华北平原滴灌施肥灌溉对冬小麦生长和耗水的影响

白珊珊 万书勤 康跃虎

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室， 北京 100101；2.中国科学院大学资源与环境学院， 北京 100049)

0 引言

华北平原是我国粮食生产的重点区域，该区小麦总产量占全国的1/3，是我国小麦主产区，在保障我国粮食安全中占有重要地位[1]。然而，该区小麦耗水总量450 mm左右，生育期内降水量只有50～150 mm[2-3]，灌溉水需求量大。目前，该地区小麦生产主要是抽取地下水进行地面灌溉。一方面造成了水资源的大量浪费，水分利用效率低，冬小麦的水分利用效率仅为1.2 kg/m3[4]，远低于世界先进水平(1.8 kg/m3)[5]。另一方面，当地农民普遍采用的施肥方式是撒施后大水漫灌，不仅肥料损失量大、利用效率低[6]，而且易造成化肥的深层渗漏，地下水受到污染，造成面源污染[7]。有研究指出，该区域大部地区氮肥利用率仅有20%，通过挥发、淋溶和反硝化的氮素损失率高达14%～45%[8]。因此，采用高效节水灌溉方式，适时、适量满足小麦的水肥需求，提高水肥利用效率，实现增产，对保障华北平原农业可持续发展和粮食安全具有重要作用。

滴灌施肥灌溉在灌溉的同时将肥料随水输送到作物根区，可以适时、适量满足作物的水肥需求[9]。相比传统灌水、施肥方式，滴灌施肥灌溉可显著提高作物的水肥利用效率[10]和产量[11-12]。ARAFA等[13]在埃及进行滴灌和喷灌小麦试验研究，结果表明，滴灌小麦产量比喷灌减少16%～27%，但可节水43%～76%。程裕伟等[14]在新疆发现，滴灌小麦的产量显著高于漫灌小麦，产量增幅为10.89%～18.63%，千粒质量提高了4.47～6.47 g。聂紫瑾等[15]在华北黑龙港地区布置了冬小麦滴灌制度定位试验，结果表明，滴灌量比当地漫灌减少45～105 mm的条件下，也可达到稳产且水分利用效率显著提高。

滴灌因其投入成本较高，在粮食作物上应用相对较少，小麦滴灌的研究也主要集中在干旱的西北地区，在华北平原应用较少。因此，在华北平原地区，有必要制定简单、实用、可操作性强的小麦滴灌施肥灌溉制度。康跃虎[16]多年研究发现，滴灌条件下监控灌水器正下方0.2 m深度土壤水基质势，可以很好地控制大部分作物根系分布层的土壤水分状况，提出了通过监控特征点土壤水基质势的微灌农田水分管理方法。并且发现，对于番茄、黄瓜、马铃薯和萝卜等大部分行栽培经济作物，当灌水器正下方0.2 m深度的土壤基质势控制在-35～-25 kPa范围时，就能获得高产[17-19]。与传统地面灌溉相比，滴灌由于水分运动特点、施肥方式不同，因而养分在土壤中的分布、流失、不同生育期的营养水平均不相同。作物的需肥规律是由其自身的生物学特点决定的，因此，基于此康跃虎等提出了以地面灌溉施肥量为基准，通过田间试验获得滴灌条件下的施肥比例，以此来制定滴灌施肥灌溉制度的“比例法”。汪然等[20]利用滴灌施肥灌溉技术在青海地区种植油菜，布置了5个滴灌施肥灌溉比例(分别为当地油菜施肥量的10%、30%、50%、70%、90%)，结果表明，当施肥比例为当地施肥量的50%左右时，油菜产量最高，肥料偏生产力也较高。万书勤等[21]针对柴达木盆地马铃薯农业生产的需求，布置了5个滴灌施肥灌溉比例(分别为当地马铃薯施肥量的10%、30%、50%、70%、90%)的田间试验，研究发现，随着施肥比例的增加，马铃薯的株高、叶面积、地上生物干质量及产量先增加，当施肥比例为70%时达到最大，之后又随着施肥比例的增大而降低。

