北疆干旱荒漠地区膜下滴灌青贮玉米水肥耦合效应研究

刘　虎，尹春艳，张瑞强，魏永富

(1.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020；2.内蒙古新创环境科技有限公司，呼和浩特 010020)

0　引　言

水分和肥料，作为可调控的两项最为重要指标，在新疆阿勒泰地区农业生产中被人们所广泛重视，水分利用亏缺、肥料利用率低严重制约着北疆阿勒泰地区作物生产力水平的提高，对包括阿勒泰在内的我国干旱荒漠地区而言，提高水分和肥料的利用率仍然是研究的热点。由于滴灌、微润灌等技术发展和推广，化肥的使用由以往的撒施变为随水滴入，2016年新疆全区以滴灌为主的高效节水灌溉为50 072 万hm2，并且到2020年，该面积将超过60 000 万hm2。与常规的低压管道灌溉、漫灌相比，滴灌节水40%以上，磷肥和氮肥利用率提高到30%和70%以上。国内外专家学者对水肥耦合综合效应开展了大量的研究，刘晓宏(2006年)等发现春小麦在不同水分胁迫下，随着氮肥施入量的逐渐增加，水分利用率也随之提高，并且以供水充足情况下，水分利用率的提高最显著[1]。赵营(2006年)等发现氮肥的表观利用率为不超过20%，并且该值随施氮量的增加而进一步降低，绝大多数的氮肥未被当季作物利用，而是进入土壤中由非当季植物所吸收[2]，该结论已被许多研究所证明(刘敏超等，2000年；巨晓棠等，2002年)。赵满兴(2006年)等研究结果表明，提高小麦对氮素的利用率，要从水肥调控措施和营养高效型品种选育角度出发[3]。孟翔燕等(2014年)建立了灌水量和氮钾磷肥与玉米产量的四元二次产量模型[4]。冯鹏(2012年)认为提高干旱半干旱地区农作物产量主要是合理的采用水肥耦合技术，灌溉水利用效率亦然[5]。杨蕊菊(2015年)分析得出不同水肥耦合模式对小麦玉米立体种植产量的影响较大，并且对产量的贡献排序分别为氮肥、水、磷肥[6]。温立玉(2014年)通过夏玉米水肥耦合试验发现，影响叶面积指数提高的因子依次为灌溉水量、氮肥和钾肥，磷肥对其提高效果不明显[7]。王栋(2016年)研究成果表明，氮肥和灌溉水、磷肥的交互效应表现为正效应，而磷肥和灌溉水为负效应[8]。目前关于水肥耦合的研究多集中在大田粮食作物，而关于包括紫花苜蓿、青贮玉米、苏丹草等在内的人工牧草的研究也多是集中在水、肥等单一因子层面，对于人工草地的水肥耦合效应的研究不多[9-14]。

本文对2015-2017年在北疆阿勒泰地区福海县哈拉霍英水库下游青贮玉米开展的水肥耦合试验的灌水量、施肥量、植株生理指标、产量等数据进行分析，主要研究水肥耦合条件下青贮玉米耗水量、株高、叶面积指数、产量、生育期的变化规律；土壤水分和土壤养分变化规律；计算不同水肥耦合条件下肥料利用率以及水分生产效率，分析水分交互作用，为北疆地区更加合理的采用水肥耦合技术发展饲草料地提供技术依据。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

试验区位于新疆阿勒泰地区福海县哈拉霍英水库下游灌区，试验区西距乌伦古湖43 km，地理位置东经87°40′22″、北纬46°10′45″，田间地表高度为海拔558 m。试验区内地势平坦，下伏为第三纪层，上覆第四纪堆积厚度不大，仅为30～50 cm，地表组成物较粗，主要为砂土和沙壤土。年平均太阳总辐射量为546.7 kJ/cm2，4-9月占71.4%。年平均日照时间为2 881 h，其中4-9月占年日照总时数的63%。试验区多年平均气温3.4 ℃，≥10 ℃积温多年平均为2 904.9 ℃。无霜期较短，多年平均为147 d。试验区为荒漠戈壁地，气候干旱，雨水较少，年蒸发量为1 830 mm，多年平均降水量为112.7 mm[9-14]。

