 cm)，29.8、29.5、29.5、29.2 ℃(2/3株高)，29.4、29.2、29.1、29.2 ℃(冠顶)；N0、N1、N2和N3处理下紫花苜蓿不同高度处株间气温平均值分别为30.1、29.7、29.5、29.2 ℃，与N0处理相比，N1、N2、N3处理紫花苜蓿不同高度处株间气温平均值分别低0.4、0.6、0.9 ℃。不同灌水处理下，同一高度处紫花苜蓿株间气温随滴灌量的增大而逐渐降低；W1、W2和W3处理下紫花苜蓿不同高度处株间气温(不同生育时期4个施氮处理平均值)分别为30.4、30.3、30.1 ℃(5 cm)，29.9、29.7、29.5 ℃(20 cm)，29.8、29.6、29.3 ℃(2/3株高)，29.4、29.2、29.1 ℃(冠顶)；W1、W2、W3紫花苜蓿不同高度处株间气温平均值分别为29.9、29.6、29.5 ℃，与W1处理相比，W2和W3处理下紫花苜蓿不同高度处株间气温平均值分别降低了0.3和0.4 ℃。

图4 不同水氮供应对紫花苜蓿群体内部光照强度的影响Fig.4 Effects of different water and nitrogen supply on illumination variations of alfalfa

2.2.3不同水氮供应对紫花苜蓿群体内部空气相对湿度的影响 由图6可知，不同水氮供应处理下，随着紫花苜蓿冠顶向下距地面高度的降低，各处理群体内空气相对湿度均呈升高趋势，在距地面5 cm处空气相对湿度达最大。N0、N1、N2和N3处理下紫花苜蓿不同高度处空气相对湿度(不同生育时期3个灌水处理平均值)分别为50.5%、51.5%、52.1%和52.4%(5 cm)，46.1%、47.4%、47.8%和48.1%(20 cm)，44.2%、44.9%、45.3%和45.6%(2/3株高)，40.9%、41.5%、41.5%和41.6%(冠顶)；N0、N1、N2和N3苜蓿群体各高度下相对湿度平均值分别为45.4%、46.3%、46.7%、46.9%，与N0处理相比，N1、N2和N3处理下紫花苜蓿各高度相对湿度平均值分别升高了0.9、1.3和1.5百分点，而N0、N1、N2、N3之间差异不显著(P>0.05)，表明紫花苜蓿随着施氮量的增加，群体内部空气相对湿度趋于一致，但仍高于不施氮处理。不同滴灌量处理下，随着滴灌量的增大，苜蓿各高度空气相对湿度逐渐增大；W1、W2和W3处理下紫花苜蓿不同高度处空气相对湿度(不同生育时期4个施氮处理平均值)分别为50.5%、51.7%、52.6%(5 cm)，46.4%、47.6%、47.9%(20 cm)，44.3%、45.1%、46.1%(2/3株高)，40.9%、 41.7%、41.6%(冠顶)；W1、W2和W3苜蓿群体各高度相对湿度平均值分别为45.5%、46.5%、47.1%，与W1处理相比，W2和W3处理下紫花苜蓿各高度相对湿度平均值分别升高了1.0和1.6百分点。

图5 不同水氮供应对紫花苜蓿株间气温的影响Fig.5 Effects of different water and nitrogen supply on air temperature variations of alfalfa

2.2.4不同水氮供应对紫花苜蓿浅层土壤温度的影响 由图7可知，不同水氮供应处理下，随着土壤深度的增加，紫花苜蓿分枝期和现蕾期各土层土壤温度呈逐渐下降趋势，而初花期各土层土壤温度降低幅度不明显，这主要受紫花苜蓿生育期间大气温度、植株长势、地表植被覆盖状况和水肥状况等因素共同影响。N0、N1、N2和N3处理下各土层土壤温度(3个生育时期及3个滴灌量处理下平均值)分别为20.3、19.9、19.8和19.5 ℃(5 cm)，19.8、19.5、19.7和19.4 ℃(10 cm)，19.3、19.0、19.2和18.9 ℃(20 cm)，19.1、18.4、18.9和18.7 ℃(30 cm)；0～30 cm土层，N0、N1、N2和N3处理土壤温度平均值分别为19.6、19.5、19.4和19.3 ℃，与N0处理相比，N1、N2和N3处理下紫花苜蓿土壤温度平均值分别降低了0.1、0.2和0.3 ℃，表明施氮能有效降低地下滴灌紫花苜蓿的浅层温度。3个不同滴灌量处理下紫花苜蓿浅层土壤温度整体变化趋势一致，表现为紫花苜蓿各土层的土壤温度均随滴灌量的增大而逐渐降低；在不同土层下，W1、W2、W3处理下土壤温度(3个生育时期及4个施氮量下平均值)分别为20.1、19.7、19.7 ℃(5 cm)，19.6、19.6、19.5 ℃(10 cm)，19.6、19.1、18.4 ℃(20 cm)，18.8、18.7、18.5 ℃(30 cm)；0～30 cm土层，W1、W2、W3处理下土壤温度分别为19.5、19.2、19.1 ℃，与W1处理相比，W2和W3处理下紫花苜蓿土壤温度平均值分别降低了0.3和0.4 ℃。

图6 不同水氮供应对紫花苜蓿群体内部空气相对湿度的影响Fig.6 Effects of different water and nitrogen supply on relative humidity variations of alfalfa

