Влияние зимнего и сезонного орошения с прекращением полива в конце лета на урожайность люцерны и эффективность использования поливной воды

Растущий дефицит воды для сельскохозяйственного орошения требует поиска решений для максимизации урожайности при ограниченных водных ресурсах.

Люцерна (Medicago sativa) — ценная культура в засушливых и полузасушливых регионах, считающаяся одним из основных потребителей оросительной воды. В связи с этим, на существующем участке люцерны в течение двух лет применялось круговое орошение по одной из четырех схем, каждая из которых имела три повторения в виде полосовых делянок. Оросительные режимы начали применяться после последнего из шести укосов в году, следующего за посевом: полив зимой и в течение всего вегетационного сезона (зимний полный), полив зимой с прекращением после 4-го укоса (зимний ограниченный), полив с середины апреля (когда обычно становится доступной вода из каналов) и до конца вегетационного сезона (сезонный полный), или стандартный полив до 4-го укоса (сезонный ограниченный). Годовая урожайность сухого вещества (DMY) была выше при зимнем орошении по сравнению с только сезонным поливом (10,34; 8,94; 8,67 и 6,54 Мг·га⁻¹ для зимнего полного, зимнего ограниченного, сезонного полного и сезонного ограниченного режимов соответственно, p < 0,0001, SEM 0,45). Прекращение орошения после четвертого укоса без зимнего полива достоверно снизило годовую эффективность использования поливной воды (AAWUE) по сравнению со всеми другими вариантами (9,08; 8,59; 8,82 и 7,38 кг DMY·га⁻¹·мм⁻¹ для зимнего полного, зимнего ограниченного, сезонного полного и сезонного ограниченного режимов соответственно; p < 0,0098, SEM = 0,38). Зимнее орошение для насыщения почвенного профиля с последующим прекращением полива в конце лета является эффективным способом повышения продуктивности люцерны по сравнению с орошением только в течение вегетационного сезона.

Производство сельскохозяйственных культур, как правило, выше при орошении, даже в засушливых и полузасушливых условиях, чем при возделывании на богарных землях в районах с более высоким уровнем осадков [1]; однако водные ресурсы для сельскохозяйственного орошения становятся все более ограниченными в глобальном масштабе [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11], особенно для производства кормов [12]. Следовательно, надлежащее управление орошением необходимо для поддержания кормовых культур в животноводстве с целью обеспечения продовольственной безопасности для растущего населения планеты [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23], а также экономического благополучия местных фермерских сообществ [14,17]. Согласно прогнозам, если изменение климата будет продолжаться, как предсказывается [8,17], потребности сельскохозяйственных культур в орошении возрастут [3], что усугубится нехваткой воды [1].

Люцерна (Medicago sativa) является основной орошаемой культурой в засушливых и полузасушливых регионах [24,25,26,27] для животноводства [4,9,12,15]. Эта культура также считается крупным потребителем оросительной воды из-за длительного вегетационного периода, глубокого стержневого корня и высокой биопродуктивности [28,29]. Однако люцерна может выживать в течение длительных периодов без орошения в полузасушливых регионах и восстанавливаться, давая урожай, сопоставимый с урожаем люцерны, которая полностью орошалась в течение того же периода при прочих оптимальных условиях управления [15,18,21,22]. В некоторых регионах площади под люцерной увеличиваются [11,28], в то время как в других земля, используемая для производства люцерны, переводится на кормовые культуры, требующие меньше воды из-за растущего дефицита водных ресурсов [15], или вода перераспределяется для других целей [1,22]. Тем не менее, люцерна обеспечивает отличный баланс продуктивности и питательной ценности для многих категорий скота [30,31].

Производители люцерны, вероятно, применяют избыточное орошение [21], которое не увеличивает продуктивность люцерны и может даже снизить ее [2,30,31]; но оно увеличивает эвапотранспирацию (ET) [22]. Поэтому ирригационные системы и управление должны быть эффективными для предотвращения потерь [6,22,25]. Люцерна менее чувствительна к водному стрессу благодаря своему глубокому стержневому корню [15,21,23,32] и не зависит от влажности в критические репродуктивные периоды, как зерновые культуры [18,28,32]. Однако дефицитное орошение на ранних стадиях роста и отрастания может снизить вегетативный рост люцерны, который является экономически важным компонентом урожая [18,23,26]. Дефицитное орошение при <70% от потребности снижало поглощение фотосинтетически активной радиации [25], вероятно, из-за уменьшения размеров растений [8], что приводило к снижению урожайности [4,6,7,8,17], хотя урожайность является ключевым фактором для принятия решений производителями [1].

Стратегии управления орошением оцениваются для повышения эффективности использования воды (WUE) для большинства глобально значимых сельскохозяйственных культур, включая люцерну [7,16,18,31]. Среди стратегий орошения люцерны было обнаружено, что сроки полива, основанные на сезонном цикле роста и отрастания люцерны, улучшают продуктивность использования оросительной воды (IWP) [15] и решают другие вопросы управления [26], или, по крайней мере, нивелируют или минимизируют потери урожая [23]. Дарапуени и др. [15] сообщили об улучшении IWP при прекращении орошения после третьего урожая [20,23] в данной местности. В то же время, Оттман и др. [33] заявили, что прекращение летнего орошения в засушливом регионе снижало количество растений и массу корма после возобновления орошения осенью или при прекращении до следующей весны. Однако У и др. [11] заявили, что засуха в период зимнего покоя также снижала урожайность люцерны. Было обнаружено, что прекращение орошения только зимой у люцерны [33] не снижает урожайность корма или густоту стояния растений. Лорио и др. [34] сообщили, что масса корма в ранний сезон увеличивалась, когда температуры в конце зимы и весной были выше средних и применялось зимнее орошение в полузасушливых условиях настоящего исследования.

