沙區(qū)降解膜覆蓋下滴灌農(nóng)田水氮交互效應與模型研究

李仙岳 丁宗江 閆建文 郭 宇 冷 旭 王美榮

(內蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

合理的田間種植、灌溉、施肥模式與水肥管理是實現(xiàn)作物高產(chǎn)以及水肥資源高效利用的重要途徑，同時也是解決農(nóng)業(yè)發(fā)展造成環(huán)境污染問題的有效措施[1-3]。干旱區(qū)覆膜種植是減少土壤蒸發(fā)、提高水分利用效率的關鍵[4]，然而傳統(tǒng)普通塑料地膜由于難以降解導致大量白色污染[5]，影響作物生長，甚至出現(xiàn)覆膜的負效應[6]，生物可降解地膜由于能在自然狀態(tài)下分解為CO2和H2O，是目前研究的熱點[7]。研究表明，可降解地膜覆蓋下在降解誘導期土壤水熱與普通塑料地膜覆蓋無差異，在降解期土壤水熱略低于普通塑料地膜覆蓋，作物產(chǎn)量及水分利用效率與普通塑料地膜覆蓋差異較小，認為是解決白色污染的重要手段[8-10]。

膜下滴灌技術是公認的高效節(jié)水措施，在干旱區(qū)得到跨越式發(fā)展，近些年隨著膜下滴灌水肥一體化技術的迅速發(fā)展，國內外學者對膜下滴灌條件下不同作物的水肥耦合效應進行了大量研究[11-12]。目前主要集中在不同水肥組合處理對不同作物生長、產(chǎn)量、水肥利用效率以及經(jīng)濟效益等方面的影響研究[13]，如BADR等[14]通過4 個水氮水平的交互作用，確定了馬鈴薯合理的水氮用量。吳立峰等[15]研究表明，棉花滴灌施肥條件下60% ETC灌水水平會顯著抑制籽棉產(chǎn)量并降低凈收益，100%ETC灌水水平能顯著提高籽棉產(chǎn)量和凈收益，但水分利用效率低于60%ETC灌水水平。邢英英等[16]針對膜下滴灌溫室番茄水肥耦合效應的研究結果表明：當追求產(chǎn)量和氮肥利用率時，高水中肥能獲得較高的產(chǎn)量和氮肥利用效率以及較低的土壤硝態(tài)氮含量；當追求品質和水分利用效率時，低水中肥處理獲得最大的維生素 C、可溶性糖和番茄紅素含量以及較高的水分利用效率。通過對沙區(qū)馬鈴薯的水肥供應的研究表明，適宜的灌水量和氮、磷、鉀施用量不僅能維持馬鈴薯較好的生長特性，還能獲得較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[17]，且合理的水肥協(xié)同優(yōu)化組合可以提高水分、養(yǎng)分的利用效率，是實現(xiàn)高產(chǎn)的關鍵[18-20]。還有研究表明，水肥耦合作用下灌水量與施氮量的交互作用較顯著，水肥耦合影響玉米產(chǎn)量的順序由大到小為灌水量、施磷量、施氮量[21]。通過多元多次回歸模型進行水肥配施方案尋優(yōu)，既能確定不同因素的影響程度也能確定水肥調控的最佳組合方案，李楠楠等[22]通過水氮回歸數(shù)學模型確定了黑龍江省干旱地區(qū)膜下滴灌水肥優(yōu)化管理方案結果:在固定鉀肥用量128.2 kg/hm2、磷肥用量130.8 kg/hm2時, 玉米實際獲得最高產(chǎn)量12 333.33 kg/hm2的施氮量為375 kg/hm2、灌溉量為538.7 m3/hm2，張忠學等[23]利用四元二次方程得到了最優(yōu)玉米光合速率、產(chǎn)量及水分利用效率；何進宇等[24]采用通用旋轉組合設計試驗方法，建立了膜下滴灌旱作水稻水肥耦合模型，經(jīng)模型尋優(yōu)，得出了不同目標產(chǎn)量下的水、氮、磷最佳組合方案。目前盡管大量學者研究了可降解地膜覆蓋下的水分利用效率[25]、肥料利用效率[26-27]，以及可降解地膜覆蓋下滴灌農(nóng)田的節(jié)水增產(chǎn)效應[28]，然而對于可降解地膜覆蓋下滴灌水肥耦合研究較少，特別是在干旱沙區(qū)可降解地膜覆蓋下滴灌農(nóng)田水肥利用效率、水肥交互作用及耦合模型的研究未見報道。故本文主要針對干旱沙區(qū)可降解地膜覆蓋下滴灌水氮不同組合模式對玉米產(chǎn)量、水氮利用效率進行研究，并且根據(jù)不同水氮供應模式基于多元多次回歸模型構建沙區(qū)可降解地膜覆蓋下的水氮耦合模型，并進行方案尋優(yōu)，提出干旱沙區(qū)可降解地膜覆蓋下水氮優(yōu)化供應方案，以期為可降解地膜的推廣以及干旱沙區(qū)水氮高效利用奠定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

