不同灌水方式和施氮量对青贮玉米产量和水氮利用效率的影响

2020-08-27刘玉春姜长松赵光耀

水利与建筑工程学报 2020年4期

王宁，刘玉春，姜长松，王遥，赵光耀

(河北农业大学城乡建设学院，河北保定 071001)

产量和水氮利用效率是作物重要的评价指标，而灌水方式和施氮量会直接影响作物的产量和水氮利用效率。目前，过量施肥造成的氮肥偏生产力低、资源浪费和潜在生态威胁是我国肥料管理中存在的主要问题[1]。因而，减少化肥施用量、需求相应有机肥替代和根据作物需肥规律进行合理的管理是提高作物产量、水氮利用效率和农田环境保护的根本途径[2]。通过适量的增加或减少水分更加有利于大部分作物对养分的吸收利用，但是部分地区现在仍然普遍存在采用高水量和高肥量来促进作物增产的现象，因此导致土壤中的肥料越来越多，不仅对作物产量增长没有帮助，而且还造成养分向更深层土壤淋溶，破坏土壤原有结构[3-4]；灌水量和施肥量对作物水分利用效率、氮肥偏生产力和作物养分累积吸收效率等因素都有显著的影响[5-7]，因此需要通过合适的灌水方式和适宜的施氮量来解决此类问题。

河北省作为粮改饲试点，其中重点内容就是提高青贮玉米种植面积，但是在种植过程中存在着产量低、水氮利用效率低等问题。国内外专家学者关于对玉米的水氮利用效率方面有很多的研究，其中张富仓等[8]研究得到春玉米产量随施肥量的增加呈现先增加后减小的趋势，施氮量对玉米水分利用效率、灌溉水分利用效率和氮肥偏生产力都有显著和极显著的影响；张立勤等[9]研究表明适宜的灌溉定额和施肥量均有利于玉米增产，灌溉定额偏低，制种玉米减产明显；过量增施肥料，增产不显著；邵国庆等[10]认为在相同灌水条件下，增加施氮量能显著提高玉米的水分利用效率；冯淑梅等[11]研究表示，随着氮肥施用量的增加，水分利用效率也随之提高，但当氮肥施用量超过一定量后，水分利用效率降低。于文颖等[12]研究表明适当的降低土壤的水分能够使玉米叶片的水分利用效率提高，进而使得叶片更好的生长发育，适应更加不好的环境。Alkaisi 等[13]研究发现施氮量对水分利用效率的影响十分显著。通过专家学者的研究结果发现，施氮量过高过低均会影响作物生长和水氮利用效率。

以往的研究多是对籽粒玉米的产量和水氮利用效率研究，对青储玉米在这些方面研究较少，为解决河北省平原区因不合理的灌水、施肥导致的青贮玉米的产量低、品质差等问题，所以进行本次试验。本次试验研究是根据鹿泉区寺家庄镇当地的农业生产实际，以提高鹿泉区青贮玉米产量和水氮利用效率为主要目标，研究在畦灌和沟灌灌水方式和不同施氮量的条件下青贮玉米高产的试验组合，为鹿泉区寺家庄镇青贮玉米的生产提供数据支撑和理论指导，同时一定程度上改善河北省缺水现状。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本次试验布设于石家庄市鹿泉区寺家庄镇南龙贵村，试验田的地理坐标为37°56′N，114°25′E，试验地的农田土壤类型是壤土，试验田的初始养分：有机质含量为2%，速效磷含量为11.89 mg/kg，速效钾含量为158 mg/kg。

本次试验共计95 d，播种日期为6月27日，收获日期为9月30日，青贮玉米全生育期内降水量206.9 mm(如图1所示)，根据《河北省气象公报》显示，2018年河北省年均降水量509.2 mm，属平水年。

