北疆干旱荒漠地區膜下滴灌青貯玉米水肥耦合效應研究

劉　虎，尹春艷，張瑞強，魏永富

(1.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 010020；2.內蒙古新創環境科技有限公司，呼和浩特 010020)

0　引　言

水分和肥料，作為可調控的兩項最為重要指標，在新疆阿勒泰地區農業生產中被人們所廣泛重視，水分利用虧缺、肥料利用率低嚴重制約著北疆阿勒泰地區作物生產力水平的提高，對包括阿勒泰在內的我國干旱荒漠地區而言，提高水分和肥料的利用率仍然是研究的熱點。由于滴灌、微潤灌等技術發展和推廣，化肥的使用由以往的撒施變為隨水滴入，2016年新疆全區以滴灌為主的高效節水灌溉為50 072 萬hm2，并且到2020年，該面積將超過60 000 萬hm2。與常規的低壓管道灌溉、漫灌相比，滴灌節水40%以上，磷肥和氮肥利用率提高到30%和70%以上。國內外專家學者對水肥耦合綜合效應開展了大量的研究，劉曉宏(2006年)等發現春小麥在不同水分脅迫下，隨著氮肥施入量的逐漸增加，水分利用率也隨之提高，并且以供水充足情況下，水分利用率的提高最顯著[1]。趙營(2006年)等發現氮肥的表觀利用率為不超過20%，并且該值隨施氮量的增加而進一步降低，絕大多數的氮肥未被當季作物利用，而是進入土壤中由非當季植物所吸收[2]，該結論已被許多研究所證明(劉敏超等，2000年；巨曉棠等，2002年)。趙滿興(2006年)等研究結果表明，提高小麥對氮素的利用率，要從水肥調控措施和營養高效型品種選育角度出發[3]。孟翔燕等(2014年)建立了灌水量和氮鉀磷肥與玉米產量的四元二次產量模型[4]。馮鵬(2012年)認為提高干旱半干旱地區農作物產量主要是合理的采用水肥耦合技術，灌溉水利用效率亦然[5]。楊蕊菊(2015年)分析得出不同水肥耦合模式對小麥玉米立體種植產量的影響較大，并且對產量的貢獻排序分別為氮肥、水、磷肥[6]。溫立玉(2014年)通過夏玉米水肥耦合試驗發現，影響葉面積指數提高的因子依次為灌溉水量、氮肥和鉀肥，磷肥對其提高效果不明顯[7]。王棟(2016年)研究成果表明，氮肥和灌溉水、磷肥的交互效應表現為正效應，而磷肥和灌溉水為負效應[8]。目前關于水肥耦合的研究多集中在大田糧食作物，而關于包括紫花苜蓿、青貯玉米、蘇丹草等在內的人工牧草的研究也多是集中在水、肥等單一因子層面，對于人工草地的水肥耦合效應的研究不多[9-14]。

本文對2015-2017年在北疆阿勒泰地區福海縣哈拉霍英水庫下游青貯玉米開展的水肥耦合試驗的灌水量、施肥量、植株生理指標、產量等數據進行分析，主要研究水肥耦合條件下青貯玉米耗水量、株高、葉面積指數、產量、生育期的變化規律；土壤水分和土壤養分變化規律；計算不同水肥耦合條件下肥料利用率以及水分生產效率，分析水分交互作用，為北疆地區更加合理的采用水肥耦合技術發展飼草料地提供技術依據。

1　材料與方法

1.1　試驗區概況

試驗區位于新疆阿勒泰地區福海縣哈拉霍英水庫下游灌區，試驗區西距烏倫古湖43 km，地理位置東經87°40′22″、北緯46°10′45″，田間地表高度為海拔558 m。試驗區內地勢平坦，下伏為第三紀層，上覆第四紀堆積厚度不大，僅為30～50 cm，地表組成物較粗，主要為砂土和沙壤土。年平均太陽總輻射量為546.7 kJ/cm2，4-9月占71.4%。年平均日照時間為2 881 h，其中4-9月占年日照總時數的63%。試驗區多年平均氣溫3.4 ℃，≥10 ℃積溫多年平均為2 904.9 ℃。無霜期較短，多年平均為147 d。試驗區為荒漠戈壁地，氣候干旱，雨水較少，年蒸發量為1 830 mm，多年平均降水量為112.7 mm[9-14]。

