全塑軟帶噴灌水肥一體化對(duì)夏玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

石學(xué)萍,蘭印超,楊 京,張巧英,鄭成海,檀海斌

(國(guó)家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050051)

玉米是我國(guó)華北地區(qū)重要的糧食作物，產(chǎn)量約占全國(guó)玉米產(chǎn)量的20%，對(duì)保證我國(guó)糧食安全具有不可替代的作用。但是該地區(qū)灌溉方式多為傳統(tǒng)地面灌，施肥多采取種肥同播、一次性溝施的方式。粗放的生產(chǎn)方式造成灌溉用水量大、水肥利用效率低等問題。因此，高效利用有限的水資源、提高肥料利用效率是當(dāng)前夏玉米農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的重大任務(wù)。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，糧食生產(chǎn)向規(guī)?；?、集約化快速發(fā)展，噴灌、滴灌等水肥一體化灌溉方式逐漸得到廣泛應(yīng)用。水肥一體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了少量多次追肥灌水，使土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收同步，是促進(jìn)作物增產(chǎn)的重要手段，其減少了水肥損失，可以提高資源利用效率。華北平原夏玉米種植生產(chǎn)時(shí)間為處于雨熱同期的6—9月，降雨量在400～720 mm，占全年降雨量的80%以上。而華北地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)需水量在304.3～636.1 mm，缺水量在-370.1～283.7 mm，虧缺水量較小，因此華北地區(qū)夏玉米生產(chǎn)效率主要限制因素為肥料施用。

冬小麥—夏玉米輪作是華北地區(qū)主要的種植制度，采用微噴、滴灌等方式進(jìn)行水肥一體化施用，在作物輪作耕種期需要收鋪滴灌(微噴)帶，而且植物秸稈高度、密度會(huì)阻礙微噴的均勻性。全塑軟帶噴灌系統(tǒng)的工作壓力在0.2～0.3 MPa，噴射距離8 m，適用于各種地塊形式，且操作簡(jiǎn)單方便、便于拆卸，噴帶之間的間距大，不影響耕作。因此，筆者在對(duì)農(nóng)民習(xí)慣施肥進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過減施氮、磷、鉀肥，開展全塑軟帶噴灌水肥一體化下玉米養(yǎng)分高效利用田間試驗(yàn)研究，測(cè)定土壤養(yǎng)分、植株養(yǎng)分和作物產(chǎn)量及品質(zhì)變化，比較分析不同養(yǎng)分梯度下的養(yǎng)分利用效率和肥料利用率，篩選夏玉米最佳施肥方案，探索華北地區(qū)夏玉米節(jié)肥穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)地為國(guó)家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心鹿泉綜合試驗(yàn)基地(114°25′33″E，37°55′44″N)，海拔高度76 m左右，多年平均降水量536.40 mm，多年平均氣溫12.9 ℃。2020年全年降水量605.8 mm，6—9月玉米季降雨量518.5 mm。試驗(yàn)地土壤為壤土，容重1.42 g/cm，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量10.8 g/kg、全氮(N)含量0.82 g/kg、有效磷(P)含量3.81 mg/kg、速效鉀(K)含量234.53 g/kg。