图1 青贮玉米生育期内日降水量

1.2 试验方法

本次试验设置两个试验因子分别为不同灌水方式和不同施肥量，灌水方式为畦灌和沟灌两种当地常用的地面灌溉技术水平，分别用英文字母B和F标记。两种灌水方式的试验小区尺寸分别为：畦长90 m、畦宽4.8 m，沟灌沟长90 m、沟深20 cm。两端均有1.5 m保护行，入畦流量为9.72 L/s，入沟流量为2.43 L/s。试验中肥料品种为中华复合肥，施肥方式是机施，且与播种同时进行，此次施肥全部作为基肥施用，后期无追肥，肥料的成分为N-P2O5-K2O，比例为28%-6%-6%，结合当地的750 kg/hm2～450 kg/hm2的传统施肥量，并根据减水减氮要求[14]设置四个施肥水平，用量分别为750 kg/hm2、600 kg/hm2、450 kg/hm2和300 kg/hm2，且为N、P、K总量，施氮量分别为210 kg/hm2、168 kg/hm2、126 kg/hm2和84 kg/hm2，并分别记为C1、C2、C3和C4，见表1。试验共计8个处理，每个处理设置3次重复(见图2)。试验小区随机布置。

表1 各处理的施肥用量

图2 试验小区布设图

试验材料为“科玉188”型青贮玉米，田间种植为单行种植，植株的行距和株距分别为60 cm和30 cm，青贮玉米的密度为7.80 株/m2。为保证青贮玉米的出苗率，在播种的第二天立即进行灌溉，灌水量均为1 050 m3/hm2，只进行一次灌水，其他生育期无灌水。

1.3 试验观测项目与方法

(1) 气象数据。由试验田附近小型气象站获得。

(2) 土壤含水率。在青贮玉米全生育期内，平均每10天在小区青贮玉米密度适当、生长均匀一致处用土钻取土(灌水后和下雨后需加测一次)每个试验小区设置1个取样点，取土深度为100 cm，每20 cm取1个土样，采用烘干法[15]测定所取土壤质量含水率。

(3) 青贮玉米鲜重干重。青储玉米生育期内每7 d左右取样一次；在各处理植株生长均匀且良好处随机选取3株～5株进行鲜重和干重的观测。使用精度0.01 g的电子秤测量青贮玉米的干重和鲜重。将测量完鲜重的植株绞碎，然后在105℃的温度下杀青30 min，在80℃的温度下烘烤至重量稳定时称取干重。

1.4 试验数据计算和分析方法

青贮玉米耗水量[16]、水分利用效率和氮肥偏生产力[17]计算公式分别按式(1)、式(2)、式(3)计算：

ETa=P0+M-D-(Wt-W0)

(1)

WUE=Y/ETa

(2)

PFP=Y/N

(3)

式中：ETa为青贮玉米某个生育时期的耗水量，mm；P0为青贮玉米某生育时期的有效降雨量，mm；W0和Wt分别为青贮玉米某个生育时期初始和末尾的土壤储水量，mm；M为地下水补给量，因为试验田所在地区地下水埋藏较深，所以地下水对青贮玉米的补给量忽略不计；D为深层渗漏量；WUE为青贮玉米水分利用效率，t/(hm2·mm)；PFP为氮肥偏生产力，kg/(kgN)；Y为青贮玉米产量，t/hm2；N为施氮量，kg/hm2。

观测数据的统计分析使用SPSS 18.0软件，使用CAD 2014和Microsoft Excel 2010软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水方式和施肥量对青贮玉米干重和鲜重影响

从表2可以看出2018年青贮玉米生长呈现出先增加后趋于稳定的趋势，进入拔节期青贮玉米质量迅速增长，到乳熟期青贮玉米质量趋于稳定。从表2的青贮玉米鲜重均值中可以看出，2018年青贮玉米的鲜重在同一灌水方式下C2处理优于C1、C3、C4处理且增幅分别为1.29%～14.07%、1.2%～18.58%和3.47%～29.29%，说明适宜的施氮量对青贮玉米的鲜重有显著增加的趋势，过高过低都会限制青贮玉米的生长；在同一施氮水平下鲜重变化趋势表现出在抽丝出雄期(播种后47 d)前畦灌鲜重高于沟灌，之后的生育阶段沟灌高于畦灌，沟灌的水分集中，能更充分的供给青贮玉米，更有利于青贮玉米的生长，所以在沟灌条件下青贮玉米鲜重产量增加。

2018年青贮玉米全生育期内青贮玉米干重变化，在同一个灌水方式下同样表现出C2处理优于C1、C3、C4处理且增幅分别为0.24%～10.06%、6.94%～14.92%和0.94%～34.19%，在沟灌灌水技术下青贮玉米的干重均值基本高于畦灌，有增加干重的趋势，说明适宜的灌水方式和施氮量有增加青贮玉米有机物的积累的趋势，对提高最终的产量有一定影响。

