调亏灌溉对高寒荒漠区人工混播草地土壤环境与牧草生长的影响

汪精海，李广，银敏华，齐广平，康燕霞，马彦麟

（1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070）

高寒荒漠区海拔高、气候寒冷，自然条件恶劣，天然草地生产能力极为有限［1］。近年来，随着经济社会发展，人口持续上升和人们膳食结构改善，对畜产品的需求逐年增加，导致草场超载过度。加之受全球气候变暖和人类活动的影响，高寒荒漠区生态环境急剧恶化，草地生态系统严重退化［2—3］。建植人工草地是解决该区域草畜失衡的重要途径，且对于改良土壤，促进草地畜牧业健康发展，实现当地农牧民增产增收和加快生态屏障与绿色家园建设具有现实意义［4—6］。

燕麦（Avena sativa）是禾本科燕麦属一年生粮饲兼用型作物，具有耐寒、耐贫瘠、抗旱等特点。在籽粒不易成熟的高海拔地区，燕麦一般作为青贮饲料或用于调制干草，营养丰富，产草量高，适口性好，是种植最广泛的饲草［7］。箭筈豌豆（Vicia sativa）为一年生优质豆科牧草，可通过根瘤菌固氮改善草地氮素平衡。燕麦与箭筈豌豆混播不仅能提高饲草产量和品质，而且有助于改善土壤肥力，在时间和空间上充分利用环境资源，是高寒荒漠草原区普遍采用的种植模式［8—11］。由于高寒荒漠区人工草地大多建设在水资源短缺，土壤肥力层浅薄的农牧交错带或天然草原区，生产管理粗放，水肥利用效率低下，且仅依靠当地天然降水无法满足牧草生长需求，因此采用科学高效的灌溉管理是获得高产与提升生产力的重要保障。研究表明，在青海高寒荒漠区，燕麦和箭筈豌豆混播的耗水量、产量和水分利用效率随灌溉频次的增加而增加，拔节期与开花期分别灌水25 mm可获得较高的产量和水分利用效率［12］。在甘肃中部西南高寒阴湿区，燕麦与箭筈豌豆1∶1混播，并于分枝盛期和枝繁叶茂期分别灌1次水，其饲草产量和相对饲喂价值显著提高［13］。在青海海西藏族荒漠草原区，随灌水量的增加，燕麦、箭筈豌豆混播草地的耗水量显著增加，土壤贮水消耗量和降水量占耗水量的比例逐渐降低，拔节期和开花期灌水可获得较高的干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率［14］。

综上，关于高寒荒漠区燕麦与箭筈豌豆混播的灌水模式主要集中于灌水量、灌水次数和灌水时期，涉及的指标主要包括耗水特征、产量、品质和水分利用。在促进牧草产量和品质提升的基础上，兼顾草地土壤环境是绿色生态型草地畜牧业持续健康发展的客观要求。大量研究表明，在作物生长前期进行适度亏水锻炼，后期复水可实现补偿性生长，从而显著提高作物产量和水分利用效率［15—18］。现阶段将调亏灌溉应用于高寒荒漠区人工草地的研究较为匮乏，尤其是考虑土壤环境的相关研究尚未开展。鉴于此，以燕麦和箭筈豌豆混播草地为研究对象，对比分析7种调亏灌溉模式（设置不同的亏缺时期和亏缺度）对混播草地土壤环境（土壤水分、土壤温度和土壤养分）和牧草生长（株高、茎叶比、产量和水氮利用效率）的影响，旨在明确混播牧草的水分吸收利用过程及合理灌水模式，为实现人工草地节水、增产、高效、绿色生产提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年5—9月在青海省乌兰县茶卡镇金泰牧场（36°40′N、99°19′E，海拔3160 m，图1）进行。该地位于柴达木盆地东北部，冬季漫长、寒冷，夏季短暂、温凉，属高原大陆性气候，年均蒸发量2074.1 mm，多年平均降水量211 mm（主要集中在6—9月），年平均气温3.8℃，极端最高气温34℃，极端最低气温—27.7℃。试验地土壤为砂壤土，0～60 cm土层平均田间持水率25%，凋萎含水率8.5%（均为质量含水率），平均土壤容重1.49 g·cm—3。耕层土壤（0～30 cm）基础肥力（质量比）为：有机质19.35 g·kg—1，全氮0.84 g·kg—1，全磷0.60 g·kg—1，全钾14.10 g·kg—1，速效氮64.58 mg·kg—1，速效磷1.90 mg·kg—1，速效钾31.16 mg·kg—1，pH值8.35。图2为牧草生育期间逐日降水与平均气温分布（降水总量和平均气温分别为212 mm和12.9℃）。

