浅埋滴灌水氮运筹对春玉米产量及水分利用效率的影响

李 雪,尹光华,马宁宁,谷 健，3，王士杰

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；2.中国科学院大学，北京 100049；3.辽宁省农业科学院，辽宁 沈阳 110161)

辽西半干旱区地域辽阔，土地和光热资源丰富，是辽宁省重要的商品粮与经济作物生产基地[1]。但该地区干旱少雨，水资源不足，水土流失和风蚀严重, 耕地质量相对较差，耕地中绝大部分是旱地，有效灌溉面积为36.96万hm2，仅占耕地面积的20.62%[2]。因此，研发新型高效节水灌溉技术，发展节水农业势在必行。

浅埋滴灌是一种新型的滴灌节水技术，是将滴灌带或滴灌毛管掩埋到地表下3～5 cm的一种节水灌溉技术[3]。与常规沟灌相比，浅埋滴灌灌溉定额为2 908.0 m3·hm-2时，可节水30%，籽粒产量仅下降3.4%，而水分利用效率和灌溉水利用效率分别提高22.1%和27.5%[4]。而与传统地表滴灌技术相比，浅埋滴灌可使玉米产量和水分利用效率分别提高11.75%和16%[5]。与膜下滴灌相比，浅埋滴灌技术避免了地膜残留造成的“白色污染”问题[6]。然而，也有学者研究发现，浅埋滴灌技术大多数在大田中进行，受自然降水的影响，灌水量难以精确掌控，而且目前研究的作物大多为牧草、番茄、棉花等经济作物，对大田粮食作物的研究较少[7]。

由于膜下滴灌、地下滴灌和传统地表滴灌在实际应用中均存在着一定的问题，近几年浅埋滴灌技术开始成为新的滴灌技术研究热点。该技术能够解决膜下滴灌“残膜污染”的环境问题和传统地表滴灌蒸发大、铺设困难的问题，是未来滴灌技术的发展趋势[5]。

目前，浅埋滴灌技术的研究主要集中在作物的生长、产量和水分利用效率等方面。梅园雪等[8]研究了内蒙古通辽市玉米浅埋滴灌节水种植模式产量与效益，发现与全膜覆盖、半膜滴灌、管灌和漫灌种植模式相比，浅埋滴灌种植模式在保苗效果、籽粒品质、平均产量、成本投入、纯效益等方面的综合表现最好。郭金路等[4]在辽西半干旱区研究了浅埋滴灌不同灌水量对春玉米生长及产量的影响，得出适宜的灌溉定额范围为2 908.0～3 816.4 m3·hm-2；李媛媛等[9]在内蒙古通辽的试验研究得出该地区春玉米适宜的灌水量为39 mm；徐杰等[10]研究了迷宫式滴灌和新型滴灌(自流插入式滴灌管)在不同埋设深度下对春玉米生长的影响，结果表明埋深5 cm的产量和水分利用效率均最高；王建东等[5]定量分析了地表、膜下、浅埋3种滴灌模式田间水热环境、产量差异，认为浅埋滴灌有效降低了滴灌带附近温度，玉米产量和水分利用效率显著高于地表滴灌；焦炳忠等[11]研究了不同滴灌模式对地膜玉米生长及水分利用效率的影响，发现无论是产量还是水分利用效率，均表现为：膜下浅埋>露地浅埋>膜下滴灌。浅埋滴灌技术既可实现对农业水资源高效利用的目的，同时又是一项绿色环保型技术，是未来半干旱区农业节水技术发展的一个重要方向，亟待深入系统地研究其节水机理调控，建立实用化技术模式，进而大面积推广应用。本研究以浅埋滴灌春玉米为研究对象，采用移动式遮雨棚水分精量控制试验方式，分析水氮交互作用对产量和水分利用效率的影响，建立产量回归模型，探究浅埋滴灌水氮优化运筹方案，以便为辽宁西部半干旱地区浅埋滴灌技术在田间的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与材料

