寬壟溝灌下冬小麥灌水施肥質量評價

關鍵詞：灌水質量；施肥質量；水氮利用效率；數值模型；水肥管理方案

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0535

中圖分類號：S275.3 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）12014513

由于我國水資源較為匱乏，地下水超采嚴重，農業發展受到一定限制，過度施用氮肥加劇了生態環境問題。在華北平原，農民想要通過大水漫灌和過量施用氮肥獲得高產，對水資源和環境造成嚴重負擔，但作物增產效果不明顯，且灌水效率低[12]。因此，節水減氮、制定科學合理的水肥管理措施來提高灌溉質量，可以緩解我國農業用水的壓力，有利于我國發展節水減氮型農業[3]。小麥是我國主要種植作物，近年來關于不同水氮處理下小麥生長和產量的研究較多[45]，但地區、氣候及灌溉方式也會對其生長造成影響，如何合理選擇灌溉方式和水氮施用量，從而優化灌水和施肥質量是田間試驗研究的重難點[6]。小麥尤其是冬小麥，常用的壟作方式具有高效節水的特點。國內外針對壟作開展了一系列研究[78]，Khan等[9]研究發現，經過處理后的玉米種子結合壟作可減輕土壤干旱脅迫帶來的不利影響，在水分正常或虧缺條件下均可實現增產；Qin等[10]認為，采用壟作耕種可以顯著提高水稻的氮素利用效率。羅雙龍等[6]認為，固定道壟作小麥可以明顯提高產量；馬忠明等[11]通過試驗發現，壟作溝灌栽培促進了春小麥根系的發育和地上部的生長。然而，壟作灌溉不利于保墑，排水困難，在特定的土壤、氣候條件下尤其是對于華北平原冬小麥應用常規的壟作方式較難達到節水增產的效果；傳統的溝灌種植雖然提高了灌水效率，但水分利用效率依舊很低。寬壟溝灌灌溉方式是針對華北平原冬小麥的生長特性、當地干旱半干旱農業生產的實際需要和降雨形式，在常規壟作和傳統溝灌的基礎上進行優化，解決農業用水資源匱乏和農田土壤環境問題的一種新的灌溉方式，其通過控制灌水次數和灌水量以及減小壟寬來改善耗水結構（降水、灌溉水、土壤水），減少灌溉水的深層滲漏損失，提高水氮利用效率，進而達到節水氮增產的效果。已有研究表明，寬壟溝灌在模擬試驗與裸土試驗中具有較好節水效果，但是目前的研究多集中于模擬試驗，無法確定寬壟溝灌下適宜冬小麥生長的最優水氮施用量，也無法判斷寬壟溝灌是否適用于當地冬小麥的生產實際[12-14]。此外，灌水施肥質量評價是結合作物水分利用效率（water useefficiency，WUE）、灌水效率（irrigation efficiency，Ea）、儲水效率（water storage efficiency，Es）、灌水均勻度（irrigation uniformity，Ed）4個灌水質量評價指標與氮肥農藝效率（nitrogen agronomic efficiency，AE）、氮肥生理效率（nitrogen physiological efficiency，PE）、氮肥回收效率（nitrogen recovery efficiency，RE）、肥料偏生產力（partial fertilizer productivity，PFP）4個施肥質量評價指標，對作物灌溉方式與作物生長進程、產量以及作物水氮利用效率進行系統評判的一種方式，可為得到適宜冬小麥生長的水氮施用組合提供參考。有研究針對不同的灌溉方式，結合作物灌水施肥質量評價，在保證環境友好的大前提下可給出符合實際情況的最佳水肥管理方案，孫曉琴等[15]通過波涌灌溉模型對冬小麥灌水質量進行評價，得出波涌畦灌與連續灌溉相比節水效果更顯著，灌水質量得到了優化；聶衛波等[16]研究表明，基于量綱分析的畦灌灌水質量評價模型可靠有效。但是，對于不同水氮施用處理下冬小麥灌水施肥質量分析評價的研究較少。本研究基于當地作物生長規律與氣候特征，以冬小麥為研究對象在鄭州地區選取寬壟溝灌的灌溉方式，開展大田試驗，通過測定冬小麥灌水前后溝、壟不同土層土壤含水率以及冬小麥全氮含量與產量等指標，運用寬壟溝灌冬小麥水氮運移模型，結合灌水施肥質量評價指標，對寬壟溝灌進行灌水施肥質量評價，得到冬小麥節水氮、高產能的最優水氮組合，為冬小麥的寬壟溝灌節水增產實踐提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究在河南省鄭州市華北水利水電大學農水試驗場（34°78 N、113°79 E，海拔110.4 m）進行。該試驗田屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均日照時數5.6 h，無霜期220 d，年均氣溫14.5 ℃，年均降水量637.1 mm，多集中在7—9月。

