賈國燏,駱洪義,褚 嶼,林舉梅,王志遠,陳堂鑫,徐 震
(山東省泰安市山東農業大學資源與環境學院,山東泰安271018)
山東省是中國糧食作物的重點產區,夏玉米是山東最主要的糧食作物之一[1]。干旱是制約山東夏玉米穩產和高產的主要原因之一,播種、出苗以及生長發育和產量都有極大影響[2]。生育期間氣溫高、蒸發量大,且降水分布不均,階段性干旱瀕繁發生,夏玉米對水分的盈虧比其他作物更敏感,尤其是拔節期、抽雄吐絲期,水分不足將導致產量、品質嚴重下降[3-6]。
水資源短缺已經成為制約我國社會經濟可持續發展的主要因素,農業是水資源的主要消耗途徑之一。水作為農作物的生長必需因素,短缺和過量都會造成作物的減產[7];曹健[8]等人研究發現土壤水分對于芥藍各器官的養分分配有較大影響;然而土壤作為直接為作物提供養分和生長的場所,水分對土壤的影響也是很重要的,侯曉華[9]等人研究發現灌溉方式對土壤硝態氮的影響較大。那么灌溉方式和灌溉量對于玉米生長過程中的影響的研究也是研究的重點,唐光木[10]等人研究發現,水分是決定玉米產量最活躍的因素,適宜的水分含量才能促進其他因素發揮對玉米的最大作用,形成高產。趙英[11]等人研究發現,微噴灌相比較地面灌溉,更有利于土壤結構的穩定性和土壤肥力,能促進土壤的可持續發展。Cakmakci Talip[12]等人研究發現,相比較于地表滴灌和溝灌,地下滴灌不僅可以提高土壤的生產力和節水能力,還降低了土壤中的金屬污染和鹽分。于亞澤[13]等人研究發現,滴灌與溝灌相比,可有效減少二氧化氮排放和氮素淋容量,在提高肥料利用率的同時還可以減輕環境污染。Suryavanshi P 等人研究發現,滴灌方式相比較于噴灌和池式灌溉,能提高小麥產量[14]。Tibin Zhang[15]等人研究結果發現,相比較于畦灌和溝灌,滴灌對于玉米產量提高不顯著,但節水效果明顯提高。劉戈等人[16]研究結果顯示,在不同灌溉方式下,滴灌不僅可以達到節水的作用,還可以對玉米的生長可以起到增產的效果。不同的灌溉方式將很大程度生影響著土壤以及作物的生長,合理的灌溉方式顯得尤其重要。
由于不同的灌溉方式從多種角度影響著土壤和作物生長,但是關于不同的灌溉條件下,玉米植株對于養分的吸收是如何變化的研究很少。王麗梅等人研究發現,玉米植株干物質積累量以及養分的吸收分配特性是玉米產量構成的關鍵因素[17,18],因此本試驗通過設置不同的灌溉方式,研究不同時期、不同灌溉方式下,玉米養分吸收特性呈現的規律,為水肥一體化下玉米高質量生長提供理論依據。
本試驗2019年在山東省磨山進行,試驗地供試土壤0~20 cm土層養分含量如表1所示。

表1 試驗地土壤養分情況Tab.1 Soil nutrients in the test site
本研究為大田試驗,采用裂區設計,分為4個試驗區,設置不同灌溉方式,施用同種水溶肥,采用4種灌溉方式(不灌溉+水溶肥、溝灌+水溶肥、噴灌+水溶肥、滴灌+水溶肥)。溝灌:玉米行間開溝,將水引進溝內;噴灌:半固定式管裝噴頭,噴頭間距15 m,噴灑半徑15 m,噴頭流量3 t/h;滴灌:玉米行間鋪設滴灌帶,每條滴灌帶控制2 行,滴頭間距為0.3 m,流量為2.0 L/h 。灌水量參照表2。統一采用水肥一體化,肥料為尿素、磷酸二氫鉀銨、硫酸鉀,施肥量參照表2。

表2 灌溉水用量及水溶肥配比Tab.2 Irrigation water dosage and water-soluble fertilizer ratio
分別在玉米拔節期、抽絲期、成熟期進行取樣,每個試驗區取樣10株,放入105 ℃烘箱75 ℃烘至恒重。
1.3.1 干物質積累量
取出烘干植株,稱重,測出干物質重。準確記錄試驗小區玉米植株數量,測定試驗小區面積,換算為每公頃的干物質積累量。
1.3.2 養分指標測定
稱重后的植株用粉碎機進行粉碎,過0.25 mm 篩,用于測定植株指標。氮磷鉀采用硫酸-雙氧水消煮,全氮采用凱氏定氮儀進行蒸餾滴定,全磷采用釩鉬黃比色法測定,全鉀采用火焰光度法進行測定;鈣鎂鐵錳銅鋅采用硝酸-高氯酸消煮,原子吸收光度法進行測定。以上方法均參照鮑士旦土壤農化分析[19]。
