不同水肥模式对盐渍化农田向日葵生长及产量的影响

鲁耀泽，夏玉红，乌兰其其格，黄永平，张 伟

（巴彦淖尔市水利科学研究所，内蒙古巴彦淖尔015000）

0 引 言

内蒙古河套灌区是我国重要的商品粮油生产基地[1,2]，保障灌区农业可持续发展对于国家粮食安全具有重要意义。然而由于灌区农田大多采用大水漫灌，使得地下水位上升，土壤盐渍化问题突出[3]，同时不当施肥也导致了土壤环境污染[4-6]，加之近年来国家对河套灌区实行指令性节水[7]，农业用水紧张，这些严重影响灌区农业的可持续发展。因此，改进灌区水肥管理模式，提高水肥利用效率，改善土壤环境对于促进灌区农业健康、可持续发展具有重要意义。

水、肥的合理使用是改善土壤盐渍化，提高作物产量的关键因素。国内外学者对此作了诸多研究[8-10]，如史海滨[11]研究表明，适宜的灌水量、施肥量不仅可以降低小麦根层和土壤剖面EC 值，同时还可提高小麦产量；TEWOLDE 等[12]研究发现，水、氮亏缺会抑制作物正常生长，导致产量降低；ULERY 等[13]研究表明，过量施用氮肥可能会增加土壤盐分含量并抑制作物正常生长。由此可见，灌水量、施肥量并非单纯的越高越好或者越低越好，而是存在一个合理的区间，同时过量的施肥量也可能加重土壤盐渍化。因此，合理的水肥用量应通过土壤环境、作物生长等多种因素确定。向日葵是河套灌区主要种植的经济作物，近年来种植面积已达到灌区总播种面积的45%左右[14]。但近年来灌区中下游向日葵灌溉模式已在悄然改变，当地农户为了节省水费，只在向日葵播前进行一次灌溉，生育期不再进行灌溉。根据调研，目前河套灌区秋浇灌溉面积呈减少趋势，春灌面积呈增加趋势，这势必会造成春灌压力增大。加之黄河来水量存在不确定性，从长远来看，单纯依靠大水量春灌以满足向日葵全生育期正常生长并不能得到保证。以往针对向日葵的研究大多是盆栽试验[15]或单梯度下的节水节肥试验[16]，多梯度下水肥调控大田试验相对较少，同时针对春灌水肥管理优化研究鲜有报道。因而，本文以只进行播前春灌的向日葵为研究对象，通过优化灌溉、施肥量进而研究不同水肥条件对向日葵的生长、产量以及灌溉水分生产率的影响。以高产为前提，采用隶属函数法寻优，确定向日葵适宜的灌水、施肥量，以期为河套灌区盐渍化农田向日葵水肥管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于巴彦淖尔市水利科学研究所长胜试验站(40°57'47″ N，108°29'33″ E)，该试验区属于中温带大陆性气候，昼夜温差大，日照充足，雨热同期。多年平均气温5.4 ℃，年均日照时数3 202 h，向日葵生育期降雨量67.4 mm，具体见图1，其中有效降雨量为45 mm，生育期地下水位平均埋深为1.88 m。试验区土壤以粘壤土和粉砂质粘壤土为主，0～100 cm土壤平均容重为1.53 g/cm3，田间持水率为23%，播种前0～100 cm 土壤平均电导率为0.64 mS/cm，属中度盐碱土。0～100 cm 土壤有机质、硝态氮、速效磷、速效钾含量分别为8.31 g/kg、14.41 mg/kg、4.67 mg/kg、58.93 mg/kg。

