低壓輸水玉米不同灌溉方式耗水規(guī)律及水效益分析

徐寶山，金建新，閆曉婷

(1.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002)

水資源短缺已經(jīng)成為制約干旱荒漠綠洲地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]，開展農(nóng)田水分運動和作物耗水規(guī)律研究是干旱地區(qū)制定農(nóng)作物節(jié)水灌溉制度的必經(jīng)之路，通過對農(nóng)田水量平衡的計算，準(zhǔn)確分析合理的灌溉制度和灌溉效益已經(jīng)成為發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的趨勢[2]。國內(nèi)外大量學(xué)者已對玉米耗水規(guī)律和不同栽培模式進行了研究，并且有較多的報道。孫占祥[3]和徐寶山[4]等通過分析農(nóng)田土壤水分變化規(guī)律和水量平衡原理對遼寧玉米耗水規(guī)律進行了田間試驗研究，結(jié)果表明在0～20cm的土層中水分變化最為劇烈，并且玉米根系吸收層主要集中在80cm以上的土層中，在種植81d之后玉米作物系數(shù)值達到最大。趙化春[5]等人對玉米適宜的種植密度進行試驗研究，得到了適應(yīng)區(qū)域發(fā)展的合理栽培模式。孫旭[6]在分析額濟納荒漠綠洲缺水特點的基礎(chǔ)上，以棉花為研究對象，通過與大水漫灌進行對比分析，在水分利用、土地利用及管理方面對節(jié)水灌溉方式進行效益評價。丁林[7]等人對河西調(diào)虧灌溉、免儲水灌溉、壟作溝灌等不同的灌溉方式下玉米的耗水規(guī)律和生長狀況進行試驗研究，得出節(jié)水灌溉方式在節(jié)水增產(chǎn)效果上優(yōu)于常規(guī)灌溉。本文通過地埋式滴灌、覆膜滴灌、覆膜溝灌和大田畦灌條件下玉米耗水規(guī)律和水效益進行對比試驗研究，對不同灌溉方式條件下玉米各生育期階段的耗水量進行定量分析，旨在研究解決節(jié)水灌溉在產(chǎn)量降低的情況下，玉米在生長過程中的水分消耗情況，以及分析水經(jīng)濟效益和水生產(chǎn)效益的增長幅度，為干旱地區(qū)玉米合理高效灌溉方式及灌溉制度的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2014年4-10月在疏勒河流域昌馬灌區(qū)高效節(jié)水示范園區(qū)進行，該區(qū)域氣候為典型的內(nèi)陸型季風(fēng)氣候，年均氣溫7.1 ℃，多年平均降雨量479.3mm，蒸發(fā)量大，干旱指數(shù)達到20以上，屬于干旱地區(qū)，日照時數(shù)在3 000h以上，地下水埋深16～25m，全年無霜期210d，灌區(qū)土壤以透水性中等的黏壤土和沙壤土為主，播種前平均土壤容重為1.46g/cm3，田間持水率25.7%[8]。試驗區(qū)主要土壤性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗區(qū)土壤物理參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計

試驗針對玉米采用不同的灌水方法，包括高效節(jié)水灌溉方法和常規(guī)地面灌溉，高效節(jié)水灌溉主管采用壓力不超過0.4MPa的低壓供水方式，主要設(shè)置地埋式滴灌(W1)、膜下滴灌(W2)、覆膜溝灌(W3)和大田畦灌(W4)4個灌水處理，其灌溉定額分別為3 000、3 000、3 600、4 500m3/hm2，W1和W2灌水次數(shù)分別為12次和10次，W3和W4灌水次數(shù)均為6次，玉米采用河西普遍種植的隴玉1號春玉米，株距30cm，行距45cm，采用水表嚴(yán)格控制水量。在試驗地安裝土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)，并在水分活動區(qū)土壤表層( 0～5cm) 、根系層( 0～30cm) 和深層區(qū)(30～100cm)不同深度埋設(shè)水分傳感器。同時在各處理沿著玉米行間縱向布置兩根TDR管，每個處理在玉米行間隨機布置一個蒸滲桶，材料為鋅鐵皮制成，高40cm，直徑30cm，底部打孔，以便保持與大田透水邊界條件相似，每個試驗處理設(shè)置3個重復(fù)。采用兩種監(jiān)測手段開展對土壤水分動態(tài)變化和田間水分運移過程進行分析并用烘干法校對。

