【正文】 anspiration rate of nitrogen in water (W2N2) treatment reached maximum stomatal conductance at high nitrogen (W3N2) treatment and reached a maximum value.5. At the same nitrogen application rate, corn for seed yield increased with increasing irrigation amount. However, under the same irrigation level, high yield water under high nitrogen treatment of corn seed production is lower than that of high yield under water nitrogen treatment of maize seed, that under certain conditions to reduce the moisture or reduction of nitrogen fertilizer is entirely possible to achieve the goal of high yield.Key words: Arid Irrigation Area。 Maize。 waterFertilizer coupling。 IrrigationIV第一章 文獻(xiàn)綜述引言干旱作為一個(gè)世界性難題，嚴(yán)重制約著干旱半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展。利用有限的水資源發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是目前人類社會(huì)必須要面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的問題。因此，發(fā)展科學(xué)灌溉技術(shù)，不斷提高灌區(qū)單產(chǎn)水平成為各國(guó)旱作農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。%，%。淡水資源不僅總量少，而且在地區(qū)間分布極不平衡。巴西、俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)、印度尼西亞、印度、哥倫比亞和剛果等9個(gè)國(guó)家擁有的淡水資源占世界淡水資源的60%，相對(duì)應(yīng)的是全球至少有80個(gè)國(guó)家屬于干旱半干旱國(guó)家，約40％的世界人口嚴(yán)重缺水，其中26個(gè)國(guó)家的3億人口完全生活在缺水狀態(tài)（石虹，2002）。我國(guó)水資源整體上短缺，屬于資源性缺水國(guó)家。，居世界第六位，人均水資源量約2200m3，僅為世界平均值的1/4，每公頃土地平均占有水資源19500m3，只有世界平均水平的一半（許迪，2002）。西北地區(qū)多年平均水資源量為1635億m3，%。2000年西北地區(qū)人均水資源占有量1781m3，%，成為嚴(yán)重的缺水地區(qū)。全區(qū)總用水量817億m3，%，耗水總量547億m3，%（劉賢趙，2005）。甘肅河西內(nèi)陸河灌區(qū)是西北干旱灌區(qū)的主要組成部分。其中，。，不足全國(guó)人均水資源的2/3，僅為世界人均水資源的1/6，其中嚴(yán)重缺水的石羊河流域人均水資源為全國(guó)人均水資源的1/3。河西地區(qū)每公頃土地平均占有水資源7785m3，為全國(guó)的1/世界的1/4，其中石羊河流域每公頃平均占有量為全國(guó)的1/5（李世明，2002）。2007年，河西地區(qū)農(nóng)業(yè)用水占總用水的90%，農(nóng)業(yè)耗水占總耗水的92%。以河西地區(qū)的張掖市為例，預(yù)計(jì)到2020年，%。 有限灌溉條件下作物水分關(guān)系有限灌溉即非充分灌溉或虧缺灌溉，通過對(duì)限水灌溉的有效性研究后發(fā)展形成了調(diào)虧灌溉理論和控制性交潛灌溉的概念和方法。