寒區(qū)水肥一體化技術對玉米產量及氮肥利用率的影響

王 柏，孫艷玲，黃 彥

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

2018年黑龍江省糧食總產量達1501.4億斤，實現(xiàn)“十五連豐”，糧食商品量和倉儲量均居全國第一。但黑龍江省農業(yè)用水供需失衡、灌溉效率與效益不高、農業(yè)生產期低溫、冷害等極端天氣發(fā)生頻率增加等影響糧食產能的水問題十分突出。2011年中央1號文件鎖定水利，提出大力發(fā)展節(jié)水噴灌、滴灌技術。在農業(yè)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中，水與土壤礦物元素融為一體，水與肥的相互作用和相影響對植物的生長發(fā)育產生了互聯(lián)耦合效應[1-5]。水肥一體化灌溉綜合管理通過對不同水肥耦合調控控制，促進了玉米產量及其生理生長指標的提高。玉米水肥一體化技術能夠提高玉米的生產效率和提升水資源的利用效率[6]，可以實現(xiàn)水分和養(yǎng)分在時間上同步，空間上耦合[7]。梁海玲[8]研究表明，與常規(guī)施肥相比，70%水肥一體化施肥的玉米鮮苞產量、產值分別提高6.73%、6.72%；李彬[9]研究表明相比于傳統(tǒng)種植，水肥一體化條件下種植的玉米水分利用效率提高了 8.5%，產量提高了22.01%；孫占祥[10]研究了水肥交互作用對玉米株高、莖基寬和產量的影響氮肥、磷肥和灌水量對玉米產量均具有正效應，且符合報酬遞減定律，過量施肥、灌水會引起明顯的負效應，造成玉米減產；張玉銘[11]通過多組水肥組合試驗，結果指出，氮肥對玉米產量的影響最大，其次是磷肥、鉀肥，最后是灌溉；Gheysari[12]研究指出在受干旱脅迫的時候，應適當減少氮肥的施用量，表明對于不同的灌水情況，最佳施肥量發(fā)生了明顯變化，最佳施肥量隨著灌水量的增加而增加。孟兆江[13]研究結果指出，在水肥耦合過程中，氮肥、磷肥、灌溉定額分別低于105 kg/hm2、5215 kg/hm2、1500 m3/hm2閾值時，水肥沒有明顯增長效應，高于閾值時，夏玉米水肥耦合增產效應顯著。目前，黑龍江省存在滴灌水肥耦合灌溉制度不完善，黑土區(qū)農田作物，特別是春玉米大田作物缺少配套的節(jié)水、增溫、增產的水肥一體化關鍵技術，研究灌水和施肥同步實施的滴灌水肥一體化技術模式、提升水肥利用效率，深度挖掘糧食增產潛力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗研究在黑龍江省灌溉試驗中心站進行，該試驗站總面積55 hm2，旱作精準試驗區(qū)建有配套自動感應式遮雨棚24組測坑小區(qū)，單個測坑表面積為2.0 m×2.5 m、土壤埋深2.0 m、測坑土壤表面與周邊野外田面齊平。該灌溉試驗中心站所在的區(qū)域多年平均氣溫為3.1 ℃，年平均降水量多介于400～650 mm，無霜期為130～140 d，多年平均水面蒸發(fā)量為796 mm，7—9月份的降雨量占全年的70%，試驗供試土壤質地為壤土。土壤速效氮(N)為154.4 mg/kg，土壤速效氮速效磷(P2O5)為40.1 mg/kg，土壤速效氮速效鉀(K2O)為376.8 mg/kg。

1.2 試驗設計

2015年和2016年玉米供試品種分別為東富1號和強盛31號。選取施氮量和灌水量兩個關鍵因素，施肥量設置3個調控水平：水肥一體化100%施肥、水肥一體化75%施肥、水肥一體化50%施肥；灌溉設置兩個調控水平：單次灌水量分別為10 mm和20 mm。按照完全組合試驗設計，共計6個處理。另設覆膜滴灌不追氮肥的對照處理CK-1、CK-2，總計8個處理(詳見試驗方案設計表)，每個處理3個重復，共24個小區(qū)，小區(qū)的尺寸為2.0 m×2.5 m，各試驗處理隨機排列。配套的栽培模式為：大壟雙行、壟寬110 cm，壟間大行距為70 cm，壟內小行距為40 cm，壟臺寬度為70 cm，壟的高度為15 cm，玉米的株距為28 cm，播種密度為63 000株/hm2。覆膜滴灌施肥采用“1/4W—1/2N—1/4W”的模式(前1/4 時間灌清水，中間1/2 時間施肥，后1/4 時間灌清水沖洗管網(wǎng))。其他農田種植均按當?shù)卦耘喾绞竭M行管理。玉米各生育期土壤相對水分含量(占田間最大持水量的百分率)控制范圍：播種至出苗65%～75%，出苗至拔節(jié)60%～70%，拔節(jié)至抽雄70%～75%，抽雄至吐絲80%～85%，吐絲至乳熟75%～80%，完熟期60%左右。

