南疆膜下滴灌棉花水氮耦合效應(yīng)研究

南疆膜下滴灌棉花水氮耦合效應(yīng)研究

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)水和氮的相互作用，利用其共同作用對水和氮進(jìn)行綜合管理。膜下滴灌技術(shù)是將覆膜種植與滴灌技術(shù)相結(jié)合的一種新型灌溉技術(shù),具有明顯的節(jié)水節(jié)肥效果。1996年提出膜下滴灌技術(shù)并開始在新疆推廣,但對其研究則剛剛起步,而且主要集中在北疆地區(qū)。前人已對膜下滴灌的棉花根系分布特點(diǎn)以及水、肥、鹽的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了探討,初步提出了膜下滴灌棉花的灌水決策指標(biāo),而且普遍認(rèn)為在北疆膜下滴灌棉花推薦灌水量和施氮量分別為每公頃225mm和150kg。由于南北疆氣候不同以及棉花產(chǎn)量差異,北疆膜下滴灌棉花的水氮推薦量在南疆需要校正。為將這種新型的灌溉技術(shù)同水氮協(xié)同管理結(jié)合起來,探討其交互作用機(jī)理并應(yīng)用于大田生產(chǎn),設(shè)置了不同水氮處理,研究膜下滴灌棉花不同水氮處理的產(chǎn)量效應(yīng)以及對棉花冠層特征的影響,以期為南疆棉花水氮管理提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1農(nóng)業(yè)用水與產(chǎn)量試驗(yàn)在新疆南部塔里木盆地東北緣尉犁縣城南的孔雀農(nóng)場直屬隊2號地進(jìn)行。該地位于N41°18′866″,E86°15′535″;年降水量43mm,蒸發(fā)量2910mm,年均氣溫10.7℃,>10℃積溫4184℃,無霜期144~210d。當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)主要依靠塔里木河和孔雀河進(jìn)行灌溉,屬于典型的干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)。在用水高峰期(7月份),河水經(jīng)常斷流,因此農(nóng)業(yè)用水矛盾日益嚴(yán)重。試驗(yàn)地棉花已連作7年以上,土壤為潮土,土壤表層0—60cm的容重為1.36g/cm3,30—35cm處有一夾粘層,田間飽和持水量為33%。試驗(yàn)前進(jìn)行過冬灌,三月中旬又進(jìn)行一次春灌,播種前,0—100cm土層儲水量約375mm,其中60—100cm的田間持水量接近90%。以前試驗(yàn)地及周邊地塊采用常規(guī)漫灌方式,根據(jù)農(nóng)戶調(diào)查,試驗(yàn)地已連續(xù)幾年籽棉產(chǎn)量5250~6000kg/hm2。土壤養(yǎng)分狀況如表1。1.2灌溉系統(tǒng)設(shè)計試驗(yàn)于2004年4—10月進(jìn)行。采用一膜四行種植模式,行距30cm—40cm—30cm,一膜鋪設(shè)兩條滴灌帶,位于窄行之間。膜寬1.0m,膜間寬0.7m。株距10cm,理論株數(shù)每公頃22萬株,實(shí)際株數(shù)每公頃20.5萬株,出苗率達(dá)到94%,棉花品種為巴棉三號。小區(qū)面積80m2,三膜一個試驗(yàn)小區(qū),設(shè)3個重復(fù)。試驗(yàn)共設(shè)3個灌水量345、420、505mm,4個施氮量0、112.5、225、337.5kg/hm2,采取完全設(shè)計,共12個處理。