不同降水年型地下滴灌追氮對玉米產量的影響

馮浩原，尹光華，馬寧寧，谷健,3，曹秀佳，劉泳圻

(1. 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016； 2. 中國科學院大學，北京100049； 3. 遼寧省農業(yè)科學院，遼寧 沈陽 110161； 4. 沈陽農業(yè)大學水利學院，遼寧 沈陽 110866)

水資源緊缺是世界性難題，尤其在農業(yè)方面更為突出.中國東北地區(qū)地處水資源較為缺乏的北方，近幾十年農業(yè)水資源呈現(xiàn)逐年減少的趨勢[1].遼西地區(qū)是遼寧省重要的玉米生產區(qū)[2]，該區(qū)域降水和地下水資源匱乏，而目前的農業(yè)灌溉方式多沿用溝灌，灌溉水沒有得到高效利用，因此推廣高效節(jié)水灌溉技術，對提高灌溉水的利用率和利用效率具有重要的促進作用.同時，該地區(qū)玉米生產中還存在著肥料施用過量、使用方式不夠科學的問題.據調查，遼西地區(qū)農戶氮肥施用量平均為393.3 kg/hm2，高于當?shù)赝扑]標準[3].地下滴灌是一種高效的節(jié)水灌溉方式，通過將滴灌帶埋設在地下一定深度，直接將水分供給作物根系、減少地表蒸發(fā)，并利用水分將養(yǎng)分輸送到根層，提高養(yǎng)分的利用效率[4].目前，國內外關于地下滴灌對提高水肥利用方面的研究已有一些成果.UMAIR等[5]認為相較于漫灌和地表滴灌，地下滴灌條件下冬小麥的蒸散量分別降低了26%和15%.EVETT等[6]在美國得克薩斯對比地下滴灌和噴灌對玉米產量的影響時發(fā)現(xiàn)，地下滴灌玉米比噴灌省水50～150 mm，產量比噴灌高19%.黃鵬飛等[7]發(fā)現(xiàn)，交替地下滴灌節(jié)水效果顯著，能夠大幅度降低灌溉定額，同時玉米產量下降不明顯.但也有學者持不同意見，TARKALSON等[8]分析了地下滴灌條件下施氮對玉米生長的影響，結果顯示施氮對玉米產量沒有顯著影響.

可見，地下滴灌在美國等地的研究和應用相對成熟，具有較好的節(jié)水節(jié)肥增產效果.但總體而言，地下滴灌灌溉追氮的相關研究還多是基于2～3 a的試驗結果，研究結論在不同的區(qū)域、土壤類型條件下略有不同，且對于長期地下滴灌，尤其是針對不同降水年型對作物產量的影響還有待深入研究.因此，本研究以連續(xù)7 a實施的地下滴灌追氮長期定位試驗平臺為基礎，探討自然降水條件下不同降水年型地下滴灌追氮對玉米產量的影響，提出不同降水年型適宜的水氮施用模式，可為東北干旱、半干旱地區(qū)地下滴灌技術的應用提供技術支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013—2019年開展，試驗區(qū)位于遼寧省西部的阜新蒙古族自治縣(121°01′～122°56′E，41°41′～42°56′N)，該縣平均海拔235 m，年平均氣溫7.1～7.6 ℃，生育期平均氣溫為20.2 ℃，10 ℃以上積溫3 298.3 ℃，無霜期144 d，年日照時數(shù)2 865.5 h，生育期日照時數(shù)1 295.7 h，年均降雨量493.1 mm，年均蒸發(fā)量1 847.6 mm.試驗區(qū)土地質地為砂壤土，田間持水量為23%，土壤pH值為6.2，有機質含量為18.0 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，堿解氮含量98.2 g/kg.

1.2 試驗材料與設計

采用大田試驗，完全組合設計.試驗設置滴灌量和追氮量2個因素，3個水平，共9個處理，如表1所示，表中TLA為總滴灌量，TNS為總追氮量.重復3次，小區(qū)面積20 m×12 m.滴灌量以膜下滴灌1次滴灌量45 mm(溝灌量60 mm的3/4)的80%為中位值，±12 mm為上下限；追氮量以常規(guī)追氮量300 kg/hm2的80%為中位值，±120 kg/hm2為上下限設置.供試作物為玉米，品種選用密植品種，播種期溝施復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)450 kg/hm2，滴灌灌水量分拔節(jié)期、抽雄期及灌漿期3次等量實施，氮肥采用尿素，追氮量按拔節(jié)期總量的1/2，抽雄期1/4,灌漿期1/4隨滴灌進行追施.采用地下滴灌方式，滴灌帶埋設在2行玉米中間，行間距為1 m，埋深20 cm，滴灌帶選用大禹節(jié)水(天津)有限公司生產的鴨舌式滴灌帶.試驗期內滴灌帶沒有更換，經檢查滴灌帶應用良好，除取土失誤造成少量破損外基本完好(破損處即時修補完善)，滴灌帶可以正常出水，可以保證灌水和追肥的實施.

