毛烏素沙地水肥耦合對玉米的生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

彭 龍，呂志遠(yuǎn)，郭克貞，蘇佩鳳，姜夢琪，魯耀澤

(1. 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；2. 中國水科院 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020)

0 引 言

在干旱半干旱地區(qū)，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因子有兩個(gè)，一是干旱缺水，土壤水分供給不足；二是土壤肥力低，養(yǎng)分供應(yīng)不足[1-3]。土壤水分和養(yǎng)分既是作物生長發(fā)育的主要脅迫因子，又具有相互影響、互補(bǔ)的作用，對農(nóng)作物可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)、疊加效應(yīng)、拮抗效應(yīng)[4]。因此，針對土壤質(zhì)地、水分和肥力存在地區(qū)間差異這一特點(diǎn)[5,6]，合理調(diào)控水、肥因子，實(shí)現(xiàn)“以肥調(diào)水”和“以水促肥”的水肥耦合效應(yīng)，達(dá)到水分和養(yǎng)分的高效利用和增產(chǎn)的目的[7,8]。本文以玉米為對象，采用階段性缺水模式進(jìn)行灌溉和高、中、低3種施肥模式相結(jié)合的試驗(yàn)方法，探討了毛烏素沙地水肥耦合效應(yīng)，為當(dāng)?shù)毓喔取⑹┓手贫鹊闹贫ㄌ峁┛茖W(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在毛烏素沙地烏審旗治沙站進(jìn)行。烏審旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市南部，地理坐標(biāo)東經(jīng)108°17′36″～109°40′22″，北緯37°38′54″～39°23′50″，平均海拔1 200 m左右。試驗(yàn)所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，春季多風(fēng)少雨，旱情嚴(yán)重；夏季降雨較多，相對集中，以暴雨或陣雨為多；秋季氣候涼爽，冬季干燥寒冷。烏審旗年平均氣溫在6～8 ℃之間，無霜期為130～160 d；極端最高氣溫36.5 ℃，極端最低氣溫在-29 ℃；年降雨量350～400 mm，主要集中在7-9月。供試土壤以栗鈣土為主，有機(jī)質(zhì)含量12.18 g/kg，全氮0.57 g/kg，速效磷2.66 mg/kg，速效鉀82.37 mg/kg，pH值8.26,土壤容重1.41 g/cm3，田間持水率16.43%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要研究灌溉、施肥兩種因素在不同組合下的玉米生長發(fā)育狀況，以及玉米產(chǎn)量變化。試驗(yàn)研究采用小區(qū)田間試驗(yàn)，小區(qū)面積30 m2，供試玉米品種為五谷702。試驗(yàn)于2014年進(jìn)行，5月1日播種，10月15日收獲。試驗(yàn)將玉米生育期劃分為苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期。試驗(yàn)以土壤水分、不同施肥組合和施肥量作為控制因子。以充分灌溉處理為對照，分苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期4個(gè)生育階段缺水，共5個(gè)水分處理，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際灌溉情況，設(shè)水分上限為田間持水率θ田，水分下限70%θ田為水分適宜，水分下限55%θ田為受旱處理；施肥處理分為高、中、低3個(gè)施肥水平，施肥量與施肥組合見表1，當(dāng)?shù)氐氖┓仕脚c試驗(yàn)中肥處理相近。每個(gè)處理3次重復(fù)，共45個(gè)小區(qū)。

采用TRIME-3型TDR土壤水分測定儀測定土壤含水率，每點(diǎn)分層0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，每7 d觀測一次，降雨和灌水前后加測一次，并結(jié)合土鉆取樣，采用烘干法校核。定期觀測玉米株高(以基部土面及頂端為準(zhǔn)，用鋼卷尺測量)、莖粗(用細(xì)繩和鋼卷尺測量周長，用周長除以π得到)和葉面積。葉面積測定采用量測法，每小區(qū)隨機(jī)取5株樣本，用鋼卷尺測每片葉的長度和最寬處，然后以長×寬的乘積再乘以折算系數(shù)(0.75)確定單株葉面積，取其平均數(shù)作為計(jì)算葉面積指數(shù)的基數(shù)，小區(qū)的葉面積指數(shù)用公式：

