任中生，屈忠義，孫貫芳，李 哲，劉安琪

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引 言

河套灌區(qū)地處黃河中上游地區(qū)，是典型的干旱引水灌區(qū)，作為我國(guó)重要的西北地區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)幾乎完全依賴于引黃灌溉。但隨著氣候變暖，黃河來(lái)水量不斷減少，國(guó)家對(duì)引黃水量實(shí)行更嚴(yán)格管理，2011年中央1號(hào)文件明確要求，實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，確立用水總量控制、用水效率控制、水功能區(qū)限制納污三條紅線[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，河套灌區(qū)氮肥投入量呈逐年增加的趨勢(shì)，但利用率卻一直在低水平區(qū)徘徊，收獲時(shí)作物吸收利用的氮不到40%[2]。馮兆忠等人[3]的研究指出，在河套灌區(qū)當(dāng)前的耕作制度以及秋澆定額下，河套灌區(qū)每年可損失約2.6×107kg N，相當(dāng)于5.7×107kg尿素，是當(dāng)年施氮量的20.3%。李暢游、杜軍等人[4,5]的研究指出，河套灌區(qū)面源污染是導(dǎo)致烏梁素海水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，而秋澆是導(dǎo)致河套灌區(qū)面源污染的重要原因。因此，在目前的耕作制度條件下，如何提高當(dāng)季作物氮肥利用率并減少氮在土壤剖面大量殘留是控制河套灌區(qū)面源污染的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

滴灌施肥系統(tǒng)可以根據(jù)作物的需要靈活準(zhǔn)確地控制水分和肥料施入時(shí)間、數(shù)量和施入點(diǎn)，既能保證作物必需的養(yǎng)分，又可以提高養(yǎng)分利用效率，避免養(yǎng)分淋失。Zotarelli 等[6,7]發(fā)現(xiàn)滴灌能顯著提高氮肥利用效率，且滴灌條件下，番茄植株根系總量顯著高于畦灌，為節(jié)水增產(chǎn)提供了可能[8]。目前，為解決好田間節(jié)水“最后一公里”問(wèn)題，河套灌區(qū)以井渠結(jié)合為基礎(chǔ)，在井灌區(qū)采用膜下滴灌，渠灌區(qū)采用黃河水地面灌溉的灌排模式正在初步進(jìn)行嘗試，灌區(qū)內(nèi)黃河水畦灌、地下水畦灌和地下水滴灌三種灌溉模式并存。本文對(duì)比分析灌區(qū)內(nèi)3種灌溉模式對(duì)玉米生長(zhǎng)與氮肥利用率的影響，從而為灌區(qū)大面積推廣膜下滴灌水肥一體化技術(shù)提供理論依據(jù)以及數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村九莊農(nóng)業(yè)合作社(107°18′E，40°41′N)。該地深處內(nèi)陸，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，多年年均降水量140 mm，平均氣溫6.8 ℃，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，多年日照時(shí)間平均值為3 229.9 h，是我國(guó)日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)的地區(qū)之一。光、熱、水同期，無(wú)霜期為130 d左右，適宜于農(nóng)作物生長(zhǎng)。

試驗(yàn)區(qū)以粉砂壤土為主，土壤平均密度為1.39 g/cm3，土壤全氮量、全磷量、全鉀量(質(zhì)量比)分別為0.093%、0.07%、1.60%、有機(jī)質(zhì)1.2%，pH為7.6。試驗(yàn)研究區(qū)灌溉所用地下水礦化度1.07 g/L，灌溉所用黃河水礦化度0.6～0.8 g/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按灌水模式分為地下水畦灌(J)、黃河水畦灌(H)以及地下水滴灌(D)3個(gè)處理，為計(jì)算氮肥利用率每個(gè)灌水處理設(shè)置兩組施肥處理，即常規(guī)施肥與不施肥處理，共6個(gè)處理，各處理小區(qū)面積為90 m2，設(shè)2組重復(fù)。各處理灌水施肥制度如圖1所示，H、J追肥量以及時(shí)間一致。H、J、D生育期灌水定額為1 500、1 200、225 m3/hm2，施肥(N、P2O5、K2O)總量分別為555、555、472.5 kg/hm2，其中基施氮、磷和鉀肥量分別為尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 16%、P2O544%)和硫酸鉀(K2O 50%)，其余均是隨水追施尿素。

