膜下滴灌小麦-西兰花复种水肥利用效率

田德龙，侯晨丽，2，马 鑫，陈鸿福

(1.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；3.内蒙古自治区水利科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010018；4.内蒙古包头市防汛抗旱调度(信息)中心，内蒙古 包头 014030)

水资源短缺是制约农业生产的主要因素之一，特别是干旱地区[1]。内蒙古河套灌区作为中国粮食重要产区之一，水成为作物获得高产的重要投入和最大制约因素，因此，有效利用灌溉水资源，达到节水增产是解决缺水地区农业发展的有效方法。膜下滴灌技术是当前应用广泛的一种节水灌溉方式[2]，可有效降低棵间无效蒸发，减少生育期耗水，改善土壤水热状况，提高作物产量和水肥利用率[3]，结合水肥一体化技术，在干旱区得到了跨越式的发展[2]。国内外学者针对膜下滴灌技术，就不同作物生长特性、产量、水肥利用效率以及经济效益等方面已有大量研究[1-5]，并取得了一定成果，但研究多数针对单一作物，针对膜下滴灌条件下不同作物一年两熟复种的水肥高效利用研究较少。复种可有效降低种植成本，提高效益，同时可增加绿色面积，延长植被生产能力，提高了土地空间、光能、热能、生长季节和水肥的利用率[6-9]。游永亮等[8]和汤文光等[9]研究发现复种较单种可提高作物水分利用效率、土地生产力及效益。因此针对膜下滴灌小麦复种经济作物种植模式下水肥利用效率差异研究对河套灌区种植调整过程中水资源的节约及区域农业可持续发展具有重要意义。

小麦是河套灌区主要种植的粮食作物之一，据统计，河套灌区小麦种植面积为10万hm2，占总种植面积的13.39%，尽管近年小麦种植面积逐渐增加，但是小麦种植需要投入的资源更多，同时小麦生长周期为120 d左右，收获后造成农田闲置，使得土地产出率降低，经济效益不具备优势。二茬复种对土壤水热环境要求较严格，土壤温度较低时，不利于后期作物生长发育，Yang等[1]研究表明地膜覆盖可提高土壤温度，尤其在早期，导致小麦生长期的提前和水分利用效率的提高，较不覆膜成熟期提前3～7 d，因此滴灌覆膜可有效提高复种指数，同时免耕留茬覆膜可提升土壤储水能力，减小地表蒸发，增加土壤温度[6，10]，为复种西兰花的生长提供良好的水热环境。西兰花是一种营养价值较高的秋冬蔬菜，耐热性和抗寒性都较强，适应性广，容易栽培，与农作物相比经济效益好，可适用于小麦收获后种植。因此，本研究以小麦-西兰花复种为研究对象，试验设置3个不同滴灌灌水定额与传统畦灌对照处理，分析膜下滴灌条件下不同灌水处理对小麦-西兰花复种产量、耗水量、水肥利用效率、经济效益的影响，旨在为膜下滴灌复种西兰花科学合理灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4月—2018年9月连续2 a于内蒙古磴口县三海子进行，试验区为温带大陆性季风气候，干旱少雨，昼夜温差大，光热资源丰富，全年日照时数达3 181 h，年平均气温7.6℃，年平均降水量为138.2 mm，年平均蒸发量2 096.4 mm，无霜期136～144 d。2017年和2018年小麦复种西兰花整个生育期总降水量为56.86 mm和86.00 mm，2 a平均气温分别为18.45℃和18.31℃(图1)。土壤0～20 cm土层为砂壤土，20～100 cm土层为粉壤土，平均容重为1.52 g·cm-3，耕作层0～30 cm土层田间持水率为22%(质量含水率)，生育期地下水埋深300 cm以下。有机质7.51 g·kg-1、速效氮11.33 mg·kg-1、速效磷31.11 mg·kg-1、速效钾122.68 mg·kg-1，冬季最大冻土层厚度1.2 m。

