水肥熱耦合對滴灌青貯玉米生長、光合及產(chǎn)量的影響

單 寧，田軍倉，2，3，閆新房，2，3，沈 暉，2，3

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川750021）

0 引 言

玉米分布廣泛，是我國的高產(chǎn)糧食作物。青貯玉米產(chǎn)量高、營養(yǎng)價值好，是畜牧業(yè)發(fā)展的重要飼料來源[1]。隨著人民生活水平不斷提高以及畜牧業(yè)規(guī)?；l(fā)展，人們對優(yōu)質(zhì)肉、蛋、奶的需求不斷增加，以青貯玉米為主要飼草供給來源的資源短缺問題將會成為制約飼料工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展的瓶頸[2]。寧夏位于我國西北干旱地區(qū)，光熱資源豐富，蒸發(fā)強烈，全年降雨少，水資源匱乏，晝夜溫差大，秋冬和早春季節(jié)室外氣溫極低，難以滿足植株生長的溫度要求，沒有增溫措施的作物生產(chǎn)存在著極大風(fēng)險，嚴重制約著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。引黃灌區(qū)用水農(nóng)業(yè)占比較大[3]，水肥資源利用率低[4]。因此，在西北干旱缺水地區(qū)對土壤水、肥、熱進行綜合調(diào)控非常必要。

目前，關(guān)于玉米節(jié)水灌溉的研究多集中在覆膜條件下不同滴灌水分處理影響[5?7]、覆膜條件下滴灌水肥耦合[8]、充分滴灌條件下不同覆膜方式的影響[9]、滴灌條件下不同覆膜方式和施肥量對其的影響[10]、滴灌條件下不同覆膜方式和灌水量對其的影響[11]。上述研究表明，目前關(guān)于玉米滴灌的研究多集中在水、肥、熱單因素或水肥耦合，但是滴灌土壤水肥熱三因素耦合對青貯玉米生長、光合和產(chǎn)量的影響鮮見報道。

本文以寧夏賀蘭縣青貯玉米為對象，開展了滴灌土壤水肥熱三因素耦合對青貯玉米生長、光合和產(chǎn)量的影響研究，旨在確定各因素最優(yōu)的組合方案，為寧夏引黃灌區(qū)青貯玉米的提質(zhì)增效提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年5月至8月在寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣常信鄉(xiāng)于祥村現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)基地進行（106°16'54″～106°18'13″E，38°40'19″～38°41'38″N）。試驗田土壤屬壤土，0～20 cm 播前土壤干容重為1.39 g/cm3，田間持水率為22.05%(占干土重%)，初始土壤中的pH 值為7.67，全鹽量為0.5 g/kg，堿解氮為60 mg/kg，速效磷為9.7 mg/kg，速效鉀為187 mg/kg，有機質(zhì)為8.04 g/kg。2020年玉米生育期降雨量為148 mm，其中5月為10.1 mm，6月為41.8 mm，7月為13.6 mm，8月為82.5 mm；地下水埋深為1.66 m。

1.2 試驗設(shè)計與實施

采用正交試驗，設(shè)置灌溉定額A、追肥量B、根區(qū)溫度C 3 個因素，每個因素設(shè)3 個水平，每個處理3 次重復(fù)，共設(shè)27個小區(qū)。正交試驗因素與水平編碼見表1，正交試驗方案見表2，其中灌水、追肥中水平根據(jù)文獻并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況設(shè)定。設(shè)置CK處理1個，灌溉定額為中水平，追肥量為中水平，不覆膜。旨在研究滴灌水肥熱三因素耦合對青貯玉米生長、光合及產(chǎn)量的影響規(guī)律，確定各因素最優(yōu)的組合方案。