充分灌溉是按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)作物要求的灌水定額和灌溉定額進(jìn)行的，即每次灌水都使作物根系土壤水分充足、灌足，符合“及時(shí)足量”的傳統(tǒng)要求，其主要目標(biāo)是獲得作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，并以控制土壤濕度為約束條件。以目前應(yīng)用最廣泛的彭曼公式而言，計(jì)算需水量就是在土壤水分充足條件下，討論各種大氣因素與需水量之間的關(guān)系，普遍沿用的灌溉制度及灌溉管理軟件等也是以充分灌溉為前提。在這種充分灌溉理論的支配下，增加了作物的蒸騰水量，造成了一些不必要的棵間蒸發(fā)、地表徑流和深層滲漏損失。近代水分生理學(xué)的研究認(rèn)為，適當(dāng)?shù)馗蓾窠惶鎸?duì)于促進(jìn)群體的高產(chǎn)更為有效。非充分灌溉在國(guó)外也叫有限灌溉（Limited Irrigation）或蒸發(fā)蒸騰量虧缺的灌溉（Evapotranspiration Deficit Irrigation，EDI），是作物實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量小于潛在蒸發(fā)蒸騰量的灌溉。非充分灌溉正是利用作物本身具有一定的生理節(jié)水與抗旱能力的特點(diǎn)，達(dá)到既節(jié)水，又高產(chǎn)高效，以有限水量的投入獲得最大效益的目的（楊靜，2008）。其理論基礎(chǔ)是作物自身具有一系列對(duì)水分虧缺的適應(yīng)機(jī)制和有限缺水效應(yīng)(The Benefits of Limited Water Deficits)，在適度的水分虧缺情況下并不一定會(huì)顯著降低產(chǎn)量，反而能使作物水分利用效率明顯提高。這種有限缺水效應(yīng)將引起同化物從營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官分配的增加，即作物在遭遇水分脅迫時(shí)具有自我保護(hù)作用，而在水分脅迫解除后，作物對(duì)以前在脅迫條件下生長(zhǎng)發(fā)育所造成的損失具有“補(bǔ)償作用”。進(jìn)一步的研究表明，作物體內(nèi)有一種內(nèi)源激素ABA (脫落酸)，它可以作為一種土壤干旱的傳遞信號(hào)，通過由作物根部向莖葉的傳遞來(lái)調(diào)節(jié)氣孔的開閉, 土壤越干旱，ABA 在作物體內(nèi)積聚的濃度越大，氣孔開度就越小，以此來(lái)減小土壤含水量不足條件下葉面的過度蒸騰對(duì)作物的進(jìn)一步傷害（趙永，2004），也就是說作物具有一種有效缺水效應(yīng)，即作物在適度水分虧缺的逆境下對(duì)有限缺水具有一定的適應(yīng)性和抵抗效應(yīng)（湯章成，1983）。 有限灌溉與作物生產(chǎn)和產(chǎn)量形成20世紀(jì)60年代中期，Jensen和Sletten發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)每次灌水前土壤相對(duì)有效含水率下降至25%時(shí)，水分虧缺才會(huì)對(duì)高梁產(chǎn)量產(chǎn)生影響，從而提出了限水灌溉的可行性。通過主要作物充分與非充分灌溉的對(duì)比試驗(yàn)，采用“計(jì)算減產(chǎn)率”或“旱情相關(guān)指數(shù)”( Index of Drought Resistence) 表達(dá)缺水的平均減產(chǎn)情況，認(rèn)為作物適度水分虧缺仍可獲得較高產(chǎn)量(Jensen，1976；Rao，1992)，依此發(fā)展成為調(diào)虧灌溉(Regulated Deficit Irrigation) 理論。隨后在綜合考慮時(shí)間上調(diào)虧、水量的優(yōu)化分配和作物根系的功能對(duì)提高水分利用率的作用的基礎(chǔ)上，提出控制性交替灌溉(Controlled Alternative Irrigation，簡(jiǎn)稱CAI)的概念和方法(康紹忠，1997)。