0 引言
华北农田面积占全国耕地面积18.6%[1]，该地区是我国主要粮食生产基地之一，每年有50%的小麦和35%的玉米都产自该区[2]。华北地区是我国最缺水地区之一，年降水量在300～1000 mm之间，多年平均降水量500 mm左右[3,4]，75%的降水集中在夏玉米生长季，降水只能满足25%～40%的冬小麦作物需水量，约70%需要通过灌溉来提供，过量灌溉用水造成地下水严重超采，地下水位以每年1.5 m的速度下降，水资源短缺已成为制约华北地区农业可持续发展的重要因素[5]。为了追求高产，华北平原小麦-玉米轮作系统当前平均施氮量为588 kg/（hm2·a），远大于小麦-玉米轮作氮肥合理需求量286 kg/（hm2·a）[6-7]，氮肥过量施入导致温室气体排放和氮淋溶风险增加，产生了地下水和地表水污染等环境问题。因此，华北平原当务之急是优化灌溉和施肥管理，采用先进的施肥和灌溉方法，提高氮肥和水分利用效率，减少对环境的污染。滴灌施肥是现代灌溉技术和精准施肥技术的有机结合，按照作物养分和水分需求规律，溶解的肥料养分和灌溉水一起适量、准确地直接输送到作物根系，有效提高肥料和水分利用效率，被认为是一种既能降低施肥量又节约用水的高效灌溉施肥技术[8-9]。Tian Di等[10]研究发现，与传统的漫灌相比，滴灌施肥可分别增加28%和3.7%的小麦和玉米产量；陈静等[11]研究发现灌溉量与穗粒数正相关，与千粒质量负相关，滴灌施肥能显著增加冬小麦的有效穗数，小麦产量和水分利用效率分别提高了21.13%和57.46%。近年来虽然滴灌施肥技术在小麦-玉米应用的研究取得了一定的进展，但是与经济作物相比，研究滴灌施肥对小麦和玉米的节水和增产效应，特别是适用于华北地区冬小麦-夏玉米轮作制度的优化滴灌施肥制度研究数量还相对较少，与小麦玉米生产应用需求还有较大差距。为此，本试验以目前华北平原农民的灌溉和施肥措施为对照，设置不同滴灌次数和施氮水平的滴灌施肥水肥一体化处理，研究华北地区滴灌施肥一体化技术对冬小麦和夏玉米生长状况、产量和水分利用效率的影响，从而进一步优化华北地区小麦-玉米滴灌施肥制度，以期为华北平原小麦-玉米轮作生产体系的水肥管理提供理论和技术指导。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
图12015 —2016年小麦-玉米生育期内温度和降雨量
试验于2015年10月至2016年6月在河北省农林科学院旱作节水农业试验站进行。试验站（北纬37°54′10″，东经115°42′8″）位于河北省衡水市护驾迟镇，该地区属于暖温带半湿润气候类型，多年平均气温12.8℃，平均降水量为497.0 mm，平均蒸发量为1785.4 mm，种植模式采用华北平原典型的小麦-玉米轮作制度。试验期间平均气温为13℃，降雨量为561.6 mm，其中2015—2016小麦生长季降雨量为137.9 mm，2016年夏玉米季降雨量为423.7 mm，具体变化见图1；试验田土壤类型为潮土，土壤质地为上砂壤下黏，0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160 cm土层土壤体积质量分别为1.37、1.46、1.31、1.35、1.43、1.52、1.39、1.36 g/cm3，田间持水率分别为22.90、22.20、28.56、29.59、24.70、23.47、28.51、31.57 g/g。0～40 cm土层土壤肥力特征见表1。
