水氮鹽調(diào)控對膜下滴灌棉花產(chǎn)量的影響及耦合模型

翟中民，史文娟，張艷超，高志永

(西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048)

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,全世界約有9.54×108hm2的鹽漬土地，而且面積還在增加[1].中國鹽漬土壤主要分布于西北半干旱、干旱地區(qū)[2-3]，陜西省鹽堿地面積2.514 3×104hm2，集中分布在定邊縣“鹽湖”周圍、浦城縣與富平縣交界的鹵泊灘和大荔縣的鹽池洼及合陽縣的黃河岸邊.鹵泊灘土壤主要由中度鹽土和重度鹽化潮土組成，另有蘇打鹽土呈斑狀分布于灘內(nèi)，灘區(qū)地下水位上升，土地鹽堿化逐漸嚴重[4].基于此，研究鹵泊灘不同土壤鹽分含量水平下灌溉施肥制度對棉花產(chǎn)量的影響具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

合理灌溉施肥能夠滿足作物正常生長需求，土壤的水、肥、氣、熱環(huán)境也可以得到有效改善，利于鹽堿化土壤的改良[5].灌溉施肥制度影響作物的產(chǎn)量[6]，適時適量灌溉和施肥是作物生長發(fā)育良好的必要條件，有利于灌溉水利用效率和氮利用效率的提高，對作物的良好生長至關(guān)重要[7-9].單因素對作物的影響研究眾多，鄧忠等[10]研究得出隨著灌水量增加，棉花的株高和葉面積指數(shù)顯著增加；張翼夫等[11]研究了在灌溉條件下打孔灌沙對鹽堿土水鹽運移規(guī)律的影響，結(jié)果表明灌溉量影響鹽堿土洗鹽效果；VAN HOORN等[12]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分影響作物對氮的吸收和作物的正常生長；朱延凱等[13]認為輕度鹽脅迫對滴灌棉花光合作用和生長指標有顯著的影響.目前水、氮、鹽單因素對作物產(chǎn)量的影響其理論相對成熟.而雙因素耦合作用對作物的生長及產(chǎn)量的影響，在玉米、小麥、番茄、甜菜、瓜果等作物已有研究和報道[14]，何進宇等[15]研究發(fā)現(xiàn)水氮耦合可以提高作物產(chǎn)量，并確定了最高產(chǎn)量灌溉定額及施肥量、經(jīng)濟最佳灌溉定額及施肥量；徐國偉等[16]研究表明灌溉與施氮量存在明顯的互作效應；戴明等[17]研究發(fā)現(xiàn)水氮耦合對水稻生長及產(chǎn)量的提高有明顯的促進作用；有關(guān)水、氮、鹽雙因素對作物生長的耦合作用研究成果較多.

對于鹽堿區(qū)的農(nóng)田作物，必然存在著水氮鹽等三因素對作物的生長協(xié)同作用，但有關(guān)水氮鹽三因素對作物產(chǎn)量的調(diào)控作用及水肥優(yōu)化制度的研究涉及較少.因此，文中基于室外盆栽試驗，研究不同土壤水氮鹽條件下膜下滴灌棉花的產(chǎn)量效應和水氮鹽耦合模型，并據(jù)此確定棉花的灌溉施肥制度，旨在為土壤水肥高效利用提供科學的依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

供試土樣來自陜西省蒲城縣和富平縣境內(nèi)的鹵泊灘(34°75′E，109°18′N).由于鹵泊灘地形特點和洛西灌區(qū)引水灌溉和引洪漫淤工程的運行，造成灘區(qū)內(nèi)排水溝道淤積，灘區(qū)地下水埋深上升，土地鹽堿化逐漸嚴重.土壤主要有輕鹽土、中度鹽土和重度鹽化潮土組成，土質(zhì)以壤土和粉質(zhì)壤土為主，土壤有機質(zhì)平均含量為0.70%，全含鹽量平均為0.77%，pH值平均為9.33.供試土壤基本性質(zhì)見表1，表中m為全鹽質(zhì)量比，Ks為土壤飽和導水率，ω為顆粒組成質(zhì)量分數(shù).

