干旱鹽漬化地區(qū)控釋肥水氮耦合效應(yīng)與制度優(yōu)化

李仙岳 辛懋鑫 史海濱 閆建文 趙春燕 郝云鳳

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院， 巴彥淖爾 015000)

0 引言

近年來(lái)為了追求糧食高產(chǎn)，化肥的使用量逐年增加，同時(shí)由于灌水、施肥等農(nóng)業(yè)管理措施不合理和尿素、磷酸二銨復(fù)合肥等傳統(tǒng)肥料的施用，導(dǎo)致氮素流失加劇，降低了氮肥利用率，并引起了灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化、灌區(qū)內(nèi)部及鄰近水體污染加劇等一系列環(huán)境問(wèn)題[1]。氮肥與水資源均是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素，然而目前傳統(tǒng)氮肥平均有效利用率僅為35%[2]，大量的氮素隨灌溉水進(jìn)入土壤和地下水，導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化并造成面源污染[3]。控釋肥通常采用聚合物包衣封裝氮，并利用膜的滲透壓將氮素排到膜外，釋放速度可人為設(shè)定，解決了傳統(tǒng)肥料施入土壤后，前期由于氮素釋放快導(dǎo)致過(guò)量，而后期又缺氮的現(xiàn)象?？蒯尫蕦?shí)際上相當(dāng)于持續(xù)緩慢地為作物供氮。因此，與傳統(tǒng)肥料相比，控釋氮肥氮素利用率顯著提高，同時(shí)明顯降低了農(nóng)業(yè)面源污染，可見(jiàn)施用控釋肥對(duì)于推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

目前在控釋肥施用農(nóng)田中，針對(duì)提高肥效、減少養(yǎng)分流失、降低氮揮發(fā)等方面進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明控釋肥在增產(chǎn)、提高肥料利用率等方面比傳統(tǒng)肥料有更優(yōu)異的效果[4-6]。向日葵農(nóng)田中，施用緩釋尿素比普通尿素可以增產(chǎn)0.7%～5.8%，氮素利用率提高1.8%～1.9%[7]。小麥農(nóng)田中，與傳統(tǒng)尿素肥料相比，施入相同氮量控釋肥使小麥產(chǎn)量、地上生物量和氮素利用率分別提高9.1%～15.1%、 11.7%～15.0%和16.5%～68.7%[8]。另外，在馬鈴薯玉米套作農(nóng)田中，控釋氮肥提高了耕層土壤速效氮含量，顯著降低了氮素淋失，使耕層以下土層的硝態(tài)氮含量平均減少28.6%，氮肥表觀利用率平均提高了16.3%[9]。此外，通過(guò)優(yōu)化水氮組合模式能進(jìn)一步提高水氮利用效率。宋娜等[10]對(duì)不同水氮條件下馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率和品質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤濕潤(rùn)比為70%、施氮量180 kg/hm2是馬鈴薯生產(chǎn)的適宜水氮組合。宋明丹等[11]建立了不同水氮條件下冬小麥干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量的RICHARDS方程，結(jié)果表明灌水能顯著延長(zhǎng)小麥干物質(zhì)量積累的時(shí)間，施氮量為210 kg/hm2的冬小麥可以獲得較高的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量。對(duì)于鹽漬化地區(qū)，魯耀澤等[12]研究了河套灌區(qū)不同水氮用量對(duì)向日葵產(chǎn)量的影響，并通過(guò)隸屬函數(shù)對(duì)產(chǎn)量、生長(zhǎng)性狀和水分利用效率等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明中水中氮為最優(yōu)處理。但這些研究主要針對(duì)傳統(tǒng)肥料，對(duì)于控釋肥條件下，不同水氮組合對(duì)作物生長(zhǎng)和水氮利用效率的研究較少。李夢(mèng)月等[13]對(duì)比了60 d和 120 d釋放期的控釋肥不同水氮組合對(duì)冬小麥的綜合影響，發(fā)現(xiàn)灌水量、施氮量、肥料類型和兩兩交互作用對(duì)小麥干物質(zhì)量和產(chǎn)量有顯著影響，當(dāng)灌水量為47.72～52.28 mm、控釋肥施用量為159.23～199.47 kg/hm2，可達(dá)到增產(chǎn)節(jié)肥節(jié)水效果。盡管大量學(xué)者研究了控釋肥施用對(duì)作物產(chǎn)量、水氮利用效率的影響[14]，但是針對(duì)鹽漬化地區(qū)，控釋肥施用條件下水氮耦合及其制度優(yōu)化研究相對(duì)較少。

