灌溉方式、灌水量及施氮量對小麥、玉米周年水分利用的影響

楊永輝, 武繼承, 高翠民, 張潔梅,潘曉瑩, 何 方, 王 越, 王 蕓

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所, 鄭州 450002; 2.農業部 作物高效用水原陽科學觀測站,河南 原陽 453514; 3.河北廣播電視大學 數字化學習資源中心, 石家莊 050080)

采用節水灌溉技術可有效實現節水、提高水資源利用率、土地產出率和勞動生產率，從而促進農民增產增收。眾多研究表明[1-3]，噴灌技術有著其獨特的優越性。噴灌較傳統灌溉具有明顯的節水、省工、省時，減少水肥滲漏等特征。噴灌能夠減少對土壤結構的浸泡而導致土壤團聚體破裂，進而導致土壤結構的破壞，促進土壤水分緩慢均勻入滲，增強表層土壤保水效果，提高土壤含水量[4]，實現培肥土壤[5]。噴灌可有效降低空氣溫度，并增加空氣濕度，從而對農田溫濕度具有調節作用，促進作物光合速率提高，蒸騰強度降低[6]，提高單位水分利用效率。同時，噴灌利于作物根系集中于表層，更適合作物生長需要[7]，從而減少作物對深層土壤水分的消耗，改善土壤的水分環境。此外，噴灌還可增加作物葉面積指數，提高其葉片光合能力[8-9]，協調作物生長發育，促進作物干物質的積累、分配和轉運[10]，提高作物產量和水分利用效率[11-14]。但是前人主要是針對小麥季或玉米季單獨進行研究，較少考慮小麥、玉米周年水肥運籌與管理。

本文采用地面灌和噴灌并結合不同施氮量研究小麥、玉米周年生長過程、生理機制及水肥利用特征，分析不同灌溉方式下小麥不同生育期內土壤儲水量、光合生理特征以及小麥、玉米周年水分利用特征，為探明噴灌條件下小麥、玉米周年節水增效機制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

農業部原陽科學觀測試驗站地處黃河北岸新鄉市原陽縣南部的河南省農業科學院現代農業科技試驗示范基地內，位于107國道與鄭焦高速公路的夾角地帶，平均海拔85 m，年均氣溫14.3℃，年均降水量556 mm，全年無霜期227 d。試驗地土壤為壤質潮土，肥力均勻，地勢平坦，耕層有機質12.6 g/kg、全氮1.08 g/kg、速效氮80.1 mg/kg、速效磷18.2 mg/kg、速效鉀120.9 mg/kg。該區種植方式為小麥、玉米輪作。

1.2 試驗方案

本試驗于2017年10月15日小麥播種開始，于2018年9月30日玉米收獲時結束，小麥收獲后玉米種植在對應的前茬小麥小區內。灌溉方式為：(1) 地面灌，采樣白色塑料軟管，水頭直接通入試驗小區進行灌溉。(2) 噴灌，噴灌口固定于田間，待灌水時，將噴灌支架等插入田間預留的噴灌槽內，噴灌頭的高度距離地面1.5 m。

(1) 氮肥設計：(小麥)N 180 kg/hm2，N 240 kg/hm2，N 270 kg/hm2；(玉米)N 210 kg/hm2，N 270 kg/hm2，N 330 kg/hm2；施肥方式為底施60%+追施40%，追施時期為拔節期(小喇叭口)25%+灌漿15%。

(2) 灌水設置：小麥為返青拔節，抽穗揚花，灌漿(玉米為小喇叭口，大喇叭口，灌漿)，每次灌水450 m3/hm2。即，地面灌與噴灌施肥、灌水量相同。

小麥水肥處理設置為：N180+3水、N240+3水、N270+3水、N180+2水、N240+2水、N270+2水、N180+1水、N240+1水、N270+1水、N180不灌水、N240不灌水、N270不灌水。

玉米水肥處理設置為：N210+3水、N270+3水、N330+3水、N210+2水、N270+2水、N330+2水、N210+1水、N270+1水、N330+1水、N210不灌水、N270不灌水、N330不灌水。

小麥、玉米周年水肥組合為：N180+N210+各3水、N240+N270+各3水、N270+N330+各3水、N180+N210+各2水、N240+N270+各2水、N270+N330+各2水、N180+N210+各1水、N240+N270+各1水、N270+N330+各1水、N180+N210+不灌水、N240+N270+不灌水、N270+N330+不灌水。

