水氮耦合對黑龍江省高粱干物質(zhì)積累量及耗水規(guī)律的影響

李方豪 紀(jì)鴻飛 李翔鵬 聶堂哲

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

高粱具有較強(qiáng)的抗旱、耐澇、耐鹽堿、耐貧瘠、耐高溫等抗逆特性，屬于C4作物，光合效率高，生物產(chǎn)量高，可在干旱、鹽堿和瘠薄的邊際土地上種植，被認(rèn)為是最具開發(fā)潛力的糧飼作物和能源植物[1]。目前，中國高粱主要有東北、華北、西南3大主產(chǎn)區(qū)，其中，東北、華北主要是粳高粱生產(chǎn)區(qū)，種植面積41.6萬hm2；西南主產(chǎn)區(qū)主要是糯高粱產(chǎn)區(qū)，近年來，在茅臺(tái)、五糧液、瀘州老窖、郎酒等知名酒企的拉動(dòng)下迅猛發(fā)展，種植面積從1978年的8.7萬hm2增至2018年21.0萬hm2，占全國種植面積比重從2.5%發(fā)展到29.6%。中國高粱3大主產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)集中度進(jìn)一步增加，種植面積從占全國58.3%到增至目前的88.2%[2]。

化肥是糧食的“糧食”，多年的實(shí)踐表明，施用化肥是提高糧食單產(chǎn)的重要途徑之一[3]。對于所有的發(fā)展中國家而言，化肥投入是提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的重要手段之一[4]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)，化肥投入對世界糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為40%～60%。中國的情況也是如此，1978—2006年中國的化肥投入對糧食產(chǎn)量增加的貢獻(xiàn)率達(dá)到57%[5]。然而，不斷增加的化肥投入在保證我國糧食安全的同時(shí)，也面臨著在化肥施用過程中由于化肥施用過多以及結(jié)構(gòu)不合理等因素造成的化肥流失率過高、面源污染擴(kuò)大、糧食產(chǎn)出彈性減少、增產(chǎn)效應(yīng)下降等問題。數(shù)據(jù)顯示，目前中國的化肥施用強(qiáng)度已達(dá)到世界平均水平的1.6倍以上[6]。因此，如何科學(xué)施肥、保持合理的化肥施用強(qiáng)度使得化肥在糧食生產(chǎn)中的正面作用最大化，對于提高糧食生產(chǎn)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的最基本支撐點(diǎn)是水資源的可持續(xù)利用與糧食安全保障。但水資源緊缺是一個(gè)世界性的問題，水資源高效利用與保護(hù)已成為當(dāng)前全球關(guān)注的熱點(diǎn)。為滿足人口持續(xù)增長和生活水平改善的需要，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模和強(qiáng)度在過去幾十年中迅速擴(kuò)大，干旱缺水和水污染已成為世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全保障的重要制約因素。農(nóng)業(yè)是最主要的用水部門，消耗了全球總用水量的70%，因此，農(nóng)業(yè)水資源的高效利用是水資源高效利用的核心。充分認(rèn)清目前及未來面臨的水資源安全和糧食安全形勢，找準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水資源高效利用的核心問題，明晰糧食生產(chǎn)中不同尺度的水循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律與消耗機(jī)理，通過科技進(jìn)步與管理改革提高水的利用效率，改善水環(huán)境是解決當(dāng)前水危機(jī)并保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與糧食安全的根本途徑[7]。

因此，在人口日益增長帶來的巨大糧食需求壓力以及水資源緊張等問題背景下，應(yīng)該嘗試通過不同的水氮耦合試驗(yàn)尋求對高粱生長的影響。但現(xiàn)階段黑龍江省水氮耦合試驗(yàn)主要局限于玉米、大豆等大作物，少有涉及高粱等小作物，近年來，在許多知名酒企的拉動(dòng)下，高梁在我國的種植面積有增加的趨勢。本研究成果有助于在黑龍江省中部地區(qū)推廣更大面積地種植高粱，以便為農(nóng)民帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本次試驗(yàn)于2021年5月19日播種，于2021年9月中下旬進(jìn)入成熟期。試驗(yàn)田地處黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)信義村(E126°44′31.60″，N45°44′4.65″)，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫5.6℃，最高月平均氣溫23.6℃，最低月平均氣溫-15.8℃，冬長夏短，土壤類型為黑鈣土。全年降水量423mm，主要集中在6—9月，無霜期天數(shù)168d，年均≥10℃的積溫為2757.8℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在大田環(huán)境下以高粱作為研究對象，試驗(yàn)采用完全組合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素分別為氮肥施用量和灌水量，氮肥施用量設(shè)置3個(gè)水平，灌水量設(shè)置2個(gè)水平。各試驗(yàn)處理見表1，共6個(gè)處理，每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)高粱品種為“龍雜22”，生育期115d，各試驗(yàn)小區(qū)采用65cm壟寬，壟上條播，株距20cm，播種量1kg·667m-2，保苗2萬株·667m-2。各試驗(yàn)小區(qū)均施入磷肥(P2O5)75kg·hm-2、鉀肥150kg·hm-2作為種肥，施肥時(shí)種子與肥保持3～5cm距離，防止燒種。氮肥1/3隨種肥施入，剩下2/3氮肥在拔節(jié)期施入，追肥應(yīng)在根側(cè)7～10cm，深度8～10cm。灌灌方式為滴灌，滴灌帶為貼片式滴灌帶，每個(gè)小區(qū)配置1個(gè)水表和施肥罐，用以控制灌水量和追肥，全生育期內(nèi)共灌水2次，分別為拔節(jié)期和灌漿期，2次灌水定額為1∶1。

