西北干旱区甜高粱种植水肥配比模式研究

2021-06-05司瑞刘冰朱钊岑刘婵赵颖

灌溉排水学报 2021年5期

司瑞，刘冰，朱钊岑，刘婵，赵颖

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

【研究意义】甜高粱是一种新兴的饲料、糖料和能源作物[1-4]。甜高粱茎秆含有丰富的糖分汁液，是成本最低的燃料乙醇生产原料，被誉为“生物能源系统中的最有力竞争者”[5-8]，受到全世界的广泛关注。甜高粱也是光合效率最高的作物之一，其生物产量通常可达青贮玉米的1.2～2.0 倍[9]，因具有营养价值高、适口性好和易青贮等优点，使其成为牛羊等牲畜的主要优质饲草。此外，甜高粱抗旱、耐涝、耐盐碱、耐高温等特性，在新开垦的边际性土地和低产田上种植具有较强的适应能力。随着我国生态建设“退牧还草”重要战略的实施，以及禁牧封育条令的颁布，草食动物生产主要以舍饲为主，为满足养殖业快速发展的饲草料需求，大面积推广甜高粱种植将是有效解决我国饲草缺乏的有效途径之一。

我国西北干旱区较大的昼夜温差有利于甜高粱茎秆糖分的积累，同时该区盐碱地和沙荒地等边际性土地面积较大，已成为我国甜高粱种植的主要生产区域[10]。【研究进展】迄今为止，关于西北干旱区甜高粱的研究主要集中在光合特性[11]、茎秆成分组成[12]、生物产量和含糖量[13-15]、遗传多样性和育种[16-18]等方面，而对于甜高粱种植水肥配比研究相对较少。【切入点】水分和养分是农作物生长发育的重要因素。研究表明[19-21]，合理控制水肥配比能够提高作物产量和水肥利用率，节约水肥资源，降低生产成本。然而，西北干旱区甜高粱种植在水肥管理方面存在如下问题：一方面，甜高粱种植水肥配比模式主要依据玉米高水高肥的模式制定的，易造成水资源浪费、肥料流失和土壤环境污染等问题；另一方面，在干旱区，缺水严重制约着甜高粱种植的可持续发展。因此，探索甜高粱种植合理水肥配置对推动和促进该区域现代节水农业和畜牧业发展尤为重要。【拟解决的关键问题】以河西走廊边缘荒漠绿洲区为研究区，通过农田小区随机区组试验，研究不同水肥配比模式对甜高粱生长、生物产量、水肥利用效率和经济效益的影响，旨在明确最适宜西北干旱区甜高粱种植的水肥配比模式，以期为推广甜高粱种植和开发绿洲边际贫瘠土地提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃河西走廊中段临泽北部平川绿洲区。气候类型为荒漠气候，年均气温7.6℃，最高气温 39.1℃，最低气温-27℃，≥10℃的年积温3088℃，年均无霜期 165d；多年平均降水量为116.8mm，其中夏季和秋季的降水量占全年总降水量的80%左右，年蒸发量却高达2390mm，为降水量的20 多倍；主风向为西北风，风沙活动集中在3—5 月，年均风速3.2m/s，；年日照时间为3045h；农田区域地下水埋深在3～8m；土壤类型主要以灌漠土为主，田间持水率为23.2%，土壤体积质量为1.47g/cm3，保水性差，部分地区因地下水位上升而导致土壤次生盐化，由于开垦年限不同，土壤熟化程度各异，在空间上存在明显的异质性分布[22]；该区的农业为典型的雨养农业，主要种植高粱、玉米、春小麦、大豆等经济作物。

1.2 试验设计

本试验所采用的品种为‘近甜1 号’，是由中国科学院近代物理研究所研制而成的早熟品种。其生育期119 d，适宜在甘肃省酒泉、张掖和武威等海拔2000 m以下，≥10 ℃的积温2400 ℃以上地区种植。于2018年在中科院西北生态环境资源研究院临泽站进行甜高粱的种植试验，甜高粱于4 月15 日播种，出苗期为4 月23 日，拔节期为7 月10 日，开花期为8 月19 日，乳熟期为9 月1 日，9 月25 日收获。

