黃佳媛 ，盧軒 ，李天琦 ，趙力興 ，高凱 *

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)飼用作物數(shù)字化栽培及高效利用重點實驗室，內(nèi)蒙古 通遼 028043；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中‐美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；4 興安盟農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 興安盟 137400）

紫花苜蓿（Medicago sativa）為多年生豆科（Legu‐minosae）牧草，有“牧草之王”的美譽。近年來，國家種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力提倡退耕還林還草，苜蓿作為優(yōu)質(zhì)牧草之一，種植面積不斷擴大，國內(nèi)市場對苜蓿的需求與日俱增。到2020年我國養(yǎng)殖場消費優(yōu)質(zhì)商品苜蓿干草已達250萬噸，其中國產(chǎn)干草占供應(yīng)量的46%，進口干草占53.4%［1］。我國仍然需要進口大量優(yōu)質(zhì)苜蓿來解決市場需求［2］?？茽柷叩貐^(qū)響應(yīng)國家政策，苜蓿種植、加工業(yè)得到快速發(fā)展，種植面積不斷增加，投資力度不斷擴大，機械化水平不斷提高，是新興的優(yōu)質(zhì)苜蓿生產(chǎn)基地［3］，享有“中國草都”之稱?？茽柷呱车匚挥谖覈狈礁珊蛋敫珊档貐^(qū)，土質(zhì)疏松，土壤貧瘠，養(yǎng)分含量低且流失嚴(yán)重，保水保肥能力較差，在實際生產(chǎn)中仍然存在苜蓿投資力度過大，產(chǎn)量及品質(zhì)下降，水肥利用效率低的現(xiàn)象，所以水分和肥料的合理施用顯得尤為重要［4］。

灌水和施肥是影響牧草生長發(fā)育的兩大必不可少的環(huán)境因素，水肥的高效利用是苜蓿高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵，利用水肥間的協(xié)同作用進行合理的水肥管理是改善苜蓿生長發(fā)育和提高苜蓿草產(chǎn)量、品質(zhì)的重要手段［5］。大量研究表明合理的水肥管理能夠促進苜蓿的生長發(fā)育，提高苜蓿的產(chǎn)量及品質(zhì)。沙栢平等［2］在寧夏地區(qū)設(shè)置不同施肥及灌水處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)灌水和施肥對苜蓿生長具有顯著影響，合理的水肥供應(yīng)能顯著提高紫花苜蓿的株高和生長速率，促進光合同化物的積累及產(chǎn)量的形成；胡優(yōu)［6］對紫花苜蓿進行水肥效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，灌水處理對苜蓿產(chǎn)量的影響要大于施肥處理，在灌水量為4 500 m3/hm2時，有利于苜蓿種植當(dāng)年干草產(chǎn)量的提高及營養(yǎng)物質(zhì)的積累；研究表明在分枝期到現(xiàn)蕾期紫花苜蓿的植株高度與生長速率呈正相關(guān)，水分供應(yīng)充足，苜蓿株高越高，產(chǎn)量也就越大［7］。但在不同生育時期苜蓿的需水量及需水規(guī)律不同，水分供應(yīng)根據(jù)苜蓿蒸騰速率及各地區(qū)的降雨量進行補給，過量的灌水會造成苜蓿減產(chǎn)；肥料為苜蓿的生長提供營養(yǎng)元素，參與苜蓿的生理功能及代謝過程，缺乏或過剩都會使苜蓿生理功能失調(diào)而造成減產(chǎn)［8］。在干旱脅迫時水分成為影響苜蓿產(chǎn)量的限制因素，水分充足時苜蓿產(chǎn)量又受到肥料的制約，水分和肥料不是單獨發(fā)揮作用，而是相互促進，相輔相成的。水分是肥料溶解、遷移的載體，而肥料只有溶解在水中才能在土壤中移動，運轉(zhuǎn)，進而被植物吸收［9］。本試驗在前人研究的基礎(chǔ)上，針對科爾沁沙地的特性，以科爾沁沙地紫花苜蓿為試驗材料，對其進行灌水量和施肥量雙因素隨機區(qū)組設(shè)計，研究不同灌溉量、施肥量對科爾沁沙地紫花苜蓿產(chǎn)量、肥料利用效率的影響，探討科爾沁沙地圓形噴灌機下人工種植紫花苜蓿草地適宜灌溉和施肥量，可為本地區(qū)建立高產(chǎn)節(jié)水的紫花苜蓿栽培技術(shù)提供依據(jù)，同時對促進草牧業(yè)發(fā)展及解決苜蓿的市場需求也具有重要的意義。