表1 盆栽試驗土壤物理性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 膜下滴灌棉花水鹽肥耦合試驗

采用三因素四水平二次回歸組合方案設(shè)計(0水平為不設(shè)處理，2水平為當?shù)赝扑]措施，1水平為2水平×0.5，3水平為2水平×1.5)，確定灌溉定額W、土壤含鹽質(zhì)量比S、施氮量N為試驗因素，每個因素設(shè)置4個水平，即灌溉定額(W0，W1，W2，W3分別為1 575，2 100，2 625，3 150 m3/hm2)、施氮量(N0，N1，N2，N3分別為0，150，300，450 kg/hm2)和土壤鹽分質(zhì)量比(S0，S1，S2，S3分別為非鹽化土1.42 g/kg、輕度鹽化土3.40 g/kg、中度鹽化土6.24 g/kg、重度鹽化土7.38 g/kg)，每個水平設(shè)置3個重復，其上下水平及編碼值見表2，表中Xj(γ=0.333)為碼值水平，Δj為變化區(qū)間.其中，土壤含鹽量為裝土含鹽量，編碼值為折算值.

試驗共設(shè)置14個組合設(shè)計處理，見表3，表中Y為產(chǎn)量.盆栽土箱長、寬、高為0.75 m ×0.55 m×0.45 m.采用棉花穴種覆膜種植方式，每穴播種3粒棉籽，苗期進行定苗處理，每穴保留1顆植株.每個土箱種植2行8穴，行間距為35 cm，穴距為15 cm.滴灌帶采用1膜1管1行平鋪在膜下，滴頭設(shè)在2棵棉花中間.供試棉花品種為國審7 886.供試土壤自然晾干，碾碎混勻后過2 mm篩，按干容重1.45 g/cm3分層裝土40 cm，于4月10日裝土，4月18日播種，9月底收獲.各處理磷肥和鉀肥隨水施加，施用量分別為105 kg/hm2和45 kg/hm2；供試底肥為尿素(N 46%)，播種時底肥用量占20%，滴灌追肥用量占80%，全生育期內(nèi)追施尿素16次，隨灌溉施肥.棉花生長期，土箱放置于透光遮雨棚下.各處理其他管理措施均相同.

表2 灌溉定額、施氮量、土壤含鹽量水平編碼值表

表3 灌溉定額(X1)、含鹽量(X2)、施氮量(X3)組合設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣

1.2.2 觀測項目與方法

1) 棉花產(chǎn)量測定.在棉花收獲期，通過統(tǒng)計所有盆栽的采摘鈴數(shù)和總質(zhì)量，計算單鈴籽棉產(chǎn)量，再由棉鈴數(shù)計算棉花產(chǎn)量.

2) 耗水量及水分利用效率.通過水量平衡計算作物耗水量(ETa)，即

ETa=P+I+G-R-SI±ΔW，

(1)

式中：ETa為作物實際耗水量，mm；P為降水量，mm；I為灌水量，mm；G為地下水補給量，mm；R為地表徑流量，mm；SI為深層滲漏量，mm；ΔW為土層內(nèi)土壤儲水量的變化值，mm.

由于試驗區(qū)上方設(shè)有雨棚，且不存在地下水，不考慮降雨和地下水補給，而且灌溉方式為滴灌灌溉，幾乎不產(chǎn)生深層滲漏和地表徑流，由此，式(1)可簡化為式(2)：

ETa=I±ΔW.

(2)

水分利用效率(WUE)公式為

(3)

式中：Y為經(jīng)濟產(chǎn)量，kg/hm2.

3) 數(shù)據(jù)處理.利用SPSS 19.0對實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析和顯著性檢驗；通過統(tǒng)計分析，以灌溉定額、施氮量和土壤含鹽量為自變量，以棉花產(chǎn)量為目標，配置回歸方程；同時利用 Surfer 14進行克里格插值，繪制耦合等值線圖.

4) 模型驗證指標.選取決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE以及一致性指數(shù)d指標，評價模型的模擬精度，公式為

(4)

(5)

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮鹽對棉花產(chǎn)量及水分利用效率的影響

作物產(chǎn)量和水分利用效率是衡量土壤水氮鹽變化對作物生長影響的重要依據(jù)，對各處理的棉花實測產(chǎn)量以及水分利用效率進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表4.

