引用本文
陶雪, 苏德荣, 乔阳, 寇丹. 西北旱区灌溉方式对苜蓿产量及品质的影响. 草业科学, 2015,32(10):1641-1647
TAO Xue, SU De-rong, QIAO Yang, KOU Dan. Effects of irrigation methods on yield and quality of alfalfa in arid northwest China. Pratacultural Science,2015,32(10): 1641-1647  
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《草业科学》编辑部
西北旱区灌溉方式对苜蓿产量及品质的影响
陶雪1, 苏德荣1, 乔阳1, 寇丹2
1.北京林业大学草地资源与生态研究中心,北京 100083
2.中国科学院植物研究所,北京 100093
通讯作者:苏德荣(1958-),男,甘肃永靖人,教授,博士,主要从事草地生态及水文过程研究。E-mail:suderong@bjfu.edu.cn

第一作者:陶雪(1990-),男,贵州黄平人,在读硕士生,主要从事水资源高效利用研究。E-mail:Taoxuegz@163.com

收稿日期: 2015-06-23
基金: 国家863计划课题(2011AA100502); 国家自然科学基金课题(51379011)
摘要

为探究灌溉方式对紫花苜蓿( Medicago sativa)产量及品质的影响,进行苜蓿地下滴灌(SDI)、畦灌(BI)、喷灌(SI)和对照(CK)4种处理的大田试验。结果表明,与其他3种处理相比,SDI的土壤含水量最高,CK最低。SDI的产量及水分利用效率均显著高于其他3个处理( P<0.05),其中SDI两茬的产量分别为4 815.87、4 300.41 kg·hm-2,相比BI、SI、CK,SDI两茬分别提高了10.56%、14.92%、95.26%和13.64%、23.60%、120.85%。SDI两茬的水分利用效率分别为2.66和2.50 kg·m-3,较BI和SI,两茬分别提高了17.70%、21.46%和20.77%、34.41%。CK的品质显著高于其他3个灌水处理( P<0.05),3个灌水处理间品质差异不明显,SDI苜蓿两茬的粗蛋白产量分别为816.13和814.07 kg·hm-2,相比BI、SI、CK,SDI两茬分别提高了2.38%、5.84%、61.90%和10.90%、18.83%、100.01%。本研究揭示,相比BI和SI,SDI促进苜蓿生长,且显著提高了苜蓿粗蛋白产量、干草产量及水分利用效率。因此,SDI适合在西北干旱地区苜蓿种植中应用和推广。

关键词: 苜蓿; 地下滴灌; 粗蛋白产量; 干草产量; 品质
中图分类号:S816 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2015)10-1641-07 doi: 10.11829\j.issn.1001-0629.2015-0257
Effects of irrigation methods on yield and quality of alfalfa in arid northwest China
TAO Xue1, SU De-rong1, QIAO Yang1, KOU Dan2
1.Research Center of Grassland Resources and Ecology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
2.Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
Corresponding author: SU De-rong E-mail:suderong@bjfu.edu.cn
Abstract

The present study was to explore the effects of different irrigation methods including subsurface drip irrigation(SDI), border irrigation(BI), sprinkler irrigation(SI), and CK on growth, quality and yield of alfalfa. The results showed that different irrigation methods had different effects on soil water content, and SDI treatment had the highest soil water content. In addition, this study found that different irrigation methods had greatly different effects on alfalfa quality, yield and water use efficiency. Dry yield of two cuttings alfalfa of SDI treatment was 4 815.87, 4 300.41 kg·ha-1, respectively. Compared with BI, SI and CK treatments, yield of two cuttings alfalfa of SDI increased by 10.56%, 14.92%, 95.26% and 13.64%, 23.60%, 120.85%, respectively ( P<0.05). Water use efficiency of two cuttings alfalfa of SDI treatment was 2.66, 2.50 kg·m-3, respectively. Compared with BI and SI treatments, water use efficiency of the two cuttings of SDI increased by 17.70%, 21.46% and 20.77%, 34.41%, respectively ( P<0.05).度SDI treatment had the lowest protein content and the highest fiber content, but crude protein yield of SDI treatment was significantly improved ( P<0.05). Crude protein yield of two cuttings alfalfa of SDI treatment was 816.13, 814.07 kg·ha-1, respectively. Compared with BI, SI,CK treatments, crude protein yield of two cuttings alfalfa of SDI increased by 2.38%, 5.84%, 61.90% and 10.90%, 18.83%,100.01%, respectively ( P<0.05). These results suggested SDI could improve the growth, crude protein yield, dry yield and water use efficiency of alfalfa. Therefore, SDI was more suitable for alfalfa planting in arid northwest China.