表1 试验田0～40 cm土壤肥力特征
1.2 试验设计
针对小麦-玉米轮作系统设计滴灌施肥一体化试验，试验采用裂区设计，滴灌施肥处理为主区，设置小麦生育期内无滴灌（D0：不灌水，氮肥基施+撒施追肥1次）、滴灌施肥1次（D1：返青期滴灌1次，氮肥基施+随滴灌一体化追施）、滴灌施肥2次（D2：返青和开花期分别滴灌1次，氮肥基施+随滴灌一体化追施）3个水平；施氮量为副区，设置低氮（Nl：60%当地通用施氮量）、中氮（Nm：当地通用施氮量）、高氮（Nh：140%当地通用施氮量）3个水平，共9个处理。同时为了比较水肥一体化技术的效果，另外设当地农民常规灌溉施肥方式作为对照（FP：底墒水、返青和开花期分别畦灌1次，氮肥基施+撒施追肥，施肥量为当地通用施氮量）。所有处理均3次重复，共计30个小区，每个试验小区大小为6 m×10 m，小区间设置宽80 cm、高20 cm的隔离垄带，以排除小区之间的相互影响。所有小区磷肥和钾肥施用以及其他田间管理措施均同一般大田。玉米试验在小麦收获后在同一个试验地进行，试验处理与小麦基本一致，滴灌施肥设置玉米生育期无滴灌（D0：不灌水，氮肥基施+撒施追肥）、滴灌施肥2次（D2：播种后和拔节期分别滴灌1次，氮肥全部随滴灌一体化追施）、滴灌施肥3次（D2：播种后、拔节和灌浆初期分别滴灌1次，氮肥全部随滴灌一体化追施）3个水平；施氮量计算与小麦一致，以当地玉米通用施氮量为基准，分别设置高、中、低3个水平。同样设置对照处理（FP）。
滴灌施肥处理的灌水操作采取测墒补灌方式小麦和玉米的生育期内进行，滴灌区70%以上的植株达到该生长阶段标志时开始滴灌，灌水前用烘干法测定土壤含水率，设定0～60 cm土层目标含水率为田间持水率的90%，根据灌水定额式（1）计算所需补灌水量。对照FP采用当前通用灌水定额和畦灌方式进行。小麦试验播前均灌溉底墒水，以保证适墒播种，出苗齐全。夏玉米由于生长季多雨，试验不灌底墒水。施氮量处理使用尿素作为氮肥，根据作物需肥规律按照相应的比例施用。2015—2016年小麦-玉米试验具体灌溉时期、灌溉次数、灌溉量和施氮量见表2和表3。
表22015 —2016年小麦试验处理方案
表32016 年夏玉米试验处理方案
1.3 观测指标
1.3.1 土壤含水率测定
每个小区埋有1根中子管，每隔10 d用中子仪测1次土壤含水率，灌溉前后、播前和收获后各加测1次；0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160 cm的各层土壤采用中子仪测定，另用取土烘干法加测0～20 cm土层土壤含水率。
1.3.2 灌水定额
采取测墒补灌方式计算，即：
式中：I为设计灌水定额（mm）；r为土壤体积质量（g/cm3）；z为计划湿润土层深度（m）；p为微灌设计土壤湿润比，取80%；η为灌水利用系数，取0.95；θmax取田间持水率的90%；θmin为计划湿润土层土壤质量含水率（%）[12]。
1.3.3 叶面积指数
冬小麦拔节期开始测量叶面积，在定苗的1.00 m×0.15 m区域内随机选取10个分蘖测量叶长和叶宽（叶片最宽部位），并数取该区域分蘖数；夏玉米在三叶期开始测量叶面积，随机选取5株，在关键生育期量叶长和叶宽（叶片最宽部位），计算叶面积指数（LAI），即：
式中：S0和S1分别表示绿叶面积和占地面积，小麦叶面积折算系数为0.83，玉米非完全展开叶为0.5，展开叶为0.75。
1.3.4 干物质质量
