水藥一體化膜下滴灌對(duì)玉米生長(zhǎng)和除草劑殘留的影響研究

王 惠，石文鵬，王文娥，胡笑濤

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

河西走廊地區(qū)多采用玉米膜下滴灌，膜下滴灌技術(shù)的使用，使得灌溉水的蒸發(fā)損失大大減少，為作物及根系的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造了良好的環(huán)境。但由于塑料薄膜將地面及植物體完全覆蓋，導(dǎo)致作物周圍生長(zhǎng)的雜草無(wú)法被常規(guī)方式清除。滴灌施藥技術(shù)由水肥一體化技術(shù)衍生，其本質(zhì)都是為保證作物正常生長(zhǎng)，合理、有效的施用作物需要的成分。且通過(guò)滴灌技術(shù)施用農(nóng)藥或除草劑，還可以減少人員和有害物質(zhì)的接觸，避免有毒物質(zhì)污染環(huán)境[1]。采用水藥一體化的方式施用除草劑進(jìn)行膜下滴灌，既不影響作物正常灌溉，又可以有效的清除膜下雜草，有效節(jié)省人力物力[2]。李穎等[1]通過(guò)試驗(yàn)證明滴灌施用戊唑醇和多菌靈可有效防治玉米莖腐病，顯著提高產(chǎn)量和效益。岳瑾等[3]開(kāi)展甘薯根腐病水藥一體化防治技術(shù)研究。結(jié)果表明：寡雄腐霉在滴灌條件下，對(duì)根腐病的防治效果顯著。趙冰梅等[4]明確提出滴灌施用丙炔氟草胺防除覆膜棉田雜草的可行性。任玉鵬[5]研究了不同劑型阿維菌素在不同滴灌順序、滴水量及滴灌流速下在土壤中的分布動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)滴水量和農(nóng)藥劑型是影響藥劑在土壤中分布的主要因素。李敏華等[6]篩選了淺埋滴灌種植春玉米適宜的除草劑種類以及減量下的防控效果。但是目前對(duì)于水藥一體化，特別是隨水施用除草劑的研究不多，關(guān)于其滴灌方式對(duì)施藥均勻性及其影響因素研究較少。

水藥一體化的施藥效果影響玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量，且施藥后藥物殘留會(huì)造成環(huán)境污染。根據(jù)不同滴灌帶長(zhǎng)度及施藥方式的水藥一體化試驗(yàn)，通過(guò)施藥后玉米產(chǎn)量及除草劑殘留量分析其施藥效果。本文按照最佳施藥時(shí)間通過(guò)設(shè)計(jì)連續(xù)施藥、周期施藥以及不施藥作為對(duì)照的大田試驗(yàn)，通過(guò)不同長(zhǎng)度滴灌帶首中尾玉米葉面積指數(shù)、產(chǎn)量、土壤中除草劑殘留等對(duì)滴灌系統(tǒng)的施藥均勻性影響因素進(jìn)行分析，以探求在保證玉米良好生長(zhǎng)以及對(duì)人類、環(huán)境友好的前提下，適宜的滴灌帶長(zhǎng)度和施藥方式。

1 試驗(yàn)布置及方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)場(chǎng)地位于甘肅省武威市中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站進(jìn)行。灌溉用水為石羊河試驗(yàn)站自來(lái)水，水中主要含有HCO3-、HSO4-、Cl-、Ca2+、K+及Mg2+等，不會(huì)與乙草胺發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。pH在7.3～9.5之間。

