水氮耦合对黑龙江省高粱干物质积累量及耗水规律的影响

李方豪 纪鸿飞 李翔鹏 聂堂哲

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

引言

高粱具有较强的抗旱、耐涝、耐盐碱、耐贫瘠、耐高温等抗逆特性，属于C4作物，光合效率高，生物产量高，可在干旱、盐碱和瘠薄的边际土地上种植，被认为是最具开发潜力的粮饲作物和能源植物[1]。目前，中国高粱主要有东北、华北、西南3大主产区，其中，东北、华北主要是粳高粱生产区，种植面积41.6万hm2；西南主产区主要是糯高粱产区，近年来，在茅台、五粮液、泸州老窖、郎酒等知名酒企的拉动下迅猛发展，种植面积从1978年的8.7万hm2增至2018年21.0万hm2，占全国种植面积比重从2.5%发展到29.6%。中国高粱3大主产区生产集中度进一步增加，种植面积从占全国58.3%到增至目前的88.2%[2]。

化肥是粮食的“粮食”，多年的实践表明，施用化肥是提高粮食单产的重要途径之一[3]。对于所有的发展中国家而言，化肥投入是提高农产品产量的重要手段之一[4]。据联合国粮农组织的统计，化肥投入对世界粮食产量的贡献率为40%～60%。中国的情况也是如此，1978—2006年中国的化肥投入对粮食产量增加的贡献率达到57%[5]。然而，不断增加的化肥投入在保证我国粮食安全的同时，也面临着在化肥施用过程中由于化肥施用过多以及结构不合理等因素造成的化肥流失率过高、面源污染扩大、粮食产出弹性减少、增产效应下降等问题。数据显示，目前中国的化肥施用强度已达到世界平均水平的1.6倍以上[6]。因此，如何科学施肥、保持合理的化肥施用强度使得化肥在粮食生产中的正面作用最大化，对于提高粮食生产效益具有重要的现实意义[3]。

人类社会持续发展的最基本支撑点是水资源的可持续利用与粮食安全保障。但水资源紧缺是一个世界性的问题，水资源高效利用与保护已成为当前全球关注的热点。为满足人口持续增长和生活水平改善的需要，农业生产的规模和强度在过去几十年中迅速扩大，干旱缺水和水污染已成为世界农业可持续发展和粮食安全保障的重要制约因素。农业是最主要的用水部门，消耗了全球总用水量的70%，因此，农业水资源的高效利用是水资源高效利用的核心。充分认清目前及未来面临的水资源安全和粮食安全形势，找准农业水资源高效利用的核心问题，明晰粮食生产中不同尺度的水循环转化规律与消耗机理，通过科技进步与管理改革提高水的利用效率，改善水环境是解决当前水危机并保障农业可持续发展与粮食安全的根本途径[7]。

因此，在人口日益增长带来的巨大粮食需求压力以及水资源紧张等问题背景下，应该尝试通过不同的水氮耦合试验寻求对高粱生长的影响。但现阶段黑龙江省水氮耦合试验主要局限于玉米、大豆等大作物，少有涉及高粱等小作物，近年来，在许多知名酒企的拉动下，高梁在我国的种植面积有增加的趋势。本研究成果有助于在黑龙江省中部地区推广更大面积地种植高粱，以便为农民带来更高的经济效益。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本次试验于2021年5月19日播种，于2021年9月中下旬进入成熟期。试验田地处黑龙江省哈尔滨市香坊区信义村(E126°44′31.60″，N45°44′4.65″)，属中温带大陆性季风气候，全年平均气温5.6℃，最高月平均气温23.6℃，最低月平均气温-15.8℃，冬长夏短，土壤类型为黑钙土。全年降水量423mm，主要集中在6—9月，无霜期天数168d，年均≥10℃的积温为2757.8℃。

1.2 试验设计

本试验在大田环境下以高粱作为研究对象，试验采用完全组合设计，试验因素分别为氮肥施用量和灌水量，氮肥施用量设置3个水平，灌水量设置2个水平。各试验处理见表1，共6个处理，每个试验处理重复3次，共18个小区，试验采用随机区组排列。试验高粱品种为“龙杂22”，生育期115d，各试验小区采用65cm垄宽，垄上条播，株距20cm，播种量1kg·667m-2，保苗2万株·667m-2。各试验小区均施入磷肥(P2O5)75kg·hm-2、钾肥150kg·hm-2作为种肥，施肥时种子与肥保持3～5cm距离，防止烧种。氮肥1/3随种肥施入，剩下2/3氮肥在拔节期施入，追肥应在根侧7～10cm，深度8～10cm。灌灌方式为滴灌，滴灌带为贴片式滴灌带，每个小区配置1个水表和施肥罐，用以控制灌水量和追肥，全生育期内共灌水2次，分别为拔节期和灌浆期，2次灌水定额为1∶1。

表1 各试验处理表

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质积累量

取拔节期、半花期和灌浆期植株样本，每小区5株，在烘箱里经过105℃杀青30min后，用65℃的温度持续烘干8h，将烘干后的高粱分离出地上部分各器官(茎、叶、鞘、穗)，并分别称重。