Keyword: alfalfa; subsurface drip irrigation; crude protein yield; dry forage yield; quality

紫花苜蓿(Medicago sativa)被誉为“ 牧草之王” , 作为一种产量高、适口性好、营养价值高的多年生豆科饲草作物, 在世界畜牧业发展中发挥着重要作用[1]。在美国, 苜蓿是继玉米(Zea mays)、小麦(Triticum aestivum)、大豆(Glycine max)之后的第四大作物, 每年产值高达10亿美元, 种植面积超过1 000万hm2, 而我国苜蓿产业发展较落后, 产量和品质普遍较低。近几年, 我国苜蓿的种植面积基本上维持在150万hm2左右, 苜蓿产量难以满足我国畜牧业的快速发展[2]。因此, 扩大苜蓿种植面积和提高苜蓿品质势在必行。目前, 西北旱区是我国苜蓿的主要种植区, 该地区降水量稀少, 蒸发强烈, 有利于苜蓿草收割后晒干, 适宜苜蓿种植。据研究报道, 相比其他作物, 苜蓿的耗水量较大[3]。因此, 在干旱半干旱地区发展苜蓿的节水灌溉技术和提高苜蓿品质是必然要求。

国内外学者对紫花苜蓿节水灌溉做了很多研究[4, 5, 6, 7, 8, 9], 如王琦等[3]分析了不同灌溉方式对苜蓿生长的影响。地下滴灌是一种较为节水灌溉技术, 具有减少地表蒸发、改善作物根区土壤条件、方便田间管理作业化等优点, 关于地下滴灌对作物节水和增产效果的报道有很多, 如Godoy等[10]关于苜蓿灌溉的研究表明, 与沟灌相比, 地下滴灌处理的水分利用效率提高20%; 程冬玲等[11]研究表明, 与常规沟灌相比, 地下滴灌的鲜草产量高; Ayars等的研究总结了地下滴灌在番茄(Lycopersicon esculentum)、甜玉米、紫花苜蓿上的应用, 结果显示, 地下滴灌不仅提高了作物产量, 而且提高了水分利用效率; 应用地下滴灌技术的苜蓿产草量要比常规灌溉增产近40%, 增产效果显著[12]。目前, 大型喷灌机也被广泛应用于苜蓿种植, 尤其是在我国内蒙古、宁夏、甘肃、新疆等西北旱区, 但使用大型喷灌机灌溉苜蓿时, 会因水汽飘移蒸发和冠层截留造成大量水分损失[13, 14, 15, 16]。因此, 本研究针对我国西北旱区特殊的气候条件, 通过畦灌、喷灌、地下滴灌3种灌溉方式对苜蓿生长及品质影响的对比性试验, 探索适合于西北旱区紫花苜蓿种植的灌溉方式。

1 材料与方法
1.1 研究区自然概况

试验于2014年在农业部作物高效用水武威科学观测试验站(37° 52' N, 102° 51' E)进行, 该站位于甘肃省武威市凉州区东河乡王景寨村, 属于典型的内陆干旱荒漠气候区, 海拔1 581 m, 光热资源丰富, 日照时间3 000 h 以上, 多年平均降水量164.4 mm, 年蒸发量1 131.5~1 508.7 mm, 无霜期150 d以上, 年均气温 8 ℃, > 0 ℃年积温3 550 ℃· d以上。土质为砂壤土, 有机质含量中等, 土壤容重为1.48 g· cm-3左右, 田间持水量(Field Capacity, FC)为26.6%。

