基于蒸騰估算的不同施肥量對夏玉米生長及產量的影響研究

李 榮，段喜明，張寶忠，周青云

(1.山西農業大學林學院,山西 晉中 030801; 2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038)

0 引 言

作物蒸散量(ETc)作為能量平衡及水循環的重要組成部分，由作物蒸騰(Tc)和土壤蒸發(E)組成[1]。Tc直接影響作物生產力，E不直接參與產量構成[2]。因此，準確區分作物E和Tc的分配占比關系，提高ETc估算精度是進一步優化灌溉用水、合理施肥的關鍵[6,7]。目前，較為常用的方法有Penman-Monteith模型、Shuttle-Wallace模型、雙作物系數法等[3-5]。Penman-Monteith模型不能有效區分Tc和E；Shuttle-Wallace模型參數較多且用于稀疏植被，一些參數的測量影響模型估算精度；雙作物系數法結構簡單，計算時只需考慮氣象條件和作物類型，還可根據實際情況調整相關參數，因此許多專家學者在作物蒸散量研究中運用雙作物系數法。張彥群等[8]在膜下滴灌條件下，利用修正雙作物系數法估算蒸騰研究玉米節水機理。劉春偉等[9]研究作物系數法及FAO-56PM模型估算蒸騰。肖然等[11]研究認為修正雙作物系數法能更好地估算蒸發蒸騰量。在玉米生產中，施肥量影響作物耗水和產量[9,10]，盲目大量施肥不僅造成肥料損失嚴重和水資源浪費，降低了經濟效益，又對生態環境有負面影響[12]。郭金金等[13]在研究不同施氮量對玉米生長及氮素吸收利用中得出結論，玉米產量隨著施氮量的增加先增大后減小，在尿素摻混緩釋氮肥時收獲最大。安江勇等[14]研究表明不同施肥量對玉米品質及產量有顯著影響，根據不同玉米品種合理施肥能增加玉米的產量、促進養分吸收并改善品質，但超過一定施肥量后玉米品質和產量逐漸降低。目前大多研究為蒸發蒸騰量與水分利用效率的關系或施肥量對玉米產量的影響，不同施肥量與作物蒸發蒸騰總量及其分量關系研究較少。

本研究中，運用修正雙作物系數法估算夏玉米全生育期蒸發蒸騰量，并分析不同施肥量下，夏玉米E和Tc的分配占比關系，旨在為北京大興區夏玉米農田精準施肥提供一定理論依據及實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國水利水電科學研究院(北京)大興試驗基地進行，該試驗區地處北緯39°37.25′，東經116°25.51′的北京市南部大興區。該區屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，春冬干旱少雨，年平均氣溫12 ℃左右，全年水面蒸發量1 800 mm以上，多年平均降水量約540 mm，試驗基地土壤為沙壤土，占地約4 hm2，田間持水量為33.4%左右。

1.2 試驗設計

試驗供試夏玉米品種為“紀元168”，于2018年6月15日播種，9月24日收獲，種植密度6 萬株/hm2(株行距30 cm×55 cm)，分12個試驗小區，每個小區面積56 m2。夏玉米整個生育期內施肥2次，基肥施復合肥(總養分為45%，N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，8月8日追施尿素。施肥設置4個水平，每次施肥量為0、225、338、450 kg/hm2，即N1、N2、N3、N4。每種施肥量設置3次重復。生育期內降水基本能滿足夏玉米需水，故各處理除播前灌水60 mm以保證出苗外，整個生育期內均不再進行灌溉，其他田間管理措施一致。

