寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)玉米滴灌水肥一體化 灌溉施肥制度試驗(yàn)研究

劉學(xué)軍，翟汝偉, 李真樸，劉 平，王 文

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)光照資源豐富，玉米增產(chǎn)潛力較大[1],種植面積占灌區(qū)面積的70%，達(dá)到9.5 萬(wàn)hm2。近年來(lái)灌區(qū)開(kāi)展了較大規(guī)模的玉米滴灌工程建設(shè)，面積達(dá)到了3.5 萬(wàn)hm2,為玉米水肥一體技術(shù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。但灌區(qū)對(duì)滴灌條件下玉米水肥一體化灌溉、施肥制度的大田試驗(yàn)研究較少[2,3]，制約了高效節(jié)水灌溉工程效益的發(fā)揮[4]。為了保障高效節(jié)水灌溉工程的可持續(xù)應(yīng)用，推進(jìn)玉米高效節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，在寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)開(kāi)展滴灌條件下玉米灌溉制度、施肥制度及水肥一體化技術(shù)試驗(yàn)研究，對(duì)寧夏玉米滴灌水肥一體化技術(shù)的規(guī)模推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)的南村和北村，地處寧夏中部，屬西北干旱內(nèi)陸地區(qū)，鄂爾多斯高原西部與黃土高原北部的銜接地帶，地理坐標(biāo)為北緯36°58′48″，東經(jīng)105°54′24″，海拔1 240 m。氣候?qū)俚湫痛箨懶约撅L(fēng)型氣候，多年平均降水量270 mm，降水年內(nèi)分布不均衡，7-9月降水占全年降水的65%，年蒸發(fā)量在2 325 mm以上，干旱指數(shù)8.4，全年平均相對(duì)濕度52%。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為沙質(zhì)壤土，0～60 cm土壤田間持水量20%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米參試品種為銀439(試驗(yàn)篩選出的優(yōu)良品種)。玉米種植方式采用寬窄行種植，其中寬行行距0.7 m、窄行行距0.4 m，玉米株距0.2 m。

試驗(yàn)區(qū)灌溉水源為寧夏同心縣現(xiàn)代節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園區(qū)已建5 萬(wàn)m3蓄水池調(diào)蓄的黃河水，灌溉系統(tǒng)利用潛水泵加壓，配套篩網(wǎng)+疊片過(guò)濾器進(jìn)行水質(zhì)凈化處理。玉米田間滴灌帶采用Ф16PE貼片式滴灌帶，滴灌帶長(zhǎng)50 m，沿玉米種植行方向鋪設(shè)于窄行，一條滴灌帶灌溉2行玉米，滴頭流量2.5 L/h，滴頭間距0.3 m。

在筆者2016年開(kāi)展的玉米滴灌灌溉制度[5]、滴灌條件下施肥制度試驗(yàn)研究取得最優(yōu)灌溉、施肥方案基礎(chǔ)上，結(jié)合作物需水、施肥規(guī)律研究成果，根據(jù)不同生育期作物對(duì)水、肥需求的上、下限范圍，適當(dāng)調(diào)整關(guān)鍵生育期水、肥用量，提出不同灌溉定額的3套灌溉制度與3套施肥制度進(jìn)行耦合，共設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)方案，開(kāi)展玉米滴灌條件下水肥一體化耦合試驗(yàn)。玉米生育期滴灌11次、隨水施肥10次，各試驗(yàn)小區(qū)灌溉制度設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，施肥制度見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)區(qū)玉米滴灌水肥耦合灌水試驗(yàn)設(shè)計(jì) m3/hm2

表2 試驗(yàn)區(qū)玉米滴灌水肥耦合施肥試驗(yàn)設(shè)計(jì) kg/hm2

1.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法

主要對(duì)試驗(yàn)區(qū)降水量、土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、出苗率、灌水定額、灌溉定額、土壤含水率、施肥量、生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(籽粒產(chǎn)量)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。降水量采用自計(jì)雨量計(jì)監(jiān)測(cè)，土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分取樣化驗(yàn)室測(cè)定，灌水量采用水表計(jì)量。每一試驗(yàn)小區(qū)固定布設(shè)3處含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)，土壤含水率采用PR2觀測(cè)儀監(jiān)測(cè)，分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)玉米播種、灌水前后、收獲后0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將3處不同層次土壤含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值作為該試驗(yàn)區(qū)土壤含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果。施肥量用電子秤計(jì)量，產(chǎn)量按照規(guī)范規(guī)定的測(cè)產(chǎn)方法監(jiān)測(cè)。