本文主要針對(duì)干旱鹽漬化地區(qū)，研究控釋肥農(nóng)田的水氮組合模式對(duì)向日葵產(chǎn)量、水氮利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響；基于二元二次回歸模型構(gòu)建干旱鹽漬化地區(qū)控釋肥水氮耦合與經(jīng)濟(jì)效益之間的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行方案優(yōu)化，提出鹽漬化地區(qū)控釋肥農(nóng)田水氮優(yōu)化方案，為干旱鹽漬化地區(qū)水氮高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)試驗(yàn)田(107°16′42″E，40°47′54″N)，該地區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年降水量138.8 mm，平均氣溫6.8℃，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，年日照時(shí)間為3 229.9 h，光、熱、水同期，無(wú)霜期為130 d左右。試驗(yàn)區(qū)土壤以粉砂壤土為主，0～100 cm土層平均容重為1.41 g/cm3，有機(jī)質(zhì)平均質(zhì)量比6.19 g/kg，水解性氮平均質(zhì)量比34.43 mg/kg，速效磷平均質(zhì)量比1.84 mg/kg，速效鉀平均質(zhì)量比113.04 mg/kg。2019—2020年試驗(yàn)期間降雨量、灌水量和參考蒸散量如圖1所示。

圖1 作物生育期內(nèi)降雨量、灌水量、參考蒸散量Fig.1 Rainfall, irrigation and reference evapotranspiration during crop growth period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為向日葵，品種為SH361，機(jī)械覆膜，人工種植，種植模式為一膜兩行，向日葵株距和行距分別為0.4、0.9 m，種植密度約27 777株/hm2，分別在2019年6月2日和2020年5月22日播種，并于當(dāng)年10月8日和9月24日收獲，生育期分別為128、125 d。試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為控釋肥施氮處理，設(shè)置3個(gè)施氮量(純氮)處理： 135 kg/hm2(低氮，N1)、225 kg/hm2(中氮，N2)、315 kg/hm2(高氮，N3)；副區(qū)為灌水處理，設(shè)置2個(gè)灌水處理：控水灌溉(W1，播前120 mm，現(xiàn)蕾期60 mm)、充分灌溉(W2，播前240 mm，現(xiàn)蕾期120 mm)，其中控水灌溉為當(dāng)?shù)赝扑]的適宜灌溉，充分灌溉為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)灌溉。另外設(shè)置傳統(tǒng)肥料處理作為對(duì)照，只設(shè)置充分灌溉條件下低、中、高氮處理(CK1、CK2、CK3)，并設(shè)置一個(gè)充分灌溉不施氮處理(CK4)作為計(jì)算氮肥利用效率依據(jù)，共計(jì)10個(gè)處理。每個(gè)處理3次重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)(表1)，每個(gè)小區(qū)面積24 m×6 m，小區(qū)之間設(shè)置塑料薄膜進(jìn)行隔離，防止水鹽氮交互影響。試驗(yàn)所用控釋肥料為蘆陽(yáng)第六代控釋肥(N、P、K質(zhì)量比為14∶6∶5)，控釋肥在播前機(jī)械覆膜時(shí)施入農(nóng)田。傳統(tǒng)肥料以磷酸二銨為基肥(含N 18%，P2O546%)，在播前覆膜時(shí)施入農(nóng)田；追肥為尿素(含N 46%)，在現(xiàn)蕾期灌水前進(jìn)行人工施撒，各處理施用肥料時(shí)按照氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行換算。灌溉方式采用黃河水畦灌，使用水表計(jì)量。所有其他田間管理均保持一致。