表1 正交試驗因素與水平編碼Tab.1 Orthogonal experimental factors and horizontal coding

表2 正交試驗方案Tab.2 Orthogonal experimental scheme

本試驗供試玉米品種為“先玉1225”。2020年5月3日種植，9月4日收獲。采用機播寬窄行布置，窄行間距為45 cm（種植兩行玉米），寬行間距為85 cm，株距20 cm，種植密度為5 130 株/hm2。每個處理分3 個小區(qū)，每個小區(qū)長17 m，寬3.9 m（3 個寬窄行）。兩行玉米中間鋪設(shè)一條內(nèi)嵌貼片式滴灌帶，管徑16 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.5 L/h，每條滴灌帶首端安裝小球閥進行控制。2020年4月12日施基肥，分別為尿素（N≥46%）300 kg/hm2和磷酸二銨（總養(yǎng)分≥64%，N?P2O5?K2O，18?46?0）900 kg/hm2。每個處理間設(shè)1.3 m 的隔離帶，防止水、肥側(cè)向滲漏。灌溉水源為地下水，全生育期共灌水7 次，其中苗期1 次，各處理灌水定額為270 m3/hm2，拔節(jié)期2 次、抽雄期2 次、吐絲期1 次、灌漿期1 次，各次灌水的低、中、高灌水定額水平分別為225、300 和375 m3/hm2；全生育期共追肥4 次，均為尿素（N≥46%），其中拔節(jié)期1 次、抽雄期2 次、吐絲期1 次，各次追肥的低、中、高追肥定額水平分別為108、135 和162 kg/hm2（抽雄期第1 次追肥定額為低、中、高追肥定額水平的67%）。

1.3 測定項目與方法

各處理分別選取并標(biāo)記3株長勢均勻的青貯玉米，采用卷尺和游標(biāo)卡尺測量青貯玉米株高、莖粗，青貯玉米葉面積指數(shù)采用Montgomery法[12]測定。

青貯玉米（抽雄期?灌漿期）的光合作用測定在天氣晴朗的天氣進行（8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00），采用便攜式光合作用測量系統(tǒng)（LI?6800，美國LI?COR 公司生產(chǎn)）對青貯玉米葉片凈光合速率A、蒸騰速率E、氣孔導(dǎo)度Gs及胞間二氧化碳濃度Ci進行了測定，每處理重復(fù)3次。

采用地溫計測量青貯玉米不同處理土壤5、10、15、20、25 cm 深度的溫度，測量的時間為一天中的8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00。

在青貯玉米乳熟期（9月4日）對每個處理及重復(fù)選取3個樣方測定鮮生物產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計及圖表繪制使用Excel 2016 和Origin 2018 完成，采用DPS 7.05進行極差與方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型地膜覆蓋下青貯玉米0～25 cm根區(qū)溫度日變化

對青貯玉米不同覆膜處理測得的5、10、15、20、25 cm不同深度和時刻的根區(qū)溫度進行平均，得到0～25 cm 根區(qū)溫度日變化見圖1。不同類型地膜覆蓋下青貯玉米0～25 cm 根區(qū)溫度日變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為8∶00?14∶00 逐漸升高，到14∶00 時溫度達到最大，16∶00?18∶00 略有下降。其中無膜條件下8∶00?18∶00 的青貯玉米0～25 cm 根區(qū)溫度為21.6 ℃，普通地膜為22.7 ℃，無紡布除草膜為22.1 ℃，由此可見，覆普通地膜時0～25 cm 的日平均地溫最高，比覆除草膜高2.71%，比不覆膜高5.09%，覆除草膜比不覆膜高2.31%。因此，覆普通地膜時對玉米根區(qū)保溫最有利。

圖1 不同類型地膜覆蓋下青貯玉米0～25 cm根區(qū)溫度日變化Fig.1 Diurnal variation of temperature in 0～25 cm root zone of silage maize under different types of plastic film mulching

2.2 不同處理對青貯玉米生長指標(biāo)的影響

2.2.1 不同處理對青貯玉米株高的影響

從圖2可知，自試驗方案實施以后，不同試驗處理的青貯玉米株高差異明顯。在8月5日（灌漿期）逐漸穩(wěn)定，此時T9處理的青貯玉米株高最大，比CK 處理高6.77%，CK 比T1 處理高6.57%。由極差分析得，三因素對青貯玉米株高的影響順序依次為灌溉定額>追肥量>根區(qū)溫度。

