北疆干旱荒漠地區(qū)膜下滴灌青貯玉米水肥耦合效應(yīng)研究

劉　虎，尹春艷，張瑞強(qiáng)，魏永富

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古新創(chuàng)環(huán)境科技有限公司，呼和浩特 010020)

0　引　言

水分和肥料，作為可調(diào)控的兩項(xiàng)最為重要指標(biāo)，在新疆阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被人們所廣泛重視，水分利用虧缺、肥料利用率低嚴(yán)重制約著北疆阿勒泰地區(qū)作物生產(chǎn)力水平的提高，對(duì)包括阿勒泰在內(nèi)的我國(guó)干旱荒漠地區(qū)而言，提高水分和肥料的利用率仍然是研究的熱點(diǎn)。由于滴灌、微潤(rùn)灌等技術(shù)發(fā)展和推廣，化肥的使用由以往的撒施變?yōu)殡S水滴入，2016年新疆全區(qū)以滴灌為主的高效節(jié)水灌溉為50 072 萬(wàn)hm2，并且到2020年，該面積將超過(guò)60 000 萬(wàn)hm2。與常規(guī)的低壓管道灌溉、漫灌相比，滴灌節(jié)水40%以上，磷肥和氮肥利用率提高到30%和70%以上。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)水肥耦合綜合效應(yīng)開(kāi)展了大量的研究，劉曉宏(2006年)等發(fā)現(xiàn)春小麥在不同水分脅迫下，隨著氮肥施入量的逐漸增加，水分利用率也隨之提高，并且以供水充足情況下，水分利用率的提高最顯著[1]。趙營(yíng)(2006年)等發(fā)現(xiàn)氮肥的表觀利用率為不超過(guò)20%，并且該值隨施氮量的增加而進(jìn)一步降低，絕大多數(shù)的氮肥未被當(dāng)季作物利用，而是進(jìn)入土壤中由非當(dāng)季植物所吸收[2]，該結(jié)論已被許多研究所證明(劉敏超等，2000年；巨曉棠等，2002年)。趙滿興(2006年)等研究結(jié)果表明，提高小麥對(duì)氮素的利用率，要從水肥調(diào)控措施和營(yíng)養(yǎng)高效型品種選育角度出發(fā)[3]。孟翔燕等(2014年)建立了灌水量和氮鉀磷肥與玉米產(chǎn)量的四元二次產(chǎn)量模型[4]。馮鵬(2012年)認(rèn)為提高干旱半干旱地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量主要是合理的采用水肥耦合技術(shù)，灌溉水利用效率亦然[5]。楊蕊菊(2015年)分析得出不同水肥耦合模式對(duì)小麥玉米立體種植產(chǎn)量的影響較大，并且對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)排序分別為氮肥、水、磷肥[6]。溫立玉(2014年)通過(guò)夏玉米水肥耦合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響葉面積指數(shù)提高的因子依次為灌溉水量、氮肥和鉀肥，磷肥對(duì)其提高效果不明顯[7]。王棟(2016年)研究成果表明，氮肥和灌溉水、磷肥的交互效應(yīng)表現(xiàn)為正效應(yīng)，而磷肥和灌溉水為負(fù)效應(yīng)[8]。目前關(guān)于水肥耦合的研究多集中在大田糧食作物，而關(guān)于包括紫花苜蓿、青貯玉米、蘇丹草等在內(nèi)的人工牧草的研究也多是集中在水、肥等單一因子層面，對(duì)于人工草地的水肥耦合效應(yīng)的研究不多[9-14]。