2016年和2017年2年試驗在內蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)烏蘭布和沙區(qū)木雷灘試驗站(東經(jīng)106°9′～107°10′，北緯40°9′～40°57′)進行。該試驗區(qū)屬中溫帶干旱氣候，干旱少雨，晝夜溫差大，風勢強烈，光熱資源豐富，無霜期年平均168 d，全年日照時長達3 181 h，6—8月大于15℃積溫2 200℃以上，年平均降雨量為102.9 mm，年平均蒸發(fā)量為2 258.8 mm。其中2016年和2017年生育期降雨量分別為141.5、36.6 mm，參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)分別為653.19、744.55 mm(圖1)。2年試驗在同一地塊進行，試驗田土壤均勻、質地為砂土，0～100 cm平均田間持水率為14.03%(質量含水率)，平均土壤容重為1.55 g/cm3。耕作層(0～60 cm)土壤總氮、有機質、速效氮、速效鉀和速效磷質量比分別為0.32 g/kg、2.61 g/kg、18.18 mg/kg、76.9 mg/kg、5.07 mg/kg。由于該地區(qū)多年采用地下水滴灌，2016、2017年生育期地下水埋深為6～8 m。

圖1 2016年和2017年全生育期ET0和降雨量Fig.1 ET0 and precipitation for growth period in 2016 and 2017

1.2 試驗材料

供試作物為當?shù)卮竺娣e種植的玉米(先鋒32D22)。選用磴口縣大眾塑料廠生產(chǎn)的普通聚乙烯塑料地膜(厚度為0.008 mm、寬度為70 cm)和山東省山東天壯環(huán)保有限公司生產(chǎn)可降解地膜(厚度為0.008 mm、寬度為80 cm)作為供試地膜，選用河南晉開化工投資控股集團有限公司生產(chǎn)的尿素硝酸銨溶液液體肥(含N 32%)作為追肥肥料。滴灌帶滴頭設計流量為2.4 L/h，滴頭間距為30 cm。施肥采用壓差式施肥罐施肥，灌水量通過水表控制，每個小區(qū)有獨立的施肥罐和水表。

1.3 試驗設計

以可降解膜覆蓋下滴灌灌水量和施氮量為2個變量因子進行隨機完全組合設計。灌水量分別為：W1(低水)、W2(中水)、W3(高水)3個水平；施氮量分別為：F1(低氮)、F2(中氮)、F3(高氮)3個水平。同時設置高氮(F3)條件下普通塑料地膜(P)覆蓋的W1(低水)、W2(中水)、W3(高水)3個灌水量水平作為可降解地膜的對照處理，試驗共12個處理。每個處理重復3次，共36個小區(qū)，進行隨機田間區(qū)組排列，小區(qū)長20 m，寬4.5 m，面積為90 m2。試驗種植方式為“一帶一膜兩行”，種植密度55 556株/hm2。試驗各因素田間施用量，以及經(jīng)歸一化處理后的編碼值見表1。

2年試驗分別在2016、2017年5月1日播種，于當年9月20日收獲，生育期時長143 d。所有處理灌水日期和灌水次數(shù)均相同，2016、2017年分別灌水11次和13次?；蕿槟蛩?含N：46%)、磷酸二銨(含P2O5：46%)、硫酸鉀(含K2O：50%)，追肥為尿素硝酸銨溶液液體肥(含N：32%)。磷肥和鉀肥各處理施用量相同，均為120 kg/hm2，全部作為基肥施入。氮肥分4次在不同生育期施入，分別為基肥20%、拔節(jié)期30%、抽雄期30%、灌漿期20%。滴灌施肥采用既可高效利用肥料又可避免滴頭堵塞的模式，即前1/4時間灌清水，中間1/2時間打開施肥罐施肥，后1/4時間再灌清水沖洗。

