不同滴灌施肥模式对油菜生长和水肥利用的影响

王浩翔，张新燕，牛文全，2，田 佟

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100;2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100)

滴灌施肥通过滴灌系统供水供肥，均匀准确地输送至作物根部区域，大大提高了水、肥利用率，满足作物在关键生育期的水肥需要，是一项农业新技术［1-4］。研究滴灌施肥对大棚油菜生长的影响对制定和完善大棚油菜灌溉施肥制度及节水节肥的水肥管理模式有重要意义。Coston等［5］通过对盆栽桃树采用不同方法施氮的试验发现，滴灌施肥量仅仅达到土壤施肥量的25%～50%时，桃树叶片含氮量和茎粗即可表现出土壤施肥增加的效果，试验说明滴灌施肥可节约氮肥25%～50%。陈静等［6］在黄淮海平原地区免耕冬小麦采用滴灌施肥方法的试验中发现:滴灌可以将水分直接输入作物根区内，大大减少了灌溉水深层渗漏存在的风险，并且促进了作物对水肥的吸收，合理的滴灌施肥相较常规施肥可节约氮肥23.47%、磷肥28.33%和钾肥47.89%。邢英英等［7］基于番茄产量和品质对适宜的滴灌灌水施肥量进行了研究，结果表明番茄生长、产量和品质受水肥交互作用影响极显著。不同毛管布置和灌水量对温室番茄有显著影响，一管一行有利于番茄株高的增长，一管两行有利于增产［8］。对于油菜来说，水分是影响油菜产量最重要的因素，灌水量、氮肥和磷肥对油菜产量的影响存在交互作用［9-10］，且合理的水肥组合能显著促进作物生长，提高光合速率，提高产量［11-12］。以往研究主要集中在滴灌施肥对作物生长和产量的宏观效应及定性分析引起此效应的生理机制方面，由于控制方式和试验材料不同，得出的结论往往不同。在少数研究中滴灌毛管布置为一管一行或一管两行，同一研究中同时采用不同毛管布置和水肥调控的研究相对较少。

本研究通过大棚油菜滴灌条件下不同毛管布置方式和水肥耦合试验，探索油菜生长和水肥利用状况对试验因素的响应情况，寻找较优的滴灌毛管布置方式、灌水量和施肥量的组合模式，为确定合理的滴灌毛管布置方式和科学的灌溉施肥制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于西北农林科技大学标本区旱作实验大棚内进行。旱棚长24.5 m、宽6 m、高2.5 m，内分为36个测坑。测坑长2 m、宽1.5 m，深度最大2 m，最小0.5 m。坑内土壤为杨凌壤土，土壤基本理化性质为:pH 8.40，有机质含量0.885%，全氮0.078%，全磷0.053%，全钾1.890%;测坑四周砖墙，水泥抹面，不透水。供试冬油菜品种为“陕油16”。滴灌施肥设备主要由水源、水表、比例施肥泵(进出水口径25 mm，流量20～2 500 L·h-1，水压 0.02～0.3 MPa)和输配水管道系统等组成，采用液压比例施肥泵装置控制。采用内镶式滴灌管，管径16 mm，壁厚0.20 mm，工作压力50～100 kPa，滴头间距 0.30 m，额定流量2.0 L·h-1。

1.2 试验设计

试验设置3种滴灌毛管布置方式:G1(一管一行)、G2(一管两行)、G3(一管三行);3个灌水水平:低水 W1(50%ET0)、中水 W2(75%ET0)、高水W3(100%ET0);当地推荐油菜氮、磷、钾、硼施肥量为600∶380∶220 ∶15 kg·hm-2，试验设3个施肥水平:低肥F1(N ∶P2O5∶K2O ∶H3BO3为300∶190∶110∶8 kg·hm-2)、中肥 F2(N ∶P2O5∶K2O ∶H3BO3为450 ∶280 ∶160 ∶12 kg·hm-2)、高肥 F3(N ∶P2O5∶K2O ∶H3BO3为600∶380∶220∶15 kg·hm-2);采用三因素三水平正交试验设计，共9个处理，每个处理设3个重复。温室ET0计算由温室内安装的全自动气象站观测数据获得，并根据日光温室Penman-Monteith修正公式［13］计算，公式如下

