廖薇, 何軍,2, 王平章, 賀天忠, 馬煜, 胡小梅, 鄭傳飛

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.湖北省漳河工程管理局,湖北 荊門 448156)

近年來,隨著全球氣候條件的變化,我國汛期多地大面積出現澇災[1]。排水可排除農田多余澇漬水,為作物生長和田間管理提供適宜的土壤含水量。傳統(tǒng)的明溝排水技術(自由排水)為提高我國的澇漬田間生產力和糧食產量做出了巨大貢獻[2]。隨著氣候變化與環(huán)境問題的突出,這種傳統(tǒng)排水技術逐漸暴露出過度排水、加劇氮磷排放流失以及農業(yè)面源污染等問題[3-4]?？焖俅罅颗懦鰸?、漬水的傳統(tǒng)設計思路造成了排水工程的過度排水,尤其對于旱澇交替出現地區(qū),加劇了干旱時的缺水危害,導致農作物減產及更多的氮磷流失[5-6]。

鑒于上述情況,目前,國內外有關農田控制排水技術成為研究熱點,控制排水對提高作物產量[7]、改善排水水質[8]、減少農田排水水量和氮磷流失[9]等具有不同程度的作用。黃志強等[10]、袁念念等[11]的研究表明,控制排水條件下的氮素流失要比自由排水條件下的氮素流失少,總排水量減少50%以上。金鳳生[12]開展了連續(xù)4年控制排水條件下作物產量及氮損失的研究,相較傳統(tǒng)自由排水,控制排水條件下平均流量下降21%,大豆平均增產8%。徐茵等[13]、WESSTR?M I等[14]、楊琳等[15]的研究結果也表明在其他條件適宜的情況下,控制排水處理可以促使作物高產和穩(wěn)產。不過上述研究多側重于控制排水條件下的氮素流失規(guī)律及對產量影響的研究,對旱作物氮磷吸收利用效率方面的研究尚不多。

為探究控制排水對黃豆氮磷吸收和其產量的影響,本文選取我國南方典型農作區(qū)湖北省漳河灌區(qū)開展試驗研究,以代表性旱作物黃豆為研究對象,在不同深度暗管控制排水條件下采集黃熟期植株樣,測產并分析氮磷吸收利用效率,以期為南方旱作物控制排水模式優(yōu)化提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況和試驗設計

選取我國長江中游典型農作區(qū)湖北省漳河灌區(qū)為研究區(qū)域。灌區(qū)設計灌溉面積17.4萬hm2,處于湖北省中部,地形起伏不定,山區(qū)、丘陵、平原、湖區(qū)等地形兼具,優(yōu)勢兼得;四季分明,常年氣候溫暖,年無霜期260 d;年平均氣溫16.0 ℃,最高月平均氣溫27.7 ℃,最低月平均氣溫3.9 ℃;年降雨量700～1 100 mm,多年平均年降雨量947 mm;年平均蒸發(fā)量(20 cm蒸發(fā)皿)1 300～1 800 mm;為典型的南方丘陵地帶氣候條件。該區(qū)是我國重要的棉糧生產基地[16]。該區(qū)域耕層土壤以黃棕壤土為主,質地黏重,有機質含量相對較低,pH值為6.8～7.2(水土比1∶1),土壤孔隙率為45.5%、容重為1.33～1.44 g/cm3。2019年和2020年連續(xù)2年在位于灌區(qū)內的湖北省灌溉試驗中心站(東經112°05′16″、北緯30°54′15″)對黃豆生育期(5—9月)開展試驗研究,這2年供試黃豆品種均為當地大面積推廣種植的中黃36,種植行距50 cm、株距30 cm。

