喷灌不同灌溉处理对紫花苜蓿耗水特征和土壤微生物学特性的影响

张雪梅，张正安，王 飞，2

(1.大禹节水集团股份有限公司，天津 300000；2.甘肃省节水灌溉技术与装备重点实验室，甘肃 兰州 730000)

紫花苜蓿(Algonquin)是优质的多年生豆科牧草，由于其营养丰富和利用价值较高，被誉为“牧草之王”[1]。我国苜蓿种植面积约为3.77×106 hm2[2]，主要分布在西北、华北、东北各省区。西北属干旱半干旱地区，是水资源供需矛盾最为突出、水资源短缺问题最为严重的地区之一。水资源的严重匮乏不仅制约区域农业发展和人民生活水平的提高，也给西北地区的生态环境建设、经济发展、灌区农业用水带来严重挑战。国家于2015年出台《全国农业可持续发展规划》，提出将水资源紧缺作为农业可持续发展的重点问题，在西北地区规模化推进喷灌、滴灌、微灌等高效节水灌溉技术，以缓解西北地区水资源供需矛盾和解决灌溉水浪费等问题。

喷灌是利用专门的设备将有压水送到灌溉地带，喷射并散成细小的水滴，滋润作物的一种灌溉方法[3]。喷灌保土保肥，灌水均匀，田间灌水有效利用率高，与地面灌溉相比，一般可节水30%～50%[4]，广泛用于苜蓿灌溉。同时喷灌也能有效改善土壤质量，谷鹏等研究发现喷灌较滴灌、沟灌等能够显著改善土壤通透性、提高土壤微生物丰度[5]。也有研究发现土壤水分过高时，土壤酶活性减弱，当土壤含水率适中时土壤酶活性偏高[6]。还有研究发现水分胁迫能够显著提高玉米根际土壤有机碳含量[7]，但却降低了核桃根际高活性有机碳含量[8]，此外，水分胁迫能够增加稻基农田土壤微生物量碳含量和土壤微生物熵[9]，但在小麦、紫花苜蓿的研究上得出了相反的结论[10]。因此，不同灌溉方式和灌水量、灌水时间等对土壤酶、土壤氮素等土壤学特性指标的影响具有很强的不确定性，仍需进一步研究。本实验开展喷灌不同灌溉模式对紫花苜蓿耗水特征、土壤学指标影响的研究，以期为我国西北旱区苜蓿耗水及土壤环境调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验示范区概况

丰乐河灌区位于酒泉市肃州区城东南处约70km处，平均海拔1610m，属典型绿洲农业区。区内气候干燥，光照充足，昼夜温差大，太阳辐射强，年平均气温7.9℃，无霜期130d。

研究区60cm以上土层为中壤土，60cm以下主要为砂土层；耕作层土壤肥力情况见表1。

表1 灌区土壤肥力基本情况

1.2 试验设计

1.2.1试验材料

试验以紫花苜蓿(Algonquin)为主要试材。紫花苜蓿属长日照植物，播种前需晒种2～3d，以打破休眠，提高发芽率和幼苗整齐度。播前种子进行丸衣化处理，按种子500kg+包衣材料150kg+黏合剂1.5kg+水75kg+钼酸铵1.5kg的配方进行。采用条播，行距25cm，撒播时要先浅耕后撒种，再耙耱，播量为7kg/hm2。

1.2.2试验设计

为了确定喷灌条件下中低产田苜蓿耗水特性及水分调控对苜蓿生长过程和产量的影响，以水分作为单因素进行调控。2018年5月—9月1日，采取大田试验。试验采用裂区方式设计，灌水设4个不同梯度，依次为T1(灌水定额：450 m3/hm2，灌溉定额：3600m3/hm2，灌水次数：8次)、T2(灌水定额：450m3/hm2，灌溉定额：3600m3/hm2，灌水次数：8次)、T3(灌水定额：525m3/hm2，灌溉定额：3675m3/hm2，灌水次数：7次)、CK(灌水定额：600m3/hm2，灌溉定额：4800m3/hm2，灌水次数：8次)，共计4个处理，每个处理3次重复，共计12个试验小区，灌水时间及试验设计见表2。

表2 中低产田苜蓿喷灌水分调控试验设计

播种前，在试验田中撒施磷酸二铵441kg/hm2、尿素150kg/hm2、硫酸钾126kg/hm2作底肥，在生长期共施尿素两次各处理分枝期(7月15日)冲施141.3kg/hm2，现蕾期(7月25日)冲施65.3kg/hm2；各处理的锄草、喷施农药等措施均按当地习惯进行。试验小区布置如图1所示。

图1 苜蓿喷灌试验小区布置图

1.2.3试验的材料与方法

试验灌水设备采用指针式喷灌机灌溉：机组共有1跨，单跨长54.8m，悬臂长25.08m，喷洒半径80m。喷灌机安装低压喷头，选配0.14MPa压力调节器，悬臂末端不安装尾枪。

