坝上农牧交错区一年生饲草与主要农作物水分利用效率比较研究

王 婷， 王开丽， 豆鹏鹏， 黄 晶， 张旭泽， 苗正洲， 王 堃*

(1.中国农业大学草业科学与技术学院， 北京 100193)

水是作物生长的重要限制因子，在农业生产方面，水分与植物生长密切相关，植物吸收及传输养分，并利用水分进行生长，土壤水分起着至关重要的作用[1-2]。我国北方农牧交错带年平均降水在250～400 mm，属于半干旱地区[3]，而地下水近年来呈现下降的趋势，水资源紧缺、干旱问题较为突出，影响经济和社会的发展。气候干旱、水资源短缺、大风日数多、加之人类高强度的土地资源开发利用等综合影响下，农牧交错带不断突破生态系统健康阈值，成为了中国北方农牧交错带沙质荒漠化强烈发展的地区之一[4]。

水分利用效率指吸收单位碳的失水速率，即初级生产力与蒸散量的比值，水分利用效率也是评价植物生长适宜程度的综合指标之一[5-6]。Miriti等[7-8]研究表明，土壤水分变化受土壤自身结构和作物种类、自然降水的影响，合理的选择性种植作物可以改善耗水作物对土壤养分的过度消耗。Zwart等[9]研究表明世界先进水平小麦水分利用效率为1.7 kg·m-3，玉米为2.7 kg·m-3，目前很多作物的水分利用率与先进水平相比，其潜在水分利用率很高，但水分利用率还存在着很大差距。通过对现有植被水分利用效率与生长结构的系统研究，比较节水性强、生产力高的作物种植类型，可以为实现干旱和半干旱地区植被建设的可持续发展提供理论基础[10]。鉴于此，本文进一步分析了一年生饲草与主要农作物对水资源的利用效率，以期为作物种植类型的选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

试验地位于中国北方农牧交错带河北省张家口市察北管理区国家牧草产业体系张家口综合试验站(114°00′～118°15′ E，41°10～42°20′ N)。温带大陆性季风气候，无霜期短，冬季寒冷漫长，春秋两季短暂，风大沙多且降水少。当地种植的作物主要有小麦、胡麻、土豆、玉米、燕麦、莜麦、苜蓿等。2021年平均气温4.8℃，年降水量为389.8 mm，作物种植期内(5月28日至9月2日)降雨量占全年降雨量的61.6%。全年日照时数2 577.4 h，日照率年均66%，土壤质地为沙壤土，具体表层土壤各类指标如表1所示，试验期间气象条件图1所示。

表1 试验地基础土壤养分指标Table 1 The basic soil nutrient indices of the experimental site

图1 试验期间气象条件Fig.1 Meteorological conditions during the experiment period

1.2 试验设计

本试验采用随机区组设计，试验地前茬作物为黑麦草，种植的饲草或农作物种子均从当地农民处购得。分别种植3种一年生饲草，燕麦(播量为15 kg·亩-1)、箭筈豌豆(播量为5 kg·亩-1)、玉米(播量为10 000株·亩-1)和4种农作物，莜麦(播量为8 kg·亩-1)，小麦(播量为10·亩-1)、胡麻(播量为3 kg·亩-1)和马铃薯(播量为10 000株·亩-1)。每种作物种植4个重复，每个小区面积为3 m×5 m，保护行为1 m，玉米、马铃薯种植行距为30 cm，株距为20 cm，采用点播方法。燕麦、莜麦、小麦、胡麻种植行距为30 cm，采用条播方法(图2)。采用旱作方式管理、测产、开展植保等农艺管理措施。

图2 试验地作物种植小区布置图Fig.2 Layout of crop planting plots in the experimental site

1.3 植物及土壤特征测定

1.3.1土壤含水量 土壤含水量测定方法参照文献[11]。于生长季每月初期，用5 cm直径土钻取0～10 cm和10～20 cm土层土样，测定土壤质量含水量：

(1)

式中：M0为烘干铝盒重(g)；M1为烘干前铝盒与土样重(g)；M2为烘干后铝盒与土样重(g)。

1.3.2产量和全生育期水分利用效率测定 作物成熟期进行测产，每个小区取样10 株，茎叶分开称取鲜重，65℃烘干72 h至恒重，称取干重，计算鲜干比及茎叶比。每个小区收获测产，获得作物鲜重，并根据鲜干比估算作物干重产量。

产量或生物量水分利用效率WUE(kg·mm-1·ha-1)计算公式如下：

(2)

式中：Y为籽粒产量或生物量(kg·ha-1)；ET为农田实际蒸散量(mm)。

根据水分平衡法计算作物整个生育时期耗水量(ET):

ET=ΔS+M+Pr+K

(3)

