畦灌与施肥时机对土壤硝态氮分布和冬小麦产量的影响

2020-06-20 03:24谷少委高剑民吕谋超刘杰云秦京涛范习超
农业工程学报 2020年9期
关键词:硝态均匀度灌水

谷少委,高剑民,邓 忠,吕谋超,刘杰云,宗 洁,秦京涛,范习超

畦灌与施肥时机对土壤硝态氮分布和冬小麦产量的影响

谷少委1,2,高剑民3,邓 忠1,吕谋超1※,刘杰云1,宗 洁1,秦京涛1,范习超1

(1. 中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部节水灌溉工程重点实验室,新乡 453002;2. 中国农业科学院研究生院,北京 100081;3. 连云港市通榆河北延送水工程管理处,连云港 222000)

为探究不同畦田规格与施肥时机对土壤NO3--N分布规律及对冬小麦产量的影响,优化选择具有较高灌水施肥均匀度和储氮效率及产量的最佳灌溉施肥模式,于2017—2018年在冬小麦季选取畦宽、畦长和施肥时机3个试验因素,传统撒施灌溉作为对照,通过正交试验设计设置12个处理。结果表明:1)与灌水前相比,灌水后各处理土壤不同层次NO3--N浓度均增加,且随着土层深度的增加NO3--N浓度逐渐降低。在液施处理下NO3--N在有效根系层的累积较撒施处理高出0.27%~27.97%。2)畦宽、畦长和施肥时机显著影响NO3--N的分布。在返青期,畦长对灌水施肥均匀度的贡献率最高,为91.64%;施肥时机对储氮效率的贡献率最高,为44.22%。在扬花期,畦长对灌水施肥均匀度的贡献率最高,为92.67%;畦宽对储氮效率的贡献率最高,为53.6%。在60 m畦长条件下可以获得较高的灌水施肥均匀度。3)畦宽、畦长和施肥时机对作物产量的贡献率分别为37.2%、37.3%和23.9%,畦宽3.2 m、畦长60 m和全程液施的处理下达到了最高产量,为7 869.2 kg/hm2。因此,液施可以提高土壤NO3--N分布均匀性,有利于NO3--N在小麦根系层的累积,减少氮素的淋溶损失;综合对土壤NO3--N分布均匀性、积累及作物产量来看,畦宽3.2 m、畦长60 m和全程液施的处理为该研究处理下最优模式。

灌溉;施肥;土壤硝态氮;冬小麦产量;畦田规格

0 引 言

地面灌溉是中国目前最重要的灌溉方式,中国86%的灌溉面积仍采用地面灌溉模式,且在未来一段时间内仍占有主导地位,而畦灌则是中国应用最为广泛的地面灌溉方式[1]。畦灌操作简单,管理便捷,投资低而效果突出[2]。单宽流量、畦长、土壤入渗性能、田面平整精度等都是影响地面灌灌水施肥质量的重要因素[3]。研究表明,在一定的范围内,灌水效率随着单宽流量的变大而增高[4]。在单宽流量为6~8 L/(s·m)条件下,50~70 m的畦长可达到较高的灌水效率和均匀度以及节约大量的水资源[5]。马尚宇等[6]在山东省王子村的研究表明灌水量随着畦长的增加而增加,畦长为80 m时可以获得较高的产量以及水分利用效率。吕丽华等[7]在河北省井渠结合灌区的试验研究发现,畦宽2.8 m,畦长60 m的畦田规格可以获得较高的水分利用效率以及较低的深层土壤硝态氮含量。目前在河南粮食主产区,大多农户还是采取传统的畦田灌溉方式,畦长在100 m左右,畦宽少则5~6 m,多则高达7~8 m,造成灌区灌水水流推进较慢、灌水量较大、灌溉历时长,增加了劳动成本且灌溉水利用效率较低,影响了地面灌灌水施肥质量。故应选择适宜的畦田规格,以达到节水增效的目标。