氮肥全部追施,磷鉀肥全部基施,其中P2O5使用量150kg/hm2,K2O使用量90kg/hm2。水氮分配如表2。滴灌進(jìn)行30min后,開始施氮肥,每小區(qū)一個壓差施肥罐,控制施肥罐進(jìn)水閥門以調(diào)節(jié)施肥的速度,保證在滴灌結(jié)束前30min完成施肥。灌溉系統(tǒng)由動力系統(tǒng),過濾系統(tǒng),管道系統(tǒng),施肥系統(tǒng)組成。動力系統(tǒng)有一臺3.6kw的雅馬哈水泵提供,過濾系統(tǒng)分由粗細(xì)兩個部分組成,施肥系統(tǒng)為壓差施肥器,并與水表相連確定灌水量。管道系統(tǒng)由干管(直徑60mm)、支管(直徑50mm)、副管(直徑25mm)以及毛管組成,毛管為內(nèi)鑲式紊流滴灌帶,直徑16mm,正常工作壓力0.1Mpa,滴頭間距0.3m,流量1.8L/h。1.3測定指標(biāo)與方法分別在棉花盛蕾、盛花、盛鈴、吐絮進(jìn)行冠層特征的觀測和測定,包括:株高、葉齡、果枝臺數(shù)以及成鈴數(shù),并在棉花吐絮后進(jìn)行實(shí)測產(chǎn)量,小區(qū)測產(chǎn)面積35.7m2。在每次灌水前監(jiān)測土壤含水量,取滴灌帶下0—60cm土層,每20cm為一層。土壤含水量用烘干法測定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤鹽分用干渣法;土壤全量氮磷鉀用三酸消煮法測定;植株全氮用全自動定氮儀測定;堿解氮、速效磷、速效鉀分別采用擴(kuò)散法、鉬藍(lán)比色法、火焰光度法測定。氮素當(dāng)季利用率:(施氮處理作物吸氮量-不施氮處理作物吸氮量)/氮肥用量灌水利用效率:棉花經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量/灌水量水氮邊際效應(yīng):每增加一個水氮單位的棉花增產(chǎn)量數(shù)據(jù)用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析;多重比較用LSD法。2結(jié)果與討論2.1施肥量對產(chǎn)量的影響分別對灌水345mm、420mm、505mm的不同施肥處理進(jìn)行了方差分析。結(jié)果(表3)表明,灌水量為345mm時,4個施肥處理之間產(chǎn)量間沒有顯著差異;灌水量為420mm,施肥處理間產(chǎn)量差異顯著,施肥處理與對照(不施肥)差異顯著,但施肥處理間無顯著差異;灌水量為505mm的4個處理,產(chǎn)量差異達(dá)極顯著水平,施肥處理間除N225與N337.5無顯著差異外,與其他處理間差異達(dá)顯著水平。灌水量505mm的處理,蕾期土壤相對含水量為60%~70%,花鈴期為70%~80%,基本上滿足了棉花對水分的需求,而灌水345mm的處理在每次灌水前一直低于60%,灌前已受到水分嚴(yán)重脅迫。綜上所述,棉花受到水分嚴(yán)重脅迫時,施肥對產(chǎn)量無顯著影響,即水分嚴(yán)重脅迫完全抑制了肥效的發(fā)揮。灌水量為420mm時,棉花受到一定水分脅迫,施肥超過112.5kg/hm2后,產(chǎn)量不再顯著增加;在此灌水量下施用氮肥有一定效應(yīng),但施用氮肥增產(chǎn)的空間比較小。灌水505mm的處理,隨著施氮量的增加產(chǎn)量隨之增加,但當(dāng)施氮量達(dá)到225kg/hm2時,產(chǎn)量不再顯著增加,此灌水量可以一直保證棉花正常需水。說明在滿足棉花水分需求的條件下,該施肥量可滿足棉花對氮肥的需求。