采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據處理;利用OringinPro 2018 軟件進行圖表的繪制;采用SPSS 21 計算各處理的差異性。
由圖1可知,隨著生育期的推移,玉米植株干物質積累量呈逐漸增加的趨勢,成熟期達到最大值。在拔節期、抽絲期和成熟期各處理間差異顯著,且各生育期T3 處理的干物質積累量最大,CK 處理最小。拔節期T3 處理干物質積累量為858.69 kg/hm2,是CK 處理的1.32 倍;T2 處理干物質積累量為755.23 kg/hm2,是CK 處理的1.16 倍;T1 處理干物質積累量為714.23 kg/hm2,是CK 處理的1.09 倍。抽絲期T3 處理干物質積累量為6 804.69 kg/hm2,是CK 處理的1.17 倍;T2 處理干物質積累量為6 341.35 kg/hm2,是CK 處理的1.09 倍;T1 處理干物質積累量為6 235.02 kg/hm2,是CK 處理的1.07 倍。成熟期T3處理干物質積累量為14 447.2 kg/hm2,是CK 處理的1.34 倍;T2 處理干物質積累量為13 268.40 kg/hm2,是CK 處理的1.23倍;T1 處理干物質積累量為12 307.10 kg/hm2,是CK 處理的1.14倍。

圖1 玉米植株干物質積累量Fig.1 Dry matter accumulation of maize plants
由圖2可知,隨著生育期的推移,玉米植株氮、磷、鉀養分吸收量在不斷增加。此外,在拔節期到抽絲期之間,玉米植株養分吸收量在迅速增加;抽絲期到成熟期之間,養分吸收量增速緩慢。

圖2 玉米植株氮、磷、鉀養分吸收量Fig.2 Nutrient uptake of N,P and K in maize plants
玉米植株氮養分吸收量在拔節期和成熟期,各處理之間差異顯著;抽絲期CK、T3與T1和T2之間差異顯著,但是T1、T2之間差異不顯著。此外,各生育時期都呈現出CK 處理氮養分吸收量最少,T3 處理氮養分吸收最大;拔節期T3 處理氮養分吸收量為30.74 kg/hm2,是CK 處理的1.82 倍;抽絲期T3 處理氮養分吸收量為147.47 kg/hm2,是CK 處理的1.61 倍;成熟期T3 處理氮養分吸收量為207.73 kg/hm2,是CK 處理的1.73倍。
玉米植株磷養分吸收量在抽絲期各處理之間差異顯著;拔節期和成熟期CK、T3 與T1 和T2 之間差異顯著,但是T1、T2之間差異不顯著。此外,各生育時期都呈現出CK 處理磷養分吸收量最少,T3 處理磷養分吸收最大;拔節期T3 處理磷養分吸收量為13.73 kg/hm2,是CK 處理的1.44 倍;抽絲期T3 處理磷養分吸收量為105.69 kg/hm2,是CK 處理的1.27 倍;成熟期T3處理磷養分吸收量為178.18 kg/hm2,是CK處理的3.5倍。
玉米植株鉀養分吸收量在抽絲期和成熟期各處理之間差異顯著;拔節期CK、T1與T2 和T3之間差異顯著,但是CK和T1、T2 和T3 之間差異不顯著。此外,拔節期T2 處理鉀養分吸收量最大,T1 處理鉀養分吸收量最小;抽絲期和成熟期呈現出CK 處理鉀養分吸收量最少,T3處理鉀養分吸收最大;拔節期T2 處理鉀養分吸收量為7.88 kg/hm2,是CK 處理的1.55倍;抽絲期T3處理鉀養分吸收量為183.86 kg/hm2,是CK 處理的2.12 倍;成熟期T3 處理鉀養分吸收量為204.65 kg/hm2,是CK處理的2.06倍。
由圖3可知,隨著生育期的推進,玉米植株鈣、鎂養分吸收量呈現逐漸增加的趨勢。

圖3 玉米植株鈣、鎂養分吸收量Fig.3 Nutrient uptake of calcium and magnesium in maize plants
