關(guān)鍵詞：地下滴灌；苜蓿；滴頭流量；滴灌帶埋深；作物根系

0引言

我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占比大，灌溉水利用系數(shù)偏低，節(jié)水潛力巨大。滴灌灌溉技術(shù)不斷發(fā)展，其在缺水的西北牧區(qū)具有良好的推廣應(yīng)用前景。地下滴灌是一種微灌技術(shù)，具有少量多次、節(jié)水增產(chǎn)之特點(diǎn)，可有效減少土壤蒸發(fā)和深層滲漏，提高灌溉水利用效率。地下滴灌關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如滴灌帶類型、灌水定額、滴灌帶埋深、滴頭流量、滴灌帶壁厚、滴頭間距等，決定了地下滴灌的灌水效果，最終影響作物根系生長(zhǎng)及產(chǎn)量。相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，與地面灌溉相比，地下滴灌有效提高大田農(nóng)作物、蔬菜和水果的產(chǎn)量與用水效率、灌溉水生產(chǎn)率和水生產(chǎn)率，優(yōu)化作物根冠比，提高根系活力，促進(jìn)作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收。李德智等研究發(fā)現(xiàn)，滴頭流量為2.50L／h時(shí)，玉米水分利用效率和產(chǎn)量均處于較低水平，隨著滴頭流量的增大，玉米水分利用效率和產(chǎn)量先減小后增大。李顯激等建議地下滴灌棉田一次性滴灌帶埋深以15cm左右為宜，同時(shí)，地表蒸發(fā)隨著滴灌帶埋深的加大逐漸減小、深層滲漏損失逐漸增大。馬鐵成研究發(fā)現(xiàn)潛埋式滴灌（埋深為5～8cm）灌水定額在一定范圍內(nèi)顯著影響北疆紫花苜蓿產(chǎn)量，其葉面積指數(shù)隨著灌水定額的增大而增大，生長(zhǎng)呈現(xiàn)先快后慢的倒L形趨勢(shì)。適宜的地下滴灌灌水量能顯著提高水分利用效率，反之減少作物產(chǎn)量。

紫花苜蓿是牧區(qū)最具飼用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的多年生牧草之一，其生長(zhǎng)和灌水受時(shí)間（多年）和空間（地上地下）的限制。在鄂爾多斯等砂性土壤質(zhì)苜蓿種植地區(qū)，不適宜推廣地面灌溉技術(shù)，且地面滴灌與多年生牧草在種植、刈割和管理方面的適應(yīng)性較差，特別是苜蓿根系的發(fā)育具有階段性和動(dòng)態(tài)性（一年刈割多茬），而滴灌帶的性能參數(shù)（壁厚、少量多次）存在多樣性和復(fù)雜性。本文基于紫花苜蓿地下滴灌田間試驗(yàn)，探究砂性土壤環(huán)境條件下地下滴灌對(duì)紫花苜蓿根系和產(chǎn)量的影響，提出鄂爾多斯紫花苜蓿種植地區(qū)適宜地下滴灌關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以期為該地區(qū)紫花苜蓿地下滴灌的推廣及應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于水利部灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站（鄂爾多斯市鄂托克前旗敖勒召其鎮(zhèn)），該地區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫7.9℃，年平均降水量261mm，年平均水面蒸發(fā)量2498mm，年平均風(fēng)速2.6m／s，年平均日照時(shí)數(shù)2958h；年平均無(wú)霜期157d，最大凍土層深度1.54m。根據(jù)項(xiàng)目組長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，當(dāng)?shù)氐能俎Ｖ饕贩N為草原二號(hào)，觀測(cè)根系主要埋深集中在20～60cm；根系最大、最小密集層埋深20～30cm。同時(shí)采用水量平衡方程對(duì)地下滴灌條件下紫花苜蓿整個(gè)生育期的耗水量和耗水強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得出全生育期內(nèi)耗水量為400～500mm、耗水強(qiáng)度為2.65～3.13mm／d，第二茬耗水量最大。有效降雨量Pi根據(jù)式（1）計(jì)算：