試驗(yàn)采用水藥一體化膜下滴灌技術(shù)，滴灌系統(tǒng)包括水源、水泵、過(guò)濾器、自制施藥器及滴灌系統(tǒng)。過(guò)濾設(shè)備采用網(wǎng)式120目過(guò)濾器。為保證試驗(yàn)作物良好發(fā)育及生長(zhǎng)，增設(shè)施肥系統(tǒng)，為了避免因灌水或施肥導(dǎo)致灌水器堵塞造成的施藥均勻性試驗(yàn)誤差，將施藥與施肥系統(tǒng)分開(kāi)。施肥滴灌系統(tǒng)為玉米施肥和灌水，施藥滴灌系統(tǒng)只用來(lái)施藥，且為減少堵塞每個(gè)灌水期結(jié)束后均更換施藥滴灌帶。為減小施肥對(duì)試驗(yàn)帶來(lái)的影響，試驗(yàn)調(diào)節(jié)施肥比例統(tǒng)一為4%；滴灌帶為楊凌潤(rùn)沃公司生產(chǎn)的迷宮流道式滴灌帶，額定試驗(yàn)工作壓力為55 kPa。

供試作物為“先玉335”玉米，種植方式采用一膜一帶雙行模式，玉米株距為0.3 m，膜寬1.2 m；試驗(yàn)除草劑為50%乙草胺乳劑，是土壤處理除草劑的一種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

由于除草劑隨水運(yùn)動(dòng)到管末需要一定時(shí)間，所以施藥均勻性隨管長(zhǎng)不同，將管長(zhǎng)作為一個(gè)影響因素，設(shè)置了5個(gè)水平，40 m、30 m、20 m、15 m、10 m；借鑒脈沖式或間歇式的灌溉方法可提高灌溉均勻度，設(shè)置了連續(xù)施藥、周期性施藥兩種施藥方式，只灌溉不施藥作為對(duì)照，共3個(gè)水平。試驗(yàn)采用全組合，共15個(gè)處理，詳見(jiàn)表1。

表1 滴灌帶布設(shè)及處理表

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)田分為5個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)為42 m×3.6 m，鋪3行地膜，每行地膜鋪設(shè)施肥和施藥兩條滴灌帶，共6條滴灌帶，其中3條施肥滴灌帶，灌水施肥量完全相同，如圖1(a)所示；3條施藥滴灌帶，施藥方式不同，分別為連續(xù)施藥、周期施藥和不施藥(對(duì)照)，灌水量相同。其他長(zhǎng)度滴灌帶與10 m鋪設(shè)方式相同，見(jiàn)圖1(b)。

圖1 布置示意圖

除草劑總施用量為3 000 ml/hm2，且為了保證不同管長(zhǎng)水平下施用等量的乙草胺，將自制施藥器與滴灌帶直接連接，詳細(xì)試驗(yàn)處理見(jiàn)表2。

表2 不同長(zhǎng)度滴灌帶大田試驗(yàn)處理表

1.3 測(cè)定指標(biāo)

玉米的葉面積指數(shù)：施藥處理前，分別在每條滴灌帶的前、中、后三個(gè)位置采樣測(cè)定玉米的未施藥處理的葉面積指數(shù)。施藥處理之后的一個(gè)月，在相同位置每周測(cè)定一次玉米的葉面積指數(shù)。

土壤中乙草胺殘留量：施藥處理30 d后，在每條施藥滴灌帶中間位置每隔10 cm深度(40 cm，共4層)取土層，測(cè)定各土層中乙草胺的含量。

玉米收獲后測(cè)量其玉米的產(chǎn)量、百粒重、雙穗率。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌帶隨水施除草劑對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響

田間雜草與作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分，使用除草劑可以有效減少雜草數(shù)量。滴灌帶長(zhǎng)及施藥方式不同時(shí)，沿滴灌帶的施藥均勻性不同，除草效果也不同，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)。通過(guò)滴灌帶不同位置(首中尾)玉米的葉面積指數(shù)、整體產(chǎn)量即可反映均勻性及除草效果。

2.1.1 施藥方式對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

除草效果較好時(shí)，玉米的養(yǎng)分供應(yīng)充分，葉面積指數(shù)較高。圖2給出了玉米不同生長(zhǎng)階段5種長(zhǎng)度滴灌帶3種施藥方式施藥后玉米葉面積指數(shù)隨時(shí)間變化情況。從圖中可以看出，整體來(lái)說(shuō)，不同長(zhǎng)度水平下各方式對(duì)葉面積指數(shù)整體增長(zhǎng)情況大致相同，葉面積指數(shù)隨時(shí)間增大呈現(xiàn)先升高后略有降低的趨勢(shì)。這是玉米在成熟期正常的生長(zhǎng)現(xiàn)象，此時(shí)玉米會(huì)將供給葉面的部分營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)給籽粒，以保證其正常生長(zhǎng)發(fā)育[7-13]。