本研究以控失肥为底肥，采用滴灌进行灌溉，每次灌溉加入肥料进行随水追肥，探索滴灌施肥灌溉对冬小麦生长指标、产量及其构成要素、耗水量、水分利用效率、灌溉水利用效率和土壤养分分布的影响，以期为华北平原小麦滴灌施肥灌溉技术的应用推广提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013—2014、2014—2015和2015—2016年3个年度冬小麦生育期在中国科学院南皮生态农业试验站(38°00′N，116°40′E，海拔11 m)进行。该地区年平均气温12.3℃，多年平均降水量480 mm，但季节分配不均，多集中在夏秋季，冬春则比较干旱，即冬小麦生长季内降水较少。冬小麦生育期内地下水位一般在1.5～3.0 m。

供试土壤基本理化性质详见表1。试验区土壤0～60 cm为砂质壤土，60～140 cm为粉砂壤土，偏碱性。土壤硝态氮质量比剖面分布不均匀，土壤有机质质量比和速效磷质量比大致沿剖面从上而下逐渐降低，速效钾质量比较高。0～20 cm土壤的基本性状为：有机质质量比为9.6 g/kg，硝态氮质量比为10.3 mg/kg，速效磷质量比为6.4 mg/kg，速效钾质量比为133.2 mg/kg。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil profiles

1.2 试验设计

(1)灌溉制度设计

考虑到华北地区水资源匮乏，并且冬小麦在轻度干旱时根系趋于下扎，可以更有效地吸收和利用深层土壤中的水分。本试验设计对于冬小麦，当灌水器正下方0.2 m深度土壤基质势降低到-40 kPa时，进行滴灌灌溉。每次灌水量8 mm，灌完8 mm水后，如果该点土壤基质势升高到-10 kPa，则停止灌溉，如果仍低于-10 kPa，再灌溉一次(灌水8 mm)。

(2)施肥制度设计

参照当地冬小麦的施肥量和施肥方案：底肥磷酸二铵375 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，在返青-拔节期追施尿素300 kg/hm2，即总施肥量为N 344 kg/hm2、P(P2O5)173 kg/hm2。基于研究团队的试验结果，本试验设计为当地施肥量70%，即N 235 kg/hm2、P(P2O5)118 kg/hm2。其中60%N 和100% P2O5底施控失型磷酸二铵(16-45-0)和尿素，拔节期到收获前20 d采用滴灌施肥灌溉追施尿素(40%N)，每次灌溉前都把按天累计计算好的尿素加入施肥罐中进行施肥灌溉。

1.3 试验布置

供试冬小麦品种为小偃81，平均行距0.15 m，播种量200～225 kg/hm2，机械播种，播种时间为10月12日左右，6月上中旬机械收获。每个小区面积为5.4 m×10 m=54 m2，每个小区9条滴灌带，滴灌带铺设间距为0.6 m(4行小麦)，长度为10 m，重复3次，每个试验处理(包括3个重复)为一个滴灌控制单元，在滴灌控制单元入口安装有闸阀、水表、压力表、网式过滤器和压差式施肥罐。滴灌带的滴头间距0.2 m，滴头流量为1.38 L/h，工作压力控制在0.1 MPa。每个滴灌控制单元的灌溉面积为162 m2。

1.4 试验观测与方法

冬小麦生长指标：从返青期到收获期，每个小区测定10株，每10 d取样测量冬小麦生长指标，包括株高、干物质积累和叶面积指数。

冬小麦产量指标：冬小麦成熟收获时，每个小区随机选择25株考种，包括株高、穗长、结实小穗数、穗粒数和千粒质量等。另分别选取4个1 m×1 m的样方脱粒后进行测产，每个处理的小麦产量均以3次重复的平均值代表实际产量。

冬小麦耗水量利用农田水量平衡方程[22]来计算

ET=I+P±ΔS-D-R

(1)

其中

(2)

式中ψm1——土层深度120 cm处的土壤水基质势，cm

ψm2——土层深度140 cm处的土壤水基质势，cm

z1——土层深度，取120 cm

z2——土层深度，取140 cm

kθ——非饱和土壤导水率，cm/d

Δt——时间步长，d

ET——冬小麦生育期内的耗水量，mm

I——灌水量，mmP——降水量，mm

ΔS——0～140 cm土体内土壤储水量的变化值，mm

R——地表径流，滴灌没有地表径流，所以R忽略不计

D——冬小麦生育期内，通过地下130 cm断面上的水量

D值为正，说明水分从断面130 cm向下运动，为深层渗漏；当D值为负，说明水分向上运动，为地下水补给。

试验布置：在第2个重复小区上，选择比较平坦的地方安装负压计。负压计水平方向在距离滴头0、15、30 cm的位置上，安装深度分别为120 cm和140 cm；每天08:00观测负压计读数，并每隔15 d取土样测定120 cm和140 cm土层负压计埋设点位的土壤含水率。最后利用式(2)计算130 cm土层深度的土壤渗漏量D。

