馮 萌 于 成 林麗果 吳冬強(qiáng) 宋 銳 劉慧霞**

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灌溉和施氮對(duì)河西走廊紫花苜蓿生物量分配與水分利用效率的影響*

馮 萌1于 成1林麗果2吳冬強(qiáng)1宋 銳2劉慧霞2**

(1．蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院/草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730020; 2. 西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院 蘭州 730030)

確定河西地區(qū)紫花苜蓿栽培草地的合理施氮量和灌溉量, 對(duì)優(yōu)化當(dāng)?shù)刈匣ㄜ俎Ｔ耘嗖莸厣锪糠峙浜吞岣咚掷眯示哂兄匾饬x。本研究利用田間試驗(yàn)研究了不同灌溉量(W1: 當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%; W2: 當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%; W3: 當(dāng)?shù)毓喔攘? 920 m3·hm-2)和施氮量[N1: 0 kg(N)?hm-2; N2: 40 kg(N)?hm-2; N3: 80 kg(N)?hm-2; N4: 120 kg(N)?hm-2]對(duì)2年生紫花苜蓿生物量分配特征及水分利用效率的影響。結(jié)果表明: 灌溉量為W2和W3時(shí)均顯著增加了紫花苜蓿株高、單株分枝數(shù)、地上生物量, 及20~40 cm、40~60 cm和0~60 cm土層的根系體積、根系生物量和水分利用效率, 且W2和W3的紫花苜蓿株高、單株分枝數(shù)和地上生物量差異不明顯, 說明采用當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%水量時(shí), 紫花苜蓿水分利用效率最高。隨著施氮量增加, 紫花苜蓿單株分枝數(shù)、葉莖比、根系體積、根系生物量、地上和地下生物量比和水分利用效率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì), 且在施氮量為80 kg(N)?hm-2時(shí)最大, 說明紫花苜蓿根系發(fā)育和水分利用效率對(duì)氮的響應(yīng)均存在劑量效應(yīng)。在水氮互作條件下, 處理W2N2或W2N3中紫花苜蓿株高、單株分枝數(shù)、根系體積和0~20 cm、20~40 cm、0~60 cm根系生物量及地上生物量與地下生物量比值和水分利用效率達(dá)到最優(yōu)。結(jié)合上述分析得出在灌溉量W2和施氮N3時(shí), 紫花苜蓿地上地下生物量比值和水分利用效率達(dá)最大值, 表明河西走廊紫花苜蓿栽培草地的適宜灌溉量為當(dāng)?shù)毓喔鹊?0%, 施氮量為80 kg·hm-2, 此時(shí)紫花苜蓿水分利用效率和地上地下生物量比值配置最優(yōu)。

水氮互作 河西走廊 紫花苜蓿 產(chǎn)量構(gòu)成 水分利用效率

紫花苜蓿()不僅產(chǎn)量和營養(yǎng)價(jià)值高, 而且能防風(fēng)固沙、保持水土和肥田沃土[1-3], 因此其栽培草地在世界范圍內(nèi)分布最廣[4]。雖然紫花苜蓿不耐澇, 但在干旱半干旱地區(qū)仍然需要灌溉以維持其正常生長發(fā)育[5]。隨著我國西部地區(qū)各種生態(tài)建設(shè)工程的持續(xù)推進(jìn), 紫花苜蓿栽培面積將逐漸增加, 這將有力推進(jìn)我國西部地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整[6-7]。然而紫花苜蓿面積的增加, 勢(shì)必會(huì)增加水資源灌溉量, 從而加劇西部地區(qū)水資源虧缺的困境。紫花苜蓿栽培草地是以收獲其營養(yǎng)體生物量為目的的經(jīng)濟(jì)作物, 因此提高紫花苜蓿栽培草地水資源利用效率, 讓每一克水生產(chǎn)出更多的營養(yǎng)體生物量, 是紫花苜蓿栽培草地管理的核心科學(xué)問題。紫花苜蓿根系在長期的生長發(fā)育過程中能夠形成根瘤[8],實(shí)現(xiàn)固氮, 供給生長, 因此紫花苜蓿栽培草地管理中往往因避免水體富營養(yǎng)化而不便直接增施氮肥[9]。但1齡和2齡紫花苜蓿栽培草地, 若播種階段沒有接種根瘤菌時(shí), 根系往往不易形成根瘤或根瘤數(shù)量較少, 自身固氮能力很弱[10], 此時(shí)需要增施氮滿足紫花苜蓿生長對(duì)氮的需求。