1 材料和方法

1.1 供試材料與試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市阿魯科爾沁旗邵根鎮(zhèn)綠生源生態(tài)科技有限公司，地理坐標(biāo)為E 120°35′，N 43°42′，中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫 5.5 ℃，年日照時數(shù) 2 760~3 030 h，年積溫2 900~3 400 ℃，無霜期 95~140 d，年降水量 300~400 mm，主要集中在6~8月，年蒸發(fā)量2 000~2 500 mm。沙壤土，0~100 cm土層土壤容重為1.45 g/cm3，田間持水量為16.31%。試驗地為2017年建植紫花苜蓿人工草地，品種為WL298HQ，播種量為45 kg/hm2，行距15 cm。試驗地土壤營養(yǎng)成分堿解氮含量38.8 mg/kg，速效磷含量2.1 mg/kg，速效鉀含量103 mg/kg，有機質(zhì)含量7.28 mg/kg，pH值7.26。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用灌水量、施肥量的二因素隨機區(qū)組設(shè)計，具體如下：

灌 溉 量 ：60%ETc（Eapotranspiration，ETc）、80%ETc、 100%ETc、 120%ETc（60ET、 80ET、100ET、120ET），

施肥量：0、225、450、675、900 kg/hm2（CK、F1、F2、F3、F4），分 3次施入。

共20個小區(qū)，每個小區(qū)含5個重復(fù)，每個小區(qū)面積200 m2。

當(dāng)W3處理0~60 cm土層含水量達到田間持水量的 60% 時 W1、W2、W3、W4開始灌溉，灌溉量為相鄰兩次灌溉時期內(nèi)累計ETc的60%、80%、100%和120%。ETc利用日平均風(fēng)速、日最高氣溫、日最低氣溫、日最大相對濕度、日最小相對濕度、日降水量等氣象因子，依照Penman‐Monteith公式計算出參考作物蒸發(fā)量［10］；為判斷土壤水分含量是否到達灌溉下限，在W3處理內(nèi)埋設(shè)6組測定管，用來檢測W3處理內(nèi)不同位置土壤含水量，最終取6組數(shù)據(jù)的平均值，從而消除土壤空間變異性對灌水時間的影響，使用TRIME‐TDR測量系統(tǒng)測定土壤含水量，每天測定1次，分別在距地表20、40、60 cm處測定。

表1 2018年試驗期內(nèi)氣象數(shù)據(jù)Table 1 Meteorological data during the test period in 2018

施肥時間為返青后（5月10日）、第1茬收獲后（6月16日）、第2茬收獲后（8月2日），每次施入總量的1/3，肥料為藍磷315，總養(yǎng)分含量（N+P2O5+K2O）≥45%，其中 N∶P∶K=11∶19∶15，施肥方式模擬當(dāng)?shù)厮室惑w化進行，將肥料充分溶解后均勻撒入小區(qū)內(nèi)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 紫花苜蓿株高的測定 測產(chǎn)前，每個小區(qū)內(nèi)隨機選取10株，用卷尺測量其自然株高。

1.3.2 紫花苜蓿生物量及根冠比的測定 地上生物量的測定：每個小區(qū)內(nèi)隨機選取4個1 m×1 m的樣方進行刈割，留茬高度5 cm，刈割后立即稱取鮮重，烘干至恒重稱取干重。

