寧夏揚黃灌區玉米滴灌水肥一體化 灌溉施肥制度試驗研究

劉學軍，翟汝偉, 李真樸，劉 平，王 文

(寧夏水利科學研究院，銀川 750021)

寧夏揚黃灌區光照資源豐富，玉米增產潛力較大[1],種植面積占灌區面積的70%，達到9.5 萬hm2。近年來灌區開展了較大規模的玉米滴灌工程建設，面積達到了3.5 萬hm2,為玉米水肥一體技術的應用提供了基礎條件。但灌區對滴灌條件下玉米水肥一體化灌溉、施肥制度的大田試驗研究較少[2,3]，制約了高效節水灌溉工程效益的發揮[4]。為了保障高效節水灌溉工程的可持續應用，推進玉米高效節水灌溉技術的發展，在寧夏揚黃灌區開展滴灌條件下玉米灌溉制度、施肥制度及水肥一體化技術試驗研究，對寧夏玉米滴灌水肥一體化技術的規模推廣應用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏同心縣王團鎮的南村和北村，地處寧夏中部，屬西北干旱內陸地區，鄂爾多斯高原西部與黃土高原北部的銜接地帶，地理坐標為北緯36°58′48″，東經105°54′24″，海拔1 240 m。氣候屬典型大陸性季風型氣候，多年平均降水量270 mm，降水年內分布不均衡，7-9月降水占全年降水的65%，年蒸發量在2 325 mm以上，干旱指數8.4，全年平均相對濕度52%。試驗區土質為沙質壤土，0～60 cm土壤田間持水量20%。

1.2 試驗設計

玉米參試品種為銀439(試驗篩選出的優良品種)。玉米種植方式采用寬窄行種植，其中寬行行距0.7 m、窄行行距0.4 m，玉米株距0.2 m。

試驗區灌溉水源為寧夏同心縣現代節水高效農業科技園區已建5 萬m3蓄水池調蓄的黃河水，灌溉系統利用潛水泵加壓，配套篩網+疊片過濾器進行水質凈化處理。玉米田間滴灌帶采用Ф16PE貼片式滴灌帶，滴灌帶長50 m，沿玉米種植行方向鋪設于窄行，一條滴灌帶灌溉2行玉米，滴頭流量2.5 L/h，滴頭間距0.3 m。

在筆者2016年開展的玉米滴灌灌溉制度[5]、滴灌條件下施肥制度試驗研究取得最優灌溉、施肥方案基礎上，結合作物需水、施肥規律研究成果，根據不同生育期作物對水、肥需求的上、下限范圍，適當調整關鍵生育期水、肥用量，提出不同灌溉定額的3套灌溉制度與3套施肥制度進行耦合，共設計9組試驗方案，開展玉米滴灌條件下水肥一體化耦合試驗。玉米生育期滴灌11次、隨水施肥10次，各試驗小區灌溉制度設計見表1，施肥制度見表2。

表1 試驗區玉米滴灌水肥耦合灌水試驗設計 m3/hm2

表2 試驗區玉米滴灌水肥耦合施肥試驗設計 kg/hm2

1.3 監測項目與方法

主要對試驗區降水量、土壤理化性質、土壤養分、出苗率、灌水定額、灌溉定額、土壤含水率、施肥量、生物產量、經濟產量(籽粒產量)進行監測。降水量采用自計雨量計監測，土壤理化性質、土壤養分取樣化驗室測定，灌水量采用水表計量。每一試驗小區固定布設3處含水率監測點，土壤含水率采用PR2觀測儀監測，分別對試驗區玉米播種、灌水前后、收獲后0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm土壤含水率進行監測，將3處不同層次土壤含水率監測數據算術平均值作為該試驗區土壤含水率監測結果。施肥量用電子秤計量，產量按照規范規定的測產方法監測。

1.4 灌溉施肥監測

2017年試驗區玉米生育期4月1日至10月9日降雨量336.3 mm，其中次降雨量大于5 mm的有效降雨量286.1 mm。試驗區玉米出苗率86.73%～95.56%。玉米試驗區生育期滴灌11次，遇到降雨時，適當延后灌水、施肥日期。由于受前期降雨影響，其中6月7日各試驗小區灌水定額較設計定額降低150 m3/(hm2·次)，8月30日各試驗區灌水定額較設計定額降低75 m3/(hm2·次)，其他灌水均嚴格按照設計灌水定額進行灌溉，生育期各試驗小區實際灌溉定額較設計降低225 m3/hm2。各試驗區施肥量嚴格按照設計用量進行施肥，各試驗區不同時段施肥量見表3。