LAI=ρ×A

式中：ρ為種植密度，株/m2；A為單株葉面積，m2/株。

計(jì)算水分生產(chǎn)率(玉米產(chǎn)量與全生育期耗水量的比值)。采用SPSS17.0軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥處理對玉米株高的影響

株高是反映玉米生長狀況的重要指標(biāo)之一。玉米自苗期始株高逐漸增加，拔節(jié)-抽雄增高速度最快，抽雄以后到灌漿初期株高增加趨緩[9]。在相同水分處理下，玉米株高隨著肥量的增加，整體呈現(xiàn)出增高的趨勢。在相同施肥條件下，與充分灌溉相比，各生育期階段受旱處理都會(huì)使玉米株高有所降低，其中影響最大的階段為拔節(jié)期，其次是苗期。因?yàn)橛衩走M(jìn)入拔節(jié)期，植株的新陳代謝活動(dòng)旺盛，莖稈的拔節(jié)伸長和植株體積增加都很快，是玉米株體形成的重要時(shí)期，需要大量的水分和養(yǎng)分，如果這一時(shí)期缺水少肥，均會(huì)導(dǎo)致植株生長不良[10]。與高肥+充分灌溉相比，高、中、低3種施肥條件下，拔節(jié)期受旱株高的下降率分別為4.24%、4.92%、6.98%，呈現(xiàn)上升趨勢，詳見表2。表明在毛烏素沙地，施肥量的增加有助于降低拔節(jié)期缺水對玉米株高的影響。從圖1中可以看出玉米在高肥+充分灌溉條件下株高最高，達(dá)到了2.92 m。

表1 玉米水肥耦合試驗(yàn)方案

注：表中水分控制數(shù)值均為土壤水分下限值，取田間持水率的百分?jǐn)?shù)(%)。

圖1 不同水肥處理對玉米株高的影響

2.2 不同水肥處理對玉米莖粗的影響

玉米莖粗隨玉米生長進(jìn)程而增加，增加幅度因水肥處理不同而異，到抽雄期達(dá)到最大，抽雄-成熟期玉米各處理莖粗有所下降，詳見圖2。圖2(a)為不同生育階段缺水處理玉米莖粗的生長變化，其中拔節(jié)期受旱玉米莖粗最小，其次是苗期受旱。與拔節(jié)期受旱+高肥處理(YMG2)相比，充分灌溉+高肥處理(YMGQ)莖粗提高了2.8%～12.71%。圖2(b)為在不同施肥處理下的玉米莖粗隨施肥量增加的生長變化。與充分灌溉+低肥處理(YMDQ)相比，充分灌溉+高肥處理(YMGQ)玉米莖粗提高了1.51%～11.84%。

表2 玉米水肥不同組合與充分灌溉+高肥相比的下降率

圖2 不同水肥處理對玉米莖粗的影響

2.3 不同水肥處理對玉米葉面積指數(shù)的影響

葉片是植物光合作用的重要器官，玉米葉面積指數(shù)及其功能與產(chǎn)量呈正相關(guān)。不同水肥處理下的玉米葉面積指數(shù)如圖3所示。由圖3可知，玉米在整個(gè)生育期內(nèi)，葉面積指數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，抽雄期達(dá)到最高，之后逐漸降低。充分灌溉+高肥處理下，玉米葉面積指數(shù)最高，最高可以達(dá)到4.86。在相同水分處理下，不同施肥處理相比，可以看出玉米葉面積指數(shù)隨著肥量的增加在增加。在相同施肥處理下，每個(gè)生育階段受旱都會(huì)影響葉面積指數(shù)的高低，拔節(jié)期缺水對葉面積指數(shù)影響最大，抽雄期次之。在高、中、低3種施肥處理下，拔節(jié)期受旱處理與充分灌溉+高肥相比，葉面積指數(shù)的下降率分別為17.07%、19.04%、20.54%。與充分灌溉相比，每個(gè)階段受旱處理的在該階段葉面積有所下降，這種下降趨勢在隨后的生長發(fā)育過程中即使得到了充分的水量，使其土壤含水率達(dá)到玉米生長所需，也難以消除階段性缺水對葉面積指數(shù)的影響。