1.2 试验设计

向日葵于2019年6月2日播种，9月17日收获。田间试验采用常规畦灌，设水、肥两个因素。由于当地农户为了节省水费，只在向日葵播前进行一次灌溉(春灌)，但随着灌区春灌面积的增大，在长远看来此灌溉模式并不能得到保证。根据前期调研，当地灌溉量(春灌)为150～210 mm，施肥量为450～600 kg/hm2，本研究为了进行具体比较分析，因而对当地常规灌溉量、施肥量求平均值后设定为对照(CK)，参考前人研究成果[15,16]，通过适当调整灌溉定额、灌溉次数与施肥量，寻求向日葵高产最佳方案。因次，根据当地向日葵常规灌溉量(150～210 mm)的平均值和施肥量(450～600 kg/hm2)的平均值为对照(CK)，设3 个灌水水平，分别为W1(低水)、W2(中水)、W3(高水)；3 个施肥水平，分别为N1(低肥)、N2(中肥)、N3(高肥)，试验共设10个处理，3次重复，共30个小区。各小区长12 m，宽6 m，面积为72 m2。各小区间设置15 cm 高田埂并埋设1 m深聚氯乙烯塑料布隔离，以防止地面灌溉串水和小区间地下侧向渗漏。

供试作物为萨福沃F917 油料向日葵，采用人工点播，株距30 cm、行距40 cm。播前施磷酸二铵(质量分数为N：18%；P2O5：46%)作为基肥，在生育期灌溉(降水)时追施尿素(质量分数为N：46%)。各水肥处理只在现蕾期进行1次灌溉，对照处理生育期不进行灌溉，灌溉水量通过水表记录。由于当地向日葵播种时间为6月初，为保持土壤墒情，利于出苗，需在向日葵播前7～10 d 进行整地、施肥、覆膜、春灌等工作，具体灌水、施肥设计见表1，田间管理与当地农户管理一致。

表1 灌溉和施肥量设计Tab.1 Irrigation and fertilization design

1.3 测定项目及方法

1.3.1 株高、叶面积测定

在各小区分别标记5株长势能代表本小区的向日葵，在其各生育期，利用钢卷尺测定株高，所有叶片长度和最大宽度，计算叶面积指数，叶面积指数(leaf area index，LAI)计算公式[17]为：

式中：k为单株叶片数；lj为单叶片长度，cm；bj为单叶片最大宽度，cm；f为单株占地面积，cm2。

1.3.2 作物产量测定

向日葵收获时，于每个处理内选取具有代表性的5株进行收割、风干、脱粒，统计实际产量，最后折算为每公顷产量。

1.3.3 土壤水分测定

采用取土烘干法测定。用直径为40 mm 土钻于作物各生育期采集0～100 cm 土层土样，每20 cm 为一层，每个小区取3个样点，同层均匀混合，在105 ℃下烘干8 h 至质量恒定不变后测定土壤质量含水率。灌溉水分生产率为产量与灌水量比值[18]。

1.3.4 隶属函数综合评价法

先将数据用隶属函数度公式进行转换，再将每处理各指标的隶属函数值取平均值进行比较，均值越大，排序越小，表示评价越好。

隶属函数值计算公式[19]：

如果某指标与评价结果为负相关，则计算方法为：

式中：Z(Xi)为隶属函数值；Xi为某指标的测定值；Xmax与Xmin为所有参试某一指标的最大值和最小值。

1.3.5 数据分析

试验数据采用Excel 2007 进行制图、制表，SPSS 17.0 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对向日葵株高的影响

株高作为向日葵的重要生育指标，可以较好地反映其生长状况。不同水肥处理下向日葵生育期株高变化如图2 所示。可以看出，不同水肥处理下株高总体上呈现先快速增加后逐步平稳变化的趋势。不同处理各生育期株高变化规律类似，同时成熟期株高达到生育期最大，因而以成熟期为例进行分析，其余生育期不再赘述。

灌溉影响方面，相同施肥-高肥(N3)条件下，当灌溉量从W1 增加到W3 时，向日葵成熟期株高呈增大趋势。其中，W3N3 处理最大，较CK 增大9.63%，各处理差异较CK 达到显著性水平(P＜0.05)；N2 条件下，当灌溉量从W1 增加到W3 时，向日葵生育期株高呈先增大后减小趋势。其中，W2N2处理最大，较CK 增大9.26%，各处理差异较CK 达到显著性水平(P＜0.05)；N1 条件下，当灌溉量从W1 增加到W3 时，向日葵生育期株高变化趋势同N2 条件下。其中，W2N1 处理最大，较CK增大6.17%，各处理差异较CK 达到显著性水平(P＜0.05)。因此，高施肥量条件下，灌溉水量越大，越有利于向日葵株高生长；而中、低施肥量条件下，中灌溉量更有利于向日葵株高生长。

