黃河水滴灌不同水肥處理對冬小麥生長及水肥利用的影響

郭曉平，謝建華，肖 娟

（1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.北京市大興區(qū)種業(yè)與植保服務站，北京 100044）

0 引言

運城市作為山西省小麥主產區(qū)，小麥種植面積占全省1/2左右[1]。尊村灌區(qū)位于運城市的中西部，占運城市水地面積的1/3，山西省水地面積的1/10，歷來是山西省重要的糧食生產基地。地下水和黃河水作為尊村灌區(qū)內主要的兩種灌溉水資源，小麥等糧食作物常以黃河水和地下水相結合的方式保障灌溉作業(yè)順利完成。但灌區(qū)內地下水遭到長期大量的開采而導致地下水位下降，引起了本地區(qū)濕地的干涸，不利于生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展，因此以黃河水替代地下水控制開采量是地下水位止降回升的重要途徑[2]。

目前關于黃河水灌溉對作物生長的研究主要集中在井渠配套灌溉[3-6]、灌溉水溫[7]、水鹽調控[8,9]、灌溉水量及水質[10-12]等領域。李春喜[3]、房志勇[4]等人對作物合理利用黃河水與井渠配套灌溉及其產量效應等進行了探討，肯定了黃河水灌溉的增產作用及對產量構成因素的影響；陳誠[5]從引黃河流來水量與來沙量的變化特點角度出發(fā)，提出適時調整井渠配套灌溉的觀點；余樂時[6]等人結合數值模型，提出了改進的井渠配套灌溉方案；吳佳鵬[7]等人運用土壤溫度特性和作物生育期溫度需求兩個方面的機理，分析了黃河水灌溉水溫對土壤溫度及其春小麥生長發(fā)育的影響；趙然杭[8]等人從水鹽運移角度出發(fā)，探究了黃河水灌溉對鹽堿地土壤水鹽含量的影響，提出了理想的節(jié)水、控鹽灌水方案；翟中民[9]等人基于土壤及灌溉水中的鹽分含量，利用數值模擬為黃河水灌溉制定了合理的土壤鹽分綜合調控策略；丁艷宏[10]等人通過探究畦灌模式下黃河水灌溉對玉米生長特性及水肥利用效率的影響，認可了黃河水灌溉對提高水分利用效率的積極作用；曹雪松[11]等人開展了黃河水滴灌玉米田間試驗，系統(tǒng)的分析了不同水分處理對玉米耗水及產量的影響；翟英劍[12]等人以引黃滴灌葡萄為研究對象，通過與地下水滴灌對比，證實了黃河水灌溉對作物生長發(fā)育的促進作用。

綜上所述，黃河水灌溉對作物的研究集中在引黃灌溉中的井渠協(xié)調、水溫水鹽調控、灌溉用水量及水質等領域，且主要對水分情況進行了系統(tǒng)研究，但是對黃河水灌溉條件下合理的施肥調控，特別是在黃河水滴灌模式下水肥一體化的施肥調控研究較少。因此，針對引黃灌區(qū)冬小麥高效水肥利用的迫切需要，充分利用黃河水資源。本試驗采用黃河水和地下水滴灌的對比處理并結合不同施肥量，以冬小麥生長指標和產量為參考依據，尋找合理的黃河水滴灌條件下高效水肥處理方案，為引黃滴灌技術的推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在中國水利水電科學研究院運城尊村引黃灌溉試驗站（34°88'E，110°34'N）測坑內進行，測坑規(guī)格為有底測坑（1.4 m×1.4 m×1.4 m），每個測坑四周用防水土工布相隔開，避免相鄰小區(qū)水分的影響。每個測坑中心位置處打入一根長150 cm 的Trime 管（地下留120 cm，地上留30 cm）用于TRIMEPICO（德國）手持式水分測量系統(tǒng)監(jiān)測水分變化。每個測坑底部裝配有滲漏水采集桶，用于監(jiān)測作物生育期內土壤水分滲漏情況。試驗地多年平均降水量540 mm，平均氣溫13 ℃，平均蒸發(fā)量在2 000 mm左右。