表1 各試驗(yàn)處理表

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)積累量

取拔節(jié)期、半花期和灌漿期植株樣本，每小區(qū)5株，在烘箱里經(jīng)過105℃殺青30min后，用65℃的溫度持續(xù)烘干8h，將烘干后的高粱分離出地上部分各器官(莖、葉、鞘、穗)，并分別稱重。

1.3.2 產(chǎn)量

于生理成熟期進(jìn)行高粱產(chǎn)量測定，采用對角線原則從各小區(qū)中隨機(jī)選擇5個(gè)測點(diǎn)，每點(diǎn)連續(xù)選5株高粱測其千粒鮮質(zhì)量和每穗鮮質(zhì)量。將高粱籽粒剝離后置于105℃干燥箱中干燥8h以上，在干燥箱中冷卻至質(zhì)量恒定，用精度為0.01g的天平稱量千粒干質(zhì)量。各小區(qū)產(chǎn)量Y(kg·hm-2)計(jì)算公式：

Y=W1/W2W3N

(1)

式中，W1為高粱千粒干質(zhì)量，g；W2為高粱千粒鮮質(zhì)量，g；W3為單株高粱平均穗質(zhì)量，g；N為每公頃高粱株數(shù)。

1.3.3 水分利用效率

在生育期內(nèi)，用土鉆每4～7d鉆取各小區(qū)不同土層土壤樣本(每隔10cm土層即鉆取1次，每小區(qū)均鉆取0～60cm土壤)，放入烘箱中烘干，稱量烘干前后的土壤樣本重量，降雨前后加測，利用稱重法計(jì)算土壤含水率。利用農(nóng)田水分平衡方程計(jì)算高粱消耗水量。

作物耗水量(ETc，mm)計(jì)算公式：

ETc=P+I+ΔW-R-D

(2)

式中，P為降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為土壤水分變化量，mm；R為地表徑流，mm；D為滲漏量，mm。

水分利用效率(WUE，kg·m-3)計(jì)算公式：

(3)

式中，Y為試驗(yàn)小區(qū)單位面積產(chǎn)量，kg·hm-2；ETc為單位面積上實(shí)際測算的蒸發(fā)蒸騰量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 高梁各生育期干物質(zhì)積累量

2.1.1 高梁拔節(jié)期干物質(zhì)積累量

表2為各處理高粱拔節(jié)時(shí)期干物質(zhì)積累情況，這一時(shí)期的葉片是高粱干物質(zhì)積累的主要器官，各處理中葉片的干物質(zhì)積累量均占高粱地上部分干物質(zhì)積累總量的50%以上。其中葉片的干物質(zhì)積累最大值為處理2(80kg·hm-2，444m3·hm-2)，鞘的干物質(zhì)積累最大值為處理4(150kg·hm-2，887m3·hm-2)，而莖的干物質(zhì)積累最大值為處理2。葉片的干物質(zhì)積累最小值為處理6(未施氮肥)，鞘的干物質(zhì)積累量最小值為處理3(未施氮肥)，莖的干物質(zhì)積累量最小值為處理6。對于高粱地上部分干物質(zhì)積累總量，最大值出現(xiàn)在處理2，最小值為處理3。