對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定和調(diào)查，結(jié)果見(jiàn)表1。采用德國(guó)造激光粒度儀（HELOS/BR-RO-DOS）測(cè)定各層土樣粒徑，依據(jù)USDA土壤質(zhì)地劃分標(biāo)準(zhǔn)確定土壤類型為砂土。環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，飽和含水率為22.04%，田間持水率為18.58%，凋萎系數(shù)為3.51%，地下水埋深為1.2～2.0m。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2015-2016年開(kāi)展，試驗(yàn)用紫花苜蓿品種為草原2號(hào)，播種日期為2015年6月13日。播種前進(jìn)行土地平整，種植行間距為15cm，期間同步進(jìn)行中耕和除草等，在2016年進(jìn)行取樣測(cè)定。各茬生育階段劃分為苗（返青）期、分枝期、現(xiàn)蕾期和初花期，第一茬4月12日至6月12日，第二茬6月13日至7月25日，第三茬7月26日至9月17日。

各茬生育期內(nèi)灌水均采用地下滴灌方式，滴灌帶類型采用貼片式，壁厚為0.4mm，滴頭間距30cm，滴灌帶間距60cm，田間小區(qū)之間設(shè)置寬1m的隔離帶。試驗(yàn)前已對(duì)滴灌帶的性能進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)定，確保滴灌帶均勻度和流量的準(zhǔn)確性。

結(jié)合鄂托克前旗試驗(yàn)區(qū)的土壤類型和氣候條件以及適宜紫花苜蓿地下滴灌技術(shù)已有研究成果，據(jù)此確定了本研究的灌水時(shí)機(jī)和灌水量。灌水時(shí)機(jī)由苜蓿不同生育期實(shí)測(cè)土壤含水率確定，第一年（2015年）為保障苜蓿的生長(zhǎng)，在苗期的土壤含水量為田間持水量的60%時(shí)開(kāi)始灌溉，拔節(jié)期至開(kāi)花期在土壤含水量為田間持水量的55%時(shí)開(kāi)始灌溉；第二年（2016年）分別在第一茬返青期土壤含水量為田間持水量的55%、拔節(jié)期和分枝期為60%、開(kāi)花期為65%，第二、第三茬返青期、拔節(jié)期和分枝期為60%、開(kāi)花期為65%時(shí)開(kāi)始灌溉。針對(duì)滴灌帶灌水技術(shù)參數(shù)中的滴灌帶埋深和滴頭流量分別開(kāi)展了田間小區(qū)試驗(yàn)。

滴灌帶埋深試驗(yàn)（試驗(yàn)一）中，設(shè)計(jì)了2個(gè)參數(shù)：灌水定額（Q）和滴灌帶埋深（D）。各處理水平設(shè)置具體為：滴灌帶埋深分別為10、20、30cm，灌水定額分別為15.0、22.5、30.0mm，共9個(gè)處理，3次重復(fù)，每個(gè)田間小區(qū)面積為20 mx5 m，每條滴灌帶控制2行苜蓿。滴灌帶埋深試驗(yàn)各處理水平見(jiàn)表2。

滴灌帶滴頭流量試驗(yàn)（試驗(yàn)二）中，設(shè)計(jì)了3個(gè)參數(shù)：滴頭流量（L）、滴灌帶埋深（D）和灌水定額（Q）。各因素設(shè)置水平具體為：滴頭流量分別為1.38、2.00、3.00L/h，滴灌帶埋深分別為10、15cm，灌水定額分別為22.5、15.0mm，共12個(gè)處理，3次重復(fù)，每個(gè)田間小區(qū)面積為8mx20m，每條滴灌帶控制4行苜蓿，試驗(yàn)處理水平見(jiàn)表3。

土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備12套，分別對(duì)試驗(yàn)二中的各處理深度為10、20、30、40、60cm土層土壤含水率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用土鉆取土烘干法，從播種至收獲每10d測(cè)定1次土壤含水率對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。各處理灌水日期和灌水次數(shù)相同，水表記錄灌水量。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

1）苜蓿根莖分布指標(biāo)：在開(kāi)花期分別用鐵鍬挖取苜蓿根系，用純凈水沖洗干凈并吸干水分，采用Marquez-Ortiz法測(cè)定根莖直徑（游標(biāo)卡尺測(cè)根莖膨大處長(zhǎng)度）、根莖人土深度（從地表到根莖上端長(zhǎng)度）、分枝數(shù)（從根莖直接長(zhǎng)出的分枝數(shù)）。

