灌溉方式和施肥量对小麦产量及水肥药利用的影响

田德龙，侯晨丽，2，任 杰，郝 蕾，2，李泽坤

（1.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

0 引言

小麦作为世界三大粮食作物之一，全世界超过1∕3 的人口以小麦为主食[1]，在粮食生产中占据重要的地位。从我国种植面积和年产量来看，小麦种植面积占全国粮食作物种植面积的1∕5以上，其产量占全国粮食总量的22%左右。目前，小麦生产中主要的灌溉方式仍是传统的大水漫灌和畦灌，灌水定额大，水分利用效率低，水资源浪费严重[2]。同时，农业生产中普遍存在农作物过量施氮情况，不仅对作物增产效果不显著，还导致盈余的氮素在土壤积累甚至渗漏到地下水，增加农业面源污染风险[3]。精确的灌溉和施肥可以促进小麦的生长，有利于小麦产量和品质的提高。比较各类灌溉方式，滴灌具有节水、提高肥料利用效率和增效等优势，对水资源缺乏地区的农业高产和可持续发展具有不可忽视的重要作用[2]。近年，滴灌水肥一体化技术被广泛应用，根据作物的生长需求随时调整肥料用量，以液体肥的形式将肥料滴在作物根系区域，减少土壤对养分的固定，提高肥料利用率增产效果显著[2,5]。研究表明与传统化肥基施相比，马铃薯水肥一体化的施肥模式下产量最高且能增加0～20 cm 耕层土壤有机质及有效态氮、磷、钾含量[7]。但水氮供应量过量或者不足，互作优势减弱。因此，优化水肥综合利用是提高作物产量和水肥利用效率的必要措施。

此外，杂草也是威胁小麦安全生产的重要因素，当杂草的发生和危害面积占种植面积达到50%以上后，会严重影响小麦产量和品质[8,9]。化学除草是小麦田杂草防除的主要措施，小麦播后早期土壤封闭处理不仅是控制杂草发生危害的有效措施，也是推进农药减量控害的重要手段[8]。陈翠竹等[10]通过对比得出相比于漫灌条件，滴灌条件施药能够使两个百合品种的生育期提前，同时能够降低发病率、延迟发病时间、降低最大病虫害。然而，在农药施加过程中，只有约5%发挥作用，超过80%的农药最终会进入土壤，残留在土壤表层的农药在径流、淋溶及挥发等途径进入到地表水、地下水和大气环境，对环境造成污染[11]。李泽霞等[12]报道称不同灌溉方式导致进入土壤中的水分运动方式的不同，使得土壤保水保肥、养分传输以及透气持水和溶解矿质元素的性能发生改变，而土壤特征及养分的变化对土壤中残留农药的吸附作用、迁移转化具有影响[11]。目前，不同灌溉方式、施肥量对作物产量及水肥利用效率研究较多[5,6,10]，有关不用灌溉方式和施肥量对土壤残留农药迁移研究较少。因此，本研究探究滴灌和畦灌灌溉方式下小麦氮素、农药分布以及对产量及水肥利用效率的影响，旨在为小麦合理灌溉和土壤环境污染防治提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020 年3-7 月在内蒙古河套灌区永济灌区双河镇进步村（40°41'N，107°18'E）进行，该地阳光充足，热量丰富，年均气温7 ℃，年均日照时数3 222 h，无霜期120 d，降雨少，蒸发强度大，多年平均降雨量仅为188 mm，多年平均蒸发量高达1 900 mm，属于典型干旱缺水型地区。试验区土壤以粉砂壤土为主，土壤容重为1.43 g∕cm3。小麦播种前耕层（0～40 cm）土壤有机质质量比平均为14.03 g∕kg，全氮质量比平均为0.84 g∕kg，全磷质量比平均为0.82 g∕kg，全钾质量比平均为26.04 g∕kg。

