風(fēng)沙土水肥一體化滴灌水量對玉米生長和產(chǎn)量的影響

劉富強　竇超銀　顧桂棟　陳偉　佟威

摘要：為了探究風(fēng)沙土地區(qū)水肥一體化條件下，滴灌水量對玉米生長、產(chǎn)量的影響，并找到玉米膜下滴灌的適宜灌水量，以京科968玉米為供試作物，基于完全組合試驗，研究風(fēng)沙土水肥一體化條件下不同灌溉水量對玉米生長性狀、產(chǎn)量的影響。設(shè)置灌水量和氮、磷、鉀等配對因素，灌水量設(shè)置3個水平：W1處理（低水）、W2處理（中水）、W3處理（高水）。氮、磷、鉀配對設(shè)置2個方式：F1（作為底肥集中施肥）、F2（多次追施）。磷肥、鉀肥的總施肥量均為 100 kg/hm2，氮肥的總施肥量為300 kg/hm2。結(jié)果表明，在集中施肥處理下，玉米株高隨著灌水量的增加先升高后降低；玉米莖粗隨灌水量的增加而先增大后減小，表現(xiàn)為F1W2處理>F1W3處理>F1W1處理；F1W1處理的葉綠素含量（SPAD值）隨著生育期的遞進(jìn)而逐漸增大，并在灌漿期達(dá)到峰值67.8；F1W2處理的玉米葉面積指數(shù)（LAI）一直處于最大值并且在灌漿期達(dá)到峰值，從苗期至灌漿期，F(xiàn)1W2處理的玉米LAI分別比F1W1、F1W3處理高13.4%、20.0%；干物質(zhì)質(zhì)量隨著灌水量的增大而減小；F1W2處理的產(chǎn)量最高，達(dá)13.2 t/hm2，F(xiàn)1W1處理的WUE最高，達(dá)2.3 kg/m3。在多次追施處理下，灌水量對玉米葉綠素含量的影響較小，F(xiàn)2W2處理的株高、莖粗均高于其他處理，并且干物質(zhì)量、產(chǎn)量和WUE最高，產(chǎn)量達(dá)14.0 t/hm2，WUE達(dá)2.3 kg/m3。可以看出，在2種配施肥條件下，玉米均以中水灌溉為宜。

關(guān)鍵詞：風(fēng)沙土；膜下滴灌；水肥一體化；灌水量；產(chǎn)量

中圖分類號：S274.1；S513.06文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）05-0110-06

風(fēng)沙土是遼西北重要的土壤資源，但是由于土質(zhì)貧瘠，土壤留住水肥的能力相對較差，易受風(fēng)、水侵蝕［1］，使得土壤生產(chǎn)力一直處于較低水平。近年來，隨著國家和地方政府越來越多的政策支持，滴灌技術(shù)在遼西北地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。作為最先進(jìn)的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，滴灌出色的水肥調(diào)節(jié)能力可以增加風(fēng)沙土的可持續(xù)利用能力。有研究發(fā)現(xiàn)，采用滴灌技術(shù)從根本上改變了土壤水分狀況，改善了首要的制約因素，產(chǎn)量較當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的雨養(yǎng)種植方式提高了約124.6%［1］，如果采用地埋滴灌方式，不僅可以起到同樣的增產(chǎn)效果，還能夠降低地膜對土壤污染的風(fēng)險。在合理的灌溉制度下，在主要種植作物玉米生育期內(nèi)灌水10次，灌水定額為 52.5 mm［2］，灌溉水量約為0.8 KcET0（Kc為作物系數(shù)，ET0為冠層水面蒸發(fā)量），便可以保障高產(chǎn)，即高頻灌溉是首選的灌溉制度，也符合風(fēng)沙土保水性差的特點。

