王 柏，孫艷玲，孫雪梅

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

自20世紀(jì)60年代初起，以色列等發(fā)達(dá)國家開始普及水肥一體化灌溉施肥技術(shù)。水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體同步控制的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，是現(xiàn)代種植業(yè)生產(chǎn)的一項(xiàng)綜合水肥管理措施，具有節(jié)水、節(jié)肥、增效等特點(diǎn)。在水肥一體化條件下，國外許多學(xué)者在光合產(chǎn)物積[1]，土壤濕潤峰和溶質(zhì)運(yùn)移[2]，灌水頻率與水、玉米產(chǎn)量之間的關(guān)系[3]，肥料深層滲漏[4]，土壤水肥運(yùn)移[5]等方面開展了大量試驗(yàn)工作，取得了較好的研究效果。我國水肥一體化技術(shù)研究始于較以色列、美國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家晚20年左右。目前，膜下滴灌技術(shù)已被廣泛用于各類作物，如玉米[6]、馬鈴薯[7]、棉花[8]、蔬菜[9]等，特別是在大田高耗水、高產(chǎn)作物玉米干物質(zhì)[10]、株高[11]、葉面積[12]、根系活性[13]等方面進(jìn)行了深入研究。水分和養(yǎng)分是作物重要的構(gòu)成部分與生命元素，水肥耦合效應(yīng)[14-18]是影響旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要脅迫因子，不同水肥耦合配比的施用數(shù)量、時(shí)期對(duì)玉米產(chǎn)量及生理生長會(huì)產(chǎn)生不同的影響效果。黑龍江省大田作物缺少水肥一體化技術(shù)支撐，研究滴灌水肥一體化節(jié)水灌溉技術(shù)模式，可以防御低溫冷害對(duì)作物產(chǎn)量影響，提高水肥利用效率，進(jìn)一步挖掘糧食增產(chǎn)潛力。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)研究在黑龍江省水利科技試驗(yàn)研究中心自動(dòng)感應(yīng)式遮雨棚的測坑內(nèi)進(jìn)行，多年平均氣溫3.1℃，無霜期為130～140 d，年平均降水量多介于400～650 mm，7～9月份的降雨量占全年的70%，多年平均水面蒸發(fā)量796 mm，土壤質(zhì)地為壤土。土壤基本性質(zhì)為：速效氮(N)154.4 mg/kg，速效磷(P2O5)40.1 mg/kg，速效鉀(K2O)376.8 mg/kg，pH值為7.27。1 m土層內(nèi)的平均田間持水率(占干土重)為28.4%和土壤體積質(zhì)量為1.22 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為玉米強(qiáng)盛31號(hào)，底肥為復(fù)合肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)，施肥量為450.0 kg/hm2。試驗(yàn)因素選取灌水量和施氮量，單次灌水量設(shè)2個(gè)灌溉水平：10 mm、20 mm；施肥量設(shè)3個(gè)施肥水平：水肥一體化100%施肥、水肥一體化75%施肥、水肥一體化50%施肥。按照完全組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共計(jì)6個(gè)處理。另設(shè)覆膜滴灌不追氮肥的對(duì)照處理CK1、CK2，總計(jì)8個(gè)處理(詳見試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共24個(gè)小區(qū)，小區(qū)的尺寸為2.0 m×2.5 m，各試驗(yàn)處理隨機(jī)排列。栽培模式采用110 cm大壟雙行，壟內(nèi)小行距40 cm，壟間大行距70 cm，壟臺(tái)寬70 cm，壟高15 cm，株距28 cm，種植密度63 000株/hm2。覆膜滴灌施肥采用“1/4W—1/2N—1/4W”的模式(前1/4 時(shí)間灌清水，中間1/2 時(shí)間施肥，后1/4 時(shí)間灌清水沖洗管網(wǎng))。玉米各生育期土壤相對(duì)水分含量(占田間最大持水量的百分率)控制范圍：播種至出苗65～75%，出苗至拔節(jié)60%～70%左右，拔節(jié)至抽雄70%～75%，抽雄至吐絲80%～85%，吐絲至乳熟75%～80%，完熟期60%左右。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

2.3 試驗(yàn)觀測內(nèi)容

(1)玉米葉片葉綠素測定。應(yīng)用CCM-200便攜式葉綠素儀，即時(shí)測量植物葉片的葉綠素相對(duì)含量或“綠色程度”。測定時(shí)選擇無病蟲害、無生理病斑、無機(jī)械損傷的葉片避開葉脈，從葉緣和葉脈之間的中間部位測定。

