不同灌水模式对禾豆混播人工草地产量与品质的影响

2020-04-13康文彦齐广平康燕霞银敏华马彦麟张宏斌

水利规划与设计 2020年4期

康文彦，齐广平，康燕霞，银敏华，马彦麟，张宏斌

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070)

西北内陆干旱草原区气候以干旱、半干旱为主，蒸发量大、降水稀少，水资源匮乏，使得天然草地产量低。牧草产量短缺已严重制约了当地畜牧业的发展，因此人工建植草地是解决该地区牧草产量不足的重要途径。目前，西北内陆干旱区人工草地大多存在经营管理不当、水资源浪费严重、牧草产量低下等问题[1- 2]。

紫花苜蓿是一种产量高、品质好的多年生豆科饲草，其利用方式多样，是公认的“牧草之王”[3- 4]。无芒雀麦是多年生禾本科饲草，一般作为青贮饲料或调制成干草，具有耐寒、耐旱和耐牧、营养价值高、适口性好的特点[5]，其生长特性和苜蓿相似，二者具有一定的互补性。目前，我国饲草种植主要集中在西北、华北等干旱缺水地区，与其他作物相比，紫花苜蓿等饲草的耗水量较大[6]。随着人工草地的大面积种植，提高单位面积牧草的产量和品质成为现阶段研究的重点与焦点。发展节水灌溉、提高水分利用效率成为牧草生产的必然要求。地面喷灌技术具有节水、节地、省工和增产等优点[7]，研究结果表明，与漫灌相比，喷灌可以节水30%，提高水分利用效率15%，同时提高苜蓿的产量[8]。调亏灌溉技术是根据作物不同生育时期的需水量，人为施加一定的水分胁迫，实现水分的高效利用和作物的增产优质。目前，调亏灌溉技术已在多种作物和果树节水高产和改善品质方面得到了广泛的应用[9- 14]，但针对混播草地地面喷灌条件下的调亏灌溉研究较为匮乏。

在内陆干旱区，目前针对无芒雀麦单播及无芒雀麦/苜蓿混播的研究主要集中于研究牧草的混播比例、竞争力及稳定性等方面。王建丽[15]、郑伟[16]、张永亮[17]等人在苜蓿和无芒雀麦混播草地生长速度和生物量动态研究中发现，混播草地的干草产量明显高于单播草地，且苜蓿的竞争力大于无芒雀麦。蒋慧等[18]研究得出，混播相较于单播可以提高青贮牧草的品质。此外混播草地因牧草间的相互协同作用，可以大幅提高土壤水分的利用效率和牧草的粗蛋白含量[19- 21]，在内陆干旱区此研究结果还没有得到很好地关注和应用。内陆干旱区水资源严重不足是制约当地人工草地生长的主要因素，然而现阶段关于水分对人工草地产量和品质的研究较少。本研究以西北内陆干旱区为研究区域，通过大田试验，探究不同种植模式和灌水方式对草地产量、品质、耗水量和水分利用效率的影响，旨在获得适合当地牧草生产的种植和灌水方式，为当地畜牧业发展提供理论依据和技术支撑。

表1 土壤基本理化性状

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于甘肃省酒泉市肃州区铧尖乡，区内平均海拔为1387m。该地区属于典型的内陆沙漠型气候，多年平均降水量85.3mm，多年平均蒸发量2148.8mm，年均气温7.3℃，全年日照时数3034h，无霜期130d。气象数据(试验期间的降雨量、空气温度、风速、湿度、ET0、太阳辐射等)由距离试验地50m的农业气象站测定。试验地土壤为沙壤土，0～100cm土层土壤基础理化性状见表1。

1.2 试验设计

供试的苜蓿(清水苜蓿，MedicagosativeL.cv.Qingshui)和无芒雀麦(卡尔顿无芒雀麦，BromusinermisLeyss.cv.Carlton)，由甘肃农业大学草业学院提供。试验设种植方式和灌水水平2个因素，其中种植方式为无芒雀麦单播(播种量为30kg/hm2)和无芒雀麦/苜蓿混播(播种比例1∶1，播种量为15kg/hm2)。灌水水平设7个处理，分别在拔节期和抽穗期设低、中、高3种灌水下限(单播和混播的灌水下限相同)，以全生育期充分灌水为对照，各处理灌水下限(土壤的体积含水率占田间持水量的百分比，计划湿润层为60cm，当计划湿润层含水量达到下限时开始灌水，水分上限为85%的田间持水量)见表2。试验采用完全随机区组设计，每个处理设3个重复，一共设42个小区(面积5m×5m)，小区之间设1m的保护带。试验采用喷灌(灌水量由各小区安装的水表控制)，喷头(蝶形喷