试验于2016-2017年在辽西半干旱区典型区域——阜新蒙古族自治县进行。该县位于121°01′E～122°56′E、41°41′N～42°56′N，平均海拔235 m。试验区年平均气温7.2℃，年际变化在5.8～8.1℃，春玉米生育期平均气温为20.2℃，年日照时数为2 865.5 h，10℃以上积温3 298.3℃，无霜期144 d，年均降水量493.1 mm，年均蒸发量1 847.6 mm。土壤为沙壤土，耕层容重1.44 g·cm-3，田间持水量23%，pH值6.15，有机质18.00 g·kg-1，全氮1.28 g·kg-1，碱解氮92.15 mg·kg-1，速效钾201.43 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验在移动式遮雨棚内进行，棚内设置试验微区，每个微区面积为1.3 m×2 m=2.6 m2，微区四周以80 cm深防水树脂薄膜相隔，防止土壤水分和养分的侧渗。采用二因素二次饱和D-最优设计(见表1)，设灌溉量和施氮量2个因素，灌溉量分别设145.4、271.7、348.2、436.2 mm 4个水平，施氮量分别设0、84.6、136.1、195.0 kg·hm-24个水平，共6个处理，重复3次。选用的氮肥为尿素(含N 46.4%)，播种时沟施总氮量的30%，在拔节期和抽雄期随滴灌等量追施剩余氮肥。灌溉采用浅埋滴灌方式，各处理不同生育期灌溉方案见表2。播种前人工微喷灌，使0～20 cm土层含水量为田间持水量的70%。玉米品种为裕丰303，每个微区种植2垄，每垄2行，每行4株，共16株。2016年于5月1日播种，9月25日收获；2017年于5月21日播种，10月9日收获。滴灌带为新疆天业公司生产的內镶式薄壁滴灌带，滴头间距30 cm，管径16 mm，滴头流量1.38 L·h-1，滴灌带铺设于两窄行之间，表面覆土3～5 cm，应用小型抽水泵恒定低压定量滴灌。

表1 试验因子水平及编码值

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量 采用烘干法测定：分别于播种前、各生育阶段末及收获后用土钻取土，取土深度为140 cm，共7层，每层20 cm，在105℃烘箱内烘干至恒重，用重量含水量法计算土壤含水量。

1.3.2 作物耗水量 玉米生育期耗水量采用水量平衡方程计算[12]：

ETa=P+C+I-R-Dw-ΔS

(1)

式中,ETa为作物耗水量(mm)；P为降雨量(mm)；C为地下水毛管上升水量(mm)；I为灌水量(mm)；R为地表径流量(mm)；Dw为深层渗漏量(mm)；ΔS为取土时间段内土壤水分的变化量(mm)。由于试验在移动式遮雨棚内进行，灌水方式为滴灌，所以公式中Pr、Rr、Dw可忽略不计，又因试验地地下水埋深大于8 m，所以Cr也可以忽略不计。

1.3.3 产量及其构成要素 成熟期取微区中间2行玉米，称其鲜重，晾晒风干后考种，用谷物水分测定仪(PM8188)测籽粒含水量，折算为公顷籽粒产量。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)按公式(2)进行计算：

WUE=Y/ETa

(2)

式中，WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y为籽粒产量(kg·hm-2)，ETa为生育期耗水量(mm)。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010软件对数据进行整理和计算，SPSS 19.0统计分析软件进行显著性分析(P<0.05)，采用SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对产量的影响

2.1.1 产量模型的建立 利用2016年、2017年2 a的产量平均结果，以二次最优设计进行回归模拟，得到产量(Y)与灌溉量(X1)、施氮量(X2)的回归模型：

表2 浅埋滴灌各处理作物生育期灌溉实施方案

Y=10 855.786+705.961X1+502.915X2

(3)

模型相关系数R2=0.86，T检验结果为：F=11.07，P<0.05，说明回归模型能很好地模拟产量与水氮之间的关系，拟合度较高，能够客观反映灌水量、施氮量与产量之间的关系。

2.1.2 模型的产量效应分析

(1) 主因子效应分析 由于模型中的灌溉量和施氮量二因子均已进行过无量纲化处理，且各一次项系数与交互项、平方项的回归系数间都是不相关的，所得偏回归系数已标准化，故其回归系数绝对值的大小可直接反映灌溉量X1和施氮量X2对产量Y的影响程度。产量模型中一次项系数均为正数，且X1系数大于X2系数，说明灌溉量和施氮量对产量的提高均有促进作用，灌溉量对产量的影响大于施氮量；交互项XIX2的系数为正，说明水氮产生正交互效应，对产量的提高有相互促进作用；二次项系数中，X12、X22的系数均为负值，说明在试验范围内，产量随着灌溉量或施氮量的提高有最大值，呈开口向下的抛物线型变化趋势。

