郭晓平，谢建华，肖 娟
（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；
2.北京市大兴区种业与植保服务站，北京 100044）
运城市作为山西省小麦主产区，小麦种植面积占全省1/2左右[1]。尊村灌区位于运城市的中西部，占运城市水地面积的1/3，山西省水地面积的1/10，历来是山西省重要的粮食生产基地。地下水和黄河水作为尊村灌区内主要的两种灌溉水资源，小麦等粮食作物常以黄河水和地下水相结合的方式保障灌溉作业顺利完成。但灌区内地下水遭到长期大量的开采而导致地下水位下降，引起了本地区湿地的干涸，不利于生态环境的良性发展，因此以黄河水替代地下水控制开采量是地下水位止降回升的重要途径[2]。
目前关于黄河水灌溉对作物生长的研究主要集中在井渠配套灌溉[3-6]、灌溉水温[7]、水盐调控[8,9]、灌溉水量及水质[10-12]等领域。李春喜[3]、房志勇[4]等人对作物合理利用黄河水与井渠配套灌溉及其产量效应等进行了探讨，肯定了黄河水灌溉的增产作用及对产量构成因素的影响；
陈诚[5]从引黄河流来水量与来沙量的变化特点角度出发，提出适时调整井渠配套灌溉的观点；
余乐时[6]等人结合数值模型，提出了改进的井渠配套灌溉方案；
吴佳鹏[7]等人运用土壤温度特性和作物生育期温度需求两个方面的机理，分析了黄河水灌溉水温对土壤温度及其春小麦生长发育的影响；
赵然杭[8]等人从水盐运移角度出发，探究了黄河水灌溉对盐碱地土壤水盐含量的影响，提出了理想的节水、控盐灌水方案；
翟中民[9]等人基于土壤及灌溉水中的盐分含量，利用数值模拟为黄河水灌溉制定了合理的土壤盐分综合调控策略；
丁艳宏[10]等人通过探究畦灌模式下黄河水灌溉对玉米生长特性及水肥利用效率的影响，认可了黄河水灌溉对提高水分利用效率的积极作用；
曹雪松[11]等人开展了黄河水滴灌玉米田间试验，系统的分析了不同水分处理对玉米耗水及产量的影响；
翟英剑[12]等人以引黄滴灌葡萄为研究对象，通过与地下水滴灌对比，证实了黄河水灌溉对作物生长发育的促进作用。
综上所述，黄河水灌溉对作物的研究集中在引黄灌溉中的井渠协调、水温水盐调控、灌溉用水量及水质等领域，且主要对水分情况进行了系统研究，但是对黄河水灌溉条件下合理的施肥调控，特别是在黄河水滴灌模式下水肥一体化的施肥调控研究较少。因此，针对引黄灌区冬小麦高效水肥利用的迫切需要，充分利用黄河水资源。本试验采用黄河水和地下水滴灌的对比处理并结合不同施肥量，以冬小麦生长指标和产量为参考依据，寻找合理的黄河水滴灌条件下高效水肥处理方案，为引黄滴灌技术的推广提供科学依据。
1.1 试验区概况
试验在中国水利水电科学研究院运城尊村引黄灌溉试验站（34°88"E，110°34"N）测坑内进行，测坑规格为有底测坑（1.4 m×1.4 m×1.4 m），每个测坑四周用防水土工布相隔开，避免相邻小区水分的影响。每个测坑中心位置处打入一根长150 cm 的Trime 管（地下留120 cm，地上留30 cm）用于TRIMEPICO（德国）手持式水分测量系统监测水分变化。每个测坑底部装配有渗漏水采集桶，用于监测作物生育期内土壤水分渗漏情况。试验地多年平均降水量540 mm，平均气温13 ℃，平均蒸发量在2 000 mm左右。
试验小区0～100 cm 土层土壤pH 为8.35，全盐为0.33 g/kg，碱解氮为13.10 mg/kg，速效磷为10.06 mg/kg，速效钾为220.80 mg/kg，土质为粉砂壤土，干容重为1.66 g/cm3，田间持水率（体积）为36%。
滴灌水源为黄河水和地下水，黄河水经过施肥机的过滤系统后用于滴灌灌溉，地下水由当地200 m深井水提供。
1.2 试验设计
试验于2021年10月26日-2022年6月4日进行，试验所用冬小麦品种为周麦30号，基肥所用复合肥750 kg/hm2，氮磷钾比例为14∶16∶15，追肥采用尿素，含N 量46%。小麦施肥处理采用当地农户常用的一次追肥模式，追肥时将尿素按试验设计称量后溶于肥料罐中充分搅拌，经滴灌系统稀释后用于试验，病虫害防治同一般大田管理。
小麦采取条播，每条滴灌带控制2行小麦，滴灌带在两行小麦中间，每个测坑内种植6 行小麦，行距20 cm，滴头流量2 L/h，滴头间距30 cm，滴灌带为内镶贴片式迷宫流道滴灌带，购自北京绿源塑料有限公司。
