淺埋滴灌水氮運籌對春玉米產量及水分利用效率的影響

李 雪,尹光華,馬寧寧,谷 健，3，王士杰

(1.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.遼寧省農業(yè)科學院，遼寧 沈陽 110161)

遼西半干旱區(qū)地域遼闊，土地和光熱資源豐富，是遼寧省重要的商品糧與經濟作物生產基地[1]。但該地區(qū)干旱少雨，水資源不足，水土流失和風蝕嚴重, 耕地質量相對較差，耕地中絕大部分是旱地，有效灌溉面積為36.96萬hm2，僅占耕地面積的20.62%[2]。因此，研發(fā)新型高效節(jié)水灌溉技術，發(fā)展節(jié)水農業(yè)勢在必行。

淺埋滴灌是一種新型的滴灌節(jié)水技術，是將滴灌帶或滴灌毛管掩埋到地表下3～5 cm的一種節(jié)水灌溉技術[3]。與常規(guī)溝灌相比，淺埋滴灌灌溉定額為2 908.0 m3·hm-2時，可節(jié)水30%，籽粒產量僅下降3.4%，而水分利用效率和灌溉水利用效率分別提高22.1%和27.5%[4]。而與傳統(tǒng)地表滴灌技術相比，淺埋滴灌可使玉米產量和水分利用效率分別提高11.75%和16%[5]。與膜下滴灌相比，淺埋滴灌技術避免了地膜殘留造成的“白色污染”問題[6]。然而，也有學者研究發(fā)現(xiàn)，淺埋滴灌技術大多數在大田中進行，受自然降水的影響，灌水量難以精確掌控，而且目前研究的作物大多為牧草、番茄、棉花等經濟作物，對大田糧食作物的研究較少[7]。

由于膜下滴灌、地下滴灌和傳統(tǒng)地表滴灌在實際應用中均存在著一定的問題，近幾年淺埋滴灌技術開始成為新的滴灌技術研究熱點。該技術能夠解決膜下滴灌“殘膜污染”的環(huán)境問題和傳統(tǒng)地表滴灌蒸發(fā)大、鋪設困難的問題，是未來滴灌技術的發(fā)展趨勢[5]。

目前，淺埋滴灌技術的研究主要集中在作物的生長、產量和水分利用效率等方面。梅園雪等[8]研究了內蒙古通遼市玉米淺埋滴灌節(jié)水種植模式產量與效益，發(fā)現(xiàn)與全膜覆蓋、半膜滴灌、管灌和漫灌種植模式相比，淺埋滴灌種植模式在保苗效果、籽粒品質、平均產量、成本投入、純效益等方面的綜合表現(xiàn)最好。郭金路等[4]在遼西半干旱區(qū)研究了淺埋滴灌不同灌水量對春玉米生長及產量的影響，得出適宜的灌溉定額范圍為2 908.0～3 816.4 m3·hm-2；李媛媛等[9]在內蒙古通遼的試驗研究得出該地區(qū)春玉米適宜的灌水量為39 mm；徐杰等[10]研究了迷宮式滴灌和新型滴灌(自流插入式滴灌管)在不同埋設深度下對春玉米生長的影響，結果表明埋深5 cm的產量和水分利用效率均最高；王建東等[5]定量分析了地表、膜下、淺埋3種滴灌模式田間水熱環(huán)境、產量差異，認為淺埋滴灌有效降低了滴灌帶附近溫度，玉米產量和水分利用效率顯著高于地表滴灌；焦炳忠等[11]研究了不同滴灌模式對地膜玉米生長及水分利用效率的影響，發(fā)現(xiàn)無論是產量還是水分利用效率，均表現(xiàn)為：膜下淺埋>露地淺埋>膜下滴灌。淺埋滴灌技術既可實現(xiàn)對農業(yè)水資源高效利用的目的，同時又是一項綠色環(huán)保型技術，是未來半干旱區(qū)農業(yè)節(jié)水技術發(fā)展的一個重要方向，亟待深入系統(tǒng)地研究其節(jié)水機理調控，建立實用化技術模式，進而大面積推廣應用。本研究以淺埋滴灌春玉米為研究對象，采用移動式遮雨棚水分精量控制試驗方式，分析水氮交互作用對產量和水分利用效率的影響，建立產量回歸模型，探究淺埋滴灌水氮優(yōu)化運籌方案，以便為遼寧西部半干旱地區(qū)淺埋滴灌技術在田間的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況與材料