Урожайность корма люцерны, как правило, снижается при улучшении WUE [15,16,35]. WUE культуры обычно рассчитывается на основе различных вычислений с использованием эвапотранспирации культуры (ET) [30,32,35], тогда как IWP основана на объеме орошения [2,13,15,18]. Однако осадки также являются фактором, который варьируется в различных условиях окружающей среды [2] и должен включаться в расчеты эффективности использования поливной воды (AWUE), поскольку они могут оказывать преобладающее влияние на WUE [6,21]. Также включение осадков может расширить область применения результатов управления орошением в различных условиях с меняющимся количеством осадков и доступностью оросительной воды. Общепризнано, что с увеличением ET возрастает и продуктивность люцерны [2,30,35], а ET зависит от количества доступной воды, поступающей из любого источника орошения и осадков, наряду с начальной и конечной влажностью почвы и погодными переменными [35].

Поскольку потребности в воде и продуктивность варьируются в зависимости от климата, локальных условий окружающей среды и управления [2,4,19], для максимизации продуктивности необходима локальная информация, но эта информация также должна быть применима в глобальном масштабе, чтобы потенциально влиять на продовольственную безопасность человечества. Следовательно, целью настоящего исследования была оценка совокупного влияния зимнего орошения и прекращения летнего орошения, с использованием дождевальных установок, на продуктивность люцерны и AWUE.

2.1. Описание участка

Исследование проводилось в течение двух лет (годы 2 и 3) на поле люцерны (Medicago sativa) после первого производственного года (год 1) в Сельскохозяйственном научном центре Рекса Э. Киркси при Университете штата Нью-Мексико в Тукумкари, Нью-Мексико, США (35°12′0.5″ с.ш., 103°41′12.0″ з.д.; высота 1247 м над ур. м.). Почва представляла собой мелкосуглинистый супесчаный суглинок Canez (fine-loamy, mixed, thermic Ustollic Haplargid). Климат региона по классификации Кеппена-Гейгера — холодный полузасушливый (BSk; http://www.cec.org/north-americanenvironmental-atlas/climate-zones-of-north-america/, дата обращения: 22 мая 2023 г.), характеризуется прохладными, сухими зимами и теплым, влажным летом. Примерно 83% осадков выпадает в виде перемежающихся, относительно интенсивных ливней с апреля по октябрь. Данные о погоде собирались с кооперативной станции Национальной службы погоды, расположенной в пределах 1 км от исследуемой территории (Таблица 1).

Таблица 1. Среднемесячная температура воздуха и общее количество осадков в Тукумкари, Нью-Мексико, США, в период исследования и долгосрочные средние значения или суммы (1905–2023 гг.).

Поле, включая опытный участок, было обработано обычной вспашкой и выровнено в плоское семенное ложе, а 17 ноября года 0 на нем была посеяна люцерна сорта ‘WL 454HQ.RR’ с нормой высева 22,5 кг инокулированных семян на га. Удобрения [4,13,19], пестициды и период доступности канальной воды в течение периода исследования представлены в Таблице 2. Все поливы осуществлялись очищенными муниципальными сточными водами класса 1B, примерно два раза в неделю, из-за исторической нестабильности доступности канальной воды (Таблица 2).

Таблица 2. Внесение удобрений и борьба с вредителями люцерны в период исследования и период доступности канальной воды в Тукумкари, Нью-Мексико, США.

Опытный участок располагался в пределах одного пролета круговой оросительной системы, обработки были назначены после последнего урожая сена в году 1, который проводился в начале ноября. Обработки включали люцерну, орошаемую в течение всей зимы, когда земля не была замерзшей (зимнее орошение), и орошаемую только с того времени, когда поверхностная вода для орошения обычно становится доступной весной, и до последнего урожая (сезонное орошение) (Таблица 2). Для варианта ограниченного орошения полив прекращался для половины опытного участка сразу после четвертого урожая во 2-й и 3-й годы. Полностью орошаемая половина участка продолжала поливаться, причем орошение варианта "сезон полный" прекращалось непосредственно перед окончательным сбором урожая. Обработки "зимнее" и "сезонное" были случайным образом распределены на внутреннюю или внешнюю сторону пролета, а варианты "полное" и "ограниченное" орошение были случайным образом распределены на северную или южную сторону пролета по обеим обработкам ("зимнее" и "сезонное") в виде полосового блока до начала исследования. Это сформировало четыре варианта обработки в виде полосовых делянок: зимнее полное, зимнее ограниченное, сезонное полное и сезонное ограниченное.

2.2. Измерения

Данные в году 1 не собирались, поскольку обработки еще не были назначены [15], и потому что другие исследователи [21] обнаружили незначительное или отсутствующее влияние различий в управлении/обработках орошением в год после летнего посева, а также то, что потребность в оросительной воде была выше в год после посева, вероятно, из-за неполного развития корневой системы [18,21,25]. Дополнительно, Ли и др. [17] заявили, что сильная корневая система должна быть развита до наложения любого серьезного водного дефицита. У и др. [11] также отложили назначение вариантов орошения до тех пор, пока их травостой не достиг 3-летнего возраста, чтобы обеспечить наиболее оптимальное производство.