共設(shè)5個(gè)處理，對(duì)照處理(CK)灌溉方式為漫灌，播種后灌水75 mm，大喇叭口期灌水52 mm；底肥采用種肥同播方式，施用復(fù)混肥(N-P-K含量：15%-15%-15%)150 kg/hm和復(fù)合肥(N-P-K含量：31%-0-9%)225 kg/hm；在大喇叭口期行間追施尿素90 kg/hm(N含量：46%)和復(fù)合肥(N-P-K含量：31%-0-9%)435 kg/hm；全生育期N、P、K施用量分別為288.45、56.25、115.65 kg/hm。T、T、T和T處理采用全塑軟帶噴灌水肥一體化技術(shù)，播種后灌水30 mm，拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄開花期和灌漿期各灌溉15 mm；底肥施用復(fù)混肥(N-P-K含量：15%-15%-15%)，拔節(jié)期施用尿素(N含量：46%)，大喇叭口期、抽雄開花期和灌漿期施用復(fù)合肥(N-P-K含量：31%-0-9%)；全生育期施肥量T為450 kg/hm(N：149.25 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：83.25 kg/hm)，T為600 kg/hm(N：199.35 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：94.05 kg/hm)，T為750 kg/hm(N：251.25 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：104.85 kg/hm)，T為900 kg/hm(N：288.45 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：115.65 kg/hm)，各生育期具體施肥量見表1。地面全塑軟帶噴灌系統(tǒng)工作壓力為0.2～0.3 MPa，噴射距離8 m；地面干管由若干管段連接而成，每根管段長(zhǎng)為8 m，布置示意見圖1。試驗(yàn)為大區(qū)試驗(yàn)，每小區(qū)面積為1 920 m。夏玉米品種為科試982，種植密度60 000株/hm，其他管理措施與當(dāng)?shù)亓?xí)慣保持一致。

表1 夏玉米不同施肥量方案Table 1 Different fertilization schemes of summer maize kg/hm2

注：30.地埋干管；31.快接出水管；310.上端的快接出水口；40.地面干管；40A.管段；40B.快接三通；50.地面干管；50A.涂塑軟帶；60.排水器 Note: 30. Buried main pipe; 31. Connect the outlet pipe quickly; 310. Quick connect water outlet at the upper end; 40. Ground main pipe; 40A. Pipe section; 40B. Quick connect tee; 50. Ground main pipe; 50A. Plastic coated soft belt; 60. Drain圖1 全塑軟帶噴灌田間布置Fig.1 The general layout of all plastic sprinkler irrigation

氣象參數(shù)。采用自動(dòng)氣象站對(duì)試驗(yàn)地氣溫、輻射、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

土壤含水率及耗水量。在播種前和收獲后，采用取土烘干法，測(cè)量各處理的土壤含水率，取樣深度2 m，取樣間隔40 cm。使用水量平衡法計(jì)算各處理玉米全生育期耗水量，計(jì)算公式為

ET=(-)+++CP-D

(1)

式中，ET為耗水量，mm；為播種前土壤儲(chǔ)水量，mm；為收獲后土壤儲(chǔ)水量，mm；為全生育期降水量，mm；為全生育期灌水量，mm；CP為地下水補(bǔ)給量，mm；為深層滲漏量，mm。由于試驗(yàn)地區(qū)地下水埋深大于15 m，同時(shí)單次灌溉或降水量較少，因此計(jì)算中忽略CP和。

植株生物量及氮﹑磷﹑鉀吸收量。于玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)連續(xù)選取5株有代表性的完整植株，分葉片、莖稈、穗軸和籽粒，105 ℃殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，稱干重計(jì)算生物量。粉碎后采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，采用釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量，采用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量。

肥料偏生產(chǎn)力。

PFP=

(2)

式中，PFP為肥料偏生產(chǎn)力，kg/kg；為作物產(chǎn)量，kg/hm；為化肥純養(yǎng)分(N/PO/KO)的投入量，kg/hm。

玉米產(chǎn)量測(cè)定。每個(gè)處理大區(qū)取3個(gè)區(qū)域(面積為5 m×10 m)進(jìn)行產(chǎn)量實(shí)測(cè)，測(cè)定區(qū)域內(nèi)株數(shù)、空稈株數(shù)、穗數(shù)、總鮮重；在每個(gè)區(qū)域取20個(gè)果穗測(cè)定鮮重、干重、穗粒數(shù)、千粒重等考種指標(biāo)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，分次施肥各處理的穗粒數(shù)和千粒重隨肥料用量的增加先增加后減少。由表2可知，CK的平均穗數(shù)為376.93粒，T～T處理分別為357.13、423.94、442.80和439.47粒，其中T處理比CK穗粒數(shù)增加65.87粒，但增加不顯著，T處理比CK多62.54粒；各處理(T～T)千粒重、產(chǎn)量方面與穗粒數(shù)的變化趨勢(shì)一致，T處理千粒重比CK重10.37 g，T處理比CK重12.37 g，T處理比CK重4.58 g，各處理千粒重增加不顯著。全塑軟帶噴灌水肥一體化條件下，T處理施肥總量比CK減少33.33%，產(chǎn)量卻高于CK 11.04%；T處理施肥量比CK減少16.67%，產(chǎn)量卻高于CK 16.63%，且產(chǎn)量增加顯著；施肥量一定條件下，T處理比CK產(chǎn)量增加1 056.90 kg/hm，增產(chǎn)12.34%；T～T處理間產(chǎn)量差異不顯著。

