3.2 内蒙古牧区饲草料作物生长、需水规律和灌溉制度

3.2.1 青贮玉米和紫花苜蓿生长规律、需水规律和灌溉制度

3.2.1.1 试验设计

基于基地测坑试验开展相关研究。测坑试验区由24个测坑组成。每个测坑总深度为2.3m，有效深度为2.0m，面积为2.2m×4.5m=9.9m²，有底，四壁及底部为钢筋混凝土结构，防渗漏处理，设有遮雨棚。每个测坑在不同深度分层安装了土壤水分监测传感器，底部有渗漏出流孔，坑底外墙装有渗流测量翻斗（图3.1）。

图3.1 测坑小区布局和2014年试验安排（单位：m）

图3.2 测坑土壤水分传感器埋设位置（单位：cm）

1.试验材料与方法

测坑试验种植作物为青贮玉米、紫花苜蓿和柳枝稷。灌水技术包括滴灌和微润灌+畦灌。供水处理包括了充分灌溉（青贮玉米和苜蓿）和非充分灌溉（柳枝稷）。试验布置详情如图3.1所示。

测坑每个小区安装了土壤水分/温度/电导（EC）传感器，安装位置如图3.2所示。

测坑设有遮雨棚，屏蔽了降雨影响。

2.试验目的

（1）精确探讨青贮玉米、紫花苜蓿和柳枝稷的耗水规律。

（2）研究3种作物的高产灌溉制度。

（3）微润灌对于青贮玉米和苜蓿的适应性。

（4）通过对柳枝稷不同生长阶段的水分亏缺试验研究其灌水关键期。

3.小区根层土壤状况

每个小区地表50cm土壤为原地表土回填，经水坠自然沉实。实测土壤干容重1.13～1.25g/cm³，平均为1.22g/cm³，田间持水量25.0%（体积）。

4.灌溉情况

青贮玉米和紫花苜蓿各在种植株行距、播种量以及其他田间管理相同情况下，采用了滴灌、微润灌两种灌水方式，每种灌水方式重复3次。

（1）青贮玉米。滴灌情况见表3.2。

微润灌出水量较小，最大仅能达到3～4mm/d，在作物生长中后期，耗水量增大，微润灌溉无法满足耗水需求，为了使耗水量观测试验能够继续进行，改作管道输水畦灌。微润灌苜蓿情况同此。青贮玉米微润灌+管灌情况见表3.3。

（2）紫花苜蓿。紫花苜蓿滴灌情况见表3.4。

紫花苜蓿微润灌+管灌情况见表3.5。

（3）柳枝稷。采用滴灌方式。设置了充分灌溉、苗期缺水、分蘖拔节期缺水和抽穗扬花期缺水4种处理，每种处理重复3次。每种处理的灌水情况见表3.6～表3.9。

3.2.1.2 生长规律

根据测坑试验观测，正常供水条件下，牧草高生长与生长天数之间关系用抛物线形曲线拟合，可以取得较好的效果，即符合如下关系：

h=at²+bt+c

式中：h——植株高度，cm；

t——作物生长天数，d（自播种日算起）；

a、b、c——回归系数。

1.青贮玉米

测坑试验高生长记录见表3.10。

根据高生长记录作图（图3.3）。

拟合结果为：a=0.0174，b=0.9233，c=-15.199，R²=0.981。

图3.3 青贮玉米高生长量随生长天数的变化曲线

2.紫花苜蓿

测坑试验高生长记录见表3.11。

两次刈割苜蓿在刈割前后两段时期内，高生长量与生长天数都有较好的抛物线关系。前期抛物线开口向上，后期抛物线开口向下，如图3.4所示。

一次刈割苜蓿高生长量与生长天数之间有较好的4次多项式关系，如图3.5所示。

3.作物产量

为了探究饲草料作物生产潜力，在测坑条件下，充足供水，适当密植（11500株/亩左右），保持中等土壤肥力和较好田间管理水平（适时灌水，勤除草）。

图3.4 两次刈割苜蓿高生长量随生长天数的变化曲线

图3.5 一次刈割苜蓿高生长量随生长天数的变化曲线

青贮玉米和紫花苜蓿两种作物试验结果分别见表3.12和表3.13。

测坑试验青贮玉米鲜草产量达到1万～1.2万kg/亩，为当地大田正常产量的2～3倍，紫花苜蓿种植第一年产量比当地大田生产水平高出40%～50%。这应该主要归功于试验条件下水分的高效利用。

3.2.1.3 需水规律

1.作物耗水规律

测坑四壁及底部均隔水，剖面上从地表5cm开始在多个深度层安装了土壤水分测量传感器，底部侧面则装有渗流测量装置。

根区土壤水分平衡方程：

W ₁ -W ₀=ΔW=P+M-ET-K

式中：W₁——1天末土壤（计划湿润层深度）储水量，mm；

W ₀——1天初始土壤（计划湿润层深度）储水量，mm；

ΔW——1天土壤储水量变化，mm；

P——有效降雨量，mm；

M——灌水量，mm；

K——深层渗漏量，mm。

上面方程中ΔW可以通过土壤水分测量结果计算得出，P、M、K都有实测结果，这样即可计算得到作物需水量（mm/d），即

ET=P+M-ΔW-K

2.降雨量

有效降雨量采用下面公式计算：

P_e=αP

式中：P_e——有效降雨量，mm；

α——有效降雨系数；

P——一次降雨量，mm。

当P≤5mm时，α=0；当5<P≤30mm时，α=1.0；当30mm<P≤50mm时，α=0.8；当50mm<P≤100mm时，α=0.7；当P>100mm时，α=0.6。青贮玉米和紫花苜蓿全生育期有效降雨量见表3.14。

3.土壤储水量

（1）青贮玉米。测坑土壤田间持水量实测为25%。

试验观测了1m深度土壤含水率，作物根层（计划湿润层）深度为60cm。

根据观测，当根层土壤含水率为15%～20%（相当于0.6β～0.8β，β为田间持水量），玉米生长良好，当土壤含水率低于12%（0.48β）时，玉米即现明显旱象。

图3.6为青贮玉米全生期根层（0～60cm）土壤水分实测变化情况。微润灌供水速率最大仅有3mm/d，玉米中后期生长耗水强度较大，超过微润灌供水速率，还可以看出微润灌溉试验小区的玉米在7月中下旬一段时间曾明显受旱，所以7月20日之后改为管道输水畦灌。微润灌苜蓿试验小区遇到的情况同此。

图3.6 青贮玉米试验区根层土壤水分实测变化曲线

（2）紫花苜蓿。试验观测了1m深度土壤含水率，苜蓿根层（计划湿润层）深度为40cm。

根据观测，当根层土壤含水率为13%～23%（相当于0.52β～0.92β，β为田间持水量），苜蓿生长良好，当土壤含水率低于12%（0.48β）时，苜蓿就会受旱。

图3.7为紫花苜蓿试验区根层土壤水分实测变化曲线。如图3.7（b）所示，在7月中下旬一些天里，有的微润灌小区（特别是DB3小区）苜蓿因为灌溉不及时，土壤水分下降至12%以下，观测到植物叶片显示旱象。

图3.7 紫花苜蓿试验区根层土壤水分实测变化曲线

4.作物需水量

根据上述各分量，依据水量平衡原理计算得到两种灌溉形式青贮玉米全生育期内需水强度见表3.15和表3.16；紫花苜蓿全生育期内需水强度见表3.17和表3.18。

从表3.15和表3.16可知，青贮玉米每个处理的需水强度趋势一致，都是先由低到高，然后再由高到低变化。苗期植株幼小，地面覆盖度低，其水分消耗以地面蒸发为主，因此该阶段的需水强度较低，滴灌、微润灌需水强度分别为2.57mm/d、2.63mm/d；进入拔节期以后，营养生长加快，植株蒸腾速率增加较快，需水强度快速增大，需水强度较高，滴灌、微润灌需水强度分别为3.85mm/d、3.86mm/d；拔节-孕穗阶段，青贮玉米的株高和叶面积均开始较大生长，同时气温开始升高，植株蒸腾速率增加极快，需水强度急速增大，需水强度大幅增高，此时微润灌已经不能满足植物生长所需水分，改为管灌，滴灌、管灌需水强度分别为5.42mm/d、5.83mm/d；孕穗-开花阶段，青贮玉米的株高和叶面积均达到最大，同时恰好处在一年中气温最高的季节，需水强度也处于最高阶段，滴灌、管灌需水强度分别为9.41mm/d、10.74mm/d，是青贮玉米需水关键期，这一阶段滴灌较管灌体现出了节水效果；开花-收割阶段，植株开始成熟，同时气温逐渐降低，叶片蒸腾活力降低，蒸腾速率降低，需水强度逐渐减小，滴灌、管灌需水强度分别为6.23mm/d、6.65mm/d。从上面分析可知，青贮玉米的需水敏感期为拔节-孕穗和孕穗-开花阶段，因此，在拔节、孕穗、开花期灌水，对确保青贮玉米需水和获得较高的产量尤为重要。

