控制排水条件下黄豆氮磷吸收利用及产量的试验研究

廖薇, 何军,2, 王平章, 贺天忠, 马煜, 胡小梅, 郑传飞

(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002; 2.三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.湖北省漳河工程管理局,湖北 荆门 448156)

近年来,随着全球气候条件的变化,我国汛期多地大面积出现涝灾[1]。排水可排除农田多余涝渍水,为作物生长和田间管理提供适宜的土壤含水量。传统的明沟排水技术(自由排水)为提高我国的涝渍田间生产力和粮食产量做出了巨大贡献[2]。随着气候变化与环境问题的突出,这种传统排水技术逐渐暴露出过度排水、加剧氮磷排放流失以及农业面源污染等问题[3-4]。快速大量排出涝、渍水的传统设计思路造成了排水工程的过度排水,尤其对于旱涝交替出现地区,加剧了干旱时的缺水危害,导致农作物减产及更多的氮磷流失[5-6]。

鉴于上述情况,目前,国内外有关农田控制排水技术成为研究热点,控制排水对提高作物产量[7]、改善排水水质[8]、减少农田排水水量和氮磷流失[9]等具有不同程度的作用。黄志强等[10]、袁念念等[11]的研究表明,控制排水条件下的氮素流失要比自由排水条件下的氮素流失少,总排水量减少50%以上。金凤生[12]开展了连续4年控制排水条件下作物产量及氮损失的研究,相较传统自由排水,控制排水条件下平均流量下降21%,大豆平均增产8%。徐茵等[13]、WESSTRÖM I等[14]、杨琳等[15]的研究结果也表明在其他条件适宜的情况下,控制排水处理可以促使作物高产和稳产。不过上述研究多侧重于控制排水条件下的氮素流失规律及对产量影响的研究,对旱作物氮磷吸收利用效率方面的研究尚不多。

为探究控制排水对黄豆氮磷吸收和其产量的影响,本文选取我国南方典型农作区湖北省漳河灌区开展试验研究,以代表性旱作物黄豆为研究对象,在不同深度暗管控制排水条件下采集黄熟期植株样,测产并分析氮磷吸收利用效率,以期为南方旱作物控制排水模式优化提供借鉴。

1 材料和方法

1.1 研究区概况和试验设计

选取我国长江中游典型农作区湖北省漳河灌区为研究区域。灌区设计灌溉面积17.4万hm2,处于湖北省中部,地形起伏不定,山区、丘陵、平原、湖区等地形兼具,优势兼得;四季分明,常年气候温暖,年无霜期260 d;年平均气温16.0 ℃,最高月平均气温27.7 ℃,最低月平均气温3.9 ℃;年降雨量700～1 100 mm,多年平均年降雨量947 mm;年平均蒸发量(20 cm蒸发皿)1 300～1 800 mm;为典型的南方丘陵地带气候条件。该区是我国重要的棉粮生产基地[16]。该区域耕层土壤以黄棕壤土为主,质地黏重,有机质含量相对较低,pH值为6.8～7.2(水土比1∶1),土壤孔隙率为45.5%、容重为1.33～1.44 g/cm3。2019年和2020年连续2年在位于灌区内的湖北省灌溉试验中心站(东经112°05′16″、北纬30°54′15″)对黄豆生育期(5—9月)开展试验研究,这2年供试黄豆品种均为当地大面积推广种植的中黄36,种植行距50 cm、株距30 cm。

根据规范[17-18],试验小区尺寸设计为6.0 m×12.5 m。3种排水处理分别为自由排水(Free Drainage,FD)、定水位排水(Fixed Water Level, FL)和变水位排水(Changed Water Level,CL)。暗管控制水位太高会严重影响降水和灌溉水入渗,加大地表土壤中养分的流失[10],因此,文中控制排水设置的暗管最低埋深为0.4 m。考虑到当地地下水位的情况及作物根系随生育期的生长变化,结合柏菊等[19]、顾雨田等[20]的研究,设计大豆在地下水埋深分别为0.4 m、0.6 m、0.8 m时,大豆吸收水分量和地下水利用率较高。其中,自由排水为传统的排水技术,控制水位为1.2 m,为对照水位;定水位排水处理的控制水位设为0.6 m;变水位排水处理的控制水位设定为不同的变化水位,该变化水位的范围为0.4～0.8 m。各排水处理条件下不同生育期地下水位控制变化情况见表1。每种排水处理条件重复3次并随机布置到9个试验小区,试验小区平面布置如图1所示。图1中从右到左依次为小区1、2、…、9,其中小区1、5、8为自由排水,小区3、6、9为定水位排水,小区2、4、7为变水位排水。参考当地习惯,肥料采用总养分(N∶P2O5∶K2O=14∶16∶15)≥45%的复合肥,每亩50.0 kg的复合肥一次性作底肥施入耕作层。