图1 试验区地理位置Fig.1 Geographical location of the experimental area

图2 牧草生育期间逐日降水量与平均气温分布Fig.2 Distribution of daily precipitation and average temperature dur ing the gr owth period of for age

1.2 试验设计

试验以燕麦（青引3号）和箭筈豌豆（西牧324）混播草地（条播，行距20 cm，参照当地牧民经验设播种比例为6∶4，即燕麦播种量为112.5 kg·hm—2，箭筈豌豆播种量为75 kg·hm—2）为研究对象，设置7种灌溉模式（以田间持水量的百分比计土壤水分上下限，灌溉计划湿润层深度取60 cm，表1），即在燕麦拔节期和开花期分别设轻度亏水（mild water deficit，W1）、中度亏水（moderate water deficit，W2）、重度亏水（severe water deficit，W3），田间持水量分别为65%～75%，55%～65%,45%～55%，以全生育期充分灌水W0（CK，75%～85%）为对照。每个处理重复3次，小区面积为48 m2（6 m×8 m）（图3），随机区组排列。灌水方式为微喷灌，灌水量采用水表严格控制。小区之间间隔1 m，边缘埋有2 m深塑料膜以防止水分互渗，试验区四周布设2 m宽相同牧草保护带。肥料（尿素75 kg·hm—2，磷酸二铵225 kg·hm—2）于牧草播种前一次性基施，除草、病虫害防治等田间管理措施同当地一般人工草地。牧草于2019年5月18日播种，同年9月15日收获。

图3 试验小区设计Fig.3 Design of exper imental plot

表1 试验处理设计Table 1 Experimental treatment design

1.3 测定项目及方法

1.3.1土壤贮水量 利用埋设于各小区的土壤墒情仪（IST.HRG C-16S，北京东方润泽生态科技股份有限公司生产）实时监测土壤含水率变化，测定深度为60 cm（燕麦根系较浅，此深度可满足要求），利用土钻取土样后采用烘干法定期对土壤含水率进行校正。土壤贮水量计算公式为：

式中：W为土壤贮水量（mm）；H为土层深度（cm）；ρ为土壤干容重（g·cm—3）；B为土壤质量含水率（%）。

1.3.2土壤温度 利用埋设于各小区的土壤墒情仪（同1.3.1）实时监测0～60 cm土层（以10 cm为间隔，即0、10、20、30、40、50和60 cm）的土壤温度，每小时监测一次。

1.3.3土壤养分 测定牧草收获后耕层土壤（0～30 cm）养分。采用重铬酸钾外加热法测定有机质；采用凯氏定氮仪（FOSS 2300型，丹麦）测定全氮；采用钼锑抗比色法测定全磷；采用火焰分光光度计法测定全钾；采用碱解扩散法测定碱解氮；采用0.5 mol·L—1NaHCO3浸提比色法测定速效磷；采用NH4OAc浸提火焰光度法测定速效钾。

1.3.4牧草生长指标 在收获时各处理随机选取代表性样段0.3 m齐地面刈割，采用卷尺测量燕麦和箭筈豌豆的株高；茎叶分离称取鲜重，随后分别置于105℃烘箱中杀青30 min，75℃下烘至恒定质量，计算燕麦和箭筈豌豆的茎叶比（茎叶比＝茎干重/叶干重）。各处理随机选取1.0 m长样段，烘干、称重并计算单位面积燕麦和箭筈豌豆的产量。

