北方夏玉米滴灌施肥一体化技术应用效果

杜 君 杨占平 魏义长 杨竹青 雷宏军 张运红 和爱玲

(1河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室,河南 郑州 450002;2 华北水利水电大学测绘与地理信息学院,河南郑州 450046;3河南省渑池县陈村乡农业服务中心,河南渑池 472433)

我国北方地区少雨且水资源匮乏,其中农业用水占地下水总开采量的78.8%,合理开发利用水资源已成为我国北方地区一项重要的战略选择[1-3]。同时,近年来化肥特别是氮肥的过量施用,不仅增加了肥料投入,降低了肥料利用率,还导致土壤结构恶化,土壤硝态氮大量淋失,严重污染了地下水及生态环境[4]。夏玉米是北方地区乃至全国重要的粮食作物,但夏玉米需水量大,而降水与其需水关键期不能完全匹配,生育期内干旱胁迫时有发生[5]。夏玉米生育期需肥量也大,生产中一般采取种肥同播、一次性沟施的方式,追肥较少[6],容易导致肥料挥发损失、养分利用效率降低[7]。人工补灌是北方地区保障作物产量的重要技术措施,但该区的灌溉方式一般为大水漫灌,水资源浪费异常严重。因此,高效利用有限的水资源并提高肥料利用效率是当前夏玉米农业生产面临的重大任务。

从农田水肥耦合效应引起重视后,国内外很多学者对作物的灌溉与施肥制度进行了研究[8-11],但多数研究是将施肥和灌溉分开进行处理[12-16],灌溉采用的是漫灌(或小白龙)、滴灌和微喷灌等方式,追肥主要采用撒施土壤表面进行灌溉,即随灌溉施肥,并非灌溉施肥一体化。且关于水肥一体化或水肥耦合的研究主要集中于灌溉次数与灌水量及水肥互作对作物影响产量和水分利用的影响等方面[17-18];关于滴灌对作物影响的研究主要集中于节水、增产和生理等方面[19-23]。本试验利用夏玉米滴灌施肥一体化技术,设置了滴灌施肥一体化处理,并与常规漫灌处理对比,研究不同灌溉方式对夏玉米水肥利用效率的影响,以期提供适宜在北方潮土区推广的高效节本增收的施肥灌溉模式。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

田间试验于2015-2018年在河南省原阳县福宁集镇河南农业大学科教园区进行,该区光照充足,热量资源能满足小麦-玉米两熟的需要,但春季降水量较少,夏季雨量过于集中,全年降水的60%左右集中在7-8月份。试验区多年(1951-2016年)平均气候条件见表1。试验区土壤类型为潮土,其土壤基本理化性质见表2。

供试玉米品种为当地常用品种:郑单958。

表1 试验区多年平均气候条件Table1 The average climatic conditions in the experimental area

表2 试验区土壤基本理化性质Table2 The physiochemical properties of soil in the experimental area

1.2 试验设计

1.2.1 种植模式 采用行距55 cm、株距30 cm的种植模式,玉米种植密度约60 000株·hm-2,采用玉米播种机播种,播种后采用一管两行的铺设方式设滴灌带,即隔行铺设滴灌带。

1.2.2 滴灌施肥首部系统 供水:水源为地下水,采用无塔供水,以保证滴灌压力稳定,灌溉均匀。过滤器:选用离心式过滤器作一级过滤设备过滤水中的一般砂石;选用砂石介质式过滤器作二级过滤设备过滤水中有机杂质和其他杂质。施肥器:选用注射泵式施肥器。

1.2.3 肥料选择 滴灌施肥一体化所用肥料应具备养分含量高、水溶性好的特点。肥料的不溶物少,品质要好,与灌溉水相互作用小;肥料品种之间能相溶,且相互混合不会产生沉淀。肥料腐蚀性要小,偏酸性为佳。本试验所用肥料分别为尿素(N,46%)、磷酸二氢铵(N,11.8%;P2O5,61%)、氯化钾(K2O,60%)、磷酸二氢钾(P2O5,52.1%;K2O,34.2%)。

1.2.4 试验设计 试验共设置12个处理,见表3。常规漫灌处理总氮(N)用量为243 kg·hm-2,磷(P2O5) 用量127 kg·hm-2,钾(K2O) 用量为66 kg·hm-2。其中,氮肥基追比为6∶4,即60%基施,40%于拔节期撒施并结合漫灌,磷、钾肥做基肥,一次施入。滴灌施肥一体化处理化肥总量均减施20%。各处理均适量补充锌肥(农用硫酸锌)22.5 kg·hm-2。其中,滴灌施肥一体化Ⅰ:氮肥10%基施,90%滴施(即追肥,均以拔节期∶大喇叭口期∶灌浆期=5∶3∶2);磷肥40%基施,60%滴施;钾肥10%基施,90%滴施,即氮肥和钾肥以滴施为主。滴灌施肥一体化Ⅱ:氮肥100%滴施;磷肥20%基施,80%滴施;钾肥100%滴施,即氮肥和钾肥全部随滴灌施肥。另外,缺素处理用于计算常规灌溉和滴灌施肥一体化下的肥料利用效率。T1、T2和T3 分别设3 次重复,每小区面积55 m2(5.5 m×10 m)随机排列,其他处理不设重复。其他管理措施各处理一致。