另一方面,肥料直接撒施在中国当前应用较为广泛,其优点是操作简单,但费时费力,且肥料在田面易挥发、且因水流的冲刷造成施肥不均;通过水肥一体化施肥装置进行肥料液施也逐步得到广泛应用[8],其特点是可以通过施肥装置控制施肥时机等使施肥均匀,完善人工撒施的不足[9]。国外对于施肥时机的研究较早,Abbasi等[10]利用溴化物(Br-)模拟氮素在不同施肥时机和灌水时间等技术要素下在田间的运移,用来分析这些技术参数对氮素分布均匀性的影响,结果显示在灌水过程中前半程施肥比后半程施肥和全程施肥都获得了较好的均匀性。目前国内的研究主要是撒施条件下灌溉技术要素对水分利用效率、灌水量及产量的影响,在液施条件下畦宽、畦长和施肥时机等技术要素对土壤硝态氮空间分布的均匀性和氮素累积和淋溶的影响研究较少[11]。本文基于畦灌不同液施条件下,设置不同的畦田规格,探究不同技术参数对土壤硝态氮运移规律和作物产量的影响,以期提高畦灌灌水施肥质量和作物产量。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年10月—2018年6月在中国农业科学院农田灌溉研究所试验基地(35°18′N,113°54′E)进行。基地位于河南省新乡县,属于温带大陆性季风气候,年平均气温为14 ℃,年平均降雨580 mm,其中6-10月的降雨量占全年降雨量的70%~80%,蒸发量为2 000 mm,日照时间约为2 399 h,无霜期210 d。作物种植模式以冬小麦-夏玉米轮作为主,供试小麦品种为‘矮抗12号’,种植密度为400万株/公顷,行距为20 cm。2017年10月29日播种,2018年6月4日收获。土壤干容重在1 m层的土体内变化很小,平均值为1.51 g/cm3。作物灌溉采用畦灌方式,水源为地下水。试验区土壤物理性质见表1。

表1 试验田土壤物理性质

1.2 田间试验设计

试验设计采取正交设计,设置9个处理及3个肥料撒施处理作为对照。选取不同畦宽、畦长和施肥时机作为畦灌施肥试验处理设计因素,畦宽根据农机规格设置为1.5、2.3和3.2 m。畦长设置为40、60和80 m。施肥方式为将尿素溶解到水中施肥,施肥时机设置为全程液施、前半程液施、后半程液施。对照组畦长为80 m,畦宽设置为1.5、2.3、3.2 m,每个处理重复3次。各处理设置如表2所示。

表2 试验因素与水平

注:1,2,3为因素水平。

Note: 1, 2 and 3 are factor levels.

在冬小麦的2个关键时期返青期和扬花期进行灌水施肥试验,施用化肥为尿素(含氮量≥46%),化肥施用量分别为150和90 kg/hm2。田间灌溉使用管道为Φ90PVC管,出水口配有超声波流量计,在每个小畦畦首安装球阀用来调节入畦流量。试验开始前首先在参照区选择撒施进行预试验,记录不同小区灌溉水流推进到畦长1/2处和完成灌溉所需要的时间和灌水量,然后根据试验需要按照预试验结果将肥料配置好放置到储肥罐中,灌水时用水泵将配置好的液体肥匀速抽出按照试验设计随灌溉水流均匀施入田间,详细灌水量见表3。

表3 试验灌水量

1.3 观测项目与测试方法

1.3.1 土壤样品采集与测定

在进行灌水试验时,记录每个小区的灌水量。每个小区沿畦长方向在畦田共设置4个取样点,40 m畦长每间隔10 m取样,60 m畦长每间隔15 m取样,80 m畦长每间隔20 m取样。在每次灌水前2 d以及灌水后2 d使用土钻取土,0~100 cm土层,每20 cm分层取样。定点监测土壤含水率以及硝态氮含量,试验采用铝盒烘干法进行土壤质量含水率测定[12]。硝态氮含量采用校正因数的紫外-可见光分光光度法测定:土样使用NaCl浸提剂浸提并经过稀释后,再将待测液加入10% H2SO4进行酸化处理,用分光光度计测定,最后经过公式210-·275计算出土壤硝态氮含量,其中代表硝态氮含量,210和275分别代表在波长210 nm和275 nm处的吸光值,代表校正系数,本文中取2.2。

1.3.2 植物样品采集与测定

收获前,分别在每畦的前半畦和后半畦随机选取1 m行的植株样,对小麦穗数进行考种,测量小麦的株高、穗长、穗粒数、穗数、千粒质量等,最后计算其理论产量。

1.3.3 不同畦田规格与施肥时机下施肥模式性能评价

目前国内外评价地面灌施肥性能指标都是通过肥溶于水形成的氮素而定的[13],通过灌前灌后作物根系层附近土壤氮素的差异来评价施肥的均匀性[14]。尿素溶于水施入到田间之后经过土壤的作用2 d左右会水解成铵态氮,并经过硝化作用大多转化为硝态氮,形成肥效。本文采用灌水施肥均匀度DU反映灌溉施肥后氮素在畦田沿畦长方向分布的均匀程度,计算公式[15]如下