1.2 试验设计

供试作物小麦（品种：永良4 号），播种方式为条播，播种量为450 kg∕hm2。设置两种灌水方式滴灌、畦灌。滴灌小麦灌溉定额为：2 700 m3∕hm2，畦灌小麦灌溉定额为：4 200 m3∕hm2，施肥量设置3 个处理，分别为高产施氮肥量的100%、80%、60%，试验处理见表1。畦灌和滴灌追肥分别施入尿素和液体肥（厂家：玉稼兴乡喜液体配肥站，品牌：乡喜液体配方肥），液体肥配方及施肥量见表2。滴灌灌水方式：小麦整个生育期共灌水7次，灌水周期为10 d；畦灌小麦生育期共灌水4次，灌水时间与追肥时间一致。小麦播种前，施入基肥农家腐熟有机肥用量3.75～4.50 万kg∕hm2，磷酸二铵300 kg∕hm2，复合肥263 kg∕hm2。灌水量均采用水表控制（精度：0.001 m3）。试验共6 个处理，每个处理3 次重复，各处理小区长50 m、宽7 m，处理间设有50 cm 宽的隔离带。追施液体肥在不同生育期施入，分别为分蘖初期10%、分蘖中后到开花期65%、开花期到灌浆成熟期25%，。传统畦灌追肥分4 次在不同生育期施入，分别为分蘖期20%、拔节期30%、抽穗期30%、灌浆期20%。滴灌施肥采用既可高效利用肥料又可避免滴头堵塞的模式，即前1∕4 时间灌清水，中间1∕2 时间打开施肥罐施肥，后1∕4时间再灌清水冲洗。

表1 不同处理灌水、施肥量情况Tab.1 Irrigation amount and fertilizer application amount under different treatment

表2 小麦液体肥追肥配方及施肥量Tab.2 Liquid fertilizer formula and fertilizer application rate of wheat

农药处理：为控制小麦生育期杂草过盛生长的危害，小麦苗期-分蘖期茎叶处理选用56%二甲四氯钠450 g∕hm2+10%苯磺隆225 g∕hm2的混合除草剂，方式为人工喷施。

1.3 试验测定内容及方法

土壤含水率和氮素：采用烘干法测定土壤含水率。生育期内每10 d 左右取样1 次，灌水降雨前后加测，每个处理均3次重复，用土钻在田间分层采集0～100 cm 土层土样，分为0～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm，共5 层。另外，取出的一部分土样阴干、碾碎、过1 mm 筛进行土壤硝态氮测定，土壤硝态氮采用紫外分光光度计测定。

小麦产量：成熟期每个小区选取1 m2样方，选取样方中10 株长势均匀的小麦，测定10 株小麦株高、穗质量，取平均值。每个小区样方留茬10 cm 收割，单打单收，风干籽粒后称百粒质量、穗数与产量，并折算成每公顷产量。

水分利用效率计算公式为：式中：WUE为水分利用效率，kg∕（hm2·m3）；Y为产量，kg∕hm2。

氮肥偏生产力计算公式为：

式中：Y为单位面积产量，kg∕hm2；F为单位面积氮肥投入量，kg∕hm2。

2 试验结果分析

2.1 不同灌溉条件下施氮量对小麦生长、产量的影响

表3为不同灌溉方式及施肥量条件下小麦产量及构成要素情况，由表3可知。滴灌和畦灌条件下株高随施肥量增加而增加，但中肥和高肥处理无显著差异（p＜0.05）。滴灌条件下植株干物质量平均为1.04 g∕株，较畦灌下降10.51%，但单株穗重较畦灌平均提高3.85%。畦灌条件下FZ3 处理单株穗重为2.71 g，显著高于其他处理（p＜0.05）。滴灌条件下植株茎叶干物质输出率和干物质转化率随施肥量呈先增加后减小变化，较DZ1 和DZ3 处理，DZ2 处理干物质输出率平均增加19.02%、33.61%；干物质转化率平均增加5.02%、8.85%。相较于滴灌，畦灌条件下植株茎叶干物质输出率和干物质转化率显著降低，分别平均下降8.2%和14.01%，不同施氮处理中，FZ1 处理氮素利用更加彻底，茎叶干物质输出率及转化率最高。整体来看，小麦产量随施肥量的增加而增加，滴灌小麦产量依次提高2.0%、15.28%，最大产量达8 699.95 kg∕hm2；畦灌产量依次提高1.81%、2.34%。然而，滴灌条件下小麦千粒重、产量显著高于畦灌（p＜0.05），较畦灌平均分别增加13.74%、7.09%。综上，滴灌在节水、节肥的同时提高了小麦茎叶干物质输出率及转化率，进而提高了籽粒重和产量。