試驗于2016-2017年在遼西半干旱區(qū)典型區(qū)域——阜新蒙古族自治縣進行。該縣位于121°01′E～122°56′E、41°41′N～42°56′N，平均海拔235 m。試驗區(qū)年平均氣溫7.2℃，年際變化在5.8～8.1℃，春玉米生育期平均氣溫為20.2℃，年日照時數為2 865.5 h，10℃以上積溫3 298.3℃，無霜期144 d，年均降水量493.1 mm，年均蒸發(fā)量1 847.6 mm。土壤為沙壤土，耕層容重1.44 g·cm-3，田間持水量23%，pH值6.15，有機質18.00 g·kg-1，全氮1.28 g·kg-1，堿解氮92.15 mg·kg-1，速效鉀201.43 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗在移動式遮雨棚內進行，棚內設置試驗微區(qū)，每個微區(qū)面積為1.3 m×2 m=2.6 m2，微區(qū)四周以80 cm深防水樹脂薄膜相隔，防止土壤水分和養(yǎng)分的側滲。采用二因素二次飽和D-最優(yōu)設計(見表1)，設灌溉量和施氮量2個因素，灌溉量分別設145.4、271.7、348.2、436.2 mm 4個水平，施氮量分別設0、84.6、136.1、195.0 kg·hm-24個水平，共6個處理，重復3次。選用的氮肥為尿素(含N 46.4%)，播種時溝施總氮量的30%，在拔節(jié)期和抽雄期隨滴灌等量追施剩余氮肥。灌溉采用淺埋滴灌方式，各處理不同生育期灌溉方案見表2。播種前人工微噴灌，使0～20 cm土層含水量為田間持水量的70%。玉米品種為裕豐303，每個微區(qū)種植2壟，每壟2行，每行4株，共16株。2016年于5月1日播種，9月25日收獲；2017年于5月21日播種，10月9日收獲。滴灌帶為新疆天業(yè)公司生產的內鑲式薄壁滴灌帶，滴頭間距30 cm，管徑16 mm，滴頭流量1.38 L·h-1，滴灌帶鋪設于兩窄行之間，表面覆土3～5 cm，應用小型抽水泵恒定低壓定量滴灌。

表1 試驗因子水平及編碼值

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量 采用烘干法測定：分別于播種前、各生育階段末及收獲后用土鉆取土，取土深度為140 cm，共7層，每層20 cm，在105℃烘箱內烘干至恒重，用重量含水量法計算土壤含水量。

1.3.2 作物耗水量 玉米生育期耗水量采用水量平衡方程計算[12]：

ETa=P+C+I-R-Dw-ΔS

(1)

式中,ETa為作物耗水量(mm)；P為降雨量(mm)；C為地下水毛管上升水量(mm)；I為灌水量(mm)；R為地表徑流量(mm)；Dw為深層滲漏量(mm)；ΔS為取土時間段內土壤水分的變化量(mm)。由于試驗在移動式遮雨棚內進行，灌水方式為滴灌，所以公式中Pr、Rr、Dw可忽略不計，又因試驗地地下水埋深大于8 m，所以Cr也可以忽略不計。

1.3.3 產量及其構成要素 成熟期取微區(qū)中間2行玉米，稱其鮮重，晾曬風干后考種，用谷物水分測定儀(PM8188)測籽粒含水量，折算為公頃籽粒產量。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)按公式(2)進行計算：

WUE=Y/ETa

(2)

式中，WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y為籽粒產量(kg·hm-2)，ETa為生育期耗水量(mm)。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行整理和計算，SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進行顯著性分析(P<0.05)，采用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 水氮互作對產量的影響

2.1.1 產量模型的建立 利用2016年、2017年2 a的產量平均結果，以二次最優(yōu)設計進行回歸模擬，得到產量(Y)與灌溉量(X1)、施氮量(X2)的回歸模型：

表2 淺埋滴灌各處理作物生育期灌溉實施方案

Y=10 855.786+705.961X1+502.915X2

(3)

模型相關系數R2=0.86，T檢驗結果為：F=11.07，P<0.05，說明回歸模型能很好地模擬產量與水氮之間的關系，擬合度較高，能夠客觀反映灌水量、施氮量與產量之間的關系。

2.1.2 模型的產量效應分析

(1) 主因子效應分析 由于模型中的灌溉量和施氮量二因子均已進行過無量綱化處理，且各一次項系數與交互項、平方項的回歸系數間都是不相關的，所得偏回歸系數已標準化，故其回歸系數絕對值的大小可直接反映灌溉量X1和施氮量X2對產量Y的影響程度。產量模型中一次項系數均為正數，且X1系數大于X2系數，說明灌溉量和施氮量對產量的提高均有促進作用，灌溉量對產量的影響大于施氮量；交互項XIX2的系數為正，說明水氮產生正交互效應，對產量的提高有相互促進作用；二次項系數中，X12、X22的系數均為負值，說明在試驗范圍內，產量隨著灌溉量或施氮量的提高有最大值，呈開口向下的拋物線型變化趨勢。

