Effect of water and fertilizer coupling on seed yield and composition of alfalfa grown with underground drip irrigation in Ningxia

doi:10.11686/cyxb2021380

Abstract

Abstract:

This study investigated the most suitable irrigation and fertilizer rates for alfalfa （Medicago sativa） seed yield under drip irrigation in Ningxia. The alfalfa cultivar used in the experiment was ‘Gannong No.4’ and the experiment was laid out in a two-factor split plot design. There were four irrigation rates （900， 1350， 1800 and 2250 m³·ha^-1） in the main plot treatments， and five fertilizer levels （N-P₂O₅-K₂O applied in proportions by weight 0-0-0， 9-45-60， 18-90-120， 27-135-180 and 36-180-240 kg·ha^-1， respectively）. The results showed that appropriate irrigation and fertilizer applications improved alfalfa seed yield. With successive increments in irrigation and fertilizer alfalfa seed yield initially increased and then decreased. Irrigation had a significant effect on the alfalfa floret number， number of inflorescences per plant， number of pods formed， seeds per pod， pod setting rate and thousand seed weight. A path coefficient analysis showed that the number of inflorescences per plant， reproductive branch number， thousand seed weight and pod setting rate had important determinants of the seed yield of alfalfa. Alfalfa seed yield and irrigation water use efficiency were the highest at an irrigation rate of 900 m³·ha^-1 and an N-P₂O₅-K₂O fertilizer rate of 27-135-180 kg·ha^-1. According to a regression optimization model， the optimal irrigation rate for alfalfa seed production in the Ningxia Yellow River irrigation area under local soil conditions was 2250 m³·ha^-1， and the optimal fertilizer amount was 34 kg·ha^-1 of nitrogen fertilizer， 172.68 kg·ha^-1 of phosphate fertilizer and 230.28 kg·ha^-1.

Key words: water-fertilizer coupling, Medicago sativa, seed yield, subsurface drip irrigation, optimization model

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Figures/Tables 10

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处理 Treatment	灌水量Irrigation amount （m³·hm^-2）				施肥量Fertilizer application amount （kg·hm^-2）
处理 Treatment	04-25	05-15	06-24	07-12	04-25	06-24
S₁F₁	300	240	180	180	0-0-0	0-0-0
S₁F₂	300	240	180	180	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₁F₃	300	240	180	180	9-45-60	9-45-60
S₁F₄	300	240	180	180	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₁F₅	300	240	180	180	18-90-120	18-90-120
S₂F₁	480	330	270	270	0-0-0	0-0-0
S₂F₂	480	330	270	270	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₂F₃	480	330	270	270	9-45-60	9-45-60
S₂F₄	480	330	270	270	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₂F₅	480	330	270	270	18-90-120	18-90-120
S₃F₁	630	480	345	345	0-0-0	0-0-0
S₃F₂	630	480	345	345	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₃F₃	630	480	345	345	9-45-60	9-45-60
S₃F₄	630	480	345	345	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₃F₅	630	480	345	345	18-90-120	18-90-120
S₄F₁	795	585	435	435	0-0-0	0-0-0
S₄F₂	795	585	435	435	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₄F₃	795	585	435	435	9-45-60	9-45-60
S₄F₄	795	585	435	435	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₄F₅	795	585	435	435	18-90-120	18-90-120

处理 Treatment	灌水量Irrigation amount （m³·hm^-2）				施肥量Fertilizer application amount （kg·hm^-2）
处理 Treatment	04-25	05-15	06-24	07-12	04-25	06-24
S₁F₁	300	240	180	180	0-0-0	0-0-0
S₁F₂	300	240	180	180	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₁F₃	300	240	180	180	9-45-60	9-45-60
S₁F₄	300	240	180	180	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₁F₅	300	240	180	180	18-90-120	18-90-120
S₂F₁	480	330	270	270	0-0-0	0-0-0
S₂F₂	480	330	270	270	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₂F₃	480	330	270	270	9-45-60	9-45-60
S₂F₄	480	330	270	270	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₂F₅	480	330	270	270	18-90-120	18-90-120
S₃F₁	630	480	345	345	0-0-0	0-0-0
S₃F₂	630	480	345	345	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₃F₃	630	480	345	345	9-45-60	9-45-60
S₃F₄	630	480	345	345	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₃F₅	630	480	345	345	18-90-120	18-90-120
S₄F₁	795	585	435	435	0-0-0	0-0-0
S₄F₂	795	585	435	435	4.5-22.5-30	4.5-22.5-30
S₄F₃	795	585	435	435	9-45-60	9-45-60
S₄F₄	795	585	435	435	13.5-67.5-90	13.5-67.5-90
S₄F₅	795	585	435	435	18-90-120	18-90-120