1.3 試驗方法

玉米于4月底種植，9月20日左右根據(jù)具體生長狀況進行收割，土壤水分采用土壤墑情和TDR土壤水分速測儀測定，并用傳統(tǒng)的烘干法進行校核。利用土鉆沿著地表向下每隔10cm取一次土并算出一個含水率值，總深度100cm，總計10層，在玉米總生育期內(nèi)每10d測定一次土壤含水率，灌水前后和降雨后加測。在每個處理中選擇有代表性的3棵玉米在每個生育期測定其生長指標(biāo)，包括株高、莖粗和葉面積等。氣象數(shù)據(jù)利用試驗區(qū)的TRM-ZS2自動氣象站記錄，每隔30min自動記錄一次環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、太陽輻射、降雨等數(shù)據(jù)。玉米成熟后按照試驗小區(qū)單打單收，每個處理選擇3棵植株進行測定，鮮重利用電子天平稱量，然后置于105 ℃的烘箱中烘干8～12h，測定干物質(zhì)產(chǎn)量，將3個重復(fù)的籽粒產(chǎn)量分別進行考種，計算小區(qū)單產(chǎn)量及公頃產(chǎn)量。田間棵間蒸發(fā)利用蒸滲桶進行測量，在田間取原狀土置于桶內(nèi)，每天18∶00測一次桶重，并在灌水和發(fā)生有效降雨后將桶內(nèi)的土用試驗小區(qū)內(nèi)的原狀土進行置換。試驗區(qū)內(nèi)4-9月的溫濕度變化如圖1所示。

圖1 試驗區(qū)內(nèi)4-9月溫濕度變化圖

2 結(jié)論與分析

2.1 耗水規(guī)律分析

玉米在整個生育期內(nèi)的水分消耗主要包括植株蒸騰、棵間土壤蒸發(fā)、植株體內(nèi)儲存、農(nóng)田生態(tài)需水量以及土壤深層滲漏等量，對于玉米在生育期內(nèi)的耗水規(guī)律，可以通過土壤水庫水量平衡計算求得，計算公式如式(1)所示。

Δθ=P+I+D-ET0-R-U-B

(1)

式中：Δθ為土壤水庫儲水量變化值，mm；P為生育期內(nèi)有效降雨量，mm；I為灌水量，mm；D為地下水蒸發(fā)補給根系吸水層水量，mm；ET0為作物生育期騰發(fā)量，mm；R為降雨或灌溉產(chǎn)生的地表徑流量，mm；U為深層滲漏量，mm；B為儲存于作物體內(nèi)的水量，mm。

2.1.1 土壤水分變化過程

疏勒河流域?qū)儆趦?nèi)陸干旱荒漠區(qū)，土壤水分補充絕大部分來自灌溉，主要消耗于騰發(fā)過程，利用土壤墑情和TDR土壤水分速測儀按照時域反射原理對試驗區(qū)作物根系活動層土壤含水率進行定時觀測，得到的土壤水分動態(tài)曲線如圖2所示。

圖2 試驗區(qū)內(nèi)土壤水分變化圖

由圖2可以看出，灌水后土壤含水率增大具有較強的規(guī)律性，但是不同的處理灌水后土壤含水率的上限，以及經(jīng)過作物消耗和蒸發(fā)之后土壤含水率下限表現(xiàn)出明顯的差異，W1處理土壤含水率上限基本保持在田間持水量的70%～75%，W2、W3、W4分別為65%～70%、75%～80%、85%～95%。灌水前土壤含水率基本是W4最低，其次是W2，然后是W3和W1，這可能是由于在全生育期內(nèi)大田畦灌無覆膜，地表處于無保護狀態(tài)，土壤蒸發(fā)量比較大，地埋式滴灌基本能杜絕深層滲漏和土壤無效蒸發(fā)的原因。并且同一個處理在生長前期較低，生長后期較高，這可能與作物生長規(guī)律和土地裸露面積大小有關(guān)，特別在苗期，裸露地面的無效蒸發(fā)直接影響了土壤水分的消耗，在拔節(jié)期和抽雄期，玉米營養(yǎng)生長處于旺盛時期，耗水量較大，因此在灌水前其土壤含水率均小于后期，例如，處理W4在抽雄期前最低土壤含水率為7%～8%，幾乎達到了土壤凋萎含水率，而在抽雄期后為11%～12%。