图1 试验小区平面布置示意图(单位:cm)

表1 黄豆各生育期暗管出口处水位控制深度 m

每个试验小区沿长边在1.2 m深处居中埋设Φ50 mm PVC排水暗管(含外包料),在排水管出口处安装水位调控装置,如图2所示。为防止各试验小区间发生水分交换,小区四周设置2.0 m深的混凝土衬砌砖混结构防水墙。

图2 地下水水位调控装置现场照片

1.2 试验数据的获取

黄豆鼓粒成熟后,在每个试验小区取10穴植株,将叶、茎、梢、果分开,置于烘箱中经105 ℃杀青0.5 h后,再80 ℃烘干至恒重后称重。作物产量待全部收获风干脱粒后进行称取。对于植株氮、磷吸收利用量,通过对整个成熟植株叶、茎、梢、果碾磨过0.15 mm筛,采用H2SO4-H2O2法进行全氮、全磷分析。植株TP测定方法参考《植株全磷含量测定钼锑抗比色法》(NY/T 2421—2013),TN测定方法参考《植株全氮含量测定自动定氮仪法》(NY/T 2419—2013)。

1.3 评价指标

选取常用的氮肥偏生产力(Nitrogen Fertilizer Partial Productivity,NFPP)、磷肥偏生产力(Phosphate Fertilizer Partial Productivity,PFPP)、氮素收获指数(Nitrogen Harvest Index,NHI)、磷素收获指数(Phosphorus Harvest Index,PHI)来评价不同排水处理条件下黄豆对氮和磷的吸收利用情况。具体计算式如下:

氮肥偏生产力(NFPP)=籽粒产量÷施氮量;

磷肥偏生产力(PFPP)=籽粒产量÷施磷量;

氮素收获指数(NHI)=籽粒含氮量÷植株地上部含氮量×100%;

磷素收获指数(PHI)=籽粒含磷量÷植株地上部含磷量×100%。

数据采用软件Microsoft EXCEL 2010和SPSS 25进行统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 黄豆生育期内的平均温度和降雨量

2019年黄豆全生育期为5月28日至9月23日,2020年黄豆全生育期为5月27日至9月24日。图3和图4分别为2019年和2020年黄豆生育期内的平均温度和降雨量的变化趋势图,图中的气象数据来源于湖北省灌溉试验中心站气象观测园。2019年,黄豆全生育期内(共119 d)的降雨量为392.7 mm,积温为3 185.8 ℃,日均温度为26.77 ℃;2020年,黄豆全生育期内(共121 d)的降雨量为827.1 mm,积温为3 140.10 ℃,日均温度为25.95 ℃。从图3和图4对比中可以看出,这两年的黄豆生育期内降雨量和平均温度存在差异,2020年的降雨量比2019年的多110.6%,2019年黄豆生育期内的日均温度要比2020年的高出0.82 ℃。

图3 2019年黄豆生育期内逐日平均温度和降雨量变化趋势

图4 2020年黄豆生育期内逐日平均温度和降雨量变化趋势

为了更好地反映出2019年和2020年黄豆生育期内降雨量及温度的变化情况,利用统计参数变差系数Cv和偏态系数Cs来进行分析。变差系数Cv和偏态系数Cs具体计算结果见表2。

表2 2019年和2020年黄豆生育期内降雨量和平均温度统计分析结果

由表2可看出:

1)对于降雨量,2019年的变差系数Cv要大于2020年的,这两年的偏态系数Cs相差不大,都大于0,表明2019年黄豆生育期内的降雨量相对变化较大,而2020年的变化相对较小,这两年在黄豆生育期内大于日均降雨量的天数要比小于日均降雨量的天数多。

2)对于平均温度,2019年和2020年这两年黄豆生育期内的变差系数Cv相等,偏态系数Cs均小于0,这两年在黄豆生育期内大于日均温度的天数要比小于日均温度的天数少。

总体来看,2019年黄豆生育期经历2次强降雨,2020年黄豆生育期经历4次强降雨,在黄豆生育期试验小区涝水严重,以至于采用不同排水处理短期内的效果无差异,而黄豆其余生育期不同排水处理结果的差异处于正常范围。