1.2　試驗區土壤與農作物

試驗區土壤類型主要為淡棕鈣土，土壤容重為1.618 g/cm3，土壤田間持水量為8.6%，土壤滲吸系數為6.1 mm/min。項目區土壤肥力較差，有機質和全氮含量為0.42%和0.021%，堿解氮、速效磷和速效鉀的含量分別為10、2.5和300 mg/kg。項目區土壤全鹽含量(土水比1∶5)為1.05%，pH值8.4。本試驗小區內灌溉用水主要取自烏倫古河地表水，水質較好，總鹽分為0.34 mg/L，pH為8.2，呈弱堿性。試驗選擇的青貯玉米為新青1號[9-14]。

1.3　試驗設計

研究中水分有4種處理，分別是不受旱(充分灌溉G1)，輕度受旱(G2，灌溉定額見表1，下同)，中度受旱(G3)，中度受旱(G4)；肥料處理有3種，分別是高肥(F1)、中肥(F2)、低肥(F3)。綜合水肥因子后，水肥耦合試驗共有12種處理，見表1。

表1　青貯玉米水肥耦合試驗處理編號

參考類似地區其他作物的膜下滴灌試驗資料和調研數據[9-14]，膜下滴灌灌溉定額為4 500 m3/hm2，因此G1水分處理為4 500 m3/hm2、G2水分處理為3 750 m3/hm2、G3水分處理為3 000 m3/hm2、G4水分處理為2 250 m3/hm2。二銨(225 kg/hm2)作底肥在整地時施入。苗期、拔節期、抽穗期追施氮肥(結晶尿素)180 kg/hm2。青貯玉米不同生育期灌溉水與肥料使用比例見表2。

表2　青貯玉米不同生育期灌溉水與肥料使用比例

2　結果與分析

2.1　水肥耦合青貯玉米不同生育階段生理指標的影響

(1)水肥耦合對玉米生育期的影響。由表3可知，不同水肥處理條件下青貯玉米進入各生育階段基本同步，但是重度受旱處理的青貯玉米拔節期較其他的處理慢，并且在同一水分脅迫下，肥料施用越多，則進入該生育階段越早；而后期與其他處理差異不大。試驗中，青貯玉米不受旱情況下，不同肥料處理水平進入各個生育階段時間基本無差別。

(2)水肥耦合對青貯玉米生理指標的影響。由表4可知，不同受旱條件下，拔節期青貯玉米的株高隨著施肥量的增加而增加。低水分(重旱處理)、中水分(中旱處理)、高水分(輕旱處理)和充分灌溉(不受旱處理)條件下，青貯玉米拔節期株高平均值分別為39.3、51.4、62.3和84.8 cm，灌漿期株高平均值為251.0、246.6、209.6和199.2 cm。對拔節期而言，低水分和中水分和高水分相對于充分灌溉條件下，株高分別下降了53.6%、39%和26.5%；對灌漿期，低水分和中水分和高水分相對于充分灌溉條件下，株高分別下降了1.7%、16.5%和20.6%。拔節期后的青貯玉米，進入生長旺盛狀態，對土壤水分的持續需求進入高峰期。

表3　不同水肥處理下青貯玉米進入不同生育期的時間

表4　青貯玉米不同生育期生理指標和土壤含水量

隨生育期青貯玉米的株高增長呈S形變化。由表4可知出苗期青貯玉米的生長主要集中在根系，拔節期的生長主要包括根系和葉片。青貯玉米抽穗后，生長進入旺盛階段，在高、中、低肥三個水平下，從6月15日到7月25日，玉米平均株高分別從57、57.2、56.6 cm增加到242.9、225.4、211.6 cm，平均每天增高3.7、3.4和3.1 cm/d。抽穗期后期青貯玉米株高的增長逐漸變慢，最終停止增高。其中玉米株高增長最快的處理為高肥輕旱(灌溉量3 750 m3/hm2，施肥量225 kg/hm2)，平均每天增高為4.2 cm/d。

