黄金梨产量及水肥生产率对水氮耦合的响应

2020-11-28刘亚南白美健张宝忠吴现兵

灌溉排水学报 2020年11期

刘亚南，白美健*，张宝忠，吴现兵, ，史源

（1.流域水循环模拟与调控国家重点试验室中国水利水电科学研究院，北京 100038； 2.河北农业大学城乡建设学院，河北保定 071001）

0 引言

【研究意义】我国是世界第一果品生产大国[1]，梨树是我国主要种植果树之一，年产量约占世界产量的62%。水肥是决定梨树产量与果实品质的2 个重要环境因子[2]，为缓解水分和养分对梨果生长发育的制约，果农向田间投入大量水分与养分以确保稳产、高产，由此会造成水肥利用效率低[3]、资源极大浪费[4]，甚至造成严重的大气和地下水环境污染[5-8]。适宜的灌水量与施肥量能提高单位面积上作物产量，而当投入量高于临界投入量时，增产效果不明显甚至有减产的趋势。作为水资源短缺的农业灌溉大国和化肥消耗大国，提高灌溉水利用效率，减少化学肥料的投入，对经济结构调整、资源合理利用和环境保护具有重要意义。水肥耦合的合理设定是提高作物产量和水肥利用效率的重要手段，对果树产业的发展至关重要。

【研究进展】随着滴灌技术的发展，诸多学者对滴灌水肥技术展开了大量研究，滴灌水肥耦合技术相对常规水肥处理方式能够显著提高作物产量[9-11]，产量与灌水量和施肥量呈正相关，且增加灌水量降低施肥量，肥料偏生产力提高[12-13]，增加施肥量降低灌水量，水分利用效率提高[14]；研究[15-17]表明，相对于其他灌溉方式，滴灌可以提高作物产量，降低水分消耗，极大地提高水分利用率；Chilundo 等[18]、吴现兵等[19]研究发现，滴灌能显著提高玉米产量，促进根系延伸与生物量的增加；刘敏等[20]对甜梨展开水肥耦合试验，结果显示当水溶肥施用量为450 kg/hm2时产量达到最大且高于同水平人工施肥方案；Wu 等[21]在研究中发现增加施氮次数能提高梨树对氮肥的利用率；研究[22-24]表明，水肥耦合方式能显著提高产量，极大提高作物对氮肥的吸收，提高氮肥利用率，但是不同地区不同作物，滴灌下作物产量、水肥生产率等指标对水肥施用量的响应规律是不同的。【切入点】目前针对京津冀地区黄金梨树水肥耦合管理对产量和水肥生产率等多指标的综合影响方面的研究较少。【拟解决的关键问题】通过田间水氮耦合滴灌试验，重点分析水氮耦合方案对黄金梨树产量、灌溉水分生产率、肥料偏生产力的影响，探明各指标对水氮施用量的响应规律，为京津冀地区黄金梨树水氮管理提供一定技术依据。

1 材料与方法

试验在北京市圣泽林生态庄园内进行，该庄园位于大兴区安定镇西白塔村，116°25′52″E，39°37′20″N，属于暖温带半湿润大陆季风气候，多年平均温度11.2 ℃，多年平均降水量556.4 mm。试验开始前，在试验区随机选点取土（深度为1.6 m，每层厚度为0.2 m）风干碾碎过筛，经马尔文激光粒度仪测得，试验田块土壤为均质粉砂壤土（国际制，见表1），土壤计划湿润层内田间持水率（θf体积含水率）为35%，初始硝态氮量15.98 mg/kg，铵态氮量为1.59 mg/kg，pH 值为8.62。园区设有可观测温度（℃）、降雨（mm）、风速数据（m/s）等数据的小型气象站（图1 为2018 年试验区气象数据）。灌溉水源为地下水，试验采用比例式施肥泵，经滴灌系统进行施肥，滴灌带内径20 mm，田间灌水器为压力补偿式滴头，滴头间距0.5 m，滴头流量为4 L/h。试验区首部枢纽设有旋翼湿式水表记录灌水量。