1.2　试验区土壤与农作物

试验区土壤类型主要为淡棕钙土，土壤容重为1.618 g/cm3，土壤田间持水量为8.6%，土壤渗吸系数为6.1 mm/min。项目区土壤肥力较差，有机质和全氮含量为0.42%和0.021%，碱解氮、速效磷和速效钾的含量分别为10、2.5和300 mg/kg。项目区土壤全盐含量(土水比1∶5)为1.05%，pH值8.4。本试验小区内灌溉用水主要取自乌伦古河地表水，水质较好，总盐分为0.34 mg/L，pH为8.2，呈弱碱性。试验选择的青贮玉米为新青1号[9-14]。

1.3　试验设计

研究中水分有4种处理，分别是不受旱(充分灌溉G1)，轻度受旱(G2，灌溉定额见表1，下同)，中度受旱(G3)，中度受旱(G4)；肥料处理有3种，分别是高肥(F1)、中肥(F2)、低肥(F3)。综合水肥因子后，水肥耦合试验共有12种处理，见表1。

表1　青贮玉米水肥耦合试验处理编号

参考类似地区其他作物的膜下滴灌试验资料和调研数据[9-14]，膜下滴灌灌溉定额为4 500 m3/hm2，因此G1水分处理为4 500 m3/hm2、G2水分处理为3 750 m3/hm2、G3水分处理为3 000 m3/hm2、G4水分处理为2 250 m3/hm2。二铵(225 kg/hm2)作底肥在整地时施入。苗期、拔节期、抽穗期追施氮肥(结晶尿素)180 kg/hm2。青贮玉米不同生育期灌溉水与肥料使用比例见表2。

表2　青贮玉米不同生育期灌溉水与肥料使用比例

2　结果与分析

2.1　水肥耦合青贮玉米不同生育阶段生理指标的影响

(1)水肥耦合对玉米生育期的影响。由表3可知，不同水肥处理条件下青贮玉米进入各生育阶段基本同步，但是重度受旱处理的青贮玉米拔节期较其他的处理慢，并且在同一水分胁迫下，肥料施用越多，则进入该生育阶段越早；而后期与其他处理差异不大。试验中，青贮玉米不受旱情况下，不同肥料处理水平进入各个生育阶段时间基本无差别。

(2)水肥耦合对青贮玉米生理指标的影响。由表4可知，不同受旱条件下，拔节期青贮玉米的株高随着施肥量的增加而增加。低水分(重旱处理)、中水分(中旱处理)、高水分(轻旱处理)和充分灌溉(不受旱处理)条件下，青贮玉米拔节期株高平均值分别为39.3、51.4、62.3和84.8 cm，灌浆期株高平均值为251.0、246.6、209.6和199.2 cm。对拔节期而言，低水分和中水分和高水分相对于充分灌溉条件下，株高分别下降了53.6%、39%和26.5%；对灌浆期，低水分和中水分和高水分相对于充分灌溉条件下，株高分别下降了1.7%、16.5%和20.6%。拔节期后的青贮玉米，进入生长旺盛状态，对土壤水分的持续需求进入高峰期。

表3　不同水肥处理下青贮玉米进入不同生育期的时间

表4　青贮玉米不同生育期生理指标和土壤含水量

随生育期青贮玉米的株高增长呈S形变化。由表4可知出苗期青贮玉米的生长主要集中在根系，拔节期的生长主要包括根系和叶片。青贮玉米抽穗后，生长进入旺盛阶段，在高、中、低肥三个水平下，从6月15日到7月25日，玉米平均株高分别从57、57.2、56.6 cm增加到242.9、225.4、211.6 cm，平均每天增高3.7、3.4和3.1 cm/d。抽穗期后期青贮玉米株高的增长逐渐变慢，最终停止增高。其中玉米株高增长最快的处理为高肥轻旱(灌溉量3 750 m3/hm2，施肥量225 kg/hm2)，平均每天增高为4.2 cm/d。

