不同水肥模式對鹽漬化農田向日葵生長及產量的影響

魯耀澤，夏玉紅，烏蘭其其格，黃永平，張 偉

（巴彥淖爾市水利科學研究所，內蒙古巴彥淖爾015000）

0 引 言

內蒙古河套灌區(qū)是我國重要的商品糧油生產基地[1,2]，保障灌區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展對于國家糧食安全具有重要意義。然而由于灌區(qū)農田大多采用大水漫灌，使得地下水位上升，土壤鹽漬化問題突出[3]，同時不當施肥也導致了土壤環(huán)境污染[4-6]，加之近年來國家對河套灌區(qū)實行指令性節(jié)水[7]，農業(yè)用水緊張，這些嚴重影響灌區(qū)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，改進灌區(qū)水肥管理模式，提高水肥利用效率，改善土壤環(huán)境對于促進灌區(qū)農業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

水、肥的合理使用是改善土壤鹽漬化，提高作物產量的關鍵因素。國內外學者對此作了諸多研究[8-10]，如史海濱[11]研究表明，適宜的灌水量、施肥量不僅可以降低小麥根層和土壤剖面EC 值，同時還可提高小麥產量；TEWOLDE 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，水、氮虧缺會抑制作物正常生長，導致產量降低；ULERY 等[13]研究表明，過量施用氮肥可能會增加土壤鹽分含量并抑制作物正常生長。由此可見，灌水量、施肥量并非單純的越高越好或者越低越好，而是存在一個合理的區(qū)間，同時過量的施肥量也可能加重土壤鹽漬化。因此，合理的水肥用量應通過土壤環(huán)境、作物生長等多種因素確定。向日葵是河套灌區(qū)主要種植的經濟作物，近年來種植面積已達到灌區(qū)總播種面積的45%左右[14]。但近年來灌區(qū)中下游向日葵灌溉模式已在悄然改變，當地農戶為了節(jié)省水費，只在向日葵播前進行一次灌溉，生育期不再進行灌溉。根據調研，目前河套灌區(qū)秋澆灌溉面積呈減少趨勢，春灌面積呈增加趨勢，這勢必會造成春灌壓力增大。加之黃河來水量存在不確定性，從長遠來看，單純依靠大水量春灌以滿足向日葵全生育期正常生長并不能得到保證。以往針對向日葵的研究大多是盆栽試驗[15]或單梯度下的節(jié)水節(jié)肥試驗[16]，多梯度下水肥調控大田試驗相對較少，同時針對春灌水肥管理優(yōu)化研究鮮有報道。因而，本文以只進行播前春灌的向日葵為研究對象，通過優(yōu)化灌溉、施肥量進而研究不同水肥條件對向日葵的生長、產量以及灌溉水分生產率的影響。以高產為前提，采用隸屬函數法尋優(yōu)，確定向日葵適宜的灌水、施肥量，以期為河套灌區(qū)鹽漬化農田向日葵水肥管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于巴彥淖爾市水利科學研究所長勝試驗站(40°57'47″ N，108°29'33″ E)，該試驗區(qū)屬于中溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，日照充足，雨熱同期。多年平均氣溫5.4 ℃，年均日照時數3 202 h，向日葵生育期降雨量67.4 mm，具體見圖1，其中有效降雨量為45 mm，生育期地下水位平均埋深為1.88 m。試驗區(qū)土壤以粘壤土和粉砂質粘壤土為主，0～100 cm土壤平均容重為1.53 g/cm3，田間持水率為23%，播種前0～100 cm 土壤平均電導率為0.64 mS/cm，屬中度鹽堿土。0～100 cm 土壤有機質、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量分別為8.31 g/kg、14.41 mg/kg、4.67 mg/kg、58.93 mg/kg。

