滴灌水肥一體化對枸杞產(chǎn)量、水氮利用及經(jīng)濟效益的影響

劉朋召，李孟浩?，宋仰超，楊 東，高曉東，任小龍，陳小莉*

（1 西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院, 陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所, 陜西楊凌 712100）

柴達木盆地水資源短缺，但可開發(fā)土地資源相對豐富，氣候常年干燥，年均降雨量不足250 mm，該地區(qū)耕地面積3.97×104hm2，占柴達木地區(qū)土地面積的0.16%，是我國典型的大陸性荒漠氣候干旱區(qū)[1–2]。枸杞具有抗旱耐鹽堿的特性，是理想的經(jīng)濟生態(tài)兼用樹種，在防治沙化和水土保持方面發(fā)揮著巨大的環(huán)保作用。目前枸杞產(chǎn)業(yè)是當?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要手段，也是改善生態(tài)環(huán)境、增加農(nóng)業(yè)和農(nóng)民收入的有效途徑[3–5]。當前柴達木盆地枸杞生產(chǎn)中，多數(shù)農(nóng)民仍按照“豐水高產(chǎn)”的理論采用大水漫灌或全生育期充分灌溉等模式進行枸杞種植，漫灌方式下枸杞全年用水量為 12×103～13.5×103m3/hm2，不僅造成水資源浪費，還會帶來水分利用效率低、樹冠營養(yǎng)生長旺盛以及果實品質(zhì)下降等一系列問題[6–8]。節(jié)水滴灌條件下，水用量大幅減少為3450～4500 m3/hm2，種植30000 hm2枸杞一年可節(jié)水2.7億m3，節(jié)水率達60%以上[9]。因此，基于枸杞種植節(jié)水增產(chǎn)提質(zhì)的目標，制定科學合理的施肥灌溉制度，成為實際生產(chǎn)中亟待解決的科學問題。

前人有關(guān)水肥一體化試驗多集中于小麥、水稻等糧食作物[10–12]，有關(guān)枸杞的試驗研究相對匱乏，且前人對于枸杞的相關(guān)研究多關(guān)注施肥或灌水單因素[13–20]，基于枸杞生產(chǎn)、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益來確定水肥管理多目標優(yōu)化的研究仍然匱乏。因此，本研究以滴灌水肥一體化為背景，重點研究不同灌溉和施肥制度對枸杞產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益的影響，分析和量化枸杞產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益對灌溉量和施氮量的響應(yīng)，以枸杞的多重目標為基礎(chǔ)，通過空間分析確定適宜的灌溉量和施氮量，以達到高產(chǎn)高效和節(jié)水節(jié)肥的目的，同時為滴灌水肥一體化技術(shù)推廣提供指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于青海省海西州德令哈市懷頭他拉灌區(qū)防沙治沙公司枸杞園 (96°44′19.01″E，37°21′34.91″N，海拔約2868 m)。當?shù)貙儆诟咴箨憵夂?，年平均氣溫?℃，年最冷月份為1月，平均氣溫為–13℃，最熱月份為7—8月，平均氣溫為17℃～23℃，降水量少，蒸發(fā)量大，5月至9月降水量占全年的80%以上，年降水量大約160 mm；日照充足，太陽輻射強烈，無霜期短，無霜期日數(shù)為90天左右。供試土壤深厚，為沙壤土，質(zhì)地疏松，容重1.5 g/cm3，土壤微團聚體中粒徑小于0.2 mm的組分比例高達65.3%，大于0.25 mm占20.04%。試驗區(qū)0—100 cm土層土壤其他物理性狀如表1所示。試驗前0—50 cm土壤全氮為0.36 g/kg、全磷為0.58 g/kg、全鉀為 2.35 g/kg、有效氮為 108.2 mg/kg、有效磷為 3.97 mg/kg、速效鉀為 2.60 mg/kg、有機質(zhì)0.37 g/kg。2018、2019年試驗處理期間有效降水量分別為133.4、103.6 mm，生育期日降雨量和日平均溫度如圖1所示。

表1 試驗區(qū)0—100 cm土層土壤物理性狀Table 1 Soil physical properties of 0–100 cm soil layer at the experimental site

圖1 2018和2019年枸杞生育期日降雨量和日均溫度Fig. 1 Daily rainfall and daily average temperature during wolf berry growing season in 2018 and 2019

