風沙土大豆膜下滴灌水肥一體化適宜灌水量的研究

劉富強，竇超銀，楊 磊，佟 威

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.遼寧省水利水電科學研究院，沈陽 110000）

0 引 言

大豆是重要的糧食和油料作物，對禽畜產品生產和大豆油產量有直接影響[1]。目前我國提倡“全力抓好糧食生產和重要農產品供給”，強調“大力實施大豆和油料產業提升工程”[2]，東北作為我國大豆主產區[3]，積極落實大豆增產政策，尤其是在風沙土地區，土地資源豐富，有一定的優勢，但長期以來風沙土沒有得到充分利用是由于風沙土有自身的問題。

風沙土土質貧瘠，土壤黏著力和黏結性能差[4]、團聚體含量低、水分流失嚴重，作物很難獲得充足的水分供給。隨著滴灌技術在風沙土地區的推廣應用，傳統灌溉模式被滴灌水肥一體化替代，水分能在點源灌溉方式下留存于根系區間[5]，提升了水分利用效率，為風沙土土壤資源的可持續利用提供了途徑。

滴灌調控風沙土土壤水分狀況的本質是通過控制單次灌溉水量使土壤水分保持在有效范圍內，即滴灌效益的發揮取決于單次灌溉水量這一參數的合理確定。土壤水分有效性作為作物吸水的關鍵，使得灌溉水量成為灌溉制度的重要指標，對作物的生長和產量有重要影響[6]。研究表明缺水會顯著影響作物產量[7]，D Yavuz[8]發現作物產量受灌水量和蒸發量線性影響，灌水頻率和灌水量交互作用顯著影響作物產量和產量因子。普遍認為減少單次灌水量有利于將水分養分調控在作物根區，但需要提高灌溉頻率，否則作物會產生水分虧缺，影響植株形態的建成；較高的灌水量可滿足作物在生育期內對水分的需求，但同時增大了養分淋洗的風險[9]。適宜的灌溉水量通常根據試驗確定，由于不同地區氣候、水文地質和土壤類型等存在差異，灌溉水量缺乏統一的標準，同時，前人研究表明作物種類和作物生育期也會影響灌溉水量的確定，如同在風沙土地區，蘿卜苗期和根葉生長旺盛期灌溉定額宜為8.1 mm/次和10.4 mm/次[10]；玉米單次灌水量15.9 mm[9]；春小麥單次灌水定額為30.8 mm[11]。這表明當風沙土上種植新的作物時，現有作物的灌溉制度不具有通用性，必須通過試驗重新確定。

大豆在風沙土地區種植較少，需水規律的研究也較少，且有著與其他作物不同的生長生理特點，為了更好的發揮滴灌工程效益及風沙土土壤資源的合理利用，本文在前人研究的基礎上，試驗研究不同灌水量對風沙土地區大豆生長性狀、產量和水分利用效率的影響，從而確定風沙土大豆膜下滴灌適宜的灌溉水量，為今后遼西北風沙土地區大豆的灌溉管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于遼寧省彰武縣阿爾鄉鎮北甸子村（122°23' E，42°50' N），與科爾沁沙地南緣毗鄰。試驗區多年平均降雨量約為412 mm，夏季降雨量較大，最大降雨集中在7、8 月份；年均蒸發量為1 781 mm；年平均氣溫為6.1 ℃，平均風速為3.7～4.2 m/s，有時出現沙塵暴天氣；作物生長周期為145～150 d，其中無霜期達154 d。風沙土是本試驗區土壤的主要組分，干體積質量為1.69 g/cm3。土壤有機質含量較少，為6.6%。

1.2 試驗設計

本次試驗在2022 年5-10 月開展，供試品種“新豆一號”。根據大豆生長劃分為苗期、開花期、結莢期、鼓粒期、成熟期等5個生育階段[12]。試驗以灌溉水量為因素，設置5個水平，分別為W1：0.4Epan、W2：0.6Epan、W3：0.8Epan、W4：1.0Epan、W5：1.2Epan，（Epan為5 d 累積冠層水面蒸發量）同時以當地傳統雨養種植為對照，共6 個處理，每個處理重復3 次。大豆采用滴灌灌溉，滴灌帶的布置如圖1 所示，滴灌帶間距120 cm，單行滴灌帶灌溉兩行大豆，滴灌帶距離大豆20 cm；滴灌帶上滴頭間距30 cm，滴頭流量1.38 L/h[13,14]，灌水周期根據前期試驗結果確定為5 d，單次灌水量通過計算得出：

