冀西北坝上地区五种作物的耗水肥特性与水分效益比较.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn冀西北坝上地区五种作物的耗水肥特性与#水分效益比较**董云，李红，张立峰，姚兆磊5（河北农业大学农学院，河北保定，071000）摘要：为了明确冀西北坝上地区作物的耗水、耗肥特性与水分养分生产效果，在草甸栗钙土田设置马铃薯、蚕豆、玉米、莜麦和甜菜等五种主栽作物定位试验，对农田耗水组成、作物耗肥特征与生产效果进行比较研究。结果表明，5种主栽作物中，甜菜田生长季耗水量最大，10马铃薯田最低。甜菜具有最高的水分与N、P、K干物质生产效率，甜菜与马铃薯具有单位面积最高的产值、耗水效益与成本效益。玉米和莜麦具有较高的生物产量、水分利用效率和N、P累积能力，然而其经济效益较差。在坝上地区，甜菜与马铃薯具有生产经济优势，玉米、莜麦和蚕豆需要高附加值途径的开发。关键词：坝上地区；耗水量；养分累积量；水分生产效益15中图分类号：S344.13ComparisonofTheWaterEconomicBenefitandCharacteristicsofWaterandFertilizerConsumptionofFiveCropsinBashangRegioninNorthwestChina20dongyun,lihong,zhanglifeng,yaozhaolei(CollegeofAgronomy,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071001,Hebei)Abstract:Inordertoclarifythecharacteristicsofwaterconsumption,fertilizerconsumptionandwaternutrientproductioninBashangregionofnorthwestHebei,Inthisstudy,fivemaincroppositioningexperimentincludingpotato,beans,maize,oatandbeetweresetinthemeadowchestnutsoil,and25farmlandwaterconsumptioncomposition,cropfertilizerconsumptioncharacteristicsandproductionresultswerecompared.Theresultsshowedthatthewaterconsumptionofbeetinthegrowingseasonwasthehighest,andthewaterconsumptioninthepotatofieldwasthelowestamongthefivemaincrops.BeethasthehighestwaterandN,P,Kdrymatterproductionefficiency.Beetandpotatohavethehighestyieldperunitarea,wateruseefficiencyandcosteffectiveness.Maizeandoathavehigher30biologicalyield,wateruseefficiencyandN,Paccumulationcapacity,buttheireconomicbenefitsarepoor.IntheBashangregion,beetandpotatohavetheadvantageofproducingeconomic,andmaize,nakedoatsandbroadbeansneedhighvalue-addedpathways.Keywords:Bashangregion;waterconsumption;nutrientaccumulation;waterproductionefficiency350引言[1]在高寒干旱、土瘠地薄的冀西北坝上地区，水分和养分是农业发展的主要限制因素。[2]建立合理的农作结构，充分发挥资源潜力，获得最大的经济收益，是该区农业生产发展急待解决的问题。合理的作物结构与布局，不仅可以协调作物需水与环境供水的数量供求矛盾[3][4]，而且可以充分利用作物需水量的时空变化特征，达到对水资源的高效利用。[5]40坝上地处北方农牧交错带，近百年来盲目垦殖，生态失衡，作物生产潜力下降，造成基金项目：公益性行业（农业）科研专项“北方一熟区耕地培肥与合理农作制”（201503120）作者简介：董云（1990─），女，在读硕士研究生，主要从事农作制研究通信联系人：张立峰（1961─），男，教授，博士生导师，主要研究方向农业生态学、作物生产工程.E-mail:zlf@hebau.