2）苜蓿根系形態(tài)指標(biāo)：采用Epson6.0根系特征掃描儀進(jìn)行根系圖像處理，Johnson法確定根系形態(tài)特征，包括主根直徑（根莖1.0cm處直徑）、主根長(zhǎng)度（根莖以下主根一直到根莖直徑≥0.1cm處的長(zhǎng)度）、側(cè)根數(shù)（側(cè)根離主根0.5cm處的直徑≥0.1cm的根數(shù)量）、側(cè)根直徑、側(cè)根位置（距離根莖最近的一個(gè)側(cè)根位置）、根系生物量（根系干重）。

3）產(chǎn)量：在初花期（10%植株開(kāi)花）刈割，每次刈割后進(jìn)入下一輪生長(zhǎng)周期，本試驗(yàn)區(qū)的苜蓿每年刈割3茬。采用樣方法進(jìn)行測(cè)定，在每個(gè)田間小區(qū)劃定的1m2樣方內(nèi)隨機(jī)選取，稱地上部鮮重（5株），重復(fù)3次。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素（One-WayANOVA）方差分析和多重比較，采用Excel 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和繪圖。

2結(jié)果分析

2.1地下滴灌關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)苜蓿根系特征的影響

由表4可知，試驗(yàn)一中滴灌帶埋深對(duì)苜蓿根系特征中的根尖數(shù)、主根長(zhǎng)、側(cè)根發(fā)生數(shù)、側(cè)根位置有顯著影響。埋深10cm的根尖數(shù)顯著大于埋深20、30cm的，說(shuō)明苜蓿根系主要集中分布在10～30cm，埋深10cm的根系為了獲得生長(zhǎng)所需水分，生長(zhǎng)出了更多的根尖，其根尖數(shù)相對(duì)較多。而埋深20、30cm的主根長(zhǎng)、側(cè)根發(fā)生數(shù)和側(cè)根位置顯著高于埋深10cm的，這是由于滴灌帶附近水分充足，因此根系生長(zhǎng)旺盛。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，滴灌帶埋深對(duì)根系比表面積、側(cè)根直徑的影響并不顯著。本試驗(yàn)結(jié)果與滴灌帶埋深對(duì)夏玉米根重密度影響的研究結(jié)果相一致；同時(shí)，試驗(yàn)取根過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)側(cè)根主要分布在10～30cm處。因此，滴灌帶埋深宜設(shè)置在20cm左右，這樣有利于水肥有效地運(yùn)輸?shù)礁?，保證能被根系高效吸收。

由表4可知，試驗(yàn)二中滴頭流量對(duì)苜蓿根系特征中的主根直徑、側(cè)根直徑、側(cè)根發(fā)生數(shù)有顯著影響，滴頭流量為2.0L/h的較滴頭流量為1.38L/h和3.0L/h的分別顯著高出24.13%和30.12%、16.67%和31.25%、10.00%和22.22%，說(shuō)明滴頭流量為2.0L/h有利于苜蓿根系的生長(zhǎng)和發(fā)育。不同滴頭流量的根系比表面積、分枝數(shù)和根系生物量也存在顯著差異，具體表現(xiàn)為滴頭流量為1.38、2.0L/h的較3.0L/h的分枝數(shù)分別多20%、33.33%，當(dāng)?shù)晤^流量為2.0L/h時(shí)，苜蓿根系的分枝數(shù)最多，根系比表面積最大，根系生物量最高，有利于苜蓿的地上部分發(fā)育。說(shuō)明苜蓿地下滴灌關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)中的滴灌帶滴頭流量控制在2.0L/h以下時(shí)有利于苜蓿的根系發(fā)育。