1.3.5水氮利用效率 采用水量平衡法计算牧草生育期耗水量（evapotranspiration，ET），公式为：

式中：ET为生育期总耗水量（mm）；P为生育期降水量（mm）；W1为收获后0～60 cm土层土壤贮水量（mm）；W2为播种时0～60 cm土层土壤贮水量（mm）；I为灌水量（mm）；K为时段内地下水补给量（mm）；R为时段内地表径流（mm）。由于牧草生育期间降水量较小，且试验小区地势平坦，地下水埋深在5 m以下，可忽略径流和地下水补给。

根据混播牧草总产量和生育期耗水量计算水分利用效率和灌水利用效率。

式中：Y为混播牧草总产量（yield，kg·hm—2）；WUE为水分利用效率（water use efficiency，kg·hm—2·mm—1）；IUE为灌水利用效率（irrigation use efficiency，kg·hm—2·mm—1）。

收获的牧草植株样品经粉碎过筛后用H2SO4—H2O2消解，采用凯氏定氮仪测定茎秆和叶片中氮素含量。利用以下公式计算氮素吸收效率和氮肥偏生产力。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理；利用Origin 9.0软件作图；使用SPSS 19.0软件对数据进行方差分析（最小显著差异法，P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同灌水模式的土壤环境效应

2.1.1对土壤水分的影响 贮水量是一定时期内土壤水分收支的综合反映。不同灌水处理的平均土壤贮水量差异显著，整体表现为充分灌水处理高于水分亏缺处理，且随亏缺程度的提高呈降低趋势（图4）。拔节期重度、中度和轻度亏水处理的平均土壤贮水量分别为132.9、140.2和150.9 mm，较充分灌水处理分别减少19.4%、15.0%和8.5%；开花期重度、中度和轻度亏水处理的平均土壤贮水量分别为135.5、144.4和154.0 mm，较充分灌水处理分别减少17.8%、12.5%和6.6%。同一水分亏缺条件下，拔节期亏水处理与开花期亏水处理的平均土壤贮水量无显著差异（P＞0.05）。

图4 不同灌水模式下牧草生育期平均土壤贮水量Fig.4 Average soil water storage during the growth period of forages under different irrigation patterns

2.1.2对土壤温度的影响 灌水可通过改变地表覆盖和牧草生长影响土壤温度，尤其是耕层土壤温度。以牧草生育期0（地表）和30 cm土层的平均土壤温度为例进行分析（图5）。与充分灌水处理相比，水分亏缺处理的平均土壤温度显著提高，随水分亏缺程度的加剧，提高幅度增大，且当水分亏缺程度一定时，拔节期亏水处理显著高于开花期亏水处理。0 cm土层处，各处理的平均土壤温度为13.7～15.4℃，其中处理BW3较处理QW0、BW1、KW1和KW3分别提高12.4%、5.5%、9.2%和5.7%。受太阳辐射的影响，与0 cm土层相比，各处理30 cm土层的平均土壤温度较低（13.6～15.0℃），处理间土壤温度的差异较小（最大为1.4℃）。

图5 不同灌水模式下牧草生育期平均土壤温度Fig.5 Average soil temperature during the growth period of forages under different irrigation patterns

2.1.3对土壤养分的影响 土壤有机质和氮、磷、钾含量是土壤肥力的标志，也是实现作物高产优质的物质基础。牧草收获后各处理的土壤养分含量较播种前呈降低趋势。土壤有机质含量表现为充分灌水处理与开花期轻度、中度亏水处理差异不显著，但均显著高于拔节期亏水处理（表2）。处理之间土壤全氮、全磷和全钾含量无显著差异。这可能是由于牧草生育期间施用化学肥料，全氮、全磷和全钾的分解与补充基本达到平衡。碱解氮含量表现为处理KW1最高，处理QW0和KW2（二者差异不显著）次之，处理BW2和BW3较低。速效磷含量表现为处理BW3、KW2和KW3显著高于其他处理。类似地，速效钾含量（26.63～29.55 mg·kg—1）表现为处理BW2和BW3与处理KW2差异不显著，但均显著高于其他处理。这表明适度水分调控可促进箭筈豌豆根瘤固氮，提高土壤速效氮含量，而中度或重度水分亏缺会显著影响牧草对土壤速效磷和速效钾的吸收。

