引用本文
张前兵, 于磊, 马春晖, 鲁为华, 和海秀. 灌溉定额及分配对建植当年苜蓿生产性能的影响. 草业科学, 2017,34(3):582-591
Zhang Qian-bing, Yu Lei, Ma Chun-hui, Lu Wei-hua, He Hai-xiu. Effects of irrigation quota and distribution on the production performance of alfalfa in the first growth year. Pratacultural Science,2017,34(3): 582-591  
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《草业科学》编辑部
灌溉定额及分配对建植当年苜蓿生产性能的影响
张前兵1,2, 于磊1,2, 马春晖1,2, 鲁为华1,2, 和海秀3
1.石河子大学动物科技学院,新疆 石河子 832003
2.新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验,新疆 石河子 832003
3.新疆建设兵团第十师农业科学研究所,新疆 阿勒泰 836000
通信作者：马春晖(1966-),男,新疆哈密人,教授,博士,主要从事饲草生产与加工方面的研究。E-mail:chunhuima@126.com

第一作者:张前兵(1985-),男,甘肃静宁人,副教授,博士,主要从事栽培草地高效生产研究。E-mail:qbz102@163.com

收稿日期: 2016-09-26
基金: 国家自然科学基金项目(31660693); 石河子大学青年创新人才培育计划项目(CXRC201605); 兵团农业技术推广专项(CZ0021); 兵团博士资金专项(2012BB017); 国家牧草产业技术体系项目(CARS-35)
摘要

本研究设置了3种灌溉梯度,分别为3 750(W1)、4 500(W2)和5 250 m3·hm-2(W3),且在灌溉量为4 500 m3·hm-2(W2)的条件下,设置了3种灌溉定额分配模式,即刈割前、后的灌水量分别为35%+65%(Q1)、50%+50%(Q2)、65%+35%(Q3),探讨不同灌溉定额及分配对滴灌条件下建植当年苜蓿( Medicago sativa)生产性状的影响。结果表明,苜蓿建植当年各生长性状指标中,叶茎比、茎粗对苜蓿干草产量提高及营养品质改善的影响最大,其次分别为生长速度及株高。当灌溉量达到4 500 m3·hm-2时有利于苜蓿建植当年干草产量的提高及营养品质的改善。Q1灌溉模式能够显著提高滴灌苜蓿建植当年干草产量及粗蛋白含量( P<0.05),降低中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量,进而提高苜蓿的营养品质。

关键词: 苜蓿; 灌溉定额; 生长第一年; 产量; 营养品质; 滴灌; 绿洲区
中图分类号:S816.11 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)3-0582-10 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0303
Effects of irrigation quota and distribution on the production performance of alfalfa in the first growth year
Zhang Qian-bing1,2, Yu Lei1,2, Ma Chun-hui1,2, Lu Wei-hua1,2, He Hai-xiu3
1.The College of Animal Science & Technology, Shihezi University, Shihezi 832003, China;
2.Key Laboratory of Oasis Ecology Agriculture of Xinjiang Production and Construction Groups, Shihezi 832003, China
3.Tenth Division Academy of Agricultural Sciences of Xinjiang Production and Construction Groups, Aletai 836000, China
Corresponding author:Ma Chun-hui E-mail:chunhuima@126.com
Abstract

This study explored the effects of irrigation quota and distribution on the production performance of alfalfa ( Medicago sativa) in the first growth year. Three irrigation quota treatments were conducted: 3 750, 4 500, and 5 250 m3·hm-2. Three irrigation distribution models were conducted under the same irrigation quota of 4 500 m3·hm-2. The irrigation quota was divided before and after mowing at 35%+65%, 50%+50%, or 65%+35%. The leaf∶stem ratio and stem diameter were most strongly affected; these increased hay yield and improved nutritional quality. The next-strongest effects were on the growth rate and height in all growth traits of alfalfa. An irrigation quota of 4 500 m3·hm-2 enhanced hay yield and improved nutritional quality of first-year alfalfa. The 35%+65% irrigation distribution could significantly improve the hay yield and crude protein, reduce NDF and ADF( P<0.05), and thus enhance the nutritional quality of alfalfa.