图1 2017年和2018年试验区3—9月降水及气温Fig.1 Precipitation and temperature from March to September in 2017 and 2018

1.2 试验设计

供试小麦永良4号采用人工点播，播种量为300 kg·hm-2。试验布置采用“一膜两带”的膜下滴灌模式，地膜宽170 cm(材质：塑料地膜，厚0.008 mm)，滴灌带间距60 cm，两膜间行距和穴距均为12.5 cm，每膜播种12行。滴灌带为单翼迷宫式(外径：16 mm，壁厚：0.3 mm)，设计流量2.4 L·h-1，滴孔间距30 cm，工作压力50～100 kPa。播种前施入腐熟的有机肥30 000～45 000 kg·hm-2，基肥施肥磷酸二铵375 kg·hm-2和尿素75 kg·hm-2。当地传统播种方式为条播，播种量为450 kg·hm-2，播种前基肥施肥磷酸二铵525 kg·hm-2和尿素75 kg·hm-2。膜下滴灌小麦-西兰花复种试验均各设置3种灌溉定额，分别为低水处理、中水处理、高水处理，设当地传统畦灌及灌水量为对照(见表1)，灌水量均采用水表控制(精度：0.001 m3)，小麦与西兰花灌水次数相同，小麦滴灌7次，平均7 d滴灌1次，西兰花滴灌7次，平均8 d滴灌1次，每个处理均3次重复，共12个小区，每个小区长50 m、宽7 m，各处理随机排列，且各小区间设有50 cm宽的隔离带。2 a小麦播种时间分别为2017年3月14日、2018年3月10日；收获时间分别为2017年7月10日、2018年7月7日。小麦收获后，闲地5～6 d，免耕留茬(高度5 cm)复种西兰花(中青11号，5～6片真叶)，西兰花的播种方式为室内培育，野外移栽，移栽前要进行1次滴灌，野外移栽的时间分别为2017年7月28日、2018年7月22日；收获时间分别为2017年10月10日、2018年10月7日。

表1 膜下滴灌小麦复种西兰花不同灌水处理试验设计

1.3 测定内容及方法

1.3.1 基本指标测定 气象数据：试验田附近设气象站(HOBO-U30)自动采集，设定为1 min测量一次，每60 min平均一次，记录数据包括气温、降雨量、湿度、太阳辐射、大气压、风速等。

土壤含水率：采用烘干称重法，每个处理沿滴灌带平行方向的两根滴灌带中间取样。从开始播种至收获结束每10 d观测一次，灌水及降雨前后12 h加测。取样土层深度为0～40 cm，每10 cm取1个样；40～100 cm土层每20 cm取1个样。

土壤N、P含量：作物生长季前后，每个处理选取3个测点取土样，土样室内风干，粉碎，过1 mm筛，采用紫外可见光分光光度计(UT-1810PC型)测定土壤中碱解氮、速效磷含量。

小麦产量：成熟期每个处理取3个点，每个点分别连续取10株小麦，测其单株株高、穗长、穗质量；同时每个处理随机取1 m2样方，留茬10 cm收割，单打单收，风干籽粒后称百粒质量、穗数与产量，并折算成每公顷产量。

西兰花产量：花球膨大期每个处理取3个点，每个点分别连续取5株西兰花，用卷尺测量其单株株高、茎粗及花球直径，同时称量单株西兰花鲜重取平均值，并折算成每公顷产量。

经济效益：记录各处理种子、化肥、农药、地膜、农机及用工、滴灌带、水费、作物当季收购价等数据(数据均为2017年、2018年实际市场调研价格结合试验区各项材料价格及作物收购价格后确定)，计算作物投入、产出及产投比，产投比为总产出与种植投入的比值。

1.3.2 相关指标计算方法

(1)各小区耗水量采用水量平衡法计算[2-3]：

ET=ΔW+P+I-D-R

(1)

