塔里木盆地西北緣區(qū)密植核桃的滴灌水肥適宜用量

付秋萍， 趙經(jīng)華， 馬 亮， 馬英杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

核桃由于其豐富的營養(yǎng)價值深受國內(nèi)外消費者喜愛。中國核桃種植面積及產(chǎn)量均居世界第一位，其中新疆是核桃的主產(chǎn)區(qū)之一[1]。新疆南疆塔里木盆地西北緣區(qū)以其廣闊的地域和良好的光熱條件等優(yōu)勢成為了核桃種植的優(yōu)勢地區(qū)。截止2018年底，該地區(qū)核桃種植面積已達3.78×105hm2，年產(chǎn)量達8.09×105t[2]。種植核桃已成為該地區(qū)促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)民可持續(xù)增收的主導產(chǎn)業(yè)，核桃種植面積逐年增加，并逐步往矮密種植模式發(fā)展。

新疆由于水資源極度匱乏，且降雨稀少、蒸發(fā)強烈，微灌技術(shù)得到長足發(fā)展。新疆核桃微灌灌溉模式和灌溉制度研究已逐步完善，通過對比分析漫灌、溝灌、低壓軟管灌、涌泉灌、滴灌以及微噴灌對核桃生長、產(chǎn)量以及品質(zhì)的影響，得出滴灌灌溉方式節(jié)水、增產(chǎn)、提質(zhì)效果均優(yōu)于其他灌水方式，并確定了適宜的核桃滴灌灌溉制度[3-5]。滴灌水肥一體化技術(shù)能夠根據(jù)作物需求，通過滴灌管網(wǎng)適時適量的將水肥施入作物根部，使水肥均勻分布于根區(qū)土壤，達到局部集中灌水和施肥效果，大幅度提高肥料利用率。農(nóng)業(yè)部亦將滴灌水肥一體化作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的“一號技術(shù)”。國內(nèi)外學者就滴灌條件下作物水肥耦合已開展了許多研究，結(jié)果表明滴灌條件下合理的灌溉施肥能顯著提高作物產(chǎn)量、水肥利用率，改善產(chǎn)品品質(zhì)[6-8]。新疆就滴灌水肥耦合也開展了許多研究，但大多集中在棉花、小麥和玉米等作物上，對核桃水肥研究較少，大多基于地面灌時的施肥模式，肥料施用量偏大且結(jié)果不一，且多為水或肥單因素影響分析[9-12]。部分的水肥耦合研究也僅分析了試驗處理[13]，但所謂的適宜灌溉與施肥有可能在所設(shè)處理之外。目前，求解作物最優(yōu)水肥耦合大多采用多元回歸方程，建立以水肥投入為自變量，以作物產(chǎn)量、品質(zhì)、水肥利用率等指標為目標的數(shù)學模型，通過求解方程目標極大值獲得最優(yōu)水肥配比[14-16]。其次，滴灌條件下水肥耦合研究主要集中在核桃的生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的分析上，對土壤剖面養(yǎng)分情況研究較少。

針對上述問題，本研究以核桃產(chǎn)量、水肥利用效率為目標，利用滴灌水肥一體化技術(shù)，研究南疆核桃不同水肥處理對土壤硝態(tài)氮含量及核桃產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用效率的影響，建立水肥投入量與核桃產(chǎn)量及灌溉水利用率的數(shù)學模型，探討以產(chǎn)量和灌溉水利用率為目標的最佳水肥管理策略，以期為南疆核桃滴灌水肥一體化技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年4—9月在新疆阿克蘇地區(qū)紅旗坡新疆農(nóng)業(yè)大學林果實驗基地(41°30′N，80°34′E)開展。試驗區(qū)地處新疆天山南麓中段，塔里木盆地的西北緣，海拔1 130 m左右，為典型的溫帶大陸性干旱氣候。降水稀少，多年平均降水量68.4 mm，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm左右(見圖1)；日照充足，多年平均日照時數(shù)2 910 h，年平均氣溫11.2 ℃，全年無霜期212 d，是新疆優(yōu)質(zhì)的果品重點生產(chǎn)區(qū)。2016年4月至9月試驗期間的氣象情況見圖1。試驗區(qū)地下水埋深6 m以下。0—60 cm土層土壤質(zhì)地為粉砂壤土，容重1.4 g/cm3左右。0—60 cm土層基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)為：全氮0.343 g/kg，全磷0.41 g/kg，全鉀18.898 g/kg，速效氮48.6 mg/kg，速效磷5.2 mg/kg，速效鉀155 mg/kg；土壤PH值8.01，有機質(zhì)含量7.145 g/kg。