(2)玉米葉面積指數(shù)LAI測定。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選生長良好、具有代表性的3株玉米掛牌標(biāo)記，用米尺測定株高和所有完全展開葉片的長和寬。測量葉片的實(shí)際面積，確定修正系數(shù)(實(shí)際面積/(長×寬)，范圍在0.74～0.76之間)，計(jì)算葉面積指數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水肥一體化對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

3.1.1 玉米葉面積指數(shù)變化規(guī)律

低水灌溉條件下，拔節(jié)期各水氮處理玉米LAI差異不明顯，低水中氮處理玉米LAI高于其他處理，分別比低水低氮、低水高氮、低水無氮提高了6.2%、2.3%和17.0%；抽期各水氮處理玉米LAI差異較為明顯，低水高氮處理玉米LAI高于其他處理，分別比低水低氮、低水中氮、低水無氮提高了9.8%、13.8%和10.2%；灌漿期低水中氮處理玉米的LAI最大，分別比低水低氮、低水高氮和低水無氮處理提高了8.9%、6.9%和10.2%。試驗(yàn)表明低水灌溉條件下，無氮處理對(duì)玉米LAI影響較大；低水灌溉與中等氮肥耦合處理有利于玉米葉面積指數(shù)增加，見圖1。

圖1 低水與氮耦合試驗(yàn)處理LAI變化過程

圖2 高水與氮耦合試驗(yàn)處理LAI變化過程

高水灌溉條件下，拔節(jié)期各水氮處理玉米LAI差異明顯，高水低氮處理玉米LAI高于其他處理，分別比高水中氮、高水高氮和高水無氮處理提高了5.1%、21.5%、36.0%；抽雄期各水氮處理玉米LAI差異較不明顯；灌漿期高水中氮處理的玉米LAI最大，分別比高水低氮、高水高氮和高水無氮處理提高了18.9%、6.3%和28.8%。試驗(yàn)表明高水灌溉條件下，無氮處理對(duì)玉米LAI有不利影響；高水灌溉與中等氮肥耦合處理有利于玉米葉面積指數(shù)增加。

3.1.2 玉米葉面積指數(shù)方差分析

根據(jù)2015年玉米拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期各試驗(yàn)處理玉米葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)，灌水量分2個(gè)水平，施氮量分4個(gè)水平，不同水氮耦合處理在不同生育期的玉米葉面積指數(shù)方差分析見表2。

根據(jù)表2為灌水量、施氮量間均數(shù)的方差分析(F檢驗(yàn))結(jié)果。

表2 不同生育期水氮試驗(yàn)處理LAI方差分析檢驗(yàn)

拔節(jié)期：灌水的F=2.405，P=0.140>0.05；施氮的F=1.454，P=0.264>0.05；灌水*施氮的F=0.718，P=0.556>0.05；表明在玉米拔節(jié)期，灌水和施氮對(duì)各處理玉米葉面積指數(shù)影響差異不顯著。抽雄期：灌水的F=0.232，P=0.637>0.05；施氮的F=0.848，P=0.488>0.05；灌水*施氮的F=0.726，P=0.551>0.05；表明在玉米抽雄期，灌水和施氮對(duì)各處理玉米葉面積指數(shù)影響差異不顯著。灌漿期：灌水的F=7.123，P=0.017<0.05；灌水對(duì)各處理玉米葉面積指數(shù)有顯著影響。施氮的F=2.688，P=0.081>0.05；灌水*施氮的F=0.601，P=0.624>0.05；表明在玉米灌漿期，施氮對(duì)各處理玉米葉面積指數(shù)影響差異不顯著。

3.1.3 玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模型

作物葉面積指數(shù)除與作物品種、種植密度和栽培農(nóng)藝措施、氣象條件等密切相關(guān)，同時(shí)，作物葉面積指數(shù)是反映作物群體結(jié)構(gòu)的重要因子。葉面積指數(shù)模型是作物生長模擬的子模型之一，玉米葉面積指數(shù)從苗期到蠟熟期呈先增大后減小的拋物線形式，修正后的Logistic曲線可較好地表述玉米葉面積指數(shù)變化過程。葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬，采用修正的Logistic方程進(jìn)行春玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬：

(1)

