风沙土水肥一体化滴灌水量对玉米生长和产量的影响

2023-06-30刘富强窦超银顾桂栋陈伟佟威

江苏农业科学 2023年5期

刘富强　窦超银　顾桂栋　陈伟　佟威

摘要：为了探究风沙土地区水肥一体化条件下，滴灌水量对玉米生长、产量的影响，并找到玉米膜下滴灌的适宜灌水量，以京科968玉米为供试作物，基于完全组合试验，研究风沙土水肥一体化条件下不同灌溉水量对玉米生长性状、产量的影响。设置灌水量和氮、磷、钾等配对因素，灌水量设置3个水平：W1处理（低水）、W2处理（中水）、W3处理（高水）。氮、磷、钾配对设置2个方式：F1（作为底肥集中施肥）、F2（多次追施）。磷肥、钾肥的总施肥量均为 100 kg/hm2，氮肥的总施肥量为300 kg/hm2。结果表明，在集中施肥处理下，玉米株高随着灌水量的增加先升高后降低；玉米茎粗随灌水量的增加而先增大后减小，表现为F1W2处理>F1W3处理>F1W1处理；F1W1处理的叶绿素含量（SPAD值）随着生育期的递进而逐渐增大，并在灌浆期达到峰值67.8；F1W2处理的玉米叶面积指数（LAI）一直处于最大值并且在灌浆期达到峰值，从苗期至灌浆期，F1W2处理的玉米LAI分别比F1W1、F1W3处理高13.4%、20.0%；干物质质量随着灌水量的增大而减小；F1W2处理的产量最高，达13.2 t/hm2，F1W1处理的WUE最高，达2.3 kg/m3。在多次追施处理下，灌水量对玉米叶绿素含量的影响较小，F2W2处理的株高、茎粗均高于其他处理，并且干物质量、产量和WUE最高，产量达14.0 t/hm2，WUE达2.3 kg/m3。可以看出，在2种配施肥条件下，玉米均以中水灌溉为宜。

关键词：风沙土；膜下滴灌；水肥一体化；灌水量；产量

中图分类号：S274.1；S513.06文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）05-0110-06

风沙土是辽西北重要的土壤资源，但是由于土质贫瘠，土壤留住水肥的能力相对较差，易受风、水侵蚀［1］，使得土壤生产力一直处于较低水平。近年来，随着国家和地方政府越来越多的政策支持，滴灌技术在辽西北地区得到了广泛应用。作为最先进的高效节水灌溉技术，滴灌出色的水肥调节能力可以增加风沙土的可持续利用能力。有研究发现，采用滴灌技术从根本上改变了土壤水分状况，改善了首要的制约因素，产量较当地传统的雨养种植方式提高了约124.6%［1］，如果采用地埋滴灌方式，不僅可以起到同样的增产效果，还能够降低地膜对土壤污染的风险。在合理的灌溉制度下，在主要种植作物玉米生育期内灌水10次，灌水定额为 52.5 mm［2］，灌溉水量约为0.8 KcET0（Kc为作物系数，ET0为冠层水面蒸发量），便可以保障高产，即高频灌溉是首选的灌溉制度，也符合风沙土保水性差的特点。

