控制排水條件下黃豆氮磷吸收利用及產(chǎn)量的試驗(yàn)研究

廖薇, 何軍,2, 王平章, 賀天忠, 馬煜, 胡小梅, 鄭傳飛

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.湖北省漳河工程管理局,湖北 荊門 448156)

近年來,隨著全球氣候條件的變化,我國汛期多地大面積出現(xiàn)澇災(zāi)[1]。排水可排除農(nóng)田多余澇漬水,為作物生長和田間管理提供適宜的土壤含水量。傳統(tǒng)的明溝排水技術(shù)(自由排水)為提高我國的澇漬田間生產(chǎn)力和糧食產(chǎn)量做出了巨大貢獻(xiàn)[2]。隨著氣候變化與環(huán)境問題的突出,這種傳統(tǒng)排水技術(shù)逐漸暴露出過度排水、加劇氮磷排放流失以及農(nóng)業(yè)面源污染等問題[3-4]?？焖俅罅颗懦鰸场n水的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路造成了排水工程的過度排水,尤其對(duì)于旱澇交替出現(xiàn)地區(qū),加劇了干旱時(shí)的缺水危害,導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)及更多的氮磷流失[5-6]。

鑒于上述情況,目前,國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田控制排水技術(shù)成為研究熱點(diǎn),控制排水對(duì)提高作物產(chǎn)量[7]、改善排水水質(zhì)[8]、減少農(nóng)田排水水量和氮磷流失[9]等具有不同程度的作用。黃志強(qiáng)等[10]、袁念念等[11]的研究表明,控制排水條件下的氮素流失要比自由排水條件下的氮素流失少,總排水量減少50%以上。金鳳生[12]開展了連續(xù)4年控制排水條件下作物產(chǎn)量及氮損失的研究,相較傳統(tǒng)自由排水,控制排水條件下平均流量下降21%,大豆平均增產(chǎn)8%。徐茵等[13]、WESSTR?M I等[14]、楊琳等[15]的研究結(jié)果也表明在其他條件適宜的情況下,控制排水處理可以促使作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。不過上述研究多側(cè)重于控制排水條件下的氮素流失規(guī)律及對(duì)產(chǎn)量影響的研究,對(duì)旱作物氮磷吸收利用效率方面的研究尚不多。

為探究控制排水對(duì)黃豆氮磷吸收和其產(chǎn)量的影響,本文選取我國南方典型農(nóng)作區(qū)湖北省漳河灌區(qū)開展試驗(yàn)研究,以代表性旱作物黃豆為研究對(duì)象,在不同深度暗管控制排水條件下采集黃熟期植株樣,測(cè)產(chǎn)并分析氮磷吸收利用效率,以期為南方旱作物控制排水模式優(yōu)化提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取我國長江中游典型農(nóng)作區(qū)湖北省漳河灌區(qū)為研究區(qū)域。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積17.4萬hm2,處于湖北省中部,地形起伏不定,山區(qū)、丘陵、平原、湖區(qū)等地形兼具,優(yōu)勢(shì)兼得;四季分明,常年氣候溫暖,年無霜期260 d;年平均氣溫16.0 ℃,最高月平均氣溫27.7 ℃,最低月平均氣溫3.9 ℃;年降雨量700～1 100 mm,多年平均年降雨量947 mm;年平均蒸發(fā)量(20 cm蒸發(fā)皿)1 300～1 800 mm;為典型的南方丘陵地帶氣候條件。該區(qū)是我國重要的棉糧生產(chǎn)基地[16]。該區(qū)域耕層土壤以黃棕壤土為主,質(zhì)地黏重,有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低,pH值為6.8～7.2(水土比1∶1),土壤孔隙率為45.5%、容重為1.33～1.44 g/cm3。2019年和2020年連續(xù)2年在位于灌區(qū)內(nèi)的湖北省灌溉試驗(yàn)中心站(東經(jīng)112°05′16″、北緯30°54′15″)對(duì)黃豆生育期(5—9月)開展試驗(yàn)研究,這2年供試黃豆品種均為當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣種植的中黃36,種植行距50 cm、株距30 cm。