1.2 試驗設計

向日葵于2019年6月2日播種，9月17日收獲。田間試驗采用常規(guī)畦灌，設水、肥兩個因素。由于當地農戶為了節(jié)省水費，只在向日葵播前進行一次灌溉(春灌)，但隨著灌區(qū)春灌面積的增大，在長遠看來此灌溉模式并不能得到保證。根據前期調研，當地灌溉量(春灌)為150～210 mm，施肥量為450～600 kg/hm2，本研究為了進行具體比較分析，因而對當地常規(guī)灌溉量、施肥量求平均值后設定為對照(CK)，參考前人研究成果[15,16]，通過適當調整灌溉定額、灌溉次數與施肥量，尋求向日葵高產最佳方案。因次，根據當地向日葵常規(guī)灌溉量(150～210 mm)的平均值和施肥量(450～600 kg/hm2)的平均值為對照(CK)，設3 個灌水水平，分別為W1(低水)、W2(中水)、W3(高水)；3 個施肥水平，分別為N1(低肥)、N2(中肥)、N3(高肥)，試驗共設10個處理，3次重復，共30個小區(qū)。各小區(qū)長12 m，寬6 m，面積為72 m2。各小區(qū)間設置15 cm 高田埂并埋設1 m深聚氯乙烯塑料布隔離，以防止地面灌溉串水和小區(qū)間地下側向滲漏。

供試作物為薩福沃F917 油料向日葵，采用人工點播，株距30 cm、行距40 cm。播前施磷酸二銨(質量分數為N：18%；P2O5：46%)作為基肥，在生育期灌溉(降水)時追施尿素(質量分數為N：46%)。各水肥處理只在現(xiàn)蕾期進行1次灌溉，對照處理生育期不進行灌溉，灌溉水量通過水表記錄。由于當地向日葵播種時間為6月初，為保持土壤墑情，利于出苗，需在向日葵播前7～10 d 進行整地、施肥、覆膜、春灌等工作，具體灌水、施肥設計見表1，田間管理與當地農戶管理一致。

表1 灌溉和施肥量設計Tab.1 Irrigation and fertilization design

1.3 測定項目及方法

1.3.1 株高、葉面積測定

在各小區(qū)分別標記5株長勢能代表本小區(qū)的向日葵，在其各生育期，利用鋼卷尺測定株高，所有葉片長度和最大寬度，計算葉面積指數，葉面積指數(leaf area index，LAI)計算公式[17]為：

式中：k為單株葉片數；lj為單葉片長度，cm；bj為單葉片最大寬度，cm；f為單株占地面積，cm2。

1.3.2 作物產量測定

向日葵收獲時，于每個處理內選取具有代表性的5株進行收割、風干、脫粒，統(tǒng)計實際產量，最后折算為每公頃產量。

1.3.3 土壤水分測定

采用取土烘干法測定。用直徑為40 mm 土鉆于作物各生育期采集0～100 cm 土層土樣，每20 cm 為一層，每個小區(qū)取3個樣點，同層均勻混合，在105 ℃下烘干8 h 至質量恒定不變后測定土壤質量含水率。灌溉水分生產率為產量與灌水量比值[18]。

1.3.4 隸屬函數綜合評價法

先將數據用隸屬函數度公式進行轉換，再將每處理各指標的隸屬函數值取平均值進行比較，均值越大，排序越小，表示評價越好。

隸屬函數值計算公式[19]：

如果某指標與評價結果為負相關，則計算方法為：

式中：Z(Xi)為隸屬函數值；Xi為某指標的測定值；Xmax與Xmin為所有參試某一指標的最大值和最小值。

1.3.5 數據分析

試驗數據采用Excel 2007 進行制圖、制表，SPSS 17.0 軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對向日葵株高的影響

株高作為向日葵的重要生育指標，可以較好地反映其生長狀況。不同水肥處理下向日葵生育期株高變化如圖2 所示?？梢钥闯觯煌侍幚硐轮旮呖傮w上呈現(xiàn)先快速增加后逐步平穩(wěn)變化的趨勢。不同處理各生育期株高變化規(guī)律類似，同時成熟期株高達到生育期最大，因而以成熟期為例進行分析，其余生育期不再贅述。

灌溉影響方面，相同施肥-高肥(N3)條件下，當灌溉量從W1 增加到W3 時，向日葵成熟期株高呈增大趨勢。其中，W3N3 處理最大，較CK 增大9.63%，各處理差異較CK 達到顯著性水平(P＜0.05)；N2 條件下，當灌溉量從W1 增加到W3 時，向日葵生育期株高呈先增大后減小趨勢。其中，W2N2處理最大，較CK 增大9.26%，各處理差異較CK 達到顯著性水平(P＜0.05)；N1 條件下，當灌溉量從W1 增加到W3 時，向日葵生育期株高變化趨勢同N2 條件下。其中，W2N1 處理最大，較CK增大6.17%，各處理差異較CK 達到顯著性水平(P＜0.05)。因此，高施肥量條件下，灌溉水量越大，越有利于向日葵株高生長；而中、低施肥量條件下，中灌溉量更有利于向日葵株高生長。

