寒区水肥一体化技术对玉米产量及氮肥利用率的影响

王 柏，孙艳玲，黄 彦

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

2018年黑龙江省粮食总产量达1501.4亿斤，实现“十五连丰”，粮食商品量和仓储量均居全国第一。但黑龙江省农业用水供需失衡、灌溉效率与效益不高、农业生产期低温、冷害等极端天气发生频率增加等影响粮食产能的水问题十分突出。2011年中央1号文件锁定水利，提出大力发展节水喷灌、滴灌技术。在农业生态环境系统中，水与土壤矿物元素融为一体，水与肥的相互作用和相影响对植物的生长发育产生了互联耦合效应[1-5]。水肥一体化灌溉综合管理通过对不同水肥耦合调控控制，促进了玉米产量及其生理生长指标的提高。玉米水肥一体化技术能够提高玉米的生产效率和提升水资源的利用效率[6]，可以实现水分和养分在时间上同步，空间上耦合[7]。梁海玲[8]研究表明，与常规施肥相比，70%水肥一体化施肥的玉米鲜苞产量、产值分别提高6.73%、6.72%；李彬[9]研究表明相比于传统种植，水肥一体化条件下种植的玉米水分利用效率提高了 8.5%，产量提高了22.01%；孙占祥[10]研究了水肥交互作用对玉米株高、茎基宽和产量的影响氮肥、磷肥和灌水量对玉米产量均具有正效应，且符合报酬递减定律，过量施肥、灌水会引起明显的负效应，造成玉米减产；张玉铭[11]通过多组水肥组合试验，结果指出，氮肥对玉米产量的影响最大，其次是磷肥、钾肥，最后是灌溉；Gheysari[12]研究指出在受干旱胁迫的时候，应适当减少氮肥的施用量，表明对于不同的灌水情况，最佳施肥量发生了明显变化，最佳施肥量随着灌水量的增加而增加。孟兆江[13]研究结果指出，在水肥耦合过程中，氮肥、磷肥、灌溉定额分别低于105 kg/hm2、5215 kg/hm2、1500 m3/hm2阈值时，水肥没有明显增长效应，高于阈值时，夏玉米水肥耦合增产效应显著。目前，黑龙江省存在滴灌水肥耦合灌溉制度不完善，黑土区农田作物，特别是春玉米大田作物缺少配套的节水、增温、增产的水肥一体化关键技术，研究灌水和施肥同步实施的滴灌水肥一体化技术模式、提升水肥利用效率，深度挖掘粮食增产潜力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验研究在黑龙江省灌溉试验中心站进行，该试验站总面积55 hm2，旱作精准试验区建有配套自动感应式遮雨棚24组测坑小区，单个测坑表面积为2.0 m×2.5 m、土壤埋深2.0 m、测坑土壤表面与周边野外田面齐平。该灌溉试验中心站所在的区域多年平均气温为3.1 ℃，年平均降水量多介于400～650 mm，无霜期为130～140 d，多年平均水面蒸发量为796 mm，7—9月份的降雨量占全年的70%，试验供试土壤质地为壤土。土壤速效氮(N)为154.4 mg/kg，土壤速效氮速效磷(P2O5)为40.1 mg/kg，土壤速效氮速效钾(K2O)为376.8 mg/kg。

1.2 试验设计

2015年和2016年玉米供试品种分别为东富1号和强盛31号。选取施氮量和灌水量两个关键因素，施肥量设置3个调控水平：水肥一体化100%施肥、水肥一体化75%施肥、水肥一体化50%施肥；灌溉设置两个调控水平：单次灌水量分别为10 mm和20 mm。按照完全组合试验设计，共计6个处理。另设覆膜滴灌不追氮肥的对照处理CK-1、CK-2，总计8个处理(详见试验方案设计表)，每个处理3个重复，共24个小区，小区的尺寸为2.0 m×2.5 m，各试验处理随机排列。配套的栽培模式为：大垄双行、垄宽110 cm，垄间大行距为70 cm，垄内小行距为40 cm，垄台宽度为70 cm，垄的高度为15 cm，玉米的株距为28 cm，播种密度为63 000株/hm2。覆膜滴灌施肥采用“1/4W—1/2N—1/4W”的模式(前1/4 时间灌清水，中间1/2 时间施肥，后1/4 时间灌清水冲洗管网)。其他农田种植均按当地栽培方式进行管理。玉米各生育期土壤相对水分含量(占田间最大持水量的百分率)控制范围：播种至出苗65%～75%，出苗至拔节60%～70%，拔节至抽雄70%～75%，抽雄至吐丝80%～85%，吐丝至乳熟75%～80%，完熟期60%左右。