滴灌对养分的调控是提升风沙土土壤生产力的另一个关键，随着滴灌灌水量的增加，硝态氮的水平迁移较明显［3］，在垂直方向（0～20 cm），随着灌水量的增加，硝态氮、有效磷、速效钾含量有先增大后减小的趋势［4-5］。针对滴灌的特性，前人已经得到了不少服务于生产实践的成果。在高频滴灌施肥的条件下，灌水量为0.8 KcET0能够将肥料有效地控制在玉米根部，使玉米的生长指标达到最优［6］。减小基肥施用比例、采用玉米关键期追肥的方式能有效提升玉米的产量和肥料利用效率［7］。李青军等的试验结果表明，氮肥是影响玉米生长的主要因素，均匀施肥可以提高玉米的产量，使其发挥最大的经济效益［8］。氮肥在玉米生长过程中处于首要地位，决定着地上部生物累计量和叶片的生长［9］。前人的研究重点多集中于氮肥施肥制度，但是风沙土土壤中同样缺乏磷钾元素，因此，在研究前期氮肥施肥制度的基础上，有必要进一步对风沙土的灌溉施肥制度开展深入研究。考虑到水肥互作的复杂性，本试验首先探究集中施肥、分期施肥对灌溉制度的影响，选择灌溉制度的主要参数之一——灌溉水量作为研究对象，通过试验分析不同水肥配施条件下灌溉量对玉米生长性状和产量的影响，确定适宜的灌溉量，从而为后续水肥制度试验研究提供基础，为辽西北地区滴灌技术的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在辽宁省彰武县阿尔乡镇北甸子村（122°23′E，42°50′N）开展，与科尔沁沙地南缘毗邻。该试验区多年平均降水量约为412 mm，夏季降水量较大；年均蒸发量为 1 781 mm；年平均气温为 6.1 ℃，平均风速为3.7～4.2 m/s，有时出现沙尘暴天气；作物生长周期为145～150 d，其中无霜期达154 d。风沙土是本试验区土壤的主要组分，土壤干体积质量为1.69 g/cm3。土壤有机质含量较少，为6.6%。

1.2 试验设计

本试验在2021年5—10月开展，其间以京科968作为本试验所用玉米品种，氮、磷、钾肥分别采用尿素（N含量为 46.4%）、磷酸一铵（N含量为12%、P2O5含量为61%）、硫酸钾（K2O含量为52%）。

试验因素为灌水量和氮磷钾配对。氮、磷、钾配对设置2个水平：F1（100%作底肥，按当地常用的施肥方式集中施肥）、F2（25%底肥+25%拔节肥+25%穗肥+25%粒肥，多次追施），磷肥、钾肥的总施肥量均为100 kg/hm2，氮肥的总施肥量为 300 kg/hm2。本试验的灌水量按以下公式计算得出：

W=αKci（Em，5-Pm，5）。

式中：Em，5为第m个5日累计蒸发量；Pm，5为第m个5日累计降雨量；Kci为玉米各生长期的系数，按玉米各生育期的先后关系，依次取0.45、0.55、1.20、1.00、0.70；α为需水系数，参考前期试验推荐的需水系数α=0.8［10］（中水处理，W2），并分别将α降低30%（低水处理，W1，0.56 KcET0）、提高30%（高水处理，W3，1.04 KcET0）。采用完全试验进行本试验设计。

玉米采用大垄双行种植，垄距1.2 m，宽行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m，种植密度为 5.56万株/hm2。基肥在春播时施入，各生长阶段灌水、施肥各2次，整个生育期施8次肥。

1.3 田间管理

播种前先将玉米种子在空气中晾干，所有处理在春耕前进行犁耕，平整土地，施鸡粪1.5 t/hm2。在玉米拔节期进行1次除草，喷施1次农药，防治虫害。2021年10月2日收获玉米。

1.4 测定指标

1.4.1 蒸发量、降水量和灌水量的测定在小型气象站监测降水量；蒸发量用置于冠层上方20 cm的蒸发皿测量，每天08：00进行观测；用水表进行灌水量的监测，将各次灌水量进行累加。

1.4.2 生长指标的测定在玉米的每个生长阶段，从每个试验区随机选择3株玉米植株，测量玉米的株高、茎粗、叶面积指数（LAI值）和叶片叶绿素含量（SPAD值）。

1.4.3 玉米地面干物质量的测定采集各生育期的玉米样株地上生物部分，去垢后于105 ℃烘箱中杀青30 min，再于75 ℃烘干至质量稳定不变，随后用天平测量玉米烘干后的质量。