本试验采用田间小区随机区组试验，试验小区由油毡、聚乙烯棚膜、砖及水泥修筑成20 m2（4 m×5 m）防侧渗无底池，侧壁深1.5 m。该试验实行区内宽窄行种植，宽行行距60 cm，窄行行距40 cm，设有5条膜，1 膜2 行，株距20 cm，密度为100 050 株/hm2。试验处理因素为灌溉量和施肥量，分别设置3 个水平。灌溉方式为畦灌，其灌溉量梯度为：W1（总灌溉量6 000 m3/hm2，当地农户灌溉减量28.57%），W2（总灌溉量 7 200 m3/hm2，当地农户灌溉减量14.28%），W3(总灌溉量8 400 m3/hm2，当地农户正常灌溉水平）；所用肥料为复合肥（N-P2O5-K2O 的质量分数均为15%，湖北新洋丰肥业股份有限公司生产），采用人工撒施进行施肥，其施肥梯度为：F1（总施肥量450 kg/hm2），F2（总施肥量600 kg/hm2），F3（总施肥量750 kg/hm2，当地农户正常施肥水平）。水肥组合共计9 种处理，即W1F1、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W2F3、W3F1、W3F2、W3F3 处理（表1）。每种处理设3 次重复（3 个试验小区），共计27 个试验小区。在播种前期进行1 次灌水（600m3/hm2），并结合施用150 kg/hm2的尿素（N2H4CO，总氮≥46.4%，内蒙古博大实地化学有限公司生产的中颗粒速效性氮肥），确保甜高粱出苗。播种后进行不同的水肥处理，于甜高粱苗期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期分别进行灌溉和施肥，其中在甜高粱拔节期灌水2 次（拔节前期灌水并结合施肥和拔节中期仅灌水），其余生长期灌水施肥各1 次。每种水肥处理下，甜高粱每个生育期（苗期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期）的灌溉量和施肥量均相同（表1）。

表1 不同水肥组合下甜高粱灌溉量和施肥量Table 1Irrigation amount and fertilizer amount of sweet sorghum under different water and fertilizer combinations

1.3 观测项目与方法

甜高粱观测项目均在收获期进行，3 个重复的均值代表观测指标的实际值。

1）生长性状：在每个试验小区选取4 个1 m×1 m的样方，并在每个样方内选取3 株具有代表性甜高粱植株进行挂牌标记，即每个小区共选取12 株样品，该12 株样品的平均值代表1 个重复。在甜高粱生育期结束后测定甜高粱单株株高、茎粗、节间数、叶片数，其中株高和茎粗分别用卷尺和游标卡尺测量。

2）茎秆汁液糖锤度：在每个试验小区选取4 个1 m×1 m 的样方，并在每个样方内选取3 株具有代表性甜高粱植株进行挂牌标记，即每个小区共选取12株样品，该12 株样品的平均值代表1 个重复。收获期挖出整株甜高粱，用DBR45 型测糖仪测量每株茎秆上部、中部、底部汁液的糖锤度。茎秆上部、中部和底部糖锤度的平均值表征该株甜高粱茎秆汁液糖锤度。

3）生物量：本研究中用地上部分干物质产量来表征甜高粱的生物量。在收获期，分别在每个试验小区选取4 个1 m×1 m 的样方进行收获，完整收获样方内所有植株地上部分，将样本分为茎秆、叶片和穗分别进行计产，并称取其鲜质量，然后将其置入105℃烘箱中杀青30 min，最后放入85 ℃的烘箱烘干至恒质量（约12 h），测定干质量。

