白珊珊，萬書勤，康躍虎，焦艷平

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3. 河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心/河北省水利科學(xué)研究院，石家莊 050051)

0 引 言

華北平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，該地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)量分別占全國的76%和30%[1]。然而，該地區(qū)年平均降水量為400～600 mm，而冬小麥-夏玉米輪作耗水800～900 mm，需要利用灌溉來滿足冬小麥-夏玉米輪作耗水需求[2]。目前該地區(qū)主要靠抽取地下水進(jìn)行大水漫灌，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)也引起了地下水位下降、地面沉降、面源污染等一系列問題。因此，發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水肥管理，提高水肥利用效率，對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的意義重大。

微噴帶灌溉設(shè)施廉價(jià)簡單，抗堵塞性能好，可以精確控制灌水量，實(shí)現(xiàn)水肥一體化[3-6]，目前在經(jīng)濟(jì)作物、大田作物中獲得了較廣泛應(yīng)用[7-9]，在小麥、玉米上表現(xiàn)出良好的增產(chǎn)、節(jié)水、省肥效果[10～12]。有研究表明，較地面灌溉，微噴帶灌溉提高小麥產(chǎn)量6%～11%，水分利用效率提高7%～13%[11]；微噴帶施肥灌溉相比大水漫灌可在減肥20%的情況下保證夏玉米產(chǎn)量持平[12]。

目前微噴帶在田間實(shí)際應(yīng)用時(shí)，什么時(shí)候灌水，灌多少水，多是參考地面灌溉條件下作物的灌溉制度和施肥制度，例如《河北冬小麥、夏玉米一年兩作微噴水肥一體化技術(shù)規(guī)程》提出冬小麥春后水肥管理關(guān)鍵時(shí)期分別為返青期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期和灌漿期，針對(duì)不同質(zhì)地土壤，提出冬小麥適宜的追肥量和灌水量，并將追肥量和灌水量分配到上述各肥水管理關(guān)鍵期，清楚明確[13]。然而華北平原作物生長季內(nèi)氣候要素如降水量、氣溫等的年際變化較大[14]，因此，簡單實(shí)用、可操作性強(qiáng)、可根據(jù)作物當(dāng)季氣候條件、作物需水需肥規(guī)律，進(jìn)行適時(shí)適量施肥灌溉的微噴帶施肥灌溉制度還有待進(jìn)一步研究。

許多學(xué)者通過監(jiān)測土壤水勢來制定灌溉制度。Hodnett等指出，當(dāng)超過作物根區(qū)需控制土壤水勢的最低閾值時(shí)進(jìn)行灌溉，可以很方便地確定每次的灌水時(shí)間和灌水量，而不再需要考慮降水量，估算農(nóng)田蒸發(fā)、作物指數(shù)等[15]。Olson等提出，利用土壤水勢閾值監(jiān)控灌溉，可以明顯地減少灌水量，更重要的是在多雨的季節(jié)里，不會(huì)出現(xiàn)過度灌溉的現(xiàn)象[16]。

本研究基于土壤水勢閾值監(jiān)控灌溉，每次灌溉加入適量肥料進(jìn)行隨水追肥，研究該微噴帶施肥灌溉對(duì)小麥玉米產(chǎn)量、耗水量、水肥利用效率和土壤養(yǎng)分等的影響，以期為微噴帶施肥灌溉技術(shù)在小麥玉米上的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013-2015年在中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(38°00′N，116°40′E，海拔11 m)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量平均為520 mm，主要集中在夏秋6-8月份，淺層地下水位0.8～3 m。耕層0～20 cm的土壤質(zhì)地為砂壤土，容重1.40 g/cm3，田間持水量0.32 m3/m3，有機(jī)質(zhì)9.7 g/kg，硝態(tài)氮含量10.3 mg/kg，速效磷6.4 mg/kg，速效鉀133.1 mg/kg。

1.1.1 微噴帶參數(shù)