圖1 滴灌帶布置（單位：cm）Fig.1 Layout of drip irrigation belt

式中：Ek,5為第k個5 日，逐日實測；Pk,5為第k個5 日累計有效降雨量。

1.3 田間管理

播種前先將大豆種子在空氣中晾干，土地進行犁耕平整。整地時施糞肥2 t/hm2作為底肥，大豆生育期內追施氮肥，施肥量180 kg/hm2（純氮），氮肥為尿素（含N 量46.4%）在苗期∶花期∶結莢期按2∶2∶1分多次追施，各生育期追肥均采用隨水分施肥的方式分2 次施入，即全生育期累計施肥6 次。其他田間管理參照當地經驗管理，大豆苗期噴施一次農藥，防治蟲害，生育期內做好除草工作。2022年9月27日收獲大豆。

1.4 測定指標

蒸發、降雨和灌水量：小型氣象站監測降雨量；置于冠層上方20 cm 的蒸發皿測量蒸發量，每天08:00 進行觀測；水表計量灌水量，總灌水量通過累加各次灌水量得到。

動態含水率：灌水前后采用TRIME 測定土壤含水量，TRIME管埋設在壟中央相鄰兩滴頭中間，埋深80 cm。

生長指標：在大豆各生長階段，每個試驗小區隨機選取3株大豆，測量大豆的株高（鋼卷尺）、莖粗（游標卡尺）、葉面積指數（面積法，長×寬×0.75）和葉綠素（SPAD-502 Plus，柯尼卡美能達）。

地面干物質量：采集各生長階段的大豆樣株地上生物部分，分解成莖、葉、葉柄、豆莢，去垢后于105 ℃烘箱中殺青30 min，再于75 ℃烘干至質量穩定不變，隨后用天平測量大豆烘干后各部分的質量。

考種、產量及水分利用效率：在大豆成熟期對各試驗小區隨機選取3株大豆進行考種，計算大豆產量。水分利用效率采用如下公式計算：

式中：WUE為大豆的水分利用效率，kg/m3；Y為大豆產量，kg/hm2；ET為大豆耗水量，mm。

其中，大豆生育階段耗水量ET采用水量平衡公式計算，公式為：

式中：Pr為有效降雨量，mm；U為地下水補給量，mm；I為灌水總量，mm；R為徑流量，mm；ΔW為試驗初期和試驗末期土壤水分的變化量，mm。由于試驗區地下水埋藏較深，地勢平坦且滴灌濕潤深度較淺，U、R和D均可忽略不計。

1.5 數據處理與統計分析

用Excel 2021進行試驗數據的整理，用Origin 2020進行作圖，用SPSS 24.0進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 降雨量、蒸發量、灌水量

大豆生育期內的降雨、蒸發和溫度見圖2。大豆生育期內日均蒸發23.9 mm，累計蒸發729.9 mm，降雨36次，累計雨量548.8 mm，其中單日降雨量在10 mm 以下的11 次，占有效降雨次數的41%，年度單日最高降雨發生在7 月28 日，降雨高達94.8 mm，即盡管年降雨量較大，降雨次數較多，但有效降雨并不多，加上風沙土保水性能差，田間地膜覆蓋等影響，灌溉仍是大豆生長的主要水分來源。大豆自苗期后期開始灌溉，花期～結莢期灌水頻繁。7月下旬進入雨季，降雨量增大，灌水量和灌水頻次相應減小，成熟期后停止灌溉，全生育期內灌水次數、灌水日期和灌水量如表1所示。

表1 2022年大豆灌水記錄表Tab.1 Soybean irrigation records for 2022

圖2 2022年大豆生育期內降雨、蒸發圖Fig.2 Rainfall and evaporation map of soybean growth period in 2022