雖然葉面積指數(shù)整體變化規(guī)律相似，但不同施藥處理下，其數(shù)值大小還存在著較為明顯的差異。由表3可得，相較于無(wú)藥方式，連續(xù)和周期兩種施藥方式的葉面積指數(shù)有明顯較大。且，由圖2中可看出，無(wú)藥方式下葉面積峰值出現(xiàn)在7月17日—7月24日之間，后玉米逐漸將葉片的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移至籽粒。而施用除草劑后，不同處理及滴灌帶位置處葉面積峰值均有明顯的延后，出現(xiàn)在7月24日—7月31日之間。這也就證明由于除草劑乙草胺的除草效果較好，清除了作物周圍雜草，減少了其對(duì)玉米養(yǎng)分的搶奪，使得玉米自身有更加充足的養(yǎng)分供應(yīng)。

然而葉面積延后的現(xiàn)象在周期施藥方式下滴灌帶中部位置處并沒(méi)有發(fā)生。以30 m長(zhǎng)度滴灌帶為例，由圖2可以看出，連續(xù)施藥情況下，30 m滴灌帶整體變化規(guī)律相同，且在滴灌帶首、中、尾處測(cè)得的玉米葉面積指數(shù)均存在著峰值不同程度的后移現(xiàn)象。而周期施藥處理下，30 m滴灌帶中部確并無(wú)葉面積指數(shù)峰值的后移。這是由于周期施藥的自身灌水特點(diǎn)。周期施藥是借鑒脈沖式灌水方式產(chǎn)生，其會(huì)在滴灌帶內(nèi)部產(chǎn)生波浪似的脈沖水流[14]，加之滴灌帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致除草劑與灌溉水流無(wú)法充分混合，使得滴灌帶不同位置處施藥均勻性較差，即會(huì)產(chǎn)生不同位置處葉面積指數(shù)相差較大的現(xiàn)象。

圖2 不同長(zhǎng)度滴灌帶3種施藥方法玉米的葉面積指數(shù)

同時(shí)，滴灌帶的長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)葉面積指數(shù)的變化產(chǎn)生影響。施藥處理下，滴灌帶長(zhǎng)度不同，葉面積指數(shù)出現(xiàn)峰值的后移程度也不同。滴灌帶長(zhǎng)度越長(zhǎng)，后移程度越小。滴灌帶長(zhǎng)度越短，峰值出現(xiàn)后移的程度就越顯著。且由表3可以看出，滴灌帶長(zhǎng)度越短，不同位置處葉面積指數(shù)的數(shù)值相差越小。反之，也越大。這是因?yàn)?，滴灌帶長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其首尾壓力差就越大，導(dǎo)致首部和尾部灌水器流量相差越大，即灌水施藥均勻度不高。這也就導(dǎo)致了施用除草劑的均勻性較差，尾部雜草未能有效去除，故葉面積指數(shù)也會(huì)產(chǎn)生較大的差異。