在冬小麦不同生育阶段每个小区随机取20 cm×15 cm样方小麦植株，夏玉米不同生育期每个小区随机选取3株植株，小麦和玉米地上部在105℃杀青1 h，75℃烘干至恒质量，冷却后，用电子天平称质量。
1.3.5 产量及构成要素
冬小麦收获期在每个小区随机选取1 m双行样方，统计穗粒数和有效穗数，在每小区随机选择3个1 m×1 m样方，实收计产并测定千粒质量；夏玉米收获期在每个小区随机选取4行5 m样方进行单打实收测产，并统计穗粒数和千粒质量。
1.3.6 耗水量
作物耗水量以根区水量平衡法确定，土壤根区水量平衡公式为：
式中：ET为作物生育期内的耗水量（mm）；P为降雨量（mm）；I为灌溉量（mm）；U为地下水补给量（mm）；R为径流量（mm）；D为深层渗漏量（mm）；△W为作物生育期内根区土体贮水量的变化（mm）；由于试验区地下水埋深常年处于地表以下7～9 m，且试验小区间设有垄作间隔，因此地下水的补给量和地表径流量也不考虑，计算式中U、R可以忽略不计，式（3）简化为：
式中：W为灌溉前0～160 cm土层土壤储水量（mm）；I为灌水量（mm）；Φ为0～160 cm土层田间持水量（mm）[13]；小麦-玉米轮作根系主要在0～180 cm土层，90%以上根系主要集中在0～100 cm土层，作物耗水和供水主要影响140～160 cm以上土层，故计算取0～160 cm土层深度[14]。
1.3.7 水分利用效率
式中：WUE为水分利用效率（kg/m3）；Y为冬小麦或夏玉米实际产量（kg/hm2）；ET为冬小麦或夏玉米生育期总耗水量（mm）。
1.4 数据统计分析
用SAS8.0进行裂区设计方差分析和双面料方差分析；用sigmaplot12.5画图。
2 结果与分析
2.1 滴灌施肥对作物生长发育的影响
2.1.1 小麦叶面积指数和地上部干物质
从图2（图中*表示滴灌次数之间有显著性差异，p＜0.05，下图同）可看出，滴灌施肥处理能够明显促进小麦叶片生长，在相同施氮量条件下，D2和D1处理的叶面积指数均显著高于D0处理，D2和D1处理的开花期叶面积指数分别比D0处理高79%和92%。对比分析D2和D1水平，在Nl（137 kg/hm2）水平下，LAI表现为D1水平＞D2水平；在Nm（228 kg/hm2）水平下，LAI表现为D2水平＞D1水平；在Nh（319 kg/hm2）水平下，灌浆之前LAI表现为D1水平＞D2水平，灌浆期至成熟期，LAI表现为D2水平＞D1水平，在相同施氮量下，D2处理LAI下降速率低于D1处理。这表明在开花期增加滴灌施肥能够降低灌浆期之后叶片衰老程度，保持绿叶功能。不滴灌条件下施氮量处理的叶面积指数差异不明显；1次滴灌施肥条件下灌浆之前不同施氮量处理的叶面积指数表现为Nh水平＞Nl水平＞Nm水平，高氮处理（D1Nh）高于其他2个处理，灌浆之后其叶面积迅速降低，与其他2个处理相差不大；2次滴灌施肥条件下灌浆之前不同施氮量处理的叶面积指数差异不大，在灌浆之后Nh＞Nm≈Nl，表明2次滴灌施肥处理（D2）生长后期的叶面积指数有随着施氮量增加而增加的趋势。
从图3可以看出，小麦返青之前各处理的干物质积累增幅较小，处理间干物质量没有明显差异；返青期进行灌溉施肥之后各处理的干物质积累开始快速增长，开花—成熟期不同滴灌施肥次数处理间干物质积累速率表现出明显差异，完熟时干物质积累量都表现为D2水平＞D1水平＞D0水平。表明在相同施氮量水平条件下，滴灌施肥对小麦营养生长阶段地上干物质积累影响不大，对生殖生长阶段干物质积累影响明显，最终干物质量随滴灌施肥次数增加而增加，D2处理在开花期增加1次滴灌施肥促进了作物后期生长，有益于籽粒灌浆。分析不同施氮量处理的地上干物质积累量，无滴灌条件下不同施氮量处理表现为Nm水平＞Nl水平＞Nh水平；滴灌施肥条件下，不同施氮量之间成熟期干物质积累量都表现为Nl水平＞Nm水平＞Nh水平，但差异不明显，说明滴灌施肥条件下在一定程度减少施氮量并没有影响干物质积累。
