1. 引言
随着时间的推移，人口增加、气候变化等因素的影响，水资源匮乏已经十分凸显。宁夏从2014年起就已经出台了农业、工业、城乡生活及服务业用水定额的相关规定，2018年、2020年两次进行了补充修订。新版用水定额中，增补了农村生活用水定额、畜禽水产养殖用水定额、服务业、加工业，还新增了农业类优质高产苜蓿等4种作物灌溉用水定额。因此，发展高效节水灌溉措施对于缓解我区水资源短缺问题十分必要，地下滴灌作为最高效的节水灌溉技术之一，其通过少量多次灌溉的技术特点，在实现节水增产的基础上，能够有效提升灌溉水利用率[1]。我区农垦紫花苜蓿、青贮玉米等种植面积近30万亩，因此开展不同类型地下滴灌对紫花苜蓿生产性能的影响研究十分必要，地下滴灌可提高作物根区土壤持水性和水肥利用效率[2]，优化作物根冠比、提高根系活力[3]，促进作物对土壤养分的吸收[4]，进一步有效提升产量[5]。根据已有的研究，国内外学者针对紫花苜蓿地下滴灌的研究主要集中在灌水量、肥料类型等因素对于作物的生长影响上，对于不同类型地下滴灌方式对苜蓿生产性能的影响还鲜见报道。本研究主要通过研究地下滴灌不同流量滴头的滴灌带、不同工艺的滴灌带对苜蓿出苗率、株高、产量、品质等性状的影响，以及随着时间的推移，滴灌效果变化，旨在为紫花苜蓿地下滴灌技术在宁夏地区的进一步推广应用提供理论依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验地概况
试验地点位于宁夏农垦茂盛草业核心试验区，地处贺兰山东麓引黄灌区，东经106˚03'，北纬38˚33'，海拔1135米，年平均气温8.5℃，年平均降雨量在180~200 mm，大于10℃的有效年积温3765℃，土壤为熟化的淡灰钙土，土壤(0~20 cm) pH 8.21，全盐含量0.76 g，有机质14.6 g，速效N为80 mg，速效P为8.2 mg，速效钾K为135 mg。
2.2. 试验材料
试验区苜蓿种植品种：试验为多年生人工条播紫花苜蓿，选择垦区稳产性好、耐刈割的苜蓿品种WL298HQ，2022年4月份进行试验种植，种植行距15 cm，播种量为30 kg/hm，每条滴灌带的滴水控制4行苜蓿。
使用滴灌材料：(1) 贴条式滴灌带；(2) 内镶贴片式(圆孔)滴灌带；(3) 内镶贴片式(蛇形)滴灌带。滴头间距均为30 cm，滴头流量分别是1.38 L/H、2.0 L/H、3.0 L/H，滴灌带壁厚均为0.2 mm，滴灌带间距均为60 cm，滴灌带埋深15 cm。
2.3. 试验设计
试验采用2因子3水平正交组合设计，设滴头流量(W)和滴灌材料类型(F) 2个因子；按滴头流量设置3个不同灌水水平，分别为低流量处理(W1: 1.38 L/H)，中流量处理(W2: 2.0 L/H)和高流量处理(W3: 3.0 L/H)，每个滴头流量水平均设3种滴灌带材料，分别为内镶贴片式(圆孔型)滴灌带(F1)、内镶贴片式(蛇形孔)滴灌带(F2)；贴条式滴灌带(F3)试验共9个处理，每个处理3次重复，共计27个试验小区，每个试验小区的长度为6 m，宽度为5 m，面积30 m2，为避免处理之间相互影响，两个处理间设置1.5 m宽的隔离带，相同处理不同重复之间设置1 m过道。试验总面积1080 m2。试验小区布置见图1。
注：→代表滴灌带铺设方向；→代表主管道铺设方向。
Figure 1. Experimental plot layout
图1. 试验小区布置
2.4. 测定项目与方法
紫花苜蓿种植后第二年，测量采集数据。
株高：在苜蓿初花期，每小区随机量取10株，测量自地面到顶端生长点高度，取其平均值为株高值。
干草产量：在苜蓿初花期，每个小区随机取1 m × 1 m样方，刈割留茬高度6 cm，立即称重即得鲜草产量，再换算出每亩鲜草产量；同时称取400 g鲜草装入布袋带回实验室阴干，至恒重后称重即为干物质，通过计算鲜干比折算每亩干草产量，每年刈割四茬。
灌溉水苜蓿滴灌灌水量：W为相应时段内相应处理滴灌灌水量，每个处理每次的灌水量采用水表计量，灌水时长以W2F1处理滴灌带湿润体合拢为宜。灌水日期和灌水次数相同，灌水日期从每茬刈割收获后第5天开始滴水，刈割收获前5天停止滴水，第一茬滴水时间在苜蓿开始返青时，灌水周期为5~10天，遇降雨天气顺延。滴灌苜蓿各试验处理灌水定额设定与灌水次数见表1。
灌溉水分生产率：灌溉水分生产率指消耗单位灌溉水量产出的农产品数量，能合理地评判农业高效发展水平、农业用水科学性和农业生产水平[6]。灌溉水分生产率表达式为[7]：
(1)
式中：WPi为灌溉水分生产率，kg/m3；Y为产量，kg；Wi为滴灌灌水量，m3。
Table 1. Irrigation quota setting and watering frequency for alfalfa
表1. 紫花苜蓿灌水定额设定及灌水次数