2.2 灌溉水量對土壤含水率的影響

大豆生育期內各灌水處理在0～60 cm 土壤的平均含水率變化如圖3所示。各處理土壤含水率波動性較大，結合生育期內降雨和灌溉可知，灌溉和單日較大的降雨量是改變土壤含水量的主導因素。6 月下旬至7 月中旬多為10 mm 以下的降雨，風沙土土壤含水量變化較小，灌溉引起土壤含水率的急劇增加，停止灌溉后土壤含水率持續降低；7 月中旬至8 月中旬降雨頻次減小，但單日降雨量逐日增高，導致土壤含水率在7.2%（田間持水率的60%）～12%之間變化。

圖3 0～60 cm土壤的平均含水率變化Fig.3 The change of average moisture content of 0～60 cm soil

從土壤水分有效性角度分析，當土壤含水率低于田間持水率的60%（θ田60%）時，大豆將受到水分脅迫，W5處理在大豆生育期內土壤含水率始終保持在θ田60%以上，未出現水分脅迫；W2～W4處理在灌溉周期內有段時間低于θ田60%，可能對大豆造成短時間脅迫；W1 處理則在較長的時間內土壤含水率低于θ田60%，受到一定的水分脅迫。因此，根據處理之間含水率的差異和減免作物水分脅迫，灌溉水量宜控制在60%Epan以上。

2.3 灌溉水量對大豆生長的影響

2.3.1 株 高

不同灌水處理大豆株高變化趨勢如圖4所示。大豆株高隨著生育期的遞進逐漸增大，在鼓粒期達到峰值，此后逐漸減小直至生育期結束。苗期～鼓粒期各處理株高平均增長216.6%，其中苗期～開花期大豆株高迅速增大，開花期～鼓粒期增長變緩。不同處理間，隨著灌水量的增加，大豆株高呈現出先增大再減小的趨勢，W4 處理株高在整個生育期都高于其他處理；W3 處理在生長初期和其他處理差異不顯著，但在結莢期～成熟期顯著高于W1 和CK 處理；W1、W2 和W5 處理差異不顯著；對照CK 處理在花期顯著低于灌溉處理，后期株高增加較快，和W1、W2、W5 差異不再顯著。以上結果表明：灌溉是大豆株高持續增長的關鍵，增加灌水量對大豆株高有促進作用，但過高的灌水量對大豆的株高起抑制作用，100%Epan是獲取最大株高的適宜灌溉水量。

圖4 灌溉水量對大豆株高的影響Fig.4 Effect of irrigation amount on plant height of soybean

2.3.2 莖 粗

不同灌水處理大豆莖粗變化趨勢如圖5所示。大豆的莖粗變化表現為苗期～開花期迅速增長，開花期后緩慢增長直至平穩，峰值出現在鼓粒期。不同灌水處理間，隨著灌水量的增加，大豆莖粗先增大后減小，總體表現為W4＞W3＞W5＞W2＞W1＞CK，苗期～鼓粒期大豆莖粗平均增長124.6%。W4 處理在花期顯著大于W1、W5 和CK 處理，分別高出19.0%、23.3%和16.5%，其他生育期W4 處理莖粗雖高于其他處理，但是未達到顯著水平；其他處理之間差異均不顯著。結果表明：灌水量的增加對莖粗增長有一定從促進作用，但灌水量過高時則會抑制莖粗增長。