試驗(yàn)中最優(yōu)水氮組合為:灌水量505mm,氮肥225kg/hm2;灌水量為420mm的最佳施氮量為112.5kg/hm2;而在灌水量為345mm時則以不施氮肥為好,這可能是由于土壤肥力較高的原因。表3還看出,不施氮時,各灌水處理的產(chǎn)量差異都不顯著,即氮肥是產(chǎn)量限制因子。施N112.5kg/hm2,灌水量420mm和505mm產(chǎn)量顯著高于345mm處理的產(chǎn)量,而兩者產(chǎn)量差異不明顯;灌水345mm的處理,在此施肥量下水分則成為限制因子。當(dāng)施肥量超過N225kg/hm2,灌水420mm的處理,水分已成為最小因子;當(dāng)灌水量超過505mm,隨灌水量的增加產(chǎn)量可能仍有增加趨勢,但需在大田進(jìn)一步驗(yàn)證。2.2不同處理的目的是影響棉花的生長發(fā)育2.2.1灌排對鈴重的影響棉花不同產(chǎn)量水平下群體的光能利用率是不同的,而群體的光能利用率直接與群體冠層結(jié)構(gòu)有關(guān)。合理的冠層結(jié)構(gòu)可增加其中、下層受光量,延長成熟期,促進(jìn)整個群體生殖器官產(chǎn)物的增加。表4看出,隨著灌水量和施肥量的增加,棉花株高、葉齡、果枝臺數(shù)以及成鈴數(shù)也隨之增加。灌水量為345mm時,由于棉花受到水分嚴(yán)重脅迫,株高、葉齡、果枝臺數(shù)以及成鈴數(shù)隨施肥量的變化不明顯;當(dāng)灌水量增加到505mm時,棉花水分狀況得到改善,各冠層指標(biāo)較灌水345mm的處理均有增加;而且在此灌水量下各施肥處理的冠層指標(biāo)差異加大,可以看出灌水促進(jìn)氮肥的發(fā)揮。灌水較施肥對棉花鈴重的影響明顯。灌水量為345mm的處理,中部鈴重普遍高于505mm處理的中部鈴重,這可能是由于灌水量高的處理棉花的長勢優(yōu)于灌水345mm的處理,致使棉花中部郁閉,影響到中部果枝葉的光合作用,減少了中部鈴的干物質(zhì)累積;而灌水505mm處理,上部鈴重高于345mm的下部鈴重,這是由于棉花在適量灌水下延長了上部葉片的功能期,增加了上部鈴的干物質(zhì)累積。分別擬合株高、葉齡、果枝數(shù)、成鈴數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系可看出,這些冠層指標(biāo)與棉花產(chǎn)量高度相關(guān),因此在一定范圍內(nèi)增加這些冠層指標(biāo)均能提高棉花產(chǎn)量。其回歸方程分別為:y株高=19x+1729,r=0.82;y葉數(shù)=208x-244,r=0.89;y果枝=215x+186,r=0.92;y成鈴=202x+1191,r=0.96。根據(jù)擬合的方程,棉花產(chǎn)量要達(dá)到3000kg/hm2,優(yōu)化冠層指標(biāo)分別為株高66.9cm、葉齡15.6個、果枝13.1臺、成鈴數(shù)8.9個,這可以作為調(diào)控棉花冠層指標(biāo)的參考依據(jù)。2.2.2時間調(diào)節(jié)的影響用吐絮期中某一階段棉花收獲比例來反應(yīng)棉花生育期的長短,棉花在前期收獲的比例越高,表示生育期短。表5表明,在9月20日以前,灌水345mm各處理已收獲的棉花產(chǎn)量占總產(chǎn)量的80%以上,灌水420mm的處理收獲比例在71.3%~76.3%之間,灌水505mm的處理則低于70%,可以看出水分脅迫加快棉花生育進(jìn)程。在同一灌水量下,隨著氮肥施量的增加,9月20日之前的棉花收獲比例逐漸降低,即增加施肥量延長棉花生育期;而且在水分脅迫較重時(345mm),氮肥對棉花生育期影響不明顯;隨灌水量增加,各施肥處理間生育期差異加大。