表1 不同處理的水氮用量

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 降水量數(shù)據

降水量數(shù)據來源于國家農業(yè)環(huán)境阜新觀測實驗站.

1.3.2 降水年型的劃分

采用國內常用的干旱指數(shù)法進行降水年型的劃分.干旱指數(shù)計算公式[9]為

(1)

試驗期各年生育期降水量見表2，根據降水量可以將年型劃分為枯水年5 a，分別為2014,2015,2016,2017和2018年，平均降水量296.1 mm；豐水年2 a，分別為2013年和2019年，平均降水量516.1 mm.

表2 不同年份生育期降水量及干旱指數(shù)

1.3.3 測產

收獲時測定每小區(qū)中間4行10 m的籽粒產量，折算為公頃產量(籽粒含水14%).

1.4 數(shù)據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016和R 3.6.1統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據整理和統(tǒng)計分析，采用Microsoft Excel 2016進行繪圖，選用LSD法進行顯著性分析.

2 結果與分析

2.1 總體分析

不同降水年型不同處理玉米的產量Y如圖1所示，不同降水年型之間玉米產量具有明顯的差異，豐水年總平均產量較枯水年高10.8%，僅高水低氮(W3N1)和高水高氮(W3N3)2個處理在不同降水年型間差異不具有統(tǒng)計學意義.其他處理間豐水年產量均顯著高于枯水年(P<0.05)，表明枯水年提高滴灌量可以有效促進產量的增長，其高水(W3)處理的產量可以與豐水年的產量相當.

圖1 不同降水年型不同處理的產量

分別將滴灌量和追氮量2個因素在不同降水年型對產量的影響進行對比，結果如圖2，3所示.

圖2 不同降水年型不同滴灌量下的產量

由圖2可知，不同降水年型產量均隨著滴灌量的增大而提高，但豐水年低水(W1)與中水(W2)、中水(W2)與高水(W3)水平之間產量均沒有顯著提高，僅高水(W3)處理的產量顯著高于低水(W1)處理，這說明豐水年相鄰的滴灌水平之間沒有顯著的增產效果.而在枯水年相鄰滴灌水平間增產效果顯著，中水(W2)比低水(W1)增產5.8%，高水(W3)比中水(W2)增產5.3%.以上結果表明枯水年滴灌的增產效果優(yōu)于豐水年.

由圖3可知，不同降水年型下產量均隨著追氮量的增大呈先升高后降低的變化趨勢，存在最大值.豐水年產量隨著追氮量的增加先提高7.7%，后降低2.6%，提高和降低效果均顯著；枯水年產量先增加5.0%，后減少1.1%，但提高和降低效果均不顯著，表明不同降水年型產量隨追氮量的增大變化趨勢接近，但豐水年追氮量變化對產量的影響效果要優(yōu)于枯水年.

圖3 不同降水年型不同追氮量下的產量

2.2 枯水年產量顯著性分析

2.2.1 總體趨勢

對不同滴灌量和追氮量下的產量進行顯著性分析，枯水年滴灌量對產量影響效果在0.01水平下具有統(tǒng)計學意義(F=83.59>F0.01(2,18)=6.01)，水氮交互作用影響在0.01水平下具有統(tǒng)計學意義(F=5.82>F0.01(4,18)=4.58)，追氮量因素影響在0.05水平下不具有統(tǒng)計學意義(F=2.99

2.2.2 滴灌量的影響

對滴灌量因素進行多重比較，發(fā)現(xiàn)枯水年不同滴灌水平間差異較大，產量隨滴灌量的提高顯著增大，高水(W3)水平較低水(W1)水平產量增幅可達到11.4%，表明枯水年滴灌有明顯的增產效果，高水(W3)水平為適宜滴灌量水平.

2.2.3 追氮量的影響

對追氮量因素進行多重比較，發(fā)現(xiàn)枯水年不同追氮處理間產量差異不具有統(tǒng)計學意義，即追氮量從高氮(N3)水平降至低氮(N1)水平產量不會有顯著的降低，說明枯水年適當減少追氮是可行的措施.這樣既降低了生產投入、節(jié)約成本，又可以避免由于過量施氮導致的硝態(tài)氮淋溶污染和溫室氣體排放，具有很高的經濟價值和環(huán)保意義.