表2 拔節(jié)期干物質(zhì)積累情況

2.1.2 高梁半花期干物質(zhì)積累量

表3為各處理高粱半花時(shí)期干物質(zhì)積累情況，這一時(shí)期的莖是高粱干物質(zhì)積累的主要器官，各器官中各處理的干物質(zhì)積累最大值均為莖。高粱莖節(jié)的伸長從拔節(jié)開始，拔節(jié)后莖桿伸長加快，挑旗抽穗時(shí)則生長最快。在半花期，各處理中高粱葉片的干物質(zhì)積累最大值為處理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)，最小值為處理6(未施氮肥，887m3·hm-2)，處理1葉片的干物質(zhì)積累量比處理6大47.6%，有顯著性差異。各處理中高粱鞘的干物質(zhì)積累最大值為處理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)，最小值為處理3(未施氮肥，444m3·hm-2)，兩者差異性顯著。對于莖，在灌水量都為444m3·hm-2時(shí)，處理1、處理2、處理3(施氮量不同)之間莖的干物質(zhì)積累量差異性均較顯著。其中，高粱莖的干物質(zhì)積累量最大值為處理1(150kg·hm-2)，最小值為處理3(未施氮肥)。對于地上部分干物質(zhì)的積累總量，最大值為處理1，最小值為處理3。當(dāng)施肥量都為150kg·hm-2時(shí)，處理1(444m3·hm-2)地上部分干物質(zhì)積累總量比處理4(887m3·hm-2)大16.9%，當(dāng)灌水量都為444m3·hm-2時(shí)，地上部分干物質(zhì)積累總量隨著施氮量的增加而增大(處理1>處理2>處理3)。

表3 半花期干物質(zhì)積累情況

2.1.3 高梁灌漿期干物質(zhì)積累量

表4為各處理高粱灌漿時(shí)期干物質(zhì)積累情況，這一時(shí)期高粱的籽粒開始迅速膨大飽滿，而高粱的其他器官基本停止生長發(fā)育，所以這一時(shí)期的穗是高粱干物質(zhì)積累的主要器官，其他器官的干物質(zhì)積累無顯著性差異。相比于半花期，灌漿期高粱穗的干物質(zhì)積累量有了較大的提升。由表可知，灌漿期高粱穗的干物質(zhì)積累最大值出現(xiàn)在處理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)，最小值出現(xiàn)在處理3(未施氮肥，444m3·hm-2)。

表4 灌漿期干物質(zhì)積累情況

2.2 高梁各生育期耗水規(guī)律

2.2.1 高梁各生育期日耗水強(qiáng)度

根據(jù)高粱各個(gè)生育期所消耗的水量和時(shí)長，可以得到高粱各生育期日耗水強(qiáng)度。

由圖1可知，在高粱整個(gè)生育期，同一處理的耗水量均為先增大后減小的趨勢，高粱的日耗水強(qiáng)度與日照時(shí)間、溫度升高、降雨和高粱的葉面積等因素有關(guān)[12]。高粱的光合作用加大，所需要的水量也在增加。當(dāng)高粱處在苗期階段時(shí)，此時(shí)的高粱葉面積覆蓋率低地表直接暴露在陽光照射之下，其耗水主要來源為地表蒸發(fā)部分，日耗水強(qiáng)度較小，各處理耗水強(qiáng)度相差不大。當(dāng)高粱進(jìn)入拔節(jié)期之后，高粱的生長速率和營養(yǎng)吸收速率達(dá)到最大值。此時(shí)由于高粱葉面積的增大、降雨量增多、氣溫逐漸升高、光照強(qiáng)度增加，高粱的耗水強(qiáng)度迅速增大，日耗水強(qiáng)度達(dá)到高峰。當(dāng)高粱進(jìn)入半花期后，由于高粱葉面積基本定型，溫度較高、降雨較少，高粱的日耗水量有所下降。拔節(jié)期和半花期是高粱生長和生殖的重要時(shí)期，如果水分的供應(yīng)不充分，就會(huì)阻礙高粱的正常生長和結(jié)實(shí)，甚至導(dǎo)致產(chǎn)量下降。當(dāng)高粱進(jìn)入灌漿期后，此時(shí)氣溫較高、降雨較少，但由于灌水的原因，高粱灌漿期不同處理的日耗水強(qiáng)度維持在半花期時(shí)的日耗水強(qiáng)度或略微上升。當(dāng)高梁進(jìn)入成熟期后，高粱日耗水強(qiáng)度進(jìn)一步減小，此階段日照變短、溫度降低，植株蒸騰、蒸發(fā)和光合作用開始減少，作物生長趨于停止。此后，高粱的日耗水強(qiáng)度降持續(xù)減小，直至高粱收獲。