1.2 试验材料

以北京克劳沃草业技术开发中心提供的苜蓿品种‘ 皇冠’ (‘ Phabulous’ )为试验材料, 于2012年4月30日播种, 人工条播, 播量30 kg· hm-2, 播深2 cm, 行距22.5 cm。地下滴灌材料采用甘肃大禹节水有限公司提供的滴灌带, 内径16 mm, 壁厚0.4 mm, 滴头间距30 cm, 滴头流量3.0 L· h-1。喷灌材料采用美国科雨公司提供的散射式喷头, 喷嘴型号为kv8, 流量0.66 m3· h-1, 弹出高度75 mm, 喷射半径270 cm。

1.3 试验方法

试验共设地下滴灌(SDI)、畦灌(BI)、喷灌(SI)和对照处理(CK:试验期间不灌溉)4种处理, 每个处理设3个重复, 共12个小区。SDI、BI和CK的小区面积均为6.0 m× 2.7 m, SI的小区面积为2.7 m× 2.7 m。SDI、BI和CK的小区按完全随机布设。为避免SI灌水对其他灌水处理造成影响, SI小区布设在其他试验小区的边缘, 各小区间设1 m宽的保护带, 并用黑色薄膜垂直隔离1 m。SDI的小区在苜蓿播种前对每一个小区铺设地下滴灌系统, 每个小区布设3条滴灌带, 滴灌带行距90 cm, 埋深30 cm, 一条滴灌带控制4行苜蓿。SI的每个小区布设两个位于对角的喷头。灌水量由装在支管上的水表计数, 灌溉下限的设置主要依据SDI不同土壤含水量对苜蓿的生长及产量的影响, 并参考当地苜蓿灌溉量和以往的研究结果进行设置[17], 本研究依据SDI的3个重复小区0-100 cm土层的平均土壤体积含水率达到田间持水量的55%~65% 时开始灌水, 每次灌水量均为40 mm, 除CK外, 3种灌水处理的灌水时间和灌溉量相同。由于紫花苜蓿第1茬生育期间温度低及受降水的影响, 且前一年冬灌充足, 在苜蓿第1茬生长各小区的土壤含水量已超过设定的灌溉下限, 直至生长后期土壤含水量才下降至灌溉下限, 在苜蓿第1茬生长期没有灌水, 且各处理间的数据差异不显著。因此, 本研究数据主要取自苜蓿第2茬和第3茬的数据。试验进行期间, 除草、病虫害防治、施肥等田间管理各处理保持一致。

1.4 测定指标及方法

降水量观测:降水量由试验站的自动气象站获得(图1)。

图1 试验期间试验站的降水量分布图Fig.1 Distribution of precipitation during the trial at the experiment site

土壤含水量测定:用便携式土壤水分廓线仪(Diviner 2000, Sentek Pty Ltd., Australia)测土壤的水分含量, 5~7 d测一次, 每次灌溉前后和降水后加测。每个小区布设两根测管, 离滴灌带均为22.5 cm, 两根测管土壤含水量校正后的平均值代表小区的土壤含水量。利用水量平衡法计算紫花苜蓿生育期耗水量:

Q=P+I+K-R-D-Δ W(1)

式中, Q为苜蓿生育期耗水量(mm); P为有效降水量(mm); I为灌水量(mm); K为地下水补给量(mm); R为地表径流量(mm); D为深层渗漏量(mm); Δ W为土壤贮水量的变化量(mm)。试验地地下水位30~40 m深, 地势较平坦, 且小区四周畦垄, 通过观测土壤水分变化发现80~100 cm处的水分变化较小, 故地表径流量(R)、地下水补给量(K)和深层渗漏量(D)均省略不计, 均取值为0。

