全塑軟帶噴灌水肥一體化對夏玉米產量和養分吸收的影響

石學萍,蘭印超,楊 京,張巧英,鄭成海,檀海斌

(國家半干旱農業工程技術研究中心，河北石家莊 050051)

玉米是我國華北地區重要的糧食作物，產量約占全國玉米產量的20%，對保證我國糧食安全具有不可替代的作用。但是該地區灌溉方式多為傳統地面灌，施肥多采取種肥同播、一次性溝施的方式。粗放的生產方式造成灌溉用水量大、水肥利用效率低等問題。因此，高效利用有限的水資源、提高肥料利用效率是當前夏玉米農業生產面臨的重大任務。隨著農業現代化進程的推進，糧食生產向規模化、集約化快速發展，噴灌、滴灌等水肥一體化灌溉方式逐漸得到廣泛應用。水肥一體技術實現了少量多次追肥灌水，使土壤養分供應與作物吸收同步，是促進作物增產的重要手段，其減少了水肥損失，可以提高資源利用效率。華北平原夏玉米種植生產時間為處于雨熱同期的6—9月，降雨量在400～720 mm，占全年降雨量的80%以上。而華北地區夏玉米生育期內需水量在304.3～636.1 mm，缺水量在-370.1～283.7 mm，虧缺水量較小，因此華北地區夏玉米生產效率主要限制因素為肥料施用。

冬小麥—夏玉米輪作是華北地區主要的種植制度，采用微噴、滴灌等方式進行水肥一體化施用，在作物輪作耕種期需要收鋪滴灌(微噴)帶，而且植物秸稈高度、密度會阻礙微噴的均勻性。全塑軟帶噴灌系統的工作壓力在0.2～0.3 MPa，噴射距離8 m，適用于各種地塊形式，且操作簡單方便、便于拆卸，噴帶之間的間距大，不影響耕作。因此，筆者在對農民習慣施肥進行調查的基礎上，通過減施氮、磷、鉀肥，開展全塑軟帶噴灌水肥一體化下玉米養分高效利用田間試驗研究，測定土壤養分、植株養分和作物產量及品質變化，比較分析不同養分梯度下的養分利用效率和肥料利用率，篩選夏玉米最佳施肥方案，探索華北地區夏玉米節肥穩產技術。

1 材料與方法

試驗地為國家半干旱農業工程技術中心鹿泉綜合試驗基地(114°25′33″E，37°55′44″N)，海拔高度76 m左右，多年平均降水量536.40 mm，多年平均氣溫12.9 ℃。2020年全年降水量605.8 mm，6—9月玉米季降雨量518.5 mm。試驗地土壤為壤土，容重1.42 g/cm，耕層土壤有機質含量10.8 g/kg、全氮(N)含量0.82 g/kg、有效磷(P)含量3.81 mg/kg、速效鉀(K)含量234.53 g/kg。

共設5個處理，對照處理(CK)灌溉方式為漫灌，播種后灌水75 mm，大喇叭口期灌水52 mm；底肥采用種肥同播方式，施用復混肥(N-P-K含量：15%-15%-15%)150 kg/hm和復合肥(N-P-K含量：31%-0-9%)225 kg/hm；在大喇叭口期行間追施尿素90 kg/hm(N含量：46%)和復合肥(N-P-K含量：31%-0-9%)435 kg/hm；全生育期N、P、K施用量分別為288.45、56.25、115.65 kg/hm。T、T、T和T處理采用全塑軟帶噴灌水肥一體化技術，播種后灌水30 mm，拔節期、大喇叭口期、抽雄開花期和灌漿期各灌溉15 mm；底肥施用復混肥(N-P-K含量：15%-15%-15%)，拔節期施用尿素(N含量：46%)，大喇叭口期、抽雄開花期和灌漿期施用復合肥(N-P-K含量：31%-0-9%)；全生育期施肥量T為450 kg/hm(N：149.25 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：83.25 kg/hm)，T為600 kg/hm(N：199.35 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：94.05 kg/hm)，T為750 kg/hm(N：251.25 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：104.85 kg/hm)，T為900 kg/hm(N：288.45 kg/hm，P：56.25 kg/hm，K：115.65 kg/hm)，各生育期具體施肥量見表1。地面全塑軟帶噴灌系統工作壓力為0.2～0.3 MPa，噴射距離8 m；地面干管由若干管段連接而成，每根管段長為8 m，布置示意見圖1。試驗為大區試驗，每小區面積為1 920 m。夏玉米品種為科試982，種植密度60 000株/hm，其他管理措施與當地習慣保持一致。