从表3.17和表3.18可知，两次刈割的紫花苜蓿其需水强度不同，但是需水强度趋势都是一致的：由小到大，然后又变小。

第一茬过程中，返青-拔节阶段，气温较低，降雨少，植株生长速度较缓慢，个体小，叶面积指数小，滴灌、微润灌需水强度为3.37mm/d；拔节-分枝阶段，随着气温的升高和生长速度有所加快，生理和生态需水相应增多，株高及叶面积有所增大，滴灌、微润灌需水强度为3.76mm/d；分枝-孕蕾阶段，株高及叶面积大幅增加，植株需水量达到最大，滴灌、管灌需水强度为6.13mm/d、6.49mm/d；孕蕾-开花阶段，紫花苜蓿第一茬收割，滴灌、管灌需水强度为3.94mm/d、4.40mm/d。

第二茬过程中，返青-拔节阶段，气温较高，植株生长速度较快，但个体小，叶面积指数小，地面蒸发所占比重较大，滴灌、微润灌需水强度均为2.96mm/d；拔节-分枝阶段，气温较高，生理和生态需水较大，降雨量有所增大，滴灌、微润灌需水强度均为2.62mm/d、2.81mm/d；分枝-孕蕾阶段，株高及叶面积增加，植株需水量达到最大，但气温有所降低，滴灌、管灌需水强度为7.14mm/d、7.75mm/d；孕蕾-开花阶段，紫花苜蓿第二茬收割，气温降低，需水强度有所下降，滴灌、管灌需水强度分别为4.28mm/d、4.50mm/d。

紫花苜蓿需水强度由小→大→小的这种变化过程，是自身生理需水与生态环境条件长期相适应的结果。此外还与土壤水分的高低密切相关，一般在某个阶段灌水量大、降雨多，则阶段耗水量大，需水强度也大；反之在某个阶段灌水量少、降雨较少，则阶段耗水量一般就小，需水强度也小。因此，不同水分处理之间，紫花苜蓿阶段耗水量与需水强度的大小相应有所变化。

5.作物需水强度变化规律

（1）青贮玉米。根据试验资料，通过计算绘出了2种灌溉形式水分适宜条件下青贮玉米整个生育期的需水强度变化过程，如图3.8所示。

图3.8 测坑试验区青贮玉米需水强度变化曲线

从图3.8中可以看出，青贮玉米苗期气温较低，降雨少，植株生长速度较缓慢，个体小叶面积指数小，需水强度较小，其需水强度为2.60mm/d；拔节-孕穗期随着气温的升高，生理和生态需水相应增多，生长与生殖生长并进，根、茎、叶生长迅速，光合作用强烈，需水强度达到较大，其需水强度为5.63mm/d；孕穗-开花期气温达到最高，生理和生态需水达到最大，生长与生殖生长最旺盛期，根、茎、叶生长向最大值发展，光合作用最为强烈，需水强度达到最大，其需水强度为10.08mm/d，因为该阶段营养这个阶段是青贮玉米一生生长最旺的生长时期，需水强度也达到峰值，是青贮玉米需水关键期；此后随着气温逐渐降低需水强度也逐渐减小，到成熟期其值降到最低为6.44mm/d，整个生育期平均需水强度为5.52mm/d。

（2）紫花苜蓿。根据试验资料，绘出了水分适宜条件下紫花苜蓿整个生育期的需水强度变化过程，如图3.9所示。

图3.9 测坑试验区紫花苜蓿（两次刈割）需水强度变化曲线

从图3.9中可以看出，两次刈割的紫花苜蓿，其需水强度不同。第一茬苜蓿需水强度趋势：由小到大，然后又变小，返青-拔节期，气温较低，降雨少，植株生长速度缓慢，个体小叶面积指数小，需水强度变幅不大，为3.37mm/d，随着气温升高和生长速度加快，生理和生态需水量增大，且在分枝-孕蕾期达到最大，为6.31mm/d，然后逐渐降低，到刈割期降低至4.17mm/d，整个生育期平均需水强度为4.40mm/d；第二茬苜蓿需水强度趋势：由小到大，然后又变小，返青-拔节期，需水强度为2.96mm/d，在现蕾期达到最大，为7.45mm/d，此后气温逐渐降低，其需水强度也逐渐降低，到刈割期降低至4.39mm/d，整个生育期平均需水强度为4.21mm/d。

通过分析各环境因素对两种人工牧草需水强度的影响，得出如下3条规律：

1）在水分适宜条件下，人工牧草需水强度主要随气象条件而改变，气温高、蒸发能力强，则需水强度大。

2）在水分适宜条件下，人工牧草需水强度还受自身因素的影响，其中最明显的是叶面积指数和蒸腾速率。

3）土壤水分是影响人工牧草需水强度的一个比较重要的因素。苗期人工牧草叶面积指数较低，田间水分消耗以棵间土壤蒸发为主，表层土壤水分越高，棵间蒸发在总蒸发蒸腾中所占的比例越大，人工牧草的需水强度也就越高。此后随着地面覆盖度的增加，田间耗水转化为以叶面蒸腾失水为主，此时的土壤水分状况主要影响植株的株高和叶面积的发育，进而间接影响作物的需水强度。

6.作物需水模系数

需水模系数作为作物各生育阶段需水量占总需水量的权重，它不仅反映了作物各生育阶段的需水特性与要求，也反映出不同生育阶段对水分的敏感程度和灌溉的重要性。

根据需水量资料，绘制了青贮玉米各生育阶段需水模系数如图3.10所示。

图3.10 测坑试验区青贮玉米需水模系数变化

从图3.10中可以看出，阶段需水模系数是先由低到高，然后再由高到低变化。苗期植株幼小，地面覆盖度低，其水分消耗以地面蒸发为主，因此该阶段的需水模系数较低，其值为9.69%；进入拔节期以后，营养生长加快，植株蒸腾速率增加较快，需水强度快速增大，阶段需水模系数较高，其值为13.70%；拔节-孕穗阶段，青贮玉米的株高和叶面积生长较大，同时恰好处在一年中气温较高的季节，需水模系数也处于较高阶段，其值为32.32%，是青贮玉米两个需水关键期之一。

孕穗-开花阶段，青贮玉米的株高和叶面积均达到最大，同时恰好处在一年中气温最高的季节，需水模系数也处于最高阶段，其值为32.32%，是青贮玉米两个需水关键期之一。此后又逐渐降低，其值为11.97%。从上面分析可知，青贮玉米的需水敏感期为拔节、孕穗、开花期，因此，在拔节、孕穗、开花期灌水，对确保青贮玉米需水和获得较高的产量尤为重要。

根据需水量资料，绘制了紫花苜蓿各生育阶段需水模系数如图3.11所示。

从图3.11可以看出，两茬需水模系数均为由小→大→小的变化过程，是自身生理需水与生态环境条件长期相适应的结果。

阶段需水量和需水模系数这种由小→大→小的变化过程，是自身生理需水与生态环境条件长期相适应的结果。此外还与土壤水分的高低密切相关，一般在某个阶段灌水量大、降雨多，则阶段需水量大，需水模系数也大；反之在某个阶段灌水量少、降雨较少，则阶段需水量一般就小，需水模系数也小一些。

3.2.1.4 作物灌溉制度及优化

采用ISAREG模型，以内蒙古达茂旗希拉穆仁地区试验的主要作物青贮玉米和紫花苜蓿为例进行灌溉制度优化。

图3.11 测坑试验区紫花苜蓿需水模系数变化

1.模型介绍

（1）原理。该模型是葡萄牙里斯本技术大学农学院开发的灌溉模型，它具有概念明确、模拟精度高、易于操作且功能多的特点。对评价现有灌溉制度，制定优化灌溉制度有指导作用。

ISAREG模型的主要功能是模拟农田土壤水分的变化，从而评价给定的灌溉制度，计算作物需水量和灌溉需水量，也可通过不同灌水方案的模拟对比，制定优化灌溉制度。该模型考虑了：①作物根系吸水深度的变化；②非均质土层的影响；③不同深度地下水位的影响；④作物受旱时土壤供水能力对腾发量的影响。