1.2 試驗材料

試驗以冬小麥品種‘濟麥22’為材料，是當地推廣的密植品種。供試土壤類型為粉砂質壤土，100 cm深度內平均田間持水量為34%（體積比），土壤平均容重1.35 g·cm^?3，有機質含量870 mg·kg^?1，全氮含量539 mg·kg^?1，堿解氮含量45～60 mg·kg^?1，速效磷含量11.8 mg·kg^?1，速效鉀含量104.4 mg·kg^?1。

1.3 試驗設計

試驗田灌溉方式為寬壟溝灌，試驗灌水和施氮量的制定參照已有研究[1718]，并考慮地域特點、當地種植管理習慣和自身研究目的等因素，設置3 種水分控制下限，分別為田間持水率的60%（L60）、70%（L70）、80%（L80），3種施氮量分別為120（N120）、220（N220）、320 kg·hm?2（N320），水氮交互共9個處理，以生育期內不灌水不施肥為對照（CK），其他農藝措施保持不變，不同水氮處理方案如表1所示。冬小麥播種時間為2020年10月16日，收獲時間為2021年6月1日，生育期共228 d。寬壟溝灌灌水溝斷面采用梯形斷面，壟高20 cm、溝底寬20 cm，溝、壟面規格分別為40 和70 cm，各試驗小區之間設有1.5 m 寬的保護行。灌水溝斷面如圖1所示，壟溝長度為20 m，每個處理設置“1壟2溝”，各個處理之間設置保護行。試驗區總面積為28.5 m×20.0 m，相鄰兩溝中距離為0.9 m，壟上種植5行小麥，行間距為15 cm。底肥于播種前施用，追肥隨灌溉水流均勻進入田間。試驗底肥為硫酸鉀型三元復合肥（氮、磷、鉀含量分別為15%、15%、15%），追肥使用尿素（氮含量46%）。

1.4 測定項目

1.4.1 土壤含水率的測定 在冬小麥播種后142、149、176、182 d，灌水前與灌水后5 h用土鉆分別在溝、壟首尾以及長沿溝長方向1/2處取0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm 土層的土壤，采用剖面土壤水分傳感器測定土壤不同土層體積含水率。冬小麥生育期內平均每7 d用Trime-PICOIPH依次測量溝、壟首尾以及沿溝長方向1/2處的土壤體積含水率。

1.4.2 作物全氮含量和產量的測定 取冬小麥播種后167、188、211 d以及收獲后的植株，在烘箱內105 ℃殺青0.5 h，然后在80 ℃烘干至恒重，冷卻至室溫后稱重，粉碎后過0.25 mm篩，稱取0.5 g，消煮后使用凱氏定氮儀（K9860，山東海能科學儀器有限公司）測定小麥植株全氮。寬壟溝灌冬小麥收獲期，每個處理選取面積為1.0 m×0.7 m的冬小麥樣本，從中選取具有代表性的冬小麥樣本進行室內考種，測定單株穗粒數、百粒重等冬小麥的產量構成要素。