1.4 灌溉施肥監(jiān)測(cè)

2017年試驗(yàn)區(qū)玉米生育期4月1日至10月9日降雨量336.3 mm，其中次降雨量大于5 mm的有效降雨量286.1 mm。試驗(yàn)區(qū)玉米出苗率86.73%～95.56%。玉米試驗(yàn)區(qū)生育期滴灌11次，遇到降雨時(shí)，適當(dāng)延后灌水、施肥日期。由于受前期降雨影響，其中6月7日各試驗(yàn)小區(qū)灌水定額較設(shè)計(jì)定額降低150 m3/(hm2·次)，8月30日各試驗(yàn)區(qū)灌水定額較設(shè)計(jì)定額降低75 m3/(hm2·次)，其他灌水均嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)灌水定額進(jìn)行灌溉，生育期各試驗(yàn)小區(qū)實(shí)際灌溉定額較設(shè)計(jì)降低225 m3/hm2。各試驗(yàn)區(qū)施肥量嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)用量進(jìn)行施肥，各試驗(yàn)區(qū)不同時(shí)段施肥量見(jiàn)表3。

表3 玉米滴灌水肥耦合試驗(yàn)區(qū)實(shí)際施肥量 kg/hm2

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 土壤養(yǎng)分變化分析

2017年玉米種植前、收割后，分別對(duì)滴灌水肥耦合試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行取土、化驗(yàn)室測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

由土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)生育期種植，土壤鹽分降低，土壤有機(jī)質(zhì)增加(上年10月秸稈粉碎還田、深翻，由于當(dāng)?shù)囟緶囟容^低、第2年播種前秸稈不能腐熟,經(jīng)過(guò)玉米生育期高溫和灌溉影響，第2年10月收獲時(shí)還田的秸稈已全部腐熟，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量)，土壤的全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀都有不同程度的降低，作物的生長(zhǎng)消耗了土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分，會(huì)造成土壤進(jìn)一步貧瘠。為了提高土壤質(zhì)量，應(yīng)該加強(qiáng)土壤保育和質(zhì)量提升，秋季或早春增施有機(jī)肥，秋季實(shí)施秸稈粉碎還田。較長(zhǎng)時(shí)期堅(jiān)持培肥措施，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力與質(zhì)量。

表4 玉米滴灌水肥耦合試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分測(cè)定結(jié)果Tab.4 Results of soil nutrient measurements in maize drip irrigation and fertilizer coupling test area

2.2 土壤含水率變化分析

分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)玉米播種、灌水前后、收獲后土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，含水率的監(jiān)測(cè)層次分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm。玉米滴灌水肥耦合各試驗(yàn)區(qū)、整個(gè)生育期0～100 cm土壤平均含水率變化監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 玉米水肥耦合試驗(yàn)區(qū)生育期土壤含水率變化Fig.1 Changes of soil water content in growth stage of corn-fertilizer coupling experimental area

2.2.1 玉米生育期土壤含水率變化分析

T1、T2、T3屬低水，高、中、低施肥試驗(yàn)區(qū)。0～40 cm土壤含水量在5-6月一直處于60%田間持水量以上或附近；在7月受高溫影響，0～40 cm土壤含水率降低到60%田間持水量以下；在8月以后，受充沛降雨影響，0～60 cm土壤含水率上升到60%田間持水量以上。60～100 cm土壤含水率在整個(gè)生育期多低于60%田間持水量，但呈現(xiàn)出隨施肥水平降低，含水率有提高趨勢(shì)。

