灌溉方式和施肥量對(duì)小麥產(chǎn)量及水肥藥利用的影響

田德龍，侯晨麗，2，任 杰，郝 蕾，2，李澤坤

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020；2.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）

0 引言

小麥作為世界三大糧食作物之一，全世界超過(guò)1∕3 的人口以小麥為主食[1]，在糧食生產(chǎn)中占據(jù)重要的地位。從我國(guó)種植面積和年產(chǎn)量來(lái)看，小麥種植面積占全國(guó)糧食作物種植面積的1∕5以上，其產(chǎn)量占全國(guó)糧食總量的22%左右。目前，小麥生產(chǎn)中主要的灌溉方式仍是傳統(tǒng)的大水漫灌和畦灌，灌水定額大，水分利用效率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重[2]。同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在農(nóng)作物過(guò)量施氮情況，不僅對(duì)作物增產(chǎn)效果不顯著，還導(dǎo)致盈余的氮素在土壤積累甚至滲漏到地下水，增加農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)[3]。精確的灌溉和施肥可以促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)，有利于小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。比較各類(lèi)灌溉方式，滴灌具有節(jié)水、提高肥料利用效率和增效等優(yōu)勢(shì)，對(duì)水資源缺乏地區(qū)的農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有不可忽視的重要作用[2]。近年，滴灌水肥一體化技術(shù)被廣泛應(yīng)用，根據(jù)作物的生長(zhǎng)需求隨時(shí)調(diào)整肥料用量，以液體肥的形式將肥料滴在作物根系區(qū)域，減少土壤對(duì)養(yǎng)分的固定，提高肥料利用率增產(chǎn)效果顯著[2,5]。研究表明與傳統(tǒng)化肥基施相比，馬鈴薯水肥一體化的施肥模式下產(chǎn)量最高且能增加0～20 cm 耕層土壤有機(jī)質(zhì)及有效態(tài)氮、磷、鉀含量[7]。但水氮供應(yīng)量過(guò)量或者不足，互作優(yōu)勢(shì)減弱。因此，優(yōu)化水肥綜合利用是提高作物產(chǎn)量和水肥利用效率的必要措施。

