管渠自動控水灌溉施氮量對夏玉米產量、 氮素吸收利用的影響

李英豪，張 政，朱吉祥，馮 健，吳可清，馮 哲，劉香花，王春堂*

（1.山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.青島平度市水利勘察設計院， 山東 青島，266700；3.平度市水利水產局農水科，山東 青島，266700）

0 引 言

【研究意義】農業高效用水、科學配方施肥關系到國家的供水安全、糧食安全、經濟安全和生態安全。但我國仍未從根本上解決水資源時空分布不均、水旱災害頻發等老問題。同時，又出現了水資源短缺、水生態損害、水環境污染等一系列新問題[1]。全國土地利用數據預報結果顯示，截至2016 年末，全國耕地面積為1.349 566×108hm2[2]，耕地總量僅為全球耕地面積的7.5%，人均耕地面積為0.093 hm2，是世界平均水平的40%，然而我國人口占世界人口的18.7%[3-4]。因此，提高糧食綜合生產能力，切實保障國家糧食安全生產成為重中之重。

聯合國糧農組織的相關數據表明，由于施肥技術的落后，導致我國肥料對于農作物的增產貢獻率只有30%～40%，遠低于世界范圍內40%～60%的標準[5]。2016 年我國農業從業人員文化程度以小學和初中為主，占比為85.4%，文化程度過低、缺乏創新技術使得我國農業灌水施肥中還普遍存在大水漫灌、盲目施肥等現象，不僅造成水肥資源的嚴重浪費，同時也帶來了水環境惡化、水質和土壤污染等問題，進一步加劇了國家的糧食安全問題[6]。同時由于我國科學普及水平不高，大部分農戶還是以手工撒施氮肥或撒施后灌水為主[7]。

據聯合國糧農組織統計，化學氮肥的施用對世界糧食產量的增加起著關鍵作用[8-9]。研究表明，氮肥的當季利用率僅在30%左右，除被植物吸收利用和殘留在土壤中的氮肥，大部分通過徑流、淋溶、氨揮發、硝化和反硝化作用等多種途徑損失，并進入大氣和水體中，造成土壤酸化、次生鹽漬化加重，造成土壤養分比例失調，作物發病率升高，農產品品質下降[10-11]。

【研究進展】虧缺灌溉、交替灌溉等技術在農業生產實踐中節水效益顯著[12]，輕度干旱脅迫條件下植株氮肥利用率隨施氮量的增加先增加后降低[13]，交替灌溉通過植物根系生長地向水性和植物的補償性生長促進植物根系生長，通過對植物根系進行干濕交替鍛煉來增強根系的吸水性能，從而影響作物的生長發育[14]。以上都是傳統的地面灌溉，無法從根本上解決長畦灌水難、深層滲漏量大、灌水均勻度差、可控性差等難題。近年來噴灌、微灌等灌水技術得到了一定程度的發展，在節水的同時能夠提高作物產量和氮肥利用率。但噴灌需要大量設備和管材，基建投資較高，且要求工作壓力較高，能耗大；而微灌易堵塞，對水質要求較嚴，能耗過高，使用壽命過低[15]。受我國國情影響，以畦灌和溝灌為主的地面灌溉仍是我國主要的灌水方式。

【切入點】鞠茜茜[16]研究發現管渠自動控水灌溉與畦灌、波涌灌溉相比，可分別節水31.11%和10.44%，灌水均勻度提高31.1%和13.5%，產量提高11.7%和5.5%。管渠自動控水灌溉技術是一種新型的灌水技術，雖然已經研發了初步的管渠地面灌溉系統，并進行了初步試驗，但該技術研究目前尚處在起步階段，國內外未見到相關的報道。【擬解決的關鍵問題】本文在前人研究的基礎上，探究管渠自動控水灌溉條件下施氮量對夏玉米產量及水氮利用效率的影響，為提高黃淮海地區夏玉米產量和肥料利用效率、為夏玉米高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗原理

管渠自動控水灌溉是將管渠（頂部開敞的圓缺型輸水管槽，如圖1 所示）布設在具有一定坡度的畦田中間，在管渠中設置與管渠內壁吻合的球體塞閥，通過拉動牽引繩控制塞閥在管渠內勻速移動，靠其阻擋作用，使管渠內水流在塞閥上游產生溢流，因供水流量不變，溢流段在灌水方向上沿管渠兩側均勻移動，使灌溉水在大田縱向上等量均勻分布，灌溉水在大田內只是完成橫向擴散，擴散距離只有畦寬的一半，提高了灌溉水在大田橫向上的分布均勻度，節約灌溉用水，提高了水分利用效率。

