宁夏地区地下滴灌水肥耦合对紫花苜蓿种子产量及构成因素的影响

王星，黄薇，余淑艳，李小云，高雪芹，2，伏兵哲，2*

（1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.宁夏草牧业工程技术研究中心，宁夏 银川 750021）

紫花苜蓿（Medicago sativa）具有生物量大、营养价值高和适口性好等优点，是目前全世界广泛种植的多年生豆科牧草之一。随着我国农业产业结构调整，苜蓿的种植面积迅速增加，截至2020年我国商品苜蓿生产面积已达到63万hm2［1］。随着苜蓿种植面积的不断扩大，对苜蓿的种子需求也日益增多，由于气候降水以及一些田间管理技术等因素的制约，我国的苜蓿种子生产普遍产量低、质量不高，导致需大量进口苜蓿种子［2］。解决苜蓿种子生产中的主要技术瓶颈，提高苜蓿种子产量和质量，对促进我国民族种业振兴和苜蓿产业发展具有重要意义［3-4］。

有研究表明，大多数植物在关键期灌水会提高种子产量［5］。Guo等［6］研究表明在紫花苜蓿结荚期灌水使其两年种子产量分别提高了38%和41%。保持适当的土壤水分含量可以促进苜蓿根部向下生长，有利于提高紫花苜蓿的吸水能力。徐文婷等［7］的研究表明，钾肥在苜蓿生长中起着关键作用，施用钾肥可以提高苜蓿的抗寒、抗旱、抗病性，还可以改善苜蓿的新陈代谢，提高光合效率。有研究表明，磷肥会影响植株种子的结实率，缺磷的植株会表现籽粒少且种子空瘪，而施用磷肥则会提高植物抗倒伏性；缺乏水分和养分时，会使得苜蓿受到水分及养分胁迫，影响植株的正常发育，增加落花落荚，降低种子产量［8-9］。大水漫灌很难精确控制种子田灌水量和施肥量，而地下滴灌可根据植物的需要灵活准确地控制水分和肥料施入时间、数量和施入点，既能保证植物必需的养分，又可以提高养分利用效率，避免养分淋失［10］。

宁夏回族自治区属于大陆性气候，四季光照充足，牧草生产条件优越。但是以往对苜蓿种子生产的研究往往集中在株行间距［4］、灌溉次数［11］、灌溉方式［9］、施肥量和施肥方式［12］等，鲜有关于苜蓿种子生产中水肥耦合作用的报道，并且以往并未见到苜蓿种子生产中适合当地的灌水量及施肥量的相关报道。本试验通过地下滴灌系统进行水肥精确控制，研究不同灌水量和施肥量对苜蓿种子产量构成因素及产量的影响，确立苜蓿种子生产最优水肥配比，为当地苜蓿种子高产稳产及水肥的高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以紫花苜蓿品种‘甘农4号’（Gannong No.4）为试验材料。‘甘农4号’是甘肃农业大学草业学院育成的一个抗旱、高产的优良紫花苜蓿品种，也是宁夏大面积普遍推广的苜蓿品种。供试肥料为磷酸一铵（N≥12%，P2O5≥61%）和硫酸钾（K2O≥52%）。

1.2 试验地概况

试验在宁夏大学盐池县四墩子教学科研基地进行。试验区位于宁夏东部，毛乌素沙地西南缘（107°17′E，37°46′N），海拔1436 m，年平均气温7.7℃，极端最高气温39.3℃，极端最低气温-28.9℃，≥10℃的年积温为2950℃，无霜期162 d，年均日照时数2876 h，年均降水量289 mm，主要集中在6-9月，年蒸发量2690 mm，具有较好的光热条件和较高的光温生产潜力，是我国牧草种子生产的黄金地带之一。试验地土壤为黄绵土，0～60 cm土层土壤平均全氮含量为0.51 g·kg-1，碱解氮含量为19.8 mg·kg-1，全磷含量为0.49 g·kg-1，有效磷含量为13.97 mg·kg-1，全钾含量为0.51 g·kg-1，速效钾含量为9.87 mg·kg-1，有机质含量为0.51 g·kg-1。2017-2020年生长季试验区气象数据详见图1。