1.5 數學模型

由于冬小麥越冬期土壤凍融，土壤水分基本不發生流動，且HYDRUS-2D 模型中無土壤凍融條件的土壤水分運移過程模擬模塊，故模型主要模擬階段為2021年3月1日至5月25日，土壤體積含水率為模擬對象。

寬壟溝灌水分運移采用非飽和土壤水分運動基本方程，K（θ）采用Van Genuchten-Mualem（VG-M）模型進行計算。

1.5.1 邊界條件 初始條件：根據返青期田間試驗實測值，將0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm 土層土壤的含水率數據分層輸入HYDRUS-2D模塊。本次模擬假定各層土壤初始水分含量在水平、垂直方向均勻分布。

邊界條件：模擬區域上邊界采用變通量邊界條件，分為第1類變通量邊界和第2類變通量邊界，將降雨數據和灌溉數據填入第1類變通量邊界，將降雨數據填入第2類變通量邊界，模擬區域左側及右側為零通量邊界，下方為自由排水邊界。圖2為土壤水氮運移模型邊界設定。

1.5.2 參數率定 畢彪等[21]研究了HYDRUS-2D軟件中VG-M模型的5個參數敏感性，發現殘余含水率對結果的影響最小，根據實驗室已開展的研究取其為定值，殘余含水率θ_r 取0.032 4 cm3·cm^?3，通過HYDRUS-2D 軟件內置反演模塊，結合田間實測含水率反演VG-M模型參數（表2）。

1.6 數據處理

采用Microsoft Excel軟件進行數據處理，使用SPSS統計軟件進行方差分析、組間比較和主體間效應檢驗，采用AutoCAD、Origin軟件繪圖。本研究采用3個評價指標對模型進行評價，分別為均方根誤差（root mean squared error，RMSE），平均絕對誤差（mean absolute error，MAE），決定系數（coefficient of determination，R²）。

2 結果與分析

2.1 模型驗證分析

為驗證經過修正的土壤水力特性參數，對田間試驗各處理進行模擬計算，由圖3可以看出，經過修正的土壤水力特性參數具有較高的準確性。由表3可知，MAE與RMSE都較小，故土壤體積含水率的模擬值具有較高的準確性，R²均在0.938以上，所以HYDRUS模型可以用于寬壟溝灌水分運移模擬。

2.2 灌水質量評價分析

由表4可知，不同水氮處理下，灌水水平對冬小麥的E_d、E_a 和E_s 的影響極顯著（Plt;0.01）。L70處理下冬小麥Ed 分別高于L60 和L80 處理12.47%、1.42%。L70和L80處理下冬小麥E_s顯著高于L60 處理。L70 處理下冬小麥Ea 分別高于L60 和L80 處理27.45%、12.73%，冬小麥的WUE分別高于L60 和L80 處理5.03%、15.88%，L70-N220處理下WUE達到最大，為2.07 kg·m^?3，L70-N120處理下Ea達到最大，為85.56%。

圖4為寬壟溝灌冬小麥E_d、E_a、E_s和WUE在不同水氮施用量下擬合變化等值線圖，可以更直觀地表達寬壟溝灌下冬小麥E_d、E_a、E_s 和WUE隨水氮施用量不同的連續性擬合變化趨勢。由圖4可知，冬小麥的E_d、E_a和WUE隨著灌水量的增加呈現先增后減的變化趨勢。冬小麥E_d 和WUE 在L70-N220水氮處理下擬合效果較好，對于冬小麥E_a，L70-N120 水氮處理下擬合效果優于其他處理。L70～L80 范圍內冬小麥Es 沒有顯著性趨勢變化。