2.2.4 水氮互作的影響

在相同滴灌量下對比不同追氮量之間的產量，顯著性差異如表3所示.發(fā)現(xiàn)產量在高水(W3)和中水(W2)水平隨著追氮量的增大變化不顯著，僅在低水(W1)水平差異具有統(tǒng)計學意義.在不同追氮水平下對比不同滴灌量處理間的產量，可以發(fā)現(xiàn)不同追氮水平下產量均隨著滴灌量的增大而提高，但僅在高氮(N3)水平和低氮(N1)水平下差異具有統(tǒng)計學意義，中氮(N2)水平下差異不具有統(tǒng)計學意義.這可能是因為低氮條件下提高滴灌量減輕了由于缺氮造成產量下降的情況，而高氮條件下提高滴灌量則促進了氮肥效果的發(fā)揮，使得不同滴灌量處理間產量差異具有統(tǒng)計學意義.

表3 枯水年不同處理產量顯著性差異比較

根據以上分析，滴灌量越大產量越高，高水(W3)水平可以獲得最高產量，且高水(W3)水平條件下不同追氮處理間差異不具有統(tǒng)計學意義，說明高水低氮(W3N1)、高水中氮(W3N2)和高水高氮(W3N3)3個組合均可獲得較高產量，但從節(jié)約氮肥資源的角度出發(fā)，可得高水低氮是枯水年適宜的水氮配比模式(即處理W3N1).

2.3 豐水年產量顯著性分析

2.3.1 總體趨勢

對不同滴灌量和追氮量的產量進行顯著性分析，豐水年滴灌因素對產量的影響效果在0.05水平下具有統(tǒng)計學意義(F=4.41>F0.05(2,18)=3.35)，追氮因素在0.01水平下具有統(tǒng)計學意義(F=26.19>F0.01(2,18)=6.01)，而水氮交互作用不具有統(tǒng)計學意義(F=0.59

2.3.2 滴灌量的影響

對滴灌量因素進行多重比較，發(fā)現(xiàn)豐水年產量隨滴灌量的增加而上升，但低水(W1)水平和中水(W2)水平間差異不具有統(tǒng)計學意義，中水(W2)水平和高水(W3)水平間差異不具有統(tǒng)計學意義，僅在高水(W3)水平和低水(W1)水平間差異具有統(tǒng)計學意義.雖然豐水年灌溉依然具有增產效果，但是從低水(W1)水平補充灌溉24 mm水分產量增幅也僅為3.0%，灌水增產效果不佳.若將滴灌量從高水(W3)水平降低至中水(W2)水平，產量不會有顯著降低，但再降低至低水(W1)水平產量則會出現(xiàn)顯著降低，所以中水(W2)水平為適宜的灌溉量.

2.3.3 追氮量的影響

對追氮量進行多重比較，發(fā)現(xiàn)豐水年追氮對產量的影響顯著，產量先隨著追氮量的增加顯著上升，后隨著追氮量的增加顯著下降，但高氮(N3)水平的產量依然顯著高于低氮(N1).表明豐水年適量追氮即有明顯的增產效果，但在中氮(N2)水平之上再增加氮肥對產量的增長會出現(xiàn)抑制效果.雖然高氮(N3)水平相對于低氮(N1)水平依然有顯著的增產效果，但增氮量與增產量之比遠低于僅把追氮量提高到中氮(N2)，因此豐水年中氮(N2)水平是獲得最高產量所需的適宜追氮量.由以上分析可知，豐水年中水(W2)水平為適宜的滴灌水平，中氮(N2)水平為適宜的追氮水平，水氮之間的交互作用對產量影響不具有統(tǒng)計學意義，即豐水年適宜的水氮配比為中水中氮(即處理W2N2).

2.4 枯水年產量年際差異分析

圖4為枯水年不同處理的產量年際差異.由圖可知，不同處理產量在枯水年年際間有一定的差異.其中2018年低水處理的產量相對小于其他枯水年同一處理水平；2015，2016和2017年不同處理產量大致接近，而2014年不同處理的產量均高于其他枯水年.同為枯水年型，產量出現(xiàn)較大差異的原因在于不同年際間氣候條件不完全相同.有研究發(fā)現(xiàn)，在玉米抽雄期日平均氣溫大于27 ℃的天數(shù)和降水量小于10 mm的天數(shù)與產量之間有顯著的負相關關系[2].2018年本試驗區(qū)玉米生育期降雨量僅為268.3 mm，為5個枯水年中降水量最低的一年；抽雄期日平均氣溫高于27 ℃的時間長達連續(xù)8 d，且此期間降水量為0.高溫干旱導致低水處理授粉不良，最終減產.2018年產量隨著滴灌量的增加有明顯的提高，中、高水處理的產量與其他枯水年相同處理的產量相近，說明地下滴灌在極端干旱條件下對玉米穩(wěn)產有顯著效果.2015，2016和2017年生育期降水量分別為281.1，304.6，298.5 mm，較為接近.抽雄期出現(xiàn)日均氣溫大于27 ℃的天數(shù)分別為3，5，3 d，天數(shù)接近，故這3 a年際間不同處理的產量差異不明顯.2014年生育期總降雨量為327.9 mm，為試驗期限內枯水年最高；抽雄期雖然降水量為0，但日均氣溫大于27 ℃的天數(shù)僅為2 d，日最高氣溫大于31 ℃的天數(shù)為7 d，相比于其他枯水年干旱程度均偏低，故其產量高于其他枯水年.

