塔里木盆地西北緣區密植核桃的滴灌水肥適宜用量

付秋萍， 趙經華， 馬 亮， 馬英杰

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

核桃由于其豐富的營養價值深受國內外消費者喜愛。中國核桃種植面積及產量均居世界第一位，其中新疆是核桃的主產區之一[1]。新疆南疆塔里木盆地西北緣區以其廣闊的地域和良好的光熱條件等優勢成為了核桃種植的優勢地區。截止2018年底，該地區核桃種植面積已達3.78×105hm2，年產量達8.09×105t[2]。種植核桃已成為該地區促進農業經濟發展、農民可持續增收的主導產業，核桃種植面積逐年增加，并逐步往矮密種植模式發展。

新疆由于水資源極度匱乏，且降雨稀少、蒸發強烈，微灌技術得到長足發展。新疆核桃微灌灌溉模式和灌溉制度研究已逐步完善，通過對比分析漫灌、溝灌、低壓軟管灌、涌泉灌、滴灌以及微噴灌對核桃生長、產量以及品質的影響，得出滴灌灌溉方式節水、增產、提質效果均優于其他灌水方式，并確定了適宜的核桃滴灌灌溉制度[3-5]。滴灌水肥一體化技術能夠根據作物需求，通過滴灌管網適時適量的將水肥施入作物根部，使水肥均勻分布于根區土壤，達到局部集中灌水和施肥效果，大幅度提高肥料利用率。農業部亦將滴灌水肥一體化作為現代化農業的“一號技術”。國內外學者就滴灌條件下作物水肥耦合已開展了許多研究，結果表明滴灌條件下合理的灌溉施肥能顯著提高作物產量、水肥利用率，改善產品品質[6-8]。新疆就滴灌水肥耦合也開展了許多研究，但大多集中在棉花、小麥和玉米等作物上，對核桃水肥研究較少，大多基于地面灌時的施肥模式，肥料施用量偏大且結果不一，且多為水或肥單因素影響分析[9-12]。部分的水肥耦合研究也僅分析了試驗處理[13]，但所謂的適宜灌溉與施肥有可能在所設處理之外。目前，求解作物最優水肥耦合大多采用多元回歸方程，建立以水肥投入為自變量，以作物產量、品質、水肥利用率等指標為目標的數學模型，通過求解方程目標極大值獲得最優水肥配比[14-16]。其次，滴灌條件下水肥耦合研究主要集中在核桃的生長、產量及品質的分析上，對土壤剖面養分情況研究較少。

針對上述問題，本研究以核桃產量、水肥利用效率為目標，利用滴灌水肥一體化技術，研究南疆核桃不同水肥處理對土壤硝態氮含量及核桃產量、品質及水肥利用效率的影響，建立水肥投入量與核桃產量及灌溉水利用率的數學模型，探討以產量和灌溉水利用率為目標的最佳水肥管理策略，以期為南疆核桃滴灌水肥一體化技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年4—9月在新疆阿克蘇地區紅旗坡新疆農業大學林果實驗基地(41°30′N，80°34′E)開展。試驗區地處新疆天山南麓中段，塔里木盆地的西北緣，海拔1 130 m左右，為典型的溫帶大陸性干旱氣候。降水稀少，多年平均降水量68.4 mm，多年平均蒸發量2 000 mm左右(見圖1)；日照充足，多年平均日照時數2 910 h，年平均氣溫11.2 ℃，全年無霜期212 d，是新疆優質的果品重點生產區。2016年4月至9月試驗期間的氣象情況見圖1。試驗區地下水埋深6 m以下。0—60 cm土層土壤質地為粉砂壤土，容重1.4 g/cm3左右。0—60 cm土層基礎土壤理化性質為：全氮0.343 g/kg，全磷0.41 g/kg，全鉀18.898 g/kg，速效氮48.6 mg/kg，速效磷5.2 mg/kg，速效鉀155 mg/kg；土壤PH值8.01，有機質含量7.145 g/kg。