1.2 試驗設(shè)計

本試驗以當?shù)馗咚叩喔忍幚頌閷φ?W1N1)，其灌水量為 198 m3/hm2，施氮量為 345 kg/hm2。灌水量設(shè)置為減水20%灌溉(158 m3/hm2，W2)、減水40%灌溉(119m3/hm2，W3)，施氮量設(shè)置為減氮20%施肥 (276 kg/hm2, N2)、減氮 40% 施肥 (207 kg/hm2,N3)，采用二因素三水平完全隨機組合大田試驗，共設(shè)9個處理，3次重復(fù)，各處理隨機區(qū)組排列。供試枸杞品種為兩年生‘寧杞7號’，苗木由懷頭他拉鎮(zhèn)防沙治沙公司提供，于2015年4月23日定植。供試氮磷鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。試驗采用壟溝栽培，壟高15 cm，壟寬50 cm，每個小區(qū)壟長15 m，壟上全部鋪設(shè)黑色地布，其可以保水保墑，利于枸杞生長。滴灌帶放置于壟溝土層下5 cm處，滴灌帶距離枸杞株干10 cm。小區(qū)面積為7.5 m2，試驗區(qū)總面積 202.5 m2，枸杞株行距 0.5 m×3.0 m，單行定植。病蟲害防治措施與當?shù)叵嗤?/p>

水肥一體化灌溉時間：各處理分別于6月初枸杞萌芽展葉期、7月初開花坐果期、7月末夏盛果期、8月中旬秋盛果期灌水施肥一次，9月中旬與11月初對枸杞進行補灌，只灌水不施肥，全年共灌溉6次，施肥4次，對照組每次灌溉2 h，滴灌帶流量為1.5 L/h，灌溉過程中對灌溉情況進行檢查，防止水分外流。灌溉水主要來自當?shù)貦C井與巴音河水庫，水質(zhì)礦化度小于1 g/L。灌溉工具采用水桶與管徑1 cm滴灌帶。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分測定 采用Trime-IPH管式TDR系統(tǒng)測定土壤含水量(SWC)，TDR測管安放于距離樣本株樹干0.3 m處，觀測深度100 cm，每隔20 cm一層。分別在萌芽展葉期、開花坐果期、夏盛果期與秋盛果期測量土壤含水量，降雨及灌溉前后均加測一次。

式中：SWCi為第i層土壤含水量 (%)；BDi為i層土壤容重(g/cm3)；D為土壤深度(cm)，本研究中為20 cm。

枸杞生育期內(nèi)耗水量采用水量平衡法計算：

式中：P為有效降雨量(mm)；I為灌水量(mm)；ΔS為不同階段土壤水分變化量(mm)；U為地下水補給量(mm)；R為徑流量(mm)；D為深層滲漏量(mm)。由于試驗區(qū)地下水埋藏較深(>40 m)，地勢平坦且降雨量較小，同時滴灌濕潤深度較淺，U、R和D參數(shù)均忽略不計。

式中：Y為枸杞干果產(chǎn)量(kg/hm2)；ET為枸杞全生育期總耗水量(mm)。

式中：Y為枸杞干果產(chǎn)量(kg/hm2)；N為氮肥施用量(kg/hm2)。

1.3.2 枸杞產(chǎn)量測定 從7月末至8月末共采摘兩批枸杞果實，每批每隔7天采摘一次，枸杞隨采隨稱鮮果重。兩批果實總鮮果重即為當年鮮果總產(chǎn)量。各處理鮮果混合均勻后送至當?shù)睾娓煞亢娓?75℃，烘烤4～5 h)，統(tǒng)計兩批枸杞果實的干果總質(zhì)量，即為相應(yīng)處理的年干果產(chǎn)量。

1.3.3 經(jīng)濟效益計算 凈收益為總收入與總成本的差值，其中總收入=枸杞干果產(chǎn)量×市場價格；總成本包括施肥費用、灌溉水費用、農(nóng)田管理費用(包括旋耕、水肥灌溉、修剪樹枝、除蟲雜草等)、人工費(包括采摘果實及烘干費用等)。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進行方差分析及相關(guān)性分析，多重比較采用Duncan法，并采用Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮互作對0—100 cm土層土壤蓄水量的影響

由圖2可知，水氮互作對0—100 cm土層土壤蓄水量影響顯著。2018年高水(W1)處理下，N2和N3全生育期平均土壤蓄水量顯著高于N1處理，N2和N3處理間沒有顯著差異；低水(W3)處理下，N1和N2全生育期平均土壤蓄水量顯著高于N3處理，且N1和N2間沒有顯著差異。中水(W2)處理下，N2水平枸杞各生育時期土壤蓄水量顯著高于N1和N3水平，平均土壤蓄水量分別提高29.5%和34.1%。經(jīng)過一年種植及秋季補灌，2019年0—100 cm土壤蓄水量顯著高于2018年，其中高水(W1)處理下，萌芽期至盛花期(S1～S2) 3個施肥水平間蓄水量差異不顯著，而盛花期至秋盛果期(S2～S4)，蓄水量表現(xiàn)為N3>N1>N2，且處理間差異達到顯著水平；中水(W2)處理下，各施氮處理間變化規(guī)律與2018年一致，表現(xiàn)為N2>N3>N1；低水(W3)處理下，整個生育期內(nèi)各施肥處理平均土壤蓄水量表現(xiàn)為N3>N2>N1?？梢钥闯霾煌喔忍幚硐赂魇┑介g土壤蓄水量變化不盡相同，水肥耦合效應(yīng)明顯。