表3 不同灌溉方式及施肥量条件下小麦产量及构成要素情况Tab.3 Yield and components of wheat under different treatments

2.2 不同灌溉条件下施肥量对小麦土壤氮素分布特征的影响

0～100 cm 土层中氮和高氮处理土壤NO3--N 较滴灌处理平均分别高1.65 倍和1.07 倍。抽穗期滴灌中氮及高氮处理表层0～20 cm 土壤NO3--N 显著高于其他土层，而＞20 cm 土层差异不显著。开花期，不同处理＞40 cm 土层NO3--N 含量无显著差异。灌浆期土壤中氮素含量较开花期整体减少，其中滴灌0～100

水和肥之间的交互、协调作用会受作物不同生育期需水需肥的量以及当地的土壤肥力影响。由图1可以看出，小麦生育期各处理NO3--N 平均含量整体随土层增加呈下降变化。分蘖期滴灌0～20 cm 土壤NO3--N 高于畦灌，平均增加1.97 倍，随深度增加，滴灌20～40 cm土壤NO3--N低于畦灌，平均降低67.62%，40～60 cm 滴灌和畦灌土壤NO3--N 基本相等。拔节期，滴灌不同施肥量变化差异不显著，土壤中NO3--N 含量随施氮量增加而增加，但土壤NO3--N 含量整体小于畦灌，平均减小48.66%。畦灌土壤NO3--N 变化规律与滴灌一致，但其cm 土层土壤NO3--N 含量平均减小18.32%，畦灌平均减小84.60%。

图1 滴灌与畦灌条件下小麦苗期后土壤氮素分布规律Fig.1 Distribution of soil nitrogen of wheat under drip and border irrigation after seedling stage

2.3 不同灌溉方式对土壤农药残留的影响

图2 为滴灌和畦灌土壤农药苯磺隆和二甲四氯钠残留量。由图2可知，0～100 cm土层滴灌和畦灌土壤苯磺隆总含量分别为22.452 ng∕g和43.441 ng∕g，滴灌较畦灌土壤苯磺隆总含量降低48.32%。滴灌深层40～100 cm 土壤苯磺隆含量较浅层0～40 cm 增加76.04%，且60～80 cm 土壤苯磺隆含量显著高于其他土层（p＜0.05）。畦灌深层40～100 cm 土壤苯磺隆含量较浅层0～40 cm 增加190.43%，而土层60～80 cm 土壤苯磺隆含量显著高于其他土层（p＜0.05），平均为24.441 ng∕g。0～100 cm 土层滴灌和畦灌土壤二甲四氯钠总含量分别为1 532.111 ng∕g 和939.075 ng∕g，滴灌较畦灌土壤二甲四氯钠总含量增加63.15%。滴灌深层40～100 cm 土壤二甲四氯钠含量较浅层0～40 cm 降低6.76%，且20～40 cm 土壤二甲四氯钠含量显著高于其他土层（p＜0.05）。畦灌深层40～100 cm 土壤苯磺隆含量较浅层0～40 cm 增加100.15%，40～60 cm 土壤二甲四氯钠含量显著高于其他土层（p＜0.05）。综上所述，说明滴灌条件下可减缓农药向深层渗漏，滴灌较畦灌土壤苯磺隆残留量可降低48.32%，但不利于土壤中二甲四氯钠农药的分解及利用，因此在农药施用时增加苯磺隆降低二甲四氯钠的使用量，可提高农药利用率。

图2 滴灌与畦灌不同深度土层土壤农药残留量Fig.2 Soil pesticide residues in different depths under drip and border irrigation