2.2 不同排水条件下黄豆产量

图5为2019年和2020年不同控制排水处理条件下黄豆产量情况,图5中不同字母表示差异性显著情况(显著性水平P<0.05,ANOVA检验),下文同。由图5知:2019年定水位(FL)排水处理条件下的黄豆产量最高,为1 795.5 kg/hm2,比自由排水(FD)处理条件下和变水位(CL)处理条件下的黄豆产量分别高1.0%和13.1%;2020年同样是定水位(FL)排水处理条件下的黄豆产量最高,为2 118.2 kg/hm2,比自由排水(FD)处理条件和变水位(CL)排水处理条件下的分别多344.4 kg/hm2、369.8 kg/hm2,分别高出了19.4%和21.2%。对于3种排水处理模式,定水位排水处理条件下黄豆产量明显大于自由排水和变水位排水处理条件下的,由此可知,采取定水位排水处理模式对黄豆的增产效果优于传统的自由排水模式。

图5 2019年和2020年不同排水处理条件下的黄豆产量对比

进一步对比分析图5中3种排水处理条件下的效果可知: 2019年和2020年FD处理条件下的黄豆产量相近,2019年的黄豆产量在FL处理条件下的仅比FD处理条件下的高18.5 kg/hm2,而2020年的黄豆产量在FL处理条件下的却比FD处理条件下的高344.4 kg/hm2。这可能是2019年黄豆生育期内的气候干旱导致的。长江流域的夏大豆生育期内降雨量平均为800～1 000 mm[21],2019年黄豆生育期内的降雨量为392.7 mm,远小于长江流域夏大豆生育期内的平均降雨量值。

结合图3、图4及表2分析知:相比2020年,2019年黄豆生育期内的气候明显更干旱,降雨量少且平均温度更高;从变差系数Cv和偏态系数Cs结果来看,2019年黄豆生育期内的降雨量变化较大,且2019年黄豆生育期内大于日均降雨量的天数少于2020年的。在研究期内,2019年黄豆鼓粒期(8月下旬—9月中旬)连续两周没有降雨,导致土壤干旱没有排水发生。黄豆缺乏水分时会影响养分向籽粒转移,从而影响产量。有研究表明,不同时期的干旱会对黄豆的产量造成不同程度的影响,其中鼓粒期和分枝开花期干旱对黄豆产量影响最大[22-24]。相较于FD排水处理条件,气候干旱可能对FL排水处理条件下的黄豆产量影响更大,从而出现FL处理条件下和FD处理条件下的黄豆产量差2020年的明显大于2019年的现象。

湖北省漳河灌区2019年全年降雨量为667.0 mm,2020年全年降雨量为1 281.2 mm,相较于灌区的多年平均降雨量947.0 mm来说,2019年是偏干旱的年份,2020年是偏湿润的年份。结合以上数据可知,不管是在干旱还是湿润的情况下,定水位排水处理对于黄豆都具有增产效果,且湿润年份的增产效果要高于干旱年份的,说明定水位排水(埋深0.6 m)模式适用于类似于漳河灌区旱涝交替的地区。

2.3 不同排水条件下黄豆植株对氮素的吸收利用

图6为2019年和2020年不同排水处理条件下黄豆植株氮肥偏生产力(NFPP)情况。由图6可知:2019年,植株的NFPP在定水位(FL)排水处理条件下达最大值,为7.70 kg/kg,比自由排水(FD)处理条件下和变水位(CL)排水处理条件下的分别高0.08 kg/kg和0.89 kg/kg;2020年,植株的NFPP在定水位(FL)排水处理条件下达最大值,为9.08 kg/kg,比自由排水(FD)处理条件下和变水位(CL)排水处理条件下的分别高1.48 kg/kg、1.59 kg/kg。这表明在相同施氮水平下,定水位排水处理模式比传统的自由排水处理模式更能提高黄豆植株的氮肥偏生产力,肥料的利用率更高,有利于黄豆植株上果实的产出,以便获得高产。此结论可与图5中的黄豆产量的结论互相佐证。

图6 2019年和2020年不同排水处理条件下的黄豆植株氮肥偏生产力对比

为了更好地评价黄豆植株对氮肥的吸收利用效果,图7给出2020年不同排水处理条件下黄豆植株氮素收获指数。2019年因连续降雨导致植株样品受潮霉变,数据失真,故没有采用。由图7可知,在不同排水处理条件下,黄豆植株2020年的氮素收获指数(NHI)最高出现在定水位(FL)排水处理条件下,为50.0%,分别比自由排水(FD)处理条件下的和变水位(CL)排水处理条件下的高2.3%和2.8%。这表明,定水位排水处理条件相较于传统的自由排水处理条件可以更好地促进黄豆对氮素的吸收,使氮素向籽粒转移以获得高产。