Непосредственно перед скашиванием всего поля, на каждой из четырех полосовых делянок случайным образом отбирали три повторения для определения урожайности, используя самоходную кормоуборочную жатку для опытных делянок, оснащенную режущим аппаратом возвратно-поступательного действия и системой взвешивания. Подвыборка убранного материала с каждой делянки помещалась в подписанный бумажный пакет и запечатывалась в пластиковый пакет для предотвращения потери влаги. Сразу после завершения уборки эти образцы взвешивали, извлекали из пластикового пакета, сушили при 65 °C в течение 48 ч и повторно взвешивали для определения содержания сухого вещества и перевода сырой полевой массы в массу сухого вещества корма (DMM). Даты сбора урожаев представлены в Таблице 3.

Таблица 3. Даты сбора урожая люцерны, орошаемой очищенными муниципальными сточными водами, в городе Тукумкари, штат Нью-Мексико, США.

Интервал окончательной уборки урожая  всегда планировался продолжительностью не менее 6 недель, чтобы дать люцерне достаточно времени для пополнения запасов углеводов в корнях для перезимовки и весеннего отрастания [22,36], а также для удаления стеблей с целью снижения зимующих популяций люцернового долгоносика (Hypera postica Gyll.) [36]. Годовой урожай сухого вещества (DMY) рассчитывался как сумма DMM за все урожаи. Поскольку литература [1,6,12,16,19,21,22,32] сообщала о незначительном или малозначимом влиянии дефицитного орошения, прекращения орошения или других стратегий управления почвенной влагой на питательную ценность люцерны для повышения класса качества, в данном исследовании анализ питательной ценности не проводился.

Эффективность использования поливной воды рассчитывалась как: кг сухого вещества на га на мм общей внесенной воды (TAW: осадки + орошение) для каждого сбора урожая и для общей годовой урожайности [37] (AWUE и AAWUE соответственно). TAW рассчитывалась как сумма с момента предыдущего урожая, начиная с последнего урожая предыдущего года (Таблица 4). Обильные осадки в июле года 3 (Таблица 1) минимизировали необходимость в орошении для августовского и сентябрьского урожаев в том году.

Таблица 4. Общая внесенная вода (TAW: мм осадков + орошения) для устоявшейся люцерны, орошаемой очищенными муниципальными сточными водами, в период измерений в Тукумкари, Нью-Мексико, США. Значения представляют собой TAW с момента последнего сбора урожая, начиная с предыдущего года.

2.3. Статистический анализ

Данные по отдельным урожаям DMM и AWUE были обработаны процедурами SAS Mixed [38] в виде полосового участка с 3 повторениями для проверки значимости, чтобы сравнить эффекты года, обработки полосового участка (TRT: полное зимнее орошение, ограниченное зимнее орошение, полное сезонное орошение и ограниченное сезонное орошение), урожая (HAR) в качестве повторного измерения на подучастке и всех возможных взаимодействий. Данные по DMY и AAWUE были обработаны процедурами SAS Mixed [ 38 ] в виде полосового участка с 3 повторениями для проверки значимости, чтобы сравнить эффекты года, TRT и TRT × года. Для каждого анализа год × повторение × TRT считались случайными и использовались в качестве знаменателя для проверки значимости [ 39 ] с уровнем альфа, установленным на p ≤ 0,05. Когда различия между годами, TRT, HAR или взаимодействиями были значимыми, Lsmeans разделялись по наименьшей значимой разнице с использованием макроса PDMIX800 [ 40 ].

3.1. Статистический анализ данных о сборе урожая

Результаты статистического анализа повторных измерений HAR представлены в Таблице 5. Переменные будут обсуждаться в последующих подразделах. Различия между годами в температуре и количестве осадков, особенно в распределении летних осадков (Таблица 1), в целом способствовали различиям в проявлении обработок, минимизируя эффект обработок в году 3.

Таблица 5. Результаты статистического анализа влияния года, урожая и обработки на массу сухого вещества люцерны (МСМ) и эффективность использования воды (УОП) в Тукумкари, штат Нью-Мексико, США, при полном и ограниченном поливе в зимний и вегетационный периоды.

3.2. DMM и DMY

Что касается взаимодействия года × HAR × TRT на DMM ( таблица 5 ), то большее количество осадков в 3-м году минимизировало различия между вариантами обработки почти на протяжении всего вегетационного периода 3-го года ( рисунок 1 ). В течение вегетационного периода 2-го года варианты обработки с полным и ограниченным орошением зимой имели больший DMM до прекращения орошения на сезон, после чего DMM в варианте с ограниченным орошением зимой начал снижаться, пока не стал меньше, чем в вариантах обработки с полным орошением зимой и в течение всего сезона, а также в варианте с ограниченным орошением в течение всего сезона. Вариант обработки с полным орошением в течение всего сезона имел равный DMM с вариантами обработки с полным и ограниченным орошением зимой; майский урожай ( рисунок 1 ) считается аномальным, поскольку эта область не орошалась с ноября 1-го года, а область обработки с ограниченным орошением в течение всего сезона была полностью орошена в 1-м году, получив такое же количество TAW, как и область обработки с полным орошением в течение всего сезона ( таблица 4 ).

Рисунок 1. Влияние года, урожая (HAR) и обработки (TRT) на массу сухого вещества (DMM) укоренившейся люцерны, орошаемой очищенными муниципальными сточными водами, в течение 2-летнего периода измерений в Тукумкари, Нью-Мексико, США. Значения представляют собой средние значения 3 повторений. Значения в пределах одного года и урожая, обозначенные одинаковыми буквами, не имеют существенных различий при p < 0,05 на основе критерия LSD; NS означает отсутствие существенных различий при p < 0,05.

Разброс средних значений обработок в мае года 3 был более ожидаемым, чем реакция года 2, причем варианты с зимним орошением имели численно более высокие значения, чем варианты с сезонным орошением, а варианты зимнее полное и сезонное полное имели численно более высокие значения, чем их соответствующие варианты с ограниченным орошением (Рисунок 1).