表1 試驗(yàn)因素編碼與試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Test factors coding and test design

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

(1) 主要觀測(cè)指標(biāo)

氣象數(shù)據(jù)：利用試驗(yàn)田附近的自動(dòng)氣象站獲取，包括太陽(yáng)輻射、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速和降水量，作物參考蒸散量使用FAO Penman-Monteith公式[15]進(jìn)行計(jì)算。

干物質(zhì)積累量(kg/hm2)：在成熟期將所取向日葵植株從莖基部與地下部分分離，去掉表面塵土，稱其鮮質(zhì)量，再放入干燥箱中105℃殺青1 h，75℃恒溫干燥至質(zhì)量恒定，放入干燥器中冷卻，用電子天平稱量。每小區(qū)取3株向日葵測(cè)定求平均值。

產(chǎn)量(kg/hm2)：作物成熟期在每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的作物群體，連續(xù)取10株向日葵，脫粒后風(fēng)干進(jìn)行考種，計(jì)算籽粒結(jié)實(shí)率，稱量百粒質(zhì)量，折算為每公頃產(chǎn)量。

(2)水氮利用效率計(jì)算

收獲指數(shù)(HI，%)計(jì)算公式為

HI=Yn/YB×100%

(1)

式中Yn——施氮處理成熟期籽粒產(chǎn)量，kg/hm2

YB——干物質(zhì)積累量，kg/hm2

氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP，kg/kg)計(jì)算公式為

NPFP=Yn/Fn

(2)

式中Fn——施氮量，kg/hm2

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE，kg/kg)計(jì)算公式為

NAE=(Yn-Y0)/Fn

(3)

式中Y0——不施氮區(qū)成熟期籽粒產(chǎn)量，kg/hm2

灌溉水生產(chǎn)效率(IWUE，kg/m3) 計(jì)算公式為

IWUE=Yn/I

(4)

式中I——灌溉水總量,m3/hm2

(3)水氮耦合模型

本試驗(yàn)研究控釋肥施氮量、灌水量與向日葵經(jīng)濟(jì)效益之間的回歸關(guān)系，以向日葵經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，以施氮量與灌水量為自變量，基于二元二次回歸方程建立經(jīng)濟(jì)效益回歸模型。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，SPSS 22.0軟件進(jìn)行多因素交互作用(肥料類型、灌水量和施氮量)方差分析，并基于Duncan法比較處理間在P=0.05水平上的差異顯著性，采用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

合理的水氮制度是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，方差結(jié)果顯示水氮和肥料類型對(duì)產(chǎn)量和百粒質(zhì)量有顯著或極顯著影響，由于干旱區(qū)蒸散量大，灌水量是影響向日葵產(chǎn)量的首要因素，其次是施氮量和肥料類型。水氮交互作用和三因素交互作用對(duì)產(chǎn)量與百粒質(zhì)量影響不顯著。

百粒質(zhì)量是產(chǎn)量構(gòu)成的重要因素，2年不同處理間差異表現(xiàn)一致，不同處理百粒質(zhì)量處于12.34～16.21 g之間。充分灌溉條件下，百粒質(zhì)量隨著施氮量的增加先增大后減小，不同施氮量之間差異不顯著?？蒯尫侍幚戆倭Ｙ|(zhì)量2年平均比傳統(tǒng)肥料處理高3.51%。相同施氮量條件下，充分灌溉處理百粒質(zhì)量顯著高于控水灌溉處理，灌水和施用控釋肥均可以顯著提高向日葵百粒質(zhì)量。

