黃金梨產(chǎn)量及水肥生產(chǎn)率對水氮耦合的響應(yīng)

劉亞南，白美健*，張寶忠，吳現(xiàn)兵, ，史 源

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點試驗室 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001）

0 引 言

【研究意義】我國是世界第一果品生產(chǎn)大國[1]，梨樹是我國主要種植果樹之一，年產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的62%。水肥是決定梨樹產(chǎn)量與果實品質(zhì)的2 個重要環(huán)境因子[2]，為緩解水分和養(yǎng)分對梨果生長發(fā)育的制約，果農(nóng)向田間投入大量水分與養(yǎng)分以確保穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，由此會造成水肥利用效率低[3]、資源極大浪費[4]，甚至造成嚴(yán)重的大氣和地下水環(huán)境污染[5-8]。適宜的灌水量與施肥量能提高單位面積上作物產(chǎn)量，而當(dāng)投入量高于臨界投入量時，增產(chǎn)效果不明顯甚至有減產(chǎn)的趨勢。作為水資源短缺的農(nóng)業(yè)灌溉大國和化肥消耗大國，提高灌溉水利用效率，減少化學(xué)肥料的投入，對經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源合理利用和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。水肥耦合的合理設(shè)定是提高作物產(chǎn)量和水肥利用效率的重要手段，對果樹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

【研究進(jìn)展】隨著滴灌技術(shù)的發(fā)展，諸多學(xué)者對滴灌水肥技術(shù)展開了大量研究，滴灌水肥耦合技術(shù)相對常規(guī)水肥處理方式能夠顯著提高作物產(chǎn)量[9-11]，產(chǎn)量與灌水量和施肥量呈正相關(guān)，且增加灌水量降低施肥量，肥料偏生產(chǎn)力提高[12-13]，增加施肥量降低灌水量，水分利用效率提高[14]；研究[15-17]表明，相對于其他灌溉方式，滴灌可以提高作物產(chǎn)量，降低水分消耗，極大地提高水分利用率；Chilundo 等[18]、吳現(xiàn)兵等[19]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌能顯著提高玉米產(chǎn)量，促進(jìn)根系延伸與生物量的增加；劉敏等[20]對甜梨展開水肥耦合試驗，結(jié)果顯示當(dāng)水溶肥施用量為450 kg/hm2時產(chǎn)量達(dá)到最大且高于同水平人工施肥方案；Wu 等[21]在研究中發(fā)現(xiàn)增加施氮次數(shù)能提高梨樹對氮肥的利用率；研究[22-24]表明，水肥耦合方式能顯著提高產(chǎn)量，極大提高作物對氮肥的吸收，提高氮肥利用率，但是不同地區(qū)不同作物，滴灌下作物產(chǎn)量、水肥生產(chǎn)率等指標(biāo)對水肥施用量的響應(yīng)規(guī)律是不同的?！厩腥朦c】目前針對京津冀地區(qū)黃金梨樹水肥耦合管理對產(chǎn)量和水肥生產(chǎn)率等多指標(biāo)的綜合影響方面的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過田間水氮耦合滴灌試驗，重點分析水氮耦合方案對黃金梨樹產(chǎn)量、灌溉水分生產(chǎn)率、肥料偏生產(chǎn)力的影響，探明各指標(biāo)對水氮施用量的響應(yīng)規(guī)律，為京津冀地區(qū)黃金梨樹水氮管理提供一定技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗在北京市圣澤林生態(tài)莊園內(nèi)進(jìn)行，該莊園位于大興區(qū)安定鎮(zhèn)西白塔村，116°25′52″E，39°37′20″N，屬于暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候，多年平均溫度11.2 ℃，多年平均降水量556.4 mm。試驗開始前，在試驗區(qū)隨機(jī)選點取土（深度為1.6 m，每層厚度為0.2 m）風(fēng)干碾碎過篩，經(jīng)馬爾文激光粒度儀測得，試驗田塊土壤為均質(zhì)粉砂壤土（國際制，見表1），土壤計劃濕潤層內(nèi)田間持水率（θf體積含水率）為35%，初始硝態(tài)氮量15.98 mg/kg，銨態(tài)氮量為1.59 mg/kg，pH 值為8.62。園區(qū)設(shè)有可觀測溫度（℃）、降雨（mm）、風(fēng)速數(shù)據(jù)（m/s）等數(shù)據(jù)的小型氣象站（圖1 為2018 年試驗區(qū)氣象數(shù)據(jù)）。灌溉水源為地下水，試驗采用比例式施肥泵，經(jīng)滴灌系統(tǒng)進(jìn)行施肥，滴灌帶內(nèi)徑20 mm，田間灌水器為壓力補(bǔ)償式滴頭，滴頭間距0.5 m，滴頭流量為4 L/h。試驗區(qū)首部樞紐設(shè)有旋翼濕式水表記錄灌水量。