小麥、玉米兩季，分別施用P5O2135 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2，與底施氮肥一起底施。在小麥播種前和玉米播種后分別灌了底墑水，灌溉量為450 m3/hm2，其他時期均按試驗處理進行水肥管理。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 凈光合速率測定 光合參數采用美國Li-Cor公司生產的Li-6400光合儀測定。在小麥抽穗期(4月5日)和灌漿期(2018年5月16日)選擇晴朗無風的天氣于9：30—11：00進行光合參數的測定。測定葉片部位為小麥旗葉。

1.2.2 葉片SPAD值測定與產量計算 在小麥灌漿期采用日本原裝生產的相對葉綠素儀測定葉片的SPAD值。小麥以每小區收獲6 m2產量記產，玉米以每小區3行玉米產量記產，將其產量折合成每hm2產量。

1.2.3 土壤水分測定與水分利用效率、灌水利用率計算 在小麥播分蘗期、越冬期、返青期、抽穗期、灌漿期、收獲期和玉米收獲期，采用土鉆獲取0—100 cm土層(0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)土壤，放入烘箱中105℃烘24 h，測定含水量，進而得知0—100 cm土層土壤儲水量。并計算生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率。

W=A+B+C-D

(1)

WUE=Y/W

(2)

IUE=(Yi-Y0)/I

(3)

式中：W為全生育期耗水量(mm)；A為播種前0—100 cm土層土壤儲水量(mm)；B為生育期內降雨量(mm)；C為生育期內灌水量(mm)；D為收獲時0—100 cm土層土壤儲水量(mm)；WUE為水分利用效率[kg/(mm·hm2)]；Y為籽粒產量(kg/hm2)；IUE為灌水利用率(kg/mm3)；Yi為灌水處理子粒產量(kg/hm2)；Y0為未灌水處理產量(kg/hm2)；I為作物生育期內總灌水量(m3)。

1.3 數據處理

光合值為9次重復(在每處理3個重復內分別測定3次樣品)的平均值，其他結果為3次重復的平均值，且所得的數據應用SPSS 19.0進行處理。

2 結果與分析

2.1 小麥、玉米生育期內降雨量

從小麥、玉米生育期內降雨量可看出(圖1)，在小麥播種后降雨量逐漸增多，有利于小麥的出苗，但從分蘗期開始到返青期前幾乎沒有有效降水，從抽穗期開始降雨逐漸增多，一直到小麥收獲。玉米播種后降雨主要集中在7月份，之后逐漸減少。小麥生育期內總降雨量為217.4 mm，玉米生育期內降雨量為298.7 mm，小麥玉米生育期內總降雨量為516.1 mm，比往年平均降雨總量減少了40 mm左右。

圖1 小麥、玉米生育期內降雨分布特征

2.1 不同灌水施肥處理對小麥葉片SPAD值特征的影響

從圖2中可知，灌漿期的SPAD值明顯高于抽穗期。在不同生育期噴灌不同水肥處理的小麥葉片SPAD值均高于地面灌。在抽穗期，在灌3水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值逐漸增加，而噴灌條件下逐漸降低；在灌2水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值先增后減，而噴灌條件下為逐漸增加；在灌1水條件下，兩種灌水方式均隨施氮量的增加表現為逐漸增加的趨勢。在灌漿期，在灌3水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值變化不明顯，而噴灌條件下逐漸增加；在灌2水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值逐漸降低，而噴灌條件下為先增后減；在灌1水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值先降低后增加，而噴灌條件下為逐漸增加的趨勢。在兩個生育期，在不灌水條件下，隨施氮量的增加，小麥葉片SPAD值均為先增加后降低的趨勢。相同氮肥用量條件下，除灌漿期噴灌條件下外，隨灌水量的增加，小麥葉片SPAD值呈降低趨勢。整體來看，適度干旱和適宜的施氮量更利于提高小麥葉片的SPAD值，且也中氮水平效果較佳。而噴灌較地面灌更利于小麥葉片SPAD值的提高，但中氮不灌水處理小麥葉片的SPAD值提高更為明顯。

圖2 不同灌水施肥處理小麥不同生育期小麥葉片SPAD值分析

2.2 不同灌水施肥處理對小麥光合生理特征的影響

從圖3中可知，灌漿期小麥的光合速率明顯高于抽穗期。地面灌和噴灌不同水肥處理的葉片光合速率均高于地面灌，且均高于不灌水處理。噴灌各處理的光合速率均高于地面灌。在抽穗期，在地面灌條以N240+2水處理的光合速率最高，而噴灌以N180+2水處理更高；在高水(3水)條件下，隨施氮量的增加光合速率明顯提高；在灌1水和2水條件下隨施氮量增加變化規律并不一致。在灌漿期，在兩種灌溉方式下，均以N270+3水處理的光合速率最高，其次為N180+1水處理；在灌3水和不灌水時，隨氮肥用量的增加，小麥的光合速率呈增加趨勢；在噴灌條件下，灌1水時，隨施氮量的增加，光合速率呈下降趨勢。在地面灌條件下，在灌1水和2水時小麥光合速率表現為先降后增的趨勢。綜上，噴灌較地面灌更利于提高小麥葉片的光合速率，促進干物質積累。