圖1 2016年新疆阿克蘇地區(qū)核桃生育期試驗站氣象要素

1.2 試驗設(shè)計及過程

試驗供試核桃樹為9 a齡“溫185”，株行距2 m×3 m。核桃生育期具有明顯的生長階段性，根據(jù)已有研究[5]及實際觀測，把核桃生長期劃分為6個階段：萌芽期(3月底至4月14日)、開花結(jié)果期(0415—0509)、果實膨大期(0510—0603)、硬核期(0604—0705)、油脂轉(zhuǎn)化期(0706—0831)和成熟期(0901—0930)。核桃生育期需灌水及施肥，其中灌溉方式為滴灌，滴頭間距50 cm，滴頭流量3.75 L/h，一行兩管分別布設(shè)于核桃樹兩側(cè)距樹50 cm處。試驗所用的氮、磷、鉀肥分別為尿素(N≥46%)、磷酸一銨(N≥12.2%,P2O5≥60.5%)和鉀寶(K2O≥44%)。肥料均隨水滴施，過程為先滴水30 min后打開充分溶解好的施肥罐，保證在灌水結(jié)束前30 min完成肥料滴施。每個試驗小區(qū)均有獨立的施肥罐和水表，精確控制水肥量。田間管理同當?shù)睾颂覉@。

試驗設(shè)置灌水量和施肥量2因素3水平完全處理，每處理3次重復，共27個小區(qū)，按核桃樹行隨機排列。灌水處理：滴灌灌水定額分別為22.5,30,37.5 mm，全生育期共為375,435,495 mm，記為W1，W2和W3。肥料處理：生育期尿素和磷酸一銨按1∶1.25比例施入，施入量分別為當?shù)厥┓仕降?.5倍(2 250 kg/hm2)、當?shù)厥┓仕?4 500 kg/hm2)和當?shù)厥┓仕降?倍(9 000 kg/hm2)，用F1，F(xiàn)2和F3表示。具體試驗方案見表1。鉀肥不設(shè)梯度，滴施時間與磷酸一銨一致，每次均為666.7 kg/hm2，4次共2 666.8 kg/hm2。核桃園每年均有冬、春灌，灌水定額分別為120，75 mm，灌水方式采用地面灌。

表1 塔里木盆地西北緣區(qū)核桃樹滴灌灌水與施肥試驗方案

1.3 測定項目及方法

(1) 土壤養(yǎng)分。分別于各小區(qū)核桃樹開花結(jié)果期、果實膨大期、硬核期、油脂轉(zhuǎn)化期及成熟期，于施肥前一天打鉆取土，每20 cm一層，深度60 cm。采樣點為核桃樹任一側(cè)滴灌帶上距樹最近的滴頭灌水區(qū)域中，垂直于滴灌帶并朝著遠離樹的方向上距滴頭20 cm的位置(即距核桃樹70 cm左右)。每個處理取3棵樹，共3次重復。采用1 mol/L KCL浸提(水土比10∶1)-AA3流動注射分析儀測定土壤硝態(tài)氮含量[17]。

(2) 產(chǎn)量及品質(zhì)測定。從核桃坐果起，選取3棵樹，每棵樹選取3個核桃并做標記，采用0.01 mm的游標卡尺測定核桃果實縱橫徑，根據(jù)橢球公式計算體積。每5 d測定一次至核桃大小不再變化為止。核桃成熟后按小區(qū)收獲，每小區(qū)選取3棵樹測產(chǎn)，記錄每棵樹核桃個數(shù)后脫青皮，測定空殼率，隨機選取100顆核桃果實稱重測得核桃質(zhì)量，換算為1 hm2產(chǎn)量。收獲后各處理核桃仁送往農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(烏魯木齊，南昌路43號)測定核桃營養(yǎng)品質(zhì)，其中粗脂肪含量采用壓力膜法測定，總蛋白質(zhì)含量采用凱氏定氮法測定。

1.4 核桃灌溉水利用效率與偏肥料生產(chǎn)率計算

(1) 灌溉水利用效率IWUE。

IWUE=Y/I

(1)

式中：IWUE為核桃水分利用率〔kg/(hm2·mm)〕；Y為不同氮肥處理下核桃產(chǎn)量(kg/hm2)；I為灌水量(mm)。

(2) 肥料偏生產(chǎn)力PFP

肥料偏生產(chǎn)力PFP采用下式計算：

PFP=Y/F

(2)

