薛 彬，李 雪，嚴(yán)海軍(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)

0 引 言

冬小麥?zhǔn)且环N重要的糧食作物，提高小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)是關(guān)系到國家糧食安全的大事件。水、肥、熱、氣、光是農(nóng)作物生活的五大要素[1]，土壤中的水分狀況直接影響著肥、熱、氣的狀況。從1980年起到2010年間，我國化肥施用量以年均5%的速度增長，每公頃耕地面積上化肥施用量約是世界平均化肥用量的4倍，田間施用化肥過量，現(xiàn)已成為農(nóng)業(yè)點(diǎn)源污染的主要來源[2]。因此采取合理的措施來提高化肥的利用率, 減少化肥的施用量勢(shì)在必行。近幾年，水肥一體化技術(shù)已經(jīng)成為灌溉施肥模式的新趨勢(shì)，例如，以色列農(nóng)業(yè)灌溉面積的90%以上采用水肥一體化技術(shù)，液體肥料占肥料中的80%以上，并且絕大多數(shù)灌溉采用計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)[3]。水肥耦合有利于提高肥料利用率[4]，當(dāng)水分與肥料供應(yīng)協(xié)調(diào)時(shí)能顯示出明顯的協(xié)同效應(yīng)。研究表明，水肥耦合存在閾值反應(yīng)[5]，明確這一閾值有利于作物增產(chǎn)。傳統(tǒng)的地面灌水條件下農(nóng)田蒸發(fā)能力明顯高于噴灌條件，并且前者的冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率明顯低于后者[6]。由于冬小麥的全生育期通常是從當(dāng)年10月份到次年6月份，該時(shí)段自然降水少，通常從播種至成熟需灌水4～5次，耗水量較大，因此采取先進(jìn)的節(jié)水灌溉設(shè)備進(jìn)行灌溉顯得尤為重要。圓形噴灌機(jī)具有自動(dòng)化程度高、單機(jī)控制面積大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化、規(guī)范化生產(chǎn)的政策下得到了廣闊的發(fā)展空間[7]。圓形噴灌機(jī)可以通過控制水和肥的量來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的水肥一體化灌溉，提高水肥利用率。

目前，國內(nèi)關(guān)于圓形噴灌機(jī)條件下冬小麥灌溉施肥模式的研究還比較少，本文利用圓形噴灌機(jī)技術(shù)對(duì)水肥耦合條件下冬小麥的生長指標(biāo)及產(chǎn)量進(jìn)行研究，為制定高效節(jié)水的冬小麥灌溉施肥模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)在北京市順義區(qū)趙全營鎮(zhèn)萬畝方冬小麥?zhǔn)痉痘剡M(jìn)行，該地位于北緯40°18′，東經(jīng)116°28′，海拔約35 m，試驗(yàn)時(shí)間為2013年10月-2014年6月。該試驗(yàn)區(qū)的氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)性氣候，年平均氣溫約為11.5 ℃，年日照小時(shí)數(shù)約為2 750 h，年均相對(duì)濕度50%，多年平均降雨量約為585 mm，夏季集中了全年降雨量的75%。該試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，測(cè)得0～80 cm土層的平均田間持水量(FC)為30.01%，干密度為1.55 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的冬小麥品種為農(nóng)大212，在2013年9月28-29日進(jìn)行播種，行距為20 cm，基本苗325.5萬株/hm2。冬小麥的返青為2014年3月10日，拔節(jié)為4月4日，抽穗為5月3日，灌漿為5月15日，收獲為6月15日。采用圓形噴灌機(jī)進(jìn)行冬小麥的水肥一體化作業(yè)，試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)灌水處理S1、S2、S3，對(duì)S3又設(shè)置兩個(gè)施肥處理F1、F2，即S3F1，S3F2。S1F1、S2F1處理設(shè)置2個(gè)重復(fù)，S3F1、S3F2處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)處理，主要是考察同一低水處理下，不同施肥處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響,另外由于受試驗(yàn)地面積的限制，因此采取上述處理方案(表1，圖1)。根據(jù)冬小麥不同生育期需水特點(diǎn)，以土壤含水率占FC的百分率確定灌水時(shí)間，在返青期、拔節(jié)期、灌漿期的灌水下限依次設(shè)定為75%FC、80%FC、65%FC(表2)。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選2個(gè)點(diǎn)采用土鉆取20、50、80 cm處的土，采用烘干法測(cè)土壤含水率，當(dāng)含水率接近灌水下限時(shí)開始灌水。返青期并無水處理差異，從拔節(jié)期開始進(jìn)行水處理的差異化。底肥施用復(fù)合肥262.5 kg/hm2(16-21-8)，二銨150 kg/hm2，折合N-69 kg/hm2、P2O5-124.5 kg/hm2、K2O-21 kg/hm2，施有機(jī)肥15 000 kg/hm2(表3)。

