南疆膜下滴灌棉花水氮耦合效应研究

南疆膜下滴灌棉花水氮耦合效应研究

现代农业强调水和氮的相互作用，利用其共同作用对水和氮进行综合管理。膜下滴灌技术是将覆膜种植与滴灌技术相结合的一种新型灌溉技术,具有明显的节水节肥效果。1996年提出膜下滴灌技术并开始在新疆推广,但对其研究则刚刚起步,而且主要集中在北疆地区。前人已对膜下滴灌的棉花根系分布特点以及水、肥、盐的运移规律进行了探讨,初步提出了膜下滴灌棉花的灌水决策指标,而且普遍认为在北疆膜下滴灌棉花推荐灌水量和施氮量分别为每公顷225mm和150kg。由于南北疆气候不同以及棉花产量差异,北疆膜下滴灌棉花的水氮推荐量在南疆需要校正。为将这种新型的灌溉技术同水氮协同管理结合起来,探讨其交互作用机理并应用于大田生产,设置了不同水氮处理,研究膜下滴灌棉花不同水氮处理的产量效应以及对棉花冠层特征的影响,以期为南疆棉花水氮管理提供科学依据。1材料和方法1.1农业用水与产量试验在新疆南部塔里木盆地东北缘尉犁县城南的孔雀农场直属队2号地进行。该地位于N41°18′866″,E86°15′535″;年降水量43mm,蒸发量2910mm,年均气温10.7℃,>10℃积温4184℃,无霜期144~210d。当地农业主要依靠塔里木河和孔雀河进行灌溉,属于典型的干旱区绿洲农业。在用水高峰期(7月份),河水经常断流,因此农业用水矛盾日益严重。试验地棉花已连作7年以上,土壤为潮土,土壤表层0—60cm的容重为1.36g/cm3,30—35cm处有一夹粘层,田间饱和持水量为33%。试验前进行过冬灌,三月中旬又进行一次春灌,播种前,0—100cm土层储水量约375mm,其中60—100cm的田间持水量接近90%。以前试验地及周边地块采用常规漫灌方式,根据农户调查,试验地已连续几年籽棉产量5250~6000kg/hm2。土壤养分状况如表1。1.2灌溉系统设计试验于2004年4—10月进行。采用一膜四行种植模式,行距30cm—40cm—30cm,一膜铺设两条滴灌带,位于窄行之间。膜宽1.0m,膜间宽0.7m。株距10cm,理论株数每公顷22万株,实际株数每公顷20.5万株,出苗率达到94%,棉花品种为巴棉三号。小区面积80m2,三膜一个试验小区,设3个重复。试验共设3个灌水量345、420、505mm,4个施氮量0、112.5、225、337.5kg/hm2,采取完全设计,共12个处理。氮肥全部追施,磷钾肥全部基施,其中P2O5使用量150kg/hm2,K2O使用量90kg/hm2。水氮分配如表2。滴灌进行30min后,开始施氮肥,每小区一个压差施肥罐,控制施肥罐进水阀门以调节施肥的速度,保证在滴灌结束前30min完成施肥。灌溉系统由动力系统,过滤系统,管道系统,施肥系统组成。动力系统有一台3.6kw的雅马哈水泵提供,过滤系统分由粗细两个部分组成,施肥系统为压差施肥器,并与水表相连确定灌水量。管道系统由干管(直径60mm)、支管(直径50mm)、副管(直径25mm)以及毛管组成,毛管为内镶式紊流滴灌带,直径16mm,正常工作压力0.1Mpa,滴头间距0.3m,流量1.8L/h。1.3测定指标与方法分别在棉花盛蕾、盛花、盛铃、吐絮进行冠层特征的观测和测定,包括:株高、叶龄、果枝台数以及成铃数,并在棉花吐絮后进行实测产量,小区测产面积35.7m2。在每次灌水前监测土壤含水量,取滴灌带下0—60cm土层,每20cm为一层。土壤含水量用烘干法测定;有机质含量采用重铬酸钾容量法测定;土壤盐分用干渣法;土壤全量氮磷钾用三酸消煮法测定;植株全氮用全自动定氮仪测定;碱解氮、速效磷、速效钾分别采用扩散法、钼蓝比色法、火焰光度法测定。