灌水下限对紫花苜蓿产量、品质及水分利用效率的影响

孟洋洋，李茂娜，王云玲，金庆同，严海军*

（1.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083；2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083）

0 引 言

紫花苜蓿（Medicago sativa），以其蛋白质量高、抗逆性强、营养价值高、适口性好而闻名，是一种优质多年生豆科牧草[1]，被称为“牧草之王、饲料皇后”[2]。为了促进苜蓿产业发展，2016年国家提出了一系列旨在促进我国苜蓿产业发展的文件[3-5]，2019年中央一号文件明确提出要大力发展青贮苜蓿优质饲料生产[6]。同时，紫花苜蓿是一种高耗水作物，年需水量范围为400～2 250 mm[7]。华北地区是我国重要的紫花苜蓿主产区之一[8]，但是长期以来地下水过度开采形成了多个漏斗区，农业用水十分紧张，极大地限制了该地区苜蓿产业的发展。圆形喷灌机喷灌相比于传统的地面灌溉技术，具有增产、省水、省工、保土和保肥、适应性强、机械化和自动化程度高[9]等优点，近几年在紫花苜蓿种植区得到了广泛应用。

国内外学者关于紫花苜蓿做了大量研究工作，有学者研究了苜蓿根系在土壤当中的分布情况[10-12]，也有学者应用不同灌水技术，研究不同地区适宜苜蓿生长的灌水下限[13-15]，发现在不同地区及不同生长茬次存在不同的研究结果，而华北地区适宜苜蓿生长的灌水下限研究成果较少。因此，本文使用圆形喷灌机灌溉技术，研究华北地区适宜紫花苜蓿生长的灌水下限，为该地区应用高效节水灌溉技术，提高水分利用效率（water use efficiency，WUE），实现优质高产栽培提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于河北省涿州市中国农业大学教学实验场，北纬 39°27′，东经 115°21′，海拔 42 m，属于暖温带半湿润季风区，大陆性季风气候显著，季节温差变化大且四季分明，光照充足，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量是 563.3 mm，年平均气温是11.6 ℃，7月气温最高，1月气温全年最低，年度温差达到31.5 ℃，多年平均累积无霜期为178 d。试验地属于太行山山洪冲积扇，地势平坦。根据土壤颗粒分析，试验地的土壤质地（国际制）以砂土类为主，土质属于碱性土，硝态氮量 13.92 mg/kg、有效磷量13.08 mg/kg、速效钾量67.73 mg/kg、有机质量5.08 g/kg。

1.2 试验材料与灌溉设备

试验选择的紫花苜蓿品种为WL363HQ，其具有优质耐旱耐寒的特点，于2014年9月22―23日播种，行距为30 cm。表1为紫花苜蓿生育阶段划分。由表1可以看出，2018年试验地紫花苜蓿返青时间是4月7日，全生长季共生长4茬，刈割时间分别是5月25日、7月5日、8月18日、9月28日，4茬生长时长分别是 48、39、42、39 d。试验通过圆形喷灌机（DYP，现代农装科技股份有限公司）进行喷灌，水源为地下水，机组由三跨和悬臂组成，共140 m。经试验得到，当喷灌机行走速度百分数在 20%～100%时，其径向水量分布均匀系数为92%～94%[16]，表明机组具有较高的水量分布均匀性。

表1 紫花苜蓿生育阶段划分Table 1 Classification of the growth stage of alfalfa

1.3 试验设计

试验时间为2018年4月1日—9月30日止，圆形喷灌机灌溉共设置3个灌水处理，即W1处理：灌水下限45%FC（田间持水率为0.28 cm3/m3，灌水上限90%FC；W2处理：灌水下限60%FC，灌水上限90%FC；W3处理：根据当地生产经验定额灌溉，作为对照（CK）。为保证各处理能够依据设计灌水定额进行准确灌溉，不受其他处理区灌水的影响，本试验依据标准[17]，将不同处理的相邻小区边界间距设置超过喷头有效射程的2倍（图1），而且喷灌机行走至2个处理的中间位置时改变行走速度或关闭，以完成各处理灌溉。每个处理设置3个重复，共9个小区，小区面积为60 m2（6 m×10 m），在每个小区中心位置安装一根TRIME管，定期测定土壤含水率，当土壤含水率达到灌水下限时灌水，灌水定额计算式为：

