小麦—玉米周年水肥一体化技术研究

张 健，袁嘉玮，梁哲军，张鹏飞，薛琴琴，王玉香，张冬梅，杨印斌

（山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000）

水肥一体化技术具有提高水分利用率和养分利用效率，增加作物产量，改善作物品质，促进农业可持续发展等诸多优点[1]。在对粮棉作物的水肥一体化研究中发现[2-6]，水肥一体化可以在节水节肥的同时提高糯玉米的淀粉和还原性糖的含量，改善玉米的品质。通过水肥一体化控制灌水量和灌溉时期，利于小麦群体发育，可提高成穗数量、穗粒数和千粒质量，从而实现冬小麦增产，同时灌溉量和施肥量均减少50%以上。目前，在运城地区小麦—玉米生产过程中，存在水资源消耗大、化肥施用不合理的问题，加上近年来劳动力成本提高等问题，增加了粮食作物的生产成本，降低了经济效益。

本试验以冬小麦—夏玉米轮作体系为对象，探讨不同水肥模式对小麦—玉米产量、水肥利用效率以及经济效益的影响，得到一套经济效益高的水肥一体化灌溉施肥制度，以期为当地小麦—玉米水肥一体化周年管理提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本试验于2016年10月至2017年10月在山西省农业科学院棉花研究所杨包试验基地（35°6′25″N，110°55′39″E）进行，试验土质为黏土。播前测定 0～40 cm土层养分含量为：有机质11.49 g/kg，全氮0.867 g/kg，碱解氮 30.70 mg/kg，速效磷 9.31 mg/kg，速效钾156.5 mg/kg。

1.2 试验材料

供试小麦品种为舜麦1718，玉米品种为郑单958。

1.3 试验设计

本试验为两季轮作体系，即由2016—2017年冬小麦和2017年夏玉米试验组成。试验共设6个处理，分别为施肥空白（W4N0）、足额微喷（W4N3）、足额减氮（W4N2）、减量微喷（W2N3）、减量减氮（W2N2）（表1）。以漫灌为CK，灌溉量为实际灌溉量。试验采用随机区组设计，小区面积为87.5m2（2.5m×35m），4次重复，每个小区安装水表与阀门控制灌溉量。冬小麦采用等行种植，每小区10行，中间放置一根微喷带。夏玉米采用宽窄行种植（60 cm＋80 cm），微喷带放置于宽行中。

表1 小麦—玉米周年水肥一体化试验设计

1.4 测定项目及方法

1.4.1 地上部干物质积累量 在小麦收获期，各处理取3处1 m2的小区小麦的地上部分，重复3次，于烘箱中110℃杀青30min，然后将烘箱调制80℃恒温，烘干至恒质量后称取质量。在收获期取玉米的地上部分，将叶、茎鞘、苞叶（苞叶＋穗轴）与籽粒4部分分别装袋，于烘箱中110℃杀青30 min，然后将烘箱调制80℃恒温，烘干至恒质量后称取质量。

1.4.2 产量及产量构成要素 夏玉米成熟时，各处理设3个重复取样区（取样面积为1.8 m×5 m）。人工掰取取样区里的所有玉米并装于网兜中，进行晾晒。室外风干后，统计每株玉米的行数、行粒数，并进行脱粒。脱粒完成后称质量，得到各取样的总质量，然后数取各处理的千粒数，并称质量得到千粒质量。因此，得到各处理的有效穗数、穗行数、行粒数、千粒质量、产量等产量要素。小麦成熟时，各处理取1 m2小麦地上部分，3次重复取样。统计小麦1 m2的穗数、单株的穗粒数，脱粒后称取千粒质量，得到各处理的穗数、穗粒数、千粒质量、产量等产量要素。

1.5 数据分析

使用Micros of t Excel 2010和SPSS对所测数据进行处理与分析，用Duncan新复极差法对数据进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同水肥条件对作物产量、产量因素及收获指数的影响