在隨水施肥前1 d，隨水施肥后第2 d、4 d、6 d、10 d，用土鉆法于壟臺中心分6個深度0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm采集土樣分別測量土壤含水量和養(yǎng)分，用“Easychem300直讀式全自動離子分析儀”測定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，土壤含氮量；應用CCM-200便攜式葉綠素儀測量葉綠素的相對含量。

表1 試驗方案設計表

注：底肥為450 kg/hm2(N 15%、P2O515%、K2O 15%)。

圖1 灌溉方式

圖2 滴灌追施肥方式

2 結果與分析

2.1 水肥一體化對玉米百粒重的影響

圖3給出了 2015 年和 2016 年玉米產量構成要素百粒重的變化趨勢圖。2015年試驗結果表明，各水氮耦合試驗處理玉米百粒重從大到小的次序為高水中肥、高水低肥、高水高肥、低水高肥、低水中肥、低水低肥、高水無氮、低水無氮，“高水+氮”試驗處理玉米百粒重的平均值比“低水+氮”試驗處理高1.5%。2016年試驗結果表明，高水中肥試驗處理分別比高水低肥、高水高肥、高水無氮試驗處理提高了15.1%、8.5%、15.7%；低水中肥試驗處理分別比低水低肥、低水高肥、低水無氮試驗處理提高了6.6%、4.0%、4.1%。

圖3 不同水氮耦合試驗處理玉米百粒重變化規(guī)律

表2給出了 2015 年和2016年玉米產量構成要素百粒重的方差分析結果。2015年和2016年試驗方差分析結果表明，2015年和2016年試驗灌水量、施氮量和水氮耦合對試驗玉米百粒重的影響不顯著，其中，施氮因素對玉米百粒重的影響大于灌水因素。

表2 各水氮處理玉米百粒重方差分析結果

注：表中同一列中標有相同字母的數(shù)字在 P=0.05 水平上差異不顯著(LSD 法)；NS 表示差異不顯著。

2.2 水肥一體化對玉米產量的影響

(1)玉米產量變化規(guī)律。 根據(jù)2015年各水氮耦合處理玉米產量變化趨勢圖可以看出，在所有水肥耦合處理中，高水和氮肥耦合處理的玉米產量較高；低水和高水條件下，玉米生長期不追氮肥處理的產量明顯低于追氮肥的高水和低水處理。在“低水+氮”耦合處理中，低水中肥處理玉米產量比低水低肥、低水高肥、低水無氮處理分別提高了5.8%、6.4%和20.3%，高水高肥處理玉米產量比高水低肥、高水中肥、高水無氮處理分別提高了5.9%、6.2%和20.8%。

圖4 不同水氮耦合試驗處理玉米產量變化規(guī)律

根據(jù)2016年各水氮耦合處理玉米產量變化趨勢圖可以看出，在所有水肥耦合處理中，高水中肥和高水高肥的玉米產量明顯大于其他試驗處理，低水無氮和高水無氮試驗處理的玉米產量最小。在“低水+氮”耦合處理中，低水中氮處理玉米產量比低水低肥、低水高肥、低水無氮處理分別提高了10.6%、13.0%和28.5%，高水中氮處理玉米產量比高水低肥、高水高肥、高水無氮處理分別提高了15.1%、5.9%和29.3%。

(2)玉米產量方差分析。方差分析結果表明，2015年灌水、水氮耦合對不同水氮耦合處理的玉米產量影響不顯著，施氮量對玉米產量的影響達到了顯著水平，表明施氮對玉米產量影響大于灌水因素。低水無氮和高水無氮試驗處理與其他水氮耦合試驗處理差異顯著。2016年灌水、施氮對不同水氮耦合處理的玉米產量影響不顯著，其中，施氮因素對玉米產量的影響高于灌水因素。