储氮效率E是灌后2 d作物有效根系层土壤硝态氮含量占0~100 cm土层相应值的比例,用来评价土壤储氮情况。计算公式[15]如下

土壤硝态氮累积量计算公式[16]如下

式中为土壤硝态氮累积量(kg/hm2);为土层厚度(cm);为土壤容重(g/cm3);为硝态氮浓度(mg/kg)。

1.3.4 方差贡献率

方差分析贡献率=因素平方和/总平方和,贡献率越大,表示评价指标受该因素的影响越大[17],用来衡量畦宽、畦长和施肥时机对于灌水施肥均匀度DU、储氮效率E、硝态氮累积和冬小麦产量的影响程度。

1.4 统计分析

本试验所有数据采用Excel 2013和DPS 9.01软件进行分析。方差显著性差异检验采用<0.05水平下的Duncan新复极差法。

2 结果与分析

2.1 不同畦田规格与施肥时机下硝态氮分布规律

不同处理冬小麦返青期和扬花期灌溉前后2 d畦田NO3--N分布情况见图1。灌水前,NO3--N随着土壤深度的增加整体呈现先降低后增加再降低的趋势,但T3、T9和CK处理显示出先降低后增高的趋势,硝态氮含量在100 cm处达到最高;灌水后,随着土壤深度的增加,NO3--N浓度逐渐降低。灌水施肥使NO3--N浓度明显升高,并表现出向下层移动的趋势;返青期灌水前2d 0~100 cm土层中NO3--N浓度显著高于扬花期,返青期灌水后各土层NO3--N浓度整体要高于扬花期。灌水前NO3--N浓度在返青期和扬花期均在>80~100 cm土层处达到最高,T8处理在60 cm处达到峰值,在>80~100 cm土层也相对较高;灌水后NO3--N浓度在表层大幅度增高,且随着深度的增加而逐渐降低。

综合灌水施肥均匀度和储氮效率,由表4来看,液施处理显著影响储氮效率(<0.05),返青期T3处理较CK1提升2.61%,对灌水施肥均匀度无显著影响,且在扬花期要低于撒施处理。畦宽、畦长和施肥时机对于灌水施肥均匀度和储氮效率的影响程度不同,返青期对灌水施肥均匀度的贡献率分别为6.69%、91.64%和1.62%,对储氮效率的贡献率分别为12.99%、40.99%和44.22%;在扬花期对灌水施肥均匀度的贡献率分别为0.32%、92.67%和4.35%,对储氮效率的贡献率分别为53.6%、18.9%和23.7%,可见不同的灌溉技术参数对二者的影响程度不同。

由表5可知,不同时期的灌水施肥均匀度和储氮效率的极差R值不同,根据施肥质量指标极差数据分析表可知,在返青期,影响灌水施肥均匀度的因素主次顺序为主B;A、C次(其中A代表因素畦宽,B代表因素畦长,C代表因素施肥时机),又由T中值的大小可知,因素B的T22最大,故选择畦长60 m,以此类推,畦宽选3.2 m、施肥时机选后半程液施,而影响储氮效率的主次顺序为主B、C、A次,即选择畦长60 m、畦宽2.3 m、施肥时机全程液施,综合分析结果可知,在返青期畦长对灌水施肥均匀度和储氮效率的影响最大,这与方差贡献率所呈现的结果相一致;在扬花期,影响灌水施肥均匀度的因素主次顺序为主B;A、C次,即畦长60 m、畦宽3.2 m、施肥时机后半程液施,而影响储氮效率的主次顺序为主A、B、C次,即畦宽1.5 m、畦长60 m、施肥时机全程液施。

表4 冬小麦不同畦田规格与施肥方式下的施肥质量指标

注:同一列中不同小写字母表示在<0.05水平差异显著,下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the<0.05 level, the same below.

图1 冬小麦各处理沿深度方向土壤平均硝态氮浓度分布状况

表5 施肥质量指标极差数据分析表

注:A、B、C和1、2、3、4组合为因素;T为第列中与水平对应的各次试验结果之和;R为极差;为试验结果总和。下同。

Note: A, B, C and 1, 2, 3, 4 combination are factors;Tis the sum of the experimental results corresponding to levelin column;Ris the range;is the sum of the experimental results. Same as below.

2.2 不同畦田规格与施肥时机下硝态氮累积特征

由表6可知,在液施条件下的土壤硝态氮累积量均大于撒施处理(T3与CK1,以此类推),NO3--N在有效根系层(0~60 cm)的累积较撒施处理高出0.27%~27.97%,但各处理之间差异均未达到显著水平。返青期灌水后NO3--N在0~60 cm土层的累积值为168.19、153.28、147.56 kg/hm2(T3、T6、T9),只在后半程施肥条件下(T3)高出撒施处理。而扬花期不同液施条件下NO3--N累积量和返青期相比数值均有所下降,这是由于2次施肥量之间有差异,但表现出增长幅度不均匀的趋势,且不同处理之间>20~40、>40~60 cm 土层存在显著差异(<0.05)。各试验因子在返青期对NO3--N在作物有效根系层累积量的贡献率都较小,分别为10.57%、10.02%、22.97%,而误差项的贡献率为56.45%;在扬花期,各试验因子的贡献率分别为83.57%、9.04%和0.12%,可见扬花期畦宽对硝态氮累积影响最大。

