河套灌区膜下滴灌促进玉米生长及氮素吸收

任中生，屈忠义，孙贯芳，李 哲，刘安琪

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

0 引 言

河套灌区地处黄河中上游地区，是典型的干旱引水灌区，作为我国重要的西北地区重要的粮食生产基地，农业生产几乎完全依赖于引黄灌溉。但随着气候变暖，黄河来水量不断减少，国家对引黄水量实行更严格管理，2011年中央1号文件明确要求，实行最严格的水资源管理制度，确立用水总量控制、用水效率控制、水功能区限制纳污三条红线[1]。农业生产中，河套灌区氮肥投入量呈逐年增加的趋势，但利用率却一直在低水平区徘徊，收获时作物吸收利用的氮不到40%[2]。冯兆忠等人[3]的研究指出，在河套灌区当前的耕作制度以及秋浇定额下，河套灌区每年可损失约2.6×107kg N，相当于5.7×107kg尿素，是当年施氮量的20.3%。李畅游、杜军等人[4,5]的研究指出，河套灌区面源污染是导致乌梁素海水体富营养化的主要原因，而秋浇是导致河套灌区面源污染的重要原因。因此，在目前的耕作制度条件下，如何提高当季作物氮肥利用率并减少氮在土壤剖面大量残留是控制河套灌区面源污染的一个重要研究内容。

滴灌施肥系统可以根据作物的需要灵活准确地控制水分和肥料施入时间、数量和施入点，既能保证作物必需的养分，又可以提高养分利用效率，避免养分淋失。Zotarelli 等[6,7]发现滴灌能显著提高氮肥利用效率，且滴灌条件下，番茄植株根系总量显著高于畦灌，为节水增产提供了可能[8]。目前，为解决好田间节水“最后一公里”问题，河套灌区以井渠结合为基础，在井灌区采用膜下滴灌，渠灌区采用黄河水地面灌溉的灌排模式正在初步进行尝试，灌区内黄河水畦灌、地下水畦灌和地下水滴灌三种灌溉模式并存。本文对比分析灌区内3种灌溉模式对玉米生长与氮肥利用率的影响，从而为灌区大面积推广膜下滴灌水肥一体化技术提供理论依据以及数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古河套灌区临河区双河镇进步村九庄农业合作社(107°18′E，40°41′N)。该地深处内陆，属于中温带半干旱大陆性气候，多年年均降水量140 mm，平均气温6.8 ℃，昼夜温差大，日照时间长，多年日照时间平均值为3 229.9 h，是我国日照时数较长的地区之一。光、热、水同期，无霜期为130 d左右，适宜于农作物生长。

试验区以粉砂壤土为主，土壤平均密度为1.39 g/cm3，土壤全氮量、全磷量、全钾量(质量比)分别为0.093%、0.07%、1.60%、有机质1.2%，pH为7.6。试验研究区灌溉所用地下水矿化度1.07 g/L，灌溉所用黄河水矿化度0.6～0.8 g/L。

1.2 试验设计

试验按灌水模式分为地下水畦灌(J)、黄河水畦灌(H)以及地下水滴灌(D)3个处理，为计算氮肥利用率每个灌水处理设置两组施肥处理，即常规施肥与不施肥处理，共6个处理，各处理小区面积为90 m2，设2组重复。各处理灌水施肥制度如图1所示，H、J追肥量以及时间一致。H、J、D生育期灌水定额为1 500、1 200、225 m3/hm2，施肥(N、P2O5、K2O)总量分别为555、555、472.5 kg/hm2，其中基施氮、磷和钾肥量分别为尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 16%、P2O544%)和硫酸钾(K2O 50%)，其余均是随水追施尿素。

本试验选用玉米为供试作物，品种为西蒙六号，生育期为2015年5月4日-9月25日，144 d。其中玉米采用一膜两行种植方式，膜宽1.2 m,株距为25 cm，行距为60 cm, 种植密度为66 000株/hm2。

