宁夏扬黄灌区玉米滴灌水肥一体化 灌溉施肥制度试验研究

刘学军，翟汝伟, 李真朴，刘 平，王 文

(宁夏水利科学研究院，银川 750021)

宁夏扬黄灌区光照资源丰富，玉米增产潜力较大[1],种植面积占灌区面积的70%，达到9.5 万hm2。近年来灌区开展了较大规模的玉米滴灌工程建设，面积达到了3.5 万hm2,为玉米水肥一体技术的应用提供了基础条件。但灌区对滴灌条件下玉米水肥一体化灌溉、施肥制度的大田试验研究较少[2,3]，制约了高效节水灌溉工程效益的发挥[4]。为了保障高效节水灌溉工程的可持续应用，推进玉米高效节水灌溉技术的发展，在宁夏扬黄灌区开展滴灌条件下玉米灌溉制度、施肥制度及水肥一体化技术试验研究，对宁夏玉米滴灌水肥一体化技术的规模推广应用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏同心县王团镇的南村和北村，地处宁夏中部，属西北干旱内陆地区，鄂尔多斯高原西部与黄土高原北部的衔接地带，地理坐标为北纬36°58′48″，东经105°54′24″，海拔1 240 m。气候属典型大陆性季风型气候，多年平均降水量270 mm，降水年内分布不均衡，7-9月降水占全年降水的65%，年蒸发量在2 325 mm以上，干旱指数8.4，全年平均相对湿度52%。试验区土质为沙质壤土，0～60 cm土壤田间持水量20%。

1.2 试验设计

玉米参试品种为银439(试验筛选出的优良品种)。玉米种植方式采用宽窄行种植，其中宽行行距0.7 m、窄行行距0.4 m，玉米株距0.2 m。

试验区灌溉水源为宁夏同心县现代节水高效农业科技园区已建5 万m3蓄水池调蓄的黄河水，灌溉系统利用潜水泵加压，配套筛网+叠片过滤器进行水质净化处理。玉米田间滴灌带采用Ф16PE贴片式滴灌带，滴灌带长50 m，沿玉米种植行方向铺设于窄行，一条滴灌带灌溉2行玉米，滴头流量2.5 L/h，滴头间距0.3 m。

在笔者2016年开展的玉米滴灌灌溉制度[5]、滴灌条件下施肥制度试验研究取得最优灌溉、施肥方案基础上，结合作物需水、施肥规律研究成果，根据不同生育期作物对水、肥需求的上、下限范围，适当调整关键生育期水、肥用量，提出不同灌溉定额的3套灌溉制度与3套施肥制度进行耦合，共设计9组试验方案，开展玉米滴灌条件下水肥一体化耦合试验。玉米生育期滴灌11次、随水施肥10次，各试验小区灌溉制度设计见表1，施肥制度见表2。

表1 试验区玉米滴灌水肥耦合灌水试验设计 m3/hm2

表2 试验区玉米滴灌水肥耦合施肥试验设计 kg/hm2

1.3 监测项目与方法

主要对试验区降水量、土壤理化性质、土壤养分、出苗率、灌水定额、灌溉定额、土壤含水率、施肥量、生物产量、经济产量(籽粒产量)进行监测。降水量采用自计雨量计监测，土壤理化性质、土壤养分取样化验室测定，灌水量采用水表计量。每一试验小区固定布设3处含水率监测点，土壤含水率采用PR2观测仪监测，分别对试验区玉米播种、灌水前后、收获后0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm土壤含水率进行监测，将3处不同层次土壤含水率监测数据算术平均值作为该试验区土壤含水率监测结果。施肥量用电子秤计量，产量按照规范规定的测产方法监测。

1.4 灌溉施肥监测

2017年试验区玉米生育期4月1日至10月9日降雨量336.3 mm，其中次降雨量大于5 mm的有效降雨量286.1 mm。试验区玉米出苗率86.73%～95.56%。玉米试验区生育期滴灌11次，遇到降雨时，适当延后灌水、施肥日期。由于受前期降雨影响，其中6月7日各试验小区灌水定额较设计定额降低150 m3/(hm2·次)，8月30日各试验区灌水定额较设计定额降低75 m3/(hm2·次)，其他灌水均严格按照设计灌水定额进行灌溉，生育期各试验小区实际灌溉定额较设计降低225 m3/hm2。各试验区施肥量严格按照设计用量进行施肥，各试验区不同时段施肥量见表3。