表1 試驗因素編碼與試驗設計Tab.1 Design of test factors and levels

1.4 測定項目與方法

(1)基本指標的測定

氣象數(shù)據(jù)測定：在試驗站內設置自動氣象站(HOBO-U30型)，每小時自動記錄降水量、太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度、風速等。

地上部分干物質量的測定：在每個生育期將所取玉米植株從莖基部與地下部分分離，去掉表面的塵土，稱其鮮質量，而后放入干燥箱中在105℃條件下殺青1 h，75℃恒溫干燥至恒質量，放入干燥器中冷卻，用電子天平稱量。每小區(qū)取3株玉米進行測定，求平均值。

產(chǎn)量的測定：成熟期在各個小區(qū)隨機取樣，每個小區(qū)取5個點，每個點分別取連續(xù)5株玉米，測其單株穗長、穗粗、穗質量，并將玉米穗脫粒，風干籽粒稱百粒質量與總粒質量，并折算成每公頃產(chǎn)量。

土壤水分的測定：每隔10 d測一次，灌溉、降雨前后加測，在每個小區(qū)取2個測點，每個測點在膜下和膜間取土，取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。

這第二種“正在形成或者繼續(xù)重建”的結構與存在論中的建構結構似乎具有某些相通之處。前提是，如果我們以存在主義觀點而非生物主義觀點來給這第二種結構定下基調——從人的活動即“此在”結構出發(fā)，就可以將“民間故事活動”看成一個“開放的活的”結構系統(tǒng)，始終處于未封閉的形成過程中，并通過不斷的交流進行調節(jié)達到暫時平衡。[注]此觀點詳見張瓊潔《當代民間故事活動價值發(fā)生研究》，《民族文學研究》，2018年，第1期。

(2)相關指標計算方法

耗水量(ET)的計算：采用水量平衡法計算不同時段內的耗水量，并進行累加，公式為

ET=P+I+ΔWS-Q

(1)

式中ET——作物全生育期內總耗水量，mm

P——有效降雨量，mm

I——有效灌溉量，mm

ΔWS——土壤貯水量，mm

Q——地下水的補給量和滲漏量，mm

由于灌溉方式為滴灌且該區(qū)域地下水位較深(6～8 m)，故忽略地下水補給量和滲漏量。

水分利用效率(WUE)為

WUE=Y/ET

(2)

式中Y——玉米產(chǎn)量，kg/hm2

氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)是指單位投入氮所能生產(chǎn)的作物的產(chǎn)量，其計算公式為

PFPN=Y/F

(3)

式中F——氮肥投入量，kg/hm2

(3)水氮耦合模型

(4)

式中y——玉米預測產(chǎn)量，kg/hm2

a0——回歸模型的常數(shù)項

a1、a2——回歸模型的一次項系數(shù)

a12——回歸模型的交互項系數(shù)

a11、a22——回歸模型的二次項系數(shù)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013 軟件進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 22.0 軟件進行回歸模型建立和統(tǒng)計分析，Origin 9.0 軟件進行繪圖。

2 結果分析

2.1 可降解地膜覆蓋下滴灌農(nóng)田水氮互作對玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響

合理的水氮供應是形成高產(chǎn)及水氮高效利用的基礎，2016年和2017年水氮交互作用對玉米產(chǎn)量及其構成因素的試驗結果(表2)有相似的規(guī)律，方差分析結果顯示，灌水量和施氮量對玉米產(chǎn)量及其構成因素都有極顯著的影響，對于干旱沙區(qū)由于氣候干燥嚴重缺水，灌水量是影響作物產(chǎn)量的首要因素，其次施氮高低也顯著影響玉米產(chǎn)量，水氮交互作用對玉米產(chǎn)量仍呈顯著差異。

