杜 君 楊占平 魏義長(zhǎng) 楊竹青 雷宏軍 張運(yùn)紅 和愛(ài)玲

(1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450002;2 華北水利水電大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,河南鄭州 450046;3河南省澠池縣陳村鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心,河南澠池 472433)

我國(guó)北方地區(qū)少雨且水資源匱乏,其中農(nóng)業(yè)用水占地下水總開(kāi)采量的78.8%,合理開(kāi)發(fā)利用水資源已成為我國(guó)北方地區(qū)一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略選擇[1-3]。同時(shí),近年來(lái)化肥特別是氮肥的過(guò)量施用,不僅增加了肥料投入,降低了肥料利用率,還導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化,土壤硝態(tài)氮大量淋失,嚴(yán)重污染了地下水及生態(tài)環(huán)境[4]。夏玉米是北方地區(qū)乃至全國(guó)重要的糧食作物,但夏玉米需水量大,而降水與其需水關(guān)鍵期不能完全匹配,生育期內(nèi)干旱脅迫時(shí)有發(fā)生[5]。夏玉米生育期需肥量也大,生產(chǎn)中一般采取種肥同播、一次性溝施的方式,追肥較少[6],容易導(dǎo)致肥料揮發(fā)損失、養(yǎng)分利用效率降低[7]。人工補(bǔ)灌是北方地區(qū)保障作物產(chǎn)量的重要技術(shù)措施,但該區(qū)的灌溉方式一般為大水漫灌,水資源浪費(fèi)異常嚴(yán)重。因此,高效利用有限的水資源并提高肥料利用效率是當(dāng)前夏玉米農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的重大任務(wù)。

從農(nóng)田水肥耦合效應(yīng)引起重視后,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)作物的灌溉與施肥制度進(jìn)行了研究[8-11],但多數(shù)研究是將施肥和灌溉分開(kāi)進(jìn)行處理[12-16],灌溉采用的是漫灌(或小白龍)、滴灌和微噴灌等方式,追肥主要采用撒施土壤表面進(jìn)行灌溉,即隨灌溉施肥,并非灌溉施肥一體化。且關(guān)于水肥一體化或水肥耦合的研究主要集中于灌溉次數(shù)與灌水量及水肥互作對(duì)作物影響產(chǎn)量和水分利用的影響等方面[17-18];關(guān)于滴灌對(duì)作物影響的研究主要集中于節(jié)水、增產(chǎn)和生理等方面[19-23]。本試驗(yàn)利用夏玉米滴灌施肥一體化技術(shù),設(shè)置了滴灌施肥一體化處理,并與常規(guī)漫灌處理對(duì)比,研究不同灌溉方式對(duì)夏玉米水肥利用效率的影響,以期提供適宜在北方潮土區(qū)推廣的高效節(jié)本增收的施肥灌溉模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2015-2018年在河南省原陽(yáng)縣福寧集鎮(zhèn)河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)進(jìn)行,該區(qū)光照充足,熱量資源能滿(mǎn)足小麥-玉米兩熟的需要,但春季降水量較少,夏季雨量過(guò)于集中,全年降水的60%左右集中在7-8月份。試驗(yàn)區(qū)多年(1951-2016年)平均氣候條件見(jiàn)表1。試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型為潮土,其土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

供試玉米品種為當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N:鄭單958。

表1 試驗(yàn)區(qū)多年平均氣候條件Table1 The average climatic conditions in the experimental area

表2 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)Table2 The physiochemical properties of soil in the experimental area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 種植模式 采用行距55 cm、株距30 cm的種植模式,玉米種植密度約60 000株·hm-2,采用玉米播種機(jī)播種,播種后采用一管兩行的鋪設(shè)方式設(shè)滴灌帶,即隔行鋪設(shè)滴灌帶。

1.2.2 滴灌施肥首部系統(tǒng) 供水:水源為地下水,采用無(wú)塔供水,以保證滴灌壓力穩(wěn)定,灌溉均勻。過(guò)濾器:選用離心式過(guò)濾器作一級(jí)過(guò)濾設(shè)備過(guò)濾水中的一般砂石;選用砂石介質(zhì)式過(guò)濾器作二級(jí)過(guò)濾設(shè)備過(guò)濾水中有機(jī)雜質(zhì)和其他雜質(zhì)。施肥器:選用注射泵式施肥器。