試驗小區(qū)0～100 cm 土層土壤pH 為8.35，全鹽為0.33 g/kg，堿解氮為13.10 mg/kg，速效磷為10.06 mg/kg，速效鉀為220.80 mg/kg，土質為粉砂壤土，干容重為1.66 g/cm3，田間持水率（體積）為36%。

滴灌水源為黃河水和地下水，黃河水經過施肥機的過濾系統(tǒng)后用于滴灌灌溉，地下水由當地200 m深井水提供。

1.2 試驗設計

試驗于2021年10月26日-2022年6月4日進行，試驗所用冬小麥品種為周麥30號，基肥所用復合肥750 kg/hm2，氮磷鉀比例為14∶16∶15，追肥采用尿素，含N 量46%。小麥施肥處理采用當地農戶常用的一次追肥模式，追肥時將尿素按試驗設計稱量后溶于肥料罐中充分攪拌，經滴灌系統(tǒng)稀釋后用于試驗，病蟲害防治同一般大田管理。

小麥采取條播，每條滴灌帶控制2行小麥，滴灌帶在兩行小麥中間，每個測坑內種植6 行小麥，行距20 cm，滴頭流量2 L/h，滴頭間距30 cm，滴灌帶為內鑲貼片式迷宮流道滴灌帶，購自北京綠源塑料有限公司。

試驗地配有小型氣象站，可連續(xù)監(jiān)測試驗過程中的日降雨量與日平均氣溫，考慮到試驗期間過小的降雨量（＜5 mm）僅濕潤土壤表層，對整個灌溉而言視為無效降雨，整個生育期無過大的降雨量，無深層滲漏損失（采集桶中未監(jiān)測到滲漏水），因此日降雨量采用有效降雨量來表示，計算方法參考運城地區(qū)小麥作物有效降雨量經驗公式，取經驗系數0.8[13]，試驗期間有效降雨量與日平均氣溫見圖1。

圖1 冬小麥生育期日均氣溫和日有效降雨量Fig.1 Average daily temperature and effective daily rainfall during winter wheat fertility

試驗共設置5組處理，黃河水滴灌條件下當地農戶常用施肥量的60%、80%、100%為處理T1、T2、T3，地下水滴灌條件下當地農戶常用的施肥量的100%為T4，黃河水滴灌且不追肥處理為CK，每組處理重復2 次，具體施肥作業(yè)如表1所示。

表1 試驗施肥處理Tab.1 Test fertilization treatments

試驗過程中的灌水量在參考當地農戶灌水量（地面灌） 及灌水次數（4 次補灌） 的基礎上，考慮到滴灌應遵循少量多次的灌水原則，因此以當地農戶常用補灌總水量的80% 作為本次試驗的補灌總水量，并且將4 次補灌增加為7 次補灌作業(yè)，具體灌水處理如表2所示。

表2 不同生育期內灌水用量及方式Tab.2 Irrigation amount and method in different growth periods

1.3 觀測項目及方法

（1）農藝性狀的測定。采用5 點法（中點及距中點30 cm處正方形的4 點）。每隔10 天，用直尺測量株高、葉長和最大葉寬，測量3 次取平均值。成熟期選擇具有代表性的5 株樣品（地上部分）放入烘箱內105 ℃殺青30 min 后，85 ℃烘干至恒重稱其干物質；選取1 m2面積內小麥穗，經過風干脫粒后測定產量指標。

（2）土壤含水率的測定。土壤體積含水率由Trime 管測量得到，每20 cm 一層，共5 層，計算0～100 cm 土壤體積含水率的平均值，每3～5天測一次。作物收獲后，依據0～100 cm土體水量平衡原理，計算整個生育期的耗水量，并結合作物產量與耗水量的比值計算水分利用效率。

（3）氮素含量的測定。作物收獲后以Trime 管為中心，在距離管15 cm 的東西南北4 個方向上每隔20 cm 深度采集一層土樣混合，共取5層土樣后用AA3流動分析儀測定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。灌溉水質氮素含量檢測過程中，為了避免滴灌管路中氮素殘留對灌溉水質中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量測定的干擾，直接取過濾后的黃河水進行水質檢測，結果如表3所示。