圖2 水氮互作對枸杞生育期土壤蓄水量的影響Fig. 2 Effects of water and nitrogen interaction on soil water storage (0–100 cm) at different growth stages of wolfberry

2.2 水氮互作對枸杞耗水量和水氮利用效率的影響

水氮互作對枸杞耗水量和水氮利用效率影響顯著 (表2)。與高氮(N1)處理相比，W1、W2和W3灌水處理下N2和N3處理的耗水量分別增加1.7%～5.8%、10.8%～38.7%和19.2%～31.0%(P<0.05)。在同一施氮處理下，枸杞耗水量隨灌溉水平的提高而增加。與高灌溉量(W1)相比，W2和W3處理下的耗水量分別降低23.9%～53.4%和72.9%～102.7% (P<0.05)。不同灌水處理間的水分利用效率表現(xiàn)為W2>W3>W1。與W1相比，W2和W3分別提高79.4%和59.3%。方差分析表明，水分利用效率最高的水氮處理為W2N3 (灌水158 m3/hm2，施氮 207 kg/hm2)，兩年平均為 17.26 kg/(hm2·mm)。水氮互作對枸杞氮肥偏生產(chǎn)力的影響顯著(P<0.05)。兩年平均氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為W2>W3>W1，在相同灌溉水平下，氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量增加顯著降低，各處理中以W2N3處理的平均氮肥偏生產(chǎn)力最高，為15.71 kg/kg。方差分析表明，灌水、施肥及其二者互作對枸杞水氮利用效率存在顯著影響。

表2 水氮互作對枸杞耗水量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響Table 2 Effects of water and nitrogen interaction on ET, WUE and NPP of wolfberry

2.3 水氮互作對枸杞產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

由表3可知，水氮互作對枸杞干果產(chǎn)量、鮮果產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響存在顯著差異(表3)?？梢钥闯?，W2N3處理在2018和2019年平均干重、凈收益及產(chǎn)投比均達到最大值，分別為3252 kg/hm2、39500元/hm2及2.03，而平均鮮重量最大值出現(xiàn)在W2N2處理為8927 kg/hm2。不同灌水處理間產(chǎn)量和經(jīng)濟效益整體表現(xiàn)為W2>W3>W1，與W1處理相比，W2和W3處理產(chǎn)量分別提高49.4%和29.1%，凈收益分別提高3.36和2.88倍，產(chǎn)投比分別提高49.1%和43.5%。在同一灌水處理下，枸杞的凈收益隨施氮量的降低而逐漸增加。與W2N1相比，W2N2和W2N3處理產(chǎn)量分別提高10.6%和16.7%，凈收益分別提高29.1%和41.6%。同時發(fā)現(xiàn)，兩年試驗期間枸杞價格差距較大，也是造成經(jīng)濟效益產(chǎn)生差距的直接原因之一。

表3 水氮互作對枸杞產(chǎn)量與經(jīng)濟效益的影響Table 3 Effects of water and nitrogen interaction on yield and economic benefit of wolfberry

2.4 水氮用量與枸杞產(chǎn)量、水分利用效率及經(jīng)濟效益的回歸分析

通過建立3個模型來分析枸杞干果產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟效益隨灌溉量和施氮量的變化(圖3)。灌溉量和施氮量與枸杞產(chǎn)量(Y)、水分利用效率(WUE)和經(jīng)濟效益(EB)的回歸方程分別為：

圖3 水氮用量與枸杞產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟效益的回歸方程Fig. 3 Relationships of yield, water use efficiency (WUE) and economic benefit with irrigation rates and N fertilizer rates

根據(jù)各指標與水氮施用量建立的二元二次回歸方程計算出各指標最大化下的相應(yīng)水氮變量值。產(chǎn)量、WUE和經(jīng)濟效益達到最大值時的灌溉量和施氮量分別為 165 mm、224 kg/hm2，140 mm、250 kg/hm2和 180 mm、240 kg/hm2。可以看出，WUE 若想達到最大值，灌溉量需較小；水肥投入量偏少時，無法實現(xiàn)產(chǎn)量與經(jīng)濟效益的最優(yōu)化。由此可見，生產(chǎn)中很難同時獲得所有指標的最大化。因此，本研究綜合評價產(chǎn)量、水肥利用及經(jīng)濟效益表現(xiàn)，以達到各指標90%為目標，灌水量為150～160 m3/hm2，施氮200～220 kg/hm2是兼顧產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的最佳水肥配比，從而實現(xiàn)減肥節(jié)水增效的多重目標。