對(duì)于小麥、玉米等密植高稈作物，微噴帶由于受到作物莖葉的遮擋，噴灑寬度和水量分布均勻系數(shù)會(huì)受到影響。滿建國等建議采用噴射角為80°的微噴帶[17,18]，但是噴射角越大(>45°)，噴灑寬度越小，微噴帶鋪設(shè)間距越小，成本就越高。作者通過對(duì)市場上常見的幾種微噴帶在冬小麥生育期的有效噴灑寬度、水量分布均勻系數(shù)等進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出適宜冬小麥-夏玉米的雙翼N65型微噴帶[19,20]，這種微噴帶雙翼可防止灌溉時(shí)微噴帶滾動(dòng)，帶寬65 mm，每組14孔，每組噴孔分布合理(圖1)，灌水均勻性良好，土壤含水量均勻系數(shù)為79.6%，作物產(chǎn)量均勻系數(shù)可達(dá)89.1%[21]，在田間鋪設(shè)間距可達(dá)4.8 m，大大減少了成本投入。本研究在小麥玉米生育期內(nèi)采用該雙翼N65型微噴帶進(jìn)行施肥灌溉。

圖1 雙翼N65型微噴帶噴孔排列示意圖(單位：mm)

1.1.2 灌溉制度設(shè)計(jì)

在考察根系吸水時(shí)，非鹽漬土、非咸水/微咸水灌溉條件下，土壤水基質(zhì)勢即相當(dāng)于土壤水勢[22]。康躍虎等發(fā)現(xiàn)，微灌條件下監(jiān)控灌水器正下方20 cm深度的土壤基質(zhì)勢，可以很好地控制作物根系分布層的土壤水分狀況，并提出對(duì)于馬鈴薯、蘿卜等作物，該點(diǎn)土壤基質(zhì)勢控制在-35～-25 kPa范圍內(nèi)，就能獲得高產(chǎn)和高的水分利用效率[23-25]?？紤]到河北環(huán)渤海地區(qū)水資源匱乏的現(xiàn)狀，并且對(duì)于冬小麥和夏玉米，土壤水分趨于輕度干旱有利根系下扎，可以更有效地吸收和利用土壤深層儲(chǔ)藏的水分。本研究設(shè)計(jì)監(jiān)測兩微噴帶之間距離微噴帶1.2 m遠(yuǎn)處的20 cm深度的土壤水基質(zhì)勢，當(dāng)該處土壤水基質(zhì)勢閾值降低到-40 kPa時(shí)，進(jìn)行微噴帶施肥灌溉。每次灌水量15 mm，灌水后觀察負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，如果土壤水基質(zhì)勢升高到-15 kPa，則停止灌溉，如果仍低于-15 kPa，再灌溉一次(灌水量15 mm)。

對(duì)于夏玉米，由于其生育期正值雨季，大部分時(shí)間內(nèi)土壤水基質(zhì)勢閾值都保持在-40 kPa之上，結(jié)合河北地方標(biāo)準(zhǔn)《小麥玉米節(jié)水、豐產(chǎn)一體化栽培技術(shù)規(guī)程-第二部分：黑龍港地區(qū)(DB13/T 924.2-2008)》，夏玉米生育期內(nèi)灌水3次，播種后及時(shí)澆蒙頭水，在大喇叭口期和花粒期進(jìn)行施肥灌溉，灌水量和灌溉方法等同冬小麥；如果在大喇叭口期和花粒期土壤墑情好，也采用微噴帶進(jìn)行追肥。

1.1.3 施肥制度設(shè)計(jì)