虧缺灌溉影響作物生長(zhǎng)的重要理論之一，是認(rèn)為作物具有一種有效缺水效應(yīng)。適度水分虧缺不一定使產(chǎn)量顯著降低，反而使作物水分利用效率顯著提高( al，1994)。根據(jù)作物生理功能人為對(duì)作物某一階段進(jìn)行虧水處理，控制作物生長(zhǎng)促進(jìn)后期籽粒形成，從而提高水分利用率。禾谷類作物早期適度缺水有利于增產(chǎn)，其主要模式是引起作物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分配模式的改變，同化物從營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官分配增加。生長(zhǎng)后期適度缺水，促進(jìn)灌漿進(jìn)程，灌漿速率加快，作物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸不降低，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量增加（山侖，1980）。開花期受旱，限制“庫(kù)”的增大，而“源”受水分虧缺的影響較?。ㄐ焓啦?，1995）。對(duì)玉米花期受旱復(fù)水后的源庫(kù)關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，干旱使單位光合勢(shì)所對(duì)應(yīng)的穗粒數(shù)在輕、中、重三種水分虧缺下均減少，導(dǎo)致虧缺復(fù)水后源對(duì)庫(kù)的相對(duì)充足，使粒重相對(duì)增加，但由于庫(kù)對(duì)源的反饋調(diào)節(jié)，粒重增加幅度減小。水分虧缺發(fā)生在作物生長(zhǎng)的不同時(shí)期時(shí)，對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的影響不同。小麥拔節(jié)期水分虧缺對(duì)葉片影響最大,抽穗期對(duì)莖干影響最大,成熟期對(duì)穗部影響最大。而單株綠色葉面積對(duì)穗干重的直接效應(yīng)最大,葉莖鞘干重合計(jì)對(duì)穗干重的直接效應(yīng)最大。Acevedo 等人發(fā)現(xiàn),玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期輕度干旱不會(huì)造成最終葉面積的減少,只是使生長(zhǎng)延遲。由于水分虧缺后恢復(fù)供水具有補(bǔ)償效應(yīng),短期的中度干旱后供水,可補(bǔ)償部分干旱造成的損失。但長(zhǎng)時(shí)間中度脅迫或嚴(yán)重脅迫將造成代謝失調(diào)和生長(zhǎng)下降（康定明，1996）。 玉米產(chǎn)量形成的水分臨界期是在吐絲前后，此期水分脅迫影響抽穗，導(dǎo)致50%以上的產(chǎn)量損失?；ㄆ诓挥雠c胚囊敗育導(dǎo)致穗粒數(shù)劇減是此期干旱減產(chǎn)的主要原因。吐絲和灌漿初期水分虧缺導(dǎo)致穗粒數(shù)降低，授粉后的水分虧缺降低穗粒重，而對(duì)穗粒數(shù)影響不大（梁宗鎖，1995）。從虧缺程度而言，輕度和中度干旱下只有粒重受到影響，而嚴(yán)重干旱下粒重和粒數(shù)均受到影響。而且作物水分虧缺臨界期與最佳供水期并非同一時(shí)期，而存在時(shí)間上的錯(cuò)位。因而，作物某些生長(zhǎng)階段的適度水分虧缺對(duì)促進(jìn)作物群體高產(chǎn)具有積極作用，但也存在較大的風(fēng)險(xiǎn)性（Ouatter，1987）。葉水勢(shì)是反應(yīng)土壤水分虧缺程度的理想指標(biāo)，主張以葉水勢(shì)來(lái)指示土壤水分虧缺。用葉水勢(shì)指導(dǎo)玉米制種田的灌溉，較以土壤水勢(shì)為灌溉指標(biāo)提高了水分利用效率（康紹忠，1997）。通過多元分析，建立葉水勢(shì)與氣溫、蒸發(fā)勢(shì)、土壤可利用水等因子之間的函數(shù)關(guān)系，以此指示土壤水分虧缺，進(jìn)行灌溉決策，可降低虧缺灌溉的風(fēng)險(xiǎn)性，并可取得明顯效益。 