试验地配有小型气象站，可连续监测试验过程中的日降雨量与日平均气温，考虑到试验期间过小的降雨量（＜5 mm）仅湿润土壤表层，对整个灌溉而言视为无效降雨，整个生育期无过大的降雨量，无深层渗漏损失（采集桶中未监测到渗漏水），因此日降雨量采用有效降雨量来表示，计算方法参考运城地区小麦作物有效降雨量经验公式，取经验系数0.8[13]，试验期间有效降雨量与日平均气温见图1。
图1 冬小麦生育期日均气温和日有效降雨量Fig.1 Average daily temperature and effective daily rainfall during winter wheat fertility
试验共设置5组处理，黄河水滴灌条件下当地农户常用施肥量的60%、80%、100%为处理T1、T2、T3，地下水滴灌条件下当地农户常用的施肥量的100%为T4，黄河水滴灌且不追肥处理为CK，每组处理重复2 次，具体施肥作业如表1所示。
表1 试验施肥处理Tab.1 Test fertilization treatments
试验过程中的灌水量在参考当地农户灌水量（地面灌） 及灌水次数（4 次补灌） 的基础上，考虑到滴灌应遵循少量多次的灌水原则，因此以当地农户常用补灌总水量的80% 作为本次试验的补灌总水量，并且将4 次补灌增加为7 次补灌作业，具体灌水处理如表2所示。
表2 不同生育期内灌水用量及方式Tab.2 Irrigation amount and method in different growth periods
1.3 观测项目及方法
（1）农艺性状的测定。采用5 点法（中点及距中点30 cm处正方形的4 点）。每隔10 天，用直尺测量株高、叶长和最大叶宽，测量3 次取平均值。成熟期选择具有代表性的5 株样品（地上部分）放入烘箱内105 ℃杀青30 min 后，85 ℃烘干至恒重称其干物质；
选取1 m2面积内小麦穗，经过风干脱粒后测定产量指标。
（2）土壤含水率的测定。土壤体积含水率由Trime 管测量得到，每20 cm 一层，共5 层，计算0～100 cm 土壤体积含水率的平均值，每3～5天测一次。作物收获后，依据0～100 cm土体水量平衡原理，计算整个生育期的耗水量，并结合作物产量与耗水量的比值计算水分利用效率。
（3）氮素含量的测定。作物收获后以Trime 管为中心，在距离管15 cm 的东西南北4 个方向上每隔20 cm 深度采集一层土样混合，共取5层土样后用AA3流动分析仪测定硝态氮、铵态氮含量。灌溉水质氮素含量检测过程中，为了避免滴灌管路中氮素残留对灌溉水质中硝态氮、铵态氮含量测定的干扰，直接取过滤后的黄河水进行水质检测，结果如表3所示。
表3 灌溉水质中氮素含量检测结果Tab.3 Test results of nitrogen content in irrigation water
2.1 不同处理对冬小麦株高与叶面积指数的影响
不同处理冬小麦株高和叶面积指数如图2所示。由图2（a）可知，冬小麦株高的生长符合“S”型增长曲线变化。4月中旬前，冬小麦处于拔节期，株高增长速度快；
4月中旬后，进入抽穗灌浆期，株高增长速度减缓；
5月后，株高稳定不再增长，从低到高排序为CK＜T1＜T2＜T3＜T4，其中T2 和T3 株高分别为86.8 cm、87.3 cm，分别比CK 处理高5.3 cm、5.8 cm，比T1 处理高1.5 cm、2.0 cm，比T4 处理低2.2 cm、1.7 cm，说明株高随施氮量的增加而增加，且增加效果逐渐减弱。当施氮量为255 kg/hm2时，地下水处理的株高高于黄河水处理，说明地下水灌溉更利于冬小麦株高的生长。
图2 不同处理的株高和叶面积指数Fig.2 Plant height and leaf area index of different treatments
由图2（b）可知，冬小麦的叶面积指数随生育期的推移先升高后降低，黄河水滴灌处理（CK、T1、T2、T3）的叶面积指数在灌浆中期（4月下旬）增至最大，为5.60～7.21 cm2/cm2；