以玉米全塑軟帶快接噴灌和漫灌條件下不同肥料用量試驗(yàn)為基礎(chǔ)，測(cè)定自然降雨量、田間灌水量以及土壤含水量，計(jì)算出總耗水量，根據(jù)該試驗(yàn)各處理的產(chǎn)量計(jì)算夏玉米水肥生產(chǎn)率。由表3可知，T～T處理隨施肥量的增加，夏玉米水分生產(chǎn)效率先提高再降低。T處理的水分利用效率為19.26 kg/mm，T處理為23.61 kg/mm。表明夏玉米在一定條件下增加施肥量可提高水分利用效率。與CK比，T處理略低，其他處理的水分利用效率均高于CK，T處理的水分利用效率為22.53 kg/mm，比CK高13.67%。

表2 不同水肥處理夏玉米產(chǎn)量組成Table 2 Yield of summer maize of different water and fertilizer treatments

由表4可知，各處理單株莖稈、葉片干物質(zhì)與CK比較(除T處理外)，差異不顯著；T～T處理隨著施肥量增加，玉米莖稈、葉片干物質(zhì)呈增大趨勢(shì)，T處理莖稈干物質(zhì)最高，達(dá)60.31 g/株，葉片干物質(zhì)量86.13 g/株，且T、T處理干物質(zhì)與CK處理接近。全塑軟帶噴灌各處理玉米籽粒干物質(zhì)量隨著施肥量的增大呈先增加后減少的趨勢(shì)，T～T處理間差異不顯著，T、T處理籽粒干物質(zhì)量顯著高于CK，T處理最高，達(dá)193.50 g/株，高于CK 19.86%。T～T處理的穗軸干物質(zhì)量呈現(xiàn)先升高再降低趨勢(shì)；T～T處理顯著增加，T處理玉米穗軸干物質(zhì)量最高，達(dá)21.35 g/株，T處理穗軸干物質(zhì)量減少，且與T處理差異顯著，T處理與CK比干物質(zhì)含量減少，且二者間差異顯著；CK與T玉米穗軸干物質(zhì)重量接近。夏玉米全株干物質(zhì)量以T處理最高，T、T處理間差異不顯著。在相同施肥量，增加施肥次數(shù)能顯著增加全株干物質(zhì)量，在施肥量氮肥減施30.89%、鉀肥減施18.68%內(nèi)增加施肥次數(shù)(T處理)全株干物質(zhì)含量比CK高9.32%。這表明分次施肥，氮、鉀肥施肥后移可增加后期干物質(zhì)積累量。

表 3 不同水肥處理夏玉米耗水和水分利用效率Table 3 Water consumption and water use efficiency of summer maize of different water and fertilizer treatments

從圖2可見，夏玉米不同部位的養(yǎng)分含量不同，葉片中表現(xiàn)為N>K>P，莖稈和穗軸為K>N>P，籽粒為N>K≈P。莖稈中N含量隨著氮肥增加呈增大趨勢(shì)，且T、T處理顯著高于T、T，T處理最高，達(dá)1.31%，T～T處理N吸收量均高于CK；莖稈的P含量變化趨勢(shì)不規(guī)律，T處理高于CK。各處理莖稈K含量均高于CK，T處理K吸收最高，達(dá)2.86%。T～T處理夏玉米葉片N、P含量呈增加趨勢(shì)，且T～T處理均高于CK，各處理葉片K含量增加不顯著(T處理除外)，T處理葉片K含量最高。各處理穗軸N、P、K含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，以T處理含量最高，穗軸N、P、K含量分別達(dá)到0.35%、0.03%、0.90%，籽粒含量分別為1.52%，0.27%，0.33%，均顯著高于CK。由此可知，在相同施肥量的情況下，增加施肥次數(shù)能顯著提高作物養(yǎng)分吸收含量。

