基于简易吸水法的喷灌施肥冬小麦冠层截留量

赵伟霞，张 萌，李久生，栗岩峰

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048）

1 研究背景

冠层截留量是指植物叶片、枝干等地面上部生理器官对落入其内水分的截留容纳值，其所能截留的最大水量即为冠层存储能力［1］。因为冠层截留水量最终以蒸发的形式损失掉，被认为是降低喷灌水利用率的主要因素之一。然而相关研究表明，喷灌水分蒸发，尤其是作物冠层截留水量的蒸发因吸收了部分农田可利用能量而改变了农田小气候，有效抑制了植株蒸腾和土壤蒸发［2～5］，对喷灌水利用率的提高有积极作用［6-7］，即喷灌冠层截留水量并不是完全的无效损失。

作为实现水肥一体化的重要设备类型之一，利用固定式、半固定式喷灌和大型喷灌机进行施肥灌溉（Fertigation）是农业精准化、自动化发展的必然需求，但是作物冠层的肥液截留可能引起的肥料利用率降低和叶片灼伤风险成为限制喷灌水肥一体化技术推广的重要原因之一。在喷灌技术发展早期，利用喷灌进行施化灌溉（Chemigation）的研究结果表明，水溶性和乳化性化学试剂易从植物表面冲洗到土壤，而非乳化性化学试剂则易滞留在叶片上［8］。Waller 等［9］利用平移式喷灌机进行施化灌溉的研究结果表明，大约一半的油基杀虫剂残留在玉米叶片上，其余的落到地面。与喷灌施药不同，肥料的可溶性是施肥灌溉的前提，因此，喷灌施肥灌溉时冠层截留肥量将与肥液浓度和施肥后是否对植物表面清洗密切相关。

尿素作为最主要的追施肥料之一［10-11］，因为喷施在作物冠层后可被叶片及其他幼嫩的营养器官直接吸收利用［12］，所以喷灌后的冠层截留尿素并不是全部的无效损失。为了充分发挥作物冠层对尿素的直接吸收作用，喷灌追施尿素后理论上并不需要额外的清水冲洗。但是，为了避免叶片灼伤风险，尿素浓度宜控制在适宜的范围内。相关研究结果表明，尿素用作叶面肥时，施用浓度因作物种类、生育期、施用时气象条件、喷出雾滴的大小及是否易于在叶面附着等条件而异，一般需将质量浓度控制在0.5%～2.0%［12］。因此，为了定量评估作物冠层截留肥液后可能产生的叶片灼伤风险和喷灌施肥灌溉水肥利用效率，需要对肥液截留量及其影响因素进行分析。本文以冬小麦为供试作物，研究尿素溶液截留量与冬小麦生长阶段和尿素浓度的关系，评估尿素溶液在冬小麦冠层的附着能力，并分析影响冠层肥液截留量的冬小麦生长指标，为冬小麦不同生长阶段喷灌施肥灌溉时氮肥利用效率的评估提供基础参数。

2 试验材料与方法

试验于2018年在国家节水灌溉工程技术研究中心（北京）试验研究基地进行（东经116°15′、北纬39°39′、海拔31.3 m）。采用简易吸水法［13-14］测定作物冠层截留肥液量，供试作物为冬小麦（Triti⁃cumaestiviumL.，中麦175），行距15 cm，分蘖后植株密度为400 万株/hm2。试验因素为尿素溶液浓度，选用尿素分析纯（廊坊鹏彩精细化工有限公司，CO（NH2）2含量≥99.0%）为供试肥料，设置0（清水）、0.030%、0.092%、0.162%、0.243%等5 个质量浓度处理，对应田间喷灌追施尿素（N≥46%，灌水定额20 mm）时，追施纯N 量分别为0、27.8、85.0、148.7 和223.8 kg/hm2，每个处理设置3 个重复，共15 组试验。为了测试冬小麦不同生长阶段的冠层截留肥液量，在冬小麦拔节-灌浆期分4 次采样测定。采样样方为0.20 m 长的植株2 行，共15 个取样点，分别对应15 组尿素溶液浓度冠层截留试验。对每个取样点的植株总数进行统计后，随机选取生长良好有代表性的植株15 株用于冠层截留肥液量的测定。