由表2可知，在相同施氮量處理下隨著灌水量增加產(chǎn)量呈增加趨勢，相同灌水量平均后顯示從低水到中水2016年和2017年玉米產(chǎn)量平均增長32.02%和42.91%，2年平均為37.18%，而從中水到高水則分別為5.86%和6.59%，2年平均為6.22%，可見盡管灌水量高的處理產(chǎn)量也較高，但隨著灌水量的增加，灌水量對玉米的增產(chǎn)效應明顯減小。沙區(qū)施氮量對玉米產(chǎn)量影響也十分明顯，從低氮到中氮2016年和2017年玉米產(chǎn)量分別增長14.50%和23.12%，平均為18.81%，從中氮到高氮分別為4.00%和2.70%，平均為3.35%。但是水氮交互作用后最高產(chǎn)量并不是出現(xiàn)在高水高氮處理中，2年試驗顯示高水中氮(W3F2)處理產(chǎn)量均為最大，分別為13 875.16、13 805.02 kg/hm2；說明在高水情況下，施氮量不足與過量施氮都會抑制玉米的生長。產(chǎn)量最小的水氮組合均為低水低氮(W1F1)處理，分別為8 428.19、7 413.83 kg/hm2。玉米百粒質量、干物質量和穗粒數(shù)與產(chǎn)量變化趨勢基本一致，最大值均處在水氮的中高水平。

表2 水氮互作對玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響Tab.2 Effects of nitrogen and irrigation on maize yield and its components

注：同列數(shù)值后不同字母表示差異顯著，*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

在施肥量和灌水水平相同的情況下，可降解地膜和普通地膜覆蓋下產(chǎn)量及其構成因素非常接近，其中普通地膜覆蓋下的產(chǎn)量略高于降解地膜，基本無顯著差異，這和申麗霞等[29]的研究基本一致，但是在干旱沙區(qū)低水處理本身嚴重限制玉米生長，而可降解地膜在玉米生長后期由于地膜降解蒸發(fā)量加大，缺水進一步加大，從而導致低水處理普通地膜覆蓋下產(chǎn)量明顯高于可降解地膜覆蓋下玉米產(chǎn)量，低水處理可降解地膜覆蓋2年比普通地膜覆蓋玉米產(chǎn)量平均降低8.47%，而中水、高水平均僅降低1.28%和0.84%，無顯著差異。可見，在干旱沙區(qū)中水和高水處理下可降解地膜覆蓋下不同施氮量對產(chǎn)量無顯著差異，而低水處理下不同施氮量對玉米產(chǎn)量呈顯著差異，且普通地膜和降解地膜覆蓋產(chǎn)量也呈顯著差異，說明在水分充足條件下，可降解地膜覆蓋對玉米的生長與產(chǎn)量影響不顯著，并且降低施氮量玉米的產(chǎn)量也不會顯著降低。

2.2 可降解地膜覆蓋下滴灌農(nóng)田水氮互作對玉米水分利用效率與氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由于可降解地膜在作物生長后期地膜的降解和破損遠大于普通塑料地膜，從而增加了土壤的蒸發(fā)量，降低了水分利用效率[30]。由圖2a和圖2b可知，在相同施肥量條件下覆蓋普通地膜處理的耗水量均低于對應的可降解地膜，覆蓋普通地膜的W1、W2、W3處理2年平均耗水量低10.75%、9.13%和9.39%；而水分利用效率(WUE)，2年平均提高了21.87%、10.51%和10.41%。對于可降解地膜覆蓋農(nóng)田不同水氮互作處理農(nóng)田，在相同灌水水平下，隨施氮量的增加耗水量也增加，水分利用效率隨施氮量的增加呈拋物線趨勢，從低氮到中氮處理2年WUE平均增長7.99%，而從中氮到高氮WUE平均增長-3.66%。2016年和2017年最大WUE均出現(xiàn)在中肥(F2)處理；在相同施氮水平下，耗水量由大到小順序依次為W3、W2、W1，中水(W2)處理WUE均高于低水(W1)和高水(W3)處理?？梢娭挥羞m宜的水氮處理才能提高水分利用效率。2016年和2017年試驗的中水中氮(W2F2)處理的WUE分別為3.34、3.01 kg/m3，在所有處理中均最高。而高水中氮(W3F2)處理的產(chǎn)量最高(表2)，其2016年和2017年的WUE分別為3.31、2.97 kg/m3。可見對于干旱沙區(qū)可降解地膜覆蓋下的滴灌農(nóng)田中，高水中氮(W3F2)處理玉米產(chǎn)量和WUE均較高。