圖1 高粱全生育期內(nèi)日耗水強(qiáng)度趨勢

2.2.2 高梁各生育期水分利用效率

不同水氮管理下高粱水分利用效率如圖2所示。高粱的水分利用效率受產(chǎn)量和耗水量的共同影響[14]。處理4(150kg·hm-2，887m3·hm-2)的水分利用效率最大為3.87kg·m-3，處理2(80kg·hm-2，444m3·hm-2)的水分利用效率最小為3.11kg·m-3。當(dāng)施肥量都為150kg·hm-2時(shí)，處理4的水分利用效率大于處理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)；當(dāng)灌水量充足為887m3·hm-2時(shí)(處理4、處理5和處理6)，隨著氮肥施用量的增加水分利用效率也隨著增大(處理4>處理5>處理6)。當(dāng)不施氮時(shí)(處理3和處理6)，其之間的水分利用效率關(guān)系為處理3(灌水量444m3·hm-2)>處理6(灌水量887m3·hm-2)。

圖2 不同處理高粱水分利用效率

3 討論

高粱植株總干物質(zhì)積累量和各個(gè)不同器官的干物質(zhì)積累量存在不同差異，高粱各個(gè)器官的干物質(zhì)積累量在不同生長時(shí)間也存在不同的差異[8]。在高粱生長前期干物質(zhì)的積累主要是發(fā)生在根、莖和鞘，高粱進(jìn)入半花期后干物質(zhì)的積累主要是發(fā)生在穗等營養(yǎng)器官。在高粱拔節(jié)期，施加氮肥的處理各器官干物質(zhì)積累量均比未施氮的處理要大。這說明在高粱拔節(jié)期氮肥對高粱各器官及地上部分總干物質(zhì)積累的影響有顯著差異，施加氮肥有利于高粱的干物質(zhì)積累。高粱進(jìn)入半花期后，高粱的葉片干物質(zhì)分配比例降低，高粱莖的干物質(zhì)分配比例增大。高瑋[9]等研究得到隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，飼用高粱葉片干物質(zhì)分配比例逐漸降低，莖的干物質(zhì)分配比例先增加后降低，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。在灌水量相同時(shí)，處理1、處理2、處理3(灌水量都為444m3·hm-2但施氮量不同)之間莖的干物質(zhì)積累量差異性均較顯著。這說明在半花期高粱莖的生長對氮較為敏感，不同施氮量對莖的干物質(zhì)積累有顯著影響。施氮量越大，高粱的莖干物質(zhì)積累量越大，這表明施氮有利于高粱莖的干物質(zhì)積累[10]，而未施氮肥對高粱莖的干物質(zhì)積累有顯著的抑制作用。處理1(150kg·hm-2，444m3·hm-2)在半花期時(shí)，無論是高粱各器官還是地上部分干物質(zhì)積累總量均為各處理中的最大值。因此，可以初步得出適量的灌水和較高的施氮量更利于高粱的生長發(fā)育，過低的施氮量和較高的灌水量不利于高粱的生長發(fā)育[11]。在灌漿期當(dāng)控制灌水量相同時(shí)，氮肥對于高粱穗的干物質(zhì)積累量有顯著的影響。

水分利用效率(WUE)是指作物在生產(chǎn)過程中，每消耗單位水分所產(chǎn)生的同化的物質(zhì)的量，是作物干物質(zhì)積累和耗水關(guān)系的反映。以作物在生產(chǎn)過程中的耗水量作為水分投入量，以產(chǎn)量作為產(chǎn)出，此時(shí)計(jì)算出的值為水分利用效率[12]。WUE反映了作物生產(chǎn)過程中單位水分的能量轉(zhuǎn)化效率，是評價(jià)作物水分管理方案的重要指標(biāo)之一[13]。在施氮量相同是，增加灌水量并不能顯著提高水分利用效率，反而會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，甚至增加肥料氮素的流失風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，提高灌水量雖然能適當(dāng)增加作物產(chǎn)量，但更多的是造成水資源的浪費(fèi)，這一結(jié)論和尚文彬[8]等結(jié)論相同。以上可得，適宜的水氮管理模式可以在保證產(chǎn)量可觀的前提下適當(dāng)減少灌水量從而避免水資源的浪費(fèi)達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

4 結(jié)論

合理施氮是提高高粱干物質(zhì)產(chǎn)量及水分利用效率的重要措施。田間試驗(yàn)表明，高粱在拔節(jié)期干物質(zhì)積累主要在葉片，半花期干物質(zhì)積累主要在莖，灌漿期干物質(zhì)積累主要在穗。施加氮肥有利于高粱各器官及地上部分總干物質(zhì)的積累。當(dāng)施氮量為150kg·hm-2時(shí)，高粱各器官干物質(zhì)和地上部分總干物質(zhì)量均達(dá)到最大。處理4(150kg·hm-2，887m3·hm-2)的產(chǎn)量和水分利用效率均為最大。因此，綜合干物質(zhì)產(chǎn)量及水分利用效率，初步得到150kg·hm-2為黑龍江省中部高粱栽培的適宜氮肥用量。