1.4.4 考种、产量及水分利用效率（WUE）的测算在完熟期对各小区随机取3株玉米进行考种，计算玉米产量。水分利用效率采用如下公式计算：

WUE=Y/ET。

式中：WUE為玉米的水分利用效率，kg/m3；Y为玉米产量，kg/hm2；ET为玉米耗水量，mm。

1.5 数据处理与统计分析

用Excel 2021进行试验数据的整理，用Origin 2020进行作图，用SPSS 24.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 降水量、蒸发量、灌水量和施肥量

如图1所示，2021年玉米生育期内的累计水分蒸发量为711.3 mm，累计降水量为534.6 mm，其间有效降水28次，有效降水量为478.2 mm。由图1还可以看出，玉米生育期仅在7月15号至7月27日范围内连续13 d无雨。2021年度总共灌水8次，每次灌水量详见表1，总施肥8次，施肥量见表2。

2.2 不同配肥条件下灌水量对玉米的影响

2.2.1 株高由图2可以看出，随着玉米生育期的推进，不同处理玉米株高的变化趋势基本一致，表现为苗期至拔节期迅速增高，穗期至完熟期逐渐趋于稳定。在集中施肥处理下，玉米株高表现为F1W2处理>F1W1处理>F1W3处理。由此可见，随着灌水量的增加，玉米株高在一定范围内先增大，超过一定限度后逐渐减小。该试验结果与窦超银等的试验结果［11］不一致，说明配肥对玉米株高产生了一定的作用。薛垠鑫等研究发现，氮、钾肥是影响玉米株高的主要因素，这可能是造成不同处理之间差异的原因［12］。在F2处理（分多次追施）处理下，玉米株高的变化趋势与集中施肥处理相差不大，但苗期F2W3处理的株高显著高于F2W2处理，而在拔节期，F2W2处理的株高显著高于F2W1处理。在2种不同配施条件下，随着灌水量的增加，玉米株高都是先增大后减小，在F2W2处理下，生育期内玉米的株高高于F2W1、F2W3处理。

2.2.2 茎粗由图3可以看出，随着玉米生育期的推进，不同处理间的玉米茎粗无显著差异，从苗期到拔节期玉米生长迅速，从穗期到完熟期生长量有少量减小。不同水肥处理的玉米茎粗峰值均出现在拔节期。在集中施肥处理下，3种灌水处理的玉米茎粗大致表现为F1W2处理>F1W3处理>F1W1处理。由此可见，随着灌水量的增加，玉米茎粗先逐渐增大，后减小。在多次追施处理下，也是W2处理的茎粗最大，但是不同灌水处理下的玉米茎粗表现为F2W2处理>F2W1处理>F2W3处理。在W2处理下的拔节期至完熟期，分期追肥较集中追肥分别使玉米茎粗增加了4.0%、4.2%、5.7%、3.4%。在2种不同配施条件下，均是W2处理的玉米茎粗最大，但是在集中施肥条件下，高水处理组的茎粗大于低水处理组，与分期追肥结果相反。

2.2.3 叶片叶绿素含量由图4可以看出，各处理玉米的SPAD值为39.0～68.2，叶片SPAD值随着玉米生育期的推进而逐渐增加，其中苗期至拔节期增加得最多，各处理的增幅近50%。在集中施肥处理下，F1W1处理的玉米植株SPAD值在苗期处于最低值39.0，到灌浆期达到峰值67.8，较苗期提升了73.8%。在多次追施处理下，玉米的SPAD值一直处于较高水平，在苗期分别比W1、W3处理高15.8%、15.4%，在拔节期至灌浆期，3种处理间的差异不大。由2种不同配施试验结果看出，在集中施肥条件下，高水不利于叶绿素的生成，低水在玉米的整个生育内均有利于叶绿素含量的增加，并在生育后期达到峰值。随着施肥结构的调整，在分期施肥条件下，玉米生育中后期3种灌水方式间的SPAD值差异并不明显。由此可见，磷钾肥在叶绿素增长方面只起到了协同作用。