圖2 水氮互作對玉米水分利用效率與氮肥偏生產(chǎn)力的影響Fig.2 Effects of nitrogen and irrigation on water and nitrogen utilization

對2016年和2017年氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)方差分析可以看出(圖2c和圖2d)，可降解地膜和普通塑料地膜覆蓋下的PFPN差異并不顯著，說明可降解地膜對氮肥偏生產(chǎn)力的影響較小。通過對比分析2年覆蓋可降解地膜條件下不同水氮處理的PFPN可知，2016年和2017年PFPN最大均為高水低氮(W3F1)處理，分別為82.15、76.18 kg/kg；低水高氮(W1F3)處理的PFPN最小，分別為36.06、32.33 kg/kg。當灌水量相同時，PFPN與施氮量呈顯著的負相關，不同施氮處理間2年均存在顯著差異。當施氮量相同時，PFPN與灌水量呈正相關，其中W1的PFPN顯著低于W3與W2，且從低水到中水處理2年PFPN平均增長36.87%，而從中水到高水處理PFPN僅平均增長35.93%。說明玉米在滿足對水分的需求后，氮肥偏生產(chǎn)力會明顯提高。2年最高產(chǎn)量水平的高水中氮(W3F2)處理的PFPN分別為66.07、65.74 kg/kg，均僅次于高水低氮(W3F1)處理與中水低氮(W2F1)處理。

2.3 可降解地膜覆蓋下水氮耦合模型與方案優(yōu)化

2.3.1水氮耦合模型方程建立

利用2年的覆蓋可降解地膜水肥耦合玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)分別進行二元二次回歸模擬，得到2016年和2017年不同降雨水平年產(chǎn)量(y)與灌水量編碼值(x1)、施氮量編碼值(x2)的回歸模型為

(5)

(6)

2.3.2主因素效應分析

試驗所建立方程中兩因素編碼都為無量綱線性編碼，且各一次項、平方項、交互項的回歸系數(shù)間不相關,偏回歸系數(shù)已標準化。因此模型中回歸系數(shù)絕對值的大小可直接反映各因素對產(chǎn)量的影響程度。分析2年的回歸模型方程(5)、(6)可知，在一定范圍內，兩因素都有增產(chǎn)效應，且影響順序為灌水量(x1)大于施氮量(x2),說明在沙土地區(qū)可降解地膜覆蓋條件下灌水的作用大于施氮。

2.3.3單因素效應分析

為了進一步討論單個因素的單獨作用對產(chǎn)量的效應，現(xiàn)對回歸方程(5)、(6)進行降維處理，將兩個因素中的一個設為零水平，可得灌水量(yw)與施氮量(yF)的單因素效應函數(shù)為

(7)

(8)

(9)

(10)

各因素對產(chǎn)量的效應如圖3所示。由圖3可知，其中一個因素為零水平時，2016年和2017年的玉米產(chǎn)量隨灌水量和施氮量的變化曲線均為開口向下的拋物線，水氮單因素對產(chǎn)量的效應均為正效應，但隨水氮量的增加，產(chǎn)量增加越來越緩慢，符合報酬遞減效應，存在產(chǎn)量最大值點，水氮兩因素相比較，水對產(chǎn)量的增產(chǎn)效應更顯著。2016年，當x1=0.818時，對應灌水量為314.99 mm，玉米產(chǎn)量達到最大值，為13 377.14 kg/hm2。當x1小于0.818時，玉米產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加，當x1大于0.818時，玉米產(chǎn)量隨灌水量增加而降低。當x2等于0.962時，對應施氮量為277.34 kg/hm2，玉米產(chǎn)量達到最大值，為13 096.71 kg/hm2。當x2小于0.962時，玉米產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，當x2大于0.962時，玉米產(chǎn)量隨施氮量增加而降低。2017年，當x1等于0.767時，對應灌水量為367.28 mm，玉米產(chǎn)量達到最大值，為13 433.59 kg/hm2。當x1小于0.767時，玉米產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加，當x1大于0.767時，玉米產(chǎn)量隨灌水量增加而降低。當x2等于0.668時，對應施氮量為256.76 kg/hm2，玉米產(chǎn)量達到最大值，為13 015.57 kg/hm2。當x2小于0.668時，玉米產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，當x2大于0.668時，玉米產(chǎn)量隨施氮量增加而降低。由2016年和2017年的水氮兩因素變化曲線規(guī)律說明，在一定范圍內灌水量與施氮量的增加有利于提高玉米的產(chǎn)量，而過量灌水施氮與過少灌水施氮都會抑制玉米的生長。