根據(jù)規(guī)范[17-18],試驗(yàn)小區(qū)尺寸設(shè)計(jì)為6.0 m×12.5 m。3種排水處理分別為自由排水(Free Drainage,FD)、定水位排水(Fixed Water Level, FL)和變水位排水(Changed Water Level,CL)。暗管控制水位太高會(huì)嚴(yán)重影響降水和灌溉水入滲,加大地表土壤中養(yǎng)分的流失[10],因此,文中控制排水設(shè)置的暗管最低埋深為0.4 m。考慮到當(dāng)?shù)氐叵滤坏那闆r及作物根系隨生育期的生長變化,結(jié)合柏菊等[19]、顧雨田等[20]的研究,設(shè)計(jì)大豆在地下水埋深分別為0.4 m、0.6 m、0.8 m時(shí),大豆吸收水分量和地下水利用率較高。其中,自由排水為傳統(tǒng)的排水技術(shù),控制水位為1.2 m,為對(duì)照水位;定水位排水處理的控制水位設(shè)為0.6 m;變水位排水處理的控制水位設(shè)定為不同的變化水位,該變化水位的范圍為0.4～0.8 m。各排水處理?xiàng)l件下不同生育期地下水位控制變化情況見表1。每種排水處理?xiàng)l件重復(fù)3次并隨機(jī)布置到9個(gè)試驗(yàn)小區(qū),試驗(yàn)小區(qū)平面布置如圖1所示。圖1中從右到左依次為小區(qū)1、2、…、9,其中小區(qū)1、5、8為自由排水,小區(qū)3、6、9為定水位排水,小區(qū)2、4、7為變水位排水。參考當(dāng)?shù)亓?xí)慣,肥料采用總養(yǎng)分(N∶P2O5∶K2O=14∶16∶15)≥45%的復(fù)合肥,每畝50.0 kg的復(fù)合肥一次性作底肥施入耕作層。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)平面布置示意圖(單位:cm)

表1 黃豆各生育期暗管出口處水位控制深度 m

每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)沿長邊在1.2 m深處居中埋設(shè)Φ50 mm PVC排水暗管(含外包料),在排水管出口處安裝水位調(diào)控裝置,如圖2所示。為防止各試驗(yàn)小區(qū)間發(fā)生水分交換,小區(qū)四周設(shè)置2.0 m深的混凝土襯砌磚混結(jié)構(gòu)防水墻。

圖2 地下水水位調(diào)控裝置現(xiàn)場(chǎng)照片

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取

黃豆鼓粒成熟后,在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取10穴植株,將葉、莖、梢、果分開,置于烘箱中經(jīng)105 ℃殺青0.5 h后,再80 ℃烘干至恒重后稱重。作物產(chǎn)量待全部收獲風(fēng)干脫粒后進(jìn)行稱取。對(duì)于植株氮、磷吸收利用量,通過對(duì)整個(gè)成熟植株葉、莖、梢、果碾磨過0.15 mm篩,采用H2SO4-H2O2法進(jìn)行全氮、全磷分析。植株TP測(cè)定方法參考《植株全磷含量測(cè)定鉬銻抗比色法》(NY/T 2421—2013),TN測(cè)定方法參考《植株全氮含量測(cè)定自動(dòng)定氮儀法》(NY/T 2419—2013)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

選取常用的氮肥偏生產(chǎn)力(Nitrogen Fertilizer Partial Productivity,NFPP)、磷肥偏生產(chǎn)力(Phosphate Fertilizer Partial Productivity,PFPP)、氮素收獲指數(shù)(Nitrogen Harvest Index,NHI)、磷素收獲指數(shù)(Phosphorus Harvest Index,PHI)來評(píng)價(jià)不同排水處理?xiàng)l件下黃豆對(duì)氮和磷的吸收利用情況。具體計(jì)算式如下:

