膜下滴灌水肥调控对玉米生长和水肥利用的影响

2018-10-25陈东峰张富仓邹海洋郭金金张嘉敏

干旱地区农业研究 2018年5期

陈东峰，罗朋，张富仓，邹海洋，郭金金，郑静，闻磊，张嘉敏

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100； 3.山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002)

玉米是涵盖食用、饲料、经济、能源多种功能的作物，占中国粮食种植面积的1/4[1],在西北地区粮食生产中占有很重要的地位。水和肥是玉米生长必不可缺的两因素，合理的灌水施肥可以促进作物生长发育，提高作物产量[2]，但实际农作生产中，为了追求粮食高产，普遍存在过量灌水和施肥，不仅造成水、肥浪费，降低水肥利用率，还可使土壤中的无机养分如硝态氮、铵态氮累积并淋溶至地下水，造成农业面源污染[3]。因此，研究合理的水肥调控措施，不仅对提高农田水肥利用效率有重要作用，还对改善农田环境有重要意义。近些年来，水肥互作效应及其对作物生长的影响已被众多学者所共识，并有大量的研究文献所报道。研究表明，施氮量在一定的范围内与小麦千粒重和产量及玉米百粒重和产量呈正相关，且能有效提高作物水分利用效率[4-6]；充分的水、氮供应能显著提高玉米营养器官的干物质累积，且主要增加叶部位干物质的累积[7,8]；地面灌溉条件下，氮肥和钾肥耦合对夏玉米叶面积指数有显著影响，其中灌水作用>施氮作用>施钾作用，对籽粒、苞叶、穗轴、茎杆、叶等器官均有显著影响[9]；水氮耦合下的灌溉水分生产效率随施氮量增加而增加，滴灌条件下灌水和施氮可达到产量和水氮利用效率同步提高的目的[10]；滴灌水氮耦合下分次追肥对大蒜增产效果显著[11]，肥料100%滴施下的玉米产量和灌溉水利用效率最高[12]。

山西汾河灌区是山西省最大的自流灌区，是山西省主要的粮食产地之一[13]，玉米是该地区主要的粮食作物[14]。近年来，汾河灌区春玉米灌溉定额高达360 mm[15]，春玉米单位面积施氮肥和磷肥(折纯量)分别是253 kg·hm-2和105 kg·hm-2，远远超过国际上为防止水体污染而设置的225 kg·hm-2的安全上限[16]。近年来，水肥一体化灌溉施肥技术的发展，为作物的高效水肥管理提供技术支撑，但在该地区缺乏滴灌施肥条件下不同水肥供应对玉米生长和水肥利用的影响的研究报道，特别是缺乏玉米在灌溉施肥条件下水分养分管理技术。在山西汾河灌区的氮磷钾肥配施对春玉米生长、产量和水肥利用效率的影响还鲜有报道。本试验利用覆膜和滴灌施肥相结合的技术，研究不同灌水施肥调控措施对山西汾河灌区春玉米生长、干物质累积分配、产量和水肥利用效率的影响，为汾河灌区春玉米实施精确的滴灌施肥管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2016年4-9月在山西省水利水电科学研究院节水高效示范基地(112°33′E，37°44′N)进行。试验地海拔775.4m，属温暖带大陆性半干旱气候，四季分明、光热资源丰富。年均气温9.6℃，无霜期170天，年均日照时数2 675.8 h，多年平均降雨量430 mm，年均蒸发量1 812.7 mm。试验地土壤质地为粘壤土，耕层土壤容重为1.39 g·cm-3，田间体积持水量为34.0%。供试玉米为“先玉335”，试验肥料采用尿素(N 46.4%)和史丹利复合肥(N-P2O5-K2O 18%-18%-18%)配比使用，采用施肥泵施肥。地膜选用聚乙烯塑料薄膜，厚0.008 mm，宽0.8 m。采用内镶式圆柱滴头滴灌带，内径8 mm，滴头间距30 cm，滴头流量为2 L·h-1，滴灌带布设在窄行中间。