(2) 單因子效應分析 根據二因素回歸模型，可分別得到灌溉量和施氮量對產量的單因子效應模型式(4)和式(5)：

(4)

(5)

根據回歸子模型分別作出水、氮二因素對產量的單因子效應圖，如圖1。由圖1可知，灌溉量和施氮量對產量均有明顯影響，產量隨二者的增加均呈先升高后降低的變化趨勢，產量達到最高點時灌溉量和施氮量的編碼值分別為0.424和0.507，相對應的實際值為350.5 mm和146.9 kg·hm-2。

圖1 灌溉量和施氮量對產量的單因子效應Fig.1 Sole effect of water and N application on yield

(3) 交互效應分析 由圖2可知，在試驗編碼值范圍內，當灌溉量固定在某一水平時，產量隨施氮量的增加先增高后降低；當施氮量固定在某一水平時，產量隨灌溉量的增加也呈先增加后降低趨勢。隨著灌溉量的增加，產量達到最高點的施氮量不同，當灌溉量最低(X1=-1)時，產量達到最高點的施氮量為0.168水平，即113.9 kg·hm-2，此時產量為9 332.10 kg·hm-2；當灌溉量為0水平時，施氮量提高到0.507水平，產量可達最高10 983.19 kg·hm-2。同樣，當施氮量較低時，較低的灌溉量就可以使產量達到最高，施氮量提高時，只有適量提高灌溉量，才能使產量達到最高點。

由圖2還可以看出，灌溉量與施氮量兩因子同時變化對產量的影響比單因子影響更劇烈。當灌溉量最低，施氮量為零(X1=-1,X2=-1)時，產量最低，僅為8 655.57 kg·hm-2，隨著灌溉量和施氮量的同時增加，產量迅速提高，如當X1=-0.5，X2=-0.5時，產量增高到10 003.51 kg·hm-2，若僅提高施氮量(X1=-1,X2=-0.5)，產量為9 277.24 kg·hm-2，僅提高灌溉量(X1=-0.5,X2=-1)，產量為9 833.31 kg·hm-2。當X1=0，X2=0時，產量增加到10 855.79 kg·hm-2，高于單獨提高灌溉量或施氮量時的產量。當X1=0.5，X2=0時，產量達到11 000.85 kg·hm-2，當X1=0，X2=0.5時，產量達到10 983.17 kg·hm-2，同時增加灌溉量和施氮量(X1=0.5，X2=0.5)，產量增高到11 212.39 kg·hm-2。隨著灌溉量和施氮量的繼續(xù)增加，產量有所降低，當灌溉量、施氮量達到本試驗范圍內最大值(X1=1，X2=1)時，產量下降到11 073.33 kg·hm-2。

可見，在淺埋滴灌春玉米的實際生產中，氮肥的施用量要根據灌溉量而定，同樣，灌溉量也要結合施氮量而確定。灌溉量和施氮量不足無法達到高產，灌溉量和施氮量過多不僅會造成水肥資源的浪費，也會降低產量。只有適宜的水、氮用量配合應用，才能充分發(fā)揮兩者的交互耦合作用，獲得最高產量，實現(xiàn)水肥資源的高效利用。

圖2 水氮處理產量的交互效應Fig.2 Combined effect of water and nitrogen on yield

2.1.3 產量模型尋優(yōu)結果 用模型(3)分別對X1、X2求偏導數，并令其等于0，經運算整理得出最高產量的優(yōu)化方案

(6)

(7)

當X1=0.566，X2=0.699時，即灌溉量為373.1 mm，施氮量為165.6 kg·hm-2時，產量最高，為11 231.16 kg·hm-2。

2.2 水氮互作對耗水量的影響

由表3可知，淺埋滴灌不同處理玉米各生育階段耗水量均隨灌水量的增加而顯著增加。各處理階段耗水量均表現(xiàn)為拔節(jié)-抽雄期和灌漿-收獲期較高，出苗-拔節(jié)期和抽雄-灌漿期較低。在出苗-拔節(jié)期，灌水量低的處理1、處理3與灌水量高的處理2、處理5耗水量差異顯著。到了拔節(jié)-抽雄期，耗水量顯著提高，處理3與處理2、處理6差異顯著，其余處理間差異不顯著。在抽雄-灌漿期，處理1與處理2、處理5差異顯著，其余處理間差異不顯著。灌漿-收獲期各處理間耗水量差異均不顯著。