在苜蓿初花期刈割前(5%植株开花), 整个小区测苜蓿鲜重, 再随机取500 g的鲜物质测鲜重, 烘干测干重, 重复3次, 根据鲜干重计算小区苜蓿含水率, 根据整个小区鲜重推算苜蓿干草量(Y, kg· hm-2), 再根据干草产量(Y)和耗水量(Q)计算水分利用效率(WUE, kg· m-3):

WUE=YQ(2)

营养品质测定:用0.5 mm孔筛的粉碎机将苜蓿干草粉碎, 均匀混合, 用于测定苜蓿粗蛋白含量(CP)、酸性洗涤纤维含量(ADF)和中性洗涤纤维含量(NDF)[8]。粗蛋白产量(CPY, kg· hm-2)、相对饲喂价值(RFV)、饲草可消化干物质(DDM)和饲草干物质的随意采食量(DMI)的计算公式:

CPY=CP× Y(3)

RFV=DMI×DDM1.29(4)

DDM=88.9-0.799× ADF(5)

DMI=120NDF(6)

式中, DMI是以体重为基础计算的, DDM、ADF和NDF是以干物质为基础计算的。

1.5 数据分析

利用Excel 2010进行数据整理、简单统计分析和绘图, 采用SPSS 17.0 软件进行方差分析和显著性检验, 并用Duncan法对各处理数据进行多重比较分析。

2 结果与分析
2.1 不同灌溉方式对土壤含水量的影响

不同灌溉方式影响土壤含水量(图2)。随着苜蓿生长, 地面覆盖不断增大, 田间蒸发减少, 土壤含水量增大, 试验期间, SDI的土壤含水量最高, 两茬的最大值分别为18.02%和22.24%, 明显高于BI和SI, BI的土壤含水量略高于SI, 3个灌溉处理CK的土壤含水量最低时反为6.75%。试验期间各处理的土壤含水量呈现一致的动态趋势, 伴随灌水或降雨, 出现土壤含水量的小高峰, 第3茬各处理的土壤含水量比第2茬高, 且波动较大。总体而言, 在试验期间, SDI的水分入渗较深, 能减少土壤水分蒸发, 提高土壤含水量, 不灌溉则严重影响土壤含水量, 造成极度水分胁迫。

图2 灌溉方式对土壤水分动态的影响Fig.2 Dynamics of soil water content under different irrigation methods

2.2 灌溉方式对苜蓿产量及水分利用效率的影响

2.2.1 灌溉方式对苜蓿生长的影响 不同灌水处理间苜蓿产量存在显著差异(P< 0.05), 各处理两茬苜蓿产量高低为SDI> BI> SI> CK(表1)。SDI的干草产量最高, 两茬产量分别为4 815.87、4300.41kg· hm-2, 相比BI、SI、CK, 分别提高了10.56%、14.92%、95.26%和13.64%、23.60%、120.85%, 均达到显著水平; CK两茬的产量均显著低于其他3个灌水处理(P< 0.05)。除CK外, 3种灌水处理第2茬的产量分别高于第3茬。由此可知, 与BI、SI、CK相比, SDI显著提高了苜蓿干草产量。

表1 不同灌溉方式对苜蓿生长及水分利用效率的影响 Table 1 Effects of different irrigation methods on growth and WUE of alfalfa

2.2.2 灌溉方式对苜蓿水分利用效率的影响 水分利用效率是水分生产力的重要体现, 不同灌溉方式对苜蓿水分利用效率的影响不一致(表1)。单从苜蓿第2茬的水分利用效率来看, CK的水分利用效率最高, 但其干草产量却最低。与BI、SI相比, SDI两茬苜蓿的水分利用效率分别提高了17.70%、21.46%和20.77%、34.41%, 均达到显著水平(P< 0.05)。总体上, 各处理第2茬的水分利用效率大于第3茬, 尤其是CK最明显。