表4 棉花產(chǎn)量和水分利用效率

由表4可知，比較處理號6，8，9和10，在施氮量和土壤含鹽量相同的條件下，棉花產(chǎn)量隨著灌水量增加而增大，且處理號8和9差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05)；由處理號2，3，6和11可知，在灌溉水量和土壤含鹽量相同的條件下，隨著施氮量增加，棉花產(chǎn)量先提高后降低，且處理號6和11差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05)；由處理號4，5，6和7可看出，在灌溉定額和施氮量相同的條件下，棉花產(chǎn)量隨著土壤含鹽量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且處理號6和7差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05)；灌溉定額2 625 m3/hm2、施氮量150 kg/hm2的輕鹽土壤(處理號12)棉花產(chǎn)量最高，灌溉定額1 575 m3/hm2、施氮量300 kg/hm2的中鹽土壤(處理號8)棉花產(chǎn)量最低，處理號12比處理號8的棉產(chǎn)量提高了172.00%，且處理號12與其他各處理的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；灌溉定額1 575 m3/hm2、施氮量0的非鹽土壤(處理號1)水分利用效率最高，灌溉定額2 625 m3/hm2、施氮量300 kg/hm2的重鹽土壤(處理號7)的水分利用效率最低，且處理號1與其他各處理的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05).

由此可知，灌溉定額2 625 m3/hm2、施氮量150 kg/hm2的輕鹽土壤(處理號12)產(chǎn)量最高為6 683.55 kg/hm2，水分利用效率較高，施氮量較少，其對棉花的生長最為適宜.

2.2 水鹽肥耦合模型建立與驗證

2.2.1 配置三元二次回歸模型

本試驗主要探討膜下滴灌棉花灌溉定額、施氮量、土壤含鹽量與棉花產(chǎn)量之間的關(guān)系，采用三元二次回歸模型研究，模型表達式為

(7)

式中：YP為預測產(chǎn)量，kg/hm2；p為試驗因子數(shù)；bj為偏回歸系數(shù)；xj為規(guī)范變量.

根據(jù)表3的規(guī)范化組合設(shè)計，推導三元二次回歸模型的結(jié)構(gòu)矩陣X，再由轉(zhuǎn)置矩陣X′、相關(guān)矩陣X-1及實測產(chǎn)量Y，通過公式bj=X-1X′Y得到回歸系數(shù)bj值，即可配置出膜下滴灌棉花耦合回歸模型為

Y=264.723+145.533X1-111.158X2-

129.537X2X3.

(8)

2.2.2 模型的驗證

為了分析模型的適用性，對回歸模型(8)進行F顯著性檢驗.通過模擬值和實測值采用決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE和一致性指數(shù)d進行模擬效果評價及相關(guān)性分析.圖1即為棉花預測產(chǎn)量Yp和實際產(chǎn)量Yr.

圖1 棉花預測產(chǎn)量和實際產(chǎn)量

對回歸模型做方差分析F(9.78)>F0.05(3.24)，表明水氮鹽與產(chǎn)量之間有顯著的回歸關(guān)系；決定系數(shù)R2為0.89，均方根誤差RMSE為27.90，一致性指數(shù)d為0.93，符合模擬精度要求；經(jīng)相關(guān)分析，預測產(chǎn)量和實際產(chǎn)量之間在0.01水平下呈正相關(guān)(r=0.995)，表明此模型可以用于預測產(chǎn)量，預測置信度達99%以上.由此說明模型可以進行棉花產(chǎn)量的預測分析.

2.3 水氮鹽耦合模型的分析

2.3.1 主因素效應

試驗變量經(jīng)量綱一化線性編碼.回歸模型中，偏回歸系數(shù)不受各因素值單位影響，可以由偏回歸系數(shù)絕對值大小判斷各因素對棉花產(chǎn)量的影響程度.對各因素目標函數(shù)作用的主效應系數(shù)標準化，進行主效應分析，如圖2所示，圖中B為標準化系數(shù).

由圖2標準化主效應系數(shù)可知，單因素對棉花產(chǎn)量的影響按因素排序由大到小為灌水量，土壤含鹽量，施氮量(X1>X2>X3)；耦合作用對棉花產(chǎn)量影響按耦合排序由大到小為鹽氮耦合作用，水氮耦合作用，水鹽耦合作用(X2X3>X1X3>X1X2).

圖2 各變量主效應標準化

2.3.2 單因素效應

用“降維法”研究單因素效應對棉花產(chǎn)量的影響，通過回歸模型推導出單變量子回歸模型，進行單因素對棉花產(chǎn)量影響分析，如圖3所示.