有研究指出小麥玉米微噴帶施肥灌溉下肥料的使用量可減少20%左右[6,12,26]。萬書勤等和馮志文等分別在青海柴達(dá)木盆地和內(nèi)蒙古沙地的研究發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥灌溉條件下當(dāng)施肥比例分別為當(dāng)?shù)赝扑]施肥量的70%和72%時(shí)，馬鈴薯的生長指標(biāo)、產(chǎn)量和水肥利用效率最高[27,28]?；谏鲜鲅芯砍晒?，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)微噴灌條件下冬小麥和夏玉米的施肥量為當(dāng)?shù)赝扑]施肥量的70%。當(dāng)?shù)囟←湹氖┓史桨负褪┓柿浚旱追柿姿岫@375 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，在返青-拔節(jié)期追施尿素300 kg/hm2，即總施肥量為N 344 kg/hm2，P(P2O5)173 kg/hm2。當(dāng)?shù)叵挠衩椎氖┓史桨负褪┓柿浚悍N肥磷酸二銨300 kg/hm2，大喇叭口期追施尿素300 kg/hm2，即總施肥量為N 192 kg/hm2，P(P2O5)138 kg/hm2。

控失肥是中科院離子束生物工程實(shí)驗(yàn)室研制的一種綠色環(huán)保型肥料，可大幅度提高肥料利用率，可大幅度減少養(yǎng)分損失，降低農(nóng)業(yè)面源污染[29]，在華北平原小麥、玉米生產(chǎn)施用效果顯著[30,31]，本試驗(yàn)小麥底肥和玉米種肥選用控失肥。微噴灌條件下冬小麥微噴灌施肥灌溉N為 235 kg/hm2，P(P2O5)為118 kg/hm2，其中59%N 和100% P2O5底施，底肥為控失型磷酸二銨(16-45-0)和尿素，拔節(jié)-收獲前20天采用微噴帶施肥灌溉追施尿素(41%N)，每次灌溉前將按天累計(jì)計(jì)算好的尿素加入施肥罐中?？紤]到玉米是喜鉀作物，本試驗(yàn)增加少量鉀肥，設(shè)計(jì)夏玉米微噴灌施肥灌溉N 134 kg/hm2，P(P2O5)97 kg/hm2，K(K2O)70kg/hm2，其中28%N、20% P和27% K為種肥，種肥為控失型復(fù)合肥24-12-12，剩余72%N、80%P和73% K采用微噴帶補(bǔ)充施肥灌溉追施尿素和磷酸二氫鉀，分別在大喇叭口期追入剩余肥料量的75%、花粒期追入剩余量的25%。

1.2 試驗(yàn)布置

(1)冬小麥。冬小麥品種是小偃81，播種時(shí)間為2013年和2014年10月12日，于次年6月上中旬收獲。行距0.15 m，播種量200～225 kg/hm2，機(jī)械播種。每個(gè)小區(qū)長10 m，寬9.6 m，總面積96 m2，每個(gè)小區(qū)兩條微噴帶，鋪設(shè)間距為4.8 m。

(2)夏玉米。夏玉米品種是鄭單958，于2014年6月13日和2015年6月20日播種。行距0.6 m，株距0.23～0.25 m，種植密度為67 500 株/hm2，三葉-四葉時(shí)定苗，同年9月30日-10月3日收獲。試驗(yàn)小區(qū)布置和微噴帶鋪設(shè)同小麥。

1.3 觀測指標(biāo)與方法

(1)冬小麥產(chǎn)量指標(biāo)：冬小麥成熟收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)選取5個(gè)1 m×1 m的樣方，脫粒，晾曬，測產(chǎn)， 3次重復(fù)的平均值代表實(shí)際產(chǎn)量。

(2)夏玉米產(chǎn)量指標(biāo)：夏玉米收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇25株玉米晾曬測產(chǎn)，3次重復(fù)的平均值代表實(shí)際產(chǎn)量。

(3)冬小麥耗水量采用農(nóng)田水量平衡方程來計(jì)算：

ET=I+P±ΔS-D-R

式中：ET為冬小麥生育期內(nèi)的耗水量，mm；I為灌水量，mm；P為降水量，mm； ΔS為0～140 cm土體內(nèi)土壤儲(chǔ)水量的變化值，mm；R為地表徑流，微噴帶灌溉基本不產(chǎn)生地表徑流，所以R忽略不計(jì)；D為冬小麥生育期內(nèi)130 cm斷面上的水量變化。D值為正，水分從130 cm向下運(yùn)動(dòng)，為深層滲漏；當(dāng)D值為負(fù)，水分向上運(yùn)動(dòng)，為地下水補(bǔ)給。D采用定位通量法測定：

