西北绿洲灌区水氮耦合对燕麦品种陇燕3号耗水特性及产量的影响

冯福学慕 平赵桂琴柴继宽刘 欢陈国栋

1甘肃农业大学草业学院, 甘肃兰州 730070;2甘肃农业大学水利水电工程学院, 甘肃兰州 730070;3甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州730070;4塔里木大学植物科学学院, 新疆阿拉尔 843300

西北绿洲灌区水氮耦合对燕麦品种陇燕3号耗水特性及产量的影响

冯福学1,2慕 平3赵桂琴1,*柴继宽1刘 欢1陈国栋4

1甘肃农业大学草业学院, 甘肃兰州 730070;2甘肃农业大学水利水电工程学院, 甘肃兰州 730070;3甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州730070;4塔里木大学植物科学学院, 新疆阿拉尔 843300

灌水和施肥, 尤其是施氮肥, 是调控作物生长和增加产量的两大重要技术措施, 其互作是燕麦高产高效栽培中重要因素。2014—2015年连续2个生长季, 在甘肃河西绿洲灌区的田间试验设3个定额灌溉和3个施氮(纯氮)水平, 研究水氮耦合对陇燕3号农田0～150 cm土层耗水量、棵间蒸发、产量及水分利用效率的影响。3个灌溉处理的灌水量分别为270 mm (I1)、337.5 mm (I2)和405 mm (I3), 3个施氮水平分别为90 kg hm–2(N1)、120 kg hm–2(N2)和150 kg hm–2(N3)。从播种到成熟, 燕麦阶段耗水强度呈先增后减趋势, 抽穗至灌浆是最大耗水期, 且同一施氮水平下,阶段耗水强度随灌水量增大而显著增加。在全生育期内, 棵间蒸发量(E)及土壤水分蒸发量占总蒸发量的比例(E/ET)表现先降后升趋势, 且相同施氮量下, 拔节至灌浆期随灌水量的增大而增大, 而灌浆至成熟期则随灌水量的增大而减小。相同施氮量下, 燕麦产量随灌水量增加而显著增加, 水分利用效率却随灌水量增加而降低。产量 N3I3最高(5466.0～5727.5 kg hm–2), N3I2次之(5428.5～5678.5 kg hm–2), N1I1最低(4504.5～4804.3 kg hm–2); 水分利用效率N3I2最大(12.11～12.82 kg mm–1hm–2), N3I1次之(12.04～12.63 kg mm–1hm–2), N1I3最小(9.79～10.58 kg mm–1hm–2)。由此表明, 水氮耦合对燕麦水分利用及产量具有显著互作效应。施氮量150 kg hm–2、灌溉定额337.5 mm是西北绿洲灌区燕麦种植较佳的节水、高产水氮管理模式。

燕麦; 耗水特性; 水氮互作; 水分利用效率

燕麦是禾本科燕麦族燕麦属一年生草本植物,包括裸燕麦(Avena muda)、皮燕麦(A. sativa)和野燕麦(A. fatva)等, 具有耐瘠、耐盐碱、耐寒、耐旱等特点。燕麦分布在全世界五大洲40多个国家, 年种植面积 250万公顷[1], 我国燕麦主要分布在华北、西北、东北和青藏高原的16个省(区)。燕麦含有丰富的粗蛋白、脂肪和碳水化合物, 并富含钙、磷等矿物质和维生素, 是一种重要的粮饲兼用性作物[2-3]。

水分和氮素是与作物生产紧密相连的因子, 对作物协同发生作用的效应已被众多研究成果证实。研究表明, 籽粒灌浆前期土壤严重干旱会导致粒重降低[4], 而增加施氮量能提高旗叶光合速率[5], 促进同化物的形成及其向籽粒的转运, 提高粒重和籽粒产量[6]; 同时, 增加灌水可以补偿因施氮量不足导致的籽粒产量降低, 反之亦然[5-7]。但也有研究表明,在开花后土壤缺水的条件下, 施用过多氮肥可导致小麦粒重下降[8], 氮肥对灌水的补偿效应甚微[9]。

