限額補灌及施肥水平對淺埋滴灌玉米生長發育、產量及水分利用率的影響
2023-12-11 09:20:00王欣欣卜一李盡朝路耿新李冠義唐超孫艷楠李炳海
江蘇農業科學 2023年16期
王欣欣 卜一 李盡朝 路耿新 李冠義 唐超 孫艷楠 李炳海
摘要：為探尋玉米淺埋滴灌適宜的灌溉及施肥指標，提高玉米的水肥利用效率，對制定合理的灌溉制度、發展高效節水節肥農業具有重要的意義。通過設定灌水定額及施肥水平2因素組合，采用裂區試驗設計，主處理為補灌定額W，設3個灌溉定額；副處理為施氮水平N，設4個施氮水平以及3個對照處理（大水漫灌處理、不滴灌處理、全膜滴灌處理），研究水肥耦合對玉米農藝性狀、產量及水分利用率的影響，明確玉米淺埋滴灌水氮施用最優模式。結果顯示，結合自然降雨條件下，玉米淺埋滴灌栽培能明顯提高玉米的出苗率及出苗指數和玉米百粒質量。2021年不同水肥處理較傳統大水漫灌處理的玉米增產率為-9.91%～16.36%，各處理中W2N3處理的產量增幅最大。淺埋滴灌處理產量較全膜滴灌處理產量略低但產量差異不顯著（P>0.05），而全膜滴灌處理使用地膜會造成環境污染，綜合經濟效益及環境效益，淺埋滴灌的效益更明顯。3個不同的灌水梯度表現出不同的變化趨勢，在W1梯度下，當施氮量為N1水平（2020年）或N2水平（2021年）時水分利用率最高；在灌水W2梯度下，當施氮量為N3水平時水分利用率最高；在W3梯度下，N2水平（2020年）或N3水平（2021年）的水分利用率最高，而3個灌水處理中N0水平的水分利用效率都是最低的。本研究以灌水量和施氮量為變量，結合自然降雨條件，得到最佳產量15 638.80 kg/hm2，補灌量1 500 m3/hm2，施純氮225 kg/hm2，最佳水分利用效率28.62 kg/（hm2·mm），適量增加了灌水量，但大幅提高了玉米產量。
關鍵詞：限額補灌；施肥；淺埋滴灌；水分利用率
中圖分類號：S513.6；S513.7文獻標志碼：A
文章編號：1002-1302（2023）16-0062-07
收稿日期：2022-11-11
基金項目：內蒙古自治區科技計劃重大專項（編號：2020ZD0005）。
作者簡介：王欣欣（1983—），女，河北平泉人，碩士，副研究員，主要從事旱作農業及作物栽培育種等方面的研究。E-mail：wxx986@163.com。
通信作者：卜 一，研究員，主要從事旱作農業及作物栽培育種等方面的研究。E-mail：buyi133@163.com。
水分是制約作物生長的重要因素。此外，氮素是影響玉米產量的主要因子之一，合理施用氮肥是作物獲得高產的關鍵措施［1-3］。可以說，水、氮是限制半干旱區作物產量的2個關鍵因子［4］。因此，旱地農業中水分和養分的關系問題越來越受到人們的重視［5］。內蒙古燕山丘陵地區屬于大陸性季風半干旱氣候，光熱資源豐富、降水較少且分布不均［6］，干旱缺水、土壤肥力低下且利用率低是限制該地區農業生產力提高的重要因素。隨著膜下滴灌技術應用后，農業殘膜問題也日益突顯，而玉米淺埋滴灌技術是近年來興起的一種新型滴灌方式，這種灌溉技術在大田中的應用大大改善了我國干旱和半干旱地區農業干旱缺水的問題，同時也解決了長期應用地膜的農業污染問題，基于該方式而形成的水肥一體化高產栽培模式對玉米節水、節肥、增產提效具有顯著效果［7-10］。本研究以淺埋滴灌玉米為研究對象，分析結合自然降雨條件下的量水補灌技術在水肥耦合條件下的玉米產量效應，尋求高效水肥優化方案，提高水肥利用率，為實現該地區玉米節水高產高效提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 試驗區概況