表3 试验处理Table3 Experimental treatment

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株养分测定 玉米采用实收测产,各小区分别计产。收获时用多点法取植株和籽粒样品,按常规分析方法测定秸秆和籽粒中的全氮、全磷和全钾含量。植株样品用硫酸-过氧化氢消煮,采用凯氏定氮法测全氮含量,采用钼锑抗比色法测全磷含量,采用火焰光度法测全钾含量[24]。

1.3.2 土壤含水量 每个小区内安装土壤水分传感器(SWCP4 型,沈阳巍图农业科技有限公司),实时监测0～20、20～40、40～60、60～100 cm 土层的土壤水分含量。

1.3.3 灌溉时间和计量 每个小区灌水入口安装流量计对灌水进行计量。

1.3.4 生物产量和考种 在玉米的拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期、成熟期对每个小区随机选取5株玉米,带回实验室,测定鲜重和叶面积,然后于105℃杀青30 min,然后75℃烘干至恒重,测定地上部干物质量。在成熟期收获时运用测产方法考种,在每个小区随机选取15株玉米,测定玉米的株高、茎粗、穗长、穗直径、穗粒数、籽粒重量、百粒重。用钢卷尺测量株高,用游标卡尺测量茎粗,采用百分之一电子天平称重。

根据公式计算水分利用效率(water use efficiency,WUE)和肥料利用效率[25]:

式中,GY为产量,kg·hm-2;ET为蒸散量;P为降水量;I为灌溉量;ΔSWS为收获和播种时土壤储水量的变化量;R为地表径流;D为根系层以下土壤水分的深层下渗量。

1.4 数据分析

采用Mircosoft Office Excel 2013软件进行数据处理,用SPSS 17.0 进行方差分析,并用多重比较(LSD法)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 滴灌施肥一体化对夏玉米叶面积指数的影响

由图1可知,叶面积指数在夏玉米整个生育期呈单峰曲线。拔节期后,夏玉米生长快速,叶面积指数开始迅速增加,至吐丝期达到最高,之后逐渐下降。从大喇叭口期至灌浆期,与T1相比,T3 均能显著提高夏玉米叶面积指数,以利于夏玉米生物量的积累,而T2 则在大喇叭口期至吐丝期其叶面积指数与T1之间差异显著。成熟期时,与T1相比,T2和T3的夏玉米叶面积指数均无显著差异。

图1 不同生育期夏玉米叶面积指数Fig.1 Leaf area index of summer maize in the different growth stages

2.2 滴灌施肥一体化对夏玉米干物质的影响

由图2可知,随着生育期的延长,夏玉米干物质积累量逐渐增加,吐丝期后干物质迅速增加。在拔节期至大喇叭口期,T2和T3的夏玉米干物质积累量与T1之间差异均不显著;吐丝期后T2与T1之间均具有显著差异,而T2与T3之间差异不显著;灌浆期至成熟期,T2和T3的夏玉米干物质积累量均显著高于T1。

图2 不同生育期夏玉米干物质积累量Fig.2 Dry matter accumulation of summer maize in the different growth stages

2.3 滴灌施肥一体化模式下夏玉米产量因子构成分析

由表4可知,与T1相比,滴灌施肥一体化对夏玉米的产量构成因子具有明显影响,能显著增加夏玉米的穗粗和穗粒数,一定程度上降低了玉米穗的秃顶长度,但对夏玉米百粒重无显著效应。T2和T3的玉米产量分别较T1显著提高5.32%和6.13%,而T2与T3无显著差异。总体上,滴灌施肥一体化处理能显著提高夏玉米产量。

2.4 滴灌施肥一体化模式下夏玉米水分和肥料利用效率

2.4.1 滴灌施肥一体化下夏玉米水分利用效率 由表5可知,在大田条件下,与T1相比,T2和T3可显著提高水分利用效率。T2和T3的水分利用效率分别较T1 提高39.42%和36.10%。

2.4.2 滴灌施肥一体化下夏玉米肥料利用效率 由表6～表8可知,与T1相比,T2和T3可显著提高氮、磷、钾肥料的利用效率。T2和T3 分别较T1的氮肥利用率提高37.56%和35.29%,磷肥利用率分别提高23.09%和30.30%,钾肥利用率分别提高106.21%和121.51%。

表4 不同处理下夏玉米的产量构成因子Table4 The yield component factors of summer maize in different treatments

表5 不同处理下夏玉米的水分利用效率Table5 Water use efficiency of summer maize in different treatments