Урожайность первого урожая ( рис. 1 ) обычно выше благодаря достаточному накоплению углеводов в корнях предыдущей осенью [ 22 , 36 ] и более длительному периоду роста [ 2 , 6 , 27 ] при сниженном испарении из-за более низких температур, чем летом ( табл. 1 ) [ 22 ]. Снижение урожайности в течение сезона [ 6 , 7 , 20 , 21 , 27 ] обусловлено повышением температуры с последующим сокращением продолжительности светового дня после летнего солнцестояния [ 18 , 34 ]. Следовательно, урожайность первого урожая обычно определяет суточную норму [ 6 ]. Более высокая весенняя урожайность ( рис. 1 ) повышается при более высоких, чем в среднем, температурах ранней весны ( табл. 1 ), особенно когда влажность почвы достаточна благодаря зимнему поливу [ 11 , 34 ].

Сезонное распределение DMM в году 2 (Рисунок 1) согласуется с измерениями в других исследованиях в данной местности [15,34,36], независимо от того, применялось ли бороздковое или дождевальное орошение, с использованием канальной воды или очищенных муниципальных сточных вод, когда канальная вода становилась доступной в апреле [26], с последующим довольно равномерным TAW в летние месяцы. асса урожая в настоящем исследовании ( рис. 1 ) соответствовала данным, приведенным Оттманом и др. [ 33 ], когда период прекращения орошения совпал с нашими вариантами обработки.

Реакция в 3-м году ( рис. 1 ) была обусловлена ​​распределением осадков ( табл. 1 ), что привело к уменьшению общего объема использованной воды перед сбором урожая в июле и значительному увеличению общего объема использованной воды перед сбором урожая в августе ( табл. 4 ). Этот эффект также наблюдался в предыдущем исследовании в этом месте, где орошение было прекращено для отдельных урожаев в течение вегетационного периода [ 15 ]. Меньшая продуктивность майского урожая во 2-м году по сравнению с 3-м годом также может быть связана с необнаруженным повреждением люцерновым долгоносиком во 2-м году, которое было обнаружено и устранено в 3-м году ( табл. 2 ) [ 36 ]. Также потенциально к этой разнице в массе майского урожая могут способствовать несколько более высокие температуры, особенно в марте, когда люцерна начинает период активного роста в этом месте [ 34 ], и большее количество осадков с января по май 3-го года по сравнению со 2-м годом и долгосрочными средними значениями ( табл. 1 ).

Для DMY эффекты года, TRT и года × TRT были значимыми ( таблица 6 ). Что касается эффекта года, то DMY был больше в 3-м году, чем во 2-м, вероятно, из-за большего количества осадков в течение вегетационного периода ( таблица 1 ). Широко сообщается, что DMY люцерны увеличивается после первого года производства [ 25 , 32 ] и до третьего года производства [ 11 , 15 ]. Как и ожидалось, среди вариантов обработки, зимний полный урожай имел наибольший DMY; однако зимний ограниченный урожай и сезонный полный урожай имели одинаковый DMY, при этом сезонный ограниченный урожай имел наименьший DMY.

Таблица 6. Годовая урожайность сухой массы (DMY) и годовая эффективность использования воды (AAWUE) укоренившейся люцерны, орошаемой очищенными муниципальными сточными водами, за 2-летний период измерений в Тукумкари, штат Нью-Мексико, США. Значения представляют собой средние значения (Lsmeans) 3 повторений взаимодействия «год × TRT».

Для взаимодействия год × TRT, когда количество осадков было значительно выше долгосрочного среднего в году 3 (Таблица 1), сезонное ограниченное имело меньшую DMY, чем зимнее и сезонное полное, но не зимнее ограниченное (Таблица 7). В остальных случаях, когда количество осадков было немного ниже среднего в году 2 (Таблица 1), зимнее полное и ограниченное имели равную DMY с годом 3 с более высокими осадками, а остальные обработки в году 2 все отличались друг от друга по сравнению с их реакцией в году 3.

Таблица 7. Влияние года и обработки (TRT) на годовую урожайность сухого вещества (DMY: Мг на га; p < 0,0055, SEM = 0,64) устоявшейся люцерны, орошаемой очищенными муниципальными сточными водами, в течение 2-летнего периода измерений в Тукумкари, Нью-Мексико, США. Значения представляют собой Lsmeans 3 повторений.

DMY варианта сезонное полное, измеренная в настоящем исследовании, аналогична измеренной в другом исследовании в тот же период в этой местности с использованием дождевального орошения очищенными муниципальными сточными водами в качестве источника воды и при посеве в самом конце лета [36]. Однако она была меньше, чем сообщалось в более ранних исследованиях в этой местности для люцерны с полным орошением в течение всего сезона при использовании канальной воды для бороздкового орошения, также посеянной в конце лета [15,34]. Помимо условий окружающей среды [23] и небольших различий в управлении, различия в DMY между исследованиями в этой местности могут быть обусловлены типом и свойствами почвы [4,7,21,23], техникой орошения [13,18,25,28,32], объемом орошения [7,18,23,28] и/или источником воды [10,29,35,41]. Лорио и др. [5] сообщили, что DMM шестого урожая в первый год после посева не различалась при орошении канальной водой или очищенными муниципальными сточными водами с момента закладки [10]. Потенциальное поглощение загрязнителей люцерной при орошении очищенными сточными водами в долгосрочной перспективе ограничено при минимальном воздействии на пасущийся скот или источник пищи для человека, который он предоставляет [41].

