【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 文獻綜述引言干旱作為一個世界性難題，嚴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)，是目前人類社會必須要面臨的一個嚴峻的問題。因此，發(fā)展科學灌溉技術(shù)，不斷提高灌區(qū)單產(chǎn)水平成為各國旱作農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的重點。%，%。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、美國、印度尼西亞、印度、哥倫比亞和剛果等9個國家擁有的淡水資源占世界淡水資源的60%，相對應(yīng)的是全球至少有80個國家屬于干旱半干旱國家，約40％的世界人口嚴重缺水，其中26個國家的3億人口完全生活在缺水狀態(tài)（石虹，2002）。我國水資源整體上短缺，屬于資源性缺水國家。，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，。，不足全國人均水資源的2/3，僅為世界人均水資源的1/6，其中嚴重缺水的石羊河流域人均水資源為全國人均水資源的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，預計到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)驗作物要求的灌水定額和灌溉定額進行的，即每次灌水都使作物根系土壤水分充足、灌足，符合“及時足量”的傳統(tǒng)要求，其主要目標是獲得作物的高產(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。近代水分生理學的研究認為，適當?shù)馗蓾窠惶鎸τ诖龠M群體的高產(chǎn)更為有效。非充分灌溉在國外也叫有限灌溉（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，達到既節(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水分虧缺的適應(yīng)機制和有限缺水效應(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具有自我保護作用，而在水分脅迫解除后，作物對以前在脅迫條件下生長發(fā)育所造成的損失具有“補償作用”。進一步的研究表明，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，通過由作物根部向莖葉的傳遞來調(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，以此來減小土壤含水量不足條件下葉面的過度蒸騰對作物的進一步傷害（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60年代中期，Jensen和Sletten發(fā)現(xiàn)僅當每次灌水前土壤相對有效含水率下降至25%時，水分虧缺才會對高梁產(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比試驗，采用“計算減產(chǎn)率”或“旱情相關(guān)指數(shù)”( Index of Drought Resistence) 表達缺水的平均減產(chǎn)情況，認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。隨后在綜合考慮時間上調(diào)虧、水量的優(yōu)化分配和作物根系的功能對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，簡稱CAI)的概念和方法(康紹忠，1997)。虧缺灌溉影響作物生長的重要理論之一，是認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作物某一階段進行虧水處理，控制作物生長促進后期籽粒形成，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)營養(yǎng)物質(zhì)分配模式的改變，同化物從營養(yǎng)器官向生殖器官分配增加。生長后期適度缺水，促進灌漿進程，灌漿速率加快，作物體內(nèi)物質(zhì)運輸不降低，經(jīng)濟產(chǎn)量增加（山侖，1980）。開花期受旱，限制“庫”的增大，而“源”受水分虧缺的影響較?。ㄐ焓啦?，1995）。對玉米花期受旱復水后的源庫關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，干旱使單位光合勢所對應(yīng)的穗粒數(shù)在輕、中、重三種水分虧缺下均減少，導致虧缺復水后源對庫的相對充足，使粒重相對增加，但由于庫對源的反饋調(diào)節(jié)，粒重增加幅度減小。水分虧缺發(fā)生在作物生長的不同時期時，對作物生長與產(chǎn)量的影響不同。小麥拔節(jié)期水分虧缺對葉片影響最大,抽穗期對莖干影響最大,成熟期對穗部影響最大。而單株綠色葉面積對穗干重的直接效應(yīng)最大,葉莖鞘干重合計對穗干重的直接效應(yīng)最大。Acevedo 等人發(fā)現(xiàn),玉米營養(yǎng)生長期輕度干旱不會造成最終葉面積的減少,只是使生長延遲。由于水分虧缺后恢復供水具有補償效應(yīng),短期的中度干旱后供水,可補償部分干旱造成的損失。但長時間中度脅迫或嚴重脅迫將造成代謝失調(diào)和生長下降（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，導致50%以上的產(chǎn)量損失。花期不遇與胚囊敗育導致穗粒數(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致穗粒數(shù)降低，授粉后的水分虧缺降低穗粒重，而對穗粒數(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期，而存在時間上的錯位。