式中：ψm1為土層深度120 cm處的土壤水基質(zhì)勢，cmH2O；ψm2為土層深度140 cm處的土壤水基質(zhì)勢，cmH2O；z1為土層深度，120 cm；z2為土層深度，140 cm；kθ為非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/d；Δt為時(shí)間步長，d。

在第二個(gè)重復(fù)小區(qū)上，選擇比較平坦的地方安裝負(fù)壓計(jì)。負(fù)壓計(jì)水平方向在距離微噴帶第7行和第15行小麥行上，安裝深度分別為120 cm和140 cm；每天上午8∶00觀測負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，并每隔15 d取土樣測定120 cm和140 cm土層負(fù)壓計(jì)埋設(shè)點(diǎn)位附近的土壤含水量。由于玉米生育期內(nèi)淺層地下水位埋深有時(shí)會(huì)上升到120 cm左右，該計(jì)算深層滲漏或者地下水補(bǔ)給的方法難以用在玉米上，故本文沒有計(jì)算玉米的耗水量。

(4)水分利用效率為：

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為產(chǎn)量，kg/hm2；ET為耗水量， m3/hm2。

(5)灌溉水利用效率為：

式中：IWUE為灌溉水利用效率，kg/m3；Y為產(chǎn)量，kg/hm2；I為灌水量， m3/hm2。

(6)肥料偏生產(chǎn)力：

式中：PFP表示肥料偏生產(chǎn)力，kg/kg；Y表示作物產(chǎn)量，kg/hm2；F表示化肥純養(yǎng)分(N/P2O5/K2O)的投入量，kg/hm2。

(7)土壤含水量測定：兩年冬小麥夏玉米播種和收獲期時(shí)，用土鉆分別在距離微噴帶的第1行、7行和15行上以每隔10 cm為1層取0～140 cm的土層的土樣，采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量，并換算成土壤體積含水量。

(8)土壤養(yǎng)分測定：土壤硝態(tài)氮含量采用氯化鉀溶液浸提，紫外分光光度法測定[32]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel和origin9.0 軟件處理并繪圖，方差分析采用SAS 9.2軟件ANOVA過程處理，并采用 Duncan method進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物生育期的降水與灌溉

2013-2015年冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)的降水量分別如圖2和圖3表示。兩年度小麥和玉米生育期內(nèi)的灌水量和灌溉次數(shù)詳見表1。2013-2014年冬小麥生育期內(nèi)，累計(jì)降水量達(dá)103.0 mm，分布不均勻。返青-抽穗期降水量較少(13.9 mm)；播種-返青和抽穗-收獲期降水量較多，分別是43.6和 45.5 mm。從播種到抽穗期共灌水146 mm，分別發(fā)生在出苗期(26 mm)、越冬前(30 mm)、拔節(jié)期(45 mm)和抽穗開花期(45 mm)。2014-2015年冬小麥生育期內(nèi)，累計(jì)降水量105 mm，播種-返青降水量較少，為1.6 mm，拔節(jié)-抽穗期和抽穗-收獲期降水量較多，分別為31.2 mm和38.8 mm；冬小麥生育期內(nèi)共灌水175 mm，分別發(fā)生在出苗期(25 mm)、越冬前(30 mm)、拔節(jié)期(2次，15 mm，45 mm)、抽穗開花期(30 mm)和灌漿期(30 mm)。

2014年和2015年夏玉米生育期內(nèi)降水量分別為161.1 mm和447.9 mm。2014年夏玉米總灌水量180 mm，灌水3次，分別發(fā)生在苗期(60 mm)、大喇叭口期(60 mm)和花粒期(60 mm)，后兩次微噴帶施肥灌溉追肥。2015年夏玉米灌蒙頭水30 mm，后兩次灌水(15 mm/次)分別發(fā)生在大喇叭口期和花粒期，主要是為了追肥。以河北省夏玉米生長季多年平均降雨量(408.68±64.22)為參考[33]，可知2014年夏玉米生長季的總降雨量較少，為干旱年，2015年為平水年。

