基于簡(jiǎn)易吸水法的噴灌施肥冬小麥冠層截留量

趙偉霞，張 萌，李久生，栗巖峰

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

1 研究背景

冠層截留量是指植物葉片、枝干等地面上部生理器官對(duì)落入其內(nèi)水分的截留容納值，其所能截留的最大水量即為冠層存儲(chǔ)能力［1］。因?yàn)楣趯咏亓羲孔罱K以蒸發(fā)的形式損失掉，被認(rèn)為是降低噴灌水利用率的主要因素之一。然而相關(guān)研究表明，噴灌水分蒸發(fā)，尤其是作物冠層截留水量的蒸發(fā)因吸收了部分農(nóng)田可利用能量而改變了農(nóng)田小氣候，有效抑制了植株蒸騰和土壤蒸發(fā)［2～5］，對(duì)噴灌水利用率的提高有積極作用［6-7］，即噴灌冠層截留水量并不是完全的無(wú)效損失。

作為實(shí)現(xiàn)水肥一體化的重要設(shè)備類型之一，利用固定式、半固定式噴灌和大型噴灌機(jī)進(jìn)行施肥灌溉（Fertigation）是農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化、自動(dòng)化發(fā)展的必然需求，但是作物冠層的肥液截留可能引起的肥料利用率降低和葉片灼傷風(fēng)險(xiǎn)成為限制噴灌水肥一體化技術(shù)推廣的重要原因之一。在噴灌技術(shù)發(fā)展早期，利用噴灌進(jìn)行施化灌溉（Chemigation）的研究結(jié)果表明，水溶性和乳化性化學(xué)試劑易從植物表面沖洗到土壤，而非乳化性化學(xué)試劑則易滯留在葉片上［8］。Waller 等［9］利用平移式噴灌機(jī)進(jìn)行施化灌溉的研究結(jié)果表明，大約一半的油基殺蟲劑殘留在玉米葉片上，其余的落到地面。與噴灌施藥不同，肥料的可溶性是施肥灌溉的前提，因此，噴灌施肥灌溉時(shí)冠層截留肥量將與肥液濃度和施肥后是否對(duì)植物表面清洗密切相關(guān)。

尿素作為最主要的追施肥料之一［10-11］，因?yàn)閲娛┰谧魑锕趯雍罂杀蝗~片及其他幼嫩的營(yíng)養(yǎng)器官直接吸收利用［12］，所以噴灌后的冠層截留尿素并不是全部的無(wú)效損失。為了充分發(fā)揮作物冠層對(duì)尿素的直接吸收作用，噴灌追施尿素后理論上并不需要額外的清水沖洗。但是，為了避免葉片灼傷風(fēng)險(xiǎn)，尿素濃度宜控制在適宜的范圍內(nèi)。相關(guān)研究結(jié)果表明，尿素用作葉面肥時(shí)，施用濃度因作物種類、生育期、施用時(shí)氣象條件、噴出霧滴的大小及是否易于在葉面附著等條件而異，一般需將質(zhì)量濃度控制在0.5%～2.0%［12］。因此，為了定量評(píng)估作物冠層截留肥液后可能產(chǎn)生的葉片灼傷風(fēng)險(xiǎn)和噴灌施肥灌溉水肥利用效率，需要對(duì)肥液截留量及其影響因素進(jìn)行分析。本文以冬小麥為供試作物，研究尿素溶液截留量與冬小麥生長(zhǎng)階段和尿素濃度的關(guān)系，評(píng)估尿素溶液在冬小麥冠層的附著能力，并分析影響冠層肥液截留量的冬小麥生長(zhǎng)指標(biāo)，為冬小麥不同生長(zhǎng)階段噴灌施肥灌溉時(shí)氮肥利用效率的評(píng)估提供基礎(chǔ)參數(shù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)于2018年在國(guó)家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心（北京）試驗(yàn)研究基地進(jìn)行（東經(jīng)116°15′、北緯39°39′、海拔31.3 m）。采用簡(jiǎn)易吸水法［13-14］測(cè)定作物冠層截留肥液量，供試作物為冬小麥（Triti?cumaestiviumL.，中麥175），行距15 cm，分蘗后植株密度為400 萬(wàn)株/hm2。試驗(yàn)因素為尿素溶液濃度，選用尿素分析純（廊坊鵬彩精細(xì)化工有限公司，CO（NH2）2含量≥99.0%）為供試肥料，設(shè)置0（清水）、0.030%、0.092%、0.162%、0.243%等5 個(gè)質(zhì)量濃度處理，對(duì)應(yīng)田間噴灌追施尿素（N≥46%，灌水定額20 mm）時(shí)，追施純N 量分別為0、27.8、85.0、148.7 和223.8 kg/hm2，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，共15 組試驗(yàn)。為了測(cè)試冬小麥不同生長(zhǎng)階段的冠層截留肥液量，在冬小麥拔節(jié)-灌漿期分4 次采樣測(cè)定。采樣樣方為0.20 m 長(zhǎng)的植株2 行，共15 個(gè)取樣點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)15 組尿素溶液濃度冠層截留試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)取樣點(diǎn)的植株總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，隨機(jī)選取生長(zhǎng)良好有代表性的植株15 株用于冠層截留肥液量的測(cè)定。