ISAREG模型以水量平衡原理为基础，采用水量平衡方程为

式中：θ_i、θ_i-1——第i、i-1天根系层的土壤含水率，%；

P_i——第i天的有效降雨量，mm；

I_ni——第i天的净灌水量，mm；

ET_ai——第i天的作物实际腾发量，mm；

DP_i——第i天的深层渗漏量，mm；

GW_i——第i天的地下水补给量，mm；

z_ri——第i天的根系层深度，m。

模型根据水量平衡计算时可以根据需要分别以“天”“旬”和“月”作为时间尺度进行，具有比较高的模拟精度。

（2）数据结构。ISAREG模型的主要输入数据分为7类：①气象数据包括有效降雨量P、参考作物腾发量ET₀、最高气温T_max、最低气温T_min、最高相对湿度RH_max、最低相对湿RH_min、太阳辐射R_a、日照时数h和风速s等；②作物数据包括作物类型、作物生育期、计划湿润层深度、实效水可利用系数p、作物系数K_c、产量反应系数K_y等；③土壤数据包括土壤类型、每层的土壤深度d、土壤总有效贮水率TAW、田间持水率FC、凋萎点WP等；④地下水数据包括地下水补给量GW和深层渗漏量DP；⑤灌溉数据根据不同的模拟类型输入初始土壤储水率、灌水日期、灌水定额和灌水达到的土壤含水率范围以及各种灌水的各种约束条件等；⑥供水数据包括各生育阶段的最小灌水时间间隔和可供水量等；⑦验证数据为田间实测含水率。

模型的输出数据根据模拟输入选项的差异有不同的输出结果，主要包括灌溉定额、灌水定额、灌水时间、灌水次数、深层渗漏量、水分利用效率、最大腾发量、实际腾发量、水分胁迫时的减产率、盐分胁迫时的减产率、模拟含水率与田间数据的对比等。ISAREG模型的数据输入和结果输出结构如图3.12所示。

图3.12 ISAREG模型输入、输出数据框图

2.青贮玉米和紫花苜蓿灌溉制度参数验证

对2014年（P=50%）青贮玉米和紫花苜蓿两块典型试验田试验处理的实际灌溉制度进行参数验证，处理1采取滴灌的灌溉方式，处理2采取微润灌+管灌的灌溉方式。

青贮玉米和紫花苜蓿灌溉制度设计需要的基本参数主要为下述的模型输入数据：青贮玉米两个处理典型田块的根系层土壤类型相同，均分为两层，上层0～30cm为弱石质砂质壤土，下层30～60cm为粉土中石质砂质壤土；紫花苜蓿两个处理典型田块的根系层土壤类型相同。作物生育期地下水位较深，同时存在隔水层，无需考虑。根据田间气象站观测的数据，有效降雨量数据根据实际降雨量采用公式进行计算。采用仪器计算得到的逐日ET₀数据；灌溉数据为两种灌溉方式田块的实际灌水日期、灌水次数、灌水定额和灌溉定额，实际灌溉制度表3.15～表3.18。

青贮玉米及紫花苜蓿各生育阶段的根系层深度（计划湿润层深度）和实际水可利用系数p见表3.19，根据修正公式，两种作物两个灌溉形式的实效水可利用系数基本相同；由于试验田的气象数据和土壤条件相同，因此两种作物各生育期的作物系数也相同，根据青贮玉米和紫花苜蓿作物系数的计算步骤得到修正后青贮玉米生育初期的作物系数为0.34，生育中期的作物系数为1.08，生育后期的作物系数为0.32，采用FAO推荐的青贮玉米产量反应系数1.05，并用数据进行水量平衡验证。

上述对青贮玉米和紫花苜蓿实际水可利用系数、根系层深度、作物各生育阶段作物系数和产量反应系数的修正过程为对模型参数的率定过程，当模拟的土壤含水率值与实测值均能基本吻合，相对误差均在10%以内并且评价误差采用5.0%时，认为可以采用该模型的各项参数对青贮玉米和紫花苜蓿灌溉制度进行评价和优化。测坑土壤田间持水率为25%。试验观测了1m深度土壤含水率，作物根层（计划湿润层）深度为60cm。

根据观测，青贮玉米和紫花苜蓿当根层土壤含水率为15%～20%（相当于0.6β～0.8β，β为田间持水量）和13%～23%（相当于0.52β～0.92β），青贮玉米和紫花苜蓿生长良好，土壤含水率低于12%（0.48β）时，青贮玉米和紫花苜蓿即现明显旱象。

根系层土壤平均含水量可处于3个不同区域：过量含水区，θ_s≥θ>θ_FC，此时由于有重力排水，土壤含水量不能为作物即时利用，但部分可作为深层储水为作物后期所利用；实效含水量区，θ_FC≥θ>θ_OTY，该区的土壤含水量可为作物即时利用，且能使作物保持最大腾发量，故称为最优产量区或适宜含水率区域；水分亏缺区，θ_OTY≥θ≥θ_WP，此时作物因受旱而不能达到最大腾发量，使作物产量下降。

图3.13～图3.16为2014年青贮玉米和紫花苜蓿两个试验处理的土壤含水率动态模拟结果与实测值的对比。模拟结果显示两个试验处理的土壤含水率模拟值与观测值相对误差均在10%以内，平均误差为3.2%。可以看出在适合含水率范围内，正负误差大致相当，并且相对误差值大多在5%以内，模拟效果较好，通过整体对比分析，结果证明两个试验处理选用的模型和确定的参数均达到令人满意的精度，可用这一模型和这些参数评价现行灌溉制度，制定优化灌溉制度，指导灌溉制度的改进。

图3.13 青贮玉米（微润灌+管灌）模拟值与实测值土壤含水率对比

图3.14 青贮玉米（滴灌）模拟值与实测值土壤含水率对比

图3.15 紫花苜蓿（微润灌+管灌）模拟值与实测值土壤含水率对比

图3.16 紫花苜蓿（滴灌）模拟值与实测值土壤含水率对比

3.青贮玉米及紫花苜蓿灌溉制度评价

对2014年（P=50%）两块典型试验处理的实际灌溉制度进行评价，见表3.20，灌溉制度的输出结果主要包括灌水量、水分利用效率、实际腾发量、最大腾发量和产量下降率等。

根据灌溉制度评价输出结果，各处理灌水并未产生深层渗透，由于该灌区采用节水灌溉形式进行灌溉，灌水日期及灌溉水量可控性较大，2014年青贮玉米处理1（滴灌）灌水10次，处理2（微润灌+管灌）灌水10次；紫花苜蓿处理1（滴灌）灌水10次，处理2（微润灌+管灌）灌水10次，全生育期灌水总的水分利用效率接近100%。

模拟计算得到青贮玉米处理1的实际腾发量为568.80m，为最大腾发量的65.77%，产量下降达到16.99%。处理2与处理1具有类似的结果，实际腾发量为614.30mm，为最大腾发量的71.04%，由于水分胁迫造成的减产率为11.73%。

模拟计算得到紫花苜蓿处理1的实际腾发量为449.60mm，为最大腾发量的59.43%，产量下降达到20.86%。处理2与处理1具有类似的结果，实际腾发量为472.40mm，为最大腾发量的62.45%，由于水分胁迫造成的减产率为17.85%。

根据上述分析可以得出：两个处理实际灌溉制度的水分利用率均较高，说明实际灌水量基本适合；从青贮玉米和紫花苜蓿全生育期的实际腾发量远小于最大腾发量，减产率均在10.0%以上，并结合测定的含水率状况，说明青贮玉米和紫花苜蓿生育中期和后期的水分亏缺量较大，可分别考虑在青贮玉米和紫花苜蓿生育中期或后期增加灌水次数或灌水量，或者延迟前期灌水时间。

4.优化灌溉制度

根据上述分析的灌溉定额、灌水次数、水分利用效率、腾发量和产量下降率等综合对比得出平水年（P=50%）青贮玉米和紫花苜蓿的较优灌溉制度见表3.21～表3.24。

3.2.1.5 作物水分生产效率

水分生产效率计算公式为

式中：η——水分生产效率（每立方米水生产作物产品重量），kg/m³；

W——作物产量，kg/亩；

ET——全生期作物腾发总量，m³/亩。

计算结果见表3.25。

3.2.2 柳枝稷水分响应和耗水规律

3.2.2.1 作物生长规律和产量

播种后18～19d开始出苗，苗期持续大约1个月，这一时期生长较为缓慢，之后进入快速生长时期。高生长情况记录见表3.26。

柳枝稷高生长也符合抛物线规律，高生长曲线拟合结果：

a=0.0096，b=-0.1977，c=-0.4186，R²=0.9907，如图3.17所示。

图3.17 柳枝稷高生长量随生长天数的变化曲线

产量实测见表3.27。

3.2.2.2 耗水规律

柳枝稷根层（计划湿润层）深度为40cm。

根据观测，保证柳枝稷正常生长土壤水分应该维持在15%～24%（0.6β～0.96β）。低于15%时，将可能对植物生长不利。分蘖拔节期是植物需水关键期，应保证土壤水分状态处于适宜植物生长的水平，必要时给予灌溉。