表3 灌溉水質中氮素含量檢測結果Tab.3 Test results of nitrogen content in irrigation water

2 結果與分析

2.1 不同處理對冬小麥株高與葉面積指數的影響

不同處理冬小麥株高和葉面積指數如圖2所示。由圖2（a）可知，冬小麥株高的生長符合“S”型增長曲線變化。4月中旬前，冬小麥處于拔節(jié)期，株高增長速度快；4月中旬后，進入抽穗灌漿期，株高增長速度減緩；5月后，株高穩(wěn)定不再增長，從低到高排序為CK＜T1＜T2＜T3＜T4，其中T2 和T3 株高分別為86.8 cm、87.3 cm，分別比CK 處理高5.3 cm、5.8 cm，比T1 處理高1.5 cm、2.0 cm，比T4 處理低2.2 cm、1.7 cm，說明株高隨施氮量的增加而增加，且增加效果逐漸減弱。當施氮量為255 kg/hm2時，地下水處理的株高高于黃河水處理，說明地下水灌溉更利于冬小麥株高的生長。

圖2 不同處理的株高和葉面積指數Fig.2 Plant height and leaf area index of different treatments

由圖2（b）可知，冬小麥的葉面積指數隨生育期的推移先升高后降低，黃河水滴灌處理（CK、T1、T2、T3）的葉面積指數在灌漿中期（4月下旬）增至最大，為5.60～7.21 cm2/cm2；成熟期降至最小，為0.72～2.03 cm2/cm2。地下水滴灌處理（T4）的葉面積指數在灌漿初期（4月上旬）增至最大，為7.23 cm2/cm2，成熟期降至最小，為1.66 cm2/cm2。從整個生育期來看，葉面積指數隨施氮量的增加而增大，從低到高排序為CK＜T1＜T2＜T4＜T3，且地下水較黃河水滴灌的葉面積指數更早減小，說明黃河水滴灌有助于減緩葉片的衰老速率，增強了冬小麥葉片在灌漿期的光合作用。

2.2 不同處理對冬小麥產量及單株干物質量的影響

不同處理冬小麥產量及其構成因素如表4所示。由表4 可知，冬小麥的穗長在不同處理間無顯著差異，在穗粒數和千粒質量上，T2、T3、T4 分別顯著高于CK 處理11.80%、13.58%、20.43%和3.23 g、4.93 g、3.70 g，T1 與CK 在穗粒數和千粒質量方面無顯著差異，說明施氮量達到204 kg/hm2時，能顯著提高小麥穗粒數和千粒質量。各處理產量從低到高排序為CK＜T1＜T4＜T2＜T3，其中T3 較T1 顯著提高18.72%，較CK 顯著提高45.79%，與T2 處理無顯著差異；T4 較CK 顯著提高33.92%，與T3、T2、T1 無顯著差異，說明產量隨施氮量的增加而增加，當施氮量超過204 kg/hm2后，產量增加效果減弱，且黃河水滴灌相比地下水滴灌更利于小麥籽粒的增產。

表4 不同處理冬小麥產量及構成因素Tab.4 Yield and components of winter wheat under different treatments

不同處理冬小麥單株干物質量與產量的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，成熟期單株干物質量和產量隨施氮量的增加而增加，且增加趨勢相同。T3 單株干物質量和產量顯著高于CK、T1 處理，其中單株干物質量較CK、T1 分別增加1.25、0.39 g，產量較CK、T1 分別增加2 644.05、1 327.48 kg/hm2，與T2 處理無顯著差異；T4 在單株干物質量上較CK 顯著增加1.1 g，產量較CK 顯著增加1 958.28 kg/hm2，與T1、T2 在單株干物質量和產量方面無顯著差異。T3 和T4 處理在產量和單株干物質量上雖未表現出顯著差異，但黃河水處理的產量與單株干物質量均優(yōu)于地下水處理，即T3＞T4，說明黃河水滴灌對提高單株干物質量和產量效果更為理想。