T4、T5、T6屬中水，高、中、低施肥試驗(yàn)區(qū)。0～10 cm土壤含水率受灌溉、降水、蒸發(fā)影響，在整個(gè)生育期變化劇烈，但長(zhǎng)期處于60%田間持水量以上。10～60 cm土壤含水量在整個(gè)生育期多處于60%田間持水量以下，但呈現(xiàn)出隨施肥水平提高、土壤含水率降低的趨勢(shì)。60～100 cm土壤在整個(gè)生育期保持在60%田間持水率左右。

T7、T8、T9屬高水，高、中、低施肥試驗(yàn)區(qū)。0～60 cm不同層次土壤含水率在整個(gè)生育期多處于60%田間持水量以上，在7月份受持續(xù)高溫影響，土壤含水率也高于60%田間持水量，在8月份受豐沛降雨影響，土壤含水率一致保持在70%～90%田間持水量，保證了作物整個(gè)生育期對(duì)水分的需求。60～100 cm土壤含水率在整個(gè)生育期一致處于較低水平，長(zhǎng)期保持在60%田間持水量以下，后期上升到60%田間持水量以上。

不同層次土壤含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，灌溉主要補(bǔ)充了0～60 cm土壤含水率，說(shuō)明滴灌灌水定額較適宜，不會(huì)造成深層滲漏。

不同試驗(yàn)區(qū)0～100 cm土壤平均含水率在整個(gè)生育期基本保持了較高水平，只有部分試驗(yàn)區(qū)在6-7月干旱季節(jié)土壤含水量低于60%田間持水量，但各試驗(yàn)區(qū)基本上都能滿足作物對(duì)水分的需求。各試驗(yàn)區(qū)不同生育階段土壤含水率的變化與施肥量沒(méi)有明顯的規(guī)律。

2.2.2 不同灌水定額灌水前后土壤含水率變化分析

對(duì)典型試驗(yàn)區(qū)灌水前、灌水后土壤水分變化比較表明，在設(shè)計(jì)的灌水次數(shù)11次情況下，采用灌水定額300、375 m3/(hm2·次)時(shí)，濕潤(rùn)的土壤最大深度為1.0 m，但補(bǔ)充的土壤水分主要儲(chǔ)存在0～60 cm土層。因此根據(jù)降雨情況，因地制宜地采用最大450 m3/(hm2·次)的灌水定額，不會(huì)造成灌溉水的深層滲漏。玉米屬密植作物，滴灌狀態(tài)下土壤的濕潤(rùn)比為0.6～0.95，苗期濕潤(rùn)比較小，其他生育期隨著根系的擴(kuò)大、灌水量的增大，濕潤(rùn)比也增加。因此確定玉米生育期滴灌灌水定額應(yīng)該不小于225 m3/(hm2·次)、不大于450 m3/(hm2·次)，否則會(huì)造成灌水不足或灌水浪費(fèi)。

2.3 施肥、灌水對(duì)玉米產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率的影響

對(duì)玉米滴灌水肥耦合試驗(yàn)區(qū)秸稈產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、灌水量、降水量進(jìn)行綜合分析，各試驗(yàn)區(qū)總耗水量、水分生產(chǎn)效率分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 玉米滴灌水肥耦合試驗(yàn)區(qū)水分生產(chǎn)效率Tab.5 Water production efficiency of corn drip irrigation water and fertilizer coupling test area

玉米滴灌水肥耦合試驗(yàn)結(jié)果表明，灌溉定額3 375～3 825 m3/hm2、施肥量378～540 kg/hm2，產(chǎn)量12 385～17 250 kg/hm2、水分生產(chǎn)效率1.93～2.86 kg/m3。9種方案玉米產(chǎn)量與水分生產(chǎn)效率對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 不同試驗(yàn)方案產(chǎn)量與水分生產(chǎn)效率關(guān)系Fig.2 Relationship between yield and water production efficiency in different test schemes

按照產(chǎn)量從大到小排序的水肥耦合方案為：灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量459 kg/hm2、產(chǎn)量17 250 kg/hm2；灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量370 kg/hm2、產(chǎn)量17 160 kg/hm2；灌溉定額3 375 m3/hm2、施肥量459 kg/hm2、產(chǎn)量15 675 kg/hm2。

