不同降水年型地下滴灌追氮对玉米产量的影响

冯浩原，尹光华，马宁宁，谷健,3，曹秀佳，刘泳圻

(1. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016； 2. 中国科学院大学，北京100049； 3. 辽宁省农业科学院，辽宁 沈阳 110161； 4. 沈阳农业大学水利学院，辽宁 沈阳 110866)

水资源紧缺是世界性难题，尤其在农业方面更为突出.中国东北地区地处水资源较为缺乏的北方，近几十年农业水资源呈现逐年减少的趋势[1].辽西地区是辽宁省重要的玉米生产区[2]，该区域降水和地下水资源匮乏，而目前的农业灌溉方式多沿用沟灌，灌溉水没有得到高效利用，因此推广高效节水灌溉技术，对提高灌溉水的利用率和利用效率具有重要的促进作用.同时，该地区玉米生产中还存在着肥料施用过量、使用方式不够科学的问题.据调查，辽西地区农户氮肥施用量平均为393.3 kg/hm2，高于当地推荐标准[3].地下滴灌是一种高效的节水灌溉方式，通过将滴灌带埋设在地下一定深度，直接将水分供给作物根系、减少地表蒸发，并利用水分将养分输送到根层，提高养分的利用效率[4].目前，国内外关于地下滴灌对提高水肥利用方面的研究已有一些成果.UMAIR等[5]认为相较于漫灌和地表滴灌，地下滴灌条件下冬小麦的蒸散量分别降低了26%和15%.EVETT等[6]在美国得克萨斯对比地下滴灌和喷灌对玉米产量的影响时发现，地下滴灌玉米比喷灌省水50～150 mm，产量比喷灌高19%.黄鹏飞等[7]发现，交替地下滴灌节水效果显著，能够大幅度降低灌溉定额，同时玉米产量下降不明显.但也有学者持不同意见，TARKALSON等[8]分析了地下滴灌条件下施氮对玉米生长的影响，结果显示施氮对玉米产量没有显著影响.

可见，地下滴灌在美国等地的研究和应用相对成熟，具有较好的节水节肥增产效果.但总体而言，地下滴灌灌溉追氮的相关研究还多是基于2～3 a的试验结果，研究结论在不同的区域、土壤类型条件下略有不同，且对于长期地下滴灌，尤其是针对不同降水年型对作物产量的影响还有待深入研究.因此，本研究以连续7 a实施的地下滴灌追氮长期定位试验平台为基础，探讨自然降水条件下不同降水年型地下滴灌追氮对玉米产量的影响，提出不同降水年型适宜的水氮施用模式，可为东北干旱、半干旱地区地下滴灌技术的应用提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013—2019年开展，试验区位于辽宁省西部的阜新蒙古族自治县(121°01′～122°56′E，41°41′～42°56′N)，该县平均海拔235 m，年平均气温7.1～7.6 ℃，生育期平均气温为20.2 ℃，10 ℃以上积温3 298.3 ℃，无霜期144 d，年日照时数2 865.5 h，生育期日照时数1 295.7 h，年均降雨量493.1 mm，年均蒸发量1 847.6 mm.试验区土地质地为砂壤土，田间持水量为23%，土壤pH值为6.2，有机质含量为18.0 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，碱解氮含量98.2 g/kg.

1.2 试验材料与设计

采用大田试验，完全组合设计.试验设置滴灌量和追氮量2个因素，3个水平，共9个处理，如表1所示，表中TLA为总滴灌量，TNS为总追氮量.重复3次，小区面积20 m×12 m.滴灌量以膜下滴灌1次滴灌量45 mm(沟灌量60 mm的3/4)的80%为中位值，±12 mm为上下限；追氮量以常规追氮量300 kg/hm2的80%为中位值，±120 kg/hm2为上下限设置.供试作物为玉米，品种选用密植品种，播种期沟施复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)450 kg/hm2，滴灌灌水量分拔节期、抽雄期及灌浆期3次等量实施，氮肥采用尿素，追氮量按拔节期总量的1/2，抽雄期1/4,灌浆期1/4随滴灌进行追施.采用地下滴灌方式，滴灌带埋设在2行玉米中间，行间距为1 m，埋深20 cm，滴灌带选用大禹节水(天津)有限公司生产的鸭舌式滴灌带.试验期内滴灌带没有更换，经检查滴灌带应用良好，除取土失误造成少量破损外基本完好(破损处即时修补完善)，滴灌带可以正常出水，可以保证灌水和追肥的实施.