在随水施肥前1 d，随水施肥后第2 d、4 d、6 d、10 d，用土钻法于垄台中心分6个深度0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm采集土样分别测量土壤含水量和养分，用“Easychem300直读式全自动离子分析仪”测定土壤硝态氮、铵态氮含量，土壤含氮量；应用CCM-200便携式叶绿素仪测量叶绿素的相对含量。

表1 试验方案设计表

注：底肥为450 kg/hm2(N 15%、P2O515%、K2O 15%)。

图1 灌溉方式

图2 滴灌追施肥方式

2 结果与分析

2.1 水肥一体化对玉米百粒重的影响

图3给出了 2015 年和 2016 年玉米产量构成要素百粒重的变化趋势图。2015年试验结果表明，各水氮耦合试验处理玉米百粒重从大到小的次序为高水中肥、高水低肥、高水高肥、低水高肥、低水中肥、低水低肥、高水无氮、低水无氮，“高水+氮”试验处理玉米百粒重的平均值比“低水+氮”试验处理高1.5%。2016年试验结果表明，高水中肥试验处理分别比高水低肥、高水高肥、高水无氮试验处理提高了15.1%、8.5%、15.7%；低水中肥试验处理分别比低水低肥、低水高肥、低水无氮试验处理提高了6.6%、4.0%、4.1%。

图3 不同水氮耦合试验处理玉米百粒重变化规律

表2给出了 2015 年和2016年玉米产量构成要素百粒重的方差分析结果。2015年和2016年试验方差分析结果表明，2015年和2016年试验灌水量、施氮量和水氮耦合对试验玉米百粒重的影响不显著，其中，施氮因素对玉米百粒重的影响大于灌水因素。

表2 各水氮处理玉米百粒重方差分析结果

注：表中同一列中标有相同字母的数字在 P=0.05 水平上差异不显著(LSD 法)；NS 表示差异不显著。

2.2 水肥一体化对玉米产量的影响

(1)玉米产量变化规律。 根据2015年各水氮耦合处理玉米产量变化趋势图可以看出，在所有水肥耦合处理中，高水和氮肥耦合处理的玉米产量较高；低水和高水条件下，玉米生长期不追氮肥处理的产量明显低于追氮肥的高水和低水处理。在“低水+氮”耦合处理中，低水中肥处理玉米产量比低水低肥、低水高肥、低水无氮处理分别提高了5.8%、6.4%和20.3%，高水高肥处理玉米产量比高水低肥、高水中肥、高水无氮处理分别提高了5.9%、6.2%和20.8%。

图4 不同水氮耦合试验处理玉米产量变化规律

根据2016年各水氮耦合处理玉米产量变化趋势图可以看出，在所有水肥耦合处理中，高水中肥和高水高肥的玉米产量明显大于其他试验处理，低水无氮和高水无氮试验处理的玉米产量最小。在“低水+氮”耦合处理中，低水中氮处理玉米产量比低水低肥、低水高肥、低水无氮处理分别提高了10.6%、13.0%和28.5%，高水中氮处理玉米产量比高水低肥、高水高肥、高水无氮处理分别提高了15.1%、5.9%和29.3%。

(2)玉米产量方差分析。方差分析结果表明，2015年灌水、水氮耦合对不同水氮耦合处理的玉米产量影响不显著，施氮量对玉米产量的影响达到了显著水平，表明施氮对玉米产量影响大于灌水因素。低水无氮和高水无氮试验处理与其他水氮耦合试验处理差异显著。2016年灌水、施氮对不同水氮耦合处理的玉米产量影响不显著，其中，施氮因素对玉米产量的影响高于灌水因素。