式中,ET为耗水量(mm)；ΔW为土壤贮水量(mm)；P为有效降雨量(mm)；I为灌溉量(mm)；R为径流量(mm)；D为地下水的补给量和渗漏量(mm)。由于试验期间试验区未发生持续性降雨，地面径流损失(R)可忽略不计；由于灌溉方式为滴灌，且该区域地下水位在3 m以下，故忽略地下水补给和渗漏量。

(2)水分利用效率计算:

WUE=Y/ET

(2)

式中,WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y为产量(kg·hm-2);ET为耗水量(mm)。

(3)氮肥偏生产力(PFP)计算：

PFP=Y/F

(3)

式中，Y为产量(kg·hm-2)；F为氮肥投入量(kg·hm-2)。

(4)土壤养分含量计算：

N=0.15×667×γ×h×m

(4)

式中，N为土壤养分含量(kg·hm-2)；m为土壤养分质量比(g·kg-1)；γ为土壤容重(g·cm-3)；h为0～40 cm土层厚度(cm)。

1.4 数据处理

采用Excel 2007制作图表，用Spss 17.0软件进行单因素方差分析；如果差异显著，则采用邓肯氏新复极差检验法进行多重比较，检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌小麦复种西兰花的产量及其构成要素

灌水量是影响干旱地区作物产量的首要因素，2017年和2018年灌水量对小麦产量及其构成要素影响的变化规律相近(表2)，由表2可知，膜下滴灌条件下小麦随灌水量增加产量呈增加趋势，小麦穗数及百粒重与产量变化趋势基本一致；其中W2和W3处理产量显著高于W1处理(P<0.05)，而W2和W3处理产量无显著差异(P>0.05)；低水到中水小麦产量2 a平均增长14.05%，而中水到高水2 a小麦产量平均增长5.40%，表明灌水量高相对应的产量较高，但随灌水量的增加对小麦的增产效应明显减小。2 a膜下滴灌小麦的平均产量为5 086.15 kg·hm-2，较传统畦灌提高12.62%，其中,2 a W2和W3处理小麦产量较传统畦灌平均分别增产15.28%和21.49%，膜下滴灌小麦2 a株高、穗数和百粒重表现较好，较传统畦灌平均分别增加3.09%、11.02%和2.71%；可以看出地膜覆盖通过改善土壤水热状态[6]，促进作物生长和籽粒干物质积累，最终提升作物产量。

小麦收获后直接在免耕留茬基础上复种西兰花，由表2可知，膜下滴灌条件下，2 a西兰花产量较传统畦灌增加6.04%，西兰花产量随灌水量增大呈先增加后减小趋势，从低水到中水西兰花产量2 a平均增长27.90%，而从中水到高水西兰花产量2 a平均减小3.19%，W2处理花球直径显著高于W1处理和W3处理(P<0.05)，2 a分别增加56.38%和15.29%，说明西兰花产量在一定范围内随灌水量增大而增加，而灌水量过量会使西兰花增产效应下降，甚至导致产量降低。这与徐昭等[11]的研究基本一致。相同灌水水平下，膜下滴灌W3处理产量显著高于传统畦灌(P<0.05)，2 a较传统畦灌产量平均提高11.98%，2017年株高、茎粗无显著差异，而2018年株高、茎粗及茎长差异显著；低水处理受水分限制，2 a产量较传统畦灌平均降低9.49%，中水处理产量与传统畦灌相比增产效应最大，2 a平均增长15.65%，可见滴灌复种方式下地膜覆盖在降低水分消耗的同时还可以提高西兰花产量，但过量灌水会导致西兰花减产。