圖1 2016年新疆阿克蘇地區核桃生育期試驗站氣象要素

1.2 試驗設計及過程

試驗供試核桃樹為9 a齡“溫185”，株行距2 m×3 m。核桃生育期具有明顯的生長階段性，根據已有研究[5]及實際觀測，把核桃生長期劃分為6個階段：萌芽期(3月底至4月14日)、開花結果期(0415—0509)、果實膨大期(0510—0603)、硬核期(0604—0705)、油脂轉化期(0706—0831)和成熟期(0901—0930)。核桃生育期需灌水及施肥，其中灌溉方式為滴灌，滴頭間距50 cm，滴頭流量3.75 L/h，一行兩管分別布設于核桃樹兩側距樹50 cm處。試驗所用的氮、磷、鉀肥分別為尿素(N≥46%)、磷酸一銨(N≥12.2%,P2O5≥60.5%)和鉀寶(K2O≥44%)。肥料均隨水滴施，過程為先滴水30 min后打開充分溶解好的施肥罐，保證在灌水結束前30 min完成肥料滴施。每個試驗小區均有獨立的施肥罐和水表，精確控制水肥量。田間管理同當地核桃園。

試驗設置灌水量和施肥量2因素3水平完全處理，每處理3次重復，共27個小區，按核桃樹行隨機排列。灌水處理：滴灌灌水定額分別為22.5,30,37.5 mm，全生育期共為375,435,495 mm，記為W1，W2和W3。肥料處理：生育期尿素和磷酸一銨按1∶1.25比例施入，施入量分別為當地施肥水平的0.5倍(2 250 kg/hm2)、當地施肥水平(4 500 kg/hm2)和當地施肥水平的2倍(9 000 kg/hm2)，用F1，F2和F3表示。具體試驗方案見表1。鉀肥不設梯度，滴施時間與磷酸一銨一致，每次均為666.7 kg/hm2，4次共2 666.8 kg/hm2。核桃園每年均有冬、春灌，灌水定額分別為120，75 mm，灌水方式采用地面灌。

表1 塔里木盆地西北緣區核桃樹滴灌灌水與施肥試驗方案

1.3 測定項目及方法

(1) 土壤養分。分別于各小區核桃樹開花結果期、果實膨大期、硬核期、油脂轉化期及成熟期，于施肥前一天打鉆取土，每20 cm一層，深度60 cm。采樣點為核桃樹任一側滴灌帶上距樹最近的滴頭灌水區域中，垂直于滴灌帶并朝著遠離樹的方向上距滴頭20 cm的位置(即距核桃樹70 cm左右)。每個處理取3棵樹，共3次重復。采用1 mol/L KCL浸提(水土比10∶1)-AA3流動注射分析儀測定土壤硝態氮含量[17]。

(2) 產量及品質測定。從核桃坐果起，選取3棵樹，每棵樹選取3個核桃并做標記，采用0.01 mm的游標卡尺測定核桃果實縱橫徑，根據橢球公式計算體積。每5 d測定一次至核桃大小不再變化為止。核桃成熟后按小區收獲，每小區選取3棵樹測產，記錄每棵樹核桃個數后脫青皮，測定空殼率，隨機選取100顆核桃果實稱重測得核桃質量，換算為1 hm2產量。收獲后各處理核桃仁送往農業部農產品質量監督檢驗測試中心(烏魯木齊，南昌路43號)測定核桃營養品質，其中粗脂肪含量采用壓力膜法測定，總蛋白質含量采用凱氏定氮法測定。

1.4 核桃灌溉水利用效率與偏肥料生產率計算

(1) 灌溉水利用效率IWUE。

IWUE=Y/I

(1)

式中：IWUE為核桃水分利用率〔kg/(hm2·mm)〕；Y為不同氮肥處理下核桃產量(kg/hm2)；I為灌水量(mm)。

(2) 肥料偏生產力PFP

肥料偏生產力PFP采用下式計算：

PFP=Y/F

(2)