式中：H为作物计划湿润层的深度，本试验取40 cm；θmax为灌水后土层允许达到的含水率的上限（体积含水率），本试验取田间持水率的 90%；θmin为灌水前土层含水率下限（体积含水率）。

为保证紫花苜蓿正常返青，第1茬返青前各小区统一灌水20 mm作处理。田间持水量测量采用威尔科克斯法，测量深度为40 cm。图2为试验地全生育期内各处理的灌溉制度。W1、W2和W3处理每次的灌水定额分别为47、31、39 mm，其中，由于W1设置的灌溉下限较低，因此，其灌水间隔相对较长。

图2 紫花苜蓿灌溉制度Fig.2 The irrigation schedule of alfalfa

1.4 测量指标

1）气象参数。试验区通过自动气象站（WatchDog2900ET，SPECTRUM，美国）监测风速、风向、降水量、气温、相对湿度、太阳辐射等。

2）作物需水量。以蒸发蒸腾量（ETc）作为作物需水量，计算式为：

式中：Kc为作物系数；ET0为参考作物蒸腾量。

3）土壤水分。在每个小区沿对角线中心设1根测管，用TRIME（TRIME-T3，TDR，德国）测量土壤含水率，试验设计每隔3 d测量1次土壤含水率，并在灌溉或降雨前、后加测，测量深度为0～20、20～40、40～60、60～80 cm。对每个处理0～40 cm深度的土壤含水率求平均值，以判断该处理下的土壤含水率是否达到设定的灌水下限。

4）产量与品质。苜蓿鲜草产量测量在每个小区按照对角线法随机选取3个1 m×1 m的大样方，刈割留茬5 cm左右，刈割后称鲜质量。在大样方中随机选取部分鲜草样品，记为小样方，称量鲜草质量后装进档案袋，放入烘箱，在105 ℃杀青30 min后，将温度调至65 ℃，恒温下烘干48 h，冷却后称量得到干草质量，计算出小样方干鲜比（干鲜比是样品干草质量与鲜草质量的比值）。大样方内干草产量是其鲜草产量与小样方干鲜比的乘积。将烘干后的苜蓿样品磨碎，使用Foss近红外分析仪（NIR-TR-3750，Foss，美国）测定粗蛋白量（CP）、中性洗涤纤维量（ADF）和酸性洗涤纤维量（NDF），相对饲喂价值[20]（RFV），计算式为：

式中：DDM为饲草可消化的干物质，其单位为占干物质（DM）的百分比；DMI为饲草干物质的随意采食量，其单位为占体重（BW）的百分比。RFV计算式中的 1.29是盛花期苜蓿可消化干物质的釆食量。表2是美国豆科牧草干草的质量评价标准。

5）细根生物量。在苜蓿整个生育过程中，用土钻法取土观察苜蓿细根生物量（直径<2 mm），土钻直径5cm，随机选择相邻2行的中间位置取根，每个生育期取1次苜蓿根系，深度是80 cm，每20 cm为1层，将所得根系清洗干净称鲜质量。