处理 Treatment	生殖枝数 Reproductive branches number	小花数 Floret number	每株花序数 Number of inflorescences per plant	结荚数 Number of podding	每荚种子数 Seeds per pod	千粒重 Thousand seed weight （g）	结荚率 Podding rate （%）
S₁F₁	33.58±1.06cd	22.05±0.81b	517.20±54.55ghi	17.58±0.66ab	6.78±0.35ef	1.77±0.04de	81.87±1.76j
S₁F₂	32.55±1.26fg	20.55±1.00c	534.00±32.86ef	17.73±0.88a	7.25±0.28ab	1.75±0.03fg	85.19±2.15d
S₁F₃	31.20±1.12jk	21.78±0.84b	537.03±37.36ef	17.25±0.70bc	5.93±0.25lm	1.77±0.03de	84.46±2.04efgh
S₁F₄	34.78±1.10ab	19.98±1.68d	563.00±39.95c	15.35±0.56jk	5.93±0.27lm	1.73±0.03ij	81.60±2.10j
S₁F₅	31.10±1.30jk	20.50±1.20c	541.03±48.04de	16.53±0.78e	6.58±0.26gh	1.70±0.03k	84.08±1.58gh
S₂F₁	31.48±1.46ij	20.10±0.69d	534.83±48.34ef	16.88±0.61d	7.10±0.37bc	1.80±0.04ab	89.33±1.57a
S₂F₂	33.10±1.24de	18.85±0.86f	534.40±35.75ef	15.95±0.74fgh	7.10±0.32bc	1.72±0.04j	83.95±1.77h
S₂F₃	34.60±1.15b	19.85±1.07d	521.30±35.71fgh	16.30±0.86ef	6.35±0.28ij	1.76±0.04ef	83.16±1.67i
S₂F₄	29.68±1.16l	20.63±0.95c	479.13±41.36l	17.30±0.80bc	5.90±0.27m	1.78±0.03cd	85.04±2.01de
S₂F₅	30.93±1.31k	18.00±0.85h	592.53±39.11b	15.58±0.77hij	6.65±0.33fg	1.74±0.03gh	87.06±1.42c
S₃F₁	32.88±1.28ef	19.83±0.74d	618.03±43.31a	15.90±0.65gh	7.35±0.32a	1.71±0.03k	84.37±1.44fgh
S₃F₂	35.23±1.29a	18.03±0.74h	508.27±50.68hij	15.45±0.69ijk	6.55±0.28gh	1.74±0.04gh	89.48±2.07a
S₃F₃	33.40±1.25d	19.50±0.82e	530.17±39.35efg	17.03±0.68cd	6.08±0.27kl	1.71±0.03k	84.59±1.41efg
S₃F₄	32.10±1.18gh	19.08±0.70f	554.33±54.53cd	16.00±0.77fg	6.88±0.28de	1.73±0.03j	84.54±1.97efg
S₃F₅	30.88±1.27k	20.10±0.76d	515.67±39.57ghi	15.78±0.67ghi	7.03±0.25cd	1.73±0.03hij	84.40±2.14fgh
S₄F₁	33.58±0.99cd	22.40±0.73a	533.00±35.00ef	17.60±0.67ab	6.45±0.30hij	1.79±0.03bc	82.90±1.79i
S₄F₂	34.05±1.28c	17.85±1.09h	503.40±43.14ijk	15.80±0.92ghi	6.48±0.25hij	1.70±0.05k	87.49±2.26bc
S₄F₃	32.73±1.51ef	18.93±0.89f	568.77±43.25c	14.78±0.82l	6.13±0.28k	1.79±0.04bc	84.10±1.38gh
S₄F₄	31.93±1.42hi	19.45±0.62e	489.83±38.97kl	16.15±0.63fg	6.33±0.27j	1.77±0.04de	87.78±1.56b
S₄F₅	28.48±1.27m	18.40±0.89g	496.07±36.67jk	15.18±0.66k	6.50±0.32ghi	1.81±0.04a	84.87±2.15def
显著性检验（F值） Significance test （F value）
灌水量Water treatment （S）	1.22NS	11.04**	3.25**	14.23**	4.89**	6.06**	8.78**
施肥量Fertilizer treatment （F）	5.65**	10.09**	0.45NS	10.92**	13.94**	1.50NS	5.37**
S×F	1.69NS	3.62**	4.58**	33.59**	3.20**	2.46**	7.62**