式中：PFP為肥料偏生產力(kg/kg)；F為施肥量(kg/hm2)。

1.5 數據處理

使用Microsoft Excel 2016對數據處理與計算；應用DPS 7.5統計軟件進行雙因素方差分析和Duncan新復極差法進行不同處理差異顯著性分析[18]；Sigmaplot 12.0作圖[19]。

2 結果與分析

2.1 滴灌水肥處理對核桃土壤硝態氮的影響

滴灌下核桃根系對水肥的吸收區域主要為0—60 cm土層[13]，因此選取0—60 cm土層硝態氮進行分析。核桃生育期不同水肥處理0—60 cm土層土壤硝態氮含量方差分析見表2。由表2可以看出，灌水或施肥單因素對核桃硬核期、油脂轉化期及成熟期硝態氮含量的影響均達到極顯著水平(p<0.01)；在果實膨大期，施肥單因素對土壤硝態氮含量影響達極顯著水平(p<0.01)，而灌水的影響無顯著性差異；在開花結果期，因為還未開始水肥處理梯度試驗，因此土壤硝態氮含量無顯著性差異；全生育期水肥交互效應對土壤硝態氮含量的影響無顯著性差異。在整個生育期，整體上W2，W3處理與W1處理土壤硝態氮存在顯著性差異，而W2與W3之間基本無顯著性差異；3種施肥水平對土壤硝態氮的影響幾乎均達顯著性水平。

表2 0-60 cm土層土壤硝態氮含量方差分析

在同一灌水水平下，隨著生育期的推進，土壤硝態氮逐漸降低，灌水量越高，硝態氮量降低的越多，說明了灌水對核桃吸收氮肥的促進作用；在同一施肥水平下，F1和F2水平下硝態氮含量亦隨著生育期的推進而降低，而F3水平下硝態氮含量有增加趨勢，說明F3處理施肥水平造成了土壤硝態氮的累積，該處理肥料投入量過大；核桃在硬核期和油脂轉化期土壤硝態氮下降速度較其他生育期快，說明這兩個生育期為核桃需肥關鍵期，需保證氮肥的充分供應。

2.2 滴灌水肥處理對核桃品質的影響

滴灌條件下不同水肥處理對核桃品質的影響見表3。通過兩因素方差分析發現，灌水對核桃的外形品質和營養品質的影響均達到極顯著水平(p<0.01)；施肥對核桃體積、出仁率和脂肪的影響達到極顯著水平(p<0.01)，對單果重和蛋白質存在顯著性影響(p<0.05)；水肥的交互作用只對核桃體積達極顯著影響(p<0.01)，而對其他核桃品質的影響無顯著性差異。W1和W2處理除單果重無顯著性差異，其他品質均差異顯著，而W2和W3正好與此相反。說明核桃品質隨著灌水量的增加而提高，當灌水量達到W2后再增加，核桃品質無顯著提高，甚至有降低的趨勢。F1和F2處理核桃品質均有顯著性差異，F2和F3處理下只有單果重和出仁率有顯著性差異，且數值相差不大，而F2處理下的蛋白質、脂肪以及單果重數值均大于或等于F3水平，說明核桃品質隨著施氮量的增加先提高而后不變或者下降。由此可以推斷，在本試驗處理條件下，W2F2處理下核桃品質最優。