由表4可知，試驗(yàn)二中灌水定額對(duì)苜蓿的根系比表面積、根尖數(shù)、側(cè)根發(fā)生數(shù)、側(cè)根位置影響顯著。灌水定額為15.0mm較22.5mm的根系根尖數(shù)顯著提高24.11%，22.5mm的側(cè)根位置比15.0mm的低50.12%，說(shuō)明減少灌水定額有利于苜蓿根系向下發(fā)育。灌水定額為15.0mm的根系比表面積較22.5mm處理顯著提高23.29%，且側(cè)根發(fā)生數(shù)更多。說(shuō)明隨著灌水定額的減少，苜蓿地上部分生長(zhǎng)發(fā)育需水強(qiáng)烈，根系的比表面積和根尖都會(huì)進(jìn)一步增加，從而提高吸收水分的機(jī)會(huì)、保證植株的正常生長(zhǎng)。同時(shí)，適當(dāng)降低灌水定額有利于苜蓿根系向下扎深，側(cè)根位置更加靠下，有利于苜蓿在當(dāng)?shù)囟囡L(fēng)氣候的砂地生長(zhǎng)。但隨著灌水定額的減少，根系分枝數(shù)減少，紫花苜蓿的產(chǎn)量會(huì)有所降低。

2.2地下滴灌關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響

滴灌帶埋深對(duì)作物生態(tài)形狀和生理活動(dòng)的影響最終反映在產(chǎn)量上，作物生長(zhǎng)發(fā)育的不同時(shí)期進(jìn)行不同滴灌帶埋深的滴灌，會(huì)直接影響作物的生育、生理指標(biāo)，最終影響作物產(chǎn)量。由圖2可知，試驗(yàn)一中相同的灌水定額下，滴灌帶埋深為20cm的苜蓿產(chǎn)量最大，埋深為10cm的產(chǎn)量最小，不同處理間無(wú)顯著差異。當(dāng)灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為10cm的產(chǎn)量較灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為20cm的產(chǎn)量降低了2.4%，無(wú)顯著差異。說(shuō)明，滴灌帶埋深對(duì)苜蓿的產(chǎn)量影響較小，且各處理不同苜蓿茬次產(chǎn)量間也無(wú)顯著差異。

在試驗(yàn)二中，苜蓿生育期內(nèi)共刈割三茬，這里選取第二茬苜蓿產(chǎn)量進(jìn)行分析。由圖3（圖中Q1、Q2分別為灌水定額22.5、15.0mm，D1、D2分別為滴灌帶埋深10、15cm）可知，在灌水定額和埋深相同的情況下，不同滴頭流量對(duì)苜蓿產(chǎn)量有影響。對(duì)比不同滴頭流量的苜蓿產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，滴頭流量為2.00L/h的苜蓿產(chǎn)量最高、1.38L/h次之、3.00L/h產(chǎn)量最小。當(dāng)灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為10cm時(shí)各處理無(wú)明顯差異，埋深為15.0mm時(shí)，滴頭流量為2.00L/h較3.00L/h的產(chǎn)量顯著提高了10%。當(dāng)灌水定額為15.0mm、滴灌帶埋深為10cm時(shí)，滴頭流量為2.00L/h較3.00L/h的產(chǎn)量顯著提高了9.14%；當(dāng)灌水定額為22.5mm、滴灌帶埋深為15mm時(shí)，滴頭流量為2.00L/h較3.00L/h的產(chǎn)量顯著提高了20%。說(shuō)明隨著灌水定額和滴頭流量減小，處理間產(chǎn)量差異更加顯著，當(dāng)灌水定額較小時(shí)，滴頭流量越大，土壤灌水均勻性越差，導(dǎo)致苜蓿的根系不能充分利用土壤有效水，造成產(chǎn)量下降。同時(shí)，在砂土地下滴灌條件下，滴頭流量為2.00L/h時(shí)更有利于提高苜蓿的產(chǎn)量。

在試驗(yàn)一中，水分虧缺對(duì)苜蓿根系狀態(tài)和生理活動(dòng)的影響最終反映在產(chǎn)量上，作物生長(zhǎng)發(fā)育的不同時(shí)期進(jìn)行不同的水分處理，會(huì)直接影響作物的生育、生理指標(biāo)，最終影響作物產(chǎn)量。由圖4可知，苜蓿的產(chǎn)量與生育期的灌水量有關(guān)，隨著灌水定額的增大而增大。滴灌帶埋深為20cm情況下不同灌水定額的第一、第二、第三茬總產(chǎn)量分別6970.5、9087.0、10762.5kg/hm2。隨著灌水定額的增加，產(chǎn)量分別增加30.4%和18.4%。第一茬苜蓿的各處理產(chǎn)量與第二茬無(wú)明顯差異。隨著灌水定額的增大，不同滴灌帶埋深的苜?？偖a(chǎn)量均存在顯著差異。