表1 冬小麥水肥耦合試驗(yàn)處理Tab.1 Experiment treatments of water-fertilizer coupling on winter wheat

圖1 圓形噴灌機(jī)及試驗(yàn)小區(qū)布置圖Fig.1 Center pivot system and experimental plot

表2 冬小麥不同生育期灌水定額水平 m3/hm2Tab.2 Table of irrigation quota for winter wheat at different growth stages

1.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

(1)氣象數(shù)據(jù)。利用安裝在試驗(yàn)田間的自動(dòng)氣象站對(duì)氣象參數(shù)進(jìn)行采集，主要參數(shù)包括降水量，風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、相對(duì)濕度、太陽輻射等。

(2)土壤含水率。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)均隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)取土，土樣深度均為20，50，80 cm，用烘干法測(cè)量其含水率并且結(jié)合土壤水分傳感器測(cè)得水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行校核。

(3)冬小麥生長指標(biāo)。在每個(gè)生育期，測(cè)量冬小麥的株高，葉面積及葉面積指數(shù)(用比葉重法測(cè)量)，干物質(zhì)等生長指標(biāo)。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)取33.3 cm(長)×20 cm(寬)，及時(shí)記錄下各生育期的總莖數(shù)、有效莖數(shù)，測(cè)產(chǎn)時(shí)記錄每公頃穗數(shù)。

(4)測(cè)產(chǎn)。產(chǎn)量由每公頃穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)三者共同構(gòu)成，穗粒數(shù)可由在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取得1 m2內(nèi)的20株冬小麥進(jìn)行測(cè)定穗粒數(shù)，并數(shù)出該樣方內(nèi)的全部穗數(shù)，折算成每公頃穗數(shù)。待小麥自然風(fēng)干后進(jìn)行脫粒稱重，測(cè)定千粒重。

表3 冬小麥不同施肥處理水平 kg/hm2Tab.3 Treatment levels of different fertilization in winter wheat

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2007與SPSS2.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水施肥處理對(duì)冬小麥耗水量的影響

分析表4得：當(dāng)施肥量一定時(shí)，累積耗水量隨著灌水量的增加而升高，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。各處理累積耗水量增長速度是先變大后變小，可能是從拔節(jié)期到灌漿期氣溫升高，冬小麥蒸騰量大，再加上作物生命活動(dòng)旺盛，需要消耗大量的水；由S3F1及S3F2 處理的累積耗水量變化趨勢(shì)及總量可得出肥料的變化對(duì)冬小麥的累積耗水量的變化影響不大，雖然F2肥料量大于F1的，但反映在積耗水量上變化不明顯。當(dāng)肥量和水量共同作用于冬小麥時(shí)，水量對(duì)累積耗水量起主導(dǎo)作用。

表4 冬小麥灌水施肥處理累積耗水量 mmTab.4 Total water consumption of irrigation and fertilization in winter wheat

分析表5可知：當(dāng)施肥量一定時(shí)，隨著灌水量的增加，日均耗水量從返青期到灌漿期一直是增加的，在灌漿期到成熟期日均耗水量是一直下降的。分析S3F1、S3F2可看出日均耗水量從返青期到拔節(jié)期增加的比較緩慢，從拔節(jié)期到灌漿期增加的速度超過了S1F1與S2F1的增長速度。由于此時(shí)期作物對(duì)肥的利用率提高，此外氣溫升高，作物蒸騰量變大使得作物生命活動(dòng)增強(qiáng)，故日均耗水量增長迅速；當(dāng)灌水量一定時(shí)，日均耗水量與施肥量的多少變化關(guān)系不明顯?？梢?，灌水量是影響作物耗水量的主要因素，在相同施肥制度下，高水量處理的作物耗水量顯著高于中水和低水量處理，說明合理的灌水能有效促進(jìn)冬小麥對(duì)土壤水分的利用，增強(qiáng)作物的生命活動(dòng)，有助于有機(jī)物質(zhì)積累，進(jìn)而有利于小麥高產(chǎn)。

表5 冬小麥不同灌水施肥處理日均耗水量 mm/dTab.5 Daily average water consumption of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2 不同灌水施肥處理對(duì)冬小麥主要生長指標(biāo)的影響