表1 夏玉米不同施肥量方案Table 1 Different fertilization schemes of summer maize kg/hm2

注：30.地埋干管；31.快接出水管；310.上端的快接出水口；40.地面干管；40A.管段；40B.快接三通；50.地面干管；50A.涂塑軟帶；60.排水器 Note: 30. Buried main pipe; 31. Connect the outlet pipe quickly; 310. Quick connect water outlet at the upper end; 40. Ground main pipe; 40A. Pipe section; 40B. Quick connect tee; 50. Ground main pipe; 50A. Plastic coated soft belt; 60. Drain圖1 全塑軟帶噴灌田間布置Fig.1 The general layout of all plastic sprinkler irrigation

氣象參數。采用自動氣象站對試驗地氣溫、輻射、相對濕度、降水量、風速、風向等氣象參數進行監測。

土壤含水率及耗水量。在播種前和收獲后，采用取土烘干法，測量各處理的土壤含水率，取樣深度2 m，取樣間隔40 cm。使用水量平衡法計算各處理玉米全生育期耗水量，計算公式為

ET=(-)+++CP-D

(1)

式中，ET為耗水量，mm；為播種前土壤儲水量，mm；為收獲后土壤儲水量，mm；為全生育期降水量，mm；為全生育期灌水量，mm；CP為地下水補給量，mm；為深層滲漏量，mm。由于試驗地區地下水埋深大于15 m，同時單次灌溉或降水量較少，因此計算中忽略CP和。

植株生物量及氮﹑磷﹑鉀吸收量。于玉米成熟期，每個小區連續選取5株有代表性的完整植株，分葉片、莖稈、穗軸和籽粒，105 ℃殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，稱干重計算生物量。粉碎后采用凱氏定氮法測定全氮含量，采用釩鉬黃比色法測定全磷含量，采用火焰光度計法測定全鉀含量。

肥料偏生產力。

PFP=

(2)

式中，PFP為肥料偏生產力，kg/kg；為作物產量，kg/hm；為化肥純養分(N/PO/KO)的投入量，kg/hm。

玉米產量測定。每個處理大區取3個區域(面積為5 m×10 m)進行產量實測，測定區域內株數、空稈株數、穗數、總鮮重；在每個區域取20個果穗測定鮮重、干重、穗粒數、千粒重等考種指標。

試驗數據用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行分析。

2 結果與分析

從產量構成因素看，分次施肥各處理的穗粒數和千粒重隨肥料用量的增加先增加后減少。由表2可知，CK的平均穗數為376.93粒，T～T處理分別為357.13、423.94、442.80和439.47粒，其中T處理比CK穗粒數增加65.87粒，但增加不顯著，T處理比CK多62.54粒；各處理(T～T)千粒重、產量方面與穗粒數的變化趨勢一致，T處理千粒重比CK重10.37 g，T處理比CK重12.37 g，T處理比CK重4.58 g，各處理千粒重增加不顯著。全塑軟帶噴灌水肥一體化條件下，T處理施肥總量比CK減少33.33%，產量卻高于CK 11.04%；T處理施肥量比CK減少16.67%，產量卻高于CK 16.63%，且產量增加顯著；施肥量一定條件下，T處理比CK產量增加1 056.90 kg/hm，增產12.34%；T～T處理間產量差異不顯著。

以玉米全塑軟帶快接噴灌和漫灌條件下不同肥料用量試驗為基礎，測定自然降雨量、田間灌水量以及土壤含水量，計算出總耗水量，根據該試驗各處理的產量計算夏玉米水肥生產率。由表3可知，T～T處理隨施肥量的增加，夏玉米水分生產效率先提高再降低。T處理的水分利用效率為19.26 kg/mm，T處理為23.61 kg/mm。表明夏玉米在一定條件下增加施肥量可提高水分利用效率。與CK比，T處理略低，其他處理的水分利用效率均高于CK，T處理的水分利用效率為22.53 kg/mm，比CK高13.67%。

表2 不同水肥處理夏玉米產量組成Table 2 Yield of summer maize of different water and fertilizer treatments