圖2 不同處理青貯玉米株高變化Fig.2 Changes of plant height of Silage maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定額對青貯玉米株高有極顯著影響，追肥量對青貯玉米株高有顯著影響，根區(qū)溫度對青貯玉米株高無顯著影響。由圖3可知，青貯玉米的株高隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大而增高。綜合考慮參考組合A3B3C2（T9 處理）、顯著性及節(jié)本增效等因素，確定青貯玉米株高各因素最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2，追肥量為594 kg/hm2（純N為273.24 kg/hm2），覆普通地膜，最優(yōu)株高為374.0 cm。

圖3 株高與各因素關(guān)系Fig.3 Relationship between plant height and various factors

2.2.2 不同處理對青貯玉米莖粗的影響

由圖4可知，隨著生育期的推移，不同處理青貯玉米的莖粗變化表現(xiàn)為快速增長?緩慢增長?趨于穩(wěn)定的趨勢。苗期?拔節(jié)玉米莖粗增長最快，抽雄期以后逐漸穩(wěn)定。在8月5日（灌漿期）基本穩(wěn)定，此時T9 處理的最高，比CK 處理高10.72%，CK 比T1 處理高了3.34%。由極差分析得，三因素對青貯玉米莖粗的影響順序依次為灌溉定額>根區(qū)溫度>追肥量。

圖4 不同處理青貯玉米莖粗變化Fig.4 Changes of stalk diameter of silage maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定額對青貯玉米莖粗有極顯著影響，根區(qū)溫度對青貯玉米莖粗有顯著影響，追肥量對青貯玉米莖粗無顯著影響。由圖5可知，青貯玉米的莖粗隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大而增大。綜合考慮參考組合A3B3C2（T9 處理）、顯著性及節(jié)本增效等因素，確定青貯玉米莖粗最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2，追肥量為594 kg/hm2（純N為273.24 kg/hm2），覆普通地膜，最優(yōu)莖粗為28.81 mm。

圖5 莖粗與各因素關(guān)系Fig.5 Relationship between stem diameter and various factors

2.2.3 不同處理對青貯玉米葉面積指數(shù)的影響

由圖6可知，隨著生育期的推移，不同處理青貯玉米的葉面積指數(shù)變化表現(xiàn)為快速增長?緩慢增長?趨于穩(wěn)定的趨勢。8月5日，T9 處理的葉面積指數(shù)最大，比CK 高了15.87%，CK比T1 處理高了6.18%。由極差分析得，三因素對青貯玉米葉面積指數(shù)的影響順序依次為灌溉定額>根區(qū)溫度>追肥量。

圖6 不同處理青貯玉米葉面積指數(shù)變化Fig.6 Changes of leaf area index of Silage maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定額對青貯玉米葉面積指數(shù)有極顯著影響，根區(qū)溫度對青貯玉米葉面積指數(shù)有顯著影響，追肥量對青貯玉米葉面積指數(shù)無顯著影響。由圖7可知，青貯玉米的葉面積指數(shù)隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大呈增加趨勢。綜合考慮參考組合A3B3C2（T9 處理）、顯著性及節(jié)本增效等因素，確定青貯玉米葉面積指數(shù)最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2，追肥量為594 kg/hm2（純N 為273.24 kg/hm2），覆普通地膜，最優(yōu)葉面積指數(shù)為6.57。

圖7 葉面積指數(shù)與各因素關(guān)系Fig.7 Relationship between leaf area index and various factors

2.3 不同處理對青貯玉米光合作用的影響

2.3.1 不同處理對青貯玉米凈光合速率日變化的影響

由圖8可以看出，不同處理青貯玉米的葉片凈光合速率日變化呈“凸雙峰曲線”趨勢。在兩個峰值處的凈光合速率，T9處理分別比CK 增大了37.47%、11.47%，CK 分別比T1處理高了48.46%、66.13%；在谷值處的凈光合速率，T9處理比CK提高20.75%，CK 比T1 處理增大8.80%。由極差分析得，三因素對青貯玉米葉片凈光合速率的影響順序依次為灌溉定額>追肥量>根區(qū)溫度。