Keyword: alfalfa; irrigation quota; first growth year; hay yield; nutritional quality; drip irrigation; oasis

紫花苜蓿(Medicago sativa)具有产草量高、营养品质好等众多优点, 被誉为“ 牧草之王” [1], 在我国具有悠久的栽培历史[2], 对我国西北地区农牧业产业结构调整和农田土壤可持续稳定发展具有十分重要的作用, 且苜蓿产业的经济效益有很大的上升空间[3]。水分是影响紫花苜蓿生长、干草产量及营养品质的主要因素之一[4, 5]。明确作物的水分需求规律不仅是农业节水的重要途径之一, 也是进一步促进农业增产的关键和最终潜力所在[6, 7]。研究表明, 在水分充足的条件下, 紫花苜蓿植株茎节数和茎节长度均得到增加, 其叶片的光合作用也较强, 而在水分胁迫下, 成熟植株叶片和茎的生长速率明显减小, 其产量下降[8, 9]。新疆是我国重要干旱区[10], 节水灌溉为当地的农牧业发展带来了巨大的经济效益。同时, 新疆也是我国紫花苜蓿栽培种植的重要产区, 目前, 滴灌技术(滴灌带浅埋入土壤中8~10 cm深处)已开始大面积应用于苜蓿种植中, 为苜蓿的规模化、优质高效生产创造了有利条件[11, 12, 13]。但滴灌技术在苜蓿生产中的应用仍处于经验探索阶段, 滴灌条件下苜蓿对水分的需求规律尚不明确, 不同灌溉定额分配条件下苜蓿各生长性能指标如何变化鲜有报道, 尤其是对滴灌苜蓿建植当年的研究相对较少。因此, 本研究通过对滴灌苜蓿生长性状、干草产量及营养品质进行测定与分析, 明确不同灌溉定额及分配对滴灌苜蓿建植当年产量性状与营养品质的影响机制, 以期为滴灌苜蓿节水、高效生产提供理论依据与数据参考。

1 材料与方法
1.1 试验设计

试验分别于2014年在石河子大学农学院试验站(44° 26' N, 85° 95' E)、2015年在石河子天业集团农研所农业示范园区试验田(44° 31' N, 85° 52' E)进行。其中, 石河子大学农学院试验站土壤类型为灰漠土, 土壤容重为1.48 g· cm-3, 土壤有机质含量24.3 g· kg-1、碱解氮70.2 mg· kg-1、速效磷22.1 mg· kg-1、速效钾186.3 mg· kg-1); 石河子天业集团农研所农业示范园区试验田土壤类型为灰漠土, 土壤容重为1.56 g· cm-3, 土壤有机质含量25.5 g· kg-1、碱解氮60.8 mg· kg-1、速效磷25.5 mg· kg-1、速效钾330.2 mg· kg-1)。试验采用完全随机区组设计, 设3个灌溉量梯度, 分别为3 750(W1)、4 500(W2, 当地滴灌苜蓿高产田实际采用的灌溉量)和5 250 m3· hm-2(W3)。同时, 为了明确灌溉定额分配对建植当年苜蓿生产性状的影响, 在提高工作效率的前提下, 选择当地滴灌苜蓿高产田实际采用的灌溉量4 500 m3· hm-2(W2)为灌溉总定额, 假设苜蓿建植当年每茬苜蓿生长发育所需灌水量均相同, 将每一茬刈割前后的灌溉量设3种灌溉定额分配模式:1)刈割前灌溉本茬次总灌水量的35%+刈割后灌溉本茬次总灌水量的65%(Q1), 2)刈割前灌溉本茬次总灌水量的50%+刈割后灌溉本茬次总灌水量的50%(Q2), 3)刈割前灌溉本茬次总灌水量的65%+刈割后灌溉本茬次总灌水量的35%(Q3), 重复3次。苗期进行充分灌溉, 在50%的幼苗从其基部叶腋产生侧芽, 并形成分枝时开始进行灌溉处理, 具体灌溉时间根据田间生长及天气情况在刈割前8~10 d、刈割后5~6 d进行。即, 除苗期进行两次充分灌溉外, 总共灌溉5次, 具体灌溉时间分别为2014年6月24日、7月10日、7月23日、8月27日、9月10日, 2015年6月19日、7月11日、7月30日、8月28日、9月19日。试验期间各月平均气温与降水量见表1, 具体灌溉定额分配如表2所示。