根據規(guī)范[17-18],試驗小區(qū)尺寸設計為6.0 m×12.5 m。3種排水處理分別為自由排水(Free Drainage,FD)、定水位排水(Fixed Water Level, FL)和變水位排水(Changed Water Level,CL)。暗管控制水位太高會嚴重影響降水和灌溉水入滲,加大地表土壤中養(yǎng)分的流失[10],因此,文中控制排水設置的暗管最低埋深為0.4 m?？紤]到當地地下水位的情況及作物根系隨生育期的生長變化,結合柏菊等[19]、顧雨田等[20]的研究,設計大豆在地下水埋深分別為0.4 m、0.6 m、0.8 m時,大豆吸收水分量和地下水利用率較高。其中,自由排水為傳統(tǒng)的排水技術,控制水位為1.2 m,為對照水位;定水位排水處理的控制水位設為0.6 m;變水位排水處理的控制水位設定為不同的變化水位,該變化水位的范圍為0.4～0.8 m。各排水處理條件下不同生育期地下水位控制變化情況見表1。每種排水處理條件重復3次并隨機布置到9個試驗小區(qū),試驗小區(qū)平面布置如圖1所示。圖1中從右到左依次為小區(qū)1、2、…、9,其中小區(qū)1、5、8為自由排水,小區(qū)3、6、9為定水位排水,小區(qū)2、4、7為變水位排水。參考當地習慣,肥料采用總養(yǎng)分(N∶P2O5∶K2O=14∶16∶15)≥45%的復合肥,每畝50.0 kg的復合肥一次性作底肥施入耕作層。

圖1 試驗小區(qū)平面布置示意圖(單位:cm)

表1 黃豆各生育期暗管出口處水位控制深度 m

每個試驗小區(qū)沿長邊在1.2 m深處居中埋設Φ50 mm PVC排水暗管(含外包料),在排水管出口處安裝水位調控裝置,如圖2所示。為防止各試驗小區(qū)間發(fā)生水分交換,小區(qū)四周設置2.0 m深的混凝土襯砌磚混結構防水墻。

圖2 地下水水位調控裝置現場照片

1.2 試驗數據的獲取

黃豆鼓粒成熟后,在每個試驗小區(qū)取10穴植株,將葉、莖、梢、果分開,置于烘箱中經105 ℃殺青0.5 h后,再80 ℃烘干至恒重后稱重。作物產量待全部收獲風干脫粒后進行稱取。對于植株氮、磷吸收利用量,通過對整個成熟植株葉、莖、梢、果碾磨過0.15 mm篩,采用H2SO4-H2O2法進行全氮、全磷分析。植株TP測定方法參考《植株全磷含量測定鉬銻抗比色法》(NY/T 2421—2013),TN測定方法參考《植株全氮含量測定自動定氮儀法》(NY/T 2419—2013)。

1.3 評價指標

選取常用的氮肥偏生產力(Nitrogen Fertilizer Partial Productivity,NFPP)、磷肥偏生產力(Phosphate Fertilizer Partial Productivity,PFPP)、氮素收獲指數(Nitrogen Harvest Index,NHI)、磷素收獲指數(Phosphorus Harvest Index,PHI)來評價不同排水處理條件下黃豆對氮和磷的吸收利用情況。具體計算式如下:

氮肥偏生產力(NFPP)=籽粒產量÷施氮量;

磷肥偏生產力(PFPP)=籽粒產量÷施磷量;

氮素收獲指數(NHI)=籽粒含氮量÷植株地上部含氮量×100%;

磷素收獲指數(PHI)=籽粒含磷量÷植株地上部含磷量×100%。

數據采用軟件Microsoft EXCEL 2010和SPSS 25進行統(tǒng)計分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 黃豆生育期內的平均溫度和降雨量

2019年黃豆全生育期為5月28日至9月23日,2020年黃豆全生育期為5月27日至9月24日。圖3和圖4分別為2019年和2020年黃豆生育期內的平均溫度和降雨量的變化趨勢圖,圖中的氣象數據來源于湖北省灌溉試驗中心站氣象觀測園。2019年,黃豆全生育期內(共119 d)的降雨量為392.7 mm,積溫為3 185.8 ℃,日均溫度為26.77 ℃;2020年,黃豆全生育期內(共121 d)的降雨量為827.1 mm,積溫為3 140.10 ℃,日均溫度為25.95 ℃。從圖3和圖4對比中可以看出,這兩年的黃豆生育期內降雨量和平均溫度存在差異,2020年的降雨量比2019年的多110.6%,2019年黃豆生育期內的日均溫度要比2020年的高出0.82 ℃。