氮肥偏生產(chǎn)力(NFPP)=籽粒產(chǎn)量÷施氮量;

磷肥偏生產(chǎn)力(PFPP)=籽粒產(chǎn)量÷施磷量;

氮素收獲指數(shù)(NHI)=籽粒含氮量÷植株地上部含氮量×100%;

磷素收獲指數(shù)(PHI)=籽粒含磷量÷植株地上部含磷量×100%。

數(shù)據(jù)采用軟件Microsoft EXCEL 2010和SPSS 25進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃豆生育期內(nèi)的平均溫度和降雨量

2019年黃豆全生育期為5月28日至9月23日,2020年黃豆全生育期為5月27日至9月24日。圖3和圖4分別為2019年和2020年黃豆生育期內(nèi)的平均溫度和降雨量的變化趨勢(shì)圖,圖中的氣象數(shù)據(jù)來源于湖北省灌溉試驗(yàn)中心站氣象觀測(cè)園。2019年,黃豆全生育期內(nèi)(共119 d)的降雨量為392.7 mm,積溫為3 185.8 ℃,日均溫度為26.77 ℃;2020年,黃豆全生育期內(nèi)(共121 d)的降雨量為827.1 mm,積溫為3 140.10 ℃,日均溫度為25.95 ℃。從圖3和圖4對(duì)比中可以看出,這兩年的黃豆生育期內(nèi)降雨量和平均溫度存在差異,2020年的降雨量比2019年的多110.6%,2019年黃豆生育期內(nèi)的日均溫度要比2020年的高出0.82 ℃。

圖3 2019年黃豆生育期內(nèi)逐日平均溫度和降雨量變化趨勢(shì)

圖4 2020年黃豆生育期內(nèi)逐日平均溫度和降雨量變化趨勢(shì)

為了更好地反映出2019年和2020年黃豆生育期內(nèi)降雨量及溫度的變化情況,利用統(tǒng)計(jì)參數(shù)變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs來進(jìn)行分析。變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 2019年和2020年黃豆生育期內(nèi)降雨量和平均溫度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由表2可看出:

1)對(duì)于降雨量,2019年的變差系數(shù)Cv要大于2020年的,這兩年的偏態(tài)系數(shù)Cs相差不大,都大于0,表明2019年黃豆生育期內(nèi)的降雨量相對(duì)變化較大,而2020年的變化相對(duì)較小,這兩年在黃豆生育期內(nèi)大于日均降雨量的天數(shù)要比小于日均降雨量的天數(shù)多。

2)對(duì)于平均溫度,2019年和2020年這兩年黃豆生育期內(nèi)的變差系數(shù)Cv相等,偏態(tài)系數(shù)Cs均小于0,這兩年在黃豆生育期內(nèi)大于日均溫度的天數(shù)要比小于日均溫度的天數(shù)少。

總體來看,2019年黃豆生育期經(jīng)歷2次強(qiáng)降雨,2020年黃豆生育期經(jīng)歷4次強(qiáng)降雨,在黃豆生育期試驗(yàn)小區(qū)澇水嚴(yán)重,以至于采用不同排水處理短期內(nèi)的效果無差異,而黃豆其余生育期不同排水處理結(jié)果的差異處于正常范圍。