2.3 不同畦田规格与施肥时机对小麦产量的影响

不同处理条件下小麦产量如表7所示。不同液施条件下各处理的产量有显著差异(<0.05),T8处理下产量最高、达到了7 869.2 kg/hm2;不同处理之间的产量从高到低依次为:T8、T6、T9、T3、T7、T5、T2、T4、T1。由表可以看出在畦宽3.2 m(T7、T8、T9)条件下,小麦平均产量7 684.5 kg/hm2,显著高于畦宽1.5 m条件下平均产量 6 824.5 kg/hm2和2.3 m条件下平均产量7 265.21 kg/hm2。在60 m畦长时,其平均产量为7 332.29 kg/hm2,高于40 m畦长(产量为6 794.94 kg/hm2)、低于80 m畦长(产量为7 646.01 kg/hm2)。在全程液施条件下各处理平均产量为7 303.47 kg/hm2,高于前半程液施(6 893.02 kg/hm2),低于后半程液施(7 577.77 kg/hm2),在此组合条件下,作物产量提高1.68%~19.89%。畦宽、畦长和施肥时机对产量的贡献率为37.2%、37.3%和23.9%。产量指标极差数据分析表如表8所示,影响作物产量的主次顺序为主A、B、C次,但三因素数值相差较小,表明三因素对产量的影响程度相仿,与方差贡献率所呈现的结果一致。

表7 不同处理条件下冬小麦产量构成

表8 产量指标极差数据分析表

3 讨 论

在当前控水减肥的产业需求下,水肥一体化技术在地面灌溉中承担着重要的角色[18]。以往研究结果表明,肥料液施可以使土壤中氮素空间分布的均匀程度显著提升,能够弥补撒施状态下肥料分布不均匀及灌前损失的缺陷[19];在入畦流量相同的处理下可以显著改善NO3--N沿畦长方向分布的均匀性[20],且可以提高作物产量。本试验通过冬小麦返青期和扬花期的灌水施肥试验结果表明,液施处理可显著提高扬花期灌水施肥均匀度(DU)和NO3--N在作物有效根系层的累积以及返青和扬花期的储氮效率(E),但作物产量之间没有显著性差异。液施条件下,肥料与水在进入畦田之前能够充分混合,灌溉过程中水中肥料浓度比较接近,而撒施处理则存在肥料在水中溶解再分布的过程,且其伴随着水流的冲刷而引起的肥料分布不均匀[19]。但肥料液施对返青期灌水施肥均匀度无显著影响且作物产量之间没有显著性差异,这与以往研究结果[19]存在出入,这可能是由于返青期灌前土壤氮含量较高,返青期的灌水施肥量不足以体现其差异,还有可能受到耕作方式[21]、地质情况、肥料使用、管理措施等的影响[22],具体原因还需要进行进一步的研究。综上所述,肥料液施能够改善土壤氮素空间分布,增加在作物有效根系层的累积,减少NO3--N深层渗漏淋溶的风险。

