地下滴灌关键技术参数对砂土地区苜蓿根系与产量的影响

关键词：地下滴灌；苜蓿；滴头流量；滴灌带埋深；作物根系

0引言

我国农业用水量占比大，灌溉水利用系数偏低，节水潜力巨大。滴灌灌溉技术不断发展，其在缺水的西北牧区具有良好的推广应用前景。地下滴灌是一种微灌技术，具有少量多次、节水增产之特点，可有效减少土壤蒸发和深层渗漏，提高灌溉水利用效率。地下滴灌关键技术参数，如滴灌带类型、灌水定额、滴灌带埋深、滴头流量、滴灌带壁厚、滴头间距等，决定了地下滴灌的灌水效果，最终影响作物根系生长及产量。相关学者研究发现，与地面灌溉相比，地下滴灌有效提高大田农作物、蔬菜和水果的产量与用水效率、灌溉水生产率和水生产率，优化作物根冠比，提高根系活力，促进作物对土壤养分的吸收。李德智等研究发现，滴头流量为2.50L／h时，玉米水分利用效率和产量均处于较低水平，随着滴头流量的增大，玉米水分利用效率和产量先减小后增大。李显激等建议地下滴灌棉田一次性滴灌带埋深以15cm左右为宜，同时，地表蒸发随着滴灌带埋深的加大逐渐减小、深层渗漏损失逐渐增大。马铁成研究发现潜埋式滴灌（埋深为5～8cm）灌水定额在一定范围内显著影响北疆紫花苜蓿产量，其叶面积指数随着灌水定额的增大而增大，生长呈现先快后慢的倒L形趋势。适宜的地下滴灌灌水量能显著提高水分利用效率，反之减少作物产量。

紫花苜蓿是牧区最具饲用和经济价值的多年生牧草之一，其生长和灌水受时间（多年）和空间（地上地下）的限制。在鄂尔多斯等砂性土壤质苜蓿种植地区，不适宜推广地面灌溉技术，且地面滴灌与多年生牧草在种植、刈割和管理方面的适应性较差，特别是苜蓿根系的发育具有阶段性和动态性（一年刈割多茬），而滴灌带的性能参数（壁厚、少量多次）存在多样性和复杂性。本文基于紫花苜蓿地下滴灌田间试验，探究砂性土壤环境条件下地下滴灌对紫花苜蓿根系和产量的影响，提出鄂尔多斯紫花苜蓿种植地区适宜地下滴灌关键技术参数，以期为该地区紫花苜蓿地下滴灌的推广及应用提供科学依据与技术支撑。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于水利部灌溉试验重点站（鄂尔多斯市鄂托克前旗敖勒召其镇），该地区属于中温带半干旱大陆性气候区，年平均气温7.9℃，年平均降水量261mm，年平均水面蒸发量2498mm，年平均风速2.6m／s，年平均日照时数2958h；年平均无霜期157d，最大冻土层深度1.54m。根据项目组长期定位试验，当地的苜蓿主要品种为草原二号，观测根系主要埋深集中在20～60cm；根系最大、最小密集层埋深20～30cm。同时采用水量平衡方程对地下滴灌条件下紫花苜蓿整个生育期的耗水量和耗水强度进行计算，得出全生育期内耗水量为400～500mm、耗水强度为2.65～3.13mm／d，第二茬耗水量最大。有效降雨量Pi根据式（1）计算：

对试验区土壤基本物理性质进行测定和调查，结果见表1。采用德国造激光粒度仪（HELOS/BR-RO-DOS）测定各层土样粒径，依据USDA土壤质地划分标准确定土壤类型为砂土。环刀法测定土壤容重，饱和含水率为22.04%，田间持水率为18.58%，凋萎系数为3.51%，地下水埋深为1.2～2.0m。

1.2试验设计

田间试验于2015-2016年开展，试验用紫花苜蓿品种为草原2号，播种日期为2015年6月13日。播种前进行土地平整，种植行间距为15cm，期间同步进行中耕和除草等，在2016年进行取样测定。各茬生育阶段划分为苗（返青）期、分枝期、现蕾期和初花期，第一茬4月12日至6月12日，第二茬6月13日至7月25日，第三茬7月26日至9月17日。