表2 收获后不同灌水模式耕层（0～30 cm）土壤平均养分含量（质量比）Table 2 Aver age soil nutr ient content（mass ratio）of the cultivated layer（0-30 cm）under differ ent irr igation patter ns after harvest

2.2 不同灌水模式的牧草生长效应

2.2.1对牧草株高的影响 同一灌水模式下，燕麦的株高高于箭筈豌豆，前者为97.0～139.8 cm，后者为76.9～122.3 cm（图6）。不同灌水模式下，燕麦与箭筈豌豆的株高变化基本一致，均表现为随水分亏缺程度的加剧呈降低趋势，且亏水程度相同时，开花期亏水较拔节期亏水可获得较高的株高。燕麦和箭筈豌豆的株高均在开花期轻度亏水条件下达到最高值，且显著高于充分灌水处理。在拔节期中度和重度亏水条件下，燕麦株高较低且二者差异不显著；而箭筈豌豆株高在拔节期重度亏水条件下达到最低值。

图6 不同灌水模式下收获时混播牧草的株高Fig.6 Plant heights of mixed forages at harvest under different irrigation patterns

2.2.2对牧草茎叶比的影响 就燕麦而言，处理间茎叶比为1.36～3.27，表现为：QW0＞BW1和KW1（二者无显著差异）＞BW2、KW2和KW3（三者无显著差异）＞BW3（图7）。与燕麦相比，不同灌水模式下箭筈豌豆的茎叶比变幅较小（1.37～1.89），整体表现为开花期亏水处理显著高于充分灌水处理和拔节期亏水处理，且同一生育期不同水分亏缺程度间差异不显著。可见，燕麦茎叶比对土壤水分状况的敏感度高于箭筈豌豆。

图7 不同灌水模式下收获时混播牧草的茎叶比Fig.7 Stem-leaf ratio of mixed forages at harvest under different irrigation patterns

2.2.3对牧草产量的影响 就燕麦产量而言，处理KW1最 高（10261.6 kg·hm—2），处 理BW3最 低（6544.8 kg·hm—2），与处理QW0相比，处理BW1、BW2和BW3的产量分别降低14.7%、13.8%和31.9%，而处理KW1、KW2和KW3的产量分别降低—6.8%、0.5%和6.2%。处理间箭筈豌豆的产量（1266.3～4771.7 kg·hm—2）整体低于燕麦，但变化趋势基本一致。混播牧草的总产量表现为，处理KW1（14490.1kg·hm—2）最高，处理KW2（14330.2 kg·hm—2，与处理KW1和QW0差异不显著）次之，而处理BW1、BW2、BW3和KW3均显著低于处理QW0（图8）。

图8 不同灌水模式下混播牧草的产量Fig.8 Yield of mixed forages under different irrigation patterns

2.3 不同灌水模式的水氮利用效率

2.3.1耗水特性 灌水模式显著影响牧草生育期的灌水量（126.5～223.0 mm），其中充分灌水处理显著高于亏水处理，且同一水分亏缺程度下，开花期亏水处理显著高于拔节期亏水处理（处理KW1和BW1除外）（表3）。不同处理间土壤贮水消耗量（47.6～77.1mm）无明显变化特征。各处理的灌水量/耗水量、降水量/耗水量和土壤贮水消耗量/耗水量分别为32.8%～44.4%、42.2%～54.9% 和 11.7%～16.9%。处理间生育期耗水量（386.1～502.6 mm）表现为QW0＞BW1＞KW1、KW2和KW3（三者之间差异不显著）＞BW2＞BW3。

表3 不同灌水模式对混播牧草耗水量及耗水来源比例的影响Table 3 Effects of different irrigation patterns on the water consumption and the proportion of water consumption sources of mixed forages