從耗水強度來看，高灌溉量的處理2耗水強度最大，低灌溉量的處理1、處理3耗水強度小。不同處理玉米耗水強度均在出苗-拔節(jié)期最低，處理2在拔節(jié)-抽雄期最高，而其余處理在抽雄-灌漿期最高。分析其原因，可能是由于本試驗在遮雨棚內實施，無自然降水，玉米生長初期，灌溉水和底墑水較充足，進入生長后期，由于灌溉量和施氮量較低，處理1受到干旱脅迫，且不施氮使作物生長受到抑制，導致耗水強度最高時期提前[9]。

從耗水模系數來看，不同生育期各處理玉米的耗水模系數差異均不顯著，在出苗-拔節(jié)期和抽雄-灌漿期較低，拔節(jié)-抽雄期和灌漿-收獲期較高。

2.3 水氮互作對水分利用效率的影響

由表4可知，灌溉量最高、施氮量最低的處理2耗水總量最大，灌溉量最低、施氮量最高的處理3耗水總量最低。水分利用效率總體上表現(xiàn)為隨著灌溉量的增大而降低。灌溉量最低的處理1和處理3水分利用效率較灌溉量高的處理2、處理5、處理6顯著提高，處理2、處理5、處理6之間水分利用效率差異不顯著，說明增加灌溉量對水分利用效率的提高有抑制作用;相同施氮量條件下，處理2水分利用效率較處理1降低52.21%。在相同的灌溉量條件下，水分利用效率表現(xiàn)為處理3較處理1提高14.73%，處理5較處理2提高20.08%，說明適當提高施氮量，對水分利用效率的提高有促進作用。而高施氮量的處理6與中等施氮量的處理5相比，灌溉量減小但水分利用效率提高卻不顯著，說明施氮量過高不利于水分利用效率的提高，施氮量對于水分利用效率的作用存在適宜范圍。結合產量分析，處理6(灌溉量348.2 mm，施氮量195.0 kg·hm-2)產量最高，顯著高于其余處理，而水分利用效率僅顯著低于產量最低的處理1和處理3，高于處理2、處理5，與處理4相比降低不顯著，為各處理中的較優(yōu)選擇。綜合產量模型尋優(yōu)結果，當灌溉量為373.1 mm，施氮量為165.6 kg·hm-2時，產量達到最高，此時灌溉量與處理6相近，施氮量高于處理5，低于處理6，因此認為，最高產量模型的水分利用效率介于處理5與處理6之間，與處理6差異不顯著，且較處理6可節(jié)約氮肥，有利于環(huán)境保護。結合處理6的灌溉量與最高產量模型的施氮量，當灌水量為348.2 mm，施氮量為165.6 kg·hm-2時，理論產量為11 206.72 kg·hm-2，為最高產量的99.8%，可節(jié)水7.2%。所以，在本試驗條件下，滴灌348.2 mm，施氮165.6 kg·hm-2的水氮組合是適宜的淺埋滴灌水氮運籌模式。

表3 不同水氮處理玉米生育期耗水特征

注：CA為耗水量；CD為耗水強度；CP為耗水模系數。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: CA: Water consumption; CD: Water consumption intensity; CP: Water consumption percentage. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between treatments (P<0.05), the same below.

表4 不同水氮處理的水分利用效率

3 討論與結論

李金琴等[13]研究發(fā)現(xiàn)，淺埋滴灌與膜下滴灌在灌水量相同時產量相當，比常規(guī)管灌節(jié)水32.29%。焦炳忠等[11]研究表明，在揚黃灌區(qū)的灌水量相同時，淺埋滴灌較地表滴灌玉米早出苗1～2 d，產量提高 8.3%，WUE提高了7.4%。根據本研究模型模擬結果，當灌溉量為373.1 mm，施氮量為165.6 kg·hm-2時，淺埋滴灌春玉米產量可達到11 231.16 kg·hm-2。據白偉等[14]研究表明，本研究的試驗區(qū)多年的玉米平均單產僅為6 000 kg·hm-2。可見，利用淺埋滴灌的灌溉施氮方式，不僅可以達到節(jié)水節(jié)氮的目的，提高對水分的利用效率，又能實現(xiàn)產量的顯著提高，甚至翻倍，因而本研究結果對遼西地區(qū)玉米節(jié)水增產具有重要的指導意義。同時，本研究也發(fā)現(xiàn)，水與氮均為影響作物產量的重要因素，灌溉量的影響程度大于施氮量，水氮互作對玉米產量有顯著的影響，產量隨灌溉量和施氮量的提高均呈開口向下的拋物線趨勢。這可能是由于施肥量過高會造成土壤干旱脅迫程度的增加[15]，對作物造成傷害甚至燒苗，出現(xiàn)土壤鹽漬化等生態(tài)問題[16]。適當增加灌溉量有利于作物干物質的積累，促進產量的提高[17]，過度灌水使得硝態(tài)氮淋溶而在1 m土層中的殘留較少，致使作物可利用的氮素緊缺[18]，還可能會造成根系局部淹水，通氣性降低，使根系的有氧呼吸受到抑制，從而影響作物的生長發(fā)育，最終導致產量的降低[19]。