每次测定前，首先对每组选取的植株样本进行株高、叶面积和茎粗的测量，其中叶面积采用长宽系数法进行计算，株高和茎粗分别用直尺和游标卡尺进行测量。随后用精度为0.01 g 的电子天平快速称取其鲜重，称重后将植株完全浸入清水或尿素溶液中，5 min 后取出，手持植株底部使其保持自然直立状态，至无液体滴落时立即再次称重。根据简易吸水法测试原理，浸水后和浸水前的重量差平均值即为单株冬小麦冠层的最大截留量，计算公式如下：

式中：W0为植株鲜重，g；W 为植株浸水后重量，g；Smax为单株冬小麦冠层最大截留量，g，由取样点植株总数和取样面积可计算出冬小麦冠层截留肥液量，mm。

在利用模型模拟喷灌冠层截留水量的再分配过程中，叶片能够保持的最大水层厚度是评估冠层截留量的重要参数［7］。为评估尿素溶液在冬小麦冠层能够保持的最大水层厚度，从另一角度分析冠层附着肥液能力，假定冬小麦植株为圆柱体，由实测的冬小麦植株样本平均茎粗和株高可以计算出单株冬小麦的茎秆表面积，将茎秆表面积和叶面积之和计为单株冬小麦的植株表面积，由Smax和植株表面积的比值即可计算出单株冬小麦最大附着肥液当量厚度（mm）。

不同生长阶段冬小麦株高、冠层截留肥液量和植株附着肥液当量厚度的差异，以及不同尿素溶液浓度时冬小麦冠层截留肥液量和植株附着肥液当量厚度的差异程度根据单因素方差分析判定，各处理间均值差异的显著性检验通过SPSS 软件采用Duncan 多重比较实现。

3 结果与分析

3.1 冬小麦生育期内冠层截留肥液量将每次测量的15 组试验结果取平均值后进行统计分析，冬小麦拔节-灌浆期不同生长阶段的冠层截留肥液量和附着肥液当量厚度统计检验结果如表1所示。随植株生长，冬小麦冠层截留肥液量呈显著增大趋势，但在拔节孕穗期（4月23—29日）和抽穗灌浆期（5月4—17日）内的增加量相对较小，分别为15%和9%，远小于抽穗前后的冠层截留肥液量增加值44%。在拔节-灌浆期冠层截留肥液量变化范围为0.34 ～0.61 mm，均值为0.48 mm，低于王迪［15］基于称重法于室内喷灌条件下测得的冠层截留量0.68 ～1.47 mm，也低于Wang 等［16］采用擦拭法测得的冬小麦在抽穗开花期的最大冠层截留量1 mm。产生差别的原因除了测试方法不同外，还可能与测试所用的冬小麦品种和分蘖后的植株密度有关。另外，由表1中不同测量日期冬小麦附着肥液当量厚度可知，随植株生长，尿素溶液在冬小麦冠层的附着肥液当量厚度发生了显著变化，但与冠层截留肥液量随植株生长一直呈增加趋势的规律不同，拔节孕穗期和抽穗灌浆期内的附着肥液当量厚度均呈现随植株生长而略有减小的趋势，减少量分别为19%和10%。对比5月4日冬小麦进入抽穗期前后的冠层截留肥液量和附着肥液当量厚度可知，二者均在冬小麦抽穗后产生了较大增加，最大增加量分别为65%和57%，说明冬小麦抽穗后株高的显著增加是影响冠层截留肥液量和附着肥液当量厚度的主要因素，其相关关系将在3.3 节分析。