1.2 試驗材料

本試驗于2019 年在山東省泰安市馬莊鎮和山東農業大學作物生物學國家重點實驗室進行，供試材料為鄭單958，本試驗為大田試驗，試驗區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，年平均降水量687.7 mm，年平均氣溫12.8 ℃，年最高氣溫42.2 ℃，最低氣溫-23.7 ℃，主要土壤類型為壤土，耕層為0～20 cm 土壤，pH 值6.81，有機質量11.84 g/kg、全氮量0.79 g/kg、堿解氮量89.43 mg/kg、速效磷量58.11 mg/kg、速效鉀量116.65 mg/kg。

圖1 管渠自動控水灌溉系統 Fig.1 Automatic pipe channel-control irrigation system

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，小區面積1.8 m×120 m=216 m2，管渠自動控水灌溉條件下以不施氮處理為對照組（W-N0），設置農民傳統施氮（W-N1），減氮25%（W-N2），減氮50%（W-N3），畦灌條件下設置農民傳統施氮（B-N1），每個處理重復3 次。氮、磷、鉀肥分別選用尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%），播前底施總施氮量的40%和P2O5、K2O 各120 kg/hm2，于大喇叭口期開溝追施。種植密度為63 000 株/hm2，行距53 cm，株距30 cm，其他管理措施同一般高產田。2019 年6 月16日播種，10月3日收獲，生育期內總降雨量為246.5 mm，管渠自動控水灌溉總灌水量為188.3 mm，畦灌總灌水量為269.0 mm，灌水詳情見表1，降雨詳情見圖2。

表1 夏玉米生育期灌水量和灌水總量 Table 1 The amount of irrigation water and the total amount of irrigation water of summer maize mm

圖2 夏玉米生育期內降水量 Fig.2 Precipitation in summer corn growing period

1.4 測定項目與方法

1.4.1 含氮量的測定

分別于拔節期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、成熟期（R6）取樣，觀察各個時期不同處理的夏玉米的生長趨勢及差異，并選取具有代表性VT 和R6 2 個時期進行分析。每個小區分別選取距畦首0～40、40～80、80～120 m的代表性植株4 株，取植株地上部分，拔節期地上部分整株保存，大喇叭口期和抽雄期植株分為葉片、莖鞘，乳熟期和成熟期植株分為葉片、莖鞘、籽粒、穗軸，105 ℃殺青，80 ℃烘干至恒質量，測定干物質積累量。研磨成粉之后過0.25 mm 孔徑篩，采用凱氏定氮法測定含氮量。

1.4.2 土壤含水率

于夏玉米的整個生育期內，每隔5 d 采用TDR法測定小區20、60、100 m 處0～100 cm 的土壤含水率，降雨前后加測。

1.4.3 測產

每個處理分別選取距畦首0～40、40～80、80～120 m 的田塊中長勢均勻的地段，每個地段的面積為1.8 m×4 m=7.2 m2，選取10 株具有代表性的夏玉米進行室內考種，測量穗粒數和千粒質量，并將地段內全部夏玉米收獲脫粒，自然風干至籽粒含水率為12.5%左右，測定產量及其構成因素。

1.5 植株干物質、氮素積累與轉運

氮素相關指標的計算方法參照文獻[17-19]。

1.6 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 整理和計算數據，用SPSS Statistics 25 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 夏玉米干物質積累

表2 為不同生育時期夏玉米干物質積累，由表2可知，W-N0 處理莖稈、葉片及籽粒干物質積累量均低于其他施氮處理，相較于W-N0 處理、W-N1 處理、W-N2 處理和W-N3 處理抽雄期群體干物質積累量分別增加14.22%、13.32%和7.65%，莖稈干物質積累量分別增加10.53%、10.33%和6.50%，葉片干物質積累量分別增加21.00%、18.41%和10.14%，W-N1處理、W-N2 處理和W-N3 處理完熟期群體干物質積累量分別增加25.03%、18.51%和11.13%，莖稈干物質積累量分別增加11.03%、9.91%和3.5%，葉片干物質積累量分別增加43.15%，24.22%和13.97%，籽粒干物質積累量分別增加28.61%、22.06%和14.50%。與B 灌水模式相比，W 灌水模式下N1、N2、N3 施氮水平可以提高籽粒在成熟期干物質中的分配比例，W-N1 處理和B-N1 處理的莖稈、葉片的干物質積累量、W-N2 處理和B-N1 處理的籽粒干物質積累量均無顯著差異。

2.2 開花后干物質積累量

表3 為不同處理開花后干物質積累量，由表3 可知，施用氮肥有利于夏玉米花后干物質的積累，相較于B 灌水模式，W 灌水模式更有利于夏玉米花后干物質的積累，W 灌水模式下，N1 施氮水平的花后干物質積累量明顯高于N0、N2、N3 施氮水平，隨著施氮量的減少，花后干物質積累量明顯降低，相較于W-N0 處理，W-N1、W-N2 和W-N3 處理花后干物質積累量分別提高30.32%、21.04%和12.83%。