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn农业经济发展缓慢。本文通过对坝上地区5种主栽作物水肥需求特性与生产效果比较，探索对坝上生产稳定、经济有效与生态平衡更为有利的作物种植结构，为北方农牧交错区加快构[6]建种养结合的耕地轮作休耕制度，促进生态环境改善和资源永续利用的生产技术模式创新提供理论与技术依据。451材料与方法1.1试验背景试验设在河北省张家口市河北农业大学张北实验站。试验区海拔1430m，年均温3.9℃，-1无霜期107d，年平均风速4.4m.s，大风日数48.5d；年降水382.9mm，蒸发量1693.0mm。[7]农田0-100cm土层田间持水量329.64mm。试验于2016年进行，全年降水量484.0mm。50试验地土壤理化性质见表1。表1试验地耕层（0-20cm）土壤理化性质Table1Topsoil(0-20cm)basicphysicalandchemicalproperties土壤类型土壤质有机质速效磷速效氮速效钾PH容重Soiltype地SoilorganicAvailablePAlkali-hydroAvailableKSoilbulkmatter-1nitrogen-1densitySoil（mg·kg）（mg·kg）-1-3texture（%）（mg·kg）（g·cm）草甸栗钙土loamy中壤3.079.8116.31147.71.22meadowchestnutsoil1.2田间试验设计试验选择3种区域传统喜凉类作物、1种喜凉耐霜型根茎作物和1种喜温作物。喜凉类55作物为蚕豆（ViciafabaL.）)-品种“崇礼蚕豆”、莜麦(AvenasativaL.)-品种“坝莜1号”和马铃薯(SolanumtuberosumL.)-品种“小白花”；喜凉耐霜型作物为甜菜(BetavulgarisLinn)-品种“KWH-6231”；喜温作物为饲用玉米(ZeamaysL.)-品种“巡青518”。以休闲田区作为各作物田区的对照；试验地前茬为蚕豆。5种作物的种植与收获期见表3。每田区面积为2165m，各田区施肥情况参照各作物的推荐施肥量。601.3测定项目及方法试验采用土钻取土-称重法测定各田区生长季（4月28日-10月9日）土壤重量含水率，测定土层深度为0-80cm，10cm为一层，取样周期为15d。-3土层贮水量（mm）=土壤含水率（%）×容重（g•cm）×土层深度（cm）×10农田耗水量（mm）=阶段农田土壤贮水量变化（mm）+同期降水量（mm）-2-2-265经济效益（元•hm）=产量（kg•hm）×单价（元•kg）-成本（元•hm）2收获期按小区实收作物产量，小区收获面积为40m。对收获作物生物量取样后粉碎，-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn利用流动分析仪测定氮、磷含量，利用火焰光度计测定钾含量。2结果与分析2.1土壤贮水量动态特征70由图1可知，土壤贮水量随农田耗水与大气降水而宽幅波动，各作物田区贮水量生长季终期均有升高，以马铃薯田升高最多，甜菜田最少，其他田区介于之间；休闲田区由于没有植物蒸腾，贮水量最高。马铃薯与蚕豆为早播作物，呈现先期耗水特征，并于7月12日土壤贮水量与莜麦、玉米田一起进入谷区，而同期晚栽作物甜菜田耗水量一直最少，这与其移栽晚且株体前期发育75较慢有关；7月下旬连续性降水使各作物田贮水量大幅增加；8月份玉米、莜麦与蚕豆田显著耗水，甜菜田耗水量仍较低，而马铃薯田由于收获而贮水量开始回升；9月份耐霜作物甜菜的持续生长明显消耗了土壤水分，生长季终期土壤贮水158.10mm，与生长季初期贮水152.69mm相比稍有增加。图1表明，休闲地各期土壤贮水量均明显高于作物田区，生长季终期较初期土壤贮水升80高87.8mm；马铃薯、玉米、蚕豆田土壤贮水量增加较多，分别为休闲地的54.19%、52.94%、37.91%，莜麦和甜菜田则较少，仅为休闲地的13.78%和6.15%。图1不同作物田区土壤贮水量动态（2016年）Fig.1Dynamicofsoilwaterstorageindifferentfarmlandin2016852.2农田耗水量和水分生产效果各田区生长季耗水量与生产效果分析于表2。甜菜田生长季耗水量最大，为411.59mm，莜麦田次之，为404.90mm；马铃薯田耗水量最低，为369.41mm；各作物田耗水量极差为42.18mm。甜菜、莜麦与其他三种作物相比，其生长发育消耗更多的土壤水分而可能影响后茬作物的生产。按生物产量计算，青饲玉米和甜菜水分利用效率最高（表2），分别为35.93-2-1-2-190和35.27kg•hm•mm，蚕豆最低，为10.51kg•hm•mm。