式中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm·d-1);Rn和G分别为地表净辐射和土壤热通量(MJ·m-2·d-1);ea和ed分别为饱和水汽压和实际水汽压(kPa);Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa·℃-1);γ为干湿表常数(kPa·℃-1);T为2 m高度处平均气温(℃)。

在试验前对棚室测坑土地进行了整治，首先按每666.7 m2施肥量225 kg施入有机底肥，深翻，之后灌播前水，灌水量控制为30 mm水层深度。油菜按行距50 cm、株距15 cm进行点播，每穴4～5粒种。于2017年10月26日播种，2017年11月3日出苗，2018年5月13日收获，整个油菜生育期历时187 d。W1、W2、W3 灌水总量分别为 153.83、220.07 mm和284.48 mm，灌水时间及灌水量如图1所示。根据当地油菜生长发育阶段需求，氮肥分别在播种期、苗期、蕾薹期按比例 1∶0.6∶0.4施用，其他肥料随播前水施入，配施处理如表1所示。

图1 油菜生育期内各处理灌水过程Fig.1 Irrigation process of each treamtemt in rape growth period

表1 油菜肥料配施处理Table 1 Treatment of rape fertilizer

1.3 测定内容及方法

株高的测定:苗期株高用直尺测量根部到冬油菜心叶处，蕾薹期及以后的株高用卷尺直接测量根部到冬油菜顶端。株高在油菜苗期测1次，蕾薹期每周测1次。定选每个测坑中长势较有代表性的植株共27株。

叶面积的测定:用刻度尺测量叶片的长和宽，其乘积与校正系数的乘积作为叶片的叶面积［14］，校正系数由方格纸法获得，为0.74。

光合作用的测定:于油菜花期和成熟期晴朗天气各测定1次，测定时间为9∶00～11∶00，测定仪器使用光合测定仪(北京力高泰科技有限公司LI-6400×T)。每个测坑取3片生长状况相近的叶片夹在光合测定仪的透明叶室中1～3 min即可测得叶片的光合速率。

叶绿素的测定:于油菜蕾薹期和花期晴朗天气各测定1次，测定时间为9∶00～11∶00，每个测坑选5片生长状况接近的叶片用手持式叶绿素仪测定。

干物质测定:收获期不同处理随机选取植株取样，将地上部分茎、叶分开，于105℃杀青30 min，然后于75℃烘至恒重，冷却后用电子天平称重。

产量测定:每个处理取3个重复，每个重复随机标记1株植株，收获时每个处理分别称重计算产量。

土壤含水量的测定:采用TRIME-PICO TDR便携式土壤水分测量仪测定。在试验前、收获后、每次灌水前后2 d内，用TDR水分测定仪每间隔20 cm土层深度测定土壤体积含水量，测至深度80 cm。

采用水量平衡法［13，7］计算油菜植株不同时间段内耗水量ET(mm)，由于温室没有降雨，滴灌单次灌水量较小且测坑不透水，公式为:

式中，ET为作物耗水量(mm);I为灌水量(mm);ΔW为灌水前后0～100 cm土壤水分变化量(mm)。

水分利用效率(WUE)计算公式为［15］:

式中，Y为油菜产量(kg·hm-2);ET为作物耗水量(mm)。

肥料偏生产力(PFP)计算公式为［12］:

式中，Y为油菜产量(kg·hm-2);T为作物全生育期投入 N、P2O5、K2O 和 H3BO3的总量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2007进行数据计算;使用SPSS 18.0统计软件进行方差分析，如果差异显著(P＜0.05)则进行LSD比较;用Sigmaplot 12.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌施肥模式对油菜生长发育的影响