表1 不同处理的水氮用量

1.3 观测项目与方法

1.3.1 降水量数据

降水量数据来源于国家农业环境阜新观测实验站.

1.3.2 降水年型的划分

采用国内常用的干旱指数法进行降水年型的划分.干旱指数计算公式[9]为

(1)

试验期各年生育期降水量见表2，根据降水量可以将年型划分为枯水年5 a，分别为2014,2015,2016,2017和2018年，平均降水量296.1 mm；丰水年2 a，分别为2013年和2019年，平均降水量516.1 mm.

表2 不同年份生育期降水量及干旱指数

1.3.3 测产

收获时测定每小区中间4行10 m的籽粒产量，折算为公顷产量(籽粒含水14%).

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016和R 3.6.1统计分析软件进行数据整理和统计分析，采用Microsoft Excel 2016进行绘图，选用LSD法进行显著性分析.

2 结果与分析

2.1 总体分析

不同降水年型不同处理玉米的产量Y如图1所示，不同降水年型之间玉米产量具有明显的差异，丰水年总平均产量较枯水年高10.8%，仅高水低氮(W3N1)和高水高氮(W3N3)2个处理在不同降水年型间差异不具有统计学意义.其他处理间丰水年产量均显著高于枯水年(P<0.05)，表明枯水年提高滴灌量可以有效促进产量的增长，其高水(W3)处理的产量可以与丰水年的产量相当.

图1 不同降水年型不同处理的产量

分别将滴灌量和追氮量2个因素在不同降水年型对产量的影响进行对比，结果如图2，3所示.

图2 不同降水年型不同滴灌量下的产量

由图2可知，不同降水年型产量均随着滴灌量的增大而提高，但丰水年低水(W1)与中水(W2)、中水(W2)与高水(W3)水平之间产量均没有显著提高，仅高水(W3)处理的产量显著高于低水(W1)处理，这说明丰水年相邻的滴灌水平之间没有显著的增产效果.而在枯水年相邻滴灌水平间增产效果显著，中水(W2)比低水(W1)增产5.8%，高水(W3)比中水(W2)增产5.3%.以上结果表明枯水年滴灌的增产效果优于丰水年.

由图3可知，不同降水年型下产量均随着追氮量的增大呈先升高后降低的变化趋势，存在最大值.丰水年产量随着追氮量的增加先提高7.7%，后降低2.6%，提高和降低效果均显著；枯水年产量先增加5.0%，后减少1.1%，但提高和降低效果均不显著，表明不同降水年型产量随追氮量的增大变化趋势接近，但丰水年追氮量变化对产量的影响效果要优于枯水年.

图3 不同降水年型不同追氮量下的产量

2.2 枯水年产量显著性分析

2.2.1 总体趋势

对不同滴灌量和追氮量下的产量进行显著性分析，枯水年滴灌量对产量影响效果在0.01水平下具有统计学意义(F=83.59>F0.01(2,18)=6.01)，水氮交互作用影响在0.01水平下具有统计学意义(F=5.82>F0.01(4,18)=4.58)，追氮量因素影响在0.05水平下不具有统计学意义(F=2.99

2.2.2 滴灌量的影响

对滴灌量因素进行多重比较，发现枯水年不同滴灌水平间差异较大，产量随滴灌量的提高显著增大，高水(W3)水平较低水(W1)水平产量增幅可达到11.4%，表明枯水年滴灌有明显的增产效果，高水(W3)水平为适宜滴灌量水平.

2.2.3 追氮量的影响

对追氮量因素进行多重比较，发现枯水年不同追氮处理间产量差异不具有统计学意义，即追氮量从高氮(N3)水平降至低氮(N1)水平产量不会有显著的降低，说明枯水年适当减少追氮是可行的措施.这样既降低了生产投入、节约成本，又可以避免由于过量施氮导致的硝态氮淋溶污染和温室气体排放，具有很高的经济价值和环保意义.