表4 不同水肥處理夏玉米各部位的干物質(zhì)量Table 4 Dry matter of different parts of summer maize of different water and fertilizer treatments g/株

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note: Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)圖2 不同水肥處理對(duì)夏玉米各部位養(yǎng)分吸收的影響Fig.2 Effects of different water and fertilizer treatments on nutrient absorption of summer maize

由表5可知，隨著各處理追肥量的增加，微噴夏玉米N、K的偏生產(chǎn)力逐漸下降，如T處理的N、K偏生產(chǎn)率為54.56、144.77 kg/kg，而T處理分別為33.32、83.18 kg/kg，表明隨著用肥量的增加，玉米對(duì)N、K的利用率相對(duì)降低。 P肥在施肥初期發(fā)生大量的吸附固定，作為底肥施入，5個(gè)處理P肥量一致，隨著N、K肥的增加，P(PO)偏生產(chǎn)力呈先增大后減小趨勢(shì)。T處理與CK比較，N偏生產(chǎn)力比CK高60.71%，P(PO)偏生產(chǎn)力比CK高11.04%，K(KO)偏生產(chǎn)力比CK高36.55%。T處理與CK比較，N偏生產(chǎn)力比CK高33.93%，P(PO)偏生產(chǎn)力比CK高16.63%，K(KO)偏生產(chǎn)力比CK高28.65%。

表5 不同水肥處理N、P、K肥的總施入量及偏生產(chǎn)力Table 5 Total input and partial productivity of N,P and K fertilizers of different water and fertilizer treatments

從試驗(yàn)測(cè)定的3項(xiàng)玉米品質(zhì)指標(biāo)可以看出(表6)，以T處理施肥量品質(zhì)最好，粗蛋白質(zhì)高于T處理5.04%，高于CK 3.05%；粗脂肪高于T處理12.69%，高于CK 0.54%；粗淀粉以T處理最好，高于T處理4.31%，高于CK 0.38%；T～T處理隨著肥料的增加玉米品質(zhì)明顯提高，但T、T處理、CK隨著肥料增施不呈線性關(guān)系，甚至呈降低趨勢(shì)。

表6 不同水肥處理夏玉米籽粒品質(zhì)Table 6 Grain quality of summer maize of different water and fertilizer treatments g/kg

3 討論

華北地區(qū)夏玉米種植常因生長(zhǎng)期高溫多雨，采用“一炮轟”的施肥方式，極易造成氮素的淋洗和損失，這種方式也易使氮肥以氣態(tài)形式損失，降低氮肥利用率，使夏玉米生長(zhǎng)后期發(fā)生脫肥早衰的現(xiàn)象。該試驗(yàn)結(jié)果表明，通過全塑軟帶噴灌模式水肥一體化，分別在拔節(jié)、大喇叭口、抽雄開花期、灌漿分4次追肥，氮肥施肥量251.25 kg/hm，干物質(zhì)和產(chǎn)量最大。與漫灌施肥在大喇叭口施一次肥比較(T處理)，節(jié)約氮肥30.89%，干物質(zhì)總量變化不顯著，產(chǎn)量增加11.04%。魏廷邦等研究表明，玉米全生育期植株氮素積累速度呈雙峰曲線，第1峰出現(xiàn)在拔節(jié)期至大喇叭口期，第2峰出現(xiàn)在灌漿期至成熟期，玉米氮肥從拔節(jié)期后移延長(zhǎng)至灌漿期有利于提高植株體內(nèi)活性氧清除酶的代謝合成量，延緩植株衰老，增大全生育期玉米干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率及提前最大增長(zhǎng)效率出現(xiàn)的天數(shù)。因此，根據(jù)玉米不同生育階段的氮素吸收特征進(jìn)行氮肥減量后移可節(jié)省氮肥，但并不影響植株氮積累量和積累速率。

