楊永輝, 武繼承, 高翠民, 張潔梅,潘曉瑩, 何 方, 王 越, 王 蕓

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所, 鄭州 450002; 2.農(nóng)業(yè)部 作物高效用水原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)站,河南 原陽(yáng) 453514; 3.河北廣播電視大學(xué) 數(shù)字化學(xué)習(xí)資源中心, 石家莊 050080)

采用節(jié)水灌溉技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)水、提高水資源利用率、土地產(chǎn)出率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，從而促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收。眾多研究表明[1-3]，噴灌技術(shù)有著其獨(dú)特的優(yōu)越性。噴灌較傳統(tǒng)灌溉具有明顯的節(jié)水、省工、省時(shí)，減少水肥滲漏等特征。噴灌能夠減少對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的浸泡而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破裂，進(jìn)而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞，促進(jìn)土壤水分緩慢均勻入滲，增強(qiáng)表層土壤保水效果，提高土壤含水量[4]，實(shí)現(xiàn)培肥土壤[5]。噴灌可有效降低空氣溫度，并增加空氣濕度，從而對(duì)農(nóng)田溫濕度具有調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)作物光合速率提高，蒸騰強(qiáng)度降低[6]，提高單位水分利用效率。同時(shí)，噴灌利于作物根系集中于表層，更適合作物生長(zhǎng)需要[7]，從而減少作物對(duì)深層土壤水分的消耗，改善土壤的水分環(huán)境。此外，噴灌還可增加作物葉面積指數(shù)，提高其葉片光合能力[8-9]，協(xié)調(diào)作物生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)作物干物質(zhì)的積累、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)[10]，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[11-14]。但是前人主要是針對(duì)小麥季或玉米季單獨(dú)進(jìn)行研究，較少考慮小麥、玉米周年水肥運(yùn)籌與管理。

本文采用地面灌和噴灌并結(jié)合不同施氮量研究小麥、玉米周年生長(zhǎng)過(guò)程、生理機(jī)制及水肥利用特征，分析不同灌溉方式下小麥不同生育期內(nèi)土壤儲(chǔ)水量、光合生理特征以及小麥、玉米周年水分利用特征，為探明噴灌條件下小麥、玉米周年節(jié)水增效機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

農(nóng)業(yè)部原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站地處黃河北岸新鄉(xiāng)市原陽(yáng)縣南部的河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地內(nèi)，位于107國(guó)道與鄭焦高速公路的夾角地帶，平均海拔85 m，年均氣溫14.3℃，年均降水量556 mm，全年無(wú)霜期227 d。試驗(yàn)地土壤為壤質(zhì)潮土，肥力均勻，地勢(shì)平坦，耕層有機(jī)質(zhì)12.6 g/kg、全氮1.08 g/kg、速效氮80.1 mg/kg、速效磷18.2 mg/kg、速效鉀120.9 mg/kg。該區(qū)種植方式為小麥、玉米輪作。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)于2017年10月15日小麥播種開(kāi)始，于2018年9月30日玉米收獲時(shí)結(jié)束，小麥?zhǔn)斋@后玉米種植在對(duì)應(yīng)的前茬小麥小區(qū)內(nèi)。灌溉方式為：(1) 地面灌，采樣白色塑料軟管，水頭直接通入試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行灌溉。(2) 噴灌，噴灌口固定于田間，待灌水時(shí)，將噴灌支架等插入田間預(yù)留的噴灌槽內(nèi)，噴灌頭的高度距離地面1.5 m。

(1) 氮肥設(shè)計(jì)：(小麥)N 180 kg/hm2，N 240 kg/hm2，N 270 kg/hm2；(玉米)N 210 kg/hm2，N 270 kg/hm2，N 330 kg/hm2；施肥方式為底施60%+追施40%，追施時(shí)期為拔節(jié)期(小喇叭口)25%+灌漿15%。

(2) 灌水設(shè)置：小麥為返青拔節(jié)，抽穗揚(yáng)花，灌漿(玉米為小喇叭口，大喇叭口，灌漿)，每次灌水450 m3/hm2。即，地面灌與噴灌施肥、灌水量相同。

小麥水肥處理設(shè)置為：N180+3水、N240+3水、N270+3水、N180+2水、N240+2水、N270+2水、N180+1水、N240+1水、N270+1水、N180不灌水、N240不灌水、N270不灌水。