图1 盐池县2017-2020年降水量及平均气温Fig.1 Precipitation and average air temperature of Yanchi County from 2017 to 2020

1.3 试验设计

试验于2016年5月进行地下滴灌带铺设和苜蓿种植，试验小区面积为24 m（24 m×6 m），小区间隔1 m，且各小区之间地下用1 m深的大棚塑料膜隔离以防止水分渗漏，试验地周围设置1 m的保护行，3次重复，苜蓿种植密度为行距80 cm，株距25 cm，滴灌带逐行铺设于苜蓿行下20 cm处。2017-2020年进行水肥耦合试验，采用裂区设计，主区为4个梯度灌水量（water treatment，S），其中S1～S4分别为900、1350、1800和2250 m3·hm-2；副区为5个梯度施肥量（fertilizer treatment，F），F1～F5分别为N-P2O5-K2O：0-0-0、9-45-60、18-90-120、27-135-180和36-180-240 kg·hm-2。一个生长季灌水4次，施肥2次，肥料随灌水通过水肥一体化装置施入。灌水施肥方案详见表1。

表1 灌水施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization plan

1.4 测定指标及方法

1.4.1 种子产量构成因素的测定 在盛花期各处理小区随机取20株进行标记，统计每株生殖枝数，每生殖枝上的花序数，每花序上的小花数和每小花胚珠数；在结荚期，统计每花序结荚数，每荚种子数；种子千粒重按照《草种子检验规程》［13］进行测量。

1.4.2 实际种子产量测定 在荚果70%变褐时对标记的单株进行人工收割，装网袋，晒干后清选脱粒，分别称重、记录单株种子产量，并折算单位面积种子产量。

1.4.3 灌溉水分利用效率 灌溉水分利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）是指作物利用单位灌水量生产的经济作物产量，公式如下：

1.4.4 肥料偏生产力 肥料偏生产力（partial fertilizer productivity，PFP）指施用某一特定肥料下的种子产量与施肥量的比值，公式如下：

1.5 数据处理

采用Excel 2010整理数据，应用DPS 7.05统计软件对数据进行统计分析，应用Origin 2019绘图软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对苜蓿种子产量构成因素的影响

灌水对小花数、每株花序数、结荚数、每荚种子数、千粒重以及结荚率6个种子产量构成因素有极显著影响，对生殖枝数无显著影响。施肥对生殖枝数、小花数、结荚数、每荚种子数和结荚率有极显著影响，对每株花序数和千粒重无显著影响。灌水与施肥对小花数、每株花序数、结荚数、每荚种子数、千粒重以及结荚率均有极显著耦合影响，对生殖枝数无显著作用（表2）。

表2 不同水肥对苜蓿种子产量构成因素的影响Table 2 Effects of different water and fertilizer on components of alfalfa seed yield

2.2 水肥耦合对苜蓿种子产量的影响

灌水、施肥和不同年份对实际种子产量和理论种子产量都有极显著的影响，其之间的耦合作用对实际种子产量和理论种子产量有极显著的影响。同时灌水、施肥、不同年份及其之间的耦合作用对灌溉水分利用效率及肥料偏生产力也有极显著的影响（表3）。

随着灌水量的增加，4年累计实际种子产量呈先降低后增加的趋势，4种灌水条件下4年累计实际种子产量从大到小排序为S1＞S4＞S3＞S2，S1和S4处理的4年累计实际种子产量显著高于其他处理。而随着施肥量的增加，4年累计实际种子产量呈先降低后增加的趋势，在F4处理下4年累计实际种子产量达到最大值。5种施肥处理条件下4年累计实际种子产量从大到小为F4＞F5＞F1＞F3＞F2，F4和F5处理显著高于其他处理（表3）。4年累计实际种子产量在S1F4处理达到最大值，为4848.77 kg·hm-2，较S2F4处理增幅达36.15%，显著高于其他各处理（图2）。