1.2 试验设计

设置滴灌灌水和施肥两因素，灌水以作物蒸发蒸腾量ETc为基础，施肥以前期调查获得当地施肥量(N-P2O5-K2O，240-100-100(kg·hm-2))为基础。两因素各设置3个水平：即低水(W1:60%ETc)、中水(W2:80%ETc)和高水(W3:100%ETc)；低肥(F1：N-P2O5-K2O，100-50-50(kg·hm-2))、中肥(F2：N-P2O5-K2O，170-75-75(kg·hm-2))、高肥(F3：N-P2O5-K2O，240-100-100(kg·hm-2))，共9个处理，3次重复，共27个小区。作物蒸发蒸腾量ETc=Kc×ETo，ETo为参考作物蒸发蒸腾量，Kc为作物系数，依据2005-2015过去10年气象数据按Penman Monteith 修正公式计算[17]，然后取均值。Kc前期取0.7(苗期～拔节期)，中期取1.2(吐丝期～灌浆期)，后期取0.6(乳熟期)[18]。试验小区面积为7 m×5 m=35 m2，宽窄行种植，窄行40 cm，宽行85 cm，株距28 cm，种植密度为59 445株·hm-2，4月23日播种，9月24日收获。从苗期开始每10天灌水一次，W1、W2和W3总灌水量分别为158.41 mm、211.22 mm和264.02 mm。按玉米的生长特性，于苗期、拔节期、吐丝期和灌浆期进行施肥，且施肥量分别占总施肥量的20%、30%、30%和20%。

1.3 观测指标及方法

生长指标测定：在玉米苗期(播后25天)、拔节期(播后76天)、吐丝期(播后86天)、灌浆期(播后104天)、乳熟期(播后123天)和成熟期(播后155天)每小区破坏性取3株样测定株高、叶面积(苗期不破坏性取样，只用直尺从地面垂直测得植株最高值为株高，无叶面积指数和干物质量，成熟期叶全黄，故也无叶面积)。将植株各器官分开，称鲜重后放入烘箱，在105℃杀青30min，然后于85℃烘至恒重，测定植株地上部分干重。

产量测定：成熟期每小区选取一行测定玉米穗长、穗粗、秃尖长、单穗籽粒重、千粒重，风干籽粒至14%含水量时测定籽粒产量。

1.4 数据处理

用Excel 2010进行数据整理，SPSS 19.0统计分析软件处理试验数据，选取Duncan进行方差分析，用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水施肥措施对玉米生长的影响

2.1.1 不同灌水施肥措施对玉米株高的影响株高能反映玉米的生长发育状况，图1为不同灌水施肥措施下玉米株高在全生育期内变化情况。不同处理玉米株高在全生育期内不断增加，苗期至拔节期株高增长量最大，高水高肥(W3F3)处理增长最多为167.3 cm；拔节至吐丝期株高增长速率最快，平均为7.5 cm·d-1。苗期各处理株高无显著差异，拔节期各处理株高差异显著。吐丝至灌浆期各处理株高差不断减小但仍有显著差异，拔节之后株高变化趋势相同即株高与灌水量和施肥量呈正相关关系；F3施肥量下不同灌水量处理对玉米最终株高无显著影响，说明高施肥水平下灌水量越大，玉米生长发育越早、越快，但最终株高差异不大；收获时W3F3处理株高最大为281.7cm，W1F1最小为246.05 cm。W3F3、W2F3、和W2F2三处理在吐丝期株高已接近最大值，吐丝后株高增长量小、增长缓慢；其它处理灌浆期株高仍有变动。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。Note: Different small letters mean significant difference among treatments at 0.05 level at the same growth stage.The same as below.图1 不同水肥处理对玉米株高的影响Fig.1 Effects of different water and fertilizer treatmentson maize plant height

2.1.2 不同灌水施肥措施对玉米叶面积指数(LAI)的影响叶面积指数(LAI)反映作物群体的叶面积大小、植株光合和蒸腾蒸发作用的强弱。如表1，全生育期内LAI均表现为：拔节至吐丝期迅速增大，吐丝至乳熟期基本稳定并有缓慢减小的趋势。拔节期同一灌水量下LAI随施肥量的增加而增加，W3F3和W1F1处理差异显著。吐丝期LAI值是整个生育期内最大的(W1F3处理和W1F1处理除外)，灌水量越大，LAI值越大。灌浆期同一灌水量下LAI差异显著，施肥量对LAI的影响达到极显著水平(P<0.01)，说明在该试验条件下灌浆期施肥能显著影响LAI。