每次測(cè)定前，首先對(duì)每組選取的植株樣本進(jìn)行株高、葉面積和莖粗的測(cè)量，其中葉面積采用長(zhǎng)寬系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，株高和莖粗分別用直尺和游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。隨后用精度為0.01 g 的電子天平快速稱取其鮮重，稱重后將植株完全浸入清水或尿素溶液中，5 min 后取出，手持植株底部使其保持自然直立狀態(tài)，至無(wú)液體滴落時(shí)立即再次稱重。根據(jù)簡(jiǎn)易吸水法測(cè)試原理，浸水后和浸水前的重量差平均值即為單株冬小麥冠層的最大截留量，計(jì)算公式如下：

式中：W0為植株鮮重，g；W 為植株浸水后重量，g；Smax為單株冬小麥冠層最大截留量，g，由取樣點(diǎn)植株總數(shù)和取樣面積可計(jì)算出冬小麥冠層截留肥液量，mm。

在利用模型模擬噴灌冠層截留水量的再分配過(guò)程中，葉片能夠保持的最大水層厚度是評(píng)估冠層截留量的重要參數(shù)［7］。為評(píng)估尿素溶液在冬小麥冠層能夠保持的最大水層厚度，從另一角度分析冠層附著肥液能力，假定冬小麥植株為圓柱體，由實(shí)測(cè)的冬小麥植株樣本平均莖粗和株高可以計(jì)算出單株冬小麥的莖稈表面積，將莖稈表面積和葉面積之和計(jì)為單株冬小麥的植株表面積，由Smax和植株表面積的比值即可計(jì)算出單株冬小麥最大附著肥液當(dāng)量厚度（mm）。