施肥影響方面，相同灌水-高水(W3)條件下，當施肥量從N1 增加到N3 時，向日葵各生育期株高均呈增大趨勢。其中，W3N3 處理最大，較CK 增大9.63%，各處理差異較CK 達到顯著性水平(P＜0.05)；W2 條件下，當施肥量從N1 增加到N3 時，向日葵生育期株高呈先增大后減小趨勢。其中，W2N2處理最大，較CK 增大9.26%，各處理差異較CK 達到顯著性水平(P＜0.05)；W1 條件下，當施肥量從N1 增加到N3 時，向日葵生育期株高同樣呈降低趨勢，甚至低于CK。其中，W1N1 處理最大，較CK 增大5.56%，各處理差異較CK 達到顯著性水平(P＜0.05)。因此，高灌溉量條件下，施肥量越大越有利于向日葵株高生長；而中灌溉量條件下，中施肥量更有利于向日葵株高生長；低灌溉量條件下，低施肥量更有利于向日葵株高生長。

2.2 不同處理對向日葵葉面積指數的影響

不同水肥處理下向日葵葉面積指數變化如圖3所示?？梢钥闯觯煌幚砀魃谌~面積指數變化規(guī)律類似，同時向日葵開花期葉面積指數達到生育期最大，因而以開花期為例進行分析，其余生育期不再贅述。

灌溉影響方面，高肥(N3)、中肥(N2)、低肥(N1)條件下，當灌溉量從W1 增加到W3 時，向日葵葉面積指數均呈增大趨勢。其中，N3 條件下，W3N3 處理最大，較CK 增加21.25%，顯著高于CK；N2 條件下，W3N2 處理最大，較CK 增加16.34%，顯著高于CK；N1 條件下，W3N1 處理最大，較CK增加8.05%，但差異不顯著。因此，高、中、低施肥量條件下，灌溉水量越大，越有利于向日葵葉面積指數增加。

施肥影響方面，高水(W3)、中水(W2)、低水(W1)條件下，隨著施肥量從N1增加到N3，向日葵葉面積指數變化趨勢并不相同。其中，W3 條件下，向日葵葉面積指數呈增大趨勢，W3N3 處理最大，較CK 增加21.25%，顯著高于CK；W2 條件下，向日葵葉面積指數呈先增大后減小趨勢，W2N2 處理最大，較CK 增加15.71%，顯著高于CK；W1 條件下，向日葵葉面積指數呈減小趨勢，W1N1 處理最大，較CK 減小5.08%，但差異不顯著。因此，高灌溉量條件下，施肥量越大越有利于向日葵葉面積指數增加；而中灌溉量條件下，中施肥量更有利于向日葵葉面積指數的增加；低灌溉量條件下，低施肥量更有利于向日葵葉面積指數增加。

2.3 不同處理對向日葵產量、灌溉水分生產率的影響

作物產量的高低是衡量水肥調控措施優(yōu)劣的主要指標。不同水肥調控措施下向日葵產量及灌溉水分生產率如圖4 所示。就產量而言，灌溉影響方面，高肥(N3)條件下，當灌溉量從W1 增加到W3 時，向日葵產量呈增大趨勢。W3N3 處理較CK增產17.60%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)；中肥(N2)、低肥(N1)條件下，當灌溉量從W1 增加到W3 時，向日葵產量均呈先增大后減小趨勢。其中，W2N2 處理較CK 增產14.78%，W2N1處理較CK增產8.17%，差異均達到顯著性水平(P＜0.05)。因此，高施肥量條件下，較高灌溉量可使向日葵顯著增產；而中施肥量條件下，中灌溉量增產最佳；低施肥量條件下，同樣中灌溉量增產最佳，但與高、低灌溉量間差異不顯著。