有限灌溉與作物吸水、光合和蒸騰自Philip(1966)提出較完整的土壤植物大氣連續(xù)體(SPAC)概念后，作物水分關(guān)系的研究開始建立在了一定的生理和物理基礎(chǔ)上。美國(guó)CERCES系統(tǒng)將土壤水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和作物耗水規(guī)律結(jié)合起來(lái)，建立了土壤水分與灌溉管理子系統(tǒng)(曹永華，1991)。國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了SPAC水流動(dòng)態(tài)模擬研究，建立了SPAC水流運(yùn)動(dòng)模擬模型，用于土壤和作物水分狀況的動(dòng)態(tài)模擬(康紹忠，1992)，使土壤、作物、大氣水分關(guān)系的研究進(jìn)入新的階段。根系吸水與土壤水分的關(guān)系是SPAC動(dòng)態(tài)模擬研究的基礎(chǔ)(Kirkova，1994)。根系生長(zhǎng)與吸水之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，單位土體根系吸水速率(WU)與根長(zhǎng)密度(RLD)的關(guān)系為：WU=RLDa，a∈[，]，表明根系愈龐大，吸水能力愈強(qiáng)，吸水量愈大。土壤水分虧缺時(shí)，作物吸水量與根系密度關(guān)系不大，而受根系長(zhǎng)度的影響較大，深根系較淺根系更利于抗御土壤干旱(Ehlers，1991)。淺根系即使是土壤水分不虧缺，短期干旱也會(huì)限制作物生長(zhǎng)，降低作物產(chǎn)量。根系吸水除受根量、根長(zhǎng)的影響外，還與根本身吸水活力有關(guān)?？偢恐谢钚愿鶖?shù)量多，吸水能力強(qiáng)(張喜英，1995)。作物根系的大小、數(shù)量和分布可對(duì)土壤水分狀況和氮素營(yíng)養(yǎng)的變化做出適應(yīng)性反應(yīng)(Carefoot，1994；馮廣龍，1996)。灌水愈早，根系愈大，充分供水下作物根量大于有限供水，但扎根深度淺于有限灌溉。隨著土壤水分虧缺量的增加，降低氮肥施用量有利于根干重的提高，而對(duì)根長(zhǎng)的影響不大。嚴(yán)重水分虧缺下，氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)根系生長(zhǎng)，尤其對(duì)根量有增效作用(粱銀麗，1995)。作物根系對(duì)土壤水分和氮素營(yíng)養(yǎng)的適應(yīng)性變化是水分虧缺條件下作物抗旱高產(chǎn)的基礎(chǔ)。根系生長(zhǎng)與吸水之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，根系愈龐大，吸水能力愈強(qiáng)，吸水量愈大。土壤水分虧缺時(shí)，作物吸水量與根系密度關(guān)系不大，而受根系長(zhǎng)度的影響較大，深根系較淺根系更利于抗御土壤干旱。作物根系對(duì)土壤水分和氮素營(yíng)養(yǎng)的適應(yīng)性變化是水分虧缺條件下作物抗旱高產(chǎn)的基礎(chǔ)。在作物生長(zhǎng)過程中，經(jīng)過短期的有限灌溉，然后進(jìn)行充分灌溉后引起的生長(zhǎng)反應(yīng)稱為補(bǔ)償生長(zhǎng)（Wenkert，1978）。在玉米開花期進(jìn)行干旱與復(fù)水處理，穗粗、穗長(zhǎng)及干物質(zhì)含量均存在明顯的補(bǔ)償效應(yīng)，復(fù)水后對(duì)產(chǎn)量的補(bǔ)償生長(zhǎng)表現(xiàn)為百粒重有所增加（關(guān)義新，1997）。石培澤等(1998)對(duì)在春小麥分蘗前期，進(jìn)行適度的水分虧缺灌溉,有利于結(jié)實(shí)小穗數(shù)、穗粒數(shù)的增加，在拔節(jié)前期適度水分虧缺可提高結(jié)實(shí)小穗數(shù)和千粒重，與充分灌溉相比較，作物顯著增產(chǎn)5%12%（石培澤，1998）。