2.2.1不同灌水施肥處理對(duì)冬小麥莖數(shù)的影響

分析表6得：應(yīng)用圓形噴灌機(jī)水肥一體化灌溉下的冬小麥在拔節(jié)期總莖數(shù)、有效莖數(shù)、抽穗期有效莖數(shù)都比半固定式噴灌控制下的對(duì)應(yīng)數(shù)目多。尤其在拔節(jié)期總莖數(shù)方面，前者平均要比后者每公頃大約多出248萬株。在拔節(jié)期和抽穗期有效莖數(shù)方面，前者平均要比后者每公頃大約多出67.5萬株，可以預(yù)測(cè)前者比后者高產(chǎn)很多。從返青期過后開始出現(xiàn)了水量的不同處理，從表6中可知：當(dāng)施肥量一定時(shí)，拔節(jié)期及抽穗期有效莖數(shù)與灌水量呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(shì)，拔節(jié)期有效莖數(shù)S1F1比S2F1多34.5萬株/hm2，抽穗期有效莖數(shù)S1F1比S2F1多24萬株/hm2；當(dāng)灌水量一定時(shí)，拔節(jié)期及抽穗期有效莖數(shù)與施肥量呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(shì)，拔節(jié)期有效莖數(shù)S3F2比S3F1大約多出52.5萬株/hm2，抽穗期有效莖數(shù)S3F2比S3F1大約多出72萬株/hm2?？芍?，在返青-拔節(jié)，拔節(jié)-抽穗期合理增加水肥的量有利于獲得較高的有效莖數(shù)，進(jìn)而促進(jìn)高產(chǎn)。

表6 冬小麥不同灌水施肥處理下主要生育期的總莖數(shù)及有效莖數(shù) 萬株/hm2Tab.6 Total stem number and effective number of the main growth stages of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2.2不同灌水施肥處理對(duì)冬小麥葉面積指數(shù)的影響

分析表7得:S1F1處理下冬小麥在抽穗期與灌漿期的葉面積指數(shù)都是最大的。對(duì)照組的半固定式噴灌由于灌水與施肥是分開進(jìn)行的，并且灌水排管需要大量人力，導(dǎo)致灌水不及時(shí)，從而影響葉片的生長，使葉面積指數(shù)偏小。抽穗期各處理的葉面積指數(shù)要大于相應(yīng)處理的灌漿期的葉面積指數(shù)。從表7得：當(dāng)灌水量一定時(shí)，葉面積指數(shù)與施肥量呈正相關(guān)趨勢(shì)。S3F2比S3F1施用的氮素高，可得氮素對(duì)冬小麥葉片的發(fā)育有促進(jìn)作用;當(dāng)施肥量一定時(shí)，葉面積指數(shù)與灌水量呈正相關(guān)趨勢(shì)。這說明灌水量大促進(jìn)了小麥葉片的生長，增強(qiáng)了小麥的光合作用，促進(jìn)了有機(jī)物的積累。灌水量不能過量，是由于當(dāng)灌水過多時(shí)葉片會(huì)變寬大，葉片會(huì)相互重疊遮蔭，使光合效率，蒸騰作用和氣體交換作用變?nèi)?，這樣會(huì)影響冬小麥干物質(zhì)的形成，進(jìn)而影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。小麥群體存在適宜的葉面積指數(shù)范圍，在這范圍內(nèi)，小麥產(chǎn)量與葉面積指數(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)性[8]。因此要制定合理的灌水施肥制度，使得葉面積指數(shù)在適宜的范圍內(nèi)，進(jìn)而提高冬小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。

表7 不同灌水施肥處理下冬小麥葉面積指數(shù)Tab.7 The leaf area index of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2.3不同灌水施肥處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

分析表8得：對(duì)于每公頃穗數(shù)而言，灌水量的多少對(duì)每公頃穗數(shù)沒有產(chǎn)生顯著性差異,每公頃穗數(shù)隨著灌水量的增加而增加,由前面的分析知灌水量的增加使得冬小麥的有效莖數(shù)增加，進(jìn)而使得公頃穗數(shù)增加;對(duì)于千粒重而言，灌水S1下的千粒重與灌水S2、S3下的千粒重有顯著性差異，灌水S1下的千粒重為56.35 g比S2、S3大約多出11 g。灌水S2與S3下的千粒重沒有顯著性差異，兩水處理下的千粒重差距很小。綜合可得灌水S2水平以下對(duì)千粒重的影響不大，灌水S1處理有助于千粒重。千粒重與籽粒的飽滿程度有關(guān)系，灌水S1處理下籽粒較S2與S3處理的籽粒飽滿，故其千粒重高于S2與S3的千粒重；3個(gè)灌水處理S1、S2、S3下的穗粒數(shù)沒有產(chǎn)生顯著性差異。3個(gè)水處理的平均穗粒數(shù)差距較小，在誤差允許的范圍內(nèi)。說明不同水處理對(duì)平均穗粒數(shù)影響不大。表中S1處理下千粒重較S2、S3大，但是平均穗粒數(shù)幾乎一樣，說明S1處理下冬小麥籽粒較飽滿;對(duì)于產(chǎn)量而言，S1灌水量下的產(chǎn)量與S3灌水量下的產(chǎn)量有顯著性差異。S2灌水量下的產(chǎn)量與S1、S3沒有顯著性差異。