各茬生育期内灌水均采用地下滴灌方式，滴灌带类型采用贴片式，壁厚为0.4mm，滴头间距30cm，滴灌带间距60cm，田间小区之间设置宽1m的隔离带。试验前已对滴灌带的性能进行了室内测定，确保滴灌带均匀度和流量的准确性。

结合鄂托克前旗试验区的土壤类型和气候条件以及适宜紫花苜蓿地下滴灌技术已有研究成果，据此确定了本研究的灌水时机和灌水量。灌水时机由苜蓿不同生育期实测土壤含水率确定，第一年（2015年）为保障苜蓿的生长，在苗期的土壤含水量为田间持水量的60%时开始灌溉，拔节期至开花期在土壤含水量为田间持水量的55%时开始灌溉；第二年（2016年）分别在第一茬返青期土壤含水量为田间持水量的55%、拔节期和分枝期为60%、开花期为65%，第二、第三茬返青期、拔节期和分枝期为60%、开花期为65%时开始灌溉。针对滴灌带灌水技术参数中的滴灌带埋深和滴头流量分别开展了田间小区试验。

滴灌带埋深试验（试验一）中，设计了2个参数：灌水定额（Q）和滴灌带埋深（D）。各处理水平设置具体为：滴灌带埋深分别为10、20、30cm，灌水定额分别为15.0、22.5、30.0mm，共9个处理，3次重复，每个田间小区面积为20 mx5 m，每条滴灌带控制2行苜蓿。滴灌带埋深试验各处理水平见表2。

滴灌带滴头流量试验（试验二）中，设计了3个参数：滴头流量（L）、滴灌带埋深（D）和灌水定额（Q）。各因素设置水平具体为：滴头流量分别为1.38、2.00、3.00L/h，滴灌带埋深分别为10、15cm，灌水定额分别为22.5、15.0mm，共12个处理，3次重复，每个田间小区面积为8mx20m，每条滴灌带控制4行苜蓿，试验处理水平见表3。

土壤墒情自动监测设备12套，分别对试验二中的各处理深度为10、20、30、40、60cm土层土壤含水率进行连续监测，同时采用土钻取土烘干法，从播种至收获每10d测定1次土壤含水率对仪器进行校准。各处理灌水日期和灌水次数相同，水表记录灌水量。

1.3测定指标与方法

1）苜蓿根茎分布指标：在开花期分别用铁锹挖取苜蓿根系，用纯净水冲洗干净并吸干水分，采用Marquez-Ortiz法测定根茎直径（游标卡尺测根茎膨大处长度）、根茎人土深度（从地表到根茎上端长度）、分枝数（从根茎直接长出的分枝数）。

2）苜蓿根系形态指标：采用Epson6.0根系特征扫描仪进行根系图像处理，Johnson法确定根系形态特征，包括主根直径（根茎1.0cm处直径）、主根长度（根茎以下主根一直到根茎直径≥0.1cm处的长度）、侧根数（侧根离主根0.5cm处的直径≥0.1cm的根数量）、侧根直径、侧根位置（距离根茎最近的一个侧根位置）、根系生物量（根系干重）。

3）产量：在初花期（10%植株开花）刈割，每次刈割后进入下一轮生长周期，本试验区的苜蓿每年刈割3茬。采用样方法进行测定，在每个田间小区划定的1m2样方内随机选取，称地上部鲜重（5株），重复3次。

