王 婷， 王開麗， 豆鵬鵬， 黃 晶， 張旭澤， 苗正洲， 王 堃*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學草業(yè)科學與技術(shù)學院， 北京 100193)

水是作物生長的重要限制因子，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，水分與植物生長密切相關(guān)，植物吸收及傳輸養(yǎng)分，并利用水分進行生長，土壤水分起著至關(guān)重要的作用[1-2]。我國北方農(nóng)牧交錯帶年平均降水在250～400 mm，屬于半干旱地區(qū)[3]，而地下水近年來呈現(xiàn)下降的趨勢，水資源緊缺、干旱問題較為突出，影響經(jīng)濟和社會的發(fā)展。氣候干旱、水資源短缺、大風日數(shù)多、加之人類高強度的土地資源開發(fā)利用等綜合影響下，農(nóng)牧交錯帶不斷突破生態(tài)系統(tǒng)健康閾值，成為了中國北方農(nóng)牧交錯帶沙質(zhì)荒漠化強烈發(fā)展的地區(qū)之一[4]。

水分利用效率指吸收單位碳的失水速率，即初級生產(chǎn)力與蒸散量的比值，水分利用效率也是評價植物生長適宜程度的綜合指標之一[5-6]。Miriti等[7-8]研究表明，土壤水分變化受土壤自身結(jié)構(gòu)和作物種類、自然降水的影響，合理的選擇性種植作物可以改善耗水作物對土壤養(yǎng)分的過度消耗。Zwart等[9]研究表明世界先進水平小麥水分利用效率為1.7 kg·m-3，玉米為2.7 kg·m-3，目前很多作物的水分利用率與先進水平相比，其潛在水分利用率很高，但水分利用率還存在著很大差距。通過對現(xiàn)有植被水分利用效率與生長結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究，比較節(jié)水性強、生產(chǎn)力高的作物種植類型，可以為實現(xiàn)干旱和半干旱地區(qū)植被建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)[10]。鑒于此，本文進一步分析了一年生飼草與主要農(nóng)作物對水資源的利用效率，以期為作物種植類型的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

試驗地位于中國北方農(nóng)牧交錯帶河北省張家口市察北管理區(qū)國家牧草產(chǎn)業(yè)體系張家口綜合試驗站(114°00′～118°15′ E，41°10～42°20′ N)。溫帶大陸性季風氣候，無霜期短，冬季寒冷漫長，春秋兩季短暫，風大沙多且降水少。當?shù)胤N植的作物主要有小麥、胡麻、土豆、玉米、燕麥、莜麥、苜蓿等。2021年平均氣溫4.8℃，年降水量為389.8 mm，作物種植期內(nèi)(5月28日至9月2日)降雨量占全年降雨量的61.6%。全年日照時數(shù)2 577.4 h，日照率年均66%，土壤質(zhì)地為沙壤土，具體表層土壤各類指標如表1所示，試驗期間氣象條件圖1所示。

表1 試驗地基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分指標Table 1 The basic soil nutrient indices of the experimental site

圖1 試驗期間氣象條件Fig.1 Meteorological conditions during the experiment period

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，試驗地前茬作物為黑麥草，種植的飼草或農(nóng)作物種子均從當?shù)剞r(nóng)民處購得。分別種植3種一年生飼草，燕麥(播量為15 kg·畝-1)、箭筈豌豆(播量為5 kg·畝-1)、玉米(播量為10 000株·畝-1)和4種農(nóng)作物，莜麥(播量為8 kg·畝-1)，小麥(播量為10·畝-1)、胡麻(播量為3 kg·畝-1)和馬鈴薯(播量為10 000株·畝-1)。每種作物種植4個重復，每個小區(qū)面積為3 m×5 m，保護行為1 m，玉米、馬鈴薯種植行距為30 cm，株距為20 cm，采用點播方法。燕麥、莜麥、小麥、胡麻種植行距為30 cm，采用條播方法(圖2)。采用旱作方式管理、測產(chǎn)、開展植保等農(nóng)藝管理措施。

