圓形噴灌機(jī)條件下不同灌水施肥量對冬小麥產(chǎn)量的影響

薛 彬，李 雪，嚴(yán)海軍(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)

0 引 言

冬小麥?zhǔn)且环N重要的糧食作物，提高小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)是關(guān)系到國家糧食安全的大事件。水、肥、熱、氣、光是農(nóng)作物生活的五大要素[1]，土壤中的水分狀況直接影響著肥、熱、氣的狀況。從1980年起到2010年間，我國化肥施用量以年均5%的速度增長，每公頃耕地面積上化肥施用量約是世界平均化肥用量的4倍，田間施用化肥過量，現(xiàn)已成為農(nóng)業(yè)點(diǎn)源污染的主要來源[2]。因此采取合理的措施來提高化肥的利用率, 減少化肥的施用量勢在必行。近幾年，水肥一體化技術(shù)已經(jīng)成為灌溉施肥模式的新趨勢，例如，以色列農(nóng)業(yè)灌溉面積的90%以上采用水肥一體化技術(shù)，液體肥料占肥料中的80%以上，并且絕大多數(shù)灌溉采用計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)[3]。水肥耦合有利于提高肥料利用率[4]，當(dāng)水分與肥料供應(yīng)協(xié)調(diào)時(shí)能顯示出明顯的協(xié)同效應(yīng)。研究表明，水肥耦合存在閾值反應(yīng)[5]，明確這一閾值有利于作物增產(chǎn)。傳統(tǒng)的地面灌水條件下農(nóng)田蒸發(fā)能力明顯高于噴灌條件，并且前者的冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率明顯低于后者[6]。由于冬小麥的全生育期通常是從當(dāng)年10月份到次年6月份，該時(shí)段自然降水少，通常從播種至成熟需灌水4～5次，耗水量較大，因此采取先進(jìn)的節(jié)水灌溉設(shè)備進(jìn)行灌溉顯得尤為重要。圓形噴灌機(jī)具有自動(dòng)化程度高、單機(jī)控制面積大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化、規(guī)范化生產(chǎn)的政策下得到了廣闊的發(fā)展空間[7]。圓形噴灌機(jī)可以通過控制水和肥的量來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的水肥一體化灌溉，提高水肥利用率。

目前，國內(nèi)關(guān)于圓形噴灌機(jī)條件下冬小麥灌溉施肥模式的研究還比較少，本文利用圓形噴灌機(jī)技術(shù)對水肥耦合條件下冬小麥的生長指標(biāo)及產(chǎn)量進(jìn)行研究，為制定高效節(jié)水的冬小麥灌溉施肥模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)在北京市順義區(qū)趙全營鎮(zhèn)萬畝方冬小麥?zhǔn)痉痘剡M(jìn)行，該地位于北緯40°18′，東經(jīng)116°28′，海拔約35 m，試驗(yàn)時(shí)間為2013年10月-2014年6月。該試驗(yàn)區(qū)的氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)性氣候，年平均氣溫約為11.5 ℃，年日照小時(shí)數(shù)約為2 750 h，年均相對濕度50%，多年平均降雨量約為585 mm，夏季集中了全年降雨量的75%。該試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，測得0～80 cm土層的平均田間持水量(FC)為30.01%，干密度為1.55 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的冬小麥品種為農(nóng)大212，在2013年9月28-29日進(jìn)行播種，行距為20 cm，基本苗325.5萬株/hm2。冬小麥的返青為2014年3月10日，拔節(jié)為4月4日，抽穗為5月3日，灌漿為5月15日，收獲為6月15日。采用圓形噴灌機(jī)進(jìn)行冬小麥的水肥一體化作業(yè)，試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)灌水處理S1、S2、S3，對S3又設(shè)置兩個(gè)施肥處理F1、F2，即S3F1，S3F2。S1F1、S2F1處理設(shè)置2個(gè)重復(fù)，S3F1、S3F2處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)處理，主要是考察同一低水處理下，不同施肥處理對冬小麥產(chǎn)量的影響,另外由于受試驗(yàn)地面積的限制，因此采取上述處理方案(表1，圖1)。根據(jù)冬小麥不同生育期需水特點(diǎn)，以土壤含水率占FC的百分率確定灌水時(shí)間，在返青期、拔節(jié)期、灌漿期的灌水下限依次設(shè)定為75%FC、80%FC、65%FC(表2)。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選2個(gè)點(diǎn)采用土鉆取20、50、80 cm處的土，采用烘干法測土壤含水率，當(dāng)含水率接近灌水下限時(shí)開始灌水。返青期并無水處理差異，從拔節(jié)期開始進(jìn)行水處理的差異化。底肥施用復(fù)合肥262.5 kg/hm2(16-21-8)，二銨150 kg/hm2，折合N-69 kg/hm2、P2O5-124.5 kg/hm2、K2O-21 kg/hm2，施有機(jī)肥15 000 kg/hm2(表3)。