玉米植株鈣養分吸收量在拔節期和成熟期各處理間差異顯著;抽絲期CK、T3與T1和T2處理間差異顯著,但T1、T2處理間差異不顯著。此外,不同生育期間各處理都呈現出CK處理鈣養分吸收量最少,T3 處理鎂養分吸收量最大。拔節期T3處理吸收量為1.43 kg/hm2,是CK 處理的2.68倍;抽絲期T3處理吸收量為6.60 kg/hm2,是CK 處理的1.74倍;成熟期T3處理吸收量為22.55 kg/hm2,是CK處理的2.11倍。
玉米植株鈣養分吸收量在抽絲期各處理間差異顯著;拔節期T1與T2和T3之間差異不明顯,T1、T2、T3與CK 之間差異顯著;成熟期CK 與T1 處理之間差異不明顯,CK 和T1 與T2、T3 之間差異顯著。此外,不同生育期間各處理都呈現出CK 處理鈣養分吸收量最少,T3 處理磷養分吸收量最大。拔節期T3處理吸收量為0.59 kg/hm2,是CK 處理的2.11倍;抽絲期T3處理吸收量為3.50 kg/hm2,是CK 處理的1.71倍;成熟期T3處理吸收量為7.62 kg/hm2,是CK處理的1.45倍。
由圖4 可知,隨著生育期的推進,玉米植株鐵、錳、銅、鋅養分吸收量呈現逐漸增加的趨勢。玉米植株鐵養分吸收量在拔節期到抽絲期之間,養分積累量快速增加,抽絲期到成熟期積累量增速減慢。

圖4 玉米植株鐵、錳、銅、鋅養分吸收量Fig.4 Nutrient absorption of Fe,Mn,Cu and Zn in maize plants
玉米植株鐵養分吸收量在拔節期、抽絲期和成熟期時各處理之間差異性顯著。不同生育期都呈現出CK 處理養分吸收量最少,T3 處理養分吸收量最大。拔節期T3 養分吸收量為490.90 g/kg, 是CK 處理的1.76 倍; 抽絲期T3 養分吸收量為6 791.65 g/kg,是CK 處理的1.56 倍;成熟期T3 養分吸收量為8 967.55 g/kg,是CK處理的2.04倍。
玉米植株錳養分吸收量在拔節期、抽絲期和成熟期時各處理之間差異性顯著;不同生育期都呈現出CK 處理養分吸收量最少,T3 處理養分吸收量最大。拔節期T3 養分吸收量為202.88 g/kg,是CK 處理的5.48 倍;抽絲期T3 養分吸收量為726.10 g/kg, 是CK 處理的2.61 倍; 成熟期T3 養分吸收量為1 040.53 g/kg,是CK處理的3.24倍。
玉米植株銅養分吸收量在拔節期、抽絲期和成熟期時各處理之間差異性顯著;不同生育期都呈現出CK 處理養分吸收量最少,T3 處理養分吸收量最大。拔節期T3 養分吸收量為17.66 g/kg,是CK 處理的2.60 倍;抽絲期T3 養分吸收量為135.84 g/kg,是CK 處理的1.96 倍;成熟期T3 養分吸收量為406.65 g/kg,是CK處理的2.59倍。
玉米植株鋅養分吸收量在拔節期、抽絲期和成熟期時各處理之間差異性顯著;不同生育期都呈現出CK 處理養分吸收量最少,T3 處理養分吸收量最大。拔節期T3 養分吸收量為33.08 g/kg,是CK 處理的2.17 倍;抽絲期T3 養分吸收量為389.67 g/kg, 是CK 處理的2.23 倍; 成熟期T3 養分吸收量為1 182.84 g/kg,是CK處理的3.69倍。
由表3 可知,拔節期玉米生長周期占全生育期的23.7%,但玉米植株氮、磷、鉀相對養分吸收量只占到3.16%~15.28%;各處理之間相比較,氮養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了1.34 kg/(hm2?d);磷養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.60 kg/(hm2?d);鉀養分吸收量T2 處理最高,吸收速率達到了0.34 kg/(hm2?d);此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對氮、磷、鉀養分吸收量順序為氮>磷>鉀。

表3 玉米植株氮、磷、鉀養分吸收特性Tab.3 Nutrient absorption characteristics of N,P and K in maize plants