施肥影响方面，相同灌水-高水(W3)条件下，当施肥量从N1 增加到N3 时，向日葵各生育期株高均呈增大趋势。其中，W3N3 处理最大，较CK 增大9.63%，各处理差异较CK 达到显著性水平(P＜0.05)；W2 条件下，当施肥量从N1 增加到N3 时，向日葵生育期株高呈先增大后减小趋势。其中，W2N2处理最大，较CK 增大9.26%，各处理差异较CK 达到显著性水平(P＜0.05)；W1 条件下，当施肥量从N1 增加到N3 时，向日葵生育期株高同样呈降低趋势，甚至低于CK。其中，W1N1 处理最大，较CK 增大5.56%，各处理差异较CK 达到显著性水平(P＜0.05)。因此，高灌溉量条件下，施肥量越大越有利于向日葵株高生长；而中灌溉量条件下，中施肥量更有利于向日葵株高生长；低灌溉量条件下，低施肥量更有利于向日葵株高生长。

2.2 不同处理对向日葵叶面积指数的影响

不同水肥处理下向日葵叶面积指数变化如图3所示。可以看出，不同处理各生育期叶面积指数变化规律类似，同时向日葵开花期叶面积指数达到生育期最大，因而以开花期为例进行分析，其余生育期不再赘述。

灌溉影响方面，高肥(N3)、中肥(N2)、低肥(N1)条件下，当灌溉量从W1 增加到W3 时，向日葵叶面积指数均呈增大趋势。其中，N3 条件下，W3N3 处理最大，较CK 增加21.25%，显著高于CK；N2 条件下，W3N2 处理最大，较CK 增加16.34%，显著高于CK；N1 条件下，W3N1 处理最大，较CK增加8.05%，但差异不显著。因此，高、中、低施肥量条件下，灌溉水量越大，越有利于向日葵叶面积指数增加。

施肥影响方面，高水(W3)、中水(W2)、低水(W1)条件下，随着施肥量从N1增加到N3，向日葵叶面积指数变化趋势并不相同。其中，W3 条件下，向日葵叶面积指数呈增大趋势，W3N3 处理最大，较CK 增加21.25%，显著高于CK；W2 条件下，向日葵叶面积指数呈先增大后减小趋势，W2N2 处理最大，较CK 增加15.71%，显著高于CK；W1 条件下，向日葵叶面积指数呈减小趋势，W1N1 处理最大，较CK 减小5.08%，但差异不显著。因此，高灌溉量条件下，施肥量越大越有利于向日葵叶面积指数增加；而中灌溉量条件下，中施肥量更有利于向日葵叶面积指数的增加；低灌溉量条件下，低施肥量更有利于向日葵叶面积指数增加。

2.3 不同处理对向日葵产量、灌溉水分生产率的影响

作物产量的高低是衡量水肥调控措施优劣的主要指标。不同水肥调控措施下向日葵产量及灌溉水分生产率如图4 所示。就产量而言，灌溉影响方面，高肥(N3)条件下，当灌溉量从W1 增加到W3 时，向日葵产量呈增大趋势。W3N3 处理较CK增产17.60%，差异达到显著性水平(P＜0.05)；中肥(N2)、低肥(N1)条件下，当灌溉量从W1 增加到W3 时，向日葵产量均呈先增大后减小趋势。其中，W2N2 处理较CK 增产14.78%，W2N1处理较CK增产8.17%，差异均达到显著性水平(P＜0.05)。因此，高施肥量条件下，较高灌溉量可使向日葵显著增产；而中施肥量条件下，中灌溉量增产最佳；低施肥量条件下，同样中灌溉量增产最佳，但与高、低灌溉量间差异不显著。

