基于蒸腾估算的不同施肥量对夏玉米生长及产量的影响研究

2020-06-13段喜明张宝忠周青云

节水灌溉 2020年5期

李荣，段喜明，张宝忠，周青云

(1.山西农业大学林学院,山西晋中 030801; 2.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 100038)

0 引言

作物蒸散量(ETc)作为能量平衡及水循环的重要组成部分，由作物蒸腾(Tc)和土壤蒸发(E)组成[1]。Tc直接影响作物生产力，E不直接参与产量构成[2]。因此，准确区分作物E和Tc的分配占比关系，提高ETc估算精度是进一步优化灌溉用水、合理施肥的关键[6,7]。目前，较为常用的方法有Penman-Monteith模型、Shuttle-Wallace模型、双作物系数法等[3-5]。Penman-Monteith模型不能有效区分Tc和E；Shuttle-Wallace模型参数较多且用于稀疏植被，一些参数的测量影响模型估算精度；双作物系数法结构简单，计算时只需考虑气象条件和作物类型，还可根据实际情况调整相关参数，因此许多专家学者在作物蒸散量研究中运用双作物系数法。张彦群等[8]在膜下滴灌条件下，利用修正双作物系数法估算蒸腾研究玉米节水机理。刘春伟等[9]研究作物系数法及FAO-56PM模型估算蒸腾。肖然等[11]研究认为修正双作物系数法能更好地估算蒸发蒸腾量。在玉米生产中，施肥量影响作物耗水和产量[9,10]，盲目大量施肥不仅造成肥料损失严重和水资源浪费，降低了经济效益，又对生态环境有负面影响[12]。郭金金等[13]在研究不同施氮量对玉米生长及氮素吸收利用中得出结论，玉米产量随着施氮量的增加先增大后减小，在尿素掺混缓释氮肥时收获最大。安江勇等[14]研究表明不同施肥量对玉米品质及产量有显著影响，根据不同玉米品种合理施肥能增加玉米的产量、促进养分吸收并改善品质，但超过一定施肥量后玉米品质和产量逐渐降低。目前大多研究为蒸发蒸腾量与水分利用效率的关系或施肥量对玉米产量的影响，不同施肥量与作物蒸发蒸腾总量及其分量关系研究较少。

本研究中，运用修正双作物系数法估算夏玉米全生育期蒸发蒸腾量，并分析不同施肥量下，夏玉米E和Tc的分配占比关系，旨在为北京大兴区夏玉米农田精准施肥提供一定理论依据及实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在中国水利水电科学研究院(北京)大兴试验基地进行，该试验区地处北纬39°37.25′，东经116°25.51′的北京市南部大兴区。该区属于温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，春冬干旱少雨，年平均气温12 ℃左右，全年水面蒸发量1 800 mm以上，多年平均降水量约540 mm，试验基地土壤为沙壤土，占地约4 hm2，田间持水量为33.4%左右。

1.2 试验设计

试验供试夏玉米品种为“纪元168”，于2018年6月15日播种，9月24日收获，种植密度6 万株/hm2(株行距30 cm×55 cm)，分12个试验小区，每个小区面积56 m2。夏玉米整个生育期内施肥2次，基肥施复合肥(总养分为45%，N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，8月8日追施尿素。施肥设置4个水平，每次施肥量为0、225、338、450 kg/hm2，即N1、N2、N3、N4。每种施肥量设置3次重复。生育期内降水基本能满足夏玉米需水，故各处理除播前灌水60 mm以保证出苗外，整个生育期内均不再进行灌溉，其他田间管理措施一致。

1.3 茎流测定和蒸腾量Tr计算

从夏玉米生长中期(8月初)开始到夏玉米成熟收获，在各处理中选取长势良好，茎秆叶片均无损坏的夏玉米植株，安装Dynamax公司的Flow32A-1K包裹式茎流计，传感器型号为SGB25。安装前先去掉玉米底部枯黄的老叶，将传感器安装于玉米的茎干基部，距离土壤表面约10 cm处，对植株进行茎流监测。为减小传感器工作持续加热对玉米茎秆损伤和防止外部包裹的泡沫吸水导致传感器损坏及玉米不定根生长对数据测量的影响，每隔1周左右或下大雨之后将传感器拆下晾干，当天按照顺序安装回原位置。原始茎流数据通过数据采集器(CR1000，Campbell Scientific，美国)每隔15 min 计算一组平均值，并存储输出。通过将原始数据与玉米茎秆横截面积、鞘传导率等参数进行重计算得到0.25 h的单株水平的茎流速率qi，其中夏玉米的茎流密度以纯水密度(1.0×103kg/m3)计。

茎流测定日蒸腾量Tr可由下式计算[15]：

Qj=0.25 ∑qi

(1)

Tr=∑Qj/(10A)

(2)

