宁夏干旱风沙草原区紫花苜蓿地下滴灌水肥耦合试验研究

周 乾，徐利岗，杜建民，刘燕茹

(1.宁夏水利科学研究院，银川 750021；2.宁夏农林科学院，银川 750002；3.宁夏回族自治区农业综合开发办公室，银川 750002)

水资源短缺与节水将是我国不得不面对的永恒的主题。它不仅关系到国家粮食安全、生态安全,而且关乎国家安全。农业节水将是缓解我国水资源供需矛盾的主要途径[1]。水肥一体化技术是通过利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉与施肥，适时、适量地满足农作物对水分和养分需求，实现水肥同步管理和水肥高效利用的农业技术[2]。近年大面积示范表明，与传统方式相比，水肥一体化技术可减少肥料挥发、固定以及淋洗的损失，肥料利用率可提高30%～50%，水分利用率可提高40%～60%[3]。因此摸清水肥一体化条件下苜蓿滴灌灌溉制度、水肥协同效应等问题对提高苜蓿地下滴灌水肥协同效率及产量显得尤为重要。宁夏地处西北内陆干旱区，气候干旱少雨，水资源极为匮乏，针对宁夏农业用水日趋紧张的现状，为了使水资源得到高效利用，大力推广滴灌技术是很有必要的[4]。在宁夏干旱风沙草原区，滴灌是最为重要的高效节水灌溉方式之一，地下滴灌灌溉方式比地面滴灌更加节水，得出科学合理的苜蓿地下滴灌灌溉制度是推广苜蓿地下滴灌灌溉技术的关键。

本文针对宁夏干旱风沙草原区水资源短缺及优化配置不合理的问题，采用地下滴灌灌溉技术，通过田间试验，研究了水肥一体化下苜蓿地下滴灌灌溉与施肥交互作用机理，探明了水肥协同效应与紫花苜蓿生长之间的关系，提出了适宜宁夏干旱风沙草原区苜蓿地下滴灌水肥耦合灌溉制度，对提高紫花苜蓿产量，促进宁夏干旱风沙草原区草畜产业发展，缓解宁夏水资源短缺，提高有限水资源利用效率和效益具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于宁夏回族自治区吴忠市盐池县青山乡旺四滩村。盐池县位于宁夏回族自治区中南部，隶属吴忠市管辖，地处陕、甘、宁、蒙四省(区)交界地带，在北纬37°04′～38°10′，东经106°30′～107°47′之间；属典型的温带大陆性季风气候，年日照时数为2 867.9 h；年平均气温8.5 ℃，≥10 ℃积温2 944.9 ℃，无霜期128 d；降雨量290 mm左右，且年际变化大，多集中在7-9月，年蒸发量2 179.8 mm。

试验区土壤类型属砂壤土，具体土壤理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验采用灌水量和施肥量两因素多水平随机区组设计，共12组处理，供试苜蓿品种为甘农3号，灌溉方式为地下滴灌，滴灌带埋设深度为20 cm，滴灌带铺设间距60 cm，滴头流量2 L/h，滴头间距30 cm。目标产量15 000 kg/hm2，所有试验处理均灌水12次、施肥4次，具体见表2和表3。试验采用地下滴灌进行追肥，水溶性单质肥分别为：氮肥采用尿素、磷肥采用磷酸一铵、钾肥采用硫酸钾。

表1 试验区土壤理化性质

表2 基于水肥协同效应地下滴灌苜蓿水肥一体化技术研究试验处理表

表3 基于水肥协同效应地下滴灌苜蓿水肥一体化技术研究试验方案表

续表3 基于水肥协同效应地下滴灌苜蓿水肥一体化技术研究试验方案表

1.3 监测指标与方法

(1)气象参数：小型自动气象站，全年逐日温度、降雨量、太阳辐射、风速，数据步长为60 min。

(2)生育期：记录各生育阶段时间节点。

(3)土壤含水量：采用PR2土壤剖面水分监测仪。生育期内每10 d测定1次，灌水及有效降水(5 mm以上)后加测。监测0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm土层土壤含水量。

(4)生态指标：用钢卷尺每隔10 d测定1次株高，苜蓿每茬次收割时测量1次，每个处理选定10株样株进行测量，取平均值。

(5)产量指标：鲜草重、干草重、干鲜比，每茬次分别测产。苜蓿开花达到5%左右时测定，每茬收割面积1 m2，收割后称鲜草重,后105 ℃杀青1 h，后置于75 ℃恒温下烘48 h，冷却后称干草重。

2 结果与分析

2.1 不同水肥组合对地下滴灌苜蓿株高的影响

2018年4月18日进行第一次株高测量，第一茬测量6次，第二茬测量4次，第三茬测量4次，每个处理选定长势具有代表性的十株植株作为固定测量对象，剔除最大值、最小值求得平均值。根据不同生育期地下滴灌苜蓿的株高绘制图1、图2和图3。