表1 土壤物理性質(zhì) Table 1 Soil physical properties

圖1 2018 年試驗區(qū)氣象數(shù)據(jù) Fig.1 Meteorological data map of the test area in 2018

1.1 試驗設(shè)計

供試作物為10 a 齡矮砧黃金梨樹，樹冠冠幅大小基本一致，株間距3 m，行間距4 m，試驗于2018 年3 月21 日—9 月15 日進(jìn)行，在試驗開始前對所有處理小區(qū)進(jìn)行了均勻的大定額灌水，保證供試土壤具有較為均一的初始水分與養(yǎng)分狀況。以其他學(xué)者研究成果及當(dāng)?shù)赝扑]的灌溉定額與施氮量為試驗設(shè)計基礎(chǔ)[25-28]，兼顧產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用率等指標(biāo)，設(shè)定灌水和施肥2 因素：灌水上限為田間持水率（θf），設(shè)定3 個灌水下限，分別為：Hw（75%θf）、Mw（65%θf）、Lw（55%θf）；3 個施肥水平，分別為：Hf（486 kg/hm2）、Mf（324 kg/hm2）、Lf（162 kg/hm2）。共9 個水氮耦合方案，分別為低水高肥（LwHf）、低水中肥（LwMf）、低水低肥（LwLf）、中水高肥（MwHf）、中水中肥（MwMf）、中水低肥（MwLf）、高水高肥（HwHf）、高水中肥（HwMf）、高水低肥（HwLf），再設(shè)定1 個常規(guī)方案（CK），常規(guī)方案不施肥、灌水制度由園區(qū)依經(jīng)驗來管理，每個方案設(shè)定3 重復(fù)，共30 個試驗小區(qū)，試驗水氮管理過程見圖2。每個試驗小區(qū)包括5 株黃金梨樹，同一方案的3 個重復(fù)位于同一側(cè)，一側(cè)長45 m。

試驗過程中，使用Trime 測定梨樹計劃濕潤層內(nèi)土壤含水率，當(dāng)試驗小區(qū)內(nèi)計劃濕潤層含水率均值下降到灌水下限時進(jìn)行灌溉。氮肥隨灌溉水同時施入。氮肥選用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫哪蛩兀ǖ?6%）。高、中、低3個灌水水平下，總灌水量（次數(shù)）分別為1 140.0 m3/hm2（7 次）、860.0 m3/hm2（6 次）、790.0 m3/hm2（5 次）。另外果園剪枝、病蟲害防治和疏花、疏果等田間管理措施均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣保持一致。

圖2 黃金梨生育期內(nèi)灌水施肥時間與用量 Fig.2 Irrigation and fertilization schedule and dosage during the growth period of Golden pear

1.2 測定項目及方法

1.2.1 土壤含水率測定

使用Trime 測定計劃濕潤層內(nèi)土壤含水率，每個小區(qū)設(shè)1 根Trime 管，試驗小區(qū)內(nèi)取均值，當(dāng)均值達(dá)灌水下限時開始灌水，灌水定額計算式為：

式中：m 為灌溉定額（mm）；γ為計劃濕潤層土壤干體積質(zhì)量（g/cm3）；p 為土壤濕潤比，取0.8；h 為計劃濕潤層深度（cm），根據(jù)果樹根系分布范圍和監(jiān)測一段時間后土壤水分分布情況，取100 cm；θf為田間持水率；θt為t 時刻土壤含水率（體積含水率），灌水下限分別按照處理取田間持水率的百分比，灌水上限為田間持水率的100%；η 為灌溉水利用系數(shù)，取0.9。

