張宏斌，齊廣平，康燕霞，銀敏華，馬彥麟，姜淵博，康 瑤

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

人工草地是現(xiàn)代化畜牧業(yè)生產(chǎn)體系中的一個(gè)重要組成部分。隨著我國(guó)畜牧業(yè)的快速發(fā)展，加強(qiáng)人工草地建設(shè)不僅能有效緩解飼草季節(jié)供應(yīng)不均衡的矛盾，還能保障蛋白質(zhì)飼料緊缺問(wèn)題[1]。西北內(nèi)陸干旱草原區(qū)幅員遼闊，土地和光熱資源豐富，是我國(guó)重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地[2]。然而，該地區(qū)干旱少雨、水資源短缺、草原“三化”問(wèn)題突出[3]，且人工草地生產(chǎn)管理粗放、生產(chǎn)水平低下，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展。隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的推行，以節(jié)水灌溉為主的人工草地建設(shè)已發(fā)展成為保障農(nóng)牧民收入、保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境以及緩解草畜矛盾和生態(tài)惡化的重要途徑[4]。

紫花苜蓿(Medicago sativa L)被譽(yù)為“牧草之王”，是我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)種植面積最廣的多年生優(yōu)質(zhì)豆科牧草，不僅產(chǎn)量高、品質(zhì)好，而且能提高土壤肥力，改善生態(tài)環(huán)境[5]，在河西干旱草原區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)中發(fā)揮有至關(guān)重要的作用[6]。無(wú)芒雀麥(Bromus inermis L.)具有適應(yīng)性強(qiáng)、葉量大、適口性好等優(yōu)點(diǎn)，各種家畜喜食[7]。多年生豆禾牧草混播種植方式具有產(chǎn)量高、草質(zhì)優(yōu)和營(yíng)養(yǎng)搭配均衡等特點(diǎn)，是當(dāng)前最主要的人工草地種植方式[8]。張永亮等[9]研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿-無(wú)芒雀麥組合產(chǎn)量穩(wěn)定性要優(yōu)于苜蓿-垂穗披堿草組合。李強(qiáng)等[10]研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿和羊草混播時(shí)，利于豆科固氮的最優(yōu)初始混播比例為50%。水分作為干旱區(qū)最為關(guān)鍵和敏感的生態(tài)因子，是影響人工草地生產(chǎn)力的主要因素之一[11]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于豆禾混播草地的研究主要集中于牧草種類[12]、混播比例[13]和施肥水平[14]等方面，關(guān)于水分調(diào)控對(duì)混播草地影響的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究以紫花苜蓿單播、無(wú)芒雀麥單播以及二者混播為研究對(duì)象，通過(guò)探究單、混播種植模式下紫花苜蓿和無(wú)芒雀麥的牧草產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用對(duì)水分調(diào)控的響應(yīng)，以期為保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境和人工草地合理灌溉管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年在大禹節(jié)水集團(tuán)牧草試驗(yàn)基地進(jìn)行，該基地位于甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣明花鄉(xiāng)前灘村，海拔1390m。該地屬西北內(nèi)陸干旱草原區(qū)，日照強(qiáng)烈，多年平均降水量85mm，年均蒸發(fā)量2148mm，年均氣溫7.3℃，全年無(wú)霜期130d左右，屬典型內(nèi)陸荒漠氣候區(qū)。試驗(yàn)地土壤為砂壤土，田間持水量為21.2%(質(zhì)量含水率)；0～100cm土壤有機(jī)質(zhì)含量3.16g/kg，堿解氮含量25.12mg/kg，pH 7.28，土壤容重1.4g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)以紫花苜蓿(清水苜蓿)和無(wú)芒雀麥(卡爾頓無(wú)芒雀麥)為研究對(duì)象，設(shè)種植模式和水分調(diào)控2個(gè)因素，其中種植方式為無(wú)芒雀麥單播(W)、紫花苜蓿單播(M)和無(wú)芒雀麥+紫花苜?；觳?H，播種比例1∶1)；水分調(diào)控(以土壤水分占田間持水量(θf(wàn))的百分?jǐn)?shù)計(jì)，計(jì)劃濕潤(rùn)層深度60cm)設(shè)為充分灌水(T0，75%～85%)，輕度虧水(T1，65%～75%)，中度虧水(T2，55%～65%)和重度虧水(T3，45%～55%)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)，小區(qū)間設(shè)置1m寬隔離帶，小區(qū)面積為5m×5m。具體試驗(yàn)處理見(jiàn)表1。