图2 不同水肥处理下苜蓿的实际种子产量Fig.2 Practical seed yield of alfalfa under different water and fertilizer treatments

随着灌水量的增加，理论种子产量呈先降低后增加的趋势，4种灌水条件下理论种子产量从大到小为S1＞S4＞S3＞S2，在S1处理下达到最大值，并显著高于其他各处理，与实际种子产量相匹配。而随着施肥量的增加，理论种子产量呈先降低后增加的趋势，理论种子产量从大到小为F5＞F1＞F4＞F2＞F3，在F5处理达到最大值，并显著高于其他处理（表3）。理论种子产量在S1F5处理下达到最大值，为27586.33 kg·hm-2，显著高于除S1F1外的其他各处理（图3）。

图3 不同水肥处理下苜蓿的理论种子产量Fig.3 Theoretical seed yield of alfalfa under different water and fertilizer treatments

灌溉水分利用效率在S1水平明显高于其他3个处理，IWUE为0.40～1.35 kg·m-3。S1F4处理较S4F3处理显著增加237.50%（图4）。肥料偏生产力随着施肥量的增加呈现下降的趋势，肥料偏生产力为2.16～9.43 kg·kg-1，S4F2处理较S3F5处理增幅达336.57%（图5）。

图4 不同水肥处理下苜蓿的灌溉水分利用效率Fig.4 Irrigation water use efficiency of alfalfa under different water and fertilizer treatments

图5 不同水肥处理下苜蓿的偏肥料生产力Fig.5 Partial fertilizer productivity of alfalfa under different water and fertilizer treatments

不同年份的实际种子产量及理论种子产量差异极显著，随着时间的推移呈上升趋势，但是在2019年突然降低并且显著低于2018与2020年，可能与当年的降水量有关（图1，表3）。

表3 不同水肥对苜蓿实际种子产量、理论种子产量、灌溉水分利用效率及肥料偏生产力的影响Table 3 Effects of different amount of water and fertilizer on alfalfa practical seed yield，theoretical seed yield，irrigation water use efficiency and partial fertilizer productivity（F value）

2.3 苜蓿种子产量构成因子与产量关联性分析

采取逐步回归的方法，对苜蓿种子产量构成因子与苜蓿种子产量进行回归分析，建立苜蓿种子产量构成因子与苜蓿种子产量的回归方程为Y=743.26+1.503X1-17.45X2-1676.77X3+815.16X4（F=49.52，P＜0.01），X1为花序数、X2为生殖枝数、X3为结荚率、X4为千粒重。这4个苜蓿种子产量构成因子被纳入回归方程，表示这4个因子在所有苜蓿种子产量的影响因子中占主导地位。为了进一步分析这4个因子对苜蓿种子产量的贡献大小，进一步进行通径分析。

花序数和生殖枝数直接通径系数大于间接通径系数总和，而结荚率和千粒重的直接通径系数均小于间接通径系数总和（表4），这表明花序数和生殖枝数是通过直接作用的方式来影响苜蓿种子产量，而结荚率和千粒重通过间接影响花序数和生殖枝数来影响苜蓿种子产量。根据4个因子对苜蓿种子产量的贡献度从高到低为：每株花序数（X1）＞千粒重（X4）＞结荚率（X3）＞生殖枝数（X2）。

表4 苜蓿种子产量构成因子与苜蓿种子产量的通径分析Table 4 Path analysis of alfalfa seed yield components and alfalfa seed yield

2.4 回归模型

为了进一步探究水肥耦合作用对苜蓿种子产量的影响，以灌水量和施肥量为自变量，苜蓿种子产量为因变量，进行回归模拟，得到了二次回归模型 如 下 ：y=0.20166x1-0.07521x2-1.91921×10-5x12-8.12063×10-5x22+2.7269×10-4x1x2+816.62625（R2=0.84，P=0.00245＜0.01），x1为灌水量，x2为施肥量，y为苜蓿种子产量。对回归模型进行分析可知，一次项系数有正有负，二次项系数为负，水肥耦合系数为正，这说明随着灌水量和施肥量的增加，苜蓿种子产量会出现先增加后降低的趋势，并且水肥耦合作用对苜蓿种子产量有正相关的影响（图6）。