2.2 不同排水條件下黃豆產(chǎn)量

圖5為2019年和2020年不同控制排水處理?xiàng)l件下黃豆產(chǎn)量情況,圖5中不同字母表示差異性顯著情況(顯著性水平P<0.05,ANOVA檢驗(yàn)),下文同。由圖5知:2019年定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量最高,為1 795.5 kg/hm2,比自由排水(FD)處理?xiàng)l件下和變水位(CL)處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量分別高1.0%和13.1%;2020年同樣是定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量最高,為2 118.2 kg/hm2,比自由排水(FD)處理?xiàng)l件和變水位(CL)排水處理?xiàng)l件下的分別多344.4 kg/hm2、369.8 kg/hm2,分別高出了19.4%和21.2%。對(duì)于3種排水處理模式,定水位排水處理?xiàng)l件下黃豆產(chǎn)量明顯大于自由排水和變水位排水處理?xiàng)l件下的,由此可知,采取定水位排水處理模式對(duì)黃豆的增產(chǎn)效果優(yōu)于傳統(tǒng)的自由排水模式。

圖5 2019年和2020年不同排水處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)比分析圖5中3種排水處理?xiàng)l件下的效果可知: 2019年和2020年FD處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量相近,2019年的黃豆產(chǎn)量在FL處理?xiàng)l件下的僅比FD處理?xiàng)l件下的高18.5 kg/hm2,而2020年的黃豆產(chǎn)量在FL處理?xiàng)l件下的卻比FD處理?xiàng)l件下的高344.4 kg/hm2。這可能是2019年黃豆生育期內(nèi)的氣候干旱導(dǎo)致的。長江流域的夏大豆生育期內(nèi)降雨量平均為800～1 000 mm[21],2019年黃豆生育期內(nèi)的降雨量為392.7 mm,遠(yuǎn)小于長江流域夏大豆生育期內(nèi)的平均降雨量值。

結(jié)合圖3、圖4及表2分析知:相比2020年,2019年黃豆生育期內(nèi)的氣候明顯更干旱,降雨量少且平均溫度更高;從變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs結(jié)果來看,2019年黃豆生育期內(nèi)的降雨量變化較大,且2019年黃豆生育期內(nèi)大于日均降雨量的天數(shù)少于2020年的。在研究期內(nèi),2019年黃豆鼓粒期(8月下旬—9月中旬)連續(xù)兩周沒有降雨,導(dǎo)致土壤干旱沒有排水發(fā)生。黃豆缺乏水分時(shí)會(huì)影響?zhàn)B分向籽粒轉(zhuǎn)移,從而影響產(chǎn)量。有研究表明,不同時(shí)期的干旱會(huì)對(duì)黃豆的產(chǎn)量造成不同程度的影響,其中鼓粒期和分枝開花期干旱對(duì)黃豆產(chǎn)量影響最大[22-24]。相較于FD排水處理?xiàng)l件,氣候干旱可能對(duì)FL排水處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量影響更大,從而出現(xiàn)FL處理?xiàng)l件下和FD處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量差2020年的明顯大于2019年的現(xiàn)象。

湖北省漳河灌區(qū)2019年全年降雨量為667.0 mm,2020年全年降雨量為1 281.2 mm,相較于灌區(qū)的多年平均降雨量947.0 mm來說,2019年是偏干旱的年份,2020年是偏濕潤的年份。結(jié)合以上數(shù)據(jù)可知,不管是在干旱還是濕潤的情況下,定水位排水處理對(duì)于黃豆都具有增產(chǎn)效果,且濕潤年份的增產(chǎn)效果要高于干旱年份的,說明定水位排水(埋深0.6 m)模式適用于類似于漳河灌區(qū)旱澇交替的地區(qū)。

2.3 不同排水條件下黃豆植株對(duì)氮素的吸收利用

圖6為2019年和2020年不同排水處理?xiàng)l件下黃豆植株氮肥偏生產(chǎn)力(NFPP)情況。由圖6可知:2019年,植株的NFPP在定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下達(dá)最大值,為7.70 kg/kg,比自由排水(FD)處理?xiàng)l件下和變水位(CL)排水處理?xiàng)l件下的分別高0.08 kg/kg和0.89 kg/kg;2020年,植株的NFPP在定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下達(dá)最大值,為9.08 kg/kg,比自由排水(FD)處理?xiàng)l件下和變水位(CL)排水處理?xiàng)l件下的分別高1.48 kg/kg、1.59 kg/kg。這表明在相同施氮水平下,定水位排水處理模式比傳統(tǒng)的自由排水處理模式更能提高黃豆植株的氮肥偏生產(chǎn)力,肥料的利用率更高,有利于黃豆植株上果實(shí)的產(chǎn)出,以便獲得高產(chǎn)。此結(jié)論可與圖5中的黃豆產(chǎn)量的結(jié)論互相佐證。

