灌水模式对高寒荒漠区混播人工草地产量及耗水特性的影响

2020-03-11余晓雄齐广平康燕霞银敏华

水利规划与设计 2020年3期

余晓雄，齐广平，康燕霞，银敏华

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070)

青藏高原高寒荒漠草原区常年以干旱半干旱气候为主，降水较少，水资源匮乏，天然草地产量低，严重制约着草地畜牧业和高原地区经济可持续发展[1-2]。因此建立优质、高产的人工草地成为解决该区草畜供求矛盾，促进草地畜牧业可持续发展的关键[3]。水分是高寒荒漠区人工草地饲草生产的主要限制因素，合理的灌溉可以大幅提高牧草产量和品质，但目前该区人工草地生产管理粗放，牧民滥用灌溉水资源，灌溉制度不合理，不仅降低了水分利用效率，还造成了水资源浪费。

禾本科与豆科牧草混播不仅可以提高产草量和饲草品质，而且还能提高土壤肥力和改善土壤环境[4]，已逐渐成为高寒区人工草地建设的主要种植模式。该区一年生人工草地主要以抗旱、耐寒、耐碱的燕麦(Avena sativa L.)和箭筈豌豆(Vicia sativa L.)为主。燕麦常以单播或与箭筈豌豆混播[5]。目前，高寒区针对燕麦与箭筈豌豆混播人工草地的研究主要涉及品种筛选[6]、混播比例及密度[7]、施肥水平[8]、生产性能及营养价值评价[9]以及光能转化效率[10]等方面，针对人工草地的灌水模式及水分利用效率等方面的研究鲜有报道，研究禾豆混播人工草地对灌水模式的响应，对水资源匮乏、灌溉制度不合理的高寒区牧草生产与管理具有现实意义。为此，本研究选取青海海西藏族自治州荒漠草原区开展大田试验，研究不同灌水模式对燕麦箭筈豌豆混播人工草地产量、耗水特性及水分利用效率的影响，以期为高寒荒漠草原区人工草地节水灌溉提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年在青海省乌兰县茶卡镇金泰牧场进行。当地海拔3150m，年降水量159.3mm，年蒸发量2074.1mm，气候极为干燥，属典型干旱大陆性气候。年平均气温3.5℃，最高月均温14.4℃，最低月均温-12.4℃，极端最高气温34℃，极端最低气温-27.7℃。试验地土壤类型为沙壤土，土壤容重为1.49g/cm2，田间持水量为20.38%，有机质含量为19.35g/kg，土壤铵态氮含量29.32mg/kg，硝态氮含量64.58mg/kg，速效磷含量0.828mg/kg，速效钾含量25.86g/kg，pH值8.35。前茬作物为油菜。

试验点气象站的监测数据表明，牧草全生育期内降水量为350mm，降水主要集中在8月(187.50mm)，占全生育期降水总量的49.3%；牧草全生育期内平均温度为12.52℃，最高气温出现在7月(15.71℃)，如图1所示。

图1 试验期间的月降雨量与月平均气温

1.2 试验材料

选用燕麦和箭筈豌豆为供试作物(种子由青海省农林科学研究院提供)，混播比例为燕麦∶箭筈豌豆=6∶4；实际播量为燕麦112.5kg/hm2，箭筈豌豆75kg/hm2。播种方式为条播，行距为20cm，2018年5月14日播种，9月15日收获。

1.3 试验设计

试验设四种灌水处理：全生育期不灌水(C0)、拔节期灌水(C1)、拔节期+开花期灌水(C2)、拔节期+开花期+灌浆期灌水(C3)，每个处理重复3次，共计12个小区，小区面积为4m×5m。每次灌水25mm，即处理C0、C1、C2和C3的生育期灌水量分别为0、25、50、75mm。灌水量用水表严格控制，灌水方式为微喷灌。小区之间间隔1m，边缘处理有2m深塑料膜以防止水分互渗，试验区四周布设2m宽同种牧草保护带。肥料(尿素75kg/hm2，磷酸二铵225kg/hm2)于牧草播种前一次性基施，其他管理措施同当地一般人工草地。