2.2.4 叶面积指数由图5可以看出，玉米叶片的生长速度随着玉米生育期的推进而加快，苗期至拔节期增加得最明显，各处理平均增长约6倍。从不同灌水处理来看，在集中施肥处理下，F1W2处理的LAI一直处于最大值且在灌浆期达到峰值，苗期至灌浆期平均比F1W1、F1W3处理高13.4%、20.0%，而F1W1、F1W3处理的玉米植株LAI之间无明显规律。在分多次追施处理下，叶面积指数的变化趋势与集中施肥类似，3种灌水处理间的差异不大。在生育后期，F2W2处理的叶面积指数变化较大，从穗期至灌浆期增长了11.9%。2种不同配施试验结果表明，中水处理有利于玉米叶面积增长，在集中施肥处理下，中水处理组的玉米叶面积指数在整个生育期都远超其他2组，而在分期追肥条件下只在生育后期远超其他2组，说明由于磷肥的缓释性，到玉米生育后期才表现出优于集中施肥的特性，这点与范秀艳的研究结果［13］一致。

2.2.5 玉米成熟后的干物质质量如图6所示，在集中施肥处理下，完熟期玉米地上部分干物质累积量大致表现为F1W1处理>F1W2处理>F1W3处理，表明低水分处理更有利于玉米成熟后干物质的积累。在W1处理下，玉米成熟后的干物质质量比W3处理高20.8%。在磷、钾分多次追施处理下，玉米地上部分的干物质累积量大致表现为F2W2处理>F2W3处理>F2W1处理，F2W2处理的玉米干物质质量分别较F2W1、F2W3处理提高28.8%、25.4%，说明中水处理有利于玉米地面干物质的积累。2种不同配施试验结果表明，分期施肥中水处理的玉米干物质质量较集中施肥处理增加了27.5%。

2.3 玉米产量构成、产量和水分利用效率

由表3可以看出，穗长、穗粗、穗粒数和穗百粒质量是影响玉米产量的主要因素。在集中施肥处理下，玉米穗质量、穗长、秃尖长和穗行粒数随着灌水量的增加先增加后减少，玉米穗粗、穗行数、总穗粒数随着灌水量的增加而逐渐减小。F1W2处理的产量分别较F1W1、F1W3处理提高了3.9%、10.0%，F1W2处理的WUE较F1W1处理低4.3%，较F1W3处理高15.8%。在磷、钾分多次追施处理下，玉米穗质量、穗长、穗粗、穗行粒数随着灌水量的增加而先增加后减小，总穗粒数随着灌水量的增加而增大，百粒质量随着灌水量的增加而减小。F2W2处理的产量分别较F2W1、F2W3处理提高8.5%、6.1%。F2W2处理的WUE分别较F2W1、F2W3处理提高15.0%、9.5%。总体上看出，W2F2处理下的玉米产量、WUE最高，分别达到14.0 t/hm2、2.3 kg/m3。

3 讨论与结论

灌水量对于玉米生长、营养物质运移有重要影响，适宜的灌水量有利于提高玉米产量、减少玉米病株的产生［14］，水肥相互配合可以促进玉米性状、产量的提高。前人研究发现，当灌水量为0.8 KcET0时，玉米的穗质量得到增长，对玉米产量的增长起促进作用［16］。在一定范围内，玉米产量随着灌水量的增加而增长［15-18］，达到一定阀值之后，灌水量的增加反而会对玉米产量产生负作用，抑制玉米的生长。本研究结果显示，2种不同的肥料配施方式与这一规律基本符合。