1.2.2 黃金梨樹產(chǎn)量測定

梨果產(chǎn)量是衡量水氮耦合方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)，于收獲期每個處理隨機(jī)選擇3 株梨樹作為代表株，采摘稱質(zhì)量后取均值后換算為每公頃產(chǎn)值。

1.2.3 灌溉水分生產(chǎn)率和肥料偏生產(chǎn)力計算

灌溉水分生產(chǎn)率（iWUE，kg/m3）計算式為：

式中：Y 為黃金梨樹產(chǎn)量（kg/hm2）；W 為灌水量，（m3/hm2）。

肥料偏生產(chǎn)力（PFP，kg/kg），計算式為：

式中：F 為投入的氮肥總量（kg/hm2）。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

生育期內(nèi)所有試驗數(shù)據(jù)的記錄、整理及計算均在Excel 2019 中進(jìn)行，方差分析和繪圖分析分別采用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件和Origin 2018 繪圖軟件，回歸模型擬合與計算最優(yōu)解采用MATLAB 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對黃金梨樹產(chǎn)量的影響

黃金梨樹產(chǎn)量見表2。與常規(guī)園區(qū)相比，除LwLf水氮耦合方案低于常規(guī)管理外，其余方案均能提高梨果產(chǎn)量，且在HwHf水氮耦合處理下梨樹產(chǎn)量最高，為31 522.5 kg/hm2。各處理梨果產(chǎn)量排序為HwHf處理＞MwHf處理＞HwMf處理＞MwMf處理＞HwLf處理＞LwHf處理＞MwLf處理＞LwMf處理＞CK＞LwLf處理，按產(chǎn)量由高到低的順序，各處理相對CK 分別提高了31.92%、30.55%、24.46%、20.08%、11.89%、9.36%、9.28%、7.04%、-4.80%；且MwMf、MwHf、HwMf、HwLf和HwHf處理與CK 差異極顯著（P＜0.01）；梨樹產(chǎn)量受水、氮投入量影響極顯著（P＜0.01），但二者交互作用對該值影響不顯著（P＞0.05），Hw和Mw灌水方案間產(chǎn)量差異不顯著（P＞0.05）。

整體上，產(chǎn)量隨著施氮量增加而增加，相同施氮量下，產(chǎn)量隨著灌水量的變化則呈“U”型變化，本試驗條件下梨樹產(chǎn)量關(guān)于灌水量為1 016.2 m3/hm2（本研究理論值）呈對稱分布，灌水量小于該值時呈遞增趨勢，反之呈遞減趨勢，在低水低氮區(qū)域梨產(chǎn)量最低，在灌水量為1 016.2 m3/hm2且施氮量大于324 kg/hm2時產(chǎn)量較高。

2.2 水氮耦合對黃金梨樹灌溉水分生產(chǎn)率的影響

灌溉水分生產(chǎn)率見表2。由表2 可知，整體上，水氮耦合下灌溉水分生產(chǎn)效率較CK 顯著提高（P＜0.05），各處理相應(yīng)值iWUE 為MwHf處理＞MwMf處理＞LwHf處理＞LwMf處理＞MwLf處理＞LwLf處理＞HwHf處理＞HwMf處理＞HwLf處理＞CK，按iWUE從高到低順序，各水氮耦合處理較CK 分別提高了361.53%、324.50%、320.79%、311.88%、286.31%、266.31%、251.79%、231.91%、198.37%，MwHf處理iWUE 值最大，為36.28 kg/m3，較CK 下的7.86 kg/m3提高了28.42 kg/m3。iWUE 不僅在水氮耦合處理與CK 間具有顯著差異（P＜0.05），而且在部分水氮耦合方案間也具有顯著性差異（P＜0.05）；iWUE 受水、氮施用量極顯著影響（P＜0.01），但二者交互作用不顯著（P＞0.05）。

總體上，iWUE 隨施氮量呈單向遞增，隨灌水量呈“U”型變化，高灌水下限時不管施氮量如何，iWUE都處于低值區(qū)，而灌水量為中低水平時，iWUE 確與施氮量關(guān)系密切，施氮量相同時，灌水量中等水平下iWUE 高于低水平下。因此，中等灌水量水平下，增加施氮量能顯著提高梨樹灌溉水分生產(chǎn)率。