圖3 不同處理單株干物質量與產量變化趨勢Fig.3 Trends in dry matter mass and yield of individual plants in different treatments

黃河水滴灌下冬小麥施氮量與產量的擬合關系如圖4所示。由圖4可知，黃河水滴灌冬小麥的產量（y）與施氮量（x）呈拋物型曲線關系：y= -0.206 9x2+ 95.230 4x- 2 876.639 5；決定系數R2達到了0.898 6，能夠較好的代表該水肥條件下產量隨施氮量的增長關系。當施氮量為232.28 kg/hm2時產量最高為8 080.06 kg/hm2，說明產量隨施氮量的增加而增加，且當施氮量達到一定值后，更多氮肥的投入并不能換取高產，因此在該水肥模式下投入204～232.28 kg/hm2氮肥是合適的。

圖4 施氮量與產量擬合曲線關系Fig.4 Relationship between N application and yield fitting curve

2.3 不同處理對土壤氮素殘留及作物氮肥利用的影響

不同處理土壤0～100 cm 氮素殘留量及作物氮肥偏生產力如圖5所示，其中以小麥籽粒產量與施氮量的比值計算氮肥偏生產力。由圖5（a）可知，黃河水滴灌條件下土壤氮素的殘留量隨施氮量的增加而增加，且主要以的形式殘留在土壤中，其中T3、T2、T1 和CK 處理的殘留量分別占各自施氮量的19.02%、15.94%、15.40%和15.40%，殘留量分別占施氮量的6.63%、8.23%、8.57%和6.12%，說明殘留量占施氮量的比例較穩(wěn)定，而殘留比例則持續(xù)增加。T1 處理的氮肥偏生產力最大，為46.34 kg/kg，分別高于CK、T2、T3 處理1.06、8.20、14.96 kg/kg，說明當施氮量高于153 kg/hm2后，氮肥偏生產力隨施氮量的增加而降低，且降低幅度呈增大的趨勢。

圖5 土壤0～100 cm氮素殘留量及作物氮肥偏生產力Fig.5 Nitrogen residues in soil 0～100 cm and crop N fertilizer bias productivity

2.4 不同處理對冬小麥土壤水分變化的影響

不同處理0～100 cm 土壤水分及作物耗水量變化如圖6所示。由圖6（a）可知，T2、T3 處理的土壤水分變化差值小，且總體上低于CK 處理的土壤水分，這是因為施肥促進了作物根系生長，提高了根系對土壤水分的吸收能力，因此增加了耗水量使土壤水分低于CK 處理，其中T3 由于初始水分略高，因此試驗初期土壤水分高于CK 處理。T1 在4月下旬前土壤水分高于CK處理，這是因為T1施肥后，土壤溶液濃度升高，其水勢降低，此時作物的葉面積并未完全展開，蒸騰速率低，由蒸騰失水而產生的蒸騰拉力對土壤水分的吸收較弱，此時土壤溶液水勢的降低阻礙了根系對水分的吸收，因此土壤水分消耗減少，而CK 處理灌水后，土壤溶液濃度低，較高的水勢更利于根系對土壤水分的吸收，因此土壤水分高于T1處理。4月下旬，T1 處理因吸收氮素后葉面積生長較CK 更好，這一階段蒸騰拉力引起的作物根系吸水占據主導位置，T1 耗水量增大，土壤水分低于CK處理。T2、T3施肥后，土壤溶液濃度也增大，但由于T2、T3處理施肥量較T1多，土壤表層的氮素含量更高，作物淺層的根系因迫于高濃度土壤溶液的刺激而加快向下層土壤生長，充分利用較深層土壤的水分，而T1 的土壤溶液濃度并沒有強烈提高淺層根系細胞的活力，根尖根毛向下生長慢，吸水能力差，因此試驗前期土壤水分高于其他處理。