(2) 单因子效应分析 根据二因素回归模型，可分别得到灌溉量和施氮量对产量的单因子效应模型式(4)和式(5)：

(4)

(5)

根据回归子模型分别作出水、氮二因素对产量的单因子效应图，如图1。由图1可知，灌溉量和施氮量对产量均有明显影响，产量随二者的增加均呈先升高后降低的变化趋势，产量达到最高点时灌溉量和施氮量的编码值分别为0.424和0.507，相对应的实际值为350.5 mm和146.9 kg·hm-2。

图1 灌溉量和施氮量对产量的单因子效应Fig.1 Sole effect of water and N application on yield

(3) 交互效应分析 由图2可知，在试验编码值范围内，当灌溉量固定在某一水平时，产量随施氮量的增加先增高后降低；当施氮量固定在某一水平时，产量随灌溉量的增加也呈先增加后降低趋势。随着灌溉量的增加，产量达到最高点的施氮量不同，当灌溉量最低(X1=-1)时，产量达到最高点的施氮量为0.168水平，即113.9 kg·hm-2，此时产量为9 332.10 kg·hm-2；当灌溉量为0水平时，施氮量提高到0.507水平，产量可达最高10 983.19 kg·hm-2。同样，当施氮量较低时，较低的灌溉量就可以使产量达到最高，施氮量提高时，只有适量提高灌溉量，才能使产量达到最高点。

由图2还可以看出，灌溉量与施氮量两因子同时变化对产量的影响比单因子影响更剧烈。当灌溉量最低，施氮量为零(X1=-1,X2=-1)时，产量最低，仅为8 655.57 kg·hm-2，随着灌溉量和施氮量的同时增加，产量迅速提高，如当X1=-0.5，X2=-0.5时，产量增高到10 003.51 kg·hm-2，若仅提高施氮量(X1=-1,X2=-0.5)，产量为9 277.24 kg·hm-2，仅提高灌溉量(X1=-0.5,X2=-1)，产量为9 833.31 kg·hm-2。当X1=0，X2=0时，产量增加到10 855.79 kg·hm-2，高于单独提高灌溉量或施氮量时的产量。当X1=0.5，X2=0时，产量达到11 000.85 kg·hm-2，当X1=0，X2=0.5时，产量达到10 983.17 kg·hm-2，同时增加灌溉量和施氮量(X1=0.5，X2=0.5)，产量增高到11 212.39 kg·hm-2。随着灌溉量和施氮量的继续增加，产量有所降低，当灌溉量、施氮量达到本试验范围内最大值(X1=1，X2=1)时，产量下降到11 073.33 kg·hm-2。

可见，在浅埋滴灌春玉米的实际生产中，氮肥的施用量要根据灌溉量而定，同样，灌溉量也要结合施氮量而确定。灌溉量和施氮量不足无法达到高产，灌溉量和施氮量过多不仅会造成水肥资源的浪费，也会降低产量。只有适宜的水、氮用量配合应用，才能充分发挥两者的交互耦合作用，获得最高产量，实现水肥资源的高效利用。

图2 水氮处理产量的交互效应Fig.2 Combined effect of water and nitrogen on yield

2.1.3 产量模型寻优结果 用模型(3)分别对X1、X2求偏导数，并令其等于0，经运算整理得出最高产量的优化方案

(6)

(7)

当X1=0.566，X2=0.699时，即灌溉量为373.1 mm，施氮量为165.6 kg·hm-2时，产量最高，为11 231.16 kg·hm-2。

2.2 水氮互作对耗水量的影响

由表3可知，浅埋滴灌不同处理玉米各生育阶段耗水量均随灌水量的增加而显著增加。各处理阶段耗水量均表现为拔节-抽雄期和灌浆-收获期较高，出苗-拔节期和抽雄-灌浆期较低。在出苗-拔节期，灌水量低的处理1、处理3与灌水量高的处理2、处理5耗水量差异显著。到了拔节-抽雄期，耗水量显著提高，处理3与处理2、处理6差异显著，其余处理间差异不显著。在抽雄-灌浆期，处理1与处理2、处理5差异显著，其余处理间差异不显著。灌浆-收获期各处理间耗水量差异均不显著。