目前, 关于燕麦栽培技术的研究发现, 水、氮各单项因子对其产量、品质、水分利用等方面的影响具有丰富的研究成果。表明水分过分亏缺或后期灌水过量均不利于燕麦生长, 在灌底墒水+拔节水+抽穗水条件下, 燕麦干草产量、籽粒产量、粗蛋白产量及水分利用效率均最高[10]; 随着施氮量的增加,裸燕麦的生育期有逐渐延长的趋势, 产量及其小穗数等产量构成因素以及籽实粗蛋白含量都有先增加后降低的趋势[11]。但关于水氮两因子协同调控燕麦生产方面的研究鲜见报道, 已有的相关研究主要集中在阴湿寒旱区[12-13]。降雨是高寒山区燕麦赖以生产的主要水资源, 而其季节及年际间分配不均等因素直接导致燕麦在需水的关键期得不到充足水分,使施氮肥效也不能充分发挥[14]。本研究采用大田试验, 在西北干旱内陆河灌区进行不同灌溉量及施氮水平对燕麦农田耗水特性、产量及水分利用效率等方面的影响研究, 量化各处理燕麦农田水分消耗、水分利用效率及产量等差异, 并深入探讨水、氮因子间的相互关系, 分析这两单项增产因子集成在燕麦生产中的综合应用特性及其影响机制, 以期为内陆绿洲灌区燕麦丰产优质栽培水氮管理技术提供科学理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

甘肃省武威市凉州区黄羊镇(37°30′N, 103°5′E)甘肃农业大学教学实验场位于甘肃河西走廊东端,属冷温带干旱区, 日照充足, 春季多风沙, 夏季有干热风。降水年际变化不大, 但季节变化较大, 多年平均降水量160 mm, 主要集中在7月至9月, 冬春季干旱, 降水无法满足作物生长需要。蒸发量 2400 mm, 干燥度5.85, 年平均气温7.2℃, 1月最低平均气温-27.7℃, 7月最高平均气温34.0℃。≥0℃积温为 3513.4℃, ≥10℃积温为 2985.4℃。全年无霜期156 d, 绝对无霜期118 d, 年日照时数2945 h。土壤以荒漠灌淤土为主, 粉沙壤质, 土层深厚。试验田土壤基础肥力和容重见表1。

燕麦生育期(3月至7月)降水量, 2014、2015年及30年平均值分别为64.5、76.2和85.4 mm (图1), 2014年为干旱年, 2015年为平水年[15]。

1.2 试验设计

设灌水量和施氮(纯氮)量2个参试因子, 每个因子3个水平, 3次重复, 共27个小区, 田间随机排列。小区长8 m, 宽5 m, 小区间均设置50 cm通道。全生育期灌溉定额设270.0 mm (I1)、337.5 mm (I2)和405.0 mm (I3) 3个水平, 在拔节、抽穗和灌浆期分3次等量灌水, 灌水时采用带有水表的管灌控制系统精量灌溉。施氮量为90 kg hm–2(N1)、120 kg hm–2(N2)和150 kg hm–2(N3), 播期前、拔节初期和抽穗期按5∶3∶2比例施用。磷肥(纯 P2O5)施用量为 90 kg hm–2, 全部作基肥一次性施入。

供试品种为皮燕麦陇燕3号, 2014年3月25日和2015年3月26日播种, 2014年7月15日和2015年7月10日收获。播种量为225 kg hm–2, 行距15 cm,播深6 cm。

表1 试验地土壤基本状况(2014)Table 1 Soil basic fertility and bulk density of experimental field (2014)

图1 试验站2014–2015年月降雨量及30年月平均降雨量分布Fig. 1 Distribution of monthly rainfall in 2014–2015 and average precipitation of 30 years in experiment station

1.3 测定指标及计算方法

1.3.1 土壤水分测定 在播前和收获后分别用烘干法测定土壤水分, 测深为 150 cm, 其中 0～30 cm内每10 cm为一个层次, 30～90 cm内每20 cm为一个层次, 90～150 cm内每30 cm为一个层次。从燕麦苗期到成熟期每隔15 d测定一次, 浇水前后各加测一次。用烘干法测定0～10、10～20和20～30 cm土壤水分, 用 503DR (Campbell Pacific Nuclear, Martinez, CA)型中子水分仪测定30 cm以下水分, 在每小区随机安装2个中子水分仪管。将其读数矫正为容积含水量, 再用土壤容积含水量换算为土壤贮水量。

式中, V为土壤容积含水量(%), R为中子仪实际读数, R0为中子仪基本读数; W为土壤贮水量(mm), i为土层编号, n为总土层数, Vi为第i层土壤的容积含水量(%), d为某一土层的厚度(mm)。