成熟期降至最小，为0.72～2.03 cm2/cm2。地下水滴灌处理（T4）的叶面积指数在灌浆初期（4月上旬）增至最大，为7.23 cm2/cm2，成熟期降至最小，为1.66 cm2/cm2。从整个生育期来看，叶面积指数随施氮量的增加而增大，从低到高排序为CK＜T1＜T2＜T4＜T3，且地下水较黄河水滴灌的叶面积指数更早减小，说明黄河水滴灌有助于减缓叶片的衰老速率，增强了冬小麦叶片在灌浆期的光合作用。
2.2 不同处理对冬小麦产量及单株干物质量的影响
不同处理冬小麦产量及其构成因素如表4所示。由表4 可知，冬小麦的穗长在不同处理间无显著差异，在穗粒数和千粒质量上，T2、T3、T4 分别显著高于CK 处理11.80%、13.58%、20.43%和3.23 g、4.93 g、3.70 g，T1 与CK 在穗粒数和千粒质量方面无显著差异，说明施氮量达到204 kg/hm2时，能显著提高小麦穗粒数和千粒质量。各处理产量从低到高排序为CK＜T1＜T4＜T2＜T3，其中T3 较T1 显著提高18.72%，较CK 显著提高45.79%，与T2 处理无显著差异；
T4 较CK 显著提高33.92%，与T3、T2、T1 无显著差异，说明产量随施氮量的增加而增加，当施氮量超过204 kg/hm2后，产量增加效果减弱，且黄河水滴灌相比地下水滴灌更利于小麦籽粒的增产。
表4 不同处理冬小麦产量及构成因素Tab.4 Yield and components of winter wheat under different treatments
不同处理冬小麦单株干物质量与产量的变化趋势如图3所示。由图3可知，成熟期单株干物质量和产量随施氮量的增加而增加，且增加趋势相同。T3 单株干物质量和产量显著高于CK、T1 处理，其中单株干物质量较CK、T1 分别增加1.25、0.39 g，产量较CK、T1 分别增加2 644.05、1 327.48 kg/hm2，与T2 处理无显著差异；
T4 在单株干物质量上较CK 显著增加1.1 g，产量较CK 显著增加1 958.28 kg/hm2，与T1、T2 在单株干物质量和产量方面无显著差异。T3 和T4 处理在产量和单株干物质量上虽未表现出显著差异，但黄河水处理的产量与单株干物质量均优于地下水处理，即T3＞T4，说明黄河水滴灌对提高单株干物质量和产量效果更为理想。
图3 不同处理单株干物质量与产量变化趋势Fig.3 Trends in dry matter mass and yield of individual plants in different treatments
黄河水滴灌下冬小麦施氮量与产量的拟合关系如图4所示。由图4可知，黄河水滴灌冬小麦的产量（y）与施氮量（x）呈抛物型曲线关系：y= -0.206 9x2+ 95.230 4x- 2 876.639 5；
决定系数R2达到了0.898 6，能够较好的代表该水肥条件下产量随施氮量的增长关系。当施氮量为232.28 kg/hm2时产量最高为8 080.06 kg/hm2，说明产量随施氮量的增加而增加，且当施氮量达到一定值后，更多氮肥的投入并不能换取高产，因此在该水肥模式下投入204～232.28 kg/hm2氮肥是合适的。
图4 施氮量与产量拟合曲线关系Fig.4 Relationship between N application and yield fitting curve
2.3 不同处理对土壤氮素残留及作物氮肥利用的影响
不同处理土壤0～100 cm 氮素残留量及作物氮肥偏生产力如图5所示，其中以小麦籽粒产量与施氮量的比值计算氮肥偏生产力。由图5（a）可知，黄河水滴灌条件下土壤氮素的残留量随施氮量的增加而增加，且主要以的形式残留在土壤中，其中T3、T2、T1 和CK 处理的残留量分别占各自施氮量的19.02%、15.94%、15.40%和15.40%，残留量分别占施氮量的6.63%、8.23%、8.57%和6.12%，说明残留量占施氮量的比例较稳定，而残留比例则持续增加。T1 处理的氮肥偏生产力最大，为46.34 kg/kg，分别高于CK、T2、T3 处理1.06、8.20、14.96 kg/kg，说明当施氮量高于153 kg/hm2后，氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低，且降低幅度呈增大的趋势。