圖2 2013-2014年和2014-2015年冬小麥生育期內(nèi)降水量

圖3 2014和2015年夏玉米生育期內(nèi)降水量

表1 2013-2015年冬小麥和夏玉米兩季灌水量

2.2 冬小麥夏玉米產(chǎn)量

兩個(gè)年度微噴帶施肥灌溉冬小麥、夏玉米產(chǎn)量如圖4所示。2014-2015年冬小麥產(chǎn)量為7 307.7 kg/hm2，2013-2014年產(chǎn)量為7 185.4kg/hm2，兩年平均為7 246.6kg/hm2；2014年夏玉米產(chǎn)量為12 055.6 kg/hm2，2015年產(chǎn)量為12 523.0 kg/hm2，兩年平均為12 289.3kg/hm2；冬小麥和夏玉米全年總產(chǎn)量平均為19 535.9 kg/hm2。

當(dāng)?shù)氐孛婀喔?00%施肥量條件下，兩年冬小麥和夏玉米的平均產(chǎn)量分別為6 716.6 kg/hm2和10 494.8 kg/hm2，冬小麥和夏玉米全年總產(chǎn)量平均為17 211.4 kg/hm2。相比地面灌溉100%施肥，微噴帶施肥灌溉條件下，冬小麥和夏玉米產(chǎn)量分別提高了7.9%和17.1%，全年產(chǎn)量提高了13.5%，即微噴帶施肥灌溉有利于冬小麥-夏玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

圖4 2013-2015年微噴帶施肥灌溉條件下兩年度冬小麥夏玉米產(chǎn)量

2.3 冬小麥耗水量

2013-2014和2014-2015兩年度微噴帶施肥灌溉條件下冬小麥各生育期耗水量及組分比例如圖5所示。2013-2014年和2014-2015年冬小麥全生育期總耗水量分別為425.1 mm和454.2 mm，平均為439.6 mm。兩年冬小麥各生育期耗水量表現(xiàn)為拔節(jié)-抽穗期耗水量最多，占總耗水量的40%；抽穗-收獲期耗水量次之，占總耗水量的37%；播種-拔節(jié)期耗水量最少，占總耗水量的23%。

圖5 2013-2015年兩年度微噴帶施肥灌溉冬小麥各生育期耗水量及其各組分比例

兩年耗水量各組分表現(xiàn)為播種-拔節(jié)期，灌水量所占比例最大，平均為56%；拔節(jié)-抽穗期和抽穗期-收獲期，土壤儲(chǔ)水量的消耗量比例最大，分別是42%和49%。整個(gè)生育期灌水量所占的比例最大，平均為36.4%，其次是土壤儲(chǔ)水量的消耗量(35.6%)，降水量占總耗水量的23.7%，地下水的補(bǔ)給量占的比例最小，僅4.3%。2013-2014年和2014-2015年冬小麥的水分利用效率(WUE)分別為1.6kg/ m3和1.7 kg/ m3，平均為1.7 kg/ m3，相比當(dāng)?shù)氐孛婀喔?00%的WUE(1.4 kg/m3)提高了21%。

兩年度冬小麥生育期內(nèi)土壤儲(chǔ)水量的變化如圖6所示，2013-2014年0～50、50～100和100～140 cm土壤儲(chǔ)水量的消耗量分別占整個(gè)土層土壤儲(chǔ)水量的消耗量的35%、40%和25%；2014-2015年0～50、50～100 和100～140 cm分別為45%、30%和25%。兩年0～50 cm 土壤儲(chǔ)水量的消耗量所占比例最大，高達(dá)40%。