相关仪器还包括便携式土壤水分测定仪、土钻(2.0m)、皮尺、电子天平(0.01g)、烘箱(105℃)、环刀、水表、游标卡尺、钢卷尺、光谱仪、试管、移液枪、药剂等。

1.3 测定指标与测定方法

1.3.1气象资料的观测

逐日温度、相对湿度、风速、风向、降雨量等气象资料从当地气象站获取。

1.3.2田间持水量测定

采用室内环刀法进行测定。

1.3.3土壤水分的测定

土壤含水率用烘干法测定，苜蓿生育期开始每隔7d测定1次，雨前和雨后加测，灌水前后加测。每个试验小区在其前中后5点选取5株苜蓿周围取土，每株苜蓿周围选取3点，取离根横向距离20～30cm、土层深度分别为10、20、40、60、80、100cm处取样，相同土层深度5点取其平均值作为该苜蓿根际土壤含水率，5株苜蓿根际土壤含水率取其平均值作为该小区土壤含水率。采用(型号：DHG-9036A)烘箱，105℃下烘8h。

1.3.4土壤生物学特性指标测定

土壤蔗糖酶活性采用3，5二硝基水杨酸比色法测定，以24h后5g干土生成葡萄糖的mg数表示[11]。

土壤淀粉酶活性采用3，5二硝基水杨酸比色法测定，以24h后5g干土生成葡萄糖的mg数表示[12]。

有机碳(TOC)：0.5mol/L HCl去碳酸盐后利用碳氮联合分析仪测定(Multi C/N 2100s，Jena，Germany)。

微生物量碳氮(MBC)：0.5mol/L K2SO4浸提后利用碳氮联合分析仪测定(Multi C/N 2100s，Jena，Germany)。

土壤微生物熵(qMB)=MBC/TOC

(1)

式中，qMB—土壤微生物熵；MBC—微生物量碳氮，g·kg-1；TOC—土壤有机碳，g·kg-1。

1.3.5土壤肥力测定

采用网格布点法，在苜蓿播种及收获各测定耕作层20cm土样，分别利用N-凯氏定氮法、磷-钼锑抗比色法、钾-火焰光度法进行测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel和SPSS 18.0统计分析软件进行数据分析。采用隶属综合分析法对所测指标进行综合评价，取其隶属函数均值对各水分优化处理进行总和排序，平均隶属函数值最大表明该处理最优，隶属函数值计算公式[13]如下：

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，U(Xi)—第i个指标的隶属函数值；Xi—第i个指标的抗旱系数；Xmax和Xmin—第i个指标抗旱系数的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 不同喷灌处理下苜蓿耗水特性

不同灌水处理下喷灌苜蓿耗水特性见表3，中低产田苜蓿喷灌条件下，耗水量、耗水强度与灌水量呈正相关关系，随着生育期的进行呈由高到低的变化规律，且峰值均出现在分枝—现蕾期；随着生育期的进行，T2处理耗水强度明显低于T1，全生育期耗水量较T1处理降低8.4%，说明灌水延长灌水周期能够有效的减少作物的耗水。T1、T2、T3处理较对照CK处理，全生育期耗水量依次降低50.7%、54.9%、35.8%。研究发现生育期内耗水膜系数与耗水量、耗水强度的变化规律一致，灌溉周期的延长能够有效的减少作物的耗水。与CK处理的对比发现，T1耗水膜系数的变化规律与CK基本一致，这说明作物生育期内影响耗水膜系数的主要因素是灌溉周期。

表3 不同灌水处理下喷灌苜蓿耗水特性

2.2 不同喷灌处理下苜蓿根际土壤酶活性变化

不同喷灌处理对苜蓿根系土壤酶活性的影响如图2所示，土壤蔗糖酶和淀粉酶均呈现先增大后减小变化趋势。6月1日(灌水前期)，各处理间土壤蔗糖酶活性和淀粉酶活性无显著(P<0.05)差异；随着时间推移，7月1日，T2处理的土壤蔗糖酶活性显著高于其余处理，较CK处理高20.5%，T3处理的土壤蔗糖酶活性也显著(P<0.05)高于CK处理(高12.3%，)，T1与CK处理、T1与T3出处理间无显著(P<00.05)差异。此时段T2处理的淀粉酶活性也显著(P<0.05)高于其他处理，较CK处理高12%；8月1日，T1、T2、T3处理的土壤蔗糖酶活性显著(P<0.05)高于CK处理，依次高25.2%、29.1%、13.4%，T2、T3处理的土壤淀粉酶活性显著(P<0.05)高于T1、CK处理，T2、T3处间，T1、CK处理间不存在显著性(P<0.05)差异。