2.4 不同灌溉方式及施氮量对小麦水氮利用效率的影响

表4为不同灌溉方式、施肥量条件下小麦生育期耗水量及水肥利用效率。整体来看，随施肥量的增加，滴灌和畦灌土壤贮水量变化量呈增加变化趋势。畦灌中小麦土壤水分消耗量增加，其土壤贮水量变化量较滴灌平均增加10.51%，耗水量较滴灌平均增加32.26%。滴灌条件下，随施肥量的增加，小麦耗水量依次增加8.40%、3.10%；畦灌条件下，随施肥量的增加，小麦耗水量依次增加2.16%、2.43%。相较于畦灌，滴灌水分利用效率平均提高41.56%，氮肥偏生产力平均提高57.58%。滴灌条件下DZ3 处理水分利用效率最大，较DZ1 处理和DZ2 处理分别提高5.21%和11.81%，而畦灌条件下不同施肥处理差异不显著，平均为13.43 kg∕（hm2·mm）。相比于畦灌，滴灌节水29.8%，水分利用效率提高41.56%，肥料偏生产力提高1.36 倍。可见滴灌条件下水分利用效率提高，使得氮素更好的被作物吸收利用。

表4 不同灌溉方式下小麦水肥利用效率Tab.4 Water and fertilizer use efficiency of wheat under different irrigation conditions

3 讨 论

作物栽培管理中，氮素是影响作物生长发育和器官建成的关键营养元素，优化氮肥管理可促进小麦植株对氮素的吸收、积累，提高花前氮素向籽粒的转运，并显著增加产量和提高氮素利用效率[11,12]。滴灌与传统的漫灌施肥相比，水肥一体化技术可实现适量适时地施肥和灌溉，提高作物产量和品质，有效降低生产成本，其肥料和水分的利用率高达90%[2]。水肥同施、以水调肥不仅能节水节肥，提高水肥的利用率，而且能减少劳动力投入，提高生产效率[2,7]。本研究表明与畦灌相比，滴灌同施液体肥情况下显著提高小麦产量和水肥利用效率，且株高、产量、千粒重随着施肥量的增加而增加。单宁等[4]研究发现青贮玉米的株高、茎粗、叶面积指数、净光合速率、蒸腾速率、鲜生物产量及籽粒产量随着追肥量增大而增大，本研究结果与前人[4]研究一致。适宜施氮提高了小麦干物重，促进植株营养器官中花前干物质向籽粒的转移[12]，本研究表明畦灌条件下，FZ2 处理小麦籽粒千粒重高于FZ3 处理，但FZ3处理产量高于其他处理，可能是由于高氮处理小麦单位面积小麦穗数增加。本研究表明小麦生育期各处理NO3--N 平均含量整体是随土层增加呈下降趋势，滴灌氮素在表层0～20 cm 土层聚集，结果与前人研究结果相似[3]。由于滴灌可以将水分和养分均匀而又缓慢地滴入作物根区，导致滴灌0～20 cm 土层土壤NO3--N 高于畦灌。前人研究发现滴灌施药增加了土壤水分，改善了根系生长环境，加快农药在环境中的降解动态，降低土壤中的农药残留[9]。本研究表明滴灌较畦灌土壤苯磺隆总含量降低48.32%，且深层40～100 cm 滴灌土壤苯磺隆含量低于畦灌，说明畦灌条件下土壤苯磺隆淋失风险较大。然而，滴灌条件下土壤中二甲四氯钠农药的分解速率较低，较畦灌增加63.15%，可能由于二甲四氯土壤残留期比较长，土壤微生物降解速度较慢，而畦灌灌溉量较大，对土壤中二甲四氯淋失到地下水中量偏高，导致土壤中残留量较少。

4 结 论

土壤中NO3--N 含量随施氮量增加而增加，但滴灌的土壤NO3--N 含量整体小于畦灌。随生育期的推移，土壤中NO3--N含量减少。滴灌条件下可减少农药向深层渗漏，滴灌较畦灌土壤苯磺隆残留量可降低48.32%，但不利于土壤中二甲四氯钠农药的分解。滴灌有利于提高小麦产量和水肥利用效率，较畦灌产量、水分利用效率及氮肥偏生产力平均分别增加7.09%、41.56%、57.58%，植株茎叶干物质输出率和干物质转化率较滴灌下降8.2%和14.01%。不同灌溉条件下，小麦产量株高、千粒重及产量随施肥量的增加而增加。因此，滴灌条件下最佳施肥量为1 500 kg∕hm2。