不同水肥條件下青貯玉米平均莖粗和葉面積指數見表4，總體而言，全生育期玉米的莖粗，在不同受旱條件下隨著施肥量的增加而變粗，但是植株成熟后莖粗差別不大。低水分(重旱處理)、中水分(中旱處理)、高水分(輕旱處理)和充分灌溉(不受旱處理)條件下，青貯玉米抽穗期株高莖粗分別為5.2、5.1、5.0和4.9 cm，抽穗期株高平均值為8.33、8.15、8.09和8.00 cm。

葉面積指數是青貯玉米生長過程中的一個重要指標。總體來看，高肥條件下的葉面積指數較大，其中高肥不受旱的葉面積指數最大為6.52；而中肥和低肥條件下，植株在受到不同和脅迫水平下的葉面積指數范圍在4.31～4.94之間，并且葉面積指數差別不大。對青貯玉米而言，葉面積指數在5.0左右，對產量的提高最為有利。抽穗期，在不受旱和輕度受旱條件下，青貯玉米葉面積指數隨施肥量的增加而增大；中旱和受重旱條件下，中肥和低肥的葉面積指數相當。

2.2　青貯玉米產量變化及回歸模型

(1)青貯玉米產量積累動態。青貯玉米不同水肥條件下產量變化見表5，其中高肥不受旱處理的產量最高，達53 946 kg/hm2，其次為中肥不受旱、高肥輕旱的產量較高，分別為46 497.0和44 043.0 kg/hm2。在不受旱和重旱的各個處理中，產量隨施肥量的增加而同步增長；在輕度受旱和中度受旱條件下，其產量均以中肥處理的產量較高。

表5　青貯玉米不同水肥條件產量變化

同一灌溉水平下，不受旱處理的產量最高，平均為45 004.5 kg/hm2，其次是輕旱和中旱處理，平均產量為39 175.5和32 359.5 kg/hm2，重度受旱的產量最低，平均為28 204.5 kg/hm2。輕度受旱與不受旱產量相比，僅減產12.9%，而輕旱與中旱和重旱產量相比，產量增加21%和39%。同一施肥水平下，高肥處理的產量最高，平均為40 377.0 kg/hm2，中肥和低肥的平均產量為38 514.0和29 665.5 kg/hm2。中肥平均產量與高肥相比，僅減產4.6%，而中肥平均產量與低肥平均產量相比，增產30%。

由圖1可知，在不受旱條件下，青貯玉米干物質積累隨施肥量增加而增多，表現為生物量積累過程高肥>中肥>低肥；受輕旱和中旱條件下，干物質積累中肥>高肥>低肥；重旱條件下，干物質積累高肥>中肥>低肥。

圖1　不同水肥條件對青貯玉米干物質累計

(2)產量回歸模型。采用Excel軟件中回歸分析，將水、肥與產量的耦合關系進行了多元回歸分析，得到二元回歸方程：

Y=-373.05+7.36X1+81.41X2

式中：Y為青貯玉米產量，kg/hm2；X1為灌溉定額，m3/hm2；X2為化肥量，kg/hm2。

由回歸方程繪出了三維圖見圖2。采用現有樣本，分析水肥耦合方程回歸方程計算精度(見表6)，方程估計的產量誤差基本都在10%以內，平均誤差6.26%。

圖2　青貯玉米膜下滴灌水肥耦合相關圖

由圖2可看出，當灌溉定額為3 750 m3/hm2，施肥量為150 kg/hm2，青貯玉米產量可達45 000 kg/hm2。當灌溉量、施肥量大于上述量時，青貯玉米產量的增幅不明顯。因此，合理的灌溉量、施肥量應分別是4 200 m3/hm2和195 kg/hm2。將灌溉定額和施肥量與青貯玉米產量進行方差分析發現，不同灌溉定額水平間的差異顯著(F=25.10>F0.01=16.45)，而各施肥量水平間的差異不顯著，這一研究結果表明青貯玉米產量的形成對灌水量的變化更為敏感，其次為施肥量。