本文對(duì)2015-2017年在北疆阿勒泰地區(qū)福?？h哈拉霍英水庫(kù)下游青貯玉米開(kāi)展的水肥耦合試驗(yàn)的灌水量、施肥量、植株生理指標(biāo)、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要研究水肥耦合條件下青貯玉米耗水量、株高、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量、生育期的變化規(guī)律；土壤水分和土壤養(yǎng)分變化規(guī)律；計(jì)算不同水肥耦合條件下肥料利用率以及水分生產(chǎn)效率，分析水分交互作用，為北疆地區(qū)更加合理的采用水肥耦合技術(shù)發(fā)展飼草料地提供技術(shù)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h哈拉霍英水庫(kù)下游灌區(qū)，試驗(yàn)區(qū)西距烏倫古湖43 km，地理位置東經(jīng)87°40′22″、北緯46°10′45″，田間地表高度為海拔558 m。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，下伏為第三紀(jì)層，上覆第四紀(jì)堆積厚度不大，僅為30～50 cm，地表組成物較粗，主要為砂土和沙壤土。年平均太陽(yáng)總輻射量為546.7 kJ/cm2，4-9月占71.4%。年平均日照時(shí)間為2 881 h，其中4-9月占年日照總時(shí)數(shù)的63%。試驗(yàn)區(qū)多年平均氣溫3.4 ℃，≥10 ℃積溫多年平均為2 904.9 ℃。無(wú)霜期較短，多年平均為147 d。試驗(yàn)區(qū)為荒漠戈壁地，氣候干旱，雨水較少，年蒸發(fā)量為1 830 mm，多年平均降水量為112.7 mm[9-14]。

1.2　試驗(yàn)區(qū)土壤與農(nóng)作物

試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型主要為淡棕鈣土，土壤容重為1.618 g/cm3，土壤田間持水量為8.6%，土壤滲吸系數(shù)為6.1 mm/min。項(xiàng)目區(qū)土壤肥力較差，有機(jī)質(zhì)和全氮含量為0.42%和0.021%，堿解氮、速效磷和速效鉀的含量分別為10、2.5和300 mg/kg。項(xiàng)目區(qū)土壤全鹽含量(土水比1∶5)為1.05%，pH值8.4。本試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)灌溉用水主要取自烏倫古河地表水，水質(zhì)較好，總鹽分為0.34 mg/L，pH為8.2，呈弱堿性。試驗(yàn)選擇的青貯玉米為新青1號(hào)[9-14]。

1.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究中水分有4種處理，分別是不受旱(充分灌溉G1)，輕度受旱(G2，灌溉定額見(jiàn)表1，下同)，中度受旱(G3)，中度受旱(G4)；肥料處理有3種，分別是高肥(F1)、中肥(F2)、低肥(F3)。綜合水肥因子后，水肥耦合試驗(yàn)共有12種處理，見(jiàn)表1。

表1　青貯玉米水肥耦合試驗(yàn)處理編號(hào)

參考類(lèi)似地區(qū)其他作物的膜下滴灌試驗(yàn)資料和調(diào)研數(shù)據(jù)[9-14]，膜下滴灌灌溉定額為4 500 m3/hm2，因此G1水分處理為4 500 m3/hm2、G2水分處理為3 750 m3/hm2、G3水分處理為3 000 m3/hm2、G4水分處理為2 250 m3/hm2。二銨(225 kg/hm2)作底肥在整地時(shí)施入。苗期、拔節(jié)期、抽穗期追施氮肥(結(jié)晶尿素)180 kg/hm2。青貯玉米不同生育期灌溉水與肥料使用比例見(jiàn)表2。

表2　青貯玉米不同生育期灌溉水與肥料使用比例

2　結(jié)果與分析

2.1　水肥耦合青貯玉米不同生育階段生理指標(biāo)的影響

(1)水肥耦合對(duì)玉米生育期的影響。由表3可知，不同水肥處理?xiàng)l件下青貯玉米進(jìn)入各生育階段基本同步，但是重度受旱處理的青貯玉米拔節(jié)期較其他的處理慢，并且在同一水分脅迫下，肥料施用越多，則進(jìn)入該生育階段越早；而后期與其他處理差異不大。試驗(yàn)中，青貯玉米不受旱情況下，不同肥料處理水平進(jìn)入各個(gè)生育階段時(shí)間基本無(wú)差別。