水分利用效率[23]为

(3)

式中WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——产量，kg/hm2

灌溉水利用效率为

(4)

土壤养分测定：土壤硝态氮含量[24]采用氯化钾溶液浸提，紫外分光光度法测定。

1.5 统计分析

采用Excel 2010软件对数据进行记录分类，示意图用OriginPro 9.0和Excel 2010进行绘制。方差分析采用SAS软件ANOVA过程处理，并采用Duncan method进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 降水与灌溉

2013—2016年3年度冬小麦生育期内的降水量如图1所示，灌水量详见表2。2013—2014年冬小麦生育期内，累计降水量达103 mm，但降水量分布极不均匀，冬小麦返青-抽穗期降水量较少，仅为13.9 mm，最大的一次降水量(32.1 mm)发生在5月中旬，此时冬小麦已经进入灌浆后期。2013—2014年冬小麦生育期内灌水272 mm。2014—2015年冬小麦生育期内，累计降水量仅68 mm，降水量分布极不均匀，播种-返青期降水量仅有3 mm，拔节-抽穗期降水量较多，为56 mm，占总降水量的82%。最大的一次降水量(19.7 mm)发生在拔节前期，总生育期内灌水161 mm。2015—2016年冬小麦生育期内累计降水量108.6 mm，播种-返青期降水量较多(75.6 mm)，占总降水量的70%，返青期-拔节期间无降水量，起身期至灌浆盛期降水33 mm，仅占降水量的30%。2016年灌水始于冬小麦拔节期，结束于灌溉期，共灌水144 mm。参考河北省冬小麦生长季多年平均降水量(139.01±24.61)mm[25]，可知2013—2014年和2015—2016年冬小麦生长季的总降水量偏少，而2014—2015年的过少。

图1 2013—2016年3年度小麦生育期内降水量Fig.1 Precipitation during winter wheat growing periods in 2013—2014, 2014—2015 and 2015—2016

年份灌水量/mm灌水次数2013—2014272.0112014—2015161.082015—2016144.07

2.2 冬小麦生长指标

图2 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦株高变化情况Fig.2 Dynamics of plant height of winter wheat in three growing periods

图3 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦生物量积累情况Fig.3 Dynamics of biomass accumulation in three winter wheat growing periods

图2～4分别描述了2013—2014、2014—2015和2015—2016年3年度滴灌施肥灌溉条件下冬小麦株高、干物质量和叶面积指数的变化状况。冬小麦株高的变化也主要发生在拔节期-抽穗开花期，在开花期达到最大，之后趋于稳定。2013—2014年冬小麦的最大株高为77 cm左右，而2014—2015年和2015—2016年冬小麦最大株高均在72 cm左右。滴灌施肥灌溉条件下，冬小麦地上部分干物质量随生育期变化的规律表现为：拔节期前，冬小麦干物质量积累缓慢，而拔节-收获期冬小麦干物质量积累较快。干物质量整个生育期内都处于上升趋势。2013—2014年冬小麦收获时单株干物质量达到2.7 g/株，群体生物量23 943.8 kg/hm2，2014—2015年冬小麦单株干物质量达到2.4 g/株，群体生物量达到16 189.4 kg/hm2，2015—2016年冬小麦单株干物质量达到2.9 g/株，群体生物量达到20 505.1 kg/hm2。

2013—2014、2014—2015和2015—2016年3年度的叶面积指数均表现为从返青期到拔节后期，叶面积指数逐渐增大，此后随着底部叶片开始出现枯萎，无效分蘖逐渐死亡，叶面积指数逐渐减小。2013—2014年从返青期到拔节后期，冬小麦叶面积指数从开始的1.2 m2/m2增长到6.5 m2/m2，此时达到最大，此后叶面积指数逐渐减小，到2014年5月31日仅2.7 m2/m2。2014—2015和2015—2016年冬小麦叶面积指数最大值分别为6.9、6.3 m2/m2。

图4 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦叶面积指数变化情况Fig.4 Dynamics of leaf area index in three winter wheat growing periods