表1 冬小麥水肥耦合試驗(yàn)處理Tab.1 Experiment treatments of water-fertilizer coupling on winter wheat

圖1 圓形噴灌機(jī)及試驗(yàn)小區(qū)布置圖Fig.1 Center pivot system and experimental plot

表2 冬小麥不同生育期灌水定額水平 m3/hm2Tab.2 Table of irrigation quota for winter wheat at different growth stages

1.3 監(jiān)測項(xiàng)目

(1)氣象數(shù)據(jù)。利用安裝在試驗(yàn)田間的自動(dòng)氣象站對氣象參數(shù)進(jìn)行采集，主要參數(shù)包括降水量，風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、相對濕度、太陽輻射等。

(2)土壤含水率。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)均隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)取土，土樣深度均為20，50，80 cm，用烘干法測量其含水率并且結(jié)合土壤水分傳感器測得水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行校核。

(3)冬小麥生長指標(biāo)。在每個(gè)生育期，測量冬小麥的株高，葉面積及葉面積指數(shù)(用比葉重法測量)，干物質(zhì)等生長指標(biāo)。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選3個(gè)觀測點(diǎn)，每個(gè)觀測點(diǎn)取33.3 cm(長)×20 cm(寬)，及時(shí)記錄下各生育期的總莖數(shù)、有效莖數(shù)，測產(chǎn)時(shí)記錄每公頃穗數(shù)。

(4)測產(chǎn)。產(chǎn)量由每公頃穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)三者共同構(gòu)成，穗粒數(shù)可由在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取得1 m2內(nèi)的20株冬小麥進(jìn)行測定穗粒數(shù)，并數(shù)出該樣方內(nèi)的全部穗數(shù)，折算成每公頃穗數(shù)。待小麥自然風(fēng)干后進(jìn)行脫粒稱重，測定千粒重。

表3 冬小麥不同施肥處理水平 kg/hm2Tab.3 Treatment levels of different fertilization in winter wheat

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2007與SPSS2.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水施肥處理對冬小麥耗水量的影響

分析表4得：當(dāng)施肥量一定時(shí)，累積耗水量隨著灌水量的增加而升高，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。各處理累積耗水量增長速度是先變大后變小，可能是從拔節(jié)期到灌漿期氣溫升高，冬小麥蒸騰量大，再加上作物生命活動(dòng)旺盛，需要消耗大量的水；由S3F1及S3F2 處理的累積耗水量變化趨勢及總量可得出肥料的變化對冬小麥的累積耗水量的變化影響不大，雖然F2肥料量大于F1的，但反映在積耗水量上變化不明顯。當(dāng)肥量和水量共同作用于冬小麥時(shí)，水量對累積耗水量起主導(dǎo)作用。

表4 冬小麥灌水施肥處理累積耗水量 mmTab.4 Total water consumption of irrigation and fertilization in winter wheat

分析表5可知：當(dāng)施肥量一定時(shí)，隨著灌水量的增加，日均耗水量從返青期到灌漿期一直是增加的，在灌漿期到成熟期日均耗水量是一直下降的。分析S3F1、S3F2可看出日均耗水量從返青期到拔節(jié)期增加的比較緩慢，從拔節(jié)期到灌漿期增加的速度超過了S1F1與S2F1的增長速度。由于此時(shí)期作物對肥的利用率提高，此外氣溫升高，作物蒸騰量變大使得作物生命活動(dòng)增強(qiáng)，故日均耗水量增長迅速；當(dāng)灌水量一定時(shí)，日均耗水量與施肥量的多少變化關(guān)系不明顯。可見，灌水量是影響作物耗水量的主要因素，在相同施肥制度下，高水量處理的作物耗水量顯著高于中水和低水量處理，說明合理的灌水能有效促進(jìn)冬小麥對土壤水分的利用，增強(qiáng)作物的生命活動(dòng)，有助于有機(jī)物質(zhì)積累，進(jìn)而有利于小麥高產(chǎn)。

表5 冬小麥不同灌水施肥處理日均耗水量 mm/dTab.5 Daily average water consumption of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2 不同灌水施肥處理對冬小麥主要生長指標(biāo)的影響