表6 不同处理下夏玉米的氮肥利用率Table6 Nitrogen use efficiency of summer maize in different treatments

2.5 滴灌施肥一体化模式下夏玉米经济效益分析

夏玉米种植应用滴灌施肥一体化技术,能够充分提高夏玉米在生长过程中的灌溉水和肥料的利用效率,同时提高夏玉米产量。由表9可知,T1 减少了滴灌带和施肥装置的投入,分别较T2、T3的合计投入节省了300元·hm-2,但由表10可知,与T1相比,T2、T3不但显著增加了夏玉米的产量,还显著提高了玉米生产的经济效益,且T2和T3 有效降低了投产比。与T1相比,T2和T3的收益率分别提高了4.17和5.24个百分点。

表7 不同处理下夏玉米的磷肥利用率Table7 Phosphorus use efficiency of summer maize in different treatments

表8 不同处理下夏玉米的钾肥利用率Table8 Potassium use efficiency of summer maize in different treatments

表9 不同处理下成本投入核算对比表Table9 Contrast table of cost calculation in different treatment /(元·hm-2)

表10 不同处理下经济效益对比表Table10 Contrast table of economic benefit in different treatment

3 讨论

发展水肥一体化是实现作物高产优质、水肥高效利用、生态环境安全的现代农业技术措施[26]。采用滴灌施肥一体化的灌溉施肥方式能使该区有限的水资源得到高效利用,同时,还能有效提高肥料利用效率,减少化肥的施用量。与传统大水漫灌相比,滴灌施肥一体化根据土壤水分、养分状况以及作物水、肥需求特征,借助施肥装置和灌溉系统通过滴管带将水肥溶液滴于作物根部土壤,可在关键生育期精准控制灌水和施肥量,充分发挥水肥耦合效应,提高水肥利用效率,减少养分损失。滴灌施肥一体化实现了由土壤施肥向植株施肥的转变、水肥分开向水肥耦合的转变、传统农业种植向现代农业管理的转变。滴灌施肥在以色列、美国等农业发达国家已大面积应用[27-28],近年来,随着对大田作物水肥耦合效应愈加重视,我国大田作物滴灌施肥一体化技术在补充灌溉区域得到了一定的应用。研究北方夏玉米滴灌施肥一体化的适宜施氮量不仅可以减少环境污染,还能有效节约水、氮资源。减少夏玉米基肥施用比例,结合灌溉多次施肥可有效改善夏玉米养分利用状况,减少养分损失,显著提高水肥利用效率和玉米产量[29-30],能很好地解决地方地区夏玉米传统灌溉施肥方式的弊端。有研究表明,滴灌施肥与传统大水漫灌相比可节水40%,较喷灌节水30%[31-32],滴灌施肥一体化中氮利用效率可达75%～80%[26]。本研究结果也表明,与T1相比,滴灌施肥一体化模式(T2和T3)下水分利用效率提高36.10%～39.42%,氮肥利用率提高37.56%～35.29%,磷肥利用率提高23.09%～30.30%,钾肥利用率提高106.21%～121.51%。

国内外生产实践均表明,增施氮磷钾养分可提高夏玉米光合产物,尤其是氮素,对提高作物光合产物至关重要[33-35]。适时适量的氮素供应不仅起到提质增效的作用,还能有效减少氮素淋失,对保护生态环境具有一定的意义[36]。在灌溉施肥一体化模式下,肥与水同步耦合,使土壤经常处于比较湿润的含水量范围内,减少了在干湿交替条件下,土壤对氮、磷、钾等养分的固持作用。研究表明,在滴灌条件下,水肥一体多次施用,夏玉米养分吸收均衡、分配合理,干物质积累量、氮磷钾吸收量和产量均显著高于传统大水漫灌施肥方式[31-32]。经济效益是农业经营主体关注的焦点,更是评估农业生产管理措施的重要指标。本研究发现,夏玉米滴灌施肥一体化在提高夏玉米产量的同时,也提高了经济效益。与T1相比,尽管滴灌施肥一体化增加了滴灌带和施肥装置等成本的投入,但T1的灌溉水和肥料用量大。综上,滴灌施肥一体化能在显著增加夏玉米的产量的同时,降低投产比,并显著提高其收益率。

4 结论

本研究结果表明,与T1相比,滴灌施肥一体化能够显著提高夏玉米大喇叭口期至吐丝期的叶面积指数、灌浆期至成熟期的干物质积累量以及穗粗和穗粒数,这有利于夏玉米的均衡生长。同时,与T1相比,滴灌施肥一体化可显著提高水分利用效率、氮肥利用率、磷肥利用率和钾肥利用率。与T1相比,虽然滴灌施肥一体化增加了滴灌带和施肥装置等成本的投入,但是漫灌的灌溉水和肥料用量大,滴灌施肥一体化在化肥施用量减少20%条件下,能显著增加夏玉米的产量,降低投产比,显著提高其收益率。