2.2 不同灌水施肥措施对玉米地上部分干物质累积、分配和转运的影响

2.2.1 不同灌水施肥措施对玉米干物质累积的影响玉米地上部分干物质的累积直接关系着籽粒产量，如图2 所示，拔节期干物重在W2处理下获得最大值且随施肥量增加而增加，W1处理下拔节期施肥过多对干物质累积有抑制作用，吐丝期高水高肥处理(W3F3)干物质累积量明显高于其它处理。全生育期内干物质不断累积增加，至成熟期达到最大，且随灌水量和施肥量的增加而增大；W3F3处理单株干物质累积量最大，值为23.41 t·hm-2，W1F1处理干物质累积量最小，值为17.58 t·hm-2，其它处理干物质总累积量无显著差异。

图2 不同水肥处理对玉米干物质累积的影响Fig.2 Effects of different water and fertilizer treaments onmaize dry matter accumulation

灌水 Irrigation施肥Fertilization拔节期 Jointing stage吐丝期Spinning stage灌浆期Filling stage乳熟期 Milk-ripe stageF11.25b3.36e3.00d3.42aW1F21.49b3.75bc3.32c3.12abcF32.29ab3.61cde3.83a2.79cF11.66ab3.85abc3.48bc3.20abW2F21.73ab3.90abc3.70ab3.38abF32.31ab4.01ab3.60abc3.04bcF11.71ab3.63cde3.40bc3.01bcW3F22.07ab3.73bcd3.34c3.25abcF32.57a4.11a3.84a3.09abcF值 F value灌水 Irrigation0.074.90∗3.601.08施肥 Fertilizer5.78∗8.33∗∗17.11∗∗4.97∗灌水×施肥Irrigation×Fertilizer1.075.96∗5.06∗3.32

注：同列不同字母表示(P<0.05)显著差异；*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference; *mean significant difference, while **mean much significant difference, the same as below.

2.2.2 不同灌水施肥措施对玉米地上部分干物质分配的影响玉米全生育期内各器官干物重不断变化，除籽粒外其余器官干物重呈先增大后减小的趋势，茎、叶、穗轴、苞叶干重分别在灌浆、乳熟、乳熟、灌浆期达到最大。研究不同生育期各器官干物质分配情况可以调控和优化干物质分配比例从而优化籽粒产量。如图3和图4所示，随生育期推进茎、叶、穗轴和苞叶占比例不断减小，灌浆前不同灌水和施肥处理对茎分配比无显著影响，乳熟和成熟期高水(W3)和高肥(F3)处理茎分配比例最小；不同灌水处理对吐丝和灌浆期叶分配比例影响差异显著，且中水处理下分配比例最大。

图3 不同灌水处理对玉米各器官干物质分配的影响Fig.3 Effects of different water treatments on maize drymatter partitioning of various organs

图4 不同施肥处理对玉米各器官干物质分配的影响Fig.4 Effects of different fertilizer treatments on maize drymatter partitioning of various organs

不同灌水和施肥处理对灌浆、乳熟和成熟期籽粒分配比例影响显著(灌水对灌浆期籽粒分配比例除外)；成熟期高水(W3)处理比低水(W1)处理分配比例高4%，且差异显著(P<0.05)，高肥(F3)和中肥(F2)处理比低肥(F1)处理分配比例高4.64%和2.21%，均达到显著差异(P<0.05)。因此，适当的增加灌水和施肥量能提高籽粒分配比，降低其它器官分配比，从而提高产量。