(2)水肥耦合對(duì)青貯玉米生理指標(biāo)的影響。由表4可知，不同受旱條件下，拔節(jié)期青貯玉米的株高隨著施肥量的增加而增加。低水分(重旱處理)、中水分(中旱處理)、高水分(輕旱處理)和充分灌溉(不受旱處理)條件下，青貯玉米拔節(jié)期株高平均值分別為39.3、51.4、62.3和84.8 cm，灌漿期株高平均值為251.0、246.6、209.6和199.2 cm。對(duì)拔節(jié)期而言，低水分和中水分和高水分相對(duì)于充分灌溉條件下，株高分別下降了53.6%、39%和26.5%；對(duì)灌漿期，低水分和中水分和高水分相對(duì)于充分灌溉條件下，株高分別下降了1.7%、16.5%和20.6%。拔節(jié)期后的青貯玉米，進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛狀態(tài)，對(duì)土壤水分的持續(xù)需求進(jìn)入高峰期。

表3　不同水肥處理下青貯玉米進(jìn)入不同生育期的時(shí)間

表4　青貯玉米不同生育期生理指標(biāo)和土壤含水量

隨生育期青貯玉米的株高增長(zhǎng)呈S形變化。由表4可知出苗期青貯玉米的生長(zhǎng)主要集中在根系，拔節(jié)期的生長(zhǎng)主要包括根系和葉片。青貯玉米抽穗后，生長(zhǎng)進(jìn)入旺盛階段，在高、中、低肥三個(gè)水平下，從6月15日到7月25日，玉米平均株高分別從57、57.2、56.6 cm增加到242.9、225.4、211.6 cm，平均每天增高3.7、3.4和3.1 cm/d。抽穗期后期青貯玉米株高的增長(zhǎng)逐漸變慢，最終停止增高。其中玉米株高增長(zhǎng)最快的處理為高肥輕旱(灌溉量3 750 m3/hm2，施肥量225 kg/hm2)，平均每天增高為4.2 cm/d。

不同水肥條件下青貯玉米平均莖粗和葉面積指數(shù)見(jiàn)表4，總體而言，全生育期玉米的莖粗，在不同受旱條件下隨著施肥量的增加而變粗，但是植株成熟后莖粗差別不大。低水分(重旱處理)、中水分(中旱處理)、高水分(輕旱處理)和充分灌溉(不受旱處理)條件下，青貯玉米抽穗期株高莖粗分別為5.2、5.1、5.0和4.9 cm，抽穗期株高平均值為8.33、8.15、8.09和8.00 cm。

葉面積指數(shù)是青貯玉米生長(zhǎng)過(guò)程中的一個(gè)重要指標(biāo)。總體來(lái)看，高肥條件下的葉面積指數(shù)較大，其中高肥不受旱的葉面積指數(shù)最大為6.52；而中肥和低肥條件下，植株在受到不同和脅迫水平下的葉面積指數(shù)范圍在4.31～4.94之間，并且葉面積指數(shù)差別不大。對(duì)青貯玉米而言，葉面積指數(shù)在5.0左右，對(duì)產(chǎn)量的提高最為有利。抽穗期，在不受旱和輕度受旱條件下，青貯玉米葉面積指數(shù)隨施肥量的增加而增大；中旱和受重旱條件下，中肥和低肥的葉面積指數(shù)相當(dāng)。

2.2　青貯玉米產(chǎn)量變化及回歸模型

(1)青貯玉米產(chǎn)量積累動(dòng)態(tài)。青貯玉米不同水肥條件下產(chǎn)量變化見(jiàn)表5，其中高肥不受旱處理的產(chǎn)量最高，達(dá)53 946 kg/hm2，其次為中肥不受旱、高肥輕旱的產(chǎn)量較高，分別為46 497.0和44 043.0 kg/hm2。在不受旱和重旱的各個(gè)處理中，產(chǎn)量隨施肥量的增加而同步增長(zhǎng)；在輕度受旱和中度受旱條件下，其產(chǎn)量均以中肥處理的產(chǎn)量較高。