滴灌對養(yǎng)分的調(diào)控是提升風(fēng)沙土土壤生產(chǎn)力的另一個關(guān)鍵，隨著滴灌灌水量的增加，硝態(tài)氮的水平遷移較明顯［3］，在垂直方向（0～20 cm），隨著灌水量的增加，硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量有先增大后減小的趨勢［4-5］。針對滴灌的特性，前人已經(jīng)得到了不少服務(wù)于生產(chǎn)實踐的成果。在高頻滴灌施肥的條件下，灌水量為0.8 KcET0能夠?qū)⒎柿嫌行У乜刂圃谟衩赘浚褂衩椎纳L指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)［6］。減小基肥施用比例、采用玉米關(guān)鍵期追肥的方式能有效提升玉米的產(chǎn)量和肥料利用效率［7］。李青軍等的試驗結(jié)果表明，氮肥是影響玉米生長的主要因素，均勻施肥可以提高玉米的產(chǎn)量，使其發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益［8］。氮肥在玉米生長過程中處于首要地位，決定著地上部生物累計量和葉片的生長［9］。前人的研究重點多集中于氮肥施肥制度，但是風(fēng)沙土土壤中同樣缺乏磷鉀元素，因此，在研究前期氮肥施肥制度的基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)一步對風(fēng)沙土的灌溉施肥制度開展深入研究。考慮到水肥互作的復(fù)雜性，本試驗首先探究集中施肥、分期施肥對灌溉制度的影響，選擇灌溉制度的主要參數(shù)之一——灌溉水量作為研究對象，通過試驗分析不同水肥配施條件下灌溉量對玉米生長性狀和產(chǎn)量的影響，確定適宜的灌溉量，從而為后續(xù)水肥制度試驗研究提供基礎(chǔ)，為遼西北地區(qū)滴灌技術(shù)的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在遼寧省彰武縣阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)北甸子村（122°23′E，42°50′N）開展，與科爾沁沙地南緣毗鄰。該試驗區(qū)多年平均降水量約為412 mm，夏季降水量較大；年均蒸發(fā)量為 1? 781 mm；年平均氣溫為 6.1 ℃，平均風(fēng)速為3.7～4.2 m/s，有時出現(xiàn)沙塵暴天氣；作物生長周期為145～150 d，其中無霜期達(dá)154 d。風(fēng)沙土是本試驗區(qū)土壤的主要組分，土壤干體積質(zhì)量為1.69 g/cm3。土壤有機質(zhì)含量較少，為6.6%。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗在2021年5—10月開展，其間以京科968作為本試驗所用玉米品種，氮、磷、鉀肥分別采用尿素（N含量為 46.4%）、磷酸一銨（N含量為12%、P2O5含量為61%）、硫酸鉀（K2O含量為52%）。

試驗因素為灌水量和氮磷鉀配對。氮、磷、鉀配對設(shè)置2個水平：F1（100%作底肥，按當(dāng)?shù)爻Ｓ玫氖┓史绞郊惺┓剩2（25%底肥+25%拔節(jié)肥+25%穗肥+25%粒肥，多次追施），磷肥、鉀肥的總施肥量均為100 kg/hm2，氮肥的總施肥量為 300 kg/hm2。本試驗的灌水量按以下公式計算得出：

W=αKci（Em，5-Pm，5）。

式中：Em，5為第m個5日累計蒸發(fā)量；Pm，5為第m個5日累計降雨量；Kci為玉米各生長期的系數(shù)，按玉米各生育期的先后關(guān)系，依次取0.45、0.55、1.20、1.00、0.70；α為需水系數(shù)，參考前期試驗推薦的需水系數(shù)α=0.8［10］（中水處理，W2），并分別將α降低30%（低水處理，W1，0.56 KcET0）、提高30%（高水處理，W3，1.04 KcET0）。采用完全試驗進(jìn)行本試驗設(shè)計。

玉米采用大壟雙行種植，壟距1.2 m，寬行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m，種植密度為 5.56萬株/hm2。基肥在春播時施入，各生長階段灌水、施肥各2次，整個生育期施8次肥。