1.3.2 农田耗水及水分利用效率计算

式中, ET1－2为阶段耗水量(mm); M为阶段内灌水量(mm); P0为阶段内有效降水量(mm); K为阶段内地下水补给量(mm), 本试验中 K=0, 因为地下水埋深在10 m以下, 而地下水埋深大于2.5 m时K值可以忽略不计; Si为阶段土壤贮水消耗量, 即阶段初和阶段末土壤贮水量之差; CD为阶段耗水强度(mm d–1); CP为阶段耗水模系数(%); D为该阶段持续天数(d); ETa为全生育期总耗水量(mm); WUE为籽粒产量水分利用效率(kg mm–1hm–2); Y为籽粒产量(kg hm–2)。

1.3.3 棵间蒸发测定 采用自置微型蒸渗仪(Micro-lysimeter)法测定棵间蒸发量。每小区均随机安置两套微型蒸渗仪。微型蒸渗仪用 PVC管做成,内径10 cm, 壁厚5 mm, 高15 cm。每次取土时将其垂直压入作物行间土壤内, 使其顶面与地面齐平,取原状土, 然后用塑料胶带封底, 另用内径为12 cm PVC管做成外套, 固定于行间, 使其表面与附近土壤持平, 操作时不能破坏周围土体结构。用称重法测定土壤蒸发, 2次称量之间的重量差值为其蒸发量。为保证微型蒸渗仪内部的土壤水分剖面与周围土壤相一致, 作物生长早期需要每天更换微型蒸渗仪内的原状土, 叶面积指数增大后, 每3～5 d更换一次, 降雨和灌溉后立即更换土体。

1.3.4 产量测定 成熟期按小区收获测产。

1.4 统计分析

将各小区取样点的数据平均, 计算各小区的农田耗水量、耗水强度、耗水模系数、产量及水分利用效率。采用 SPSS10.0软件进行方差分析, 用Duncan’s法进行处理间差异显著性检验(α = 0.05),用Microsoft Excel 2003绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理0～150 cm土壤水分的水平动态变化

随着燕麦生育时期的推进, 降水、蒸散、蒸腾、灌水等因素显著影响农田土壤水分, 变化剧烈(图2)。燕麦拔节期前, 植株小, 地面裸露面积大, 土壤耗水主要以土壤蒸发为主, 处理间差异不显著(P＜0.05)。拔节至灌浆期, 受降水、灌水及农田蒸腾蒸散的影响, 处理间差异逐渐变大, 两年变化趋势一致, 均表现为高灌水(I3)＞中灌水(I2)＞低灌水(I1)处理, 而相同灌水梯度下, 3种氮肥处理间差异不显著(P＜0.05)。灌浆期后, 土壤水分变化主要受降水及作物蒸腾的影响, 由于水氮互作显著影响燕麦生长发育, 各处理地上冠层差异大, 处理间作物蒸腾变化大, 进而农田土壤贮水量变化显著。

图2 不同处理0～150 cm土层土壤贮水量动态变化Fig. 2 Changes of soil water storage in 0–150 cm soil layer indifferent treatments

2.2 不同处理对燕麦总耗水量及不同来源水分占总耗水量比例的影响

灌水和施氮对燕麦总耗水量、灌水消耗量、降雨消耗量及土壤贮水消耗量均有显著影响, 且相同施氮水平下, 燕麦总耗水量与灌水消耗量随着灌溉量的增加而增大, 降雨消耗量及土壤贮水消耗量均随着灌溉量的增加而减小(表2)。在低施氮(N1)水平下, 与低灌水处理(N1I1)相比, 中灌水(N1I2)与高灌水(N1I3)处理分别显著增加耗水量 18.6%～20.8%和32.7%～33.4%, N1I3处理较N1I2处理显著增加9.9%～12.5%; 中施氮(N2)水平下, N2I2与 N2I3处理较 N2I1处理分别显著增加 16.1%～18.1%和 27.1%～32.2%, N2I3处理较N2I2处理显著增加9.5%～11.9%; 高施氮(N3)水平下, N3I2与N3I3处理较N3I1处理分别显著增加11.3%～11.5%和22.5%～25.5%, N3I3处理较N3I2处理显著增加9.8%～12.8%。同时, 由表2还可以看出,在低灌量(I1)下, 燕麦耗水量随着施氮量的增加而增加, 而在中(I2)、高(I3)灌量下, 土壤贮水消耗随着施氮量的增加而减小。低灌量(I1)下, N2I1处理较 N1I1处理显著提高土壤贮水消耗量与总耗水量比例37.91%～38.52%, N3I1较 N2I1处理显著提高–3.06%～6.05%。由此表明, 一定施氮条件下增加灌水量并不利于燕麦对天然降雨及土壤贮水的利用, 一定程度的干旱和灌溉条件下, 施氮会促进土壤贮水的利用。