表1 冬小麦生育期内冠层截留肥液量及其统计分析

3.2 尿素溶液浓度对冬小麦冠层截留肥液量的影响为了研究尿素溶液浓度对作物冠层截留肥液量的影响，分别计算了不同浓度条件下冬小麦冠层的截留肥液量和附着肥液当量厚度及其统计检验结果（表2）。在5月4日冬小麦进入抽穗期时，不同肥液浓度处理间的冬小麦冠层截留肥液量差异达到了显著水平，且冠层截留肥液量随尿素浓度的增加呈先增大后减小趋势，当肥液浓度为0.092%时，冠层截留肥液量达到了最大值0.75 mm。除5月4日的冬小麦外，拔节孕穗期和灌浆期的冬小麦冠层截留肥液量均无显著差异。产生这一现象的原因可能与不同生育期不同尿素浓度时的肥液黏滞系数有关。与不同肥液浓度处理间的冬小麦冠层截留肥液量在抽穗期出现显著差异的结果不同，冬小麦附着肥液当量厚度在4月23日的冬小麦拔节期出现了显著差异，且附着肥液当量厚度随尿素溶液浓度的增加呈先减小后略有增加趋势，当尿素浓度为0.162%时达到最小值0.045 mm。上述结果表明，尿素溶液浓度对作物冠层截留肥液量、附着肥液当量厚度的影响与作物生长阶段密切相关，在冬小麦处于由营养生长转为生殖生长的抽穗期，冠层截留肥液量对尿素溶液浓度的影响更为敏感，在冬小麦处于营养生长的拔节期，附着肥液当量厚度受尿素溶液浓度的影响更大。

表2 冬小麦不同尿素浓度处理冠层截留肥液量

图1 冠层截留肥液量与冬小麦LAI、植株表面积、株高和鲜重关系

3.3 冠层截留肥液量与作物生长指标的相关性叶面积指数LAI、植株表面积和株高均是表征作物生长过程中生理形态的重要指标。为了分析影响冬小麦冠层截留肥液量的主要因素，图1和图2分别绘制了冬小麦拔节-灌浆期冠层截留肥液量、附着肥液当量厚度与LAI、植株表面积、株高和鲜重的相关关系，图中数据点对应表1中4 个测量日期共60 组试验时每组植株样本的平均LAI、植株表面积、株高、鲜重、冠层截留肥液量和附着肥液当量厚度。由图1可以看出，冬小麦冠层截留肥液量虽然整体上随LAI 的增加呈增大趋势，但由于受分蘖和生长后期株形结构变化等因素的影响，二者之间的线性正相关关系尽管达到了显著水平（n=60，p＜0.01），却远小于冠层截留肥液量与株高、植株表面积、鲜重的线性相关性。显然，冬小麦茎秆和穗表面同样对肥液具有较强的吸附拦截作用，这也是表1中冬小麦进入抽穗期后，由于株高和茎秆表面积迅速增大而引起的冠层截留肥液量显著增加，而拔节孕穗期和灌浆期由于株高、茎秆表面积变化较小而导致的冠层截留肥液量增加相对不大的主要原因。与冬小麦植株表面积相比，冠层截留肥液量与冬小麦株高的线性正相关性最强，鲜重次之，方程相关系数达到了极显著水平（n=60，p＜0.001），这表明冬小麦生育期内可以实时根据株高生长状况，利用二者之间的关系方程y=0.008x+0.090，间接计算每次尿素追施时的冠层截留肥液量。

由图2中植株附着肥液当量厚度与LAI、植株表面积、株高和鲜重的相关关系可知，除植株表面积和鲜重外，附着肥液当量厚度与LAI 和株高之间分别存在显著的负相关和正相关线性关系（n=60，p＜0.01），说明附着肥液当量厚度与LAI 和株高相关，但与冠层截留肥液量和株高的线性相关性相比，植株附着肥液当量厚度与株高的相关性相对较低。植株附着肥液当量厚度与株高的正线性相关性低于冠层截留肥液量的原因与表1中不同测量日期的株高、植株附着肥液当量厚度和冠层截留肥液量的变化趋势有关，随株高增加，冠层截留肥液量一直增大，而植株附着肥液当量厚度则出现了波动变化，与平均厚度0.067 mm 相比，生育期内植株附着肥液当量厚度变化范围仅为-24% ～19%，说明冬小麦植株附着肥液当量厚度主要取决于作物本身的亲水特性，在作物生育期内基本保持恒定，可通过平均厚度0.067 mm 和植株密度估算冬小麦生育期内的冠层截留肥液量。