Увеличение за годы для всех обработок, хотя и незначительное для вариантов с зимним орошением, в целом согласуется с полностью орошаемой люцерной, о которой сообщалось, что она увеличивается в течение первых двух-трех лет жизни травостоя [15,16,32]. Тем не менее, несколько исследований [2,6,26] сообщали об отсутствии разницы в продуктивности в первые два года после весеннего посева, а Камран и др. [4] сообщали о снижении урожайности с первого до второго производственного года после осеннего посева. Густота травостоя люцерны снижается в течение лет после посева из-за различных факторов; однако густота стеблей может увеличиваться для компенсации и поддержания урожайности [26], за исключением экстремальных уровней дефицитного орошения [6]. У и др. [28] сообщили, что дефицитное орошение сильнее снижало урожайность в год после посева, чем в год посева, при поверхностном и подповерхностном орошении люцерны. Они [28] также обнаружили, что поглощение азота снижалось из-за дефицитного орошения, что связано с меньшим накоплением биомассы; хотя это увеличивало общую концентрацию азота в биомассе, что привело бы к более высокому содержанию белка в корме.

Примечательно, что, поскольку DMY продолжала увеличиваться от сезонного ограниченного до зимнего полного в среднем за годы (Таблица 6) и в течение каждого года (Таблица 7), маловероятно, что обработка зимнее полное была переувлажнена [2,4,18,30], что привело бы к потере воды. Возможно, это также указывает на ограничение потенциала урожайности в данном исследовании. В противном случае, чтобы сравняться с DMY зимнего полного, площадь земли под сезонным полным пришлось бы увеличить примерно на 20% для удовлетворения текущих потребностей животноводства, исходя из Таблицы 6, но диапазон составил бы от около 5 до 38% между годами (на основе Таблицы 7), в зависимости от TAW (Таблица 4). Увеличение площади земли на 20% потребовало бы до 200 га мм воды, что сделало бы TAW сезонного полного равным TAW зимнего полного в маловодный год 2.

3.3. AWUE и AAWUE

Для взаимодействия HAR × TRT по AWUE (Таблица 5) разница для майского урожая была невелика, хотя сезонное полное имело более высокую AWUE, чем сезонное ограниченное, в году 2 (Рисунок 2). В остальном, как зимнее полное, так и зимнее ограниченное имели более высокую AWUE, чем сезонное полное и сезонное ограниченное, до сентября, когда зимнее ограниченное было выше, чем сезонное ограниченное. Для года 3, когда была разница между TRT, это, как правило, было связано с тем, что сезонное полное имело более высокую AWUE, чем сезонное ограниченное (июль и ноябрь) или все другие обработки (сентябрь) (Рисунок 2). Разница, опять же, между годами и реакцией в вегетационный период, вероятно, обусловлена различиями в характере распределения осадков (Таблица 1), а также TAW (Таблица 4). Урожаи, имевшие различия между обработками в 3-м году, также имели различия в DMM (Рисунок 1), примерно с таким же ранжированием обработок. Прекращение орошения в конце сезона, когда урожайность люцерны самая низкая (Рисунок 1) [20,21], должно было увеличить AWUE [6], но в настоящем исследовании это не представлялось стабильным для обработок зимнее ограниченное и сезонное ограниченное по сравнению с обработками зимнее полное и сезонное полное после августовского урожая (Рисунок 2).

Рисунок 2. Влияние года, урожая (HAR) и обработки (TRT) на эффективность использования воды (AWUE = орошение + осадки) укоренившейся люцерны, орошаемой очищенными муниципальными сточными водами, в течение 2-летнего периода измерений в Тукумкари, Нью-Мексико, США ( p < 0,0001; SEM = 1,12). Значения представляют собой средние значения 3 повторений. Различные буквы в пределах месяца и года урожая указывают на различия, которые наблюдались при p ≤ 0,05 на основе LSD; NS означает отсутствие статистически значимых различий при p < 0,05.

Таблица 8. Влияние года и обработки (TRT) на годовую эффективность использования поливной воды (AAWUE: кг на га на мм; p < 0,0089, SEM = 0,46) устоявшейся люцерны, орошаемой очищенными муниципальными сточными водами, в течение 2-летнего периода измерений в Тукумкари, Нью-Мексико, США. Значения представляют собой Lsmeans 3 повторений.

Каверо и др. [25] сообщили, что уровень орошения во второй год после посева не влиял на WUE, рассчитанную на основе ET, определенной по водному балансу; но это было в третий год, так что WUE увеличивалась с увеличением объема применяемой оросительной воды. Это согласуется с настоящим исследованием, исходя из TAW (Таблица 4) и AAWUE в году 2, но не в году 3 (Таблица 8), когда применялся меньший TAW, что также могло способствовать более высокой AAUWE в году 3 (Таблица 6). Джаман и др. [2] обнаружили, что IWP также варьировалась в зависимости от дат урожаев и сезонов, поскольку применяемая вода может превышать количество, необходимое для максимизации продуктивности [21].

Обработка сезонное полное имела наибольшую численную AAWUE, но равную DMY с зимним полным в году 3 (Таблицы 7 и 8), когда распределение осадков (Таблица 1) маскировало различия в применении орошения [6]. В остальном, сезонное полное имело меньшую численную AAWUE и значительно меньшую DMY, чем зимнее полное в году 2, когда осадков было меньше, а DMY зимнего ограниченного была больше или равна DMY сезонного полного за годы и значительно меньше только в году 3, опять же, когда осадки влияли на AAWUE [6].