1.4 测定项目与方法

1.4.1生物量

在燕麦收获期(箭筈豌豆结荚期)取样，每小区随机量取50cm样段进行刈割，将燕麦与箭筈豌豆分离后分别称取鲜重，然后放入105℃的烘箱中杀青(时间为30～40min)，再将烘箱温度降至75℃烘干至恒重，待冷却后称取干物质质量。

1.4.2牧草粗蛋白含量及总量测定

将干草样粉碎后，过1mm筛，采用凯氏定氮法测定牧草粗蛋白含量，计算方法如下：

(1)

式中，CP—植株粗蛋白百分含量，%；0.014—氮元素的毫克当量；6.25为换算系数；V1—滴定时所消耗盐酸标准溶液的体积，ml；V2—滴定空白时所消耗的标准盐酸体积，ml；c—盐酸的当量浓度；m—试样重，g。

植株粗蛋白产量计算如下：

CPY=CP×Y

(2)

式中，CPY—植株粗蛋白产量，kg/hm2，Y—干物质产量，kg/hm2。

1.4.3田间耗水量和水分利用效率的计算

利用土壤熵情仪(IST.HRG C-16S，北京东方润泽生态科技股份有限公司生产)实时监测各小区内土壤含水量变化，测定深度为60cm，利用烘干法对土壤水分含量进行校准。田间耗水量ET计算如下：

(3)

式中，i—土层编号；n—总土层数；γi—第i层土壤干容重;Hi—第i层土壤厚度，cm；θi1和θi2—第i层土壤时段初和时段末的含水率，%，以占干土质量的百分数计；M—时段内的灌水量，mm；P0—有效降水量，mm；K—时段内的地下水补给量。试验地地下水埋深大于2.5m，K值忽略不计。

水分利用效率为：

WUE=Y/ET

(4)

灌溉水利用效率为：

IUE=Y/I

(5)

降水利用效率为:

PUE=Y/P

(6)

式中，Y—牧草产量，kg/hm2；ET—总耗水量，mm；I—灌水量，mm；P—降雨量，mm。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010及SPSS 19.0进行数据处理及相关分析，运用Duncan新复极差法(SSR)进行多重比较和差异显著性、相关性分析(极显著P<0.01，显著P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同灌水模式对混播牧草鲜、干草产量的影响

不同处理下燕麦和箭筈豌豆混播鲜干草产量见表1。灌水处理下鲜、干草产量均显著高出不灌水处理(P<0.05)，与C0处理相比，C1、C2和C3处理的平均鲜草产量分别提高29.78%、34.01%、31.91%，平均干草产量分别提高19.26%、29.47%、32.34%，说明灌水可以显著提升高寒区混播牧草的产量。收获时C2处理鲜草产量最高，为71291.80kg/hm2，比C1处理高出34.01%；C3处理干物质产量最高，为29322.72kg/hm2，比C1处理高出32.34%，与C2处理相比无显著差异(P>0.05)，见表1。

表1 不同灌水模式下牧草收获期鲜草产量和干草产量单位：kg/hm2

注：表中数据为三个重复的平均值；表中同列不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。

2.2 不同灌水模式对混播牧草粗蛋白含量与累积量的影响

粗蛋白产量主要和牧草干物质产量及其含氮量有关。不同处理下燕麦和箭筈豌豆混播粗蛋白含量与累积量见表2。从表2中可以看出，箭筈豌豆的粗蛋白含量显著高于燕麦的粗蛋白含量，随着灌水次数的增加，混播牧草粗蛋白含量呈下降趋势。灌水增加，燕麦粗蛋白产量呈下降趋势，而箭筈豌豆粗蛋白产量呈现先增加后减小的趋势。C1处理下燕麦和箭筈豌豆粗蛋白产量均最高，燕麦粗蛋白产量为1311.28kg/hm2，箭筈豌豆粗蛋白产量为1185.24kg/hm2，C3处理下燕麦和箭筈豌豆粗蛋白产量均最低，燕麦粗蛋白产量为559.02kg/hm2，箭筈豌豆粗蛋白产量为750.69kg/hm2。不同灌水处理粗蛋白产量的变化规律与干物质变化规律相反。收获期C1处理粗蛋白产量最高，达到2496.52kg/hm2，C3处理粗蛋白产量最低，为1309.71kg/hm2，说明水分过度亏缺或后期土壤水分过多均不利于牧草形成较高的粗蛋白产量。