玉米水肥處理設(shè)置為：N210+3水、N270+3水、N330+3水、N210+2水、N270+2水、N330+2水、N210+1水、N270+1水、N330+1水、N210不灌水、N270不灌水、N330不灌水。

小麥、玉米周年水肥組合為：N180+N210+各3水、N240+N270+各3水、N270+N330+各3水、N180+N210+各2水、N240+N270+各2水、N270+N330+各2水、N180+N210+各1水、N240+N270+各1水、N270+N330+各1水、N180+N210+不灌水、N240+N270+不灌水、N270+N330+不灌水。

小麥、玉米兩季，分別施用P5O2135 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2，與底施氮肥一起底施。在小麥播種前和玉米播種后分別灌了底墑水，灌溉量為450 m3/hm2，其他時(shí)期均按試驗(yàn)處理進(jìn)行水肥管理。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 凈光合速率測(cè)定 光合參數(shù)采用美國(guó)Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400光合儀測(cè)定。在小麥抽穗期(4月5日)和灌漿期(2018年5月16日)選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣于9：30—11：00進(jìn)行光合參數(shù)的測(cè)定。測(cè)定葉片部位為小麥旗葉。

1.2.2 葉片SPAD值測(cè)定與產(chǎn)量計(jì)算 在小麥灌漿期采用日本原裝生產(chǎn)的相對(duì)葉綠素儀測(cè)定葉片的SPAD值。小麥以每小區(qū)收獲6 m2產(chǎn)量記產(chǎn)，玉米以每小區(qū)3行玉米產(chǎn)量記產(chǎn)，將其產(chǎn)量折合成每hm2產(chǎn)量。

1.2.3 土壤水分測(cè)定與水分利用效率、灌水利用率計(jì)算 在小麥播分蘗期、越冬期、返青期、抽穗期、灌漿期、收獲期和玉米收獲期，采用土鉆獲取0—100 cm土層(0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)土壤，放入烘箱中105℃烘24 h，測(cè)定含水量，進(jìn)而得知0—100 cm土層土壤儲(chǔ)水量。并計(jì)算生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率。

W=A+B+C-D

(1)

WUE=Y/W

(2)

IUE=(Yi-Y0)/I

(3)

式中：W為全生育期耗水量(mm)；A為播種前0—100 cm土層土壤儲(chǔ)水量(mm)；B為生育期內(nèi)降雨量(mm)；C為生育期內(nèi)灌水量(mm)；D為收獲時(shí)0—100 cm土層土壤儲(chǔ)水量(mm)；WUE為水分利用效率[kg/(mm·hm2)]；Y為籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；IUE為灌水利用率(kg/mm3)；Yi為灌水處理子粒產(chǎn)量(kg/hm2)；Y0為未灌水處理產(chǎn)量(kg/hm2)；I為作物生育期內(nèi)總灌水量(m3)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

光合值為9次重復(fù)(在每處理3個(gè)重復(fù)內(nèi)分別測(cè)定3次樣品)的平均值，其他結(jié)果為3次重復(fù)的平均值，且所得的數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 19.0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥、玉米生育期內(nèi)降雨量

從小麥、玉米生育期內(nèi)降雨量可看出(圖1)，在小麥播種后降雨量逐漸增多，有利于小麥的出苗，但從分蘗期開(kāi)始到返青期前幾乎沒(méi)有有效降水，從抽穗期開(kāi)始降雨逐漸增多，一直到小麥?zhǔn)斋@。玉米播種后降雨主要集中在7月份，之后逐漸減少。小麥生育期內(nèi)總降雨量為217.4 mm，玉米生育期內(nèi)降雨量為298.7 mm，小麥玉米生育期內(nèi)總降雨量為516.1 mm，比往年平均降雨總量減少了40 mm左右。