土壤肥力和水分對(duì)植物生長既具有協(xié)同作用, 又具有拮抗作用, 合理的水肥互作不僅能夠提高紫花苜蓿產(chǎn)量, 減少灌溉量和施氮量, 還能夠減輕土壤鹽漬化[11]和減少水資源灌溉量[12]。已有研究表明, 水磷互作可顯著增加紫花苜蓿地上生物量和水磷利用效率[13], 以及紫花苜蓿的根系生物量[14]。然而水氮互作能否像水磷互作一樣提高1齡和2齡紫花苜蓿的地上地下產(chǎn)量和水分利用效率, 尚需科學(xué)試驗(yàn)提供證據(jù)。

河西走廊是甘肅省乃至全國重要的紫花苜蓿栽培草地分布區(qū)[15], 隨著該區(qū)從制種基地向牧草生產(chǎn)基地的轉(zhuǎn)型, 紫花苜蓿栽培草地面積逐年增加[16]。然而該區(qū)水資源供給主要靠內(nèi)陸河, 水資源十分有限[17], 同時(shí)農(nóng)戶大面積種植紫花苜蓿時(shí)往往不會(huì)接種根瘤菌, 這嚴(yán)重影響了1齡和2齡紫花苜蓿栽培草地的生產(chǎn)性能。因此, 本研究分析了不同灌溉量和施氮量交互作用下紫花苜蓿產(chǎn)量和水分利用效率的變化特征, 以期豐富紫花苜蓿水肥耦合研究的內(nèi)容, 為河西走廊地區(qū)1齡和2齡紫花苜蓿水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省金塔縣西北部的農(nóng)墾集團(tuán)生地灣農(nóng)場(98°34￠~98°41￠N, 40°13￠~40°17￠E), 地處河西走廊中段巴丹吉林沙漠邊緣, 東西與戈壁荒漠相接, 南與沙漠丘陵相接。平均海拔1 260 m, 氣候?yàn)榈湫蜏貛Т箨懶詺夂? 年均降水量64.8 mm, 年均蒸發(fā)量2 336.6 mm。年均氣溫9.1 ℃, 1月平均最低氣溫為零下8.9 ℃, 7月平均最高氣溫24.5 ℃。平均日照總時(shí)數(shù)為3 193.2 h, ≥10 ℃有效積溫3 292 ℃, 全年無霜期120~150 d。土壤為砂壤土質(zhì), 土壤有機(jī)質(zhì)含量10.11 g·kg-1, 堿解氮含量37 mg·kg-1, 速效磷含量4 mg·kg-1, 速效鉀含量278 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試的紫花苜蓿栽培草地為2齡‘亮苜二號(hào)’草地, 該品種產(chǎn)地為加拿大, 具有抗逆性強(qiáng)、持續(xù)利用期長、草質(zhì)優(yōu)良、抗病性優(yōu)秀、營養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)。2014年5月初種植, 種植時(shí)未接種根瘤菌。鑒于建植當(dāng)年紫花苜蓿栽培草地產(chǎn)量不穩(wěn)定, 于2015年(2齡)開始水氮互作試驗(yàn)處理。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 灌溉量為主處理, 施氮量為副處理。灌溉量共設(shè)置3個(gè)水平, 分別為117 mm (1 170 m3·hm-2)、156 mm (1 560 m3·hm-2)、192 mm (1 920 m3·hm-2), 用W1、W2、W3表示, 其中W3為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉量, W1為當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%, W2為當(dāng)?shù)毓喔攘?0%。在生長季共灌溉2次, 第1次灌溉, 即返青水, 在5月初結(jié)束; 第2次灌溉為分枝期前后, 5月25日前結(jié)束。施氮量分別為0 kg(N)?hm-2、40 kg(N)?hm-2、80 kg(N)?hm-2和120 kg(N)?hm-2, 分別用N1、N2、N3和N4表示。共計(jì)12個(gè)處理(3個(gè)灌溉水平×4個(gè)施氮水平), 每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù), 共計(jì)36個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為10 m× 10 m=100 m2。為減小氮素和水分側(cè)向移動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響, 小區(qū)間設(shè)置寬1 m的走道。采用塑料軟管灌水, 用水表計(jì)量灌水量, 每次灌水按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的定額水量進(jìn)行灌溉, 水表出口接有自制的多孔塑管以保證小區(qū)內(nèi)灌溉均勻。施肥采用直接撒播方式, 氮源為尿素(含氮46.4%)。施肥分為兩次, 即灌溉前施肥, 每次根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)定額只施入一半, 兩次施入定額設(shè)計(jì)總量。