圖3 全生育期玉米水肥耦合葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

2.4 不同水肥處理對玉米產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率的影響

由圖4可以看出，在相同水分處理下，隨著肥量的增施，從低肥處理到中肥處理可以看出玉米產(chǎn)量在明顯的增加，但從中肥處理到高肥處理可以看到產(chǎn)量沒有出現(xiàn)增產(chǎn)的現(xiàn)象，其中有部分處理還略低于中肥處理，說明肥量的增施可以提高玉米的產(chǎn)量，但并不是肥量越多越好，存在著一定的閾值，超過這個(gè)閾值會(huì)產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，造成肥量的浪費(fèi)。在相同施肥處理下，各生育期階段受旱處理與充分灌溉處理相比，作物產(chǎn)量都有不同程度的減少，其中抽雄期缺水處理減產(chǎn)率最高，拔節(jié)期次之。因?yàn)槌樾燮谑怯衩讖臓I養(yǎng)生長過渡到生殖生長的需水關(guān)鍵時(shí)期，該時(shí)期缺水會(huì)造成雄穗抽出困難，影響開花授粉，從而影響產(chǎn)量。灌漿期受旱處理對產(chǎn)量影響較小，可能與玉米的生長特點(diǎn)和生理特性有關(guān)。本試驗(yàn)中，施肥為中肥，水分為充分灌溉處理下的產(chǎn)量最高，達(dá)到了10 995 kg/hm2。抽雄期受旱處理與最高產(chǎn)量處理(中肥+充分灌溉處理)相比，在高、中、低3種施肥處理下的減產(chǎn)率分別為27.37%、25.78%、45.88%。

圖4 不同水肥處理對玉米產(chǎn)量的影響

從表3中可以看出，在相同水分處理下，玉米水分生產(chǎn)率在中肥指標(biāo)時(shí)最高。在相同施肥處理下，玉米水分生產(chǎn)率的高低為，拔節(jié)期受旱>苗期受旱>充分灌溉>灌漿期受旱>抽雄期受旱。比較不同處理間的水分生產(chǎn)率發(fā)現(xiàn)，在中肥處理下，玉米拔節(jié)期受旱水分生產(chǎn)率最高，達(dá)到了2.61 kg/m3，比高水+高肥提高了24.59%。綜合考慮減產(chǎn)率與水分生產(chǎn)率2個(gè)觀測指標(biāo)可得出，在中肥處理下，苗期進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖芎担@樣有利于提高肥料的利用率，有利于根系的下扎提高玉米的抗旱性。

表3 不同水肥處理下的玉米產(chǎn)量、水分生產(chǎn)率和減產(chǎn)率

注：同一列中不同字母表示不同處理間達(dá)到0.05水平顯著差異(P<0.05)。

3 結(jié) 論

(1)水肥耦合試驗(yàn)研究表明，各生育期水分脅迫均會(huì)在不同程度上抑制玉米株高、莖粗和葉面積指數(shù)的增長。充分灌溉+高肥處理的株高、莖粗和葉面積指數(shù)優(yōu)于其他處理。在相同水分處理下，隨著施肥量的增加株高、莖粗和葉面積指數(shù)也在逐漸增高，在相同施肥量處理下，拔節(jié)期受旱處理對株高、莖粗和葉面積指數(shù)影響最大，苗期受旱次之。

(2)從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，充分灌溉+中肥處理產(chǎn)量最高，達(dá)到了10 995 kg/hm2。在相同施肥處理下，隨著受旱時(shí)期的推移，產(chǎn)量表現(xiàn)為充分灌溉>灌漿期受旱>苗期受旱>拔節(jié)期受旱>抽雄期受旱。與產(chǎn)量最高處理(充分灌溉+中肥處理)相比，抽雄期受旱減產(chǎn)率最高，該時(shí)期受旱在高、中、低3種肥力處理下的減產(chǎn)率分別為27.37%、25.78%、45.88%。

(3)在相同水分處理下，玉米水分生產(chǎn)率在中肥指標(biāo)時(shí)最高。在相同施肥處理下，拔節(jié)期水分虧缺處理的水分生產(chǎn)率最高，苗期水分虧缺次之。拔節(jié)期受旱+中肥處理水分生產(chǎn)率最高，達(dá)到了2.61 kg/m3。綜合考慮減產(chǎn)率與水分生產(chǎn)率兩種因素，玉米在中等施肥水平下(N 240 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2)，苗期土壤水分控制在55%以上、其他生育期控制在70%以上有利于玉米高產(chǎn)。

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