2.3 氮素積累與轉運

表4 為抽雄后營養器官氮素向籽粒中的轉運，由表4 可知，W-N0 處理在抽雄期和完熟期的莖稈、葉片氮素積累量明顯低于其他處理。B-N1 處理、W-N1處理、W-N2 處理抽雄期莖稈、葉片氮素積累量無顯著性差異。W 灌水模式下，相較于N0 處理，N1、N2、N3 處理營養器官轉運量分別提高4.6%、20%、9.5%，N1、N2 處理抽雄期營養器官氮素積累量無顯著性差異，N2 處理營養器官氮素轉運量最高，N0 處理花前營養器官氮素轉運效率和花前營養器官氮素轉運量對籽粒的貢獻率明顯高于其他處理，W-N1 處理和B-N1 處理抽雄期營養器官氮素積累量和營養器官氮素轉運量無顯著性差異。

表2 不同生育時期夏玉米干物質積累 Table2 Dry matter accumulation of summer maize at different growth stages

表3 不同處理開花后干物質積累量 Table3 Dry matter accumulation after anthesis of different treatments

表4 抽雄后營養器官氮素向籽粒中的轉運 Table4 Transport of nitrogen from vegetative organs to grains after tasseling

表5 氮肥利用率、偏生產力和氮素收獲指數 Table5 NUE、NPFP and NHI

2.4 氮肥利用效率

表5 為氮肥利用率、偏生產力和氮素收獲指數，由表5 可知，氮肥有利于夏玉米植株氮素和籽粒氮素的積累，W-N1 處理植株氮素總積累量和籽粒氮素積累量和W-N3 處理氮肥偏生產力顯著高于其他處理，各處理的氮素收獲指數無顯著差異。N1 施氮水平下，W-N1 處理氮素總積累量、籽粒氮素積累量、氮肥利用率和氮肥偏生產力均顯著高于B-N1 處理。W 灌水模式下，相較于N0 處理，N1、N2、N3 處理氮素總積累量分別提高52.15%、38.76%、22.43%。在W 灌水模式下N1 和N2 處理氮肥利用率無顯著性差異。

3 討 論

氮肥是可持續發展農業不可缺少的生產資料，施用氮肥有利于作物籽粒蛋白質量的提高，其對作物的生長和代謝有重大影響[20]。但氮肥施用量并不是越高越好，國內外大量試驗證明肥料的增產效應往往符合二次拋物線的形式[21]。本研究表明，W-N1 處理在完熟期干物質積累量比B-N1 處理高出3.23%，產量提高5.46%，本結果與鞠茜茜[16]研究一致，主要原因是畦灌的施肥方式為地表撒施，撒施氮肥后再進行灌溉使灌溉水流對氮肥產生沖刷，造成肥料在田面的分布不均，而管渠自動控水灌溉氮肥分布均勻，從而提高了產量，花后干物質積累量提高6.1%，氮素總積累量和氮肥利用率分別提高7.79%和26.69%，結合本人研究結果和前人研究表明管渠自動控水灌溉不僅可以節水，而且有利于籽粒產量的增加和花后干物質的積累。合理的施用氮肥可以減少氮素損失、提高產量和氮肥的利用效率，本試驗結果表明，氮肥施用量對夏玉米產量有著顯著影響，管渠自動控水灌溉減少25%的氮肥施用量，籽粒產量、籽粒氮素積累量和植株氮素積累量與畦灌傳統施氮處理無顯著性差異，且氮肥利用率較于畦灌傳統施氮處理提高25.54%，主要原因是管渠自動控水灌溉氮肥分布均勻，能夠提高氮肥的利用效率，促進作物對氮肥的吸收利用。W 灌水模式下施氮量與產量呈線性關系，產量、花后干物質積累量和氮肥利用率隨著施氮量的增加而增加，并沒有出現明顯的轉折，但減氮25%與傳統施氮的氮肥利用率無明顯差異，轉折點可能在施氮量為225～300 kg/hm2之間，且較為接近300 kg/hm2，產生的負面效果不明顯。本研究結果說明管渠自動控水灌溉能提高氮肥的利用率，增加作物產量氮肥最佳施用量在225～300 kg/hm2且較為靠近300 kg/hm2。因此，在管渠自動控水灌溉情況下可以考慮適當減少氮肥的施用。研究中氮肥的最佳施用量的范圍有待進一步縮小，水肥耦合方面可以進一步研究。

4 結 論

管渠自動控水灌溉相較于畦灌更有利于夏玉米花后干物質的積累和氮素的吸收利用，從而顯著提高夏玉米產量和氮肥利用率。

在管渠自動控水灌溉情況下可以考慮適當減少氮肥的施用量，將氮肥施用量控制在 225～300 kg/hm2。