表2 不同灌水处理下混播牧草粗蛋白含量及产量

注：表示字母含义同表1。

2.3 不同灌水模式对混播草地田间耗水特性的影响

不同灌水模式对混播草地田间耗水特性的影响见表3。由表3可知，随着灌水量的增加，混播牧草在全生育期的总耗水量呈增加趋势，C1、C2和C3处理在全生育期总耗水量较C0分别增加27.94、56.9、107.05mm。草地灌水量占总耗水量的比例随着灌水量的增加而增加，但降水量和土壤贮水消耗量占总耗水量的比例随着灌水量的增加而降低。C0处理下降水量和土壤贮水消耗量占总耗水量的比例较C1、C2和C3分别增加7%、14.1%、26.2%和15.9%、44.0%、83.1%。灌水量从C0的0mm增加到C3的75mm，降水量、灌水量和土壤贮水消耗量占总耗水量比例的变异系数分别为8.5%、70.4%、22.1%，说明灌水量对土壤贮水消耗量占总耗水量比例的影响较降水量显著，改变灌水量可以有效调节禾豆混播草地对土壤贮水的吸收利用。

表3 不同灌水模式对混播草地田间耗水特性的影响

注：表示字母含义同表1。

2.4 不同灌水模式对混播牧草不同生育阶段耗水量、耗水模系数及耗水强度的影响

不同灌水模式对混播牧草不同生育阶段耗水量、耗水模系数及耗水强度的影响见表4。由表4结果可知，从不同生育期来看，拔节期至开花期混播牧草的耗水量最大。拔节期至开花期，C1、C2和C3处理的耗水量显著高于C0处理(P<0.05)，说明拔节水增加了此阶段人工草地的耗水量；开花期至灌浆期，C0与C1处理间耗水量差异不显著，C2处理的耗水量显著高于C0、C1处理；灌浆期至收获期，耗水量表现为C3>C2>C1>C0，但C2与C3处理间无显著差异，说明灌浆水对灌浆期至收获期的耗水量无显著影响。从全生育期来看，总灌水量越大，总耗水量越大，拔节期的耗水量显著高于开花期和灌浆期，说明拔节水是影响全生育期耗水量的关键。

表4 不同灌水模式对混播牧草不同生育阶段耗水量、耗水模系数及耗水强度的影响

注：CA为耗水量；CP为耗水模系数(各生育阶段耗水量/总耗水量)；CD为耗水强度(各生育阶段耗水量/各生育阶段天数)。

随灌水量的增加，耗水强度总体呈增大趋势；拔节期至开花期，C0处理的耗水强度显著低于其他处理；开花期至灌浆期，处理间差异不显著(P>0.05)；灌浆期至成熟期，C3处理的耗水强度显著高于C0、C1处理，但与C2处理差异不显著，说明灌浆水对混播牧草灌浆至收获期的耗水强度无显著影响。

2.5 不同灌水模式对混播牧草水分利用效率的影响

由表5结果可知，随灌水量的增加，燕箭混播牧草的干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率均呈先升后降趋势，C2处理的干物质水分利用效率最高，达到64.17kg·hm-2·mm-1，显著高于其他处理，说明灌拔节水+开花水可以显著提高干物质水分利用效率，C1与C3处理较C2处理水分利用效率较低，前者是因为灌水量不足导致干物质产量过低，后者是因为灌水量过多而造成耗水量增大；C1处理的粗蛋白水分利用效率最高，达到5.78kg·hm-2·mm-1，显著高于C3处理(P>0.05)，但与C0和C2处理差异不显著(P>0.05)。随灌水量增加，灌水利用效率(IUE)显著降低，C3处理较C1和C2处理分别降低60.2%和32.3%；土壤贮水利用效率(SUE)和降水利用效率(PUE)增加。