由表2可知在同一灌水方式不同施氮量下最终鲜重和干重产量均是在C2处理下最高，鲜重C2处理对其他三个处理的增幅为8.2%、6.9%、15.3%和3.6%、9.6%、11.2%；鲜重C2处理分别对其他三个处理增幅5.7%、4.1%、13.8%和6.9%、10.6%、14.8%；可以看出随着施氮量的增加青贮玉米产量有先增加后减少的趋势，说明过高过低的施氮量都会影响青贮玉米的产量。在同一施氮水平下畦灌鲜重和干重产量均值为74.26 t/hm2和28.1 t/hm2，沟灌分别为76.91 t/hm2和27.95 t/hm2，鲜重产量沟灌大于畦灌且增幅为3.6%，干重产量相差不大；说明沟灌有增加鲜重产量的趋势，促进青贮玉米生长。

表2 各试验处理不同生育期青储玉米干重鲜重

方差分析显示施氮量影响2018年青贮玉米的鲜重和产量显著，灌水量影响不显著，二者交互作用下不显著。分析认为大田试验中降雨对灌水方式处理有一定影响，在青贮玉米抽丝出雄期有一次降雨，使灌水方式对青贮玉米鲜重和干重影响不显著。

2.2 不同灌水方式和施肥量对青贮玉米耗水量的影响

由表3可知青贮玉米在三个生育期内穗期耗水量最大，因为进入穗期为青贮玉米快速生长发育阶段，有机物迅速积累需要大量的水分。由表3可以看出在一定的范围内随着施氮量的增加耗水量先增加后减少，在畦灌灌技术下C1、C2和C4处理分别比C3处理低0.22%、5.0%和5.4%，沟灌技术下C1、C3和C4处理分别比C2处理低4.3%、4.5%和6.4%，方差分析显示施氮量影响不显著；畦灌和沟灌技术下青贮玉米耗水量均值分别为271.8 mm和274.37 mm，畦灌低于沟灌0.95%，说明适宜的施氮量和灌水方式对青贮玉米耗水量有一定的影响，沟灌对促进青贮玉米生长有增加的趋势，方差分析显示灌水方式和施氮量不显著。

表3 2018年青贮玉米全生育期作物耗水量

2.3 不同灌水方式和施肥量对青贮玉米水氮利用效率的影响

由表4可知2018年青贮玉米的水分利用效率随施氮量的增加先增加后减少，在同一灌水方式下C2处理水分利用效率最高且增幅为10.7%～19.2%，说明适宜的施氮量有显著提高水分利用效率的趋势，分析认为随着施氮量的增加会促进作物的水分利用效率，但是过高施氮量可能会导致植物根区发生细胞失水，导致作物减产量，进而导致青贮玉米的水分利用效率降低；在同一施肥水平下畦灌条件下水分利用效率为0.270 t/(hm2·mm)、沟灌条件下分别为0.285 t/(hm2·mm),沟灌条件下比畦灌条件下高5.26%，可以看出沟灌有增加水分利用效率的趋势，施氮量对青贮玉米水分利用效率的影响达到显著水平，灌水方式和二者交互作用下均未达到显著水平。说明使用合适的灌水方式和施氮量才能够提高青贮玉米的水分利用效率。

由表4可知在本次试验条件下青贮玉米氮肥偏生产力随施氮量的增加而显著减小，同一施氮水平下畦灌条件下为0.544 t/kgN，沟灌条件下为0.58 t/kgN，可知在氮肥偏生产力沟灌比畦灌提高了6.7%，灌水方式会影响氮肥偏生产力，因为土壤中的氮素会随水运移，沟灌水分较为集中，有利于促进青贮玉米对氮素的吸收，说明沟灌有利于提高青贮玉米的氮肥偏生产力；在同一灌水技术下C1、C2、C3和C4处理PFP均值分别为0.363 t/kgN、0.479 t/kgN、0.592 t/kgN和0.848 t/kgN，可以看出C4施肥水平下氮肥偏生产力最高，且说明种植青贮玉米可以适宜的减少肥料的用量。方差分析显示施氮量对青贮玉米氮肥偏生产力的影响达到显著水平。