試驗于2020—2021年在內蒙古自治區赤峰市喀喇沁旗西橋鎮農業產業園試驗基地進行，該基地地理位置為41°51′N、119°08′E，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，降水主要集中在6—8月，雨熱同季，無霜期130 d左右，年有效積溫2 900～3 100 ℃，年平均氣溫6.5 ℃，年平均降水量在300～500 mm之間，多年平均蒸發量為1 600～2 500 mm。試驗區耕作層土壤為沙壤土，耕層0～20 cm基本肥力：有機質含量11.2 g/kg，速效氮含量49 mg/kg，速效磷含量21.3 mg/kg，速效鉀含量92 mg/kg，pH值7.98。2020年前茬作物為谷子，2021年前茬作物為玉米。圖1所示為試驗周期內氣象狀況。
1.2 試驗設計
供試玉米品種為赤單218。本試驗于2020年4月29日和2021年5月6日播種，2020年9月24日收獲，2021年由于整年的平均氣溫偏低、降水較多、日照較短等因素，于10月20日收獲。采用玉米雙行淺埋滴灌精量播種機播種，一次完成鋪滴灌管、施肥作業，播深3～6 cm，滴灌帶埋深5 cm。寬窄行種植，120 cm幅寬（寬行80 cm、窄行40 cm），種植密度67 500株/hm2。窄行里鋪設1條滴灌帶，控制2行玉米，每個小區配備1個施肥罐和1個水表，以保證每個小區單獨灌水、施肥的要求。其他田間管理措施同當地生產田一致。小區面積為30 m2，每小區8行，行長 6.25 m，3次重復，隨機區組排列。
本試驗采用裂區試驗設計，主處理為補灌定額W，設3個灌溉定額（1 200、1 500、1 800 m3/hm2，分別記為W1、W2、W3）；副處理為施氮水平N，設3個施氮水平（150、225、300 kg/hm2，分別記為N1、N2、N3），N0為不施肥處理。灌溉定額播種期統一滴灌300 m3/hm2、灌漿期滴灌225 m3/hm2，其余水量分別于拔節期、抽雄期按比列滴灌實施，補水在各生育階段視墑情進行，若該階段出現有效降水，視有效降水量適當核減補灌量。試驗所用肥料為尿素（N 含量46%），磷酸二銨（N 含量18%，P2O5含量46%）和硫酸鉀（K2O 含量58%）。施氮處理基肥量相同，均為磷酸二銨300 kg/hm2，硫酸鉀150 kg/hm2；追肥于拔節期、抽雄期、灌漿期3次按5 ∶3 ∶2的比列隨滴灌施入。還有2個對照處理，當地大水漫灌水平、常規施肥量的處理（CK1）以及不滴灌處理、常規施肥量的處理（CK2）。此外2021年另增加了全膜滴灌處理（滴灌量為1 500 m3/hm2）、常規施肥量的處理（CK3）。
1.3 測量項目與方法
生育期：播種后，分別觀察記載不同處理玉米進入苗期、拔節期、抽雄期和成熟期的時間。
出苗整齊度：出苗后15 d，在標定的3 m雙行內，連續測定10株幼苗的生理株高，取平均值，再用平均值除以標準差作為出苗整齊度的衡量指標；出苗指數：出苗后3 d連續調查出苗情況，在標定的 3 m 雙行內，從出苗開始，每2 d調查1次出苗數，連續調查4次。
出苗率：在播種后3、5、7、9 d分別記錄出苗穴數與區間內總穴數的百分比。
作物水分利用效率（WUE）的計算公式：WUE＝Y/ET。
式中：WUE為作物水分利用效率，kg/（hm2·mm）；Y為作物產量，kg/hm2；ET為作物生育期耗水量，mm。
氮肥農學利用率（NAE）=（施氮處理籽粒產量-不施氮處理籽粒產量）/施氮量，kg/kg；
氮肥偏生產力（NPFP）=施氮處理籽粒產量/施氮量，kg/kg。
1.4 數據處理
數據采用WPS和SPSS 20.0統計分析軟件進行數據處理分析及作圖。
2 結果與分析
2.1 不同處理對玉米生育期的影響
由表1可知，淺埋滴灌處理下的生育期差異不大，玉米出苗較快且整體較整齊。2年的CK1處理均出苗明顯較晚，生育期也相對較長。2021年的CK3處理出苗較早，生育期也相對較長。
2.2 不同處理對玉米出苗指數及出苗整齊度的影響
由表2和圖2可知，2020年不同處理的出苗指數從大到小依次為淺埋滴灌處理>CK2>CK1。2021年的CK3處理的出苗指數最高，CK1處理出苗指數最低。由最終的出苗率可知，淺埋滴灌處理的出苗率最高，CK1處理的出苗率最低；CK3處理雖然出苗指數較高，但出苗率卻不理想，由于CK3處理進行覆膜種植，有些苗無法正常鉆出地膜而影響了出苗率。另外，與2020年相比，2021年的出苗指數明顯下降，分析一是由于2021年春季氣溫偏低，出苗較慢，二是由于播種密度不均勻。