1.3 田間管理

播種前先將玉米種子在空氣中晾干，所有處理在春耕前進(jìn)行犁耕，平整土地，施雞糞1.5 t/hm2。在玉米拔節(jié)期進(jìn)行1次除草，噴施1次農(nóng)藥，防治蟲害。2021年10月2日收獲玉米。

1.4 測定指標(biāo)

1.4.1 蒸發(fā)量、降水量和灌水量的測定 在小型氣象站監(jiān)測降水量；蒸發(fā)量用置于冠層上方20 cm的蒸發(fā)皿測量，每天08：00進(jìn)行觀測；用水表進(jìn)行灌水量的監(jiān)測，將各次灌水量進(jìn)行累加。

1.4.2 生長指標(biāo)的測定 在玉米的每個生長階段，從每個試驗區(qū)隨機選擇3株玉米植株，測量玉米的株高、莖粗、葉面積指數(shù)（LAI值）和葉片葉綠素含量（SPAD值）。

1.4.3 玉米地面干物質(zhì)量的測定 采集各生育期的玉米樣株地上生物部分，去垢后于105 ℃烘箱中殺青30 min，再于75 ℃烘干至質(zhì)量穩(wěn)定不變，隨后用天平測量玉米烘干后的質(zhì)量。

1.4.4 考種、產(chǎn)量及水分利用效率（WUE）的測算 在完熟期對各小區(qū)隨機取3株玉米進(jìn)行考種，計算玉米產(chǎn)量。水分利用效率采用如下公式計算：

WUE=Y/ET。

式中：WUE為玉米的水分利用效率，kg/m3；Y為玉米產(chǎn)量，kg/hm2；ET為玉米耗水量，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

用Excel 2021進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的整理，用Origin 2020進(jìn)行作圖，用SPSS 24.0進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量、蒸發(fā)量、灌水量和施肥量

如圖1所示，2021年玉米生育期內(nèi)的累計水分蒸發(fā)量為711.3 mm，累計降水量為534.6 mm，其間有效降水28次，有效降水量為478.2 mm。由圖1還可以看出，玉米生育期僅在7月15號至7月27日范圍內(nèi)連續(xù)13 d無雨。2021年度總共灌水8次，每次灌水量詳見表1，總施肥8次，施肥量見表2。

2.2 不同配肥條件下灌水量對玉米的影響

2.2.1 株高 由圖2可以看出，隨著玉米生育期的推進(jìn)，不同處理玉米株高的變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為苗期至拔節(jié)期迅速增高，穗期至完熟期逐漸趨于穩(wěn)定。在集中施肥處理下，玉米株高表現(xiàn)為F1W2處理>F1W1處理>F1W3處理。由此可見，隨著灌水量的增加，玉米株高在一定范圍內(nèi)先增大，超過一定限度后逐漸減小。該試驗結(jié)果與竇超銀等的試驗結(jié)果［11］不一致，說明配肥對玉米株高產(chǎn)生了一定的作用。薛垠鑫等研究發(fā)現(xiàn)，氮、鉀肥是影響玉米株高的主要因素，這可能是造成不同處理之間差異的原因［12］。在F2處理（分多次追施）處理下，玉米株高的變化趨勢與集中施肥處理相差不大，但苗期F2W3處理的株高顯著高于F2W2處理，而在拔節(jié)期，F(xiàn)2W2處理的株高顯著高于F2W1處理。在2種不同配施條件下，隨著灌水量的增加，玉米株高都是先增大后減小，在F2W2處理下，生育期內(nèi)玉米的株高高于F2W1、F2W3處理。