2.3 不同水氮处理对燕麦不同生育阶段0～150 cm土壤贮水消耗量的影响

燕麦全生育期的阶段耗水量及阶段耗水模系数均逐渐增大, 阶段耗水强度呈现先增后减趋势, 但特定生育时期阶段耗水量、阶段耗水强度及阶段耗水模系数处理间变化不一致(表3)。拔节前农田尚未灌水, 燕麦受土壤水分及施氮的影响较小, 同一施氮水平下处理间阶段耗水量及阶段耗水强度差异不显著, 而同一施氮水平下随着灌水梯度的增加耗水模系数逐渐显著减小, 而同一灌量下氮肥处理间耗水模系数差异不显著。随着燕麦生育进程, 灌水及施氮显著影响燕麦阶段耗水量、阶段耗水强度及阶段耗水模系数。拔节至抽穗, 阶段耗水量、阶段耗水强度及阶段耗水模系数均比拔节前增大, 且灌水及施氮对燕麦阶段耗水量及阶段耗水强度影响显著,同一施氮水平下, 随着灌水量的增大而显著增大。抽穗至灌浆, 随着燕麦冠层的增大, 光合蒸腾生理耗水及农田土壤蒸发生态耗水显著增强, 各处理阶段耗水强度达最大值, 且随着灌水量的增大而显著增强。与I1处理相比, I2、I3灌水处理在低氮水平下(N1)分别显著提高阶段耗水强度 5.9%～14.4%和27.9%～40.5%, 中氮水平下(N2)分别显著提高 8.7%～14.0%和 18.4%～41.7%, 高氮水平下(N3)分别显著提高13.9%～14.1%和28.4%～28.7%。灌浆至成熟, 各处理阶段耗水量及阶段耗水模系数达最大, 但阶段耗水强度却较抽穗至灌浆期减小。

表2 不同处理农田耗水量的水分来源及其占总耗水量的比例Table 2 Source of water consumed during oat growth and its proportion to total water consumption in different treatments

表3 不同处理燕麦各生育阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数Table 3 Water consumption amount, diurnal water consumption amount, and water consumption percentage of oat at different growth stages under different treatments

(续表3)

2.4 不同水氮处理对燕麦农田棵间蒸发及 E/ET的影响

灌水与施氮显著影响燕麦各生育时期棵间蒸发量(E)及其在相应阶段总蒸散量(ET)中所占的比率(表 4)。燕麦全生育期, 棵间蒸发量及 E/ET变化的总趋势是先降后升, 特定生育阶段, 土壤水分蒸发处理间差异显著。播种到拔节期, 降水、气温等气象因子是影响土壤水分变化的主要因素, 土壤水分蒸发大, 各处理E/ET均达44.00%以上, 处理间差异不显著。拔节至抽穗, 同一施氮水平, 随着灌水梯度的增大, E及E/ET值增大, 而同一灌水水平下, 不同氮肥处理间差异不显著。与I1处理相比, I2、I3灌水处理在低氮水平下(N1)分别显著提高棵间蒸发7.4%～16.4%和 32.1%～39.3%, 中氮水平下(N2)分别显著提高 20.3%～27.7%和 45.2%～48.7%, 高氮水平下(N3)分别显著提高9.1%～15.9%和17.0%～43.7%。抽穗至灌浆期E及E/ET值的变化趋势与拔节至抽穗期相似, 即同一施氮水平下, 随着灌水梯度的增大而显著增大, 但与拔节至抽穗期的变化趋势不一样的是, 同一灌水水平下, 随着施氮水平的增大, E及E/ET值均亦显著增大。灌浆至成熟, 各处理棵间蒸发均显著增大, 处理间差异显著, 但与前期不一样的是, 同一施氮水平下, 随着灌水梯度的增大, E/ET值均显著减小, 且低、高灌水处理差异显著, 而中灌水处理与低、高处理差异不显著。由此表明, 拔节前, 土壤水分消耗以土壤蒸发为主, 氮肥对农田水分蒸发影响不显著; 随着燕麦植株的发育, 地上冠层逐渐增大, 光合增强, 农田水分消耗逐渐由土壤蒸发耗水向作物蒸腾耗水转变; 至灌浆初期, 土壤棵间蒸发达最小, 且水氮互作效应使燕麦生态与生理需水处理间差异显著。从灌浆开始, 燕麦冠层蒸腾耗水逐渐减小, 土壤蒸散耗水逐渐增大。