株高和叶面积是体现油菜生长状态非常重要的指标，可以判断不同处理条件下油菜生长状况的优劣，合理的滴灌施肥模式在一定种植密度下可以促进油菜株高、叶面积生长，促进叶绿素的合成，提高光合速率。表2、表3所示为不同滴灌施肥模式对油菜株高和叶面积的影响。

由表2可知，各处理的株高在生育期内总体呈现蕾薹期增速较大，花期增速平缓，最后趋于稳定的特点。不同滴灌施肥模式下，水肥交互作用对油菜各生育期内株高影响均达极显著水平(P＜0.01)。在成熟期，G1W3F3处理株高达最大为199 cm，G1W1F1处理最低仅为136 cm，G2W2F3株高为188 cm，较G1W3F3处理降低5.5%。株高随灌水量的增加而增大，与W1相比，W2和W3株高分别增加22.1%和28.2%，W2与W3之间差异不显著，与W1处理差异极显著;施肥量对油菜株高影响达显著水平(P＜0.05)，与低肥(F1)相比，中肥(F2)和高肥(F3)株高分别增加5.5%和12.8%。毛管布置方式对油菜株高的影响不显著。

由表3可知，各处理的叶面积大小在生育期内呈现先增大后减小的趋势，不同滴灌施肥模式下，水肥交互效应对油菜叶面积有极显著影响(P＜0.01)，G1W3F3处理叶面积增长速率最快，于蕾薹期末期达到峰值(5 908 cm2)，较峰值叶面积最低的G1W1F1处理高235.5%，且叶面积下降速率也最快，其余处理叶面积增长速率无显著差异，叶面积下降较平稳。与W1相比，W2和W3叶面积峰值分别增加45.8%和124.2%，灌水量各水平间差异极显著。与低肥(F1)相比，中肥(F2)和高肥(F3)叶面积峰值分别增加49.7%和50.2%，说明F2与F3之间差异不显著，与F1处理差异显著。毛管布置对油菜叶面积的影响不显著。

由此可见，灌水量、施肥量与油菜生长指标呈正相关，合理的水肥模式可以有效促进油菜的生长发育。

表2 滴灌施肥模式对油菜株高的影响/cmTable 2 Effect of drip fertigation mode on plant height of rape

表3 滴灌施肥模式对油菜叶面积的影响/cm2Table 3 Effect of drip fertigation mode on leaf area of rape

2.2 不同滴灌施肥模式对油菜生理指标的影响

叶绿素含量和净光合速率是反映油菜生理状况的重要指标。叶绿素含量的高低能直接反映油菜的生长速率且影响作物光合速率的快慢，光合作用是累积有机物的过程，而净光合速率越快表示吸收的CO2越多，能产生越多的碳水化合物从而可以提高油菜的产量;合理的滴灌施肥模式可以提高叶绿素含量，提高净光合速率，进而提高产量。不同处理对油菜不同生育期内生理指标影响的显著性分析见表4。

不同滴灌施肥模式下，蕾薹期水与肥及其交互作用对油菜叶绿素含量影响达极显著水平(P＜0.01)，随灌水量、施肥量的增加，叶绿素含量显著增加，W3处理平均叶绿素含量较W2和W1高3.52%和14.82%，F3处理平均叶绿素含量较F2和F1高5.50%和10.8%，灌水量、施肥量各水平间差异显著;G1W3F3处理的叶绿素含量SPAD达最大值62.11，G1W1F1处理的叶绿素含量最低，为48.75，G2W2F3处理较G1W3F3处理叶绿素含量降幅为3.0%。花期水肥交互效应对油菜叶绿素含量影响达显著水平(P＜0.05)，但各处理叶绿素含量在花期较蕾薹期有所下降。毛管布置方式对叶绿素含量影响不显著。