试验所用滴灌施肥设备为小型文丘里施肥器，滴灌带为上海华维生产的内镶贴片式滴灌带，管径16 mm，滴头流量为2.7 L/h，滴头间距为0.3 m。

图1 3种灌溉模式下的灌水施肥量

1.3 测定项目与方法

分别于玉米的营养生长阶段[六叶期(V6)、八叶期(V8)、十叶期(V10)、十二叶期(V12)、十五叶期(V15)、抽穗期(VT)]和生殖生长阶段[吐丝期(R1)、乳熟期(R3)、完熟期(R5)]对玉米的株高、叶面积进行测定。其中玉米株高的测定方法为：未抽穗之前量地面到叶片自然伸展时的最高处，抽雄后量地面到雄穗顶端的高度。玉米叶面积指数采用AccuPAR LP-80型植物冠层分析仪进行测定。

于V6、V8、V12、VT、R2、R5在3个灌水模式处理小区中随机选取5株玉米，称鲜质量后放入烘箱，在105 ℃杀青30 min，然后于75 ℃烘至恒质量。

将收获期玉米干样粉碎后，过 0.5 mm筛，用 H2SO4-H2O2消煮，消煮液用于养分的测定[9]，全氮含量用分光光度计测定。

在玉米生理成熟期进行考种、测产。具体方法为：每个小区随机选取3行，每行随机取5个穗测定行数、行粒数，晒干、打粒；从收获的玉米籽粒中取3次重复，每次重复100粒，称量百粒重。与此同时，从每个小区中随机选取5株玉米，将地上部分杀青、烘干至恒重，测定干物质量。

氮肥利用率相关指标的计算公式[10]：

氮肥回收利用率(NRE)=(施氮区氮积累量-无氮区氮积累量)/ 肥料投入量×100%

氮肥偏生产力(NPFP)=籽粒产量/肥料投入量

农学效率(NAE)=(施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量)/肥料投入量

植株吸氮量=干物质重×植株地上部氮含量

收获指数(HI)= 籽粒产量/成熟期植株积累量

氮收获指数(NHI)=籽粒氮积累量/植株氮素积累量

干物质积累过程的拟合：以播种后天数(t)为自变量，以播种后 0、24、33、52、78、114和139 d单株地上部分干重为因变量(W)，用Richards方程对干物质累积过程进行模拟[11-12]：

W=A(1+Be-Ct)-1/D

(当D=1时，为Logistic方程)

式中：A为玉米最终产量；B、D为方程曲线定型参数；C为生长速率参数。

干物质积累速率最大时的日期：

Tmax=(lnB-lnD)/C

干物质积累速率最大时的生长量：

Wmax=A(D+1)-1/D

最大干物质积累速率：

Gmax=(CWmax/D)[1-(Wmax/A)D]

生长活跃期(大约完成总积累量的90%) ：

P=2(D+2)/C

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel进行作图分析；采用MATLAB 7.0对Richards方程进行拟合；利用SPSS 16.0对试验数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果分析

2.1 不同灌溉方式对玉米生长的影响

2.1.1不同灌溉方式下玉米株高变化规律

玉米株高在生育期内的变化动态如图2所示，玉米株高随生育期推进呈“S”型曲线变化。苗期由于植株较小，对水分以及养分的需求量相对也比较小，各处理的株高长势状况差异不大，随着玉米生长，对水分以及养分的需求越来越大，因此从拔节期开始，各处理株高差异逐渐明显，表现为：D>J>H。各处理在吐丝期(R1)达到最大，随后缓慢降低。从整个生育期来看，3种灌溉模式下的玉米株高均为D处理最大。