施肥影响方面，高水(W3)、中水(W2)、低水(W1)条件下，随着施肥量从N1 增加到N3，向日葵产量变化趋势各不相同。其中，W3 条件下，向日葵产量呈显著增大趋势，W3N3 处理较CK 增产17.60%，差异达到显著性水平(P＜0.05)；W2 条件下，向日葵产量呈先增大后减小趋势。W2N2 处理最大，较CK 增产14.78%，差异达到显著性水平(P＜0.05)；W1 条件下，向日葵产量呈减小趋势，甚至低于CK。其中，W1N1 处理较CK 增产6.37%，而WIN3 处理较CK 减产8.13%，差异达到显著性水平(P＜0.05)。因此，高灌溉量条件下，较高施肥量可使向日葵显著增产；而中灌溉量条件下，中施肥量增产效果显著优于高、低施肥量；低灌溉量条件下，低施肥量增产显著，而中、高施肥量会导致减产。

就灌溉水分生产率而言，灌溉影响方面，高肥(N3)、中肥(N2)、低肥(N1)条件下，随着灌溉量从W1 增加到W3，向日葵灌溉水分生产率变化趋势不尽相同。其中，N3 条件下，向日葵灌溉水分生产率呈增大趋势。W3N3 处理最大，较CK 增大0.80%，差异不显著；N2条件下，向日葵灌溉水分生产率呈先增大后减小趋势。W2N2 处理最大，较CK 增大5.95%，差异达到显著性水平(P＜0.05)；N1条件下，向日葵灌溉水分生产率呈减小趋势。W1N1 处理最大，较CK 增大6.37%，差异达到显著性水平(P＜0.05)。因此，高施肥量条件下，较高灌溉量提高向日葵灌溉水分生产率效果最佳；中施肥量条件下，中灌溉量提高向日葵灌溉水分生产率效果最佳；低施肥量条件下，低灌溉量提高向日葵灌溉水分生产率最佳。

施肥影响方面，高水(W3)、中水(W2)、低水(W1)条件下，随着施肥量从N1增加到N3，向日葵灌溉水分生产率变化与灌溉影响下变化趋势相同。其中，W3条件下，W3N3处理最大，较CK 增大0.80%，差异不显著；W2 条件下，W2N2 处理最大，较CK 增大5.95%，差异达到显著性水平(P＜0.05)；W1 条件下，W1N1 处理最大，较CK 增大6.37%，差异达到显著性水平(P＜0.05)。因此，高灌溉量条件下，较高施肥量提高向日葵灌溉水分生产率效果最佳；中灌溉量条件下，中施肥量提高向日葵灌溉水分生产率效果最佳；低灌溉量条件下，低施肥量提高向日葵灌溉水分生产率效果最佳。

2.4 不同水肥调控措施的综合评价

不同的水肥调控措施对作物产量、灌溉水分生产率、株高、叶面积指数等均有不同程度的影响，从单一指标很难评价该地区向日葵最佳的水肥制度，因而采用隶属函数法对不同水肥处理措施的产量、灌溉水分生产率、株高等指标进行综合评价，先将各指标数值用隶属函数度公式进行转换，再将每一处理各指标的隶属函数值取平均值进行比较，均值越大，排序越小，表示评价越好，具体见表2。

由表2 可知，W2N2 处理的隶属函数均值最大，为0.94，W3N3处理次之，其隶属函数值为0.91。因此中水中肥(W2N2)处理最优，即最优的向日葵水肥调控措施为灌水量为195 mm(春灌120 mm，现蕾期75 mm)。施肥量525 kg/hm2(基肥225 kg/hm2，追肥300 kg/hm2)。其次较优的是高水高肥(W3N3)处理，其水肥调控措施为灌水量210 mm(春灌120 mm，现蕾期90 mm)，施肥量600 kg/hm2(基肥225 kg/hm2，追肥375 kg/hm2)。

表2 不同水肥模式下隶属函数综合评价表Tab.2 Comprehensive evaluation table of membership function under different water and fertilizer modes

3 讨 论

土壤水分是土壤养分释放的基础，适宜的水肥供应对作物的生长和增产具有显著的正耦合效应[20]，但肥料过多，也会对生长产生不利影响。根据生育期降雨量分布(图1)可知，向日葵生育期降水主要集中在成熟期，而现蕾期—开花期降水极少，但由于现蕾期开花期是向日葵需水关键期，因而不同水肥处理现蕾期灌溉对向日葵生长具有重要作用。