试验处理 |
灌水定额设定(m3/hm2 ) |
灌水周期(d) |
灌水次数 |
总灌溉定额(m3/hm2) |
第一茬 |
第二茬 |
第三茬 |
第四茬 |
W1F1 |
600 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
7200 |
W1F2 |
600 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
7200 |
W1F3 |
600 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
7200 |
W2F1 |
825 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
9900 |
W2F2 |
825 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
9900 |
W2F3 |
825 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
9900 |
W3F1 |
1275 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
15,300 |
W3F2 |
1275 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
15,300 |
W3F3 |
1275 |
5~7天 |
4 |
3 |
3 |
2 |
15,300 |
2.5. 数据处理
数据用Microsoft Excel 2019进行整理和统计分析，获得各项目性状参数后，用IBM SPSS Statistics 26进行方差分析、显著性检验及采用LSD和Duncan法进行方差分析多重比较表示。
3. 结果与分析
3.1. 不同滴头流量对苜蓿株高、产量的影响
滴头流量不同，相同时间内水分的供应量不同，水分供应量是决定紫花苜蓿产量的主要因素。不同处理条件下，滴灌苜蓿干草产量见图2。由图2可知，四茬紫花苜蓿干草总产量趋势随滴头流量的增加而增加，干草总产量最高的是处理W3F2，总产量为16701.37 kg/hm2，最低的处理是W1F3，总产量为10907.44 kg/hm2，两者相比，产量提高了53.11%。滴头流量由W1F1处理到W2F1处理，又由W2F1处理到W3F1处理，苜蓿干草总产量分别增加27.92%和11.72%；滴头流量由W1F2处理到W2F2处理，再到W3F2处理，苜蓿干草总产量分别增加28.29%和12%；滴头流量由W1F3处理到W2F3处理，再到W3F3处理，苜蓿干草总产量分别增加31.33%和9.4%；由三组干草总产量增长率可以看出相同滴灌带类型，滴头流量由1.38 L (低流量处理W1)增加到2.0 L (中流量处理W2)的增产效果明显高于滴头流量由2.0 L (中流量处理W2)增加到3.0 L (高流量处理W3)的增产效果。不同滴头流量对苜蓿株高、产量的影响(见表2)，从表1中数据分析可知，不同滴头流量处理下，苜蓿的株高、干草产量、灌溉水量及灌溉水分生产率均存在极显著差异(P < 0.05)，随着滴头流量的增大，苜蓿株高、产量及灌溉水量呈正比增加，灌溉水分生产率则呈反比减少，滴头流量越小，相同时间内灌溉水量越小，灌溉水分生产率越高，越节水；滴头流量越大，相同时间内灌溉水量越多，灌溉水分生产率越低，但紫花苜蓿的株高越高，干草产量越多。因此，从节水的角度看，低水分流量(1.38 L/H)最节水，从增产的角度看，高水分流量(3.0 L/H)干草产量最高。
Figure 2. Yield of alfalfa hay under different processing treatments
图2. 不同处理条件下滴灌苜蓿干草产量
Table 2. Effects of different flow rates on alfalfa plant height, yield, irrigation water quantity, and water productivity
表2. 不同流量对苜蓿株高、产量、灌溉水量及灌溉水分生产率的影响
处理 |
株高(cm) |
干草产量(kg·hm−2) |
灌溉水量(m3·hm−2) |
灌溉水分生产(kg·m−3) |
低水分1.38 L |
76.73 c |
11326.05 c |
7277.42 c |
1.55 a |
中水分2.0 L |
88.03 b |
14627.06 b |
9907.57 b |
1.48 a |
高水分3.0 L |
92.80 a |
16248.31 a |
15324.82 a |
1.06 b |