畦宽、畦长和施肥时机都是影响地面灌灌水施肥质量的重要因素[23]。以往研究结果表明,不同的土壤类型具有不同的适宜畦长,对于砂质壤土来说60~80 m是较适宜的畦长[24]。在华北平原地区,畦宽5 m时,畦长由4 m增加到100 m,产量有增大趋势而无显著差异,但水分利用效率却显著降低[25],在2.0 m畦宽、60 m畦长总耗水较少[26]。不同的畦田规格,单位面积的灌水量存在差异,灌水量则影响作物产量,适度增加灌水可以提高冬小麦产量,过量灌水则会使产量降低[27]。在华北地区,年内降雨分配不均,冬小麦产量随灌水量的增加呈先增加后稳定的趋势[28],且灌水增产效果在不同年份也会有很大差异[29]。本试验表明,畦长对DU具有显著影响,贡献率在返青期高达90.58%、扬花期为92.83%;对E的贡献率在返青期为40.99%、扬花期为24.16%,对作物产量的贡献率为37.3%。在畦长为60 m的条件下可以获得较高的灌水施肥均匀度与储氮效率,畦长较长从则灌水量较大,而土壤硝态氮在土壤中的运移则是随着灌溉水而运动,灌水量较大显著影响土壤硝态氮的运移,灌水量较大使氮素的淋洗量加大,从而影响硝态氮在土壤中的分布,且不同的畦田规格与施肥时机使作物产量有显著差异。分析其原因,可能是畦长基本决定了灌水量以及灌水时间[24],畦长过长则会造成水流推进较慢、灌水量过大,从而影响灌水施肥均匀度以及储氮效率;畦长过短则影响肥料在水中的充分运移。同时灌水施肥均匀度以及储氮效率也受畦宽的影响,Garcia等[30]研究表明入畦流量对灌溉水和土壤水的分布有显著影响。畦宽、畦长主要是通过影响灌水量的差异从而影响土壤NO3–-N和储氮效率,这主要是因为灌水量不同对土壤中NO3–-N的淋洗量不同[28],本试验中T3、T9和CK处理NO3–-N分布规律未能显现出与畦田规格同样的趋势。分析其原因,主要是在不同畦田之间存在水分的迁移,从而造成了T3、T9和CK处理出现差异。而另有研究结果表明,在80 m×1.5 m的畦田规格下,4 L/(s·m)的单宽流量处理下相比2 L/(s·m)沿畦长方向有更好的NO3–-N分布。本试验控制入畦流量为32.4 m3/h,结果显示3.2 m畦宽处理下可以获得更高的产量;扬花期畦宽对E有显著影响、贡献率为53.58%,对作物产量的贡献率为37.2%,对NO3–-N在作物有效根系层的累积的贡献率为83.57%。所以,根据当地实际情况选择合适的畦田规格对于优化地面灌技术、减少NO3–-N向土壤深层渗漏有十分重要的意义。

施肥时机对水肥利用效率有重要意义,不同的施肥时机影响水肥在土壤中的分布且影响作物产量[31]。有研究表明,在滴灌处理下,不同施肥时机显著影响果实产量、全氮和硝酸盐含量[32]。陈新国等[20]的研究认为基于单宽流量为4 L/(s·m)的条件下,灌水至畦长的1/3处开始施肥为更好的施肥时机。本试验结果表明,沿畦长方向、在全程液施条件下NO3--N分布更加均匀,这与Adamsen等[33]的研究结果一致。这可能是在全程液施条件下减少了肥水在灌溉水中的再次运移,各个时间的肥液浓度相差不大,灌水施肥均匀度较高。本试验综合施肥质量指标极差数据和产量指标的极差数据,畦长的影响程度最大,之后是畦宽和施肥时机,综合施肥质量指标和产量指标T值的大小,选择B2A3C1(畦宽为3.2 m、畦长60 m和全程液施方式)为本试验条件下的最佳组合,NO3--N的均匀度、储存效率在返青期达到91.8%、45.25%,在扬花期达到89.45%、64.04%。另一方面,本试验设置的畦宽、畦长也与以往研究不尽相同、入畦单宽流量存在差异,可能会使结果存在偏差。本试验灌水量在不同的小区之间存在迁移情况,导致灌水量未能和畦田规格保持一致,对硝态氮灌水施肥均匀性和储氮效率产生一定的影响,在以后的试验中需要在不同小区之间设置保护行,在田陇上铺设一定深度的阻隔,减少不同小区之间相互渗漏。另本试验仅把畦宽,畦长和施肥时机3个因素通过正交试验进行分析,没有对单一因素深度分析其影响,未来需要对结果开展进一步的试验研究。

4 结 论

1)豫北地区畦灌条件下,肥料液施可以提高NO3--N分布均匀性及储氮效率,在有效根系层(0~60 cm)的累积量高于撒施处理0.27%~27.97%,有利于作物对氮素的吸收、减少肥料的深层渗漏,提高畦灌的灌溉施肥质量。

2)畦宽为3.2 m 、畦长60 m和全程液施方式下,NO3--N的均匀度、储存效率在返青期达到91.8%、45.25%,在扬花期达到89.45%、64.04%,作物产量提高1.68%~19.89%。此灌溉施肥技术模式比较适合在当地小麦推广应用。

[1] 陈新国. 畦灌不同施肥模式对冬小麦—夏玉米田间水氮时空分布的影响[D]. 北京:中国农业科学院,2017. Chen Xinguo. Influences of Different Fertilization Methods Under Border Irrigation on Spatial and Temporal Distribution of Soil Water and Nitrogen in Winter Wheat-summer Maize Rotation Cropland [D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2017. (in Chinese with English abstract)

[2] 阚常庆,廖梓龙,龙胤慧. 畦灌技术研究进展[J]. 水科学与工程技术,2012(3):1-4. Kan Changqing, Liao Zilong, Long Yinhui. Review of the border irrigation technology[J]. Water Sciences and Engineering Technology, 2012(3): 1-4. (in Chinese with English abstract)