表3 玉米滴灌水肥耦合试验区实际施肥量 kg/hm2

2 试验结果及分析

2.1 土壤养分变化分析

2017年玉米种植前、收割后，分别对滴灌水肥耦合试验区土壤养分进行取土、化验室测定，测定结果见表4。

由土壤养分监测结果可见，经过一个生育期种植，土壤盐分降低，土壤有机质增加(上年10月秸秆粉碎还田、深翻，由于当地冬季温度较低、第2年播种前秸秆不能腐熟,经过玉米生育期高温和灌溉影响，第2年10月收获时还田的秸秆已全部腐熟，提高了土壤有机质含量)，土壤的全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾都有不同程度的降低，作物的生长消耗了土壤中的营养成分，会造成土壤进一步贫瘠。为了提高土壤质量，应该加强土壤保育和质量提升，秋季或早春增施有机肥，秋季实施秸秆粉碎还田。较长时期坚持培肥措施，可有效改善土壤结构，提升土壤肥力与质量。

表4 玉米滴灌水肥耦合试验区土壤养分测定结果Tab.4 Results of soil nutrient measurements in maize drip irrigation and fertilizer coupling test area

2.2 土壤含水率变化分析

分别对试验区玉米播种、灌水前后、收获后土壤含水率进行监测，含水率的监测层次分别为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～100 cm。玉米滴灌水肥耦合各试验区、整个生育期0～100 cm土壤平均含水率变化监测结果见图1。

图1 玉米水肥耦合试验区生育期土壤含水率变化Fig.1 Changes of soil water content in growth stage of corn-fertilizer coupling experimental area

2.2.1 玉米生育期土壤含水率变化分析

T1、T2、T3属低水，高、中、低施肥试验区。0～40 cm土壤含水量在5-6月一直处于60%田间持水量以上或附近；在7月受高温影响，0～40 cm土壤含水率降低到60%田间持水量以下；在8月以后，受充沛降雨影响，0～60 cm土壤含水率上升到60%田间持水量以上。60～100 cm土壤含水率在整个生育期多低于60%田间持水量，但呈现出随施肥水平降低，含水率有提高趋势。

T4、T5、T6属中水，高、中、低施肥试验区。0～10 cm土壤含水率受灌溉、降水、蒸发影响，在整个生育期变化剧烈，但长期处于60%田间持水量以上。10～60 cm土壤含水量在整个生育期多处于60%田间持水量以下，但呈现出随施肥水平提高、土壤含水率降低的趋势。60～100 cm土壤在整个生育期保持在60%田间持水率左右。

T7、T8、T9属高水，高、中、低施肥试验区。0～60 cm不同层次土壤含水率在整个生育期多处于60%田间持水量以上，在7月份受持续高温影响，土壤含水率也高于60%田间持水量，在8月份受丰沛降雨影响，土壤含水率一致保持在70%～90%田间持水量，保证了作物整个生育期对水分的需求。60～100 cm土壤含水率在整个生育期一致处于较低水平，长期保持在60%田间持水量以下，后期上升到60%田间持水量以上。

不同层次土壤含水率监测结果表明，灌溉主要补充了0～60 cm土壤含水率，说明滴灌灌水定额较适宜，不会造成深层渗漏。

不同试验区0～100 cm土壤平均含水率在整个生育期基本保持了较高水平，只有部分试验区在6-7月干旱季节土壤含水量低于60%田间持水量，但各试验区基本上都能满足作物对水分的需求。各试验区不同生育阶段土壤含水率的变化与施肥量没有明显的规律。

2.2.2 不同灌水定额灌水前后土壤含水率变化分析

对典型试验区灌水前、灌水后土壤水分变化比较表明，在设计的灌水次数11次情况下，采用灌水定额300、375 m3/(hm2·次)时，湿润的土壤最大深度为1.0 m，但补充的土壤水分主要储存在0～60 cm土层。因此根据降雨情况，因地制宜地采用最大450 m3/(hm2·次)的灌水定额，不会造成灌溉水的深层渗漏。玉米属密植作物，滴灌状态下土壤的湿润比为0.6～0.95，苗期湿润比较小，其他生育期随着根系的扩大、灌水量的增大，湿润比也增加。因此确定玉米生育期滴灌灌水定额应该不小于225 m3/(hm2·次)、不大于450 m3/(hm2·次)，否则会造成灌水不足或灌水浪费。