表3 不同水肥處理核桃品質方差分析

2.3 滴灌水肥處理對核桃產量及水肥利用效率的影響

不同水肥處理對核桃產量及水肥利用率影響的方差分析如表4所示，其中灌水或施肥均對核桃產量Y，灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產力PFP的影響達極顯著水平(p<0.01)，水肥交互效應對產量Y和PFP有極顯著影響(p<0.01)，對灌溉水利用率IWUE有顯著影響(p<0.05)。W2和W3處理下核桃產量無顯著性差異，均與W1處理差異顯著；PFP和產量有相同的趨勢；灌溉水利用率IWUE在3種灌水處理下均差異顯著，且W2的IWUE值最高，該處理下產量值亦最高。施肥處理對產量，灌溉水利用率IWUE和PFP的影響均有顯著性差異。相對F1，F2和F3處理下核桃產量分別提高了17.3%，20.1%，灌溉水利用率分別提高了17.2%，20.0%，而氮肥偏生產力分別降低了41.3%，70.0%。3種灌水處理下W2水平最優；而對氮肥處理而言，雖F3與F2處理下產量，灌溉水利用率IWUE和PFP均差異顯著，然從數值上看，F3產量和灌溉水利用率相對于F2處理只分別提高了2.42%和2.56%，而氮肥偏生產力卻下降了49.1%，而前面業已分析F3處理造成了土壤硝態氮累積。因此，從節約和環保的角度考慮，F2施肥處理相對優于F3。

表4 不同水肥處理水平下產量、灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產力PFP方差分析

2.4 滴灌核桃適宜水肥用量分析

以水肥投入量為自變量，以核桃產量，灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產力PFP為目標，分別建立了二元二次回歸方程，列于表5。經回歸分析可以看出，水肥投入對產量和PFP的影響達到了極顯著水平(p<0.01)，對灌溉水利用率IWUE的影響達到了顯著水平(p<0.05)，決定系數均在0.95以上。表明二元二次方程能很好的描述水肥投入與產量、IWUE和PFP的關系。進一步對產量、IWUE和PFP與水肥投入回歸方程驗證，對建立的核桃產量、IWUE和PFP與水肥關系的二元二次方程求解，對模型模擬值與實測值進行相關性分析，具體見圖2。預測值與實測值的比較選用標準均方誤差NRMSE和決定系數R2評價。研究表明，NRMSE<10%時模擬結果為優，10%≤NRMSE<20%時模擬結果良好[20]。從圖2可以看出，產量、IWUE和PFP與水肥的回歸模型NRMSE均小于10%，決定系數R2均在0.97以上，模型模擬值與實測值線性相關達極顯著水平。因此，建立的數學模型對南疆核桃產量、IWUE和PFP有很高的準確性，可作為該區核桃水肥投入的依據。

圖2 核桃產量、灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產力PFP實測值與模擬值相關性

從表5回歸方程可以看出，肥料偏生產力回歸模型中，肥料的一次項及水肥交互項系數均為負值，說明肥料投入對PFP為負效應。產量，IWUE回歸數學模型中的一次項均為正值，表明水肥投入對產量和IWUE均有明顯的正效應，水肥交互項系數亦為正值，說明水肥投入對產量和IWUE存在互相促進作用；而水肥二次項系數均為負值，說明產量和IWUE與水肥投入量的關系均為開口向下的拋物面，表明過多的水肥投入會造成核桃減產，灌溉水利用率下降。

表5 水肥投入與產量，灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產力PFP的回歸模型

回歸模型反映核桃產量和灌溉水利用率符合報酬遞減率。產量和IWUE模型分別對水肥求導并令其為零，可分別得出最高產量和最大灌溉水利用率時的水肥投入量以及最高產量和最大灌溉水利用率的值，詳見表6。由此可得，在該地區如追求最高產量，投入滴灌灌水量為469 mm，施肥量為7 168 kg/hm2。如追求灌溉水利用率，滴灌灌水量應為439 mm，施肥量7 074 kg/hm2。

表6 核桃最高產量和最大灌溉水利用率IWUE時水肥投入量

3 討 論

近幾年，隨著塔里木盆地西北緣區林果基地的建設，滴灌已在核桃園得到普遍推行。然而，不合理的肥料施入量，造成核桃樹徒長枝多，果實貪青晚熟、空殼率高，產量及品質下降，嚴重制約著當地農業的發展。本文鑒于此，在前人研究的基礎上，開展了當地目前主推的密植種植模式下滴灌核桃水肥耦合研究，分析了不同水肥處理對核桃產量、品質及水肥利用率的影響，通過建立灌水量和施肥量與核桃產量及灌溉水利用率的二元回歸數學模型，確定了適宜的水肥投入量，以期為當地密植核桃園的水肥管理提供參考。