本試驗(yàn)選用玉米為供試作物，品種為西蒙六號(hào)，生育期為2015年5月4日-9月25日，144 d。其中玉米采用一膜兩行種植方式，膜寬1.2 m,株距為25 cm，行距為60 cm, 種植密度為66 000株/hm2。

試驗(yàn)所用滴灌施肥設(shè)備為小型文丘里施肥器，滴灌帶為上海華維生產(chǎn)的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，管徑16 mm，滴頭流量為2.7 L/h，滴頭間距為0.3 m。

圖1 3種灌溉模式下的灌水施肥量

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

分別于玉米的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段[六葉期(V6)、八葉期(V8)、十葉期(V10)、十二葉期(V12)、十五葉期(V15)、抽穗期(VT)]和生殖生長(zhǎng)階段[吐絲期(R1)、乳熟期(R3)、完熟期(R5)]對(duì)玉米的株高、葉面積進(jìn)行測(cè)定。其中玉米株高的測(cè)定方法為：未抽穗之前量地面到葉片自然伸展時(shí)的最高處，抽雄后量地面到雄穗頂端的高度。玉米葉面積指數(shù)采用AccuPAR LP-80型植物冠層分析儀進(jìn)行測(cè)定。

于V6、V8、V12、VT、R2、R5在3個(gè)灌水模式處理小區(qū)中隨機(jī)選取5株玉米，稱鮮質(zhì)量后放入烘箱，在105 ℃殺青30 min，然后于75 ℃烘至恒質(zhì)量。

將收獲期玉米干樣粉碎后，過(guò) 0.5 mm篩，用 H2SO4-H2O2消煮，消煮液用于養(yǎng)分的測(cè)定[9]，全氮含量用分光光度計(jì)測(cè)定。

在玉米生理成熟期進(jìn)行考種、測(cè)產(chǎn)。具體方法為：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3行，每行隨機(jī)取5個(gè)穗測(cè)定行數(shù)、行粒數(shù)，曬干、打粒；從收獲的玉米籽粒中取3次重復(fù)，每次重復(fù)100粒，稱量百粒重。與此同時(shí)，從每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取5株玉米，將地上部分殺青、烘干至恒重，測(cè)定干物質(zhì)量。

氮肥利用率相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算公式[10]：

氮肥回收利用率(NRE)=(施氮區(qū)氮積累量-無(wú)氮區(qū)氮積累量)/ 肥料投入量×100%

氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)=籽粒產(chǎn)量/肥料投入量

農(nóng)學(xué)效率(NAE)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-無(wú)氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/肥料投入量

植株吸氮量=干物質(zhì)重×植株地上部氮含量

收獲指數(shù)(HI)= 籽粒產(chǎn)量/成熟期植株積累量

氮收獲指數(shù)(NHI)=籽粒氮積累量/植株氮素積累量

干物質(zhì)積累過(guò)程的擬合：以播種后天數(shù)(t)為自變量，以播種后 0、24、33、52、78、114和139 d單株地上部分干重為因變量(W)，用Richards方程對(duì)干物質(zhì)累積過(guò)程進(jìn)行模擬[11-12]：

W=A(1+Be-Ct)-1/D

(當(dāng)D=1時(shí)，為L(zhǎng)ogistic方程)

式中：A為玉米最終產(chǎn)量；B、D為方程曲線定型參數(shù)；C為生長(zhǎng)速率參數(shù)。

干物質(zhì)積累速率最大時(shí)的日期：

Tmax=(lnB-lnD)/C

干物質(zhì)積累速率最大時(shí)的生長(zhǎng)量：

Wmax=A(D+1)-1/D

最大干物質(zhì)積累速率：

Gmax=(CWmax/D)[1-(Wmax/A)D]