从耗水强度来看，高灌溉量的处理2耗水强度最大，低灌溉量的处理1、处理3耗水强度小。不同处理玉米耗水强度均在出苗-拔节期最低，处理2在拔节-抽雄期最高，而其余处理在抽雄-灌浆期最高。分析其原因，可能是由于本试验在遮雨棚内实施，无自然降水，玉米生长初期，灌溉水和底墒水较充足，进入生长后期，由于灌溉量和施氮量较低，处理1受到干旱胁迫，且不施氮使作物生长受到抑制，导致耗水强度最高时期提前[9]。

从耗水模系数来看，不同生育期各处理玉米的耗水模系数差异均不显著，在出苗-拔节期和抽雄-灌浆期较低，拔节-抽雄期和灌浆-收获期较高。

2.3 水氮互作对水分利用效率的影响

由表4可知，灌溉量最高、施氮量最低的处理2耗水总量最大，灌溉量最低、施氮量最高的处理3耗水总量最低。水分利用效率总体上表现为随着灌溉量的增大而降低。灌溉量最低的处理1和处理3水分利用效率较灌溉量高的处理2、处理5、处理6显著提高，处理2、处理5、处理6之间水分利用效率差异不显著，说明增加灌溉量对水分利用效率的提高有抑制作用;相同施氮量条件下，处理2水分利用效率较处理1降低52.21%。在相同的灌溉量条件下，水分利用效率表现为处理3较处理1提高14.73%，处理5较处理2提高20.08%，说明适当提高施氮量，对水分利用效率的提高有促进作用。而高施氮量的处理6与中等施氮量的处理5相比，灌溉量减小但水分利用效率提高却不显著，说明施氮量过高不利于水分利用效率的提高，施氮量对于水分利用效率的作用存在适宜范围。结合产量分析，处理6(灌溉量348.2 mm，施氮量195.0 kg·hm-2)产量最高，显著高于其余处理，而水分利用效率仅显著低于产量最低的处理1和处理3，高于处理2、处理5，与处理4相比降低不显著，为各处理中的较优选择。综合产量模型寻优结果，当灌溉量为373.1 mm，施氮量为165.6 kg·hm-2时，产量达到最高，此时灌溉量与处理6相近，施氮量高于处理5，低于处理6，因此认为，最高产量模型的水分利用效率介于处理5与处理6之间，与处理6差异不显著，且较处理6可节约氮肥，有利于环境保护。结合处理6的灌溉量与最高产量模型的施氮量，当灌水量为348.2 mm，施氮量为165.6 kg·hm-2时，理论产量为11 206.72 kg·hm-2，为最高产量的99.8%，可节水7.2%。所以，在本试验条件下，滴灌348.2 mm，施氮165.6 kg·hm-2的水氮组合是适宜的浅埋滴灌水氮运筹模式。

表3 不同水氮处理玉米生育期耗水特征

注：CA为耗水量；CD为耗水强度；CP为耗水模系数。同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: CA: Water consumption; CD: Water consumption intensity; CP: Water consumption percentage. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between treatments (P<0.05), the same below.