由圖6（b）可知，在相同施肥量下，T3 土壤水分高于T4，說明地下水處理的冬小麥耗水更多，且在生育前期差異更明顯，這是因為這一時期地下水水溫較黃河水高，T4 經灌溉作業(yè)后，土壤溫度上升，加快了土壤水分子的運動速率，促進了作物根系吸水，因此T4 土壤水分低。在4月后，隨著氣溫上升，黃河水水溫逐漸升高，灌溉作業(yè)對土壤溫度的影響減弱，土壤水分的差異逐漸縮小。

圖6 土壤0～100 cm平均含水率及作物耗水量變化Fig.6 Changes in the average water content of soil from 0 to 100 cm and crop water consumption

不同施氮量處理下作物耗水量變化如圖6（c）所示，T1、T2 和CK 在耗水量上無顯著差異，T1、T2 和T3 在耗水量上也無顯著差異，但T3 耗水量顯著高于CK 處理5.45%，說明施氮量在204 kg/hm2以下，增加施氮量并不會顯著增加冬小麥的耗水量，而當施氮量達到255 kg/hm2時，冬小麥的耗水量較不追肥處理顯著增加。在水分利用效率方面，T1、T2 和T3 處理無顯著差異，T1 與CK 也無顯著差異，但T2 和T3 分別顯著高于CK 處理0.32、0.32 kg/m3，且在施氮量204 kg/hm2以下范圍內，冬小麥的水分利用效率隨施氮量的增加呈增加趨勢，施氮量從204 kg/hm2增加至255 kg/hm2范圍內，冬小麥的水分利用效率維持在1.98 kg/m3，說明當施氮量超過204 kg/hm2后，繼續(xù)投入氮肥并不能提高作物的水分利用效率。

不同灌溉水質處理的冬小麥耗水量變化如圖6（d）所示，在相同的施氮量下，T3 和T4 耗水量和水分利用效率分別為404.99 mm、413.04 mm 和1.98 kg/m3、1.87 kg/m3，在耗水量上黃河水灌溉處理低于地下水8.05 mm，但水分利用效率上黃河水灌溉處理高于地下水0.11 kg/m3。結合圖6（c）、圖6（d）可知，T4的水分利用效率介于T1和T2處理間，但耗水量卻分別高于T1、T2 處理18.94 mm、21.24 mm，說明低施肥黃河水處理的冬小麥水分利用效率與高施肥地下水處理的水分利用效率相當，而高施肥量下水分利用效率黃河水滴灌優(yōu)于地下水。

3 討論

本文以冬小麥為供試材料，探索了黃河水滴灌對冬小麥生長及水肥利用的影響。在農藝性狀方面，施氮能促進株高和葉面積指數的增長，施氮量從127.5 kg/hm2增至255 kg/hm2的范圍內，株高和葉面積指數均隨施氮量的增加而增大，其中在葉面積指數表現上更為明顯。這是因為施氮增加了土壤中氮素含量，而氮素是冬小麥合成葉綠素的重要礦質元素[14]，因此增施氮肥提高了冬小麥葉片中葉綠素含量進而促進了葉面積的生長，而冬小麥的株高在施氮量超過153 kg/hm2后，繼續(xù)增施氮肥對株高的增長效果減弱，這一結論與周相[15]等人研究結果類似，這是因為冬小麥的株高主要受拔節(jié)期水分和氣溫的正向調控[16]，而試驗過程中各處理灌水量相同且受同一氣溫環(huán)境的影響，因此株高對氮肥的敏感性較葉面積指數低。相同施氮量下，黃河水滴灌處理的冬小麥葉面積指數大于地下水滴灌處理，這是因為沉淀過濾后的黃河水中除了部分氮素外，據張曉晶[17]等人研究發(fā)現還有較高含量的葉綠素a 成分可以被冬小麥葉片吸收利用，這一點在試驗過程中能夠得到證實，T3 葉片顏色較T4 處理略微發(fā)暗，這與葉綠素a 本身的深藍色屬性具有同種趨勢。試驗中冬小麥產量也隨施氮量的增加而增加，這是因為增施氮肥會顯著提高冬小麥穗數和穗粒數[18]，提高了產量的構成元素進而提高產量。此外，冬小麥的產量與成熟期單株地上部干物質量的變化趨勢一致，這是因為干物質積累是作物產量形成的基礎[19]，施氮會提高作物根、莖、葉等器官對氮肥的吸收存儲能力，使得儲存在這些器官中的氮素向籽粒部位輸送了更多的營養(yǎng)物質，從而使作物各部位器官干物質量增大的同時也使得小麥籽粒產量得到提升。