式中：Qj为夏玉米单株日蒸腾量，cm3/d；qi为0.25 h的单株水平的茎流速率，g/h；Tr为夏玉米测定蒸腾量，mm/d；A为样地面积，cm2。

1.4 FAO-56PM法计算蒸散量ETc-F

蒸散量ETc-F可由下式计算：

ETc-F=KcET0

(3)

式中：ETc-F为作物蒸散量，mm/d；Kc为作物系数(FAO56分册的推荐值)；ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d。

ET0的计算公式如下[8,16]：

(4)

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；Rn为2 m高度处净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为湿度计常数，kPa/℃；T为2 m高处的日平均气温，℃；u2为2 m高处的风速，m/s；es-ea为饱和水汽压差，kPa。

1.5 修正双作物系数法计算ETc

试验中，要获得夏玉米全生育期的蒸腾量，需要用双作物系数法估算(FAO分册中介绍)。

双作物系数法计算作物蒸腾量的公式为：

Tc=KsKcbET0

(5)

式中：Tc为作物蒸腾量，mm/d；Ks为水分胁迫系数，本试验中夏玉米生长季为夏季，雨量充足，播前充分灌水，未涉及土壤水分亏缺，所以Ks为1；Kcb为基础作物系数。

夏玉米全生育期可分为4个生长阶段：生长初期，快速生长期，生长中期，生长后期。各生育阶段之间的Kcb可以通过 FAO56 分册的推荐值，即Kcbini(生长初期)、Kcbmid(快速生长期、生长中期)和Kcbend(生长后期)之间的线性插值得到，需要根据当地气象因子调整：

Kcb=Kcb(Tab)+[0.04(u2-2)-

(6)

式中：Kcb(Tab)为FAO56分册推荐值[15]；RHmin为日最小相对湿度，%；h为冠层平均高度，m。

本试验中，以生长中后期的夏玉米茎流实测值计算得到的日蒸腾量Tr为基准，根据式(7)对Kcbmid进行修正，得到修正的中期基础作物系数Kcbmid-a。同理得到修正后的后期基础作物系数Kcbend-a。即：

Kcbmid-a=Tr/ET0

(7)

各个生育期之间的Kcb可由Kcbini、Kcbmid-a和Kcbend-a线性插值得到。从而得到夏玉米全生育期的蒸腾量Tc，结合土壤蒸发E的实测值，得到全生育期的夏玉米蒸发蒸腾量ETc。

1.6 土壤蒸发量E的测定

采用聚氯乙烯(PVC)管(内桶直径10 cm，壁厚0.4 cm，高17 cm)自制微型蒸发器(MLS)，由套桶和内桶组成，套桶直径略大于内桶外径，高度与内桶相同，选取试验田中央位置，将内桶打入并钻取原状土，底部削平，用纱布封底，然后将内桶与套桶一起放入土孔。每日17∶00取出，利用电子天平(精度0.01 kg)称量后放回，2次称量结果之差即为蒸发水量损失[7]。通过式(8)计算得到土壤蒸发量E。

(8)

式中：E为土壤蒸发量，mm/d；M1、M2分别为连续2 d蒸发器的重量，g；r为蒸发器半径，cm；10为单位转换因子。

1.7 其他气象因子的测定

太阳辐射、空气温湿度和风速等气象因素由安装于试验站的涡度相关系统(Campbell Scientific Inc，USA)及小型气象站每隔30 min自动测取。

1.8 作物生长指标及产量测定

(1)株高、茎粗和叶面积指数(LAI)的测定。每个小区选取3株具有代表性的植株，每5 d人工测量一次。

(2)产量的测定。每个小区选取1 m2样方进行考种，并测定百粒重。采用Duncan多重比较法对株高、茎粗、LAI和产量等进行数据统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 夏玉米全生育期ETc的估算

图1 茎流测定蒸腾量Tr与ET0

图2 茎流测定蒸腾量Tr与ETc-F

图3 不同施肥量下茎流测定Tr、E之和与ETc-F相关关系

表1 茎流测定Tr、E之和与ETc-F的一元线性模型相关关系

从图4中可以看出，ETc-F在夏玉米生长初期明显低于双作物系数法计算的ETc，结合图2可知，ETc-F在前期低估了土壤蒸发量E，生长初期夏玉米植株低矮，叶面积较小，试验田土壤裸露较多，太阳辐射直接照射到田间裸土，导致土壤蒸发量E升高，而夏玉米实际植株蒸腾量Tc低于土壤蒸发量E值，因此，生长初期夏玉米ETc主要表现为土壤蒸发量E。而到了快速生长期和中期，2种计算方法得到的ETc、ETc-F都呈现上升的趋势，由于FAO推荐的Kcb值从0.15增加到1.15，其计算值明显上升，ETc-F高于ETc值，ETc更加接近于实测值。生长后期，2种计算方法得到的日蒸散量ETc、ETc-F值相对接近，ETc-F介于不同施肥量的夏玉米ETc率定值之间。