式中：ΔS为土壤贮水消耗量(mm)；M为灌水量(mm)；本试验采取旱作种植，灌水量为0；Pr为降水量(mm)；K为地下水补给量(mm)，当地下水埋深大于2.5 m时，K表示的地下水给作物补给量可以忽略，分析结果时可只考虑土壤贮水消耗量和降水量。

(3)叶片瞬时水分利用效率WUEi和潜在水分利用效率WUEp

在八月初使用LI-6400光合仪连续7天测得每种作物的净光合速率、蒸腾速率及气孔导度，计算叶片瞬时水分利用效率，公式如下：

(4)

式中：Pn为叶片净光合速率(μmol·m-2·s-1)；Tr为蒸腾速率(mmol·m-2·s-1)

(5)

式中：Gs为气孔导度(mmol·m-2·s-1)

(4)植株养分含量测定植株全氮含量采用H2SO4-H2O2消解，连续流动分析仪(AA3，德国SEAL Analytical)进行测定；磷含量采用钼锑抗比色法进行测定；NaOH熔融冷却后，加HCl和H2SO4用火焰光度计进行钾含量测定[12]。

(6)

1.4 数据分析

数据统计分析前进行正态分布和方差齐性检验，采用SPSS17.0单因素方差分析(ANOVA)检验，拟合多元回归模型使用了R语言“MuMIn”包。全文的图形可视化采用Origin 2021。

2 结果与分析

2.1 一年生饲草与主要农作物农艺性状比较

农作物莜麦、小麦和胡麻的茎叶比均高于一年生饲草燕麦、箭筈豌豆和玉米，其中燕麦的差异最显著，农作物马铃薯的茎叶比最低(图3)。一年生饲草箭筈豌豆和玉米的鲜干比显著高于农作物莜麦、小麦、胡麻的鲜干比(P<0.05)，小麦的鲜干比最低，显著低于马铃薯、箭筈豌豆和玉米。

图3 不同植株茎叶比和鲜干比Fig.3 Stem-leaf ratio and fresh-dry ratio of different plants注：不同字母表示不同作物茎叶比和鲜干比之间差异显著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences in the ratio of stem to leaf and fresh to dry weight of different crops (P<0.05)

2.2 一年生饲草与主要农作物产量比较

由表2可知，鲜重产量玉米最高，为63.92 t·hm-2，其次是莜麦，为38.84 t·hm-2，均显著高于小麦、胡麻、马铃薯、燕麦和箭筈豌豆。干重产量玉米和莜麦最高，分别为12.01 t·hm-2和13.05 t·hm-2，其次是小麦、胡麻和燕麦，最低的是马铃薯和箭筈豌豆。

表2 各作物产量相关信息Table 2 Information about the yield of each crop

2.3 一年生饲草与主要农作物水分利用率比较

图4可知，叶片瞬时水分利用率和潜在水分利用率在不同作物之间是没有显著变化，小麦的瞬时水分利用率和潜在水分利用率最低，分别为0.77 g·kg-1和32.83 g·kg-1，玉米的瞬时水分利用率最高为1.195 g·kg-1，马铃薯的潜在水分利用率最高为42.06 g·kg-1，0～10 cm与10～20 cm土层中作物的水分利用效率规律基本一致，但在10～20 cm的平均利用率高于0～10 cm。作物间的水分利用率比较结果显示玉米最高，在0～10 cm和10～20 cm土层中玉米水分利用率分别为116.70%，141.18%，显著高于其他作物，莜麦分别为71.6%，85.65%，显著高于小麦、胡麻、马铃薯、燕麦及箭筈豌豆。在0～10 cm箭筈豌豆水分利用率最低，仅为16.22%。在10～20 cm马铃薯土层中的水分利用率最低，仅为19.53%。

图4 不同作物水分利用率Fig.4 Water use efficiency of different crops注：不同字母表示不同作物瞬时水分利用效率、潜在水分利用效率及水分利用效率之间的差异显著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences between the instantaneous water use efficiency,potential water use efficiency and water use efficiency of different crops (P<0.05)

2.4 影响水分利用率的关键因子

表3可知，根据影响水资源利用的相关因子，模拟出一年生饲草水分利用率的多元线性回归模型，该模型对于一年生饲草的水资源利用与各因子之间的关系具有较高的解释力。一年生饲草水分利用率共拟合出两个模型(WUE-1，WUE-2)，其中WUE-1最优，模型解释度为89.10%，主要植物磷含量、植物钾含量、温度、细胞间CO2浓度和鲜干比解释；瞬时水分利用率的三个模型(WUEi-1，WUEi-2，WUEi-3)，其中WUEi-1最优，模型解释度为90.07%，主要由电导率、植物磷含量、植物钾含量、温度、细胞间CO2浓度和鲜干比解释；潜在水分利用率总共拟合出四个多元回归模型(WUEp-1，WUEp-2，WUEp-3，WUEp-4)，其中WUEp-2最优，解释度在97.62%，主要由植物磷含量、细胞间CO2浓度，植物钾含量和鲜干比来进行解释。