地下生物量：第3茬刈割后，在樣方內(nèi)隨機選取25 cm×25 cm×25 cm的小樣方進行取樣，將樣品帶回實驗室洗凈，稱取鮮重，烘干至恒重稱取干重。

1.3.3 參數(shù)計算 根冠比=地下生物量/地上總生物量。

采用下面的公式計算肥料的相關(guān)參數(shù)［11］

AE=（Y-Y0）/F

式中：AE為肥料農(nóng)學(xué)效率，Y為施肥區(qū)苜蓿產(chǎn)量，Y0無肥區(qū)苜蓿產(chǎn)量（kg/hm2），F(xiàn) 施肥量（kg/hm2）。

PFP =Y/F

式中：PFP為肥料偏生產(chǎn)力，Y為施肥區(qū)苜蓿產(chǎn)量（kg/hm2），F(xiàn)為施肥量（kg/hm2）。

FCR：肥料貢獻率=（施肥區(qū)產(chǎn)量-無肥區(qū)產(chǎn)量）/施肥區(qū)產(chǎn)量 × 100%。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 采用DPS 14.0軟件和Excel對所測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥和灌水對紫花苜蓿生物量及肥料利用效率的影響

灌水對苜蓿第2、3茬株高及肥料偏生產(chǎn)力具有極顯著影響（P<0.01），對苜蓿肥料貢獻率具有顯著影響（P<0.05）；施肥對苜蓿第1、2茬株高具有極顯著影響（P<0.01）（表2）。灌水和施肥對苜蓿第 1、2茬株高、第3茬地上生物量、根冠比、地下生物量、總生物量、肥料農(nóng)學(xué)效率、肥料偏生產(chǎn)力及肥料貢獻率均具有極顯著影響（P<0.01）。

表2 施肥和灌水對紫花苜蓿生物量及肥料利用效率影響的方差分析Table 2 Effects of fertilization and irrigation on biomass volume and fertilizer utilization efficiency of alfalfa

2.2 施肥和灌水對紫花苜蓿株高的影響

在60ET灌水F3施肥條件下第1茬株高達到最大值，為71.8 cm ，在60ET灌水F3施肥條件下第2茬株高達到最大值，為79.32 cm ，在60ET灌水F4施肥條件下第3茬株高達到最大值，為81.44 cm；相同灌溉量不同施肥處理條件下第2茬和第3茬株高均顯著高于對照（P<0.05），相同施肥量不同灌水條件下，第2茬和第3茬均隨著灌水量的增加呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢；第1茬紫花苜蓿株高隨著施肥和灌水量的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。在不同灌水和施肥條件下，苜蓿株高隨著茬次的增加呈逐漸增加的變化趨勢（表3）。

表3 不同施肥和灌水條件下的紫花苜蓿株高Table 3 Alfalfa plant heights under fertilization and irrigation levels

2.3 施肥和灌水對紫花苜蓿產(chǎn)量的影響

第1、2茬地上生物量和總生物量的最大值均出現(xiàn)在80ET灌水F2施肥條件下，分別為5 716.84、6 492.36和18 903.15 g，第3茬地上生物量和地下生物量的最大值均出現(xiàn)在120ET灌水F1施肥條件下，分別為4 637.75和4 464.00 g。在相同施肥不同灌水條件下，苜蓿第1茬地上生物量隨著灌水量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢；除F4施肥水平，各施肥水平下苜蓿第2茬生物量的最大值均出現(xiàn)在80ET時；苜蓿第3茬地上生物量最大值均出現(xiàn)在120ET；地下生物量和總生物量表現(xiàn)出不同的變化趨勢。在120ET灌水處理下，各施肥水平下的苜蓿地上、地下和總生物量均無顯著性差異；在其他灌水處理下，苜蓿地上、地下和總生物量表現(xiàn)出不同的變化趨勢。苜蓿3茬生物量中第2茬生物量大于第1茬生物量和第3茬生物量（表4）。