图4 不同施肥量夏玉米率定后ETc与ETc-F

2.2 不同施肥量对夏玉米蒸腾量Tc的影响

图5为夏玉米全生育期不同施肥量的蒸腾量Tc。可以看出，不同肥处理水平的夏玉米蒸腾量Tc在各个生长阶段有所差别，总体上生长初期和生长后期均低于生长中期，这是由于生长初期，夏玉米植株刚刚出苗，株高、叶面积等较小，生长较为缓慢，植株蒸腾量较低。生长中期，夏玉米正处于拔节、抽穗、灌浆等生长旺盛期，随着植株株高、叶面积指数、气温等增加，植株蒸腾量也随之增加。夏玉米成熟等生长后期，由于植株株高等不再生长，叶黄枯萎，叶面积指数呈缓慢下降趋势，导致夏玉米植株蒸腾量Tc的下降。

从各生长期来看，生长初期N1与N4处理下Tc相重合，高于N3、N2处理且N3>N2，表明这一时期，肥力的效果不是很明显，高肥与0肥处理Tc几乎相同，反而中间肥量处理Tr更低。而试验田夏玉米种植前均经过等量灌溉，水分相对充足，水分对植株生长起到了主导作用，掩盖了不同施肥量的差异性。到了生长中期，随着田间水分的损耗，肥力的效果逐渐表现出来，N4高肥处理的夏玉米植株Tc最高，而在初期与之相同的N1处理Tc逐渐下降，生长中后期低于N2、N3、N4，4种肥处理Tc整体表现出N1

图5 全生育期不同施肥量的蒸腾量Tc

2.3 不同施肥量对夏玉米蒸散量ETc的影响

在整个夏玉米生育期内，蒸散量ETc先升高，后降低。由图6可知，7月9日ETc较低，7月12日左右，ETc出现峰值，N4高肥处理达到了12.16 mm/d。由图7可知，土壤蒸发量E在生长初期较高，生长中期、后期较为平稳，低于生长初期，且生长后期最低。这是由于生长初期夏玉米植株低矮，植被覆盖度小，土壤裸露面积较大，夏玉米植株根系埋深比较浅，吸收水分能力不足，从而影响E值较大。N4高肥处理的土壤蒸发量E最高，可能由于肥料遇水溶于土壤后，氮离子等浓度上升，导致水分子渗透压上升，加之植株根系不发达，吸水能力差，土壤中多余的水分被蒸发，从而影响E值的增加。

生长初期ETc与E变化趋势基本相同，E对ETc的影响大于Tc，N4处理ETc最高，N2处理较低，N1、N3处理居中。到了夏玉米生长中期，随着叶面积指数增大，E下降、Tc上升，8月份Tc达到最高值，且N4处理最高，为8.67 mm/d，而E在此阶段相对较低，不同肥处理E也较相近，Tc对ETc的影响大于E，Tc占主导。这与李丰琇等的研究结果一致[17]。不同施肥量对Tc影响较大(N1

图6 不同施肥量的蒸散量ETc

图7 不同施肥量的土壤蒸发量E

夏玉米全生育期ETc随着施肥量的增加而增加(见图8，ETc,N1N2>N1，降低土壤蒸发量E比例。但施肥过高导致Tc占比降低，E占比最高，N4处理(Tc/ETc=62.96%)低于其他肥处理。综上所述，适当施肥可以提高Tc在ETc中的所占比例，降低E的消耗，从而使水分消耗向增加作物产量的方向分配(N3处理)。

图8 年蒸发量和蒸腾量

图9 年蒸发量和蒸腾量占ETc的百分数

2.4 不同施肥量对夏玉米生长及产量的影响

不同施肥量影响夏玉米生长、产量(以百粒重计算)(P<0.01)。株高、茎粗不同处理差异不显著，但从不同施肥量的株高来看，N3>N1>N4>N2，N4株高比N1低。从茎粗平均值来看，N4>N3>N1>N2，N4茎粗值最大。产量、最大叶面积指数在不同施肥量下差异均较显著(P<0.01)。产量(百粒重)N3>N2>N4>N1，N3产量比N1高16.9%，N3产量比N4高9.6%(见表2)，表明不同施肥量对产量具有一定影响，夏玉米产量随着施肥量的增加，表现出先增加后减少的趋势。施肥量过多或太少，都会降低玉米产量。施肥量过多，不仅会造成氮肥的浪费还会降低玉米的产量，而施肥量过少又会抑玉米的生长，这与马少帅等的研究结果相一致[18]。施肥量的大小不仅影响夏玉米耗水量大小，还直接影响最终产量。合理的施肥量可以有效提高作物产量，有效控制过度施肥导致资源浪费，可实现节约水资源与高产双向效益[19,20]。