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Effects of subsurface drip irrigation on alfalfa growth and seed production

地下滴灌对苜蓿的生长发育与种子产量的影响



全 文 :书地下滴灌对苜蓿的生长发育与种子产量的影响
孟季蒙1,2,李卫军1
(1.新疆草地资源与生态重点实验室 新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐830052;2.新疆农垦科学院,新疆 石河子832000)
摘要:为了提高苜蓿种子产量和效益,把地下滴灌引入苜蓿种子生产试验,通过对地下滴灌的水盐分布、苜蓿生长
特性和种子产量等方面的研究,探讨地下滴灌应用于苜蓿种子生产的可行性和效果。结果表明,在田间相对持水
量的65%~80%(W1)水量下,湿润体的体积最大,水平最大湿润半径均为50cm。垂直最大湿润半径为20cm。
水分能够到达40cm×80cm宽窄行播种方式下苜蓿的根系位置;W1处理所得根干物质积累量最高,为25.09g,
显著高于其他试验处理(犘<0.01),根重顺序为 W1>CK>W2>W3。并且,W1 处理种子产量最高,为909.62
kg/hm2,极显著高于对照的种子产量(611.39kg/hm2)(犘<0.01)。说明地下滴灌应用于苜蓿种子生产,能够起到
增产效果。
关键词:地下滴灌;苜蓿;生长发育;种子产量
中图分类号:S816;S551+.707  文献标识码:A  文章编号:10045759(2012)01029105
  苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)是多年生优质豆科牧草,被誉为“牧草之王”,起源于外高加索、小亚细亚山区、伊朗
和土库曼斯坦高原一带,在史前即由原产地区半开化民族所栽培。苜蓿适应性强、根系发达、分枝多、产量高,既
可固氮培肥,又是优质的高蛋白饲料[14]。西北农牧区是我国苜蓿的主要栽培地区,其苜蓿种植面积占全国总数
的78.5%[5],在新疆畜牧业发展中占有举足轻重的地位。
水分是影响苜蓿生产力的首要条件[6],并从生理上影响苜蓿生长,是协调营养生长和生殖生长的有效措施之
一。在苜蓿制种过程中,生殖生长期通过水分调控,促进苜蓿生殖生长可获得种子高产。但是,此时期水分供应
过量,会引起苜蓿的徒长、倒伏;反之,则引起生殖器官的败育和种子发育不良,使苜蓿种子产量降低和品质下
降[7]。在干旱、半干旱地区的苜蓿种子生产中,灌溉是苜蓿获得水分的主要途径。长期以来,我国的苜蓿种子生
产一直沿用漫灌方式进行灌溉,而漫灌对苜蓿种子生产存在诸多不足之处,如:不能精量化控制水量以进行营养
调控;造成地面湿度过大,易引起病虫害的发生、降低花蜜浓度以影响苜蓿的授粉。引用地下滴灌节水技术,实施
精量化灌溉管理,探讨苜蓿种子生产中水分的有效调控方法,对提高苜蓿种子产量和效益具有重要意义。
地下滴灌(subsurfacedripirrigation,简称SDI)是通过铺设于地下的毛管把水(或水肥液)渗入到作物根区
土壤中,同时借助毛细管作用和重力作用将水分扩散到根系层,供作物吸收利用的一种微灌技术[8]。作为一种新
的节水技术,由于其阀门式供水设施能有效控制水分供应量,并且实施根区灌水,所以在我国部分引入该技术的
农作物栽培上,取得了显著的节水增产效果。但地下滴灌技术应用于苜蓿种植方面的研究在国内还较少。程冬
玲等[9]认为收草用苜蓿田实施地下滴灌是可行的。王东等[10]通过试验得出,应用了地下滴灌技术的收草苜蓿,
