限額補(bǔ)灌及施肥水平對淺埋滴灌玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用率的影響

王欣欣 卜一 李盡朝 路耿新 李冠義 唐超 孫艷楠 李炳海

摘要：為探尋玉米淺埋滴灌適宜的灌溉及施肥指標(biāo)，提高玉米的水肥利用效率，對制定合理的灌溉制度、發(fā)展高效節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)具有重要的意義。通過設(shè)定灌水定額及施肥水平2因素組合，采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主處理為補(bǔ)灌定額W，設(shè)3個灌溉定額；副處理為施氮水平N，設(shè)4個施氮水平以及3個對照處理（大水漫灌處理、不滴灌處理、全膜滴灌處理），研究水肥耦合對玉米農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及水分利用率的影響，明確玉米淺埋滴灌水氮施用最優(yōu)模式。結(jié)果顯示，結(jié)合自然降雨條件下，玉米淺埋滴灌栽培能明顯提高玉米的出苗率及出苗指數(shù)和玉米百粒質(zhì)量。2021年不同水肥處理較傳統(tǒng)大水漫灌處理的玉米增產(chǎn)率為-9.91%～16.36%，各處理中W2N3處理的產(chǎn)量增幅最大。淺埋滴灌處理產(chǎn)量較全膜滴灌處理產(chǎn)量略低但產(chǎn)量差異不顯著（P>0.05），而全膜滴灌處理使用地膜會造成環(huán)境污染，綜合經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益，淺埋滴灌的效益更明顯。3個不同的灌水梯度表現(xiàn)出不同的變化趨勢，在W1梯度下，當(dāng)施氮量為N1水平（2020年）或N2水平（2021年）時水分利用率最高；在灌水W2梯度下，當(dāng)施氮量為N3水平時水分利用率最高；在W3梯度下，N2水平（2020年）或N3水平（2021年）的水分利用率最高，而3個灌水處理中N0水平的水分利用效率都是最低的。本研究以灌水量和施氮量為變量，結(jié)合自然降雨條件，得到最佳產(chǎn)量15 638.80 kg/hm²，補(bǔ)灌量1 500 m³/hm²，施純氮225 kg/hm²，最佳水分利用效率28.62 kg/（hm²·mm），適量增加了灌水量，但大幅提高了玉米產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：限額補(bǔ)灌；施肥；淺埋滴灌；水分利用率

中圖分類號：S513.6；S513.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）16-0062-07

收稿日期：2022-11-11

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃重大專項(xiàng)（編號：2020ZD0005）。

作者簡介：王欣欣（1983—），女，河北平泉人，碩士，副研究員，主要從事旱作農(nóng)業(yè)及作物栽培育種等方面的研究。E-mail：wxx986@163.com。