表4 施肥和灌水對紫花苜蓿產(chǎn)量的影響Table 4 Alfalfa yield under fertilization and irrigation conditions kg·hm-2

2.4 施肥和灌水對紫花苜蓿根冠比的影響

在120ET灌水F1施肥條件下苜蓿根冠比達到最大值，為0.345（圖1）。在相同灌水不同施肥處理時，在60ET、80ET 灌水條件下，苜蓿根冠比隨著施肥量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的變化趨勢，100ET 、120ET灌水條件下苜蓿根冠比隨著施肥量的增加表現(xiàn)出不同的變化趨勢；在相同施肥和不同灌水處理下，在F1、F2施肥水平下，苜蓿根冠比隨著灌溉量的增加呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢，F(xiàn)3、F4灌水條件下苜蓿根冠比隨著灌水量的增加表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

圖1 不同施肥和灌水條件下的根冠比Fig.1 Alfalfa plant ratio of root to shoot under irrigation and fertilization

2.5 施肥和灌水對紫花苜蓿的肥料利用效率的影響

肥料農(nóng)學(xué)效率最大值出現(xiàn)在80ET灌水和F2施肥條件下，肥料偏生產(chǎn)力的最大值出現(xiàn)在80ET灌水和F1施肥條件下，肥料貢獻率的最大值出現(xiàn)在100ET灌水和F4施肥條件下，值分別為7.15 kg/kg、60.08 kg/kg、23.48%（表5）。在相同灌水而不同施肥的條件下，120ET灌水下不同施肥對肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻率沒有顯著性影響，而肥料偏生產(chǎn)力在各灌水處理下隨著施肥量的升高而降低，在60ET灌水處理下肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻率隨著施肥量的增加呈逐漸升高的變化趨勢；在相同施肥不同灌水條件下，除F4施肥處理外，肥料農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻率隨著灌水量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，肥料偏生產(chǎn)力在F2和F4施肥處理下隨著灌水量的增加呈先升高后降低的變化趨勢。

表5 施肥和灌水對紫花苜蓿肥料利用效率的影響Table 5 The effects of fertilization and irrigation on the fertilizer utilization efficiency of alfalfa

3 討論

水分是植物生長發(fā)育過程中重要的環(huán)境因素，是土壤養(yǎng)分與植物根系聯(lián)系的媒介，作物的產(chǎn)量更是與土壤水分密切相關(guān)，肥料只有溶于水中才能在土壤中遷移，最后被植物根系吸收［12］，而肥料中的礦質(zhì)元素也能促進植物對水肥的利用，提高水分的利用效率［13］。生物量是體現(xiàn)植物生長狀況和生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。趙金梅等［14］和霍海麗等［15］的研究表明水分可以促進作物增產(chǎn)，苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)隨灌水量的增加而增加。也有研究表明灌水較多，間隔時間過長不利于苜蓿生長，會造成苜蓿矮小，產(chǎn)量下降，水分利用效率低，水資源浪費嚴(yán)重［16］。董國鋒等［17］和寇丹等［18］研究表明適量的水分虧缺不總是造成作物減產(chǎn)，在作物生長的一定生育時期，適度的缺水會使作物在節(jié)水的同時獲得高產(chǎn)；孟兆江等［19］的研究表明玉米（Zea mays）調(diào)虧灌溉可以達到玉米高產(chǎn)的目的，同時還可以避免水資源的浪費。本研究發(fā)現(xiàn)在相同施肥量的情況下，苜蓿第1茬和第2茬地上生物量的最大值均出現(xiàn)在80ET時，顯著高于其他灌水處理，說明適度的水分不足不會使苜蓿產(chǎn)量下降，反而會刺激苜蓿自身的調(diào)節(jié)機制和補償功能，促進光合同化物的積累，與正常灌溉下的苜蓿產(chǎn)量無顯著性差異，這與前人［20］的研究較為一致。此外生長期內(nèi)收獲3茬苜蓿，生物量的大小關(guān)系為第2茬地上生物量>第1茬地上生物量>第3茬地上生物量，這可能是由于第2茬草生長階段北方地區(qū)降雨量增多，且第2茬時的溫濕度使得苜?？焖偕L，所以第2茬生物量最大，第1茬和第3茬生長階段降雨量較少，苜蓿的水分來源主要靠灌溉獲取，且返青后氣溫較低，抑制了雜草的生長，充足的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)給苜蓿，使其生長發(fā)育較快，因此第1茬生物量要高于第3茬生物量［21］；還可能是因為苜蓿第1、2茬生長期內(nèi)灌水較多，第3茬生長期內(nèi)的灌水較少導(dǎo)致第1、2茬生物量高于第3茬生物量，水分可以提高土壤養(yǎng)分的礦化及有效性，促進苜蓿根系對水分及養(yǎng)分的吸收和利用，而養(yǎng)分能夠加快苜蓿光合作用同化物積累，提高水分利用效率，這與馬彥麟等［22］的研究結(jié)果一致。