草地于2017年5月建植，人工條播，條播間距為25cm。灌水方式采用噴灌，各小區(qū)鋪設(shè)PE材質(zhì)熱熔管道，中央布設(shè)一個(gè)噴頭，噴頭采用塑料蝶形微噴頭，圓形噴射，噴射半徑2～4m。安裝閥門和水表(精度0.0001m3)控水。當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤體積含水量占田間持水量的百分比達(dá)到所在處理的設(shè)計(jì)水分下限時(shí)開(kāi)始灌水，灌到設(shè)計(jì)水分上限。試驗(yàn)期間，各處理的田間管理保持一致。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1氣象數(shù)據(jù)

利用布設(shè)在試驗(yàn)基地的WSTQ天圻智能氣象站獲取試驗(yàn)期間降水量、大氣溫度等氣象資料，如圖1所示。

表1 噴灌條件下人工草地調(diào)虧灌溉試驗(yàn)設(shè)

1.3.2土壤含水率

采用便攜式時(shí)域反射儀TDR(德國(guó)IMKO公司產(chǎn)PICO-BT)測(cè)定土壤含水率，于每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)距離中央1.25m處隨機(jī)布設(shè)1根測(cè)管，監(jiān)測(cè)根區(qū)0～120cm土層的體積含水率。每隔3d測(cè)定1次，灌水前后和降水后加測(cè)，每隔15d用取土烘干法對(duì)土壤含水率進(jìn)行校正。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)主要用來(lái)判斷土壤水分是否達(dá)到設(shè)計(jì)灌水下限，計(jì)算土壤儲(chǔ)水量變化，利用水量平衡法計(jì)算耗水量。

1.3.3牧草產(chǎn)量

在紫花苜蓿進(jìn)入初花期時(shí)，各小區(qū)隨機(jī)選取1m×1m的樣地進(jìn)行刈割，混播草地分離苜蓿、無(wú)芒雀麥，立即稱量牧草鮮重。然后放入烘箱，于105℃殺青30min， 65℃恒溫烘48h，冷卻稱其干重。

圖1 試驗(yàn)期間降水量和平均氣溫分布

1.3.4牧草品質(zhì)

粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)(CP，%)：采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(Hanon K1160)測(cè)定粗蛋白含量。用下式計(jì)算粗蛋白產(chǎn)量(CPY，kg/hm2):

CPY=CP×Y

(1)

式中，Y—干物質(zhì)產(chǎn)量，kg/hm2。

1.3.5作物耗水量

采用水量平衡法計(jì)算作物耗水量：

(2)

式中，i—土層編號(hào)；n—總土層數(shù)；γi—第i層土壤干容重；Hi—第i層土壤厚度，cm；θi1、θi2—第i層土壤時(shí)段初和時(shí)段末的含水率，%，以占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計(jì)；M—時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；P0—有效降水量，mm；K—時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，試驗(yàn)地地下水較深，K值忽略不計(jì)。

1.3.6水分利用效率

水分利用效率計(jì)算公式：

WUE=Y/ET

(3)

式中，Y—牧草產(chǎn)量，kg/hm2；ET—總耗水量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用采用Microsoft Excel 2016和Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，利用IBM SPSS Statistics22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析、顯著性檢驗(yàn)和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分調(diào)控對(duì)人工草地耗水規(guī)律的影響

由表2可知，人工草地灌水量和耗水量變化規(guī)律基本一致，隨著灌水量的增加，人工草地耗水量也逐漸增大。H各茬次的灌水量均低于M，H比M年灌水量平均減少42.08mm；草地之間的耗水量差異顯著(P<0.05)，M較H、W年耗水量分別平均增加6.82%、17.09%。

H在各水分處理下灌水量和耗水量差異顯著(P<0.05)，HT0年灌水量和耗水量最大，為630.01、706.68mm，與HT0相比，HT1、 HT2和HT3的年耗水量分別降低了16.43%、21.45%和28.88%。種植模式、水分梯度對(duì)年耗水量影響極顯著(P<0.01)，二者的交互作用對(duì)年耗水量影響顯著(P<0.05)。

