不同灌溉方式下黃淮海地區夏玉米水氮耦合效應研究

鞏 文 軍

(河南省焦作市廣利灌區管理局，河南 沁陽 454550)

0 引 言

水和氮是農業生產的兩大投入，也是最容易控制的兩個因素。水分和氮素之間的相互作用對作物生長發育及其利用效率的影響，稱為水氮耦合[1]。目前，學者們研究了水氮耦合對作物根系、莖稈、葉片、產量、光合作用和養分代謝的影響[2,3]。對于作物生長發育而言，水氮耦合效應主要表現為協調效應、疊加效應和拮抗效應[4]。不適合的水氮處理會阻礙作物正常的生長發育，而適宜的水氮比例下，水氮交互效應會使作物產量和品質明顯提升[5]。

夏玉米作為我國黃淮海地區的主要農作物，每年需要大量的氮肥和水分投入，然而總體上看氮肥和水分的生產效率偏低，造成了大量氮肥和水分的浪費，不利于農業的可持續發展[6]。近年來，水肥一體化技術逐漸被應用在實際生產中，促進了作物對水分和氮素的高效吸收利用[7]。水氮一體化技術是將可溶性氮肥按土壤養分含量和作物需氮規律配制成適宜濃度的肥液，并通過滴灌或者噴灌系統均勻、定時、定量配送至土壤中作物根系生長發育區域，滿足作物不同生長期水氮需要[8-10]。目前，在滴灌和微噴帶灌溉條件下水氮耦合對夏玉米生長發育影響的研究還較少，迫切需要加強。因此，本研究設置了滴灌和微噴帶灌溉兩種灌溉方式，研究了不同水氮耦合處理對夏玉米生長發育和產量形成的影響，試圖為黃淮海地區夏玉米生產中水氮一體化技術的廣泛利用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區情況

試驗于2015年在河南省沁陽市廣利灌區灌溉試驗站進行(北緯35°18′，東經113°52′)。該地區多年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d，日照時數2 398.8 h，屬暖溫帶大陸性季風氣候。土壤為沙壤土，20 cm耕層土壤基礎養分見表1。整個夏玉米生長季，降雨量為212 mm。

表1 土壤基礎養分

1.2 試驗設計

本試驗選用的玉米品種為登海605，播期為6月12日，每公頃7.5 萬株，采用機播的方式種植。試驗設計了灌溉方式、灌水量和氮肥量三個因子，采用裂區-再裂區試驗設計，主區為2個灌溉方式滴灌(D)和微噴帶灌溉(P)，裂區為2個灌水量處理，再裂區為4個氮肥處理，采用完全區組設計，每個處理重復3次，共48個小區，小區面積約為60 m2，每個小區間開溝阻隔，以防肥料側向移動。在玉米生長過程中，各處理均灌4水，底墑水均為30 mm，保證出苗，滴灌處理設置低水(D：90 mm)和高水(G：120 mm)處理，噴灌處理設置低水(D：105 mm)和高水(S：180 mm)處理，具體的灌水方案見表2。 氮肥選用尿素，設置不施氮肥(N0)，低氮處理(N1),中氮處理(N2),高氮處理(N3)4個水平，各生育時期的施肥量見表3。

表2 不同處理灌溉定額及在各生育時期的分配

表3 不同施氮量處理的施肥方案

滴灌施肥方法：試驗小區滴灌帶間距為50 cm，滴頭間距30 cm，每2行設置一條滴灌帶，試驗施肥采用壓差式施肥灌進水管道，每個小區各接一個獨立的施肥罐，施肥始前按各小區所需尿素用量，分別加入各小區施肥罐，將施肥罐充滿水，充分攪拌，使其完全溶解，扣緊罐蓋。施肥前先滴清水30 min，然后打開施肥罐球閥施肥，為保證肥料完全施入，施肥后繼續滴清水30 min。微噴帶灌溉施肥方法：試驗小區噴灌帶間距為300 cm，選用七孔的噴灌帶，試驗施肥采用文丘里施肥器對各小區進行施肥，先將氮肥按小區面積稱好，溶于水中，隨水一起噴灌到小區中。

在田間試驗中，各處理統一施P2O5150 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。試驗管理高于當地高產田生產水平，保證作物正常生長發育，沒有病蟲害影響，為當地氣候、土壤背景條件下最佳產量。每項田間管理措施和測定在同一天內完成，如遇特殊天氣，同一重復必須在同一天內完成。