不同水肥条件下青贮玉米平均茎粗和叶面积指数见表4，总体而言，全生育期玉米的茎粗，在不同受旱条件下随着施肥量的增加而变粗，但是植株成熟后茎粗差别不大。低水分(重旱处理)、中水分(中旱处理)、高水分(轻旱处理)和充分灌溉(不受旱处理)条件下，青贮玉米抽穗期株高茎粗分别为5.2、5.1、5.0和4.9 cm，抽穗期株高平均值为8.33、8.15、8.09和8.00 cm。

叶面积指数是青贮玉米生长过程中的一个重要指标。总体来看，高肥条件下的叶面积指数较大，其中高肥不受旱的叶面积指数最大为6.52；而中肥和低肥条件下，植株在受到不同和胁迫水平下的叶面积指数范围在4.31～4.94之间，并且叶面积指数差别不大。对青贮玉米而言，叶面积指数在5.0左右，对产量的提高最为有利。抽穗期，在不受旱和轻度受旱条件下，青贮玉米叶面积指数随施肥量的增加而增大；中旱和受重旱条件下，中肥和低肥的叶面积指数相当。

2.2　青贮玉米产量变化及回归模型

(1)青贮玉米产量积累动态。青贮玉米不同水肥条件下产量变化见表5，其中高肥不受旱处理的产量最高，达53 946 kg/hm2，其次为中肥不受旱、高肥轻旱的产量较高，分别为46 497.0和44 043.0 kg/hm2。在不受旱和重旱的各个处理中，产量随施肥量的增加而同步增长；在轻度受旱和中度受旱条件下，其产量均以中肥处理的产量较高。

表5　青贮玉米不同水肥条件产量变化

同一灌溉水平下，不受旱处理的产量最高，平均为45 004.5 kg/hm2，其次是轻旱和中旱处理，平均产量为39 175.5和32 359.5 kg/hm2，重度受旱的产量最低，平均为28 204.5 kg/hm2。轻度受旱与不受旱产量相比，仅减产12.9%，而轻旱与中旱和重旱产量相比，产量增加21%和39%。同一施肥水平下，高肥处理的产量最高，平均为40 377.0 kg/hm2，中肥和低肥的平均产量为38 514.0和29 665.5 kg/hm2。中肥平均产量与高肥相比，仅减产4.6%，而中肥平均产量与低肥平均产量相比，增产30%。

由图1可知，在不受旱条件下，青贮玉米干物质积累随施肥量增加而增多，表现为生物量积累过程高肥>中肥>低肥；受轻旱和中旱条件下，干物质积累中肥>高肥>低肥；重旱条件下，干物质积累高肥>中肥>低肥。

图1　不同水肥条件对青贮玉米干物质累计

(2)产量回归模型。采用Excel软件中回归分析，将水、肥与产量的耦合关系进行了多元回归分析，得到二元回归方程：

Y=-373.05+7.36X1+81.41X2

式中：Y为青贮玉米产量，kg/hm2；X1为灌溉定额，m3/hm2；X2为化肥量，kg/hm2。

由回归方程绘出了三维图见图2。采用现有样本，分析水肥耦合方程回归方程计算精度(见表6)，方程估计的产量误差基本都在10%以内，平均误差6.26%。

图2　青贮玉米膜下滴灌水肥耦合相关图

由图2可看出，当灌溉定额为3 750 m3/hm2，施肥量为150 kg/hm2，青贮玉米产量可达45 000 kg/hm2。当灌溉量、施肥量大于上述量时，青贮玉米产量的增幅不明显。因此，合理的灌溉量、施肥量应分别是4 200 m3/hm2和195 kg/hm2。将灌溉定额和施肥量与青贮玉米产量进行方差分析发现，不同灌溉定额水平间的差异显著(F=25.10>F0.01=16.45)，而各施肥量水平间的差异不显著，这一研究结果表明青贮玉米产量的形成对灌水量的变化更为敏感，其次为施肥量。