2.2.3 不同灌水施肥措施对玉米营养器官干物质转运及对产量贡献的影响如表2所示，吐丝前营养器官干物质转运量在370.35～1766.11(kg·hm-2)之间，中水(W2)灌水水平下不同施肥处理营养器官干物质转运量有显著差异，相同灌水水平下高肥(F3)施肥量下转运量最大。与转运量变化趋势相同，只有中水(W2)灌水水平下转运率差异显著，在各灌水水平下中肥(F2)施肥量下转运率均最低，其对籽粒贡献率亦是最低。与吐丝前干物质转运量规律相反，吐丝后干物质转运输入籽粒量中肥(F2)施肥量下最大，对籽粒产量贡献率亦是中肥(F2)施肥量下最大，且中水(W2)灌水水平下不同施肥处理吐丝后干物质转运输入籽粒量差异显著。

2.3 不同灌水施肥措施对玉米产量及构成要素的影响

表3为不同灌水施肥措施对玉米产量及其构成要素的影响，由表3可知，，在W2F3处理穗长最大，W1F3处理穗粗最大，W3F3处理最小，穗粗随灌水量的增大而减小，不同处理间无显著差异。

表2 不同处理吐丝后营养器官干物质再分配量和吐丝后累积量

单穗籽粒重在同一灌水水平下随施肥量增加而增大，同一施肥水平下随灌水量的增加而增加，在W3F2处理取得最大值，为246.85 g·株-1。同灌水量下(W2灌水量除外)千粒重与施肥量呈正相关关系，W1F1处理值最小为334.81 g，W2F2值最大为384.47 g。产量分别在W3F3处理和W1F1处理获得最大和最小值，分别为12 474.34 kg·hm-2和9 015.87 kg·hm-2，但W3F2与W3F3处理产量较为接近，说明高水中肥(W3F2)情况下继续增加施肥量对产量提升效果不明显。W2F2、W3F2、W3F3与W1F1处理相比，产量分别增高31.52%、38.35%、38.36%，W3F3与W2F2相比增产5.2%,但W2F2比W3F3少灌水25%、少施肥37.5%，所以W2F2在减产不显著下节水节肥更明显。

表3 不同水肥处理对玉米产量及构成要素的影响

2.4 不同灌水施肥措施对玉米灌溉水利用效率和肥料偏生产力的影响

由表4可以看出，籽粒产量和生物量的灌溉水利用效率(IWUE)均是W1F3处理最高，分别为7.13 kg·m-3和12.77 kg·m-3,W3F1处理最低，分别为4.49 kg·m-3和7.4 kg·m-3。可见，随灌水量增加，IWUE表现出“W1>W2>W3”的规律，W1处理下籽粒产量的IWUE均值分别比W2、W3处理增加24.23%、41.64%,生物产量的IWUE同比分别增加26.67%、47.21%；相同灌水量下随施肥量增加IWUE从大到小依次为F3、F2、F1(籽粒IWUE中W3F3除外)，说明增加施肥量能提高IWUE。偏肥料生产力(PFP)均是W1F3处理最低，分别为25.67 kg·kg-1和45.96 kg·kg-1，W3F1处理最高，分别为59.22 kg·kg-1和97.72 kg·kg-1。同一灌水量下PFP与施肥量呈负相关关系，即F1>F2>F3,说明增加施肥量会减小PFP；相同施肥量下PFP随灌水量增加而增加，F1处理的籽粒产量PFP分别比F2、F3高38.98%、88.98%，生物产量PFP分别高43.43%、88.37%，灌水和施肥对两种指标影响均达显著水平。

