孙洪仁，张英俊，韩建国，逯涛林，高飞
（中国农业大学草地研究所，北京 100094）
摘要：为明确紫花苜蓿的蒸腾系数和耗水系数的影响因子和范围，本文对其进行了较为详尽地探讨。影响紫花苜蓿蒸腾系数的因子包括品种、茬次、生长月龄、气候、供水和生长调节剂。不同品种或研究材料及不同茬次的蒸腾系数不同，建植当年生长月龄大者较小，日蒸发量大的地区和年份较大，水分亏缺情形下较大，赤霉素处理低于对照。建植当年人工控制环境条件下（网室、温室和人工气候室，盆栽）紫花苜蓿的花前蒸腾系数范围为360～1000，田间条件下局部地区研究结果为600～700；紫花苜蓿的全生育期蒸腾系数及建植2年及以上的花前蒸腾系数尚未知晓。影响紫花苜蓿耗水系数的因子包括气候、灌溉、施肥、茬次、生长年限。不同气候区域、气候年份、灌溉量、灌溉模式、施肥量、施肥模式及刈割茬次的耗水系数不同；建植2年及以上小于建植当年；不同品种差异不显著。在相对正常的田间栽培管理条件下，建植当年紫花苜蓿花前生物产量耗水系数和花前经济产量耗水系数的范围分别约为800～1200和700～1050，建植2年及以上者分别约为400～800和350～700；紫花苜蓿全生育期生物产量耗水系数的范围约为700～1400。
关键词：紫花苜蓿；耗水规律；蒸腾系数；耗水系数
The Transpiration Coefficients and Water Consumption Coefficients of Alfalfa
SUN Hong-ren, ZHANG Ying-jun, HAN Jian-guo, LU Tao-lin, GAO Fei
(Institute of Grassland Science，China Agricultural University，Beijing 100094)
Abstract: The influence factors and ranges of transpiration coefficients (TC) and water consumption coefficients (WCC) of alfalfa (Medicago sativa L.) were studied. The influence factors of TC of alfalfa included cultivar, growth cycle, age, climate, irrigation and growth regulator. The TC of different cultivars and different growth cycles were different, and decreased with the growing up in the establishment year, and increased at the high evaporation region and year, and became higher in the situation of water deficit, and lower by applying the gibberellin. The ranges of the pre-blossoming transpiration coefficients (TCp) in the establishment year were about 360-1000 under the controlled environment, and 600-700 under the field condition. The TC in the whole development stage (TCw) and TCp in the non-establishment years were unknown. The affecting factors of WCC consist of climate, irrigation, fertility, growth cycle and age. The WCC of different climate region and year, amount and pattern of irrigation and fertility, and growth cycle were different, 2-year-old and over alfalfa were lower than 1-year-old one. There was no significantly different between cultivars. Under the normal field conditions, the ranges of the pre-blossoming water consumption coefficients (WCCp) in biomass and WCCp in economic yield (14% water content) of 1-year-old alfalfa were about 800-1200 and 700-1050, and of 2-year-old and over one 400-800 and 350-700 .The WCC in biomass in the whole development stage was about 700-1400.