表5　青貯玉米不同水肥條件產(chǎn)量變化

同一灌溉水平下，不受旱處理的產(chǎn)量最高，平均為45 004.5 kg/hm2，其次是輕旱和中旱處理，平均產(chǎn)量為39 175.5和32 359.5 kg/hm2，重度受旱的產(chǎn)量最低，平均為28 204.5 kg/hm2。輕度受旱與不受旱產(chǎn)量相比，僅減產(chǎn)12.9%，而輕旱與中旱和重旱產(chǎn)量相比，產(chǎn)量增加21%和39%。同一施肥水平下，高肥處理的產(chǎn)量最高，平均為40 377.0 kg/hm2，中肥和低肥的平均產(chǎn)量為38 514.0和29 665.5 kg/hm2。中肥平均產(chǎn)量與高肥相比，僅減產(chǎn)4.6%，而中肥平均產(chǎn)量與低肥平均產(chǎn)量相比，增產(chǎn)30%。

由圖1可知，在不受旱條件下，青貯玉米干物質(zhì)積累隨施肥量增加而增多，表現(xiàn)為生物量積累過(guò)程高肥>中肥>低肥；受輕旱和中旱條件下，干物質(zhì)積累中肥>高肥>低肥；重旱條件下，干物質(zhì)積累高肥>中肥>低肥。

圖1　不同水肥條件對(duì)青貯玉米干物質(zhì)累計(jì)

(2)產(chǎn)量回歸模型。采用Excel軟件中回歸分析，將水、肥與產(chǎn)量的耦合關(guān)系進(jìn)行了多元回歸分析，得到二元回歸方程：

Y=-373.05+7.36X1+81.41X2

式中：Y為青貯玉米產(chǎn)量，kg/hm2；X1為灌溉定額，m3/hm2；X2為化肥量，kg/hm2。

由回歸方程繪出了三維圖見(jiàn)圖2。采用現(xiàn)有樣本，分析水肥耦合方程回歸方程計(jì)算精度(見(jiàn)表6)，方程估計(jì)的產(chǎn)量誤差基本都在10%以內(nèi)，平均誤差6.26%。

圖2　青貯玉米膜下滴灌水肥耦合相關(guān)圖

由圖2可看出，當(dāng)灌溉定額為3 750 m3/hm2，施肥量為150 kg/hm2，青貯玉米產(chǎn)量可達(dá)45 000 kg/hm2。當(dāng)灌溉量、施肥量大于上述量時(shí)，青貯玉米產(chǎn)量的增幅不明顯。因此，合理的灌溉量、施肥量應(yīng)分別是4 200 m3/hm2和195 kg/hm2。將灌溉定額和施肥量與青貯玉米產(chǎn)量進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，不同灌溉定額水平間的差異顯著(F=25.10>F0.01=16.45)，而各施肥量水平間的差異不顯著，這一研究結(jié)果表明青貯玉米產(chǎn)量的形成對(duì)灌水量的變化更為敏感，其次為施肥量。

表6　青貯玉米水肥耦合方程預(yù)測(cè)值精度

3　結(jié)　語(yǔ)

不同灌水量和施肥量處理下，北疆干旱荒漠地區(qū)膜下滴灌青貯玉米的各個(gè)生育期時(shí)間基本接近；不同土壤含水量條件下，拔節(jié)期玉米的株高和莖粗隨著施肥量的增加而增加，抽穗期后莖稈增長(zhǎng)趨于緩慢并停止，玉米株高增長(zhǎng)最快的處理為高肥輕旱，平均每天增長(zhǎng)4.2 cm/d。抽穗期，在不受旱和輕度受旱條件下，青貯玉米葉面積指數(shù)隨施氮量的變化而變化；中旱和受重旱條件下，中肥和低肥的葉面積指數(shù)相當(dāng)。

不受旱和重旱條件下，青貯玉米干物質(zhì)積累隨施肥量增加而增多，表現(xiàn)為生物量積累過(guò)程高肥>中肥>低肥；受輕旱和中旱條件下，干物質(zhì)積累中肥>高肥>低肥。灌溉量在3 750 m3/hm2，施肥量在150 kg/hm2，玉米產(chǎn)量可達(dá)45 000 kg/hm2。當(dāng)灌溉量、施肥量大于上述量時(shí)，產(chǎn)量增加幅度不大。通過(guò)二元回歸方程，合理的灌溉量、施肥量應(yīng)分別是4 200 m3/hm2和195 kg/hm2。

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