其产草量要比常规灌溉增产近40%,增产效果显著。单从苜蓿制种角度看,国内还未见地下滴灌技术应用的相
关报道。
所以本试验针对苜蓿种子田的种植要求,把地下滴灌技术应用于苜蓿制种,通过地下滴灌的苜蓿生长发育表
现和苜蓿种子产量,研究地下滴灌应用于苜蓿种子田的可行性。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地设在新疆呼图壁种牛场草地生态站。该站位于呼图壁河右岸冲洪积扇缘与冲积平原交错地带,地理
第21卷 第1期
Vol.21,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
291-295
2012年2月
 收稿日期:20101101;改回日期:20101216
基金项目:国家牧草产业技术体系项目(CARS35)资助。
作者简介:孟季蒙(1977),男,河北唐山人,助理研究员,硕士。Email:smmdk@126.com
通讯作者。Email:liweijunxj@yahoo.cn
位置约44°15′N,86°55′E,海拔439~454m,年降水量155.2mm,年蒸发量2300mm,冬季有积雪,生长季(4-
9月)平均气温18.5℃。经测定,试验地地表以下10~20cm土层的田间持水量36.43%(质量含水量),地表以
下20~30cm土层相对田间持水量37.97%,40cm以下为粘土层。
1.2 试验材料
参试材料为新牧1号杂花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狏犪狉犻犪cv.xinmuNo.1),由新疆农业大学提供。于2008年9月9
日播种,10月28日进行冬灌,安全越冬。滴灌试验于2009年5月14日-10月25日进行。
1.3 试验设计及方法
试验小区采用随机排列,3次重复。小区面积为3m×5m,播量为3.0kg/hm2,各小区四周用宽1m的大棚
塑料膜隔离(其中地下部分为70cm,地上部分为30cm),以防止水分渗漏。苜蓿采用40cm×80cm宽窄行播
种,滴灌带铺设于窄行中间地面以下20cm处。苜蓿
灌水量设置 W1(保持在田间相对持水量的65%~
80%)、W2(保持在田间相对持水量的50%~65%)、
W3(保持在田间相对持水量的35%~50%)3个水平,
各小区设置水阀,通过水表计量。当根系层(地面下
20~30cm)含水量低于下限时,开始灌水,高于上限
时,停止灌水,以漫灌为对照(CK)(表1)。在灌水时期
上,苜蓿返青至种子成熟阶段的灌溉为:在苗期、现蕾期
和结荚期进行灌溉;苜蓿种子收获后,地下滴灌灌水量
均保持在 W1水平;冬灌时所有处理灌水量180mm。
表1 灌水方案
犜犪犫犾犲1 犐狉狉犻犵犪狋犻狅狀狊犮犺犲犿犲
田间持水量
Thesoilmoisture
灌水方案Irrigationplan
W1 W2 W3 CK
上限Upperlimit 80% 65% 50%
下限Lowerlimit 65% 50% 35%
灌水量Irrigation
quantity(m3/hm2)
1244.99824.87 404.75 5400
(900mm)
1.4 测定内容及取样方法
1.4.1 土壤水分分布和土壤含水量测定 灌水24h后,测定0~60cm土层内的土壤含水量,之后每2d测定1
次土壤含水量,1周后每5d测定1次土壤含水量,降水、灌溉前后加测1次。
取样方法:在水平方向上,分别距滴灌带0,10,20,30,40,50和60cm处共7个取样点取土样,在每点的垂直