氮素当季利用率:(施氮处理作物吸氮量-不施氮处理作物吸氮量)/氮肥用量灌水利用效率:棉花经济产量/灌水量水氮边际效应:每增加一个水氮单位的棉花增产量数据用SPSS软件进行统计分析;多重比较用LSD法。2结果与讨论2.1施肥量对产量的影响分别对灌水345mm、420mm、505mm的不同施肥处理进行了方差分析。结果(表3)表明,灌水量为345mm时,4个施肥处理之间产量间没有显著差异;灌水量为420mm,施肥处理间产量差异显著,施肥处理与对照(不施肥)差异显著,但施肥处理间无显著差异;灌水量为505mm的4个处理,产量差异达极显著水平,施肥处理间除N225与N337.5无显著差异外,与其他处理间差异达显著水平。灌水量505mm的处理,蕾期土壤相对含水量为60%~70%,花铃期为70%~80%,基本上满足了棉花对水分的需求,而灌水345mm的处理在每次灌水前一直低于60%,灌前已受到水分严重胁迫。综上所述,棉花受到水分严重胁迫时,施肥对产量无显著影响,即水分严重胁迫完全抑制了肥效的发挥。灌水量为420mm时,棉花受到一定水分胁迫,施肥超过112.5kg/hm2后,产量不再显著增加;在此灌水量下施用氮肥有一定效应,但施用氮肥增产的空间比较小。灌水505mm的处理,随着施氮量的增加产量随之增加,但当施氮量达到225kg/hm2时,产量不再显著增加,此灌水量可以一直保证棉花正常需水。说明在满足棉花水分需求的条件下,该施肥量可满足棉花对氮肥的需求。试验中最优水氮组合为:灌水量505mm,氮肥225kg/hm2;灌水量为420mm的最佳施氮量为112.5kg/hm2;而在灌水量为345mm时则以不施氮肥为好,这可能是由于土壤肥力较高的原因。表3还看出,不施氮时,各灌水处理的产量差异都不显著,即氮肥是产量限制因子。施N112.5kg/hm2,灌水量420mm和505mm产量显著高于345mm处理的产量,而两者产量差异不明显;灌水345mm的处理,在此施肥量下水分则成为限制因子。当施肥量超过N225kg/hm2,灌水420mm的处理,水分已成为最小因子;当灌水量超过505mm,随灌水量的增加产量可能仍有增加趋势,但需在大田进一步验证。2.2不同处理的目的是影响棉花的生长发育2.2.1灌排对铃重的影响棉花不同产量水平下群体的光能利用率是不同的,而群体的光能利用率直接与群体冠层结构有关。合理的冠层结构可增加其中、下层受光量,延长成熟期,促进整个群体生殖器官产物的增加。表4看出,随着灌水量和施肥量的增加,棉花株高、叶龄、果枝台数以及成铃数也随之增加。灌水量为345mm时,由于棉花受到水分严重胁迫,株高、叶龄、果枝台数以及成铃数随施肥量的变化不明显;当灌水量增加到505mm时,棉花水分状况得到改善,各冠层指标较灌水345mm的处理均有增加;而且在此灌水量下各施肥处理的冠层指标差异加大,可以看出灌水促进氮肥的发挥。灌水较施肥对棉花铃重的影响明显。灌水量为345mm的处理,中部铃重普遍高于505mm处理的中部铃重,这可能是由于灌水量高的处理棉花的长势优于灌水345mm的处理,致使棉花中部郁闭,影响到中部果枝叶的光合作用,减少了中部铃的干物质累积;而灌水505mm处理,上部铃重高于345mm的下部铃重,这是由于棉花在适量灌水下延长了上部叶片的功能期,增加了上部铃的干物质累积。分别拟合株高、叶龄、果枝数、成铃数与产量的关系可看出,这些冠层指标与棉花产量高度相关,因此在一定范围内增加这些冠层指标均能提高棉花产量。其回归方程分别为:y株高=19x+1729,r=0.82;y叶数=208x-244,r=0.89;y果枝=215x+186,r=0.92;y成铃=202x+1191,r=0.96。