圖3 單因素效應曲線

由圖3a可知在試驗范圍內(nèi)，棉花產(chǎn)量隨著灌溉定額增加而增加；當灌溉定額由1 575 m3/hm2增加到3 150 m3/hm2時，棉花產(chǎn)量由2 309.88 kg/hm2增產(chǎn)到6 675.87 kg/hm2，水分利用效益增加了45%，生產(chǎn)效益提高2.77 kg/m3.說明棉花在整個生育期內(nèi)需水量較大，需要適當提高灌溉定額，以達到增產(chǎn)效果.

由土壤含鹽質(zhì)量比與棉花產(chǎn)量的效應曲線圖3b可知，在試驗條件范圍內(nèi)，棉花產(chǎn)量隨著土壤含鹽質(zhì)量比增加而減小；當土壤含鹽質(zhì)量比由0.63 g/kg增加到9.76 g/kg時，棉花產(chǎn)量由6 279.15 kg/hm2降到2 944.45 kg/hm2，減產(chǎn)53%.說明高鹽分土壤棉花產(chǎn)量較低，減產(chǎn)嚴重，高鹽分土壤不適合棉花的種植.

由施氮量與棉花產(chǎn)量的效應曲線圖3c可知，在試驗條件范圍內(nèi)，隨著施氮量增加，棉花產(chǎn)量先增加后降低；當施氮量由0增加到73 kg/hm2，棉花生產(chǎn)效益提高1.12 kg/kg，增產(chǎn)2%；當施氮量由73 kg/hm2增加到450 kg/hm2，棉花減產(chǎn)50%.表明過量施氮不會提高產(chǎn)量，反而引起產(chǎn)量降低，造成肥料的浪費.

由此表明，水氮對棉花產(chǎn)量的影響各存在一個閾值，當水和氮肥施量低于其閾值時，分別增加水和氮肥施加量，則增產(chǎn)效果較為明顯，但水和氮施量分別高于其閾值時，造成減產(chǎn)；而中度和高度鹽分土壤對棉花產(chǎn)量的影響較為嚴重.

2.3.3 因素之間的交互作用

為了研究各因素間的交互作用，由回歸模型通過Surfer 14采用克里金插值法繪制兩因素交互效應等值線圖，如圖4所示.

圖4 雙因素耦合棉花產(chǎn)量等值線圖

由圖4a可知，水鹽耦合作用下，隨著灌水量增加及土壤含鹽量減少，棉花產(chǎn)量增加；棉花產(chǎn)量的高點在灌水量X1(0.3，0.5)、土壤含鹽質(zhì)量比X2(-0.6，-0.4)內(nèi)，對應的自然量為(2 595，2 760)m3/hm2，(2.46，3.37)g/kg，棉花產(chǎn)量為(6 021.21，6 092.70)kg/hm2.

如圖4b所示，水氮交互作用下，棉花產(chǎn)量主要隨著灌水量減少而減少，在灌水充分的前提下，產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增加后下降的趨勢，在存在水分脅迫的前提下，產(chǎn)量隨施氮量增加而下降；棉花產(chǎn)量的高點區(qū)間在灌水量X1(0.3，0.9)、施氮量X3(-0.1，0.5)，即對應的自然灌溉定額和施氮量分別為(2 595，3 075)m3/hm2，(202，338)kg/hm2，棉花產(chǎn)量為(4 815.60，4 982.29)kg/hm2.

如圖4c鹽氮耦合作用下，隨著施氮量和裝土含鹽質(zhì)量比增加，棉花產(chǎn)量先增加后減??；棉花產(chǎn)量的高點區(qū)間在施氮量X3(-0.5，-0.1)、土壤含鹽質(zhì)量比X2(-0.7，-0.3)，對應的自然施氮量和土壤含鹽質(zhì)量比分別為(112，202)kg/hm2，(2.00，3.83)g/kg，棉花產(chǎn)量為(4 687.71，6 475.70)kg/hm2.