2.1.2 不同處理玉米耗水規(guī)律

通過土壤含水率的實測值以及式(1)計算不同處理玉米各生育期階段耗水量和耗水模數(shù)，由于隨著灌水量的差異作物長勢從拔節(jié)期甚至苗期開始出現(xiàn)差異，因此其耗水規(guī)律也表現(xiàn)出不同的特點，如表3所示。

由表3可以看出，不同處理全生育期總耗水量差異顯著，依次為W4>W3>W2>W1，W1耗水量最小為356.23mm，W4耗水量最大為573.21mm，W4比W1大37.9%，這是因為地埋式滴灌將滴灌管埋設(shè)在玉米根部，直接將灌溉水輸送至根系，大大減小了土壤無效蒸發(fā)和深層滲漏，節(jié)約了水資源，因此耗水量最小，傳統(tǒng)的大田畦灌不僅管理粗放，而且定額較大，總體呈現(xiàn)出灌溉定額越大，玉米全生育期的耗水量也越大。玉米在生長過程中拔節(jié)期耗水量最大，其耗水模數(shù)W1、W2、W3、W4分別為28.74、30.06、28.74、27.34，就W1而言，拔節(jié)期耗水量比苗期、抽雄期和灌漿期分別大51.7%、7.6%和14.2%。不同處理在同一生育期內(nèi)呈現(xiàn)的規(guī)律基本和總耗水量相同，即為W4>W3>W2>W1，在抽雄期，W4階段耗水量為143.84mm，比處理W1、W2、W3分別大34.2%、29.3%、14.7%。

表3 不同處理玉米各生育期階段耗水量及耗水模數(shù)

圖3 不同處理日耗水量階段變化圖

日耗水強度是一個描述玉米日耗水動態(tài)的指標(biāo)，其與玉米品種、耕作方式、灌水定額、氣候特征等因素密切相關(guān)，也直接影響到玉米生長狀況、干物質(zhì)及產(chǎn)量的積累和形成，由圖3可以看出，不同處理隨著生育期的推進其日耗水量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最大日耗水量出現(xiàn)在拔節(jié)期，W1、W2、W3、W4分別為8.43、10.47、13.51和16.02mm/d。但是不同處理差值較大，在苗期W4平均日耗水強度為2.01mm/d，而W1、W2、W3分別為0.97、1.34和1.57，W4處理比其分別大51.7%、33.3%和21.8%。 總體趨勢為灌水量越大，其各階段耗水量也越大，這可能與灌溉促進玉米營養(yǎng)生長有關(guān)。

2.2 耗水指數(shù)和產(chǎn)量

通過不同的灌溉方式試驗對春玉米耗水指數(shù)和產(chǎn)量進行分析比較，如表4所示，結(jié)果表明W1和W2處理產(chǎn)量和耗水指數(shù)差別不大，W1略高于W2，而W1、W2與W3和W4差異較為顯著，特別是W4，其產(chǎn)量達到了16 500kg/hm2，比W1、W2和W3分別高24.7%、27.3%和13.6%。單方水產(chǎn)值卻表現(xiàn)出W1>W2>W3>W4的規(guī)律，W1、W2、W3和W4的耗水指數(shù)分別為4.14、4.00、3.86和3.67kg/kg，這反映了地埋式滴灌和膜下滴灌在提高水資源利用率方面具有明顯的優(yōu)勢，W1比W4大11.4%，因此大面積推廣高效節(jié)水灌溉勢在必行，而W1比W2大3.4%，說明在干旱地區(qū)借助地埋式滲灌，采用少量多次的灌水方式更有利于提高水分利用效率。