图5 土壤0～100 cm氮素残留量及作物氮肥偏生产力Fig.5 Nitrogen residues in soil 0～100 cm and crop N fertilizer bias productivity
2.4 不同处理对冬小麦土壤水分变化的影响
不同处理0～100 cm 土壤水分及作物耗水量变化如图6所示。由图6（a）可知，T2、T3 处理的土壤水分变化差值小，且总体上低于CK 处理的土壤水分，这是因为施肥促进了作物根系生长，提高了根系对土壤水分的吸收能力，因此增加了耗水量使土壤水分低于CK 处理，其中T3 由于初始水分略高，因此试验初期土壤水分高于CK 处理。T1 在4月下旬前土壤水分高于CK处理，这是因为T1施肥后，土壤溶液浓度升高，其水势降低，此时作物的叶面积并未完全展开，蒸腾速率低，由蒸腾失水而产生的蒸腾拉力对土壤水分的吸收较弱，此时土壤溶液水势的降低阻碍了根系对水分的吸收，因此土壤水分消耗减少，而CK 处理灌水后，土壤溶液浓度低，较高的水势更利于根系对土壤水分的吸收，因此土壤水分高于T1处理。4月下旬，T1 处理因吸收氮素后叶面积生长较CK 更好，这一阶段蒸腾拉力引起的作物根系吸水占据主导位置，T1 耗水量增大，土壤水分低于CK处理。T2、T3施肥后，土壤溶液浓度也增大，但由于T2、T3处理施肥量较T1多，土壤表层的氮素含量更高，作物浅层的根系因迫于高浓度土壤溶液的刺激而加快向下层土壤生长，充分利用较深层土壤的水分，而T1 的土壤溶液浓度并没有强烈提高浅层根系细胞的活力，根尖根毛向下生长慢，吸水能力差，因此试验前期土壤水分高于其他处理。
由图6（b）可知，在相同施肥量下，T3 土壤水分高于T4，说明地下水处理的冬小麦耗水更多，且在生育前期差异更明显，这是因为这一时期地下水水温较黄河水高，T4 经灌溉作业后，土壤温度上升，加快了土壤水分子的运动速率，促进了作物根系吸水，因此T4 土壤水分低。在4月后，随着气温上升，黄河水水温逐渐升高，灌溉作业对土壤温度的影响减弱，土壤水分的差异逐渐缩小。
图6 土壤0～100 cm平均含水率及作物耗水量变化Fig.6 Changes in the average water content of soil from 0 to 100 cm and crop water consumption
不同施氮量处理下作物耗水量变化如图6（c）所示，T1、T2 和CK 在耗水量上无显著差异，T1、T2 和T3 在耗水量上也无显著差异，但T3 耗水量显著高于CK 处理5.45%，说明施氮量在204 kg/hm2以下，增加施氮量并不会显著增加冬小麦的耗水量，而当施氮量达到255 kg/hm2时，冬小麦的耗水量较不追肥处理显著增加。在水分利用效率方面，T1、T2 和T3 处理无显著差异，T1 与CK 也无显著差异，但T2 和T3 分别显著高于CK 处理0.32、0.32 kg/m3，且在施氮量204 kg/hm2以下范围内，冬小麦的水分利用效率随施氮量的增加呈增加趋势，施氮量从204 kg/hm2增加至255 kg/hm2范围内，冬小麦的水分利用效率维持在1.98 kg/m3，说明当施氮量超过204 kg/hm2后，继续投入氮肥并不能提高作物的水分利用效率。
不同灌溉水质处理的冬小麦耗水量变化如图6（d）所示，在相同的施氮量下，T3 和T4 耗水量和水分利用效率分别为404.99 mm、413.04 mm 和1.98 kg/m3、1.87 kg/m3，在耗水量上黄河水灌溉处理低于地下水8.05 mm，但水分利用效率上黄河水灌溉处理高于地下水0.11 kg/m3。结合图6（c）、图6（d）可知，T4的水分利用效率介于T1和T2处理间，但耗水量却分别高于T1、T2 处理18.94 mm、21.24 mm，说明低施肥黄河水处理的冬小麦水分利用效率与高施肥地下水处理的水分利用效率相当，而高施肥量下水分利用效率黄河水滴灌优于地下水。