图7 2020年不同排水处理条件下的黄豆植株氮素收获指数情况

2.4 不同排水条件下黄豆植株对磷素的吸收利用

图8为2019年和2020年不同排水处理条件下黄豆植株的磷肥偏生产力(PFPP)情况。 由图8可知:2019年,黄豆植株的PFPP在定水位(FL)排水处理条件下达最大值,为15.42 kg/kg,比自由排水(FD)处理和变水位(CL)排水处理条件下的分别高0.16 kg/kg和1.78 kg/kg;2020年,植株的PFPP在定水位(FL)排水处理条件下达最大值,为18.19 kg/kg,比自由排水(FD)处理条件下和变水位(CL)排水处理条件下的分别高2.96 kg/kg和3.17 kg/kg。这表明,在相同施磷水平下,定水位排水处理比自由排水处理更能提高黄豆植株的磷肥偏生产力,肥料的利用率更高,有利于黄豆植株果实的产出,以便获得高产。此结果可与图5中关于黄豆产量的结论互相佐证。

图8 2019年和2020年不同排水处理条件下的黄豆植株磷肥偏生产力情况

图9为2020年不同排水处理条件下黄豆植株磷素收获指数(PHI)情况。由图9可知:在不同排水处理条件下,2020年黄豆植株的磷素收获指数(PHI)最高值出现在定水位(FL)排水处理条件下,为37.6%,比自由排水(FD)和变水位(CL)排水处理条件下的分别高3.1%和0.7%。这表明,定水位排水处理同样可以促进黄豆植株对磷素的吸收,使磷素向籽粒转移而获得高产。

图9 2020年不同排水处理条件下的黄豆植株磷素收获指数情况

结合图5—9可知:2019年和2020年的黄豆产量在FL处理条件下达到最大,黄豆植株的氮肥偏生产力(NFPP)和磷肥偏生产力(PFPP)也在FL处理条件下达到最大;2020年黄豆植株的氮素收获指数(NHI)和磷素收获指数(PHI)也是在FL处理条件下达到最大。表明定水位排水(FL)处理不仅有利于提高黄豆的产量,也可提高黄豆植株的氮、磷肥偏生产力及氮、磷素收获指数值。相比较于变水位(CL)排水和传统的自由排水(FD)条件,定水位(FL)排水处理条件下施用肥料的效果更好。

2020年,FD处理条件下的黄豆产量与CL排水处理条件下的相近,但2019年FD处理条件下与CL排水处理条件下的黄豆产量却相差较大。结合图3和图4分析知,2019年黄豆苗期降雨较多,CL排水处理条件下的埋深相对较浅,黄豆植株可能有一定的淹水从而减产。黄豆在苗期吸收土壤中氮和磷等营养物质较少,且CL排水处理条件在苗期时暗管埋深较浅,从排水的角度来看,结合图7和图9中的结论,即CL排水处理条件下的氮素收获指数要低于FD处理条件下的,磷素收获指数却高于FD处理条件下的,高水位的地下排水带走了土壤浅层中的部分氮素及其它营养物质,影响了作物后期对氮素及营养物质的吸收,从而影响黄豆产量。

3 结论

针对我国当前农田过度排水、氮磷流失严重等问题,在湖北省漳河灌区开展了不同排水处理条件下黄豆氮磷吸收利用效率及产量影响的试验研究,得出结论如下:

1)定水位排水处理(埋深0.6 m)条件下黄豆产量及黄豆植株的氮、磷肥偏生产力最大;2019年和2020年的黄豆产量分别为1 795.5 kg/hm2和 2 118.2 kg/hm2,分别比传统的自由排水处理条件下的高1.0%和19.4%。2019年和2020年黄豆植株的氮肥偏生产力的值均为最大,分别为7.70 kg/kg和9.08 kg/kg;磷肥偏生产力的值也是最大,分别为15.42 kg/kg和18.19 kg/kg。

2)定水位排水处理(埋深0.6 m)条件下黄豆植株的氮、磷素收获指数最大,其中2020年的氮素收获指数为50.0%,比传统的自由排水处理条件下的高2.3%;磷素收获指数为37.6%,比传统的自由排水处理条件下的高3.1%。

总体来看,定水位排水处理可以有效提高黄豆的产量,同时也能提高黄豆植株的氮肥偏生产力(NFPP)和磷肥偏生产力(PFPP)以及氮素收获指数(NHI)和磷素收获指数(PHI)。相较于变水位排水处理和传统的自由排水处理,定水位排水处理(埋深0.6 m)不仅能够降低农田的过度排水,削弱旱涝交替对作物带来的不利影响,而且可以有效减少氮和磷的流失,以便增加黄豆产量,相对干旱年份,湿润年份增产效果更佳。该排水处理模式可作为当前生产条件下漳河灌区及类似区域黄豆种植高产高效的推荐排水处理模式。