2.2 水分調(diào)控對(duì)人工草地干草產(chǎn)量的影響

如圖2所示，可以看出，各茬次間的干草產(chǎn)量表現(xiàn)為第一茬>第二茬>第三茬；三種草地第一茬的產(chǎn)量分別占年產(chǎn)量的42.76%(W)、43.44%(M)、44.24%(H)。從種植模式來(lái)看，混播較單播產(chǎn)量有顯著提高(P<0.05)，混播平均年產(chǎn)量為16332.18kg/hm2，較苜蓿、無(wú)芒雀麥單播平均年產(chǎn)量分別提高1716.34、9632.44kg/hm2；隨水分調(diào)控程度的加重，人工草地的干草產(chǎn)量逐漸下降；混播種植全年干草產(chǎn)量表現(xiàn)為T0>T1>T2>T3，T0產(chǎn)量達(dá)到19434.60kg/hm2，T1與之相比，降幅最小，為8.57%；T1與T2、T3差異顯著(P<0.05)，T1較T2、T3產(chǎn)量分別增加20.92%、32.26%?；觳ゲ莸刂泻滩荼壤S水分虧缺的加大而逐漸減少，無(wú)芒雀麥在混播草地年產(chǎn)量貢獻(xiàn)率依次為37.99%，36.53%，30.94%和28.18%。

表 2 不同水分梯度下人工草地各茬灌水量和耗水量 單位：mm

圖2 水分調(diào)控對(duì)人工草地干草產(chǎn)量的變化

2.3 水分調(diào)控對(duì)人工草地粗蛋白含量的影響

水分調(diào)控對(duì)人工草地粗蛋白含量影響顯著，見(jiàn)表3。隨著水分調(diào)虧的加劇，牧草粗蛋白含量逐漸升高，灌水量與粗蛋白含量呈負(fù)相關(guān)。W、M和H的蛋白含量差異顯著(P<0.05)，且含量大小為：M >H>W，三種草地的粗蛋白含量最高分別為23.17%(MT3)、22.13%(HT3)和13.55%(WT2)。從粗蛋白產(chǎn)量來(lái)看，各茬次粗蛋白產(chǎn)量與干草產(chǎn)量變化相近，H總粗蛋白平均產(chǎn)量最高，為3000.78kg/hm2，分別較W、M高2244.42、96.53kg/hm2?；觳シN植的總粗蛋白產(chǎn)量在T0下最高，為3156.42kg/hm2，但與T1差異不顯著，而T1與T2、T3存在顯著差異(P<0.05)，T1較T2、T3分別增加6.80%、9.67%。種植模式、水分梯度以及二者的交互作用對(duì)總粗蛋白產(chǎn)量影響極顯著(P<0.01)。

2.4 水分調(diào)控對(duì)人工草地水分利用效率的影響

由圖3所示，不同水分調(diào)控處理下人工草地的水分利用效率存在差異，且各茬次之間有所不同，第一茬3種種植模式的水分利用效率均高于第二茬和第三茬；相比W，M和H顯著提高了水分利用效率。由圖3(d)所示，不同種植模式下，全年水分利用效率均表現(xiàn)為T1處理下最高，且混播種植大于單播種植，H的全年平均水分利用效率為2.77kg/m3，較W、M分別提高了122.28%、18.52%。混播種植下，T1處理水分利用效率顯著高于其他水分處理(P<0.05)，HT1較HT0、HT2、HT3水分利用效率提高了9.45%、14.02%和12.73%產(chǎn)量是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中最重要的生長(zhǎng)指標(biāo)，草地的干草產(chǎn)量是通過(guò)光合作用產(chǎn)生的地上部分各生物量之和。水分是植物各種生理活動(dòng)的必要條件，水分調(diào)虧灌溉下，土壤含水量虧缺會(huì)影響牧草的光合作用，進(jìn)而導(dǎo)致干草產(chǎn)量降低[16]。本研究表明，隨著水分虧缺的加大，人工草地的干草產(chǎn)量降低。T1處理與 T0處理相比，無(wú)芒雀麥單播之間差異不顯著(P<0.05)，苜蓿單播降低產(chǎn)量8.28%，混播降低8.57%。在相同水分虧缺條件下，混播草地全年干草產(chǎn)量均高于兩種牧草的單播產(chǎn)量，這與徐然然[17]，康文彥[6]的研究結(jié)果相似?；觳ゲ莸氐钠骄戤a(chǎn)量是單播無(wú)芒雀麥的1.45倍，這與Sebahattin[18]研究得出的混播產(chǎn)量是單播平均值的1.7倍的結(jié)果相似；產(chǎn)生這一現(xiàn)象可能是由于豆禾混播后，紫花苜蓿通過(guò)共生菌固定的氮被禾本科利用，促進(jìn)了無(wú)芒雀麥的生長(zhǎng)，同時(shí)迫使紫花苜蓿固定更多的氮來(lái)保證自身需求。同時(shí)，混播草地提高植被覆蓋度，降低土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，提高水分利用效率，促進(jìn)牧草生長(zhǎng)。本研究表明，隨著水分虧缺的加大，無(wú)芒雀麥干草產(chǎn)量在混播產(chǎn)量中的比例下降，水分對(duì)豆禾混播草地的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，豆科和禾本科在混播系統(tǒng)中生態(tài)位有差異[19]，對(duì)豆禾混播水分競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

