灌溉方式、灌水量及施氮量对小麦、玉米周年水分利用的影响

杨永辉, 武继承, 高翠民, 张洁梅,潘晓莹, 何 方, 王 越, 王 芸

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所, 郑州 450002; 2.农业部 作物高效用水原阳科学观测站,河南 原阳 453514; 3.河北广播电视大学 数字化学习资源中心, 石家庄 050080)

采用节水灌溉技术可有效实现节水、提高水资源利用率、土地产出率和劳动生产率，从而促进农民增产增收。众多研究表明[1-3]，喷灌技术有着其独特的优越性。喷灌较传统灌溉具有明显的节水、省工、省时，减少水肥渗漏等特征。喷灌能够减少对土壤结构的浸泡而导致土壤团聚体破裂，进而导致土壤结构的破坏，促进土壤水分缓慢均匀入渗，增强表层土壤保水效果，提高土壤含水量[4]，实现培肥土壤[5]。喷灌可有效降低空气温度，并增加空气湿度，从而对农田温湿度具有调节作用，促进作物光合速率提高，蒸腾强度降低[6]，提高单位水分利用效率。同时，喷灌利于作物根系集中于表层，更适合作物生长需要[7]，从而减少作物对深层土壤水分的消耗，改善土壤的水分环境。此外，喷灌还可增加作物叶面积指数，提高其叶片光合能力[8-9]，协调作物生长发育，促进作物干物质的积累、分配和转运[10]，提高作物产量和水分利用效率[11-14]。但是前人主要是针对小麦季或玉米季单独进行研究，较少考虑小麦、玉米周年水肥运筹与管理。

本文采用地面灌和喷灌并结合不同施氮量研究小麦、玉米周年生长过程、生理机制及水肥利用特征，分析不同灌溉方式下小麦不同生育期内土壤储水量、光合生理特征以及小麦、玉米周年水分利用特征，为探明喷灌条件下小麦、玉米周年节水增效机制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

农业部原阳科学观测试验站地处黄河北岸新乡市原阳县南部的河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地内，位于107国道与郑焦高速公路的夹角地带，平均海拔85 m，年均气温14.3℃，年均降水量556 mm，全年无霜期227 d。试验地土壤为壤质潮土，肥力均匀，地势平坦，耕层有机质12.6 g/kg、全氮1.08 g/kg、速效氮80.1 mg/kg、速效磷18.2 mg/kg、速效钾120.9 mg/kg。该区种植方式为小麦、玉米轮作。

1.2 试验方案

本试验于2017年10月15日小麦播种开始，于2018年9月30日玉米收获时结束，小麦收获后玉米种植在对应的前茬小麦小区内。灌溉方式为：(1) 地面灌，采样白色塑料软管，水头直接通入试验小区进行灌溉。(2) 喷灌，喷灌口固定于田间，待灌水时，将喷灌支架等插入田间预留的喷灌槽内，喷灌头的高度距离地面1.5 m。

(1) 氮肥设计：(小麦)N 180 kg/hm2，N 240 kg/hm2，N 270 kg/hm2；(玉米)N 210 kg/hm2，N 270 kg/hm2，N 330 kg/hm2；施肥方式为底施60%+追施40%，追施时期为拔节期(小喇叭口)25%+灌浆15%。

(2) 灌水设置：小麦为返青拔节，抽穗扬花，灌浆(玉米为小喇叭口，大喇叭口，灌浆)，每次灌水450 m3/hm2。即，地面灌与喷灌施肥、灌水量相同。

小麦水肥处理设置为：N180+3水、N240+3水、N270+3水、N180+2水、N240+2水、N270+2水、N180+1水、N240+1水、N270+1水、N180不灌水、N240不灌水、N270不灌水。

玉米水肥处理设置为：N210+3水、N270+3水、N330+3水、N210+2水、N270+2水、N330+2水、N210+1水、N270+1水、N330+1水、N210不灌水、N270不灌水、N330不灌水。

小麦、玉米周年水肥组合为：N180+N210+各3水、N240+N270+各3水、N270+N330+各3水、N180+N210+各2水、N240+N270+各2水、N270+N330+各2水、N180+N210+各1水、N240+N270+各1水、N270+N330+各1水、N180+N210+不灌水、N240+N270+不灌水、N270+N330+不灌水。

小麦、玉米两季，分别施用P5O2135 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2，与底施氮肥一起底施。在小麦播种前和玉米播种后分别灌了底墒水，灌溉量为450 m3/hm2，其他时期均按试验处理进行水肥管理。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 净光合速率测定 光合参数采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合仪测定。在小麦抽穗期(4月5日)和灌浆期(2018年5月16日)选择晴朗无风的天气于9：30—11：00进行光合参数的测定。测定叶片部位为小麦旗叶。