不同水肥条件对作物产量、产量因素和收获指数的影响不同（表2），在小麦生长季，传统漫灌（CK）的穗粒数显著高于其他水肥一体化处理；W4N3处理的千粒质量显著高于W4N2处理，各处理与CK间差异不显著；CK单位面积内穗数显著低于W2N2水肥一体化处理；在产量方面，足额微喷（W4N3）处理显著高于其他处理，较CK增加2.8%，减量微喷（W2N3）和减量减氮（W2N2）处理与 CK相比显著降低，可能是由减水减氮造成的。在玉米生长季，W4N3、W2N3处理的穗粒数显著高于其他处理；各处理间千粒质量差异不显著；W4N3和CK的籽粒产量略高于W2N3处理，差异不显著，但显著高于其他处理，这与小麦季的数据特征一致；水肥一体化处理W2N3和W2N2处理与CK相比，小麦—玉米周年收获指数明显提高，W2N2和W2N3处理的收获指数比CK提高了21%。在前人的研究中[7-9]，水肥一体化技术可以增加作物的干物质积累，提高养分在籽粒中的分配比例。本研究通过各处理间收获指数的比较发现，微喷水肥一体化有利于作物收获指数的提高，同时灌溉量的增加会导致收获指数的降低。虽然增加灌溉量有利于提高作物的干物质量和籽粒产量，但造成了收获指数的下降，这说明由增加的灌水量用于作物生长茎秆和叶片，或者说增长的籽粒产量与干物质量不成比例，导致收获指数下降。这与张震[10]、宋兆云[11]的研究结果一致。

表2 不同水肥处理下小麦、玉米产量、产量因子及收获指数

2.2 不同水肥条件对小麦—玉米周年水肥利用情况的影响

对比不同水肥条件下小麦—玉米周年的水分利用效率、灌溉水利用效率以及氮农学效率，结果如表3所示。CK的WUE低于其他水肥一体化处理，说明水肥一体化可以提高水分利用效率，其中，W4N3处理较CK提高了25.3%；足额微喷的2个处理与减量微喷2个处理两两比较，说明在施氮量相同的情况下，减少灌溉量或在灌溉量相同的情况下，增加施氮量均可以提高水分利用效率。

表3 不同水肥处理小麦—玉米周年WUE、IWUE及N农学效率

对小麦—玉米周年的IWUE进行分析可知，各水肥一体化处理的IWUE均高于CK，W4N3、W4N2、W2N3、W2N2处理与CK相比，IWUE分别提高了50.7%，38%，100%，94.3%。

通过对小麦—玉米周年的N农学效率分析发现，各水肥一体化处理的N农学效率均高于CK；W4N3处理的N农学效率高于W2N3处理，W4N2处理高于W2N2处理，这说明在施氮量相同的情况下，增加灌溉量有利于N农学效率的提高，同时，W4N3处理低于W4N2处理，W2N3处理低于W2N2处理，说明在灌溉量相同的情况下，减少施氮量有利于N农学效率的提高，这与前人的研究[12]水肥一体化施肥模式下氮肥利用率较常规施肥都有较大的提升一致。

2.3 不同水肥条件对小麦—玉米周年经济效益的影响

表4 不同水肥处理经济效益分析 元/hm2

对比各水肥条件下的生产成本投入、总收入和净收入，结果如表4所示，各水肥一体化处理与CK相比，虽然增加了灌溉设施的投入，但其在灌溉、氮肥和人工方面的投入大大降低，故水肥一体化净收入显著高于CK。其中，经济效益最高的是W2N2处理，与CK相比，提高了10%，W4N3处理次之，较CK提高了9.6%。迟桂梅等[13]研究发现，小麦玉米水肥一体化在6.67 hm2规模下可实现每公顷增收3 000元以上，而在本研究中经济效益最高的处理W2N2与CK相比，每公顷增收2 127.7元，这种差异可能是由于本试验中水肥一体化设施面积远小于6.67 hm2，导致了生产成本的增加，故没有达到更高的经济效益。

3 结论与讨论

山西南部作为山西省主要粮食生产基地，小麦、玉米面积约33.3万hm2，全生育期需浇水3～4次，每公顷需水1.0万～1.5万m3，粮食生产已成为目前农业生产的主要高耗水作物。在实际生产中[14]，不合理的施肥对粮食产量和土壤性质的恶化影响非常严重。粮食生产上急需一种能够提高灌溉效率、降低灌溉成本、提高水井使用效率、增加灌溉面积，同时能够合理配施化肥起到增产、节水的灌溉技术。微喷灌目前在生产中体现出了低成本、低劳动力、低耗水的特点[15]。在本研究中，将小麦—玉米轮作作为一个整体，根据各生育时期的需水需肥规律，有效利用土壤水及自然降水，极大地提高了水分利用率和N农学效率，从而降低了生产成本。在本研究中，增产并非主要目标，主要是探究各优化模式在保证产量的前提下，节水、节肥、节约劳动力，降低生产成本，提高经济效益。各种水肥处理中，W2N2处理的经济效益最高，比传统漫灌增加了10%，可以为运城当地小麦—玉米周年轮作体系的水肥一体化管理提供参考。