西北綠洲灌區(qū)飼用燕麥耗水特性及產(chǎn)量變化對水氮耦合的響應(yīng)

馮福學(xué)，慕平，趙桂琴，柴繼寬，劉歡，陳國棟

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;4.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)

西北綠洲灌區(qū)飼用燕麥耗水特性及產(chǎn)量變化對水氮耦合的響應(yīng)

馮福學(xué)1,2，慕平3，趙桂琴1*，柴繼寬1，劉歡1，陳國棟4

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;4.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)

灌水和施肥是調(diào)控作物生長和產(chǎn)量形成的兩大重要技術(shù)措施，研究水氮互作對燕麥耗水特性及產(chǎn)量的影響，對于優(yōu)化燕麥高產(chǎn)高效栽培理論和技術(shù)具有重要意義。2014-2015年連續(xù)兩個(gè)生長季，在甘肅河西綠洲灌區(qū)，田間試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)定額灌溉和3個(gè)施氮(純N)水平，研究水氮耦合對隴燕3號農(nóng)田0～150 cm土層耗水量、棵間蒸發(fā)、產(chǎn)量及水分利用效率的影響。3個(gè)灌溉處理的灌水量分別為270.0 mm (I1)、337.5 mm (I2)和405.0 mm (I3)，3個(gè)施N水平分別為90 kg/hm2(N1)、120 kg/hm2(N2)和150 kg/hm2(N3)。在全生育期內(nèi)，棵間蒸發(fā)量(E)及E/ET(總蒸散量)的比例表現(xiàn)先降后升趨勢，且相同施氮量下，拔節(jié)至灌漿期隨灌水量的增大而增大，而灌漿至成熟期則隨灌水量的增大而減小。相同施氮量下，燕麥耗水量與籽粒產(chǎn)量隨著灌水量的增加而顯著增加，水分利用效率卻隨著灌水量的增加而降低。所有處理中，N3I3產(chǎn)量最高(5466.0～5727.5 kg/hm2)，N3I2次之(5428.5～5678.5 kg/hm2)，N1I1最小(4504.5～4804.3 kg/hm2)，而N3I2的水分利用效率最大[12.11～12.82 kg/(mm·hm2)]，N3I1次之[12.04～12.63 kg/(mm·hm2)]，N1I3最小[9.79～10.58 kg/(mm·hm2)]。由此表明，水氮耦合對燕麥水分利用及產(chǎn)量具有顯著互作效應(yīng)，施氮量150 kg/hm2、灌溉定額337.5 mm是西北綠洲灌區(qū)燕麥種植較佳的節(jié)水、高產(chǎn)水氮管理模式。

燕麥;耗水特性;水氮耦合;水分利用效率

燕麥?zhǔn)呛瘫究蒲帑溩逖帑湆?Avena)一年生草本植物，主要有裸燕麥(A.muda)、皮燕麥(A.sativa)和野燕麥(A.fatva)等種，具有耐瘠薄、耐鹽堿、耐寒、耐旱等特點(diǎn)。燕麥起源于我國，距今有5000多年的種植歷史，現(xiàn)主要分布在全世界五大洲40多個(gè)國家，年種植面積250萬hm2[1]。我國燕麥年均播種面積僅次于小麥(Triticumaestivum)、水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)等，居第六位，主要分布在華北、西北、東北和青藏高原等地的16個(gè)省(區(qū))。燕麥含有豐富的粗蛋白、脂肪和碳水化合物，并富含鈣、磷等礦物質(zhì)和維生素，其青體、干草和青貯有較高的營養(yǎng)價(jià)值，是畜牧業(yè)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)青飼料[2-3]，同時(shí)，其籽粒產(chǎn)品在營養(yǎng)和醫(yī)療保健方面也有很高的價(jià)值[4-5]，因此，是一種重要的糧飼兼用型作物。但長期以來，由于小麥、水稻等糧食作物在世界糧食安全方面具有突出貢獻(xiàn)，從而使燕麥資源的開發(fā)和利用一直未得到人們應(yīng)有的重視。因此，導(dǎo)致燕麥產(chǎn)量較低、專用品種選育滯后、栽培技術(shù)力量薄弱。但近年來隨著人們對燕麥?zhǔn)秤门c飼用價(jià)值認(rèn)識的提高，需求的逐年增大，燕麥栽培技術(shù)研究已受到人們的極大關(guān)注[6-7]。