抽絲期玉米生長周期占全生育期的45%,玉米植株氮、磷、鉀相對養分吸收量占到48.41%~86.07%;各處理之間相比較,氮養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了2.88 kg/(hm2?d);磷養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了2.09 kg/(hm2?d);鉀養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了4.00 kg/hm2/d。此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對氮、磷、鉀養分吸收量順序為鉀>氮>磷。
成熟期玉米生長周期占全生育期的31%,玉米植株氮、磷、鉀相對養分吸收量只占到8.08%~43.94%;各處理之間相比較,氮養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了2.08 kg/(hm2?d);磷養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了2.42 kg/(hm2?d);鉀養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.79 kg/(hm2?d)。此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對氮、磷、鉀養分吸收量順序為磷>氮>鉀。
全生育期玉米植株氮、磷、鉀養分吸收量各處理間T3 達到最大,吸收速率分別為2.14、1.84、2.11 kg/(hm2?d);吸收比例為1.17∶1.00∶1.15。
由表4 可知,拔節期玉米生長周期占全生育期的23.7%,但玉米植株鈣、鎂相對養分吸收量占到2.62%~9.64%;各處理之間相比較,鈣養分吸收量在T3 處理最高,吸收速率達到了0.03 kg/(hm2?d);鎂養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.03 kg/(hm2?d);此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對鈣、鎂養分吸收量順序為鈣>鎂。

表4 玉米植株鈣、鎂養分吸收特性Tab.4 Nutrient absorption characteristics of calcium and magnesium in maize plants
抽絲期玉米生長周期占全生育期的45%,玉米植株鈣、鎂相對養分吸收量占到26.03%~38.19%;各處理之間相比較,鈣養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.13 kg/(hm2?d);鎂養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.07 kg/(hm2?d)。此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對鈣、鎂養分吸收量順序為鈣>鎂。
成熟期玉米生長周期占全生育期的31%,玉米植株鈣、鎂相對養分吸收量占到53.13%~70.73%;各處理之間相比較,鈣養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.53 kg/(hm2?d);鎂養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.14 kg/(hm2?d)。此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對鈣、鎂養分吸收量順序為鈣>鎂。