通信作者：卜 一，研究員，主要從事旱作農(nóng)業(yè)及作物栽培育種等方面的研究。E-mail：buyi133@163.com。

水分是制約作物生長的重要因素。此外，氮素是影響玉米產(chǎn)量的主要因子之一，合理施用氮肥是作物獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵措施^［1-3］?？梢哉f，水、氮是限制半干旱區(qū)作物產(chǎn)量的2個關(guān)鍵因子^［4］。因此，旱地農(nóng)業(yè)中水分和養(yǎng)分的關(guān)系問題越來越受到人們的重視^［5］。內(nèi)蒙古燕山丘陵地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)半干旱氣候，光熱資源豐富、降水較少且分布不均^［6］，干旱缺水、土壤肥力低下且利用率低是限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高的重要因素。隨著膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用后，農(nóng)業(yè)殘膜問題也日益突顯，而玉米淺埋滴灌技術(shù)是近年來興起的一種新型滴灌方式，這種灌溉技術(shù)在大田中的應(yīng)用大大改善了我國干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱缺水的問題，同時也解決了長期應(yīng)用地膜的農(nóng)業(yè)污染問題，基于該方式而形成的水肥一體化高產(chǎn)栽培模式對玉米節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)提效具有顯著效果^［7-10］。本研究以淺埋滴灌玉米為研究對象，分析結(jié)合自然降雨條件下的量水補(bǔ)灌技術(shù)在水肥耦合條件下的玉米產(chǎn)量效應(yīng)，尋求高效水肥優(yōu)化方案，提高水肥利用率，為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)玉米節(jié)水高產(chǎn)高效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020—2021年在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市喀喇沁旗西橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園試驗(yàn)基地進(jìn)行，該基地地理位置為41°51′N、119°08′E，屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降水主要集中在6—8月，雨熱同季，無霜期130 d左右，年有效積溫2 900～3 100 ℃，年平均氣溫6.5 ℃，年平均降水量在300～500 mm之間，多年平均蒸發(fā)量為1 600～2 500 mm。試驗(yàn)區(qū)耕作層土壤為沙壤土，耕層0～20 cm基本肥力：有機(jī)質(zhì)含量11.2 g/kg，速效氮含量49 mg/kg，速效磷含量21.3 mg/kg，速效鉀含量92 mg/kg，pH值7.98。2020年前茬作物為谷子，2021年前茬作物為玉米。圖1所示為試驗(yàn)周期內(nèi)氣象狀況。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為赤單218。本試驗(yàn)于2020年4月29日和2021年5月6日播種，2020年9月24日收獲，2021年由于整年的平均氣溫偏低、降水較多、日照較短等因素，于10月20日收獲。采用玉米雙行淺埋滴灌精量播種機(jī)播種，一次完成鋪滴灌管、施肥作業(yè)，播深3～6 cm，滴灌帶埋深5 cm。寬窄行種植，120 cm幅寬（寬行80 cm、窄行40 cm），種植密度67 500株/hm²。窄行里鋪設(shè)1條滴灌帶，控制2行玉米，每個小區(qū)配備1個施肥罐和1個水表，以保證每個小區(qū)單獨(dú)灌水、施肥的要求。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)田一致。小區(qū)面積為30 m²，每小區(qū)8行，行長 6.25 m，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

本試驗(yàn)采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主處理為補(bǔ)灌定額W，設(shè)3個灌溉定額（1 200、1 500、1 800 m³/hm²，分別記為W1、W2、W3）；副處理為施氮水平N，設(shè)3個施氮水平（150、225、300 kg/hm²，分別記為N1、N2、N3），N0為不施肥處理。灌溉定額播種期統(tǒng)一滴灌300 m³/hm²、灌漿期滴灌225 m³/hm²，其余水量分別于拔節(jié)期、抽雄期按比列滴灌實(shí)施，補(bǔ)水在各生育階段視墑情進(jìn)行，若該階段出現(xiàn)有效降水，視有效降水量適當(dāng)核減補(bǔ)灌量。試驗(yàn)所用肥料為尿素（N 含量46%），磷酸二銨（N 含量18%，P₂O₅含量46%）和硫酸鉀（K₂O 含量58%）。施氮處理基肥量相同，均為磷酸二銨300 kg/hm²，硫酸鉀150 kg/hm²；追肥于拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期3次按5 ∶3 ∶2的比列隨滴灌施入。還有2個對照處理，當(dāng)?shù)卮笏嗨?、常?guī)施肥量的處理（CK1）以及不滴灌處理、常規(guī)施肥量的處理（CK2）。此外2021年另增加了全膜滴灌處理（滴灌量為1 500 m³/hm²）、常規(guī)施肥量的處理（CK3）。

1.3 測量項(xiàng)目與方法

生育期：播種后，分別觀察記載不同處理玉米進(jìn)入苗期、拔節(jié)期、抽雄期和成熟期的時間。

出苗整齊度：出苗后15 d，在標(biāo)定的3 m雙行內(nèi)，連續(xù)測定10株幼苗的生理株高，取平均值，再用平均值除以標(biāo)準(zhǔn)差作為出苗整齊度的衡量指標(biāo)；出苗指數(shù)：出苗后3 d連續(xù)調(diào)查出苗情況，在標(biāo)定的 3 m 雙行內(nèi)，從出苗開始，每2 d調(diào)查1次出苗數(shù)，連續(xù)調(diào)查4次。