核桃的產量與品質是決定果農經濟效益的首要指標，提高產量與品質是實現高產高效的基礎。土壤水分狀況和施肥量直接影響作物的生長和產量，灌溉施肥是保障土壤水肥狀況的關鍵[21]。然而大量的研究證明，水肥投入并不是越多越好，而是存在閾值，低于該閾值，增加水肥投入量具有增產效果；高于閾值，則會造成作物旺長、產量下降[16,22]。只有協調好水肥用量，才能達到高產高效，提高作物品質。研究表明，過量施氮除阻礙作物產量的形成，降低水肥利用效率外，還可能引起土壤硝態氮累積而淋洗至地下水、增加溫室氣體N2O的排放等一系列環境問題[23-24]。本研究中也取得了類似的結果，滴灌條件下，增加灌溉和施肥可以提高核桃產量、品質和水肥利用效率，然而當水肥增加到一定量時，產量和品質增加幅度很小甚至降低，水肥利用效率明顯降低。且F3處理施肥量明顯造成了土壤硝態氮的累積，增加污染環境的風險。

水肥耦合對作物產量、品質和水肥利用率的影響符合報酬遞減率，大多為開口向下的拋物面。許多學者為了尋找最大產量、水肥利用率等目標，建立了以水肥投入為自變量的二元二次回歸數學模型，由此可以計算出最適宜的水肥投入量，王振華等[16]建立了紅棗產量、品質與水肥的二元回歸模型，確定了新疆南疆沙區成齡紅棗的水肥適宜用量；吳立峰等[25]以棉花產量、收益和水分利用效率為目標的水肥二元二次回歸方程，給出了多重目標下的棉花水肥投入區間。本試驗條件下，滴灌核桃水肥投入量與核桃指標亦符合該規律，建立了水肥投入與核桃產量、灌溉水利用率回歸模型，確定了該地區密植核桃模式下滴灌核桃適宜的水肥投入量。但由于本試驗只進行了一年，結果的可靠性有待進一步驗證。

4 結 論

(1) 核桃在硬核期和油脂轉化期對肥料的需求高于其他生育期，這兩個生育期為核桃需肥關鍵期，需保證肥料的充分供應。F3水平的施肥量過高，造成了土壤硝態氮的累積。

(2) 本試驗條件下，W2和W3對滴灌核桃品質、產量和肥料偏生產力的影響上無顯著性差異，與W1差異顯著，W2處理灌水量較為適宜；除F2，F3對滴灌核桃體積、營養品質的影響無顯著性差異外，施肥處理對核桃出仁率、產量和水肥利用效率有顯著影響。但由于F3施肥量造成了土壤硝態氮的累積，從節約能源和環境污染的角度考慮，不建議F3施肥量。綜合各指標分析可得出，合理的施肥量應介于F2與F3之間。

(3) 綜合水肥處理對滴灌核桃土壤硝態氮、產量及水肥利用效率分析，本試驗條件下，最優水肥處理為W2F2，即全生育期(包括冬春灌)滴灌灌溉定額435 mm，施肥量4 500 kg/hm2，其中尿素2 000 kg/hm2，磷酸一銨2 500 kg/hm2；建立了水肥投入量與產量及灌溉水利用效率的二元二次回歸模型，并得出該地區滴灌核桃全生育期適宜的灌溉定額為439～469 mm(包括冬春灌)，適宜的施肥量為7 074～7 168 kg/hm2，即需滴施尿素3 144～3 186 kg/hm2，磷酸一銨3 930～3 982 kg/hm2。