表3 一年生饲草水分利用率多元回归模型Table 3 Multiple regression model of annual forage water use efficiency

由表4可知，农作物水分利用率根据各因子之间的相关性总共拟合出8个模型(WUE-1，WUE-2，WUE-3，WUE-4，WUE-5，WUE-6，WUE-7，WUE-8)，其中WUE-8最优，模型的解释度为47.40%，农作物中茎叶比、植物氮含量和细胞间CO2浓度越大，对于农作物水分利用率的促进作用越强；瞬时水分利用率总共拟合出五个多元回归模型(WUEi-1，WUEi-2，WUEi-3，WUEi-4，WUEi-5)，其中WUEi-2模型最优，解释为92.3%，主要由茎叶比、蒸腾速率、植物磷含量、温度、植物氮含量、细胞间CO2浓度，植物钾含量共同解释，；潜在水分利用率总共拟合出两个多元回归模型(WUEp-1，WUEp-2)，其中WUEp-2)最优，解释度为92.0%，茎叶比、植物磷含量、植物氮含量和细胞间CO2浓度越高，农作物的潜在水分利用率就越高。且所有模型均可以在一定程度解释农作物产量与其相关环境因子之间的关系(P<0.01)。

表4 农作物水分利用率多元回归模型Table 4 Multiple regression model of crop water use efficiency

3 讨论

水资源处于农业发展的短板位置，邵云等[12]研究我国北方农牧交错带水分利用效率，发现植被种植类型是主导水分利用效率的主要因子。因此，种植不同的作物，对于水分的利用效率也截然不同。本试验的研究结果发现一年生饲草与农作物对水的利用效率存在显著差异，支撑了其论点。此外，在本试验期间，河北坝上农牧交错区2021年全年降水量为389.8 mm，在作物生育期内降水量为240.0 mm，生育期处于夏季，气温高导致水分蒸散量大，降水的季节性分配不均都会造成水资源供求矛盾以及限制水热组合协调性，更可能对生态农业可持续发展和光、热、土地资源生产效力耦合效应产生负面影响[13]。

一年生饲草利用方式主要是青贮饲料或者青饲料，其茎叶比和鲜干比是决定一年生饲草生产量的重要组成部分，茎叶比中叶片比例越高，养分含量越高，适口性也随之变化[14-16]。鲜干比反映牧草干物质积累程度和利用价值[17]，茎叶比低，鲜干比高。可以调制干草或者做青饲料[18]。本文研究中燕麦的茎叶比最低，说明燕麦的饲用价值较高，与赵桂琴等[19]得出的燕麦因其茎叶比和鲜干比较优而饲用价值较高结论一致。

农牧交错带干旱少雨的气候状态有利于促进根系对深层土壤水分的吸收，特别是在作物生育后期[20]，本文研究结果显示作物对水分的利用主要集中在10～20 cm土层。说明旱作方式促进了作物的根系生长，使得作物对深层次的土壤水分利用率提高。本文研究结果表明一年生饲草的产量要高于农作物，说明在同等的降雨条件下，不考虑经济效益，仅生态效益而言一年生饲草的水资源利用率要更高，杨晓亚等[21]研究同样说明产量的形成与土壤耗水量有直接关系，一年生饲草较适合在该区域种植，本试验结果显示玉米的鲜重产量为63.92 t·hm-2，水分利用率也为几种作物中最高，这与张书兴等[22]所述优良的青贮玉米必须具备高生物产量的品质一致，一方面有利于减缓作物对土壤水环境的损耗，同时也有利于生态农牧业的可持续发展。一年生饲草水分利用率和瞬时水分利用率大于农作物，潜在水分利用率小于农作物，而农作物马铃薯水分利用率最低，潜在水分利用率最高，赵丽丽等[23]研究表明以地上籽实为利用方式的作物其地下生物量的增加可以使作物保持较高的水分利用率，这与本文马铃薯水分利用率最低相悖，原因在于马铃薯作为农作物其利用方式主要以地下茎为主，本研究结果表明马铃薯在其生育阶段形成块茎时耗水量较多，需要充足水分，结合河北坝上地区干旱少雨的气候条件，种植马铃薯可能会导致该地区水资源的过度消耗。唐建昭等[24]研究发现，未来气候变化对农牧交错带马铃薯等农作物的产量和水分利用效率具有正面影响，未来气候情景下，该地区的农业发展更适宜灌溉生产。

4 结论

一年生饲草水分利用率和瞬时水分利用率大于农作物，潜在水分利用率小于农作物。玉米和莜麦水分利用率最高，马铃薯水分利用率最低，潜在水分利用率最高。一年生饲草玉米的茎叶含水比和产量最高，燕麦次之，箭筈豌豆最低。