圖6 2019年和2020年不同排水處理?xiàng)l件下的黃豆植株氮肥偏生產(chǎn)力對(duì)比

為了更好地評(píng)價(jià)黃豆植株對(duì)氮肥的吸收利用效果,圖7給出2020年不同排水處理?xiàng)l件下黃豆植株氮素收獲指數(shù)。2019年因連續(xù)降雨導(dǎo)致植株樣品受潮霉變,數(shù)據(jù)失真,故沒有采用。由圖7可知,在不同排水處理?xiàng)l件下,黃豆植株2020年的氮素收獲指數(shù)(NHI)最高出現(xiàn)在定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下,為50.0%,分別比自由排水(FD)處理?xiàng)l件下的和變水位(CL)排水處理?xiàng)l件下的高2.3%和2.8%。這表明,定水位排水處理?xiàng)l件相較于傳統(tǒng)的自由排水處理?xiàng)l件可以更好地促進(jìn)黃豆對(duì)氮素的吸收,使氮素向籽粒轉(zhuǎn)移以獲得高產(chǎn)。

圖7 2020年不同排水處理?xiàng)l件下的黃豆植株氮素收獲指數(shù)情況

2.4 不同排水條件下黃豆植株對(duì)磷素的吸收利用

圖8為2019年和2020年不同排水處理?xiàng)l件下黃豆植株的磷肥偏生產(chǎn)力(PFPP)情況。 由圖8可知:2019年,黃豆植株的PFPP在定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下達(dá)最大值,為15.42 kg/kg,比自由排水(FD)處理和變水位(CL)排水處理?xiàng)l件下的分別高0.16 kg/kg和1.78 kg/kg;2020年,植株的PFPP在定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下達(dá)最大值,為18.19 kg/kg,比自由排水(FD)處理?xiàng)l件下和變水位(CL)排水處理?xiàng)l件下的分別高2.96 kg/kg和3.17 kg/kg。這表明,在相同施磷水平下,定水位排水處理比自由排水處理更能提高黃豆植株的磷肥偏生產(chǎn)力,肥料的利用率更高,有利于黃豆植株果實(shí)的產(chǎn)出,以便獲得高產(chǎn)。此結(jié)果可與圖5中關(guān)于黃豆產(chǎn)量的結(jié)論互相佐證。

圖8 2019年和2020年不同排水處理?xiàng)l件下的黃豆植株磷肥偏生產(chǎn)力情況

圖9為2020年不同排水處理?xiàng)l件下黃豆植株磷素收獲指數(shù)(PHI)情況。由圖9可知:在不同排水處理?xiàng)l件下,2020年黃豆植株的磷素收獲指數(shù)(PHI)最高值出現(xiàn)在定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下,為37.6%,比自由排水(FD)和變水位(CL)排水處理?xiàng)l件下的分別高3.1%和0.7%。這表明,定水位排水處理同樣可以促進(jìn)黃豆植株對(duì)磷素的吸收,使磷素向籽粒轉(zhuǎn)移而獲得高產(chǎn)。