1.4数据处理

采用SPSS 22.0统计软件进行单因素（One-WayANOVA）方差分析和多重比较，采用Excel 2019软件对数据进行整理、分析和绘图。

2结果分析

2.1地下滴灌关键技术参数对苜蓿根系特征的影响

由表4可知，试验一中滴灌带埋深对苜蓿根系特征中的根尖数、主根长、侧根发生数、侧根位置有显著影响。埋深10cm的根尖数显著大于埋深20、30cm的，说明苜蓿根系主要集中分布在10～30cm，埋深10cm的根系为了获得生长所需水分，生长出了更多的根尖，其根尖数相对较多。而埋深20、30cm的主根长、侧根发生数和侧根位置显著高于埋深10cm的，这是由于滴灌带附近水分充足，因此根系生长旺盛。在试验中发现，滴灌带埋深对根系比表面积、侧根直径的影响并不显著。本试验结果与滴灌带埋深对夏玉米根重密度影响的研究结果相一致；同时，试验取根过程中还发现侧根主要分布在10～30cm处。因此，滴灌带埋深宜设置在20cm左右，这样有利于水肥有效地运输到根部，保证能被根系高效吸收。

由表4可知，试验二中滴头流量对苜蓿根系特征中的主根直径、侧根直径、侧根发生数有显著影响，滴头流量为2.0L/h的较滴头流量为1.38L/h和3.0L/h的分别显著高出24.13%和30.12%、16.67%和31.25%、10.00%和22.22%，说明滴头流量为2.0L/h有利于苜蓿根系的生长和发育。不同滴头流量的根系比表面积、分枝数和根系生物量也存在显著差异，具体表现为滴头流量为1.38、2.0L/h的较3.0L/h的分枝数分别多20%、33.33%，当滴头流量为2.0L/h时，苜蓿根系的分枝数最多，根系比表面积最大，根系生物量最高，有利于苜蓿的地上部分发育。说明苜蓿地下滴灌关键技术参数中的滴灌带滴头流量控制在2.0L/h以下时有利于苜蓿的根系发育。

由表4可知，试验二中灌水定额对苜蓿的根系比表面积、根尖数、侧根发生数、侧根位置影响显著。灌水定额为15.0mm较22.5mm的根系根尖数显著提高24.11%，22.5mm的侧根位置比15.0mm的低50.12%，说明减少灌水定额有利于苜蓿根系向下发育。灌水定额为15.0mm的根系比表面积较22.5mm处理显著提高23.29%，且侧根发生数更多。说明随着灌水定额的减少，苜蓿地上部分生长发育需水强烈，根系的比表面积和根尖都会进一步增加，从而提高吸收水分的机会、保证植株的正常生长。同时，适当降低灌水定额有利于苜蓿根系向下扎深，侧根位置更加靠下，有利于苜蓿在当地多风气候的砂地生长。但随着灌水定额的减少，根系分枝数减少，紫花苜蓿的产量会有所降低。

2.2地下滴灌关键技术参数对苜蓿产量的影响

滴灌带埋深对作物生态形状和生理活动的影响最终反映在产量上，作物生长发育的不同时期进行不同滴灌带埋深的滴灌，会直接影响作物的生育、生理指标，最终影响作物产量。由图2可知，试验一中相同的灌水定额下，滴灌带埋深为20cm的苜蓿产量最大，埋深为10cm的产量最小，不同处理间无显著差异。当灌水定额为22.5mm、滴灌带埋深为10cm的产量较灌水定额为22.5mm、滴灌带埋深为20cm的产量降低了2.4%，无显著差异。说明，滴灌带埋深对苜蓿的产量影响较小，且各处理不同苜蓿茬次产量间也无显著差异。

在试验二中，苜蓿生育期内共刈割三茬，这里选取第二茬苜蓿产量进行分析。由图3（图中Q1、Q2分别为灌水定额22.5、15.0mm，D1、D2分别为滴灌带埋深10、15cm）可知，在灌水定额和埋深相同的情况下，不同滴头流量对苜蓿产量有影响。对比不同滴头流量的苜蓿产量发现，滴头流量为2.00L/h的苜蓿产量最高、1.38L/h次之、3.00L/h产量最小。当灌水定额为22.5mm、滴灌带埋深为10cm时各处理无明显差异，埋深为15.0mm时，滴头流量为2.00L/h较3.00L/h的产量显著提高了10%。当灌水定额为15.0mm、滴灌带埋深为10cm时，滴头流量为2.00L/h较3.00L/h的产量显著提高了9.14%；当灌水定额为22.5mm、滴灌带埋深为15mm时，滴头流量为2.00L/h较3.00L/h的产量显著提高了20%。说明随着灌水定额和滴头流量减小，处理间产量差异更加显著，当灌水定额较小时，滴头流量越大，土壤灌水均匀性越差，导致苜蓿的根系不能充分利用土壤有效水，造成产量下降。同时，在砂土地下滴灌条件下，滴头流量为2.00L/h时更有利于提高苜蓿的产量。