4）出汁率：出汁率是衡量甜高粱利用价值的主要指标之一，计算式为：

式中：JL 为出汁率（%）；JO 为出汁量（g/株）；SQ1为茎秆鲜质量（g/株）；SQ2为茎秆干质量（g/株）。

5）灌溉水生产力：指农作物平均生物产量与灌溉水量的比率，计算式为：肥量是茎粗增长的主导因素。

式中：IWUE 为灌溉水生产力（kg/m3）；Y 为作物生物产量（kg/hm2）；I 为灌溉水量（m3/hm2）。

6）肥料偏生产力：施用某一特定肥料下的作物生物产量与施肥量的比值。它是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标[23-24]，计算式为：

式中：PFP 为肥料偏生产力（kg/kg）；Y 为作物生物产量（kg/hm2）；F 为施肥总量（kg/hm2）。

1.4 数据处理与分析方法

表2 不同处理下甜高粱株高、茎粗及生物量Table 2Different treatment effects on plant height, stem thickness and biological yield of sweet sorghum

在SPSS19.0中，采用双因素方差分析（ANOVA）分析不同水肥处理间甜高粱生长指标、生物产量、水肥利用效率和经济效益。同一指标不同处理之间的多重比较采用最小显著极差法（LSD）。运用相关分析法（PPMCC）和通径分析法（Path analysis）分析甜高粱各观测指标对生物产量的影响。

2 结果与分析

2.1 水肥处理对甜高粱生长指标及产量的影响

株高、茎粗和生物量均随灌溉量的增加略有下降，但处理间差异不显著（P＞0.05）（表2）。施肥量对株高、茎粗和生物量影响显著（P＜0.05），其中F1 处理和F2 处理无显著性差异（P＞0.05），F3 处理显著高于F2 处理和F1 处理（P＜0.05）。F2 处理株高和生物产量均最低（259.8cm 和22.24 t/hm2），F1 处理株高和生物产量处于中间水平（264.8 cm 和22.36 t/hm2）。此外，F3 处理下茎粗最大（24.87 mm），比F1 处理和F2 处理分别提高13.50%和7.79%，说明施水肥交互作用对甜高粱株高和生物量影响显著（P＜0.05），对茎粗影响不显著（P＞0.05）（表2）（图1）。在不同水肥处理下，株高介于250.6～333.1 cm，均值为277.4 cm。其中，W1F3 处理株高最高（333.1 cm），比其他水肥处理显著提高了12.16%～32.95%（P＜0.05），其中比最大灌溉施肥量处理组合W3F3 提高12.16%（图 1（a））。在不同水肥处理下，生物产量在21.03～29.35 t/hm2范围内变化，均值为23.05 t/hm2。其中，W1F3 处理下生物产量最大（29.35 t/hm2），比其他水肥处理显著增产21.65%～39.55%（P＜0.05），且其他水肥处理生物产量差异不显著（P＞0.05），其中比W3F3 处理提高30.82%（图1（c））。在不同水肥处理下茎粗介于20.24～22.63 mm，均值为21.08 mm。W1F3 处理下茎粗最高（22.63 mm），比其他水肥处理组合提高了5.55%～11.80%，其中比W3F3 处理提高11.29%（图1（b））。

2.2 甜高粱不同指标对生物产量的影响

为明确甜高粱株高、茎粗、节间数、叶片数、穗干质量、叶片干质量、茎秆干质量、茎秆汁液糖锤度和出汁率与生物产量的关系，将甜高粱各观测指标进行相关分析。结果表明上述甜高粱指标与生物产量相关性大小表现为：株高＞节间数＞茎粗＞茎秆干质量＞叶片数＞茎秆汁液糖锤度＞叶片干质量＞穗干质量＞出汁率（表3）。株高与生物产量极显著正相关（P＜0.01），茎粗、节间数和茎秆干质量与生物产量之间呈显著正相关（P＜0.05），叶片数、茎秆汁液糖锤度、叶片干质量、穗干质量和出汁率与生物产量相关性不显著（P＞0.05）。

表3 甜高粱各观测指标相关分析Table 3Correlation analysis of various observation indexes of sweet sorghum