表1 土壤物理性质 Table 1 Soil physical properties

图1 2018 年试验区气象数据 Fig.1 Meteorological data map of the test area in 2018

1.1 试验设计

供试作物为10 a 龄矮砧黄金梨树，树冠冠幅大小基本一致，株间距3 m，行间距4 m，试验于2018 年3 月21 日—9 月15 日进行，在试验开始前对所有处理小区进行了均匀的大定额灌水，保证供试土壤具有较为均一的初始水分与养分状况。以其他学者研究成果及当地推荐的灌溉定额与施氮量为试验设计基础[25-28]，兼顾产量、品质及水氮利用率等指标，设定灌水和施肥2 因素：灌水上限为田间持水率（θf），设定3 个灌水下限，分别为：Hw（75%θf）、Mw（65%θf）、Lw（55%θf）；3 个施肥水平，分别为：Hf（486 kg/hm2）、Mf（324 kg/hm2）、Lf（162 kg/hm2）。共9 个水氮耦合方案，分别为低水高肥（LwHf）、低水中肥（LwMf）、低水低肥（LwLf）、中水高肥（MwHf）、中水中肥（MwMf）、中水低肥（MwLf）、高水高肥（HwHf）、高水中肥（HwMf）、高水低肥（HwLf），再设定1 个常规方案（CK），常规方案不施肥、灌水制度由园区依经验来管理，每个方案设定3 重复，共30 个试验小区，试验水氮管理过程见图2。每个试验小区包括5 株黄金梨树，同一方案的3 个重复位于同一侧，一侧长45 m。

试验过程中，使用Trime 测定梨树计划湿润层内土壤含水率，当试验小区内计划湿润层含水率均值下降到灌水下限时进行灌溉。氮肥随灌溉水同时施入。氮肥选用当地常用的尿素（氮46%）。高、中、低3个灌水水平下，总灌水量（次数）分别为1 140.0 m3/hm2（7 次）、860.0 m3/hm2（6 次）、790.0 m3/hm2（5 次）。另外果园剪枝、病虫害防治和疏花、疏果等田间管理措施均与当地农民习惯保持一致。

图2 黄金梨生育期内灌水施肥时间与用量 Fig.2 Irrigation and fertilization schedule and dosage during the growth period of Golden pear

1.2 测定项目及方法

1.2.1 土壤含水率测定

使用Trime 测定计划湿润层内土壤含水率，每个小区设1 根Trime 管，试验小区内取均值，当均值达灌水下限时开始灌水，灌水定额计算式为：

式中：m 为灌溉定额（mm）；γ为计划湿润层土壤干体积质量（g/cm3）；p 为土壤湿润比，取0.8；h 为计划湿润层深度（cm），根据果树根系分布范围和监测一段时间后土壤水分分布情况，取100 cm；θf为田间持水率；θt为t 时刻土壤含水率（体积含水率），灌水下限分别按照处理取田间持水率的百分比，灌水上限为田间持水率的100%；η 为灌溉水利用系数，取0.9。

1.2.2 黄金梨树产量测定

梨果产量是衡量水氮耦合方案优劣的重要指标，于收获期每个处理随机选择3 株梨树作为代表株，采摘称质量后取均值后换算为每公顷产值。

1.2.3 灌溉水分生产率和肥料偏生产力计算

灌溉水分生产率（iWUE，kg/m3）计算式为：

式中：Y 为黄金梨树产量（kg/hm2）；W 为灌水量，（m3/hm2）。

肥料偏生产力（PFP，kg/kg），计算式为：

式中：F 为投入的氮肥总量（kg/hm2）。

1.3 数据分析方法

生育期内所有试验数据的记录、整理及计算均在Excel 2019 中进行，方差分析和绘图分析分别采用SPSS 25.0 统计软件和Origin 2018 绘图软件，回归模型拟合与计算最优解采用MATLAB 软件。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对黄金梨树产量的影响

黄金梨树产量见表2。与常规园区相比，除LwLf水氮耦合方案低于常规管理外，其余方案均能提高梨果产量，且在HwHf水氮耦合处理下梨树产量最高，为31 522.5 kg/hm2。各处理梨果产量排序为HwHf处理＞MwHf处理＞HwMf处理＞MwMf处理＞HwLf处理＞LwHf处理＞MwLf处理＞LwMf处理＞CK＞LwLf处理，按产量由高到低的顺序，各处理相对CK 分别提高了31.92%、30.55%、24.46%、20.08%、11.89%、9.36%、9.28%、7.04%、-4.80%；且MwMf、MwHf、HwMf、HwLf和HwHf处理与CK 差异极显著（P＜0.01）；梨树产量受水、氮投入量影响极显著（P＜0.01），但二者交互作用对该值影响不显著（P＞0.05），Hw和Mw灌水方案间产量差异不显著（P＞0.05）。