2.5 不同处理对燕麦产量及水分利用效率的影响

灌水与施肥显著影响燕麦籽粒产量及水分利用效率(表5)。同一施氮水平下, 燕麦产量随着灌水量的增大而显著增加。与I1处理相比, 低氮(N1)水平下I2、I3灌水处理分别显著提高籽粒产量 8.39%～11.05%和 11.13%～13.53%, 中氮(N2)水平下分别显著提高12.19%～13.22%和13.59%～13.77%, 高氮(N3)水平下分别显著提高 12.22%～12.90%和 13.00%～13.88%, 而不同施氮水平下I3处理产量高于I2处理,但差异不显著。由表 5还可以看出, 同一灌溉量下,产量随施氮量的增加而增加, 但低灌量(I1)下处理间差异不显著, 而中灌量(I2)与高灌量(I3)下中氮(N2)与高氮(N3)处理产量均显著高于低氮(N1)处理, 而中氮(N2)与高氮(N3)处理间差异不显著。与N1处理相比, N2与 N3处理在中灌(I2)水平下分别显著提高籽粒产量 4.98%～8.75%和 6.43%～11.17%, 高灌(I3)水平下分别显著提高 3.18%～7.38%和 5.01%～9.19%。所有处理中 N3I3籽粒产量最高(5466.0～5727.5 kg hm–2), N3I2次之(5428.5～5678.5 kg hm–2), N1I1最小, 仅为4504.5～4804.3 kg hm–2。

同一施氮水平下, 随着灌水量的增加燕麦水分利用效率逐渐降低, 且低氮(N1)水平下处理间差异显著, 中(N2)、高氮(N3)水平下, 低(I1)、中(I2)灌水处理显著高于高灌(I3)处理, 而低(I1)、中(I2)灌水处理间差异不显著。与I1和I2处理相比, I3处理在低氮(N1)水平下分别降低水分利用效率 14.91%～16.27%和6.71%～9.16%, 中氮(N2)水平下分别显著降低10.62%～13.93%和 7.53%～10.23%, 高氮(N3)水平下分别显著降低7.77%～9.27%和8.32%～10.58%。由表5还可以看出, 同一灌水水平下, 随着施氮量的增加燕麦水分利用效率亦逐渐增加, 但低灌量(I1)下处理间差异不显著, 而中(I2)、高(I3)灌溉量下差异显著。与低氮(N1)处理相比, 中氮(N2)和高氮(N3)处理在中灌量(I2)下分别显著提高水分利用效率1.86%～9.33%和 10.01%～15.41%, 高灌量(I3)下分别显著提高0.66%～8.38%和 8.28%～13.43%。所有处理中, N3I2的水分利用效率最高(12.11～12.82 kg mm–1hm–2), N3I1次之(12.04～12.63 kg mm–1hm–2), N1I3最小, 仅为9.79～10.58 kg mm–1hm–2。

表4 不同处理燕麦各生育时期农田蒸发及E/ET的变化Table 4 Variation of soil evaporation and the proportion of soil evaporation to evapotranspiration of oat at different growing stages under different treatments

由此表明, 灌水与氮肥对燕麦产量和水分利用效率具有显著互作效应, N3I2处理既能获得高产, 又能显著提高其水分利用效率。

3 讨论

水分和氮素两者单因素效应及互作效应共同决定作物的生长[16]。改变土壤水分状况会影响作物的氮素吸收、转运和利用[17]; 适当增施氮肥可以补偿因土壤水分不足造成的部分生长负效应[18]。本研究表明, 水氮互作显著影响燕麦的耗水特性、产量及水分利用效率。