柳枝稷试验小区不同阶段亏水根层土壤水分实测变化如图3.18所示。

图3.18 不同阶段亏水土壤水分实测变化曲线

柳枝稷从播种到苗期结束大约有50d时间，这一时期为初始生长期，耗水强度较低，总体大约1mm/d；苗期后期开始拔节、孕穗，生长加快，经过约15d时间，地表覆盖度由10%发展到80%～90%，这一时期耗水强度大约1～2mm/d；8月上旬植物进入乳熟期，耗水最旺，一般在2～3mm/d，个别时候可高达5～6mm/d；8月下旬为蜡熟期，耗水强度变小，一般约为1～2mm/d。

柳枝稷生长期耗水强度变化曲线如图3.19所示。不同水分处理小区观测的耗水强度变化具有高度的一致性。

图3.19 柳枝稷蒸散强度变化曲线（第一年）

3.2.3 黄芪耗水规律和灌溉方法

在希拉穆仁地区设置光伏提水黄芪滴灌-微润灌对比试验开展相关研究。

3.2.3.1 试验设计

1.试验材料

该试验区系2012年新建植饲草料地，面积1hm²，等分为两部分，分别布置滴灌和微润灌田间管道。微润灌区0.5hm²全部种植黄芪，滴灌灌区0.3hm²种植黄芪，0.2hm²种植紫花苜蓿，开展滴灌、微润灌对比试验和苜蓿耗水规律观测。对比试验区滴灌部分占0.3hm²，微润灌部分占0.5hm²。滴灌与微润灌系统由同一套光伏提水系统控制。

（1）光伏提水系统配置及水源。组件，型号CSM0160-34/S，功率160W×9=1.44kW，功率峰值P_max=160W，最大功率电压V_mp=34.56V，最大功率电流I_mp=4.63A，开路电压V_oc=42.56V，闭合回路电流I_sc=5.13A，光电板尺寸1936mm×681mm×35mm。

逆变器，型号CEEGSI-UCP2200L，功率2.2kW，南京中电电气公司研制。

水泵，格兰富深井潜水泵，墨西哥产，型号SP 8A-7，功率1.1kW，最大扬程30m，最大流量8t/h，输入三相220V。

光电板安装倾斜角为41.5°，基本与项目区所在纬度相同。光电板法线方向指向地理正南方向。

水源为直径3m混凝土预制涵筒井，井孔深度7.5m，水位埋深3m，出水量5～8t/h。

（2）节水灌溉系统布置。微润灌溉是近年出现的一种新型节水灌溉技术。这种技术利用一种以半透膜为核心材料制成的软管灌水，该软管称为微润管。微润管具有双层结构，内层为半透膜，外层为无纺布保护。半透膜软管壁上没有肉眼可见的固定孔距的孔，而是分布着数量巨大的微孔，数量为每平方厘米10万个以上，微孔的孔径为10～900nm，微孔大小处于半透膜尺度范围内，具有半透膜特性。微孔的大小允许水分子通过，而不允许较大的分子团和固体颗粒通过。当管内充满水时，水分子通过这些微孔向管壁外迁移，如果管子埋在土壤中，水分就会进一步向土壤迁移，使土壤湿润，起到灌溉作用。微润管中水向土壤中迁移的动力为管内一定的水压力和管中水与土壤之间的土水势。

2012年，在基地已建人工草地中选择离筒井水源较近位置，开辟105m×100m=1.05hm²大地块作为光伏提水试验田。将该地块等分两份，中间间隔5m隔离带，一半布置滴灌管道，一半布置微润管道。

滴灌管选择Φ16滴灌管，管上内镶迷宫滴头，滴头间距为30cm，进口工作压力10～15m时滴头流量为1.9～2L/h。地块基本水平，田间滴灌管敷设长度为50m，间距0.6m。滴灌管分组阀门控制，每组含滴灌管10根，滴头总数约1667个。支管在地头与光伏提水系统干管相连。每组工作流量为3.33m³/h。详情如图3.20所示。

微润管为厂家定制50m长度，两端有压接的Φ16滴灌管接头，可以和支管上的旁通相连接（类似滴灌管的连接方法）。微润管在1～2m低水头下运行，管道中水流速非常小，为了使供水更加畅通，微润管两端均连接支管，两头同时供水。考虑牧草作物的主根区深度为15～30cm，所以确定微润管埋设深度为20cm。参照滴灌管布置，设微润管布置间距为0.5m，也由阀门分组控制，每组设40根，全试验区共分5组，共200根微润管。根据厂家提供的技术要求，微润管工作压力宜控制在1～2m范围内，超过5m水头可能爆管。本项目试验时由平水箱控制水位，微润管工作水头控制在0.75～1.85m范围内。

微润灌溉系统布置情况亦如图3.20所示。

图3.20 光伏提水滴灌与微润灌试验区田间管道布置图（单位：m）

试验田种植两种作物：一种为紫花苜蓿，另一种为近年颇受附近广大农户及科技人员关注的饲药两用植物——黄芪。黄芪于5月下旬栽种（种苗头尾相接，横放埋土20cm，2012年5月20—27日栽种），8月中旬收获。

2.试验方法

为了能够精确观测，新建试验田在田间、管路、水源井等处设置、安装了水土壤水分传感器、水表、压力表等仪器或装置。滴灌与微润灌试验区每区埋设土壤水分传感器6个，置于两个观测点，每点3个，一点垂直布置在10cm、20cm、30cm 3个深度处，一点水平排列埋于20cm深度处（图3.21）。每区6个传感器均由一个独立的数据采集器控制。

图3.21 土壤水分监测传感器埋设方式（单位：cm）

光伏系统安装了PZ72L-DE型光伏直流电测表和RR-9751型太阳总辐射计，可以测量光伏板输出功率、电压、电流及逆变器工作频率，测量光电板角度接收的太阳能总辐射。水位计型号为SEBA型和ODYSSEY型，可以按试验要求随时精确观测井水位、水箱水位的变化。基地在试验区周围，安装有较多气象、土壤水、生态等方面的仪器设备，可以获取丰富的相关参考数据。

试验田滴灌区和微润灌区播种时土地状况相同。田间管理方面，每年人工锄草1～2次（2012年2次，2013年、2014年均为1次），追施尿素1次，约150kg/hm²（10kg/亩）。

3.试验区土壤状况

2012年试验区设置前，采集土样经实验室分析，试验区土壤质地为中强石质砂壤土，较为粗糙。有机质平均值3.57%，为二级水平；全氮含量中等，速效氮、磷含量低，钾含量较多；pH值呈碱性。总体而言，试验区土壤较贫瘠。参见表3.28、表3.29所列土壤分析化验结果。

4.灌溉情况

滴灌5～6次，灌溉时间为4月下旬（返青）、5月中旬（幼苗）、5月下旬至6月上旬（分枝）、6月下旬（分枝）、7月中下旬（花期）。微润灌4～5次，时间基本与滴灌相当，但每次微润灌持续时间较长，最长可能达1月。历年灌溉量见表3.30。

5.供试肥料

采用农家肥（2～3t/亩）做底肥，磷酸二铵做基肥（20～25kg/亩），每年作物生育期施肥1次，采用结晶肥（主要是结晶尿素，25～30kg/亩）。

3.2.3.2 黄芪生长规律研究

黄芪于2012年5月下旬植种。该年为定植第一年，植株生长较缓，植种之后大约10d后出苗，一直到7月中旬均为苗期，7月下旬开始开花，8月上旬结荚，进入8月中旬植株变黄，8月14日收获。2013年和2014年黄芪生长规律相似，基本均于4月下旬开始返青，返青后先后经过苗期、分枝、现蕾、初花、盛花、成熟和枯萎等不同生长阶段，冠层高度可长至50cm左右，生育期前半段高生长较为迅速，7月中旬盛花后开始结荚，高度生长缓慢。果实成熟后植株萎蔫，冠层高度有所降低。株高生长曲线具有抛物线形规律（图3.22）。

3.2.3.3 黄芪耗水规律分析

试验区土壤30～40cm下为较厚致密黏重钙积层土壤，透水性能较差，可视为隔水层。所以黄芪根层土壤水分平衡方程为

W ₁ -W ₀=ΔW=P+M+T-ET-K

式中：W₁——一天末土壤（计划湿润层深度）储水量，mm；

W ₀——一天初始土壤（计划湿润层深度）储水量，mm；

ΔW——一天土壤储水量变化，mm；

P——有效降雨量，mm；

图3.22 黄芪株高生长曲线（2014年）

M——灌水量，mm；

T——深层地下水补给量，mm；

K——深层渗漏量，mm。

因为上层土壤下面有隔水层，所以T、K都认为等于0，则上面方程可简化为

ΔW=P+M-ET

或者

ET=P+M-ΔW

在没有降雨和灌溉日子里

ET=-ΔW

ΔW可以通过土壤水分测量结果计算得出。

根据试验观测，黄芪是一种比较抗旱，耗水强度不高的植物。

首先，黄芪可以在含水量较低的土壤中正常生长，试验证明，土壤含水率低到7%左右时（体积含水率，相当于田间持水量的30%），黄芪仍可保持不枯萎。生长期内土壤含水率动态变化情况如图3.23所示。