不同生長(zhǎng)階段冬小麥株高、冠層截留肥液量和植株附著肥液當(dāng)量厚度的差異，以及不同尿素溶液濃度時(shí)冬小麥冠層截留肥液量和植株附著肥液當(dāng)量厚度的差異程度根據(jù)單因素方差分析判定，各處理間均值差異的顯著性檢驗(yàn)通過(guò)SPSS 軟件采用Duncan 多重比較實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬小麥生育期內(nèi)冠層截留肥液量將每次測(cè)量的15 組試驗(yàn)結(jié)果取平均值后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，冬小麥拔節(jié)-灌漿期不同生長(zhǎng)階段的冠層截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。隨植株生長(zhǎng)，冬小麥冠層截留肥液量呈顯著增大趨勢(shì)，但在拔節(jié)孕穗期（4月23—29日）和抽穗灌漿期（5月4—17日）內(nèi)的增加量相對(duì)較小，分別為15%和9%，遠(yuǎn)小于抽穗前后的冠層截留肥液量增加值44%。在拔節(jié)-灌漿期冠層截留肥液量變化范圍為0.34 ～0.61 mm，均值為0.48 mm，低于王迪［15］基于稱重法于室內(nèi)噴灌條件下測(cè)得的冠層截留量0.68 ～1.47 mm，也低于Wang 等［16］采用擦拭法測(cè)得的冬小麥在抽穗開花期的最大冠層截留量1 mm。產(chǎn)生差別的原因除了測(cè)試方法不同外，還可能與測(cè)試所用的冬小麥品種和分蘗后的植株密度有關(guān)。另外，由表1中不同測(cè)量日期冬小麥附著肥液當(dāng)量厚度可知，隨植株生長(zhǎng)，尿素溶液在冬小麥冠層的附著肥液當(dāng)量厚度發(fā)生了顯著變化，但與冠層截留肥液量隨植株生長(zhǎng)一直呈增加趨勢(shì)的規(guī)律不同，拔節(jié)孕穗期和抽穗灌漿期內(nèi)的附著肥液當(dāng)量厚度均呈現(xiàn)隨植株生長(zhǎng)而略有減小的趨勢(shì)，減少量分別為19%和10%。對(duì)比5月4日冬小麥進(jìn)入抽穗期前后的冠層截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度可知，二者均在冬小麥抽穗后產(chǎn)生了較大增加，最大增加量分別為65%和57%，說(shuō)明冬小麥抽穗后株高的顯著增加是影響冠層截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度的主要因素，其相關(guān)關(guān)系將在3.3 節(jié)分析。

表1 冬小麥生育期內(nèi)冠層截留肥液量及其統(tǒng)計(jì)分析

3.2 尿素溶液濃度對(duì)冬小麥冠層截留肥液量的影響為了研究尿素溶液濃度對(duì)作物冠層截留肥液量的影響，分別計(jì)算了不同濃度條件下冬小麥冠層的截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度及其統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果（表2）。在5月4日冬小麥進(jìn)入抽穗期時(shí)，不同肥液濃度處理間的冬小麥冠層截留肥液量差異達(dá)到了顯著水平，且冠層截留肥液量隨尿素濃度的增加呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)肥液濃度為0.092%時(shí)，冠層截留肥液量達(dá)到了最大值0.75 mm。除5月4日的冬小麥外，拔節(jié)孕穗期和灌漿期的冬小麥冠層截留肥液量均無(wú)顯著差異。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與不同生育期不同尿素濃度時(shí)的肥液黏滯系數(shù)有關(guān)。與不同肥液濃度處理間的冬小麥冠層截留肥液量在抽穗期出現(xiàn)顯著差異的結(jié)果不同，冬小麥附著肥液當(dāng)量厚度在4月23日的冬小麥拔節(jié)期出現(xiàn)了顯著差異，且附著肥液當(dāng)量厚度隨尿素溶液濃度的增加呈先減小后略有增加趨勢(shì)，當(dāng)尿素濃度為0.162%時(shí)達(dá)到最小值0.045 mm。上述結(jié)果表明，尿素溶液濃度對(duì)作物冠層截留肥液量、附著肥液當(dāng)量厚度的影響與作物生長(zhǎng)階段密切相關(guān)，在冬小麥處于由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng)的抽穗期，冠層截留肥液量對(duì)尿素溶液濃度的影響更為敏感，在冬小麥處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的拔節(jié)期，附著肥液當(dāng)量厚度受尿素溶液濃度的影響更大。