1.3 指標(biāo)測定

株高、單株分枝數(shù)和莖葉比的測定: 在紫花苜蓿初花期(2015年6月15日)進(jìn)行取樣, 每小區(qū)在距小區(qū)邊緣超過1 m的地方隨機(jī)選擇20株植株, 用卷尺測定其自然高度, 然后用手輕輕拋開選定植株地表土壤, 以主根為基礎(chǔ)記錄其枝條的一級(jí)分枝數(shù)。20株植株的平均高度和平均分枝數(shù)作為該小區(qū)紫花苜蓿植株的平均株高和單株分枝數(shù)。之后, 將植株齊地刈割, 分離莖和葉(花序包含至葉內(nèi)), 帶回實(shí)驗(yàn)室在105 ℃烘箱內(nèi)殺青15 min, 然后在70~80 ℃烘至恒重稱重, 20株的平均葉莖比作為植株葉莖比。

地上和地下生物量測定: 在測定完株高和單枝分株數(shù)后, 在每個(gè)小區(qū)采用對(duì)角線法選擇3個(gè)0.5 m× 0.5 m的樣方, 收獲其地上生物量, 然后將其帶回實(shí)驗(yàn)室在105 ℃下殺青30 min, 75 ℃下烘至恒重后稱重。用小土鏟挖土柱, 每20 cm取樣(土和根的混合物), 直至60 cm深, 每個(gè)樣先用0.5 mm的網(wǎng)篩過篩, 然后將其放在雙層紗布內(nèi)洗凈, 剔除雜物, 獲取根系樣品。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用濾紙吸干根系表面的水分, 將其放入盛有一定水量的量筒內(nèi), 并用玻璃棒輕輕攪動(dòng), 排除水中空氣, 此時(shí)量筒內(nèi)水分升高的體積, 即為紫花苜蓿根系體積。將根系樣品放在75 ℃烘箱中, 烘24 h, 冷卻后稱重, 即為各層根系的干重。

葉莖比計(jì)算公式為:

葉莖比=葉的生物量/莖的生物量 (1)

灌溉水利用效率計(jì)算公式為:

灌溉水利用效率(kg·hm-2·mm-1)=地上生物量(kg·hm-2)/灌水量(mm) (2)

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

將灌溉量和施氮量作為變量, 采用SPSS19.0軟件進(jìn)行Two-Way ANOVA方差分析, 采用Duncan比較法進(jìn)行多重比較分析, 采用MATLAB建立水氮互作對(duì)地下生物量和水分利用效率效應(yīng)的二元回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮互作對(duì)紫花苜蓿地上生物量和植物學(xué)特征的影響

灌溉量與施氮量的交互作用明顯影響了紫花苜蓿株高和單株分枝數(shù), 分別在W2N2和W2N3處理最大, 但對(duì)紫花苜蓿地上生物量及葉莖比沒有顯著影響。灌溉量對(duì)紫花苜蓿株高、單株分枝數(shù)和地上生物量產(chǎn)生明顯影響(表1), 但對(duì)葉莖比沒有顯著影響, 具體表現(xiàn)為灌溉量為W1處理植株株高和單株分枝數(shù)均顯著小于W2和W3處理(<0.05), W2和W3間差異不顯著, 而地上生物量隨灌溉量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì), 在W2時(shí)達(dá)最高。施氮量對(duì)紫花苜蓿單株分枝數(shù)和葉莖比產(chǎn)生顯著影響, 而對(duì)株高和地上生物量沒有顯著影響, 表現(xiàn)為施肥量N2和N3處理的單株分枝數(shù)顯著大于N1處理, 葉莖比表現(xiàn)為隨著施氮量逐漸增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), N3處理的葉莖比最大, 而N1、N2和N4處理葉莖比之間差異不顯著(<0.05)。