施肥影響方面，高水(W3)、中水(W2)、低水(W1)條件下，隨著施肥量從N1 增加到N3，向日葵產量變化趨勢各不相同。其中，W3 條件下，向日葵產量呈顯著增大趨勢，W3N3 處理較CK 增產17.60%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)；W2 條件下，向日葵產量呈先增大后減小趨勢。W2N2 處理最大，較CK 增產14.78%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)；W1 條件下，向日葵產量呈減小趨勢，甚至低于CK。其中，W1N1 處理較CK 增產6.37%，而WIN3 處理較CK 減產8.13%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)。因此，高灌溉量條件下，較高施肥量可使向日葵顯著增產；而中灌溉量條件下，中施肥量增產效果顯著優(yōu)于高、低施肥量；低灌溉量條件下，低施肥量增產顯著，而中、高施肥量會導致減產。

就灌溉水分生產率而言，灌溉影響方面，高肥(N3)、中肥(N2)、低肥(N1)條件下，隨著灌溉量從W1 增加到W3，向日葵灌溉水分生產率變化趨勢不盡相同。其中，N3 條件下，向日葵灌溉水分生產率呈增大趨勢。W3N3 處理最大，較CK 增大0.80%，差異不顯著；N2條件下，向日葵灌溉水分生產率呈先增大后減小趨勢。W2N2 處理最大，較CK 增大5.95%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)；N1條件下，向日葵灌溉水分生產率呈減小趨勢。W1N1 處理最大，較CK 增大6.37%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)。因此，高施肥量條件下，較高灌溉量提高向日葵灌溉水分生產率效果最佳；中施肥量條件下，中灌溉量提高向日葵灌溉水分生產率效果最佳；低施肥量條件下，低灌溉量提高向日葵灌溉水分生產率最佳。

施肥影響方面，高水(W3)、中水(W2)、低水(W1)條件下，隨著施肥量從N1增加到N3，向日葵灌溉水分生產率變化與灌溉影響下變化趨勢相同。其中，W3條件下，W3N3處理最大，較CK 增大0.80%，差異不顯著；W2 條件下，W2N2 處理最大，較CK 增大5.95%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)；W1 條件下，W1N1 處理最大，較CK 增大6.37%，差異達到顯著性水平(P＜0.05)。因此，高灌溉量條件下，較高施肥量提高向日葵灌溉水分生產率效果最佳；中灌溉量條件下，中施肥量提高向日葵灌溉水分生產率效果最佳；低灌溉量條件下，低施肥量提高向日葵灌溉水分生產率效果最佳。

2.4 不同水肥調控措施的綜合評價

不同的水肥調控措施對作物產量、灌溉水分生產率、株高、葉面積指數等均有不同程度的影響，從單一指標很難評價該地區(qū)向日葵最佳的水肥制度，因而采用隸屬函數法對不同水肥處理措施的產量、灌溉水分生產率、株高等指標進行綜合評價，先將各指標數值用隸屬函數度公式進行轉換，再將每一處理各指標的隸屬函數值取平均值進行比較，均值越大，排序越小，表示評價越好，具體見表2。

由表2 可知，W2N2 處理的隸屬函數均值最大，為0.94，W3N3處理次之，其隸屬函數值為0.91。因此中水中肥(W2N2)處理最優(yōu)，即最優(yōu)的向日葵水肥調控措施為灌水量為195 mm(春灌120 mm，現(xiàn)蕾期75 mm)。施肥量525 kg/hm2(基肥225 kg/hm2，追肥300 kg/hm2)。其次較優(yōu)的是高水高肥(W3N3)處理，其水肥調控措施為灌水量210 mm(春灌120 mm，現(xiàn)蕾期90 mm)，施肥量600 kg/hm2(基肥225 kg/hm2，追肥375 kg/hm2)。

表2 不同水肥模式下隸屬函數綜合評價表Tab.2 Comprehensive evaluation table of membership function under different water and fertilizer modes

3 討 論

土壤水分是土壤養(yǎng)分釋放的基礎，適宜的水肥供應對作物的生長和增產具有顯著的正耦合效應[20]，但肥料過多，也會對生長產生不利影響。根據生育期降雨量分布(圖1)可知，向日葵生育期降水主要集中在成熟期，而現(xiàn)蕾期—開花期降水極少，但由于現(xiàn)蕾期開花期是向日葵需水關鍵期，因而不同水肥處理現(xiàn)蕾期灌溉對向日葵生長具有重要作用。