表2 冬小麥不同尿素濃度處理冠層截留肥液量

圖1 冠層截留肥液量與冬小麥LAI、植株表面積、株高和鮮重關(guān)系

3.3 冠層截留肥液量與作物生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性葉面積指數(shù)LAI、植株表面積和株高均是表征作物生長(zhǎng)過(guò)程中生理形態(tài)的重要指標(biāo)。為了分析影響冬小麥冠層截留肥液量的主要因素，圖1和圖2分別繪制了冬小麥拔節(jié)-灌漿期冠層截留肥液量、附著肥液當(dāng)量厚度與LAI、植株表面積、株高和鮮重的相關(guān)關(guān)系，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)表1中4 個(gè)測(cè)量日期共60 組試驗(yàn)時(shí)每組植株樣本的平均LAI、植株表面積、株高、鮮重、冠層截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度。由圖1可以看出，冬小麥冠層截留肥液量雖然整體上隨LAI 的增加呈增大趨勢(shì)，但由于受分蘗和生長(zhǎng)后期株形結(jié)構(gòu)變化等因素的影響，二者之間的線性正相關(guān)關(guān)系盡管達(dá)到了顯著水平（n=60，p＜0.01），卻遠(yuǎn)小于冠層截留肥液量與株高、植株表面積、鮮重的線性相關(guān)性。顯然，冬小麥莖稈和穗表面同樣對(duì)肥液具有較強(qiáng)的吸附攔截作用，這也是表1中冬小麥進(jìn)入抽穗期后，由于株高和莖稈表面積迅速增大而引起的冠層截留肥液量顯著增加，而拔節(jié)孕穗期和灌漿期由于株高、莖稈表面積變化較小而導(dǎo)致的冠層截留肥液量增加相對(duì)不大的主要原因。與冬小麥植株表面積相比，冠層截留肥液量與冬小麥株高的線性正相關(guān)性最強(qiáng)，鮮重次之，方程相關(guān)系數(shù)達(dá)到了極顯著水平（n=60，p＜0.001），這表明冬小麥生育期內(nèi)可以實(shí)時(shí)根據(jù)株高生長(zhǎng)狀況，利用二者之間的關(guān)系方程y=0.008x+0.090，間接計(jì)算每次尿素追施時(shí)的冠層截留肥液量。

由圖2中植株附著肥液當(dāng)量厚度與LAI、植株表面積、株高和鮮重的相關(guān)關(guān)系可知，除植株表面積和鮮重外，附著肥液當(dāng)量厚度與LAI 和株高之間分別存在顯著的負(fù)相關(guān)和正相關(guān)線性關(guān)系（n=60，p＜0.01），說(shuō)明附著肥液當(dāng)量厚度與LAI 和株高相關(guān)，但與冠層截留肥液量和株高的線性相關(guān)性相比，植株附著肥液當(dāng)量厚度與株高的相關(guān)性相對(duì)較低。植株附著肥液當(dāng)量厚度與株高的正線性相關(guān)性低于冠層截留肥液量的原因與表1中不同測(cè)量日期的株高、植株附著肥液當(dāng)量厚度和冠層截留肥液量的變化趨勢(shì)有關(guān)，隨株高增加，冠層截留肥液量一直增大，而植株附著肥液當(dāng)量厚度則出現(xiàn)了波動(dòng)變化，與平均厚度0.067 mm 相比，生育期內(nèi)植株附著肥液當(dāng)量厚度變化范圍僅為-24% ～19%，說(shuō)明冬小麥植株附著肥液當(dāng)量厚度主要取決于作物本身的親水特性，在作物生育期內(nèi)基本保持恒定，可通過(guò)平均厚度0.067 mm 和植株密度估算冬小麥生育期內(nèi)的冠層截留肥液量。

圖2 植株附著肥液當(dāng)量厚度與冬小麥LAI、植株表面積、株高和鮮重的關(guān)系

4 討論

噴灌施肥灌溉過(guò)程中冠層對(duì)肥液的截留是影響噴灌水肥利用效率和推廣噴灌水肥一體化技術(shù)的主要因素。為了合理評(píng)估噴灌肥料的利用效率，需從機(jī)理上研究葉面截留肥料對(duì)作物生長(zhǎng)的有效性，即葉面吸收肥料量與截留肥料量的比值。為了有效解決這一問(wèn)題，首先需要量化冠層截留肥液量，并判斷冠層截留肥液量是否會(huì)受肥液濃度的影響。如果冠層截留肥液量與肥液濃度無(wú)關(guān)，則可以直接通過(guò)冠層截留肥液量或植株附著肥液當(dāng)量厚度與肥液濃度的乘積計(jì)算冠層的截留肥量。本文通過(guò)設(shè)置不同的尿素濃度，在冬小麥不同生長(zhǎng)階段研究了尿素濃度對(duì)冠層截留肥液量和植株附著肥液當(dāng)量厚度的影響，并得出了抽穗期、拔節(jié)期尿素肥液濃度分別會(huì)對(duì)冠層截留肥液量和植株附著肥液當(dāng)量厚度產(chǎn)生顯著影響的結(jié)論，但其影響機(jī)理和影響程度還有待通過(guò)更先進(jìn)的儀器和測(cè)試方法進(jìn)一步量化。