其次，黄芪耗水强度不高。全生期内平均日耗水强度，2012年为1.49mm/d，2013年为1.2mm/d，2014年为2.5mm/d。不同生长阶段耗水不等，一般初始生长期为0.5～1mm/d，生长中期1～2mm/d，生长后期2.5mm/d左右。2012—2014年实测结果见表3.31。

图3.23 生长期内土壤含水率动态变化曲线

3年全生期耗水强度日变化参如图3.24所示。

2014年观测了黄芪田间小气候，利用彭曼法计算了黄芪生育期潜在腾发量ET₀。对照ET₀，计算黄芪不同生长期作物系数（K_c）为：初始期K_c，start=0.19，中期K_c，mid=0.46，后期K_c，end=0.55。

图3.24 黄芪生长期耗水强度变化

3.2.3.4 各年实测产量

测产时间：2012年8月26日、2013年8月14日、2014年9月14日。2012—2014年各年产量见表3.32。

3.2.3.5 滴灌与微润灌两种灌溉方式对地温、冠层温度的影响观测研究

2014年4月27日，在黄芪试验田安装温度自动监测系统。该套温度监测系统共8个温度传感器，分别编号1号，2号，…，8号，其中1号监测滴灌黄芪冠层气温，2号、3号、4号监测滴灌黄芪土壤15cm深度处的地温；5号监测微润灌黄芪冠层气温，6号、7号、8号监测微润灌黄芪土壤15cm深度处的地温，监测时间间隔均为1h。

在生长期内，滴灌区共灌溉4次，分别为5月20日、5月30日、6月22日、7月17日。图3.25中，滴灌黄芪在灌溉后，冠层气温在夜间（19：00—6：00）与微润灌黄芪相差无几，但是在白天（7：00—18：00）则明显低于微润灌黄芪，其中5月20—22日昼间平均冠层气温分别低3.2℃、2.1℃、2.6℃，5月30日至6月1日分别低4.5℃、3.7℃、5.2℃，6月22—24日分别低4℃、7.7℃、4.3℃，7月17—19日分别低1.3℃、1.1℃、1.1℃。对于地温，滴灌黄芪无论昼夜均低于微润灌黄芪，其中5月20—22日滴灌黄芪日平均地温相比微润灌黄芪分别低1.5℃、2.2℃、2.3℃，5月30日至6月1日分别低2.4℃、3.3℃、3℃，6月22—24日分别低2.1℃、3℃、3℃，7月17—19日分别低2.4℃、2.1℃、1.6℃。通过对比，滴灌后黄芪冠层气温和地温均低于微润灌黄芪，并且这种情况通常持续3～5d。

滴灌黄芪和微润灌黄芪生长期长度不同，滴灌黄芪生长期自4月25日返青至8月25日枯萎，共123d，微润灌黄芪自4月25日返青至8月29日枯萎，共127d。生长期内黄芪冠层气温和地温日均值如图3.26所示。

图3.25（一） 2014年滴灌灌溉后3日内冠层气温和地温与微润灌对比

图3.25（二） 2014年滴灌灌溉后3日内冠层气温和地温与微润灌对比

图3.26 2014年滴灌与微润灌黄芪生长期内冠层气温与地温日均值

图3.26中，微润灌黄芪生长期内日均冠层气温和地温均不同程度高于滴灌黄芪，特别是在滴灌灌溉后的3～5d内，差异更为明显。温度对植物的生长发育起着至关重要的作用。一般认为，在温度耐受范围内，植物的新陈代谢速率与温度成正比例关系，并且植物完成其生命周期必须有一定的温度累积。

滴灌使黄芪冠层气温和地温低于微润灌，从而使黄芪的生长发育发生了明显变化。生长期内，对滴灌和微润灌黄芪的每隔10d左右测量高度和记录物候期，如图3.27所示。

图3.27 2014年滴灌与微润灌黄芪物候期生长高度

从图3.27可以看出，滴灌与微润灌黄芪均在2014年4月25日返青，并且在各物候期的生长高度相差并不显著，但二者的物候期有较显著的差异。微润灌黄芪于5月8日进入分枝期，滴灌黄芪于5月10日进入分枝期，相比微润灌黄芪晚2d。现蕾期微润灌黄芪为6月7日，而滴灌黄芪则于6月10日现蕾，晚3d。初花期微润灌黄芪为6月10日，而滴灌黄芪则于6月17日初花，晚7d。以后的盛花期、结荚期、成熟期，滴灌黄芪均较微润灌黄芪晚5～9d。但是，滴灌黄芪于8月25日进入枯萎期，微润灌黄芪于8月29日才进入枯萎期，较微润灌黄芪早4d。

营养生长期（返青、分枝）滴灌黄芪冠层气温活动积温累积为566℃，微润灌为541℃，地温活动积温累积二者分别为479℃和476℃。滴灌黄芪于6月10日完成营养生长，而微润灌在6月7日由于地温活动积温累积与滴灌黄芪相近，便开始现蕾，比滴灌黄芪提早3d完成了营养生长。生殖生长期（现蕾、开花、结荚）滴灌黄芪冠层气温活动积温累积为853℃，微润灌为845℃，地温活动积温累积二者分别为800℃和832℃。微润灌黄芪提早5d达到了与滴灌黄芪相近的活动积温的累积。成熟期滴灌黄芪冠层气温活动积温累积为431℃，微润灌为576℃，地温活动积温累积二者分别为441℃和583℃，微润灌黄芪明显大于滴灌黄芪。这是由于微润灌黄芪成熟期相比滴灌黄芪提早9d，并且枯萎期延后4d，因此整个成熟期，微润灌黄芪相比滴灌黄芪多13d。

整个生长期内，滴灌黄芪冠层气温活动积温累积为1850℃，地温活动积温累积为1720℃，微润灌黄芪冠层气温活动积温累积为1937℃，地温活动积温累积为1863℃。微润灌黄芪生长期内冠层气温和地温活动积温累积较滴灌黄芪分别高87℃和143℃。

综上所述，微润灌黄芪由于温度高于滴灌黄芪，虽然对高度生长影响不大，但使其各物候期均提前于滴灌黄芪，并且枯萎期延后于滴灌黄芪，最终影响了黄芪的产量。

3.2.3.6 对比分析与结论

1.工程投劳

两种节灌系统支管以上部分施工方法相同。

滴灌管敷设包括搬运、分段切割、打孔连接、铺展、充水、理顺等步骤，管道放置地面，没有挖沟、埋设，完成7.5亩面积管道铺设用工8日（4人2日）。

微润管除以上工序外，铺管之前还需要开挖20cm沟槽，充水理顺之后需要妥善掩埋。管沟密集，工作量大，挖填还需注意节奏和顺序，可能还要配合播种或栽苗，这样就比较费工，完成7.5亩面积用工28日（4人7日）。

可见微润灌田间管道铺设用工量是滴灌管铺设的3.5倍。

2.节水

根据表3.33，2012—2014年，滴灌年均灌溉量为275.6mm，微润灌年均灌溉量为44.9mm，微润灌比滴灌省水约83.71%（表3.33）。

3.增产

根据表3.32测产情况，2012年微润灌区干草产量比滴灌区高80.7%，2013年微润灌区高48.5%，2014年测量了药用部分——根的产量，微润灌区比滴灌区高100%。

滴灌-微润灌对比试验表明，微润灌适合黄芪灌溉，在节水与增产这两个关键方面，明显优于滴灌。

所以，对于像黄芪这类多年生（不需要每年翻耕）、耐旱（耗水不强）、经济价值较高（对于较多的田间投劳可以很好补偿）的饲药两用牧草，采用微润灌是比较适宜的。

4.对作物生长环境影响

灌水会导致土壤、近地表空气温度降低，对作物生长造成一定影响。实测表明，微润灌对温度的影响明显小于滴灌，微润灌区由于土壤、冠层温度高于滴灌区，使黄芪生长各物候期均有所提前，并且使黄芪枯萎期也延后，有助于植物生长，促进黄芪地上、地下部分产量均提高。