2.3 灌溉方式对苜蓿营养品质的影响

2.3.1 灌溉方式对苜蓿粗蛋白含量的影响 灌溉量相同的3种处理间, SDI的粗蛋白含量最低(表2), 第2茬和第3茬分别为16.95%、18.93%, 均显著低于CK(P< 0.05), CK的粗蛋白含量最高, 两茬分别为20.42%、20.91%, 相比其他3种处理, CK第2茬和第3茬的粗蛋白含量分别提高了20.47%、11.52%、10.92%和10.46%、7.67%、6.09%, BI和SI第2茬的粗蛋白含量较SDI分别显著提高了8.02%、8.61%, 第3茬提高了2.59%、4.12%, 但不显著(P> 0.05)。总体上, 各处理第3茬的粗蛋白含量要高于第2茬, 且SDI的粗蛋白含量与BI、SI间的差距不断降低。

表2 不同灌溉方式对紫花苜蓿营养品质的影响 Table 2 Effects of different irrigation methods on nutritional quality of alfalfa

2.3.2 灌溉方式对苜蓿中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量的影响 灌溉方式对苜蓿中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的影响(表2)显示, 各处理两茬苜蓿的酸性洗涤纤维表现为SDI> BI> SI> CK, 中性洗涤纤维表现为SDI> SI> BI> CK。除CK外, 其他3个灌水处理, 两茬苜蓿中各处理的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维差异均不显著(P> 0.05)。相比其他3个灌水处理, CK第2茬和第3茬的中性洗涤纤维分别降低了11.78%、8.34%、9.82%和5.20%、3.44%、4.75%, CK第2茬和第3茬的酸性洗涤纤维分别降低了25.43%、22.54%、19.70%和15.40%、13.23%、11.77%。总体而言, 相比灌水处理, 不灌溉能显著降低苜蓿的纤维含量, 各灌水处理间纤维的含量差异不显著。

2.3.3 灌溉方式对苜蓿粗蛋白产量的影响 粗蛋白产量是衡量苜蓿产粗蛋白能力大小的重要指标, 不同灌溉处理下, 紫花苜蓿的粗蛋白产量均表现为SDI> BI> SI> CK(表2)。方差分析结果表明, 第3茬SDI的粗蛋白产量与BI、SI及CK之间差异显著(P< 0.05), 其中SDI两茬苜蓿的粗蛋白产量分别为1 632.26、1 634.44 kg· hm-1, 与BI、SI、CK相比分别提高了3.19%、5.79%、53.56%和10.72%、20.32%、100.65%。说明相比BI和SI, SDI能有效提高苜蓿粗蛋白产量。

2.3.4 灌溉方式对苜蓿相对饲喂价值的影响 相对饲喂价值(RFV)是纤维含量的一个反映指标, 是比粗蛋白含量更重要的指标, 其中RFV的值越高越好。表2显示了不同灌溉方式对苜蓿RFV的影响, 可以看出, 各处理的RFV均大于100, 且各处理第3茬的RFV均大于第2茬, 总体上, 各处理的RFV达到美国和加拿大关于苜蓿分级标准的一级。CK两茬苜蓿的RFV均显著高于其他3个灌水处理, 最高达到162.21。相比其他3个灌水处理, CK两茬的RFV分别提高了26.60%、19.82%、19.89%和11.06%、8.27%、9.01%。除CK外, 其他3种处理间两茬的RFV差异不显著(P> 0.05), SDI的RFV略低于BI和SI。不灌溉处理明显提高了苜蓿的RFV, 而其他3种灌溉处理的RFV差异不显著。

3 讨论与结论

灌溉是影响旱区土壤含水量最主要的因素。地下滴灌是一种有效的节水灌溉技术, 苜蓿地下滴灌灌水时, 湿润层主要集中在地表以下, 靠近根部, 大部分水分能被根系吸收, 降低了土壤蒸发量, 有利于保持土壤含水量[17]。而畦灌灌水时, 水渗进土壤的速度缓慢, 造成蒸发量增大, 喷灌灌水时也会出现畦灌的问题, 但喷灌灌水最大的问题是灌水时喷出的水分会出现飘散现象, 在空气干燥时段灌水造成的水汽漂移及蒸发损失不容小觑[13]。