李文惠等[20]研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌玉米階段耗水量表現(xiàn)為生育前期較少，中期緩慢增加，灌漿期迅速上升的趨勢，抽雄-灌漿期耗水強度最大。黃鵬飛等[21]認為，交替地下滴灌春玉米拔節(jié)-抽雄期耗水量最大，抽雄-灌漿期耗水強度最高。而李曙光等[22]認為，玉米各生育期的耗水量、耗水模數總體呈拔節(jié)期、抽雄期高，苗期、灌漿期低的變化趨勢，耗水強度表現(xiàn)為抽雄期> 拔節(jié)期> 灌漿期> 苗期。本研究發(fā)現(xiàn)，淺埋滴灌不同處理階段耗水量均表現(xiàn)為拔節(jié)-抽雄期和灌漿-收獲期較高，出苗-拔節(jié)期和抽雄-灌漿期較低。耗水強度最大值出現(xiàn)在灌漿-收獲期。同時，在淺埋滴灌條件下，春玉米生育期的耗水量和耗水強度均隨灌水量的增加而增大，適當減少施氮量可以降低生育期的耗水量，該耗水特性對淺埋滴灌春玉米不同生育期的灌水量和施氮量具有指導意義。

本研究發(fā)現(xiàn)，水分利用效率隨著灌水量的增加呈逐漸降低的趨勢，而隨著施氮量的增加，水分利用效率呈先升高后降低的趨勢。這與王鵬勃等[23]研究結果一致。施肥量過低或過高均不利于植物對水分的吸收和利用[24]。當施氮量過高時，作物根區(qū)養(yǎng)分濃度較高，不利于作物根部吸收水分[25]。

綜上所述，灌溉量和施氮量單因子對產量提高均有促進作用。在試驗因子取值范圍內，產量隨著灌溉量、施氮量二因素用量的增加表現(xiàn)為先提高后降低的變化趨勢，灌溉量在145.4～350.5 mm時，春玉米產量隨著灌溉量的增加而增高，灌溉量在350.5～436.2 mm時，產量隨著灌溉量的增加而降低；施氮量在0～146.9 kg·hm-2時，產量隨施氮量的增加而增高，施氮量在146.9～195.0 kg·hm-2時，產量隨施氮量的增加而降低，灌溉量對產量的影響大于施氮量。不同處理的階段耗水量均表現(xiàn)為拔節(jié)-抽雄期和灌漿-收獲期較高，出苗-拔節(jié)期和抽雄-灌漿期較低, 耗水強度最大值出現(xiàn)在灌漿-收獲期。耗水量和耗水強度均隨灌水量的增加而增大。不同生育階段各處理的耗水模系數差異不顯著。水分利用效率隨灌溉量增加呈逐漸降低的變化趨勢，而隨著施氮量增加則呈現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，其中處理6(灌溉量348.2 mm，施氮量195.0 kg·hm-2)為試驗條件下水分利用效率的最優(yōu)處理。在提高遼西半干旱地區(qū)淺埋滴灌春玉米生產中，施氮量165.6 kg·hm-2，播種期溝施30%，剩余氮肥在拔節(jié)期和抽雄期等量滴灌追施；灌溉量為348.2 mm，分苗期2次，拔節(jié)期3次，抽雄期2次，灌漿期3次滴灌的方式,是同步實現(xiàn)節(jié)氮、節(jié)水、增產的淺埋滴灌水氮運籌措施。由于本試驗在移動遮雨棚內開展，試驗所得結論對于田間應用具有一定局限性，下一步的研究擬將遮雨棚內試驗與大田試驗相結合，建立適宜于大田實際應用的可操作性強的淺埋滴灌水氮運籌模式。