3.2.4 饲草料作物水肥控释技术

3.2.4.1 水肥关系及其耦合作用

1.根系吸收水分的生理过程

根系虽然是植物吸水的主要器官，但并不是根的各部分都能吸水。根的吸水主要在根毛区进行，如图3.28所示。

图3.28 根系结构

根系吸水有两种方式：一种是被动吸水 （叶片蒸腾作用产生的蒸腾拉力经木质部导管传递至根系，使根系从土壤中被动吸收水分）；另一种是主动吸水 （根细胞的生理活动形成一套渗透系统，使液流产生了由根部上升的压力，这种压力称为根压，根系依靠根压主动吸收水分）。二者相比，被动吸水是植物在生长旺盛季节的主要吸水方式，主动吸水只在幼苗期、早春树木吐芽和蒸腾很弱时起重要作用。

只要根系比周围土壤的水势低，水分就会从土壤流向根系，这样会使周边土壤颗粒的水膜变薄并同时降低水势，相邻的土壤水分又会沿水势梯度向根系方向流动。通过这种方式，根系可以吸收半径6mm内的土壤中大部分水分。随着土壤水分逐渐降低，土壤颗粒表面的水膜也越来越薄，土壤水势也随之下降，根系吸水也越加困难。当土壤水势与根系水势相等时，根系无法吸收水分，此时的土壤水势称为永久萎蔫点，大多数作物的永久萎蔫点约为-1.5MPa。

另外，干旱土壤中水膜较薄的另一个效应是导致土壤颗粒之间的孔隙被空气占据，水分无法直接通过这些土壤孔隙，而必须沿土壤颗粒周边绕行很长的一段距离。由于这个原因，土壤的水导率随着土壤的干旱度上升会骤然下降。

2.根系吸收营养元素的方式

目前，国内外公认的高等植物所必需的营养元素有16种，它们是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、铁（Fe）、硼（B）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、钼（Mu）、氯（Cl）。其中，C、H、O、N、P、K这6种元素在植物体内含量较多，被称为大量元素，N、P、K是几乎所有化肥的最主要成分，因此这3种元素被称为肥料3要素。Ca、Mg、S这3种元素在植物体内含量为0.1%～1%，被称为中量元素，其他元素在植物体内含量小于0.1%，被称为微量元素。植物吸收的C元素主要来源于大气中的CO₂，H和O元素主要来源于水分，其余13种元素主要来源于根系从土壤中吸收。

我国干旱半干旱牧区土壤主要以粟钙土和棕钙土为主，粟钙土的钙积层深度一般出现在20～50cm，厚20～70cm，棕钙土钙积层位稍高，一般出现在20～30cm处。这类土壤中N和P较少，Ca和K占优势。

与吸收水分一样，根毛区也是植物吸收营养元素的主要区域。根系从土壤中吸收营养元素是以消耗代谢能量的主动吸收为主。根部细胞呼吸释放CO₂，与 H₂O形成 H₂CO₃，并分解为H⁺和，与根表面的离子态营养元素进行交换吸附，使根系获得生长所需的各种营养元素。因此，土壤颗粒与根细胞表面必须有足够的水分才能保证根细胞吸收营养元素。

营养元素通过3种方式与根表面接触，即扩散、集流、根系截流。

扩散（diffusion）是指分子或离子沿土壤溶液浓度梯度的运动，是营养元素接触至根表面的主要方式。集流（mass flow）是指可溶性营养元素在流动的土壤水分中向根表面的移动。集流对那些土壤溶液中丰富或植物需求量小的营养元素，可以成为一种重要机制，但无法保证大量元素的供应。根系截流（root interception）不是直接向根提供营养的重要机制，随着根系延伸至新的土壤，它们截取了这些尚未占据土壤中可利用的营养。根系生长的重要性不在于它对营养的截流，而是因为它找到了新的土壤部分并产生新的根表面，使营养可以通过扩散和集流向根系移动。

所有的吸收根都会产生表面扩散层 （diffusionshell）。对于扩散快的离子而言，根接触的土壤体积相对较大。例如，快速扩散的通常在吸收根周围半径约6～10mm的扩散层中耗尽，而在半径小于1～2mm的范围内就已耗尽，耗尽的半径则小于1mm。因此，要完全利用土壤中的磷酸盐或铵就需要比利用硝酸盐有更高的根密度。许多生态系统中的根密度足以吸收土壤中绝大部分的硝酸盐，但对铵或磷酸盐却只能吸收一小部分。植物加强对扩散缓慢离子的吸收，采用的方式主要是增加根长度以提高所利用土壤的体积。

饱和水流（saturated flow）是土壤中水分因重力而发生的流动。一场大雨之后，只要水分含量超过了土壤的保水力，土壤就会通过饱和水流进行垂直排水。由于最上层土壤的营养可利用性和矿化速率通常最高，这种垂直水流进行了营养的重新分配，并补充了围绕着根的扩散膜，迅速消除根周围的表面扩散层。但由此也带来了不利因素是一些易溶于水的营养元素如K⁺和随垂直水流淋溶出根区，造成土壤营养损失和地下水污染。

影响根系吸收水分和营养的主要因素有根系结构、土壤湿度、温度、通气状况以及土壤溶液的浓度，而根系吸收营养元素除受上述这些因此影响外，还受土壤溶液的pH值、土壤颗粒对离子的吸附能力、土壤微生物以及土壤中离子间的相互作用影响。

3.施肥

干旱半干旱牧区人工草地最为常用的化肥是尿素和磷酸二胺。

尿素［CO（NH₂）₂］含氮量46%，是农业生产中最为常用的氮肥。尿素施入土壤后，在土壤微生物分泌的脲酶作用下，水解为 （NH₄ ）CO₃ ，进而转化为。尿素的铵化作用受土壤温度影响最大，当土壤温度为10℃时尿素完全转化成铵态氮需7～10d，20℃需4～5d，30℃需2～3d，因此尿素应提前施。另外，值得注意的是：①尿素易溶于水但是不易被土壤胶体吸附，因此应防止随水流失；②铵化作用的最终产物为，在水中与OH^-结合转化为极易挥发的氨气 （NH₃），因此尿素应深施且不应与碱性肥料同施。

磷酸二铵［（NH₄）₂HPO₄］，是含氮磷两种营养成分的复合肥，含氮量18%，含磷量46%，是一种高浓度的速效肥料，适用于各种作物和土壤，在农业生产中广泛被用作基肥。

目前，牧区舍饲牲畜较多，因此厩肥较为丰富。厩肥在施入之前最好经过腐熟发酵以提高肥料利用率以及杀灭病虫害。厩肥经腐熟发酵后施入土壤，在适宜的水热条件下，经微生物将各种有机物分解为腐殖质，可有效改善土壤养分、结构、pH值等，利于植物生长。厩肥不仅含有N、P、K，还含有Ca、Mg、S等其他元素和微量元素，能较全面地满足作物营养的需要。

另外，任何肥料一定要施入土壤主要根系层的深度才能起到最佳供应营养作用，并且不能与种子或根系直接接触，要有一定距离，以避免种子或根表面土壤溶液浓度过高，引起“烧苗”。

综上所述，植物根系-土壤水分-营养元素三者之间构成了相互联系的综合体系，既相互促进又相互制约。因此有效调控根-水-肥三者的耦合作用，使其达到最佳状态，是提高植物水肥利用率的关键。

3.2.4.2 基于生长桶水肥控释试验的苜蓿水肥关系分析

1.试验结果与分析

各桶苜蓿产量分别为1号66g、2号132g、3号136g、4号55g、5号102g、6号118g，折合165kg/亩、333 kg/亩、344 kg/亩、139 kg/亩、240 kg/亩、298 kg/亩。其中，3号桶（充足供水+施肥）产量最高，2号桶（中度供水+施肥）仅次于3号桶，4号桶（少量供水+不施肥）产量最低。对于施肥的增产作用：1号与4号相比，少量供水时增产20%，2号与5号相比，中度供水时增产29%，3号与6号相比，充足供水量增产15%。中度供水时施入尿素的增产幅度最大，充足供水时施入尿素的增产幅度最小。

虽然2号桶中度供水，但其产量与充足供水的3号桶相差约3%，差异不显著，说明施肥条件下，中度供水并未影响苜蓿的生长。5号桶与6号桶产量相差约15%，说明未施肥条件下，中度供水对苜蓿的生长具有一定的影响。

施肥的1、2、3号桶，根系最大深度分别为32cm、46cm、36cm，2号桶根系最深，1号桶和3号桶深度相近。未施肥的4、5、6号桶，根系最大深度分别为36cm、50cm、38cm，普遍较1、2、3号桶深2～4cm。将苜蓿根系每10cm深度称重，干重量如图3.29所示。