全生育期玉米植株鈣、鎂養分吸收量各處理間T3 達到最大,吸收速率分別為0.23、0.08 kg/(hm2?d);吸收比例為2.96∶1.00。
由表5 可知,拔節期玉米生長周期占全生育期的23.7%,玉米植株鐵、錳、銅、鋅相對養分吸收量占到3.69%~21.89%;各處理之間相比較,鐵養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了21.34 g/(hm2?d);錳養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了8.82 g/(hm2?d);銅養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了0.77 g/(hm2?d);鋅養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了2.31 g/(hm2?d)。此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對鐵、錳、銅、鋅養分吸收量順序為鐵>錳>鋅>銅,T3吸收比例為27.80∶11.49∶1.00∶3.01。

表5 玉米植株鐵、錳、銅、鋅養分吸收特性Tab.5 Nutrient absorption characteristics of Fe,Mn,Cu and Zn in maize plants
抽絲期玉米生長周期占全生育期的23.7%,玉米植株鐵、錳、銅、鋅相對養分吸收量占到38.35%~82.98%;各處理之間相比較,鐵養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了169.11 g/(hm2?d);錳養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了11.89 g/(hm2?d);銅養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了3.60 g/(hm2?d);鋅養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了10.38 g/(hm2?d)。此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對鐵、錳、銅、鋅養分吸收量順序為鐵>錳>鋅>銅,T3吸收比例為47.04∶3.30∶1.00∶2.89。
成熟期玉米生長周期占全生育期的23.7%,玉米植株鐵、錳、銅、鋅相對養分吸收量占到26.94%~57.22%;各處理之間相比較,鐵養分吸收量T3處理最高,吸收速率達到了34.52 g/(hm2?d);錳養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了10.48 g/(hm2?d);銅養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了7.69 g/(hm2?d);鋅養分吸收量T3 處理最高,吸收速率達到了22.44 g/(hm2?d)。此外,從吸收比例呈現出,拔節期玉米植株對鐵、錳、銅、鋅養分吸收量順序為鐵>錳>鋅>銅,T3吸收比例為4.49∶1.36∶1.00∶2.92。
全生育期玉米植株鐵、錳、銅、鋅養分吸收量各處理間T3 達到最大,吸收速率分別為92.45、10.73、4.19、12.19 g/(hm2?d);吸收比例為12.88∶2.56∶1.00∶2.91。
溝灌由于灌水后短期內表層土壤含水率較高,土壤蒸發量較大,增加無效蒸發耗水,玉米植株在灌溉后一段時間內由于缺水將影響養分吸收[20]。噴灌通過對不同土壤類型滲透速度的考慮,可以做到不讓土壤表層產生積水和徑流,保證噴灌強度和土壤入滲速度達到平衡,維持土壤團粒結構不被破壞和避免土壤沖刷[21]。但是3 級風以上都會帶走大量水滴,造成灌溉不均勻;高溫天氣會蒸發掉部分水[22]。滴灌通過對根區土壤進行長時間、低流量的局部供給,基本上不會產生地表徑流和深層滲漏,同時地表覆膜減少了裸地蒸發,不僅利于提高水分利用效率,而且有利于維持中后期根區土壤適宜的水肥狀況,從而促進玉米養分的吸收[23,24]。