Хотя уровни осадков за 0–6 месяцев можно в некоторой степени оценить на основе погодных уравнений, фактические количества непредсказуемы, и прогнозы могут не оправдаться. Следовательно, исходя из результатов DMY и AAWUE данного исследования (Таблицы 7 и 8), производители должны применять зимнее орошение для доведения влажности почвы до >90% от полевой влагоемкости [11,21,22]. Затем корректировки в управлении орошением могут быть сделаны на основе фактических осадков для максимизации как DMY, так и AAWUE, в отличие от начала сезона с полным почвенным профилем и внедрения дефицитного орошения в течение всего сезона в это время, которое, как известно, снижает DMY [4,17,25]. Зимнее орошение также поддержало бы более высокие урожаи без опасений нехватки воды для завершения сезона, когда осадки ниже среднего или плохо распределены в течение сезона.

AAWUE, измеренная в настоящем исследовании, была значительно меньше, чем сообщалось в других местах, вероятно, потому, что большинство других исследований сообщают либо о IWP [2,4,13,15,18], которая не учитывает осадки, либо об ET-основанной WUE [6,7,20,30,32], которая по своей природе различна в разных местах исследований [22], хотя она и включает осадки. Лу и др. [20] сообщили о различиях в величине между IWP и WUE, показывая более высокие значения для IWP, чем для ET-основанной WUE, потому что IWP не включает осадки, в то время как ET-основанная WUE включает.

Хотя рекомендуется пополнение почвенного профиля до полевой влагоемкости после дефицитного орошения летом, также предполагалось, что заполнение профиля должно осуществляться в периоды изобилия воды, такие как весна [21] в районах со средиземноморским режимом осадков или где снежный покров является источником оросительной воды [22]. Предсезонное заполнение профиля зимним орошением [11] и поддержание полного профиля в течение первой половины вегетационного периода [7], вероятно, были бы наиболее оптимальными методами управления орошением для поддержания продуктивности люцерны для удовлетворения потребностей в кормах растущих отраслей животноводства для увеличивающегося мирового населения. Затем дефицитное орошение или прекращение орошения могли бы использоваться для экономии воды, если это осуществимо, с пониманием того, что профиль снова должен быть заполнен в конце сезона для содействия перезимовке и весеннему росту [21]. Зимнее орошение для заполнения почвенного профиля перед вегетационным сезоном также поддержало бы ожидаемое удлинение вегетационного периода и ускоренный весенний рост, прогнозируемые из-за изменения климата [9]. При планировании зимнего орошения необходимо помнить, что отрицательные температуры могут ограничивать время использования ирригационной инфраструктуры [22]; следовательно, воду следует вносить всякий раз, когда это возможно, чтобы заполнить профиль между последним урожаем года и началом роста в следующем году. У и др. [11] орошали после вегетационного периода, но до наступления зимних условий, и снова между окончанием зимних условий, когда средние минимальные температуры воздуха достигали −4 °C, и началом весеннего роста. Их [11] DMY увеличивалась с каждым дополнительным увеличением орошения в период перезимовки, пока DMY не стала более чем вдвое выше, когда почва орошалась до <90% полевой влагоемкости.

Поскольку люцерна является основой мирового животноводства [28], несколько факторов имеют ключевое значение для удовлетворения потребностей в белке растущего мирового населения как вопрос экологической и человеческой устойчивости [3,22]. (1) Мы должны минимизировать количество пахотных земель, переводимых из сельскохозяйственного производства. (2) Мы никогда не должны чрезмерно орошать люцерну или любую другую культуру. (3) Мы должны понимать, что общее производство люцерны на единицу доступной земли и воды должно увеличиваться, а не уменьшаться, что часто бывает при любом нерациональном управлении орошением.

Увеличение сельскохозяйственной продуктивности и водопользования будет необходимо для удовлетворения потребностей растущего мирового населения [3]. Ли и др. [23] также обнаружили в метаанализе данных по дефицитному орошению, что негативные эффекты дефицитного орошения перевешивали преимущества просто из-за большего снижения DMY по сравнению с увеличением WUE; хотя этот риск меньше на супесчаных почвах, таких как те, что использовались в настоящем исследовании, по сравнению с песчаными или суглинистыми почвами. Габер [3] предложил изменить календарь сельскохозяйственных работ в качестве средства решения проблемы нехватки воды в сочетании с удлинением вегетационного периода [9].

Хотя сравнение с традиционными источниками воды для орошения не проводилось, это исследование важно, потому что оно демонстрирует ценность альтернативных источников воды, таких как очищенные муниципальные сточные воды, для сельскохозяйственного орошения в периоды устойчивой засухи, когда поверхностная вода может быть недоступна для орошения, как это было в годы 0 и 1 (Таблица 2), а также при сокращении запасов подземных вод. Будущие исследования необходимы для оценки зимнего орошения в сочетании с прекращением/дефицитным орошением летом с использованием более эффективных методов полива, в частности подповерхностного капельного и мобильного капельного орошения.

Продолжение орошения после окончательного сбора урожая и в течение зимы для подготовки люцерны к перезимовке и поддержания почвенного профиля на уровне полевой влагоемкости как можно дольше в течение вегетационного периода может быть осуществимым режимом управления орошением для улучшения AWUE и поддержания более высоких урожаев по сравнению с орошением только в течение сезона.