表1 水氮互作對(duì)紫花苜蓿地上生物量和植物學(xué)特征的影響

W1: 當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%; W2: 當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%; W3: 當(dāng)?shù)毓喔攘? 1 920 m3·hm-2; N1: 0 kg(N)?hm-2; N2: 40 kg(N)?hm-2; N3: 80 kg(N)?hm-2; N4: 120 kg(N)?hm-2。*和**分別表示該處理在0.05和0.01水平具有顯著效應(yīng), ns則表示該因素不具顯著效應(yīng); 不同小寫字母表示不同灌溉處理間差異顯著(<0.05), 下同。W1: 60% of the conventional irrigation amount; W2: 80% of the conventional irrigation amount; W3: the conventional irrigation amount, 1 920 m3?hm-2; N1: 0 kg(N)?hm-2; N2: 40 kg(N)?hm-2; N3: 80 kg(N)?hm-2; N4: 120 kg(N)?hm-2. * and ** indicate significance at 0.05 and 0.01 level, respectively; ns indicates no significance. Different lowercase letters indicate significant differences among irrigation treatments at 0.05 level. The same below.

2.2 水氮互作對(duì)紫花苜蓿根系的影響

2.2.1 對(duì)根系體積的影響

灌溉量和施氮量交互作用明顯影響了不同土層紫花苜蓿根系體積(表2), 其中0~20 cm和0~60 cm根系體積在W2N2處理達(dá)最高(<0.05), 20~40 cm在W2N1和W2N2處理達(dá)最大值(0.05), 40~60 cm根系體積在W2N2和W2N3達(dá)最大值(<0.05)。單因素條件下, 灌溉量明顯影響了20~40 cm、40~60 cm和0~60 cm土層紫花苜蓿根系體積, 但對(duì)0~20 cm土層根系體積沒有顯著影響, 表現(xiàn)為隨灌溉量增加, 20~ 40 cm、40~60 cm和0~60 cm根系體積均為先增加后降低的變化趨勢(shì)(<0.05), 灌溉量為W2時(shí)最大。施氮量明顯影響了紫花苜蓿根系體積, 其中20~40 cm土層紫花苜蓿根系體積隨施氮量增加具有降低趨勢(shì), 施氮量為N4時(shí)的根系體積顯著小于其他施氮量, 而其他土層紫花苜蓿根系體積均隨施氮量增加表現(xiàn)為先增加后降低, 最大值出現(xiàn)于N2或N3處理(<0.05)。

2.2.2 對(duì)根系生物量的影響

灌溉量、施氮量以及兩者間的交互作用均明顯影響了不同土層紫花苜蓿的根系生物量(表3)。其交互作用使0~20 cm、20~40 cm、0~60 cm土層根系生物量在W2N3處理達(dá)最高, 而40~60 cm土層根系生物量在W3N2處理達(dá)最大。0~20 cm、20~40 cm、40~ 60 cm和0~60 cm土層根系生物量均隨灌溉量增加呈增加態(tài)勢(shì), 其中20~40 cm、40~60 cm和0~60 cm土層根系生物量在W2和W3間差異不顯著, 但W2和W3處理的根系生物量卻顯著大于W1處理的根系生物量。隨施氮量增加, 不同土層生物量基本表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢(shì), 最大值出現(xiàn)于N3。

2.3 水氮互作對(duì)紫花苜蓿地上和地下生物量比的影響

灌溉量與施氮量交互作用顯著影響紫花苜蓿地上和地下生物量比(表4)。在灌溉和施氮交互作用的影響下, 各土層地上和地下生物量比均在W2N3處理達(dá)最大。灌溉量對(duì)紫花苜蓿地上和地下生物量比沒有明顯影響, 但施氮量顯著影響了紫花苜蓿地上和地下生物量比, 隨施氮量增加, 不同土層地上和地下生物量比均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì), 其中施肥量為N3時(shí)的地上和地下生物量比顯著大于其他施肥量處理(<0.05)。