水分和氮素是影響作物生產(chǎn)緊密相連的因子[8-9]，兩因子對作物協(xié)同發(fā)生作用的效應(yīng)已被眾多研究成果證實(shí)[10-12]。水、氮之間存在著明顯的交互作用，水分不足會(huì)限制氮肥肥效的正常發(fā)揮，水分過多則易導(dǎo)致氮肥的淋溶損失和作物減產(chǎn)；施氮過量或不足也將影響水分利用率的提高，并將影響作物產(chǎn)量。為此，探索最佳水氮組合模式是研究作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水栽培的重要技術(shù)之一。

目前, 已有關(guān)于燕麥栽培技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，水、氮各單項(xiàng)因子對其產(chǎn)量、品質(zhì)等方面的影響具有豐富的研究成果，但關(guān)于水、氮兩因子協(xié)同調(diào)控燕麥生產(chǎn)方面的研究鮮見報(bào)道，且已有相關(guān)研究也主要集中在陰濕寒旱區(qū)[13-14]。降雨是高寒山區(qū)燕麥賴以生產(chǎn)的主要水資源，而其季節(jié)、年際間分配不均等因素直接導(dǎo)致燕麥在需水關(guān)鍵期得不到充足水分，進(jìn)而使所施氮肥的肥效也不能充分發(fā)揮[15]。本研究采用大田試驗(yàn)，以皮燕麥隴燕3號為對象，在西北干旱內(nèi)陸河灌區(qū)進(jìn)行不同灌溉量及施氮水平對燕麥農(nóng)田耗水特性、產(chǎn)量及水分利用效率等方面的影響研究，量化各處理燕麥農(nóng)田水分消耗、水分利用效率及產(chǎn)量等差異，并深入探討與水、氮因子間的相關(guān)關(guān)系，分析水分與氮肥兩單項(xiàng)增產(chǎn)因子集成在燕麥生產(chǎn)中的綜合應(yīng)用特性，解析水氮耦合效應(yīng)對燕麥生長性能、產(chǎn)量、水分利用等方面的影響機(jī)制，以期為內(nèi)陸綠洲灌區(qū)燕麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培水氮管理技術(shù)提供科學(xué)理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

于2014年3月-2015年7月連續(xù)兩個(gè)生長季，在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)(37°30′ N, 103°5′ E)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場進(jìn)行田間試驗(yàn)。該區(qū)位于甘肅河西走廊東端,屬冷溫帶干旱區(qū)，日照充足，春季多風(fēng)沙，夏季有干熱風(fēng)。降水年際變化不大，但季節(jié)變化較大，多年平均降水量160 mm，主要集中在7-9月，冬春季干旱，降水無法滿足作物生長需要。蒸發(fā)量2400 mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.2 ℃，1月最低平均氣溫-27.7 ℃，7月最高平均氣溫34.0 ℃?！? ℃年積溫為3513.4 ℃，≥10 ℃年積溫為2985.4 ℃。全年無霜期156 d，絕對無霜期118 d，年日照時(shí)數(shù)2945 h。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質(zhì)，土層深厚。試驗(yàn)田土壤基礎(chǔ)肥力和容重見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本狀況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)灌水量和施氮(純N)量兩個(gè)參試因子，每個(gè)因子3個(gè)水平，3次重復(fù)，共27個(gè)小區(qū)，田間隨機(jī)排列。小區(qū)長8 m，寬5 m，小區(qū)間均設(shè)置50 cm通道。全生育期灌溉定額設(shè)270.0 mm (I1)、337.5 mm (I2)和405.0 mm (I3) 3個(gè)水平，在拔節(jié)、抽穗和灌漿期分3次等量灌水，采用帶有水表的控制系統(tǒng)精量灌溉。施氮量設(shè)90 kg/hm2(N1)、120 kg/hm2(N2)和150 kg/hm2(N3)，播期前、拔節(jié)初期和抽穗期按5∶3∶2比例施用。磷肥(純P2O5)施用量為90 kg/hm2，全部作基肥一次性施入。