图3.29 不同深度苜蓿根系干重量

图3.29中，1、2、3号桶内苜蓿根系总重量分别为56g、82g、73g，不同深度重量分布明显不同，1号桶根系在耕作层中部10～20cm，占总重量41%，耕作下层20～30cm占30%，表层0～10cm占24%，耕作层以下只占5%；2号桶耕作层中部占35%，耕作下层占27%，表层占22%，耕作层以下占16%；3号桶耕作层中部占38%，耕作下层占22%，表层占34%，耕作层以下占5%。4、5、6号桶根系总重量分别为40g、64g、57g，对应施肥的1、2、3号桶分别下降29%、22%、22%，不施肥时，不同水量对苜蓿根系的影响相近。但是，不同土层深度根系重量分布分别与1、2、3号桶近似，说明施肥只影响苜蓿根系的生物量，对苜蓿根系的生长趋势影响不大。

1号桶和4号桶由于少量供水，一直处于中度至重度受旱状态下，苜蓿的生长受限，无论是地上产量还是地下根系重量均较低，其根系趋向于耕作层中下层生长，但由于生长量有限，其根系深度并不深。2号桶和5号桶苜蓿根系趋向于土壤深处生长，最深达46cm，且耕作层以下根系重量占总重量的16%，其根系占据的土壤空间较大，利用深层土壤资源的能力较强。3号桶和6号桶根系趋向于土壤浅层生长，虽然根系占据的空间有限，但是其根系范围内供水充足，因而生长量较大。

化验苜蓿植株和根系粗蛋白含量为19.7%和8.5%，一般植物粗蛋白含氮量约为16%。氮肥利用率按下式计算：

计算1、2、3号桶苜蓿氮肥利用率为20%、43%、28%。中度供水的2号桶明显高于少量供水的1号桶和充足供水的3号桶。

2.小结

（1）少量供水时（灌溉15mm），即使施入尿素也不利于苜蓿的生长，产量低下，并且氮肥利用率最低。

（2）中度供水时（灌溉25mm），利于苜蓿根系向土层深处生长，可以维持苜蓿高产。中度供水时施入尿素对苜蓿地上植株产量和地下根系重量的增加幅度最大，同时氮肥利用率最高，节约灌溉成本。

（3）充足供水时（灌溉40mm），虽然使苜蓿的地上植株维持高产，但造成苜蓿扎根较浅，利用土壤空间能力有限。充足供水时施入尿素对苜蓿的增产幅度最小，同时氮肥利用率偏低，并且造成大量的水资源浪费。

3.2.4.3 黄芪大田水肥关系分析

在黄芪滴灌-微润灌对比试验区（参见前文3.2.3节）0～30cm耕作层土壤2013年春季经化验滴灌区速效氮含量为72×10^-6，微润灌区为83×10^-6，均属于缺乏状态。2013年5月25日，在滴灌区和微润灌区分别选取10m×10m样地各3块。施肥方法为条施：每垄东侧5～10cm，开沟5cm深，施入尿素。施肥量分别为低肥5kg/亩，中肥15kg/亩，高肥30kg/亩，分别相当于使0～30cm耕作层土壤速效氮含量提高 10×10^-6、30×10^-6、60×10^-6。以临近的未施肥黄芪人工草地为对照，生长季内每隔10～15d观测记录黄芪生长高度和物候期时间。当黄芪进入结荚期时，分别随机选取滴灌区和微润灌区施肥样地和对照样地健康黄芪植株各10株，齐地面刈割，将黄芪枝、叶、荚果分别烘干称重。2014年6月25日、7月25日、8月25日分别取滴灌区和微润灌区施肥样地和对照样地0～30cm耕作层土壤化验速效氮含量。

1.试验结果与分析

生长季内，滴灌区3块施肥样地和对照样地相比，各物候期时间和生长高度差异不明显，微润灌区3块施肥样地和对照样地相比，各物候期时间和生长高度也差异不明显。滴灌区和微润灌区在生长季内各物候期生长高度差异不明显，但物候期时间明显不同，如图3.30所示。

图3.30中，2014年5月25日施肥时，黄芪处于分枝期。6月5日观测时，微润灌区黄芪已开始现蕾，但滴灌区黄芪仍然处于分枝期。6月18日观测时，滴灌区黄芪才开始现蕾，较微润灌区黄芪晚13d。随后的花期、结荚期和成熟期滴灌区均晚于微润灌区11～13d左右，但两块样地的黄芪均同时进入枯萎期。综合看来，滴灌区黄芪营养生长期 （分枝期）持续时间较长，微润灌区营养生长期虽然较短，但生长高度与滴灌区黄芪相近，说明微润灌区黄芪生长更为迅速。由于生长迅速，微润灌区黄芪早于滴灌区黄芪进入生殖生长期 （现蕾、开花、结荚、成熟期），其生殖生长的时间特别是成熟期也较滴灌区黄芪长将近2周。然而，滴灌区和微润灌区施肥样地与各自的对照样地相比，无论是物候期时间还是各物候期生长高度均无明显差异，这说明，施尿素对于黄芪的生长发育速率无明显影响，反而不同灌水方式对于黄芪的生长发育速率有明显的影响。

图3.30 滴灌与微润灌黄芪物候期时间及生长高度

当黄芪进入结荚期时，分别随机选取滴灌区和微润灌区施肥样地和对照样地健康黄芪植株各10株，齐地面刈割，将枝、叶、荚果分别烘干称重，见表3.34。

表3.34中，滴灌区不同施肥量和对照黄芪枝干重量相近，平均40g/株；叶干重低肥和对照样地相近，平均6.1g/株，中肥和高肥样地分别增产37%和47%，高肥样地高于中肥样地；荚果干重低肥和对照样地相近，平均2.1g/株，中肥和高肥样地分别增产9%和22%，高肥样地高于中肥样地。由此可见，滴灌区黄芪施肥只对叶和荚果有增产效果，并且施量必须达到中肥以上的水平，随着施肥量增加，叶和荚果产量也相应增加。微润灌区不同施肥量枝干重与对照相比有不同程度的增加，其中，低肥样地增加5%，增产效果微小，中肥和高肥样地增产效果较高，分别为15%和17%，二者相近；叶干重方面，低肥样地增产7%，增产效果微小，中肥和高肥样地增产效果较高，分别为47%和43%，二者相近；荚果干重方面，低肥样地增产7%，增产效果微小，中肥和高肥样地增产效果较高，分别为52%和45%，二者相近。由此可见，微润灌区黄芪施肥对枝、叶和荚果都有增产效果，但是低肥水平增产效果微小，中肥和高肥增产效果明显且二者相近，但是，中肥更为节约施肥成本。

2.小结

微润灌区黄芪低肥水平即可产生增产效果，中肥水平增产效果已达到最大。滴灌区黄芪，低肥水平几乎无增产效果，中肥水平增产效果明显，但高肥水平增产效果才能达到最大。因此，微润灌+中肥对黄芪的增产效果最佳，同时节约施肥成本。

3.2.4.4 青贮玉米水肥控释技术

1.试验设计

（1）材料与方法。本试验于2014年在灌溉小区开展，每小区面积8m×17m=136m²。每小区四周地下设1m深两布一膜防渗膜，可防止小区水分侧渗；小区配备完善的地下供水管道。小区之间纵向隔离带宽度为3m，横向隔离带宽度为1m。本试验小区排列如图3.31所示。

图3.31 灌溉小区编号布置

2014年4月下旬土壤解冻后，每小区以梅花状选定5个样点，用土钻钻取0～30cm土壤，带回实验室风干后化验土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量及pH值，如表3.35所示。

由表3.35可以看出，各小区营养成分含量及pH值相近。全氮和有机质含量属中等水平，速效氮和速效磷含量属缺乏水平，速效钾属丰富水平，pH值属碱性。项目区人工草地2013年测定，土壤容重为1.28g/cm³，田间持水量为28%。

2014年5月中旬，东西方向播种青贮玉米。根据边缘效应原理，采用一带两行的播种方式：行距和株距窄，分别为30cm 和20cm，带距宽，为50cm，两边距地梗均为25cm。每小区共10带20行，1700株，折合8500株/亩。该种方式可使两行作物都能在一侧获得更多光资源和空间资源，同时保证较高的株数。

播种后及时灌水以保证出苗整齐。灌溉方式采用滴灌，Φ16滴灌带布置在行中间。6月中旬对各小区进行施肥处理，肥料为磷酸二铵。施肥方式：垅内侧距离苗7.5cm开沟5cm深，施入磷酸二铵，如图3.32所示。考虑该种滴灌+施肥方式有两个优点：一是节省滴灌带；二是灌溉水、肥料、根系三者之间有一定的距离，既避免肥料烧苗，又避免水流入渗带走肥料。