由表3可知，2021年CK3處理的出苗整齊度最高，其次是淺埋滴灌和CK2處理，而CK1處理出苗整齊度最低。由于CK2處理苗期進行滴灌，前期處理與其他淺埋滴灌處理一致，所以出苗同樣較整齊；而CK1處理是播種前進行大水澆地，澆地后1周進行播種，地溫也相對較低，所以出苗高度也變化波動較大，而CK3為膜下滴灌處理，能更有效地保證地溫，出苗整齊度最高。
2.3 不同處理對玉米光合速率及葉綠素含量（SPAD值）的影響
表4為2020年不同處理玉米拔節期、抽穗期、灌漿期的光合速率情況，可以看出，拔節期各不同灌水量滴灌處理間光合速率差異均不顯著（P>0.05），但除W1N0處理外的其他滴灌處理均顯著高于CK1處理；抽穗期W3水平的4個處理光合速率顯著高于其他處理；灌漿期CK1與CK2處理光合速率最低，顯著高于其他滴灌處理。表5為玉米不同時期相對葉綠素含量（SPAD值）的變化，不同灌水和施氮處理對灌漿期和抽穗期的SPAD值的影響更顯著。
2.4 不同處理對玉米經濟性狀和產量的影響
由表6可知，2020年淺埋滴灌處理的株高、單穗長、穗行數及行粒數較CK1及CK2處理均有所差異，淺埋滴灌處理較CK2處理提高了株高、單穗長、單穗粗和行粒數，并一定程度上減小了穗行數；特別是不同灌水處理對玉米的株高影響較大。2021年淺埋滴灌處理的株高、單穗長、穗行數及行粒數較CK1及CK2處理均有所差異，各滴灌處理較CK2處理總體降低了株高、穗位、穗行數、行粒數，增加了禿尖長，單穗長、單穗粗差異不大；總體上來看，大多數淺埋滴灌處理與CK3處理下的玉米各經濟性狀差異不顯著。
由表7可知，2020年的淺埋滴灌處理顯著增加玉米百粒質量，W3N2處理較CK1處理的增幅最大，各灌水處理較CK1處理增幅達5.89%～10.46%，說明淺埋滴灌處理可顯著增加玉米百粒質量，從而提高產量；比較不同處理間玉米產量情況，不同水肥處理較CK1處理的玉米增產率為23.85%～58.98%，較苗后不再灌水（CK2）處理增幅達45.61%～86.90%，產量增幅較大。不同滴灌和施肥處理間，W3N2、W2N3產量居前2，并與W2N0、W1N0處理差異顯著，與其他灌水施肥處理間差異不顯著。與CK1和CK2處理相比，2021年部分淺埋滴灌處理顯著增加玉米百粒質量，CK3處理的百粒質量顯著高于其他處理；除CK3處理與其他處理差異顯著外，各淺埋滴灌處理之間大部分差異并不顯著；比較不同處理間玉米產量情況，不同淺埋滴灌處理較CK1處理的玉米增產率為-9.91%～16.36%，較苗后不再灌水處理增幅為-0.45%～28.58%，W2N3處理的產量增幅最大；比較淺埋滴灌處理與CK3處理，除W2N3、W2N2處理略增產外，其余全部減產，不同淺埋滴灌處理間，W3N2、W2N3產量居前2，并與W2N0、W1N0處理差異顯著，其他各淺埋滴灌處理間差異并不顯著。
2.5 不同處理對玉米的水分利用效率的影響
從表8可以看出，2020年的灌溉水利用效率總體表現為W1處理>W2處理>W3處理>CK2處理>CK1處理，水分利用率隨滴灌量的增加整體呈下降趨勢，說明在一定范圍內隨灌溉用水量的增加，水分利用效率會下降。各淺埋滴灌處理的灌溉水分利用率較CK1處理提高了46.26～87.08 kg/（hm2·mm），增幅最高達到317.81%。各處理的作物水分利用率較CK1處理提高了9.53～15.32 kg/（hm2·mm），增幅最高達到134.62%。2021年灌溉水利用效率總體表現為CK1處理>CK3處理>W2處理>W1處理>W3處理>CK2處理，水分利用率隨滴灌量的增加總體呈先上升后下降趨勢，說明在一定范圍內隨灌溉用水量的增加，水分利用效率會上升，超過一定范圍，反而會下降。各淺埋滴灌處理的水分利用率較CK2處理的分別提高了3.69～11.59 kg/（hm2·mm），增幅最高達到63.82%。