2.2.4 水氮互作的影响

在相同滴灌量下对比不同追氮量之间的产量，显著性差异如表3所示.发现产量在高水(W3)和中水(W2)水平随着追氮量的增大变化不显著，仅在低水(W1)水平差异具有统计学意义.在不同追氮水平下对比不同滴灌量处理间的产量，可以发现不同追氮水平下产量均随着滴灌量的增大而提高，但仅在高氮(N3)水平和低氮(N1)水平下差异具有统计学意义，中氮(N2)水平下差异不具有统计学意义.这可能是因为低氮条件下提高滴灌量减轻了由于缺氮造成产量下降的情况，而高氮条件下提高滴灌量则促进了氮肥效果的发挥，使得不同滴灌量处理间产量差异具有统计学意义.

表3 枯水年不同处理产量显著性差异比较

根据以上分析，滴灌量越大产量越高，高水(W3)水平可以获得最高产量，且高水(W3)水平条件下不同追氮处理间差异不具有统计学意义，说明高水低氮(W3N1)、高水中氮(W3N2)和高水高氮(W3N3)3个组合均可获得较高产量，但从节约氮肥资源的角度出发，可得高水低氮是枯水年适宜的水氮配比模式(即处理W3N1).

2.3 丰水年产量显著性分析

2.3.1 总体趋势

对不同滴灌量和追氮量的产量进行显著性分析，丰水年滴灌因素对产量的影响效果在0.05水平下具有统计学意义(F=4.41>F0.05(2,18)=3.35)，追氮因素在0.01水平下具有统计学意义(F=26.19>F0.01(2,18)=6.01)，而水氮交互作用不具有统计学意义(F=0.59

2.3.2 滴灌量的影响

对滴灌量因素进行多重比较，发现丰水年产量随滴灌量的增加而上升，但低水(W1)水平和中水(W2)水平间差异不具有统计学意义，中水(W2)水平和高水(W3)水平间差异不具有统计学意义，仅在高水(W3)水平和低水(W1)水平间差异具有统计学意义.虽然丰水年灌溉依然具有增产效果，但是从低水(W1)水平补充灌溉24 mm水分产量增幅也仅为3.0%，灌水增产效果不佳.若将滴灌量从高水(W3)水平降低至中水(W2)水平，产量不会有显著降低，但再降低至低水(W1)水平产量则会出现显著降低，所以中水(W2)水平为适宜的灌溉量.

2.3.3 追氮量的影响

对追氮量进行多重比较，发现丰水年追氮对产量的影响显著，产量先随着追氮量的增加显著上升，后随着追氮量的增加显著下降，但高氮(N3)水平的产量依然显著高于低氮(N1).表明丰水年适量追氮即有明显的增产效果，但在中氮(N2)水平之上再增加氮肥对产量的增长会出现抑制效果.虽然高氮(N3)水平相对于低氮(N1)水平依然有显著的增产效果，但增氮量与增产量之比远低于仅把追氮量提高到中氮(N2)，因此丰水年中氮(N2)水平是获得最高产量所需的适宜追氮量.由以上分析可知，丰水年中水(W2)水平为适宜的滴灌水平，中氮(N2)水平为适宜的追氮水平，水氮之间的交互作用对产量影响不具有统计学意义，即丰水年适宜的水氮配比为中水中氮(即处理W2N2).

2.4 枯水年产量年际差异分析

图4为枯水年不同处理的产量年际差异.由图可知，不同处理产量在枯水年年际间有一定的差异.其中2018年低水处理的产量相对小于其他枯水年同一处理水平；2015，2016和2017年不同处理产量大致接近，而2014年不同处理的产量均高于其他枯水年.同为枯水年型，产量出现较大差异的原因在于不同年际间气候条件不完全相同.有研究发现，在玉米抽雄期日平均气温大于27 ℃的天数和降水量小于10 mm的天数与产量之间有显著的负相关关系[2].2018年本试验区玉米生育期降雨量仅为268.3 mm，为5个枯水年中降水量最低的一年；抽雄期日平均气温高于27 ℃的时间长达连续8 d，且此期间降水量为0.高温干旱导致低水处理授粉不良，最终减产.2018年产量随着滴灌量的增加有明显的提高，中、高水处理的产量与其他枯水年相同处理的产量相近，说明地下滴灌在极端干旱条件下对玉米稳产有显著效果.2015，2016和2017年生育期降水量分别为281.1，304.6，298.5 mm，较为接近.抽雄期出现日均气温大于27 ℃的天数分别为3，5，3 d，天数接近，故这3 a年际间不同处理的产量差异不明显.2014年生育期总降雨量为327.9 mm，为试验期限内枯水年最高；抽雄期虽然降水量为0，但日均气温大于27 ℃的天数仅为2 d，日最高气温大于31 ℃的天数为7 d，相比于其他枯水年干旱程度均偏低，故其产量高于其他枯水年.