圖3 2019年黃豆生育期內逐日平均溫度和降雨量變化趨勢

圖4 2020年黃豆生育期內逐日平均溫度和降雨量變化趨勢

為了更好地反映出2019年和2020年黃豆生育期內降雨量及溫度的變化情況,利用統(tǒng)計參數變差系數Cv和偏態(tài)系數Cs來進行分析。變差系數Cv和偏態(tài)系數Cs具體計算結果見表2。

表2 2019年和2020年黃豆生育期內降雨量和平均溫度統(tǒng)計分析結果

由表2可看出:

1)對于降雨量,2019年的變差系數Cv要大于2020年的,這兩年的偏態(tài)系數Cs相差不大,都大于0,表明2019年黃豆生育期內的降雨量相對變化較大,而2020年的變化相對較小,這兩年在黃豆生育期內大于日均降雨量的天數要比小于日均降雨量的天數多。

2)對于平均溫度,2019年和2020年這兩年黃豆生育期內的變差系數Cv相等,偏態(tài)系數Cs均小于0,這兩年在黃豆生育期內大于日均溫度的天數要比小于日均溫度的天數少。

總體來看,2019年黃豆生育期經歷2次強降雨,2020年黃豆生育期經歷4次強降雨,在黃豆生育期試驗小區(qū)澇水嚴重,以至于采用不同排水處理短期內的效果無差異,而黃豆其余生育期不同排水處理結果的差異處于正常范圍。

2.2 不同排水條件下黃豆產量

圖5為2019年和2020年不同控制排水處理條件下黃豆產量情況,圖5中不同字母表示差異性顯著情況(顯著性水平P<0.05,ANOVA檢驗),下文同。由圖5知:2019年定水位(FL)排水處理條件下的黃豆產量最高,為1 795.5 kg/hm2,比自由排水(FD)處理條件下和變水位(CL)處理條件下的黃豆產量分別高1.0%和13.1%;2020年同樣是定水位(FL)排水處理條件下的黃豆產量最高,為2 118.2 kg/hm2,比自由排水(FD)處理條件和變水位(CL)排水處理條件下的分別多344.4 kg/hm2、369.8 kg/hm2,分別高出了19.4%和21.2%。對于3種排水處理模式,定水位排水處理條件下黃豆產量明顯大于自由排水和變水位排水處理條件下的,由此可知,采取定水位排水處理模式對黃豆的增產效果優(yōu)于傳統(tǒng)的自由排水模式。

圖5 2019年和2020年不同排水處理條件下的黃豆產量對比

進一步對比分析圖5中3種排水處理條件下的效果可知: 2019年和2020年FD處理條件下的黃豆產量相近,2019年的黃豆產量在FL處理條件下的僅比FD處理條件下的高18.5 kg/hm2,而2020年的黃豆產量在FL處理條件下的卻比FD處理條件下的高344.4 kg/hm2。這可能是2019年黃豆生育期內的氣候干旱導致的。長江流域的夏大豆生育期內降雨量平均為800～1 000 mm[21],2019年黃豆生育期內的降雨量為392.7 mm,遠小于長江流域夏大豆生育期內的平均降雨量值。

結合圖3、圖4及表2分析知:相比2020年,2019年黃豆生育期內的氣候明顯更干旱,降雨量少且平均溫度更高;從變差系數Cv和偏態(tài)系數Cs結果來看,2019年黃豆生育期內的降雨量變化較大,且2019年黃豆生育期內大于日均降雨量的天數少于2020年的。在研究期內,2019年黃豆鼓粒期(8月下旬—9月中旬)連續(xù)兩周沒有降雨,導致土壤干旱沒有排水發(fā)生。黃豆缺乏水分時會影響?zhàn)B分向籽粒轉移,從而影響產量。有研究表明,不同時期的干旱會對黃豆的產量造成不同程度的影響,其中鼓粒期和分枝開花期干旱對黃豆產量影響最大[22-24]。相較于FD排水處理條件,氣候干旱可能對FL排水處理條件下的黃豆產量影響更大,從而出現FL處理條件下和FD處理條件下的黃豆產量差2020年的明顯大于2019年的現象。