表4 不同水氮处理的水分利用效率

3 讨论与结论

李金琴等[13]研究发现，浅埋滴灌与膜下滴灌在灌水量相同时产量相当，比常规管灌节水32.29%。焦炳忠等[11]研究表明，在扬黄灌区的灌水量相同时，浅埋滴灌较地表滴灌玉米早出苗1～2 d，产量提高 8.3%，WUE提高了7.4%。根据本研究模型模拟结果，当灌溉量为373.1 mm，施氮量为165.6 kg·hm-2时，浅埋滴灌春玉米产量可达到11 231.16 kg·hm-2。据白伟等[14]研究表明，本研究的试验区多年的玉米平均单产仅为6 000 kg·hm-2。可见，利用浅埋滴灌的灌溉施氮方式，不仅可以达到节水节氮的目的，提高对水分的利用效率，又能实现产量的显著提高，甚至翻倍，因而本研究结果对辽西地区玉米节水增产具有重要的指导意义。同时，本研究也发现，水与氮均为影响作物产量的重要因素，灌溉量的影响程度大于施氮量，水氮互作对玉米产量有显著的影响，产量随灌溉量和施氮量的提高均呈开口向下的抛物线趋势。这可能是由于施肥量过高会造成土壤干旱胁迫程度的增加[15]，对作物造成伤害甚至烧苗，出现土壤盐渍化等生态问题[16]。适当增加灌溉量有利于作物干物质的积累，促进产量的提高[17]，过度灌水使得硝态氮淋溶而在1 m土层中的残留较少，致使作物可利用的氮素紧缺[18]，还可能会造成根系局部淹水，通气性降低，使根系的有氧呼吸受到抑制，从而影响作物的生长发育，最终导致产量的降低[19]。

李文惠等[20]研究发现，膜下滴灌玉米阶段耗水量表现为生育前期较少，中期缓慢增加，灌浆期迅速上升的趋势，抽雄-灌浆期耗水强度最大。黄鹏飞等[21]认为，交替地下滴灌春玉米拔节-抽雄期耗水量最大，抽雄-灌浆期耗水强度最高。而李曙光等[22]认为，玉米各生育期的耗水量、耗水模数总体呈拔节期、抽雄期高，苗期、灌浆期低的变化趋势，耗水强度表现为抽雄期> 拔节期> 灌浆期> 苗期。本研究发现，浅埋滴灌不同处理阶段耗水量均表现为拔节-抽雄期和灌浆-收获期较高，出苗-拔节期和抽雄-灌浆期较低。耗水强度最大值出现在灌浆-收获期。同时，在浅埋滴灌条件下，春玉米生育期的耗水量和耗水强度均随灌水量的增加而增大，适当减少施氮量可以降低生育期的耗水量，该耗水特性对浅埋滴灌春玉米不同生育期的灌水量和施氮量具有指导意义。

本研究发现，水分利用效率随着灌水量的增加呈逐渐降低的趋势，而随着施氮量的增加，水分利用效率呈先升高后降低的趋势。这与王鹏勃等[23]研究结果一致。施肥量过低或过高均不利于植物对水分的吸收和利用[24]。当施氮量过高时，作物根区养分浓度较高，不利于作物根部吸收水分[25]。

综上所述，灌溉量和施氮量单因子对产量提高均有促进作用。在试验因子取值范围内，产量随着灌溉量、施氮量二因素用量的增加表现为先提高后降低的变化趋势，灌溉量在145.4～350.5 mm时，春玉米产量随着灌溉量的增加而增高，灌溉量在350.5～436.2 mm时，产量随着灌溉量的增加而降低；施氮量在0～146.9 kg·hm-2时，产量随施氮量的增加而增高，施氮量在146.9～195.0 kg·hm-2时，产量随施氮量的增加而降低，灌溉量对产量的影响大于施氮量。不同处理的阶段耗水量均表现为拔节-抽雄期和灌浆-收获期较高，出苗-拔节期和抽雄-灌浆期较低, 耗水强度最大值出现在灌浆-收获期。耗水量和耗水强度均随灌水量的增加而增大。不同生育阶段各处理的耗水模系数差异不显著。水分利用效率随灌溉量增加呈逐渐降低的变化趋势，而随着施氮量增加则呈现为先升高后降低的趋势，其中处理6(灌溉量348.2 mm，施氮量195.0 kg·hm-2)为试验条件下水分利用效率的最优处理。在提高辽西半干旱地区浅埋滴灌春玉米生产中，施氮量165.6 kg·hm-2，播种期沟施30%，剩余氮肥在拔节期和抽雄期等量滴灌追施；灌溉量为348.2 mm，分苗期2次，拔节期3次，抽雄期2次，灌浆期3次滴灌的方式,是同步实现节氮、节水、增产的浅埋滴灌水氮运筹措施。由于本试验在移动遮雨棚内开展，试验所得结论对于田间应用具有一定局限性，下一步的研究拟将遮雨棚内试验与大田试验相结合，建立适宜于大田实际应用的可操作性强的浅埋滴灌水氮运筹模式。