圖6 2013-2014年和2014-2015年兩年度土壤含水量的變化

2.4 冬小麥夏玉米灌溉水利用效率

微噴帶施肥灌溉條件下，兩年度冬小麥灌溉水利用效率(IWUE)平均為4.5 kg/m3(圖7)。當(dāng)?shù)囟←溕趦?nèi)，采用地面灌溉灌水2～3次，分別為底墑水和拔節(jié)水，干旱年份灌抽穗水，總灌水量300 mm左右，灌溉水利用效率僅2.2 kg/m3左右。相比當(dāng)?shù)氐孛婀喔?，兩年微噴帶施肥灌溉平均灌?60 mm，可節(jié)水148 mm，灌溉水利用效率提高103%。

當(dāng)?shù)叵挠衩滓话悴シN后灌水100 mm，2014年降雨較少，增加一次灌溉100 mm，2014年和2015年夏玉米總灌水量分別為200和100 mm。微噴帶補(bǔ)充灌溉條件下，夏玉米IWUE表現(xiàn)為：2014年夏玉米IWUE為6.7 kg/m3，比當(dāng)?shù)氐孛婀喔?5.1 kg/m3)提高了32%；2015年IWUE為20.9 kg/m3，比當(dāng)?shù)氐孛婀喔?10.9 kg/m3)提高了92%。綜合分析兩年度夏玉米灌溉水利用效率，夏玉米生育期內(nèi)采用微噴帶補(bǔ)充灌溉，并進(jìn)行隨水追肥，可節(jié)約灌水40 mm，節(jié)水50%，提高灌水利用效率62%。

圖7 2013-2015年冬小麥和夏玉米灌溉水利用效率

2.5 冬小麥夏玉米肥料偏生產(chǎn)力及土壤養(yǎng)分平衡

肥料偏生產(chǎn)力是反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應(yīng)的重要指標(biāo)[34,35]。本文中肥料投入量采用純養(yǎng)分(N、P2O5、K2O)的施用量來計(jì)算肥料偏生產(chǎn)力。

微噴帶施肥灌溉條件下，兩年冬小麥N和P(P2O5)的肥料偏生產(chǎn)力分別平均為30.8和61.4 kg/kg，與當(dāng)?shù)叵啾?，以控失肥為底肥、微噴帶進(jìn)行施肥灌溉條件下，冬小麥N和P(P2O5)的肥料偏生產(chǎn)力均提高了58%。兩年夏玉米N、P(P2O5)和K(K2O)的肥料偏生產(chǎn)力分別平均為91.5、127.3和176.4 kg/kg，與當(dāng)?shù)叵挠衩紫啾龋厥Х蕿榉N肥、微噴帶補(bǔ)充施肥灌溉夏玉米N、P(P2O5)和K(K2O)的肥料偏生產(chǎn)力均提高了67%。

圖8 2013-2015年冬小麥和夏玉米肥料偏生產(chǎn)力

2014年和2015年冬小麥、夏玉米收獲時(shí)土壤剖面硝態(tài)氮分布狀況如圖9所示。2013年冬小麥播種前，土壤硝態(tài)氮含量剖面分布不均勻，0～20、20～100和100～140 cm分別為10.3、4.1和23.4 mg/kg，這很可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐孛婀喔仁┓史桨钢械适┤肓扛?，造成養(yǎng)分(硝態(tài)氮)淋失到淺層地下水中。從圖中可以明顯看到，微噴帶施肥灌溉條件下，土壤養(yǎng)分主要分布在0～40 cm，2014年和2015年冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，0～40 cm硝態(tài)氮含量分別為13.9和11.9 mg/kg；而80 cm深度以下、尤其是100～140 cm土層，土壤硝態(tài)氮含量顯著降低，100～140 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為18.7和8.1 mg/kg；2015年夏玉米收獲時(shí)0～40 cm和100～140 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為7.2和1.8 mg/kg，和2013年小麥播種前相比較，0～40 cm硝態(tài)氮含量增加了15%，而100～140 cm降低了92%。表明，微噴帶施肥灌溉并以控失肥為底肥(種肥)的情況下，土壤養(yǎng)分(硝態(tài)氮)主要分布在0～40 cm深度的大部分根系分布區(qū)，養(yǎng)分(硝態(tài)氮)淋失少，養(yǎng)分利用率高，可在一定程度上減少對(duì)淺層地下水的污染。