式中t為出苗后天數(shù)，d；a，b，c，d均為參數(shù)。

Logistic模型需變換成多元線性關(guān)系進(jìn)行擬合，對(duì)上述公式進(jìn)行化簡得到公式(2)，并用多元線性回歸法進(jìn)行建模。

(2)

2015年試驗(yàn)中，玉米5月20日出苗，即5月20日時(shí)，t=1d。根據(jù)方程不同水氮耦合試驗(yàn)處理玉米葉面積指數(shù)和玉米植株生長天數(shù)曲線圖進(jìn)行模擬計(jì)算。

各水氮處理曲線如圖3～圖10所示，LAI動(dòng)態(tài)模擬方程參數(shù)如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在“低水+氮”各組合處理中，低水高氮LAImax出現(xiàn)日期早于低水低氮和低水中氮處理；在“高水+氮”各組合處理中，高水中氮最大LAI出現(xiàn)日期早于高水低氮和高水高氮；在相同灌水量條件下，低水高氮和高水中氮比其他施氮處理的玉米生長更快。

圖3 低水低氮處理曲線

圖5 低水高氮處理曲線

圖4 低水中氮處理曲線

圖6 高水低氮處理曲線

圖8 高水高氮處理曲線

圖7 高水中氮處理曲線

圖9 低水無氮處理曲線

圖10 高水無氮處理曲線

序號(hào)處理abcdt/dLAImax出現(xiàn)時(shí)間R21低水低氮18.4965-0.21540.001383 08-110.97012低水中氮16.9487-0.16500.00108308-110.92523低水高氮19.4448-0.24870.00167808-060.96624高水低氮17.4551-0.18810.00118608-140.94585高水中氮19.0221-0.23360.00157808-061.00006高水高氮18.9312-0.22480.00138608-140.96997低水無氮19.0990-0.23470.00157808-060.97658高水無氮19.5520-0.24940.00167808-060.9602

3.2 水肥一體化對(duì)玉米葉綠素含量的影響

3.2.1 葉綠素含量變化規(guī)律

如圖11給出了2015年各水氮耦合試驗(yàn)處理從拔節(jié)期到乳熟期的玉米葉綠素含量變化曲線。

圖11 不同水氮耦合處理的葉綠素含量變化過

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要色素，對(duì)植物的生長、能量獲取和傳輸具有十分重要的作用，葉綠素的含量與植物生物量、作物產(chǎn)量有很高的相關(guān)性，其含量高低可以作為植物生理研究及評(píng)價(jià)植物氮素營養(yǎng)狀況的重要依據(jù)。根據(jù)圖11可以看出所有水氮耦合處理葉綠素含量值從拔節(jié)期到黃熟期呈現(xiàn)先增大、后減小的拋物線形式。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收中起核心作用。低水無氮、高水無氮處理的葉綠素含量曲線在整個(gè)生育期均處于其他水氮耦合處理的下方，表明不論灌溉水平高低，玉米不追肥條件下葉綠素含量較低，不追肥對(duì)光合作用有不利影響。高水中氮、高水高氮在葉綠素含量曲線在整個(gè)生育期均處于其他水氮處理的上方，表明充足的水分、養(yǎng)分條件有利于玉米植株光合作用。

圖12 不同水氮耦合試驗(yàn)處理葉綠素含量變化

根據(jù)不同水氮處理最大值的柱狀圖12可以看出，高水灌溉各處理大于低水灌溉處理。在低水灌溉條件下，低水中肥葉綠素含量值大于低水低肥、低水高肥和低水無氮，低水中肥葉綠素含量值分別比低水低肥、低水高肥和低水無氮提高了9.3%、3.0%、16.8%，可以看出低水中肥與低水高肥葉綠素含量值差異較小，低水中肥與低水低肥、低水無氮差異較大。

在高水灌溉條件下，高水高肥葉綠素含量值大于高水低肥、高水中肥和高水無氮，高水高肥葉綠素含量值分別比高水低肥、高水中肥和高水無氮提高了1.3%、0.8%、20.9%，可以看出高水高肥和高水低肥、高水中肥葉綠素含量值之間的差異小與于低水低肥、低水中肥、低水高肥葉綠素含量值之間的差異，不同施氮量對(duì)玉米葉綠素的影響程度隨著灌水量的增加而減小。