2.3.2水氮利用效率 水分利用效率表现为处理KW1最高（与处理KW2差异不显著），分别较处理QW0、BW1、BW2、BW3和KW3显著提高20.6%、35.8%、17.9%、57.2%和27.2%（图9）。灌水利用效率表现为处理KW2最高（81.0 kg·hm—2·mm—1，与处理KW1和BW2差异不显著），处理KW3次之，处理QW0、BW1和BW3较低（三者之间无显著差异）。灌水模式显著影响牧草氮素吸收效率（0.58～1.09 kg·kg—1），整体表现为随亏水程度增加，吸收效率呈降低趋势，且一定亏水程度下，开花期亏水处理的氮素吸收效率显著高于拔节期亏水处理，其中处理KW1最高，分别较处理QW0、KW2和BW1显著提高14.5%、10.7%和24.6%。处理间氮肥偏生产力的变化特征与氮素吸收效率类似（处理BW2除外），其中处理KW1（与处理KW2无显著差异）分别较处 理QW0、BW1、BW2、BW3和KW3显著提高9.3%、28.6%、21.3%、85.5%和27.3%。

图9 不同灌水模式下混播牧草的水氮利用效率Fig.9 Water and nitrogen use efficiency of mixed forages under different irrigation patterns

3 讨论

3.1 灌水模式对土壤环境的影响

灌水可直接或间接地影响土壤微生态环境，是保障农牧业生产的重要措施。灌水模式会影响土壤水分状况。本研究发现，随灌水亏缺程度的增加，混播草地的平均土壤贮水量呈降低趋势，且同一水分亏缺条件下，拔节期亏水与开花期亏水处理无显著差异。这与李晶等［19］在马铃薯（Solanum tuberosum）和万文亮等［20］在春小麦（Triticum aestivum）研究中的结果一致。土壤温度是土壤热状况的反映，主要受太阳辐射、地表覆盖及植株生长等因素影响［21］。灌水模式会通过改变植株生长和冠层覆盖度，影响地表截获的太阳辐射，进而影响土壤温度。赵财等［22］研究发现，随着灌水水平降低，玉米（Zea mays）农田土壤积温逐渐增加，适宜的水分亏缺可通过稳定土壤温度获得较高的经济效益。薛道信等［23］研究表明，马铃薯生育期土壤温度主要受气温和灌水影响，灌水后土壤温度整体下降，且对浅层土壤的影响明显大于深层土壤。邹慧等［24］研究得出，不同亏水程度处理的土壤温度差异显著，但该差异随生育期推进逐渐减小。本研究也得出类似的结果，6种水分亏缺处理的平均土壤温度显著高于充分灌水处理。此外，本研究发现，拔节期亏水处理的平均土壤温度显著高于开花期亏水处理。这可能是由于拔节期亏水不利于牧草生长，后期复水不能产生补偿效应，使得冠层覆盖度降低。土壤水热条件影响土壤微生物活性，养分转化与释放及牧草养分吸收与利用，进而影响土壤养分状况［21］。研究表明，越冬期轻度水分调亏或拔节期中度水分调亏均可显著增强冬小麦对土壤氮素的吸收利用能力，从而减少肥料氮在土壤中的残留［25］。膜下滴灌调亏灌溉可减少土壤速效养分流失，促进马铃薯对氮、钾等营养元素的吸收［23］。与前人研究结果不同，本研究发现开花期轻度亏水处理的土壤碱解氮含量显著高于充分灌水处理。这可能与混播牧草中箭筈豌豆能通过自身的根瘤固氮有关，即燕麦与箭筈豌豆混播条件下适宜的土壤水分调控在提高牧草生长的同时，也可改善土壤肥力状况（表2和图9）。