圖5 灌溉水量對大豆莖粗的影響Fig.5 Effect of irrigation amount on stem diameter of soybean

2.3.3 葉面積指數（LAI）

不同灌水處理大豆葉面積指數變化趨勢如圖6所示。大豆葉面積指數隨著生育期的遞進先增大后減小，在結莢期達到頂峰，均值達到4.25，此后隨著大豆成熟脫水[16]，葉面積指數逐漸減小，成熟期時下降到1.92；苗期～開花期各處理平均增長698.5%，是LAI最快增長期；鼓粒期～成熟期各處理LAI平均減小108.9%，是LAI最快衰減期。不同處理間，CK 處理在苗期、開花期和成熟期葉面積指數顯著低于灌水處理，其中開花期較灌水處理平均減少68.1%。灌溉處理中，隨著灌水量的增加，大豆葉面積指數先增大后減小，W4 處理LAI高于其他處理，但除苗期和成熟期顯著高于W1 和W2 處理外，差異均未達到顯著水平；W5 處理在生長初期低于其他處理，結莢期后LAI僅低于W4處理，高于低水處理；W1～W3處理在各生育階段LAI都相近，變幅在0～4.2 之間，處理間差異不顯著。以上結果表明：灌水對大豆葉面積的形成十分重要，試驗區雨養條件下不利于大豆葉面積生長；灌溉顯著促進葉面積生長，并隨著灌水量的增加促進作用加強，在葉面積形成的關鍵時期，即花期～結莢期，灌水量產生的影響尤為明顯；當灌水量過多時，促進作用受到限制，在生長初期，甚至低于低水處理，但在花期后直至生長期結束，高水處理LAI雖然不是最優，但要高于低水處理，且生長優勢一直保持到生育后期，即較高的灌水量一定程度上能延緩葉片衰老脫水。

圖6 灌溉水量對大豆葉面積指數的影響Fig.6 Effect of irrigation amount on soybean leaf area index

2.3.4 葉綠素（SPAD）

不同灌水處理大豆葉綠素變化趨勢如圖7所示。大豆葉綠素在苗期～鼓粒期變化較小，在35～45 范圍內波動，但在成熟期迅速減小，葉綠素含量降至25 左右，平均降幅達56.5%。不同灌水處理間，無灌溉的CK 處理在生長前期SPAD值較低，花期后SPAD值接近灌溉處理水平，生育期結束時，甚至高于灌溉處理；灌溉處理中，苗期、結莢期和鼓粒期隨著灌溉水量的增加，葉綠素含量有先增大后減小的變化趨勢，W3 處理SPAD值最大，W5 處理值較小，除鼓粒期W5 處理顯著偏低外，在處理之間差異均不顯著；花期灌水量對SPAD值的影響沒有明顯規律，但花期W5處理SPAD值仍低于其他灌溉處理。以上結果表明：適量的中度灌水有利于大豆葉綠素的生成，但隨著灌水量的增加，葉綠素的含量相應降低。傳統雨養大豆葉綠素含量在生育前期處于劣勢，但在結莢期后相較于同時期的灌水處理組逐漸增高。

圖7 灌溉水量對大豆葉綠素的影響Fig.7 Effect of irrigation amount on chlorophyll of soybean

2.3.5 地上干物質含量

圖8為不同灌水處理大豆地上干物質變化。隨著大豆生育期的不斷推進，大豆干物質先增大后減小，在鼓粒期達到峰值。苗期～開花期，大豆主要處于營養生長階段，干物質平均增長353.3%。開花期～結莢期大豆進入生殖生長階段，干物質迅速積累，各處理大豆干物質平均增加了149.2%。成熟期時，隨著大豆脫水，葉片衰老枯萎，大豆單株干物質不斷減小。不同灌水處理間，大豆干物質從大到小排列依次為W4、W3、W2、W5、W1、CK，隨著大豆生長，各處理差異逐漸增大，結莢期W4 處理分別高出W3、W2 和W1 處理1.97%、6.1%、42.7%，鼓粒期W4 處理分別高出W3、W2 和W1 處理12.8%、11.7%、15.5%。

圖8 不同生育期各灌水處理大豆地上干物質變化Fig.8 Changes of above-ground dry matter in soybean under different irrigation treatment at different growth stages

圖9為不同生育時期大豆各器官干物質所占百分比。苗期時，大豆莖的比重隨著灌水量的增加不斷地增長，相應的葉、葉柄的比重隨著灌水量的增加而減少。開花期時，各處理莖、葉所占比重相差不大，在2%～5%之間浮動，葉柄所占比重隨著灌水量的增多而逐漸增大。結莢期時，豆莢所占比隨著灌水量的增多而增大，表明隨著灌水量的增長，較多的干物質用于籽粒的構建。鼓粒期，大豆干物質分布較均衡，不同灌水處理各器官干物質差別不大。成熟期，大豆葉、葉柄衰老脫落，豆莢所占比重隨著灌水量的增加而逐漸減少。