表2 黃金梨產(chǎn)量、iWUE 和PFP Table 2 Golden pear yield iWUE and PFP

2.3 水氮耦合對黃金梨樹肥料偏生產(chǎn)力的影響

PFP 值及差異性檢驗結(jié)果見表2 所示?？傮w上，PFP 值隨著施氮量增加而降低，隨著灌水量增加而增加，只是在灌水量大于中等灌水量水平后增加幅度趨于平緩。同一灌水量下不同施氮方案間PFP 值差異顯著（P＜0.05），且PFP 值受水、氮施用量影響極顯著（P＜0.01），但二者交互作用對PFP 值差異不顯著（P＜0.05），Hw和Mw處理間PFP 值差異不顯著（P＜0.05）。各水氮耦合方案下PFP 相應(yīng)值為HwLf處理＞MwLf處理＞LwLf處理＞HwMf處理＞MwMf處理＞LwMf處理＞HwHf處理＞MwHf處理＞LwHf處理，HwLf處理值最大，為165.03 kg/kg，LwHf處理值最小，為53.77 kg/kg，二者相差111.26 kg/kg。當(dāng)施氮量相同時，與3 個灌水下限耦合均表現(xiàn)為：H＞M＞L；高肥與中肥差值遠(yuǎn)低于中肥與低肥的差值。因此，施氮量對PFP 的影響遠(yuǎn)大于灌水量，在灌水量適宜的條件下，適當(dāng)減少施氮量有助于提高肥料偏生產(chǎn)力，能更好的兼顧產(chǎn)量與生態(tài)環(huán)境等多目標(biāo)的要求。

2.4 水、氮投入量與產(chǎn)量iWUE 和PFP 的回歸模型

梨樹產(chǎn)量、灌溉水分生產(chǎn)效率和肥料偏生產(chǎn)力對水、氮投入量的回歸模型如表3 所示，3 個回歸模型調(diào)整后R2均在0.960～0.994 之間。通過Matlab 等計算方法對3 個回歸模型進(jìn)行了最優(yōu)解計算：

1）水、氮投入量與產(chǎn)量回歸模型：當(dāng)W=1 016.2 m3/hm2、N=641.00 kg/hm2時，梨樹產(chǎn)量最高，為34 623.6 kg/hm2，此時iWUE 為34.07 kg/m3，PFP為54.01 kg/kg。

2）水、氮投入量與iWUE 回歸模型：當(dāng)W=907.7 m3/hm2、施氮量為614.87 kg/hm2時，iWUE 值最大為36.42 kg/m3，此時產(chǎn)量為31 424.6 kg/hm2，PFP 值為51.11 kg/kg。

3）水、氮投入量與PFP 回歸模型：因PFP 對水、氮肥投入量回歸模型的函數(shù)特性，該值隨施氮量增加表現(xiàn)為逐漸降低，當(dāng)灌水量W 在1 037.9 m3/hm2左右時，PFP 值相對較大。

表3 產(chǎn)量、iWUE 和PFP 對水、氮投入量的回歸模型 Table 3 Regression model of yield、iWUE and PFP on water and nitrogen input

盡管水、氮投入量對產(chǎn)量正效應(yīng)臨界值為：1 016.2 m3/hm2和641.00 kg/hm2，但在臨界值內(nèi)隨著氮肥施用量的提高較小，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益無法彌補(bǔ)生態(tài)效益，過量的氮肥投入將會造成大量氮化氣體揮發(fā)到大氣和硝態(tài)氮殘留在土壤中甚至淋失至地下水進(jìn)而水土及大氣污染，不利于果園的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，因此綜合考慮回歸模型解析解及經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境影響，分別推薦水、氮投入量為W=1 016.2 m3/hm2和N=324 kg/hm2，此時理論產(chǎn)量為32 344.2 kg/hm2，較理論最優(yōu)值（34 600.3 kg/hm2）僅降低6.52%，此時iWUE 和PFP 分別為31.83 kg/m3和99.83 kg/kg。