1.    Holt, J.; Yost, M.; Winward, D.; Creech, J.E.; Allen, L.N.; McAvoy, D. Biochar had minor effects on yield, quality, and water availability of irrigated alfalfa, corn, and wheat. Agron. J. 2022, 114, 1717–1730. [Google Scholar] [CrossRef]

2.    Djaman, K.; Smeal, D.; Koudahe, K.; Allen, S. Hay yield and water use efficiency of alfalfa under different irrigation and fungicide regimes in a semiarid climate. Water 2020, 12, 1721. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Gabr, M.E. Impact of climate changes on future irrigation water requirement in the Middle East and North Africa’s region: A case study of upper Egypt. Appl. Water Sci. 2023, 13, 158. [Google Scholar] [CrossRef]

4.    Kamran, M.; Yan, Z.; Chang, S.; Chen, X.; Ahmad, I.; Jia, Q.; Ghani, M.U.; Nouman, M.; Hou, F. Enhancing resource use efficiency of alfalfa with appropriate irrigation and fertilization strategy mitigate greenhouse gases emissions in the arid region of Northwest China. Field Crops Res. 2022, 289, 108715. [Google Scholar] [CrossRef]

5.    Lauriault, L.M.; Pietrasiak, N.; Darapuneni, M.K.; Dominguez, A.; Martinez, G.K. Comparison of surface water or treated municipal wastewater irrigation on alfalfa establishment, soil fertility, and soil microbial conditions. Soil Systems 2022, 6, 67. [Google Scholar] [CrossRef]

6.    Li, M.; Lie, Y.; Yan, H.; Sui, R. Effects of irrigation amount on alfalfa yield and quality with a center-pivot system. Trans. ASABE 2017, 60, 1633–1644. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Montazar, A.; Putnam, D. Evapotranspiration and yield impact tools for more water-use efficient alfalfa production in desert environments. Agriculture 2023, 13, 2098. [Google Scholar] [CrossRef]

8.    Mouradi, M.; Bouizgaren, A.; Farissi, M.; Ghoulam, C. Assessment of deficit irrigation responses of Moroccan alfalfa (Medicago sativa) landraces grown under field conditions. Irrig. Drain. 2018, 67, 179–190. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Pourshirazi, S.; Soltani, A.; Zeinali, E.; Torabi, B.; Arshad, A. Assessing the sensitivity of alfalfa yield potential to climate impact under future scenarios in Iran. Environ. Sci. Pollut. Res. 2022, 29, 61093–61106. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Qaoud, H.A.; Shtaya, M.; Mizyed, N.; Al-Fares, H.; Lebdi, A. Effect of short-term irrigation of treated wastewater on vetch (Vicia sativa L.) and alfalfa (Medicago sativa L.) growth. Legume Res. 2022, 45, 626–630. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Wu, J.; Li, H.; Niu, J.; Liu, T.; Zheng, H.; Xu, X.; Miao, S. Water uptake patterns of alfalfa under winter irrigation in cold and arid grassland. Water 2020, 12, 1093. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Sun, Q.; Zhang, S.; Peng, X.; Ge, X.; Wen, B.; Jiang, Z.; Wang, Y.; Zhang, B. Alternating partial root-zone subsurface irrigation enhances the productivity and water use efficiency of alfalfa by improving root characteristics. Agronomy 2024, 14, 849. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Andrews, H.M.; Homyak, P.M.; Oikawa, P.Y.; Wang, J.; Jenerette, G.D. Water-conscious management strategies reduce per-yield irrigation and soil emissions of CO2, N2O, and NO in high-temperature forage cropping systems. Agric. Ecosyst. Environ. 2022, 322, 107944. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Azadi, S.; Nozari, H.; Ghanbarian, B.; Marofi, S. Optimizing cropping pattern to improve performance of irrigation network using system dynamics—Powell algorithm. Environ. Sci. Pollut. Res. 2022, 29, 64547–64559. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

15. Darapuneni, M.K.; Lauriault, L.M.; VanLeeuwen, D.M.; Angadi, S.V. Influence of irrigation regimes on alfalfa dry matter and water productivity in a semiarid subtropical environment. Irrig. Drain. 2020, 69, 1063–1071. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Holt, J.; Yost, M.; Creech, E.; Winward, D.; Barker, B. On-farm evaluations of overhead irrigation sprinkler packages at full and reduced rates. Soil Sci. Soc. Am. J. 2024, 88, 152–165. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Li, S.; Ni, Z.; Sun, J.; Li, X.; Yang, G. The physiological role of abscisic acid in regulating root system architecture of alfalfa and its adaptation to water deficit. Agronomy 2022, 12, 1882. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Liu, M.; Wang, Z.; Mu, L.; Xu, R.; Yang, H. Effect of regulated deficit irrigation on alfalfa performance under two irrigation systems in the inland arid area of midwestern China. Agric. Water Manag. 2021, 248, 106764. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Liu, W.; Liu, L.; Gao, J.; Wu, S.; Liu, Y. Evaluation of the effectiveness of irrigation methods and fertilization strategies for alfalfa: A meta-analysis. J. Agron. Crop Sci. 2023, 209, 788–801. [Google Scholar] [CrossRef]

20. Lu, Q.; Qi, G.; Yin, M.; Kang, Y.; Ma, Y.; Jia, Q.; Wang, J.; Jiang, Y.; Wang, C.; Gao, Y.; et al. Alfalfa cultivation patterns in the Yellow River Irrigation Area on soil water and nitrogen use efficiency. Agronomy 2024, 14, 874. [Google Scholar] [CrossRef]

21. Montazar, A.; Bachie, O.; Corwin, D.; Putnam, D. Feasibility of moderate deficit irrigation as a water conservation tool in California’s low desert alfalfa. Agronomy 2020, 10, 1640. [Google Scholar] [CrossRef]

22. Sitterson, J.M.; Andales, A.A.; Mooney, D.F.; Capurro, M.C.; Brummer, J.E. Developing a crop water production function for alfalfa under deficit irrigation: A case study in eastern Colorado. Agriculture 2023, 13, 831. [Google Scholar] [CrossRef]