1.2.3 肥料選擇 滴灌施肥一體化所用肥料應(yīng)具備養(yǎng)分含量高、水溶性好的特點(diǎn)。肥料的不溶物少,品質(zhì)要好,與灌溉水相互作用小;肥料品種之間能相溶,且相互混合不會(huì)產(chǎn)生沉淀。肥料腐蝕性要小,偏酸性為佳。本試驗(yàn)所用肥料分別為尿素(N,46%)、磷酸二氫銨(N,11.8%;P2O5,61%)、氯化鉀(K2O,60%)、磷酸二氫鉀(P2O5,52.1%;K2O,34.2%)。

1.2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)共設(shè)置12個(gè)處理,見(jiàn)表3。常規(guī)漫灌處理總氮(N)用量為243 kg·hm-2,磷(P2O5) 用量127 kg·hm-2,鉀(K2O) 用量為66 kg·hm-2。其中,氮肥基追比為6∶4,即60%基施,40%于拔節(jié)期撒施并結(jié)合漫灌,磷、鉀肥做基肥,一次施入。滴灌施肥一體化處理化肥總量均減施20%。各處理均適量補(bǔ)充鋅肥(農(nóng)用硫酸鋅)22.5 kg·hm-2。其中,滴灌施肥一體化Ⅰ:氮肥10%基施,90%滴施(即追肥,均以拔節(jié)期∶大喇叭口期∶灌漿期=5∶3∶2);磷肥40%基施,60%滴施;鉀肥10%基施,90%滴施,即氮肥和鉀肥以滴施為主。滴灌施肥一體化Ⅱ:氮肥100%滴施;磷肥20%基施,80%滴施;鉀肥100%滴施,即氮肥和鉀肥全部隨滴灌施肥。另外,缺素處理用于計(jì)算常規(guī)灌溉和滴灌施肥一體化下的肥料利用效率。T1、T2和T3 分別設(shè)3 次重復(fù),每小區(qū)面積55 m2(5.5 m×10 m)隨機(jī)排列,其他處理不設(shè)重復(fù)。其他管理措施各處理一致。

表3 試驗(yàn)處理Table3 Experimental treatment

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植株養(yǎng)分測(cè)定 玉米采用實(shí)收測(cè)產(chǎn),各小區(qū)分別計(jì)產(chǎn)。收獲時(shí)用多點(diǎn)法取植株和籽粒樣品,按常規(guī)分析方法測(cè)定秸稈和籽粒中的全氮、全磷和全鉀含量。植株樣品用硫酸-過(guò)氧化氫消煮,采用凱氏定氮法測(cè)全氮含量,采用鉬銻抗比色法測(cè)全磷含量,采用火焰光度法測(cè)全鉀含量[24]。

1.3.2 土壤含水量 每個(gè)小區(qū)內(nèi)安裝土壤水分傳感器(SWCP4 型,沈陽(yáng)巍圖農(nóng)業(yè)科技有限公司),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)0～20、20～40、40～60、60～100 cm 土層的土壤水分含量。

1.3.3 灌溉時(shí)間和計(jì)量 每個(gè)小區(qū)灌水入口安裝流量計(jì)對(duì)灌水進(jìn)行計(jì)量。

1.3.4 生物產(chǎn)量和考種 在玉米的拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期、成熟期對(duì)每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5株玉米,帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定鮮重和葉面積,然后于105℃殺青30 min,然后75℃烘干至恒重,測(cè)定地上部干物質(zhì)量。在成熟期收獲時(shí)運(yùn)用測(cè)產(chǎn)方法考種,在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取15株玉米,測(cè)定玉米的株高、莖粗、穗長(zhǎng)、穗直徑、穗粒數(shù)、籽粒重量、百粒重。用鋼卷尺測(cè)量株高,用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗,采用百分之一電子天平稱(chēng)重。

根據(jù)公式計(jì)算水分利用效率(water use efficiency,WUE)和肥料利用效率[25]:

式中,GY為產(chǎn)量,kg·hm-2;ET為蒸散量;P為降水量;I為灌溉量;ΔSWS為收獲和播種時(shí)土壤儲(chǔ)水量的變化量;R為地表徑流;D為根系層以下土壤水分的深層下滲量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Mircosoft Office Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用SPSS 17.0 進(jìn)行方差分析,并用多重比較(LSD法)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌施肥一體化對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)的影響