图2 植株附着肥液当量厚度与冬小麦LAI、植株表面积、株高和鲜重的关系

4 讨论

喷灌施肥灌溉过程中冠层对肥液的截留是影响喷灌水肥利用效率和推广喷灌水肥一体化技术的主要因素。为了合理评估喷灌肥料的利用效率，需从机理上研究叶面截留肥料对作物生长的有效性，即叶面吸收肥料量与截留肥料量的比值。为了有效解决这一问题，首先需要量化冠层截留肥液量，并判断冠层截留肥液量是否会受肥液浓度的影响。如果冠层截留肥液量与肥液浓度无关，则可以直接通过冠层截留肥液量或植株附着肥液当量厚度与肥液浓度的乘积计算冠层的截留肥量。本文通过设置不同的尿素浓度，在冬小麦不同生长阶段研究了尿素浓度对冠层截留肥液量和植株附着肥液当量厚度的影响，并得出了抽穗期、拔节期尿素肥液浓度分别会对冠层截留肥液量和植株附着肥液当量厚度产生显著影响的结论，但其影响机理和影响程度还有待通过更先进的仪器和测试方法进一步量化。

与基于能量平衡法的冠层截留水量田间测试方法相比，本文采用的简易吸水法虽然具有节约成本、易操作和测试周期短等优点，但一方面由于测试过程不同于实际的喷灌施肥灌溉过程，忽略了植株因素（叶面、株型、旗叶、麦穗、地面反弹等）、喷灌技术要素（喷头型号、间距、安装高度、喷洒强度、雾化指标等）和气象因素（风速、大气温湿度等）对冠层截留水量的影响，造成了与他人研究结果的差异；另一方面由于该方法忽略了肥液从喷嘴喷出至达到作物冠层时可能存在的肥料挥发损失，将影响冠层截留肥量的测量精度。如何进行田间喷灌施肥时冠层截留肥量的测试还有待进一步研究。

5 结论

本文选用喷灌施肥灌溉最常用的肥料——尿素，基于简易吸水法测量了不同尿素浓度（0 ～0.243%）和生长阶段（拔节-灌浆）时冬小麦冠层截留肥液量和植株附着肥液当量厚度，评估了尿素浓度对冬小麦冠层截留和附着能力的影响，得出以下主要结论：

（1）冬小麦生育期内冠层截留肥液量和附着肥液当量厚度随植株生长的变化规律不同，冠层截留肥液量随植株生长一直呈显著增大趋势，拔节-灌浆期冠层截留肥液量平均值变化范围为0.34 ～0.61 mm；附着肥液当量厚度在拔节孕穗期和抽穗灌浆期内均呈现随植株生长而略有减小的趋势，拔节-灌浆期附着肥液当量厚度平均值变化范围为0.051 ～0.080 mm；冠层截留肥液量和附着肥液当量厚度均在冬小麦抽穗后产生了较大增加，最大增加量分别为65%和57%。

（2）尿素溶液浓度对作物冠层存储能力的影响与作物生长阶段密切相关，当冬小麦分别进入抽穗期和拔节期时，不同尿素溶液浓度的冠层截留肥液量和附着肥液当量厚度产生了显著差异，当肥液浓度为0.092%时，冠层截留肥液量达到最大值0.75 mm，当尿素浓度为0.162%时，附着肥液当量厚度达到最小值0.045 mm。

（3）冬小麦冠层截留肥液量与株高之间存在极显著的线性正相关关系，可作为冬小麦生育期内评价喷灌施肥灌溉时冠层截留肥液量的关键指标；植株附着肥液当量厚度在作物生育期内变化范围为-24% ～19%，可通过拔节-灌浆期的平均厚度0.067 mm 和植株密度估算冬小麦生育期内的冠层截留肥液量。