1.3.2 产量

于生理成熟期进行高粱产量测定，采用对角线原则从各小区中随机选择5个测点，每点连续选5株高粱测其千粒鲜质量和每穗鲜质量。将高粱籽粒剥离后置于105℃干燥箱中干燥8h以上，在干燥箱中冷却至质量恒定，用精度为0.01g的天平称量千粒干质量。各小区产量Y(kg·hm-2)计算公式：

Y=W1/W2W3N

(1)

式中，W1为高粱千粒干质量，g；W2为高粱千粒鲜质量，g；W3为单株高粱平均穗质量，g；N为每公顷高粱株数。

1.3.3 水分利用效率

在生育期内，用土钻每4～7d钻取各小区不同土层土壤样本(每隔10cm土层即钻取1次，每小区均钻取0～60cm土壤)，放入烘箱中烘干，称量烘干前后的土壤样本重量，降雨前后加测，利用称重法计算土壤含水率。利用农田水分平衡方程计算高粱消耗水量。

作物耗水量(ETc，mm)计算公式：

ETc=P+I+ΔW-R-D

(2)

式中，P为降雨量，mm；I为灌水量，mm；ΔW为土壤水分变化量，mm；R为地表径流，mm；D为渗漏量，mm。

水分利用效率(WUE，kg·m-3)计算公式：

(3)

式中，Y为试验小区单位面积产量，kg·hm-2；ETc为单位面积上实际测算的蒸发蒸腾量，mm。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0进行试验数据处理。

2 结果与分析

2.1 高梁各生育期干物质积累量

2.1.1 高梁拔节期干物质积累量

表2为各处理高粱拔节时期干物质积累情况，这一时期的叶片是高粱干物质积累的主要器官，各处理中叶片的干物质积累量均占高粱地上部分干物质积累总量的50%以上。其中叶片的干物质积累最大值为处理2(80kg·hm-2，444m3·hm-2)，鞘的干物质积累最大值为处理4(150kg·hm-2，887m3·hm-2)，而茎的干物质积累最大值为处理2。叶片的干物质积累最小值为处理6(未施氮肥)，鞘的干物质积累量最小值为处理3(未施氮肥)，茎的干物质积累量最小值为处理6。对于高粱地上部分干物质积累总量，最大值出现在处理2，最小值为处理3。

表2 拔节期干物质积累情况

2.1.2 高梁半花期干物质积累量

表3为各处理高粱半花时期干物质积累情况，这一时期的茎是高粱干物质积累的主要器官，各器官中各处理的干物质积累最大值均为茎。高粱茎节的伸长从拔节开始，拔节后茎杆伸长加快，挑旗抽穗时则生长最快。在半花期，各处理中高粱叶片的干物质积累最大值为处理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)，最小值为处理6(未施氮肥，887m3·hm-2)，处理1叶片的干物质积累量比处理6大47.6%，有显著性差异。各处理中高粱鞘的干物质积累最大值为处理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)，最小值为处理3(未施氮肥，444m3·hm-2)，两者差异性显著。对于茎，在灌水量都为444m3·hm-2时，处理1、处理2、处理3(施氮量不同)之间茎的干物质积累量差异性均较显著。其中，高粱茎的干物质积累量最大值为处理1(150kg·hm-2)，最小值为处理3(未施氮肥)。对于地上部分干物质的积累总量，最大值为处理1，最小值为处理3。当施肥量都为150kg·hm-2时，处理1(444m3·hm-2)地上部分干物质积累总量比处理4(887m3·hm-2)大16.9%，当灌水量都为444m3·hm-2时，地上部分干物质积累总量随着施氮量的增加而增大(处理1>处理2>处理3)。

表3 半花期干物质积累情况

2.1.3 高梁灌浆期干物质积累量

表4为各处理高粱灌浆时期干物质积累情况，这一时期高粱的籽粒开始迅速膨大饱满，而高粱的其他器官基本停止生长发育，所以这一时期的穗是高粱干物质积累的主要器官，其他器官的干物质积累无显著性差异。相比于半花期，灌浆期高粱穗的干物质积累量有了较大的提升。由表可知，灌浆期高粱穗的干物质积累最大值出现在处理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)，最小值出现在处理3(未施氮肥，444m3·hm-2)。