圖1 小麥、玉米生育期內(nèi)降雨分布特征

2.1 不同灌水施肥處理對(duì)小麥葉片SPAD值特征的影響

從圖2中可知，灌漿期的SPAD值明顯高于抽穗期。在不同生育期噴灌不同水肥處理的小麥葉片SPAD值均高于地面灌。在抽穗期，在灌3水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值逐漸增加，而噴灌條件下逐漸降低；在灌2水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值先增后減，而噴灌條件下為逐漸增加；在灌1水條件下，兩種灌水方式均隨施氮量的增加表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢(shì)。在灌漿期，在灌3水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值變化不明顯，而噴灌條件下逐漸增加；在灌2水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值逐漸降低，而噴灌條件下為先增后減；在灌1水條件下，隨施氮量的增加，地面灌小麥葉片SPAD值先降低后增加，而噴灌條件下為逐漸增加的趨勢(shì)。在兩個(gè)生育期，在不灌水條件下，隨施氮量的增加，小麥葉片SPAD值均為先增加后降低的趨勢(shì)。相同氮肥用量條件下，除灌漿期噴灌條件下外，隨灌水量的增加，小麥葉片SPAD值呈降低趨勢(shì)。整體來(lái)看，適度干旱和適宜的施氮量更利于提高小麥葉片的SPAD值，且也中氮水平效果較佳。而噴灌較地面灌更利于小麥葉片SPAD值的提高，但中氮不灌水處理小麥葉片的SPAD值提高更為明顯。

圖2 不同灌水施肥處理小麥不同生育期小麥葉片SPAD值分析

2.2 不同灌水施肥處理對(duì)小麥光合生理特征的影響

從圖3中可知，灌漿期小麥的光合速率明顯高于抽穗期。地面灌和噴灌不同水肥處理的葉片光合速率均高于地面灌，且均高于不灌水處理。噴灌各處理的光合速率均高于地面灌。在抽穗期，在地面灌條以N240+2水處理的光合速率最高，而噴灌以N180+2水處理更高；在高水(3水)條件下，隨施氮量的增加光合速率明顯提高；在灌1水和2水條件下隨施氮量增加變化規(guī)律并不一致。在灌漿期，在兩種灌溉方式下，均以N270+3水處理的光合速率最高，其次為N180+1水處理；在灌3水和不灌水時(shí)，隨氮肥用量的增加，小麥的光合速率呈增加趨勢(shì)；在噴灌條件下，灌1水時(shí)，隨施氮量的增加，光合速率呈下降趨勢(shì)。在地面灌條件下，在灌1水和2水時(shí)小麥光合速率表現(xiàn)為先降后增的趨勢(shì)。綜上，噴灌較地面灌更利于提高小麥葉片的光合速率，促進(jìn)干物質(zhì)積累。

圖3 不同灌水施肥處理小麥光合生理特征分析

2.3 不同灌水施肥處理對(duì)小麥不同生育期儲(chǔ)水量的影響

從圖4和圖5中可知，隨生育期的推進(jìn)，小麥儲(chǔ)水量表現(xiàn)為先降后增再降而再增的趨勢(shì)，抽穗期的儲(chǔ)水量最高，而灌漿期土壤儲(chǔ)水量最低。噴灌條件下各處理變化差異較大。在地面灌條件下(圖4)，不同生育期以N240+3水處理的土壤儲(chǔ)水量較其他處理高，在抽穗期到收獲期以N270+2水處理均低于其他處理。在噴灌條件下(圖5)，在返青期前，不灌水處理明顯低于其他處理。在返青期和抽穗期，均以N270+2水處理土壤儲(chǔ)水量最高，其次為N240+2水處理和N270不灌水處理。隨生育期的推進(jìn)，各處理間的土壤儲(chǔ)水量差異逐漸增大，高氮高水的處理水分消耗較大，因此，儲(chǔ)水量明顯低于其他處理。在兩種灌水條件下，高氮不灌水處理在收獲期的儲(chǔ)水量均較高。

圖4 地面灌不同灌水施肥處理小麥不同生育期儲(chǔ)水量分析

圖5 噴灌不同灌水施肥處理小麥不同生育期儲(chǔ)水量分析

2.4 不同灌水施肥處理對(duì)小麥成產(chǎn)要素及水分利用的影響

從表3中可知，在地面灌條件下，隨灌水量的增加，小麥的株高、小穗數(shù)、及千粒重表現(xiàn)為先增加而后降低的趨勢(shì)；而穗粒數(shù)呈增加趨勢(shì)；千粒重隨灌水量的增加表現(xiàn)為先降低后增加而后降低的趨勢(shì)，灌2水更利于提高小麥的千粒重。在低氮(N180)和中氮(N240)水平，隨灌水量的增加，小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加而后降低的趨勢(shì)；在高氮(N270)水平，小麥產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加。各處理中，以中氮結(jié)合灌水2次(N240+2水)的產(chǎn)量水平最高，為8 768.9 kg/hm2。不同水肥處理中以N180+1水的灌水利用率最高，其次為N180+2水處理，而水分利用效率以N240+2水處理最高，其次為N270+2水處理和N180+1水處理，說(shuō)明適宜的灌水可有效提高小麥灌水利用率，促進(jìn)節(jié)本增效，有利于土壤水分環(huán)境的改善。