圖3 單因素對產(chǎn)量影響的效應曲線Fig.3 Effect curves of single factor on yield

2.3.4單因素邊際效應分析

邊際產(chǎn)量可反映各因素的最適投入量和單位水平投入量變化對產(chǎn)量增加或減少速率的影響，各因素在不同水平時的邊際產(chǎn)量可通過對回歸子模型(7)～(10)求一階偏導求出，得到施氮量、灌水量的邊際效應方程為

圖4 產(chǎn)量邊際效應分析Fig.4 Analysis of marginal effect of yield

2016年 dyw/dx1=1 848.37-2 258.74x1

(11)

dyF/dx2=989-1 027.76x2

(12)

2017年 dyw/dx1=2 177.03-2 835.8x1

(13)

dyF/dx2=1 251.21-1 874.3x2

(14)

根據(jù)兩因素邊際函數(shù)繪制出對應的邊際效應圖(圖4)?？梢钥闯觯S著灌水量和施氮量的增加，邊際玉米產(chǎn)量效應均呈現(xiàn)遞減趨勢，直到出現(xiàn)負增長。圖4縱坐標大于零表示因素可促進玉米生長，小于零表示會抑制玉米的生長。2016年，當x1小于0.818時，灌水會促進玉米生長，當x1大于0.818時，灌水會抑制玉米生長。當x2小于0.962時，施氮會促進玉米生長，當x2大于0.962時，施氮會抑制玉米生長。2017年，當x1小于0.767時，灌水會促進玉米生長，當x1大于0.767時，灌水會抑制玉米生長。當x2小于0.668時，施氮會促進玉米生長，當x2大于0.668時，施氮會抑制玉米生長。

2.3.5兩因素交互作用分析

玉米的產(chǎn)量是受水氮兩因素共同作用影響的，它們之間存在著相互促進或相互抑制的關系。圖5是灌水量和施氮量對玉米產(chǎn)量的互作效應三維關系?？梢钥闯?，當灌水量一定時，玉米的產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先上升后下降的趨勢；同樣，當施氮量一定時，玉米的產(chǎn)量隨灌水量的增加呈先上升后下降的趨勢。2016年產(chǎn)量模擬最大值為13 944.8 kg/hm2，對應x1為0.857，即灌水量為318.2 mm，x2為0.984，即施氮量為278.88 kg/hm2；2017年產(chǎn)量模擬最大值可達到14 067.28 kg/hm2，對應x1為0.857，即灌水量為376.1 mm，x2為0.857，即施氮量為269.99 kg/hm2。由此可見，灌水量與施氮量間有很好的耦合作用，玉米的高產(chǎn)均出現(xiàn)在灌水施氮的中高水平。