圖8 不同處理玉米凈光合速率日變化Fig.8 Daily variation of net photosynthetic rate of maize under different treatments

由方差分析可知，灌溉定額對青貯玉米葉片凈光合速率有極顯著影響，追肥量和根區(qū)溫度對青貯玉米葉片凈光合速率無顯著影響。由圖9可知，青貯玉米的凈光合速率隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大而增高。綜合考慮參考組合A3B3C2（T9 處理）、顯著性及節(jié)本增效等因素，確定青貯玉米的凈光合速率葉片最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2，追肥量為594 kg/hm2（純N 量為273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青貯玉米的葉片日凈光合速率最大為34.74 μmol/(m2·s)。

圖9 凈光合速率與各因素關(guān)系Fig.9 Relationship between net photosynthetic rate and various factors

2.3.2 不同處理對青貯玉米蒸騰速率日變化的影響

由圖10可以看出，不同處理青貯玉米葉片的蒸騰速率日變化呈“凸拋物線”形式。在12：00 時T9 處理的蒸騰速率最大，T1 處理的最小。在峰值處青貯玉米葉片的蒸騰速率，T9處理比CK 提高7.69%，T1 處理比CK 降低59.18%。由極差分析得，三因素對青貯玉米葉片蒸騰速率的影響順序依次為灌溉定額>追肥量>根區(qū)溫度。

圖10 不同處理玉米蒸騰速率日變化Fig.10 Diurnal variation of maize transpiration rate under different treatments

由方差分析可知，灌溉定額對青貯玉米葉片蒸騰速率影響顯著，追肥量和根區(qū)溫度對青貯玉米葉片蒸騰速率無顯著影響。由圖11可知，青貯玉米的蒸騰速率隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大而增高。綜合考慮參考組合A3B3C2（T9處理）、顯著性及節(jié)本增效等因素，確定最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2，追肥量為594 kg/hm2（純N 量為273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青貯玉米的葉片日蒸騰速率最大為0.016 8 mol/(m2·s)。

圖11 蒸騰速率與各因素關(guān)系Fig.11 Relationship between transpirationrate and various factors

2.4 不同處理對青貯玉米產(chǎn)量的影響

2.4.1 不同處理對青貯玉米鮮生物產(chǎn)量的影響

不同處理青貯玉米鮮生物產(chǎn)量見圖12，可以看出T9 處理的鮮生物產(chǎn)量最大，達到了96 638 kg/hm2，比CK 提高14.96%，CK 比T1 處理提高8.36%。由極差分析得，三因素對青貯玉米鮮生物產(chǎn)量的影響順序依次為灌溉定額>追肥量>根區(qū)溫度。

圖12 不同處理青貯玉米鮮生物產(chǎn)量Fig.12 Fresh biomass yield of silage maize under different treatments

由表3可知，灌溉定額和追肥量對青貯玉米鮮生物產(chǎn)量影響顯著，根區(qū)溫度對鮮生物產(chǎn)量影響不顯著。由圖13可知，青貯玉米的鮮生物產(chǎn)量隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大而增大。綜合考慮參考組合A3B3C2（T9 處理）、顯著性及節(jié)本增效等因素，確定最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2，追肥量為594 kg/hm2（純N 為273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青貯玉米鮮生物產(chǎn)量為96 638 kg/hm2。

表3 鮮生物產(chǎn)量與三因素關(guān)系方差分析結(jié)果Tab.3 Results of variance analysis of the relationship between fresh biomass yield and three factors

圖13 鮮生物產(chǎn)量與各因素關(guān)系Fig.13 Relationship between fresh biomass yield and various factors