圖2 試驗地作物種植小區(qū)布置圖Fig.2 Layout of crop planting plots in the experimental site

1.3 植物及土壤特征測定

1.3.1土壤含水量 土壤含水量測定方法參照文獻[11]。于生長季每月初期，用5 cm直徑土鉆取0～10 cm和10～20 cm土層土樣，測定土壤質(zhì)量含水量：

(1)

式中：M0為烘干鋁盒重(g)；M1為烘干前鋁盒與土樣重(g)；M2為烘干后鋁盒與土樣重(g)。

1.3.2產(chǎn)量和全生育期水分利用效率測定 作物成熟期進行測產(chǎn)，每個小區(qū)取樣10 株，莖葉分開稱取鮮重，65℃烘干72 h至恒重，稱取干重，計算鮮干比及莖葉比。每個小區(qū)收獲測產(chǎn)，獲得作物鮮重，并根據(jù)鮮干比估算作物干重產(chǎn)量。

產(chǎn)量或生物量水分利用效率WUE(kg·mm-1·ha-1)計算公式如下：

(2)

式中：Y為籽粒產(chǎn)量或生物量(kg·ha-1)；ET為農(nóng)田實際蒸散量(mm)。

根據(jù)水分平衡法計算作物整個生育時期耗水量(ET):

ET=ΔS+M+Pr+K

(3)

式中：ΔS為土壤貯水消耗量(mm)；M為灌水量(mm)；本試驗采取旱作種植，灌水量為0；Pr為降水量(mm)；K為地下水補給量(mm)，當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，K表示的地下水給作物補給量可以忽略，分析結(jié)果時可只考慮土壤貯水消耗量和降水量。

(3)葉片瞬時水分利用效率WUEi和潛在水分利用效率WUEp

在八月初使用LI-6400光合儀連續(xù)7天測得每種作物的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度，計算葉片瞬時水分利用效率，公式如下：

(4)

式中：Pn為葉片凈光合速率(μmol·m-2·s-1)；Tr為蒸騰速率(mmol·m-2·s-1)

(5)

式中：Gs為氣孔導度(mmol·m-2·s-1)

(4)植株養(yǎng)分含量測定植株全氮含量采用H2SO4-H2O2消解，連續(xù)流動分析儀(AA3，德國SEAL Analytical)進行測定；磷含量采用鉬銻抗比色法進行測定；NaOH熔融冷卻后，加HCl和H2SO4用火焰光度計進行鉀含量測定[12]。

(6)

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析前進行正態(tài)分布和方差齊性檢驗，采用SPSS17.0單因素方差分析(ANOVA)檢驗，擬合多元回歸模型使用了R語言“MuMIn”包。全文的圖形可視化采用Origin 2021。

2 結(jié)果與分析

2.1 一年生飼草與主要農(nóng)作物農(nóng)藝性狀比較

農(nóng)作物莜麥、小麥和胡麻的莖葉比均高于一年生飼草燕麥、箭筈豌豆和玉米，其中燕麥的差異最顯著，農(nóng)作物馬鈴薯的莖葉比最低(圖3)。一年生飼草箭筈豌豆和玉米的鮮干比顯著高于農(nóng)作物莜麥、小麥、胡麻的鮮干比(P<0.05)，小麥的鮮干比最低，顯著低于馬鈴薯、箭筈豌豆和玉米。

圖3 不同植株莖葉比和鮮干比Fig.3 Stem-leaf ratio and fresh-dry ratio of different plants注：不同字母表示不同作物莖葉比和鮮干比之間差異顯著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences in the ratio of stem to leaf and fresh to dry weight of different crops (P<0.05)

2.2 一年生飼草與主要農(nóng)作物產(chǎn)量比較

由表2可知，鮮重產(chǎn)量玉米最高，為63.92 t·hm-2，其次是莜麥，為38.84 t·hm-2，均顯著高于小麥、胡麻、馬鈴薯、燕麥和箭筈豌豆。干重產(chǎn)量玉米和莜麥最高，分別為12.01 t·hm-2和13.05 t·hm-2，其次是小麥、胡麻和燕麥，最低的是馬鈴薯和箭筈豌豆。

