黃金梨產量及水肥生產率對水氮耦合的響應

劉亞南，白美健*，張寶忠，吳現兵, ，史 源

（1.流域水循環模擬與調控國家重點試驗室 中國水利水電科學研究院，北京 100038； 2.河北農業大學 城鄉建設學院，河北 保定 071001）

0 引 言

【研究意義】我國是世界第一果品生產大國[1]，梨樹是我國主要種植果樹之一，年產量約占世界產量的62%。水肥是決定梨樹產量與果實品質的2 個重要環境因子[2]，為緩解水分和養分對梨果生長發育的制約，果農向田間投入大量水分與養分以確保穩產、高產，由此會造成水肥利用效率低[3]、資源極大浪費[4]，甚至造成嚴重的大氣和地下水環境污染[5-8]。適宜的灌水量與施肥量能提高單位面積上作物產量，而當投入量高于臨界投入量時，增產效果不明顯甚至有減產的趨勢。作為水資源短缺的農業灌溉大國和化肥消耗大國，提高灌溉水利用效率，減少化學肥料的投入，對經濟結構調整、資源合理利用和環境保護具有重要意義。水肥耦合的合理設定是提高作物產量和水肥利用效率的重要手段，對果樹產業的發展至關重要。

【研究進展】隨著滴灌技術的發展，諸多學者對滴灌水肥技術展開了大量研究，滴灌水肥耦合技術相對常規水肥處理方式能夠顯著提高作物產量[9-11]，產量與灌水量和施肥量呈正相關，且增加灌水量降低施肥量，肥料偏生產力提高[12-13]，增加施肥量降低灌水量，水分利用效率提高[14]；研究[15-17]表明，相對于其他灌溉方式，滴灌可以提高作物產量，降低水分消耗，極大地提高水分利用率；Chilundo 等[18]、吳現兵等[19]研究發現，滴灌能顯著提高玉米產量，促進根系延伸與生物量的增加；劉敏等[20]對甜梨展開水肥耦合試驗，結果顯示當水溶肥施用量為450 kg/hm2時產量達到最大且高于同水平人工施肥方案；Wu 等[21]在研究中發現增加施氮次數能提高梨樹對氮肥的利用率；研究[22-24]表明，水肥耦合方式能顯著提高產量，極大提高作物對氮肥的吸收，提高氮肥利用率，但是不同地區不同作物，滴灌下作物產量、水肥生產率等指標對水肥施用量的響應規律是不同的。【切入點】目前針對京津冀地區黃金梨樹水肥耦合管理對產量和水肥生產率等多指標的綜合影響方面的研究較少。【擬解決的關鍵問題】通過田間水氮耦合滴灌試驗，重點分析水氮耦合方案對黃金梨樹產量、灌溉水分生產率、肥料偏生產力的影響，探明各指標對水氮施用量的響應規律，為京津冀地區黃金梨樹水氮管理提供一定技術依據。

1 材料與方法

試驗在北京市圣澤林生態莊園內進行，該莊園位于大興區安定鎮西白塔村，116°25′52″E，39°37′20″N，屬于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，多年平均溫度11.2 ℃，多年平均降水量556.4 mm。試驗開始前，在試驗區隨機選點取土（深度為1.6 m，每層厚度為0.2 m）風干碾碎過篩，經馬爾文激光粒度儀測得，試驗田塊土壤為均質粉砂壤土（國際制，見表1），土壤計劃濕潤層內田間持水率（θf體積含水率）為35%，初始硝態氮量15.98 mg/kg，銨態氮量為1.59 mg/kg，pH 值為8.62。園區設有可觀測溫度（℃）、降雨（mm）、風速數據（m/s）等數據的小型氣象站（圖1 為2018 年試驗區氣象數據）。灌溉水源為地下水，試驗采用比例式施肥泵，經滴灌系統進行施肥，滴灌帶內徑20 mm，田間灌水器為壓力補償式滴頭，滴頭間距0.5 m，滴頭流量為4 L/h。試驗區首部樞紐設有旋翼濕式水表記錄灌水量。