根据拟合的方程,棉花产量要达到3000kg/hm2,优化冠层指标分别为株高66.9cm、叶龄15.6个、果枝13.1台、成铃数8.9个,这可以作为调控棉花冠层指标的参考依据。2.2.2时间调节的影响用吐絮期中某一阶段棉花收获比例来反应棉花生育期的长短,棉花在前期收获的比例越高,表示生育期短。表5表明,在9月20日以前,灌水345mm各处理已收获的棉花产量占总产量的80%以上,灌水420mm的处理收获比例在71.3%~76.3%之间,灌水505mm的处理则低于70%,可以看出水分胁迫加快棉花生育进程。在同一灌水量下,随着氮肥施量的增加,9月20日之前的棉花收获比例逐渐降低,即增加施肥量延长棉花生育期;而且在水分胁迫较重时(345mm),氮肥对棉花生育期影响不明显;随灌水量增加,各施肥处理间生育期差异加大。同时还看出,灌水较氮肥对棉花生育期影响明显。增加灌水促进了氮肥的发挥,使吐絮期叶片全氮含量较高,叶片的硝酸还原酶以及叶绿素的活性也较高,从而延长了棉花叶片功能期。因此可以通过合理水氮配比适当延长棉花生育期,增加后期干物质累积,从而提高棉花产量。2.3化肥用量及用量滴灌棉花的氮肥当季利用率受灌水量和施氮量影响。当棉花受到水分严重胁迫时,氮肥当季利用率差别不大;随着灌水量的增加,氮肥处理间的差异逐渐加大。水分胁迫时,施氮量为112.5与337.5kg/hm2的氮肥利用率仅相差2.3%,而在505mm灌水量下,差值达到12.7%,水氮之间互作效应明显。施氮112.5kg/hm2、灌水505mm的氮肥利用率最高,达到33.8%(表6)。可以看出,水分对氮肥当季利用率有明显的促进作用。灌水量为345mm的各氮肥处理的灌水利用效率都高于505mm相对应的各氮肥处理的,而且在同一灌水量下随着施肥量的增加灌水利用效率也随之增加,即增施氮肥提高了灌水利用效率。但灌水对棉花水氮利用效率的影响要高于氮肥对棉花的影响,也就是说在南疆,水分是膜下滴灌棉花的主效应因子。2.4灌排液用量对边际效应的影响在同一灌水量下,随着施肥量的增加,氮肥边际效应逐渐降低,符合报酬递减规律。在灌水505mm、氮肥用量112.5kg/hm2时,每千克氮肥增产皮棉2.14kg,当施氮量增加到337.5kg/hm2时则降为1.41kg,而且增加灌水量,氮肥边际效应变大,即在一定程度内增加灌水量可增加氮肥的边际效应(表7)。表7还看出,在同一施肥量下,随着灌水量的增加,灌水边际效应变大;而且随着施肥量的增加灌水边际效应也在不断增加,即增加氮肥用量促进水分效应的发挥。但灌水边际效应并不遵循报酬递减规律,这可能与本试验中设计的灌水量有关。作物产量随着灌水量的增加呈现明显三个阶段,即快速增加期、减速增加期以及负增加期,灌水边际效应在第一阶段呈增加趋势,本试验505mm的灌水量,可能仍处于加速增加阶段范围,因此边际效应呈现增加趋势。这也说明此灌水量仍未过量,增加灌水量产量有可能进一步增加,但这需在大田进一步验证。3对水稻产量的影响及方法1)通过对不同水氮处理棉花的产量效应、冠层特征以及水氮利用效率的分析结果表明,在膜下滴灌条件下,水氮之间明显的互作效应,水分胁迫极大抑制了肥效发挥,而在水分适宜时氮肥之间的效应差异明显;氮肥也促进了水分发挥。但水分效应要大于氮肥效应,即在当地气候条件下,灌水是膜下滴灌棉花的主效应因子。2)本试验条件下,棉花栽培中最优水氮组合为:灌水量505mm,氮肥225kg/hm2;灌水量为420mm的最佳施肥量为112.5kg/hm2,而当灌水量为345mm时以不施肥产量最高。需要说明的是,此推荐水氮组合是在土壤肥力较高的地块上,特别是对于灌水345mm的处理,可能土壤矿化的氮素已能满足棉花对氮肥的需求,