2.1.2不同灌溉方式下玉米叶面积指数变化规律

图2 不同灌溉模式下生育期玉米变化规律

图3 不同灌溉模式下生育期玉米LAI变化规律

图3给出了3种灌溉模式下玉米叶面积指数在生育期的动态变化。如图所示，玉米叶面积指数随生育期推进呈“单峰型”曲线，拔节期(V6～V12)叶面积指数上升迅速且幅度较大，在吐丝期(R1)达到最大值，D、J、H三个处理下的LAI分别为：7.14、6.37、6.05，D处理下LAI较J、H处理分别高12.09%、18.01%；吐丝期(R1)后LAI下降速率先慢后快，表现为：H>J>D，D处理叶面积指数后期下降速率最慢，保持叶片绿色时间最久，促进了后期籽粒灌浆，从而提高籽粒产量。

2.1.3不同灌溉方式下玉米的干物质累积过程

用 Richards 曲线拟合玉米干物质随时间的变化过程，结果如表1。 D、J、H三种灌溉模式下生长活跃期天数分别为：107.18、96.42、94.68 d，最大生长量分别为485.18、433.20、354.29 g/株。表明采用地下水滴灌能显著延长玉米干物质累积时间，从而提高干物质量。由图4可以看出地下水滴灌处理下的干物质量在整个生长过程中都明显大于另外两个地面灌水处理，地下水畦灌处理在生长后期才明显大于黄河水畦灌处理，表明灌水方式及灌水水源都对干物质累积有一定的影响。

表1 不同灌水模式下干物质积累曲线参数和特征量

注：R2为决定系数；A为终极生长量；B为初值参数；C为生长速率参数。

图4 不同灌水模式下干物质累积曲线

3种灌溉模式(D、J、H)达到最大积累速率所需的天数之间差异达到显著水平(P<0.05)，这表明在滴灌按作物需水需肥量适量的供应条件下玉米可以较快达到干物质积累的最大速率。对比H、J处理，由于地下水水温较低，灌水定额较大，不利于温度的累积，所以会对Tmax所需天数较长。

2.2 不同灌溉方式下产量构成因素分析

玉米的产量及构成因子如表2。各处理产量表现为D>J>H。在相同灌溉水源条件下，由于滴灌灌水定额较少，灌水频率较高，整个生育期内在作物主根吸层水分供应充足，与地下水畦灌处理相比较，滴灌条件下的玉米产量提高11.68%。在相同灌溉方式，不同水源条件下，由于黄灌灌水依据黄河水来水时间而定，与井灌相比，灌水定额过大，不能维持根区土壤贮水量水平，因此与井灌处理相比，黄灌下的玉米产量减少3.43%。对产量构成因子进行方差分析，结果表明，在相同灌溉水源条件下，不同灌水方式对玉米的穗行数、行粒数影响并不显著，对百粒重以及干物质量的影响显著；在相同灌水方式，不同灌溉水水源对玉米的各产量构成因素影响均显著。在灌溉水水源相同的条件下，不同灌水方式对籽粒干物质积累的影响大于对籽粒数量形成的影响；在灌溉方式相同条件下，灌溉水水源对其产量以及产量构成因子影响显著。

表2 产量及产量构成因素分析

2.3 不同灌溉方式下氮素吸收以及氮肥利用率

如表3所示，受施氮量的影响，滴灌条件下成熟期玉米植株吸氮量小于地面灌处理。但就氮肥利用率、氮肥偏生产力以及农学利用率方面，与地面灌处理相比，滴灌处理下差异均达到显著性水平(p<0.05)，说明采用滴灌的“少量多次”的灌水方法可有效提高氮肥利用率，从而提高作物产量。

从表4中可以看出，与H、J相比，在滴灌条件下，其籽粒产量以及籽粒含氮量较地面灌处理达到显著性水平(p<0.05)，且成熟期秸秆含氮量小于井灌处理，表明滴灌条件下玉米植株营养器官的氮素累积量所占总累积量的比例较少，能够促进氮素从营养器官向籽粒转移。

氮收获指数反映成熟期氮素在籽粒和营养器官中的分配状况，3种灌溉方式下的NHI大小表现为：D>J>H。结合表3与表4进行分析，说明采用滴灌灌溉方式提高了对肥料氮的回收效率和增加肥料氮所能生产的作物籽粒产量，促进了玉米对氮肥的吸收利用及向籽粒的分配，能协调玉米籽粒产量和氮肥利用率的关系，获得高产高效。