为探明各性状对甜高粱生物产量的直接和间接作用，进行通径分析。甜高粱不同指标对生物产量的直接贡献由大到小茎粗（0.387）＞叶片数（0.329）＞株高（0.229）＞茎秆干质量（0.222）＞叶片干质量（0.119）＞茎秆汁液糖锤度（0.066）＞节间数（0.030）＞穗干质量（0.006）＞出汁率（-0.051）（表4）。茎粗和叶片数对甜高粱生物产量的直接效应较大，其次是株高和茎秆干质量，叶片干质量、茎秆汁液糖锤度、节间数以及穗干质量对甜高粱生物产量的直接正效应均较小，出汁率对甜高粱生物产量的直接效应为负。

表4 甜高粱各观测指标与生物产量通径分析Table 4Path analysis of observation indexes and biological yield of sweet sorghum

表5 甜高粱灌溉生产力（IWUE）和偏肥料生产力（PFP）Table 5 IWUE and PFP of sweet sorghum

2.3 甜高粱灌溉水生产力和肥料偏生产力

水肥交互作用对IWUE 影响显著（F=10.31，P＜0.05）（表5），W1F3 处理下IWUE 最大（3.80 kg/m3），显著地高于其他处理（F=10.02，P＜0.05），其中比最大灌溉施肥量处理组合W3F3 提高87.19%。灌溉量对IWUE 影响显著（F=10.96，P＜0.05），IWUE 随灌溉量的增大而降低，W1 处理下IWUE 最大（3.15 kg/m3），比W2 处理和W3 处理分别提高25.50%和53.66%。施肥量对IWUE 影响不显著（F=1.38，P＞0.05）。水肥交互作用对PFP 影响达到显著水平（F=14.52，P＜0.05），在W2F1 处理下，甜高粱PFP最高（43.39 kg/kg），W1F3 处理次之（36.27 kg/kg）。灌溉量对甜高粱PFP 影响不显著（F=2.56，P＞0.05）。施肥量对PFP 影响达到显著水平（F=13.95，P＜0.05），PFP 随施肥量的增加呈下降趋势，F1 处理甜高粱PFP最大（39.38 kg/kg），比F2 处理和F3 处理分别提高35.80%和53.95%。

2.4 不同水肥条件下甜高粱经济效益

甜高粱的产量收益、纯收益和产投比均存在显著差异（P＜0.05）（表6）。W1F3 处理下甜高粱产量收益、纯收益和产投比均最高（26 418.84 元/hm2、15 850.73 元/hm2和2.50%），且比其他处理显著提高21.65%～39.56%、38.40%～96.50%和17.92%～45.35%（P＜0.05），其中比最大灌溉施肥量处理组合W3F3分别提高30.84%、88.17%和45.35%。

表6 不同处理下甜高粱生物产量效益和产投比Table 6Yieldprofits and production investment ratio of sweet sorghumunder different treatments

3 讨论

3.1 水肥处理对甜高粱株高、茎粗及生物产量的影响

在作物生长发育的过程中养分和水分是不可或缺的物质基础，合理的水肥调控措施可以促进作物生长发育和生物产量的提升[25]。本研究表明，在不同水肥组合处理下，灌溉量对甜高粱株高、茎粗和生物产量的影响不显著，但施肥量显著影响株高、茎粗和生物产量，且水肥交互作用显著影响株高和生物产量。这说明施肥能够增加甜高粱株高和生物产量，并且其合理的水肥配比在水肥耦合作用下对甜高粱生物产量和株高的提升作用更为显著，这与董世磊[26]对新高粱的研究结果一致。王月福等[27]认为水肥过多过少均不利于作物产量提高，而且导致作物品质下降。本研究表明当灌溉量为6 000 m3/hm2（当地农户灌溉减量28.57%），施肥量为750 kg/hm2（当地农户正常施肥水平）时，甜高粱株高，茎粗和生物产量均达到最优，这与解婷婷等[21]对干旱区甜高粱种植中水肥管理研究结果基本一致。这说明在河西走廊区，适当减少灌溉量，优化水肥配比模式，从而有助于促进甜高粱生长发育和生物产量的提升。