表2 各作物產(chǎn)量相關(guān)信息Table 2 Information about the yield of each crop

2.3 一年生飼草與主要農(nóng)作物水分利用率比較

圖4可知，葉片瞬時水分利用率和潛在水分利用率在不同作物之間是沒有顯著變化，小麥的瞬時水分利用率和潛在水分利用率最低，分別為0.77 g·kg-1和32.83 g·kg-1，玉米的瞬時水分利用率最高為1.195 g·kg-1，馬鈴薯的潛在水分利用率最高為42.06 g·kg-1，0～10 cm與10～20 cm土層中作物的水分利用效率規(guī)律基本一致，但在10～20 cm的平均利用率高于0～10 cm。作物間的水分利用率比較結(jié)果顯示玉米最高，在0～10 cm和10～20 cm土層中玉米水分利用率分別為116.70%，141.18%，顯著高于其他作物，莜麥分別為71.6%，85.65%，顯著高于小麥、胡麻、馬鈴薯、燕麥及箭筈豌豆。在0～10 cm箭筈豌豆水分利用率最低，僅為16.22%。在10～20 cm馬鈴薯土層中的水分利用率最低，僅為19.53%。

圖4 不同作物水分利用率Fig.4 Water use efficiency of different crops注：不同字母表示不同作物瞬時水分利用效率、潛在水分利用效率及水分利用效率之間的差異顯著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences between the instantaneous water use efficiency,potential water use efficiency and water use efficiency of different crops (P<0.05)

2.4 影響水分利用率的關(guān)鍵因子

表3可知，根據(jù)影響水資源利用的相關(guān)因子，模擬出一年生飼草水分利用率的多元線性回歸模型，該模型對于一年生飼草的水資源利用與各因子之間的關(guān)系具有較高的解釋力。一年生飼草水分利用率共擬合出兩個模型(WUE-1，WUE-2)，其中WUE-1最優(yōu)，模型解釋度為89.10%，主要植物磷含量、植物鉀含量、溫度、細胞間CO2濃度和鮮干比解釋；瞬時水分利用率的三個模型(WUEi-1，WUEi-2，WUEi-3)，其中WUEi-1最優(yōu)，模型解釋度為90.07%，主要由電導率、植物磷含量、植物鉀含量、溫度、細胞間CO2濃度和鮮干比解釋；潛在水分利用率總共擬合出四個多元回歸模型(WUEp-1，WUEp-2，WUEp-3，WUEp-4)，其中WUEp-2最優(yōu)，解釋度在97.62%，主要由植物磷含量、細胞間CO2濃度，植物鉀含量和鮮干比來進行解釋。

表3 一年生飼草水分利用率多元回歸模型Table 3 Multiple regression model of annual forage water use efficiency

由表4可知，農(nóng)作物水分利用率根據(jù)各因子之間的相關(guān)性總共擬合出8個模型(WUE-1，WUE-2，WUE-3，WUE-4，WUE-5，WUE-6，WUE-7，WUE-8)，其中WUE-8最優(yōu)，模型的解釋度為47.40%，農(nóng)作物中莖葉比、植物氮含量和細胞間CO2濃度越大，對于農(nóng)作物水分利用率的促進作用越強；瞬時水分利用率總共擬合出五個多元回歸模型(WUEi-1，WUEi-2，WUEi-3，WUEi-4，WUEi-5)，其中WUEi-2模型最優(yōu)，解釋為92.3%，主要由莖葉比、蒸騰速率、植物磷含量、溫度、植物氮含量、細胞間CO2濃度，植物鉀含量共同解釋，；潛在水分利用率總共擬合出兩個多元回歸模型(WUEp-1，WUEp-2)，其中WUEp-2)最優(yōu)，解釋度為92.0%，莖葉比、植物磷含量、植物氮含量和細胞間CO2濃度越高，農(nóng)作物的潛在水分利用率就越高。且所有模型均可以在一定程度解釋農(nóng)作物產(chǎn)量與其相關(guān)環(huán)境因子之間的關(guān)系(P<0.01)。

表4 農(nóng)作物水分利用率多元回歸模型Table 4 Multiple regression model of crop water use efficiency