2.2.2 莖粗 由圖3可以看出，隨著玉米生育期的推進(jìn)，不同處理間的玉米莖粗無顯著差異，從苗期到拔節(jié)期玉米生長迅速，從穗期到完熟期生長量有少量減小。不同水肥處理的玉米莖粗峰值均出現(xiàn)在拔節(jié)期。在集中施肥處理下，3種灌水處理的玉米莖粗大致表現(xiàn)為F1W2處理>F1W3處理>F1W1處理。由此可見，隨著灌水量的增加，玉米莖粗先逐漸增大，后減小。在多次追施處理下，也是W2處理的莖粗最大，但是不同灌水處理下的玉米莖粗表現(xiàn)為F2W2處理>F2W1處理>F2W3處理。在W2處理下的拔節(jié)期至完熟期，分期追肥較集中追肥分別使玉米莖粗增加了4.0%、4.2%、5.7%、3.4%。在2種不同配施條件下，均是W2處理的玉米莖粗最大，但是在集中施肥條件下，高水處理組的莖粗大于低水處理組，與分期追肥結(jié)果相反。

2.2.3 葉片葉綠素含量 由圖4可以看出，各處理玉米的SPAD值為39.0～68.2，葉片SPAD值隨著玉米生育期的推進(jìn)而逐漸增加，其中苗期至拔節(jié)期增加得最多，各處理的增幅近50%。在集中施肥處理下，F(xiàn)1W1處理的玉米植株SPAD值在苗期處于最低值39.0，到灌漿期達(dá)到峰值67.8，較苗期提升了73.8%。在多次追施處理下，玉米的SPAD值一直處于較高水平，在苗期分別比W1、W3處理高15.8%、15.4%，在拔節(jié)期至灌漿期，3種處理間的差異不大。由2種不同配施試驗結(jié)果看出，在集中施肥條件下，高水不利于葉綠素的生成，低水在玉米的整個生育內(nèi)均有利于葉綠素含量的增加，并在生育后期達(dá)到峰值。隨著施肥結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在分期施肥條件下，玉米生育中后期3種灌水方式間的SPAD值差異并不明顯。由此可見，磷鉀肥在葉綠素增長方面只起到了協(xié)同作用。

2.2.4 葉面積指數(shù) 由圖5可以看出，玉米葉片的生長速度隨著玉米生育期的推進(jìn)而加快，苗期至拔節(jié)期增加得最明顯，各處理平均增長約6倍。從不同灌水處理來看，在集中施肥處理下，F(xiàn)1W2處理的LAI一直處于最大值且在灌漿期達(dá)到峰值，苗期至灌漿期平均比F1W1、F1W3處理高13.4%、20.0%，而F1W1、F1W3處理的玉米植株LAI之間無明顯規(guī)律。在分多次追施處理下，葉面積指數(shù)的變化趨勢與集中施肥類似，3種灌水處理間的差異不大。在生育后期，F(xiàn)2W2處理的葉面積指數(shù)變化較大，從穗期至灌漿期增長了11.9%。2種不同配施試驗結(jié)果表明，中水處理有利于玉米葉面積增長，在集中施肥處理下，中水處理組的玉米葉面積指數(shù)在整個生育期都遠(yuǎn)超其他2組，而在分期追肥條件下只在生育后期遠(yuǎn)超其他2組，說明由于磷肥的緩釋性，到玉米生育后期才表現(xiàn)出優(yōu)于集中施肥的特性，這點與范秀艷的研究結(jié)果［13］一致。

2.2.5 玉米成熟后的干物質(zhì)質(zhì)量 如圖6所示，在集中施肥處理下，完熟期玉米地上部分干物質(zhì)累積量大致表現(xiàn)為F1W1處理>F1W2處理>F1W3處理，表明低水分處理更有利于玉米成熟后干物質(zhì)的積累。在W1處理下，玉米成熟后的干物質(zhì)質(zhì)量比W3處理高20.8%。在磷、鉀分多次追施處理下，玉米地上部分的干物質(zhì)累積量大致表現(xiàn)為F2W2處理>F2W3處理>F2W1處理，F(xiàn)2W2處理的玉米干物質(zhì)質(zhì)量分別較F2W1、F2W3處理提高28.8%、25.4%，說明中水處理有利于玉米地面干物質(zhì)的積累。2種不同配施試驗結(jié)果表明，分期施肥中水處理的玉米干物質(zhì)質(zhì)量較集中施肥處理增加了27.5%。