此外，雜草也是威脅小麥安全生產(chǎn)的重要因素，當(dāng)雜草的發(fā)生和危害面積占種植面積達(dá)到50%以上后，會(huì)嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[8,9]。化學(xué)除草是小麥田雜草防除的主要措施，小麥播后早期土壤封閉處理不僅是控制雜草發(fā)生危害的有效措施，也是推進(jìn)農(nóng)藥減量控害的重要手段[8]。陳翠竹等[10]通過(guò)對(duì)比得出相比于漫灌條件，滴灌條件施藥能夠使兩個(gè)百合品種的生育期提前，同時(shí)能夠降低發(fā)病率、延遲發(fā)病時(shí)間、降低最大病蟲(chóng)害。然而，在農(nóng)藥施加過(guò)程中，只有約5%發(fā)揮作用，超過(guò)80%的農(nóng)藥最終會(huì)進(jìn)入土壤，殘留在土壤表層的農(nóng)藥在徑流、淋溶及揮發(fā)等途徑進(jìn)入到地表水、地下水和大氣環(huán)境，對(duì)環(huán)境造成污染[11]。李澤霞等[12]報(bào)道稱(chēng)不同灌溉方式導(dǎo)致進(jìn)入土壤中的水分運(yùn)動(dòng)方式的不同，使得土壤保水保肥、養(yǎng)分傳輸以及透氣持水和溶解礦質(zhì)元素的性能發(fā)生改變，而土壤特征及養(yǎng)分的變化對(duì)土壤中殘留農(nóng)藥的吸附作用、遷移轉(zhuǎn)化具有影響[11]。目前，不同灌溉方式、施肥量對(duì)作物產(chǎn)量及水肥利用效率研究較多[5,6,10]，有關(guān)不用灌溉方式和施肥量對(duì)土壤殘留農(nóng)藥遷移研究較少。因此，本研究探究滴灌和畦灌灌溉方式下小麥氮素、農(nóng)藥分布以及對(duì)產(chǎn)量及水肥利用效率的影響，旨在為小麥合理灌溉和土壤環(huán)境污染防治提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020 年3-7 月在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)永濟(jì)灌區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村（40°41'N，107°18'E）進(jìn)行，該地陽(yáng)光充足，熱量豐富，年均氣溫7 ℃，年均日照時(shí)數(shù)3 222 h，無(wú)霜期120 d，降雨少，蒸發(fā)強(qiáng)度大，多年平均降雨量?jī)H為188 mm，多年平均蒸發(fā)量高達(dá)1 900 mm，屬于典型干旱缺水型地區(qū)。試驗(yàn)區(qū)土壤以粉砂壤土為主，土壤容重為1.43 g∕cm3。小麥播種前耕層（0～40 cm）土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比平均為14.03 g∕kg，全氮質(zhì)量比平均為0.84 g∕kg，全磷質(zhì)量比平均為0.82 g∕kg，全鉀質(zhì)量比平均為26.04 g∕kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物小麥（品種：永良4 號(hào)），播種方式為條播，播種量為450 kg∕hm2。設(shè)置兩種灌水方式滴灌、畦灌。滴灌小麥灌溉定額為：2 700 m3∕hm2，畦灌小麥灌溉定額為：4 200 m3∕hm2，施肥量設(shè)置3 個(gè)處理，分別為高產(chǎn)施氮肥量的100%、80%、60%，試驗(yàn)處理見(jiàn)表1。畦灌和滴灌追肥分別施入尿素和液體肥（廠家：玉稼興鄉(xiāng)喜液體配肥站，品牌：鄉(xiāng)喜液體配方肥），液體肥配方及施肥量見(jiàn)表2。滴灌灌水方式：小麥整個(gè)生育期共灌水7次，灌水周期為10 d；畦灌小麥生育期共灌水4次，灌水時(shí)間與追肥時(shí)間一致。小麥播種前，施入基肥農(nóng)家腐熟有機(jī)肥用量3.75～4.50 萬(wàn)kg∕hm2，磷酸二銨300 kg∕hm2，復(fù)合肥263 kg∕hm2。灌水量均采用水表控制（精度：0.001 m3）。試驗(yàn)共6 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，各處理小區(qū)長(zhǎng)50 m、寬7 m，處理間設(shè)有50 cm 寬的隔離帶。追施液體肥在不同生育期施入，分別為分蘗初期10%、分蘗中后到開(kāi)花期65%、開(kāi)花期到灌漿成熟期25%，。傳統(tǒng)畦灌追肥分4 次在不同生育期施入，分別為分蘗期20%、拔節(jié)期30%、抽穗期30%、灌漿期20%。滴灌施肥采用既可高效利用肥料又可避免滴頭堵塞的模式，即前1∕4 時(shí)間灌清水，中間1∕2 時(shí)間打開(kāi)施肥罐施肥，后1∕4時(shí)間再灌清水沖洗。

表1 不同處理灌水、施肥量情況Tab.1 Irrigation amount and fertilizer application amount under different treatment

表2 小麥液體肥追肥配方及施肥量Tab.2 Liquid fertilizer formula and fertilizer application rate of wheat

農(nóng)藥處理：為控制小麥生育期雜草過(guò)盛生長(zhǎng)的危害，小麥苗期-分蘗期莖葉處理選用56%二甲四氯鈉450 g∕hm2+10%苯磺隆225 g∕hm2的混合除草劑，方式為人工噴施。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定內(nèi)容及方法

土壤含水率和氮素：采用烘干法測(cè)定土壤含水率。生育期內(nèi)每10 d 左右取樣1 次，灌水降雨前后加測(cè)，每個(gè)處理均3次重復(fù)，用土鉆在田間分層采集0～100 cm 土層土樣，分為0～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm，共5 層。另外，取出的一部分土樣陰干、碾碎、過(guò)1 mm 篩進(jìn)行土壤硝態(tài)氮測(cè)定，土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定。