1.2.2 叶片SPAD值测定与产量计算 在小麦灌浆期采用日本原装生产的相对叶绿素仪测定叶片的SPAD值。小麦以每小区收获6 m2产量记产，玉米以每小区3行玉米产量记产，将其产量折合成每hm2产量。

1.2.3 土壤水分测定与水分利用效率、灌水利用率计算 在小麦播分蘖期、越冬期、返青期、抽穗期、灌浆期、收获期和玉米收获期，采用土钻获取0—100 cm土层(0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)土壤，放入烘箱中105℃烘24 h，测定含水量，进而得知0—100 cm土层土壤储水量。并计算生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率。

W=A+B+C-D

(1)

WUE=Y/W

(2)

IUE=(Yi-Y0)/I

(3)

式中：W为全生育期耗水量(mm)；A为播种前0—100 cm土层土壤储水量(mm)；B为生育期内降雨量(mm)；C为生育期内灌水量(mm)；D为收获时0—100 cm土层土壤储水量(mm)；WUE为水分利用效率[kg/(mm·hm2)]；Y为籽粒产量(kg/hm2)；IUE为灌水利用率(kg/mm3)；Yi为灌水处理子粒产量(kg/hm2)；Y0为未灌水处理产量(kg/hm2)；I为作物生育期内总灌水量(m3)。

1.3 数据处理

光合值为9次重复(在每处理3个重复内分别测定3次样品)的平均值，其他结果为3次重复的平均值，且所得的数据应用SPSS 19.0进行处理。

2 结果与分析

2.1 小麦、玉米生育期内降雨量

从小麦、玉米生育期内降雨量可看出(图1)，在小麦播种后降雨量逐渐增多，有利于小麦的出苗，但从分蘖期开始到返青期前几乎没有有效降水，从抽穗期开始降雨逐渐增多，一直到小麦收获。玉米播种后降雨主要集中在7月份，之后逐渐减少。小麦生育期内总降雨量为217.4 mm，玉米生育期内降雨量为298.7 mm，小麦玉米生育期内总降雨量为516.1 mm，比往年平均降雨总量减少了40 mm左右。

图1 小麦、玉米生育期内降雨分布特征

2.1 不同灌水施肥处理对小麦叶片SPAD值特征的影响

从图2中可知，灌浆期的SPAD值明显高于抽穗期。在不同生育期喷灌不同水肥处理的小麦叶片SPAD值均高于地面灌。在抽穗期，在灌3水条件下，随施氮量的增加，地面灌小麦叶片SPAD值逐渐增加，而喷灌条件下逐渐降低；在灌2水条件下，随施氮量的增加，地面灌小麦叶片SPAD值先增后减，而喷灌条件下为逐渐增加；在灌1水条件下，两种灌水方式均随施氮量的增加表现为逐渐增加的趋势。在灌浆期，在灌3水条件下，随施氮量的增加，地面灌小麦叶片SPAD值变化不明显，而喷灌条件下逐渐增加；在灌2水条件下，随施氮量的增加，地面灌小麦叶片SPAD值逐渐降低，而喷灌条件下为先增后减；在灌1水条件下，随施氮量的增加，地面灌小麦叶片SPAD值先降低后增加，而喷灌条件下为逐渐增加的趋势。在两个生育期，在不灌水条件下，随施氮量的增加，小麦叶片SPAD值均为先增加后降低的趋势。相同氮肥用量条件下，除灌浆期喷灌条件下外，随灌水量的增加，小麦叶片SPAD值呈降低趋势。整体来看，适度干旱和适宜的施氮量更利于提高小麦叶片的SPAD值，且也中氮水平效果较佳。而喷灌较地面灌更利于小麦叶片SPAD值的提高，但中氮不灌水处理小麦叶片的SPAD值提高更为明显。

图2 不同灌水施肥处理小麦不同生育期小麦叶片SPAD值分析

2.2 不同灌水施肥处理对小麦光合生理特征的影响

从图3中可知，灌浆期小麦的光合速率明显高于抽穗期。地面灌和喷灌不同水肥处理的叶片光合速率均高于地面灌，且均高于不灌水处理。喷灌各处理的光合速率均高于地面灌。在抽穗期，在地面灌条以N240+2水处理的光合速率最高，而喷灌以N180+2水处理更高；在高水(3水)条件下，随施氮量的增加光合速率明显提高；在灌1水和2水条件下随施氮量增加变化规律并不一致。在灌浆期，在两种灌溉方式下，均以N270+3水处理的光合速率最高，其次为N180+1水处理；在灌3水和不灌水时，随氮肥用量的增加，小麦的光合速率呈增加趋势；在喷灌条件下，灌1水时，随施氮量的增加，光合速率呈下降趋势。在地面灌条件下，在灌1水和2水时小麦光合速率表现为先降后增的趋势。综上，喷灌较地面灌更利于提高小麦叶片的光合速率，促进干物质积累。