生長(zhǎng)活躍期(大約完成總積累量的90%) ：

P=2(D+2)/C

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel進(jìn)行作圖分析；采用MATLAB 7.0對(duì)Richards方程進(jìn)行擬合；利用SPSS 16.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同灌溉方式對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響

2.1.1不同灌溉方式下玉米株高變化規(guī)律

玉米株高在生育期內(nèi)的變化動(dòng)態(tài)如圖2所示，玉米株高隨生育期推進(jìn)呈“S”型曲線變化。苗期由于植株較小，對(duì)水分以及養(yǎng)分的需求量相對(duì)也比較小，各處理的株高長(zhǎng)勢(shì)狀況差異不大，隨著玉米生長(zhǎng)，對(duì)水分以及養(yǎng)分的需求越來(lái)越大，因此從拔節(jié)期開(kāi)始，各處理株高差異逐漸明顯，表現(xiàn)為：D>J>H。各處理在吐絲期(R1)達(dá)到最大，隨后緩慢降低。從整個(gè)生育期來(lái)看，3種灌溉模式下的玉米株高均為D處理最大。

2.1.2不同灌溉方式下玉米葉面積指數(shù)變化規(guī)律

圖2 不同灌溉模式下生育期玉米變化規(guī)律

圖3 不同灌溉模式下生育期玉米LAI變化規(guī)律

圖3給出了3種灌溉模式下玉米葉面積指數(shù)在生育期的動(dòng)態(tài)變化。如圖所示，玉米葉面積指數(shù)隨生育期推進(jìn)呈“單峰型”曲線，拔節(jié)期(V6～V12)葉面積指數(shù)上升迅速且幅度較大，在吐絲期(R1)達(dá)到最大值，D、J、H三個(gè)處理下的LAI分別為：7.14、6.37、6.05，D處理下LAI較J、H處理分別高12.09%、18.01%；吐絲期(R1)后LAI下降速率先慢后快，表現(xiàn)為：H>J>D，D處理葉面積指數(shù)后期下降速率最慢，保持葉片綠色時(shí)間最久，促進(jìn)了后期籽粒灌漿，從而提高籽粒產(chǎn)量。

2.1.3不同灌溉方式下玉米的干物質(zhì)累積過(guò)程

用 Richards 曲線擬合玉米干物質(zhì)隨時(shí)間的變化過(guò)程，結(jié)果如表1。 D、J、H三種灌溉模式下生長(zhǎng)活躍期天數(shù)分別為：107.18、96.42、94.68 d，最大生長(zhǎng)量分別為485.18、433.20、354.29 g/株。表明采用地下水滴灌能顯著延長(zhǎng)玉米干物質(zhì)累積時(shí)間，從而提高干物質(zhì)量。由圖4可以看出地下水滴灌處理下的干物質(zhì)量在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中都明顯大于另外兩個(gè)地面灌水處理，地下水畦灌處理在生長(zhǎng)后期才明顯大于黃河水畦灌處理，表明灌水方式及灌水水源都對(duì)干物質(zhì)累積有一定的影響。

表1 不同灌水模式下干物質(zhì)積累曲線參數(shù)和特征量

注：R2為決定系數(shù)；A為終極生長(zhǎng)量；B為初值參數(shù)；C為生長(zhǎng)速率參數(shù)。

圖4 不同灌水模式下干物質(zhì)累積曲線

3種灌溉模式(D、J、H)達(dá)到最大積累速率所需的天數(shù)之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，這表明在滴灌按作物需水需肥量適量的供應(yīng)條件下玉米可以較快達(dá)到干物質(zhì)積累的最大速率。對(duì)比H、J處理，由于地下水水溫較低，灌水定額較大，不利于溫度的累積，所以會(huì)對(duì)Tmax所需天數(shù)較長(zhǎng)。