式中：PFP為肥料偏生產(chǎn)力(kg/kg)；F為施肥量(kg/hm2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2016對數(shù)據(jù)處理與計算；應用DPS 7.5統(tǒng)計軟件進行雙因素方差分析和Duncan新復極差法進行不同處理差異顯著性分析[18]；Sigmaplot 12.0作圖[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌水肥處理對核桃土壤硝態(tài)氮的影響

滴灌下核桃根系對水肥的吸收區(qū)域主要為0—60 cm土層[13]，因此選取0—60 cm土層硝態(tài)氮進行分析。核桃生育期不同水肥處理0—60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量方差分析見表2。由表2可以看出，灌水或施肥單因素對核桃硬核期、油脂轉(zhuǎn)化期及成熟期硝態(tài)氮含量的影響均達到極顯著水平(p<0.01)；在果實膨大期，施肥單因素對土壤硝態(tài)氮含量影響達極顯著水平(p<0.01)，而灌水的影響無顯著性差異；在開花結(jié)果期，因為還未開始水肥處理梯度試驗，因此土壤硝態(tài)氮含量無顯著性差異；全生育期水肥交互效應對土壤硝態(tài)氮含量的影響無顯著性差異。在整個生育期，整體上W2，W3處理與W1處理土壤硝態(tài)氮存在顯著性差異，而W2與W3之間基本無顯著性差異；3種施肥水平對土壤硝態(tài)氮的影響幾乎均達顯著性水平。

表2 0-60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量方差分析

在同一灌水水平下，隨著生育期的推進，土壤硝態(tài)氮逐漸降低，灌水量越高，硝態(tài)氮量降低的越多，說明了灌水對核桃吸收氮肥的促進作用；在同一施肥水平下，F(xiàn)1和F2水平下硝態(tài)氮含量亦隨著生育期的推進而降低，而F3水平下硝態(tài)氮含量有增加趨勢，說明F3處理施肥水平造成了土壤硝態(tài)氮的累積，該處理肥料投入量過大；核桃在硬核期和油脂轉(zhuǎn)化期土壤硝態(tài)氮下降速度較其他生育期快，說明這兩個生育期為核桃需肥關(guān)鍵期，需保證氮肥的充分供應。

2.2 滴灌水肥處理對核桃品質(zhì)的影響

滴灌條件下不同水肥處理對核桃品質(zhì)的影響見表3。通過兩因素方差分析發(fā)現(xiàn)，灌水對核桃的外形品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)的影響均達到極顯著水平(p<0.01)；施肥對核桃體積、出仁率和脂肪的影響達到極顯著水平(p<0.01)，對單果重和蛋白質(zhì)存在顯著性影響(p<0.05)；水肥的交互作用只對核桃體積達極顯著影響(p<0.01)，而對其他核桃品質(zhì)的影響無顯著性差異。W1和W2處理除單果重無顯著性差異，其他品質(zhì)均差異顯著，而W2和W3正好與此相反。說明核桃品質(zhì)隨著灌水量的增加而提高，當灌水量達到W2后再增加，核桃品質(zhì)無顯著提高，甚至有降低的趨勢。F1和F2處理核桃品質(zhì)均有顯著性差異，F(xiàn)2和F3處理下只有單果重和出仁率有顯著性差異，且數(shù)值相差不大，而F2處理下的蛋白質(zhì)、脂肪以及單果重數(shù)值均大于或等于F3水平，說明核桃品質(zhì)隨著施氮量的增加先提高而后不變或者下降。由此可以推斷，在本試驗處理條件下，W2F2處理下核桃品質(zhì)最優(yōu)。