表5 不同灌水模式对混播牧草水分利用效率的影响单位：kg·hm-2·mm-1

注：表示字母含义同表1。

3 讨论

灌溉是作物高产的基础，适量的灌水量可以提高作物产量；但过量灌溉会导致作物产量和水分利用效率降低[11-12]。研究表明，作物产量与灌水量表现为抛物线关系，当灌水量达到一定程度后，产量呈下降趋势[13]。本研究结果表明，与全生育期不灌水相比，3种灌水模式均能显著提升燕箭混播牧草的鲜干草产量，其中，拔节期+开花期灌水处理的牧草产量最高。这与张胜全等[14]在冬小麦中的研究结果相似；牧草增产幅度随灌水量的增加的而减小，灌拔节水牧草产量较不灌水处理增加29.78%，灌拔节水+开花水较灌拔节水牧草增产幅度为6.7%，灌3水较灌2水增产幅度为-3.2%，产量开始下降，这与王家瑞等[15]的研究结果基本一致。灌拔节水处理的粗蛋白产量显著高于其他灌水处理，表明过度干旱或灌水次数较多均不利于形成较高粗蛋白产量。文霞等[16]在灌水量对紫花苜蓿生产能力的研究中也表明，随着灌水量的增加，粗蛋白含量逐渐减少，灌水量和粗蛋白含量呈负相关。这可能是由于随着灌水量的增加，燕麦的茎叶比增大，导致叶片在植株中所占比例减小，从而致使粗蛋白产量减小。

提高作物水分利用效率是节水农业的首要问题[17]，适宜的灌溉量或水分亏缺可以降低作物的耗水量，提高水分利用效率[18-19]，其关键在于寻找高效利用土壤贮水的灌水模式[20]。本研究表明，灌水对燕箭混播牧草的产量、耗水特性及水分利用效率影响显著，随灌水量增加，牧草的总耗水量增加，而土壤贮水消耗量和降雨量占总耗水量的比例降低，这与冯福学等[21]的研究结果相同。全生育期不灌水处理的土壤贮水消耗量和降雨量占总耗水量的比例为18.84%和85.47%，显著高于灌水处理的土壤贮水消耗量和降雨量；随灌水量增加，土壤贮水消耗量占总耗水量比例的变异系数大于降雨量占总耗水量比例的变异系数，说明灌水量对土壤贮水消耗量占总耗水量比例的影响大于降雨量占总耗水量的比例，这与王德梅等的研究结果基本一致[22]。以上研究结果为提高高寒区燕箭混播人工草地土壤水利用效率提供了理论依据。

灌水对燕麦不同生育期的耗水指标具有调控作用。随生育进程的不断推进，燕箭混播牧草的阶段耗水量和阶段耗水模系数均逐渐减小，这一结果与冯福学等[23]的研究结果相反，这可能是因为本次试验在高寒区开展，燕麦拔节期正处于当地气温最高时，牧草光合作用剧烈，草地蒸发量大，使得牧草阶段耗水量在拔节期处于最大，随着生育时期推进，当地气温降低，阴雨天气增多，牧草光合作用减弱，生长缓慢，阶段耗水量逐渐降低。本研究发现，随生育时期的推进，不灌水和灌拔节水处理的阶段耗水强度逐渐减小，灌2水和灌3水处理的阶段耗水强度逐渐增大，这是因为不灌水和只灌拔节水处理过度水分亏缺，抑制牧草后期生长，导致耗水强度减弱；而灌2水和灌3水处理草地水分充足，牧草植株生长旺盛，耗水强度逐渐增强。前人研究表明，灌拔节水和灌浆水可以提高开花期至成熟期的耗水模系数，进而提升生育后期的水分利用效率，为提高产量打下基础[24]。

牧草产量和水分利用效率与耗水量密切相关，但同时也受试验区环境及气候等因素的影响，前人对产量和水分利用效率的研究结果不尽相同。冯福学等研究发现，随灌水量增加，燕麦水分利用效率逐渐降低。王家瑞等在冬小麦的研究中发现，随灌水量增加，产量和水分利用效率均增加。Kang等[25]则认为，冬小麦产量、水分利用效率和耗水量之间均呈二次曲线关系。本研究结果表明，随灌水量增加，牧草产量和水分利用效率均增加，其中干草产量以灌3水处理最大，但与灌2水处理差异不显著；干物质水分利用效率以灌拔节水+开花水处理的最大；粗蛋白水分利用效率以灌拔节水处理的最大，但与灌拔节水+开花水处理差异不显著。