节水栽培的核心是提高作物水分利用效率[19],关键是建立以高效利用土壤贮水为核心的灌水调控模式[20-21]。本研究表明, 燕麦农田土壤贮水量随着灌水量的增大而增大, 而同一灌水量下, 施氮水平对土壤贮水量的影响差异不显著, 这与赵连佳等在小麦上的研究结果相似[22]。有研究表明, 随灌水量增加, 总耗水量增加, 灌水量占总耗水量比例提高,降水量和土壤贮水消耗量占总耗水量比例降低[23-24]。本研究也表明, 相同施氮水平下, 燕麦总耗水量与灌水消耗量随着灌水水平的增加而增加, 降雨消耗量及土壤贮水消耗量均随着灌水水平的增加而减小;同时, 在低灌量(I1)水平下, 燕麦耗水量随着施氮量的增加而增加, 而在中(I2)、高(I3)灌量水平下, 土壤贮水消耗随着施氮量的增加而减小。表明, 适宜的灌水量不仅受降水多少的影响, 而且与氮素施用量存在耦合效应; 一定施氮条件下增加灌水量并不利于燕麦对天然降雨及土壤贮水的利用, 一定程度的干旱和灌溉条件下, 适量施氮提高了燕麦对土壤贮水的利用能力, 减小对灌水及自然降水的依赖。这一研究结果与马兴华等[18]、杨晓亚等[25]在小麦上的研究结果基本相似。

表5 不同处理的燕麦产量和水分利用效率Table 5 Grain yield and water use efficiency of different treatments in oat

灌水与施氮对燕麦不同生育期的耗水指标具有调控作用, 随着生育时期的推进, 燕麦阶段耗水量及阶段耗水模系数均逐渐增大, 但阶段耗水强度呈先增后减趋势, 这是灌水和增施氮肥后燕麦植株生长旺盛、需水量增大的缘故。有研究表明, 灌拔节水和灌浆水会提高开花至成熟期的耗水模系数, 有利于提高生育后期的水分利用效率, 为促进籽粒灌浆和提高产量奠定基础[26]。

作物产量是一个系统管理水平与土壤生产力的综合反映, 也是农业持续发展的重要评价指标[27]。本研究中, 同一施氮水平下, 燕麦产量随着灌水量的增大而增大, 高灌水与中灌水处理间差异不显著;同一灌水量下, 产量随施氮量的增加而增加, 且低灌量(I1)下处理间差异不显著, 而中灌量(I2)与高灌量(I3)下中氮(N2)与高氮(N3)处理产量均显著高于低氮(N1)处理, 而中氮(N2)与高氮(N3)处理间差异不显著。说明, 在干旱内陆灌区水氮互作显著影响燕麦产量, 适量灌水与施肥有利于提高燕麦产量, 过量施氮或灌水导致作物增产幅度受到影响, 增施氮肥可补偿因灌水不足导致的籽粒产量降低, 与已有结果具有相似性[28-29]。

小麦水分利用效率随灌溉水量的增加而降低,但当灌溉水平较低时, 水分利用效率随施氮量的增加呈上升趋势[30]。本研究中, 同一施氮水平下, 随着灌水量增加燕麦水分利用效率逐渐降低; 同一灌水水平下, 随着施氮量的增加燕麦水分利用效率亦逐渐增加, 这一结果与在小麦上的研究结果[31-32]相似。本研究所有处理中, N3I3产量最高(5466.0～5727.5kg hm–2), N3I2次之(5428.5～5678.5 kg hm–2), 而N3I2的水分利用效率最高(12.11～12.82 kg mm–1hm–2), N3I1次之。N3I3处理是以消耗较大的水分为代价来获得高产, 而 N3I1处理是以显著降低耗水与产量来提高水分利用效率, 两者均不切合生产实践。因此,在灌水有限的绿洲灌区, 可通过适量增施氮肥来弥补水分不足造成的燕麦减产, N3I2是试区较佳的燕麦生产水氮管理模式。已有研究也表明, 适量水肥组合的效应大于高水高肥和低水低肥组合, 水肥互作效应最大的为氮与水的耦合[33]。

本研究仅限于讨论不同水氮条件对燕麦耗水特性及产量的影响, 未对氮素利用进行研究, 而有研究报道, 作物水氮利用效率(率)峰值与作物产量峰值并非完全吻合[34-35], 氮肥利用率随灌水量递增而提高, 随施氮量递增而降低[36-37]。可见, 高氮肥利用率和高水分利用效率, 同时满足作物高产和资源环境安全目标是有矛盾的, 有待进一步揭示水氮耦合效应及其机制, 寻求实现水氮资源、环境与产量可持续目标的协调和统一。