研究表明,在冬小麥拔節(jié)期限量灌水，明顯表現(xiàn)出對(duì)水分虧缺的補(bǔ)償效應(yīng)，顯著增加了產(chǎn)量 （夏國(guó)軍，2001）。對(duì)小麥進(jìn)行前期干旱處理，開花期復(fù)水處理，小麥莖稈伸長(zhǎng)，單株葉面和單葉增大，干物質(zhì)積累量增加，中度水分虧缺后充分復(fù)水，其生物量和產(chǎn)量均超過對(duì)照,補(bǔ)償效應(yīng)得以充分體現(xiàn)（陳曉遠(yuǎn)，2001）。對(duì)于作物在特定時(shí)期進(jìn)行適度的有限灌溉，并不一定會(huì)降低作物的產(chǎn)量，反而會(huì)提高其產(chǎn)量和水分利用效率，這是因?yàn)樽魑锸芎祻?fù)水后，其體內(nèi)生理代謝與功能超過一直充足供水，體內(nèi)存在對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的補(bǔ)償或超補(bǔ)償效應(yīng)。但由于作物在不同生育階段對(duì)干旱影響的后效性不同,也存在一些相反的結(jié)果（Yang，2001）。虧缺灌溉引起的作物光合作用減弱是干旱條件下作物減產(chǎn)的一個(gè)主要原因，而且不同虧缺強(qiáng)度和虧缺時(shí)間引起光合作用下降的主要原因不同。輕度水分虧缺條件下，光合作用下降的主要原因是氣孔性限制。氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度下降，擴(kuò)散阻力增加，導(dǎo)致光合作用下降。嚴(yán)重水分脅迫條件下，光合作用下降的主要因是非氣孔性限制引起的。葉綠體結(jié)構(gòu)和功能的損傷以及由此引起的一系列生理生化變化均引起中度以上水分虧缺條件下作物光合作用的下降（史吉平，1995）。不同的研究結(jié)果認(rèn)為，植物在輕度水分虧缺下，光合作用沒有下降甚至高于供水充足條件。相關(guān)研究結(jié)果表明：在小麥灌漿期輕度干旱對(duì)葉片光合速率有促進(jìn)作；中度以下干旱有促使穗光合作用提高的作用（山侖，1980）。許多研究證明有限灌溉下，作物整體光合作用并未降低，干旱復(fù)水后光合作用反而增強(qiáng)。增加灌水量,光合速率并未增加（居輝，2000；康紹忠，2002）。作物蒸騰速率受多種因素制約。在水分為限制因素時(shí)，其變化較為復(fù)雜，一般隨供水量減少，蒸騰速率下降。但根據(jù)氣孔的最優(yōu)化調(diào)控理論，作物可蒸騰水量一定時(shí)，氣孔對(duì)其張度的調(diào)節(jié)，使作物葉片光合作用保持在一定的水平，光合與蒸騰的比值達(dá)最高（山侖，1991）。研究表明，在拔節(jié)期恢復(fù)充分供水,可使苗期不同程度干旱的玉米的株高和地上部干重恢復(fù)或接近一直充分供水的水平,復(fù)水后葉片水勢(shì)在短期內(nèi)可以接近對(duì)照水平,并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較低的滲透勢(shì)及較高的滲透調(diào)節(jié)能力，拔節(jié)期復(fù)水可降低葉片氣孔阻力和蒸騰速率，提高葉片水分利用效率,表現(xiàn)出一定的補(bǔ)償效應(yīng)（蘇佩，1995）。 有限灌溉與作物蒸散量、產(chǎn)量和水分利用率缺水地區(qū)建立合理的蒸散量與產(chǎn)量的關(guān)系，是指導(dǎo)有限灌溉的理論依據(jù)之一（陳亞新，1995）。如何提高水分利用率，建立合理的蒸散量與產(chǎn)量關(guān)系，是缺水地區(qū)利用有限水分提高作物產(chǎn)量的理論和實(shí)踐的重點(diǎn)內(nèi)容（Fereres，1993）。水分不足時(shí)，作物蒸散量與產(chǎn)量之間呈顯著的直線關(guān)系，產(chǎn)量隨蒸散量的增加而增加。蒸散量超過一定值后，與產(chǎn)量的關(guān)系由線性轉(zhuǎn)向拋物線，此時(shí)增加灌水量導(dǎo)致水分利用率下降。由于不同生長(zhǎng)階段作物對(duì)缺水