不同滴灌施肥模式下，蕾薹期水与肥及其交互作用对油菜净光合速率影响达极显著水平(P＜0.01)，随灌水量、施肥量的增加，净光合速率显著增加，W3处理平均净光合速率较W2和W1高3.06%和64.4%，F3处理平均净光合速率较F2和F1高3.79%和51.85%，W2与 W3之间差异不显著，与W1处理差异极显著，F2与F3之间差异不显著，与F1处理差异极显著;G1W3F3处理的净光合速率达最大值23.68 μmol·m-2·s-1，G1W1F1处理的净光合速率最低，为8.78μmol·m-2·s-1，G2W2F3处理较G1W3F3处理净光合速率降幅3.46%。花期各处理净光合速率较花期有所提高，但各处理间差异不显著。

总的来说，灌水量、施肥量与油菜生理指标呈正相关，合理的水肥模式可以有效提高叶绿素含量，促进光合作用。

2.3 不同滴灌施肥模式对油菜干物质量的影响

为探究不同滴灌施肥模式对油菜地上部干物质量的影响，各处理地上部干物质量如图2所示。不同滴灌模式对油菜地上部干物质量影响顺序从大到小依次为灌水量、施肥量、毛管布置方式。灌水量对干物质量影响表现为W3＞W2＞W1，W3处理平均产量较W2和W1高9.89%和38.06%，说明增加灌水量能显著提高油菜干物质积累;施肥量与毛管布置方式对油菜干物质积累影响不显著。各处理中G1W3F3干物质量最大，为195.02 g·株-1，其次G2W2F3为187.65 g·株-1，较 G1W3F3相比降幅仅为3.78%，G1W1F1干物质量最小，仅为61.20 g·株-1。由此可见，虽然G1W3F3干物质量最大，但G2W2F3降幅并不明显却节水25%，且能有效促进油菜干物质量的积累，节水效果明显。

表4 滴灌施肥模式对油菜叶绿素含量、净光合速率的影响Table 4 Effect of drip fertigation mode on chlorophyll content and net photosynthetic rate of rape

图2 不同滴灌施肥模式对油菜地上部干物质积累的影响Fig.2 Effects of different drip irrigation fertilization modes on dry matter above ground accumulation of rape

2.4 不同滴灌施肥模式对油菜产量、水肥利用的影响

油菜的产量、水分利用效率(WUE)和肥料偏生产力(PFP)是反映油菜生长情况好坏和经济效益的重要指标，滴灌施肥模式对油菜产量、水肥利用效率的影响见表5。

不同滴灌模式对油菜产量影响从大到小顺序为灌水量、施肥量、毛管布置方式。G1W3F3处理的产量最高，为5 430 kg·hm-2，其次为G2W2F3处理5 400 kg·hm-2，比G1W3F3处理产量仅降低30 kg·hm-2，降幅0.5%，G1W1F1处理的产量最低，为4 810 kg·hm-2。灌水量W对油菜产量影响表现为W3＞W2＞W1，W3处理平均产量较 W2和 W1高0.13%和6.49%，W2与W3之间差异不显著;施肥量F对油菜产量影响表现为F3＞F2＞F1，F3处理平均产量较F2和F1高4.82%和6.10%，F1与F2之间差异不显著;产量与灌水量、施肥量呈正相关。

比较WUE可以发现，最大值出现在W1处理，而最小值出现在W3处理，说明WUE与灌水量呈负相关;低水处理的WUE更高，W1处理平均较W2和W3高37.73%和76.36%;施肥量与毛管布置方式对WUE影响不显著。各处理中产量最高的G1W3F3WUE为19.64 kg·hm-2·mm-1，G2W2F3 处理为 24.89 kg·hm-2·mm-1，较G1W3F3 处理高26.73%。

从PFP可以看出，F1处理获得最大的肥料偏生产力，其次为F2，F3肥料偏生产力最低，而灌水量与毛管布置方式对PFP影响不显著。F1处理平均肥料偏生产力较F2和F3高46.37%和88.34%，说明施肥量越低肥料偏生产力越高。各处理中产量最高的G1W3F3处理PFP为4.47，而G2W2F3肥料偏生产力仅低0.03，差距并不明显。