1.3 莖流測定和蒸騰量Tr計算

從夏玉米生長中期(8月初)開始到夏玉米成熟收獲，在各處理中選取長勢良好，莖稈葉片均無損壞的夏玉米植株，安裝Dynamax公司的Flow32A-1K包裹式莖流計，傳感器型號為SGB25。安裝前先去掉玉米底部枯黃的老葉，將傳感器安裝于玉米的莖干基部，距離土壤表面約10 cm處，對植株進行莖流監測。為減小傳感器工作持續加熱對玉米莖稈損傷和防止外部包裹的泡沫吸水導致傳感器損壞及玉米不定根生長對數據測量的影響，每隔1周左右或下大雨之后將傳感器拆下晾干，當天按照順序安裝回原位置。原始莖流數據通過數據采集器(CR1000，Campbell Scientific，美國)每隔15 min 計算一組平均值，并存儲輸出。通過將原始數據與玉米莖稈橫截面積、鞘傳導率等參數進行重計算得到0.25 h的單株水平的莖流速率qi，其中夏玉米的莖流密度以純水密度(1.0×103kg/m3)計。

莖流測定日蒸騰量Tr可由下式計算[15]：

Qj=0.25 ∑qi

(1)

Tr=∑Qj/(10A)

(2)

式中：Qj為夏玉米單株日蒸騰量，cm3/d；qi為0.25 h的單株水平的莖流速率，g/h；Tr為夏玉米測定蒸騰量，mm/d；A為樣地面積，cm2。

1.4 FAO-56PM法計算蒸散量ETc-F

蒸散量ETc-F可由下式計算：

ETc-F=KcET0

(3)

式中：ETc-F為作物蒸散量，mm/d；Kc為作物系數(FAO56分冊的推薦值)；ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d。

ET0的計算公式如下[8,16]：

(4)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；Rn為2 m高度處凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數，kPa/℃；T為2 m高處的日平均氣溫，℃；u2為2 m高處的風速，m/s；es-ea為飽和水汽壓差，kPa。

1.5 修正雙作物系數法計算ETc

試驗中，要獲得夏玉米全生育期的蒸騰量，需要用雙作物系數法估算(FAO分冊中介紹)。

雙作物系數法計算作物蒸騰量的公式為：

Tc=KsKcbET0

(5)

式中：Tc為作物蒸騰量，mm/d；Ks為水分脅迫系數，本試驗中夏玉米生長季為夏季，雨量充足，播前充分灌水，未涉及土壤水分虧缺，所以Ks為1；Kcb為基礎作物系數。

夏玉米全生育期可分為4個生長階段：生長初期，快速生長期，生長中期，生長后期。各生育階段之間的Kcb可以通過 FAO56 分冊的推薦值，即Kcbini(生長初期)、Kcbmid(快速生長期、生長中期)和Kcbend(生長后期)之間的線性插值得到，需要根據當地氣象因子調整：

Kcb=Kcb(Tab)+[0.04(u2-2)-

(6)

式中：Kcb(Tab)為FAO56分冊推薦值[15]；RHmin為日最小相對濕度，%；h為冠層平均高度，m。

本試驗中，以生長中后期的夏玉米莖流實測值計算得到的日蒸騰量Tr為基準，根據式(7)對Kcbmid進行修正，得到修正的中期基礎作物系數Kcbmid-a。同理得到修正后的后期基礎作物系數Kcbend-a。即：

Kcbmid-a=Tr/ET0

(7)

各個生育期之間的Kcb可由Kcbini、Kcbmid-a和Kcbend-a線性插值得到。從而得到夏玉米全生育期的蒸騰量Tc，結合土壤蒸發E的實測值，得到全生育期的夏玉米蒸發蒸騰量ETc。

1.6 土壤蒸發量E的測定

采用聚氯乙烯(PVC)管(內桶直徑10 cm，壁厚0.4 cm，高17 cm)自制微型蒸發器(MLS)，由套桶和內桶組成，套桶直徑略大于內桶外徑，高度與內桶相同，選取試驗田中央位置，將內桶打入并鉆取原狀土，底部削平，用紗布封底，然后將內桶與套桶一起放入土孔。每日17∶00取出，利用電子天平(精度0.01 kg)稱量后放回，2次稱量結果之差即為蒸發水量損失[7]。通過式(8)計算得到土壤蒸發量E。

(8)