由表4可知，各處理單株莖稈、葉片干物質與CK比較(除T處理外)，差異不顯著；T～T處理隨著施肥量增加，玉米莖稈、葉片干物質呈增大趨勢，T處理莖稈干物質最高，達60.31 g/株，葉片干物質量86.13 g/株，且T、T處理干物質與CK處理接近。全塑軟帶噴灌各處理玉米籽粒干物質量隨著施肥量的增大呈先增加后減少的趨勢，T～T處理間差異不顯著，T、T處理籽粒干物質量顯著高于CK，T處理最高，達193.50 g/株，高于CK 19.86%。T～T處理的穗軸干物質量呈現先升高再降低趨勢；T～T處理顯著增加，T處理玉米穗軸干物質量最高，達21.35 g/株，T處理穗軸干物質量減少，且與T處理差異顯著，T處理與CK比干物質含量減少，且二者間差異顯著；CK與T玉米穗軸干物質重量接近。夏玉米全株干物質量以T處理最高，T、T處理間差異不顯著。在相同施肥量，增加施肥次數能顯著增加全株干物質量，在施肥量氮肥減施30.89%、鉀肥減施18.68%內增加施肥次數(T處理)全株干物質含量比CK高9.32%。這表明分次施肥，氮、鉀肥施肥后移可增加后期干物質積累量。

表 3 不同水肥處理夏玉米耗水和水分利用效率Table 3 Water consumption and water use efficiency of summer maize of different water and fertilizer treatments

從圖2可見，夏玉米不同部位的養分含量不同，葉片中表現為N>K>P，莖稈和穗軸為K>N>P，籽粒為N>K≈P。莖稈中N含量隨著氮肥增加呈增大趨勢，且T、T處理顯著高于T、T，T處理最高，達1.31%，T～T處理N吸收量均高于CK；莖稈的P含量變化趨勢不規律，T處理高于CK。各處理莖稈K含量均高于CK，T處理K吸收最高，達2.86%。T～T處理夏玉米葉片N、P含量呈增加趨勢，且T～T處理均高于CK，各處理葉片K含量增加不顯著(T處理除外)，T處理葉片K含量最高。各處理穗軸N、P、K含量呈現先增加后減少的趨勢，以T處理含量最高，穗軸N、P、K含量分別達到0.35%、0.03%、0.90%，籽粒含量分別為1.52%，0.27%，0.33%，均顯著高于CK。由此可知，在相同施肥量的情況下，增加施肥次數能顯著提高作物養分吸收含量。

表4 不同水肥處理夏玉米各部位的干物質量Table 4 Dry matter of different parts of summer maize of different water and fertilizer treatments g/株

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note: Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)圖2 不同水肥處理對夏玉米各部位養分吸收的影響Fig.2 Effects of different water and fertilizer treatments on nutrient absorption of summer maize

由表5可知，隨著各處理追肥量的增加，微噴夏玉米N、K的偏生產力逐漸下降，如T處理的N、K偏生產率為54.56、144.77 kg/kg，而T處理分別為33.32、83.18 kg/kg，表明隨著用肥量的增加，玉米對N、K的利用率相對降低。 P肥在施肥初期發生大量的吸附固定，作為底肥施入，5個處理P肥量一致，隨著N、K肥的增加，P(PO)偏生產力呈先增大后減小趨勢。T處理與CK比較，N偏生產力比CK高60.71%，P(PO)偏生產力比CK高11.04%，K(KO)偏生產力比CK高36.55%。T處理與CK比較，N偏生產力比CK高33.93%，P(PO)偏生產力比CK高16.63%，K(KO)偏生產力比CK高28.65%。

表5 不同水肥處理N、P、K肥的總施入量及偏生產力Table 5 Total input and partial productivity of N,P and K fertilizers of different water and fertilizer treatments

從試驗測定的3項玉米品質指標可以看出(表6)，以T處理施肥量品質最好，粗蛋白質高于T處理5.04%，高于CK 3.05%；粗脂肪高于T處理12.69%，高于CK 0.54%；粗淀粉以T處理最好，高于T處理4.31%，高于CK 0.38%；T～T處理隨著肥料的增加玉米品質明顯提高，但T、T處理、CK隨著肥料增施不呈線性關系，甚至呈降低趨勢。

表6 不同水肥處理夏玉米籽粒品質Table 6 Grain quality of summer maize of different water and fertilizer treatments g/kg