表2 水氮互作對(duì)紫花苜蓿不同土層根系體積的影響

表3 水氮互作對(duì)紫花苜蓿地下生物量的影響

續(xù)表

處理Treatment地下生物量 Underground biomass (g·m-3) 0~20 cm20~40 cm40~60 cm0~60 cm 灌溉量×施氮量Irrigation amount × nitrogen application rate W2N1407.3±49.4c424.9±45.4abc304.9±17.0cdef1 137.0±107.8cdef N2485.9±36.3bc363.7±40.8cde363.7±40.8abcd1 213.3±114.6cde N3795.0±43.1a513.5±26.6a410.7±26.7ab1 719.1±57.2a N4604.3±44.7b381.0±40.9bcde335.7±15.7bcdef1 321.0±96.5bcd W3N1439.7±17.3c285.2±17.1de344.4±43.5abcde1 069.3±39.1def N2588.4±26.7b500.6±46.6a426.5±20.3a1 515.6±75.8ab N3498.8±45.0bc500.7±27.0a367.4±37.8abcd1 367.0±90.5bc N4488.4±33.5bc498.8±44.9a380.3±20.3abc1 368.0±96.4bc 顯著性Sig.*******

表4 水氮耦合對(duì)紫花苜蓿地上和地下生物量比的影響

2.4 水氮互作對(duì)紫花苜蓿水分利用效率的影響

灌溉量、施氮量及其交互作用均顯著影響了紫花苜蓿的水分利用效率(圖1)。兩個(gè)因子的交互作用影響下, 紫花苜蓿水分利用效率在處理W2N3時(shí)達(dá)最高。隨著灌溉量增加, 紫花苜蓿水分利用效率總體呈先增加后降低的變化態(tài)勢(shì), 在W2時(shí)達(dá)最大(<0.05); 隨施氮量增加, 紫花苜蓿水分利用效率呈先升高后降低的趨勢(shì), 在施氮量為N3時(shí)達(dá)最高(<0.05)。

IA: 灌溉量; NAR: 施氮量; IA′NAR: 灌溉量和施氮量交互作用。 IA: irrigation amount; NAR: nitrogen application rate; IA′NAR: interaction between irrigation amount and nitrogen application rate.

2.5 水氮互作與紫花苜蓿地下生物量和水分利用效率的關(guān)系

2.5.1 灌溉量和施氮量與地下生物量的關(guān)系

地上生物量()與灌溉量(1)、施氮量(2)的二元二次多項(xiàng)式擬合的數(shù)學(xué)模型為=-4 091+6.7551+ 9.0012-0.002 0912-0.000 412-0.060 2422,檢驗(yàn)時(shí),=0.000 032,2=0.8, 說明灌水量、施氮量與紫花苜蓿地下生物量具有極其顯著回歸關(guān)系。12的一次項(xiàng)系數(shù)均為正值, 說明灌溉量和施氮量對(duì)紫花苜蓿地下生物量均具有明顯增產(chǎn)作用, 且2系數(shù)1系數(shù), 表明在一定含水量范圍內(nèi)施氮的增產(chǎn)效應(yīng)大于灌水的增產(chǎn)效應(yīng)。1222的二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值, 說明紫花苜蓿隨灌溉量和施氮量增加呈一條開口向下的拋物線, 存在報(bào)酬遞減規(guī)律(圖2a), 說明一定灌水條件下, 隨施氮量增加紫花苜蓿地下生物量先增加后降低, 而一定施氮條件下, 隨灌水量增加紫花苜蓿地下生物量亦呈先增加后降低的趨勢(shì), 因此紫花苜蓿最高地下生物量出現(xiàn)在W2N3。