3 討論

水分是影響作物生產(chǎn)的首要因素，水分虧缺會(huì)影響人工草地的生長(zhǎng)，制約草地生物量的積累[15]。

表3 水分調(diào)控對(duì)人工草地各茬粗蛋白含量和粗蛋白產(chǎn)量

圖3 水分調(diào)控對(duì)人工草地水分利用效率的影響

粗蛋白含量的高低是反映牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一，是食草家畜不可或缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[20]。蔻丹[21]等研究結(jié)果顯示，灌溉量和牧草粗蛋白含量呈負(fù)相關(guān)，隨著水分虧缺的加重，牧草的粗蛋白含量增大，這與本研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樗痔澣睂?duì)牧草莖的生長(zhǎng)抑制大于葉片，在紫花苜蓿和無(wú)芒雀麥中，葉片的粗蛋白含量要高于莖，水分虧缺加大后導(dǎo)致葉片在植株中的占比加大，從而粗蛋白含量增高。蔣慧[22]等研究發(fā)現(xiàn)，混播種植的苜蓿和無(wú)芒雀麥粗蛋白含量均高于單播，本研究中混播草地的粗蛋白含量低于苜蓿單播，但高于無(wú)芒雀麥單播。粗蛋白產(chǎn)量是衡量牧草經(jīng)濟(jì)效益主要參照，在各水分梯度下，混播均能提高粗蛋白產(chǎn)量。

在農(nóng)牧業(yè)發(fā)展中，獲取較高的作物產(chǎn)量和水資源利用效率成為人們追求的主要目標(biāo)。提高農(nóng)業(yè)用水效率是保障生態(tài)環(huán)境健康，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水的必然選擇[23]。提高人工草地水分利用效率是保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要問(wèn)題，適宜的水分調(diào)虧灌溉可以降低作物的耗水量，提高水分效率[24- 25]。本研究表明，不同的灌水量對(duì)人工草地水分利用和干物質(zhì)形成有很大影響，隨著水分虧缺程度的加大，人工草地的灌水量和耗水量均降低。同一種植模式下，牧草在T1水分處理下的水分利用效率最高；在同一水分調(diào)控處理下，各茬次混播草地的水分利用效率均高于單播，這可能是因?yàn)闊o(wú)芒雀麥根系分布淺，主要吸收上層土壤水分，苜蓿根系較深，可利用下層土壤水分，促進(jìn)了混播草地水分利用效率的提高，且由于紫花苜蓿和無(wú)芒雀麥生態(tài)位的不同，混播草地的覆蓋度更大，草地?zé)o效蒸發(fā)降低。王自奎[26]等在小麥/玉米套作的研究中也發(fā)現(xiàn)，土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)是降低草群水分利用效率的影響因子之一。

4 結(jié)論

(1)從種植模式看：混播種植較無(wú)芒雀麥、紫花苜蓿單播年產(chǎn)量分別增幅143.77%、11.74%；混播種植與紫花苜蓿單播的粗蛋白含量和粗蛋白產(chǎn)量無(wú)顯著差異。

(2)從水分梯度看：隨虧水程度加劇，單播和混播草地的粗蛋白含量逐漸增加，水分利用效率先增大后減小，三種種植模式均在輕度水分調(diào)控下水分利用效率達(dá)到最高，其中混播種植輕度水分調(diào)控下水分利用效率達(dá)到3.01kg/m3。

本研究可為河西內(nèi)陸干旱草原區(qū)高效節(jié)水人工草地的建設(shè)與發(fā)展提供理論依據(jù)。但本試驗(yàn)只對(duì)單混播種植模式下人工草地全生育期的水分調(diào)控進(jìn)行了研究，而分生育時(shí)期水分調(diào)控對(duì)人工草地的影響需要進(jìn)一步的探究。