作物產(chǎn)量是衡量水氮耦合優(yōu)劣的主要指標(biāo)。2年不同處理產(chǎn)量處于2 626.05～3 943.50 kg/hm2之間，施氮處理2年產(chǎn)量基本一致且有不同程度的增產(chǎn)，充分灌溉條件下，產(chǎn)量隨施氮量的增加逐漸增加，從低氮到中氮，2年產(chǎn)量平均增加了14.83%，從中氮到高氮增加了3.86%，產(chǎn)量增加幅度逐漸減小，說(shuō)明施氮量超過(guò)一定數(shù)值(225 kg/hm2)后，過(guò)多的增施氮肥不會(huì)引起產(chǎn)量明顯的增加。控釋肥處理產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)肥料處理，2年平均高13.89%。相同施氮量條件下，不同灌水量之間差異顯著，隨著灌水量的增大，產(chǎn)量顯著增加，充分灌溉比控水灌溉2年產(chǎn)量平均提高21.87%。2年產(chǎn)量最大為W2N3處理，分別為3 943.5、3 788.7 kg/hm2，比W1N3、W2N1、W2N2和W2CK3 2年平均高23.57%、20.64%、5.21%和23.18%?？梢?jiàn)，對(duì)于干旱鹽漬化地區(qū)控釋肥施用農(nóng)田，灌水、施氮和肥料類型均對(duì)產(chǎn)量形成有顯著影響。增加灌水量可以補(bǔ)償由于肥料不足導(dǎo)致的產(chǎn)量降低，顯著提高向日葵產(chǎn)量。增施氮肥同樣可以提高產(chǎn)量，但施用量超過(guò)一定數(shù)值(225 kg/hm2)后，繼續(xù)增加施氮量對(duì)于產(chǎn)量增加無(wú)明顯促進(jìn)作用(圖2，圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))。

圖2 控釋肥施用水氮耦合效應(yīng)對(duì)向日葵產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Fig.2 Effects of coupling effect of controlled release fertilizer on yield and component factors of sunflowers

2.2 水氮耦合對(duì)水氮利用效率的影響

保證作物高產(chǎn)的同時(shí)，提高水氮利用效率可以減少水分流失和肥料對(duì)農(nóng)田環(huán)境的污染。2年結(jié)果顯示灌水量、施氮量、肥料類型和三因素交互作用對(duì)水氮利用效率均有顯著或極顯著的影響(表2)。

表2 控釋肥施用水氮耦合對(duì)向日葵水氮利用效率的影響Tab.2 Effect of water nitrogen coupling on utilization efficiency of sunflower water and fertilizer

收獲指數(shù)反映向日葵地上部干物質(zhì)分配情況，由方差分析可知，收獲指數(shù)主要受灌水影響，充分灌溉處理收獲指數(shù)高于控水灌溉處理12.28%。在充分灌溉條件下，收獲指數(shù)隨著施氮量增加逐漸增加，從低氮到高氮，收獲指數(shù)2年平均提高了5.43%?？蒯尫侍幚懋a(chǎn)量高于傳統(tǒng)肥料處理(圖2)，而收獲指數(shù)較傳統(tǒng)肥料低11.88%，說(shuō)明控釋肥料可以增加作物干物質(zhì)積累量，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。氮肥農(nóng)學(xué)利用率反映增施氮肥的增產(chǎn)效果，氮肥偏生產(chǎn)力反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分水平和化肥施用量的綜合效應(yīng)。受灌水量、施氮量和肥料類型影響顯著，氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力2年規(guī)律相同，均隨著施氮量的增加逐漸減小。從低氮到高氮，氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力2年平均降低了24.32%和48.89%。說(shuō)明增施氮肥，向日葵增產(chǎn)效果逐漸減弱，氮肥單位生產(chǎn)力也逐漸降低?？蒯尫侍幚淼兽r(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力較傳統(tǒng)肥料處理2年平均提高46.42%和13.61%。相同施氮條件下，氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力與灌水量呈正相關(guān)，充分灌溉處理高于控水灌溉處理80.89%和21.53%。說(shuō)明在滿足向日葵水分需求后，氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力會(huì)顯著提高。氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力最大均為W2N1處理，相對(duì)于W1N1、W2N2、W2N3和W2CK1，氮肥農(nóng)學(xué)利用率提高了92.73%、15.07%、43.43%和62.68%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了19.05%、45.01%、93.04%和14.53%。灌溉水生產(chǎn)效率主要受灌水量影響，控水灌溉灌溉水生產(chǎn)效率高于充分灌溉41.1%。在充分灌溉條件下，控釋肥處理高于傳統(tǒng)肥料處理13.62%，從低氮到中氮，灌溉水生產(chǎn)效率2年平均提高了15.35%，從中氮到高氮，2年平均提高了3.43%。說(shuō)明控釋肥料與水分耦合效應(yīng)優(yōu)于傳統(tǒng)肥料。水氮具有相互促進(jìn)作用，增施氮肥會(huì)提高灌溉水生產(chǎn)效率，增加灌水同樣會(huì)提高氮肥利用效率與收獲指數(shù)。