圖9 不同生育期大豆各器官干物質百分比Fig.9 Percentage of dry matter in soybean organs at different growth stages

以上結果表明：適宜的灌水量有利于大豆干物質的積累，大豆干物質隨著灌水量的增加先增大后減小。在苗期，低水處理組的干物質主要用于大豆葉的構建，高水處理組的干物質主要用于大豆莖的構建。開花期時，高水處理組葉柄所占比重隨著灌水量的增加而增長，表明此階段高水處理下大豆能量主要用于葉片持承力的提升。此后大豆結莢初期，豆莢所占比重隨著灌水量的增加而增長，直至生育末期，各灌水處理各器官干物質占比差異不大。

2.4 大豆產量的構成、產量和水分利用效率（WUE）

表2為不同灌水處理下大豆產量及產量的構成。大豆的單株莢數、單株粒數、單株粒重隨著灌水量的增加，先增大后減小，W4 處理為峰值。單株莢數W4 處理較W1 處理增加了10.6%，較CK 增長了95.2%；單株粒數W4 較CK 有顯著差異，W4 比CK 多102.67 粒，增幅74.8%；單株粒重W2、W3、W4處理均對CK 有顯著差異，其中W4 較CK 增長127.1%。枇粒數和結實率均是CK 處理處于優勢，CK 處理的枇粒數較W5 處理減少65.4%；結實率CK 較W4處理增加19.5%。W1和W5處理百粒重均較CK 處理有顯著差異，其中最高值W1 比CK 高49.1%?？挤N表明：不同灌水量對大豆產量構成要素的顯著差異很小，但在各項處理的綜合表現下，W4 處理可以有效提升大豆產量構成要素。

表2 2022年不同灌水處理對大豆產量及產量構成的影響Tab.2 Effects of different irrigation treatments on soybean yield and yield composition in 2022

通過表2 還可以發現大豆產量和WUE均隨著灌水量的增多，先增大后減小，傳統雨養方式下的大豆產量和WUE處于最低值。大豆產量總體表現為W4＞W3＞W5＞W2＞W1＞CK，W4處理組產量為3.61 t/hm2，較CK 增大97.3%。WUE從大到小的順序為W4＞W3＞W2＞W2＞W5＞CK，W4 處理的WUE達到0.59 kg/m3，較CK 處理增加96.7%。說明灌水量的提升有利于大豆產量的提升，但低水和高水均不利于大豆高產。高水處理下雖然產量有一定增長，但WUE會隨著耗水量的增加而降低；低水處理雖然能減少大豆水分的損耗，但是其產量相較于其他灌水處理處于較低水平。灌水量為1.0Epan時，大豆產量和WUE均處于最高值。

3 討 論

大豆受制于欠發達的根系，對水分比較敏感[16]，水分的多少會影響大豆的干物質積累和產量因子的構建，進而間接影響大豆的產量。灌水量過低，水分集聚在土層表面，極易受蒸發影響導致土壤水分過低，導致大豆光合速率、氣孔導度和蒸騰速率的下降[17]。灌水量過高，土壤水分在重力梯度的作用下向深層運移[9]，脫離了根系范疇，造成水分浪費，同時過高的灌水量會使大豆“貪青”，生育期延遲，加之氣溫下降導致干物質向籽粒轉移較慢，極易造成空莢，影響產量[18]。本試驗區為風沙土，與前人研究區土壤存在顯著差異，但試驗中大豆表現出的生長與生理現象與前人研究結果卻是一致的。