1.3 觀測項目與方法

(1)產量及產量構成因素。各處理于完熟期收獲測產，每小區隨機摘取10個玉米穗，放入網袋后攤平曬干，用于測定產量及產量構成因素。

(2)植株干物質。分別于玉米拔節期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和成熟期在每個小區內選取具有代表性的植株6株，進行破壞性取樣，然后將樣株分解為莖稈(包括雄穗)、葉片(包括苞葉)、穗三部分，將各類樣品在105℃殺青30 min，然后在80 ℃下烘至恒重，稱取干物質重量。

(3)植株葉面積。分別在拔節期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和成熟期每個小區選擇代表性植株10株。采用量測法測量葉片長度和最寬處寬度，全展開葉系數為0.75，非全展開葉系數為0.5，三者相乘計算單株葉面積。單位土地面積的葉面積指數=單株葉面積×玉米密度×密度對應土地面積。

(4)作物耗水量。作物耗水量采用水量平衡公式計算，在本試驗條件下可簡化為：

ET=P+I-SWD

(1)

式中：P為降雨量，mm；I為灌溉量，mm；SWD為玉米生育期內0～100 cm土壤水消耗量，生育期末的土壤含水量與生育初期時的差值。

(5)作物水分生產效率。本研究僅考慮蒸散消耗的作物水分生產效率WUE的表達式：

WUE=Y/ET

(2)

式中：Y為夏玉米最終產量，kg/hm2；ET為作物總耗水量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式下水氮耦合對夏玉米葉面積指數的影響

分析夏玉米葉面積指數動態變化特征(圖1)可以發現，不同灌溉方式下夏玉米葉面積指數的變化規律基本一致，均隨著生育期的推移葉面積指數先迅速增加后保持穩定。微噴帶灌溉條件夏玉米葉面積指數與滴灌條件下的葉面積指數進行比較，差異不顯著，而且這種差異隨著生育進程有逐漸縮小的趨勢，在夏玉米生育后期滴灌方式低水處理在不同氮肥處理下葉面積指數均為最高(圖2)，說明滴灌方式可能會提高夏玉米的葉面積的擴展，但與微噴帶灌溉之間差異不明顯，這可能由于降雨的影響，消除了灌溉方式差異對夏玉米葉面積指數影響，而且在圖1中，8月27日后夏玉米的葉面積增長緩慢，保持相對平穩狀態，較高的綠色葉面積指數有利于夏玉米干物質的積累和最終產量的形成。

圖1 不同灌溉方式下水氮耦合對夏玉米葉面積指數的影響

氮肥對夏玉米葉面積的擴展起到促進作用，隨著施氮量的增加，葉面積指數逐漸增加(圖1)，在夏玉米生長中期，N0處理的葉面積指數顯著低于其他處理的葉面積指數，隨著生育進程的推移這樣的差異逐漸縮小，在7月27日N0處理的平均葉面積指數為1.22，N3處理的平均葉面積指數為1.7，而在9月15日， N0處理的平均葉面積指數為5.33，而N3處理的平均葉面積指數為5.4。在玉米整個生育時期內，施氮處理(N1、N2、N3)之間的葉面積指數差異均不顯著，這可能與過高的基礎肥力有關。

2.2 不同灌溉方式下水氮耦合對夏玉米生物量的影響

分析夏玉米生物量動態的變化特征(圖2)可以發現，不同灌溉方式下夏玉米生物量的變化規律基本一致，均隨著生育期的推移生物量逐漸增加。噴灌條件下的夏玉米生物量一般均低于滴灌條件下的生物量，而且這種差異隨著生育進程逐漸拉大，在夏玉米生育后期滴灌方式低水處理在不同氮肥處理下生物量均為最高(圖2)，說明滴灌方式更有利于提高夏玉米的生物量積累，用更少的水生產出更多的生物量；此外由于降水的影響，高水條件下夏玉米生物量反而偏低，在8月27日N2處理的滴灌低水處理生物量為11.13 t/hm2，而滴灌高水處理的生物量僅為9.55 t/hm2，在豐雨年份過多灌溉水量并不有利于夏玉米的生物量積累。

圖2 不同灌溉方式下水氮耦合對夏玉米生物量的影響

氮肥對夏玉米生物量的積累起到促進作用，隨著施氮量的增加，生物量逐漸增加(圖2)，但在高氮處理(N3)的生物量與其他氮肥處理之間差異不顯著或者低于其他處理，在8月6日，N3處理的生物量均值為4.89 t/hm2，而N2處理的生物量均值為5.05 t/hm2，說明過高的氮肥投入并不能有效的提高生物量的積累，反而會產生抑制的效果。在9月15日，N3處理的生物量均值為16.39 t/hm2，而N0處理的生物量均值為16.2 t/hm2，N3處理僅比N0處理高0.19 t/hm2，這種現象與基礎地力過高有關。