從表4中可知，在噴灌條件下，隨灌水量的增加，小麥的株高呈增加趨勢(shì)，而小穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重均表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)。在灌水量相同的條件下，小麥株高隨氮肥用量的增加表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)，其他指標(biāo)表現(xiàn)并不一致。各處理中，以N240+1水處理的小麥產(chǎn)量最高，其次為N180水平。小麥的灌水利用率以N180+1水處理最高，其次為N240+1水處理，N180+2水處理和N270+1水處理，而水分利用效率以N240 +1水最高，其次為N180 +1水和N270 +2水處理。與地面灌相比，噴灌更利于提高小麥的產(chǎn)量、水分利用效率及灌水利用率。

表3 地面灌條件下小麥成產(chǎn)要素及水分利用分析

表4 噴灌條件下小麥成產(chǎn)要素及水分利用分析

2.5 不同灌水施肥處理對(duì)玉米成產(chǎn)要素及水分利用的影響

前茬小麥水肥處理對(duì)后茬玉米產(chǎn)生重要影響。從表5中可知，在地面灌條件下，不同灌水施肥對(duì)玉米的形態(tài)指標(biāo)產(chǎn)生不同影響。隨灌水量的增加，玉米的穗長(zhǎng)與行數(shù)呈增加趨勢(shì)，玉米穗粗和行粒數(shù)呈降增降趨勢(shì)。在相同灌水量條件下，各處理的指標(biāo)表現(xiàn)各異。最終玉米的產(chǎn)量以N330+2水和N270+2水處理高于其他處理，其次為N270+1水處理。水分利用效率以N330+2水和N270+2水處理最高，其次為N210+1水處理，而灌水利用率以N210+1水處理最高，其次為N270+1水。說(shuō)明，在本年度玉米全生育期進(jìn)行1次補(bǔ)灌更利于提高灌水的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。

由表6可知，在噴灌條件下，隨灌水量的增加，玉米穗長(zhǎng)和行粒數(shù)表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢(shì)，而其他指標(biāo)表現(xiàn)為先增后降的趨勢(shì)。各處理中以N270+2水處理的產(chǎn)量最高，其次為N330+3水和N270+1水處理。水分利用效率仍以N330+2水和N270+2水處理最高，其次為N210+1水處理，而灌水利用率隨灌水量的增加表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)，各處理中仍以N210+1水的處理最高。與地面灌相比，噴灌的玉米產(chǎn)量、水分利用效率與灌水利用率仍均高于對(duì)應(yīng)的地面灌處理，說(shuō)明，在噴灌條件下，更利于實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)增效。

2.6 不同灌水施肥處理對(duì)小麥、玉米周年產(chǎn)量及水分利用的影響

由表7可知，隨灌水量的增加，小麥、玉米周年產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后降低，水分利用效率表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，而灌水利用率則表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。噴灌周年產(chǎn)量和灌水利用率基本均高于地面灌。除灌2水條件下，噴灌的周年水肥利用效率仍高于地面灌。在地面灌條件下，以N240+N270+各2水和N270+N330+各2水處理的周年產(chǎn)量和水分利用效率最高。在噴灌條件下，N240+N270+各2水和N240+N270+各1水處理產(chǎn)量最高，而以N240+N270+各1水處理水分利用效率最高。而灌水利用率在兩種灌溉方式下均以N180+N210+各1水處理最高，其次為N240+N270+各1水處理。說(shuō)明，適當(dāng)減少灌水次數(shù)更利于周年小麥、玉米水分利用率的提高。