表3 不同水肥處理核桃品質(zhì)方差分析

2.3 滴灌水肥處理對核桃產(chǎn)量及水肥利用效率的影響

不同水肥處理對核桃產(chǎn)量及水肥利用率影響的方差分析如表4所示，其中灌水或施肥均對核桃產(chǎn)量Y，灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產(chǎn)力PFP的影響達極顯著水平(p<0.01)，水肥交互效應對產(chǎn)量Y和PFP有極顯著影響(p<0.01)，對灌溉水利用率IWUE有顯著影響(p<0.05)。W2和W3處理下核桃產(chǎn)量無顯著性差異，均與W1處理差異顯著；PFP和產(chǎn)量有相同的趨勢；灌溉水利用率IWUE在3種灌水處理下均差異顯著，且W2的IWUE值最高，該處理下產(chǎn)量值亦最高。施肥處理對產(chǎn)量，灌溉水利用率IWUE和PFP的影響均有顯著性差異。相對F1，F(xiàn)2和F3處理下核桃產(chǎn)量分別提高了17.3%，20.1%，灌溉水利用率分別提高了17.2%，20.0%，而氮肥偏生產(chǎn)力分別降低了41.3%，70.0%。3種灌水處理下W2水平最優(yōu)；而對氮肥處理而言，雖F3與F2處理下產(chǎn)量，灌溉水利用率IWUE和PFP均差異顯著，然從數(shù)值上看，F(xiàn)3產(chǎn)量和灌溉水利用率相對于F2處理只分別提高了2.42%和2.56%，而氮肥偏生產(chǎn)力卻下降了49.1%，而前面業(yè)已分析F3處理造成了土壤硝態(tài)氮累積。因此，從節(jié)約和環(huán)保的角度考慮，F(xiàn)2施肥處理相對優(yōu)于F3。

表4 不同水肥處理水平下產(chǎn)量、灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產(chǎn)力PFP方差分析

2.4 滴灌核桃適宜水肥用量分析

以水肥投入量為自變量，以核桃產(chǎn)量，灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產(chǎn)力PFP為目標，分別建立了二元二次回歸方程，列于表5。經(jīng)回歸分析可以看出，水肥投入對產(chǎn)量和PFP的影響達到了極顯著水平(p<0.01)，對灌溉水利用率IWUE的影響達到了顯著水平(p<0.05)，決定系數(shù)均在0.95以上。表明二元二次方程能很好的描述水肥投入與產(chǎn)量、IWUE和PFP的關(guān)系。進一步對產(chǎn)量、IWUE和PFP與水肥投入回歸方程驗證，對建立的核桃產(chǎn)量、IWUE和PFP與水肥關(guān)系的二元二次方程求解，對模型模擬值與實測值進行相關(guān)性分析，具體見圖2。預測值與實測值的比較選用標準均方誤差NRMSE和決定系數(shù)R2評價。研究表明，NRMSE<10%時模擬結(jié)果為優(yōu)，10%≤NRMSE<20%時模擬結(jié)果良好[20]。從圖2可以看出，產(chǎn)量、IWUE和PFP與水肥的回歸模型NRMSE均小于10%，決定系數(shù)R2均在0.97以上，模型模擬值與實測值線性相關(guān)達極顯著水平。因此，建立的數(shù)學模型對南疆核桃產(chǎn)量、IWUE和PFP有很高的準確性，可作為該區(qū)核桃水肥投入的依據(jù)。

圖2 核桃產(chǎn)量、灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產(chǎn)力PFP實測值與模擬值相關(guān)性

從表5回歸方程可以看出，肥料偏生產(chǎn)力回歸模型中，肥料的一次項及水肥交互項系數(shù)均為負值，說明肥料投入對PFP為負效應。產(chǎn)量，IWUE回歸數(shù)學模型中的一次項均為正值，表明水肥投入對產(chǎn)量和IWUE均有明顯的正效應，水肥交互項系數(shù)亦為正值，說明水肥投入對產(chǎn)量和IWUE存在互相促進作用；而水肥二次項系數(shù)均為負值，說明產(chǎn)量和IWUE與水肥投入量的關(guān)系均為開口向下的拋物面，表明過多的水肥投入會造成核桃減產(chǎn)，灌溉水利用率下降。

表5 水肥投入與產(chǎn)量，灌溉水利用率IWUE和肥料偏生產(chǎn)力PFP的回歸模型

回歸模型反映核桃產(chǎn)量和灌溉水利用率符合報酬遞減率。產(chǎn)量和IWUE模型分別對水肥求導并令其為零，可分別得出最高產(chǎn)量和最大灌溉水利用率時的水肥投入量以及最高產(chǎn)量和最大灌溉水利用率的值，詳見表6。由此可得，在該地區(qū)如追求最高產(chǎn)量，投入滴灌灌水量為469 mm，施肥量為7 168 kg/hm2。如追求灌溉水利用率，滴灌灌水量應為439 mm，施肥量7 074 kg/hm2。

表6 核桃最高產(chǎn)量和最大灌溉水利用率IWUE時水肥投入量

3 討 論

近幾年，隨著塔里木盆地西北緣區(qū)林果基地的建設(shè)，滴灌已在核桃園得到普遍推行。然而，不合理的肥料施入量，造成核桃樹徒長枝多，果實貪青晚熟、空殼率高，產(chǎn)量及品質(zhì)下降，嚴重制約著當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。本文鑒于此，在前人研究的基礎(chǔ)上，開展了當?shù)啬壳爸魍频拿苤卜N植模式下滴灌核桃水肥耦合研究，分析了不同水肥處理對核桃產(chǎn)量、品質(zhì)及水肥利用率的影響，通過建立灌水量和施肥量與核桃產(chǎn)量及灌溉水利用率的二元回歸數(shù)學模型，確定了適宜的水肥投入量，以期為當?shù)孛苤埠颂覉@的水肥管理提供參考。