表3 玉米滴灌水肥耦合試驗區實際施肥量 kg/hm2

2 試驗結果及分析

2.1 土壤養分變化分析

2017年玉米種植前、收割后，分別對滴灌水肥耦合試驗區土壤養分進行取土、化驗室測定，測定結果見表4。

由土壤養分監測結果可見，經過一個生育期種植，土壤鹽分降低，土壤有機質增加(上年10月秸稈粉碎還田、深翻，由于當地冬季溫度較低、第2年播種前秸稈不能腐熟,經過玉米生育期高溫和灌溉影響，第2年10月收獲時還田的秸稈已全部腐熟，提高了土壤有機質含量)，土壤的全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀都有不同程度的降低，作物的生長消耗了土壤中的營養成分，會造成土壤進一步貧瘠。為了提高土壤質量，應該加強土壤保育和質量提升，秋季或早春增施有機肥，秋季實施秸稈粉碎還田。較長時期堅持培肥措施，可有效改善土壤結構，提升土壤肥力與質量。

表4 玉米滴灌水肥耦合試驗區土壤養分測定結果Tab.4 Results of soil nutrient measurements in maize drip irrigation and fertilizer coupling test area

2.2 土壤含水率變化分析

分別對試驗區玉米播種、灌水前后、收獲后土壤含水率進行監測，含水率的監測層次分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm。玉米滴灌水肥耦合各試驗區、整個生育期0～100 cm土壤平均含水率變化監測結果見圖1。

圖1 玉米水肥耦合試驗區生育期土壤含水率變化Fig.1 Changes of soil water content in growth stage of corn-fertilizer coupling experimental area

2.2.1 玉米生育期土壤含水率變化分析

T1、T2、T3屬低水，高、中、低施肥試驗區。0～40 cm土壤含水量在5-6月一直處于60%田間持水量以上或附近；在7月受高溫影響，0～40 cm土壤含水率降低到60%田間持水量以下；在8月以后，受充沛降雨影響，0～60 cm土壤含水率上升到60%田間持水量以上。60～100 cm土壤含水率在整個生育期多低于60%田間持水量，但呈現出隨施肥水平降低，含水率有提高趨勢。

T4、T5、T6屬中水，高、中、低施肥試驗區。0～10 cm土壤含水率受灌溉、降水、蒸發影響，在整個生育期變化劇烈，但長期處于60%田間持水量以上。10～60 cm土壤含水量在整個生育期多處于60%田間持水量以下，但呈現出隨施肥水平提高、土壤含水率降低的趨勢。60～100 cm土壤在整個生育期保持在60%田間持水率左右。

T7、T8、T9屬高水，高、中、低施肥試驗區。0～60 cm不同層次土壤含水率在整個生育期多處于60%田間持水量以上，在7月份受持續高溫影響，土壤含水率也高于60%田間持水量，在8月份受豐沛降雨影響，土壤含水率一致保持在70%～90%田間持水量，保證了作物整個生育期對水分的需求。60～100 cm土壤含水率在整個生育期一致處于較低水平，長期保持在60%田間持水量以下，后期上升到60%田間持水量以上。

不同層次土壤含水率監測結果表明，灌溉主要補充了0～60 cm土壤含水率，說明滴灌灌水定額較適宜，不會造成深層滲漏。

不同試驗區0～100 cm土壤平均含水率在整個生育期基本保持了較高水平，只有部分試驗區在6-7月干旱季節土壤含水量低于60%田間持水量，但各試驗區基本上都能滿足作物對水分的需求。各試驗區不同生育階段土壤含水率的變化與施肥量沒有明顯的規律。

2.2.2 不同灌水定額灌水前后土壤含水率變化分析

對典型試驗區灌水前、灌水后土壤水分變化比較表明，在設計的灌水次數11次情況下，采用灌水定額300、375 m3/(hm2·次)時，濕潤的土壤最大深度為1.0 m，但補充的土壤水分主要儲存在0～60 cm土層。因此根據降雨情況，因地制宜地采用最大450 m3/(hm2·次)的灌水定額，不會造成灌溉水的深層滲漏。玉米屬密植作物，滴灌狀態下土壤的濕潤比為0.6～0.95，苗期濕潤比較小，其他生育期隨著根系的擴大、灌水量的增大，濕潤比也增加。因此確定玉米生育期滴灌灌水定額應該不小于225 m3/(hm2·次)、不大于450 m3/(hm2·次)，否則會造成灌水不足或灌水浪費。