图22015 —2016年不同滴灌处理下小麦群体叶面积指数的变化
图32015 —2016年不同滴灌处理下小麦地上部干物质积累量的变化
2.1.2 玉米叶面积指数和地上部干物质
夏玉米LAI变化呈单峰曲线，峰值出现在扬花期，玉米LAI在扬花期之前直线上升，扬花到乳熟期缓慢下降，乳熟到收获期快速下降（图4）。整个生长期内D0处理的LAI一直低于D2和D3处理，且在扬花期之前滴灌施肥处理的LAI显著大于D0处理，说明滴灌施肥处理可显著促进玉米叶片生长。施氮量为Nh（319 kg/hm2）时，D3处理峰值显著大于其他处理，说明在高氮条件下增加滴灌次数促进LAI增加。分析不同施氮量之间LAI发现，在相同滴灌次数下，不同施氮量之间LAI没有明显差异。
玉米干物质积累量拔节期前增长缓慢，拔节期后增长迅速，至成熟期达到最大（图5）。试验结果显示不同处理间玉米干物质积累量没有明显差异，仅在Nh水平下，干物质积累量呈现出随滴灌次数增加而增加的趋势，成熟期干物质积累量表现为D3处理＞D2处理＞D0处理。表明华北平原区玉米生长季降雨分配与玉米生长需求基本匹配，滴灌施肥对玉米地上部干物质积累量影响不明显。
图42016 年夏玉米不同滴灌施肥处理群体叶面积指数
图52016 年夏玉米不同滴灌施肥处理干物质积累量
2.2 滴灌施肥对小麦-玉米作物产量及构成要素的影响
表4显示了不同滴灌施肥处理的作物产量及其构成要素。由表4可知，滴灌施肥处理可显著增加小麦和玉米籽粒产量，且增产效果随滴灌施肥次数增加而越显著。与D0处理相比，D2和D1处理的小麦平均产量分别显著增加了44.4%和32.7%，D2处理平均产量比D1处理显著增加了8.8%；D3处理的玉米平均产量较D0处理显著增加了5.8%，但D2与D0处理之间差异不显著。由表5可知，滴灌施肥对小麦和玉米产量均有显著影响，但其对小麦产量的影响大于玉米；施氮量处理对小麦和玉米产量均没有显著影响，滴灌施肥和施氮量对作物产量并没有产生显著的交互作用。
表5表明，滴灌施肥对小麦穗数、千粒质量产生极显著影响（p＜0.01），与D0处理相比，D2和D1处理的穗数、千粒质量均显著提高，施氮量对小麦穗数和千粒质量也有显著影响（p＜0.05）。对玉米来说，滴灌施肥处理仅对千粒质量产生极显著影响（p＜0.01），D3和D2处理的千粒质量平均值分别比D0处理提高了3.9%和3.4%，而施氮量处理对玉米千粒质量没有显著影响。表6表明，小麦产量三要素对产量都有直接和间接增产的作用，其中，千粒质量和穗数对产量增加的直接作用达到极显著水平（p＜0.01）；虽然玉米穗粒数和千粒质量对产量增加均有直接作用，但千粒质量对产量的贡献显著（p＜0.01），穗粒数对产量没有显著性贡献。综上，滴灌施肥处理提高小麦和玉米产量主要是通过促进千粒质量增加的途径，滴灌施肥处理提高小麦穗数也是小麦增产的主要原因。
表4 小麦-玉米不同滴灌施肥处理的产量及构成要素
注 大写字母是竖向的方差分析结果，小写字母代表横向的方差比较结果（p＜0.05）。
表5 小麦-玉米不同滴灌施肥处理产量及构成要素的F检验结果
注 *表示p＜0.05水平下差异显著；**表示p＜0.01水平下差异显著，下同。