小麥產(chǎn)量：成熟期每個(gè)小區(qū)選取1 m2樣方，選取樣方中10 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的小麥，測(cè)定10 株小麥株高、穗質(zhì)量，取平均值。每個(gè)小區(qū)樣方留茬10 cm 收割，單打單收，風(fēng)干籽粒后稱(chēng)百粒質(zhì)量、穗數(shù)與產(chǎn)量，并折算成每公頃產(chǎn)量。

水分利用效率計(jì)算公式為：式中：WUE為水分利用效率，kg∕（hm2·m3）；Y為產(chǎn)量，kg∕hm2。

氮肥偏生產(chǎn)力計(jì)算公式為：

式中：Y為單位面積產(chǎn)量，kg∕hm2；F為單位面積氮肥投入量，kg∕hm2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同灌溉條件下施氮量對(duì)小麥生長(zhǎng)、產(chǎn)量的影響

表3為不同灌溉方式及施肥量條件下小麥產(chǎn)量及構(gòu)成要素情況，由表3可知。滴灌和畦灌條件下株高隨施肥量增加而增加，但中肥和高肥處理無(wú)顯著差異（p＜0.05）。滴灌條件下植株干物質(zhì)量平均為1.04 g∕株，較畦灌下降10.51%，但單株穗重較畦灌平均提高3.85%。畦灌條件下FZ3 處理單株穗重為2.71 g，顯著高于其他處理（p＜0.05）。滴灌條件下植株莖葉干物質(zhì)輸出率和干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率隨施肥量呈先增加后減小變化，較DZ1 和DZ3 處理，DZ2 處理干物質(zhì)輸出率平均增加19.02%、33.61%；干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率平均增加5.02%、8.85%。相較于滴灌，畦灌條件下植株莖葉干物質(zhì)輸出率和干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率顯著降低，分別平均下降8.2%和14.01%，不同施氮處理中，F(xiàn)Z1 處理氮素利用更加徹底，莖葉干物質(zhì)輸出率及轉(zhuǎn)化率最高。整體來(lái)看，小麥產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，滴灌小麥產(chǎn)量依次提高2.0%、15.28%，最大產(chǎn)量達(dá)8 699.95 kg∕hm2；畦灌產(chǎn)量依次提高1.81%、2.34%。然而，滴灌條件下小麥千粒重、產(chǎn)量顯著高于畦灌（p＜0.05），較畦灌平均分別增加13.74%、7.09%。綜上，滴灌在節(jié)水、節(jié)肥的同時(shí)提高了小麥莖葉干物質(zhì)輸出率及轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而提高了籽粒重和產(chǎn)量。

表3 不同灌溉方式及施肥量條件下小麥產(chǎn)量及構(gòu)成要素情況Tab.3 Yield and components of wheat under different treatments

2.2 不同灌溉條件下施肥量對(duì)小麥土壤氮素分布特征的影響

0～100 cm 土層中氮和高氮處理土壤NO3--N 較滴灌處理平均分別高1.65 倍和1.07 倍。抽穗期滴灌中氮及高氮處理表層0～20 cm 土壤NO3--N 顯著高于其他土層，而＞20 cm 土層差異不顯著。開(kāi)花期，不同處理＞40 cm 土層NO3--N 含量無(wú)顯著差異。灌漿期土壤中氮素含量較開(kāi)花期整體減少，其中滴灌0～100