由圖1可知,葉面積指數(shù)在夏玉米整個(gè)生育期呈單峰曲線(xiàn)。拔節(jié)期后,夏玉米生長(zhǎng)快速,葉面積指數(shù)開(kāi)始迅速增加,至吐絲期達(dá)到最高,之后逐漸下降。從大喇叭口期至灌漿期,與T1相比,T3 均能顯著提高夏玉米葉面積指數(shù),以利于夏玉米生物量的積累,而T2 則在大喇叭口期至吐絲期其葉面積指數(shù)與T1之間差異顯著。成熟期時(shí),與T1相比,T2和T3的夏玉米葉面積指數(shù)均無(wú)顯著差異。

圖1 不同生育期夏玉米葉面積指數(shù)Fig.1 Leaf area index of summer maize in the different growth stages

2.2 滴灌施肥一體化對(duì)夏玉米干物質(zhì)的影響

由圖2可知,隨著生育期的延長(zhǎng),夏玉米干物質(zhì)積累量逐漸增加,吐絲期后干物質(zhì)迅速增加。在拔節(jié)期至大喇叭口期,T2和T3的夏玉米干物質(zhì)積累量與T1之間差異均不顯著;吐絲期后T2與T1之間均具有顯著差異,而T2與T3之間差異不顯著;灌漿期至成熟期,T2和T3的夏玉米干物質(zhì)積累量均顯著高于T1。

圖2 不同生育期夏玉米干物質(zhì)積累量Fig.2 Dry matter accumulation of summer maize in the different growth stages

2.3 滴灌施肥一體化模式下夏玉米產(chǎn)量因子構(gòu)成分析

由表4可知,與T1相比,滴灌施肥一體化對(duì)夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因子具有明顯影響,能顯著增加夏玉米的穗粗和穗粒數(shù),一定程度上降低了玉米穗的禿頂長(zhǎng)度,但對(duì)夏玉米百粒重?zé)o顯著效應(yīng)。T2和T3的玉米產(chǎn)量分別較T1顯著提高5.32%和6.13%,而T2與T3無(wú)顯著差異?？傮w上,滴灌施肥一體化處理能顯著提高夏玉米產(chǎn)量。

2.4 滴灌施肥一體化模式下夏玉米水分和肥料利用效率

2.4.1 滴灌施肥一體化下夏玉米水分利用效率 由表5可知,在大田條件下,與T1相比,T2和T3可顯著提高水分利用效率。T2和T3的水分利用效率分別較T1 提高39.42%和36.10%。

2.4.2 滴灌施肥一體化下夏玉米肥料利用效率 由表6～表8可知,與T1相比,T2和T3可顯著提高氮、磷、鉀肥料的利用效率。T2和T3 分別較T1的氮肥利用率提高37.56%和35.29%,磷肥利用率分別提高23.09%和30.30%,鉀肥利用率分別提高106.21%和121.51%。

表4 不同處理下夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因子Table4 The yield component factors of summer maize in different treatments

表5 不同處理下夏玉米的水分利用效率Table5 Water use efficiency of summer maize in different treatments

表6 不同處理下夏玉米的氮肥利用率Table6 Nitrogen use efficiency of summer maize in different treatments

2.5 滴灌施肥一體化模式下夏玉米經(jīng)濟(jì)效益分析

夏玉米種植應(yīng)用滴灌施肥一體化技術(shù),能夠充分提高夏玉米在生長(zhǎng)過(guò)程中的灌溉水和肥料的利用效率,同時(shí)提高夏玉米產(chǎn)量。由表9可知,T1 減少了滴灌帶和施肥裝置的投入,分別較T2、T3的合計(jì)投入節(jié)省了300元·hm-2,但由表10可知,與T1相比,T2、T3不但顯著增加了夏玉米的產(chǎn)量,還顯著提高了玉米生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益,且T2和T3 有效降低了投產(chǎn)比。與T1相比,T2和T3的收益率分別提高了4.17和5.24個(gè)百分點(diǎn)。

表7 不同處理下夏玉米的磷肥利用率Table7 Phosphorus use efficiency of summer maize in different treatments

表8 不同處理下夏玉米的鉀肥利用率Table8 Potassium use efficiency of summer maize in different treatments

表9 不同處理下成本投入核算對(duì)比表Table9 Contrast table of cost calculation in different treatment /(元·hm-2)

表10 不同處理下經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表Table10 Contrast table of economic benefit in different treatment