图4 枯水年不同处理的产量年际差异

2.5 丰水年年际差异分析

丰水年不同处理产量如图5所示.由图可知，不同丰水年年际产量也有一定差异，尤其是高水处理，2019年产量明显高于2013年.2019年生育期降雨量为568.3 mm，高于2013年的463.9 mm，且2019年不同的生育阶段均有充足的降水，而2013年在抽雄期出现了连续的干旱缺水状况，这种干旱状况影响了授粉，所以2019年产量高于2013年.

图5 丰水年不同处理产量间年际差异

3 讨 论

水分是影响玉米产量的重要因素，水分亏缺会导致产量下降[10].本研究中，丰水年产量随滴灌量的提高而增大，但提高效果不及枯水年，这是因为虽然按照生育期总降水量的大小划分为丰水年，而在不同的生育阶段降水分布并不均匀，如在丰水年2013年的灌浆期降水量多，而抽雄期降水量少，出现了拔节期的阶段性缺水现象，此时补充灌溉就起到了水分在关键期的衔接和过渡作用，所以水分较多的丰水年滴灌对产量也表现为提高效应.这与MURLEY等[11]在美国俄克拉荷马州研究降水较多年份中地下滴灌对玉米产量影响的结论一致.袁江杰等[12]在内蒙古赤峰研究自然降水条件下地下滴灌玉米对产量的影响，该试验中设置滴灌量与降水量之和(T70为326.0 mm，T85为360.1 mm，T100为386.8 mm)与本研究中枯水年相近(W1为320.1 mm，W2为332.1 mm，W3为344.1 mm)，结果表明产量随滴灌量的增大显著提高，与文中结论一致.

氮素是作物生长发育重要的营养元素，但是氮素亏缺和盈余均不利于作物高产[13].在不同的降水年型下，氮素对于产量的影响效果也有差别.周怀平等[14]认为，枯水年水分是玉米的主要限制因子，施肥的增产效果不明显，有时可能会出现负效应，此结论与本研究的结果相似.美国的TARKALSON等[15]也证实在半干旱区用地下滴灌的方式追氮可以显著提高玉米的产量.张冬梅等[16]在不同降水年型施肥对玉米产量的研究中发现，丰水年产量随施氮量的提高而提高，而本研究中玉米产量随追氮量的提高先增后降，这可能是因为地下滴灌将氮肥直接送至玉米根区，玉米对于氮素供应的响应效果更为敏感，氮肥施用量过多时会迅速表现出产量降低的效应，而在张冬梅等的研究中氮肥为春季一次性全部作为基肥施入，玉米对氮素的吸收效率较地下滴灌的供氮方式低，所以产量没有能够表现出下降的趋势.

4 结 论

本试验作为长期定位试验，把试验年限划分为不同的降水年型，分别探讨产量效应和适宜的水氮施用模式，对试验区的玉米节水生产有重要的指导意义.本研究表明，不同降水年型下玉米产量均随地下滴灌量的增加而提高，枯水年的提高效果大于丰水年；产量均随着追氮量的增加先提高后降低，丰水年的增加幅度大于枯水年.不同降水年型适宜的水氮施用模式为播种期沟施复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)450 kg/hm2后，在枯水年滴灌48 mm、追氮120 kg/hm2，丰水年滴灌36 mm、追氮180 kg/hm2.滴灌在拔节期、抽雄期及灌浆期3次等量实施，追氮按总追氮量在拔节期1/2、抽雄期1/4及灌浆期1/4随滴灌实施.