供試品種為皮燕麥隴燕3號，2014年3月25日和2015年3月26日播種，2014年7月15日和2015年7月10日收獲。播種量為225 kg/hm2，行距15 cm，播深6 cm。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤水分測定 土壤水分在播前和收獲后分別用烘干法測定，測深為150 cm，其中0～30 cm每10 cm為一個(gè)層次，30～90 cm每20 cm為一個(gè)層次，90～150 cm每30 cm為一個(gè)層次。從燕麥苗期到成熟期每隔15 d測定1次，澆水前后各加測一次，其中0～10 cm、10～20 cm與20～30 cm三個(gè)層次用烘干法測定，30 cm以下每10 cm用503DR(Campbell Pacific Nuclear, Martinez, CA)型中子水分儀測定水分，每小區(qū)隨機(jī)安裝2個(gè)中子水分儀管。中子儀的讀數(shù)最后矯正成體積含水量，再用土壤容積含水量換算為土壤貯水量。

矯正曲線:V%=[0.2969×(R/R0)-0.1555]×100R2=0.9173

式中：V為土壤容積含水量(V/V)；R為中子儀實(shí)際讀數(shù)；R0為中子儀基本讀數(shù)。

式中:i為土層編號；n為總土層數(shù)；vi/vi為第i層土壤的體積含水量；di為第i層土層厚度(mm)。

1.3.2 農(nóng)田耗水量計(jì)算 農(nóng)田耗水量計(jì)算公式為:

ET1-2=Si+M+P0+K

式中: ET1-2為階段耗水量(mm)；M為階段內(nèi)灌水量(mm)；P0為階段內(nèi)有效降水量(mm)；K為階段內(nèi)地下水補(bǔ)給量(mm)，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5m時(shí)，K值可以忽略不計(jì)，本試驗(yàn)的地下水埋深在10m以下，故地下水補(bǔ)給量可視為0；Si為階段土壤貯水消耗量，其計(jì)算公式為:

Si=W1-W2

式中：W1和W2分別為階段初和階段末土壤貯水量。

1.3.3 水分利用效率的計(jì)算 計(jì)算公式為：

WUE=Y/ETa

式中：WUE為籽粒產(chǎn)量水分利用效率[kg/(mm·hm2)]；Y為籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；ETa為全生育期總耗水量(mm)。

1.3.4 棵間蒸發(fā)測定 采用自制微型蒸滲儀(Micro-lysimeter，簡稱MLS)法測定棵間蒸發(fā)量。每小區(qū)均隨機(jī)安置兩套微型蒸滲儀。根據(jù)孫宏勇等[16]研究，微型蒸滲儀用PVC管做成，內(nèi)徑10cm、壁厚5mm、高15cm。每次取土?xí)r將其垂直壓入作物行間土壤內(nèi)，使其頂面與地面齊平，取原狀土，然后用塑料膠帶封底，另用內(nèi)徑為12cmPVC管作成外套，固定于行間，使其表面與附近土壤持平，操作時(shí)不至破壞周圍土體結(jié)構(gòu)。土壤蒸發(fā)用稱重法測定，2次稱量之間的重量差值為其蒸發(fā)量。為保證微型蒸滲儀內(nèi)部的土壤水分剖面與周圍土壤相一致[17]，作物生長早期需要每天更換微型蒸滲儀內(nèi)的原狀土，葉面積指數(shù)增大后，每3～5d更換1次，降雨和灌溉后立即更換土體。

1.3.5 產(chǎn)量測定 成熟期按小區(qū)收獲測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

將各小區(qū)取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，計(jì)算各小區(qū)的農(nóng)田耗水量、棵間蒸發(fā)量、耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率。各處理均有3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)(重復(fù)) ，采用SPSS10.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析，用Duncan法進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，用MicrosoftExcel2003軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)年降水變化

圖1 試驗(yàn)站2014-2015年月降雨量及30年月平均降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly rainfall in 2014-2015 compared to long-term average of 30 years in experiment station

試驗(yàn)區(qū)2014、2015年及多年平均(30年)降水量分別為297.9、184.2和186.9 mm(圖1)。2014年度降水比多年平均降水高59.43%，為豐水年；2015年度比多年平均降水低1.38%，為干旱年[18]。2014、2015年及多年平均(30年)燕麥生育期(3月下旬-7月上旬)降水量分別為64.5、76.2和85.4 mm，2015年較多年平均(30年)降水量下降10.77%，而2014年卻顯著下降24.47%，屬于干旱季度。