2.3 施肥、灌水对玉米产量、水分生产效率的影响

对玉米滴灌水肥耦合试验区秸秆产量、籽粒产量、灌水量、降水量进行综合分析，各试验区总耗水量、水分生产效率分析结果见表5。

表5 玉米滴灌水肥耦合试验区水分生产效率Tab.5 Water production efficiency of corn drip irrigation water and fertilizer coupling test area

玉米滴灌水肥耦合试验结果表明，灌溉定额3 375～3 825 m3/hm2、施肥量378～540 kg/hm2，产量12 385～17 250 kg/hm2、水分生产效率1.93～2.86 kg/m3。9种方案玉米产量与水分生产效率对应关系见图2。

图2 不同试验方案产量与水分生产效率关系Fig.2 Relationship between yield and water production efficiency in different test schemes

按照产量从大到小排序的水肥耦合方案为：灌溉定额3 600 m3/hm2、施肥量459 kg/hm2、产量17 250 kg/hm2；灌溉定额3 600 m3/hm2、施肥量370 kg/hm2、产量17 160 kg/hm2；灌溉定额3 375 m3/hm2、施肥量459 kg/hm2、产量15 675 kg/hm2。

按照水分生产效率从大到小排序：灌溉定额3 600 m3/hm2、施肥量4 596 kg/hm2、产量17 250 kg/hm2；灌溉定额3 600 m3/hm2、施肥量370 kg/hm2、产量17 160 kg/hm2；灌溉定额3 825 m3/hm2、施肥量540 kg/hm2、产量15 240 kg/hm2。

对相同灌溉定额试验方案的产量进行平均(不计施肥影响)后比较，当灌溉定额达到中等水平，即灌溉定额达到3 600 m3/hm2时，产量最高。对相同施肥量试验方案的产量进行平均(不计灌溉定额影响)后比较，当施肥量达到中等水平，即纯施肥量达到459 kg/hm2时，产量最高。由此可以得出结论，施肥量459 kg/hm2、灌溉定额3 600 m3/hm2属最佳组合，产量最高。灌溉定额对玉米产量影响的极差分别为2 896、1 822 kg/hm2，偏生产效率分别为13.27、8.10 kg/m3。施肥量对玉米产量影响的极差分别为1 683.5、1 577 kg/hm2，偏生产效率分别为20.78、19.47 kg/kg。

对施肥量、灌水量、产量及施肥量、灌水量、水分生产效率分别进行3参数互相关分析，并绘制3轴趋势面响应见图3，施肥量、灌水量、产量、水分生产效率3轴趋势面响应平面见图4。

由图3、图4可见，在灌溉定额3 525～3 615 m3/hm2、施肥量437～475 kg/hm2时，产量达到17 250 kg/hm2以上；在灌溉定额3 525～3 705 m3/hm2、施肥量378～475 g/hm2时，水分生产效率达到2.75 kg/hm2以上。

作物产量与耗水量存在一定的关系。综合分析水肥耦合试验区生育期灌水量、有效降水量、生育期始末1 m土体水分蓄变量，计算9种试验方案玉米生育期耗水量为581～657 mm[6,7]，变化不大，但在灌溉定额3 600 m3/hm2、施肥量378～450 kg/hm2,生育期耗水量600～613 mm时，产量总体处于较高水平。

3 试验研究结论

(1)根据2017年玉米滴灌水肥分耦合试验结果，在生育期降水量336.3 mm、有效降水量286 mm时，玉米滴灌11次，灌溉定额3 375～3 825 m3/hm2，生育期耗水量531～654 mm，玉米产量为12 666～17 250 kg/hm2，水分生产效率达到1.93～2.86 kg/m3。

图3 施肥量、灌水量、产量、水分生产效率3参数趋势面响应Fig.3 Response of three parameters: fertilizer, irrigation, yield and water production efficiency

图4 施肥量、灌水量、产量、水分生产效率3参数趋势面响应平面图Fig.4 Plan of response of three parameters: fertilizer, irrigation, yield and water production efficiency

(2)根据玉米滴灌水肥一体化试验，最佳施肥方案为：纯施肥量459 kg/hm2(其中N含量255 kg/hm2，P2O5含量123 kg/hm2，K2O含量81 kg/hm2)，分10次结合滴灌施肥，在次灌水的中间时段进行施肥。最佳灌溉定额3 600 m3/hm2、灌水11次、作物产量17 250 kg/hm2。推荐玉米滴灌水肥一体化灌溉施肥制度见表6。

表6 玉米滴灌水肥一体化灌溉施肥制度Tab.6 Integrated fertigation system of water and fertilizer for maize drip irrigation

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