综上所述，虽然G1W3F3产量最高，但G2W2F3产量降幅并不大;且较G1W3F3相比，G2W2F3灌水量低25%，水分利用效率高26.73%，肥料偏生产力仅低0.67%，说明G2W2F3的滴灌施肥模式能有效提高水分利用效率，节水增产。

表5 滴灌施肥模式对油菜产量、水肥利用的影响Table 5 Effect of drip fertigation mode on rapeseed yield，WUE and PFP

3 讨论

水肥是影响油菜生长的两个重要因素，最优的滴灌施肥模式可以实现油菜节水高产、经济高效的目标。本文通过三因素三水平正交试验，研究不同灌水量、施肥量和毛管布置方式下油菜生理、生长、产量、水分利用效率、土壤含水量及土壤理化性质的变化情况。结果表明，灌水量和施肥量对油菜生理生长、产量较毛管布置方式有显著影响，油菜生长、生理指标、产量与灌水量、施肥量在一定范围内呈正相关，这与前人的研究结果一致:吴国军［9］研究表明，随着灌水量的增加，油菜的株高、茎粗、叶绿素含量及净光合速率有一定程度的提高;胡敏等［16］发现在一定范围内通过增加施肥量可以明显提高油菜生物量及养分累积量，且随施肥量的增加，油菜地上部生物量及养分累积量呈增加趋势。本研究发现毛管布置方式对油菜生理生长指标的影响并不显著，与郭莉杰［8］研究发现一管一行有利于番茄株高的增长、一管两行有利于增产的结论不同，这可能是由于试验材料、生育期内的灌溉次数不同导致的，本实验的灌溉方式较其他研究灌水次数较少而单次灌水量较多，有待进一步研究完善。

结合油菜干物质量、产量和水肥利用发现，G1W2F2、G1W3F3、G3W3F2、G2W2F3 处理的产量均超过5 000 kg·hm-2，G1W3F3产量最高为5 430 kg·hm-2，其次为 G2W2F3;与 G1W3F3、G3W3F2 相比，G2W2F3产量可观且节水25%;与 G1W2F2相比，G2W2F3具有更高产量且在毛管布置方面G2布置所需滴灌带材料仅为G1的一半，更为经济;同时G2W2F3也有利于干物质积累，在各处理中表现优异。适宜的水分条件有利于提高气孔导度，在此条件下适量施肥有利于促进根系发育及对水分的吸收，提高净光合速率，从而促进光合作用，进而提高产量，提高水肥利用效率［17-20］，有利于油菜干物质积累，这在节水高产的G2W2F3处理上表现尤为明显。

4 结论

通过对不同毛管布置和水肥处理对油菜生理生长、干物质量、产量及水肥利用的影响分析，得出以下结论:

1)滴灌施肥条件下油菜生理生长指标与灌水量、施肥量呈正相关，G1W3F3处理获得最大株高、峰值叶面积、叶绿素含量及净光合速率，表明水肥及其交互作用是影响油菜生长生理指标的主要原因，毛管布置并不是产生影响的主要因素。

2)滴灌施肥条件下产量与灌水量、施肥量呈正相关;灌水量越高，WUE越低、干物质量越高，施肥量越高PFP越低;合理的水肥模式能促进干物质积累，有效提高水肥利用，提高产量。G1W3F3处理获得最大产量，G2W2F3处理较G1W3F3产量降幅不大，节水增产效果明显且水肥利用较高，且实际中G2布置所需滴灌带材料仅为G1的一半，较为经济合理。

全面综合考虑田间毛管布置及水肥协同效应，毛管布置为 G2(一管两行)，灌水量为 W2(75%ET0)，施肥量为F3(N ∶P2O5∶K2O ∶H3BO3为600∶380∶220∶15 kg·hm-2)即G2W2F3的组合方式最为经济适宜，节水增产效果明显。