2.3 冬小麦产量及产量构成要素

2013—2014、2014—2015和2015—2016年3年度滴灌施肥灌溉条件下冬小麦产量及产量构成要素详见表3。3年度冬小麦平均产量7 120.5 kg/hm2，表现为2013—2014年产量较高，2014—2015年产量次之，2015—2016年产量最低。相比当地地面灌溉冬小麦产量(6 000 kg/hm2)，在滴灌施肥灌溉条件下，施肥量为当地施肥量的70%时，3年平均冬小麦产量相比当地冬小麦产量提高了18.7%。滴灌施肥灌溉条件下，冬小麦的平均穗粒数为33.3个，千粒质量平均40.5 g，相比地面灌溉条件下穗粒数(30.7个)和千粒质量(36.2 g)有较好的表现，千粒质量平均提高了4.3 g。

表3 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦产量及产量构成要素Tab.3 Grain yields and yield components of winter wheat in three growing periods

注：每列不同小写字母表示在p<0.05水平时差异显著，下同。

2.4 冬小麦耗水量

2013—2014、2014—2015和2015—2016年3年滴灌施肥灌溉条件下冬小麦各生育期耗水量、全生育期耗水量及其各组成比例详见表4～6。2013—2014、2014—2015和2015—2016年各生育期耗水量均表现为抽穗期-收获期耗水量最多，平均为181.6 mm，占总耗水量的比例也最大，平均为45%；拔节期-抽穗期耗水量次之，平均为109.0 mm，占总耗水量的28%；播种期-拔节期耗水量平均102.2 mm，占总耗水量的27%。通过分析各生育期耗水各水分来源所占比例，发现播种期-拔节期降水量所占比例最大(52%)，拔节期-抽穗期灌水量所占比例最大(78%)，而抽穗期-收获期土壤储水量的消耗量所占比例最大(54%)。纵观2013—2014、2014—2015和2015—2016年各生育期的耗水量变化，播种期-拔节期为小麦幼苗期，耗水量占总耗水量27%，拔节期-收获期为小麦的生长盛期，耗水量占总耗水量的73%。

2013—2014、2014—2015和2015—2016年冬小麦全生育期耗水量平均为392.8 mm，其中2013—2014年总耗水量最多，为443.0 mm。2013—2014年由于灌水较多，130 cm土层出现明显的深层渗漏，深层渗漏量为9.3 mm。2014—2015年总耗水量最少，为365.6 mm，130 cm土层出现地下水补给，补给量为28.8 mm。2015—2016年总耗水量369.8 mm，130 cm土层也出现了地下水补给，补给量为6.7 mm。与当地多年冬小麦耗水量(450 mm)相比，3年冬小麦平均耗水量减少了57.2 mm。纵观这3年度冬小麦生育期内总耗水量，2014—2015年冬小麦生长季降水量过少，冬小麦耗水量中地下水的补给量最大，且土体储水量的消耗量也较大。2013—2014年和2015—2016年冬小麦生长季的总降水量相差不大，由于2013—2014年灌水较多，产生深层渗漏，造成水分流失；而2015—2016年土体储水量的消耗量、降水量和灌水量所占比例分别为30%、29%和39%，地下水补给量仅占2%。

3年度冬小麦全生育期耗水量各水分来源所占比例表现为：灌水量所占比例最大，为49%，其次是土体储水量的消耗量，占总耗水量的25%，降水量占总耗水量的24%，地下水补给量占总耗水量的比例最小，仅2%。

表4 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦各生育期耗水量Tab.4 Water consumption of winter wheat at different growth stages in three growing periods

表5 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦全生育期耗水量Tab.5 Total water consumption of winter wheat during whole growth periods in three growing seasons

表6 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦全生育期耗水量各组成比例Tab.6 Percentage of different water sources in total water consumption of winter wheat during whole growth periods in three growing seasons %

2.5 冬小麦水分利用效率和灌溉水利用效率

2013—2014、2014—2015和2015—2016年3年度滴灌施肥灌溉条件下冬小麦水分利用效率和灌溉水利用效率如图5所示。滴灌施肥灌溉条件下，3年度冬小麦水分利用效率表现为：2014—2015年水分利用效率最高，为2.0 kg/m3，其次是2015—2016年，为1.8 kg/m3，2013—2014年水分利用效率最低，仅1.7 kg/m3。3年度冬小麦水分利用效率平均为1.8 kg/m3，相比地面灌溉冬小麦水分利用效率(1.3 kg/m3)提高了38%。