圖3 不同灌水施肥處理小麥光合生理特征分析

2.3 不同灌水施肥處理對小麥不同生育期儲水量的影響

從圖4和圖5中可知，隨生育期的推進，小麥儲水量表現為先降后增再降而再增的趨勢，抽穗期的儲水量最高，而灌漿期土壤儲水量最低。噴灌條件下各處理變化差異較大。在地面灌條件下(圖4)，不同生育期以N240+3水處理的土壤儲水量較其他處理高，在抽穗期到收獲期以N270+2水處理均低于其他處理。在噴灌條件下(圖5)，在返青期前，不灌水處理明顯低于其他處理。在返青期和抽穗期，均以N270+2水處理土壤儲水量最高，其次為N240+2水處理和N270不灌水處理。隨生育期的推進，各處理間的土壤儲水量差異逐漸增大，高氮高水的處理水分消耗較大，因此，儲水量明顯低于其他處理。在兩種灌水條件下，高氮不灌水處理在收獲期的儲水量均較高。

圖4 地面灌不同灌水施肥處理小麥不同生育期儲水量分析

圖5 噴灌不同灌水施肥處理小麥不同生育期儲水量分析

2.4 不同灌水施肥處理對小麥成產要素及水分利用的影響

從表3中可知，在地面灌條件下，隨灌水量的增加，小麥的株高、小穗數、及千粒重表現為先增加而后降低的趨勢；而穗粒數呈增加趨勢；千粒重隨灌水量的增加表現為先降低后增加而后降低的趨勢，灌2水更利于提高小麥的千粒重。在低氮(N180)和中氮(N240)水平，隨灌水量的增加，小麥產量表現為先增加而后降低的趨勢；在高氮(N270)水平，小麥產量隨灌水量的增加而增加。各處理中，以中氮結合灌水2次(N240+2水)的產量水平最高，為8 768.9 kg/hm2。不同水肥處理中以N180+1水的灌水利用率最高，其次為N180+2水處理，而水分利用效率以N240+2水處理最高，其次為N270+2水處理和N180+1水處理，說明適宜的灌水可有效提高小麥灌水利用率，促進節本增效，有利于土壤水分環境的改善。

從表4中可知，在噴灌條件下，隨灌水量的增加，小麥的株高呈增加趨勢，而小穗數、穗粒數及千粒重均表現為先增加再降低的趨勢。在灌水量相同的條件下，小麥株高隨氮肥用量的增加表現為先增加再降低的趨勢，其他指標表現并不一致。各處理中，以N240+1水處理的小麥產量最高，其次為N180水平。小麥的灌水利用率以N180+1水處理最高，其次為N240+1水處理，N180+2水處理和N270+1水處理，而水分利用效率以N240 +1水最高，其次為N180 +1水和N270 +2水處理。與地面灌相比，噴灌更利于提高小麥的產量、水分利用效率及灌水利用率。

表3 地面灌條件下小麥成產要素及水分利用分析

表4 噴灌條件下小麥成產要素及水分利用分析

2.5 不同灌水施肥處理對玉米成產要素及水分利用的影響

前茬小麥水肥處理對后茬玉米產生重要影響。從表5中可知，在地面灌條件下，不同灌水施肥對玉米的形態指標產生不同影響。隨灌水量的增加，玉米的穗長與行數呈增加趨勢，玉米穗粗和行粒數呈降增降趨勢。在相同灌水量條件下，各處理的指標表現各異。最終玉米的產量以N330+2水和N270+2水處理高于其他處理，其次為N270+1水處理。水分利用效率以N330+2水和N270+2水處理最高，其次為N210+1水處理，而灌水利用率以N210+1水處理最高，其次為N270+1水。說明，在本年度玉米全生育期進行1次補灌更利于提高灌水的利用率，實現節本增效。

由表6可知，在噴灌條件下，隨灌水量的增加，玉米穗長和行粒數表現為逐漸增加的趨勢，而其他指標表現為先增后降的趨勢。各處理中以N270+2水處理的產量最高，其次為N330+3水和N270+1水處理。水分利用效率仍以N330+2水和N270+2水處理最高，其次為N210+1水處理，而灌水利用率隨灌水量的增加表現為降低的趨勢，各處理中仍以N210+1水的處理最高。與地面灌相比，噴灌的玉米產量、水分利用效率與灌水利用率仍均高于對應的地面灌處理，說明，在噴灌條件下，更利于實現節水增產增效。