因而，作物某些生長階段的適度水分虧缺對促進作物群體高產(chǎn)具有積極作用，但也存在較大的風險性（Ouatter，1987）。葉水勢是反應(yīng)土壤水分虧缺程度的理想指標，主張以葉水勢來指示土壤水分虧缺。用葉水勢指導玉米制種田的灌溉，較以土壤水勢為灌溉指標提高了水分利用效率（康紹忠，1997）。通過多元分析，建立葉水勢與氣溫、蒸發(fā)勢、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，進行灌溉決策，可降低虧缺灌溉的風險性，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CERCES系統(tǒng)將土壤水運動規(guī)律和作物耗水規(guī)律結(jié)合起來，建立了土壤水分與灌溉管理子系統(tǒng)(曹永華，1991)。國內(nèi)也進行了SPAC水流動態(tài)模擬研究，建立了SPAC水流運動模擬模型，用于土壤和作物水分狀況的動態(tài)模擬(康紹忠，1992)，使土壤、作物、大氣水分關(guān)系的研究進入新的階段。根系吸水與土壤水分的關(guān)系是SPAC動態(tài)模擬研究的基礎(chǔ)(Kirkova，1994)。根系生長與吸水之間具有復雜的非線性關(guān)系，單位土體根系吸水速率(WU)與根長密度(RLD)的關(guān)系為：WU=RLDa，a∈[，]，表明根系愈龐大，吸水能力愈強，吸水量愈大。土壤水分虧缺時，作物吸水量與根系密度關(guān)系不大，而受根系長度的影響較大，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，短期干旱也會限制作物生長，降低作物產(chǎn)量。根系吸水除受根量、根長的影響外，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(張喜英，1995)。作物根系的大小、數(shù)量和分布可對土壤水分狀況和氮素營養(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，而對根長的影響不大。嚴重水分虧缺下，氮素營養(yǎng)對根系生長，尤其對根量有增效作用(粱銀麗，1995)。作物根系對土壤水分和氮素營養(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)。根系生長與吸水之間具有復雜的非線性關(guān)系，根系愈龐大，吸水能力愈強，吸水量愈大。土壤水分虧缺時，作物吸水量與根系密度關(guān)系不大，而受根系長度的影響較大，深根系較淺根系更利于抗御土壤干旱。作物根系對土壤水分和氮素營養(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)。在作物生長過程中，經(jīng)過短期的有限灌溉，然后進行充分灌溉后引起的生長反應(yīng)稱為補償生長（Wenkert，1978）。在玉米開花期進行干旱與復水處理，穗粗、穗長及干物質(zhì)含量均存在明顯的補償效應(yīng)，復水后對產(chǎn)量的補償生長表現(xiàn)為百粒重有所增加（關(guān)義新，1997）。石培澤等(1998)對在春小麥分蘗前期，進行適度的水分虧缺灌溉,有利于結(jié)實小穗數(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)出對水分虧缺的補償效應(yīng)，顯著增加了產(chǎn)量 （夏國軍，2001）。對小麥進行前期干旱處理，開花期復水處理，小麥莖稈伸長，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水，其生物量和產(chǎn)量均超過對照,補償效應(yīng)得以充分體現(xiàn)（陳曉遠，2001）。對于作物在特定時期進行適度的有限灌溉，并不一定會降低作物的產(chǎn)量，反而會提高其產(chǎn)量和水分利用效率，這是因為作物受旱復水后，其體內(nèi)生理代謝與功能超過一直充足供水，體內(nèi)存在對作物生長和產(chǎn)量的補償或超補償效應(yīng)。但由于作物在不同生育階段對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)的一個主要原因，而且不同虧缺強度和虧缺時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，氣孔導度下降，擴散阻力增加，導致光合作用下降。嚴重水分脅迫條件下，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葉片光合速率有促進作；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，干旱復水后光合作用反而增強。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，其變化較為復雜，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，氣孔對其張度的調(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最高（山侖，1991）。研究表明，在拔節(jié)期恢復充分供水,可使苗期不同程度干旱的玉米的株高和地上部干重恢復或接近一直充分供水的水平,復水后葉片水勢在短期內(nèi)可以接近對照水平,并在較長時間內(nèi)保持較低的滲透勢及較高的滲透調(diào)節(jié)能力，拔節(jié)期復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)量的理論和實踐的重點內(nèi)容（Fereres，1993）。水分不足時，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，此時增加灌水量導致水分利用率下降。由于不同生長階段作物對缺水