2.2.1不同灌水施肥處理對冬小麥莖數(shù)的影響

分析表6得：應(yīng)用圓形噴灌機(jī)水肥一體化灌溉下的冬小麥在拔節(jié)期總莖數(shù)、有效莖數(shù)、抽穗期有效莖數(shù)都比半固定式噴灌控制下的對應(yīng)數(shù)目多。尤其在拔節(jié)期總莖數(shù)方面，前者平均要比后者每公頃大約多出248萬株。在拔節(jié)期和抽穗期有效莖數(shù)方面，前者平均要比后者每公頃大約多出67.5萬株，可以預(yù)測前者比后者高產(chǎn)很多。從返青期過后開始出現(xiàn)了水量的不同處理，從表6中可知：當(dāng)施肥量一定時(shí)，拔節(jié)期及抽穗期有效莖數(shù)與灌水量呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢，拔節(jié)期有效莖數(shù)S1F1比S2F1多34.5萬株/hm2，抽穗期有效莖數(shù)S1F1比S2F1多24萬株/hm2；當(dāng)灌水量一定時(shí)，拔節(jié)期及抽穗期有效莖數(shù)與施肥量呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢，拔節(jié)期有效莖數(shù)S3F2比S3F1大約多出52.5萬株/hm2，抽穗期有效莖數(shù)S3F2比S3F1大約多出72萬株/hm2。可知，在返青-拔節(jié)，拔節(jié)-抽穗期合理增加水肥的量有利于獲得較高的有效莖數(shù)，進(jìn)而促進(jìn)高產(chǎn)。

表6 冬小麥不同灌水施肥處理下主要生育期的總莖數(shù)及有效莖數(shù) 萬株/hm2Tab.6 Total stem number and effective number of the main growth stages of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2.2不同灌水施肥處理對冬小麥葉面積指數(shù)的影響

分析表7得:S1F1處理下冬小麥在抽穗期與灌漿期的葉面積指數(shù)都是最大的。對照組的半固定式噴灌由于灌水與施肥是分開進(jìn)行的，并且灌水排管需要大量人力，導(dǎo)致灌水不及時(shí)，從而影響葉片的生長，使葉面積指數(shù)偏小。抽穗期各處理的葉面積指數(shù)要大于相應(yīng)處理的灌漿期的葉面積指數(shù)。從表7得：當(dāng)灌水量一定時(shí)，葉面積指數(shù)與施肥量呈正相關(guān)趨勢。S3F2比S3F1施用的氮素高，可得氮素對冬小麥葉片的發(fā)育有促進(jìn)作用;當(dāng)施肥量一定時(shí)，葉面積指數(shù)與灌水量呈正相關(guān)趨勢。這說明灌水量大促進(jìn)了小麥葉片的生長，增強(qiáng)了小麥的光合作用，促進(jìn)了有機(jī)物的積累。灌水量不能過量，是由于當(dāng)灌水過多時(shí)葉片會(huì)變寬大，葉片會(huì)相互重疊遮蔭，使光合效率，蒸騰作用和氣體交換作用變?nèi)酰@樣會(huì)影響冬小麥干物質(zhì)的形成，進(jìn)而影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。小麥群體存在適宜的葉面積指數(shù)范圍，在這范圍內(nèi)，小麥產(chǎn)量與葉面積指數(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)性[8]。因此要制定合理的灌水施肥制度，使得葉面積指數(shù)在適宜的范圍內(nèi)，進(jìn)而提高冬小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。

表7 不同灌水施肥處理下冬小麥葉面積指數(shù)Tab.7 The leaf area index of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2.3不同灌水施肥處理對冬小麥產(chǎn)量的影響

分析表8得：對于每公頃穗數(shù)而言，灌水量的多少對每公頃穗數(shù)沒有產(chǎn)生顯著性差異,每公頃穗數(shù)隨著灌水量的增加而增加,由前面的分析知灌水量的增加使得冬小麥的有效莖數(shù)增加，進(jìn)而使得公頃穗數(shù)增加;對于千粒重而言，灌水S1下的千粒重與灌水S2、S3下的千粒重有顯著性差異，灌水S1下的千粒重為56.35 g比S2、S3大約多出11 g。灌水S2與S3下的千粒重沒有顯著性差異，兩水處理下的千粒重差距很小。綜合可得灌水S2水平以下對千粒重的影響不大，灌水S1處理有助于千粒重。千粒重與籽粒的飽滿程度有關(guān)系，灌水S1處理下籽粒較S2與S3處理的籽粒飽滿，故其千粒重高于S2與S3的千粒重；3個(gè)灌水處理S1、S2、S3下的穗粒數(shù)沒有產(chǎn)生顯著性差異。3個(gè)水處理的平均穗粒數(shù)差距較小，在誤差允許的范圍內(nèi)。說明不同水處理對平均穗粒數(shù)影響不大。表中S1處理下千粒重較S2、S3大，但是平均穗粒數(shù)幾乎一樣，說明S1處理下冬小麥籽粒較飽滿;對于產(chǎn)量而言，S1灌水量下的產(chǎn)量與S3灌水量下的產(chǎn)量有顯著性差異。S2灌水量下的產(chǎn)量與S1、S3沒有顯著性差異。