2.6 不同灌水施肥處理對小麥、玉米周年產量及水分利用的影響

由表7可知，隨灌水量的增加，小麥、玉米周年產量表現為先增加后降低，水分利用效率表現為先增加后降低的趨勢，而灌水利用率則表現為逐漸降低的趨勢。噴灌周年產量和灌水利用率基本均高于地面灌。除灌2水條件下，噴灌的周年水肥利用效率仍高于地面灌。在地面灌條件下，以N240+N270+各2水和N270+N330+各2水處理的周年產量和水分利用效率最高。在噴灌條件下，N240+N270+各2水和N240+N270+各1水處理產量最高，而以N240+N270+各1水處理水分利用效率最高。而灌水利用率在兩種灌溉方式下均以N180+N210+各1水處理最高，其次為N240+N270+各1水處理。說明，適當減少灌水次數更利于周年小麥、玉米水分利用率的提高。

表5 地面灌條件下玉米成產要素及水分利用分析

表6 噴灌條件下小麥成產要素及水分利用分析

表7 不同灌水施肥處理周年產量及水分利用分析

3 討論與結論

水資源緊缺是我國農業長期面臨的主要問題，其制約著我國經濟的發展。節約用水一直是我國農業可持續發展的必由之路。實行節水灌溉是我國現今及以后發展的長期手段。傳統地面灌耗水量大，且容易將養分淋溶至耕層以下，甚至更深層次的土壤，造成地下水污染。而噴灌水流較小，且相對均勻，不易漏水漏肥。此外，噴灌水滴的蒸發和冠層截留會改變冠層附近的溫濕度[15-16]，增加空氣濕度[17]，形成農田小氣候，尤其是在玉米大喇叭口期后，噴灌噴出的水分擊打玉米植株而形成更多的水氣，從而調節了玉米冠層濕度與溫度，改善作物的生長環境，提高作物的光合速率，同時降低蒸騰強度[6,18-19]，促進作物生長。本研究發現，噴灌較地面灌更利于小麥光合速率的提高與干物質的積累，且以N270+3水處理的光合速率最高，其次為N180+1水處理。不同水肥供應影響作物對氮素的吸收，從而影響葉綠素的合成而導致相對葉綠素含量SPAD值的變化。本研究發現，噴灌較地面灌更利于小麥葉片SPAD值的提高，而中氮不灌水更利于提高小麥葉片的SPAD值，說明相對適度干旱更利于葉綠素的積累[20]。

土壤儲水量反映了作物生長過中對土壤水分的消耗及土壤的儲水能力。本研究發現，隨生育期的推進，小麥儲水量表現為先降后增再降而再增加的趨勢，抽穗期的儲水量最高，而灌漿期土壤儲水量最低，而施用氮肥促進作物后期對水分的利用，從而導致土壤儲水量下降迅速。不同灌溉方式對土壤水分環境及作物生理特征的影響，最終影響其產量和對水分的利用。本研究發現，在中低氮水平，隨灌水量的增加，兩種灌溉方式的小麥產量均表現為先增加再降低，地面灌以灌2水產量最高，而噴灌在灌1水條件下產量就達到了最高，說明其節水增產效果明顯。前期小麥水肥的供應對后茬玉米產生一定影響，在低氮和高氮水平，隨灌水量的增加，玉米產量均表現為增加的趨勢，而中氮水平表現為先增加而后降低的趨勢，且中氮水平的玉米產量相對較高。說明，過多的灌水容易產生作物的“奢侈蒸騰”[21]，且并非灌水量與產量呈正比，適度缺水往往可以獲得高產[22]。而對于小麥、玉米周年累積效應而言，噴灌周年產量和灌水利用率基本均高于地面灌。這可能與地面灌使得土壤硝態氮在作物根系層以下存在不同程度的累積[23-24]，從而阻礙了速效氮素與根系的接觸，進而影響了作物對氮素的吸收與利用。在地面灌和噴灌條件下，均以小麥、玉米分別灌2水[450 m3/(hm2·次)]且周年施氮量510 kg/hm2的周年產量最高。周年灌水利用率在兩種灌溉條件下均以周年總施氮量390 kg/hm2+總灌水900 m3/hm2最高，其次為中氮(N240+N270)各灌1水處理。說明，適當減少灌水更利于周年小麥、玉米水分利用率的提高，且噴灌條件下更利于節水增產增效。因此，綜合因素考慮，基于該年度降雨量，推薦的小麥、玉米周年灌水施肥模式為：小麥N240+玉米N270+各2水[450 m3/(hm2·次)]，且采用噴灌更能實現節水增效。