2.2 不同水氮處理0～150 cm土壤水分的水平動(dòng)態(tài)變化

隨著燕麥生育時(shí)期的推進(jìn)，降水、蒸散、蒸騰、灌水等因素顯著影響農(nóng)田土壤水分，變化劇烈(圖2)。燕麥拔節(jié)期前，植株小，地面裸露面積大，土壤耗水主要以土壤蒸發(fā)為主，處理間差異不顯著(P<0.05)。拔節(jié)至灌漿期，受降水、灌水及農(nóng)田蒸騰蒸散的影響，處理間差異逐漸變大，但兩年變化趨勢一致，均表現(xiàn)為高灌水(I3)>中灌水(I2)>低灌水(I1)，而相同灌水梯度下，3種氮肥處理間差異不顯著(P>0.05)。灌漿期后，土壤水分變化主要受降水及作物蒸騰的影響，由于水氮互作顯著影響燕麥生長發(fā)育，各處理地上冠層差異大，處理間作物蒸騰變化大，進(jìn)而農(nóng)田土壤貯水量變化顯著。

2.3 不同水氮處理棵間蒸發(fā)的動(dòng)態(tài)變化

農(nóng)田土壤水分蒸散是土壤耗水的重要組成部分，不同水氮條件下燕麥棵間蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。由圖可以看出，播種到拔節(jié)期，降水、氣溫等氣象因子是影響土壤水分變化的主要因素，且此期燕麥植株矮小，地上冠層對地面的覆蓋度亦小，土壤水分消耗以土壤蒸發(fā)為主，變化較平緩，處理間差異不顯著(P>0.05)。隨著生育期的推進(jìn)，灌水后，不同水氮處理顯著影響土壤水分蒸發(fā)，棵間蒸發(fā)波動(dòng)較大，處理間差異顯著(P<0.05)。拔節(jié)至抽穗，同一施氮水平，隨著灌水梯度的增大，農(nóng)田棵間蒸發(fā)隨之增大，而同一灌水水平下，不同氮肥處理間差異不顯著。低氮水平下(N1)，I2、I3灌水處理較I1處理分別顯著提高棵間蒸發(fā)7.4%～16.4%、32.1%～39.3%；中氮水平下(N2)，I2、I3灌水處理較I1處理分別顯著提高20.3%～27.7%、45.2%～48.7%；高氮水平下(N3)，I2、I3灌水處理較I1處理分別顯著提高9.1%～15.9%、17.0%～43.7%。與拔節(jié)至抽穗期的變化趨勢相似，抽穗至灌漿期同一施氮水平下，隨著灌水梯度的增大，棵間蒸發(fā)均隨之顯著增大，但與拔節(jié)至抽穗期的變化趨勢不一樣的是同一灌水水平下，隨著施氮水平的增大農(nóng)田棵間蒸發(fā)均隨之也顯著增大。灌漿至成熟期，不同處理的農(nóng)田棵間蒸發(fā)較前生育時(shí)期均顯著增大，且處理間差異顯著。由此表明，拔節(jié)前，土壤水分消耗以土壤蒸發(fā)為主，氮肥對農(nóng)田水分蒸發(fā)影響不顯著；隨著燕麥植株的發(fā)育，地上冠層逐漸增大，光合增強(qiáng)，農(nóng)田水分消耗逐漸由土壤蒸發(fā)耗水向作物蒸騰耗水轉(zhuǎn)變，且水氮互作效應(yīng)使燕麥生態(tài)與生理需水處理間差異顯著。