由此可見，在水肥耦合作用下，中鹽土壤和重鹽土壤棉花產(chǎn)量較低，輕鹽土壤棉花產(chǎn)量最高.因此，結(jié)合高產(chǎn)區(qū)域各因素耦合區(qū)間，取耦合區(qū)間均值，得最適合本研究區(qū)的水肥鹽耦合方式為輕鹽土壤、灌溉定額2 677 m3/hm2和施氮量202 kg/hm2，棉花平均產(chǎn)量最高為6 311.04 kg/hm2.

3 討 論

棉花生長發(fā)育受多種因素的影響，例如灌溉水量、施肥量、土壤鹽分等.土壤水分是作物生長發(fā)育過程中的關(guān)鍵因素，特別是干旱地區(qū)，灌溉水量是作物生長不可或缺的重要因素；不同的土壤水分條件下，作物對肥料的利用率不同；土壤鹽漬化會降低土壤的肥力，抑制作物生長發(fā)育[18].土壤水氮鹽之間相互作用、互相影響，并對作物的生長和發(fā)育產(chǎn)生影響.岳文俊等[19]研究發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量隨著灌溉量和施氮量增加而增大，但是在高氮高水的條件下產(chǎn)量會下降；霍星等[20]研究結(jié)果表明鹽條件下水氮對向日葵產(chǎn)量影響很大，并確定了水氮鹽耦合最優(yōu)組合方案.本研究結(jié)果表明水鹽耦合作用下，隨著灌水量增加及土壤含鹽量減少，棉花產(chǎn)量增加，這主要是隨著灌水增加，土壤水分含量增大，根層鹽分被淋洗，沒有鹽分的脅迫，利于作物根系吸水生長；水氮交互作用下，隨著灌溉定額增大，棉花產(chǎn)量隨著施氮量增加呈先增加后降低的趨勢，這是由于過高的氮含量抑制土壤酶活性，不利于作物養(yǎng)分正常吸收；鹽氮耦合作用下，隨著施氮量和土壤含鹽量增加，棉花產(chǎn)量先增加后減小，這是因為水氮鹽達到耦合最優(yōu)區(qū)間后，隨著土壤鹽分增高，土壤水分不易蒸發(fā)，容易造成土壤養(yǎng)分深層淋洗，但土壤鹽分過高也會抑制作物根系對水分及養(yǎng)分的吸收作用，對于這一問題有待進一步研究.無論是土壤鹽分，還是水分和養(yǎng)分，過多的情況下都不利于作物良好生長，適度的水氮鹽條件能夠促進生物積累量.本研究發(fā)現(xiàn)在作物生長過程中水肥鹽耦合存在一個閾值，低于閾值時，增加水肥施加量增產(chǎn)效果明顯，但高于閾值時，造成棉花減產(chǎn)，這與前人的研究結(jié)果相似[21].因此，在作物生長過程中，需要對土壤水氮鹽加以控制，滿足作物適宜生長的范圍，這樣才能改良土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤肥力的提升和作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量.

4 結(jié) 論

1) 在施氮量和土壤含鹽量相同的條件下，棉花產(chǎn)量隨著灌水量增加而增大；在灌溉水量和土壤含鹽量相同的條件下，隨著施氮量增加，棉花產(chǎn)量先提高后降低；在灌溉定額和施氮量相同的條件下，棉花產(chǎn)量隨著土壤含鹽量增加呈先增大后減小的趨勢.

2) 建立了膜下滴灌棉花水氮鹽耦合回歸模型.經(jīng)檢驗，該模型可以用于水肥鹽耦合作用下棉花產(chǎn)量預測.明確了單因素作用對棉花產(chǎn)量影響順序按因素由大到小為灌水量，土壤含鹽量，施氮量；耦合作用對棉花產(chǎn)量影響順序按耦合由大到小為鹽氮耦合作用，水氮耦合作用，水鹽耦合作用；水氮鹽對棉花產(chǎn)量的影響存在一個閾值，低于閾值時，增加水肥施加量增產(chǎn)效果明顯，但高于閾值時，造成減產(chǎn).

3) 在水肥耦合作用下中鹽土壤和重鹽土壤棉花產(chǎn)量較低，輕鹽土壤棉花產(chǎn)量最高；最適合本研究區(qū)的水肥鹽耦合方式為輕鹽土壤、灌溉定額2 677 m3/hm2和施氮量202 kg/hm2，棉花平均產(chǎn)量最高為6 311.04 kg/hm2，水分利用效率較高，施氮量較少，水肥鹽耦合效果最好.