2.5.2 灌溉量和施氮量與水分利用效率的關(guān)系

水分利用效率()與灌溉量(1)、施氮量(2)的數(shù)學(xué)擬合方程為=-148.36+2.1941+0.032 92-0.006 912-0.000 1812-0.000 1522,檢驗(yàn)時(shí),=0.000 041,2=0.98, 說明灌水量、施氮量均與紫花苜蓿的水分利用效率呈極顯著回歸關(guān)系。12的一次項(xiàng)系數(shù)均為正值, 表明灌溉量和施氮量均能夠增加紫花苜蓿的水分利用效率, 且1系數(shù)>2系數(shù), 表明在一定施氮量范圍內(nèi)灌水提高紫花苜蓿水分利用效率的效應(yīng)大于施氮的效應(yīng)。1222的二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值, 說明紫花苜蓿隨灌溉量和施氮量增加呈一條開口向下的拋物線(圖2b)。在灌水一定的條件下, 隨施氮量增加紫花苜蓿水分利用效率先增加后降低; 在施氮量一定條件下, 隨灌水量增加紫花苜蓿水分利用效率呈先增加后降低的趨勢(shì), 紫花苜蓿最高水分利用效率出現(xiàn)在W2N3。

3 結(jié)論和討論

河西走廊乃至西北內(nèi)陸河流域紫花苜蓿生產(chǎn)不僅受水資源短缺的影響, 而且受土壤肥力的影響[17-18]。隨著河西走廊逐漸成為甘肅省乃至全國紫花苜蓿生產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)域[15,19], 如何通過較低的灌溉量和施肥量維持紫花苜蓿正常產(chǎn)量成為高效利用自然資源、且不降低經(jīng)濟(jì)收益的重要科學(xué)問題。研究結(jié)果表明, 雖然灌溉量沒有明顯影響紫花苜蓿葉莖比、0~20 cm土層紫花苜蓿的根系體積、地上和地下生物量比; 但其顯著影響了紫花苜蓿株高、單株分枝數(shù)、地上生物量, 以及20~40 cm、40~60 cm、0~60 cm土層的根系體積、根系生物量和水分利用效率。說明灌溉量通過影響地上生物量而影響單位面積產(chǎn)值[20], 并通過影響深層根系分布而影響紫花苜蓿利用較深土壤層資源的能力[21]。W2(灌溉量為當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%)和W3(當(dāng)?shù)毓喔攘?處理紫花苜蓿株高、單株分枝數(shù)和地上生物量差異不明顯, 但W2卻顯著增加了土壤深層紫花苜蓿的根系體積, 提高了水分利用效率, 說明采用當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%水量時(shí), 就能夠維持紫花苜蓿栽培草地的正常產(chǎn)量, 主要原因是增加了根系利用土壤深層資源的能力, 提高了紫花苜蓿的水分利用效率, 因此當(dāng)?shù)毓芾碜匣ㄜ俎Ｔ耘嗖莸貢r(shí)常用的灌溉量過大, 客觀上造成水資源浪費(fèi)。但當(dāng)紫花苜蓿灌溉量為當(dāng)?shù)毓喔攘康?0%時(shí), 紫花苜蓿地上產(chǎn)量及構(gòu)成要素、根系生物量和體系均顯著降低, 說明此時(shí)已經(jīng)對(duì)紫花苜蓿的正常生長形成水分脅迫, 從而抑制了紫花苜蓿的生產(chǎn)[22], 水分利用效率也很低。因此僅從灌溉量的角度, 河西走廊當(dāng)?shù)毓芾碜匣ㄜ俎Ｔ耘嗖莸貢r(shí), 其采用的灌溉量較正常需求過大, 適當(dāng)?shù)亟档妥匣ㄜ俎９喔攘?節(jié)省20%的灌溉量)就能實(shí)現(xiàn)紫花苜蓿節(jié)水而不減產(chǎn)的目的。

研究結(jié)果表明, 紫花苜蓿單株分枝數(shù)、葉莖比、根系體積、根系生物量、地上和地下生物量比和水分利用效率均隨施氮量增加先增加后降低, 說明紫花苜蓿根系發(fā)育能力和水分利用效率對(duì)氮的響應(yīng)均存在劑量效應(yīng), 表現(xiàn)為施氮量為N3[80 kg(N)?hm-2]時(shí)最大, 說明80 kg(N)?hm-2可考慮為當(dāng)?shù)氐淖钸m宜施氮量。最適施氮量能夠促進(jìn)紫花苜蓿葉片[23]和根系[24]的生長, 提高紫花苜蓿葉片光合生產(chǎn)能力和水分利用能力, 并通過增加紫花苜蓿根系而提高其攝取養(yǎng)分和水分的能力[25], 且有助于紫花苜蓿將光合產(chǎn)物更多地分配于地上。當(dāng)研究地區(qū)的施氮量低于80 kg(N)?hm-2時(shí), 土壤養(yǎng)分供給能力較低[26], 紫花苜蓿葉片生長和根系發(fā)育受阻, 迫使光合能力和水分利用效率降低[24], 而當(dāng)施氮量超過80 kg(N)?hm-2, 土壤供給的可利用氮盈余, 紫花苜蓿根系從較小范圍內(nèi)吸收的氮量就能滿足其生長需求, 因而導(dǎo)致根系自身發(fā)育能力減緩, 這從施氮量為120 kg(N)?hm-2和80 kg(N)?hm-2時(shí)紫花苜蓿根系集中分布層(20~40 cm)根系體積和生物量差異不顯著得到佐證。