表4 灌浆期干物质积累情况

2.2 高梁各生育期耗水规律

2.2.1 高梁各生育期日耗水强度

根据高粱各个生育期所消耗的水量和时长，可以得到高粱各生育期日耗水强度。

由图1可知，在高粱整个生育期，同一处理的耗水量均为先增大后减小的趋势，高粱的日耗水强度与日照时间、温度升高、降雨和高粱的叶面积等因素有关[12]。高粱的光合作用加大，所需要的水量也在增加。当高粱处在苗期阶段时，此时的高粱叶面积覆盖率低地表直接暴露在阳光照射之下，其耗水主要来源为地表蒸发部分，日耗水强度较小，各处理耗水强度相差不大。当高粱进入拔节期之后，高粱的生长速率和营养吸收速率达到最大值。此时由于高粱叶面积的增大、降雨量增多、气温逐渐升高、光照强度增加，高粱的耗水强度迅速增大，日耗水强度达到高峰。当高粱进入半花期后，由于高粱叶面积基本定型，温度较高、降雨较少，高粱的日耗水量有所下降。拔节期和半花期是高粱生长和生殖的重要时期，如果水分的供应不充分，就会阻碍高粱的正常生长和结实，甚至导致产量下降。当高粱进入灌浆期后，此时气温较高、降雨较少，但由于灌水的原因，高粱灌浆期不同处理的日耗水强度维持在半花期时的日耗水强度或略微上升。当高梁进入成熟期后，高粱日耗水强度进一步减小，此阶段日照变短、温度降低，植株蒸腾、蒸发和光合作用开始减少，作物生长趋于停止。此后，高粱的日耗水强度降持续减小，直至高粱收获。

图1 高粱全生育期内日耗水强度趋势

2.2.2 高梁各生育期水分利用效率

不同水氮管理下高粱水分利用效率如图2所示。高粱的水分利用效率受产量和耗水量的共同影响[14]。处理4(150kg·hm-2，887m3·hm-2)的水分利用效率最大为3.87kg·m-3，处理2(80kg·hm-2，444m3·hm-2)的水分利用效率最小为3.11kg·m-3。当施肥量都为150kg·hm-2时，处理4的水分利用效率大于处理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)；当灌水量充足为887m3·hm-2时(处理4、处理5和处理6)，随着氮肥施用量的增加水分利用效率也随着增大(处理4>处理5>处理6)。当不施氮时(处理3和处理6)，其之间的水分利用效率关系为处理3(灌水量444m3·hm-2)>处理6(灌水量887m3·hm-2)。

图2 不同处理高粱水分利用效率

3 讨论

高粱植株总干物质积累量和各个不同器官的干物质积累量存在不同差异，高粱各个器官的干物质积累量在不同生长时间也存在不同的差异[8]。在高粱生长前期干物质的积累主要是发生在根、茎和鞘，高粱进入半花期后干物质的积累主要是发生在穗等营养器官。在高粱拔节期，施加氮肥的处理各器官干物质积累量均比未施氮的处理要大。这说明在高粱拔节期氮肥对高粱各器官及地上部分总干物质积累的影响有显著差异，施加氮肥有利于高粱的干物质积累。高粱进入半花期后，高粱的叶片干物质分配比例降低，高粱茎的干物质分配比例增大。高玮[9]等研究得到随着生育时期的推进，饲用高粱叶片干物质分配比例逐渐降低，茎的干物质分配比例先增加后降低，这与本试验研究结果一致。在灌水量相同时，处理1、处理2、处理3(灌水量都为444m3·hm-2但施氮量不同)之间茎的干物质积累量差异性均较显著。这说明在半花期高粱茎的生长对氮较为敏感，不同施氮量对茎的干物质积累有显著影响。施氮量越大，高粱的茎干物质积累量越大，这表明施氮有利于高粱茎的干物质积累[10]，而未施氮肥对高粱茎的干物质积累有显著的抑制作用。处理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)在半花期时，无论是高粱各器官还是地上部分干物质积累总量均为各处理中的最大值。因此，可以初步得出适量的灌水和较高的施氮量更利于高粱的生长发育，过低的施氮量和较高的灌水量不利于高粱的生长发育[11]。在灌浆期当控制灌水量相同时，氮肥对于高粱穗的干物质积累量有显著的影响。

水分利用效率(WUE)是指作物在生产过程中，每消耗单位水分所产生的同化的物质的量，是作物干物质积累和耗水关系的反映。以作物在生产过程中的耗水量作为水分投入量，以产量作为产出，此时计算出的值为水分利用效率[12]。WUE反映了作物生产过程中单位水分的能量转化效率，是评价作物水分管理方案的重要指标之一[13]。在施氮量相同是，增加灌水量并不能显著提高水分利用效率，反而会造成水资源的浪费，甚至增加肥料氮素的流失风险。由此可见，提高灌水量虽然能适当增加作物产量，但更多的是造成水资源的浪费，这一结论和尚文彬[8]等结论相同。以上可得，适宜的水氮管理模式可以在保证产量可观的前提下适当减少灌水量从而避免水资源的浪费达到节约水资源的目的。

4 结论

合理施氮是提高高粱干物质产量及水分利用效率的重要措施。田间试验表明，高粱在拔节期干物质积累主要在叶片，半花期干物质积累主要在茎，灌浆期干物质积累主要在穗。施加氮肥有利于高粱各器官及地上部分总干物质的积累。当施氮量为150kg·hm-2时，高粱各器官干物质和地上部分总干物质量均达到最大。处理4(150kg·hm-2，887m3·hm-2)的产量和水分利用效率均为最大。因此，综合干物质产量及水分利用效率，初步得到150kg·hm-2为黑龙江省中部高粱栽培的适宜氮肥用量。