整体上，产量随着施氮量增加而增加，相同施氮量下，产量随着灌水量的变化则呈“U”型变化，本试验条件下梨树产量关于灌水量为1 016.2 m3/hm2（本研究理论值）呈对称分布，灌水量小于该值时呈递增趋势，反之呈递减趋势，在低水低氮区域梨产量最低，在灌水量为1 016.2 m3/hm2且施氮量大于324 kg/hm2时产量较高。

2.2 水氮耦合对黄金梨树灌溉水分生产率的影响

灌溉水分生产率见表2。由表2 可知，整体上，水氮耦合下灌溉水分生产效率较CK 显著提高（P＜0.05），各处理相应值iWUE 为MwHf处理＞MwMf处理＞LwHf处理＞LwMf处理＞MwLf处理＞LwLf处理＞HwHf处理＞HwMf处理＞HwLf处理＞CK，按iWUE从高到低顺序，各水氮耦合处理较CK 分别提高了361.53%、324.50%、320.79%、311.88%、286.31%、266.31%、251.79%、231.91%、198.37%，MwHf处理iWUE 值最大，为36.28 kg/m3，较CK 下的7.86 kg/m3提高了28.42 kg/m³。iWUE 不仅在水氮耦合处理与CK 间具有显著差异（P＜0.05），而且在部分水氮耦合方案间也具有显著性差异（P＜0.05）；iWUE 受水、氮施用量极显著影响（P＜0.01），但二者交互作用不显著（P＞0.05）。

总体上，iWUE 随施氮量呈单向递增，随灌水量呈“U”型变化，高灌水下限时不管施氮量如何，iWUE都处于低值区，而灌水量为中低水平时，iWUE 确与施氮量关系密切，施氮量相同时，灌水量中等水平下iWUE 高于低水平下。因此，中等灌水量水平下，增加施氮量能显著提高梨树灌溉水分生产率。

表2 黄金梨产量、iWUE 和PFP Table 2 Golden pear yield iWUE and PFP

2.3 水氮耦合对黄金梨树肥料偏生产力的影响

PFP 值及差异性检验结果见表2 所示。总体上，PFP 值随着施氮量增加而降低，随着灌水量增加而增加，只是在灌水量大于中等灌水量水平后增加幅度趋于平缓。同一灌水量下不同施氮方案间PFP 值差异显著（P＜0.05），且PFP 值受水、氮施用量影响极显著（P＜0.01），但二者交互作用对PFP 值差异不显著（P＜0.05），Hw和Mw处理间PFP 值差异不显著（P＜0.05）。各水氮耦合方案下PFP 相应值为HwLf处理＞MwLf处理＞LwLf处理＞HwMf处理＞MwMf处理＞LwMf处理＞HwHf处理＞MwHf处理＞LwHf处理，HwLf处理值最大，为165.03 kg/kg，LwHf处理值最小，为53.77 kg/kg，二者相差111.26 kg/kg。当施氮量相同时，与3 个灌水下限耦合均表现为：H＞M＞L；高肥与中肥差值远低于中肥与低肥的差值。因此，施氮量对PFP 的影响远大于灌水量，在灌水量适宜的条件下，适当减少施氮量有助于提高肥料偏生产力，能更好的兼顾产量与生态环境等多目标的要求。

2.4 水、氮投入量与产量iWUE 和PFP 的回归模型

梨树产量、灌溉水分生产效率和肥料偏生产力对水、氮投入量的回归模型如表3 所示，3 个回归模型调整后R2均在0.960～0.994 之间。通过Matlab 等计算方法对3 个回归模型进行了最优解计算：

1）水、氮投入量与产量回归模型：当W=1 016.2 m3/hm2、N=641.00 kg/hm2时，梨树产量最高，为34 623.6 kg/hm2，此时iWUE 为34.07 kg/m3，PFP为54.01 kg/kg。