本研究表明：中水中肥(W2N2)處理對向日葵株高、葉面積指數和產量的增加都具有較好的促進作用。這與徐昭等[21]研究結果類似；高水(高肥)條件下，隨施肥量(灌水量)增加，向日葵株高生長和產量均呈增大趨勢，且高水高肥(W3N3)處理效果最佳，這與郭富強[16]、宋娜[22]等研究結果不一致，一方面由于本試驗設計灌溉為春灌和生育期灌溉，對照僅進行春灌，盡管高水高肥(W3N3)處理總灌水量和施肥量較對照大，但由于分次灌溉和施肥，從而并未造成作物“徒長”的情形；另一方面，可能由于水肥水平設置梯度較小，因而表現(xiàn)為單調增加趨勢；低水條件下，隨著施肥量的增大，向日葵株高、葉面積指數及產量均表現(xiàn)出負效應。說明低水條件下，增大施肥量會導致施肥過量，從而不利于向日葵生長。但在低肥條件下，適當增大灌溉量，對于向日葵生長和產量的增加表現(xiàn)為正效應。從而也說明，灌溉相較于施肥對鹽漬化農田向日葵影響更大。這與田德龍[15]薛濤[23]等研究結果一致；不同水肥處理中，春灌灌溉水量均低于對照，但通過現(xiàn)蕾期進行不同定額的補充灌溉，除低水中肥(W1N2)、低水高肥(W1N3)處理外，其余處理向日葵株高、葉面積指數以及產量均高于對照。這說明一方面減小春灌灌溉定額，生育中期進行適當補充灌溉，可以促進向日葵生長，但另一方面，若生育中期補充灌溉水量較低，加之施肥量過大，便不利于向日葵生長，甚至出現(xiàn)負效應。究其原因，主要由于向日葵苗期葉面積較小，土壤覆蓋度低，土壤棵間蒸發(fā)量大。隨著向日葵生長與土壤棵間蒸發(fā)的進行，土壤下層鹽分隨水分向上遷移。又由于現(xiàn)蕾期進行追肥，若灌溉水量較少，便會影響肥料溶解以及作物根系吸收利用，從而使得土壤鹽分含量增加，對向日葵生長產生不利影響。通過對不同水肥調控措施綜合尋優(yōu)，得到中水中肥(W2N2)處理對于促進河套灌區(qū)中下游中度鹽堿地向日葵增產更優(yōu)，但若來水量不足，需減少施肥量，以降低施肥對作物生長帶來的負效應。因此，鹽漬化條件下，向日葵灌水量、施肥量的合理配比應根據實際情況重點考慮。

4 結 論

(1)不同水肥調控措施對向日葵株高、葉面積指數、產量以及灌溉水分生產率的影響各不相同。其中，高灌水量(施肥量)條件下，隨著施肥量(灌水量)的增大，向日葵各指標均呈增大趨勢；中灌水量(施肥量)條件下，隨著施肥量(灌水量)的增大，向日葵各指標總體上呈先增大后減小的趨勢；低灌水量(施肥量)條件下，隨著施肥量(灌水量)的增大，向日葵各指標呈減小趨勢；中、低施肥量條件下，適當增大灌溉量，更有利于向日葵株高、葉面積指數及產量的增加。

(2)不同水肥調控措施下，就提高向日葵株高、葉面積指數而言，盡管高水高肥(W3N3)處理效果最佳，較對照增幅分別為9.63%、21.25%，但與中水中肥(W2N2)處理差異不顯著；就提高產量而言，高水高肥(W3N3)處理效果顯著優(yōu)于其他處理，較對照增幅為17.60%；就提高灌溉水分生產率而言，低水低肥(W1N1)處理最佳，較對照增幅為6.37%，但與中水中肥(W2N2)處理差異不顯著。

(3)通過隸屬函數綜合尋優(yōu)，初步得出適宜河套灌區(qū)中下游鹽漬化農田向日葵較優(yōu)的水肥管理模式為中水中肥(W2N2)處理，即灌水量為195 mm(春灌120 mm，現(xiàn)蕾期75 mm)。施肥量為525 kg/hm2(基肥磷酸二銨225 kg/hm2，追肥尿素300 kg/hm2)。