表1 土壤物理性質 Table 1 Soil physical properties

圖1 2018 年試驗區氣象數據 Fig.1 Meteorological data map of the test area in 2018

1.1 試驗設計

供試作物為10 a 齡矮砧黃金梨樹，樹冠冠幅大小基本一致，株間距3 m，行間距4 m，試驗于2018 年3 月21 日—9 月15 日進行，在試驗開始前對所有處理小區進行了均勻的大定額灌水，保證供試土壤具有較為均一的初始水分與養分狀況。以其他學者研究成果及當地推薦的灌溉定額與施氮量為試驗設計基礎[25-28]，兼顧產量、品質及水氮利用率等指標，設定灌水和施肥2 因素：灌水上限為田間持水率（θf），設定3 個灌水下限，分別為：Hw（75%θf）、Mw（65%θf）、Lw（55%θf）；3 個施肥水平，分別為：Hf（486 kg/hm2）、Mf（324 kg/hm2）、Lf（162 kg/hm2）。共9 個水氮耦合方案，分別為低水高肥（LwHf）、低水中肥（LwMf）、低水低肥（LwLf）、中水高肥（MwHf）、中水中肥（MwMf）、中水低肥（MwLf）、高水高肥（HwHf）、高水中肥（HwMf）、高水低肥（HwLf），再設定1 個常規方案（CK），常規方案不施肥、灌水制度由園區依經驗來管理，每個方案設定3 重復，共30 個試驗小區，試驗水氮管理過程見圖2。每個試驗小區包括5 株黃金梨樹，同一方案的3 個重復位于同一側，一側長45 m。

試驗過程中，使用Trime 測定梨樹計劃濕潤層內土壤含水率，當試驗小區內計劃濕潤層含水率均值下降到灌水下限時進行灌溉。氮肥隨灌溉水同時施入。氮肥選用當地常用的尿素（氮46%）。高、中、低3個灌水水平下，總灌水量（次數）分別為1 140.0 m3/hm2（7 次）、860.0 m3/hm2（6 次）、790.0 m3/hm2（5 次）。另外果園剪枝、病蟲害防治和疏花、疏果等田間管理措施均與當地農民習慣保持一致。

圖2 黃金梨生育期內灌水施肥時間與用量 Fig.2 Irrigation and fertilization schedule and dosage during the growth period of Golden pear

1.2 測定項目及方法

1.2.1 土壤含水率測定

使用Trime 測定計劃濕潤層內土壤含水率，每個小區設1 根Trime 管，試驗小區內取均值，當均值達灌水下限時開始灌水，灌水定額計算式為：

式中：m 為灌溉定額（mm）；γ為計劃濕潤層土壤干體積質量（g/cm3）；p 為土壤濕潤比，取0.8；h 為計劃濕潤層深度（cm），根據果樹根系分布范圍和監測一段時間后土壤水分分布情況，取100 cm；θf為田間持水率；θt為t 時刻土壤含水率（體積含水率），灌水下限分別按照處理取田間持水率的百分比，灌水上限為田間持水率的100%；η 為灌溉水利用系數，取0.9。

1.2.2 黃金梨樹產量測定

梨果產量是衡量水氮耦合方案優劣的重要指標，于收獲期每個處理隨機選擇3 株梨樹作為代表株，采摘稱質量后取均值后換算為每公頃產值。

1.2.3 灌溉水分生產率和肥料偏生產力計算

灌溉水分生產率（iWUE，kg/m3）計算式為：

式中：Y 為黃金梨樹產量（kg/hm2）；W 為灌水量，（m3/hm2）。

肥料偏生產力（PFP，kg/kg），計算式為：

式中：F 為投入的氮肥總量（kg/hm2）。

1.3 數據分析方法

生育期內所有試驗數據的記錄、整理及計算均在Excel 2019 中進行，方差分析和繪圖分析分別采用SPSS 25.0 統計軟件和Origin 2018 繪圖軟件，回歸模型擬合與計算最優解采用MATLAB 軟件。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對黃金梨樹產量的影響

黃金梨樹產量見表2。與常規園區相比，除LwLf水氮耦合方案低于常規管理外，其余方案均能提高梨果產量，且在HwHf水氮耦合處理下梨樹產量最高，為31 522.5 kg/hm2。各處理梨果產量排序為HwHf處理＞MwHf處理＞HwMf處理＞MwMf處理＞HwLf處理＞LwHf處理＞MwLf處理＞LwMf處理＞CK＞LwLf處理，按產量由高到低的順序，各處理相對CK 分別提高了31.92%、30.55%、24.46%、20.08%、11.89%、9.36%、9.28%、7.04%、-4.80%；且MwMf、MwHf、HwMf、HwLf和HwHf處理與CK 差異極顯著（P＜0.01）；梨樹產量受水、氮投入量影響極顯著（P＜0.01），但二者交互作用對該值影響不顯著（P＞0.05），Hw和Mw灌水方案間產量差異不顯著（P＞0.05）。