2.3 施肥質量評價分析

由表5可知，灌水處理與施氮處理以及兩因素的交互作用對冬小麥的AE、PE、RE和PFP的影響均極顯著（Plt;0.01）。L70-N120 處理下冬小麥AE、PE和PFP均達到最大，分別為0.27、23.75和64.03 kg·kg^?1。N120 處理下冬小麥AE 分別比N220 和N320 處理高56.86% 和147.36%，PFP 分別比N220和N320處理高73.9% 和160.15%；L60處理下冬小麥AE 和PFP 顯著低于L70 與L80處理。

圖5為寬壟溝灌冬小麥AE、PE、RE和PFP不同水氮施用量處理下擬合變化等值線圖，由圖可知，隨著施氮量的增大，冬小麥AE和PFP擬合效果均呈現減小的趨勢；冬小麥PE隨施氮量的變化趨勢規律性不明顯；隨著灌水量的增加，冬小麥的AE顯著降低，但冬小麥的PFP隨灌水量的增加呈先增大后減小的趨勢。冬小麥RE在L70-N220處理下擬合效果最好，對于冬小麥AE和PFP，L70-N120擬合效果明顯優于其他處理。對于同種灌水處理，冬小麥PE在L60處理下隨施氮量的變化不大，但在L70～L80范圍內冬小麥PE在N220處理下顯著優于其他施氮處理。冬小麥RE 隨灌水量與施氮量變化的規律與AE相似，但冬小麥PE變化規律不明顯。

2.4 基于冬小麥產量、WUE 與PFP 的水肥管理方案優化

以冬小麥的產量、WUE與PFP為因變量，以灌水量與施氮量為自變量，運用Origin 2018對數據進行回歸擬合分析并繪圖，結果如圖6所示。當灌水量和施氮量分別為276.73 mm和234.29 kg·hm?2時，冬小麥產量最大，為8 429.24 kg·hm?2；當灌水量和施氮量分別為208.16 mm 和205.71 kg·hm? 2時，冬小麥WUE最大，為2.065 kg·m^?3；當灌水量和施氮量分別為252.24 mm和120 kg·hm?2時，冬小麥PFP最大，為63.99 kg·kg^?1。綜合考慮冬小麥光合作用、生理特點和冬小麥生育期水氮損失等，結合冬小麥灌水施肥質量評價指標，分析不同水氮處理下產量的擬合變化趨勢，得出符合試驗區冬小麥生長的最優水氮管理方案為灌水量在208.16～276.73 mm，施氮量在205.71～234.29 kg·hm?2。

3 討論

基于田間灌溉質量評價體系的灌水和施肥質量評價是對不同水氮處理下作物生長優劣性分析[22]。通過對寬壟溝灌下冬小麥E_d、E_a、E_s和WUE研究分析可得，寬壟溝灌下冬小麥的Ed隨著灌水量的增大呈先增后減的趨勢，這是由于灌水量增大，在水平方向壟體的吸滲量與垂直方向溝內水分的下滲量明顯增大，水平吸滲的水分均勻分布在壟體濕潤土層內，E_d增大，當壟體濕潤層內的水分分布均勻時，欠灌水量減小[23]。如果灌水量繼續增大，溝內水分垂向重力勢增大，未被作物根系吸收的水分加速向溝深處運移，但向壟體兩側的水平方向吸滲速率減緩，容易形成深層滲漏，使得E_d減小，這與王維漢等[24]關于畦灌改水成數的變化對灌水質量的影響有相似之處，但因為水分入滲方式不同，深層滲漏量明顯降低。E_s在L70和L80處理下均明顯高于L60處理，這也與灌水量的持續增加造成的深層滲漏有關。E_a隨灌水量的變化與E_d 相似，這是由于隨著灌水量的增加，水分入滲速率和入滲量同樣增大，水平方向壟體吸滲量增大，灌后壟體內儲水量增大，即有效水量增大使得Ea 變大，但隨著灌水量繼續增大，造成的深層滲漏和自由入滲水量的增大使得土層內有效水分減少，E_a 減小，這與張新民等[25]的研究結果相似，但本研究各處理土層內存儲的有效水量較大。從整個生育期來看，隨著灌水量的增加冬小麥WUE先增大后減小，這是由于適宜的灌水量有利于提高冬小麥葉片光合速率，促進作物根系生長，但水分過多會造成土壤含氧量不足，根系生長不活躍，誘導產生次生脅迫，影響作物生長，這與王興等人的研究結果一致[26-28]。在灌水量一定的條件下，隨著施氮量的增加，WUE也呈先增后降的趨勢，原因是冬小麥的生長會被土壤中含量過高的氮素抑制[29]。故在寬壟溝灌下冬小麥E_d、E_a、WUE隨著灌水量的增加呈先增大后減小的趨勢，在L70處理下灌水質量最優。