表4 不同處理玉米耗水指數(shù)及產(chǎn)量

2.3 水生產(chǎn)效益和水經(jīng)濟效益

玉米種植效益直接取決于投入成本和產(chǎn)出效益的相互關(guān)系，對不同灌溉處理的玉米其水生產(chǎn)效益和水經(jīng)濟效益呈現(xiàn)出較為明顯的差距。W4最終干物質(zhì)產(chǎn)量最大，為1 220g，比W1、W2、W3分別大13.9%、19.6%、4.9%，說明增加灌溉定額能顯著增加玉米的營養(yǎng)生長和干物質(zhì)的積累。但其水生產(chǎn)效益和水經(jīng)濟效益卻表現(xiàn)出相反的趨勢，依次為W1>W2>W3>W4，W1水生產(chǎn)效益4.14kg/m3，分別比W2、W3 、W4大3.38%、6.76%、11.35%，原因可能是隨著水量的增加，產(chǎn)量出現(xiàn)了報酬遞減的階段，水經(jīng)濟效益也具有類似的規(guī)律?？梢?，采用大定額灌水更加有利于玉米干物質(zhì)的積累和籽粒產(chǎn)量的增加，但是并不利于提高水生產(chǎn)效益和水經(jīng)濟效益，因此，在干旱地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)應(yīng)從基于非充分灌溉的高效節(jié)水灌溉著手，以便擴大總灌溉面積。

表5 不同處理玉米水生產(chǎn)效益

3 結(jié) 語

從疏勒河流域的自然氣候特征來看，發(fā)展高效可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵在于發(fā)展節(jié)水生態(tài)農(nóng)業(yè)，由于天然降雨遠遠不能滿足農(nóng)作物生長發(fā)育和維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所消耗的水分，因此用少量的灌溉水量取得最大灌溉效益已經(jīng)成為防止綠洲退化、雪山線上移等問題的必由之路，通過不同灌水方式下玉米耗水規(guī)律和水效益的對比分析，主要取得了以下結(jié)論。

(1)玉米在拔節(jié)期和抽雄期屬于需水關(guān)鍵期，其在總生育期耗水量所占的比例超過了50%，不同的處理略有不同，W1、W2、W3 、W4分別為55.3%、57.26%、53.68%和52.43%，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中，一定要保證拔節(jié)期和抽雄期的土壤水分供應(yīng)。

(2)不同的灌水方式條件下玉米同一時期的耗水呈現(xiàn)出較為顯著的差異，比如抽雄期，W4階段耗水量為143.84mm，比處理W1、W2、W3分別大34.2%、29.3%、14.7%。表現(xiàn)為灌溉定額越大，其耗水量也越大的規(guī)律。相比W1和W2，總灌溉定額相同，W1處理為地埋式滴灌，其較W2具有更高的水分利用效率。

(3)雖然大定額的灌水能提高玉米產(chǎn)量和干物質(zhì)的積累量，但是隨著灌水量的增加，耗水指數(shù)、水經(jīng)濟效益及水生產(chǎn)效益均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，比如水生產(chǎn)效益，W1水生產(chǎn)效益4.14kg/m3，分別比W2、W3 、W4大3.38%、6.76%、11.35%。通過W1和W2的耗水指數(shù)分別為4.14、4.00kg/kg，可以得到在干旱地區(qū)采用少量多次的灌水方式更有利于灌溉水資源的高效利用。

(4)本結(jié)論以2014年的試驗結(jié)果為依據(jù)，對不同灌溉方式條件下的玉米耗水規(guī)律和水效益進行計算分析，對河西內(nèi)陸干旱地區(qū)玉米水效益達到最大的灌水方式進行了試驗研究，對指導(dǎo)該地區(qū)玉米種植具有一定的指導(dǎo)意義，但是本結(jié)論的試驗數(shù)據(jù)僅為一年的試驗結(jié)果，沒有考慮氣候年際變化所帶來的誤差，也缺乏不同水文年份之間的橫向比較，也沒根據(jù)多年長系列氣象、水文、玉米等實測參數(shù)條件下的耦合效應(yīng)分析，這對本文所得到的結(jié)論在大田多年間的推廣應(yīng)用造成一定的制約，因此，對本文的結(jié)論需要根據(jù)不同頻率水文年份的試驗數(shù)據(jù)進行及時補充和完善。

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