湖北省漳河灌區(qū)2019年全年降雨量為667.0 mm,2020年全年降雨量為1 281.2 mm,相較于灌區(qū)的多年平均降雨量947.0 mm來說,2019年是偏干旱的年份,2020年是偏濕潤的年份。結合以上數據可知,不管是在干旱還是濕潤的情況下,定水位排水處理對于黃豆都具有增產效果,且濕潤年份的增產效果要高于干旱年份的,說明定水位排水(埋深0.6 m)模式適用于類似于漳河灌區(qū)旱澇交替的地區(qū)。

2.3 不同排水條件下黃豆植株對氮素的吸收利用

圖6為2019年和2020年不同排水處理條件下黃豆植株氮肥偏生產力(NFPP)情況。由圖6可知:2019年,植株的NFPP在定水位(FL)排水處理條件下達最大值,為7.70 kg/kg,比自由排水(FD)處理條件下和變水位(CL)排水處理條件下的分別高0.08 kg/kg和0.89 kg/kg;2020年,植株的NFPP在定水位(FL)排水處理條件下達最大值,為9.08 kg/kg,比自由排水(FD)處理條件下和變水位(CL)排水處理條件下的分別高1.48 kg/kg、1.59 kg/kg。這表明在相同施氮水平下,定水位排水處理模式比傳統(tǒng)的自由排水處理模式更能提高黃豆植株的氮肥偏生產力,肥料的利用率更高,有利于黃豆植株上果實的產出,以便獲得高產。此結論可與圖5中的黃豆產量的結論互相佐證。

圖6 2019年和2020年不同排水處理條件下的黃豆植株氮肥偏生產力對比

為了更好地評價黃豆植株對氮肥的吸收利用效果,圖7給出2020年不同排水處理條件下黃豆植株氮素收獲指數。2019年因連續(xù)降雨導致植株樣品受潮霉變,數據失真,故沒有采用。由圖7可知,在不同排水處理條件下,黃豆植株2020年的氮素收獲指數(NHI)最高出現在定水位(FL)排水處理條件下,為50.0%,分別比自由排水(FD)處理條件下的和變水位(CL)排水處理條件下的高2.3%和2.8%。這表明,定水位排水處理條件相較于傳統(tǒng)的自由排水處理條件可以更好地促進黃豆對氮素的吸收,使氮素向籽粒轉移以獲得高產。

圖7 2020年不同排水處理條件下的黃豆植株氮素收獲指數情況

2.4 不同排水條件下黃豆植株對磷素的吸收利用

圖8為2019年和2020年不同排水處理條件下黃豆植株的磷肥偏生產力(PFPP)情況。 由圖8可知:2019年,黃豆植株的PFPP在定水位(FL)排水處理條件下達最大值,為15.42 kg/kg,比自由排水(FD)處理和變水位(CL)排水處理條件下的分別高0.16 kg/kg和1.78 kg/kg;2020年,植株的PFPP在定水位(FL)排水處理條件下達最大值,為18.19 kg/kg,比自由排水(FD)處理條件下和變水位(CL)排水處理條件下的分別高2.96 kg/kg和3.17 kg/kg。這表明,在相同施磷水平下,定水位排水處理比自由排水處理更能提高黃豆植株的磷肥偏生產力,肥料的利用率更高,有利于黃豆植株果實的產出,以便獲得高產。此結果可與圖5中關于黃豆產量的結論互相佐證。