研究表明，夏玉米生產(chǎn)施肥中重前期、輕后期的做法影響增產(chǎn)潛力。水肥一體化技術(shù)可以通過調(diào)整施肥時(shí)期及分次施用量，從而優(yōu)化施肥制度，實(shí)現(xiàn)肥料后移。該技術(shù)可以在肥料總量不變的情況下，通過減少對(duì)作物生長(zhǎng)前期的投入，將節(jié)省的肥料施于作物生長(zhǎng)后期，進(jìn)而提高植株對(duì)供給養(yǎng)分的吸收利用，降低土壤殘留，從而提高肥料利用率。李金鑫等研究結(jié)果表明，適中的水肥一體化技術(shù)可以提高產(chǎn)量2.80%，提高肥料利用率28.55%，薛垠鑫等利用滴灌對(duì)寧夏玉米施肥可以使氮肥利用率達(dá)到51.21%，磷肥利用率達(dá)到28.88%，鉀肥利用率高達(dá)65.75%。該試驗(yàn)結(jié)果表明，通過精確控制不同生育期的施肥量，直接將肥料輸送到作物根部，保證了養(yǎng)分快速被根系吸收，全塑軟帶噴灌水肥一體N肥減施30.89%、K肥減施18.68%，N、K肥偏生產(chǎn)力比CK分別高出60.71%、36.55%，提高了肥料偏生產(chǎn)力。合理的肥料配合施用和水肥一體化技術(shù)可以促進(jìn)作物吸收，有效提高肥料利用。該研究在施N量251.25 kg/hm、施K量104.85 kg/hm，夏玉米植株養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量、品質(zhì)達(dá)到最佳。李格等研究表明，在華北地區(qū)中低產(chǎn)土壤滴灌施肥條件下，最適宜的N、K施用量分別為180和90 kg/hm，當(dāng)施N量超過180 kg/hm、施P量超過90 kg/hm時(shí)，夏玉米產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)下降。這與該研究的結(jié)論不完全一致，一是受到地力、地區(qū)、降水量、作物不同生育階段需水需肥規(guī)律等因素的影響；二是未充分考慮P肥變化對(duì)夏玉養(yǎng)分吸收的影響。

該試驗(yàn)采用的全塑軟帶噴灌模式噴頭立桿高度1.2～1.5 m，小麥生育期及夏玉米苗期到大喇叭口期不受作物遮擋影響，能夠滿足灌水施肥需要。夏玉米生長(zhǎng)后期受秸稈遮擋，對(duì)噴灌效果有一定影響，但由于該階段處在雨熱同期，虧缺水量較小，以灌溉施肥為主要農(nóng)業(yè)措施的節(jié)水效應(yīng)很難體現(xiàn)，利用全塑軟帶噴灌模式可滿足玉米補(bǔ)充灌溉和施肥需要，提高肥料養(yǎng)分利用率、減少施肥勞動(dòng)投入，該模式可以作為冬小麥—夏玉米一年兩熟節(jié)水灌溉推薦技術(shù)。

4 結(jié)論

在河北山前平原冬小麥—夏玉米一年兩作的地區(qū)，在全塑軟帶噴灌水肥一體化條件下，增加施肥頻次和N、K施肥時(shí)間后移可提高增加夏玉米干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量。肥料減量分次追施可提升水分利用效率，促進(jìn)玉米養(yǎng)分吸收和提升肥料利用率。P肥底施56.25 kg/hm時(shí)，N、K施用量分別為251.25 kg/hm和104.85 kg/hm，夏玉米植株養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量、品質(zhì)達(dá)到最佳，當(dāng)施肥量繼續(xù)增大時(shí)，夏玉米產(chǎn)量反而出現(xiàn)下降。該研究利用新型工程模式，將農(nóng)民傳統(tǒng)的施肥量、灌水量進(jìn)行適度減量，為河北中南部平原夏玉米節(jié)水節(jié)肥穩(wěn)產(chǎn)高效栽培技術(shù)提供了技術(shù)和理論依據(jù)。