圖4 枯水年不同處理的產量年際差異

2.5 豐水年年際差異分析

豐水年不同處理產量如圖5所示.由圖可知，不同豐水年年際產量也有一定差異，尤其是高水處理，2019年產量明顯高于2013年.2019年生育期降雨量為568.3 mm，高于2013年的463.9 mm，且2019年不同的生育階段均有充足的降水，而2013年在抽雄期出現(xiàn)了連續(xù)的干旱缺水狀況，這種干旱狀況影響了授粉，所以2019年產量高于2013年.

圖5 豐水年不同處理產量間年際差異

3 討 論

水分是影響玉米產量的重要因素，水分虧缺會導致產量下降[10].本研究中，豐水年產量隨滴灌量的提高而增大，但提高效果不及枯水年，這是因為雖然按照生育期總降水量的大小劃分為豐水年，而在不同的生育階段降水分布并不均勻，如在豐水年2013年的灌漿期降水量多，而抽雄期降水量少，出現(xiàn)了拔節(jié)期的階段性缺水現(xiàn)象，此時補充灌溉就起到了水分在關鍵期的銜接和過渡作用，所以水分較多的豐水年滴灌對產量也表現(xiàn)為提高效應.這與MURLEY等[11]在美國俄克拉荷馬州研究降水較多年份中地下滴灌對玉米產量影響的結論一致.袁江杰等[12]在內蒙古赤峰研究自然降水條件下地下滴灌玉米對產量的影響，該試驗中設置滴灌量與降水量之和(T70為326.0 mm，T85為360.1 mm，T100為386.8 mm)與本研究中枯水年相近(W1為320.1 mm，W2為332.1 mm，W3為344.1 mm)，結果表明產量隨滴灌量的增大顯著提高，與文中結論一致.

氮素是作物生長發(fā)育重要的營養(yǎng)元素，但是氮素虧缺和盈余均不利于作物高產[13].在不同的降水年型下，氮素對于產量的影響效果也有差別.周懷平等[14]認為，枯水年水分是玉米的主要限制因子，施肥的增產效果不明顯，有時可能會出現(xiàn)負效應，此結論與本研究的結果相似.美國的TARKALSON等[15]也證實在半干旱區(qū)用地下滴灌的方式追氮可以顯著提高玉米的產量.張冬梅等[16]在不同降水年型施肥對玉米產量的研究中發(fā)現(xiàn)，豐水年產量隨施氮量的提高而提高，而本研究中玉米產量隨追氮量的提高先增后降，這可能是因為地下滴灌將氮肥直接送至玉米根區(qū)，玉米對于氮素供應的響應效果更為敏感，氮肥施用量過多時會迅速表現(xiàn)出產量降低的效應，而在張冬梅等的研究中氮肥為春季一次性全部作為基肥施入，玉米對氮素的吸收效率較地下滴灌的供氮方式低，所以產量沒有能夠表現(xiàn)出下降的趨勢.

4 結 論

本試驗作為長期定位試驗，把試驗年限劃分為不同的降水年型，分別探討產量效應和適宜的水氮施用模式，對試驗區(qū)的玉米節(jié)水生產有重要的指導意義.本研究表明，不同降水年型下玉米產量均隨地下滴灌量的增加而提高，枯水年的提高效果大于豐水年；產量均隨著追氮量的增加先提高后降低，豐水年的增加幅度大于枯水年.不同降水年型適宜的水氮施用模式為播種期溝施復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)450 kg/hm2后，在枯水年滴灌48 mm、追氮120 kg/hm2，豐水年滴灌36 mm、追氮180 kg/hm2.滴灌在拔節(jié)期、抽雄期及灌漿期3次等量實施，追氮按總追氮量在拔節(jié)期1/2、抽雄期1/4及灌漿期1/4隨滴灌實施.