灌溉和施肥具有一定的協(xié)同效應(yīng)[27-28], 這是因?yàn)檫m當(dāng)施氮能夠改善土壤的理化性質(zhì), 提高土壤的通氣性, 有助于溶入水中的氮在土壤中轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸, 從而加快氮素固定和礦化[29]。然而當(dāng)施氮量和灌溉量不匹配時(shí), 過量施肥會(huì)提高土壤水勢(shì), 易使紫花苜蓿遭受水分脅迫, 影響其生長, 而當(dāng)土壤水分過大時(shí), 土壤中的硝態(tài)氮會(huì)因淋洗而部分損失, 形成氮素供給不足[30]。研究結(jié)果表明在W2N2[灌溉量為當(dāng)?shù)毓喔鹊?0%, 施氮量為40 kg(N)?hm-2]或W2N3[灌溉量為當(dāng)?shù)毓喔鹊?0%, 施氮量為80 kg(N)?hm-2]時(shí), 紫花苜蓿株高、單株分枝數(shù)、根系體積、0~20 cm、20~40 cm和0~60 cm根系生物量、水分利用效率和地上生物量與地下生物量比值達(dá)最優(yōu)。這是因?yàn)檫m宜的水氮互作會(huì)增加葉片氣孔導(dǎo)度, 增強(qiáng)紫花苜蓿光合速率和水分利用效率[31]: 一方面通過促進(jìn)植物根系發(fā)育, 增強(qiáng)根系的吸水功能, 提高作物水分利用效率[32]; 另一方面, 提高土壤水分的有效性, 使一部分原來對(duì)紫花苜蓿生長“無效”的水變得“有效”[33]。紫花苜蓿的地上生物量通常作為人們獲取的目標(biāo)產(chǎn)物, 是植物初級(jí)生產(chǎn)力的最終表現(xiàn), 而根系生物量的積累是植物在地下獲取資源能力的直接表達(dá)方式之一, 較強(qiáng)的根系發(fā)展能力, 能吸收更多的營養(yǎng)元素和水分能力, 從而提高紫花苜蓿地上生物量, 提高地上生物量與地下生物量比值和水分利用效率是紫花苜蓿實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。灌溉量和施肥量與紫花苜蓿根系生物量模擬關(guān)系, 灌溉量和施肥量與紫花苜蓿水分利用效率的模擬關(guān)系, 均表現(xiàn)為一條開口向下的拋物線, 說明灌溉量和施肥量均存在報(bào)酬遞減規(guī)律, 只有在適當(dāng)灌溉量和施肥量條件下, 紫花苜蓿地上地下生物量配置和水分利用效率才能最符合經(jīng)營管理目標(biāo)。河西走廊適宜的灌溉量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民灌溉的80%和施氮量為80 kg(N)?hm-2, 此時(shí)紫花苜蓿水分利用效率和地上地下生物量比值配置最優(yōu)。

綜上所述, 灌溉量、施氮量, 以及兩者互作均明顯影響了紫花苜蓿地下生物量和水分利用效率。當(dāng)施入一定量的氮肥后, 采用比當(dāng)?shù)卣９喔人捷^低的灌溉量可維持與正常灌溉水平下紫花苜蓿地下生物量, 即灌溉量為當(dāng)?shù)毓喔人?0%、氮肥施入量為80 kg(N)?hm-2, 地上生物量與地下生物量比值和水分利用效率最高, 整體上證明了水肥互作能夠降低紫花苜蓿栽培草地管理中的灌溉量和施肥量, 從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約灌溉和減少生產(chǎn)施肥成本的目標(biāo)。