充分灌溉產(chǎn)量和水氮利用效率處理顯著高于控制灌溉處理(P<0.05)，控釋肥處理產(chǎn)量和水氮利

用效率顯著高于傳統(tǒng)肥料處理(P<0.05)，控釋肥處理中氮水平產(chǎn)量和水氮利用效率顯著高于低氮處理(P<0.05)，與高氮無(wú)顯著差異(P>0.05)，綜合產(chǎn)量與水氮利用效率，W2N2為本試驗(yàn)最優(yōu)水氮處理。

2.3 水氮耦合模型與方案優(yōu)化

2.3.1水氮耦合方程建立

為了優(yōu)化河套灌區(qū)控釋肥施用水氮制度，根據(jù)表3建立控釋肥施用條件下水氮制度與經(jīng)濟(jì)效益的二元二次回歸方程(施氮量(x1)和灌水量(x2)水平編碼如表1)，2019年經(jīng)濟(jì)效益回歸方程為

表3 向日葵農(nóng)田收入與支出統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical results of income and expenditure of sunflower farmland 元/hm2

(5)

2020年經(jīng)濟(jì)效益回歸方程為

(6)

經(jīng)檢驗(yàn)，2年方差檢驗(yàn)量F為12 854.67(P<0.01)和276.15(P<0.05)，決定系數(shù)R2均為0.99。模型系數(shù)差異極顯著，該模型能確切反映經(jīng)濟(jì)效益隨水氮用量的變化過(guò)程。

2.3.2單因素及邊際效應(yīng)分析

由于灌水量只有2個(gè)水平，故只對(duì)施氮量進(jìn)行分析。對(duì)式(5)、(6)進(jìn)行降維處理，將灌水量設(shè)為零水平，可得到2019年和2020年施氮量的單因素效應(yīng)函數(shù)式

(7)

(8)

施氮量的效應(yīng)如圖3a所示。由圖3a可知， 2019年和2020年的經(jīng)濟(jì)效益隨著施氮量變化的曲線為開(kāi)口向下的拋物線，施氮量對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響為正效應(yīng)，但隨施氮量的增加，產(chǎn)量增加越來(lái)越緩慢，甚至出現(xiàn)降低，符合報(bào)酬遞減效應(yīng)，存在經(jīng)濟(jì)效益最大值點(diǎn)。2019年，當(dāng)x1=0.33時(shí)，對(duì)應(yīng)施氮量為254.70 kg/hm2，向日葵經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大值，為19 177.23元/hm2。當(dāng)x1<0.33時(shí)，向日葵經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量的增加而增加，當(dāng)x1>0.33時(shí)，向日葵經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量增加而降低。2020年，當(dāng)x1=0.29時(shí)，對(duì)應(yīng)施氮量為251.10 kg/hm2，向日葵經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大值，為19 406.55元/hm2。當(dāng)x1<0.29時(shí)，向日葵經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量的增加而增加，當(dāng)x1>0.29時(shí)，向日葵經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量增加而降低。2019年和2020年的施氮量變化曲線規(guī)律說(shuō)明，在一定范圍內(nèi)施氮量的增加有利于增加向日葵經(jīng)濟(jì)效益，而過(guò)量施氮會(huì)降低向日葵經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 單因素效應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益影響的效應(yīng)曲線Fig.3 Effect curves of single-factor effect on economic benefits