水和肥之間的交互、協(xié)調(diào)作用會(huì)受作物不同生育期需水需肥的量以及當(dāng)?shù)氐耐寥婪柿τ绊憽Ｓ蓤D1可以看出，小麥生育期各處理NO3--N 平均含量整體隨土層增加呈下降變化。分蘗期滴灌0～20 cm 土壤NO3--N 高于畦灌，平均增加1.97 倍，隨深度增加，滴灌20～40 cm土壤NO3--N低于畦灌，平均降低67.62%，40～60 cm 滴灌和畦灌土壤NO3--N 基本相等。拔節(jié)期，滴灌不同施肥量變化差異不顯著，土壤中NO3--N 含量隨施氮量增加而增加，但土壤NO3--N 含量整體小于畦灌，平均減小48.66%。畦灌土壤NO3--N 變化規(guī)律與滴灌一致，但其cm 土層土壤NO3--N 含量平均減小18.32%，畦灌平均減小84.60%。

圖1 滴灌與畦灌條件下小麥苗期后土壤氮素分布規(guī)律Fig.1 Distribution of soil nitrogen of wheat under drip and border irrigation after seedling stage

2.3 不同灌溉方式對(duì)土壤農(nóng)藥殘留的影響

圖2 為滴灌和畦灌土壤農(nóng)藥苯磺隆和二甲四氯鈉殘留量。由圖2可知，0～100 cm土層滴灌和畦灌土壤苯磺隆總含量分別為22.452 ng∕g和43.441 ng∕g，滴灌較畦灌土壤苯磺隆總含量降低48.32%。滴灌深層40～100 cm 土壤苯磺隆含量較淺層0～40 cm 增加76.04%，且60～80 cm 土壤苯磺隆含量顯著高于其他土層（p＜0.05）。畦灌深層40～100 cm 土壤苯磺隆含量較淺層0～40 cm 增加190.43%，而土層60～80 cm 土壤苯磺隆含量顯著高于其他土層（p＜0.05），平均為24.441 ng∕g。0～100 cm 土層滴灌和畦灌土壤二甲四氯鈉總含量分別為1 532.111 ng∕g 和939.075 ng∕g，滴灌較畦灌土壤二甲四氯鈉總含量增加63.15%。滴灌深層40～100 cm 土壤二甲四氯鈉含量較淺層0～40 cm 降低6.76%，且20～40 cm 土壤二甲四氯鈉含量顯著高于其他土層（p＜0.05）。畦灌深層40～100 cm 土壤苯磺隆含量較淺層0～40 cm 增加100.15%，40～60 cm 土壤二甲四氯鈉含量顯著高于其他土層（p＜0.05）。綜上所述，說(shuō)明滴灌條件下可減緩農(nóng)藥向深層滲漏，滴灌較畦灌土壤苯磺隆殘留量可降低48.32%，但不利于土壤中二甲四氯鈉農(nóng)藥的分解及利用，因此在農(nóng)藥施用時(shí)增加苯磺隆降低二甲四氯鈉的使用量，可提高農(nóng)藥利用率。

圖2 滴灌與畦灌不同深度土層土壤農(nóng)藥殘留量Fig.2 Soil pesticide residues in different depths under drip and border irrigation

2.4 不同灌溉方式及施氮量對(duì)小麥水氮利用效率的影響

表4為不同灌溉方式、施肥量條件下小麥生育期耗水量及水肥利用效率。整體來(lái)看，隨施肥量的增加，滴灌和畦灌土壤貯水量變化量呈增加變化趨勢(shì)。畦灌中小麥土壤水分消耗量增加，其土壤貯水量變化量較滴灌平均增加10.51%，耗水量較滴灌平均增加32.26%。滴灌條件下，隨施肥量的增加，小麥耗水量依次增加8.40%、3.10%；畦灌條件下，隨施肥量的增加，小麥耗水量依次增加2.16%、2.43%。相較于畦灌，滴灌水分利用效率平均提高41.56%，氮肥偏生產(chǎn)力平均提高57.58%。滴灌條件下DZ3 處理水分利用效率最大，較DZ1 處理和DZ2 處理分別提高5.21%和11.81%，而畦灌條件下不同施肥處理差異不顯著，平均為13.43 kg∕（hm2·mm）。相比于畦灌，滴灌節(jié)水29.8%，水分利用效率提高41.56%，肥料偏生產(chǎn)力提高1.36 倍?？梢?jiàn)滴灌條件下水分利用效率提高，使得氮素更好的被作物吸收利用。