表2 喷灌条件下调亏灌溉试验灌水下限单位：%

头，大禹节水集团提供)喷射半径2～4m，布设在小区的正中心。无芒雀麦和紫花苜蓿于2018年5月8日播种，人工条播，播深2cm，行距30cm。试验期间，除草、施肥、病虫害防治等与当地常规管理保持一致。

1.3 指标测定与方法

1.3.1土壤体积含水率

采用时域反射仪(Time Domain Reflectometry，TDR)观测根区0～120cm土层的体积含水率，从播种到收获期每隔3～5d测定一次，降雨、灌水前后加测，并定期采用土钻法对测定结果进行校正。

1.3.2牧草干物质产量

每隔8～12d测定一次，在每个小区随机取1.0m长的样带，将牧草齐地面刈割，称牧草的鲜重，然后放入烘箱，用105℃杀青30min以后，在75℃下烘48h至恒重，称取干物质的重量。

1.3.3粗蛋白含量及产量

在牧草收获期取植株地上部分样品，经杀青、烘干、粉碎后采用凯氏定氮法测定，用下式计算植株粗蛋白含量和产量：

CP=6.25ωN

(1)

CPY=CP×DM

(2)

式中，CP—粗蛋白质量分数，%；6.25—换算系数[22]；ωN—植株含氮量[23]，%；CPY—粗蛋白产量，kg·hm-2；DM—干物质产量，kg·hm-2。

1.3.4酸性洗涤纤维(Acid Detergent Fiber，ADF)和中性洗涤纤维(Neutral Detergent Fiber，NDF)

采用Van Soest法通过半自动纤维分析仪(F800)测定牧草酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量

1.3.5草地耗水量与水分利用效率

不同处理草地的耗水量采用水量平衡法计算，公式如下：

ETa=R+I+CR-ΔW-OF-P

(3)

式中，ETa—耗水量，mm；R—降水量，mm；I—灌水量，mm；CR—地下水向上补给量，mm；ΔW—生育期末土壤储水量与生育期初土壤储水量之差，mm；OF—径流量，mm；P—深层渗漏量，mm。

表3 不同处理牧草耗水量及耗水来源比例

注：不同小写字母表示变量之间差异显著(P<0.05)。

因试验区地形平坦，地下水较深，故CR、OF和P可忽略不计。因此可将式(3)简化为：

ETa=R+I-ΔW

(4)

土壤储水量的差值计算为：

(5)

式中，Hi、γi、θi2、θi1—第i层的土层厚度，mm、土壤容重，g·cm-3、计算时段结束和起始时的土壤含水量，%。其中土壤容重采用环刀法测定。

牧草干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率的计算公式为：

(6)

(7)

式中，WUEDM—干物质水分利用效率，kg·m-3；WUECP—粗蛋白水分利用效率，kg·m-3。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2013整理数据、简单统计分析和绘图，利用IBM SPSS Statistics 22.0软件进行数据间的方差分析、显著性分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 牧草生育时期的降水和气温分布

试验期间试验地的降雨量及气温状况如图1所示。试验期间，试验地的总降雨量为85.16mm，接近多年平均降雨量85.30mm，其中大于等于5mm的有效降雨量为35.70mm。试验地的平均气温为19.72℃。

图1 试验期间降雨量和温度

2.2 不同处理的耗水特征

试验期间各处理全生育期的耗水量及耗水来源比例见表3。从表3中可以看出，混播处理的耗水量显著高于单播处理的耗水量，且牧草生育期的耗水量随着灌水下限的降低逐渐减少。在单播和混播各处理中，均表现为CK处理的耗水量(单播为324.01mm，混播为365.66mm)显著高于其它各处理(P<0.05)，A4处理下的耗水量最小(单播为152.54mm，混播为193.01mm)。牧草全生育期内有效降雨量仅为35.70mm，耗水量主要来源于灌水(占耗水量的60%以上)，各处理下牧草对土壤贮水量表现为混播A4处理下的的消耗量最大，为21.12mm，单播CK处理的最小，为10.40mm。