滴灌施肥灌溉条件下，3年度冬小麦灌溉水利用效率表现为：2015—2016年灌溉水利用效率最高，达4.7 kg/m3，其次是2014—2015年，为4.3 kg/m3，2013—2014年灌溉水利用效率最低，仅2.8 kg/m3。3年度冬小麦灌溉水利用效率平均为3.9 kg/m3，比当地地面灌溉的灌溉水利用效率(2.0 kg/m3)提高了95%。

纵观3年度冬小麦水分利用效率和灌溉水利用效率，冬小麦生育期内采用滴灌施肥灌溉，提高灌溉水利用效率95%，并可将水分利用效率提高到1.7～2.0 kg/m3，提高水分利用效率38%。

图5 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦水分利用效率和灌溉水利用效率Fig.5 Water use efficiency and irrigation water use efficiency forwinter wheat with drip fertigation in three growing periods

2.6 土壤养分分布

土壤硝态氮极易溶于水，很少吸附在土壤颗粒上，移动性强，主要随灌溉水在土壤中运动[26-27]。本文主要分析土壤剖面上硝态氮的分布状况，来评价滴灌施肥灌溉条件下土壤养分的分布。2014、2015和2016年冬小麦收获时土壤剖面硝态氮分布状况如图6所示。2013年冬小麦播种前，土壤硝态氮含量表现为0～20 cm较高，平均为10.3 mg/kg，而20～100 cm较低，100～140 cm较高，平均23.4 mg/kg，说明当地地面灌溉的情况下，土壤硝态氮在100～140 cm土层内出现了一定的养分淋失。滴灌施肥灌溉条件下，2014、2015和2016年冬小麦收获时，土壤硝态氮主要分布在0～40 cm土层内，60～140 cm土层的硝态氮含量降低，2016年冬小麦收获时100～140 cm土壤硝态氮含量平均仅为6.3 mg/kg，相比2013年冬小麦播种前降低了73%。可见，滴灌施肥灌溉条件下，养分主要分布在根区，养分利用率高，养分淋失少。

图6 2013—2016年3年度滴灌施肥灌溉冬小麦收获时土壤硝态氮含量分布状况Fig.6 Distribution of soil nitrate nitrogen for winter wheat with drip fertigation in three growing periods

3 结论

(1)滴灌施肥灌溉条件下，当施肥量为当地施肥量的70%时，2013—2014、2014—2015和2015—2016年冬小麦平均产量为7 120.5 kg/hm2，相比当地产量(6 000 kg/hm2)提高了18.7%；滴灌施肥灌溉条件下，冬小麦穗粒数和千粒质量表现较好。

(2)滴灌施肥灌溉条件下，2013—2014、2014—2015和2015—2016年冬小麦全生育期耗水量平均为392.8 mm。播种-拔节期为小麦幼苗期，耗水量占总耗水量27%，其中降水量所占比例最大(52%)；拔节-收获期为小麦的生长盛期，耗水量占总耗水量的73%，其中拔节期-抽穗期灌水量所占比例最大(78%)，而抽穗期-收获期土壤储水量的消耗量所占比例最大(54%)。与当地多年冬小麦耗水量(450 mm)相比，3年冬小麦平均耗水量减少了57.2 mm。3年度冬小麦全生育期耗水量各组成所占比例表现为：灌水量所占比例最大，为49%，其次是土体储水量的消耗量，占总耗水量的25%，降水量占总耗水量的24%，地下水补给量占总耗水量的比例最小，仅2%。冬小麦生育期内采用滴灌施肥灌溉，3年冬小麦灌溉水利用效率平均3.9 kg/m3，比当地地面灌溉的灌溉水利用效率(2.0 kg/m3)提高了95%。3年冬小麦水分利用效率平均为1.8 kg/m3，比当地地面灌溉下水分利用效率(1.3 kg/m3)提高了38%。

(3)滴灌施肥灌溉条件下，养分主要分布在根区0～40 cm土层内，60～140 cm土层的硝态氮含量降低，2016年冬小麦收获时100～140 cm土壤硝态氮含量相比2013年冬小麦播种前降低了73%，养分利用率高，养分淋失少。

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