23. Li, M.; Zhang, Y.; Ma, C.; Sun, H.; Ren, W.; Wang, X. Maximizing the water productivity and economic returns of alfalfa by deficit irrigation in China: A meta-analysis. Agric. Water Manag. 2023, 287, 108454. [Google Scholar] [CrossRef]

24. Duan, Y.Y.; Zhang, J.; Jiang, Z.; Wei, X.X.; Guo, Z.G.; Liu, H.X. Partial root zone drying (PRD) leads to lower carbon retention in the soil-plant systems of alfalfa. Irig. Sci. 2024, 44, 45–46. [Google Scholar] [CrossRef]

25. Cavero, J.; Faci, J.M.; Medina, E.T.; Martinez-Cob, A. Alfalfa forage production under solid-set sprinkler irrigation in a semiarid climate. Agric. Water Manag. 2017, 191, 184–192. [Google Scholar] [CrossRef]

26. Kanatas, P.; Gazoulis, I.; Travlos, I. Irrigation timing as a practice of effective weed management in established alfalfa (Medicago sativa) crop. Agronomy 2021, 11, 550. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Li, Z.; Li, X.; He, F. Drip irrigation depth alters root morphology and architecture and cold resistance of alfalfa. Agronomy 2022, 12, 2192. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Wu, W.; Liu, M.; Wu, X.; Wang, Z.; Yang, H. Effects of deficit irrigation on nitrogen uptake and soil mineral nitrogen in alfalfa grasslands of the inland arid area of China. Agric. Water Manag. 2022, 269, 107724. [Google Scholar] [CrossRef]

29. Soufan, W.; Okla, M.K.; Al-Ghamdi, A.A. Effects of irrigation with treated wastewater or well water on the nutrient contents of two alfalfa (Medicago sativa L.) cultivars in Riyadh, Saudi Arabia. Agronomy 2019, 9, 729. [Google Scholar] [CrossRef]

30. Li, S.; Liu, X.; Sun, Y.; Ma, C.; Gu, X.; Zhang, Q. Yield, nutrient quality and water and phosphorus recovery efficiencies of alfalfa under different drip irrigation and phosphorus levels in Northern Xinjiang, China. Grass Forage Sci. 2022, 77, 189–200. [Google Scholar] [CrossRef]

31. Zhang, J.; Liu, H.X.; Wei, X.X.; Guo, Z.G. Effect of partial root-zone drying irrigation (PDRI) on alfalfa available soil P. Arch. Agron. Soil Sci. 2023, 69, 2631–2644. [Google Scholar] [CrossRef]

32. Cavero2016, J.; Faci, J.M.; Martinez-Cob, A. Relevance of sprinkler irrigation time of the day on alfalfa forage production. Agric. Water Manag 2016, 178, 304–313. [Google Scholar] [CrossRef]

33. Ottman, M.J.; Tickes, B.R.; Roth, R.L. Alfalfa yield and stand response to irrigation termination in an arid environment. Agron. J. 1996, 88, 44–48. [Google Scholar] [CrossRef]

34. Lauriault, L.M.; Kirksey, R.E.; VanLeeuwen, D.M. Year-round irrigation and fall dormancy affects alfalfa yield in a semiarid, subtropical environment. Forage Grazingl. 2009, 7, 1–11. [Google Scholar] [CrossRef]

35. Ben Ali, A.R.; Shukla, M.K.; Marsalis, M.; Khan, N. Irrigation with desalinated and raw produced waters: Effects on soil properties, and germination and growth of five forages. Agric. Water Manag. 2022, 274, 107966. [Google Scholar] [CrossRef]

36. Lauriault, L.M.; Marsalis, M.A.; Groesbeck, J. Revisiting alfalfa planting dates for the semiarid U.S. Southwest. Agron. J. 2020, 112, 2006–2019. [Google Scholar] [CrossRef]

37. Boyle, R.K.A.; McAinsh, M.; Dodd, I.C. Daily irrigation attenuates xylem abscisic acid concentration and increases leaf water potential of Pelargonium x hortorum compared with infrequent irrigation. Physiol. Plant. 2016, 158, 23–33. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

38. SAS Institute. The SAS 9.3 for Windows; SAS Institute Inc.: Cary, NC, USA, 2013. [Google Scholar]

39. Littell, R.C.; Milliken, G.A.; Stroup, W.W.; Wolfinger, R.D. SAS System for Mixed Models; SAS Institute Inc.: Cary, NC, USA, 1996; 633p. [Google Scholar]

40. Saxton, A.M. A macro for converting mean separation output to letter groupings in Proc Mixed. In Proceedings of the 23rd SAS Users Group International, Nashville, TN, USA, 22–25 March 1998; Jansen, L., Ed.; SAS Institute: Cary, NC, USA, 1998; pp. 1243–1246. [Google Scholar]

41. Sharma, P.; Poustie, A.; Verburg, P.; Pagilla, K.; Yang, Y.; Hanigan, D. Trace organic contaminants in field-scale cultivated alfalfa, soil, and pore water after 10 years of irrigation with reclaimed wastewater. Sci. Total Environ. 2020, 744, 140698. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

Lauriault LM, Darapuneni MK, Djaman K, Marsalis MA. Winter and Season-Only Irrigation with Late Summer Irrigation Termination Influences Alfalfa Dry Matter Yield and Applied Water Use Efficiency. Agriculture. 2025; 15(2):146. https://doi.org/10.3390/agriculture15020146

Перевод статьи «Winter and Season-Only Irrigation with Late Summer Irrigation Termination Influences Alfalfa Dry Matter Yield and Applied Water Use Efficiency» авторов Lauriault LM, Darapuneni MK, Djaman K, Marsalis MA., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык