水氮盐调控对膜下滴灌棉花产量的影响及耦合模型

翟中民，史文娟，张艳超，高志永

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048)

根据联合国粮农组织(FAO)的统计数据显示,全世界约有9.54×108hm2的盐渍土地，而且面积还在增加[1].中国盐渍土壤主要分布于西北半干旱、干旱地区[2-3]，陕西省盐碱地面积2.514 3×104hm2，集中分布在定边县“盐湖”周围、浦城县与富平县交界的卤泊滩和大荔县的盐池洼及合阳县的黄河岸边.卤泊滩土壤主要由中度盐土和重度盐化潮土组成，另有苏打盐土呈斑状分布于滩内，滩区地下水位上升，土地盐碱化逐渐严重[4].基于此，研究卤泊滩不同土壤盐分含量水平下灌溉施肥制度对棉花产量的影响具有重要的理论和现实意义.

合理灌溉施肥能够满足作物正常生长需求，土壤的水、肥、气、热环境也可以得到有效改善，利于盐碱化土壤的改良[5].灌溉施肥制度影响作物的产量[6]，适时适量灌溉和施肥是作物生长发育良好的必要条件，有利于灌溉水利用效率和氮利用效率的提高，对作物的良好生长至关重要[7-9].单因素对作物的影响研究众多，邓忠等[10]研究得出随着灌水量增加，棉花的株高和叶面积指数显著增加；张翼夫等[11]研究了在灌溉条件下打孔灌沙对盐碱土水盐运移规律的影响，结果表明灌溉量影响盐碱土洗盐效果；VAN HOORN等[12]研究发现土壤盐分影响作物对氮的吸收和作物的正常生长；朱延凯等[13]认为轻度盐胁迫对滴灌棉花光合作用和生长指标有显著的影响.目前水、氮、盐单因素对作物产量的影响其理论相对成熟.而双因素耦合作用对作物的生长及产量的影响，在玉米、小麦、番茄、甜菜、瓜果等作物已有研究和报道[14]，何进宇等[15]研究发现水氮耦合可以提高作物产量，并确定了最高产量灌溉定额及施肥量、经济最佳灌溉定额及施肥量；徐国伟等[16]研究表明灌溉与施氮量存在明显的互作效应；戴明等[17]研究发现水氮耦合对水稻生长及产量的提高有明显的促进作用；有关水、氮、盐双因素对作物生长的耦合作用研究成果较多.

对于盐碱区的农田作物，必然存在着水氮盐等三因素对作物的生长协同作用，但有关水氮盐三因素对作物产量的调控作用及水肥优化制度的研究涉及较少.因此，文中基于室外盆栽试验，研究不同土壤水氮盐条件下膜下滴灌棉花的产量效应和水氮盐耦合模型，并据此确定棉花的灌溉施肥制度，旨在为土壤水肥高效利用提供科学的依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

供试土样来自陕西省蒲城县和富平县境内的卤泊滩(34°75′E，109°18′N).由于卤泊滩地形特点和洛西灌区引水灌溉和引洪漫淤工程的运行，造成滩区内排水沟道淤积，滩区地下水埋深上升，土地盐碱化逐渐严重.土壤主要有轻盐土、中度盐土和重度盐化潮土组成，土质以壤土和粉质壤土为主，土壤有机质平均含量为0.70%，全含盐量平均为0.77%，pH值平均为9.33.供试土壤基本性质见表1，表中m为全盐质量比，Ks为土壤饱和导水率，ω为颗粒组成质量分数.

表1 盆栽试验土壤物理性质

1.2 试验设计

1.2.1 膜下滴灌棉花水盐肥耦合试验

采用三因素四水平二次回归组合方案设计(0水平为不设处理，2水平为当地推荐措施，1水平为2水平×0.5，3水平为2水平×1.5)，确定灌溉定额W、土壤含盐质量比S、施氮量N为试验因素，每个因素设置4个水平，即灌溉定额(W0，W1，W2，W3分别为1 575，2 100，2 625，3 150 m3/hm2)、施氮量(N0，N1，N2，N3分别为0，150，300，450 kg/hm2)和土壤盐分质量比(S0，S1，S2，S3分别为非盐化土1.42 g/kg、轻度盐化土3.40 g/kg、中度盐化土6.24 g/kg、重度盐化土7.38 g/kg)，每个水平设置3个重复，其上下水平及编码值见表2，表中Xj(γ=0.333)为码值水平，Δj为变化区间.其中，土壤含盐量为装土含盐量，编码值为折算值.

试验共设置14个组合设计处理，见表3，表中Y为产量.盆栽土箱长、宽、高为0.75 m ×0.55 m×0.45 m.采用棉花穴种覆膜种植方式，每穴播种3粒棉籽，苗期进行定苗处理，每穴保留1颗植株.每个土箱种植2行8穴，行间距为35 cm，穴距为15 cm.滴灌带采用1膜1管1行平铺在膜下，滴头设在2棵棉花中间.供试棉花品种为国审7 886.供试土壤自然晾干，碾碎混匀后过2 mm筛，按干容重1.45 g/cm3分层装土40 cm，于4月10日装土，4月18日播种，9月底收获.各处理磷肥和钾肥随水施加，施用量分别为105 kg/hm2和45 kg/hm2；供试底肥为尿素(N 46%)，播种时底肥用量占20%，滴灌追肥用量占80%，全生育期内追施尿素16次，随灌溉施肥.棉花生长期，土箱放置于透光遮雨棚下.各处理其他管理措施均相同.

表2 灌溉定额、施氮量、土壤含盐量水平编码值表

表3 灌溉定额(X1)、含盐量(X2)、施氮量(X3)组合设计结构矩阵

1.2.2 观测项目与方法

1) 棉花产量测定.在棉花收获期，通过统计所有盆栽的采摘铃数和总质量，计算单铃籽棉产量，再由棉铃数计算棉花产量.

2) 耗水量及水分利用效率.通过水量平衡计算作物耗水量(ETa)，即

ETa=P+I+G-R-SI±ΔW，

(1)

式中：ETa为作物实际耗水量，mm；P为降水量，mm；I为灌水量，mm；G为地下水补给量，mm；R为地表径流量，mm；SI为深层渗漏量，mm；ΔW为土层内土壤储水量的变化值，mm.

由于试验区上方设有雨棚，且不存在地下水，不考虑降雨和地下水补给，而且灌溉方式为滴灌灌溉，几乎不产生深层渗漏和地表径流，由此，式(1)可简化为式(2)：

ETa=I±ΔW.

(2)

水分利用效率(WUE)公式为

(3)

式中：Y为经济产量，kg/hm2.

3) 数据处理.利用SPSS 19.0对实测数据进行统计学分析和显著性检验；通过统计分析，以灌溉定额、施氮量和土壤含盐量为自变量，以棉花产量为目标，配置回归方程；同时利用 Surfer 14进行克里格插值，绘制耦合等值线图.

4) 模型验证指标.选取决定系数R2、均方根误差RMSE以及一致性指数d指标，评价模型的模拟精度，公式为

(4)

(5)

(6)

2 结果与分析

2.1 水氮盐对棉花产量及水分利用效率的影响

作物产量和水分利用效率是衡量土壤水氮盐变化对作物生长影响的重要依据，对各处理的棉花实测产量以及水分利用效率进行统计分析，结果见表4.

表4 棉花产量和水分利用效率

由表4可知，比较处理号6，8，9和10，在施氮量和土壤含盐量相同的条件下，棉花产量随着灌水量增加而增大，且处理号8和9差异不具有统计学意义(P>0.05)；由处理号2，3，6和11可知，在灌溉水量和土壤含盐量相同的条件下，随着施氮量增加，棉花产量先提高后降低，且处理号6和11差异不具有统计学意义(P>0.05)；由处理号4，5，6和7可看出，在灌溉定额和施氮量相同的条件下，棉花产量随着土壤含盐量增加呈现先增大后减小的趋势，且处理号6和7差异不具有统计学意义(P>0.05)；灌溉定额2 625 m3/hm2、施氮量150 kg/hm2的轻盐土壤(处理号12)棉花产量最高，灌溉定额1 575 m3/hm2、施氮量300 kg/hm2的中盐土壤(处理号8)棉花产量最低，处理号12比处理号8的棉产量提高了172.00%，且处理号12与其他各处理的差异具有统计学意义(P<0.05)；灌溉定额1 575 m3/hm2、施氮量0的非盐土壤(处理号1)水分利用效率最高，灌溉定额2 625 m3/hm2、施氮量300 kg/hm2的重盐土壤(处理号7)的水分利用效率最低，且处理号1与其他各处理的差异具有统计学意义(P<0.05).

由此可知，灌溉定额2 625 m3/hm2、施氮量150 kg/hm2的轻盐土壤(处理号12)产量最高为6 683.55 kg/hm2，水分利用效率较高，施氮量较少，其对棉花的生长最为适宜.