2.3 施肥、灌水對玉米產量、水分生產效率的影響

對玉米滴灌水肥耦合試驗區秸稈產量、籽粒產量、灌水量、降水量進行綜合分析，各試驗區總耗水量、水分生產效率分析結果見表5。

表5 玉米滴灌水肥耦合試驗區水分生產效率Tab.5 Water production efficiency of corn drip irrigation water and fertilizer coupling test area

玉米滴灌水肥耦合試驗結果表明，灌溉定額3 375～3 825 m3/hm2、施肥量378～540 kg/hm2，產量12 385～17 250 kg/hm2、水分生產效率1.93～2.86 kg/m3。9種方案玉米產量與水分生產效率對應關系見圖2。

圖2 不同試驗方案產量與水分生產效率關系Fig.2 Relationship between yield and water production efficiency in different test schemes

按照產量從大到小排序的水肥耦合方案為：灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量459 kg/hm2、產量17 250 kg/hm2；灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量370 kg/hm2、產量17 160 kg/hm2；灌溉定額3 375 m3/hm2、施肥量459 kg/hm2、產量15 675 kg/hm2。

按照水分生產效率從大到小排序：灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量4 596 kg/hm2、產量17 250 kg/hm2；灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量370 kg/hm2、產量17 160 kg/hm2；灌溉定額3 825 m3/hm2、施肥量540 kg/hm2、產量15 240 kg/hm2。

對相同灌溉定額試驗方案的產量進行平均(不計施肥影響)后比較，當灌溉定額達到中等水平，即灌溉定額達到3 600 m3/hm2時，產量最高。對相同施肥量試驗方案的產量進行平均(不計灌溉定額影響)后比較，當施肥量達到中等水平，即純施肥量達到459 kg/hm2時，產量最高。由此可以得出結論，施肥量459 kg/hm2、灌溉定額3 600 m3/hm2屬最佳組合，產量最高。灌溉定額對玉米產量影響的極差分別為2 896、1 822 kg/hm2，偏生產效率分別為13.27、8.10 kg/m3。施肥量對玉米產量影響的極差分別為1 683.5、1 577 kg/hm2，偏生產效率分別為20.78、19.47 kg/kg。

對施肥量、灌水量、產量及施肥量、灌水量、水分生產效率分別進行3參數互相關分析，并繪制3軸趨勢面響應見圖3，施肥量、灌水量、產量、水分生產效率3軸趨勢面響應平面見圖4。

由圖3、圖4可見，在灌溉定額3 525～3 615 m3/hm2、施肥量437～475 kg/hm2時，產量達到17 250 kg/hm2以上；在灌溉定額3 525～3 705 m3/hm2、施肥量378～475 g/hm2時，水分生產效率達到2.75 kg/hm2以上。

作物產量與耗水量存在一定的關系。綜合分析水肥耦合試驗區生育期灌水量、有效降水量、生育期始末1 m土體水分蓄變量，計算9種試驗方案玉米生育期耗水量為581～657 mm[6,7]，變化不大，但在灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量378～450 kg/hm2,生育期耗水量600～613 mm時，產量總體處于較高水平。

3 試驗研究結論

(1)根據2017年玉米滴灌水肥分耦合試驗結果，在生育期降水量336.3 mm、有效降水量286 mm時，玉米滴灌11次，灌溉定額3 375～3 825 m3/hm2，生育期耗水量531～654 mm，玉米產量為12 666～17 250 kg/hm2，水分生產效率達到1.93～2.86 kg/m3。

圖3 施肥量、灌水量、產量、水分生產效率3參數趨勢面響應Fig.3 Response of three parameters: fertilizer, irrigation, yield and water production efficiency

圖4 施肥量、灌水量、產量、水分生產效率3參數趨勢面響應平面圖Fig.4 Plan of response of three parameters: fertilizer, irrigation, yield and water production efficiency

(2)根據玉米滴灌水肥一體化試驗，最佳施肥方案為：純施肥量459 kg/hm2(其中N含量255 kg/hm2，P2O5含量123 kg/hm2，K2O含量81 kg/hm2)，分10次結合滴灌施肥，在次灌水的中間時段進行施肥。最佳灌溉定額3 600 m3/hm2、灌水11次、作物產量17 250 kg/hm2。推薦玉米滴灌水肥一體化灌溉施肥制度見表6。

表6 玉米滴灌水肥一體化灌溉施肥制度Tab.6 Integrated fertigation system of water and fertilizer for maize drip irrigation

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