图6 苜蓿种子实际产量回归寻优模型Fig.6 Regression optimization model of actual alfalfa seed yield

在灌水量为900～2250 m·3hm-2，施肥量为0～456 kg·hm-2内进行寻优分析，结果表明当灌水量为2250 m·3hm-2，施肥量为437.39 kg·hm-（2N肥34.53 kg·hm-2，P肥172.65 kg·hm-2，K肥230.20 kg·hm-2）时苜蓿种子产量最高，为1438.13 kg·hm-2。

3 讨论

水肥是苜蓿种子生产的重要因素，本试验表明过高的土壤水分含量和过多的施肥会降低苜蓿种子产量。Krogman等［14］认为过多的土壤水分会使苜蓿过度营养生长，降低苜蓿种子产量。同时过量的灌水会导致苜蓿下部花序败育以及增加苜蓿倒伏现象，都会使得苜蓿种子产量降低［15-17］。Yamada等［18］的研究认为适当的水分胁迫是苜蓿种子丰产的关键，可以有效抑制苜蓿的营养生长，促进苜蓿小花结荚，使得苜蓿结荚率上升，从而获得更高的种子产量。根据李丽［19］的研究，苜蓿在前期营养生长过程中消耗了大部分的氮肥，在不施氮肥的情况下，结荚期可能会因为缺乏氮素而不利于氮素向生殖器官转移，从而导致苜蓿种子产量降低。赵宇星［20］的研究表明，生长后期适当补充氮肥以及合适的氮磷钾肥比例会提高苜蓿种子产量。孟季蒙等［10］的研究表明，当灌水量为909.62 kg·hm-2时种子产量最高，本研究结论与此一致。田新会等［21］的研究表明，当施肥量为N肥47 kg·hm-2，P肥120 kg·hm-2，K肥30 kg·hm-2时苜蓿种子产量最高。本研究中当灌水量为900 m3·hm-2，施肥量为N肥27 kg·hm-2，P肥135 kg·hm-2，K肥180 kg·hm-2时苜蓿种子产量最高，与前人的研究结果不同，可能是因为试验地土壤肥力情况不同。

水肥控制对苜蓿种子产量构成因素有非常重要的影响［22］。Rumbaugh等［23］的研究认为每株花序数、千粒重、每荚种子数与苜蓿种子产量呈正相关，而总枝条数、单粒种子重则与苜蓿种子产量呈负相关。王玉祥等［24］的研究表明，苜蓿前期生长需氮量并不高，而生长后期苜蓿缺氮则会落荚落花导致种子产量降低。苜蓿为喜磷植物［25］，王赟文［26］的研究表明施加磷肥可以通过提高苜蓿的花序数、结荚率和种子数来影响种子产量。郑敏娜等［27］的研究表明随着施磷量的增加，苜蓿的结荚数明显增多，结荚率显著增加。鞠晓峰等［28］研究表明施钾会提高花序上的小花数并利于苜蓿潜在种子产量的提高，在缺钾的土壤中施用钾肥会有效提高种子产量，在高钾的土壤中施钾肥也会使苜蓿的种子产量有所提高。在本研究中土壤含钾量低，因此这可能是高施肥量在本试验中产量增加较为明显的原因。在本研究中，根据通径分析，花序数、生殖枝数、结荚率和千粒重对苜蓿种子产量影响较为显著，而随着施肥量和灌水量的增加，都有不同幅度地呈先增加后降低的趋势，这与前人的研究结果相同。

4 结论

在本研究中，随着施肥量和灌水量的增加，苜蓿种子产量呈先增加后降低的趋势。结合试验数据和前人研究，在苜蓿种子的实际生产中应该控制前期的施氮量并施入磷钾肥，在生长后期适当的补施氮肥并在结荚期灌水，可以有效控制无效分蘖，防止苜蓿倒伏，提高种子产量。