2.4 不同水氮處理E/ET動(dòng)態(tài)變化

灌水與施氮顯著影響燕麥各生育時(shí)期棵間蒸發(fā)量與相應(yīng)階段總蒸散量的比例動(dòng)態(tài)變化(表2)。燕麥全生育期，E/ET變化的總趨勢是先降后升，特定生育階段，土壤水分蒸發(fā)處理間差異顯著。播種到拔節(jié)期，降水、氣溫等氣象因子是影響土壤水分變化的主要因素，土壤水分蒸發(fā)大，各處理E/ET均達(dá)44.00%以上，處理間差異不顯著。拔節(jié)至抽穗，同一施氮水平，隨著灌水梯度的增大，E/ET值隨之增大，而同一灌水水平下，不同氮肥處理間差異不顯著。抽穗至灌漿期E/ET值的變化趨勢與拔節(jié)至抽穗期相似，即同一施氮水平下，隨著灌水梯度的增大而顯著增大，但與拔節(jié)至抽穗期的變化趨勢不一樣的是，同一灌水水平下，隨著施氮水平的增大，E/ET均亦隨之顯著增大。灌漿至成熟，同一施氮水平下，隨著灌水梯度的增大，E/ET值均隨之顯著減小，且低、高灌水處理差異顯著，而中灌水處理與低、高處理差異不顯著。由此表明，隨著燕麥植株的發(fā)育，地上冠層逐漸增大，光合增強(qiáng)，農(nóng)田水分消耗逐漸由土壤蒸發(fā)耗水向作物蒸騰耗水轉(zhuǎn)變；至灌漿初期，土壤棵間蒸發(fā)達(dá)最小，且水氮互作效應(yīng)使燕麥生態(tài)與生理需水處理間差異顯著。從灌漿開始，燕麥冠層蒸騰耗水逐漸減小，土壤蒸散耗水逐漸增大。

圖3 2014與2015年不同處理棵間蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The seasonal change of soil water evaporation under different treatments in 2014 and 2015

年份Year處理Treatment播種-拔節(jié)Sowing-jointing拔節(jié)-抽穗Jointing-heading抽穗-灌漿Heading-milkfilling灌漿-成熟Milkfilling-harvest年份Year處理Treatment播種-拔節(jié)Sowing-jointing拔節(jié)-抽穗Jointing-heading抽穗-灌漿Heading-milkfilling灌漿-成熟Milkfilling-harvest2014N1I144．65a36．04a28．49bc39．74a2015N1I148．82a37．64d24．52cd43．38aN1I244．22a37．06a29．02ab36．18cN1I249．59a39．38b25．40bc38．20bcN1I344．17a38．67a30．20a35．19cdN1I348．14a41．23a27．11a36．83dN2I144．34a36．07a25．41e38．12bN2I148．66a36．40e23．93de38．67bN2I244．47a37．03a27．93bcd36．20cN2I249．22a37．55d25．39bc37．28cdN2I344．96a37．82a28．51bc35．44cN2I349．79a39．23b27．00a34．62eN3I144．41a35．08a26．43de38．37bN3I148．29a37．92d23．26e38．87bN3I244．85a35．79a26．93cde37．61bN3I248．55a38．78c24．20cd36．85dN3I344．20a37．17a28．14bc34．11dN3I348．45a42．92a25．89ab34．16e

注：數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值，同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Data are the means of three replicates and different letters within the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). The same below.

2.5 不同水氮條件下不同來源水分占總耗水量比例的變化

如表3所示，灌水和施氮對燕麥灌水消耗量、降雨消耗量及土壤貯水消耗量均有顯著影響，且相同施氮水平下，燕麥灌水消耗量隨著灌水水平的增加而增加，降雨消耗量及土壤貯水消耗量均隨著灌水水平的增加而減小。同時(shí)，由表還可以看出，在低灌水(I1)水平下，燕麥農(nóng)田貯水消耗量隨著施氮量的增加而增加，而在中(I2)、高(I3)灌水水平下，土壤貯水消耗隨著施氮量的增加而減小。低灌水(I1)水平下，N2I1處理較N1I1處理顯著提高土壤貯水消耗量與總耗水量比例37.91%～38.52%，N3I1較N2I1處理顯著提高-3.06%～6.05%。由此表明，一定施氮條件下增加灌水量并不利于燕麥對天然降雨及土壤貯水的利用，一定程度的干旱和灌溉條件下，施氮會(huì)促進(jìn)土壤貯水的利用。

表3 不同處理農(nóng)田耗水量的水分來源及其占總耗水量的比例(2014-2015)

2.6 不同處理對燕麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

灌水與施肥顯著影響燕麥籽粒產(chǎn)量及水分利用效率(表4)。同一施氮水平下，燕麥產(chǎn)量隨著灌水量的增大而顯著增加。與I1處理相比，低氮水平下(N1)I2、I3灌水處理分別顯著提高籽粒產(chǎn)量8.39%～11.05%、11.13%～13.53%，中氮水平下(N2)分別顯著提高12.19%～13.22%、13.59%～13.77%，高氮水平下(N3)分別顯著提高12.22%～12.90%、13.00%～13.88%。由表4還可以看出，同一灌溉量下，產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但低灌量(I1)下處理間差異不顯著，而中灌量(I2)與高灌量(I3)下中氮(N2)與高氮(N3)處理產(chǎn)量均顯著高于低氮(N1)處理，而中氮(N2)與高氮(N3)處理間差異不顯著。與N1處理相比，N2與N3處理在中灌(I2)水平下分別顯著提高籽粒產(chǎn)量4.98%～8.75%、6.43%～11.17%，高灌(I3)水平下分別顯著提高3.18%～7.38%、5.01%～9.19%。所有處理中N3I3籽粒產(chǎn)量最高(5466.0～5727.5 kg/hm2)，N3I2次之(5428.5～5678.5 kg/hm2)，N1I1最小，僅為4504.3～4804.5 kg/hm2。