Key words: Alfalfa; Water consumption regularity; Transpiration coefficient; Water consumption coefficient
耗水规律是作物合理灌溉、产量预测和灌溉工程设计的基础，亦是水资源不足条件下对其进行合理配置（种植业与其他产业之间及种植业内部各种作物之间）的前提。紫花苜蓿为全球最重要的栽培牧草，被誉为“牧草皇后”，研究其耗水规律具有重要意义。蒸腾系数和耗水系数是耗水规律的重要内容，而紫花苜蓿的蒸腾系数和耗水系数的范围至今尚无定论，影响紫花苜蓿蒸腾系数和耗水系数的因子亦乏见报道。如国内学者大多认为紫花苜蓿的蒸腾系数是800左右或700～1200之间[1～5]，但亦有局部地区田间试验结果为400～700之间[6]；国外学者自1913年以来的研究报道为360～1800之间[7～17]，上、下限差别达5倍。国内外学者关于紫花苜蓿耗水系数的报道数据为180～2100之间[6，13，18～47]，上、下限差别近12倍。为明确紫花苜蓿的蒸腾系数和耗水系数的影响因子和范围，本文对其进行了较为详尽地探讨。
1 紫花苜蓿的蒸腾系数
蒸腾系数（transpiration coefficient）是植物蒸腾消耗的水分质量与同期植物积累的干物质质量之比值，其中蒸腾耗水量、干物质积累量的单位为同级质量单位。干物质积累量有两种，一是地上部干物质积累量，二是全部干物质积累量，地上部和地下部全部计算在内，在没有限定性说明的情况下，通常是指前者[48]。蒸腾系数具有时段性，有反映全生育期（从出苗或返青至成熟期）植物蒸腾耗水与干物质积累比例关系的全生育期蒸腾系数，亦有反映某一生长或发育阶段植物蒸腾耗水与干物质积累比例关系的阶段蒸腾系数[48]。种子生产以收获籽实体为目的，收获期为成熟期，牧草完整经历从出苗或返青至成熟整个生育期，当用全生育期蒸腾系数反映其蒸腾耗水与干物质积累之比例关系。牧草生产以收获营养体为目的，收获期非为成熟期，牧草并未完整经历整个生育期，当用阶段蒸腾系数反映其蒸腾耗水与干物质积累之比例关系，紫花苜蓿通常初花期收获，因而应用花前蒸腾系数[48]。
1.1 影响紫花苜蓿蒸腾系数的因素
1.1.1 品种 紫花苜蓿不同品种或研究材料的蒸腾系数不同。Briggs 和Shantz（1913，1914，1916）[7～9] 及Shantz 和Piemeisel（1927）[10]在美国科罗拉多州，于网室内（高2.7m；21号镀锌金属丝，网孔0.95cm；四周下部围以木板墙，高0.9m），采用盆栽称重法（镀锌金属盆，高近0.9m，盛土约115kg，棵间密封）进行的紫花苜蓿（建植当年）蒸腾规律的研究结果为，Grimm苜蓿的蒸腾系数为875（700～1111），而Peruvian为626（482～764）。Cole等[11]（1970）在温室内采用盆栽称重法进行的研究表明，不同品种或研究材料及同一品种不同基因型的蒸腾系数差异显著，Ladak，Hairy Peruvian，Sonara，Mesa-Sirsa，Moapa，SW-17和M-56-11×P-2等7个品种或研究材料（1～4月龄）的蒸腾系数变异范围为360～626。Dobrenz等[12]（1971）在人工气候室内采用与Cole等[11]（1970）相似的研究方法和研究材料（6月龄），亦得出了不同品种或研究材料蒸腾系数差异显著的结论，蒸腾系数变异范围为732～968。利用Fairbourn[13]（1982）在温室内采用盆栽称重法的研究数据，可以计算出Dawson，Fremont，Team，Vernal，Travois和Ladak等6个品种（2～3月龄）的蒸腾系数变异范围为424～637 。Estill等[14]（1991）在人工气候室内采用盆栽称重法的研究表明，Ladak 65（幼苗至初花期）叶色苍白群体的蒸腾系数明显低于叶色深暗群体，适宜供水情形下分别为570（475～625）和670（605～715）。Johnson和Tieszen[15]（1992）在温室内采用盆栽称重法的研究结果为，不同碳同位素鉴别率研究材料（1～3月龄）的蒸腾系数差异显著，高、中和低依次为578、479和412。李桂荣（2003）[6]在河北沧州采用防雨池栽控水法的研究表明，不同品种的蒸腾系数差异显著，具体结果见表1。