[3] 李益农,许迪,李福祥. 影响水平畦田灌溉质量的灌水技术要素分析[J]. 灌溉排水,2001,20(4):10-14. Li Yinong, Xu Di, Li Fuxiang. Factors effected irrigation performance in level border irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2001, 20(4): 10-14. (in Chinese with English abstract)

[4] 马尚宇,于振文,王东,等. 不同畦宽灌溉对土壤水分布与冬小麦旗叶光合特性及产量影响[J]. 水土保持学报,2013,27(6):140-146. Ma Shangyu, Yu Zhenwen, Wang Dong, et al. Effects of irrigation with different border width on distribution of soil water, Photosynthetic Characteristics and Yield of Winter Wheat[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(6): 140-146. (in Chinese with English abstract)

[5] 任建民,李明顺,董玉云,等. 水平畦灌技术参数对灌水质量及春小麦产量影响的试验研究[J]. 水利水电技术,2010,41(4):75-77. Ren Jianmin, Li Mingshun, Dong Yuyun, et al. Experimental study on influence from technical parameter of level-border irrigation on irrigation quality and spring wheat yield[J]. Resources and Hydropower Engineering, 2010, 41(4): 75-77. (in Chinese with English abstract)

[6] 马尚宇,于振文,石玉,等. 不同灌溉畦长对小麦光合特性、干物质积累及水分利用效率的影响[J]. 应用生态学报,2014,25(4):997-1005. Ma Shangyu, Yu Zhenwen, Shi Yu, et al. Effects of field border length for irrigation on photosynthetic characteristics, dry matter accumulation and water use efficiency of wheat[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(4): 997-1005. (in Chinese with English abstract)

[7] 吕丽华,董志强,崔永增,等. 不同灌溉畦宽对小麦耗水特性和产量形成的影响[J]. 华北农学报,2018,33(增刊1):170-176. Lv Lihua, Dong Zhiqiang, Cui Yongzeng, et al. Effect of border wide on water consumption characteristics and yield formation of wheat [J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2018, 33(Suppl. 1): 170-176. (in Chinese with English abstract)

[8] 高剑民. 畦灌液施不同水力要素对水氮空间分布影响研究[D]. 北京:中国农业科学院,2018. Gao Jianmin. Effect of Different Hydraulic Elements on Distribution of Water-nitrogen Space Under Border Fertigation [D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018. (in Chinese with English abstract)

[9] Dillon J, Edinger Marshall S, Letey J. Farmers adopt new irrigation and fertilizer techniques[J]. California Agriculture, 1999, 53(1): 24-28.

[10] Abbasi F, Adamsen F J, Hunsaker D J, et al. Effects of flow depth on water flow and solute transport in furrow irrigation: Field data analysis[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2003, 129(4): 237-246.

[11] 李久生,李蓓,饶敏杰. 地面灌溉技术参数对氮素运移分布影响的研究进展[J]. 农业工程学报,2004,20(6):51-55. Li Jiusheng, Li Bei, Rao Minjie. Influence of surface irrigation technical parameter on nitrogen transport and distribution: A review[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(6): 51-55. (in Chinese with English abstract)

[12] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京:中国农业出版社,2000.

[13] Zerihun D, Sanchez C A, Farrell Poe K L, et al. Performance indices for surface N fertigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2003, 129(3): 173-183.

[14] 梁艳萍,许迪,李益农,等. 冬小麦不同畦灌施肥模式水氮分布田间试验[J]. 农业工程学报,2009,25(3):22-27. Liang Yanping, Xu Di, Li Yinong, et al. Field experiment on water and nitrogen distribution for winter wheat under border strip fertigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(3): 22-27. (in Chinese with English abstract)

[15] Kruse E G. Describing irrigation efficiency and uniformity[J]. Journal of the Irrigation and Drainage Division, 1978, 104(1): 35-41.

[16] 胡锦昇,樊军,付威,等. 不同管理措施对黄土塬区农田土壤水分调控和硝态氮淋溶累积的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2019,25(2):213-222. Hu Jinsheng, Fan Jun, Fu Wei, et al. Effect of different agricultural measures on soil water and NO3–-N leaching and accumulation in cropland of the Loess Plateau[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(2): 213-222. (in Chinese with English abstract)

[17] 高剑民,吕谋超,邓忠,等. 畦灌不同液施模式下水氮空间分布特征[J]. 灌溉排水学报,2019,38(1):56-62. Gao Jianmin, Lv Mouchao, Deng Zhong, et al. Spatial distribution of water and nitrogen under different strip-border fertigation [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(1): 56-62. (in Chinese with English abstract)