3 討論

華北地區夏玉米種植常因生長期高溫多雨，采用“一炮轟”的施肥方式，極易造成氮素的淋洗和損失，這種方式也易使氮肥以氣態形式損失，降低氮肥利用率，使夏玉米生長后期發生脫肥早衰的現象。該試驗結果表明，通過全塑軟帶噴灌模式水肥一體化，分別在拔節、大喇叭口、抽雄開花期、灌漿分4次追肥，氮肥施肥量251.25 kg/hm，干物質和產量最大。與漫灌施肥在大喇叭口施一次肥比較(T處理)，節約氮肥30.89%，干物質總量變化不顯著，產量增加11.04%。魏廷邦等研究表明，玉米全生育期植株氮素積累速度呈雙峰曲線，第1峰出現在拔節期至大喇叭口期，第2峰出現在灌漿期至成熟期，玉米氮肥從拔節期后移延長至灌漿期有利于提高植株體內活性氧清除酶的代謝合成量，延緩植株衰老，增大全生育期玉米干物質最大增長速率及提前最大增長效率出現的天數。因此，根據玉米不同生育階段的氮素吸收特征進行氮肥減量后移可節省氮肥，但并不影響植株氮積累量和積累速率。

研究表明，夏玉米生產施肥中重前期、輕后期的做法影響增產潛力。水肥一體化技術可以通過調整施肥時期及分次施用量，從而優化施肥制度，實現肥料后移。該技術可以在肥料總量不變的情況下，通過減少對作物生長前期的投入，將節省的肥料施于作物生長后期，進而提高植株對供給養分的吸收利用，降低土壤殘留，從而提高肥料利用率。李金鑫等研究結果表明，適中的水肥一體化技術可以提高產量2.80%，提高肥料利用率28.55%，薛垠鑫等利用滴灌對寧夏玉米施肥可以使氮肥利用率達到51.21%，磷肥利用率達到28.88%，鉀肥利用率高達65.75%。該試驗結果表明，通過精確控制不同生育期的施肥量，直接將肥料輸送到作物根部，保證了養分快速被根系吸收，全塑軟帶噴灌水肥一體N肥減施30.89%、K肥減施18.68%，N、K肥偏生產力比CK分別高出60.71%、36.55%，提高了肥料偏生產力。合理的肥料配合施用和水肥一體化技術可以促進作物吸收，有效提高肥料利用。該研究在施N量251.25 kg/hm、施K量104.85 kg/hm，夏玉米植株養分吸收、產量、品質達到最佳。李格等研究表明，在華北地區中低產土壤滴灌施肥條件下，最適宜的N、K施用量分別為180和90 kg/hm，當施N量超過180 kg/hm、施P量超過90 kg/hm時，夏玉米產量會出現下降。這與該研究的結論不完全一致，一是受到地力、地區、降水量、作物不同生育階段需水需肥規律等因素的影響；二是未充分考慮P肥變化對夏玉養分吸收的影響。

該試驗采用的全塑軟帶噴灌模式噴頭立桿高度1.2～1.5 m，小麥生育期及夏玉米苗期到大喇叭口期不受作物遮擋影響，能夠滿足灌水施肥需要。夏玉米生長后期受秸稈遮擋，對噴灌效果有一定影響，但由于該階段處在雨熱同期，虧缺水量較小，以灌溉施肥為主要農業措施的節水效應很難體現，利用全塑軟帶噴灌模式可滿足玉米補充灌溉和施肥需要，提高肥料養分利用率、減少施肥勞動投入，該模式可以作為冬小麥—夏玉米一年兩熟節水灌溉推薦技術。

4 結論

在河北山前平原冬小麥—夏玉米一年兩作的地區，在全塑軟帶噴灌水肥一體化條件下，增加施肥頻次和N、K施肥時間后移可提高增加夏玉米干物質累積量和產量。肥料減量分次追施可提升水分利用效率，促進玉米養分吸收和提升肥料利用率。P肥底施56.25 kg/hm時，N、K施用量分別為251.25 kg/hm和104.85 kg/hm，夏玉米植株養分吸收、產量、品質達到最佳，當施肥量繼續增大時，夏玉米產量反而出現下降。該研究利用新型工程模式，將農民傳統的施肥量、灌水量進行適度減量，為河北中南部平原夏玉米節水節肥穩產高效栽培技術提供了技術和理論依據。