邊際產(chǎn)量可反映施氮量的最適投入量和單位水平投入量變化對(duì)向日葵經(jīng)濟(jì)效益增加或減少速率的影響，施氮量在不同水平時(shí)的邊際效應(yīng)可通過(guò)對(duì)式(7)、(8)求導(dǎo)得出，得到2019年和2020年施氮量的邊際效應(yīng)方程式為

dy/dx1=416.48-1 279.84x1

(9)

dy/dx1=749.46-2 638.48x1

(10)

根據(jù)2年邊際效應(yīng)函數(shù)繪制出對(duì)應(yīng)的邊際效應(yīng)圖(圖3b)?？梢钥闯?，隨著施氮量的增加，邊際經(jīng)濟(jì)效益呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，直到出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。2019年，當(dāng)x1<0.33時(shí)，施氮會(huì)增加向日葵經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)x1>0.33時(shí)，施氮會(huì)減少向日葵經(jīng)濟(jì)效益。2020年，當(dāng)x1<0.29時(shí)，施氮會(huì)增加向日葵經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)x1>0.29時(shí)，施氮會(huì)降低向日葵經(jīng)濟(jì)效益。

2.3.3水氮交互作用分析

向日葵經(jīng)濟(jì)效益受水氮兩因素共同作用影響，它們之間存在著相互促進(jìn)或相互抑制的關(guān)系。灌水量和施氮量的交互項(xiàng)系數(shù)為正值，說(shuō)明灌水量和施氮量間存在相互促進(jìn)作用。圖4為灌水量和施氮量對(duì)向日葵經(jīng)濟(jì)效益的互作效應(yīng)三維關(guān)系及其二維投影?？梢钥闯觯?dāng)灌水量一定時(shí)，向日葵的經(jīng)濟(jì)效益隨施氮量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)；當(dāng)施氮量一定時(shí)，向日葵的經(jīng)濟(jì)效益隨灌水量的增加呈上升趨勢(shì)。

圖4 水氮耦合對(duì)向日葵經(jīng)濟(jì)效益的影響Fig.4 Effect of water nitrogen coupling on economic benefits of sunflower

2019年，當(dāng)x1=0.82，x2=1，即施氮量為258.30 kg/hm2，灌水量為360 mm，經(jīng)濟(jì)效益模擬最大值可達(dá)到22 060.50元/hm2，2020年，當(dāng)x1=0.38，x2=1，即施氮量為298.80 kg/hm2，灌水量為360 mm，經(jīng)濟(jì)效益模擬最大值可達(dá)到21 473.10元/hm2，由此可見(jiàn)，灌水量與施氮量間有很好的耦合作用，最大經(jīng)濟(jì)效益出現(xiàn)在充分灌溉條件下中高施氮水平。

2.3.4水氮制度優(yōu)化

為得出2年控釋肥施用條件下，向日葵不同目標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益下的最優(yōu)水氮組合方案，采用頻數(shù)法對(duì)式(5)、(6)進(jìn)一步分析，在-1～1之間等距取5個(gè)水平(-1、-0.5、0、0.5、1)。通過(guò)模擬求得，在所得的50套組合方案中，向日葵經(jīng)濟(jì)效益在15 000～18 000元/hm2的方案有19套，經(jīng)濟(jì)效益在18 000～21 000元/hm2的方案有26套，經(jīng)濟(jì)效益在21 000～22 500元/hm2的方案有5套。其優(yōu)化組合方案見(jiàn)表4，尋優(yōu)過(guò)程中均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%置信區(qū)間的計(jì)算公式從略。