圖9 2020年不同排水處理?xiàng)l件下的黃豆植株磷素收獲指數(shù)情況

結(jié)合圖5—9可知:2019年和2020年的黃豆產(chǎn)量在FL處理?xiàng)l件下達(dá)到最大,黃豆植株的氮肥偏生產(chǎn)力(NFPP)和磷肥偏生產(chǎn)力(PFPP)也在FL處理?xiàng)l件下達(dá)到最大;2020年黃豆植株的氮素收獲指數(shù)(NHI)和磷素收獲指數(shù)(PHI)也是在FL處理?xiàng)l件下達(dá)到最大。表明定水位排水(FL)處理不僅有利于提高黃豆的產(chǎn)量,也可提高黃豆植株的氮、磷肥偏生產(chǎn)力及氮、磷素收獲指數(shù)值。相比較于變水位(CL)排水和傳統(tǒng)的自由排水(FD)條件,定水位(FL)排水處理?xiàng)l件下施用肥料的效果更好。

2020年,FD處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量與CL排水處理?xiàng)l件下的相近,但2019年FD處理?xiàng)l件下與CL排水處理?xiàng)l件下的黃豆產(chǎn)量卻相差較大。結(jié)合圖3和圖4分析知,2019年黃豆苗期降雨較多,CL排水處理?xiàng)l件下的埋深相對(duì)較淺,黃豆植株可能有一定的淹水從而減產(chǎn)。黃豆在苗期吸收土壤中氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)較少,且CL排水處理?xiàng)l件在苗期時(shí)暗管埋深較淺,從排水的角度來看,結(jié)合圖7和圖9中的結(jié)論,即CL排水處理?xiàng)l件下的氮素收獲指數(shù)要低于FD處理?xiàng)l件下的,磷素收獲指數(shù)卻高于FD處理?xiàng)l件下的,高水位的地下排水帶走了土壤淺層中的部分氮素及其它營養(yǎng)物質(zhì),影響了作物后期對(duì)氮素及營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,從而影響黃豆產(chǎn)量。

3 結(jié)論

針對(duì)我國當(dāng)前農(nóng)田過度排水、氮磷流失嚴(yán)重等問題,在湖北省漳河灌區(qū)開展了不同排水處理?xiàng)l件下黃豆氮磷吸收利用效率及產(chǎn)量影響的試驗(yàn)研究,得出結(jié)論如下:

1)定水位排水處理(埋深0.6 m)條件下黃豆產(chǎn)量及黃豆植株的氮、磷肥偏生產(chǎn)力最大;2019年和2020年的黃豆產(chǎn)量分別為1 795.5 kg/hm2和 2 118.2 kg/hm2,分別比傳統(tǒng)的自由排水處理?xiàng)l件下的高1.0%和19.4%。2019年和2020年黃豆植株的氮肥偏生產(chǎn)力的值均為最大,分別為7.70 kg/kg和9.08 kg/kg;磷肥偏生產(chǎn)力的值也是最大,分別為15.42 kg/kg和18.19 kg/kg。

2)定水位排水處理(埋深0.6 m)條件下黃豆植株的氮、磷素收獲指數(shù)最大,其中2020年的氮素收獲指數(shù)為50.0%,比傳統(tǒng)的自由排水處理?xiàng)l件下的高2.3%;磷素收獲指數(shù)為37.6%,比傳統(tǒng)的自由排水處理?xiàng)l件下的高3.1%。

總體來看,定水位排水處理可以有效提高黃豆的產(chǎn)量,同時(shí)也能提高黃豆植株的氮肥偏生產(chǎn)力(NFPP)和磷肥偏生產(chǎn)力(PFPP)以及氮素收獲指數(shù)(NHI)和磷素收獲指數(shù)(PHI)。相較于變水位排水處理和傳統(tǒng)的自由排水處理,定水位排水處理(埋深0.6 m)不僅能夠降低農(nóng)田的過度排水,削弱旱澇交替對(duì)作物帶來的不利影響,而且可以有效減少氮和磷的流失,以便增加黃豆產(chǎn)量,相對(duì)干旱年份,濕潤年份增產(chǎn)效果更佳。該排水處理模式可作為當(dāng)前生產(chǎn)條件下漳河灌區(qū)及類似區(qū)域黃豆種植高產(chǎn)高效的推薦排水處理模式。