表3 不同長(zhǎng)度滴灌帶施藥30 d玉米葉面積指數(shù)增加量

在不同長(zhǎng)度的滴灌帶進(jìn)行不同處理方法時(shí)，測(cè)量了在施藥處理前玉米自身的葉面積指數(shù)。將其與測(cè)得的葉面積指數(shù)的峰值做差，可以得到玉米施用乙草胺后葉面積指數(shù)的增加量，如表3所示。上述已經(jīng)提到，乙草胺的除草效果較好，清除了作物周圍雜草，減少了其對(duì)玉米養(yǎng)分的搶奪，使得玉米自身有更加充足的養(yǎng)分供應(yīng)，使得葉面積指數(shù)較大。即葉面積指數(shù)的變化可反映除草效果(施藥效果)。從表中數(shù)據(jù)來(lái)看，連續(xù)施藥情況下葉面積指數(shù)的增加量比無(wú)藥和周期兩種施藥方式的增加量大得多，最大可達(dá)到2.97。而周期施藥僅略大于無(wú)藥處理，表明周期施藥方式雖然也有一定的除草效果，但仍不如連續(xù)施藥方式。連續(xù)施藥情況下，增加量最小為1.19，最大可達(dá)到2.97，證明其可以清除雜草，促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.1.2 不同長(zhǎng)度滴灌帶作物產(chǎn)量分析

圖3、圖4、圖5分別為不同長(zhǎng)度滴灌帶3種施藥方法作物雙穗率、百粒重和產(chǎn)量圖。從圖4中可以看出40 m滴灌帶處理下，連續(xù)施藥方式的百粒重明顯大于其他兩種方式，而其他滴灌帶長(zhǎng)度下，百粒重差異并不明顯。由圖3、圖5可以看出，不同滴灌帶長(zhǎng)度連續(xù)施藥方式處理下，玉米的產(chǎn)量和雙穗確實(shí)較大，尤其是雙穗率，遠(yuǎn)高于其他兩種施藥方式。也就是說(shuō)，連續(xù)施藥的方式確實(shí)對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育起到了促進(jìn)的作用，連續(xù)施藥的方式還有利于玉米雙穗率的提高。并且，由圖3、圖4、圖5還可以看出，隨著滴灌帶長(zhǎng)度的減小，三種施藥方式之間的差異也在逐漸減小。說(shuō)明滴灌帶長(zhǎng)度確實(shí)對(duì)施藥或施肥的均勻性有影響。滴灌帶長(zhǎng)度越短，除草劑或肥液隨水施用越均勻，作物對(duì)其利用率也就越高，作物產(chǎn)量越好。

圖3 不同處理之間雙穗率對(duì)比圖

圖4 不同處理之間百粒重對(duì)比圖

圖5 不同處理之間產(chǎn)量對(duì)比圖

2.2 滴灌帶隨水施用除草劑對(duì)農(nóng)藥殘留量的影響

2.2.1 滴灌帶長(zhǎng)度對(duì)各土層農(nóng)藥殘留量的影響

圖6為不同長(zhǎng)度滴灌帶不同土層深度乙草胺含量圖，整體規(guī)律來(lái)看，不同處理下，乙草胺在土壤中的殘余量都隨著土層深度的增加先增大后減小。圖中可以看出，不同滴灌帶長(zhǎng)度及不同施藥方式處理下，乙草胺均在0～20 cm深度土層殘留最多，這是由于乙草胺是以隨水施用的方式滴入土壤表面的，其主要隨著水流浸潤(rùn)在土壤中移動(dòng)。隨著土層深度的逐漸增加，隨水進(jìn)入土層的乙草胺含量也逐漸減少，最后基本達(dá)到100 ng/kg。

圖6 不同長(zhǎng)度滴灌帶不同土層深度乙草胺殘留量

而在0～10 cm深度土層乙草胺含量幾乎為零則是由乙草胺的降解方式導(dǎo)致的。乙草胺在土壤中的降解方式主要由光作用降解[15]和微生物降解[16-20]兩種，且影響降解速率的因素也有很多，其中最主要的就是土壤微生物[21-26]。試驗(yàn)中，在0～10 cm土層的乙草胺主要通過(guò)光解和微生物降解，并且由于土壤表層直接與空氣接觸，日照充足，水分也比較充足，由此加快了微生物對(duì)乙草胺的降解速率，使得乙草胺在0～10 cm土層的殘留量幾乎沒(méi)有。而10 cm～20 cm土層由于接觸不到陽(yáng)光，乙草胺主要是依賴微生物降解，且無(wú)法接收到充足的空氣和水分，導(dǎo)致微生物對(duì)乙草胺的降解速率減慢，加之灌溉水?dāng)y帶除草劑由0～10 cm土層向下浸潤(rùn)，部分除草劑會(huì)進(jìn)入10 cm～20 cm土層，導(dǎo)致20 cm處成為乙草胺在土壤中殘余量的峰值位置。