2.3 不同处理的干草产量

单播和混播条件下的干草产量如图2(a)—(b)所示。由图2分析可知，在单播和混播种植模式下，比较CK、A4、A5、A6四个处理的干物质产量，干草产量CK>A6>A5>A4，各处理之间差异显著(P<0.05)，随着亏水程度的加重，单播和混播处理的干物质产量均呈下降趋势，且当土壤的含水量低于55%FC时，牧草的干物质产量明显下降。比较CK和A1、A2、A3三个处理，CK和A1、A2、A3各处理之间的差异显著(P<0.05)。在单播草地中，比较A1、A2、A3和A4、A5、A6六个处理，在抽穗期进行充分灌溉后牧草产量增加，在A5和A2，A4和A1这两组处理中，干物质产量差异显著(P<0.05)，复水补偿效果明显，水分亏缺在牧草抽穗期比拔节期更加敏感，而在混播草地中，比较A1、A2、A3和A4、A5、A6六个处理，在抽穗期进行充分灌溉后牧草产量增加，有一定的复水补偿效应，A1和A4差异显著(P<0.05)A2和A5、A3和A6之间差异不显著。在同一灌水水平下，混播各处理的干物质产量显著高于单播处理，CK处理下混播干物质产量为6135.06kg·hm-2，单播为4066.45kg·hm-2，混播比单播高出50.87%。

图2 单播(a)和混播(b)草地各处理地上干物质产量

2.4 不同处理的牧草品质

2.4.1粗蛋白产量

不同处理下牧草的粗蛋白含量和粗蛋白产量见表4。通过比较表4中各处理对牧草粗蛋白含量的影响，可以得出，在同一种植模式下，随着水分亏缺程度加重，牧草的蛋白含量呈增加趋势。在单播草地中，通过各处理的比较发现，CK处理的粗蛋白质量分数最低，为9.58%，显著低于其它各处理(P<0.05)，A4处理的粗蛋白质量分数最高，为12.16%，与其它各处理存在显著性别差异(P<0.05)。混播草地中，A4处理下的无芒雀麦粗蛋白质量分数最高，为14.04%，与A5处理无显著性差异，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)；A4处理下的苜蓿粗蛋白质量分数最高，为20.27%，与其它处理存在显著性差异(P<0.05)。苜蓿粗蛋白质量分数显著高于无芒雀麦。同一灌溉水平下，混播处理中的无芒雀麦粗蛋白质量分数高于单播无芒雀麦粗蛋白质量分数，高出11.21%-15.76%。

粗蛋白产量与牧草的干物质产量及蛋白质量分数密切有关。从表4中可以看出，同一灌溉水平下，混播处理的粗蛋白产量显著高于单播处理的粗蛋白产量，并且随着亏水程度的增加，牧草粗蛋白产量呈现下降趋势。在单播和混播草地中，均表现为A4处理最低(分别为315.22kg·hm-2和649.81kg·hm-2)；单播条件下，A3处理的粗蛋白产量最高，达到398.48kg·hm-2，且与CK和A6处理没有显著性差异，混播条件下，CK处理的粗蛋白产量最高，达到649.81kg·hm-2，且与A3和A5无显著性差异。

2.4.2酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量

不同处理下的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量见表5。表5结果表明，单播无芒雀麦在A3处理的ADF含量最低，为31.85%，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)。在混播各处理下，A3处理下的无芒雀麦ADF含量最低，为31.92%，与A2和A6处理不存在显著性差异，与其它处理存在显著性差异(P<0.05)；A3处理下的苜蓿ADF含量最低，为30.40%，与其它处理存在显著性差异(P<0.05)。说明适度的水分亏缺可以促进牧草的营养生长，降低牧草的ADF含量。

表4 不同处理下牧草的粗蛋白含量和粗蛋白产量

注：字母含义同表3。

表5 不同处理下的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量单位：%

注：字母含义同表3。

同一种植模式下，对比分析各处理的NDF含量，随着亏水程度的加重，各处理下牧草的酸性洗涤纤维含量呈现先减小后增大的趋势。单播处理中，A3处理下的NDF最低，与A2和A6处理无显著性差异，A3处理NDF含量比CK处理降低了17.25%。混播处理下，A3处理下无芒雀麦的NDF最低，与其它处理存在显著性差异(P<0.05)，A3处理NDF含量比CK处理降低了16.15%；A3处理下苜蓿NDF含量最低，为40.03%，A4处理下苜蓿NDF含量最高，为49.23%，A3处理与A6处理不存在显著性差异，但显著低于其它各处理(P<0.05)。说明适度的水分亏缺可以降低牧草的NDF含量，而过度的亏水提高了NDF含量。

2.5 不同处理的干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率

单播和混播草地各处理水分利用效率如图3所示。从图3中可以得到，同一灌溉水平下，混播处理下干物质水分利用效率高于单播处理下的水分利用效率。同一种植模式下，随着调亏程度的加重，水分利用效率逐渐增大。在各处理中，CK处理下的水分利用效率最低(单播为1.25kg·m-3，混播为1.68kg·m-3)，CK处理与A3处理不存在显著性差异，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)，A4处理下的水分利用效率最高(单播和混播分别为2.07kg·m-3、2.51kg·m-3)，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)。在水分利用效率最低CK处理和最高的A4处理下，混播草地的水分利用效率比单播高出34.40%和21.26%。