表1 试验期间各月平均气温与降水量 Table 1 Monthly mean temperature and precipitation during experiment
表2 不同处理灌溉定额(m3· hm-2)分配 Table 2 The irrigation quota distribution of different treatments (m3· hm-2)
1.2 试验材料

供试苜蓿品种为WL354。2014年4月19日播种, 苜蓿建植当年刈割两茬, 均在初花期(5%植株开花)进行, 留茬高度为5 cm; 具体刈割日期:7月6日第1茬刈割, 8月23日第2茬刈割。2015年4月26日播种, 苜蓿建植当年刈割两茬:7月10日第1茬刈割, 8月24日第2茬刈割。两年播种方式为均人工条播, 行距20 cm, 播种深度2 cm, 播种量18 kg· hm-2, 滴灌带浅埋于距地表8-10 cm土层, 间距60 cm, 具体灌溉量由试验小区的水表控制, 小区面积5.0 m× 8.0 m, 各个小区之间设1 m宽的人行通道, 以防小区之间水分相互渗透。除水分因子外, 其它管理按当地滴灌苜蓿高产田进行。施用肥料为尿素150 kg· hm-2和可溶性较好的磷酸一铵150~240 kg· hm-2, 平均分两次在每茬刈割后第1次灌水时通过滴灌系统采用“ 随水滴施” 的方式进行施肥。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 产量测定 用样方法测定。在每茬苜蓿初花期(开花5%左右)随机选取长势均匀一致且能够代表该小区长势的苜蓿植株, 以1 m× 1 m为一个样方, 用剪刀剪取样方内的苜蓿植株(留茬高度5 cm), 剔除灰藜(Chenopodium album)等杂草后称重, 记录苜蓿植株鲜草产量, 3次重复; 另取3份300 g左右鲜草样带回实验室于阴凉通风处风干至恒重, 测定其含水率并折算出苜蓿干草产量(kg· hm-2)。具体计算公式如下:

干草产量=鲜草产量× (1-含水率) (1)

1.3.2 株高测定 测定苜蓿产量的同时, 在不同处理的每个小区随机选取苜蓿植株30株, 用卷尺测定其到地表的拉直高度, 取其平均值(cm)。

1.3.3 茎粗测定 在株高测定的同时, 对测定株高的30株单株用游标卡尺测量距离地面5 cm处的茎粗(mm)。

1.3.4 叶茎比测定 在测定苜蓿产量的同时, 各小区剪取300 g左右完整植株带回实验室并风干至恒重, 然后将苜蓿样品进行人工茎、叶分离并称重, 进行叶茎比计算(%)。具体计算公式如下:

叶茎比=叶片重量/茎秆重量× 100% (2)

1.3.5 品质测定 苜蓿粗蛋白质(CP)含量测定采用凯氏定氮法, 酸性洗涤纤维(ADF)与中性洗涤纤维(NDF)含量根据van Soest方法测定[14]。

1.3.6 数据处理与分析 采用Excel 2007和SPSS 18.0进行数据处理与分析, 苜蓿生长性状、产量及营养品质的差异显著性分析采用Duncan法, 用Sigmaplot 10.0作图。

苜蓿各生长性状与干草产量、营养品质关系的拟合方程中, 线性方程和二次方程的拟合程度均好于其它拟合方程, 故本研究选择线性方程和二次拟合方程为例进行说明; 苜蓿第1茬和第2茬表现出相同的规律, 故本研究以第2茬为例进行说明; 在与营养品质的拟合中, 由于苜蓿各生长性状与酸性洗涤纤维含量的拟合趋势和与中性洗涤纤维含量的拟合趋势相似, 故本研究以苜蓿各生长性状与中性洗涤纤维含量的拟合为例进行说明。