3 討 論

產(chǎn)量是梨樹對水氮耦合響應(yīng)的綜合表達(dá)，也是衡量水氮耦合方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)。滴灌水肥耦合條件下，不同水肥耦合方案因其組合差異對土壤中養(yǎng)分濃度、養(yǎng)分運移、梨樹營養(yǎng)生長與生殖生長平衡和根系吸收等因素起到不同作用[29]，合理的水氮耦合方案下水氮協(xié)同作用可顯著提高產(chǎn)量[30]。本試驗結(jié)果表明：在水、氮施用臨界值內(nèi)，梨樹產(chǎn)量隨二者施用量的增加而提高，且適宜的水氮耦合方案更有益于高產(chǎn)，但產(chǎn)量對于灌水量和施氮量的響應(yīng)程度不盡相同。相同灌水量下，產(chǎn)量對施氮量的響應(yīng)基本呈單調(diào)遞增趨勢；灌水量為中等水平時，產(chǎn)量隨施氮量均勻遞增；當(dāng)灌水量較低時，中高施氮水平下產(chǎn)量明顯優(yōu)于低氮水平，且中、高肥之間差異不大；灌水量較高時，產(chǎn)量隨施氮量的變化梯度較大，且中高施氮水平明顯優(yōu)于低氮水平，這與高灌水滲漏攜帶養(yǎng)分下移淋失有關(guān)。產(chǎn)量受水的影響與肥不同，不是單調(diào)趨勢，故存在灌水量適宜值，從本試驗方案來看，施氮量相同時，灌水量為中高水平時產(chǎn)量顯著高于低水情況，但中高水間產(chǎn)量增加幅度不大，表明梨樹在一定灌水區(qū)域，提高灌水下限對產(chǎn)量增加具有顯著促進(jìn)作用，當(dāng)灌水量超過適宜區(qū)間，增產(chǎn)效果不顯著，甚至有可能對梨樹產(chǎn)量產(chǎn)生抑制作用[31]，這可能是因為適宜施氮范圍內(nèi)，增加灌水量能夠促進(jìn)果實體積膨大[32]，進(jìn)而增加產(chǎn)量，但過多的灌溉水分投入將導(dǎo)致果實脫落、營養(yǎng)生長過旺[33]與果實生長形成競爭關(guān)系，同時灌水量過高，使得灌溉水向下運移過程中攜帶大量養(yǎng)分，導(dǎo)致養(yǎng)分淋失，進(jìn)而抑制產(chǎn)量增加。

本研究表明，灌溉水分生產(chǎn)率隨灌水量和施氮量的變化趨勢與產(chǎn)量相似，適宜灌水量下（本研究拐點值為907.7 m3/hm2），適當(dāng)增加水、氮施用量可提高灌溉水分生產(chǎn)率，中等灌水水平高于低等灌水水平，這可能是由于提高灌水下限能促進(jìn)果實膨大，而低灌水量不利于果實膨大，甚至當(dāng)灌溉水量過低時生產(chǎn)過程中存在梨樹營養(yǎng)和生殖生長競爭關(guān)系，進(jìn)而造成低水時產(chǎn)量過低；而灌水量也不是越高愈佳[34]，本試驗研究條件下，高灌水量水分生產(chǎn)率低于中等灌水水平，這可能由于灌水量過高超過灌水量臨界值，超過部分水量沒有被梨樹吸收利用形成產(chǎn)量，導(dǎo)致灌溉水分利用率低于中等灌水水平。同等灌水水平時，增施氮肥補(bǔ)充了供果實膨大的養(yǎng)分，促進(jìn)果實成長，水氮協(xié)同作用提高梨樹產(chǎn)量，進(jìn)而促進(jìn)灌溉水分生產(chǎn)率提高。

4 結(jié) 論

1）與園區(qū)常規(guī)管理相比，HwHf處理產(chǎn)量最高，為31 522.5 kg/hm2，較常規(guī)園區(qū)管理提高了31.92%。

2）MwHf處理灌溉水分生產(chǎn)率最大，為36.28 kg/m3，與其他處理差異顯著（P＜0.05），相對園區(qū)常規(guī)管理提高了28.42 kg/m3。

3）肥料偏生產(chǎn)力受施肥量的影響遠(yuǎn)大于灌水量，其值隨著施氮量的增加而降低，隨著灌水量的增加而增加，其在灌水量大于中等灌水量水平后增加幅度趨于平緩。

4）推薦京津冀地區(qū)黃金梨灌水量1 016.2 m3/hm2，施氮量324 kg/hm2。