在试验一中，水分亏缺对苜蓿根系状态和生理活动的影响最终反映在产量上，作物生长发育的不同时期进行不同的水分处理，会直接影响作物的生育、生理指标，最终影响作物产量。由图4可知，苜蓿的产量与生育期的灌水量有关，随着灌水定额的增大而增大。滴灌带埋深为20cm情况下不同灌水定额的第一、第二、第三茬总产量分别6970.5、9087.0、10762.5kg/hm2。随着灌水定额的增加，产量分别增加30.4%和18.4%。第一茬苜蓿的各处理产量与第二茬无明显差异。随着灌水定额的增大，不同滴灌带埋深的苜蓿总产量均存在显著差异。

3讨论

地下滴灌通过影响土壤湿润体形态特征及其水分运动规律从而改善苜蓿根系特征与产量，特别是对砂土地区的实际应用具有重要意义。本研究区的夏季苜蓿田间蒸发强烈，水分向上运动增加，土壤含水率直接或间接影响了苜蓿根系的生长，最终表现在株高和产量等生育指标上，在研究结果中也发现当滴灌带埋深为20cm时，苜蓿根系密集区也位于此，其不仅抑制了棵间土壤蒸发，而且提高了水分利用效率。这与本研究中，当滴灌带埋深为10cm时有利于根系根尖生长、不利于侧根的生长的结果相似，进一步体现出滴灌带的埋深直接决定了砂性土壤湿润锋的位置，非饱和土壤水分垂直人渗较水平人渗快，湿润锋的形状影响苜蓿根系形态和根系侧根的分布，对苜蓿根系主根的影响并不显著，这与张望望等、夏玉慧等的研究结果相似。还有一些研究也表明适宜的滴灌带埋深能够提高作物产量，如：刘晓菲等研究中发现，当滴灌带埋深为20～30cm时，马铃薯可获得最大单产：李蓓等研究发现，相比于滴灌带埋深10cm，滴灌带埋深为15、30cm可显著提高春玉米籽粒和鲜穗产量，均与本研究的结果相似。

在本研究中，湿润锋水平和垂直方向上的运移距离均随灌水定额和滴头流量的增大而增大，特别是在砂性土壤中，灌水定额和滴头流量过大，易造成深层渗漏，影响产量。相关的研究中，随着滴头流量的减小，灌水均匀性增强，苜蓿分枝数较多，更有利于作物地上部分的生长发育并提高产量，水分利用效率也较高。本研究结果中，当灌水定额为22.5mm、滴头流量为2.00L/h时，更有利于苜蓿根系的生长发育，产量的增幅明显，说明当减少灌水定额和滴头流量时，根系向下发育显著影响苜蓿的根系比表面积、根尖数、侧根发生数、侧根位置，这与汪堃等的研究结果相似。一些研究还发现，干草产量的贡献二级分枝数>一级分枝数，促进了根系生长和生物量的增加，提高了苜蓿二级分支、叶面积指数和干草产量，也与本研究所得增加灌水定额能够显著提高苜蓿产量的结果相一致。

4结论

地下滴灌关键技术参数中的滴灌带埋深为20cm、滴头流量为2.00L/h、灌水定额为22.5mm时，更有利于砂土地区苜蓿根系的生长和产量的提高。灌水定额对根系特征中的比表面积、根尖数、侧根发生数、侧根位置有显著影响。滴灌带埋深对苜蓿侧根的影响显著；同时，在一定范围内，随着灌水定额的增大，苜蓿产量逐渐增加。滴灌带埋深为20cm时，随着灌水定额和滴头流量的减小，苜蓿产量提高，而滴灌带埋深对产量的影响不显著。