-2表2表明，甜菜与马铃薯生产经济效益最高，分别为21251.16与19960.38元•hm，-2莜麦经济效益最低，仅有3106.40元•hm；相应单位耗水量产生的经济效益同样以马铃薯-2-1-2与甜菜最高，分别为54.03与51.63元•hm•mm；莜麦水分效益最低，仅7.67元•hm-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn-1•mm。成本效益亦然。95表2各作物田耗水量与水分生产效果Table2Waterconsumptionandproductioneffectofcrops项目马铃薯蚕豆玉米莜麦甜菜ItemPotatoFababeanMaizeOatBeet长季始期壤贮水量152.69152.69152.69152.69152.69Soilwaterstorageatthebeginningofthegrowingseason(mm)生长季终期土壤贮水量200.28185.96199.22164.79158.10Soilwaterstorageattheendofthegrowingseason(mm)土壤贮水消耗量-47.59-33.27-46.53-12.10-5.41Consumptionofsoilwaterstorage(mm)生长季降水量417.00417.00417.00417.00417.00Precipitationduringgrowingseason(mm)农田耗水量369.41383.73370.47404.90411.59Soilwaterconsumption(mm)生物产量5017.954034.7013311.4112406.2014520.45-2Biomassyield(kg·hm)水分利用效率13.5810.5135.9330.6435.27-2-1Wateruseefficiency(kg·hm·mm)经济产量4254.371775.8913311.412601.3010865.77-2Yield(kg·hm)成本4289.504070.007268.004697.505044.00-2Primecost(元·hm)单价5.706.601.003.002.42-1Price(元·kg）经济效益19960.387650.876043.413106.4021251.16-2economicbenefits(元·hm)水分效益54.0319.9416.317.6751.63-2-1Watereconomicbenefits(元·hm·mm)成本效益4.651.880.830.664.21-1Benefit-costratio(元·元)-1-1注：尿素单价为2元•kg，磷酸二铵单价为3元•kg；所有产量以干重计。2.3作物养分累积量与养分生产效果各田区作物养分累积量与生产效果如表3。分析表明，莜麦和饲料玉米氮素累积量最多，-2-2100分别为263.66和250.29kg•hm，马铃薯最少，只有102.74kg•hm；磷素累积量同样是-2莜麦和玉米最多，分别为34.17和34.39kg•hm，马铃薯与甜菜最少，只有13.57与15.59-2-2kg•hm；钾素累积量以蚕豆最少，为44.13kg•hm。表3表明，莜麦生产N、P产投比最高，分别达2.28与2.00，表现耗亏土壤肥力效应；而蚕豆的高产投比（2.59）则与其共生固氮有关。马铃薯的N产投比最低，为0.48；马铃薯105与甜菜的P产投比最低，分别只有0.23和0.2。从养分生产效率分析，甜菜的N、P、K干-1物质生产效率最高，分别达75.60、931.40和154.01kg•kg；以莜麦N素生产效率（47.05-1-1kg•kg）最低，蚕豆P素生产效率（128.90kg•kg）最低，马铃薯K素生产效率（67.44-1-1kg•kg）最低。蚕豆的N素干物质生产低效率（19.35kg•kg）同样与其共生固氮有关。表3各作物养分累积量与养分生产效果110Table3Cropnutrientaccumulationandproductioneffect马铃薯蚕豆玉米莜麦甜菜项目ItemPotatoFababeanMaizeOatBeet养分累积量N102.74208.51250.29263.66192.06-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn-2Nutrientaccumulation(kg•hm)P13.5731.3034.3934.1715.59K74.4144.13124.35139.8394.28施肥量N213.7780.49321.99115.59267.90-2Nutrientapplication(kg•hm)P56.9547.7547.7517.0871.40产投比N0.482.590.772.280.71Output-inputratioP0.230.650.722.000.21干物质生产效率N48.8419.3553.1847.0575.60-1Drymatterproductionefficiency(kg•kg)P369.78128.90387.07363.07931.40K67.4491.43107.0588.72154.013讨论面对坝上地区农田土壤干旱贫瘠、农业经济效益低下背景，低投高效型农作制度的创新成为区域农业可持续发展的重要课题。