2.3 玉米產(chǎn)量構(gòu)成、產(chǎn)量和水分利用效率

由表3可以看出，穗長、穗粗、穗粒數(shù)和穗百粒質(zhì)量是影響玉米產(chǎn)量的主要因素。在集中施肥處理下，玉米穗質(zhì)量、穗長、禿尖長和穗行粒數(shù)隨著灌水量的增加先增加后減少，玉米穗粗、穗行數(shù)、總穗粒數(shù)隨著灌水量的增加而逐漸減小。F1W2處理的產(chǎn)量分別較F1W1、F1W3處理提高了3.9%、10.0%，F(xiàn)1W2處理的WUE較F1W1處理低4.3%，較F1W3處理高15.8%。在磷、鉀分多次追施處理下，玉米穗質(zhì)量、穗長、穗粗、穗行粒數(shù)隨著灌水量的增加而先增加后減小，總穗粒數(shù)隨著灌水量的增加而增大，百粒質(zhì)量隨著灌水量的增加而減小。F2W2處理的產(chǎn)量分別較F2W1、F2W3處理提高8.5%、6.1%。F2W2處理的WUE分別較F2W1、F2W3處理提高15.0%、9.5%。總體上看出，W2F2處理下的玉米產(chǎn)量、WUE最高，分別達(dá)到14.0 t/hm2、2.3 kg/m3。

3 討論與結(jié)論

灌水量對于玉米生長、營養(yǎng)物質(zhì)運移有重要影響，適宜的灌水量有利于提高玉米產(chǎn)量、減少玉米病株的產(chǎn)生［14］，水肥相互配合可以促進(jìn)玉米性狀、產(chǎn)量的提高。前人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水量為0.8 KcET0時，玉米的穗質(zhì)量得到增長，對玉米產(chǎn)量的增長起促進(jìn)作用［16］。在一定范圍內(nèi)，玉米產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增長［15-18］，達(dá)到一定閥值之后，灌水量的增加反而會對玉米產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)作用，抑制玉米的生長。本研究結(jié)果顯示，2種不同的肥料配施方式與這一規(guī)律基本符合。

玉米生長的能量來源是根系分布區(qū)的土壤水、肥料狀況及地表光合作用，無機物、有機物的高效轉(zhuǎn)換效率是實現(xiàn)玉米生長、增產(chǎn)的關(guān)鍵。在本試驗集中施肥條件下，F(xiàn)1W2處理的灌水量適中，因此在整個玉米生育期F1W2處理的株高一直處于較高值。F1W3處理的灌水量較大，肥料在淋洗作用下流向深層土壤，使得單位區(qū)域內(nèi)的肥料濃度降低。由于玉米拔節(jié)期根系較短，對肥料的需求大［19］，因此拔節(jié)期F1W3處理的玉米株高最低。由于玉米生長關(guān)鍵期的養(yǎng)分供應(yīng)不足，進(jìn)而導(dǎo)致整個生育期內(nèi)F1W3處理的玉米株高一直最低，形成閉環(huán)負(fù)影響。當(dāng)玉米在拔節(jié)期獲得較多灌水時，有利于莖粗增加［10］，本試驗中F1W2處理的莖粗最大，結(jié)果與之不符，原因可能是年度降水量過多，使高水處理組的根系水分過多，莖粗減小。玉米的SPAD值對灌水的需求大，但缺肥對SPAD值的影響更大［20］，在集中施肥條件下，玉米的SPAD值隨灌水量的變化規(guī)律與前人的研究結(jié)果一致。葉片是玉米進(jìn)行光合作用的主要器官，其橫向發(fā)展能力在一定程度上決定了產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米LAI與肥配施密切相關(guān)，在一定程度上提高灌水量有利于葉片生長。在集中施肥條件下，中水處理對提高LAI的效果更好，與張俊鵬等的研究結(jié)果［21］相同。在高水處理下，養(yǎng)分向深層運移，成為吸收不了的“廢料”，再加上高水處理的水分過多，導(dǎo)致玉米生育關(guān)鍵期LAI不高，生育后期葉片萎蔫［21］。在低水處理下，肥料供應(yīng)雖然充足，但水分缺乏，導(dǎo)致LAI降低。在分期施肥處理下，玉米株高、葉綠素含量的變化與集中施肥處理間的差異不大，但莖粗、葉面積指數(shù)有一定差異。在集中施肥下，磷肥容易在土壤中附著，不易被作物吸收［22］。磷肥對玉米莖粗的影響最大［23］，分多次追施磷肥能確保玉米生育關(guān)鍵期磷肥的充分供應(yīng)，因此F2W2處理的玉米莖粗優(yōu)于F2W1、F2W3處理。在F2W2處理下，玉米的葉面積指數(shù)在生育后期才表現(xiàn)出遠(yuǎn)超低水、中水對照組，可能由于磷肥有一定的緩釋性，到生育后期才能發(fā)揮其生長效應(yīng)。