3 討論

3.1 水肥一體化對枸杞水氮利用的影響

合理的水肥條件能夠促進作物根系生長發(fā)育，增大根系與土壤接觸面積，有利于根系對土壤水分的吸收利用，從而提高水氮利用效率[21–22]。鄭國保等[23]研究表明，0—60 cm土層土壤含水量隨灌水量增加變化劇烈。劉敏等[24]研究表明，水氮配施量分別為2850 m3/hm2、750 kg/hm2(中水中氮水平)，可以同時滿足枸杞高產(chǎn)及水氮有效利用。本試驗研究表明，2018年各生育時期各處理土壤蓄水量變化較為明顯，其中W2N2處理全生育期土壤蓄水量顯著高于其他處理。W2N2與W2N3處理在連續(xù)兩年試驗期間水分利用效率均較高，但氮肥偏生產(chǎn)力W2N3處理顯著高于W2N2，說明合理的水氮配比才能保證水氮高效利用。適宜的土壤水分環(huán)境有利于枸杞植株根系生長，提高枸杞產(chǎn)量、肥料利用率及果實品質(zhì)。隨時間推移，過量灌溉導(dǎo)致冗余水分在土壤中積聚，下滲到枸杞根系層以下造成水資源浪費及養(yǎng)分淋失[25]；當灌水量與施肥量都比較低時，土壤水分不足，會造成溶解養(yǎng)分不足，大量養(yǎng)分將聚集在土壤淺層，無法被根系吸收利用，從而影響枸杞的生長發(fā)育。

3.2 水肥一體化對枸杞產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

水氮耦合可以在一定程度上提高水肥利用效率及節(jié)約成本，產(chǎn)量、水肥利用效率與經(jīng)濟效益是衡量枸杞高產(chǎn)高效的主要指標，適宜的水氮運籌能提高作物水肥利用效率，從而獲得最佳產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[26]。前人通過水氮生產(chǎn)函數(shù)(作物產(chǎn)量和耗水量的擬合)得出最佳水氮優(yōu)化方案，實現(xiàn)作物高產(chǎn)與高效統(tǒng)一[27–28]。鄧箴等[29]研究表明，灌溉定額232～246 mm，肥料施量 (N–P2O5–K2O) 為 420–269–330 kg/hm2是兼顧寧夏枸杞節(jié)水節(jié)肥的最優(yōu)水肥方案。本試驗研究表明，與高水高肥處理相比，W2N2與W2N3 (節(jié)水灌溉 20%，減肥 20%～40%) 處理均增產(chǎn)顯著。這是由于適宜的水分與養(yǎng)分環(huán)境有利于提高氣孔導(dǎo)度及光合速率等指標，從而有利于產(chǎn)量增加[30–32]。此外本研究發(fā)現(xiàn)，枸杞年際間價格受市場供需關(guān)系影響波動較大，直接影響農(nóng)戶收益，建議實際生產(chǎn)中制定合理的價格區(qū)間，保證農(nóng)戶枸杞種植的利益最大化，也為節(jié)水減肥增效的水肥一體化技術(shù)推廣提供科學支撐。

3.3 兼顧產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的最佳水肥投入

前人通過多變量回歸和空間分析結(jié)合，建立水肥投入與作物產(chǎn)量和水肥利用效率之間的關(guān)系[33–34]。研究表明，各指標對應(yīng)的最佳水氮配比不盡相同，甚至出現(xiàn)相反的效應(yīng)。如叢鑫等[35]對小麥的研究發(fā)現(xiàn)，過量的水肥投入并不會使得產(chǎn)量和經(jīng)濟效益持續(xù)增長，還會造成水肥資源浪費及地下水污染等問題。因地制宜，制定合理的灌溉施肥制度對當?shù)罔坭娇沙掷m(xù)發(fā)展及環(huán)境保護具有重要意義。本研究通過建立水肥投入模型從空間角度分析灌溉和施氮對枸杞產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益的影響，確定不同水氮條件下枸杞產(chǎn)量、水肥利用效率和經(jīng)濟效益最大化的灌溉量和施氮量(灌水150～160 m3/hm2，施氮 200～220 kg/hm2)，為枸杞田間生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

水氮互作顯著影響生育期土壤蓄水量、耗水量、水分利用效率、產(chǎn)量及經(jīng)濟效益。適度灌水(W2)，0—100 cm土層土壤蓄水量最高，耗水量較低。適度灌水條件下，減少氮肥施用量(N3)可提高枸杞水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力，同時提高枸杞產(chǎn)量和凈收益，可以實現(xiàn)枸杞生產(chǎn)節(jié)水減肥及增產(chǎn)增收。綜合考慮，柴達木盆地枸杞生產(chǎn)的適宜灌水量為 150～160 m3/hm2，施氮量為 200～220 kg/hm2。