表4 目標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益尋優(yōu)方案Tab.4 Target economic benefit optimization plan

3 討論

水分和氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)元素[16]，二者的交互關(guān)系與作物生長(zhǎng)密切相關(guān)，適宜的水氮配比可以有效發(fā)揮肥效，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，同時(shí)可以顯著提高水氮利用效率，減少氮素及水分淋失[17]，降低因氮肥過(guò)量施用導(dǎo)致的淺層地下水污染和地表水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[18]。另一方面，農(nóng)田氮素利用效率與肥料類型也密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)外大量研究表明，控釋肥作為一種可以按照設(shè)定速率及周期釋放養(yǎng)分的化學(xué)肥料，可以減少氮素淋失、提高產(chǎn)量及水氮利用效率[19]。王文巖等[20]通過(guò)對(duì)小麥進(jìn)行3年連續(xù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)肥料相比，控釋肥處理3年年均產(chǎn)量最高，無(wú)論氮肥用量多少，控釋肥料均能提高小麥產(chǎn)量。本研究通過(guò)2年試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)在相同水氮條件下，控釋肥施用相對(duì)于傳統(tǒng)肥料可以顯著提高向日葵產(chǎn)量，產(chǎn)量相對(duì)于傳統(tǒng)肥料處理提高了13.89%，這主要因?yàn)榭蒯尫署B(yǎng)分釋放規(guī)律與向日葵各階段養(yǎng)分需求基本一致，有助于氮素的吸收和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)[21]?？蒯尫仕詈蠈?duì)向日葵產(chǎn)量的影響存在極顯著水平，在控水灌溉與充分灌溉條件下，一定范圍內(nèi)(純氮量小于等于225 kg/hm2)增施控釋氮肥可以提高產(chǎn)量，繼續(xù)增大施氮量，產(chǎn)量增加不明顯甚至?xí)霈F(xiàn)降低的情況，符合報(bào)酬遞減規(guī)律[22]。同一施氮水平，隨灌水量增加，向日葵產(chǎn)量逐漸增加，充分灌溉處理產(chǎn)量高于控水灌溉21.87%，提高灌水水平可以促進(jìn)產(chǎn)量的形成[23-25]。而有研究表明，如果繼續(xù)增大灌水量(灌水量超過(guò)367.82 mm)會(huì)造成作物產(chǎn)量降低[26]。

水氮利用效率同樣是衡量作物高產(chǎn)高效的主要指標(biāo)，適宜的水氮配比能提高作物水氮利用效率。本研究結(jié)果表明，相同施氮水平，增加灌水可以將氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率提高80.89%和21.53%，但會(huì)降低灌溉水利用效率，充分灌溉灌溉水生產(chǎn)效率相對(duì)于控水灌溉降低了41.40%，這與邢英英等[27]研究結(jié)果一致。在相同灌水水平下，隨著施氮量的增加，灌溉水生產(chǎn)效率也逐漸增加，氮肥的施用，可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高水分利用效率，達(dá)到以肥調(diào)水的目的，但同時(shí)會(huì)降低氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率，這與GOULDING等[28]和ZHUD等[29]研究結(jié)果一致，但SI等[30]通過(guò)滴灌施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增加灌水量和施氮量可以提高冬小麥水分利用效率，施氮量超過(guò)240 kg/hm2時(shí)，則會(huì)降低灌溉水生產(chǎn)效率，這可能是由于本試驗(yàn)采用畦灌方式進(jìn)行灌溉，并施用控釋肥料導(dǎo)致的。LYU等[31]通過(guò)在稻田中施用不同類型的肥料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)施用控釋肥料相對(duì)于傳統(tǒng)肥料可以提高氮肥利用效率30.65%～43.96%，這與本研究結(jié)果一致，相同水氮條件下，控釋肥處理氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和灌溉水生產(chǎn)效率高于傳統(tǒng)肥料處理46.42%、13.61%和13.62%。因此，需要進(jìn)一步了解控釋肥在不同灌溉方式和水氮耦合條件下養(yǎng)分釋放和遷移過(guò)程，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收相一致，更好地促進(jìn)作物增產(chǎn)與養(yǎng)分高效利用。