3.2. 不同类型滴灌带对苜蓿株高、产量等影响
由图2同时可以看出，相同滴头流量、不同滴灌带类型时，内镶贴片(蛇形孔型)滴灌带(F2)比内镶贴片(圆孔型)滴灌带(F1)平均增产1.84%，比贴条式滴灌带(F3)平均增产5.67%，四茬的干草总产量随着滴灌带类型的变化呈现出先轻微增大后明显减小的趋势。
不同类型滴灌带对苜蓿株高、产量的影响见表3，从表中数据分析可见，不同类型滴灌带对苜蓿产量、灌溉水量、灌溉水分生产率的影响在P < 0.05水平下存在显著差异，其中内镶贴片(蛇形孔型)滴灌带表现最好，其次是内镶贴片(圆孔型)滴灌带。因此选择内镶贴片(蛇形孔型)滴灌带比内镶贴片(圆孔型)滴灌带、贴条式滴灌带效果都好。
Table 3. Effects of different drip irrigation belts on alfalfa plant height, yield, irrigation water quantity and water productivity
表3. 不同滴灌带对苜蓿株高、产量、灌溉水量及灌溉水分生产率的影响
处理 |
株高(cm) |
干草产量(kg·hm−2) |
灌溉水量(m3·hm−2) |
灌溉水分生产率(kg·m−3) |
内镶贴片(孔型) |
82.1 b |
14151.36 b |
10858.15 ab |
1.30 b |
内镶贴片(蛇形孔) |
84.6 a |
14433.64 a |
10865.13 a |
1.33 a |
贴条式 |
79.5 c |
13634.07 c |
10851.06 b |
1.26 c |
3.3. 不同处理条件下紫花苜蓿的灌溉水量及灌溉水分生产率
在紫花苜蓿全年生长季，滴灌苜蓿不同处理条件下总灌溉水量和灌溉水分生产率计算结果见图3。由图3可知，滴头流量为1.38 L/H，不同滴灌带灌溉水量在7265.49~7287.58 m3·hm−2之间，灌溉水分生产率在1.50~1.59之间；滴头流量为2.0 L/H，不同滴灌带灌溉水量在9903.45~9911.52 m3·hm−2之间，灌溉水分生产率在1.45~1.51之间；滴头流量为3.0 L/H，不同滴灌带灌溉水量在15318.82~15334.36 m3·hm−2之间，灌溉水分生产率在1.02~1.09之间。由此可见，滴头流量相同、滴灌带类型不同时，苜蓿全年的灌溉水量相差不大，灌溉水分生产率也十分接近。当滴灌带类型相同时，以内镶贴片(圆孔型)滴灌带为例分析：滴头流量由1.38 L/H增加到2.0 L/H，灌溉水量增加，增幅为38.27%，灌溉水分生产率下降，降幅为12.11%；滴头流量由2.0 L/H增加到3.0 L/H，灌溉水量增幅为54.55%，灌溉水分生产率下降幅度为30.14%，两次灌溉水量的增加幅度前者小于后者，水分生产率下降的幅度也是前者小于后者；分析其他两种滴灌带类型，变化幅度类似。由此可看出，当滴头流量为1.38 L/H和2.0 L/H时，灌溉水量增加，但灌溉水分生产率相持平；当滴头流量由2.0 L/H增加到3.0 L/H，灌溉水量增加的同时，灌溉水分生产率明显下降。这说明三种滴灌带类型，都可以通过增加滴头流量来增加灌溉水量，达到增加产量、提高灌溉水分生产率的目的，但滴头流量过大、灌溉水量超过一定的限度，反而造成水分浪费，降低灌溉水分生产率。
Figure 3. Alfalfa irrigation water quantity and irrigation water productivity of drip irrigated under different treatment conditions
图3. 不同处理条件下滴灌苜蓿的灌溉水量和灌溉水分生产率
4. 讨论与结论
本试验采用三种滴灌带类型，三种滴头流量水平2个因子，研究不同滴灌带类型、不同滴头流量水平下紫花苜蓿生长和产量的变化情况。结果表明，滴灌苜蓿产量、灌溉水量及灌溉水分生产率变化，受滴头流量、滴灌带类型等多种因素影响：
1) 相同滴灌带条件下，滴灌苜蓿的产量、灌溉水量随滴头流量的增加而显著增加，而灌溉水分生产率却随着滴头流量的增加而减少(P < 0.05)；滴头流量由低流量处理(1.38 L/H)增加到中流量处理(2.0 L/H)的增产作用明显高于滴头流量由中流量处理(2.0 L/H)增加到高流量处理(3.0 L/H)的增产作用。考虑节水和增产两方面因素，建议采用中流量处理(2.0 L/H)。
2) 相同滴头流量水平下，滴灌带类型不同，滴灌苜蓿的产量、灌溉水量、灌溉水分生产率也不同，试验结果证明内镶贴片(蛇形孔)滴灌带比内镶贴片(圆孔型)滴灌带、贴条式滴灌带表现效果要好。建议选择内镶贴片(蛇形孔)滴灌带更为适宜。
基金项目
宁夏农垦科技创新项目Nxnk2022-15。
NOTES
*第一作者。