表8 不同灌水處理對(duì)冬小麥公頃穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)、產(chǎn)量的顯著性分析Tab.8 The significance of different irrigation treatments on the ear, thousand-grain weight, grain number and yield of winter wheat

注：其中小寫字母為0.05顯著性水平，表8的數(shù)據(jù)都是在施肥量一定的情況下得到的。

分析圖2得：當(dāng)施肥量一定時(shí)，產(chǎn)量與灌水量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)；當(dāng)灌水量一定時(shí)，S3F1與S3F2處理的產(chǎn)量幾乎一樣，可見在本試驗(yàn)中施肥量對(duì)產(chǎn)量的影響不大，水肥耦合作用下，灌水量對(duì)產(chǎn)量起到主導(dǎo)作用。F1處理施用純N為286.20 kg/hm2，F(xiàn)2處理施用純N為336.30 kg/hm2，設(shè)置的肥料水平處理對(duì)冬小麥的產(chǎn)量影響不大。從表9中可看出利用圓形噴灌機(jī)水肥一體化的最大產(chǎn)量為9 975 kg/hm2，比對(duì)照組采用半固定式噴灌機(jī)灌溉冬小麥的增產(chǎn)35%。

表9 不同灌水施肥處理下冬小麥的平均產(chǎn)量Tab.9 Average yields of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments.

注：對(duì)照組為半固定式噴灌。

圖2 不同灌水施肥處理下冬小麥平均產(chǎn)量對(duì)比圖Fig.2 Comparison of average yields of Winter Wheat under different irrigation and fertilization treatments

3 討 論

相同的施氮量下，在一定的灌水范圍內(nèi)，增加灌水量能有效地促進(jìn)冬小麥對(duì)土壤水分的吸收，提高冬小麥的耗水量，這和馬興華等人[9]得出的在同一施氮水平下，小麥的總耗水量隨著灌水量的增加而升高的結(jié)論相符合。在相同的灌水量下，該試驗(yàn)增加施氮量后總耗水量幾乎不變，這和候翠翠等人[10]得出的隨著施氮量的增加，小麥耗水量先升高后降低的結(jié)論不符。原因可能是設(shè)置的氮肥處理較少，下一步增加氮肥的處理來進(jìn)一步研究。在相同的施肥量下，在一定的灌水范圍內(nèi)，冬小麥產(chǎn)量隨著灌水量的增加而升高，這與栗麗等人[11]研究得出的冬小麥的籽粒產(chǎn)量隨灌水量的增加而升高的結(jié)論相符合。在灌水量一定時(shí)，拔節(jié)期總莖數(shù)隨著施肥量的增加幾乎不變，這與趙雪飛等人[12]在2006-2007年研究的各生育期的總莖數(shù)隨著施氮量增加而升高這一結(jié)論不符。原因可能是該試驗(yàn)的施氮量梯度不夠大以及設(shè)置的氮肥處理較少，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不明顯。在施氮量一定時(shí)，葉片的葉面積指數(shù)隨著灌水量的增加而增大，這與張忠學(xué)等人[13]研究的結(jié)論相符。由于葉面積指數(shù)能很好地反映出冬小麥生長態(tài)勢(shì)，因此針對(duì)葉面積指數(shù)與產(chǎn)量等指標(biāo)的關(guān)系值得進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 語

(1)冬小麥的各生育期中，從拔節(jié)期到灌漿期，其累計(jì)及日均耗水增加量都最大，因此，確保從拔節(jié)期到灌漿期的灌水量，有助于冬小麥的高產(chǎn)，并且適當(dāng)?shù)脑黾拥柿繉?duì)促進(jìn)小麥對(duì)土壤水分的吸收有一定的促進(jìn)作用，有利于冬小麥干物質(zhì)的積累。

(2)從水肥耦合的數(shù)據(jù)來看，試驗(yàn)中施肥量的改變較水量的改變對(duì)有效莖數(shù)的影響大。在冬小麥的抽穗期，S3F2處理的有效莖數(shù)幾乎與S1F1處理的有效莖數(shù)一樣。因此可以適當(dāng)提高小麥?zhǔn)┓柿縼硖岣咝←湹挠行o數(shù)。

(3)試驗(yàn)中冬小麥葉面積指數(shù)與灌水量、施肥量都呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(shì)。產(chǎn)量的構(gòu)成由多種因素共同作用，從試驗(yàn)結(jié)果來看，圓形噴灌機(jī)水肥耦合下的冬小麥最高產(chǎn)量是S1F1處理，水肥耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)中灌水量起主導(dǎo)作用。建議本地區(qū)冬小麥可以采用高水低肥的灌溉施肥模式。

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