整體上，產量隨著施氮量增加而增加，相同施氮量下，產量隨著灌水量的變化則呈“U”型變化，本試驗條件下梨樹產量關于灌水量為1 016.2 m3/hm2（本研究理論值）呈對稱分布，灌水量小于該值時呈遞增趨勢，反之呈遞減趨勢，在低水低氮區域梨產量最低，在灌水量為1 016.2 m3/hm2且施氮量大于324 kg/hm2時產量較高。

2.2 水氮耦合對黃金梨樹灌溉水分生產率的影響

灌溉水分生產率見表2。由表2 可知，整體上，水氮耦合下灌溉水分生產效率較CK 顯著提高（P＜0.05），各處理相應值iWUE 為MwHf處理＞MwMf處理＞LwHf處理＞LwMf處理＞MwLf處理＞LwLf處理＞HwHf處理＞HwMf處理＞HwLf處理＞CK，按iWUE從高到低順序，各水氮耦合處理較CK 分別提高了361.53%、324.50%、320.79%、311.88%、286.31%、266.31%、251.79%、231.91%、198.37%，MwHf處理iWUE 值最大，為36.28 kg/m3，較CK 下的7.86 kg/m3提高了28.42 kg/m3。iWUE 不僅在水氮耦合處理與CK 間具有顯著差異（P＜0.05），而且在部分水氮耦合方案間也具有顯著性差異（P＜0.05）；iWUE 受水、氮施用量極顯著影響（P＜0.01），但二者交互作用不顯著（P＞0.05）。

總體上，iWUE 隨施氮量呈單向遞增，隨灌水量呈“U”型變化，高灌水下限時不管施氮量如何，iWUE都處于低值區，而灌水量為中低水平時，iWUE 確與施氮量關系密切，施氮量相同時，灌水量中等水平下iWUE 高于低水平下。因此，中等灌水量水平下，增加施氮量能顯著提高梨樹灌溉水分生產率。

表2 黃金梨產量、iWUE 和PFP Table 2 Golden pear yield iWUE and PFP

2.3 水氮耦合對黃金梨樹肥料偏生產力的影響

PFP 值及差異性檢驗結果見表2 所示。總體上，PFP 值隨著施氮量增加而降低，隨著灌水量增加而增加，只是在灌水量大于中等灌水量水平后增加幅度趨于平緩。同一灌水量下不同施氮方案間PFP 值差異顯著（P＜0.05），且PFP 值受水、氮施用量影響極顯著（P＜0.01），但二者交互作用對PFP 值差異不顯著（P＜0.05），Hw和Mw處理間PFP 值差異不顯著（P＜0.05）。各水氮耦合方案下PFP 相應值為HwLf處理＞MwLf處理＞LwLf處理＞HwMf處理＞MwMf處理＞LwMf處理＞HwHf處理＞MwHf處理＞LwHf處理，HwLf處理值最大，為165.03 kg/kg，LwHf處理值最小，為53.77 kg/kg，二者相差111.26 kg/kg。當施氮量相同時，與3 個灌水下限耦合均表現為：H＞M＞L；高肥與中肥差值遠低于中肥與低肥的差值。因此，施氮量對PFP 的影響遠大于灌水量，在灌水量適宜的條件下，適當減少施氮量有助于提高肥料偏生產力，能更好的兼顧產量與生態環境等多目標的要求。

2.4 水、氮投入量與產量iWUE 和PFP 的回歸模型

梨樹產量、灌溉水分生產效率和肥料偏生產力對水、氮投入量的回歸模型如表3 所示，3 個回歸模型調整后R2均在0.960～0.994 之間。通過Matlab 等計算方法對3 個回歸模型進行了最優解計算：

1）水、氮投入量與產量回歸模型：當W=1 016.2 m3/hm2、N=641.00 kg/hm2時，梨樹產量最高，為34 623.6 kg/hm2，此時iWUE 為34.07 kg/m3，PFP為54.01 kg/kg。

2）水、氮投入量與iWUE 回歸模型：當W=907.7 m3/hm2、施氮量為614.87 kg/hm2時，iWUE 值最大為36.42 kg/m3，此時產量為31 424.6 kg/hm2，PFP 值為51.11 kg/kg。

3）水、氮投入量與PFP 回歸模型：因PFP 對水、氮肥投入量回歸模型的函數特性，該值隨施氮量增加表現為逐漸降低，當灌水量W 在1 037.9 m3/hm2左右時，PFP 值相對較大。