1.1.2 茬次 建植当年不同茬次紫花苜蓿的蒸腾系数不同。李桂荣（2003）[6]的研究表明，建植当年不同茬次紫花苜蓿的蒸腾系数差别明显（表1）。
表1 河北沧州地区建植当年紫花苜蓿不同品种、不同茬次的蒸腾系数
Table 1 The transpiration coefficients of establishment year’s alfalfa of different cultivars and growth cycles in Cangzhou,Hebei province
茬次 growth cycle (GC) | 中苜一号 Chinese alfalfa No.1 | 青睐 Favour | 敖汉 Aohan | WL323 | 保丰 Baofeng | 首领 Leader |
| 第1茬 First GC | 745 | 625 | 810 | 728 | 794 | 677 |
第2茬 Second GC | 504 | 562 | 581 | 617 | 545 | 676 |
| 第3茬 Third GC | 693 | 718 | 796 | 725 | 726 | 739 |
全生长季Whole growth season | 612 | 619 | 699 | 678 | 659 | 688 |
1.1.3 生长月龄 建植当年不同生长月龄紫花苜蓿的蒸腾系数不同，生长月龄大者蒸腾系数较小。Cole等[11]（1970）的研究结果表明，3月龄紫花苜蓿的蒸腾系数（502～587）明显低于1月龄（567～626）。
1.1.4 气候 不同气候区域及年份紫花苜蓿的蒸腾系数不同，日蒸发量大的地区和年份蒸腾系数较大。Briggs 和Shantz（1917）[16] 在美国大平原的研究表明，由北到南，Grimm苜蓿在北达科他州、南达科他州、科罗拉多州和得克萨斯州（试验期间日蒸发量分别为4.0、4.8、5.7和7.8mm）的蒸腾系数逐渐升高，依次为518、630、853和1005。Briggs 和Shantz（1913，1914，1916）[7～9]及Shantz 和Piemeisel（1927）[10] 在美国科罗拉多州的研究表明， Grimm苜蓿不同年度的蒸腾系数因蒸发量不同而异，1911～1917年的变动范围为658～1068。
1.1.5 供水 适宜供水情形下紫花苜蓿的蒸腾系数明显低于亏缺供水情形。Estill等[14]（1991）的研究表明，Ladak 65适宜供水情形下的蒸腾系数明显低于亏缺供水情形，幼苗至初花期适宜供水情形下的蒸腾系数约为620（475～715），亏缺供水情形约为1580（1180～1820）。
1.1.6 生长调节剂 生长调节剂对紫花苜蓿的蒸腾系数具有影响。Cole等[17]（1971）采用盆栽称重法的研究表明，赤霉素处理可显著降低紫花苜蓿（Mesa-Sirsa）的蒸腾系数，温室条件下（种子繁殖植株，6月龄）处理组为829（764～893），对照组为1027；人工气候室条件下（扦插繁殖植株，4月龄）处理组约为520，对照组为570～700。
1.2 紫花苜蓿蒸腾系数的范围
归纳国内外的试验研究结果 [6～17]，剔除非正常者（如Estill等[14] 低供水方案情形下的结果），可作出如下推断：建植当年人工控制环境条件下（网室、温室和人工气候室，盆栽）紫花苜蓿的花前蒸腾系数范围为360～1000，田间条件下局部地区研究结果[6]为600～700；紫花苜蓿的全生育期蒸腾系数和建植2年及以上紫花苜蓿的花前蒸腾系数尚处于未知状态。
2 紫花苜蓿的耗水系数
在植物生产过程中植物蒸腾(transpiration)、土壤蒸发（evaporation）、植物表面蒸发及构建植物体（有机质的合成原料，细胞液和胞间液的组分等）消耗的水分数量之和称为耗水量（water consumption），亦称蒸腾蒸发量、腾发量、蒸散量（evapotranspiration，ET），其常用单位为mm、m3、t等[48]。耗水系数（water consumption coefficient）是植物耗水量与生物产量（干物质）或经济产量（植物可收获的、具有经济价值并作为主要生产目标部分的产量）之比值，其中耗水量、生物产量、经济产量的单位为同级质量单位；耗水系数亦常表述为单位面积土地上植物形成单位生物产量或经济产量所消耗的水量，常用单位为mm/(kg.hm2)[48]。生物产量有两种，一是地上部生物产量，二是全部生物产量，地上部和地下部全部计算在内，在没有限定性说明的情况下，通常是指前者。显然，耗水系数有两类，即生物产量耗水系数和经济产量耗水系数。生物产量耗水系数是植物耗水量与生物产量之比值；经济产量耗水系数是植物耗水量与经济产量之比值。与蒸腾系数类似，耗水系数亦存在时段性。紫花苜蓿种子生产当用全生育期耗水系数，牧草生产应用阶段耗水系数，即花前耗水系数[48]。
2.1 影响紫花苜蓿耗水系数的因素