2 结果与分析
2.1 苜蓿的株高、叶茎比、生长速度、茎粗

由于苜蓿建植当年苗期生长缓慢, 持续时间40 d左右, 不能准确界定苜蓿第1茬生长速度的初始测定高度, 故本研究只从第1茬刈割后开始计算第2茬苜蓿的生长速度。不同灌溉量处理条件下, 苜蓿的株高、叶茎比、生长速度、茎粗呈现出随灌溉量的增加而逐渐增加的趋势, W3处理显著大于W1处理(P< 0.05), 除生长速度和茎粗外, W2处理与W1、W3处理的株高、叶茎比差异不显著(P> 0.05), 两茬表现出相同的变化规律。相同灌溉量不同灌溉定额分配模式下, 建植当年苜蓿的株高、叶茎比、生长速度、茎粗均为Q1处理最大, 其次分别为Q2、Q3处理, 且第1茬苜蓿各生长性状指标均为Q1、Q2显著大于Q3处理, 第2茬均为Q1显著大于Q3处理, 两年表现出相同的规律(表3)。

表3 苜蓿的株高、叶茎比、生长速度、茎粗 Table 3 Height, leaf to stem ratio, growth rate and stem diameter of alfalfa
2.2 产量

不同灌溉量条件下, 除2014年苜蓿第1茬外, 随灌溉量的增大苜蓿建植当年各茬次干草产量均呈增加的趋势, 总干草产量表现出相同的规律, 均为W3处理最大, 其次分别为W2、W1处理, 且W3、W2处理显著大于W1处理(P< 0.05), 但W3、W2处理间差异不显著(P> 0.05)(表4)。可见, 灌溉量的增加有利于苜蓿建植当年干草产量的形成, 但当灌溉量达到一定额度时苜蓿干草产量增加效果不明显。相同灌溉量不同灌溉定额分配条件下, 苜蓿建植当年各茬次干草产量均为Q1处理最大, 其次分别为Q2、Q3处理, 且Q1、Q2、Q3处理间差异均显著(P< 0.05), 苜蓿建植当年总干草产量变化呈现相同趋势, 年际间苜蓿建植当年各茬次产量及总干草产量表现出相同的变化规律。

表4 2104和2015年不同灌溉处理下苜蓿干草产量(kg· hm-2) Table 4 Hay yield (kg· hm-2) of alfalfa under different irrigation treatments in 2014 and 2015
2.3 苜蓿各生长性状与干草产量之间的关系

为了分析苜蓿各生长性状与干草产量之间的关系, 明确苜蓿干草产量构成中各生长性状的贡献率, 选取第2茬苜蓿各生长性状与产量数据的平均值并将其拟合。结果表明(图1), 在相同灌溉量条件下, 苜蓿建植当年相同生长性状指标与干草产量的拟合模型二次方程的决定系数(R2)均高于线性方程的R2, 苜蓿第1茬和第2茬表现出相同的规律。两种拟合方程中各生长性状的决定系数大小均为叶茎比> 茎粗> 株高, 叶茎比、茎粗的决定系数显著大于株高的决定系数(P< 0.05)。说明二次方程的拟合程度好于线性方程, 在苜蓿各生长性状与干草产量的模型拟合中应首选二次方程模型; 各茬次中叶茎比和茎粗与苜蓿干草产量形成相关性更大。

苜蓿生长性状与第2茬干草产量之间的关系

The relationship between growth traits and the second cutting hay yield of alfalfa

注:* 表示显著相关, 图2、图3同。

Note: * indicate significant correlation at the 0.05 level, similarly for the Fig.2 and Fig.3.