2.2 不同灌溉方式下產(chǎn)量構(gòu)成因素分析

玉米的產(chǎn)量及構(gòu)成因子如表2。各處理產(chǎn)量表現(xiàn)為D>J>H。在相同灌溉水源條件下，由于滴灌灌水定額較少，灌水頻率較高，整個(gè)生育期內(nèi)在作物主根吸層水分供應(yīng)充足，與地下水畦灌處理相比較，滴灌條件下的玉米產(chǎn)量提高11.68%。在相同灌溉方式，不同水源條件下，由于黃灌灌水依據(jù)黃河水來(lái)水時(shí)間而定，與井灌相比，灌水定額過(guò)大，不能維持根區(qū)土壤貯水量水平，因此與井灌處理相比，黃灌下的玉米產(chǎn)量減少3.43%。對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因子進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，在相同灌溉水源條件下，不同灌水方式對(duì)玉米的穗行數(shù)、行粒數(shù)影響并不顯著，對(duì)百粒重以及干物質(zhì)量的影響顯著；在相同灌水方式，不同灌溉水水源對(duì)玉米的各產(chǎn)量構(gòu)成因素影響均顯著。在灌溉水水源相同的條件下，不同灌水方式對(duì)籽粒干物質(zhì)積累的影響大于對(duì)籽粒數(shù)量形成的影響；在灌溉方式相同條件下，灌溉水水源對(duì)其產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成因子影響顯著。

表2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素分析

2.3 不同灌溉方式下氮素吸收以及氮肥利用率

如表3所示，受施氮量的影響，滴灌條件下成熟期玉米植株吸氮量小于地面灌處理。但就氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力以及農(nóng)學(xué)利用率方面，與地面灌處理相比，滴灌處理下差異均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，說(shuō)明采用滴灌的“少量多次”的灌水方法可有效提高氮肥利用率，從而提高作物產(chǎn)量。

從表4中可以看出，與H、J相比，在滴灌條件下，其籽粒產(chǎn)量以及籽粒含氮量較地面灌處理達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，且成熟期秸稈含氮量小于井灌處理，表明滴灌條件下玉米植株?duì)I養(yǎng)器官的氮素累積量所占總累積量的比例較少，能夠促進(jìn)氮素從營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)移。

氮收獲指數(shù)反映成熟期氮素在籽粒和營(yíng)養(yǎng)器官中的分配狀況，3種灌溉方式下的NHI大小表現(xiàn)為：D>J>H。結(jié)合表3與表4進(jìn)行分析，說(shuō)明采用滴灌灌溉方式提高了對(duì)肥料氮的回收效率和增加肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量，促進(jìn)了玉米對(duì)氮肥的吸收利用及向籽粒的分配，能協(xié)調(diào)玉米籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系，獲得高產(chǎn)高效。

表3 不同灌水模式對(duì)氮肥利用率的影響分析

表4 不同灌水模式對(duì)氮素在玉米植株內(nèi)分配的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)3種灌溉模式下作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量、氮素利用率進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

(1)不同灌溉模式下玉米生育期內(nèi)株高以及葉面積指數(shù)變化分別呈“S”型曲線與“單峰型”曲線，其值均表現(xiàn)為：D>J>H。對(duì)玉米干物質(zhì)積累量采用Richards方程進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)，玉米干物質(zhì)累積受灌水水源及灌水方式的影響：與地面灌處理相比，采用地下水滴灌能顯著提高干物質(zhì)積累的最大速率，縮短達(dá)到最大生長(zhǎng)速率的時(shí)間(Tmax)，延長(zhǎng)生長(zhǎng)活躍期，提高干物質(zhì)累積量；不同灌水方式對(duì)籽粒干物質(zhì)積累的影響大于對(duì)籽粒數(shù)量形成的影響，不同灌溉水水源對(duì)其產(chǎn)量構(gòu)成因子影響顯著。

(2)河套灌區(qū)膜下滴灌較地下水畦灌、黃河水畦灌顯著提高玉米產(chǎn)量11.68%，15.60%，氮肥利用率提高41.03%、77.19%。滴灌通過(guò)其“少量多次”的灌水施肥方式提高了氮的回收效率，增加肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量，促進(jìn)玉米對(duì)氮肥的吸收利用及向籽粒的分配，有效協(xié)調(diào)玉米籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系。

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