从图1至图3可以看出，地下滴灌苜蓿每茬次株高均表现为D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12。

图1 不同处理对地下滴灌第一茬苜蓿株高的影响

图2 不同处理对地下滴灌第二茬苜蓿株高的影响

图3 不同处理对地下滴灌第三茬苜蓿株高的影响

2.2 不同水肥组合对地下滴灌苜蓿耗水量和耗水强度的影响

本次试验在田间条件下采用水量平衡法对苜蓿耗水量和耗水过程进行分析。因为苜蓿需水的生育期内变化，主要是其自身的生理特性与当地气象条件及土壤条件影响的结果，因而这种计算能够基本反映该区苜蓿耗水的实际变化趋势，且切合生产实际，从而便于调整灌水定额和灌溉制度。根据水分收支情况，试验区水量平衡可用下式：

ED=(W0-WE)+M+P+K-D-R

(1)

式中：ED为耗水量，mm；W0、WE分别为生育期某阶段初、末100 cm土层的土壤含水量，mm；M为某阶段内的灌水量，mm；P为某阶段内的降雨量，mm；K为某阶段内地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm；R为径流量，mm。

由于试验区地下水位埋藏较深，可不计地下水补给，生育期内降雨量较少，且强度低，降水就地入渗，地表径流量可以忽略，在不考虑深层渗漏量的情况下，水量平衡方程可简化为：

ED=(W0-WE)+M+P

(2)

采用上式计算生育期内各阶段各处理实际耗水量及耗水强度，土壤含水量变化考虑100 cm深土层的含水量变化。计算2018年苜蓿各茬次耗水量及耗水强度，见表4。

表4 2018年苜蓿各茬次耗水量及耗水强度计算表

绘制2018年不同处理苜蓿全生育期耗水量图，见图4。各处理苜蓿全生育期耗水量大小依次为：D6>D5>D4>D7>D11>D9>D12>D10>D8>D3>D2>D1。各处理苜蓿在现蕾期和分枝期耗水量显著大于其他生育阶段耗水量，说明该时段是苜蓿需水关键期。2018年各品种苜蓿第二茬平均耗水强度>第三茬平均耗水强度>第一茬平均耗水强度。

图4 2018年不同处理苜蓿全生育期耗水量图

2.3 不同水肥组合对地下滴灌苜蓿产量和水分利用效率的影响

根据不同处理苜蓿产量，计算出作物水分利用效率，分别绘制图5和图6。由图5可知，不同处理苜蓿干草重表现为：D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12，产量最高的处理是处理D11(灌溉定额为3 150 m3/hm2，施肥量为N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2)，苜蓿产量达到16 590 kg/hm2，其次是处理D10、D6和D5，分别为16 350、16 200和16 005 kg/hm2；由图6可知，不同处理苜蓿水分利用效率表现为：D3>D10>D11>D1>D9>D4>D2>D5>D8>D6>D7>D12，其中处理D3、D10、D11苜蓿水分利用效率分别为2.03、2.02、2.01 kg/m3，没有显著差异。处理D12苜蓿水分利用效率最低仅为1.51 kg/m3。

图5 2018年不同处理苜蓿干草重

图6 2018年不同处理苜蓿水分利用效率

综上分析，各水肥处理下苜蓿水分利用效率和产量都较高的是处理D11(灌溉定额为3 150 m3/hm2，施肥量为N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2)，苜蓿水分利用效率达到2.01 kg/m3，对应的产量为16 590 kg/hm2。最适宜的苜蓿地下滴灌水肥灌溉制度为，灌溉定额3 150 m3/hm2，施肥量N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2，具体水肥方案为D11处理。

3 结 论

(1)地下滴灌苜蓿每茬次株高均表现为D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12；各处理苜蓿全生育期耗水量大小依次为：D6>D5>D4>D7>D11>D9>D12>D10>D8>D3>D2>D1。各处理苜蓿在现蕾期和分枝期耗水量显著大于其他生育阶段耗水量。2018年各品种苜蓿第二茬平均耗水强度>第三茬平均耗水强度>第一茬平均耗水强度。

(2)不同处理苜蓿干草重表现为：D11>D10>D6>D5>D4>D9>D3>D8>D7>D2>D1>D12，产量最高的处理是处理D11，苜蓿产量达到1 107 kg/hm2；不同处理苜蓿水分利用效率表现为：D3>D10>D11>D1>D9>D4>D2>D5>D8>D6>D7>D12，其中处理D3、D10、D11苜蓿水分利用效率没有显著差异。

(3)综合分析紫花苜蓿生长、水分、产量及水分生产效率等指标，得出了宁夏干旱风沙草原区苜蓿地下滴灌水肥耦合灌溉制度为，灌溉定额3 150 m3/hm2，施肥量N 90 kg/hm2、P2O5126 kg/hm2、K2O 108 kg/hm2，具体水肥耦合灌溉制度见表5。

表5 宁夏干旱风沙草原区苜蓿地下滴灌水肥耦合灌溉制度表