（2）试验设计。本试验设计3种灌溉水平，分别为低水（灌水15mm）、中水（灌水30 mm）、高水（灌水45 mm）。西边4个小区（1行1列、1行2列、2行1列、2行2列）为低水区，单次灌水时间为2h。中间4个小区（1行3列、1行4列、2行3列、2行4列）为中水区，单次灌水时间为4h。东边4个小区（1行5列、1行6列、2行5列、2行6列）为高水区，单次灌水时间为6h。可分别使0～30cm耕作层土壤含水量提高5%、10%、15%。根据以往的观测，项目区当土壤含水量低于10%时（田间持水量35%），青贮玉米在中午时出现持续约3～5h的暂时萎蔫。因此确定当土壤含水量低于10%时进行灌溉。因此3种灌溉水平灌水后可分别使土壤含水量达到15%（田间持水量54%）、20%（田间持水量71%）、25%（田间持水量89%）。苗期至收获期共灌溉6次，分别为6月18日、6月23日、7月11日、7月20日、7月28日、8月15日。低水区总灌水量为90mm，中水区总灌水量为180mm，高水区总灌水量为270mm。

本试验设计3种施肥水平，分别为低肥10kg/亩、中肥35 kg/亩、高肥70 kg/亩，可分别使0～30cm耕作层土壤速效氮含量提高 7×10^-6、25×10^-6、49×10^-6，分别达到82×10^-6（缺乏）、100×10^-6（中等）、124×10^-6（丰富）。一般认为，施入土壤中的磷肥当季利用率仅为10%～25%，本书研究取平均值，以18%计，则可分别使0～30cm耕作层土壤速效磷含量提高 3×10^-6、10×10^-6、21×10^-6，分别达到9×10^-6（缺乏）、16×10^-6（中等）、27×10^-6（丰富）。

对12个试验小区的灌溉水平和施肥水平的布置如图3.33所示。

2014年6月1日，青贮玉米开始陆续出苗，之后每隔5～7d测量各小区植株高度，绘制各小区青贮玉米生长曲线。7中旬以后，利用LAI-2200植物冠层分析仪测量各小区青贮玉米叶面积指数。8月30日至9月1日对各小区测产。

2.试验结果与分析

生长季内，各小区青贮玉米的物候期时间、生长高度及叶面积指数LAI有所区别，如图3.34所示。

12块小区营养生长物候期相同，均为6月1日出苗，6月29日拔节，但生殖生长物候期不尽相同。图3.34（a）中，0肥区和低肥区青贮玉米的各物候期相同，8月23日孕穗，8月29日抽穗，未开花。中肥区和高肥区出苗和拔节时间与0肥区和低肥区相同，但孕穗期均提早3d，为8月20日，随后中肥区8月23日抽穗，8月29日开花，而高肥区直至8月29日才开始抽穗，未能开花。相比而言，低水区4块样地，在刈割时只有中肥区青贮玉米进入了开花期，其他3块样地均处于抽穗期。

图3.32 青贮玉米种植方式

图3.33 小区灌溉水平和施肥水平布置

图3.34（b）中，各小区青贮玉米物候期情况与低水区不同。0肥区8月23日孕穗，8月29日抽穗，未开花。其他3块样孕穗期均提早3d，为 8月20日，随后中肥区8月23日抽穗，8月29日开花。

图3.34（c）中，各小区青贮玉米物候期情况与低水区和中水区均不同。0肥区8月20日孕穗，8月23日抽穗，8月29日开花。低肥区8月23日孕穗，8月29日抽穗，未开花。中肥区与0肥区物候期相同，高肥区和低肥区物候期相同。

图3.34（一） 灌溉小区青贮玉米物候期时间、生长高度及叶面积指数LAI

图3.34（二） 灌溉小区青贮玉米物候期时间、生长高度及叶面积指数LAI

不同水肥组合对于青贮玉米的物候期的影响：在低水区，只有中肥水平青贮玉米能够开花。在中水区，只要施肥，青贮玉米均能够开花。在高水区，不施肥和中肥青贮玉米能够开花。许多研究表明，青贮玉米开花期至乳熟期是其营养最佳的时期，能够开花是青贮玉米作为高品质饲料的重要指标。综合看来，充足供水和中度施肥更有利于青贮玉米的开花。

不同水肥组合对于青贮玉米高度和LAI的影响：在低水区，中肥水平青贮玉米各物候期高度和LAI最高，高肥水平次之，0肥和低肥水平最低。在中水区，中肥水平最高，高肥水平次之，0肥和低肥水平最低。中水区高度和LAI明显高于低水区20～50cm和1.1左右。在高水区，各小区各期基本相同，这与低水区和中水区情况明显不同。与中水区相比，高水区中各小区各期高度和LAI与中水区的中肥区相近，高于中水区其他3小区同期30～50cm和0.8左右。综合看来，充足供水和中度施肥更有利于提高青贮玉米的高度和LAI。

2014年8月30日至9月1日进行测产。

低水区产量：中肥区最高，为965kg，折合4733kg/亩，高肥区次之，为788kg，折合3866kg/亩，0肥区为745kg，折合3654kg/亩，低肥区略小于0肥区，为733kg，折合3597kg/亩。因此，在低水区，各小区产量相差显著，中肥水平青贮玉米产量最大，其次为高肥水平，0肥和低肥水平最小，最高产量与最低产量相差30%。

中水区产量：中肥区最高，为1175kg，折合5763kg/亩，高肥区次之，为985kg，折合4829kg/亩，0肥区为917kg，折合4496kg/亩，低肥区略小于0肥区，为867kg，折合4294kg/亩。因此，在中水区，各小区产量相差显著，中肥水平青贮玉米产量最大，其次为高肥水平，0肥和低肥水平最小，最高产量与最低产量相差28%。

高水区产量：中肥区最高，为1283kg，折合6291kg/亩，高肥区次之，为1248kg，折合6121kg/亩，低肥区为1230kg，折合6032kg/亩，0肥区略小于低肥区，为1221kg，折合5990kg/亩。因此，在高水区，各小区产量相差不显著，最高产量与最低产量仅相差5%。

图3.35中，不同灌水量对青贮玉米的产量影响显著。以各0肥相比，低水0肥区产量745kg，中水0肥区产量917kg，相比低水0肥区增产23%，高水0肥区产量1221kg，相比低水0肥区增产64%，相比中水0肥区增产33%。以各低肥相比，低水低肥区产量733kg，中水低肥区产量867kg，相比低水低肥区增产18%，高水低肥区产量1230kg，相比低水低肥区增产68%，相比中水低肥区增产42%。以各中肥相比，低水中肥区产量965kg，中水中肥区产量1175kg，相比低水中肥区增产22%，高水中肥区产量1283kg，相比低水0肥区增产33%，相比中水0肥区增产9%。以各高肥相比，低水高肥区产量788kg，中水高肥区产量985kg，相比低水高肥区增产25%，高水高肥区产量1248kg，相比低水高肥区增产58%，相比中水高肥区增产28%。综合比较，低水区4个小区平均产量808kg，中水区4个小区平均产量986kg，高水区4个小区平均产量1246kg，中水区平均增产22%，高水区相比低水区平均增产54%，相比中水区平均增产26%。总体而言，青贮玉米的产量随着灌水量的增加而显著增加。

图3.35 灌溉小区不同灌水量青贮玉米产量比较

图3.36中，不同施肥量对青贮玉米增产作用只有低水区和中水区比较显著，在高水区不显著，并且在低水区和中水区的增产作用只局限于中肥水平。低水区中的0肥区、低肥区、高肥区产量分别为745kg、733kg、788kg，三者相近，中水区中的0肥区、低肥区、高肥区产量分别为917kg、867kg、985kg，三者也相近。因此，低肥水平对于青贮玉米不仅无增产效果，反而产量略微下降，而高肥水平对青贮玉米增产效果也分别只有6%和7%，增产效果微小。中肥水平对青贮玉米的增产效果较为明显，低水区增产30%，中水区增产28%，高水区中肥水平增产仅为5%。总体而言，施肥对于青贮玉米的增产作用，只有在低水区和中水区且施肥量达到中肥水平才能体现出来。

图3.36 灌溉小区不同施肥量青贮玉米产量比较

3.小结

通过不同灌水量和不同施肥量对于产量比较，与高度和叶面积指数得到了相同的结果，即充足供水和中度施肥对于青贮玉米的生长促进作用最明显，分析其原因很可能是：①青贮玉米是一种速生高产牧草，本身的需水量就很大，因此充足供水有利于其生长发育；②充足供水促进了土壤中的营养元素的扩散作用，同时土壤水导率较高，便于根系吸收营养元素；③中度施肥不至于引起土壤水势的强烈下降，对于根系的生理吸水过程影响不大。另外，充足供水和中度施肥有利于青贮玉米开花结实，青贮玉米的营养品质最佳。总之，充足供水和中度施肥有利于青贮玉米的生长，产量和品质最优。