圖8 2019年和2020年不同排水處理條件下的黃豆植株磷肥偏生產力情況

圖9為2020年不同排水處理條件下黃豆植株磷素收獲指數(PHI)情況。由圖9可知:在不同排水處理條件下,2020年黃豆植株的磷素收獲指數(PHI)最高值出現在定水位(FL)排水處理條件下,為37.6%,比自由排水(FD)和變水位(CL)排水處理條件下的分別高3.1%和0.7%。這表明,定水位排水處理同樣可以促進黃豆植株對磷素的吸收,使磷素向籽粒轉移而獲得高產。

圖9 2020年不同排水處理條件下的黃豆植株磷素收獲指數情況

結合圖5—9可知:2019年和2020年的黃豆產量在FL處理條件下達到最大,黃豆植株的氮肥偏生產力(NFPP)和磷肥偏生產力(PFPP)也在FL處理條件下達到最大;2020年黃豆植株的氮素收獲指數(NHI)和磷素收獲指數(PHI)也是在FL處理條件下達到最大。表明定水位排水(FL)處理不僅有利于提高黃豆的產量,也可提高黃豆植株的氮、磷肥偏生產力及氮、磷素收獲指數值。相比較于變水位(CL)排水和傳統(tǒng)的自由排水(FD)條件,定水位(FL)排水處理條件下施用肥料的效果更好。

2020年,FD處理條件下的黃豆產量與CL排水處理條件下的相近,但2019年FD處理條件下與CL排水處理條件下的黃豆產量卻相差較大。結合圖3和圖4分析知,2019年黃豆苗期降雨較多,CL排水處理條件下的埋深相對較淺,黃豆植株可能有一定的淹水從而減產。黃豆在苗期吸收土壤中氮和磷等營養(yǎng)物質較少,且CL排水處理條件在苗期時暗管埋深較淺,從排水的角度來看,結合圖7和圖9中的結論,即CL排水處理條件下的氮素收獲指數要低于FD處理條件下的,磷素收獲指數卻高于FD處理條件下的,高水位的地下排水帶走了土壤淺層中的部分氮素及其它營養(yǎng)物質,影響了作物后期對氮素及營養(yǎng)物質的吸收,從而影響黃豆產量。

3 結論

針對我國當前農田過度排水、氮磷流失嚴重等問題,在湖北省漳河灌區(qū)開展了不同排水處理條件下黃豆氮磷吸收利用效率及產量影響的試驗研究,得出結論如下:

1)定水位排水處理(埋深0.6 m)條件下黃豆產量及黃豆植株的氮、磷肥偏生產力最大;2019年和2020年的黃豆產量分別為1 795.5 kg/hm2和 2 118.2 kg/hm2,分別比傳統(tǒng)的自由排水處理條件下的高1.0%和19.4%。2019年和2020年黃豆植株的氮肥偏生產力的值均為最大,分別為7.70 kg/kg和9.08 kg/kg;磷肥偏生產力的值也是最大,分別為15.42 kg/kg和18.19 kg/kg。

2)定水位排水處理(埋深0.6 m)條件下黃豆植株的氮、磷素收獲指數最大,其中2020年的氮素收獲指數為50.0%,比傳統(tǒng)的自由排水處理條件下的高2.3%;磷素收獲指數為37.6%,比傳統(tǒng)的自由排水處理條件下的高3.1%。

總體來看,定水位排水處理可以有效提高黃豆的產量,同時也能提高黃豆植株的氮肥偏生產力(NFPP)和磷肥偏生產力(PFPP)以及氮素收獲指數(NHI)和磷素收獲指數(PHI)。相較于變水位排水處理和傳統(tǒng)的自由排水處理,定水位排水處理(埋深0.6 m)不僅能夠降低農田的過度排水,削弱旱澇交替對作物帶來的不利影響,而且可以有效減少氮和磷的流失,以便增加黃豆產量,相對干旱年份,濕潤年份增產效果更佳。該排水處理模式可作為當前生產條件下漳河灌區(qū)及類似區(qū)域黃豆種植高產高效的推薦排水處理模式。