同一施氮水平下，隨著灌水量的增加燕麥水分利用效率逐漸降低，且低氮(N1)水平下處理間差異顯著，中(N2)、高氮(N3)水平下，低(I1)、中(I2)灌水處理顯著高于高灌(I3)處理，而低(I1)、中(I2)灌水處理間差異不顯著。與I1和I2處理相比，I3處理在低氮(N1)水平下分別降低水分利用效率14.91%～16.27%、6.71%～9.16%，中氮(N2)水平下分別顯著降低10.62%～13.93%、7.53%～10.23%，高氮(N3)水平下分別顯著降低7.77%～9.27%、8.32%～10.58%。由表4還可以看出，同一灌水水平下，隨著施氮量的增加燕麥水分利用效率亦逐漸增加，但低灌量(I1)下處理間差異不顯著，而中(I2)、高(I3)灌溉量下差異顯著。與低氮(N1)處理相比，中氮(N2)和高氮(N3)處理在中(I2)灌量下分別顯著提高水分利用效率1.86%～9.33%、10.01 %～15.41%，高(I3)灌量下分別顯著提高0.66%～8.38%、8.28%～13.43%。所有處理中，N3I2的水分利用效率最高[12.11～12.82 kg/(mm·hm2)]，N3I1次之[12.04～12.63 kg/(mm·hm2)]，N1I3最小，僅為9.79～10.58 kg/(mm·hm2)。

表4 不同處理對燕麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響(2014-2015)

由此表明，灌水與氮肥對燕麥產(chǎn)量和水分利用效率具有顯著互作效應(yīng)，N3I2處理既能獲得高產(chǎn)，又能顯著提高其水分利用效率。

3 討論

本研究表明水氮存在互作效應(yīng)，灌水和施氮顯著影響燕麥的耗水特性、產(chǎn)量及水分利用效率。相同施氮水平下，燕麥總耗水量與灌水消耗量隨著灌水水平的增加而增加，降雨消耗量及土壤貯水消耗量均隨著灌水水平的增加而減小，這與馬興華等[19]的研究結(jié)果基本一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在低灌水(I1)水平下，燕麥耗水量隨著施氮量的增加而增加，而在中(I2)、高(I3)灌水水平下，土壤貯水消耗隨著施氮量的增加而減小。說明一定施氮條件下增加灌水量并不利于燕麥對天然降雨及土壤貯水的利用，一定程度的干旱和灌溉條件下，施氮會(huì)促進(jìn)燕麥對土壤貯水的利用，減小對灌水及天然降水的依賴。

在農(nóng)田水分深層滲漏忽略不計(jì)的條件下，土壤耗水主要途徑是農(nóng)田土壤水分蒸散生態(tài)耗水及作物光合、蒸騰生理耗水。在限量灌溉條件，進(jìn)一步研究土壤水分蒸散對研究作物耗水特性有重要意義。從播種到成熟總體來看，燕麥農(nóng)田棵間蒸發(fā)量(E)及其在相應(yīng)階段總蒸散量(ET)中所占比率的變化總趨勢是先降后升，但就具體的生育時(shí)期而論，其變化趨勢不一致。播種到拔節(jié)期，降水、氣溫等氣象因子是影響土壤水分變化的主要因素，且此期燕麥植株矮小，地上冠層對地面的覆蓋度亦小，土壤水分消耗以土壤蒸發(fā)為主，各處理E/ET均達(dá)44.00%以上，施氮并未對E/ET有顯著影響。隨著生育期的推進(jìn)，灌水后，水氮互作效應(yīng)顯著影響土壤棵間蒸發(fā)及E/ET比例。拔節(jié)至灌漿，水氮量的增加，均增大農(nóng)田棵間蒸發(fā)及E/ET，但灌漿至成熟，與前期不一樣的是同一施氮水平下，隨著灌水梯度的增大，E/ET均隨之顯著減小。究其可能原因是，灌漿開始，低灌水處理土壤水分匱乏，加速了燕麥生育進(jìn)程，生理耗水急劇減小，同時(shí)相對較小的冠層對地面的覆蓋度小，太陽對地面的輻射度大，從而增大了棵間蒸發(fā)，而高灌水處理土壤水分充沛，能供充足的水肥讓地上組織利用，冠層茂密，龐大的冠層有效減弱了太陽對地面的輻射，棵間蒸發(fā)小，同時(shí)較強(qiáng)的光合及蒸騰生理耗水大，從而造成高水分處理E/ET變小。已有研究表明，水氮耦合效應(yīng)能顯著增強(qiáng)作物的光合生產(chǎn)性能，提高作物對土壤水分的利用[20-21]。