3.2.2 葉綠素含量回歸分析

考慮增加樣本容量，選取不同時(shí)段、不同水氮耦合試驗(yàn)處理的葉綠素含量值作為目標(biāo)函數(shù)，通過逐步回歸分析，建立極顯著水平的回歸方程如公式(3)所示，用SPSS建立回歸方程式，將顯著性<0.05的自變量進(jìn)入模型，如果有顯著性>0.05的自變量的話，從模型剔除。

Y=b1X2+b2X+b3

(3)

式中：Y為各水氮耦合處理葉綠素含量值；X為玉米生長天數(shù)，d；b1、b2、b3為偏回歸系數(shù)。

回歸方程偏回歸系數(shù)b1=-0.028,b2=4.839,b3=-147.709,相關(guān)系數(shù)R2=0.821，表明方程擬合度較高?；貧w進(jìn)行方差分析結(jié)果如表4所示，檢驗(yàn)P=0.000，顯著性水平小于0.01，可以認(rèn)為所建立的回歸方程有效

表4 回歸模型方差分析

對(duì)方程回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表5。按α=0.01顯著性水平，偏回歸系數(shù)b1、b2、b3相應(yīng)的t值分別為-11.782、14.291和-12.764，顯著性概率均小于0.01，可見偏回歸系數(shù)均達(dá)到極顯著水平。

表5 回歸系數(shù)分析表

當(dāng)X=86時(shí)，方程目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最大，因此玉米整個(gè)生育期的葉綠素含量理論計(jì)算最大值出現(xiàn)在8月14日，玉米灌漿期為8月11日～8月25日，在所有實(shí)測數(shù)據(jù)中，不同水氮耦合試驗(yàn)處理葉綠素含量最大值出現(xiàn)在灌漿中期，葉綠素實(shí)測最大值出現(xiàn)在8月17日，表明建立的葉綠素含量值模型方程符合實(shí)際，同時(shí)表明玉米在灌漿中期光合作用能力達(dá)到最大，灌漿末期至乳熟期光合作用逐漸減弱。

3.2.3 葉綠素含量回歸分析

灌溉水量分2個(gè)水平，施氮量分4個(gè)水平，選擇有代表性的3次重復(fù)下的8個(gè)水氮耦合試驗(yàn)處理實(shí)測葉綠素含量值為分析數(shù)據(jù)。

表6為灌水量、施氮量間均數(shù)的方差分析(F檢驗(yàn))結(jié)果。可以看出：F=4.72，P=0.008<0.01，差異極顯著，表明所用模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。灌水量的F=4.20，P=0.054>0.05，差異不顯著，說明10 mm和20 mm單次灌水量對(duì)玉米葉綠素含量無顯著影響。施氮量的F=4.90，P=0.011<0.05，差異顯著，說明不同施氮量水平對(duì)玉米葉綠素含量具有顯著影響，有必要進(jìn)一步對(duì)氮因素不同水平的均值進(jìn)行多重比較。

表6 不同水氮耦合處理方差分析檢驗(yàn)結(jié)果

表7表示P=0.05顯著水平條件下，低氮、中氮、高氮在同一子集內(nèi)，因此，不追氮肥的無氮處理與低氮、中氮、高氮差異顯著，低氮、中氮、高氮之間差異不顯著。試驗(yàn)表明雖然各灌水條件下玉米追肥的施氮量不同，但是不同施氮水平對(duì)玉米葉綠素影響差異不顯著；不追氮肥和追氮肥的處理對(duì)玉米葉綠素含量影響差異顯著，可見與灌水因素比較，氮肥對(duì)玉米葉綠素含量的影響更顯著。

表7 不同灌水條件下各施氮量均數(shù)的

4 結(jié) 論

(1)在玉米各生育階段，低水無氮處理和高水無氮處理對(duì)玉米LAI影響較大，低水灌溉、高水灌溉與中等氮肥耦合處理有利于玉米葉面積指數(shù)增加。建立Logistic方程進(jìn)行春玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬與分析，在相同灌水量條件下，低水高氮和高水中氮比其他施氮處理的玉米生長更快。

(2)低水無氮、高水無氮試驗(yàn)處理的葉綠素含量曲線在整個(gè)生育期均處于其他水氮耦合處理的下方，玉米不追肥條件下葉綠素含量較低，不追肥對(duì)光合作用有不利影響。高水中氮、高水高氮在葉綠素含量曲線在整個(gè)生育期均處于其他水氮處理的上方，表明充足的水分、養(yǎng)分條件有利于玉米植株光合作用。