图3 不同灌水施肥处理小麦光合生理特征分析

2.3 不同灌水施肥处理对小麦不同生育期储水量的影响

从图4和图5中可知，随生育期的推进，小麦储水量表现为先降后增再降而再增的趋势，抽穗期的储水量最高，而灌浆期土壤储水量最低。喷灌条件下各处理变化差异较大。在地面灌条件下(图4)，不同生育期以N240+3水处理的土壤储水量较其他处理高，在抽穗期到收获期以N270+2水处理均低于其他处理。在喷灌条件下(图5)，在返青期前，不灌水处理明显低于其他处理。在返青期和抽穗期，均以N270+2水处理土壤储水量最高，其次为N240+2水处理和N270不灌水处理。随生育期的推进，各处理间的土壤储水量差异逐渐增大，高氮高水的处理水分消耗较大，因此，储水量明显低于其他处理。在两种灌水条件下，高氮不灌水处理在收获期的储水量均较高。

图4 地面灌不同灌水施肥处理小麦不同生育期储水量分析

图5 喷灌不同灌水施肥处理小麦不同生育期储水量分析

2.4 不同灌水施肥处理对小麦成产要素及水分利用的影响

从表3中可知，在地面灌条件下，随灌水量的增加，小麦的株高、小穗数、及千粒重表现为先增加而后降低的趋势；而穗粒数呈增加趋势；千粒重随灌水量的增加表现为先降低后增加而后降低的趋势，灌2水更利于提高小麦的千粒重。在低氮(N180)和中氮(N240)水平，随灌水量的增加，小麦产量表现为先增加而后降低的趋势；在高氮(N270)水平，小麦产量随灌水量的增加而增加。各处理中，以中氮结合灌水2次(N240+2水)的产量水平最高，为8 768.9 kg/hm2。不同水肥处理中以N180+1水的灌水利用率最高，其次为N180+2水处理，而水分利用效率以N240+2水处理最高，其次为N270+2水处理和N180+1水处理，说明适宜的灌水可有效提高小麦灌水利用率，促进节本增效，有利于土壤水分环境的改善。

从表4中可知，在喷灌条件下，随灌水量的增加，小麦的株高呈增加趋势，而小穗数、穗粒数及千粒重均表现为先增加再降低的趋势。在灌水量相同的条件下，小麦株高随氮肥用量的增加表现为先增加再降低的趋势，其他指标表现并不一致。各处理中，以N240+1水处理的小麦产量最高，其次为N180水平。小麦的灌水利用率以N180+1水处理最高，其次为N240+1水处理，N180+2水处理和N270+1水处理，而水分利用效率以N240 +1水最高，其次为N180 +1水和N270 +2水处理。与地面灌相比，喷灌更利于提高小麦的产量、水分利用效率及灌水利用率。

表3 地面灌条件下小麦成产要素及水分利用分析

表4 喷灌条件下小麦成产要素及水分利用分析

2.5 不同灌水施肥处理对玉米成产要素及水分利用的影响

前茬小麦水肥处理对后茬玉米产生重要影响。从表5中可知，在地面灌条件下，不同灌水施肥对玉米的形态指标产生不同影响。随灌水量的增加，玉米的穗长与行数呈增加趋势，玉米穗粗和行粒数呈降增降趋势。在相同灌水量条件下，各处理的指标表现各异。最终玉米的产量以N330+2水和N270+2水处理高于其他处理，其次为N270+1水处理。水分利用效率以N330+2水和N270+2水处理最高，其次为N210+1水处理，而灌水利用率以N210+1水处理最高，其次为N270+1水。说明，在本年度玉米全生育期进行1次补灌更利于提高灌水的利用率，实现节本增效。

由表6可知，在喷灌条件下，随灌水量的增加，玉米穗长和行粒数表现为逐渐增加的趋势，而其他指标表现为先增后降的趋势。各处理中以N270+2水处理的产量最高，其次为N330+3水和N270+1水处理。水分利用效率仍以N330+2水和N270+2水处理最高，其次为N210+1水处理，而灌水利用率随灌水量的增加表现为降低的趋势，各处理中仍以N210+1水的处理最高。与地面灌相比，喷灌的玉米产量、水分利用效率与灌水利用率仍均高于对应的地面灌处理，说明，在喷灌条件下，更利于实现节水增产增效。