[18] 梁艳萍,许迪,李益农,等. 畦灌施肥模式对土壤水氮时空分布的影响[J]. 水利学报,2008,39(11):1221-1228. Liang Yanping, Xu Di, Li Yinong, et al. Influence of border strip fertigation on spatial and temporal distributions of soil water and nitrate nitrogen[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2008, 39(11): 1221-1228. (in Chinese with English abstract)

[19] 白美健,许迪,李益农,等. 畦灌撒施与液施硫酸铵地表水流和土壤中氮素时空分布特征[J]. 农业工程学报,2011,27(8):19-24. Bai Meijian, Xu Di, Li Yinong, et al. Spatial and temporal distribution of nitrogen in surface water and soil under scattering and fertigating ammonium-sulphate for border irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(8): 19-24. (in Chinese with English abstract)

[20] 陈新国,张寄阳,申孝军,等. 畦灌不同施肥模式对夏玉米田间水氮分布的影响[J]. 水土保持学报,2016,30(5):140-148. Chen Xinguo, Zhang Jiyang, Shen Xiaojun, et al. Effects of border strip fertilization on soil water and nitrogen distribution in summer maize field[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 140-148. (in Chinese with English abstract)

[21] 张凯,刘战东,强小嫚,等. 耕作方式和灌水处理对冬小麦-夏玉米水分利用及产量的影响[J]. 农业工程学报,2019,35(17):102-109. Zhang Kai, Liu Zhandong, Qiang Xiaoman, et al. Effects of tillage and irrigation on water use and yield of winter wheat and summer maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 102-109. (in Chinese with English abstract)

[22] 孔凡磊,张海林,翟云龙,等. 耕作方式对华北冬小麦?夏玉米周年产量和水分利用的影响[J]. 中国生态农业学报,2014,22(7):749-756. Kong Fanlei, Zhang Hailin, Zhai Yunlong, et al. Effects of tillage methods on crop yield and water use characteristics in winter-wheat/summer-maize rotation system in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(7): 749-756. (in Chinese with English abstract)

[23] 聂卫波,费良军,马孝义. 基于土壤入渗参数空间变异性的畦灌灌水质量评价[J]. 农业工程学报,2012,28(1):100-105. Nie Weibo, Fei Liangjun, Ma Xiaoyi. Evaluation of border irrigation performance based on spatial variability of infiltration parameters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1): 100-105. (in Chinese with English abstract)

[24] 刘洪禄,杨培岭. 畦灌田面行水流动的模型与模拟[J]. 中国农业大学学报,1997,2(4):66-72. Liu Honglu, Yang Peiling. Study on model and simulation of birder irrigation and its application[J]. Journal of China Agricultural University, 1997, 2(4): 66-72. (in Chinese with English abstract)

[25] 董宝娣,刘孟雨,乔匀周,等. 不同畦长灌溉对冬小麦产量及水分利用特性的影响[J]. 中国生态农业学报,2016,24(8):1080-1087. Dong Baodi, Liu Mengyu, Qiao Yunzhou, et al. Effects of irrigated field border length on grain yield and water use characteristics of winter wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(8): 1080-1087. (in Chinese with English abstract)

[26] 马尚宇. 不同畦长和畦宽灌溉对小麦耗水特性和产量的影响[D]. 泰安:山东农业大学,2014. Ma Shangyu. Effect of Field Border Length and Width for Irrigation on Water Consumption Characteristics and Yield of Wheat[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[27] Li Quanqi, Bian Chengyue, Liu Xinhui, et al. Winter wheat grain yield and water use efficiency in wide-precision planting pattern under deficit irrigation in North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2015, 153: 71-76.

[28] 徐强,李周晶,胡克林,等. 基于密切值法和水氮管理模型的华北平原农田水氮优化管理[J]. 农业工程学报,2017,33(14):152-158. Xu Qiang, Li Zhoujing, Hu Kelin, et al. Optimal management of water and nitrogen for farmland in North China Plain based on osculating value method and WHCNS model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 152-158. (in Chinese with English abstract)

[29] 王家瑞,刘卫星,陈雨露,等. 不同灌水模式对冬小麦产量及水分利用的调控效应[J]. 麦类作物学报,2018,38(10):1229-1236. Wang Jiarui, Liu Weixing, Chen Yulu, et al. Regulation effects of different irrigation regimes on grain yield and water use efficiency of winter wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2018, 38(10): 1229-1236. (in Chinese with English abstract)

[30] Garcia Navarro P, Playan E, Zapata N. Solute transport modeling in overland flow applied to fertigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2000, 126(1): 33-40.