2.4 营养品质

不同灌溉量条件下, 随灌溉量的增加苜蓿建植当年各茬次粗蛋白(CP)含量均逐渐增大, 且各茬次苜蓿的CP含量大小均为W3处理显著大于W2、W1处理(P< 0.05)(表5)。各茬次苜蓿的中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)含量均随灌溉量的增加呈先降低后升高的变化趋势, 且各茬次苜蓿的NDF、ADF含量均为W3处理大于W1、W2处理, 年际间不同处理下苜蓿各茬次的CP、NDF、ADF含量表现出相同的规律。相同灌溉量不同灌溉定额分配条件下, 苜蓿建植当年各茬次苜蓿CP含量均为Q1处理最大, 其次分别为Q2、Q3处理, 且Q1、Q2处理显著大于Q3处理(P< 0.05); 各茬次苜蓿的NDF、ADF含量均为Q1处理最小, 其次分别为Q2、Q3处理, 且Q1与Q2处理、Q2与Q3处理间差异不显著(P> 0.05), 而Q1与Q3处理间差异显著(P< 0.05)。

2.5 苜蓿生长性状与营养品质之间的关系

为了分析苜蓿各生长性状与营养品质之间的关系, 明确影响苜蓿营养品质的各项具体生长性状指标, 将苜蓿各生长性状与CP、NDF含量进行拟合。结果表明(图2、3), 在相同灌溉量条件下, 苜蓿建植当年相同生长性状指标与CP、NDF含量的拟合模型中也表现为二次方程的决定系数(R2)均高于线性方程的R2, 说明二次方程的拟合程度好于线性方程, 苜蓿第1茬和第2茬表现出相同的规律。苜蓿第2茬各生长性状指标与CP含量的拟合中, 拟合方程中各生长性状指标的决定系数大小顺序为叶茎比> 茎粗> 生长速度> 株高, 叶茎比、茎粗、生长速度的决定系数显著大于株高的决定系数(P< 0.05)(图2)。苜蓿第2茬各生长性状指标与NDF含量拟合差异不显著(P> 0.05)(图3), 且线性方程与二次方程的决定系数变化规律不一致, 以二次方程为例, 拟合方程中各生长性状指标的决定系数大小顺序表现为茎粗> 生长速度> 株高> 叶茎比。

图2 苜蓿生长性状与粗蛋白含量之间的关系Fig.2 The relationship between growth traits and CP of alfalfa

图3 苜蓿生长性状与中性洗涤纤维含量之间的关系Fig.3 The relationship between growth traits and NDF of alfalfa

3 讨论
3.1 灌溉定额分配对苜蓿植株生长性状的影响

大田作物产量的提高与灌溉有着直接的关系[15, 16], 合理的灌溉方式是干旱区实现高产节水的重要途径。在新疆干旱区棉田, 滴灌技术相对于传统大水漫灌方式可增产20%~30%[17]。而对于新疆绿洲区苜蓿, 滴灌方式更有利于苜蓿干草产量的提高[7]。对苜蓿生长性状与干草产量关系的研究表明, 枝条密度、比叶重、单枝干重、株高、单枝复叶数、光合速率、茎叶比和鲜干比等生长性状与多叶型苜蓿草产量显著相关, 株高、枝条密度、比叶重、节间数、鲜干比和茎叶比等生长性状与普通三叶型苜蓿草产量显著相关, 且茎叶比的降低能够促进苜蓿草产量的提高[18]。李治国等[19]采用主成分分析法研究发现, 叶片数、枝条性状、根蘖数及根颈粗度是影响三叶型紫花苜蓿干草产量的主要构成因子。本研究表明, 滴灌条件下随灌溉量的增加, 苜蓿的株高、叶茎比、生长速度、茎粗呈现出明显的增加趋势, 而灌溉量不变的条件下, 刈割前灌溉本茬次总灌水量的35%, 并在刈割后灌溉本茬次总灌水量的65%, 建植当年苜蓿的株高、叶茎比、生长速度、茎粗均为最大(表3), 进而影响苜蓿干草产量(表4)。说明合理的灌溉定额分配有利于苜蓿草产量构成的各生长性状指标的形成。