表3 不同灌水模式对氮肥利用率的影响分析

表4 不同灌水模式对氮素在玉米植株内分配的影响

3 结 语

本文通过对3种灌溉模式下作物生长及产量、氮素利用率进行分析，主要结论如下。

(1)不同灌溉模式下玉米生育期内株高以及叶面积指数变化分别呈“S”型曲线与“单峰型”曲线，其值均表现为：D>J>H。对玉米干物质积累量采用Richards方程进行拟合分析发现，玉米干物质累积受灌水水源及灌水方式的影响：与地面灌处理相比，采用地下水滴灌能显著提高干物质积累的最大速率，缩短达到最大生长速率的时间(Tmax)，延长生长活跃期，提高干物质累积量；不同灌水方式对籽粒干物质积累的影响大于对籽粒数量形成的影响，不同灌溉水水源对其产量构成因子影响显著。

(2)河套灌区膜下滴灌较地下水畦灌、黄河水畦灌显著提高玉米产量11.68%，15.60%，氮肥利用率提高41.03%、77.19%。滴灌通过其“少量多次”的灌水施肥方式提高了氮的回收效率，增加肥料氮所能生产的作物籽粒产量，促进玉米对氮肥的吸收利用及向籽粒的分配，有效协调玉米籽粒产量和氮肥利用率的关系。

[1] 熊春茂,陈书奇,朱白丹. 以节水型社会建设为平台 全面推进最严格的水资源管理制度[J].水利发展研究,2011,11(1):31-34.

[2] 刘德平, 杨械青, 史海滨,等. 氮磷配施条件下作物产量及水肥利用效率[J]. 生态学杂志, 2014,33(4):902-909.

[3] 冯兆忠, 王效科, 冯宗炜,等. 河套灌区秋浇对不同类型农田土壤氮素淋失的影响[J]. 生态学报, 2003,23(10):2 027-2 032.

[4] 李畅游, 刘廷玺, 高瑞忠,等. 乌梁素海富营养化主控因子年季变化分析及综合评价[J]. 水文, 2004,24(3):14-17.

[5] 杜 军, 杨培岭, 李云开,等. 基于水量平衡下灌区农田系统中氮素迁移及平衡的分析[J]. 生态学报, 2011,31(16):4 549-4 559.

[6] Zotarelli L, M.D. Dukes, Scholberg J M S, et al. Tomato nitrogen accumulation and fertilizer use efficiency on a sandy soil, as affected by nitrogen rate and irrigation scheduling[J]. Agricultural Water Management, 2009,96(8):1 247-1 258.

[7] Zotarelli L, Scholberg J M, Dukes M D, et al. Tomato yield, biomass accumulation, root distribution and irrigation water use efficiency on a sandy soil, as affected by nitrogen rate and irrigation scheduling[J]. Agricultural Water Management, 2009,96(1):23-34.

[8] 肖 艳, 陈 清, 王敬国,等. 滴灌施肥对土壤铁、磷有效性及番茄生长的影响[J]. 中国农业科学, 2004,37(9):1 322-1 327.

[9] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000：302-316.

[10] 朱庆森, 曹显祖, 骆亦其. 水稻籽粒灌浆的生长分析[J]. 作物学报, 1988,(3):182-193.

[11] 顾世梁, 朱庆森, 杨建昌,等. 不同水稻材料籽粒灌浆特性的分析[J]. 作物学报, 2001,27(1):7-14.

[12] 栗 丽, 洪坚平, 王宏庭,等. 施氮与灌水对夏玉米土壤硝态氮积累、氮素平衡及其利用率的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010,16(6):1 358-1 365.

[13] 李 英, 马兴祥, 王鹤龄,等. 不同灌溉方式对玉米生物量的影响[J]. 安徽农业科学, 2014,(1):64-66.