4 结论

水分和氮肥对燕麦水分利用及产量具有显著互作效应。灌水与施氮对燕麦不同生育期的耗水指标具有调控作用, 随生育时期的推进, 燕麦阶段耗水量及阶段耗水模系数均逐渐增大, 但阶段耗水强度呈先增后减趋势。适宜的灌水量不仅受降水多少的影响, 而且与氮素施用量存在耦合效应, 一定施氮条件下增加灌水量并不利于燕麦对天然降雨及土壤贮水的利用, 一定程度的干旱和灌溉条件下, 适量施氮可提高燕麦对土壤贮水的利用能力, 减小对灌水及自然降水的依赖。燕麦产量随灌水量及施氮量的增大而提高, 但高水与高氮条件下燕麦增产幅度受限, 而水分利用效率随灌水量的增大而减小, 随施氮量的增大而提高。在灌水有限的西北绿洲灌区,可通过适量增施氮肥来弥补水分不足造成的燕麦减产。燕麦施氮量150 kg hm–2、灌溉定额337.5 mm时既能获得高产, 又能显著提高水分利用效率, 是较佳的燕麦生产水氮管理模式。

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Interaction of Irrigation and Nitrogen on Water Consumption Characteristics and Yield in Oat Variety Longyan 3 in Northwest Oasis Irrigation Area

FENG Fu-Xue1,2, MU Ping3, ZHAO Gui-Qin1,*, CHAI Ji-Kuan1, LIU Huan1, and CHEN Guo-Dong4

1College of Grassland Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;2College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;3College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;4College of Plant Science, Tarim University, Ale’ar 843300, China

Irrigation and fertilization, particularly nitrogen (N) fertilization, are principal field practices to stimulate crop growth and increase yield, and their interaction plays an important role in high-yield and high-efficiency cultivation of oat. In the 2014–2015 oat growing seasons, a field experiment was conducted with three irrigation amounts and three nitrogen application rates to study the effects of water-nitrogen interaction on 0–150 cm soil water consumption, soil evaporation, grain yield and water use efficiency (WUE) of oat variety “Longyan 3”. The three irrigation amounts were 270 (I1), 337.5 (I2), and 405 mm (I3), and the three N application rates were 90 (N1), 120 (N2), and 150 kg ha-1(N3). From sowing to maturity, the diurnal water consumption amount showed an increase–decrease trend, and the maximum consumption appeared at the duration of heading–filling. Under the same N application rate, the diurnal water consumption amount obviously increased with increasing irrigation amount. The soil evaporation (E) and the proportion of soil evaporation to evapotranspiration (E/ET) showed the decrease–increase tread in the whole growing period. Under the same N application rate, E and E/ET were enhanced with the increase of irrigation amount from jointing to filling stage, but declined from filling to harvest stage. The oat yield under a fixed N application rate had a posi-tive relation to the irrigation amount, whereas, the WUE had the negative relation to the irrigation amount. For grain yield of oat, N3I3ranked the top with yield of 5466.0–5727.5 kg ha-1, followed by N3I2with yield of 5428.5–5678.5 kg ha-1, and N1I1ranked the last with yield of 4504.5–4804.3 kg ha-1. For WUE, N3I2was the best treatment with WUE of 12.11–12.82 kg mm-1ha-1, followed by N3I1with WUE of 12.04–12.63 kg mm-1ha-1, and N1I3was the worst treatment with WUE of 9.79–10.58 kg mm-1ha-1. Obviously, water–nitrogen interaction had significant effects on WUE and yield of oat. Our results suggest that N application at 150 kg ha-1coupling with irrigation amount of 337.5 mm is applicable in water-saving and high-yield production of oat in Northwest oasis area.

Oat; Water consumption characteristic; Water-nitrogen interaction; Water use efficiency (WUE)

(

): 2017-02-05; Accepted(接受日期): 2017-04-20; Published online(网络出版日期): 2017-05-19.

10.3724/SP.J.1006.2017.01370

本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-8-C1)和中国博士后科学基金项目(2014M552557XB)资助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-8-C1) and the China Postdoctoral Science Foundation (2014M552557XB).

*通讯作者(Corresponding author): 赵桂琴, E mail: zhaogq@gsau.edu.cn

联系方式: E-mail: fengfuxue@163.com

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170519.1200.002.html