遼寧南部地區(qū)玉米微噴控水灌溉試驗(yàn)研究

陳 偉 ，吳 奇 ，遲道才 ，杜大鵬 ，趙 勇

（1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽110003；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽110161；3.蓋州市灌溉試驗(yàn)站，遼寧 蓋州115200）

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，種植面積達(dá)3.676×107hm2。東北四省區(qū)是我國(guó)玉米最主要的產(chǎn)區(qū)，種植面積和總產(chǎn)量約占全國(guó)30%，對(duì)保障我國(guó)糧食安全起著重要的作用[1-2]。遼寧玉米種植面積達(dá)2.259×106hm2，年產(chǎn)量達(dá)1.4656×107t[3]，約占遼寧省糧食總產(chǎn)量的70%，確保玉米產(chǎn)量穩(wěn)定增長(zhǎng)尤為重要。

遼寧南部地區(qū)多年平均降雨量600mm，主要集中在7月和8月，在時(shí)間上分配極不均衡，導(dǎo)致當(dāng)?shù)卮汉殿l發(fā)，節(jié)水灌溉需求高。當(dāng)?shù)卦脒^滴灌和大型噴灌機(jī)等設(shè)備，但是滴灌雖然省水，其田間滴灌帶重復(fù)利用反而困難，且安裝的設(shè)備在進(jìn)入雨季后基本閑置，利用率較低；大型噴灌機(jī)一次性投入太高，不適合當(dāng)?shù)亍耙患乙粦簟钡姆稚⒔?jīng)營(yíng)模式，且維修養(yǎng)護(hù)要求高。因此，根據(jù)當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，最需要的是投資小、易收放、能應(yīng)急抗春旱的節(jié)水設(shè)備及灌溉方式。

隨著遼寧省“千萬畝滴灌”“節(jié)水增糧”及“高效節(jié)水灌溉”等項(xiàng)目的實(shí)施，國(guó)家在當(dāng)?shù)匦藿斯喔戎鞴苈芬员Ｕ瞎喔裙┧?，但需要推廣適合當(dāng)?shù)氐奶镩g節(jié)水灌溉設(shè)備。微噴帶灌溉是在噴灌和滴灌的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型灌溉方式，它利用微噴帶將水均勻地噴灑在田間，灌溉流量大，灌水周期短、灌溉均勻、抗堵塞、投資少等[4]優(yōu)點(diǎn)，所用設(shè)施操作簡(jiǎn)單，易于收放，適合補(bǔ)充灌溉的地區(qū)，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯[5-6]，為農(nóng)戶普遍接受。相對(duì)于傳統(tǒng)漫灌處理，微噴節(jié)水灌溉技術(shù)不僅能夠增加土壤表層銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量和玉米灌漿期的干物質(zhì)積累量，還能夠提高水分利用效率和兼容多類玉米品種[7-11]。此外，微噴灌技術(shù)還能有效地調(diào)控干物質(zhì)分配狀況，研究由此而改變的耗水規(guī)律具有一定的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。本研究針對(duì)微噴灌溉開展試驗(yàn)研究，通過比較不同微噴控制灌溉下土壤墑情、作物長(zhǎng)勢(shì)、耗水規(guī)律、產(chǎn)量和水分利用效率及經(jīng)濟(jì)效益等差異，為微噴灌溉在遼寧南部地區(qū)的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于蓋州市徐屯鎮(zhèn)徐屯村試驗(yàn)站（東經(jīng) 122°22′53″，北緯 40°20′58″，海拔 24.5m）,屬于半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年無霜期180d。2017年4月25日播種，9月25日收割，全生育期154d。生育期內(nèi)蒸發(fā)量為1279.6mm，積溫為3579.9℃，日照時(shí)數(shù)為1178.4h，降水量為513.5mm，多集中在7月和8月，比上年同期降水量減少35.7mm，特別是苗期和拔節(jié)期降雨量?jī)H26.6mm，受旱嚴(yán)重，結(jié)果見表1。土壤質(zhì)地為中壤土，土壤容重為1.54g·cm-3，土壤 pH 值 5.9，有機(jī)質(zhì) 21.9g·kg-1、全氮 0.89g·kg-1、有效磷 29.4mg·kg-1、有效鉀 103.2mg·kg-1，肥力中等，抗旱能力較強(qiáng)，田間持水率25%，地下水埋深為18.5m，不考慮地下水補(bǔ)給作用。