2.6 不同處理對玉米的氮肥利用率的影響
由表9可知，2020年氮肥農學利用率最高的3個處理分別是W2N1、W2N3、W2N2，氮肥偏生產力最高的分別為W3N1、W2N1、W1N1。在不同淺埋滴灌處理下，氮肥農學利用率總體表現為W2處理>W3處理>W1處理，并且氮肥農學利用率最高的3個處理都在W2滴灌水平下，說明適量的滴灌量有利于提高氮肥的利用；但并不是補灌水量越多越好，當滴灌量達到W3梯度時，氮肥農學利用率最高是在N2水平，氮肥農學利用率為N2處理>N1處理>N3處理。2021年，氮肥農學利用率最高的2個處理分別是W3N3、W3N2處理，氮肥偏生產力最高的是W2N1、W1N1處理。
3 結論與討論
淺埋滴灌栽培提高了玉米的出苗率及出苗指數，2021年比大水漫灌（CK1）處理早出苗3 d，雖然晚于全膜滴灌（CK3）處理，但由于地膜覆蓋存在苗鉆不出膜影響出苗率，全膜滴灌處理的出苗率較淺埋滴灌處理低；淺埋滴灌為種子萌發出苗提供了合適的水分，同時有利于苗齊苗壯。通過對不同處理光合速率分析，與CK1處理相比，不同淺埋滴灌處理均提高了玉米的光合速率，不同灌水量處理對光合速率的影響更大，灌水量增大光合速率也隨之增高。
2年的部分淺埋滴灌處理顯著增加玉米百粒質量；比較不同處理間玉米產量情況，2021年不同水肥處理較傳統大水漫灌處理的玉米增產率為 -9.91%～16.36%，各處理中W2N3產量增幅最大，其次為W2N2處理；比較淺埋滴灌處理與全膜滴灌處理，除W2N3、W2W2略增產外，其余全部減產，但淺埋滴灌處理與全膜滴灌處理間產量差異并不顯著。
王士杰等研究發現，水、氮、鉀3因子對玉米產量提高有促進作用，影響程度為水＞氮＞鉀；2因子交互作用對產量的影響程度水氮最大，水鉀次之，氮鉀最小［11］。本試驗中，3個不同的灌水梯度表現出不同的變化趨勢，在W1梯度下，當施氮量為N1水平（2020年）或N2水平（2021年）時，水分利用率最高；在灌水W2梯度下，當施氮量為N3水平時水分利用率最高；在W3梯度下，N2水平（2020年）或N3水平（2021年）時，水分利用率最高，而3個灌水處理中N0水平的水分利用效率都是最低的，說明適當提高施氮量，對水分利用效率的提高有促進作用，而施氮量過高不利于水分利用效率的提高，施氮量對于水分利用效率的作用存在一定的適合范圍。
在2020年試驗基礎上，2021年根據實際情況增加了全膜滴灌處理作為對照3，主要希望通過試驗明確目前生產中最主要應用的全膜滴灌與淺埋滴灌栽培的玉米水肥利用及產量對比情況。通過試驗結果分析，在試驗年份降雨條件下，淺埋滴灌處理產量較全膜滴灌處理產量略低但產量差異不顯著，分析不同栽培方式的經濟效益，W2N2、W2N3處理的經濟效益顯著，W2N2處理效益為 1 222.94元/667 m2，比大水漫灌處理增加純收益251.14元/667 m2，較全膜滴灌處理增加純收益114.74元/667 m2，經濟效益顯著。而全膜滴灌處理使用地膜會造成環境污染，綜合經濟效益及環境效益，淺埋滴灌的效益更明顯。
馬建琴等利用NSGA-Ⅱ算法對對模型進行求解，得到最佳水肥方案：灌水量為848.24 m3/hm2，施肥量為 192.66 kg/hm2，該水肥組合下玉米產量為10 667.52 kg/hm2，優化了水肥，提高了產量［12］。本研究以灌水量和施氮量為變量，在結合自然降雨條件，得到試驗最佳產量15 638.80 kg/hm2，補灌量1 500 m3/hm2，施純氮225 kg/hm2，最佳水分利用效率28.62 kg/（hm2·mm），適量增加了灌水量卻大幅提高了玉米產量。此外，結合分析玉米需水規律，在玉米生長關鍵期進行灌水，考慮到灌水量和施肥量在不同生育期內的分配對玉米的影響，通過分析玉米生長時期進行分期補灌，更有利于節水及水分高效利用。
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