作物90%以上的干物質來源于光合作用,不同的灌溉方式對于玉米光合作同影響很大,玉米營養器官和生殖器官的形成和養分分配依賴于適宜的灌溉條件[25]。不同生長時期,玉米植株干物質積累量各處理間差異顯著。拔節期、抽絲期、成熟期3 個時期玉米植株干物質積累量都呈現出T3>T2>T1>CK,說明了不同灌溉條件下,對于玉米植株干物質積累量,滴灌效果最好,噴灌次之,漫灌較差,不灌溉對玉米生長嚴重影響。本試驗結果與李英、杜文勇等人研究相同,呈現出滴灌條件下,干物質積累量效果最好[26,27]。
對于玉米植株的生育期,各處理間都呈現出玉米植株抽絲期最高,氮、磷、鉀養分吸收量占整個生育期吸收量分別為60%左右、50%左右、80%左右;成熟期次之,氮、磷、鉀養分吸收量占整個生育期吸收量分別為20%左右、40%左右、10%左右;拔節期最少,氮、磷、鉀養分吸收量占整個生育期吸收量分別為14%左右、7%左右、4%左右;結果與田樹云等人研究結果相同[28]。此外,在拔節期、抽絲期、成熟期玉米植株對氮、磷、鉀養分的吸收量大致表現出T3>T2>T1>CK。玉米植株各處理間氮、磷、鉀養分相對吸收量是基本相同的,因此可以說明對于不同灌溉條件下,對于玉米植株養分吸收規律是相同的,但對于玉米植株氮、磷、鉀養分吸收量是有影響的,表現為T3>T2>T1>CK。
對于玉米植株的生育期,各處理間都呈現出玉米植株鈣、鎂養分吸收量在成熟期最高,占整個生育期吸收量分別為65%左右、60%左右;抽絲期次之,鈣、鎂養分吸收量占整個生育期吸收量分別為30%左右、35%左右;拔節期最少,鈣、鎂養分吸收量占整個生育期吸收量分別為3%左右、7%左右。此外,在拔節期、抽絲期、成熟期玉米植株對鈣、鎂養分的吸收量大致表現出T3>T2>T1>CK,但相對吸收量各處理間差異性不顯著。玉米植株各處理間鈣、鎂養分相對吸收量是基本相同的,因此可以說明對于不同灌溉條件下,對于玉米植株養分吸收規律是相同的,但對于玉米植株鈣、鎂養分吸收量是有影響的,表現為T3>T2>T1>CK。
對于玉米植株的生育期,各處理間呈現出玉米植株鐵、錳養分吸收量抽絲期最高,養分吸收量占整個生育期吸收量分別為82%左右、50%左右;成熟期次之,養分吸收量占整個生育期吸收量分別為12%左右、30%左右;拔節期最少,養分吸收量占整個生育期吸收量分別為6%左右、20%左右。各處理間呈現出玉米植株鐵、錳養分吸收量成熟期最高,養分吸收量占整個生育期吸收量分別為55%左右、55%左右;抽絲期次之,養分吸收量占整個生育期吸收量分別為40%左右、40%左右;拔節期最少,養分吸收量占整個生育期吸收量分別為5%左右、5%左右。此外,在拔節期、抽絲期、成熟期玉米植株對鐵、錳、銅、鋅養分的吸收量大致表現出T3>T2>T1>CK,但相對吸收量各處理間差異性不顯著。玉米植株各處理間鐵、錳、銅、鋅養分相對吸收量是基本相同的,因此可以說明對于不同灌溉條件下,對于玉米植株養分吸收規律是相同的,但對于玉米植株鐵、錳、銅、鋅養分吸收量是有影響的,表現為T3>T2>T1>CK。
玉米植株對氮、磷、鉀養分吸收量在拔節期-抽絲期達到最高,抽絲期-成熟期次之,拔節期前最少;玉米植株對鈣、鎂的吸收量在抽絲期-成熟期達到最高,在拔節期-抽絲期次之,拔節期前最少;玉米植株對鐵、錳的吸收量在拔節期-抽絲期達到最高,抽絲期-成熟期次之,拔節期前最少;玉米植株對銅、鋅養分吸收量在抽絲期-成熟期達到最高,拔節期-抽絲期次之,拔節期最低。
在不同灌溉條件下,玉米植株干物質積累量和養分吸收量都呈現出滴灌最高,噴灌次之,溝灌最低。不同灌溉條件下玉米植株養分相對吸收量大致相同,表明各處理間玉米植株養分吸收規律是相同的,但各個生育期玉米植株的養分吸收量出現了顯著差異,表現為滴灌最高,噴灌次之,漫灌最低,因此說明在滴灌條件下,玉米植株干物質積累量和養分吸收量最高。