圖5 水氮對玉米產(chǎn)量的互作效應Fig.5 Effects of nitrogen and irrigation on maize yield

2.3.6組合方案優(yōu)化

為得出2年覆蓋可降解地膜條件下，玉米不同目標產(chǎn)量的最優(yōu)水氮組合方案，采用頻數(shù)法對式(5)、(6)進一步分析，在-1～1之間等距取5個水平(-1、-0.5、0、0.5、1)。通過模擬求得，在所得25套組合方案中，玉米產(chǎn)量在11 000～12 000 kg/hm2的方案有7套，產(chǎn)量在12 000～13 000 kg/hm2的方案有7套，產(chǎn)量在13 000～14 000 kg/hm2的方案有7套。其優(yōu)化組合方案見表3，尋優(yōu)過程中均值、標準差和95%置信區(qū)間的計算公式從略。由表3可知，在干旱沙區(qū)可降解地膜覆蓋滴灌條件下得到2年不同降雨量情況下不同目標產(chǎn)量的水氮組合方案：①當玉米產(chǎn)量在11 000～12 000 kg/hm2區(qū)間時，2016年灌水量201.19～293.80 mm，施氮量134.94～245.06 kg/hm2；2017年灌水量233.77～278.10 mm，施氮量186.41～268.59 kg/hm2。②當玉米產(chǎn)量在12 000～13 000 kg/hm2區(qū)間時，2016年灌水量242.52～314.35 mm，施氮量170.78～231.72 kg/hm2；2017年灌水量280.80～362.70 mm，施氮量174.14～259.86 kg/hm2。③當玉米產(chǎn)量在13 000～14 000 kg/hm2區(qū)間時，2016年灌水量247.23～338.07 mm，施氮量208.10～287.90 kg/hm2；2017年灌水量290.03～397.31 mm，施氮量207.85～282.15 kg/hm2。

表3 目標產(chǎn)量尋優(yōu)方案Tab.3 Schemes for optimizing maize target yields

3 結論

(1)與普通塑料地膜覆蓋相比，在干旱沙區(qū)可降解地膜覆蓋下低水(W1)、中水(W2)和高水(W3)2年WUE平均分別降低21.87%、10.51%和10.41%。而在水分充足條件下(高水)玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量構成因素和氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)無顯著差異。低水處理下可降解地膜覆蓋比普通塑料地膜覆蓋玉米產(chǎn)量平均降低8.47%，而中水、高水平均僅降低1.28% 和0.84%，無顯著差異。

(2)干旱沙區(qū)可降解膜覆蓋下灌水量、施氮量及水氮耦合效應均對玉米的產(chǎn)量及其構成因素、WUE和 PFPN有顯著影響，影響程度由大到小為灌水量、施氮量、水氮耦合。不同水氮處理之間存在明顯的交互效應，較低土壤水分會限制產(chǎn)量和PFPN，且較低的土壤氮含量會限制產(chǎn)量和WUE。隨著灌水量增加產(chǎn)量和PFPN均呈增加趨勢，從低水到中水處理2016年和2017年玉米產(chǎn)量平均增長32.02%和42.91%，但從中水到高水處理則僅為5.86%和6.59%；WUE呈先增大后降低的趨勢，中水處理WUE均高于低水和高水處理。從低氮到中氮處理2016年和2017年玉米產(chǎn)量分別增長14.50%和23.12%，但從中氮到高氮處理僅為4.00%和2.70%；WUE隨施氮量增加呈拋物線趨勢。2年最大產(chǎn)量均出現(xiàn)在高水中氮(W3F2)處理，分別為13 875.16、13 805.02 kg/hm2。

(3)以產(chǎn)量為目標建立了水氮二元二次回歸模型方程，得出水氮均對玉米有顯著的增產(chǎn)作用，作用由大到小為灌水量、施氮量，且水氮之間具有明顯的交互作用。在干旱沙區(qū)可降解地膜覆蓋滴灌條件下得到2年降雨量不同情況下較高目標產(chǎn)量的最優(yōu)水氮組合方案：當玉米產(chǎn)量在13 000～14 000 kg/hm2區(qū)間時，2016年灌水量247.23～338.07 mm，施氮量208.10～287.90 kg/hm2；2017年灌水量290.03～397.31 mm，施氮量207.85～282.15 kg/hm2。并經(jīng)過2年實測產(chǎn)量的驗證，結果均吻合，表明模型具有很好的準確性，可為干旱沙區(qū)玉米生產(chǎn)進行預測。

(4)綜合考慮干旱沙區(qū)玉米生長環(huán)境，膜下滴灌施肥的覆膜類型以及不同水氮供應對玉米生長、產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響，覆蓋可降解地膜膜下滴灌施肥，水氮配比為W3F2處理(灌水量2016年330 mm、2017年390 mm；施氮量210 kg/hm2)分別對應在不同降雨水平年的最高目標產(chǎn)量范圍內，且具有較高的WUE與PFPN，可作為干旱沙區(qū)較為合理的水肥管理模式，在保護環(huán)境的同時，實現(xiàn)水肥高效利用且能保證玉米產(chǎn)量。