3討論

地下滴灌通過(guò)影響土壤濕潤(rùn)體形態(tài)特征及其水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而改善苜蓿根系特征與產(chǎn)量，特別是對(duì)砂土地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本研究區(qū)的夏季苜蓿田間蒸發(fā)強(qiáng)烈，水分向上運(yùn)動(dòng)增加，土壤含水率直接或間接影響了苜蓿根系的生長(zhǎng)，最終表現(xiàn)在株高和產(chǎn)量等生育指標(biāo)上，在研究結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)喂鄮裆顬?0cm時(shí)，苜蓿根系密集區(qū)也位于此，其不僅抑制了棵間土壤蒸發(fā)，而且提高了水分利用效率。這與本研究中，當(dāng)?shù)喂鄮裆顬?0cm時(shí)有利于根系根尖生長(zhǎng)、不利于側(cè)根的生長(zhǎng)的結(jié)果相似，進(jìn)一步體現(xiàn)出滴灌帶的埋深直接決定了砂性土壤濕潤(rùn)鋒的位置，非飽和土壤水分垂直人滲較水平人滲快，濕潤(rùn)鋒的形狀影響苜蓿根系形態(tài)和根系側(cè)根的分布，對(duì)苜蓿根系主根的影響并不顯著，這與張望望等、夏玉慧等的研究結(jié)果相似。還有一些研究也表明適宜的滴灌帶埋深能夠提高作物產(chǎn)量，如：劉曉菲等研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)喂鄮裆顬?0～30cm時(shí)，馬鈴薯可獲得最大單產(chǎn)：李蓓等研究發(fā)現(xiàn)，相比于滴灌帶埋深10cm，滴灌帶埋深為15、30cm可顯著提高春玉米籽粒和鮮穗產(chǎn)量，均與本研究的結(jié)果相似。

在本研究中，濕潤(rùn)鋒水平和垂直方向上的運(yùn)移距離均隨灌水定額和滴頭流量的增大而增大，特別是在砂性土壤中，灌水定額和滴頭流量過(guò)大，易造成深層滲漏，影響產(chǎn)量。相關(guān)的研究中，隨著滴頭流量的減小，灌水均勻性增強(qiáng)，苜蓿分枝數(shù)較多，更有利于作物地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育并提高產(chǎn)量，水分利用效率也較高。本研究結(jié)果中，當(dāng)灌水定額為22.5mm、滴頭流量為2.00L/h時(shí)，更有利于苜蓿根系的生長(zhǎng)發(fā)育，產(chǎn)量的增幅明顯，說(shuō)明當(dāng)減少灌水定額和滴頭流量時(shí)，根系向下發(fā)育顯著影響苜蓿的根系比表面積、根尖數(shù)、側(cè)根發(fā)生數(shù)、側(cè)根位置，這與汪堃等的研究結(jié)果相似。一些研究還發(fā)現(xiàn)，干草產(chǎn)量的貢獻(xiàn)二級(jí)分枝數(shù)>一級(jí)分枝數(shù)，促進(jìn)了根系生長(zhǎng)和生物量的增加，提高了苜蓿二級(jí)分支、葉面積指數(shù)和干草產(chǎn)量，也與本研究所得增加灌水定額能夠顯著提高苜蓿產(chǎn)量的結(jié)果相一致。

4結(jié)論

地下滴灌關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)中的滴灌帶埋深為20cm、滴頭流量為2.00L/h、灌水定額為22.5mm時(shí)，更有利于砂土地區(qū)苜蓿根系的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。灌水定額對(duì)根系特征中的比表面積、根尖數(shù)、側(cè)根發(fā)生數(shù)、側(cè)根位置有顯著影響。滴灌帶埋深對(duì)苜蓿側(cè)根的影響顯著；同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，隨著灌水定額的增大，苜蓿產(chǎn)量逐漸增加。滴灌帶埋深為20cm時(shí)，隨著灌水定額和滴頭流量的減小，苜蓿產(chǎn)量提高，而滴灌帶埋深對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著。