3.2 苜蓿各生长性状与产量之间的关系

苜蓿产量形成与植株生长性状关系密切[20]。研究表明, 苜蓿鲜草产量与茎数、株高正相关, 且在鲜草产量保持一定水平时, 茎数与茎高负相关[21]。王亚玲[22]研究发现, 生长高度、生长速度、再生速度与苜蓿草产量的相关性达到极显著水平, 且生长高度、生长速度、再生速度、分枝数对草产量的直接效应均为正值。本研究表明, 滴灌条件下, 建植当年苜蓿的叶茎比、茎粗、株高等生长性状指标与干草产量具有明显的相关关系, 二次方程拟合程度均好于线性拟合, 且苜蓿第2茬各生长性状与干草产量的拟合程度均高于第1茬(图1), 说明苜蓿建植当年第1茬各生长性状指标存在很大的不稳定性, 其可能原因为苜蓿建植当年苗期生长缓慢, 持续时间长, 第1茬产量形成没有一个明确的产量记录初始界定点。苜蓿各生长性状与第2茬干草产量的相关性更高, 且各茬次中对苜蓿干草产量形成贡献率最大的是叶茎比和茎粗, 株高对苜蓿干草产量的贡献率较小。这与何俊彦等[21]研究认为株高对苜蓿产量贡献率最大、刘磊等[23]提出植株高度是苜蓿干草产量一个很好的预测指标的结论不一致, 这主要是因为以上研究并没有将茎粗和株高放在一起分析其对苜蓿干草产量的贡献率, 且在一定程度上苜蓿的茎粗决定了其植株的高度, 对草产量而言二者具有很高的相关性。

表5 各茬次苜蓿的营养品质(%) Table 5 Nutritional quality (%) of alfalfa of different cuts
3.3 苜蓿各生长性状与营养品质之间的关系

苜蓿各生长性状对营养品质形成具有重要的影响。研究表明, 随着牧草的成熟, 茎叶比逐渐增加, 粗蛋白质含量明显下降, 且紫花苜蓿的粗蛋白含量与株龄(半月龄)呈显著负相关关系, 粗纤维含量与株龄呈显著正相关关系[24]。王亚玲[22]研究认为, 各生长性状对苜蓿粗蛋白质含量的直接贡献大小为生长高度> 茎叶比> 鲜重> 生长速度> 分枝数> 再生速度。另有研究发现, 粗蛋白含量与节间数、叶茎比显著正相关, 与株高、节间长显著负相关[25, 26]。本研究表明, 苜蓿建植当年各生长性状指标叶茎比、茎粗、生长速度对粗蛋白含量的贡献率显著大于株高(图2), 与前人研究结果一致, 主要是因为粗蛋白主要集中在苜蓿叶片中, 而叶片中的粗蛋白含量比茎高2~3倍。苜蓿各生长性状不仅与粗蛋白含量密切相关, 而且与中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量有着重要的关系。研究表明, 苜蓿的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量与叶茎比显著负相关[24], 紫花苜蓿的粗纤维含量与株龄和茎叶比正相关[26], 各生长性状对苜蓿中性洗涤纤维含量直接贡献大小为生长高度> 分枝数> 鲜重> 生长速度> 茎叶比> 再生速度[22]。本研究表明, 苜蓿建植当年各生长性状指标与中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量拟合差异不显著, 但各生长性状指标的二次方程的拟合程度大小顺序为茎粗> 生长速度> 株高> 叶茎比(图3)。说明茎粗对建植当年苜蓿纤维含量具有决定性的作用, 这可能与苜蓿茎秆的主要成分是纤维素有关。可见, 茎粗可以作为苜蓿营养品质中纤维含量高低评价的一项重要指标。

4 结论

1)滴灌苜蓿建植当年, 不同的灌溉量及灌溉定额分配对苜蓿干草产量及营养品质具有重要的影响。相同灌溉量条件下, 刈割前灌溉本茬次总灌水量的35%, 并在刈割后灌溉本茬次总灌水量的65%, 能够显著提高滴灌苜蓿建植当年干草产量及粗蛋白含量, 降低中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量, 进而提高苜蓿的营养品质。

2)从苜蓿各生长性状与干草产量及营养品质的拟合来看, 叶茎比、茎粗对苜蓿建植当年干草产量形成及营养品质改善的影响最大, 其次分别为生长速度和株高。

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