表4 不同灌溉方式下小麥水肥利用效率Tab.4 Water and fertilizer use efficiency of wheat under different irrigation conditions

3 討 論

作物栽培管理中，氮素是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和器官建成的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素，優(yōu)化氮肥管理可促進(jìn)小麥植株對(duì)氮素的吸收、積累，提高花前氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，并顯著增加產(chǎn)量和提高氮素利用效率[11,12]。滴灌與傳統(tǒng)的漫灌施肥相比，水肥一體化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)適量適時(shí)地施肥和灌溉，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，有效降低生產(chǎn)成本，其肥料和水分的利用率高達(dá)90%[2]。水肥同施、以水調(diào)肥不僅能節(jié)水節(jié)肥，提高水肥的利用率，而且能減少勞動(dòng)力投入，提高生產(chǎn)效率[2,7]。本研究表明與畦灌相比，滴灌同施液體肥情況下顯著提高小麥產(chǎn)量和水肥利用效率，且株高、產(chǎn)量、千粒重隨著施肥量的增加而增加。單寧等[4]研究發(fā)現(xiàn)青貯玉米的株高、莖粗、葉面積指數(shù)、凈光合速率、蒸騰速率、鮮生物產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量隨著追肥量增大而增大，本研究結(jié)果與前人[4]研究一致。適宜施氮提高了小麥干物重，促進(jìn)植株?duì)I養(yǎng)器官中花前干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移[12]，本研究表明畦灌條件下，F(xiàn)Z2 處理小麥籽粒千粒重高于FZ3 處理，但FZ3處理產(chǎn)量高于其他處理，可能是由于高氮處理小麥單位面積小麥穗數(shù)增加。本研究表明小麥生育期各處理NO3--N 平均含量整體是隨土層增加呈下降趨勢(shì)，滴灌氮素在表層0～20 cm 土層聚集，結(jié)果與前人研究結(jié)果相似[3]。由于滴灌可以將水分和養(yǎng)分均勻而又緩慢地滴入作物根區(qū)，導(dǎo)致滴灌0～20 cm 土層土壤NO3--N 高于畦灌。前人研究發(fā)現(xiàn)滴灌施藥增加了土壤水分，改善了根系生長(zhǎng)環(huán)境，加快農(nóng)藥在環(huán)境中的降解動(dòng)態(tài)，降低土壤中的農(nóng)藥殘留[9]。本研究表明滴灌較畦灌土壤苯磺隆總含量降低48.32%，且深層40～100 cm 滴灌土壤苯磺隆含量低于畦灌，說(shuō)明畦灌條件下土壤苯磺隆淋失風(fēng)險(xiǎn)較大。然而，滴灌條件下土壤中二甲四氯鈉農(nóng)藥的分解速率較低，較畦灌增加63.15%，可能由于二甲四氯土壤殘留期比較長(zhǎng)，土壤微生物降解速度較慢，而畦灌灌溉量較大，對(duì)土壤中二甲四氯淋失到地下水中量偏高，導(dǎo)致土壤中殘留量較少。

4 結(jié) 論

土壤中NO3--N 含量隨施氮量增加而增加，但滴灌的土壤NO3--N 含量整體小于畦灌。隨生育期的推移，土壤中NO3--N含量減少。滴灌條件下可減少農(nóng)藥向深層滲漏，滴灌較畦灌土壤苯磺隆殘留量可降低48.32%，但不利于土壤中二甲四氯鈉農(nóng)藥的分解。滴灌有利于提高小麥產(chǎn)量和水肥利用效率，較畦灌產(chǎn)量、水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力平均分別增加7.09%、41.56%、57.58%，植株莖葉干物質(zhì)輸出率和干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率較滴灌下降8.2%和14.01%。不同灌溉條件下，小麥產(chǎn)量株高、千粒重及產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加。因此，滴灌條件下最佳施肥量為1 500 kg∕hm2。