2.2 水盐肥耦合模型建立与验证

2.2.1 配置三元二次回归模型

本试验主要探讨膜下滴灌棉花灌溉定额、施氮量、土壤含盐量与棉花产量之间的关系，采用三元二次回归模型研究，模型表达式为

(7)

式中：YP为预测产量，kg/hm2；p为试验因子数；bj为偏回归系数；xj为规范变量.

根据表3的规范化组合设计，推导三元二次回归模型的结构矩阵X，再由转置矩阵X′、相关矩阵X-1及实测产量Y，通过公式bj=X-1X′Y得到回归系数bj值，即可配置出膜下滴灌棉花耦合回归模型为

Y=264.723+145.533X1-111.158X2-

129.537X2X3.

(8)

2.2.2 模型的验证

为了分析模型的适用性，对回归模型(8)进行F显著性检验.通过模拟值和实测值采用决定系数R2、均方根误差RMSE和一致性指数d进行模拟效果评价及相关性分析.图1即为棉花预测产量Yp和实际产量Yr.

图1 棉花预测产量和实际产量

对回归模型做方差分析F(9.78)>F0.05(3.24)，表明水氮盐与产量之间有显著的回归关系；决定系数R2为0.89，均方根误差RMSE为27.90，一致性指数d为0.93，符合模拟精度要求；经相关分析，预测产量和实际产量之间在0.01水平下呈正相关(r=0.995)，表明此模型可以用于预测产量，预测置信度达99%以上.由此说明模型可以进行棉花产量的预测分析.

2.3 水氮盐耦合模型的分析

2.3.1 主因素效应

试验变量经量纲一化线性编码.回归模型中，偏回归系数不受各因素值单位影响，可以由偏回归系数绝对值大小判断各因素对棉花产量的影响程度.对各因素目标函数作用的主效应系数标准化，进行主效应分析，如图2所示，图中B为标准化系数.

由图2标准化主效应系数可知，单因素对棉花产量的影响按因素排序由大到小为灌水量，土壤含盐量，施氮量(X1>X2>X3)；耦合作用对棉花产量影响按耦合排序由大到小为盐氮耦合作用，水氮耦合作用，水盐耦合作用(X2X3>X1X3>X1X2).

图2 各变量主效应标准化

2.3.2 单因素效应

用“降维法”研究单因素效应对棉花产量的影响，通过回归模型推导出单变量子回归模型，进行单因素对棉花产量影响分析，如图3所示.

图3 单因素效应曲线

由图3a可知在试验范围内，棉花产量随着灌溉定额增加而增加；当灌溉定额由1 575 m3/hm2增加到3 150 m3/hm2时，棉花产量由2 309.88 kg/hm2增产到6 675.87 kg/hm2，水分利用效益增加了45%，生产效益提高2.77 kg/m3.说明棉花在整个生育期内需水量较大，需要适当提高灌溉定额，以达到增产效果.

由土壤含盐质量比与棉花产量的效应曲线图3b可知，在试验条件范围内，棉花产量随着土壤含盐质量比增加而减小；当土壤含盐质量比由0.63 g/kg增加到9.76 g/kg时，棉花产量由6 279.15 kg/hm2降到2 944.45 kg/hm2，减产53%.说明高盐分土壤棉花产量较低，减产严重，高盐分土壤不适合棉花的种植.

由施氮量与棉花产量的效应曲线图3c可知，在试验条件范围内，随着施氮量增加，棉花产量先增加后降低；当施氮量由0增加到73 kg/hm2，棉花生产效益提高1.12 kg/kg，增产2%；当施氮量由73 kg/hm2增加到450 kg/hm2，棉花减产50%.表明过量施氮不会提高产量，反而引起产量降低，造成肥料的浪费.

由此表明，水氮对棉花产量的影响各存在一个阈值，当水和氮肥施量低于其阈值时，分别增加水和氮肥施加量，则增产效果较为明显，但水和氮施量分别高于其阈值时，造成减产；而中度和高度盐分土壤对棉花产量的影响较为严重.

2.3.3 因素之间的交互作用

为了研究各因素间的交互作用，由回归模型通过Surfer 14采用克里金插值法绘制两因素交互效应等值线图，如图4所示.

图4 双因素耦合棉花产量等值线图

由图4a可知，水盐耦合作用下，随着灌水量增加及土壤含盐量减少，棉花产量增加；棉花产量的高点在灌水量X1(0.3，0.5)、土壤含盐质量比X2(-0.6，-0.4)内，对应的自然量为(2 595，2 760)m3/hm2，(2.46，3.37)g/kg，棉花产量为(6 021.21，6 092.70)kg/hm2.