方向按照0~10,10~20,20~30和30~40cm的层次取土样,共计4个层次。采用烘干法测定土壤含水率。
1.4.2 苜蓿的根系分布 苜蓿种子收获后,采用切片法测定苜蓿根系分布。根系水平方向取样方法:以滴灌带
为中心,沿一侧每10cm挖取一样方(取样宽度为10cm),挖至两滴灌带中间;根系垂直方向取样方法:在取样点
每10cm为1层向下挖取样方,共计4层。所取土样用水冲洗,剔除杂质后烘干称重,并记录根重。
1.4.3 苜蓿生长高度 在各小区内选取具代表性的植株5株定株,每5d测量1次株高。
1.4.4 叶片相对含水量(RWC)的测定 叶片相对含水量(RWC)=[(鲜重-干重)/(饱和重-干重)]×100%。
鲜重为新鲜叶片重量(g);干重为85℃的烘箱中烘24h的重量(g);饱和重为叶片在水中浸泡数小时充分饱和后,
吸干表面水分后测得的重量(g)。分别在分枝期和现蕾-初花期选取晴天,于8,14和20时3个时段取同一部位
苜蓿叶片进行测定。
1.4.5 种子产量的测定 种子成熟时对各小区单收单打,分别记录小区产量。
1.5 数据处理
所有数据处理均在Excel2003和DPS6.5软件下进行。
2 结果与分析
2.1 土壤含水量的空间分布
地下滴灌结束24h后,土壤水分的空间分布呈以滴头为中心的椭球型湿润体,水平延伸的距离大于垂直距
离。在 W1水量下,表层(0~10cm)和第4层(30~40cm)的湿润峰水平运动半径40cm,第2层(10~20cm)和
第3层(20~30cm)的水平运动半径50cm。垂直方向,湿润峰向上可运动到地表(0cm),向下达地面以下40
cm;W2水量下,表层的水平运动半径30cm,第2层水平运动半径50cm,第3层水平运动半径40cm,第4层水
平运动半径20cm。垂直方向,湿润峰可达地表,向下可达地面以下40cm;W3水量表层和第4层的湿润峰水平
292 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
运动半径不到10cm,只浸润到了滴头垂直位置的地表,第2层和第3层的水平运动半径20cm,垂直方向上湿润
峰向上可运动到地表,向下运动到30cm处。从3种水量湿润体的大小看,湿润体大小与灌水量呈正相关,灌水
量大的在地下形成的湿润体大,反之则小。漫灌方式下,各土层土壤含水量接近饱和。
2.2 滴灌苜蓿的根系生长
2.2.1 根系干物质的变化 多重比较结果显示,3种水量下,苜蓿的根量 W1>W2>W3(犘<0.01),表明地下
滴灌条件下,根量随水量的增加均呈显著增加趋势;W1处理所得根干物质积累量最高,为25.09g,极显著高于
其他试验处理(犘<0.01)。CK(漫灌)次之,为23.58g。说明 W1处理下,苜蓿根系发育受影响最大。又因CK
高于 W2、W3处理下的根量,说明根量的生长与水分有关,但不呈正相关,水分过多反而抑制根系生长发育。
2.2.2 根系分布 地下滴灌试验根系分布主要集中在第1层(0~10cm)和第2层(10~20cm)。各试验处理第
1层根量占总根量的32.37%~35.95%,主要由于苜蓿根系为直根型,上部粗下部细,加之根颈在近地表处,所以
第1层根系所占比例最大;第2层根系量较大,所占比例在32.88%~38.87%,其主要因为这一层主根较粗,并
大量着生侧根,使此区根系分布较大;第3层(20~30cm)、第4层(30~40cm)由于土壤含水量的减少和根系的
细弱,所占比例较小。漫灌情况下,根干物质主要集中于第1层和第2层,共占根总量的74.45%,由于水分充
足,下层不利于呼吸,所以下层根量分布相对较少。