按照水分生產(chǎn)效率從大到小排序：灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量4 596 kg/hm2、產(chǎn)量17 250 kg/hm2；灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量370 kg/hm2、產(chǎn)量17 160 kg/hm2；灌溉定額3 825 m3/hm2、施肥量540 kg/hm2、產(chǎn)量15 240 kg/hm2。

對(duì)相同灌溉定額試驗(yàn)方案的產(chǎn)量進(jìn)行平均(不計(jì)施肥影響)后比較，當(dāng)灌溉定額達(dá)到中等水平，即灌溉定額達(dá)到3 600 m3/hm2時(shí)，產(chǎn)量最高。對(duì)相同施肥量試驗(yàn)方案的產(chǎn)量進(jìn)行平均(不計(jì)灌溉定額影響)后比較，當(dāng)施肥量達(dá)到中等水平，即純施肥量達(dá)到459 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量最高。由此可以得出結(jié)論，施肥量459 kg/hm2、灌溉定額3 600 m3/hm2屬最佳組合，產(chǎn)量最高。灌溉定額對(duì)玉米產(chǎn)量影響的極差分別為2 896、1 822 kg/hm2，偏生產(chǎn)效率分別為13.27、8.10 kg/m3。施肥量對(duì)玉米產(chǎn)量影響的極差分別為1 683.5、1 577 kg/hm2，偏生產(chǎn)效率分別為20.78、19.47 kg/kg。

對(duì)施肥量、灌水量、產(chǎn)量及施肥量、灌水量、水分生產(chǎn)效率分別進(jìn)行3參數(shù)互相關(guān)分析，并繪制3軸趨勢(shì)面響應(yīng)見(jiàn)圖3，施肥量、灌水量、產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率3軸趨勢(shì)面響應(yīng)平面見(jiàn)圖4。

由圖3、圖4可見(jiàn)，在灌溉定額3 525～3 615 m3/hm2、施肥量437～475 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到17 250 kg/hm2以上；在灌溉定額3 525～3 705 m3/hm2、施肥量378～475 g/hm2時(shí)，水分生產(chǎn)效率達(dá)到2.75 kg/hm2以上。

作物產(chǎn)量與耗水量存在一定的關(guān)系。綜合分析水肥耦合試驗(yàn)區(qū)生育期灌水量、有效降水量、生育期始末1 m土體水分蓄變量，計(jì)算9種試驗(yàn)方案玉米生育期耗水量為581～657 mm[6,7]，變化不大，但在灌溉定額3 600 m3/hm2、施肥量378～450 kg/hm2,生育期耗水量600～613 mm時(shí)，產(chǎn)量總體處于較高水平。

3 試驗(yàn)研究結(jié)論

(1)根據(jù)2017年玉米滴灌水肥分耦合試驗(yàn)結(jié)果，在生育期降水量336.3 mm、有效降水量286 mm時(shí)，玉米滴灌11次，灌溉定額3 375～3 825 m3/hm2，生育期耗水量531～654 mm，玉米產(chǎn)量為12 666～17 250 kg/hm2，水分生產(chǎn)效率達(dá)到1.93～2.86 kg/m3。

圖3 施肥量、灌水量、產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率3參數(shù)趨勢(shì)面響應(yīng)Fig.3 Response of three parameters: fertilizer, irrigation, yield and water production efficiency

圖4 施肥量、灌水量、產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率3參數(shù)趨勢(shì)面響應(yīng)平面圖Fig.4 Plan of response of three parameters: fertilizer, irrigation, yield and water production efficiency

(2)根據(jù)玉米滴灌水肥一體化試驗(yàn)，最佳施肥方案為：純施肥量459 kg/hm2(其中N含量255 kg/hm2，P2O5含量123 kg/hm2，K2O含量81 kg/hm2)，分10次結(jié)合滴灌施肥，在次灌水的中間時(shí)段進(jìn)行施肥。最佳灌溉定額3 600 m3/hm2、灌水11次、作物產(chǎn)量17 250 kg/hm2。推薦玉米滴灌水肥一體化灌溉施肥制度見(jiàn)表6。

表6 玉米滴灌水肥一體化灌溉施肥制度Tab.6 Integrated fertigation system of water and fertilizer for maize drip irrigation

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