出苗率：在播種后3、5、7、9 d分別記錄出苗穴數(shù)與區(qū)間內(nèi)總穴數(shù)的百分比。

作物水分利用效率（WUE）的計(jì)算公式：WUE＝Y(jié)/ET。

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y為作物產(chǎn)量，kg/hm²；ET為作物生育期耗水量，mm。

氮肥農(nóng)學(xué)利用率（NAE）=（施氮處理籽粒產(chǎn)量-不施氮處理籽粒產(chǎn)量）/施氮量，kg/kg；

氮肥偏生產(chǎn)力（NPFP）=施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量，kg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用WPS和SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米生育期的影響

由表1可知，淺埋滴灌處理下的生育期差異不大，玉米出苗較快且整體較整齊。2年的CK1處理均出苗明顯較晚，生育期也相對較長。2021年的CK3處理出苗較早，生育期也相對較長。

2.2 不同處理對玉米出苗指數(shù)及出苗整齊度的影響

由表2和圖2可知，2020年不同處理的出苗指數(shù)從大到小依次為淺埋滴灌處理>CK2>CK1。2021年的CK3處理的出苗指數(shù)最高，CK1處理出苗指數(shù)最低。由最終的出苗率可知，淺埋滴灌處理的出苗率最高，CK1處理的出苗率最低；CK3處理雖然出苗指數(shù)較高，但出苗率卻不理想，由于CK3處理進(jìn)行覆膜種植，有些苗無法正常鉆出地膜而影響了出苗率。另外，與2020年相比，2021年的出苗指數(shù)明顯下降，分析一是由于2021年春季氣溫偏低，出苗較慢，二是由于播種密度不均勻。

由表3可知，2021年CK3處理的出苗整齊度最高，其次是淺埋滴灌和CK2處理，而CK1處理出苗整齊度最低。由于CK2處理苗期進(jìn)行滴灌，前期處理與其他淺埋滴灌處理一致，所以出苗同樣較整齊；而CK1處理是播種前進(jìn)行大水澆地，澆地后1周進(jìn)行播種，地溫也相對較低，所以出苗高度也變化波動較大，而CK3為膜下滴灌處理，能更有效地保證地溫，出苗整齊度最高。

2.3 不同處理對玉米光合速率及葉綠素含量（SPAD值）的影響

表4為2020年不同處理玉米拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期的光合速率情況，可以看出，拔節(jié)期各不同灌水量滴灌處理間光合速率差異均不顯著（P>0.05），但除W1N0處理外的其他滴灌處理均顯著高于CK1處理；抽穗期W3水平的4個處理光合速率顯著高于其他處理；灌漿期CK1與CK2處理光合速率最低，顯著高于其他滴灌處理。表5為玉米不同時期相對葉綠素含量（SPAD值）的變化，不同灌水和施氮處理對灌漿期和抽穗期的SPAD值的影響更顯著。

2.4 不同處理對玉米經(jīng)濟(jì)性狀和產(chǎn)量的影響

由表6可知，2020年淺埋滴灌處理的株高、單穗長、穗行數(shù)及行粒數(shù)較CK1及CK2處理均有所差異，淺埋滴灌處理較CK2處理提高了株高、單穗長、單穗粗和行粒數(shù)，并一定程度上減小了穗行數(shù)；特別是不同灌水處理對玉米的株高影響較大。2021年淺埋滴灌處理的株高、單穗長、穗行數(shù)及行粒數(shù)較CK1及CK2處理均有所差異，各滴灌處理較CK2處理總體降低了株高、穗位、穗行數(shù)、行粒數(shù)，增加了禿尖長，單穗長、單穗粗差異不大；總體上來看，大多數(shù)淺埋滴灌處理與CK3處理下的玉米各經(jīng)濟(jì)性狀差異不顯著。