2.3 紫花苜蓿生长特征与草地小气候的相关性分析

由表1可见，紫花苜蓿第2茬整个生育期间，株高与叶面积、鲜草产量和群体内部相对湿度呈极显著正相关(P<0.01)，与群体内光照强度、株间气温、土壤温度呈极显著负相关(P<0.01)；叶面积与鲜草产量、群体内相对湿度呈极显著正相关(P<0.01)，与光照强度、株间气温、土壤温度呈极显著负相关(P<0.01)；鲜草产量与群体内相对湿度呈极显著正相关(P<0.01)，与光照强度、株间气温、土壤温度呈极显著负相关(P<0.01)；光照强度与株间气温、土壤温度呈显著正相关(P<0.05)，与群体内相对湿度呈极显著负相关(P<0.01)；株间气温与相对湿度呈极显著负相关(P<0.01)，与土壤温度呈极显著正相关(P<0.01)；相对湿度与土壤温度呈显著负相关(P<0.05)。

图7 不同水氮供应对紫花苜蓿浅层土壤温度的影响Fig.7 Effects of different water and nitrogen supply on soil temperature variations of alfalfa

项目 Items叶面积Leaf area鲜草产量Fresh yield光照强度Illumination株间气温Air temperature相对湿度Relative humidity土壤温度Soil temperature株高 Plant height0.95**0.96**-0.87**-0.97**0.91**-0.91**叶面积 Leaf area0.91**-0.90**-0.96**0.94**-0.93**鲜草产量Fresh forage yield-0.89**-0.96**0.92**-0.86**光照强度 Illumination0.83*-0.89**0.78*株间气温Air temperature-0.95**0.92**相对湿度Relative humidity-0.81*

*:相关系数显著水平为P<0.05；**:相关系数显著水平为P<0.01。

*:significant correlation atP<0.05 level; **:significant correlation atP<0.01 level.

3 讨论与结论

紫花苜蓿生长特征从一定程度上反映了其对土壤养分和水分的响应[1-3,15-17]。施氮可明显增加紫花苜蓿植株的生长高度[3,18]和增大苜蓿的叶面积[19-20]，从而有助于改善作物自身截获太阳辐射量，提高其光合速率，最终获得较高的产量[1-3]。本试验中，增施氮肥对紫花苜蓿株高、叶面积和鲜草产量均有显著的影响；紫花苜蓿初花期苜蓿株高、叶面积和产草量的变化均随施氮量的增加而增加，N3处理下紫花苜蓿初花期株高、叶面积和鲜草产量均高于N0、N1和N2，这与前人的研究一致[21-22]。刘晓静等[3]通过施氮对甘农3号和陇东苜蓿生长特性研究表明，施氮能显著提高紫花苜蓿的植株高度，从而提高了紫花苜蓿的产量。灌溉是影响干旱地区苜蓿增产的重要因素[22-24]，适宜的灌溉量能促进紫花苜蓿的生长高度和产量[25-26]。施氮和灌溉对于紫花苜蓿的生长既具有协同作用，又具有拮抗作用[2,27-28]。本试验中，紫花苜蓿的株高、叶面积和鲜草产量均随滴灌量和施氮量的增加而增加，当施氮量增加到一定值时，继续增施氮肥，其鲜草产量增产效果在不同滴灌量处理下表现出不同的趋势，其中W1和W3处理下，紫花苜蓿鲜草产量随施氮量的增加而增加，而在W2处理下，当施氮量低于N2(84 kg·hm-2)时，鲜草产量随施氮量增加而增加，超过84 kg·hm-2时则略有下降，说明施氮量为N2(84 kg·hm-2)时就可以满足现有的产量水平，如在此施氮基础上继续增加施氮量，对紫花苜蓿鲜草产量不会有明显的提高。

作物群体内微环境是影响作物的生长发育和生物量形成的重要条件[15-16]。大量的研究表明[29-30]，灌水和施肥对作物群体内的微环境起到了不同程度的调节作用，从而缓解了高温或低温条件对作物的生长发育造成的危害。张盼盼等[4]研究表明，糜子(Panicummiliaceum)植株群体内部的空气温度、光照强度和土层温度均随着施肥水平的增加而降低。本研究中，紫花苜蓿群体内部的空气温度、光照强度、浅层土层温度随着施氮水平的增加而降低，而相对湿度随施氮量的增加而增加，但草地小气候的各个指标的改善幅度随施氮水平的提高而逐渐变小。合理的灌溉不仅能维持作物正常的生长发育，而且可改善作物群体生态环境，最终影响作物的产量和品质[5,8-9]。张娜等[6]研究表明，随着灌水量的增大冬小麦(Triticumaestivum)生育后期土壤温度降温效应增强，空气相对湿度增大, 从而影响棵间蒸发量及产量。本研究也发现相似的结果，紫花苜蓿群体内部的光照强度、株间气温和浅层土层温度均随着滴灌量的增加而降低，而相对湿度则随滴灌量的增加而增加。杨恒山等[15]研究表明，株高是影响田间小气候的关键因素，合理的株高能够增加光合有效辐射截获率，降低土壤温度和空气温度，增加株间空气湿度，减少土壤的棵间蒸发强度，改善田间生态环境，为作物的高产奠定了良好的基础。本试验对紫花苜蓿生长特征与草地小气候的相关性进行了分析后也发现相似的结果，紫花苜蓿的株高与叶面积、鲜草产量及作物群体内部相对湿度呈极显著正相关(P<0.01)，与群体内部光照强度、株间气温、浅层土壤温度呈极显著负相关(P<0.01)。因此，合理减少滴灌量和施氮量不仅能维持紫花苜蓿良好的生长特征，而且能提高鲜草产量及改善草地生态环境条件。本试验对2年生紫花苜蓿的第2茬株高、叶面积、鲜草产量和草地小气候进行了研究，其结果对宁夏引黄灌区紫花苜蓿种植有一定的指导作用，但紫花苜蓿为多年生草本植物，关于水氮供应条件下对紫花苜蓿生长特征的影响及调控草地小气候机制还有待探究。