風沙土保水保肥性差，且極易受蒸發影響[14]，導致土壤含水率下降較快，因此灌水量和單日較大的降雨成為土壤動態含水率變化的主導因素。大豆生育期內，中高度的灌水處理基本可以實現土壤含水率維持在大豆適宜土壤含水率的下限（θ田60%）之上，低水處理土壤含水率在灌水周期內隨著水分的消耗而低于下限，造成水分脅迫，影響大豆生長。適度灌水會增加大豆株高，苗期和開花期大豆處于營養生長階段，對水分的需求量大，W1、W2 處理組和傳統雨養大豆為獲得水分，營養會用于根系的延展，導致株高處于劣勢，W4處理土壤水分條件適 宜大豆生長，株高優勢明顯，隨著生育期的遞進，進入雨季降雨增加減弱了灌溉導致的土壤水分差異，灌水量引起的大豆株高差異也逐漸減小，只有無灌溉的CK 處理大豆生育前期水分未得到及時補充，造成了不可逆的傷害，在營養生長轉向生殖生長時，株高一直處于較低值。莖粗、葉面積指數等生長指標與株高表現出類似的規律。莖粗和葉面積指數隨著灌水量的增大，先增大后減小，這與前人研究結果一致[19]。SPAD最大值沒有出現在長勢最優的W4 處理，而是出現在W3 處理中[17]，這可能是因為適量的缺水使大豆產生了水分脅迫的應激反應[20]，使葉綠素含量得到一定增長。

研究表明大豆生育期內缺水不僅影響大豆干物質的生長和分配，還會影響養分的運輸[21]。本試驗也表明缺水會影響干物質的生成，尤其是生育前期，大豆缺水導致其營養生長受到制約，植株矮小。在生育后期，前期生長劣勢間接影響的了大豆的生殖生長，導致流向豆莢和籽粒的能量較少，影響了大豆干物質在豆莢和籽粒的分配。高水處理組因前期灌水充分，導致葉源構建完整，因此在中后期有較高的有機物轉化率，促使干物質較多的流向豆莢和籽粒。

葉面積指數是大豆光合生產源，較高的灌水有利于提高大豆分枝數和葉片數，進一步提升大豆的光合能力和凈同化率，使大豆獲得較大的能量用于生殖生長的正向循環，其葉面積指數的優勢一直保持到生育后期，而低灌水量使大豆植株矮小，單株葉片數減小，由于“源”減小，制造的有機養分較低[22]，隨著生育期的遞進，“庫”的需求增大，供不應求導致其生物產量降低，因此高灌水使大豆有充足的生物基礎進行產量因子的構建。本試驗也表現出相同的結果，隨著灌水量的增加，大豆產量因素的構建也越來越高，適當提高灌水量能有效增加單株莢數、單株粒數和單株粒重，這是因為適量的灌水使大豆有較多的“源”和較大的“庫容”，“源庫”的協調發展致使大豆的收獲指數得到增長[23]。低灌水制約了大豆后期的生殖生長，減小了產量因素，雖然其枇粒數低，結實率高，但產量依舊很低。此外，低灌水處理生育進程縮短，存在籽粒脫落的風險。灌水過高導致大豆生育進程延長，但此時外界溫度下降，因此干物質轉移速率下降，導致枇粒數增高，結實率降低，大豆產量也受到影響[22]。

本研究補充了風沙土大豆滴灌水肥一體化適宜的灌水量，灌水量在1.0Epan時，大豆生長性狀、產量及產量因子最高。由于風沙土土質貧瘠，持水固肥能力均較差，水肥互作條件下土壤肥料分布易受灌水量的影響，本文僅對風沙土大豆種植的地上指標進行研究，需進一步試驗綜合考慮灌水量對作物和土壤肥料分布的影響，進而為風沙土地區大豆灌溉管理提供參考。

4 結 論

通過對風沙土地區大豆膜下滴灌水肥一體化適宜灌水量的研究，可以得到以下結論：

（1）大豆的株高、莖粗、葉面積指數和葉綠素均隨著灌水量的增高，先增大后減小。其中大豆的株高、莖粗和葉面積指數在灌水量為1.0Epan時達到頂峰，葉綠素含量在0.8Epan時達到頂峰。

（2）灌水能有效增加干物質的積累，灌水量在1.0Epan時大豆的干物質積累量最大，且在生育后期較多的干物質流向了豆莢和籽粒。

（3）灌水量的增長能有效提升大豆產量因素，灌水量為1.0Epan時，大豆產量達到了3.61 t/hm2，水分利用效率達到0.59 kg/m3，較傳統雨養大豆分別增長97.3%和96.7%。

綜合考慮生長因素、地上干物質、產量和WUE因素，風沙土地區大豆膜下滴灌水肥一體化適宜灌水量推薦1.0Epan。