表3 產量、iWUE 和PFP 對水、氮投入量的回歸模型 Table 3 Regression model of yield、iWUE and PFP on water and nitrogen input

盡管水、氮投入量對產量正效應臨界值為：1 016.2 m3/hm2和641.00 kg/hm2，但在臨界值內隨著氮肥施用量的提高較小，所帶來的經濟效益無法彌補生態效益，過量的氮肥投入將會造成大量氮化氣體揮發到大氣和硝態氮殘留在土壤中甚至淋失至地下水進而水土及大氣污染，不利于果園的可持續發展和環境保護，因此綜合考慮回歸模型解析解及經濟、生態環境影響，分別推薦水、氮投入量為W=1 016.2 m3/hm2和N=324 kg/hm2，此時理論產量為32 344.2 kg/hm2，較理論最優值（34 600.3 kg/hm2）僅降低6.52%，此時iWUE 和PFP 分別為31.83 kg/m3和99.83 kg/kg。

3 討 論

產量是梨樹對水氮耦合響應的綜合表達，也是衡量水氮耦合方案優劣的重要指標。滴灌水肥耦合條件下，不同水肥耦合方案因其組合差異對土壤中養分濃度、養分運移、梨樹營養生長與生殖生長平衡和根系吸收等因素起到不同作用[29]，合理的水氮耦合方案下水氮協同作用可顯著提高產量[30]。本試驗結果表明：在水、氮施用臨界值內，梨樹產量隨二者施用量的增加而提高，且適宜的水氮耦合方案更有益于高產，但產量對于灌水量和施氮量的響應程度不盡相同。相同灌水量下，產量對施氮量的響應基本呈單調遞增趨勢；灌水量為中等水平時，產量隨施氮量均勻遞增；當灌水量較低時，中高施氮水平下產量明顯優于低氮水平，且中、高肥之間差異不大；灌水量較高時，產量隨施氮量的變化梯度較大，且中高施氮水平明顯優于低氮水平，這與高灌水滲漏攜帶養分下移淋失有關。產量受水的影響與肥不同，不是單調趨勢，故存在灌水量適宜值，從本試驗方案來看，施氮量相同時，灌水量為中高水平時產量顯著高于低水情況，但中高水間產量增加幅度不大，表明梨樹在一定灌水區域，提高灌水下限對產量增加具有顯著促進作用，當灌水量超過適宜區間，增產效果不顯著，甚至有可能對梨樹產量產生抑制作用[31]，這可能是因為適宜施氮范圍內，增加灌水量能夠促進果實體積膨大[32]，進而增加產量，但過多的灌溉水分投入將導致果實脫落、營養生長過旺[33]與果實生長形成競爭關系，同時灌水量過高，使得灌溉水向下運移過程中攜帶大量養分，導致養分淋失，進而抑制產量增加。

本研究表明，灌溉水分生產率隨灌水量和施氮量的變化趨勢與產量相似，適宜灌水量下（本研究拐點值為907.7 m3/hm2），適當增加水、氮施用量可提高灌溉水分生產率，中等灌水水平高于低等灌水水平，這可能是由于提高灌水下限能促進果實膨大，而低灌水量不利于果實膨大，甚至當灌溉水量過低時生產過程中存在梨樹營養和生殖生長競爭關系，進而造成低水時產量過低；而灌水量也不是越高愈佳[34]，本試驗研究條件下，高灌水量水分生產率低于中等灌水水平，這可能由于灌水量過高超過灌水量臨界值，超過部分水量沒有被梨樹吸收利用形成產量，導致灌溉水分利用率低于中等灌水水平。同等灌水水平時，增施氮肥補充了供果實膨大的養分，促進果實成長，水氮協同作用提高梨樹產量，進而促進灌溉水分生產率提高。

4 結 論

1）與園區常規管理相比，HwHf處理產量最高，為31 522.5 kg/hm2，較常規園區管理提高了31.92%。

2）MwHf處理灌溉水分生產率最大，為36.28 kg/m3，與其他處理差異顯著（P＜0.05），相對園區常規管理提高了28.42 kg/m3。

3）肥料偏生產力受施肥量的影響遠大于灌水量，其值隨著施氮量的增加而降低，隨著灌水量的增加而增加，其在灌水量大于中等灌水量水平后增加幅度趨于平緩。

4）推薦京津冀地區黃金梨灌水量1 016.2 m3/hm2，施氮量324 kg/hm2。