核桃的產(chǎn)量與品質(zhì)是決定果農(nóng)經(jīng)濟效益的首要指標，提高產(chǎn)量與品質(zhì)是實現(xiàn)高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。土壤水分狀況和施肥量直接影響作物的生長和產(chǎn)量，灌溉施肥是保障土壤水肥狀況的關(guān)鍵[21]。然而大量的研究證明，水肥投入并不是越多越好，而是存在閾值，低于該閾值，增加水肥投入量具有增產(chǎn)效果；高于閾值，則會造成作物旺長、產(chǎn)量下降[16,22]。只有協(xié)調(diào)好水肥用量，才能達到高產(chǎn)高效，提高作物品質(zhì)。研究表明，過量施氮除阻礙作物產(chǎn)量的形成，降低水肥利用效率外，還可能引起土壤硝態(tài)氮累積而淋洗至地下水、增加溫室氣體N2O的排放等一系列環(huán)境問題[23-24]。本研究中也取得了類似的結(jié)果，滴灌條件下，增加灌溉和施肥可以提高核桃產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率，然而當水肥增加到一定量時，產(chǎn)量和品質(zhì)增加幅度很小甚至降低，水肥利用效率明顯降低。且F3處理施肥量明顯造成了土壤硝態(tài)氮的累積，增加污染環(huán)境的風險。

水肥耦合對作物產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用率的影響符合報酬遞減率，大多為開口向下的拋物面。許多學者為了尋找最大產(chǎn)量、水肥利用率等目標，建立了以水肥投入為自變量的二元二次回歸數(shù)學模型，由此可以計算出最適宜的水肥投入量，王振華等[16]建立了紅棗產(chǎn)量、品質(zhì)與水肥的二元回歸模型，確定了新疆南疆沙區(qū)成齡紅棗的水肥適宜用量；吳立峰等[25]以棉花產(chǎn)量、收益和水分利用效率為目標的水肥二元二次回歸方程，給出了多重目標下的棉花水肥投入?yún)^(qū)間。本試驗條件下，滴灌核桃水肥投入量與核桃指標亦符合該規(guī)律，建立了水肥投入與核桃產(chǎn)量、灌溉水利用率回歸模型，確定了該地區(qū)密植核桃模式下滴灌核桃適宜的水肥投入量。但由于本試驗只進行了一年，結(jié)果的可靠性有待進一步驗證。

4 結(jié) 論

(1) 核桃在硬核期和油脂轉(zhuǎn)化期對肥料的需求高于其他生育期，這兩個生育期為核桃需肥關(guān)鍵期，需保證肥料的充分供應。F3水平的施肥量過高，造成了土壤硝態(tài)氮的累積。

(2) 本試驗條件下，W2和W3對滴灌核桃品質(zhì)、產(chǎn)量和肥料偏生產(chǎn)力的影響上無顯著性差異，與W1差異顯著，W2處理灌水量較為適宜；除F2，F(xiàn)3對滴灌核桃體積、營養(yǎng)品質(zhì)的影響無顯著性差異外，施肥處理對核桃出仁率、產(chǎn)量和水肥利用效率有顯著影響。但由于F3施肥量造成了土壤硝態(tài)氮的累積，從節(jié)約能源和環(huán)境污染的角度考慮，不建議F3施肥量。綜合各指標分析可得出，合理的施肥量應介于F2與F3之間。

(3) 綜合水肥處理對滴灌核桃土壤硝態(tài)氮、產(chǎn)量及水肥利用效率分析，本試驗條件下，最優(yōu)水肥處理為W2F2，即全生育期(包括冬春灌)滴灌灌溉定額435 mm，施肥量4 500 kg/hm2，其中尿素2 000 kg/hm2，磷酸一銨2 500 kg/hm2；建立了水肥投入量與產(chǎn)量及灌溉水利用效率的二元二次回歸模型，并得出該地區(qū)滴灌核桃全生育期適宜的灌溉定額為439～469 mm(包括冬春灌)，適宜的施肥量為7 074～7 168 kg/hm2，即需滴施尿素3 144～3 186 kg/hm2，磷酸一銨3 930～3 982 kg/hm2。