同時還看出,灌水較氮肥對棉花生育期影響明顯。增加灌水促進(jìn)了氮肥的發(fā)揮,使吐絮期葉片全氮含量較高,葉片的硝酸還原酶以及葉綠素的活性也較高,從而延長了棉花葉片功能期。因此可以通過合理水氮配比適當(dāng)延長棉花生育期,增加后期干物質(zhì)累積,從而提高棉花產(chǎn)量。2.3化肥用量及用量滴灌棉花的氮肥當(dāng)季利用率受灌水量和施氮量影響。當(dāng)棉花受到水分嚴(yán)重脅迫時,氮肥當(dāng)季利用率差別不大;隨著灌水量的增加,氮肥處理間的差異逐漸加大。水分脅迫時,施氮量為112.5與337.5kg/hm2的氮肥利用率僅相差2.3%,而在505mm灌水量下,差值達(dá)到12.7%,水氮之間互作效應(yīng)明顯。施氮112.5kg/hm2、灌水505mm的氮肥利用率最高,達(dá)到33.8%(表6)?？梢钥闯?水分對氮肥當(dāng)季利用率有明顯的促進(jìn)作用。灌水量為345mm的各氮肥處理的灌水利用效率都高于505mm相對應(yīng)的各氮肥處理的,而且在同一灌水量下隨著施肥量的增加灌水利用效率也隨之增加,即增施氮肥提高了灌水利用效率。但灌水對棉花水氮利用效率的影響要高于氮肥對棉花的影響,也就是說在南疆,水分是膜下滴灌棉花的主效應(yīng)因子。2.4灌排液用量對邊際效應(yīng)的影響在同一灌水量下,隨著施肥量的增加,氮肥邊際效應(yīng)逐漸降低,符合報酬遞減規(guī)律。在灌水505mm、氮肥用量112.5kg/hm2時,每千克氮肥增產(chǎn)皮棉2.14kg,當(dāng)施氮量增加到337.5kg/hm2時則降為1.41kg,而且增加灌水量,氮肥邊際效應(yīng)變大,即在一定程度內(nèi)增加灌水量可增加氮肥的邊際效應(yīng)(表7)。表7還看出,在同一施肥量下,隨著灌水量的增加,灌水邊際效應(yīng)變大;而且隨著施肥量的增加灌水邊際效應(yīng)也在不斷增加,即增加氮肥用量促進(jìn)水分效應(yīng)的發(fā)揮。但灌水邊際效應(yīng)并不遵循報酬遞減規(guī)律,這可能與本試驗(yàn)中設(shè)計的灌水量有關(guān)。作物產(chǎn)量隨著灌水量的增加呈現(xiàn)明顯三個階段,即快速增加期、減速增加期以及負(fù)增加期,灌水邊際效應(yīng)在第一階段呈增加趨勢,本試驗(yàn)505mm的灌水量,可能仍處于加速增加階段范圍,因此邊際效應(yīng)呈現(xiàn)增加趨勢。這也說明此灌水量仍未過量,增加灌水量產(chǎn)量有可能進(jìn)一步增加,但這需在大田進(jìn)一步驗(yàn)證。3對水稻產(chǎn)量的影響及方法1)通過對不同水氮處理棉花的產(chǎn)量效應(yīng)、冠層特征以及水氮利用效率的分析結(jié)果表明,在膜下滴灌條件下,水氮之間明顯的互作效應(yīng),水分脅迫極大抑制了肥效發(fā)揮,而在水分適宜時氮肥之間的效應(yīng)差異明顯;氮肥也促進(jìn)了水分發(fā)揮。但水分效應(yīng)要大于氮肥效應(yīng),即在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下,灌水是膜下滴灌棉花的主效應(yīng)因子。2)本試驗(yàn)條件下,棉花栽培中最優(yōu)水氮組合為:灌水量505mm,氮肥225kg/hm2;灌水量為420mm的最佳施肥量為112.5kg/hm2,而當(dāng)灌水量為345mm時以不施肥產(chǎn)量最高。需要說明的是,此推薦水氮組合是在土壤肥力較高的地塊上,特別是對于灌水345mm的處理,可能土壤礦化的氮素已能滿足棉花對氮肥的需求,