式中：E為土壤蒸發量，mm/d；M1、M2分別為連續2 d蒸發器的重量，g；r為蒸發器半徑，cm；10為單位轉換因子。

1.7 其他氣象因子的測定

太陽輻射、空氣溫濕度和風速等氣象因素由安裝于試驗站的渦度相關系統(Campbell Scientific Inc，USA)及小型氣象站每隔30 min自動測取。

1.8 作物生長指標及產量測定

(1)株高、莖粗和葉面積指數(LAI)的測定。每個小區選取3株具有代表性的植株，每5 d人工測量一次。

(2)產量的測定。每個小區選取1 m2樣方進行考種，并測定百粒重。采用Duncan多重比較法對株高、莖粗、LAI和產量等進行數據統計分析和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 夏玉米全生育期ETc的估算

圖1 莖流測定蒸騰量Tr與ET0

圖2 莖流測定蒸騰量Tr與ETc-F

圖3 不同施肥量下莖流測定Tr、E之和與ETc-F相關關系

表1 莖流測定Tr、E之和與ETc-F的一元線性模型相關關系

從圖4中可以看出，ETc-F在夏玉米生長初期明顯低于雙作物系數法計算的ETc，結合圖2可知，ETc-F在前期低估了土壤蒸發量E，生長初期夏玉米植株低矮，葉面積較小，試驗田土壤裸露較多，太陽輻射直接照射到田間裸土，導致土壤蒸發量E升高，而夏玉米實際植株蒸騰量Tc低于土壤蒸發量E值，因此，生長初期夏玉米ETc主要表現為土壤蒸發量E。而到了快速生長期和中期，2種計算方法得到的ETc、ETc-F都呈現上升的趨勢，由于FAO推薦的Kcb值從0.15增加到1.15，其計算值明顯上升，ETc-F高于ETc值，ETc更加接近于實測值。生長后期，2種計算方法得到的日蒸散量ETc、ETc-F值相對接近，ETc-F介于不同施肥量的夏玉米ETc率定值之間。

圖4 不同施肥量夏玉米率定后ETc與ETc-F

2.2 不同施肥量對夏玉米蒸騰量Tc的影響

圖5為夏玉米全生育期不同施肥量的蒸騰量Tc。可以看出，不同肥處理水平的夏玉米蒸騰量Tc在各個生長階段有所差別，總體上生長初期和生長后期均低于生長中期，這是由于生長初期，夏玉米植株剛剛出苗，株高、葉面積等較小，生長較為緩慢，植株蒸騰量較低。生長中期，夏玉米正處于拔節、抽穗、灌漿等生長旺盛期，隨著植株株高、葉面積指數、氣溫等增加，植株蒸騰量也隨之增加。夏玉米成熟等生長后期，由于植株株高等不再生長，葉黃枯萎，葉面積指數呈緩慢下降趨勢，導致夏玉米植株蒸騰量Tc的下降。

從各生長期來看，生長初期N1與N4處理下Tc相重合，高于N3、N2處理且N3>N2，表明這一時期，肥力的效果不是很明顯，高肥與0肥處理Tc幾乎相同，反而中間肥量處理Tr更低。而試驗田夏玉米種植前均經過等量灌溉，水分相對充足，水分對植株生長起到了主導作用，掩蓋了不同施肥量的差異性。到了生長中期，隨著田間水分的損耗，肥力的效果逐漸表現出來，N4高肥處理的夏玉米植株Tc最高，而在初期與之相同的N1處理Tc逐漸下降，生長中后期低于N2、N3、N4，4種肥處理Tc整體表現出N1

圖5 全生育期不同施肥量的蒸騰量Tc

2.3 不同施肥量對夏玉米蒸散量ETc的影響

在整個夏玉米生育期內，蒸散量ETc先升高，后降低。由圖6可知，7月9日ETc較低，7月12日左右，ETc出現峰值，N4高肥處理達到了12.16 mm/d。由圖7可知，土壤蒸發量E在生長初期較高，生長中期、后期較為平穩，低于生長初期，且生長后期最低。這是由于生長初期夏玉米植株低矮，植被覆蓋度小，土壤裸露面積較大，夏玉米植株根系埋深比較淺，吸收水分能力不足，從而影響E值較大。N4高肥處理的土壤蒸發量E最高，可能由于肥料遇水溶于土壤后，氮離子等濃度上升，導致水分子滲透壓上升，加之植株根系不發達，吸水能力差，土壤中多余的水分被蒸發，從而影響E值的增加。