在水肥利用方面，氮肥偏生產力是用來表示氮素利用效率的常用定量指標，可從側面描述作物對氮肥的利用情況[20]。試驗中當施氮量超過204 kg/hm2后，冬小麥的水分利用效率并沒有提高，氮肥偏生產力卻有大幅度的下降，這是因為當施氮量超過204 kg/hm2后，土壤中貯存的氮素含量高，充足的氮肥供應會減少根冠比，也就是減少干物質對地下根系的分配，作物不需要較大的根系系統(tǒng)就可以滿足對養(yǎng)分的需求[21]，因此土壤溶液中的多余氮素不能被作物有效利用，導致氮肥偏生產力下降。當施氮量超過153 kg/hm2后，殘留比例不再顯著增加，累積量則繼續(xù)增大，這與雒文鶴[22]等人研究發(fā)現的施氮量越高，在土壤中的累積量越大的結果類似，而殘留在土壤中的會隨著夏玉米生育期高強度的降雨淋溶至更深層的土壤，難以被作物利用而造成肥料的浪費和環(huán)境的污染，因此在施肥調控中要重視土壤氮素的殘留問題。

在灌溉水質方面，本試驗兩種水質對作物的影響在統(tǒng)計學意義上未表現出顯著性差異，但黃河水滴灌處理的冬小麥在葉面積指數、產量指標和水肥利用方面均高于地下水滴灌處理，而導致差異不顯著的原因，一方面是黃河水較地下水雖然含有更多的氮素含量，但是相比肥料中的氮素含量小的多，且在本試驗灌水頻率和灌水量下，黃河水中的這一部分養(yǎng)分并沒有完全發(fā)揮效應，這與黃冠華[23]等人研究發(fā)現冬小麥的水分利用效率與灌溉水質和施肥無關，僅與灌水量有關的結論類似，但是黃冠華等人采用的是再生水，因此不一定能夠適應黃河水灌溉的情況。另一方面是兩組不同灌溉水質處理均在當地農戶常用施肥量基礎上開展研究，在該施肥量下土壤氮素充足，黃河水中的氮素含量僅能起到微弱的促進作用因而差異不顯著。因此在接下來的研究中要充分設置黃河水和地下水多梯度組合的水肥對比方案，對黃河水滴灌效果的顯著性進一步驗證，同時要將灌溉水溫與作物的根系生長動態(tài)加以考慮。

4 結論

（1）與CK 處理相比，不同施肥量處理均促進了冬小麥株高、葉面積指數、產量指標和地上部干物質量的增加，且由產量與施肥量的擬合關系可知，當施肥量為232.28 kg/hm2時產量達到最大。與地下水滴灌相比，黃河水滴灌更利于提高冬小麥葉面積指數、產量指標和干物質量。

（2）黃河水滴灌下土壤氮素殘留量、耗水量和水分利用效率均隨施肥量的增加而增加。在相同施肥量下，黃河水滴灌處理的土壤氮素殘留量和耗水量均低于地下水滴灌處理，水分利用效率和氮肥偏生產力均高于地下水滴灌處理。

（3）T2 處理的產量、水分利用效率和氮肥偏生產力較T4處理分別提高了0.62%、5.88%和25.79%；T2 和T3 處理水分利用效率均為1.98 kg/m3，但T2 較T3 處理在產量略有下降的情況下，氮肥偏生產力較T3 處理提高了21.54%，土壤氮素的殘留量較T3 處理降低了32.73%，因此結合產量擬合關系可知本地區(qū)用黃河水滴灌冬小麥最佳的施肥用量為204～232.28 kg/hm2。