肥料中含有作物所需要的礦質(zhì)元素，它們參與作物的光合作用和代謝過程，也是植物體多種化合物及輔酶的組成成分，是作物達到高產(chǎn)的限制性因素［23］。但也有研究顯示不合理的施肥不僅不會促進作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，還會降低肥料的利用效率，造成環(huán)境的污染及資源的浪費［24］。肥料利用率是評價養(yǎng)分管理的重要指標(biāo)，而近年來由于有機和無機肥料的增施，土壤及環(huán)境中的養(yǎng)分增加，肥料利用率低下，肥料偏生產(chǎn)率逐漸成為評價的指標(biāo)［11，25］。肥料偏生產(chǎn)力指在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)單位農(nóng)作物所需要施入的化肥數(shù)量，對施肥的宏觀決策有一定的指導(dǎo)意義，而肥料農(nóng)學(xué)效率是評價肥料增產(chǎn)效益較為準(zhǔn)確的指標(biāo)［26］。胡偉等［27］的研究表明，一定程度的灌水量和施肥量可以提高紫花苜蓿的氮肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力。張冠初等［28］發(fā)現(xiàn)適量地減施氮肥再配施鈣肥能夠增加植株的凈光合速率、產(chǎn)量和肥料貢獻率。本研究發(fā)現(xiàn)肥料的農(nóng)學(xué)效率和肥料貢獻率120ET高灌水處理下，隨著施肥量的增加沒有顯著性差異，但顯著低于80ET低灌水處理，且肥料的農(nóng)學(xué)效率在80 ET灌水條件下達到峰值；肥料偏生產(chǎn)力在F2和F4施肥處理下隨著灌水量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，進一步解釋了降雨或灌水過多會造成土壤養(yǎng)分的淋溶損失，肥料供應(yīng)不足，植物生長緩慢，降低肥料的利用效率［29］。

4 結(jié)論

在科爾沁沙地適量的灌水和施肥能顯著提高紫花苜蓿的株高、地上生物量、根冠比，灌水和施肥均會影響苜蓿的生物量和肥料利用效率，在高灌水處理下隨著施肥量的增加，苜蓿產(chǎn)量和肥料利用效率較低灌水處理低，在80ET灌水量、450 kg/hm2施肥量下苜蓿第 1，2茬生物量達最大值，分別為 5 717 g/m2、6 492 g/m2；3茬苜蓿中第3茬株高最大，最大值出現(xiàn)在900 kg/hm2施肥條件下，與450 kg/hm2施肥處理無顯著差異；在80ET灌水450 kg/hm2施肥處理下肥料農(nóng)學(xué)效率達到最大值，且顯著高于60ET和120ET灌水處理。從節(jié)水和可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，科爾沁地區(qū)最佳灌水量和施肥量是80ET和450 kg/hm2。