本研究表明：中水中肥(W2N2)处理对向日葵株高、叶面积指数和产量的增加都具有较好的促进作用。这与徐昭等[21]研究结果类似；高水(高肥)条件下，随施肥量(灌水量)增加，向日葵株高生长和产量均呈增大趋势，且高水高肥(W3N3)处理效果最佳，这与郭富强[16]、宋娜[22]等研究结果不一致，一方面由于本试验设计灌溉为春灌和生育期灌溉，对照仅进行春灌，尽管高水高肥(W3N3)处理总灌水量和施肥量较对照大，但由于分次灌溉和施肥，从而并未造成作物“徒长”的情形；另一方面，可能由于水肥水平设置梯度较小，因而表现为单调增加趋势；低水条件下，随着施肥量的增大，向日葵株高、叶面积指数及产量均表现出负效应。说明低水条件下，增大施肥量会导致施肥过量，从而不利于向日葵生长。但在低肥条件下，适当增大灌溉量，对于向日葵生长和产量的增加表现为正效应。从而也说明，灌溉相较于施肥对盐渍化农田向日葵影响更大。这与田德龙[15]薛涛[23]等研究结果一致；不同水肥处理中，春灌灌溉水量均低于对照，但通过现蕾期进行不同定额的补充灌溉，除低水中肥(W1N2)、低水高肥(W1N3)处理外，其余处理向日葵株高、叶面积指数以及产量均高于对照。这说明一方面减小春灌灌溉定额，生育中期进行适当补充灌溉，可以促进向日葵生长，但另一方面，若生育中期补充灌溉水量较低，加之施肥量过大，便不利于向日葵生长，甚至出现负效应。究其原因，主要由于向日葵苗期叶面积较小，土壤覆盖度低，土壤棵间蒸发量大。随着向日葵生长与土壤棵间蒸发的进行，土壤下层盐分随水分向上迁移。又由于现蕾期进行追肥，若灌溉水量较少，便会影响肥料溶解以及作物根系吸收利用，从而使得土壤盐分含量增加，对向日葵生长产生不利影响。通过对不同水肥调控措施综合寻优，得到中水中肥(W2N2)处理对于促进河套灌区中下游中度盐碱地向日葵增产更优，但若来水量不足，需减少施肥量，以降低施肥对作物生长带来的负效应。因此，盐渍化条件下，向日葵灌水量、施肥量的合理配比应根据实际情况重点考虑。

4 结 论

(1)不同水肥调控措施对向日葵株高、叶面积指数、产量以及灌溉水分生产率的影响各不相同。其中，高灌水量(施肥量)条件下，随着施肥量(灌水量)的增大，向日葵各指标均呈增大趋势；中灌水量(施肥量)条件下，随着施肥量(灌水量)的增大，向日葵各指标总体上呈先增大后减小的趋势；低灌水量(施肥量)条件下，随着施肥量(灌水量)的增大，向日葵各指标呈减小趋势；中、低施肥量条件下，适当增大灌溉量，更有利于向日葵株高、叶面积指数及产量的增加。

(2)不同水肥调控措施下，就提高向日葵株高、叶面积指数而言，尽管高水高肥(W3N3)处理效果最佳，较对照增幅分别为9.63%、21.25%，但与中水中肥(W2N2)处理差异不显著；就提高产量而言，高水高肥(W3N3)处理效果显著优于其他处理，较对照增幅为17.60%；就提高灌溉水分生产率而言，低水低肥(W1N1)处理最佳，较对照增幅为6.37%，但与中水中肥(W2N2)处理差异不显著。

(3)通过隶属函数综合寻优，初步得出适宜河套灌区中下游盐渍化农田向日葵较优的水肥管理模式为中水中肥(W2N2)处理，即灌水量为195 mm(春灌120 mm，现蕾期75 mm)。施肥量为525 kg/hm2(基肥磷酸二铵225 kg/hm2，追肥尿素300 kg/hm2)。