玉米生长的能量来源是根系分布区的土壤水、肥料状况及地表光合作用，无机物、有机物的高效转换效率是实现玉米生长、增产的关键。在本试验集中施肥条件下，F1W2处理的灌水量适中，因此在整个玉米生育期F1W2处理的株高一直处于较高值。F1W3处理的灌水量较大，肥料在淋洗作用下流向深层土壤，使得单位区域内的肥料浓度降低。由于玉米拔节期根系较短，对肥料的需求大［19］，因此拔节期F1W3处理的玉米株高最低。由于玉米生长关键期的养分供应不足，进而导致整个生育期内F1W3处理的玉米株高一直最低，形成闭环负影响。当玉米在拔节期获得较多灌水时，有利于茎粗增加［10］，本试验中F1W2处理的茎粗最大，结果与之不符，原因可能是年度降水量过多，使高水处理组的根系水分过多，茎粗减小。玉米的SPAD值对灌水的需求大，但缺肥对SPAD值的影响更大［20］，在集中施肥条件下，玉米的SPAD值随灌水量的变化规律与前人的研究结果一致。叶片是玉米进行光合作用的主要器官，其横向发展能力在一定程度上决定了产量。本研究发现，玉米LAI与肥配施密切相关，在一定程度上提高灌水量有利于叶片生长。在集中施肥条件下，中水处理对提高LAI的效果更好，与张俊鹏等的研究结果［21］相同。在高水处理下，养分向深层运移，成为吸收不了的“废料”，再加上高水處理的水分过多，导致玉米生育关键期LAI不高，生育后期叶片萎蔫［21］。在低水处理下，肥料供应虽然充足，但水分缺乏，导致LAI降低。在分期施肥处理下，玉米株高、叶绿素含量的变化与集中施肥处理间的差异不大，但茎粗、叶面积指数有一定差异。在集中施肥下，磷肥容易在土壤中附着，不易被作物吸收［22］。磷肥对玉米茎粗的影响最大［23］，分多次追施磷肥能确保玉米生育关键期磷肥的充分供应，因此F2W2处理的玉米茎粗优于F2W1、F2W3处理。在F2W2处理下，玉米的叶面积指数在生育后期才表现出远超低水、中水对照组，可能由于磷肥有一定的缓释性，到生育后期才能发挥其生长效应。

相关研究结果表明，随着灌水量的增大，玉米产量及其构成要素会在一定程度上增加，但超过一定值后会出现下降趋势［24］，本试验结果与之基本相符。在分多次追肥处理下，F2W2处理的产量最大，达14.0 t/hm2，并且WUE也达峰值2.3 kg/m3。灌水、施磷均能促进干物质在灌浆期、完熟期的积累，并且高水处理对磷肥产生的抑制作用较为显著，低水处理不利于养分的运移，导致干物质下降［25］，因此分多次追肥的F2W2处理的干物质质量最高。由于F2W2处理的玉米性状最优、水肥配比佳，所以较多营养物质流向了苞粒，造成玉米产量提高。

通过对风沙土地区水肥一体化条件下玉米适宜灌水量的研究得出：集中施肥条件下玉米的株高、茎粗随着灌水量的增大而先增大后减小；高水不利于叶绿素的积累，低水有助于叶绿素的积累并在灌浆期达到峰值。在中水处理下，玉米性状一直处于较高水平。在多次追肥处理下，玉米的株高、茎粗均是中水处理较大，但3种灌水处理下的玉米叶绿素含量相差不大，由于磷肥的缓释性，中水处理的玉米叶面积在生育后期优势明显。在集中施肥处理下，玉米的干物质积累量随着灌水量的增加而减小，中水处理的产量最高，达13.2 t/hm2，但低水处理的WUE最高，达2.3 kg/m3。在多次追肥条件下，中水处理的干物质、产量和WUE最高，其中产量达 14.0 t/hm2，WUE达2.3 kg/m3。综合考虑风沙土地区水肥一体化条件下不同灌水量对玉米生长、产量的影响，灌水量推荐为0.8 KcET0。

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