表5 地面灌條件下玉米成產(chǎn)要素及水分利用分析

表6 噴灌條件下小麥成產(chǎn)要素及水分利用分析

表7 不同灌水施肥處理周年產(chǎn)量及水分利用分析

3 討論與結(jié)論

水資源緊缺是我國(guó)農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期面臨的主要問(wèn)題，其制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。節(jié)約用水一直是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。實(shí)行節(jié)水灌溉是我國(guó)現(xiàn)今及以后發(fā)展的長(zhǎng)期手段。傳統(tǒng)地面灌耗水量大，且容易將養(yǎng)分淋溶至耕層以下，甚至更深層次的土壤，造成地下水污染。而噴灌水流較小，且相對(duì)均勻，不易漏水漏肥。此外，噴灌水滴的蒸發(fā)和冠層截留會(huì)改變冠層附近的溫濕度[15-16]，增加空氣濕度[17]，形成農(nóng)田小氣候，尤其是在玉米大喇叭口期后，噴灌噴出的水分擊打玉米植株而形成更多的水氣，從而調(diào)節(jié)了玉米冠層濕度與溫度，改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境，提高作物的光合速率，同時(shí)降低蒸騰強(qiáng)度[6,18-19]，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)，噴灌較地面灌更利于小麥光合速率的提高與干物質(zhì)的積累，且以N270+3水處理的光合速率最高，其次為N180+1水處理。不同水肥供應(yīng)影響作物對(duì)氮素的吸收，從而影響葉綠素的合成而導(dǎo)致相對(duì)葉綠素含量SPAD值的變化。本研究發(fā)現(xiàn)，噴灌較地面灌更利于小麥葉片SPAD值的提高，而中氮不灌水更利于提高小麥葉片的SPAD值，說(shuō)明相對(duì)適度干旱更利于葉綠素的積累[20]。

土壤儲(chǔ)水量反映了作物生長(zhǎng)過(guò)中對(duì)土壤水分的消耗及土壤的儲(chǔ)水能力。本研究發(fā)現(xiàn)，隨生育期的推進(jìn)，小麥儲(chǔ)水量表現(xiàn)為先降后增再降而再增加的趨勢(shì)，抽穗期的儲(chǔ)水量最高，而灌漿期土壤儲(chǔ)水量最低，而施用氮肥促進(jìn)作物后期對(duì)水分的利用，從而導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水量下降迅速。不同灌溉方式對(duì)土壤水分環(huán)境及作物生理特征的影響，最終影響其產(chǎn)量和對(duì)水分的利用。本研究發(fā)現(xiàn)，在中低氮水平，隨灌水量的增加，兩種灌溉方式的小麥產(chǎn)量均表現(xiàn)為先增加再降低，地面灌以灌2水產(chǎn)量最高，而噴灌在灌1水條件下產(chǎn)量就達(dá)到了最高，說(shuō)明其節(jié)水增產(chǎn)效果明顯。前期小麥水肥的供應(yīng)對(duì)后茬玉米產(chǎn)生一定影響，在低氮和高氮水平，隨灌水量的增加，玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，而中氮水平表現(xiàn)為先增加而后降低的趨勢(shì)，且中氮水平的玉米產(chǎn)量相對(duì)較高。說(shuō)明，過(guò)多的灌水容易產(chǎn)生作物的“奢侈蒸騰”[21]，且并非灌水量與產(chǎn)量呈正比，適度缺水往往可以獲得高產(chǎn)[22]。而對(duì)于小麥、玉米周年累積效應(yīng)而言，噴灌周年產(chǎn)量和灌水利用率基本均高于地面灌。這可能與地面灌使得土壤硝態(tài)氮在作物根系層以下存在不同程度的累積[23-24]，從而阻礙了速效氮素與根系的接觸，進(jìn)而影響了作物對(duì)氮素的吸收與利用。在地面灌和噴灌條件下，均以小麥、玉米分別灌2水[450 m3/(hm2·次)]且周年施氮量510 kg/hm2的周年產(chǎn)量最高。周年灌水利用率在兩種灌溉條件下均以周年總施氮量390 kg/hm2+總灌水900 m3/hm2最高，其次為中氮(N240+N270)各灌1水處理。說(shuō)明，適當(dāng)減少灌水更利于周年小麥、玉米水分利用率的提高，且噴灌條件下更利于節(jié)水增產(chǎn)增效。因此，綜合因素考慮，基于該年度降雨量，推薦的小麥、玉米周年灌水施肥模式為：小麥N240+玉米N270+各2水[450 m3/(hm2·次)]，且采用噴灌更能實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效。