3.2 灌水模式对牧草生长的影响

作物在不同生长阶段对土壤水分的敏感程度存在差异。在长期进化过程中，作物产生了对水分暂时亏缺的适应性和补偿性，具有一定的生理节水与抗旱能力［26］。调亏灌溉即利用作物自身的调节和补偿效应以达到节水增产的效果。本研究发现，同一灌水模式下，燕麦的株高显著高于箭筈豌豆；不同灌水模式下，燕麦与箭筈豌豆的株高表现为随水分亏缺程度的加剧逐渐降低，且二者均在开花期轻度亏水条件下达到最高值。这表明在混播条件下，禾本科的竞争力强于豆科，开花期轻度亏水后复水有助于牧草株高的补偿性生长。与株高不同，燕麦和箭筈豌豆分别在充分灌水和开花期亏水条件下获得最高茎叶比。燕麦产量和混播牧草总产量均在开花期轻度亏水条件下达到最高值。寇丹等［27］在地下调亏滴灌对紫花苜蓿（Medicago sativa）生长的研究中发现，与现蕾期相比，分枝前期和分枝期调亏灌水有利于降低茎叶比，提高干草产量。本研究结果与此不同，研究间的差异可能由两方面因素引起：一方面，紫花苜蓿在试验年内可多次刈割，单个生育期较短，故在生育期进行水分调控后复水对植株的影响较小，而本研究中燕麦和箭筈豌豆均为一年生牧草，生育期较长，水分调控的时间相应较长；另一方面，与试验期间的降水分布有关，在本研究中，降水主要分布于牧草苗期和拔节前期，拔节期牧草植株矮小，抗逆性弱，此时进行中度和重度水分调控不利于复水后牧草的补偿性生长，相比而言，在开花期进行一定程度的水分调控可在减少灌水的同时促进牧草生长。

3.3 灌水模式对牧草水氮利用效率的影响

产量和水肥利用效率是评价种植模式与管理措施的综合指标。水分调控可通过影响土壤微环境和作物生长，产生不同的产量与水肥利用效应。研究表明，块茎形成期轻度水分亏缺可获得较高的马铃薯产量和水分利用效率［28］。着色成熟期干旱胁迫（田间持水率的55%～80%）可达到节水与提高葡萄（Vitis vinifera）果实产量和水氮利用效率的效果，是甘肃设施栽培葡萄最佳的水分调控模式［29］。与常规畦灌和隔沟交替灌溉相比，隔沟调亏灌溉（返青—拔节期土壤含水率为田间持水率的55%～65%）的节水增产效果最佳［30］。本研究对上述结论也有所证实，开花期轻度和中度水分调亏处理的水分利用效率、灌水利用效率和氮肥偏生产力显著高于充分灌水处理，且二者之间无显著差异。然而，康文彦等［31］在西北内陆干旱区苜蓿与无芒雀麦（Bromusinermis）混播草地中研究得出，拔节期轻度水分亏缺（灌水下限为田间持水率的65%）可减少草地无效蒸发，提高牧草产量、品质和水分利用效率。可见，混播草地的合理水分调亏程度和时期与试验区域和牧草类型有关。生产实践中，应在充分试验研究的基础上采用适宜的调亏灌溉模式，以获得最优的经济与生态效益。

4 结论

1）平均土壤贮水量随水分亏缺程度的提高呈降低趋势。同一水分亏缺条件下，拔节期亏水与开花期亏水处理的平均土壤贮水量无显著差异。

2）水分亏缺处理的平均土壤温度显著高于充分灌水处理，且随水分亏缺程度的加剧，提高幅度增大。亏水程度一定时，拔节期亏水处理的平均土壤温度显著高于开花期亏水处理。

3）与播种前相比，收获后各处理的土壤养分含量呈降低趋势。开花期轻度亏水可显著提高土壤速效氮含量，中度或重度水分亏缺显著影响牧草对土壤速效磷和速效钾的吸收。

4）开花期中度亏水处理可减少灌水量20.6%，并获得较高的产量（14330.2 kg·hm—2）、水分利用效率（31.5 kg·hm—2·mm—1）、灌水利用效率（81.0 kg·hm—2·mm—1）、氮素吸收效率（0.99 kg·kg—1）和氮肥偏生产力（191.1 kg·kg—1），是高寒荒漠区燕麦与箭筈豌豆混播人工草地的适宜水分管理模式。