6）水分利用效率（water use efficiency，WUE）。根据作物耗水量和作物产量计算水分利用效率，计算式为：

式中：WUE为水分利用效率（kg/m3）；Y为产量（kg/hm2）；ET为作物耗水量（mm），采用土壤水量平衡公式[21]计算。

表2 美国豆科牧干草质量标准Table 2 American legume hay quality guidelines

1.5 数据分析

试验数据使用Excel 2013与SPSS Statistics 20.0软件处理与分析。

2 结果与分析

2.1 紫花苜蓿需水规律

图3列出了试验地苜蓿2018年生长季内的气象及需水变化情况。由图3可知，该地区各茬日均温度分别为 17.95、26.09、28.41和 22.25 ℃，各茬日均太阳辐射分别为178.50、215.92、172.48和185 W/m2，各茬降雨量分别为50.3、35.8、199.0和25.4 mm。华北地区1 a刈割4次的紫花苜蓿年需水量为511.9 mm，而生长季内的降雨量为 310.5 mm，因此为保证华北地区紫花苜蓿正常生长，需要进行适当补充灌溉。由图2可知，全生长季W1、W2、W3处理的灌水量分别是349、485、566 mm。全年各茬苜蓿的需水量分别为127.9、150.2、143.3、90.5 mm，对应灌水量分别为152.3、150.7、62.3、101.3 mm。可见，紫花苜蓿在第1、第2、第3茬内的需水量均较高，但仅在第1、第2茬内需要较多的灌水。这主要是因为第1茬生长期间虽气温较低，蒸发蒸腾作用也较弱，但最长的生长时间使其累积需水量相对较高；第2茬虽生长时间与第1茬相比较短，但期间的高温和强太阳辐射，使得蒸发蒸腾作用迅速增强，作物需水量迅速增加；同样第3茬内的高温和较高的太阳辐射也使得作物需水量较高，但频繁和较大的降雨适当补给了土壤中水分的消耗，因此该茬内虽作物需水量较高但所需的灌水量很低；第4茬虽气温下降，土壤蒸发强度下降，需水量降低，但降雨迅速减少，因此灌水量高于第3茬。

根据水量平衡公式，本文计算出紫花苜蓿不同灌水处理的耗水量。表3为2018年试验期间气象条件与ETc情况，由表3可知，苜蓿的耗水量会随着灌水量的增加而显著增加（P<0.05）。整体而言，各灌水处理在不同茬次内的耗水量规律为：第3茬>第2茬>第1茬>第4茬。其中，各灌水量在各茬的平均耗水量分别是154.68、195.67、232.89、107.39 mm。

2.2 紫花苜蓿根系分布规律

表4—表7列出了各茬苜蓿细根分布情况。由表4—表7可知，第1茬3个处理的平均根系密度分别为0.14、0.12和0.15 kg/m3；第2茬3个处理的平均根系密度分别为0.26、0.21和0.29 kg/m3；第3茬3个处理的平均根系密度分别为 0.15、0.12和 0.16 kg/m3；第4茬3个处理的平均根系密度分别为0.23、0.14和0.14 kg/m3。第1、第2、第3茬W3处理的根系密度最高，第4茬W1处理的根系密度最高。全年各茬苜蓿细根主要分布在0～40 cm土层，其约占总根系密度的92%，40～80 cm土层分布有少量细根，仅约占总根细密度的8%。总体而言，对于各茬苜蓿，生长后期的根系密度高于生长初期，即生殖生长期内（现蕾及初花期）的根系密度要高于营养生长期内（返青及分枝期）。

表3 不同灌水处理的紫花苜蓿耗水量Table 3 Water consumption of alfalfa under different irrigation treatments mm

表4 紫花苜蓿第1茬不同处理细根分布情况Table 4 Distributions of alfalfa fine roots in the first cutting

图3 试验地气象与ETc情况Fig.3 Meteorological conditions and ETc of the experimental site

表5 紫花苜蓿第2茬在不同处理细根分布情况Table 5 Distributions of alfalfa fine roots in the second cutting

表6 紫花苜蓿第3茬不同处理细根分布情况Table 6 Distributions of alfalfa fine roots in the third cutting alfalfa

表7 紫花苜蓿第4茬不同处理细根分布情况Table 7 Distributions of alfalfa fine roots in the fourth cutting