2.2 膜下滴灌小麦复种西兰花的水肥利用效率

干旱区覆膜滴灌是减少土壤蒸发、提高水分利用效率的关键技术[3,10，12-13]，表3为膜下滴灌小麦复种西兰花不同处理的耗水量及水肥利用效率，由表3可知，膜下滴灌小麦复种西兰花耗水量与灌水量呈正相关关系，灌水量从低水处理增加到中水处理，2 a小麦耗水量平均增长7.72%，灌水量从中水处理增加到高水处理，2 a小麦耗水量平均增长6.36%；膜下滴灌水分利用效率较传统畦灌平均增加39.10%。复种西兰花随灌水量增加，作物耗水量呈增加趋势，但增长幅度减缓。中水处理增产效应最大，较传统畦灌产量平均增长15.65%，水分利用效率和氮肥偏生产力较传统畦灌平均增加40.03%和15.65%。相同灌水量条件下，膜下滴灌复种西兰花较传统畦灌耗水量平均降低7.99%。膜下滴灌西兰花水分利用效率较传统畦灌增加30.56%，滴灌条件下，随灌水量增加，中水处理水分利用效率比低水处理平均增长7.93%，高水处理水分利用效率比中水处理降低12.68%。

表2 2017—2018年膜下滴灌小麦复种西兰花不同处理的产量及其产量要素

表3 膜下滴灌小麦复种西兰花不同处理的耗水量及水分利用效率

氮肥偏生产力受灌水量和灌水方式影响明显[15-17]，膜下滴灌较传统畦灌节肥28.89%，同时2 a膜下滴灌小麦氮肥偏生产力较传统畦灌平均提高58.48%。膜下滴灌复种西兰花氮肥偏生产力随灌水量增加呈先增大后降低，较传统畦灌平均增加6.04%，中水处理氮肥偏生产力最大，较传统畦灌2 a平均增长15.65%；相同灌水条件下，膜下滴灌西兰花高水处理较传统畦灌氮肥偏生产力增长11.98%，表明膜下滴灌有利于提高西兰花对肥料的利用效率，但灌水量过大时易造成氮素淋溶，转化为产量效益不明显，因此适宜的灌水定额，可增加西兰花产量，提高氮肥偏生产力。

2.3 膜下滴灌小麦复种西兰花的养分消耗利用

水分对0～40 cm土层的氮素含量影响显著，而对40～100 cm土层的氮素含量无显著影响[14]，因此本试验仅对0～40 cm土层N肥、P肥消耗量进行分析。表4为2017—2018年膜下滴灌小麦复种西兰花不同灌水处理养分含量的测定结果。在施肥量相同的情况下，不同灌水处理P肥消耗量基本无显著差异，而N肥消耗量差异显著，从低水到中水2 a土壤N肥消耗量分别增加4.62%和6.49%，从中水到高水2017年土壤N肥消耗量增长0.9%，而2018年减小2.55%；可见相同的灌溉方式下，灌水量增加，土壤中N肥消耗量增加，但灌水量对土壤P肥消耗无显著影响，这和杨显梅[15]研究结果基本一致，传统畦灌方式下小麦复种西兰花2 a土壤0～40 cm养分消耗量平均为1 979.16 kg·hm-2，较膜下滴灌养分消耗量2 a平均增加14.01%，其中土壤N肥消耗量平均增长25.52%，而P肥消耗量平均仅下降0.52%。

2.4 膜下滴灌小麦复种西兰花的经济效益分析

对2017—2018年膜下滴灌小麦-西兰花复种不同处理平均投入、产出进行统计，依据2017—2018年当地收购平均价格，计算2 a平均效益(表5)。由表5可知，膜下滴灌处理的滴灌带、地膜投入增加，但化肥及种子成本减小，较传统畦灌成本平均降低4.23%，膜下滴灌小麦复种西兰花不同处理净产值大小依次为中水处理>高水处理>低水处理，中水、高水处理净产值较传统畦灌分别增长30.92%、27.92%。低水处理净产值较传统畦灌降低7.97%。2 a膜下滴灌小麦复种西兰花获得最大净产值的中水处理较传统畦灌增收8 513.77元·hm-2，产投比为1.74∶1，较传统畦灌提高15.30%。综上可知，膜下滴灌可降低成本投入，增加产出，提高单位面积土地产出率。