本研究表明，从对坝上农田水养资源利用的生产效益考虑，在5种作物中甜菜具有最高的水分与N、P、K干物质生产效率；从农田水养资源利115用的经济效益评价，甜菜与马铃薯具有单位面积最高的产值与成本效益率。监测表明，由于[8-9]甜菜的生育期很长，其高额的耗水量将成为接茬作物的生产障碍；而甜菜与马铃薯两个根茎型作物收获时的强烈土壤扰动与少有秸秆残留，会加重冬春季节的土壤风蚀与起沙扬尘[10]。因此甜菜与马铃薯生产，在坝上地区存在着明显的经济效益与生态效益的矛盾。创新经济与生态兼顾型技术，成为发挥甜菜与马铃薯适生作物生产优势的重要方向。120研究表明，玉米和莜麦在坝上地区具有较高的生物产量、水分利用效率和氮素累积能力[11-12][13-15]，然而其经济效益较差。利用其株体高蛋白特性，进一步开发通过畜牧业的高效转化途径，成为玉米、莜麦和蚕豆等作物价值增值的重要方面。4结论坝上地区5种主栽作物中，甜菜田生长季耗水量最大，为411.59mm，马铃薯田耗水量125最低，为369.41mm；玉米、莜麦与蚕豆介于之间。莜麦和玉米的N、P累积量最多，马铃薯最少；蚕豆表现明显的共生固氮优势。甜菜具有最高的水分与N、P、K干物质生产效率；甜菜与马铃薯具有单位面积最高的产值、耗水效益与成本效益；玉米和莜麦具有较高的生物产量、水分利用效率和氮素累积能力，然而其经济效益较差。在坝上地区，甜菜与马铃薯具有生产经济优势，玉米、莜麦和蚕豆需要高附加值途径的开发。130[参考文献](References)[1]张立峰,徐长金.北方高寒半干旱农牧交错带资源环境障碍与农牧生产力开发[J].资源科学,1999,05:64-67.[2]孙玉亭,杨志慧.黑龙江省作物合理布局的气候依据[J].地理科学,1982,2(2):41-48.[3]陈汉,李艳.优化作物布局,合理开发利用水资源[J].自然资源,1996(1):50-54.-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn135[4]王静,张晓煜,马国飞,等.1961-2010年宁夏灌区主要作物需水量时空分布特征[J].中国农学通报,2015,31(26):161-169.[5]刘玉华.冀西北寒旱区农田生产力合理开发对策[M].中国农业出版社,2012.[6]农业部,中央农办等.关于印发探索实行耕地轮作休耕制度试点方案的通知（2016-06-24）[2016-06-29]http://www.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/tz/201606/t20160629_5190955.htm140[7]王殿武,王立秋,牛瑞明.高寒半干旱区农牧增产技术[M].地震出版社,1998.[8]何俊仕,边晓东,付玉娟,等.西辽河平原主要作物耗水量及耗水规律研究[J].节水灌溉,2012(11):1-4.[9]周仁喜.论甜菜的需水规律和灌溉[J].甘肃农业大学学报,1983,(01):53-58.[10]刘红,王卫,郝彦莉,等.基于风蚀模型的河北省土壤风蚀风险评价[J].水土保持通报,2016(2016年02):12-17.145[11]牛瑞明,吕爱枝,郭宝艾,等.冀西北高原旱地追氮梯度对饲用青玉米产量及品质的影响[J].玉米科学,2005,37(2):116-119.[12]马雪琴,赵桂琴,龚建军.播期与氮肥对燕麦种子产量构成要素的影响[J].草业科学,2010,27(08):88-92.[13]吕国英,金俊浩,曹舜,等.蜡熟期玉米青贮的试验和推广[J].中国奶牛,1995(1):24-27.150[14]马雪琴,赵桂琴,龚建军.高寒牧区播期和氮肥对燕麦生长特性的影响[J].草业科学,2010,27(07):63-67.[15]BurgessPL,NicholsonJWG,GrantEA.Yieldandnutritivevalueofcorn,barley,wheat,andforageoatsassilageforlactatingdairycows[J].CanadianJournalofAnimalScience,1973,53(2):245-250.-6-'