水氮運(yùn)籌不僅影響作物耗水特性，而且也顯著影響作物產(chǎn)量及水分利用效率。尹光華等[22]對春小麥的水肥耦合效應(yīng)研究表明，在半干旱區(qū)水對產(chǎn)量的影響大于肥。本研究中，在低、中、高3個(gè)施肥水平下，燕麥產(chǎn)量均隨著灌水量的增大而增加，與已有研究結(jié)果相似。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，低灌量(I1)下增施氮肥并不能顯著增加燕麥產(chǎn)量，而中灌量(I2)與高灌量(I3)下中氮(N2)與高氮(N3)產(chǎn)量均顯著高于低氮(N1)處理。中灌(I2)水平，與N1I2處理相比，N2I2與N3I2處理分別顯著提高產(chǎn)量4.98%～8.75%、6.43%～11.17%，高灌(I3)水平，N2I3與N3I3處理分別較N1I3處理顯著提高3.18%～7.38%、5.01%～9.19%。這與已有的研究結(jié)果相似，水氮對作物籽粒產(chǎn)量的調(diào)控存在互補(bǔ)效應(yīng)，增施氮肥可補(bǔ)償因灌水不足導(dǎo)致的籽粒產(chǎn)量降低[23-24]。

研究表明，小麥水分利用效率隨灌溉水量的增加而降低，但當(dāng)灌溉水平較低時(shí)，水分利用效率隨施氮量的增加呈上升趨勢[25]。本研究中，同一施氮水平下，隨著灌水量的增加燕麥水分利用效率逐漸降低；同一灌水水平下，隨著施氮量的增加燕麥水分利用效率亦逐漸增加，這一結(jié)果與小麥方面的研究相似[26-27]。所有處理中，N3I3產(chǎn)量最高(5466.0～5727.5 kg/hm2)，N3I2次之(5428.5～5678.5 kg/hm2)，而N3I2的水分利用效率最高[12.11～12.82 kg/(mm·hm2)]，N3I1次之。N3I3處理是以消耗較大的水分為代價(jià)來獲得高產(chǎn)，而N3I1處理是以顯著降低耗水與產(chǎn)量的途徑來提高水分利用效率，兩者均不切合生產(chǎn)實(shí)踐。因此，在灌水有限的綠洲灌區(qū)，可通過適量增施氮肥的方式來彌補(bǔ)水分不足而造成的作物減產(chǎn)，N3I2是試區(qū)較佳的燕麥生產(chǎn)水氮管理模式。已有研究表明。適量水肥組合的效應(yīng)大于高水高肥和低水低肥組合，水肥互作效應(yīng)最大的為氮與水的耦合[22]。

本研究中，僅限于討論不同水氮條件對燕麥耗水特性及產(chǎn)量的影響，未對氮素利用進(jìn)行研究。而已有研究表明，作物水氮利用效率峰值與作物產(chǎn)量峰值并非完全吻合[28-29]。氮肥利用率隨灌水量遞增而提高，隨施氮量遞增而降低[30-33]?？梢? 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中既滿足氮肥利用率和水分利用效率雙贏，又滿足作物高產(chǎn)和資源環(huán)境安全是矛盾的，有待進(jìn)一步深入研究水氮影響作物生長的耦合效應(yīng)及其機(jī)制，尋求實(shí)現(xiàn)水氮資源、環(huán)境與產(chǎn)量可持續(xù)目標(biāo)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