生長初期ETc與E變化趨勢基本相同，E對ETc的影響大于Tc，N4處理ETc最高，N2處理較低，N1、N3處理居中。到了夏玉米生長中期，隨著葉面積指數增大，E下降、Tc上升，8月份Tc達到最高值，且N4處理最高，為8.67 mm/d，而E在此階段相對較低，不同肥處理E也較相近，Tc對ETc的影響大于E，Tc占主導。這與李豐琇等的研究結果一致[17]。不同施肥量對Tc影響較大(N1

圖6 不同施肥量的蒸散量ETc

圖7 不同施肥量的土壤蒸發量E

夏玉米全生育期ETc隨著施肥量的增加而增加(見圖8，ETc,N1N2>N1，降低土壤蒸發量E比例。但施肥過高導致Tc占比降低，E占比最高，N4處理(Tc/ETc=62.96%)低于其他肥處理。綜上所述，適當施肥可以提高Tc在ETc中的所占比例，降低E的消耗，從而使水分消耗向增加作物產量的方向分配(N3處理)。

圖8 年蒸發量和蒸騰量

圖9 年蒸發量和蒸騰量占ETc的百分數

2.4 不同施肥量對夏玉米生長及產量的影響

不同施肥量影響夏玉米生長、產量(以百粒重計算)(P<0.01)。株高、莖粗不同處理差異不顯著，但從不同施肥量的株高來看，N3>N1>N4>N2，N4株高比N1低。從莖粗平均值來看，N4>N3>N1>N2，N4莖粗值最大。產量、最大葉面積指數在不同施肥量下差異均較顯著(P<0.01)。產量(百粒重)N3>N2>N4>N1，N3產量比N1高16.9%，N3產量比N4高9.6%(見表2)，表明不同施肥量對產量具有一定影響，夏玉米產量隨著施肥量的增加，表現出先增加后減少的趨勢。施肥量過多或太少，都會降低玉米產量。施肥量過多，不僅會造成氮肥的浪費還會降低玉米的產量，而施肥量過少又會抑玉米的生長，這與馬少帥等的研究結果相一致[18]。施肥量的大小不僅影響夏玉米耗水量大小，還直接影響最終產量。合理的施肥量可以有效提高作物產量，有效控制過度施肥導致資源浪費，可實現節約水資源與高產雙向效益[19,20]。

表2 不同施肥量夏玉米田間生長指標、產量(百粒重)比較

注：不同小寫字母表示P<0.01處理間差異顯著。

3 結 論

本文利用修正雙作物系數法估算夏玉米全生育期蒸發蒸騰量，分析了不同施肥量對夏玉米蒸發量和蒸騰量及產量的影響，得到如下結論。

(1)夏玉米生長初期，施肥量對Tc的影響不明顯。生長中期，施肥量大，Tc相對較大。生長后期，N2處理Tc最高，N4最低。E在生長初期較高，生長中期、后期較為平穩。生長初期E對ETc的影響大于Tc，N4處理ETc最高，N2處理最低。生長中期Tc對ETc的影響大于E，不同施肥量對Tc影響較大(N1

(2)不同施肥量影響夏玉米生長、產量(以百粒重計算)(P<0.01)。產量(百粒重)N3>N2>N4>N1，N3處理比N1處理產量高16.9%，N3處理比N4處理產量高9.6%。施肥量過多或太少，都會降低玉米產量。

(3)適當施肥可以提高Tc在ETc中的所占比例，降低E的消耗，從而使水分消耗向增加作物產量的方向分配(N3最高Tc/ETc=67.53%)。