如图4b所示，水氮交互作用下，棉花产量主要随着灌水量减少而减少，在灌水充分的前提下，产量随施氮量增加呈先增加后下降的趋势，在存在水分胁迫的前提下，产量随施氮量增加而下降；棉花产量的高点区间在灌水量X1(0.3，0.9)、施氮量X3(-0.1，0.5)，即对应的自然灌溉定额和施氮量分别为(2 595，3 075)m3/hm2，(202，338)kg/hm2，棉花产量为(4 815.60，4 982.29)kg/hm2.

如图4c盐氮耦合作用下，随着施氮量和装土含盐质量比增加，棉花产量先增加后减小；棉花产量的高点区间在施氮量X3(-0.5，-0.1)、土壤含盐质量比X2(-0.7，-0.3)，对应的自然施氮量和土壤含盐质量比分别为(112，202)kg/hm2，(2.00，3.83)g/kg，棉花产量为(4 687.71，6 475.70)kg/hm2.

由此可见，在水肥耦合作用下，中盐土壤和重盐土壤棉花产量较低，轻盐土壤棉花产量最高.因此，结合高产区域各因素耦合区间，取耦合区间均值，得最适合本研究区的水肥盐耦合方式为轻盐土壤、灌溉定额2 677 m3/hm2和施氮量202 kg/hm2，棉花平均产量最高为6 311.04 kg/hm2.

3 讨 论

棉花生长发育受多种因素的影响，例如灌溉水量、施肥量、土壤盐分等.土壤水分是作物生长发育过程中的关键因素，特别是干旱地区，灌溉水量是作物生长不可或缺的重要因素；不同的土壤水分条件下，作物对肥料的利用率不同；土壤盐渍化会降低土壤的肥力，抑制作物生长发育[18].土壤水氮盐之间相互作用、互相影响，并对作物的生长和发育产生影响.岳文俊等[19]研究发现作物产量随着灌溉量和施氮量增加而增大，但是在高氮高水的条件下产量会下降；霍星等[20]研究结果表明盐条件下水氮对向日葵产量影响很大，并确定了水氮盐耦合最优组合方案.本研究结果表明水盐耦合作用下，随着灌水量增加及土壤含盐量减少，棉花产量增加，这主要是随着灌水增加，土壤水分含量增大，根层盐分被淋洗，没有盐分的胁迫，利于作物根系吸水生长；水氮交互作用下，随着灌溉定额增大，棉花产量随着施氮量增加呈先增加后降低的趋势，这是由于过高的氮含量抑制土壤酶活性，不利于作物养分正常吸收；盐氮耦合作用下，随着施氮量和土壤含盐量增加，棉花产量先增加后减小，这是因为水氮盐达到耦合最优区间后，随着土壤盐分增高，土壤水分不易蒸发，容易造成土壤养分深层淋洗，但土壤盐分过高也会抑制作物根系对水分及养分的吸收作用，对于这一问题有待进一步研究.无论是土壤盐分，还是水分和养分，过多的情况下都不利于作物良好生长，适度的水氮盐条件能够促进生物积累量.本研究发现在作物生长过程中水肥盐耦合存在一个阈值，低于阈值时，增加水肥施加量增产效果明显，但高于阈值时，造成棉花减产，这与前人的研究结果相似[21].因此，在作物生长过程中，需要对土壤水氮盐加以控制，满足作物适宜生长的范围，这样才能改良土壤结构，促进土壤肥力的提升和作物生长发育，提高作物产量.

4 结 论

1) 在施氮量和土壤含盐量相同的条件下，棉花产量随着灌水量增加而增大；在灌溉水量和土壤含盐量相同的条件下，随着施氮量增加，棉花产量先提高后降低；在灌溉定额和施氮量相同的条件下，棉花产量随着土壤含盐量增加呈先增大后减小的趋势.

2) 建立了膜下滴灌棉花水氮盐耦合回归模型.经检验，该模型可以用于水肥盐耦合作用下棉花产量预测.明确了单因素作用对棉花产量影响顺序按因素由大到小为灌水量，土壤含盐量，施氮量；耦合作用对棉花产量影响顺序按耦合由大到小为盐氮耦合作用，水氮耦合作用，水盐耦合作用；水氮盐对棉花产量的影响存在一个阈值，低于阈值时，增加水肥施加量增产效果明显，但高于阈值时，造成减产.

3) 在水肥耦合作用下中盐土壤和重盐土壤棉花产量较低，轻盐土壤棉花产量最高；最适合本研究区的水肥盐耦合方式为轻盐土壤、灌溉定额2 677 m3/hm2和施氮量202 kg/hm2，棉花平均产量最高为6 311.04 kg/hm2，水分利用效率较高，施氮量较少，水肥盐耦合效果最好.