3 討論

發(fā)展水肥一體化是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、水肥高效利用、生態(tài)環(huán)境安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)措施[26]。采用滴灌施肥一體化的灌溉施肥方式能使該區(qū)有限的水資源得到高效利用,同時(shí),還能有效提高肥料利用效率,減少化肥的施用量。與傳統(tǒng)大水漫灌相比,滴灌施肥一體化根據(jù)土壤水分、養(yǎng)分狀況以及作物水、肥需求特征,借助施肥裝置和灌溉系統(tǒng)通過(guò)滴管帶將水肥溶液滴于作物根部土壤,可在關(guān)鍵生育期精準(zhǔn)控制灌水和施肥量,充分發(fā)揮水肥耦合效應(yīng),提高水肥利用效率,減少養(yǎng)分損失。滴灌施肥一體化實(shí)現(xiàn)了由土壤施肥向植株施肥的轉(zhuǎn)變、水肥分開(kāi)向水肥耦合的轉(zhuǎn)變、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理的轉(zhuǎn)變。滴灌施肥在以色列、美國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已大面積應(yīng)用[27-28],近年來(lái),隨著對(duì)大田作物水肥耦合效應(yīng)愈加重視,我國(guó)大田作物滴灌施肥一體化技術(shù)在補(bǔ)充灌溉區(qū)域得到了一定的應(yīng)用。研究北方夏玉米滴灌施肥一體化的適宜施氮量不僅可以減少環(huán)境污染,還能有效節(jié)約水、氮資源。減少夏玉米基肥施用比例,結(jié)合灌溉多次施肥可有效改善夏玉米養(yǎng)分利用狀況,減少養(yǎng)分損失,顯著提高水肥利用效率和玉米產(chǎn)量[29-30],能很好地解決地方地區(qū)夏玉米傳統(tǒng)灌溉施肥方式的弊端。有研究表明,滴灌施肥與傳統(tǒng)大水漫灌相比可節(jié)水40%,較噴灌節(jié)水30%[31-32],滴灌施肥一體化中氮利用效率可達(dá)75%～80%[26]。本研究結(jié)果也表明,與T1相比,滴灌施肥一體化模式(T2和T3)下水分利用效率提高36.10%～39.42%,氮肥利用率提高37.56%～35.29%,磷肥利用率提高23.09%～30.30%,鉀肥利用率提高106.21%～121.51%。

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐均表明,增施氮磷鉀養(yǎng)分可提高夏玉米光合產(chǎn)物,尤其是氮素,對(duì)提高作物光合產(chǎn)物至關(guān)重要[33-35]。適時(shí)適量的氮素供應(yīng)不僅起到提質(zhì)增效的作用,還能有效減少氮素淋失,對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有一定的意義[36]。在灌溉施肥一體化模式下,肥與水同步耦合,使土壤經(jīng)常處于比較濕潤(rùn)的含水量范圍內(nèi),減少了在干濕交替條件下,土壤對(duì)氮、磷、鉀等養(yǎng)分的固持作用。研究表明,在滴灌條件下,水肥一體多次施用,夏玉米養(yǎng)分吸收均衡、分配合理,干物質(zhì)積累量、氮磷鉀吸收量和產(chǎn)量均顯著高于傳統(tǒng)大水漫灌施肥方式[31-32]。經(jīng)濟(jì)效益是農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體關(guān)注的焦點(diǎn),更是評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn),夏玉米滴灌施肥一體化在提高夏玉米產(chǎn)量的同時(shí),也提高了經(jīng)濟(jì)效益。與T1相比,盡管滴灌施肥一體化增加了滴灌帶和施肥裝置等成本的投入,但T1的灌溉水和肥料用量大。綜上,滴灌施肥一體化能在顯著增加夏玉米的產(chǎn)量的同時(shí),降低投產(chǎn)比,并顯著提高其收益率。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,與T1相比,滴灌施肥一體化能夠顯著提高夏玉米大喇叭口期至吐絲期的葉面積指數(shù)、灌漿期至成熟期的干物質(zhì)積累量以及穗粗和穗粒數(shù),這有利于夏玉米的均衡生長(zhǎng)。同時(shí),與T1相比,滴灌施肥一體化可顯著提高水分利用效率、氮肥利用率、磷肥利用率和鉀肥利用率。與T1相比,雖然滴灌施肥一體化增加了滴灌帶和施肥裝置等成本的投入,但是漫灌的灌溉水和肥料用量大,滴灌施肥一體化在化肥施用量減少20%條件下,能顯著增加夏玉米的產(chǎn)量,降低投產(chǎn)比,顯著提高其收益率。