表1 各生育階段劃分及降雨量Table 1 The division of growth stage and rainfall

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置2個(gè)灌溉處理，均采用壓片式微噴帶灌溉，分別是輕度控水灌溉（QK）、重度控水灌溉（ZK），以不灌溉的雨養(yǎng)處理（YY）作為對(duì)照，各處理均3次重復(fù)，小區(qū)采用隨機(jī)排列；兩種灌溉處理在播種后灌保苗水22.5mm，在玉米的苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期設(shè)置不同的灌水控制下限（表2），各生育階段的灌水控制上限為田間持水量的90%。每次灌水水量利用水量平衡方程計(jì)算得出；試驗(yàn)小區(qū)面積為8m×40m，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)之間設(shè)有保護(hù)壟；氣象資料由試驗(yàn)站的自動(dòng)氣象站獲得。

供試品種為中鑫202，采用大壟雙行栽培模式，壟臺(tái)寬60cm，壟溝寬40cm，壟高15cm；微噴帶選用遼寧水利水電科學(xué)研究院生產(chǎn)的壓片式微噴帶，設(shè)計(jì)工作壓力為0.15MPa，每條噴灌帶最大鋪設(shè)長(zhǎng)度100m，噴水幅寬8.0m（兩側(cè)各4m，控制4根壟），平均單孔出水量為3L·h-1，每百米噴水量為8.4m3·h-1，灌水均勻度為0.6。每個(gè)小區(qū)布置8壟，在中間壟溝布設(shè)一條微噴帶，壟長(zhǎng)為20m；無灌溉處理種植方式不變，但僅靠自然降雨。玉米行距40cm，株距30cm，種植密度約60000株·hm-2。春播前翻地，平整土地，旋耕深度25～30cm，土壤表層（約5cm）溫度達(dá)到14℃開始播種，其他田間管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶。

表2 玉米各生育階段灌水控制下限Table 2 The lower limit of irrigation at each growth stage of maize /%

1.3 試驗(yàn)項(xiàng)目及方法

（1）土壤含水率，采用烘干法觀測(cè)。每個(gè)控水選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)5個(gè)深度，分別為10，20，30，40，60cm，取均值作為計(jì)劃濕潤(rùn)層含水率，用于控制灌溉，每旬觀測(cè)1次，灌水前后、各生育階段始末和降雨后加測(cè)。（2）作物生長(zhǎng)狀況。分別在玉米各生育階段測(cè)定株高和全部展開葉的葉面積，按長(zhǎng)×寬×系數(shù)（0.75）法調(diào)查葉面積；采用游標(biāo)卡尺測(cè)定每株近地面5cm處的莖粗；在玉米各生育階段結(jié)束后，分別測(cè)定其地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量。每次測(cè)定均在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取5株樣本，取其平均數(shù)作為小區(qū)值。（3）灌水量。根據(jù)水量平衡原理計(jì)算灌溉水量，采用水表進(jìn)行灌水量的觀測(cè)，記錄每次灌水前后的水表讀數(shù)、灌水時(shí)間以及灌水日期。根據(jù)試驗(yàn)站資料，苗期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期和灌漿期成熟期的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度分別選擇20，40，50，60cm。（4）出苗率。田間出苗后記載小區(qū)出苗數(shù)，田間出苗率為實(shí)際出苗數(shù)與理論出苗數(shù)的比值。（5）產(chǎn)量。單打單收單獨(dú)計(jì)算產(chǎn)量，同時(shí)分別取樣進(jìn)行室內(nèi)考種，主要測(cè)定穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、百粒重、禿尖長(zhǎng)等產(chǎn)量構(gòu)成因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴控水灌溉對(duì)玉米生長(zhǎng)前期土壤墑情的影響