由表7可知，2020年的淺埋滴灌處理顯著增加玉米百粒質(zhì)量，W3N2處理較CK1處理的增幅最大，各灌水處理較CK1處理增幅達(dá)5.89%～10.46%，說明淺埋滴灌處理可顯著增加玉米百粒質(zhì)量，從而提高產(chǎn)量；比較不同處理間玉米產(chǎn)量情況，不同水肥處理較CK1處理的玉米增產(chǎn)率為23.85%～58.98%，較苗后不再灌水（CK2）處理增幅達(dá)45.61%～86.90%，產(chǎn)量增幅較大。不同滴灌和施肥處理間，W3N2、W2N3產(chǎn)量居前2，并與W2N0、W1N0處理差異顯著，與其他灌水施肥處理間差異不顯著。與CK1和CK2處理相比，2021年部分淺埋滴灌處理顯著增加玉米百粒質(zhì)量，CK3處理的百粒質(zhì)量顯著高于其他處理；除CK3處理與其他處理差異顯著外，各淺埋滴灌處理之間大部分差異并不顯著；比較不同處理間玉米產(chǎn)量情況，不同淺埋滴灌處理較CK1處理的玉米增產(chǎn)率為-9.91%～16.36%，較苗后不再灌水處理增幅為-0.45%～28.58%，W2N3處理的產(chǎn)量增幅最大；比較淺埋滴灌處理與CK3處理，除W2N3、W2N2處理略增產(chǎn)外，其余全部減產(chǎn)，不同淺埋滴灌處理間，W3N2、W2N3產(chǎn)量居前2，并與W2N0、W1N0處理差異顯著，其他各淺埋滴灌處理間差異并不顯著。

2.5 不同處理對玉米的水分利用效率的影響

從表8可以看出，2020年的灌溉水利用效率總體表現(xiàn)為W1處理>W2處理>W3處理>CK2處理>CK1處理，水分利用率隨滴灌量的增加整體呈下降趨勢，說明在一定范圍內(nèi)隨灌溉用水量的增加，水分利用效率會下降。各淺埋滴灌處理的灌溉水分利用率較CK1處理提高了46.26～87.08 kg/（hm²·mm），增幅最高達(dá)到317.81%。各處理的作物水分利用率較CK1處理提高了9.53～15.32 kg/（hm²·mm），增幅最高達(dá)到134.62%。2021年灌溉水利用效率總體表現(xiàn)為CK1處理>CK3處理>W2處理>W1處理>W3處理>CK2處理，水分利用率隨滴灌量的增加總體呈先上升后下降趨勢，說明在一定范圍內(nèi)隨灌溉用水量的增加，水分利用效率會上升，超過一定范圍，反而會下降。各淺埋滴灌處理的水分利用率較CK2處理的分別提高了3.69～11.59 kg/（hm²·mm），增幅最高達(dá)到63.82%。

2.6 不同處理對玉米的氮肥利用率的影響

由表9可知，2020年氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高的3個處理分別是W2N1、W2N3、W2N2，氮肥偏生產(chǎn)力最高的分別為W3N1、W2N1、W1N1。在不同淺埋滴灌處理下，氮肥農(nóng)學(xué)利用率總體表現(xiàn)為W2處理>W3處理>W1處理，并且氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高的3個處理都在W2滴灌水平下，說明適量的滴灌量有利于提高氮肥的利用；但并不是補(bǔ)灌水量越多越好，當(dāng)?shù)喂嗔窟_(dá)到W3梯度時，氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高是在N2水平，氮肥農(nóng)學(xué)利用率為N2處理>N1處理>N3處理。2021年，氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高的2個處理分別是W3N3、W3N2處理，氮肥偏生產(chǎn)力最高的是W2N1、W1N1處理。

3 結(jié)論與討論

淺埋滴灌栽培提高了玉米的出苗率及出苗指數(shù)，2021年比大水漫灌（CK1）處理早出苗3 d，雖然晚于全膜滴灌（CK3）處理，但由于地膜覆蓋存在苗鉆不出膜影響出苗率，全膜滴灌處理的出苗率較淺埋滴灌處理低；淺埋滴灌為種子萌發(fā)出苗提供了合適的水分，同時有利于苗齊苗壯。通過對不同處理光合速率分析，與CK1處理相比，不同淺埋滴灌處理均提高了玉米的光合速率，不同灌水量處理對光合速率的影響更大，灌水量增大光合速率也隨之增高。