合理選用施氮量是作物施肥質量優化的重要因素[30]。對寬壟溝灌下冬小麥生育期施肥質量進行評價可知，施氮量是冬小麥生育期內PE和RE的負相關影響因素，這可能是由于在冬小麥生育期內各施氮處理氮吸收量差別不大，施氮量的增大使作物無法吸收的氮素一部分在作物根系累積，抑制根系的生長與作物的氮吸收，另一部分作為損耗，導致冬小麥PE和RE減小。L70處理冬小麥的PE和RE比L60、L80處理大，這可能與灌水量的持續增大使得土壤內氮素隨水分深層滲漏流失有關。寬壟溝灌下冬小麥PFP隨著施氮量的增大而減小，這與章杰等[31]的研究結果不同，可能是由于L60-N220處理下干旱脅迫使得作物根系吸收氮素能力變強，PFP增大。當灌水量逐漸增大時，產量降低，氮素淋失，PFP降低。N120處理下的PFP高于N220和N320處理，這是由于土壤內殘余氮素在灌水后滲入土壤深層，施氮量越大，滲入量越多，超出冬小麥主要根系分布層（土層深度0—80 cm），氮損失變大，最終導致PFP降低[32]。寬壟溝灌由于其入滲特點，氮素利用較充分，達到了減氮的目的。雖然寬壟溝灌下冬小麥AE、PE、RE隨著施氮量的增加不斷減小，但冬小麥PFP隨著施氮量的增加呈先增大后減小的趨勢，即在N220氮素處理下施肥質量最優。

孫云云等[33]認為，灌水量與施氮量存在正交互作用，冬小麥的產量受水氮施用量變化的影響，其變化與水氮施用量變化均關系顯著。已有研究表明，冬小麥產量在超過一定閾值之后隨水氮施用量的增加由升高的趨勢變為下降趨勢[3435]。本研究發現，在寬壟溝灌下隨著灌水量不斷增加，冬小麥產量也不斷增大，但冬小麥產量的增大速率逐漸變小。N320與N220處理相比產量沒有顯著增加，這是由于在灌水量一定的條件下，施氮量過多影響作物根系對養分的吸收和地上器官的形成與發育，進而影響冬小麥增產效果[36-38]。

作物產量、WUE擬合變化呈開口向下拋物面趨勢，存在產量與WUE的最高點，符合報酬遞減定律。相同范圍內的水氮施用量并不能同時滿足冬小麥產量、WUE與PFP共同最優，這與張富倉等[39]對滴灌條件下夏玉米產量和水肥利用效率的回歸分析結果相似。用SPSS軟件進一步擬合取得三者最大值的置信區間，進行優化處理后發現，寬壟溝灌下冬小麥的PFP取得最大值的大概率置信區間與產量、WUE取得最大值的大概率置信區間所對應的灌水量與施氮量區間共同范圍較小，若繼續增大灌水量和施氮量的適用范圍，作物的產量和WUE將會脫離最優區間，不符合節水減氮的理念，故綜合考慮冬小麥產量與WUE的最優范圍，兼顧節水節肥的目標，冬小麥適宜灌水量和施氮量分別在208.16～276.73 mm 和205.71～234.29 kg·hm?2。

（責任編輯：胡立霞）