2.3 不同灌水处理对苜蓿产量、WUE的影响

表8为不同灌水处理紫花苜蓿的产量。由表8可知，苜蓿产量随着刈割次数的增加不断降低，表现出第1茬>第2茬>第3茬>第4茬。比较不同处理产量，第1茬表现为W3处理>W2处理>W1处理，第2、第3、第4茬表现为W3处理>W1处理>W2处理。第1茬灌水对产量无显著影响（P>0.05），但是常规灌溉W3处理灌水量最高，产量也达到全年最高，为3.50 t/hm2，该茬内W1、W2、W3处理的产量分别占到全年的32.56%、35.10%、32.27%。第2茬灌水对产量无显著影响（P>0.05），但是 W3处理产量高于 W1和W2处理，W3处理产量是3.47 mg/hm2。前2茬内的苜蓿产量对年产量的高低影响较大，第1茬和第2茬各处理产量均值之和为 6.6 mg/hm2，占年产量的65.1%。第 3茬灌水对产量有显著影响（P<0.05），W3处理产量显著高于W2和W1处理，W3处理产量是2.95 t/hm2。紫花苜蓿第4茬生育后期受到了严重的虫害，为避免严重降低产量提前刈割，实际上未生长到初花期。

紫花苜蓿不同灌水处理的WUE如表8所示。由表8可知，W1处理下苜蓿全年的WUE显著高于其余处理（P<0.05）。苜蓿WUE随刈割次数的增加逐渐下降，各茬的平均WUE分别是2.47、1.65、1.16和0.79 kg/m3。其中，除第4茬由于严重病虫害无法进行判断外，仅第 1茬内灌水对WUE有显著影响（P<0.05）。这主要是由于在产量差异很小的情况，W1处理的耗水量显著低于（P<0.05）其余2种处理，即 W1处理分别较 W2和 W3处理的耗水量分别低78.72、124.42 mm。因此第 1茬内，W1处理WUE显著高于W2和W3处理。然而，在第2、第3茬内，各处理的耗水量虽在数值上存在显著差异（P<0.05），但在产量差异较小的情况下，其相对较小的耗水量差距在一定程度上缩小了各处理间的WUE差异，因此，在第2、第3茬内，灌水处理未对苜蓿WUE有显著差异（P>0.05）。总体而言，W1处理相较于其余处理，在各茬及全年苜蓿的WUE方面均有较大优势，W3处理虽获得了最高的年产量，但其灌水量分别较W1与W2处理高出62.18%与16.70%，故年水分利用效率相对较低。

表8 不同灌水处理的紫花苜蓿产量、WUE和品质Table 8 Alfalfa yield, WUE and quality under different irrigation treatments

2.4 不同灌水处理对苜蓿品质的影响

苜蓿品质指标主要有粗蛋白量（CP）、中性洗涤纤维量（NDF）、酸性洗涤纤维量（ADF）、相对饲喂价值RFV等[22]，苜蓿品质等级是经过上述指标综合确定。其中，RFV是NDF和ADF的综合表现，可直接表观可苜蓿中可被消化干物质的采食量。因此，本文主要通过CP和RFV这2个指标来评价灌水对紫花苜蓿品质的影响（表8）。由表8可知，4茬的粗蛋白平均量分别是20.80%、21.49%、21.04%、23.12%，粗蛋白量随着刈割茬次增加呈增加趋势。显著性分析表明，不同灌水处理对苜蓿粗蛋白量无显著影响（P>0.05）。第1茬W2处理的粗蛋白量最高，第2茬W1处理的粗蛋白量达到最高，第3、第4茬W3处理的粗蛋白量达到最高。

表8还给出了不同灌水处理的苜蓿相对饲喂价值（RFV）。由表8可知，4茬不同处理的RFV平均值分别是120.43、114.21、116.35、141.34，第4茬的RFV值最高，相比于第1、第2、第3茬分别高出17.36%、23.75%、21.40%，第1、第2、第3茬不同处理的苜蓿RFV值均表现为W1处理>W2处理>W3处理，第2茬表现为W1处理>W3处理>W2处理。第1、第4茬灌水对苜蓿的RFV值有显著影响（P<0.05），第1茬W1处理显著高于W3处理，第4茬W1处理显著高于W2处理，第2、第3茬灌水对苜蓿的RFV值没有显著影响（P>0.05），但是W1处理的RFV值高于W2和W3处理。综上所述，较少的灌水量可以增加相对饲喂价值。