2年的部分淺埋滴灌處理顯著增加玉米百粒質(zhì)量；比較不同處理間玉米產(chǎn)量情況，2021年不同水肥處理較傳統(tǒng)大水漫灌處理的玉米增產(chǎn)率為 -9.91%～16.36%，各處理中W2N3產(chǎn)量增幅最大，其次為W2N2處理；比較淺埋滴灌處理與全膜滴灌處理，除W2N3、W2W2略增產(chǎn)外，其余全部減產(chǎn)，但淺埋滴灌處理與全膜滴灌處理間產(chǎn)量差異并不顯著。

王士杰等研究發(fā)現(xiàn)，水、氮、鉀3因子對玉米產(chǎn)量提高有促進(jìn)作用，影響程度為水＞氮＞鉀；2因子交互作用對產(chǎn)量的影響程度水氮最大，水鉀次之，氮鉀最小^［11］。本試驗(yàn)中，3個不同的灌水梯度表現(xiàn)出不同的變化趨勢，在W1梯度下，當(dāng)施氮量為N1水平（2020年）或N2水平（2021年）時，水分利用率最高；在灌水W2梯度下，當(dāng)施氮量為N3水平時水分利用率最高；在W3梯度下，N2水平（2020年）或N3水平（2021年）時，水分利用率最高，而3個灌水處理中N0水平的水分利用效率都是最低的，說明適當(dāng)提高施氮量，對水分利用效率的提高有促進(jìn)作用，而施氮量過高不利于水分利用效率的提高，施氮量對于水分利用效率的作用存在一定的適合范圍。

在2020年試驗(yàn)基礎(chǔ)上，2021年根據(jù)實(shí)際情況增加了全膜滴灌處理作為對照3，主要希望通過試驗(yàn)明確目前生產(chǎn)中最主要應(yīng)用的全膜滴灌與淺埋滴灌栽培的玉米水肥利用及產(chǎn)量對比情況。通過試驗(yàn)結(jié)果分析，在試驗(yàn)?zāi)攴萁涤陾l件下，淺埋滴灌處理產(chǎn)量較全膜滴灌處理產(chǎn)量略低但產(chǎn)量差異不顯著，分析不同栽培方式的經(jīng)濟(jì)效益，W2N2、W2N3處理的經(jīng)濟(jì)效益顯著，W2N2處理效益為 1 222.94元/667 m²，比大水漫灌處理增加純收益251.14元/667 m²，較全膜滴灌處理增加純收益114.74元/667 m²，經(jīng)濟(jì)效益顯著。而全膜滴灌處理使用地膜會造成環(huán)境污染，綜合經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益，淺埋滴灌的效益更明顯。

馬建琴等利用NSGA-Ⅱ算法對對模型進(jìn)行求解，得到最佳水肥方案：灌水量為848.24 m³/hm²，施肥量為 192.66 kg/hm²，該水肥組合下玉米產(chǎn)量為10 667.52 kg/hm²，優(yōu)化了水肥，提高了產(chǎn)量^［12］。本研究以灌水量和施氮量為變量，在結(jié)合自然降雨條件，得到試驗(yàn)最佳產(chǎn)量15 638.80 kg/hm²，補(bǔ)灌量1 500 m³/hm²，施純氮225 kg/hm²，最佳水分利用效率28.62 kg/（hm²·mm），適量增加了灌水量卻大幅提高了玉米產(chǎn)量。此外，結(jié)合分析玉米需水規(guī)律，在玉米生長關(guān)鍵期進(jìn)行灌水，考慮到灌水量和施肥量在不同生育期內(nèi)的分配對玉米的影響，通過分析玉米生長時期進(jìn)行分期補(bǔ)灌，更有利于節(jié)水及水分高效利用。

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