3 討論

水資源處于農(nóng)業(yè)發(fā)展的短板位置，邵云等[12]研究我國北方農(nóng)牧交錯帶水分利用效率，發(fā)現(xiàn)植被種植類型是主導水分利用效率的主要因子。因此，種植不同的作物，對于水分的利用效率也截然不同。本試驗的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)一年生飼草與農(nóng)作物對水的利用效率存在顯著差異，支撐了其論點。此外，在本試驗期間，河北壩上農(nóng)牧交錯區(qū)2021年全年降水量為389.8 mm，在作物生育期內(nèi)降水量為240.0 mm，生育期處于夏季，氣溫高導致水分蒸散量大，降水的季節(jié)性分配不均都會造成水資源供求矛盾以及限制水熱組合協(xié)調(diào)性，更可能對生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和光、熱、土地資源生產(chǎn)效力耦合效應產(chǎn)生負面影響[13]。

一年生飼草利用方式主要是青貯飼料或者青飼料，其莖葉比和鮮干比是決定一年生飼草生產(chǎn)量的重要組成部分，莖葉比中葉片比例越高，養(yǎng)分含量越高，適口性也隨之變化[14-16]。鮮干比反映牧草干物質(zhì)積累程度和利用價值[17]，莖葉比低，鮮干比高?？梢哉{(diào)制干草或者做青飼料[18]。本文研究中燕麥的莖葉比最低，說明燕麥的飼用價值較高，與趙桂琴等[19]得出的燕麥因其莖葉比和鮮干比較優(yōu)而飼用價值較高結(jié)論一致。

農(nóng)牧交錯帶干旱少雨的氣候狀態(tài)有利于促進根系對深層土壤水分的吸收，特別是在作物生育后期[20]，本文研究結(jié)果顯示作物對水分的利用主要集中在10～20 cm土層。說明旱作方式促進了作物的根系生長，使得作物對深層次的土壤水分利用率提高。本文研究結(jié)果表明一年生飼草的產(chǎn)量要高于農(nóng)作物，說明在同等的降雨條件下，不考慮經(jīng)濟效益，僅生態(tài)效益而言一年生飼草的水資源利用率要更高，楊曉亞等[21]研究同樣說明產(chǎn)量的形成與土壤耗水量有直接關(guān)系，一年生飼草較適合在該區(qū)域種植，本試驗結(jié)果顯示玉米的鮮重產(chǎn)量為63.92 t·hm-2，水分利用率也為幾種作物中最高，這與張書興等[22]所述優(yōu)良的青貯玉米必須具備高生物產(chǎn)量的品質(zhì)一致，一方面有利于減緩作物對土壤水環(huán)境的損耗，同時也有利于生態(tài)農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。一年生飼草水分利用率和瞬時水分利用率大于農(nóng)作物，潛在水分利用率小于農(nóng)作物，而農(nóng)作物馬鈴薯水分利用率最低，潛在水分利用率最高，趙麗麗等[23]研究表明以地上籽實為利用方式的作物其地下生物量的增加可以使作物保持較高的水分利用率，這與本文馬鈴薯水分利用率最低相悖，原因在于馬鈴薯作為農(nóng)作物其利用方式主要以地下莖為主，本研究結(jié)果表明馬鈴薯在其生育階段形成塊莖時耗水量較多，需要充足水分，結(jié)合河北壩上地區(qū)干旱少雨的氣候條件，種植馬鈴薯可能會導致該地區(qū)水資源的過度消耗。唐建昭等[24]研究發(fā)現(xiàn)，未來氣候變化對農(nóng)牧交錯帶馬鈴薯等農(nóng)作物的產(chǎn)量和水分利用效率具有正面影響，未來氣候情景下，該地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展更適宜灌溉生產(chǎn)。

4 結(jié)論

一年生飼草水分利用率和瞬時水分利用率大于農(nóng)作物，潛在水分利用率小于農(nóng)作物。玉米和莜麥水分利用率最高，馬鈴薯水分利用率最低，潛在水分利用率最高。一年生飼草玉米的莖葉含水比和產(chǎn)量最高，燕麥次之，箭筈豌豆最低。