2.6 不同灌水施肥处理对小麦、玉米周年产量及水分利用的影响

由表7可知，随灌水量的增加，小麦、玉米周年产量表现为先增加后降低，水分利用效率表现为先增加后降低的趋势，而灌水利用率则表现为逐渐降低的趋势。喷灌周年产量和灌水利用率基本均高于地面灌。除灌2水条件下，喷灌的周年水肥利用效率仍高于地面灌。在地面灌条件下，以N240+N270+各2水和N270+N330+各2水处理的周年产量和水分利用效率最高。在喷灌条件下，N240+N270+各2水和N240+N270+各1水处理产量最高，而以N240+N270+各1水处理水分利用效率最高。而灌水利用率在两种灌溉方式下均以N180+N210+各1水处理最高，其次为N240+N270+各1水处理。说明，适当减少灌水次数更利于周年小麦、玉米水分利用率的提高。

表5 地面灌条件下玉米成产要素及水分利用分析

表6 喷灌条件下小麦成产要素及水分利用分析

表7 不同灌水施肥处理周年产量及水分利用分析

3 讨论与结论

水资源紧缺是我国农业长期面临的主要问题，其制约着我国经济的发展。节约用水一直是我国农业可持续发展的必由之路。实行节水灌溉是我国现今及以后发展的长期手段。传统地面灌耗水量大，且容易将养分淋溶至耕层以下，甚至更深层次的土壤，造成地下水污染。而喷灌水流较小，且相对均匀，不易漏水漏肥。此外，喷灌水滴的蒸发和冠层截留会改变冠层附近的温湿度[15-16]，增加空气湿度[17]，形成农田小气候，尤其是在玉米大喇叭口期后，喷灌喷出的水分击打玉米植株而形成更多的水气，从而调节了玉米冠层湿度与温度，改善作物的生长环境，提高作物的光合速率，同时降低蒸腾强度[6,18-19]，促进作物生长。本研究发现，喷灌较地面灌更利于小麦光合速率的提高与干物质的积累，且以N270+3水处理的光合速率最高，其次为N180+1水处理。不同水肥供应影响作物对氮素的吸收，从而影响叶绿素的合成而导致相对叶绿素含量SPAD值的变化。本研究发现，喷灌较地面灌更利于小麦叶片SPAD值的提高，而中氮不灌水更利于提高小麦叶片的SPAD值，说明相对适度干旱更利于叶绿素的积累[20]。

土壤储水量反映了作物生长过中对土壤水分的消耗及土壤的储水能力。本研究发现，随生育期的推进，小麦储水量表现为先降后增再降而再增加的趋势，抽穗期的储水量最高，而灌浆期土壤储水量最低，而施用氮肥促进作物后期对水分的利用，从而导致土壤储水量下降迅速。不同灌溉方式对土壤水分环境及作物生理特征的影响，最终影响其产量和对水分的利用。本研究发现，在中低氮水平，随灌水量的增加，两种灌溉方式的小麦产量均表现为先增加再降低，地面灌以灌2水产量最高，而喷灌在灌1水条件下产量就达到了最高，说明其节水增产效果明显。前期小麦水肥的供应对后茬玉米产生一定影响，在低氮和高氮水平，随灌水量的增加，玉米产量均表现为增加的趋势，而中氮水平表现为先增加而后降低的趋势，且中氮水平的玉米产量相对较高。说明，过多的灌水容易产生作物的“奢侈蒸腾”[21]，且并非灌水量与产量呈正比，适度缺水往往可以获得高产[22]。而对于小麦、玉米周年累积效应而言，喷灌周年产量和灌水利用率基本均高于地面灌。这可能与地面灌使得土壤硝态氮在作物根系层以下存在不同程度的累积[23-24]，从而阻碍了速效氮素与根系的接触，进而影响了作物对氮素的吸收与利用。在地面灌和喷灌条件下，均以小麦、玉米分别灌2水[450 m3/(hm2·次)]且周年施氮量510 kg/hm2的周年产量最高。周年灌水利用率在两种灌溉条件下均以周年总施氮量390 kg/hm2+总灌水900 m3/hm2最高，其次为中氮(N240+N270)各灌1水处理。说明，适当减少灌水更利于周年小麦、玉米水分利用率的提高，且喷灌条件下更利于节水增产增效。因此，综合因素考虑，基于该年度降雨量，推荐的小麦、玉米周年灌水施肥模式为：小麦N240+玉米N270+各2水[450 m3/(hm2·次)]，且采用喷灌更能实现节水增效。