根据表2中的美国豆科牧草干草质量标准，综合考虑粗蛋白量、相对饲喂价值来确定紫花苜蓿的品质等级（表8）。由表8可知，第1、第2、第3茬苜蓿，第1茬除W1处理外，属于二级标准，而第4茬刈割较早，属于一级标准。

3 讨 论

华北地区 1 a刈割 4茬的紫花苜蓿年需水量为511.9 mm，这与王晓玉[21]在该地区得到的602.74 mm年需水结果较为接近。苜蓿根系生长主要分布在0～40 cm土层，根系占比约90%以上，这与郭彦军等[10]与韩清芳等[11]研究结果较为一致。苜蓿WUE随着刈割次数的增加不断下降，这与李茂娜等[22]与仝炳伟等[23]在内蒙古地区的研究结果相同。华北地区作为我国最大的地下水超采区，严格控制灌溉定额已成为保证该地区农业可持续发展的重要举措[24]。因此，在适当保证苜蓿产量、品质的条件下，节水效果及水分利用效率将是该地区进行灌溉管理时重点考虑的因素。本文将综合各处理对苜蓿产量、品质、WUE及节水效果进行分析讨论。第1茬内，虽然W1处理苜蓿产量相比于W2和W3处理降低了5.29%和8%，但是其节水率分别相较于二者高 61.71%（W2）和 68.84%（W3），这主要是由于生长初期，土壤内可利用含水量较高，W1处理有效利用了土层中水分以满足作物需水要求，在大量减少灌水的情况下并未引起作物显著减产。正因如此，第1茬内W1处理下的水分利用效率也显著高于W2和W3处理。此外，与Vough等[25]的研究结果相似，本试验中不同灌水处理对粗蛋白量也无显著影响。同时，由于该茬内W1处理减少灌水量对苜蓿相对饲喂价值和品级还具有提高作用。因此，建议第1茬灌水可以采取W1处理指导灌溉。第2茬内，W1处理苜蓿产量相比于 W2处理提高了3.61%，比W3处理降低了8.93%，但是W1处理相比于W2和W3处理节约灌溉用水约9.03%、9.62%，同时各处理下的水分利用效率表现为 W1处理>W3处理>W2处理，且不同灌水处理对粗蛋白量、相对饲喂价值及品质等级均无影响。因此，建议第2茬可采取W1处理进行灌溉。第3茬为华北地区的雨季，频繁的降雨很大程度上消除了各处理间的灌水差异，同时根据W1处理获得该茬内最大WUE及各处理间苜蓿品级无差异的结果，建议该茬内仍使用W1处理进行灌溉。第4茬是该年内苜蓿生长的最后1茬，虽然试验期间由于爆发的病虫害，导致无法根据该茬产量、WUE及品质分析等进行合理的灌水推荐，但根据该地区长期的管理经验，为实现苜蓿顺利越冬，并适当补充由于前期亏水引起的土体中可利用水量的大量消耗，以保证第2年初期苜蓿正常生长，因此建议该茬采取W2处理进行灌溉为宜。

4 结 论

1）华北平原地区全年刈割4茬的紫花苜蓿的年需水量为511.9 mm，其细根主要分布在0～40 cm土层内。

2）各灌水处理间的紫花苜蓿产量、品质及WUE无显著差异。W1处理在保证较高年产量的同时，获得了最高的WUE，并在第1、第2、第3茬内其节水率高于W2和W3处理；W2处理在产量、品质及水分利用效率方面均处于较低水平；W3处理虽获得了最高的年产量，但其灌水量分别较W1与W2处理高62.18%与16.70%。

3）综合各灌水处理的节水效果及其对苜蓿产量、品质和水分利用第效率的影响，建议华北地区紫花苜蓿在第1、第2、第3茬采用45%FC灌水下限，在第4茬采用60%FC灌水下限的方法进行灌溉管理。