2）水、氮投入量与iWUE 回归模型：当W=907.7 m3/hm2、施氮量为614.87 kg/hm2时，iWUE 值最大为36.42 kg/m3，此时产量为31 424.6 kg/hm2，PFP 值为51.11 kg/kg。

3）水、氮投入量与PFP 回归模型：因PFP 对水、氮肥投入量回归模型的函数特性，该值随施氮量增加表现为逐渐降低，当灌水量W 在1 037.9 m3/hm2左右时，PFP 值相对较大。

表3 产量、iWUE 和PFP 对水、氮投入量的回归模型 Table 3 Regression model of yield、iWUE and PFP on water and nitrogen input

尽管水、氮投入量对产量正效应临界值为：1 016.2 m3/hm2和641.00 kg/hm2，但在临界值内随着氮肥施用量的提高较小，所带来的经济效益无法弥补生态效益，过量的氮肥投入将会造成大量氮化气体挥发到大气和硝态氮残留在土壤中甚至淋失至地下水进而水土及大气污染，不利于果园的可持续发展和环境保护，因此综合考虑回归模型解析解及经济、生态环境影响，分别推荐水、氮投入量为W=1 016.2 m3/hm2和N=324 kg/hm2，此时理论产量为32 344.2 kg/hm2，较理论最优值（34 600.3 kg/hm2）仅降低6.52%，此时iWUE 和PFP 分别为31.83 kg/m3和99.83 kg/kg。

3 讨论

产量是梨树对水氮耦合响应的综合表达，也是衡量水氮耦合方案优劣的重要指标。滴灌水肥耦合条件下，不同水肥耦合方案因其组合差异对土壤中养分浓度、养分运移、梨树营养生长与生殖生长平衡和根系吸收等因素起到不同作用[29]，合理的水氮耦合方案下水氮协同作用可显著提高产量[30]。本试验结果表明：在水、氮施用临界值内，梨树产量随二者施用量的增加而提高，且适宜的水氮耦合方案更有益于高产，但产量对于灌水量和施氮量的响应程度不尽相同。相同灌水量下，产量对施氮量的响应基本呈单调递增趋势；灌水量为中等水平时，产量随施氮量均匀递增；当灌水量较低时，中高施氮水平下产量明显优于低氮水平，且中、高肥之间差异不大；灌水量较高时，产量随施氮量的变化梯度较大，且中高施氮水平明显优于低氮水平，这与高灌水渗漏携带养分下移淋失有关。产量受水的影响与肥不同，不是单调趋势，故存在灌水量适宜值，从本试验方案来看，施氮量相同时，灌水量为中高水平时产量显著高于低水情况，但中高水间产量增加幅度不大，表明梨树在一定灌水区域，提高灌水下限对产量增加具有显著促进作用，当灌水量超过适宜区间，增产效果不显著，甚至有可能对梨树产量产生抑制作用[31]，这可能是因为适宜施氮范围内，增加灌水量能够促进果实体积膨大[32]，进而增加产量，但过多的灌溉水分投入将导致果实脱落、营养生长过旺[33]与果实生长形成竞争关系，同时灌水量过高，使得灌溉水向下运移过程中携带大量养分，导致养分淋失，进而抑制产量增加。

本研究表明，灌溉水分生产率随灌水量和施氮量的变化趋势与产量相似，适宜灌水量下（本研究拐点值为907.7 m3/hm2），适当增加水、氮施用量可提高灌溉水分生产率，中等灌水水平高于低等灌水水平，这可能是由于提高灌水下限能促进果实膨大，而低灌水量不利于果实膨大，甚至当灌溉水量过低时生产过程中存在梨树营养和生殖生长竞争关系，进而造成低水时产量过低；而灌水量也不是越高愈佳[34]，本试验研究条件下，高灌水量水分生产率低于中等灌水水平，这可能由于灌水量过高超过灌水量临界值，超过部分水量没有被梨树吸收利用形成产量，导致灌溉水分利用率低于中等灌水水平。同等灌水水平时，增施氮肥补充了供果实膨大的养分，促进果实成长，水氮协同作用提高梨树产量，进而促进灌溉水分生产率提高。