本研究已發(fā)現(xiàn)適宜的水氮互作能夠提高第1茬紫花苜蓿水分利用效率, 但水氮互作條件下是否能夠影響第2茬紫花苜蓿植株性狀、產(chǎn)量以及水分利用效率, 有待進(jìn)一步研究。

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Effects of water and nitrogen fertilizer on biomass distribution and water use efficiency of alfalfa () in Hexi Corridor*

FENG Meng1,YU Cheng1, LIN Liguo2, WU Dongqiang1, SONG Rui2, LIU Huixia2**

(1. State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems / College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China; 2. College of Life Science and Engineering, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, China)

Alfalfa () has high nutritional quality and biomass production and is widely used as pasture in animal production and soil erosion control. There are many factors influencing the production of alfalfa, including fertilizer and water use. The applications of both nitrogen and irrigation have been the critical factors for improving water use efficiency without considerable yield reduction in alfalfa. Thus the determination of a reasonable application of nitrogen andirrigation is important for the optimization of biomass distribution characteristics and improvement of water use efficiency in alfalfa fields in Hexi Corridor. To that end, a field study was conducted in 2014 in Jiuquan City (in the Hexi Corridor of Gansu Province, China) to research the effects of different irrigation amounts (W1: 60% of the conventional irrigation amount; W2: 80% of the conventional irrigation amount; W3: the conventional irrigation amount, 1 920 m3·hm-2) and nitrogen application rates [N1: 0 kg(N)?hm-2; N2: 40 kg(N)?hm-2; N3: 80 kg(N)?hm-2; N4: 120 kg(N)?hm-2] on biomass distribution characteristics and water use efficiency of 2-year alfalfa plantations. The study investigated the effects of nitrogen application, irrigation and the related interaction on alfalfa plant height, branch number per plant, leaf-stem ratio, root volume, root biomass, aboveground- belowground biomass ratio and water use efficiency. The results suggested that W2and W3treatments significantly increased plant height, branch number per plant and aboveground biomass. It also increased root biomass, root volume in 20-40 cm, 40-60 cm and 0-60 cm soil layer and water use efficiency. Moreover, plant height, branch number per plant and aboveground biomass were not obviously different between W2and W3treatments. This suggested that 80% of the conventional irrigation scheme not only maintained normal biomass production in alfalfa plants, but also improved water use efficiency. Branch number per plant, leaf-stem ratio, root volume, root biomass, aboveground-belowground biomass ratio and water use efficiency initially increased and then decreased with increasing nitrogen application. These parameters peaked under the treatment of 80 kg(N)?hm-2nitrogen, which suggested that nitrogen application significantly influenced root development and water use efficiency of alfalfa plants. Besides this, W2N2or W2N3treatments had the potential to optimize plant height, branch number per plant, root volume and belowground biomass in the 0-20 cm, 20-40 cm and 0-60 cm soil layers. The ratio of aboveground to belowground biomass and water use efficiency was also optimized under W2N2or W2N3treatments. It was concluded that 80% of the conventional irrigation amount and 80 kg(N)?hm-2of nitrogen application were the optimal treatment for alfalfa pasture in Hexi Corridor.

Water-nitrogen interaction; Hexi Corridor; Alfalfa; Yield components; Water use efficiency

10.13930/j.cnki.cjea.160449

S541.9

A

1671-3990(2016)12-1623-10

2016-05-16 接受日期: 2016-09-08

* 甘肅省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2013GS05907)和蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(lzujbky-2014-m01)資助

**通訊作者:劉慧霞, 主要研究方向?yàn)椴輼I(yè)科學(xué)。E-mail: liuhuixia2@aliyun.com 馮萌, 主要研究方向?yàn)椴輼I(yè)科學(xué)。E-mail: fengm15@lzu.edu.cn

* Supported by the Key Science and Technology Project of Gansu Province (2013GS05907) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Lanzhou University (lzujbky-2014-m01)

** Corresponding author, E-mail: liuhuixia2@aliyun.com

Received May 16, 2016; accepted Sep. 8, 2016