有研究报道[8], 在西北旱区土壤含水量低于60%田间持水量时, 土壤有效含水量减少, 抑制苜蓿的正常生长, 苜蓿开始出现干旱胁迫, 而干旱胁迫会造成苜蓿光合作用降低, 还会导致地上部分的分配比例减少, 最终引起苜蓿产量下降。土壤水分达到胁迫程度时, 苜蓿呈现旱生状态的特征, 会导致植株高度降低[18], 不利于植物生长[1], 因此, 对照处理的土壤水分仅依靠降水和土壤贮水很难保持苜蓿的正常生长。在苜蓿生育期间, 由于水分的短缺, 最终导致对照处理苜蓿产量严重下降, 这与陈萍等[19]对苜蓿的研究结果一致。在同时等量灌水条件下, 地下滴灌处理苜蓿两茬的产量分别为4 815.87和4 300.41 kg· hm-2, 相比畦灌、喷灌和对照处理, 第2茬分别提高了12.58%、14.10%、84.99%, 第3茬提高了13.62%、23.58%、120.80%, 均达到显著水平(P< 0.05), 表明相比其他灌溉方式, 地下滴灌能显著提高苜蓿产量, 这与孟季蒙等[20]的研究结果一致。本研究也发现, 对照小区的产量显著低于其他处理的产量(P< 0.05), 表明土壤水分降低到一个极限值时, 土壤水分含量会成为限制苜蓿产量的一个重要因素[21]。本研究结果显示, 地下滴灌处理显著地提高了苜蓿水分利用效率, 相比畦灌、喷灌处理, 地下滴灌处理第2茬苜蓿的水分利用效率分别提高了17.70%、21.46%, 第3茬分别提高了20.77%、34.41%, 这种趋势与郭学良和李卫军[13]的研究结果一致。

苜蓿的产量和品质是苜蓿种植最关键的两项指标, 产量的提高是同化物积累的结果, 而品质的改善是同化物在不同物质形态间转化的结果。本研究中, 对照处理苜蓿两茬的粗蛋白含量最大, 均显著高于其他3种灌溉处理, 这与文霞等[18]和赵金梅等[22]的研究结果一致, 在灌溉量相同的3种处理间, 地下滴灌处理的粗蛋白含量最低, 这与苏亚丽等[23]的研究结果一致, 尽管地下滴灌处理的粗蛋白含量最低, 但是相比其他3种处理, 地下滴灌处理显著提高了苜蓿的粗蛋白产量。本研究表明, 对照处理苜蓿两茬的纤维含量最小, 灌溉量相同时的3个处理间纤维含量差异不显著, 水分胁迫能降低苜蓿纤维含量[8]。RFV是指相对一个特定标准牧草(盛花期苜蓿), 某种牧草可消化干物质的采食量, 在本研究中, 各处理的RFV均大于100, 表明各处理的苜蓿采食量都较高, 对照的RFV显著高于其他3种灌溉处理, 其他3种灌溉处理的RFV差异不显著。苜蓿生产经济效益的提高, 必须综合产量和品质两方面, 尽管灌水的处理降低了苜蓿的品质, 但显著提高了苜蓿粗蛋白产量和苜蓿干草产量, 尤其是地下滴灌处理, 不灌水处理的产量下降速度要远远大于其品质提高的程度。

在我国西北干旱地区, 相比畦灌和喷灌, 地下滴灌有利于保持土壤含水量, 降低水分蒸发。在苜蓿生育期, 地下滴灌有利于苜蓿生长, 提高了苜蓿干草产量及水分利用效率。尽管相比畦灌、喷灌和对照处理, 地下滴灌的粗蛋白含量最低, 纤维含量最高, 但显著提高了苜蓿的粗蛋白产量和干草产量。因此, 兼顾苜蓿生长、粗蛋白产量、干草产量及水分利用效率, 苜蓿地下滴灌更适于在我国西北干旱地区进行推广和应用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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