图2 不同喷灌处理对苜蓿根际土壤酶活性的影响

2.3 不同喷灌处理下苜蓿根系土壤有机碳(TOC)、微生物量碳(MBC)和微生物熵(qMB)变化

不同喷灌处理对苜蓿根系土壤有机碳(TOC)、微生物量碳(MBC)的影响如图3所示。总体来看，灌水全过程内，土壤有机碳总体趋势无明显变化，土壤微生物量碳呈先增大后平稳变化趋势。6月1日，各处理间土壤有机碳和土壤微生物量碳均无显著(P<0.05)差异；7月1日，各处理间土壤有机碳不存在显著(P<0.05)差异，T1、T2处理的土壤微生物量碳显著(P<0.05)高于CK、T3处理，CK与T3处理间无显著(P<0.05)差异；8月1日各处理间土壤有机碳不存在显著(P<0.05)差异，T2处理的土壤微生物量碳显著(P<0.05)高于其余处理。

图3 不同喷灌处理对苜蓿根际土壤TOC、MBC、qMB的影响

土壤微生物熵(qMB)作为表征土壤碳动态和土壤质量的有效研究指标，从微生物的角度出发揭示了土壤肥力情况。如图3所示，灌水全过程内，qMB呈先增大后减小的变化趋势。6月1日，各处理间qMB不存在显著(P<0.05)性差异；7月1日，CK、T1、T2处理的qMB显著(P<0.05)高于T3处理，CK、T1、T2处理间无显著(P<0.05)性差异；8月1日，T1、T2、T3处理的qMB显著(P<0.05)高于CK处理，依次较CK高13.5%、17.0%、13.7%，其余各处理间无显著(P<0.05)差异。

2.4 土壤生物学特性隶属函数分析

土壤生物学特性指标隶属函数综合分析见表4，7月1日和8月1日各处理土壤生物学特性指标及产量隶属度综合排名分别为T2>T1>T3>CK、T2>T3>T1>CK，由此可知不同喷灌处理一定程度上均能提高土壤综合性能，且T2处理最佳。

表4 土壤生物学特性隶属函数综合分析

3 讨论

试验研究发现，苜蓿耗水量耗水强度与灌溉定额、灌溉时间有明显关系，灌水延长灌水周期能够有效减少作物的耗水，降低苜蓿耗水强度。

土壤酶广泛分布于土壤，大多由植物根系分泌产生，参与了土壤中各种生化活动，测定相应的土壤酶活性能够进一步理解土壤在其生态状态下生物化学过程的强度，土壤蔗糖酶和淀粉酶都是表征土壤氮素转化速率和土壤生化反应强度的关键酶之一[14]，本实验研究发现，蔗糖酶在指标测试中期(7月1日)达到最大，这可能是因为此时段土壤温度较高，土壤中各种生化反应、水热交换运移等达到最大。此时利于土壤蔗糖酶的积累，淀粉酶则影响不大，这说明土壤蔗糖酶对土壤环境变化的响应更加敏感，这与蔺宝军研究结果相似[14]。A’Bear(2014)[15]，Geisseler(2011)[16]等指出，土壤水分状况是影响植物根际土壤酶活性的重要因素，本实验研究发现过高的水分不利于土壤酶的积累，同时还发现灌水周期延长有助于土壤酶积累。

土壤有机碳库是土壤碳库最重要的组成部分之一，虽然所含的微生物量碳占比较少，但却是土壤中最活跃的部分，直接参与土壤生化过程，土壤微生物量碳和微生物熵变化可反映土壤耕作制度和土壤肥力的变化以及土壤的污染程度。樊利华等[17]认为，土壤氮素对土壤含水量的响应极为敏感，这与灌水时间、土壤含水量，土壤中碳源代谢、氮素转化涉及的复杂的生化过程有关。本试验研究发现，土壤有机碳和土壤微生物量碳对不同喷灌处理的响应不明显，这可能是因为土壤有机碳库储量积累和变化是一个比较漫长的过程，不同喷灌灌水量所引起的苜蓿根系分泌物的量的变化不足以导致土壤有机碳含量显著改变。另一方面，苜蓿根际分泌物会首先供给根际土壤微生物利用和繁殖，因此不同喷灌处理对土壤总有机碳含量没有显著影响，并且生育期内其含量波动较小。土壤微生物量碳和土壤微生物熵生育期内有所增加，这可能也是因为灌水使得根系活力提高，进而引起植物根系分泌的各类有机无机质增加。

4 结论

综合上述分析，就降低苜蓿耗水强度和改善土壤肥力考虑，T2处理为最佳水分调控模式，可达到提高水资源利用率和改善土壤条件目的。其灌溉模式是：灌水定额为450 m3/hm2，灌溉定额为3600m3/hm2，灌水周期为10d，灌水次数为8次。建议该地区中低产田紫花苜蓿灌溉制度可采取上述模式。后续实验研究还将从耗水-产量-品质进行多学科、多方法综合评价，以便获得更加科学和全面的研究结论。