表6 小麦和玉米产量与构成要素的简单相关系数分解（模型R2=0.7339）
2.3 滴灌施肥对小麦-玉米作物耗水量和水分利用效率的影响
从图6可以看出，小麦耗水量随着灌水量的增加而增加，其大小为FP处理＞D2处理＞D1处理＞D0处理，其中滴灌施肥D2处理与D1处理的耗水量平均值分别为398.7 mm和371.4 mm，均显著低于FP处理（451.8 mm），但显著高于D0处理（323.1 mm）；滴灌施肥D2处理与D1处理之间水分利用效率没有显著差异，其平均水分利用效率分别较FP处理显著提高了25.9%和24.3%，但D1处理与D0处理相比差异不显著；相同滴灌施肥次数条件下，不同施氮量处理ET和WUE均没有显著差异。试验处理中，D2Nh处理的小麦水分利用效率为最高，其次是D1Nm处理。
由图7可见，相同滴灌施肥条件下，不同施氮量的ET和WUE均没有显著差异。玉米FP处理ET高于其他处理，玉米耗水量随滴灌次数增加而增加，滴灌施肥D3处理和D2处理之间ET没有显著差异，但D3处理显著高于不灌水D0处理；玉米水分利用效率随滴灌施肥次数增加而减小，D3处理WUE显著低于D2处理。与FP处理相比，滴灌施肥D3处理与D2处理的水分利用效率均有明显提高，平均水分利用效率分别较FP处理提高了11.4%和19.8%。与小麦类似，在相同滴灌施肥次数下，施氮量对玉米水分利用效率也没有显著影响。综上所述，与农民常规灌溉施肥措施相比，滴灌施肥一体化技术明显减少作物耗水量，提高水分利用效率。与无滴灌处理相比，增加滴灌施肥次数虽然明显增加小麦和玉米的耗水量，但对小麦和玉米D2处理水分利用效率影响不大。在目前当地施氮水平下，采用滴灌施肥一体化技术增加和减少40%施氮量对作物水分利用效率影响不大。
图62015 —2016年小麦耗水量、产量和水分利用效率
图72016 年玉米耗水量、产量和水分利用效率
3 讨论
在生育期增加滴灌次数对小麦叶片生长有明显的促进作用，开花期增加滴灌施肥能够降低灌浆期之后叶片衰老程度；玉米营养阶段滴灌施肥对LAI有显著影响，这与其他研究结果[15-17]一致。灌浆期之后叶片衰老速度随滴灌次数增加而减小，说明叶片衰老与水分之间关系密切，其抑制叶片衰老的原因可能是灌水与抑制叶片衰老酶的活性有关[18]。同时，开花期滴灌施肥能够促进叶片生长，延缓绿叶输出氮，有利于维持绿叶功能，促进后期物质合成与积累。不同滴灌施肥处理对小麦营养生长阶段地上干物质积累影响不大，对生殖生长阶段干物质积累影响明显，成熟后干物质量随滴灌施肥次数增加而增加，该结果与Ottman等研究结果[19]一致。表明开花期灌水对地上部干物质量的影响大于返青期灌水，原因可能是开花期灌水能促进籽粒形成，通过增加穗粒数提高地上部干物质量。对于玉米来说，干物质积累量虽然随滴灌次数增加而表现出增加的趋势，但不同处理间没有明显差异，主要是由于华北平原区玉米生长季降雨分配与玉米生长需求基本匹配，滴灌施肥对玉米地上部干物质积累量影响不明显。
试验结果表明增加滴灌施肥次数显著增加小麦和玉米产量，这与李宁和王建东等研究结果[20-21]一致。小麦在拔节—孕穗期对水分较为敏感，拔节期增加灌水可提高分蘖成穗率和穗粒数，开花期灌水对籽粒质量增加具有重要意义[22]，与漫灌相比，滴灌通过少量多次的灌溉模式更能够促进干物质向籽粒中分配和转运，从而提高千粒质量、穗数和结实率，最终获得较高产量[23]。这也是本试验中生育期增加滴灌施肥处理提高小麦千粒质量和穗数的主要原因。