圖9 2014年和2015年冬小麥和夏玉米收獲時(shí)土壤硝態(tài)氮含量分布狀況

3 討 論

對(duì)于微噴帶灌溉、滴灌、噴灌等現(xiàn)代灌溉技術(shù)，如何制定合理、簡單實(shí)用、可操作性強(qiáng)的水肥一體化施肥灌溉制度，一直是困擾我國現(xiàn)代灌溉技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和提高效益的主要因素。目前現(xiàn)代灌溉技術(shù)，包括微噴帶灌溉技術(shù)在田間實(shí)際應(yīng)用時(shí)，什么時(shí)候灌水、灌多少水，什么時(shí)候施肥、施多少肥，多是參考地面灌溉條件下作物的灌溉制度和施肥制度，并沒有發(fā)揮微噴帶等現(xiàn)代灌溉技術(shù)可以根據(jù)作物的需水需肥規(guī)律，進(jìn)行適時(shí)適量施肥灌溉的優(yōu)勢。例如張英華等[26]為明確微噴帶水肥一體化條件下灌溉次數(shù)和氮肥用量對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成和水分利用的影響，設(shè)計(jì)了微噴帶灌溉2次(拔節(jié)期750 m3/hm2+開花期750 m3/hm2)、3次(拔節(jié)期450 m3/hm2+開花期750 m3/hm2+灌漿期300 m3/hm2)、4次(拔節(jié)期450 m3/hm2+孕穗期300 m3/hm2+開花期450 m3/hm2+灌漿期300 m3/hm2)等處理，發(fā)現(xiàn)1 500 m3/hm2(150 mm)灌溉定額下微噴4次，追施氮肥90 m3/hm2條件下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率較高。董志強(qiáng)等為了探討華北地區(qū)微噴帶灌溉模式下冬小麥節(jié)水高產(chǎn)栽培適宜的灌溉制度，設(shè)計(jì)了6個(gè)灌溉制度處理，分別在冬小麥返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期和灌漿期進(jìn)行灌溉，灌水次數(shù)分別為2～6次，總灌水量為60～180 mm，最后建議微噴帶灌溉模式在平水年灌水量90～120 mm，灌溉3～4次，在枯水年灌水量105～150 mm，灌溉3～5次，每次灌水定額30～45 mm[10]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，上述研究成果均有很大的參考價(jià)值，但是因?yàn)闆]有綜合考慮作物生長季內(nèi)降水量、作物不同生育階段需水需肥規(guī)律等因素的影響，不同研究獲得的結(jié)果并不完全一致，因此實(shí)際可操作性不強(qiáng)。

本研究通過監(jiān)測兩微噴帶之間距離微噴帶1.2 m遠(yuǎn)處的20 cm深度的土壤水基質(zhì)勢(土壤水勢)指導(dǎo)冬小麥夏玉米的施肥灌溉，提出當(dāng)該深度土壤水基質(zhì)勢閾值降低到-40 kPa時(shí)進(jìn)行灌溉，同時(shí)水肥一體化進(jìn)行施肥，每次灌水量15 mm，施肥量為按天累計(jì)計(jì)算好肥料量；灌后觀察負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，如果土壤水基質(zhì)勢升高到-15 kPa，則停止灌溉，如果仍低于-15 kPa，再灌溉一次(灌水量15 mm)。該冬小麥夏玉米微噴帶施肥灌溉制度并不強(qiáng)調(diào)在作物的某個(gè)生育期進(jìn)行灌溉，灌多少水，而是綜合考慮作物生長季內(nèi)降水量、作物不同生育階段需水需肥規(guī)律，進(jìn)行施肥灌溉，例如2013-2014平水年冬小麥拔節(jié)期灌溉1次45 mm，抽穗開花期灌溉1次，灌水量45 mm；2014-2015年冬小麥拔節(jié)期灌溉2次，分別為15 mm和45 mm，抽穗開花期灌溉1次30 mm，灌漿期灌溉1次30 mm。該施肥灌溉制度下冬小麥夏玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)(19 535.9±294.8 kg/hm2)，水分利用效率和灌溉水利用效率高，并且方法簡單方便、可操作性強(qiáng)，可以在類似氣候類型地區(qū)運(yùn)用推廣。考慮兩年0～50、50～100和100～140 cm土壤儲(chǔ)水量的消耗量分別占整個(gè)土層土壤儲(chǔ)水量的消耗量的40%、35%和25%，即微噴帶灌溉下冬小麥根系可以吸收利用到50 cm深度以下的土壤水分。鑒于環(huán)渤海地區(qū)水資源匱乏的現(xiàn)狀，可以考慮監(jiān)測更深處如0.5 m深度的土壤水基質(zhì)勢，以吸收和利用儲(chǔ)藏在土壤深層的水分，充分?jǐn)U大土壤水庫的庫容，提高雨水和地下水的利用效率。這也是我們下一步需要研究的重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