本文以冬小麦为供试材料，探索了黄河水滴灌对冬小麦生长及水肥利用的影响。在农艺性状方面，施氮能促进株高和叶面积指数的增长，施氮量从127.5 kg/hm2增至255 kg/hm2的范围内，株高和叶面积指数均随施氮量的增加而增大，其中在叶面积指数表现上更为明显。这是因为施氮增加了土壤中氮素含量，而氮素是冬小麦合成叶绿素的重要矿质元素[14]，因此增施氮肥提高了冬小麦叶片中叶绿素含量进而促进了叶面积的生长，而冬小麦的株高在施氮量超过153 kg/hm2后，继续增施氮肥对株高的增长效果减弱，这一结论与周相[15]等人研究结果类似，这是因为冬小麦的株高主要受拔节期水分和气温的正向调控[16]，而试验过程中各处理灌水量相同且受同一气温环境的影响，因此株高对氮肥的敏感性较叶面积指数低。相同施氮量下，黄河水滴灌处理的冬小麦叶面积指数大于地下水滴灌处理，这是因为沉淀过滤后的黄河水中除了部分氮素外，据张晓晶[17]等人研究发现还有较高含量的叶绿素a 成分可以被冬小麦叶片吸收利用，这一点在试验过程中能够得到证实，T3 叶片颜色较T4 处理略微发暗，这与叶绿素a 本身的深蓝色属性具有同种趋势。试验中冬小麦产量也随施氮量的增加而增加，这是因为增施氮肥会显著提高冬小麦穗数和穗粒数[18]，提高了产量的构成元素进而提高产量。此外，冬小麦的产量与成熟期单株地上部干物质量的变化趋势一致，这是因为干物质积累是作物产量形成的基础[19]，施氮会提高作物根、茎、叶等器官对氮肥的吸收存储能力，使得储存在这些器官中的氮素向籽粒部位输送了更多的营养物质，从而使作物各部位器官干物质量增大的同时也使得小麦籽粒产量得到提升。
在水肥利用方面，氮肥偏生产力是用来表示氮素利用效率的常用定量指标，可从侧面描述作物对氮肥的利用情况[20]。试验中当施氮量超过204 kg/hm2后，冬小麦的水分利用效率并没有提高，氮肥偏生产力却有大幅度的下降，这是因为当施氮量超过204 kg/hm2后，土壤中贮存的氮素含量高，充足的氮肥供应会减少根冠比，也就是减少干物质对地下根系的分配，作物不需要较大的根系系统就可以满足对养分的需求[21]，因此土壤溶液中的多余氮素不能被作物有效利用，导致氮肥偏生产力下降。当施氮量超过153 kg/hm2后，残留比例不再显著增加，累积量则继续增大，这与雒文鹤[22]等人研究发现的施氮量越高，在土壤中的累积量越大的结果类似，而残留在土壤中的会随着夏玉米生育期高强度的降雨淋溶至更深层的土壤，难以被作物利用而造成肥料的浪费和环境的污染，因此在施肥调控中要重视土壤氮素的残留问题。
在灌溉水质方面，本试验两种水质对作物的影响在统计学意义上未表现出显著性差异，但黄河水滴灌处理的冬小麦在叶面积指数、产量指标和水肥利用方面均高于地下水滴灌处理，而导致差异不显著的原因，一方面是黄河水较地下水虽然含有更多的氮素含量，但是相比肥料中的氮素含量小的多，且在本试验灌水频率和灌水量下，黄河水中的这一部分养分并没有完全发挥效应，这与黄冠华[23]等人研究发现冬小麦的水分利用效率与灌溉水质和施肥无关，仅与灌水量有关的结论类似，但是黄冠华等人采用的是再生水，因此不一定能够适应黄河水灌溉的情况。另一方面是两组不同灌溉水质处理均在当地农户常用施肥量基础上开展研究，在该施肥量下土壤氮素充足，黄河水中的氮素含量仅能起到微弱的促进作用因而差异不显著。因此在接下来的研究中要充分设置黄河水和地下水多梯度组合的水肥对比方案，对黄河水滴灌效果的显著性进一步验证，同时要将灌溉水温与作物的根系生长动态加以考虑。
（1）与CK 处理相比，不同施肥量处理均促进了冬小麦株高、叶面积指数、产量指标和地上部干物质量的增加，且由产量与施肥量的拟合关系可知，当施肥量为232.28 kg/hm2时产量达到最大。与地下水滴灌相比，黄河水滴灌更利于提高冬小麦叶面积指数、产量指标和干物质量。
（2）黄河水滴灌下土壤氮素残留量、耗水量和水分利用效率均随施肥量的增加而增加。在相同施肥量下，黄河水滴灌处理的土壤氮素残留量和耗水量均低于地下水滴灌处理，水分利用效率和氮肥偏生产力均高于地下水滴灌处理。
（3）T2 处理的产量、水分利用效率和氮肥偏生产力较T4处理分别提高了0.62%、5.88%和25.79%；
T2 和T3 处理水分利用效率均为1.98 kg/m3，但T2 较T3 处理在产量略有下降的情况下，氮肥偏生产力较T3 处理提高了21.54%，土壤氮素的残留量较T3 处理降低了32.73%，因此结合产量拟合关系可知本地区用黄河水滴灌冬小麦最佳的施肥用量为204～232.28 kg/hm2。