2.4.2 不同處理對青貯玉米籽粒產(chǎn)量的影響

青貯玉米一般是指在適宜的時期內(nèi)收獲的地上部全株綠色植株，經(jīng)粉碎加工后儲藏發(fā)酵制成飼料的一種玉米，但為了研究需要，對籽粒產(chǎn)量也進行了收獲。不同處理青貯玉米籽粒產(chǎn)量見圖14。其中T9 處理的籽粒產(chǎn)量最大，達到了14 927 kg/hm2，比CK 提高13.25%，CK 比T1處理提高7.04%。由極差分析得，三因素對青貯玉米籽粒產(chǎn)量的影響順序依次為灌溉定額>追肥量>根區(qū)溫度。

圖14 不同處理青貯玉米籽粒產(chǎn)量Fig.14 Grain yield of silage maize under different treatments

由表4可知，灌溉定額和追肥量對青貯玉米籽粒產(chǎn)量影響極顯著，根區(qū)溫度對籽粒產(chǎn)量影響不顯著。從圖15可知，青貯玉米的籽粒產(chǎn)量隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大而增大。綜合考慮參考組合A3B3C2（T9 處理）、顯著性及節(jié)本增效等因素，確定最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2，追肥量為594 kg/hm2（純N 為273.24 kg/hm2），覆普通地膜，青貯玉米籽粒產(chǎn)量為14 927 kg/hm2。

表4 籽粒產(chǎn)量與三因素關(guān)系方差分析結(jié)果Tab.4 Results of variance analysis on the relationship between grain yield and three factors

圖15 籽粒產(chǎn)量與各因素關(guān)系Fig.15 Relationship between grain yield and various factors

3 結(jié) 論

（1）極差分析表明：土壤水肥熱三因素耦合對青貯玉米株高、凈光合速率、蒸騰速率、鮮生物產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量的影響順序依次為灌溉定額＞追肥量＞根區(qū)溫度，對莖粗、葉面積指數(shù)的影響順序依次為灌溉定額>根區(qū)溫度>追肥量。青貯玉米的株高、莖粗、葉面積指數(shù)、凈光合速率、蒸騰速率、鮮生物產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量隨著灌溉定額、追肥量和根區(qū)溫度的增大而增大。

（2）方差分析表明：土壤水肥熱三因素耦合對青貯玉米各項指標(biāo)影響的顯著性為：灌溉定額對青貯玉米株高、莖粗、葉面積指數(shù)、凈光合速率、籽粒產(chǎn)量影響極顯著，對蒸騰速率和鮮生物產(chǎn)量影響顯著；追肥量對青貯玉米籽粒產(chǎn)量有極顯著影響，對青貯玉米株高、鮮生物產(chǎn)量有顯著影響；根區(qū)溫度對青貯玉米莖粗、葉面積指數(shù)有顯著影響。

（3）在生育期內(nèi)降雨量為148 mm、地下水埋深為1.66 m條件下，綜合考慮水肥熱耦合對青貯玉米生長、光合及產(chǎn)量的影響，確定各因素最優(yōu)組合為A3B3C2，即灌溉定額為2 520 m3/hm2、追肥量為594 kg/hm2（純N 為273.24 kg/hm2）、覆普通地膜各項指標(biāo)較好，鮮生物產(chǎn)量為96 638 kg/hm2，比CK 增產(chǎn)14.96%，籽粒產(chǎn)量為14 927 kg/hm2，比CK 增產(chǎn)13.25%。這是由于在本試驗條件下，最優(yōu)組合方案可促進作物進行光合作用，持續(xù)供給作物生長必要的養(yǎng)分，保持土壤水分、提高作物根區(qū)溫度，有利于青貯玉米鮮生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量的積累。

土壤水肥熱三因素相互協(xié)調(diào)，共同促進作物生長發(fā)育。水肥是日常生產(chǎn)生活中促進作物生長發(fā)育的主要因素，地膜覆蓋可以有效減少土壤蒸發(fā)，有利于作物更好地吸收養(yǎng)分，達到增溫、保墑及增產(chǎn)的效果[13]。