微噴帶施肥灌溉條件下，當(dāng)施肥量為當(dāng)?shù)厥┓柿康?0%時(shí)，兩年度冬小麥和夏玉米產(chǎn)量分別平均為7246.6和12 289.3 kg/hm2，全年產(chǎn)量可達(dá)19 535.9 kg/hm2。相比當(dāng)?shù)氐孛婀喔葪l件下，微噴帶施肥灌溉分別提高了冬小麥、夏玉米和全年產(chǎn)量7.9%、17.1%、和13.5%。

微噴帶施肥灌溉條件下，冬小麥全生育期耗水量平均為439.6 mm。從耗水量各構(gòu)成所占比例來看，灌水量所占比例最大，平均為36.4%，其次是土體儲(chǔ)水消耗量，占總耗水量的35.6%。降水量占總耗水量的23.7%，地下水補(bǔ)給占總耗水量的比例最小，僅4.3%。兩年冬小麥水分利用效率平均為1.7 kg/m3，比當(dāng)?shù)氐孛婀喔认滤掷眯侍岣吡?1%。冬小麥和夏玉米的灌溉水利用效率平均為4.5和13.8 kg/m3，比當(dāng)?shù)氐孛婀喔确謩e提高了103%和62%，可節(jié)約灌水40～148 mm。

微噴帶施肥灌溉條件下，冬小麥N和P(P2O5)的肥料偏生產(chǎn)力平均分別為30.8和61.4 kg/kg，夏玉米N、P(P2O5)和K(K2O)肥料偏生產(chǎn)力平均分別為91.5、127.3和176.4 kg/kg，相比當(dāng)?shù)囟←満拖挠衩譔和P的肥料偏生產(chǎn)力分別均提高了58%和67%。土壤養(yǎng)分(硝態(tài)氮)主要分布在根區(qū)0～40 cm土層內(nèi)。與2013年冬小麥播種前相比，2015年夏玉米收獲時(shí)0～40 cm土壤硝態(tài)氮含量提高了15%，而100～140 cm土壤硝態(tài)氮含量降低了92%。

在華北平原地區(qū)，冬小麥夏玉米生產(chǎn)中施用控失肥為底肥(種肥)，微噴帶施肥灌溉條件下，施肥量為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)推薦施肥量的70%，控制20 cm深度土壤水基質(zhì)勢灌溉閾值為-40 kPa進(jìn)行施肥灌溉，夏玉米生育期因正值雨季主要在大喇叭口期和花粒期利用微噴帶進(jìn)行追肥。該冬小麥-夏玉米微噴帶施肥灌溉制度可提高作物產(chǎn)量、水分利用效率、灌溉水利用效率和肥料偏生產(chǎn)力，且土壤養(yǎng)分(土壤硝態(tài)氮)主要分布在根區(qū)，淋失少。該方法簡單方便、可操作性強(qiáng)，可以在類似氣候類型地區(qū)運(yùn)用推廣。