2.3 不同灌溉方式下水氮耦合對夏玉米產量及產量構成的影響

分析在不同水氮耦合下夏玉米產量及產量構成(表4)，可以看到，滴灌條件下的平均產量(125 77.81 kg/hm2)要高于噴灌條件下(11 380.63 kg/hm2)，說明滴灌方式有利于提高夏玉米的產量；滴灌高水處理的夏玉米平均產量(13 057.50 kg/hm2)要顯著高于其他處理平均產量(11 619.79 kg/hm2)；滴灌高水N3處理的產量最高達到14 002.50 kg/hm2，噴灌低水N0處理的產量最近，僅為9 757.50 kg/hm2。平均果穗長度在滴灌(19.24 cm)和噴灌(19.43 cm)處理之間差異不顯著，在高水(19.45 cm)與低水(19.22 cm)之間差異也不大，隨著施氮量的增加，平均果穗長度逐漸增加(N0：18.31 cm；N1：19.43 cm；N3：19.66 cm；N4：19.93 cm)，其中N0處理的平均果穗長度顯著低于其他處理。平均禿尖長在滴灌(1.70 cm)和噴灌(2.24 cm)之間差異顯著，這是造成滴灌處理玉米產量高于噴灌處理的主要原因，在高水(1.99 cm)與低水(1.94 cm)處理之間差異不顯著，N0處理的平均禿尖長最大，為2.22 cm，N3處理的平均禿尖長最小，為1.83 cm，這說明在玉米開花灌漿期間充足的氮肥將保證有機質的制造和運轉，玉米吐絲和田間授粉的正常進行，花粉和花絲壽命長。平均的果穗粗在滴灌(4.94 cm)和噴灌(4.84 cm)之間差異不顯著，在高水(4.91 cm)與低水(4.86 cm)之間差異不顯著，在N0處理的平均果穗長度為4.76 cm顯著低于N3處理的4.94 cm。平均的百粒重在滴灌(29.3 g)和噴灌(27.9 g)之間差異顯著，這也是造成夏玉米產量在兩個灌溉方式之間有差異主要原因，在高水(28.7 g)和低水(28.49 g)之間差異不顯著，在氮肥處理之間差異亦不顯著，綜上所述，禿尖長短和百粒重大是滴灌條件下夏玉米產量較高的主要原因。

2.4 不同灌溉方式對夏玉米耗水量和水分生產效率的影響

表5分析了在不同水氮耦合處理下夏玉米耗水量和水分生產效率。根據播種前和收獲后土壤含水量的差值代表夏玉米全生育期內的土壤水消耗量。滴灌條件下的土壤水消耗量小于微噴帶灌溉條件下土壤水消耗量。隨著灌溉量的增加，土壤水消耗量呈現降低的趨勢。根據公式(1),可以計算出夏玉米全生育期內耗水量，在不同處理之間，耗水量在323.4～410.7 mm之間變化，其中滴灌處理的耗水量低于微噴帶灌溉處理的耗水量，高水處理下的耗水量要高于低水處理下的耗水量。在滴灌條件下，夏玉米的水分生產效率(34.28～41.23 kg/mm)要高于微噴帶灌溉條件下水分生產效率(26.84～33.92 kg/mm)。在微噴帶灌溉條件下，高水處理的水分生產效率低于低水處理；而在滴灌條件下，不同水分處理之間差異不大。在不同氮肥處理之間，土壤水消耗量、總耗水量和水分生產效率差異不大。

表4 不同水氮耦合下夏玉米產量及產量構成

注：IL代表灌溉水平；NL代表施肥水平；IM代表灌溉方式；ns為差異不顯著；*為p值在0.05水平下差異顯著；**為p值在0.01水平下差異顯著。

表5 不同水氮耦合下夏玉米耗水量及水分生產效率

3 結 語

本試驗研究了不同灌溉方式下水氮耦合對夏玉米生長特性與產量的影響，得到如下結論，禿尖長短和百粒重大是引起滴灌方式的夏玉米產量高于噴灌的主要原因，在黃淮海地區適宜采用滴灌方式進行灌溉，在滴灌條件下，夏玉米的水分生產效率較高。在豐雨年份和基礎肥力高的地塊需要注意減少灌溉量和施氮量的投入，進一步提高水分和氮素對夏玉米的生產效率，有利于緩解黃淮海地區水資源緊張的壓力和降低氮肥施用有可能造成的不良環境風險。

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