处理 Treatment	生殖枝数 Reproductive branches number	小花数 Floret number	每株花序数 Number of inflorescences per plant	结荚数 Number of podding	每荚种子数 Seeds per pod	千粒重 Thousand seed weight （g）	结荚率 Podding rate （%）
S₁F₁	33.58±1.06cd	22.05±0.81b	517.20±54.55ghi	17.58±0.66ab	6.78±0.35ef	1.77±0.04de	81.87±1.76j
S₁F₂	32.55±1.26fg	20.55±1.00c	534.00±32.86ef	17.73±0.88a	7.25±0.28ab	1.75±0.03fg	85.19±2.15d
S₁F₃	31.20±1.12jk	21.78±0.84b	537.03±37.36ef	17.25±0.70bc	5.93±0.25lm	1.77±0.03de	84.46±2.04efgh
S₁F₄	34.78±1.10ab	19.98±1.68d	563.00±39.95c	15.35±0.56jk	5.93±0.27lm	1.73±0.03ij	81.60±2.10j
S₁F₅	31.10±1.30jk	20.50±1.20c	541.03±48.04de	16.53±0.78e	6.58±0.26gh	1.70±0.03k	84.08±1.58gh
S₂F₁	31.48±1.46ij	20.10±0.69d	534.83±48.34ef	16.88±0.61d	7.10±0.37bc	1.80±0.04ab	89.33±1.57a
S₂F₂	33.10±1.24de	18.85±0.86f	534.40±35.75ef	15.95±0.74fgh	7.10±0.32bc	1.72±0.04j	83.95±1.77h
S₂F₃	34.60±1.15b	19.85±1.07d	521.30±35.71fgh	16.30±0.86ef	6.35±0.28ij	1.76±0.04ef	83.16±1.67i
S₂F₄	29.68±1.16l	20.63±0.95c	479.13±41.36l	17.30±0.80bc	5.90±0.27m	1.78±0.03cd	85.04±2.01de
S₂F₅	30.93±1.31k	18.00±0.85h	592.53±39.11b	15.58±0.77hij	6.65±0.33fg	1.74±0.03gh	87.06±1.42c
S₃F₁	32.88±1.28ef	19.83±0.74d	618.03±43.31a	15.90±0.65gh	7.35±0.32a	1.71±0.03k	84.37±1.44fgh
S₃F₂	35.23±1.29a	18.03±0.74h	508.27±50.68hij	15.45±0.69ijk	6.55±0.28gh	1.74±0.04gh	89.48±2.07a
S₃F₃	33.40±1.25d	19.50±0.82e	530.17±39.35efg	17.03±0.68cd	6.08±0.27kl	1.71±0.03k	84.59±1.41efg
S₃F₄	32.10±1.18gh	19.08±0.70f	554.33±54.53cd	16.00±0.77fg	6.88±0.28de	1.73±0.03j	84.54±1.97efg
S₃F₅	30.88±1.27k	20.10±0.76d	515.67±39.57ghi	15.78±0.67ghi	7.03±0.25cd	1.73±0.03hij	84.40±2.14fgh
S₄F₁	33.58±0.99cd	22.40±0.73a	533.00±35.00ef	17.60±0.67ab	6.45±0.30hij	1.79±0.03bc	82.90±1.79i
S₄F₂	34.05±1.28c	17.85±1.09h	503.40±43.14ijk	15.80±0.92ghi	6.48±0.25hij	1.70±0.05k	87.49±2.26bc
S₄F₃	32.73±1.51ef	18.93±0.89f	568.77±43.25c	14.78±0.82l	6.13±0.28k	1.79±0.04bc	84.10±1.38gh
S₄F₄	31.93±1.42hi	19.45±0.62e	489.83±38.97kl	16.15±0.63fg	6.33±0.27j	1.77±0.04de	87.78±1.56b
S₄F₅	28.48±1.27m	18.40±0.89g	496.07±36.67jk	15.18±0.66k	6.50±0.32ghi	1.81±0.04a	84.87±2.15def
显著性检验（F值） Significance test （F value）
灌水量Water treatment （S）	1.22NS	11.04**	3.25**	14.23**	4.89**	6.06**	8.78**
施肥量Fertilizer treatment （F）	5.65**	10.09**	0.45NS	10.92**	13.94**	1.50NS	5.37**
S×F	1.69NS	3.62**	4.58**	33.59**	3.20**	2.46**	7.62**

项目 Item	实际种子产量 Practical seed yield （kg·hm^-2）	理论种子产量 Theoretical seed yield（kg·hm^-2）	灌水分利用效率 IWUE （kg·m^-3）	肥料偏生产力 PFP （kg·kg^-1）
水分处理 Water treatment （S）
S₁	1079.95a	5973.74a	1.20a	3.81a
S₂	954.86c	5288.30c	0.71b	3.52b
S₃	987.63b	5343.57c	0.55c	3.54b
S₄	1079.57a	5547.23b	0.48d	3.90a
肥料处理 Fertilizer treatment （F）
F₁	1031.36b	5664.71b	0.73bc	-
F₂	992.49c	5372.42cd	0.70d	8.71a
F₃	998.08c	5255.17d	0.72c	4.38b
F₄	1054.61a	5437.06c	0.76a	3.08c
F₅	1050.97a	5961.68a	0.75ab	2.31d
年份 Year （Y）
2017	662.58d	4325.40c	0.49d	2.48c
2018	1139.15b	6910.70b	0.82b	4.12b
2019	764.50c	3642.69d	0.53c	2.58c
2020	1535.78a	7274.05a	1.10a	5.59a
显著性检验（F值） Significance test （F value）
S	108.67**	67.58**	2821.70**	17.59**
F	17.85**	43.77**	13.28**	3973.34**
Y	4175.71**	2320.24**	2127.80**	1035.44**
S×F	33.59**	35.18**	20.73**	15.18**
S×Y	75.23**	11.94**	100.49**	17.11**
Y×F	37.52**	15.30**	16.08**	221.33**
Y×S×F	37.99**	24.91**	22.57**	19.48**