根系水平方向的分布上,地下滴灌条件下,由于水分的不均匀性,导致苜蓿根系在土壤中的水平分布不均匀。
苜蓿行这一空间内苜蓿根量最大,占全部根量的45.97%~55.04%,其原因是苜蓿主根在这一空间。苜蓿行近
水源一测,由于根系的趋水性,滴灌带一侧的根系量高于另一侧,近滴灌带一侧根量明显高于另一侧,是其另一侧
根量的2.5~6.4倍,根系趋水性表现明显;漫灌的水分相对均匀,根量主要集中于苜蓿主根所在的位置,并向两
侧逐渐减少。
2.3 不同灌水处理对苜蓿生长高度影响
图1 不同时期各灌水处理植株生长高度变化
犉犻犵.1 犜犺犲犮犺犪狀犵犲犻狀狆犾犪狀狋犺犲犻犵犺狋狅犳犪犾
狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
从时间上看,从5月10日到6月25日所有试验
处理株高均明显增高,6月25日苜蓿开花后,高度增
长缓慢(图1)。5月10日到6月10日期间,由于气温
低,蒸腾、蒸发强度较弱,苜蓿生长速度不快;6月10
日灌水后,随着气温的升高,新陈代谢作用增强,苜蓿
生长速度加快;从6月25日苜蓿进入盛花期,此时处
于高温期,虽进行了人工灌水,但是苜蓿的株高几乎没
有增加。此阶段苜蓿由营养生长向生殖生长转换,营
养生长减少,生殖生长增加,积累的营养物质主要用于
生殖生长(荚及种子的形成和生长)。此时灌水有利于
苜蓿种子产量的增加。根据杨起简等[11]的研究,在结
荚期苜蓿处于生殖生长阶段,积累的营养物质主要用
于荚及种子的形成和生长,此期间灌水对株高影响不
大,本试验研究结果与此一致。
所有试验处理,因剔除肥料因素的干扰,未进行施肥,所以苜蓿生长相对缓慢。6月10日前苜蓿对水分的要
求不强烈,加之温度较低,生长速度平稳缓慢,此时期根和芽生长旺盛。苜蓿现蕾至开花,为苜蓿的快速生长期。
此后,生长速度缓慢,营养生长向生殖生长转换,茎叶储存积累的养分供应种子发育,营养生长基本停止。
2.4 不同灌水处理对叶片相对含水量的影响
叶片相对含水量是通过在干旱胁迫下植物表现出体内含水量下降来反映植物体内水分状况的参数[12]。从
苜蓿分枝期与开花期灌水24h后的苜蓿叶片相对含水量的日变化可以看出(图2),叶片相对含水量14时低于8
时与20时。在分枝期叶片相对含水量日变化幅度较小,中午比早晨和傍晚降低0.73%~3.43%,所有试验处理
平均下降2.20%。由于土壤水分供应相对充足,各处理所受水分胁迫较低,苜蓿叶片相对含水量保持在较高水
392第21卷第1期 草业学报2012年
平上(图2a)。在苜蓿开花期,苜蓿叶片相对含水量日变化幅度增大,所有试验处理平均下降4.05%,降幅在
1.74%~5.89%(图2b)。漫灌在试验处理中降幅最小,分枝期中午比早晨和傍晚分别降低0.90%和0.73%,开
花期分别降低2.69%和1.74%。说明漫灌水量充足,未受到水分胁迫。
图2 苜蓿叶片相对含水量日变化
犉犻犵.2 犇犪狔犮犺犪狀犵犲狅犳狉犲犾犪狋犻狏犲狑犪狋犲狉犮狅狀狋犲狀狋(犚犠犆)狅犳犪犾犳犪犾犳犪犾犲犪犳
a:分枝期Branching;b:开花期Flowering.
2.5 不同处理对产量的影响
图3 不同灌水量的种子产量与方差图
犉犻犵.3 犛犲犲犱狔犻犲犾犱狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻狉狉犻犵犪狋犻狅狀狇狌犪狀狋犻狋狔犪狀犱狏犪狉犻犪狀犮犲
不同大写字母表示差异极显著(犘<0.01)Differentcapitalletters
meansignificantdifferenceat犘<0.01.
试验得出,种子产量顺序为 W1(909.62kg/hm2)
>CK(611.39kg/hm2)>W2(479.39kg/hm2)>W3
(393.06kg/hm2),任意两者间存在极显著性差异
(犘<0.01)(图3)。从地下滴灌处理看,种子产量顺
序为 W1>W2>W3,说明苜蓿种子产量与滴灌量
的大小成正关,滴灌量大种子产量高,反之则小。地
下滴灌处理与对照比较结果说明,在 W1水量下,地
下滴灌获得的种子产量高于对照,并且 W1的种子
产量是 W2种子产量的1.5倍。而 W2、W3的种子
产量低于对照,W2、W3由于灌水量过少,而造成种
子产量低。种子产量结果说明地下滴灌应用于苜蓿
制种,能够起到增产的效果。
3 讨论
本试验灌水次数与灌水量,只是在传统制种苜蓿按生育期进行灌水的基础上略有改动。而在地下滴灌条件
下,玉米(犣犲犪犿犪狔狊)、棉花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿spp.)等作物灌水次数在12~15次,采用少量多餐的方式进行灌溉,并且
取得了好的效果[1315]。所以苜蓿灌溉制度也应以地下滴灌玉米、棉花等作物的灌溉制度为参照进行相应变革,以
充分利用地下滴灌系统能够有效控制灌水量的优点。
肥料是影响苜蓿种子产量的重要因素。苜蓿种子生产是一个综合的水肥调控过程,漫灌条件下,因供水无法
实现精确定量化,所以往往削弱了水分对苜蓿生长的调控。地下滴灌系统能够有效的控制水分的供应量,加之肥
料可通过地下滴灌直接施入,所以地下滴灌能够按苜蓿的需求进入水肥供应,解决了水肥量化施入的技术问题。
本试验主要研究地下滴灌条件下,水分对苜蓿种子产量的影响,剔除了肥料因子对苜蓿种子产量的贡献。随着制
种苜蓿地下滴灌技术研究的不断拓展与深入,水肥结合对苜蓿生长调控方面的研究有必要尽快开展。
地下滴灌系统能够实现精量化灌溉,引入苜蓿种子生产后,解决了灌水的精量化技术问题,相对于漫灌能够
有效控制水分对苜蓿生长的调控。同时地下滴灌为作物根区供水,从而减少了无效水的供应及水分散失造成的
492 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
浪费。
地下滴灌系统是阀门式操作系统,可节约大量的劳动力。同时,苜蓿收获后,可及时进行灌水以补充苜蓿收
获后对水分的需求。
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犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊狌犫狊狌狉犳犪犮犲犱狉犻狆犻狉狉犻犵犪狋犻狅狀狅狀犪犾犳犪犾犳犪犵狉狅狑狋犺犪狀犱狊犲犲犱狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀
MENGJimeng1,2,LIWeijun1
(1.XinjiangKeyLaboratoryofGrasslandResourceandEcology,ColegeofPrataculturalEngineeringof
XijiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China;2.XinjiangAcademyofAgricultural
ReclamationSciences,Shihezi832000,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Toincreasetheoutputandprofitabilityofalfalfaseeds,subsurfacedripirrigation(SDI)wasintro
ducedintoaproductionexperimentofalfalfaseeds.ThroughthestudyofsaltdistributionofSDIinthesoiland
thegrowthcharacteristicsofalfalfa,thepossibleusesandeffectivenessinalfalfaproductionwereexplored.
ThebiggestmoisturecontentofSDIwas65%-80%ofthesoilmoisture(W1)andthebiggestradiuswas50
cmhorizontalyand20cmverticalyenablingwatertoreachtherootsofalfalfa.TheW1rootweightwassig
nificantly(犘<0.01)higher(25.09g)thanthatoftheothertreatmentsandtherootweightsequencewasW1
>CK(floodingirrigation)>W2(50%-65%ofthesoilmoisture)>W3(35%-50%ofthesoilmoisture).
TheseedyieldofW1wassignificantly(犘<0.01)higher(909.62kg/ha),thanthatoftheCK (611.39
kg/ha).TheapplicationofSDIinalfalfaproductioncouldincreaseseedyields.
犓犲狔狑狅狉犱狊:subsurfacedripirrigation;alfalfa(犕犲犱犻犮犪犵狅);growth;seedyield
592第21卷第1期 草业学报2012年