3 讨论

合理的水肥调控措施可以达到以水调肥，以肥促水的目的；不合理的水肥措施将抑制作物生长，降低作物的水分和养分利用效率。有研究表明，施磷能增加玉米叶面积指数并促进玉米茎和叶的干物质累积[21]；膜下滴灌条件下，增加灌水或施肥量都可以促进西瓜的生长并提高光合速率、增加西瓜产量[22]。这与本研究结论一致。王连君等[23]在膜下滴灌水肥耦合对塑料大棚葡萄生长发育影响的研究中得出，灌水和施肥量都存在一个阈值，达到阈值后，继续增大灌水和施肥量，会对生长有抑制作用，本研究表明随灌水和施肥量的增加玉米株高持续增加，并没有受到抑制，其原因可能是本研究水肥量设置还不够大，再加上降雨和灌水的淋溶，使土壤中的养分含量还在作物能够吸收利用的范围内，所以水肥施入量越高，玉米生长发育越好。向友珍等[24]认为叶面积指数随生育期呈先增大后减小的趋势，在抽雄期叶面积指数最大，这与本研究结果不完全相同，本研究也表明叶面积指数随生育期推进先增加后减小，但多数处理叶面积指数在吐丝期最大。叶面积指数对施肥量更为敏感，可能是因为叶片生长需要更多氮素供应的原故。在F2施肥水平下，W2处理整个生育期叶面积指数之和大于W1和W3处理，原因可能是在F2施肥水平下，W1处理存在水分胁迫抑制了作物根系生长，从而减少了养分吸收量，而W3处理下灌水量过高造成了土壤根区养分淋失。

表4 不同水肥处理对玉米IWUE和PFP的影响

高水处理有利于玉米干物质的累积[16]，随着玉米生育期的推进，灌浆后穗部干物质分配明显加快，除穗部所占分配比例增高外其它器官干物质所占比例逐渐降低，表现为前期扩源后期增库[19]；生育前期光合作用同化物用于扩源，后期光合作用同化物则充库，两者都是籽粒产量的重要来源[25]，后者对籽粒产量的贡献率在78%～84%之间，合理的氮肥管理可以促进后期干物质向籽粒的转运，从而协调“源”和“库”的关系，达到“源”和“库”的平衡[26]。本研究表明，春玉米地上部分干物质的累计量表现为W3>W2>W1和F3>F2>F1，吐丝期以前茎和叶所占比例最大，灌浆以后籽粒干重占比例增加，乳熟期增量最大，至成熟期所占比例超过50%，W3处理和F3处理籽粒占比例最大；吐丝后同化物干物质转运对籽粒产量贡献率在81.56%～96.45%，该结果比前人结果偏高，可能是土壤肥力分布不均匀、灌水施肥过程中管道漏水、堵塞、降雨分布不均和气象等因素共同作用的结果。

偏肥料生产力(PFP)是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的指标[27]，产量、灌溉水利用效率是评价一种水肥管理措施对作物调控结果的重要指标[28]，有学者研究认为滴灌施肥下各因素与产量均呈正相关关系[29]，油菜产量在一定范围内随施氮量的增加而增加[30]；在同等灌水条件下，施肥可提高灌溉水利用效率[31]；王秀康[32]认为水肥交互作用对番茄产量影响显著，王丹等[33]认为水氮交互对小麦产量影响显著；宋明丹[34]研究认为水氮交互对冬小麦夏玉米产量无显著影响。本研究结果认为水肥交互作用对产量的影响不显著，这可能与后期降雨较多有关，但灌水和施肥单因素对产量和IWUE影响显著，且与产量正相关；IWUE随施肥量增加增高，PFP随灌水量增加增高，低水低肥虽获得最高水分利用效率，但产量较低，中水中肥在不减产的前提下兼顾水肥高效利用，更利于实际生产。

4 结论

1)除产量构成要素外，施肥单因素对其它各指标影响显著，水肥交互作用对产量和灌溉水利用效率无显著影响。

2)W3F3处理株高、叶面积指数最大，干物质量也最大，为23.41 t·hm-2；高水(W3)和高肥(F3)处理籽粒分配比例最高，且与其它处理差异显著(P<0.05)；W2F2处理吐丝后同化量对籽粒贡献率最大，为96.45%。

3)灌溉水利用效率随灌水量增加而降低，随施肥量增加升高，肥料偏生产力变化趋势与此不同；W3F3处理产量最大为12 474.34 kg·hm-2，W2F2处理比W3F3处理产量低5.2%，但节水528 m3·hm-2，节肥120 kg·hm-2；W2F2处理产量灌溉水利用效率为5.61 kg·m-3，产量偏肥料生产力为37.05 kg·kg-1；综合高产、高效和节水节肥等因素，80%ETc灌水量和N-P2O5-K2O 170-75-75 kg·hm-2施肥量可作为山西汾河灌区最优的灌溉施肥模式。