单播和混播草地各处理蛋白水分利用效率如图4所示。图4的结果表明，在单播草地的各处理中，CK处理的粗蛋白水分利用效率最低，为0.12kg·m-3，与A3处理不存在显著性差异，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)，A4处理下的水分利用效率最高，达到0.21kg·m-3，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)。混播草地处理下，CK处理下的水分利用效率最低，为0.26kg·m-3，与A3处理不存在显著性差异，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)，A4处理下的粗蛋白水分利用效率最高，达到0.44kg·m-3，与其它各处理存在显著性差异(P<0.05)。同一灌水水平下，混播处理下的蛋白水分利用效率均高于单播处理下的粗蛋白水分利用效率，可见，混播可以显著提高牧草粗蛋白水分利用效率。

图3 单播和混播草地各处理水分利用效率

图4 单播和混播草地各处理蛋白水分利用效率

3 讨论

3.1 水分亏缺和混播对草地产量和品质的影响

水分亏缺对牧草的干物质积累、分配、产量及品质均具有明显的改善作用[24- 26]。牧草的干物质产量是指刈割后牧草地上部分的生物量，大部分生物量是光合作用的产物。调亏灌溉使得土壤的含水量在不同的生育时期处于不同的亏缺状态，水分亏缺抑制了牧草的光合作用，导致光合产物减少，牧草的干物质产量下降[27]。研究结果表明，与充分灌溉相比，不同生育期亏水处理的牧草产量下降不明显，即前期调亏后复水对牧草生长产生了一定的补偿效应。另外，混播较单播能够显著提高草地的干物质产量，增幅为49.18%-60.45%。

品质是衡量牧草生产的重要指标，目前市场上出售的牧草大多以粗蛋白含量划分等级，按质量确定出售价格[28- 29]。研究发现，随着亏水程度的加重，灌水量逐渐减少，牧草的粗蛋白含量逐渐增大，即灌溉量与粗蛋白含量呈负相关关系，这与蔻丹[3]、苏亚丽[30]等人的结论相一致。牧草的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量随着亏水程度的加重呈现先减小后增大的趋势，适度的亏水可以促进牧草的营养生长，降低牧草的纤维含量，而过度亏水提高了牧草的纤维含量。这与马彦麟[31]等人的结论相一致。

牧草粗蛋白产量是衡量草地产量和品质的重要体现。草地经济效益的增加，一方面要提高草地的干物质产量，另一方面要改善品质。水分调亏可以提高牧草的粗蛋白含量，但同时降低了牧草的干物质产量，甚至牧草干物质产量下降程度大于粗蛋白含量提高的程度，导致草地粗蛋白产量的降低。因此，在实际生产过程中，应同时考虑这两种因素。研究结果表明，随着调亏程度的加重，牧草粗蛋白的产量在全生育期重度调亏的A4和拔节期重度调亏的A2处理最低。苜蓿和无芒雀麦混播种植中，苜蓿可以通过自身的根瘤菌固定空气中的氮素，其固定的氮素除了供自身的生长需要外，还可以向混播草地中的无芒雀麦提供氮素，提高其蛋白含量，此外由于苜蓿纵向根系发达，根系较深，无芒雀麦根系横向发达，根系浅，使得混播草地中的氮素得到更加充分的应用。本研究也证实了这一现象，混播草地中的无芒雀麦蛋白含量较单播草地可提高10.00%- 15.56%。

3.2 水分调亏和混播对草地水分和粗蛋白利用效率的影响

调亏灌溉对内陆干旱区人工建植草地耗水规律影响著性，随着亏水程度的加重，灌溉量和耗水量不断减少，而水分利用效率不断增大。与充分灌水处理相比，牧草在拔节期亏水、抽穗期复水处理的牧草产量下降不明显，说明牧草在抽穗期对水分亏缺较为敏感，抽穗期的耗水强度高于拔节期。这一结论与杨磊[32]、孙洪仁[6]等人的研究相一致。由于混播草地中苜蓿和无芒雀麦的根系分布于地下的空间大，而单播无芒雀麦根系分布较浅，所以对水分的利用效率较低。另外，在混播条件下，混播草地的植被覆盖度高于单播草地，试验点6—9月份气温高，土壤蒸发大，覆盖度较高的处理可以有效减少土壤水分的无效蒸发[33- 34]，从而提高水分的利用效率。本研究中混播草地水分利用效率较单播提高21.26%～35.2%。水分调亏和混播种植方式可改变牧草的粗蛋白水分利用效率。本研究发现，全生育期重度亏水的A4处理显著高于其它处理，另外，混播处理下的粗蛋白水分利用效率均高于单播处理。