2.1.1 气候 不同气候区域及年份紫花苜蓿的耗水系数不同。韩仕峰[18]（1990）在宁夏南部山区对旱作条件下紫花苜蓿耗水规律的研究结果为，半湿润偏旱区（年降水量500mm左右，干燥度1.2～1.6）、半干旱区（年降水量450mm左右，干燥度1.6～2.0）和干旱区（年降水量400mm以下，干燥度1.8～2.4）生长第3～4年紫花苜蓿的生物产量耗水系数依次为761、598和1145，生长第5～6年高耗水量地块依次为379、462和1329。Bauder等[19]（1978）在美国北达科他州的研究结果为，在生长季降雨较少年份（降雨量70～188 mm，圆盘蒸发量757～923mm），紫花苜蓿（生长第2～5年）的生物产量耗水系数为703，而在生长季降雨较多年份（降雨量478mm，圆盘蒸发量768mm）为474。Metochis和Orphanos[20]（1981）在塞浦路斯尼科西亚地区的研究结果为，降雨较少的1978年（全年降雨量302mm，3～11月灌溉期降雨量79mm）和降雨较多的1979年（全年降雨量511mm，3～11月灌溉期降雨量253mm）紫花苜蓿（生长第3～4年）的生物产量耗水系数分别为625～758和553～709。
2.1.2 灌溉 灌溉量和灌溉模式影响紫花苜蓿的耗水系数。Stanberry 等[21]（1955）在美国亚利桑那州的研究表明，灌溉模式显著影响紫花苜蓿的耗水系数，“湿”（31cm深处土壤水分张力接近200cm水柱时灌水51mm）、“中”（31或46cm深处土壤水分张力接近600cm水柱时灌水102mm）和“干”（植株叶色发暗、尖端下垂、即将萎蔫时灌水127或152mm）３种灌溉模式紫花苜蓿（生长第2～4年）的经济产量耗水系数分别为863、946和1048。利用Krogman 和Lutwick[22]（1961）在加拿大不列颠哥伦比亚省进行的紫花苜蓿（生长第2～3年）灌溉试验数据，可计算出处理1～4（供水量依次为直径1219mm圆盘蒸发量之0.42、0.70、0.83和1.00倍）的生物产量耗水系数依次为1442、782、663和686。Snaydon[23]（1972）在澳大利亚堪培拉的研究表明，耗水量与耗水系数密切相关，耗水量为美国标准A级圆盘蒸发量之0.5倍时，紫花苜蓿（生长第6～7年）生物产量耗水系数最小，约为550～620；而0.3和1.0倍则分别约为1100和830。Bauder等[19]（1978）的研究表明，灌溉模式与耗水系数密切相关，4种灌溉模式（“旱地”—不灌；“亏缺”—61cm深处土壤水分张力达到660mb后5天灌溉51mm；“适宜”—61cm深处土壤水分张力达到550mb时灌溉51～76mm；“过量”—30和61cm深处土壤水分张力达到550mb时灌溉51～102mm）生长季降雨较少年份紫花苜蓿（生长第2～5年）的生物产量耗水系数依次为757、699、686和673，生长季降雨较多年份依次为400、468、479和547。Metochis和Orphanos[20]（1981）的研究结果为，处理1～5（全生长季灌溉，干热夏季分别于第1茬、第1和2茬、第1和3茬、第1～3茬不灌）紫花苜蓿（生长第3～4年）的生物产量耗水系数依次为734、688、633、636和589。
2.1.3 施肥 施肥量和施肥模式不同紫花苜蓿的耗水系数不同。Stanberry 等[21]（1955）的研究表明，施磷数量和模式显著影响紫花苜蓿的耗水系数，10种处理紫花苜蓿（生长第2～4年）的经济产量耗水系数最小者和最大者分别为802和1460。Bourget 和Carson[24]（1962）在温室、盆栽条件下的研究表明，施磷钾复合肥处理紫花苜蓿的耗水系数明显低于不施肥对照。
2.1.4 生长年限 建植2年以上（含2年）紫花苜蓿的耗水系数小于建植当年紫花苜蓿。利用Sammis[25]（1981）在美国新墨西哥州采用非称量式蒸渗仪对充足供水条件下紫花苜蓿耗水规律的研究数据，可计算出建植当年与建植2年以上（含2年）紫花苜蓿的生物产量耗水系数在Clovis地区分别为1214和1069，在Farmington地区分别为1097和891，在Las Cruces地区分别为975和739。
2.1.5 茬次 不同茬次紫花苜蓿的耗水系数不同。Sammis[25]（1981）的研究表明，在Las Cruces地区，紫花苜蓿后两茬的耗水系数低于前三茬。Daigger等[26]（1970）在美国内布拉斯加州的研究表明，不同茬次紫花苜蓿（生长第2～4年）的生物产量耗水系数不同，第1～3茬依次为540、630和860。李桂荣（2003）[6]的研究结果为，紫花苜蓿（生长第1年）第1～3茬的生物产量耗水系数依次为993、622和935。