[31] 高剑民,邓忠,吕谋超,等. 畦灌液施方式对夏玉米灌溉质量和水分利用率的影响[J]. 水土保持学报,2018,32(6):79-86. Gao Jianmin, Deng Zhong, Lv Mouchao, et al. Effect of border fertigation model on irrigation quality and water using efficiency of summer maize[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(6): 79-86. (in Chinese with English abstract)

[32] 黄倩楠,吴文勇,韩玉国,等. 滴灌施肥时机对设施蔬菜产量品质与氮肥利用效率的影响[J]. 水土保持学报,2019,33(3):292-297. Huang Qiannan, Wu Wenyong, Han Yuguo, et al. Effects of drip fertigation strategies on yield and quality of protected vegetables and nitrogen use efficiency[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(3): 292-297. (in Chinese with English abstract)

[33] Adamsen F J, Hunsaker D J, Perea H. Border strip fertigation: Effect of injection strategies on the distribution of bromide[J]. Transactions of the ASAE, 2005, 48(2): 529-540.

Effects of border irrigation and fertilization timing on soil nitrate nitrogen distribution and winter wheat yield

Gu Shaowei1,2, Gao Jianmin3, Deng Zhong1, Lyu Mouchao1※,Liu Jieyun1, Zong Jie1, Qin Jingtao1, Fan Xichao1

(1.,,453002,; 2.,100081,; 3.,222000,)

In border irrigation, an optimal pattern is necessary for high irrigation and fertilization uniformity, nitrogen storage efficiency and crops yield. This paper aims to explore the effects of different border specifications and fertilization methods on the distribution of soil NO3--N and the yield of winter wheat. Therefore, a field experiment was conducted in 2017-2018 at the winter wheat season. Three experimental factors were selected, including the border width of field (1.5, 2.3, and 3.2 m), border length (40, 60, and 80 m) and the fertilization timing (first half liquid fertilizer application, second half liquid fertilizer application, full liquid fertilizer application). Three factors were set by orthogonal experiment design, and twelve treatments were established, including three traditional broadcasting fertilization as control treatments (border width of 1.5, 2.3 and 3.2 m at 80 m border length with spreading application). The content of soil NO3--N, the uniformity of NO3--N distribution, nitrogen storage efficiency and winter wheat yield were measured in this study. The results showed that the concentrations of soil NO3--N increased in different soil layers after irrigation, compared with those before irrigation, while soil NO3--N concentrations decreased with the increase of soil depth. In liquid application treatments, the accumulation of soil NO3--N in the root layer was 0.27%-27.97% higher than that in the spreading application treatments. The border width, border length and fertilization timing all significantly determined the fertilization uniformity and storage efficiency of NO3--N in border irrigation. In the wheat reviving stage, the contribution rate of border length to the uniformity of irrigation and fertilization was the maximum (91.64%), whereas the contribution rate of fertilization timing on nitrogen storage efficiency was the highest (44.2%). In the flowering stage, the border length and border width were the main factors that affected the uniformity of irrigation and fertilization, and the nitrogen storage efficiency, where the contribution rates were 92.67% and 53.6%, respectively, indicating that the border length dominated in this case. The uniformity of irrigation and fertilization under 60 m border length treatments was higher than that under 40 m and 80 m of border length treatments. The contribution rates of border width, border length, and fertilization timing to the crop yield were 37.2%, 37.3%, and 23.9%, respectively. The highest yield (7869.2 kg/hm2) was achieved under the border width of 3.2 m, border length of 60 m and full liquid application treatment. The finding demonstrated that the liquid application can improve the distribution uniformity of soil NO3--N, and soil NO3--N accumulation in the root layer of winter wheat, while avoid soil NO3--N leaching. The optimal treatment mode can be the combination of 3.2 m border width, 60 m border length and full liquid fertilizer application for the uniformity and accumulation of soil NO3--N, as well crop yield. The results of this study can offer a theoretical basis to select border dimensions and fertilization timing for the winter wheat in North China Plain.

irrigation; fertilization; soil NO3--N; winter wheat yield; border dimensions

谷少委,高剑民,邓忠,等. 畦灌与施肥时机对土壤硝态氮分布和冬小麦产量的影响[J]. 农业工程学报,2020,36(9):134-142.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.015 http://www.tcsae.org

Gu Shaowei, Gao Jianmin, Deng Zhong, et al. Effects of border irrigation and fertilization timing on soil nitrate nitrogen distribution and winter wheat yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 134-142. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.015 http://www.tcsae.org

2019-12-24

2020-04-10

中国农业科学院基本科研业务费所级统筹项目(FIRI2017-25,FIRI2018-04,FIRI2016-24);中国农业科学院农业科技国际合作研究项目(Y2019GH19)

谷少委,主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email:gshaowei1993@163.com

吕谋超,研究员,博士生导师,主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email:lvmouchao@aliyun.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.015

S275.3

A

1002-6819(2020)-09-0134-09

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