2.3 水肥一体化对氮肥利用效率的影响

目前国内从不同角度描述作物对肥量养分的利用效率主要包括肥料养分回收率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥生理利用率。其中，氮肥农学效率(Agronomic efficiency of applied N，AEN)是指氮肥单位施用量所增加的作物籽粒产量，即:

AEN=(Y-Y0) /F，

(1)

式中：Y为施肥后所获得的作物产量；Y0为不施肥条件下作物的产量；F代表化肥的投入量。本文采用氮肥农学效率AEN来计算各个水氮耦合试验处理。

表3 2015年和2016年各水氮耦合试验处理玉米产量变化

注：表中同一列中标有相同字母的数字在 P=0.05 水平上差异不显著(LSD 法)；NS 表示差异不显著，*表示在 0.05 水平上差异显著。

(1)水氮耦合试验2015年结果。 根据2015年各水氮耦合试验处理的玉米产量数据、氮肥使用数据进行计算，低水低肥、低水中肥、低水高肥试验处理的氮肥利用率分别为16.99、15.21和8.18；高水低肥、高水中肥、高水高肥试验处理的氮肥利用率分别为16.00、10.49和11.12，试验结果表明在水氮耦合试验处理中，在低水灌溉或高水灌溉条件下，随着氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐渐减小，可见氮肥施用量不宜过大，玉米各生育期适宜氮肥施用可以获得较高的氮肥利用率。

建立2015年“低水+氮”耦合试验处理的氮肥农学利用率方程为：

Y=-0.1498·X2+3.1918·X+0.0436,

R2=0.98

(2)

建立2015年“高水+氮”耦合试验处理的氮肥农学利用率方程为：

Y=-0.0989·X2+2.3348·X+0.4133,

R2=0.86

(3)

图5 “低水+氮”耦合

图6 “高水+氮”耦合

根据“低水+氮”与“高水+氮”试验处理的氮肥农学利用率方程，计算得出理论最大氮肥利用率，从而计算出最佳理论施氮量。最佳施肥方案：基肥为复合肥450.0 kg /hm2；适宜追肥量(尿素)：“低水+氮” 耦合条件下为347.4 kg/hm2，“高水+氮”耦合条件下为384.9 kg/hm2。

(2)水氮耦合试验2016年结果。 根据2016年各水氮耦合试验处理的玉米产量数据、氮肥使用数据进行计算，低水低肥、低水中肥、低水高肥试验处理的氮肥利用率分别为10.79、12.68、4.57；高水低肥、高水中肥、高水高肥试验处理的氮肥利用率分别为9.06、14.34、8.10，试验结果表明在水氮耦合试验处理中，在低水灌溉或高水灌溉条件下，随着氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐渐减小，可见氮肥施用量不宜过大，玉米各生育期适宜的氮肥施用可以获得较高的氮肥利用率。

图7 “低水+氮”耦合

图8 “高水+氮”耦合

建立2016年“低水+氮”耦合试验处理的氮肥农学利用率方程为：

Y=-0.1128·X2+2.3693·X-0.2094,

R2=0.95

(4)

建立2016年“高水+氮”耦合试验处理的氮肥农学利用率方程为：

Y=-0.0786·X2+1.9569·X+0.3275,

R2=0.89

(5)

根据“低水+氮”与“高水+氮”试验处理的氮肥农学利用率方程，计算得出理论最大氮肥利用率，从而计算出最佳理论施氮量，以及最佳施肥方案：基肥为复合肥450.0 kg/hm2；适宜追肥量(尿素)：“低水+氮” 耦合条件下为 342.5 kg/hm2，“高水+氮”耦合条件下为 405.9 kg/hm2。

3 结 论

低水灌溉和中等氮肥组合、高水灌溉和中高等氮肥组合可以获得较高的玉米百粒重。低水灌溉条件下，中等氮肥可以获得较高产量；高水灌溉条件下，中高等氮肥可以获得较高产量。在低水灌溉或高水灌溉条件下，随着氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐渐减小，氮肥施用量不宜过大，玉米各生育期适宜的氮肥施用可以获得较高的氮肥利用率。膜下滴灌最佳施肥方案为：基肥为复合肥450 kg/hm2；适宜追肥量(尿素)：“低水+氮” 耦合条件下为330～345 kg/hm2，“高水+氮”耦合条件下为375～405 kg/hm2。