3 讨 论

在作物栽培管理中，水和氮肥投入是影响作物生物量和经济产量的2个重要因子[15-18]，朱倩倩等[19]研究发现适宜的水氮对饲料油菜单株鲜重、干重、产量、品质有显著互作优势，水氮供应量过量或者不足，互作优势减弱。水分亏缺时易造成小麦产量下降，2 a膜下滴灌低水处理小麦穗数及百粒重显著低于中水和高水处理，随着灌水量增加，小麦(植株、营养器官、籽粒)氮素积累量逐渐增加，百粒重、产量提高[15]，但本研究表明随灌水量的增加对小麦的增产效应明显减小。随灌水量增加，膜下滴灌不同处理小麦水分利用效率及氮肥偏生产力呈增加趋势，但中水处理与高水处理水分利用效率无显著差异，与前人研究结果相似[20]；由于滴灌主要是根部灌溉，肥料也随水直接被输送到根系的周围，直接被作物吸收利用，极大地减少了灌溉用水和肥料的投入，进而提高水肥利用效率。本研究表明2 a膜下滴灌小麦水分利用效率较传统畦灌平均提高39.76%，2 a膜下滴灌小麦氮肥偏生产力均大于传统畦灌，平均提高58.48%。

小麦收获后复种西兰花可以充分利用小麦收获后2～3个月的空闲期，提高复种指数，增加单位面积产量，提高水肥经济利用效率[7]。张忠学等[21]研究发现作物收获后残留在土壤中的氮肥既可以提高土壤的氮素有效性，又可以补充土壤氮库供后期作物吸收利用，这样可减少氮肥在土壤中的累积，降低氮素淋失的潜在风险。本研究表明小麦收获后，复种西兰花产量明显高于小麦产量，产量随灌水量呈先增加后减小趋势，中水处理产量与传统畦灌相比增产效应最大，2 a平均增长15.65%，这与李小利等[16]研究结果相近。地膜覆盖条件下降水分布显著影响旱作作物的能量平衡[12]，2018年西兰花生长后期降水增加，膜下滴灌条件下，西兰花高水处理与传统灌溉株高、茎粗及茎长差异显著，不同于2017年西兰花产量要素表现；可能是由于生长后期降水增加土壤水分，促进作物生长，覆膜可提高土壤温度，为西兰花提供一个良好的水热环境。水肥利用方面，西兰花水分利用效率远远高于小麦，同时2017、2018年膜下滴灌小麦复种西兰花较传统畦灌水分利用分别提高31.31%和29.82%，由于夏闲免耕地膜再利用能有效抑制蒸发，增加作物产量，进而提高作物水分利用效率[18]。

4 结 论

1)膜下滴灌有利于提高小麦产量和水分利用效率，较传统畦灌处理平均提高12.62%和39.10%,但随灌水量增加，作物增产效应下降、耗水量增长率出现回落现象，膜下滴灌条件下，高水处理小麦获得最大产量，但与中水处理无显著差异(P>0.05)。西兰花中水处理产量增产效应最大，较传统畦灌产量平均提高15.65%，水分利用效率和氮肥偏生产力平均增加40.03%和15.65%。

2)与传统畦灌相比，膜下滴灌条件下土壤中N肥消耗平均减小25.52%，但灌水量对土壤P肥消耗无显著影响，表明膜下滴灌有利于补充土壤氮库，增加土壤肥力，同时减小灌溉量，土壤中剩余氮素增加。

3)适宜的滴灌定额有利于增加作物的产量，综合比较小麦和西兰花产量及水肥利用效率，膜下滴灌定额4 620 m3·hm-2处理小麦复种西兰花效益最佳，净产值较传统畦灌平均增收8 513.77元·hm-2，产投比较传统畦灌提高15.30%。