4 結(jié)論

水分和氮肥對燕麥水分利用及產(chǎn)量具有顯著互作效應(yīng)。適宜的灌水量不僅受降水多少的影響，而且與氮素施用量存在耦合效應(yīng)，一定施氮條件下增加灌水量并不利于燕麥對天然降雨及土壤貯水的利用，一定程度的干旱和灌溉條件下，適量施氮提高了燕麥對土壤貯水的利用能力，減小對灌水及自然降水的依賴。燕麥產(chǎn)量隨著灌水量及施氮量的增大而提高，但高水與高氮條件下燕麥增產(chǎn)幅度受限，而水分利用效率隨著灌水量的增大而減小，隨著施氮量的增大而提高。在灌水有限的西北綠洲灌區(qū)，可通過適量增施氮肥的方式來彌補(bǔ)水分不足而造成的燕麥減產(chǎn)，燕麥?zhǔn)┑繛?50 kg/hm2、灌溉定額為337.5 mm時(shí)既能獲得高產(chǎn)，又能顯著提高水分利用效率，是試區(qū)較佳的燕麥生產(chǎn)水氮管理模式。

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Water consumption characteristics and yields of fodder oat under different irrigation and nitrogen fertilization regimes in the northwest oasis irrigation area

FENG Fu-Xue1,2, MU Ping3, ZHAO Gui-Qin1*, CHAI Ji-Kuan1, LIU Huan1, CHEN Guo-Dong4

1.CollegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 3.CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 4.CollegeofPlantScience,TarimUniversity,Alear843300,China

Irrigation and fertilization are the two most important methods to increase crop growth and yield. Understanding the water consumption characteristics and grain yield of oat (Avenasativa) under different water-nitrogen (N) regimes is useful to optimize oat cultivation. In the 2014-2015 oat growing seasons, field experiments were conducted with three irrigation levels and three N application rates to study the effects of the water-N interaction on soil water consumption in the 0-150 mm layer, soil evaporation, grain yield, and water use efficiency (WUE) of the oat variety ‘Longyan 3’. The three irrigation amounts were 270 (I1), 337.5 (I2), and 405 mm (I3) and the three N application rates were 90 (N1), 120 (N2), and 150 kg/ha (N3). The soil evaporation and the proportion of soil evaporation (E) to evapotranspiration (E/ET) decreased and then increased during the growing period. Under the same N application rate, E and its proportion of E/ET increased with increasing amounts of irrigation from the jointing to the filling stage, but decreased from the filling to the harvest stage. The oat water consumption and grain yield under a fixed N application rate were positively related to the amount of irrigation, whereas WUE was negatively related to the amount of irrigation. The highest grain yield of oat was in N3I3(5466.0-5727.5 kg/ha), followed by N3I2(5428.5-5678.5 kg/ha), and then N1I1(4504.5-4804.3 kg/ha). The highest WUE was in N3I2[(12.11-12.82 kg/(mm·ha)], followed by N3I1[12.04-12.63 kg/(mm·ha)], and then N1I3[9.79-10.58 kg/(mm·ha)]. The water-nitrogen interaction had significant effects on WUE and oat yield. Our results suggest that N application at 150 kg/ha combined with irrigation at 337.5 mm is a water-saving method to cultivate oat with high-yields in the Northwest Oasis area.

oat; water consumption characteristic; water and nitrogen coupling; water use efficiency (WUE)

10.11686/cyxb2017074

http://cyxb.lzu.edu.cn

2017-03-02；改回日期：2017-05-09

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-8-C1)和中國博士后科學(xué)基金(2014M552557XB)資助。

馮福學(xué)(1978-)，男，甘肅武威人，講師，博士。E-mail: fengfuxue@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail: zhaogq@gsau.edu.cn

馮福學(xué), 慕平, 趙桂琴, 柴繼寬, 劉歡, 陳國棟. 西北綠洲灌區(qū)飼用燕麥耗水特性及產(chǎn)量變化對水氮耦合的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(8): 74-84.

FENG Fu-Xue, MU Ping, ZHAO Gui-Qin, CHAI Ji-Kuan, LIU Huan, CHEN Guo-Dong. Water consumption characteristics and yields of fodder oat under different irrigation and nitrogen fertilization regimes in the northwest oasis irrigation area. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(8): 74-84.