表6　青贮玉米水肥耦合方程预测值精度

3　结　语

不同灌水量和施肥量处理下，北疆干旱荒漠地区膜下滴灌青贮玉米的各个生育期时间基本接近；不同土壤含水量条件下，拔节期玉米的株高和茎粗随着施肥量的增加而增加，抽穗期后茎秆增长趋于缓慢并停止，玉米株高增长最快的处理为高肥轻旱，平均每天增长4.2 cm/d。抽穗期，在不受旱和轻度受旱条件下，青贮玉米叶面积指数随施氮量的变化而变化；中旱和受重旱条件下，中肥和低肥的叶面积指数相当。

不受旱和重旱条件下，青贮玉米干物质积累随施肥量增加而增多，表现为生物量积累过程高肥>中肥>低肥；受轻旱和中旱条件下，干物质积累中肥>高肥>低肥。灌溉量在3 750 m3/hm2，施肥量在150 kg/hm2，玉米产量可达45 000 kg/hm2。当灌溉量、施肥量大于上述量时，产量增加幅度不大。通过二元回归方程，合理的灌溉量、施肥量应分别是4 200 m3/hm2和195 kg/hm2。

参考文献：

[1]刘晓宏,肖洪浪,赵良菊. 不同水肥条件下春小麦耗水量和水分利用率[J]. 干旱地区农业研究,2006,24(1):56-59.

[2]赵营,同延安,赵护兵. 不同供氮水平对夏玉米养分累积、转运及产量的影响[J].植物营养与肥料学报,2006,12(5):622-627.

[3]赵满兴,周建斌,杨绒,等. 不同施氮量对旱地不同品种冬小麦氮素累积、运输和分配的影响[J].植物营养与肥料学报,2006,(2):143-149.

[4]孟翔燕. 玉米膜下滴灌水肥耦合的生物性状与土壤水分分析[D]. 哈尔滨：东北农业大学,2014.

[5]冯鹏,王晓娜,王清郦,等. 水肥耦合效应对玉米产量及青贮品质的影响[J]. 中国农业科学,2012,45(2):376-384.

[6]杨蕊菊,马忠明. 水肥耦合对小麦/玉米带田产量及构成因素的影响[J]. 西北农业学报,2015,24(1):54-59.

[7]温立玉,宋希云,刘树堂. 水肥耦合对夏玉米不同生育期叶面指数和生物量的影响[J]. 中国农学通报,2014,30(21):89-94.

[8]王栋,张忠学,梁乾平,等. 黑龙江省半干旱区玉米喷灌水肥耦合效应试验研究[J]. 节水灌溉,2016,(6):15-18.

[9]刘虎,魏永富,郭克贞,等. 水分胁迫对北疆地区人工牧草产量的影响[J]. 中国水土保持,2015(3):54-57.

[10]刘虎,魏永富,郭克贞. 北疆干旱荒漠地区青贮玉米需水量与需水规律研究[J]. 中国农学通报,2013,(33):94-100.

[11]刘虎,苏佩凤,郭克贞,等. 北疆干旱荒漠地区春小麦与苜蓿灌溉制度研究[J]. 中国农学通报,2012,28(3):187-190.

[12]刘虎,苏佩凤,王永增,等. 新疆北部荒漠地区春小麦、甜菜需水量与需水规律研究[J]. 干旱区资源与环境,2011,25(11):182-186.

[13]刘虎,魏永富,贾林努尔,等. 北疆地区牧草高效立体种植模式与耗水规律研究[J]. 中国农学通报,2014,30(23):19-25.

[14]刘虎,伊力哈木,郭克贞,等. 北疆地区干旱荒漠草地牧草需水量与需水规律研究[J]. 灌溉排水学报,2011,30(3):132-135.