相關(guān)研究結(jié)果表明，隨著灌水量的增大，玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素會在一定程度上增加，但超過一定值后會出現(xiàn)下降趨勢［24］，本試驗結(jié)果與之基本相符。在分多次追肥處理下，F(xiàn)2W2處理的產(chǎn)量最大，達(dá)14.0 t/hm2，并且WUE也達(dá)峰值2.3 kg/m3。灌水、施磷均能促進(jìn)干物質(zhì)在灌漿期、完熟期的積累，并且高水處理對磷肥產(chǎn)生的抑制作用較為顯著，低水處理不利于養(yǎng)分的運移，導(dǎo)致干物質(zhì)下降［25］，因此分多次追肥的F2W2處理的干物質(zhì)質(zhì)量最高。由于F2W2處理的玉米性狀最優(yōu)、水肥配比佳，所以較多營養(yǎng)物質(zhì)流向了苞粒，造成玉米產(chǎn)量提高。

通過對風(fēng)沙土地區(qū)水肥一體化條件下玉米適宜灌水量的研究得出：集中施肥條件下玉米的株高、莖粗隨著灌水量的增大而先增大后減小；高水不利于葉綠素的積累，低水有助于葉綠素的積累并在灌漿期達(dá)到峰值。在中水處理下，玉米性狀一直處于較高水平。在多次追肥處理下，玉米的株高、莖粗均是中水處理較大，但3種灌水處理下的玉米葉綠素含量相差不大，由于磷肥的緩釋性，中水處理的玉米葉面積在生育后期優(yōu)勢明顯。在集中施肥處理下，玉米的干物質(zhì)積累量隨著灌水量的增加而減小，中水處理的產(chǎn)量最高，達(dá)13.2 t/hm2，但低水處理的WUE最高，達(dá)2.3 kg/m3。在多次追肥條件下，中水處理的干物質(zhì)、產(chǎn)量和WUE最高，其中產(chǎn)量達(dá) 14.0 t/hm2，WUE達(dá)2.3 kg/m3。綜合考慮風(fēng)沙土地區(qū)水肥一體化條件下不同灌水量對玉米生長、產(chǎn)量的影響，灌水量推薦為0.8 KcET0。

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收稿日期：2022-03-31

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（編號：51609208）。

作者簡介：劉富強（1997—），男，江蘇如皋人，碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail：1429526048@qq.com。

通信作者：竇超銀，博士，高級工程師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究、農(nóng)業(yè)水土資源高效利用研究。E-mail：chydou@163.com。