經(jīng)濟(jì)效益不僅與產(chǎn)量相關(guān)，還與水氮投入相關(guān)。本研究通過(guò)建立水氮交互模型，發(fā)現(xiàn)水氮交互作用對(duì)經(jīng)濟(jì)效益有正效益，二者交互作用可以提高向日葵經(jīng)濟(jì)效益。隨著施氮量的增加，向日葵經(jīng)濟(jì)效益先增大后減小，主要因?yàn)榈释度氤示€性增長(zhǎng)，而產(chǎn)量增長(zhǎng)量隨施氮量增加逐漸降低，說(shuō)明過(guò)量施入氮肥會(huì)使經(jīng)濟(jì)投入增加，從而造成經(jīng)濟(jì)效益降低[32]。隨著灌水量的增加，經(jīng)濟(jì)效益逐漸增加，而有研究表明經(jīng)濟(jì)效益在灌水量超過(guò)一定限度后會(huì)減小[33]。本研究中通過(guò)目標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益尋優(yōu)，發(fā)現(xiàn)在施氮量為236.88～282.6 kg/hm2、灌水量為346.5～361.8 mm可以使經(jīng)濟(jì)效益最大化，但過(guò)多的灌水會(huì)降低水分利用效率，造成水分浪費(fèi)，不符合節(jié)水灌溉理念，在施氮量為174.33～258.12 kg/hm2、灌水量為291.06～351.9 mm時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益不會(huì)顯著降低，但最多可以節(jié)水707 m3/hm2，同時(shí)，氮肥的投入也相應(yīng)減少，還可以提高肥料利用效率。

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)肥料相比，控釋肥可以有效提高作物產(chǎn)量13.89%，提高水氮利用效率13.61%～46.42%。與控水灌溉相比，充分灌溉可以提高作物產(chǎn)量21.87%，提高水氮利用效率21.53%～80.89%。

(2)產(chǎn)量隨施氮量的增加逐漸增加，從低氮到中氮，2年產(chǎn)量平均增加了14.83%，從中氮到高氮增加了3.86%。氮肥利用率隨施氮量的增加逐漸減少，從低氮到高氮，氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力2年平均降低了24.32%和48.89%。

(3)灌水量、施氮量、肥料類型、水氮交互和三因素交互作用對(duì)向日葵產(chǎn)量和水氮利用效率有顯著影響。隨灌水量和施氮量增加，產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，但當(dāng)施氮量超過(guò)225 kg/hm2后，產(chǎn)量增加緩慢。而水氮利用效率逐漸降低。

(4)以向日葵經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)建立了水氮二元二次回歸方程，得出水氮均可以顯著提高向日葵經(jīng)濟(jì)效益，灌水量作用大于施氮量，且水氮之間具有明顯的交互作用。通過(guò)回歸方程得到2年河套灌區(qū)控釋肥施用條件下不同目標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)水氮組合方案。

(5)根據(jù)河套灌區(qū)實(shí)際情況、控施肥施用水氮耦合對(duì)向日葵產(chǎn)量和水氮利用效率的影響，結(jié)合水氮優(yōu)化結(jié)果，本試驗(yàn)最優(yōu)水氮配比為W2N2(灌水量360 mm，施氮量225 kg/hm2)，該試驗(yàn)灌水量與獲得較高經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化組合中的灌水量接近，氮肥施用量在優(yōu)化組合范圍內(nèi)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和水氮利用效率，可以作為河套灌區(qū)控釋肥施用水氮管理模式，在保證水氮高效利用及具有較高經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)向日葵農(nóng)田生產(chǎn)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。