表6　青貯玉米水肥耦合方程預測值精度

3　結　語

不同灌水量和施肥量處理下，北疆干旱荒漠地區膜下滴灌青貯玉米的各個生育期時間基本接近；不同土壤含水量條件下，拔節期玉米的株高和莖粗隨著施肥量的增加而增加，抽穗期后莖稈增長趨于緩慢并停止，玉米株高增長最快的處理為高肥輕旱，平均每天增長4.2 cm/d。抽穗期，在不受旱和輕度受旱條件下，青貯玉米葉面積指數隨施氮量的變化而變化；中旱和受重旱條件下，中肥和低肥的葉面積指數相當。

不受旱和重旱條件下，青貯玉米干物質積累隨施肥量增加而增多，表現為生物量積累過程高肥>中肥>低肥；受輕旱和中旱條件下，干物質積累中肥>高肥>低肥。灌溉量在3 750 m3/hm2，施肥量在150 kg/hm2，玉米產量可達45 000 kg/hm2。當灌溉量、施肥量大于上述量時，產量增加幅度不大。通過二元回歸方程，合理的灌溉量、施肥量應分別是4 200 m3/hm2和195 kg/hm2。

參考文獻：

[1]劉曉宏,肖洪浪,趙良菊. 不同水肥條件下春小麥耗水量和水分利用率[J]. 干旱地區農業研究,2006,24(1):56-59.

[2]趙營,同延安,趙護兵. 不同供氮水平對夏玉米養分累積、轉運及產量的影響[J].植物營養與肥料學報,2006,12(5):622-627.

[3]趙滿興,周建斌,楊絨,等. 不同施氮量對旱地不同品種冬小麥氮素累積、運輸和分配的影響[J].植物營養與肥料學報,2006,(2):143-149.

[4]孟翔燕. 玉米膜下滴灌水肥耦合的生物性狀與土壤水分分析[D]. 哈爾濱：東北農業大學,2014.

[5]馮鵬,王曉娜,王清酈,等. 水肥耦合效應對玉米產量及青貯品質的影響[J]. 中國農業科學,2012,45(2):376-384.

[6]楊蕊菊,馬忠明. 水肥耦合對小麥/玉米帶田產量及構成因素的影響[J]. 西北農業學報,2015,24(1):54-59.

[7]溫立玉,宋希云,劉樹堂. 水肥耦合對夏玉米不同生育期葉面指數和生物量的影響[J]. 中國農學通報,2014,30(21):89-94.

[8]王棟,張忠學,梁乾平,等. 黑龍江省半干旱區玉米噴灌水肥耦合效應試驗研究[J]. 節水灌溉,2016,(6):15-18.

[9]劉虎,魏永富,郭克貞,等. 水分脅迫對北疆地區人工牧草產量的影響[J]. 中國水土保持,2015(3):54-57.

[10]劉虎,魏永富,郭克貞. 北疆干旱荒漠地區青貯玉米需水量與需水規律研究[J]. 中國農學通報,2013,(33):94-100.

[11]劉虎,蘇佩鳳,郭克貞,等. 北疆干旱荒漠地區春小麥與苜蓿灌溉制度研究[J]. 中國農學通報,2012,28(3):187-190.

[12]劉虎,蘇佩鳳,王永增,等. 新疆北部荒漠地區春小麥、甜菜需水量與需水規律研究[J]. 干旱區資源與環境,2011,25(11):182-186.

[13]劉虎,魏永富,賈林努爾,等. 北疆地區牧草高效立體種植模式與耗水規律研究[J]. 中國農學通報,2014,30(23):19-25.

[14]劉虎,伊力哈木,郭克貞,等. 北疆地區干旱荒漠草地牧草需水量與需水規律研究[J]. 灌溉排水學報,2011,30(3):132-135.