表8 不同灌水處理對冬小麥公頃穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)、產(chǎn)量的顯著性分析Tab.8 The significance of different irrigation treatments on the ear, thousand-grain weight, grain number and yield of winter wheat

注：其中小寫字母為0.05顯著性水平，表8的數(shù)據(jù)都是在施肥量一定的情況下得到的。

分析圖2得：當(dāng)施肥量一定時(shí)，產(chǎn)量與灌水量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢；當(dāng)灌水量一定時(shí)，S3F1與S3F2處理的產(chǎn)量幾乎一樣，可見在本試驗(yàn)中施肥量對產(chǎn)量的影響不大，水肥耦合作用下，灌水量對產(chǎn)量起到主導(dǎo)作用。F1處理施用純N為286.20 kg/hm2，F(xiàn)2處理施用純N為336.30 kg/hm2，設(shè)置的肥料水平處理對冬小麥的產(chǎn)量影響不大。從表9中可看出利用圓形噴灌機(jī)水肥一體化的最大產(chǎn)量為9 975 kg/hm2，比對照組采用半固定式噴灌機(jī)灌溉冬小麥的增產(chǎn)35%。

表9 不同灌水施肥處理下冬小麥的平均產(chǎn)量Tab.9 Average yields of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments.

注：對照組為半固定式噴灌。

圖2 不同灌水施肥處理下冬小麥平均產(chǎn)量對比圖Fig.2 Comparison of average yields of Winter Wheat under different irrigation and fertilization treatments

3 討 論

相同的施氮量下，在一定的灌水范圍內(nèi)，增加灌水量能有效地促進(jìn)冬小麥對土壤水分的吸收，提高冬小麥的耗水量，這和馬興華等人[9]得出的在同一施氮水平下，小麥的總耗水量隨著灌水量的增加而升高的結(jié)論相符合。在相同的灌水量下，該試驗(yàn)增加施氮量后總耗水量幾乎不變，這和候翠翠等人[10]得出的隨著施氮量的增加，小麥耗水量先升高后降低的結(jié)論不符。原因可能是設(shè)置的氮肥處理較少，下一步增加氮肥的處理來進(jìn)一步研究。在相同的施肥量下，在一定的灌水范圍內(nèi)，冬小麥產(chǎn)量隨著灌水量的增加而升高，這與栗麗等人[11]研究得出的冬小麥的籽粒產(chǎn)量隨灌水量的增加而升高的結(jié)論相符合。在灌水量一定時(shí)，拔節(jié)期總莖數(shù)隨著施肥量的增加幾乎不變，這與趙雪飛等人[12]在2006-2007年研究的各生育期的總莖數(shù)隨著施氮量增加而升高這一結(jié)論不符。原因可能是該試驗(yàn)的施氮量梯度不夠大以及設(shè)置的氮肥處理較少，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不明顯。在施氮量一定時(shí)，葉片的葉面積指數(shù)隨著灌水量的增加而增大，這與張忠學(xué)等人[13]研究的結(jié)論相符。由于葉面積指數(shù)能很好地反映出冬小麥生長態(tài)勢，因此針對葉面積指數(shù)與產(chǎn)量等指標(biāo)的關(guān)系值得進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 語

(1)冬小麥的各生育期中，從拔節(jié)期到灌漿期，其累計(jì)及日均耗水增加量都最大，因此，確保從拔節(jié)期到灌漿期的灌水量，有助于冬小麥的高產(chǎn)，并且適當(dāng)?shù)脑黾拥柿繉Υ龠M(jìn)小麥對土壤水分的吸收有一定的促進(jìn)作用，有利于冬小麥干物質(zhì)的積累。

(2)從水肥耦合的數(shù)據(jù)來看，試驗(yàn)中施肥量的改變較水量的改變對有效莖數(shù)的影響大。在冬小麥的抽穗期，S3F2處理的有效莖數(shù)幾乎與S1F1處理的有效莖數(shù)一樣。因此可以適當(dāng)提高小麥?zhǔn)┓柿縼硖岣咝←湹挠行o數(shù)。

(3)試驗(yàn)中冬小麥葉面積指數(shù)與灌水量、施肥量都呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢。產(chǎn)量的構(gòu)成由多種因素共同作用，從試驗(yàn)結(jié)果來看，圓形噴灌機(jī)水肥耦合下的冬小麥最高產(chǎn)量是S1F1處理，水肥耦合對冬小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)中灌水量起主導(dǎo)作用。建議本地區(qū)冬小麥可以采用高水低肥的灌溉施肥模式。

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