2.3 水肥一體化對氮肥利用效率的影響

目前國內從不同角度描述作物對肥量養(yǎng)分的利用效率主要包括肥料養(yǎng)分回收率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理利用率。其中，氮肥農學效率(Agronomic efficiency of applied N，AEN)是指氮肥單位施用量所增加的作物籽粒產量，即:

AEN=(Y-Y0) /F，

(1)

式中：Y為施肥后所獲得的作物產量；Y0為不施肥條件下作物的產量；F代表化肥的投入量。本文采用氮肥農學效率AEN來計算各個水氮耦合試驗處理。

表3 2015年和2016年各水氮耦合試驗處理玉米產量變化

注：表中同一列中標有相同字母的數(shù)字在 P=0.05 水平上差異不顯著(LSD 法)；NS 表示差異不顯著，*表示在 0.05 水平上差異顯著。

(1)水氮耦合試驗2015年結果。 根據(jù)2015年各水氮耦合試驗處理的玉米產量數(shù)據(jù)、氮肥使用數(shù)據(jù)進行計算，低水低肥、低水中肥、低水高肥試驗處理的氮肥利用率分別為16.99、15.21和8.18；高水低肥、高水中肥、高水高肥試驗處理的氮肥利用率分別為16.00、10.49和11.12，試驗結果表明在水氮耦合試驗處理中，在低水灌溉或高水灌溉條件下，隨著氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐漸減小，可見氮肥施用量不宜過大，玉米各生育期適宜氮肥施用可以獲得較高的氮肥利用率。

建立2015年“低水+氮”耦合試驗處理的氮肥農學利用率方程為：

Y=-0.1498·X2+3.1918·X+0.0436,

R2=0.98

(2)

建立2015年“高水+氮”耦合試驗處理的氮肥農學利用率方程為：

Y=-0.0989·X2+2.3348·X+0.4133,

R2=0.86

(3)

圖5 “低水+氮”耦合

圖6 “高水+氮”耦合

根據(jù)“低水+氮”與“高水+氮”試驗處理的氮肥農學利用率方程，計算得出理論最大氮肥利用率，從而計算出最佳理論施氮量。最佳施肥方案：基肥為復合肥450.0 kg /hm2；適宜追肥量(尿素)：“低水+氮” 耦合條件下為347.4 kg/hm2，“高水+氮”耦合條件下為384.9 kg/hm2。

(2)水氮耦合試驗2016年結果。 根據(jù)2016年各水氮耦合試驗處理的玉米產量數(shù)據(jù)、氮肥使用數(shù)據(jù)進行計算，低水低肥、低水中肥、低水高肥試驗處理的氮肥利用率分別為10.79、12.68、4.57；高水低肥、高水中肥、高水高肥試驗處理的氮肥利用率分別為9.06、14.34、8.10，試驗結果表明在水氮耦合試驗處理中，在低水灌溉或高水灌溉條件下，隨著氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐漸減小，可見氮肥施用量不宜過大，玉米各生育期適宜的氮肥施用可以獲得較高的氮肥利用率。

圖7 “低水+氮”耦合

圖8 “高水+氮”耦合

建立2016年“低水+氮”耦合試驗處理的氮肥農學利用率方程為：

Y=-0.1128·X2+2.3693·X-0.2094,

R2=0.95

(4)

建立2016年“高水+氮”耦合試驗處理的氮肥農學利用率方程為：

Y=-0.0786·X2+1.9569·X+0.3275,

R2=0.89

(5)

根據(jù)“低水+氮”與“高水+氮”試驗處理的氮肥農學利用率方程，計算得出理論最大氮肥利用率，從而計算出最佳理論施氮量，以及最佳施肥方案：基肥為復合肥450.0 kg/hm2；適宜追肥量(尿素)：“低水+氮” 耦合條件下為 342.5 kg/hm2，“高水+氮”耦合條件下為 405.9 kg/hm2。

3 結 論

低水灌溉和中等氮肥組合、高水灌溉和中高等氮肥組合可以獲得較高的玉米百粒重。低水灌溉條件下，中等氮肥可以獲得較高產量；高水灌溉條件下，中高等氮肥可以獲得較高產量。在低水灌溉或高水灌溉條件下，隨著氮肥施用量的增加，氮肥利用效率逐漸減小，氮肥施用量不宜過大，玉米各生育期適宜的氮肥施用可以獲得較高的氮肥利用率。膜下滴灌最佳施肥方案為：基肥為復合肥450 kg/hm2；適宜追肥量(尿素)：“低水+氮” 耦合條件下為330～345 kg/hm2，“高水+氮”耦合條件下為375～405 kg/hm2。