另外的原因可能是灌浆速度与冠层温度有关，适宜的灌水可以降低冠层温度，降低干热风对小麦的影响[24]，从而促进籽粒灌浆。小麦产量在D2处理条件下减氮40%产量没有下降，仅在D1处理时产量略微下降；玉米在施氮量减氮40%的条件下产量也没有显著下降，并在D2处理时略微上升；说明在土壤水分适宜的条件下，当前施氮水平减少40%施氮量并不会显著降低小麦和玉米产量，这结果与Zhang和Hartmann等的研究结果[25-26]相似。滴灌施肥对小麦增产效果大于玉米，玉米产量仅是D3滴灌施肥处理显著高于D0处理，由于玉米季多雨，基本满足玉米生长水分需求，D2处理产量表现为比D0仅略有增加，但D3处理在灌浆期增加1次滴灌施肥，由于该阶段水分和氮肥的增加有利于干物质向籽粒转移[27]，所以D3处理显著促进了产量增加，而且主要是通过提高千粒质量的途径实现。
本研究显示小麦WUE在1.769～2.383 kg/m3之间，虽然增加滴灌施肥次数导致耗水量增加，但滴灌施肥处理的增产效果显著，WUE随滴灌次数的增加而增加。玉米WUE在1.747～2.518 kg/m3之间，且随滴灌次数增加而减小，这反映出在水分条件较好的年份，滴灌次数增加导致玉米灌水量增加，而产量没有显著增加，WUE减小[28]。小麦和玉米的FP处理WUE分别为1.848 kg/m3和1.747 kg/m3，小麦FP常规处理WUE显著低于滴灌施肥，玉米FP处理WUE明显低于滴灌施肥处理，与陈静等[11]研究结果一致。主要是由于传统畦灌的灌水量大，导致耗水量显著增加，降低了作物WUE；另外滴灌施肥处理是根据作物需要精准控制施肥量和灌溉量，相比其他的灌溉方式具有良好的均匀性，且滴灌的湿润深度集中在0～60 cm土层，提高0～60 cm土层根系吸收水分效率，减少滴灌深层渗漏量，从而有效提高作物WUE[29-30]。
4 结论
在华北冬小麦-夏玉米轮作制度下，滴灌施肥一体化能够显著促进小麦叶片生长，增加滴灌施肥次数可以维持生育后期叶片功能，提高干物质积累量，利于籽粒灌浆和产量形成；在玉米生长季，滴灌施肥一体化对玉米叶片生长促进作用明显，但由于季节降雨增多，增加滴灌施肥次数对玉米地上部干物质积累量影响不显著。滴灌施肥处理对小麦和玉米均有显著的增产作用，且增加滴灌施肥次数增产效果越明显。小麦产量较对照增加32.7%～44.4%，玉米产量增加4.9%～5.8%，滴灌施肥对小麦增产的作用大于玉米；结合滴灌施肥对作物产量构成因素的影响结果表明，滴灌施肥促进作物籽粒灌浆，提高千粒质量是其促进增产的主要原因。增加滴灌施肥次数显著增加了小麦和玉米的耗水量，导致与不灌水处理相比虽然产量提高，但作物水分利用效率提高不明显甚至降低。然而与当地农民常规灌溉施肥措施相比，滴灌施肥一体化技术的节水效果显著，小麦和玉米的水分利用效率分别提高17.2%和7.2%以上。
在本试验处理范围内，施氮量水平对小麦和玉米生长、产量以及水分利用效率均没有显著影响，说明采用滴灌施肥一体化技术，在目前当地施氮水平甚至减少40%施氮量的条件下，氮素在整个生育期内能够得到供应保障，作物的生长和产量主要受灌溉方式和灌溉次数的影响。因此，在华北平原水资源日趋紧张的情况下，综合考虑小麦和玉米周年水肥管理策略，在偏丰水年份，采用滴灌施肥一体化技术，在目前施肥水平基础上减少40%施氮量，在小麦和玉米生长季进行2次滴灌施肥是适宜的节水节肥措施，小麦-玉米轮作灌水量为327.33 mm，施氮量为272 kg/hm2。
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