2.2.2 除草劑累計(jì)殘留分析

通常情況下認(rèn)為乙草胺殘余量不大于原始乙草胺含量的10%，即可認(rèn)為乙草胺已經(jīng)降解完全[27]。石羊河試驗(yàn)站土壤屬沙化土壤，土壤中微生物較少。由于除表層土壤外，土壤中乙草胺的降解主要依賴微生物降解，且試驗(yàn)土壤持水量小于60%，據(jù)此估算試驗(yàn)乙草胺的半衰期大于7.9 d[25,28]，從而得出降解90%乙草胺所需時(shí)間應(yīng)大于26.24 d。本試驗(yàn)取土?xí)r間為施藥30 d后，使用液相色譜儀測(cè)定乙草胺殘余量不大于原始乙草胺含量的10%即可認(rèn)為乙草胺已降解完全，不會(huì)污染土壤環(huán)境。由于試驗(yàn)過(guò)程中的施藥量嚴(yán)格控制在3.45 mg/kg，計(jì)算出殘留率見(jiàn)表4，可得出不施藥、連續(xù)施藥、周期施藥三種施藥方式的殘留率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于90%，與土壤乙草胺半衰期計(jì)算方法得出結(jié)果相同，表明施藥30 d后乙草胺對(duì)環(huán)境影響就下降到最低。另外，從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，三種施藥方式殘留量相比施藥量可忽略不計(jì)，可以認(rèn)為完全降解。

表4 滴灌帶農(nóng)藥累計(jì)殘留分析

3 結(jié) 論

(1) 隨水施用除草劑處理之后，三種施藥方式(無(wú)藥、周期、連續(xù))的葉面積指數(shù)具有明顯的差異，整體呈現(xiàn)先增大后略有減小的趨勢(shì)。另外，各方式下玉米葉面積指數(shù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間均出現(xiàn)不同程度的后延現(xiàn)象。這是由于除草劑的施用減少了田間的雜草，使得玉米可以獲取更多的養(yǎng)分以供給籽粒，也間接證明除草劑對(duì)作物生長(zhǎng)起到了一定的促進(jìn)效果。

(2) 連續(xù)施藥處理方式下玉米葉面積指數(shù)比其他兩種施藥方式大，其增加量也最大，說(shuō)明連續(xù)施藥處理對(duì)清除田間雜草，延緩玉米葉片衰老有效。且連續(xù)施藥方式下，滴灌帶首中尾部玉米葉面積指數(shù)極差最小，說(shuō)明連續(xù)施藥除草的均勻性也更好。加之連續(xù)施藥后，各滴灌帶長(zhǎng)度下，玉米產(chǎn)量及雙穗率均有明顯提升，故可認(rèn)為連續(xù)施藥是較為合適的水藥一體化施藥方式。

(3) 相同施藥方式下，不同長(zhǎng)度滴灌帶各土層除草劑殘留相差不大，而玉米的葉面積指數(shù)、產(chǎn)量以及滴灌帶除草劑殘留均有差異。隨著滴灌帶長(zhǎng)度的減小，三種施藥方式之間的差異也在逐漸減小，說(shuō)明滴灌帶長(zhǎng)度確實(shí)對(duì)施藥或施肥的均勻性有影響。滴灌帶長(zhǎng)度越短，除草劑或肥液隨水施用越均勻，玉米葉面積指數(shù)越大，作物對(duì)其利用率也就越高，作物產(chǎn)量越好。綜合來(lái)說(shuō)，滴灌帶長(zhǎng)度為20 m時(shí)，玉米產(chǎn)量最大、雙穗率較高、葉面積指數(shù)較大、并且除草劑殘留相對(duì)較少，因此，可認(rèn)為20 m長(zhǎng)為滴灌帶較適宜的長(zhǎng)度。