與基于能量平衡法的冠層截留水量田間測(cè)試方法相比，本文采用的簡(jiǎn)易吸水法雖然具有節(jié)約成本、易操作和測(cè)試周期短等優(yōu)點(diǎn)，但一方面由于測(cè)試過(guò)程不同于實(shí)際的噴灌施肥灌溉過(guò)程，忽略了植株因素（葉面、株型、旗葉、麥穗、地面反彈等）、噴灌技術(shù)要素（噴頭型號(hào)、間距、安裝高度、噴灑強(qiáng)度、霧化指標(biāo)等）和氣象因素（風(fēng)速、大氣溫濕度等）對(duì)冠層截留水量的影響，造成了與他人研究結(jié)果的差異；另一方面由于該方法忽略了肥液從噴嘴噴出至達(dá)到作物冠層時(shí)可能存在的肥料揮發(fā)損失，將影響冠層截留肥量的測(cè)量精度。如何進(jìn)行田間噴灌施肥時(shí)冠層截留肥量的測(cè)試還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文選用噴灌施肥灌溉最常用的肥料——尿素，基于簡(jiǎn)易吸水法測(cè)量了不同尿素濃度（0 ～0.243%）和生長(zhǎng)階段（拔節(jié)-灌漿）時(shí)冬小麥冠層截留肥液量和植株附著肥液當(dāng)量厚度，評(píng)估了尿素濃度對(duì)冬小麥冠層截留和附著能力的影響，得出以下主要結(jié)論：

（1）冬小麥生育期內(nèi)冠層截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度隨植株生長(zhǎng)的變化規(guī)律不同，冠層截留肥液量隨植株生長(zhǎng)一直呈顯著增大趨勢(shì)，拔節(jié)-灌漿期冠層截留肥液量平均值變化范圍為0.34 ～0.61 mm；附著肥液當(dāng)量厚度在拔節(jié)孕穗期和抽穗灌漿期內(nèi)均呈現(xiàn)隨植株生長(zhǎng)而略有減小的趨勢(shì)，拔節(jié)-灌漿期附著肥液當(dāng)量厚度平均值變化范圍為0.051 ～0.080 mm；冠層截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度均在冬小麥抽穗后產(chǎn)生了較大增加，最大增加量分別為65%和57%。

（2）尿素溶液濃度對(duì)作物冠層存儲(chǔ)能力的影響與作物生長(zhǎng)階段密切相關(guān)，當(dāng)冬小麥分別進(jìn)入抽穗期和拔節(jié)期時(shí)，不同尿素溶液濃度的冠層截留肥液量和附著肥液當(dāng)量厚度產(chǎn)生了顯著差異，當(dāng)肥液濃度為0.092%時(shí)，冠層截留肥液量達(dá)到最大值0.75 mm，當(dāng)尿素濃度為0.162%時(shí)，附著肥液當(dāng)量厚度達(dá)到最小值0.045 mm。

（3）冬小麥冠層截留肥液量與株高之間存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，可作為冬小麥生育期內(nèi)評(píng)價(jià)噴灌施肥灌溉時(shí)冠層截留肥液量的關(guān)鍵指標(biāo)；植株附著肥液當(dāng)量厚度在作物生育期內(nèi)變化范圍為-24% ～19%，可通過(guò)拔節(jié)-灌漿期的平均厚度0.067 mm 和植株密度估算冬小麥生育期內(nèi)的冠層截留肥液量。