3.2 甜高梁不同指标对生物产量的影响

作物的生长发育对生物产量的贡献率和作用方式具有重要的指示作用[28-29]。杨珍等[29]的研究表明，甜高粱生物产量与株高、茎秆干质量呈极显著正相关关系。本研究表明甜高粱株高、茎粗、节间数、茎秆干质量与生物产量显著的正相关，其中株高与生物产量相关性最强，达到极显著水平，说明甜高粱生物产量的增加主要是由于株高、节间数、茎粗和茎秆干质量性状共同作用的结果。这与王增丽等[30]研究结果一致。本研究发现出汁率对甜高粱干物质产生直接的负效应，这进一步说明出汁率与生物产量之间存在拮抗作用，出汁率的增大不利于甜高粱产量的提升。其余8 个指标对甜高粱生物产量的直接效应为正向作用，茎粗对甜高粱生物产量的直接效应最大，茎粗主要通过自身的直接正效应和株高、节间数的间接正效应来提高甜高粱生物产量，说明茎粗对生物产量的总效应受到其他指标的影响较大。其次是叶片数、株高和茎秆干质量，其中叶片数和茎秆干质量主要通过自身的直接效应对生物产量产生较强的影响，且叶片数和茎秆干质量对生物产量的直接作用远远大于其间接作用，表明叶片数和茎秆干质量对生物产量的总效应受其他指标的影响较小，是影响甜高粱生物产量的重要指标。综合相关分析和通径分析的结果表明，影响甜高粱生物产量的主要性状是株高、茎粗、叶片数和茎秆干质量，其不但与甜高粱生物产量相关系数较大，并对甜高粱生物产量的直接效应大于其他指标。因此，在关注水肥配比模式对甜高粱生物产量影响的同时，还要注重对茎粗、株高、叶片数和茎秆性状的栽培，并协调其他性状共同促进甜高粱生物产量的提升。

3.3 水肥处理对甜高粱灌溉水生产力（IWUE）和肥料偏生产力（PFP）的影响

作物栽培不仅要求获得较高产量，同时也要提高其水肥利用效率。在作物栽培模式中，合理的水肥制度能够提高灌溉水生产力和肥料生产力，实现节约水资源、降低土壤污染及增产等多重目标。适度的亏水灌溉可以提高灌溉水生产力[31-38]。本研究表明在不同水肥处理条件下，灌溉量对甜高粱IWUE 影响显著，且IWUE 随着灌溉量的增大而降低。其主要原因为：一方面过量的灌溉水将养分淋溶到甜高粱根层之外，根系难以吸收水分，且灌水量过大，土壤表层N、P等更容易下渗到深层土壤，造成根系生长环境的污染，容易诱发作物病变，不利于作物生物产量的提高，导致IWUE 下降[39]；另一方面在灌溉农田中土壤水分过高，植物根系的呼吸作用受到抑制，从而降低了植物对养分的吸收和利用，不利于生物产量的提升[36-37]，进而导致IWUE 的降低。本研究还发现虽然施肥量对甜高粱IWUE 的影响不显著，但适当的增加施肥量具有调水作用，通过“以肥调水”的途径也能促进甜高粱生物产量的提高，从而促进IWUE 的提高。在以往的研究中，施肥量对棉花[40-41]、番茄[42-43]和马铃薯[44]等作物的PFP 影响显著，本研究表明施肥量的增加显著降低PFP，说明降低施肥量反而有利于PFP 的提高。白珊珊等[45]研究表明水肥交互作用对小麦、玉米IWUE 和PFP 影响显著，这与本研究得出的在河西走廊边缘荒漠绿洲区水肥交互作用对甜高粱IWUE和PFP 影响均显著的结果相吻合。