2.1.6品种 不同品种紫花苜蓿的耗水系数差异不显著。McElgunn 和Heinrichs[27]（1975）在人工气候室内采用盆栽称重法进行的研究表明，5个基因类型（AT-522、WL-210、Alfa、Anchor和Saranac）紫花苜蓿的耗水系数差异不显著。Fairbourn[13]（1982）在美国怀俄明州于温室条件下采用盆栽称重法进行的研究亦得出了相似结论，6个紫花苜蓿品种（Dawson、Fremont、Ladak、Team、Travois和Vernal）的耗水系数差异不显著。Grimes等[28](1992)在美国加利福尼亚州利用线源喷灌系统进行的研究结论为，3种秋眠类型紫花苜蓿（CUF101,Moapa和WL318）的耗水系数差异不显著。李桂荣（2003）[6]的研究结论为，2个紫花苜蓿品种（保丰和WL323）的耗水系数差异不显著。
2.2 紫花苜蓿耗水系数的范围
2.2.1 紫花苜蓿花前耗水系数的范围
归纳国内外的研究结果 [6，13，18～46]，剔除非正常者（如超量供水又未计渗漏损失[21]、水分严重亏缺[18，22，23]、利用水分平衡方程计算耗水量时土壤取样深度不足[29～31]及测定条件为人工控制环境[13，27，32]等情形下的结果），可作出如下推断：在相对正常的田间栽培管理条件下，建植当年紫花苜蓿的花前生物产量耗水系数范围约为800～1200，花前经济产量（含水量14%[49]）耗水系数约为700～1050；建植2年及以上紫花苜蓿的花前生物产量耗水系数范围约为400～800，花前经济产量耗水系数约为350～700。
2.2.2 紫花苜蓿全生育期耗水系数的范围
陈凤林和刘文清[47]（1982）在内蒙古锡林浩特，于田间条件下采用缸测法进行的建植当年紫花苜蓿耗水规律的研究结果为，1979和1980年全生育期生物产量耗水系数分别为967和1143。
关于紫花苜蓿全生育期耗水系数的试验研究报道仅见此一篇，因此考虑采用花前生物产量耗水系数及相应参数的比值进行推算，计算公式及推导过程如下：
WCCbw＝WCw/Ybw
＝(WCw×WCp/WCp)/(Ybw×Ybp/Ybp)
＝(WCp/Ybp)×(WCw/WCp)/(Ybw/Ybp)
＝WCCbp×(m/n) ------------（1）
式（1）中WCCbw和WCCbp分别为全生育期和花前生物产量耗水系数，WCw和WCp分别为全生育期和花前耗水量，Ybw和Ybp分别为全生育期和花前生物产量， m为全生育期与花前耗水量之比，n为全生育期与花前生物产量之比。
由前述分析可知，成熟紫花苜蓿的花前生物产量耗水系数（WCCbp）范围为（400～800），只要求得成熟紫花苜蓿的全生育期与花前耗水量之比（m）和全生育期与花前生物产量之比（n），就可以利用公式（1）推算出成熟紫花苜蓿的全生育期生物产量耗水系数。
赵淑银[50]（1996）在内蒙古呼和浩特研究了成熟紫花苜蓿不同生育时期的耗水强度，结果列于表2，据之可求得成熟紫花苜蓿的全生育期与花前耗水量之比m＝2.13。
表2 紫花苜蓿不同生育时期的耗水强度/(mm/d)
Table 2 Evapotranspiration rate of alfalfa at the different development stages (mm/d)
生育时期 Development stage | 返青期 Turn green | 分枝期 Branching | 孕蕾期 Budding | 开花期 Flowering | 成熟期 Matur _ation | 全生育期 Whole development stage |
日期/（日/月） Date(day/month) | 8/4～29/4 | 30/4～22/5 | 23/5～15/6 | 16/6～9/7 | 10/7～28/7 | 8/4～28/7 |
耗水强度Evapotranspir _ation rate | 2.53 | 4.04 | 5.33 | 7.51 | 6.92 | 5.27 |
紫花苜蓿生长曲线呈“S”型，其生物产量通常从出苗（返青）经分枝、现蕾、初花、盛花到结荚期达到最高，而后经成熟直至枯黄期逐渐降低。夏爱林[51]（1994）在新疆准噶尔盆地南缘呼图壁县进行的成熟紫花苜蓿最佳收割期试验研究结果（见表3）表明，初花期干草产量约为结荚期之67%。由于落叶之故，成熟期干草产量较结荚期为低。结荚期叶子占全株的比例约为40%[51]，成熟期叶子脱落比例通常为50%左右，据此估计成熟期干草产量约为结荚期之80%左右。利用初花期和成熟期干草产量各自占结荚期的比例（分别为67%和80%），可求得紫花苜蓿成熟期与初花期干草产量之比值约为1.20。进一步不难推出，成熟紫花苜蓿的全生育期与花前生物产量之比n＝1.20。
表3 不同生育时期紫花苜蓿风干草产量(kg/hm2)
Table 3 Alfalfa hay production at the different development stages (kg/hm2)
生育时期
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