由于微噴帶主要在玉米前期灌溉，進(jìn)入雨季后，各處理均未灌溉，土壤含水率變化一致，因此僅分析7月20日以前的土壤含水率變化（圖1）。由于QK灌水下限較高，因此在圖中表現(xiàn)為受旱時(shí)間較短，灌水次數(shù)較多，在灌溉時(shí)一直保持“少量多次”的特點(diǎn)，土壤含水率最高；ZK灌水下限低于QK，大多數(shù)時(shí)期土壤含水率均低于QK，但高于不灌溉的YY；YY處理土壤含水率在灌溉期內(nèi)明顯低于有灌溉的QK和ZK，土壤墑情變化主要與幾次少量降雨有關(guān)。

圖 1 微噴控水灌溉對(duì)灌水期內(nèi)土壤墑情的影響Figure 1 Effect of Micro-sprinkler irrigationon soil moisture content in the period of irrigation

2.2 微噴控水灌溉對(duì)玉米需水規(guī)律的影響

遼寧南部地區(qū)的干旱主要集中在春季和夏初，微噴灌溉方式的灌溉規(guī)律如表3。由表3可知，QK灌溉定額為2591m3·hm-2，灌水時(shí)間主要在播種后至7月5日之間；ZK灌溉定額為1746m3·hm-2，灌水時(shí)間主要在播種后至6月16日之間；QK灌溉定額比ZK高48.43%，且灌溉次數(shù)也比ZK多2次，但都發(fā)生在苗期和拔節(jié)期。

表3 微噴控水灌溉對(duì)玉米灌溉的影響Table 3 Effect of Micro-sprinkler irrigationon maize irrigationregimes

各處理耗水規(guī)律見表4。由表4可知，在苗期，QK與ZK階段耗水量差異不大，日耗水量分別為2.3mm和2.7mm，但顯著高于無灌溉處理YY的0.6mm，這是因?yàn)榇藭r(shí)耗水量主要依靠棵間蒸發(fā)，灌水處理的蒸發(fā)量顯著大于不灌水處理；在拔節(jié)期，QK、ZK和YY之間的耗水量差異顯著，QK耗水量最大，日耗水量為5.5mm，ZK耗水量小于QK，日耗水量達(dá)3.6mm，YY耗水量最小，日耗水量為1.1mm，原因是隨著玉米的不斷生長(zhǎng)，蒸騰作用逐漸加強(qiáng)，耗水量加大，但降雨較少，需要灌溉補(bǔ)充騰發(fā)量，QK由于灌水下限設(shè)置較高，土壤最濕潤(rùn)，蒸騰、蒸發(fā)散失水量最大，ZK由于灌水下限設(shè)置較低，土壤含水率較低，受到的干旱脅迫高于QK，因此耗水量也較小，但高于不灌水處理YY；進(jìn)入抽雄期后，隨著降雨量的增加，ZK已停止灌溉，其耗水量與YY相比差異不大，但QK在抽雄初期還在灌溉，因此其耗水量高于其他兩個(gè)處理；灌漿期降雨充足，3個(gè)處理均未灌溉，耗水量差異不大；成熟期玉米生理活動(dòng)趨于結(jié)束，3個(gè)處理耗水量均較小。

表4 微噴控水灌溉下玉米耗水規(guī)律Table 4 The regular pattern of water consumption in maize under Micro-sprinkler irrigation

2.3 微噴控水灌溉對(duì)玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由圖2a可知，在玉米整個(gè)生育期，莖粗隨生育進(jìn)程先增后減，在灌漿期達(dá)到最大，成熟期稍有減少，與其他研究結(jié)果一致[2-3]。通過方差分析和LSD比較，在灌漿期，玉米莖粗表現(xiàn)為QK＞ZK＞YY，但灌溉兩處理之間無顯著差別，均顯著高于雨養(yǎng)處理YY，這種差異一直保持至成熟期，說明灌溉有利于增加玉米莖粗；由圖2b可知，自拔節(jié)期開始，不同處理株高表現(xiàn)為QK＞ZK＞YY，其中，QK和ZK之間差異不大，但高于YY，這種差異一直保持至成熟期，說明前期灌溉可以促進(jìn)株高生長(zhǎng)，并將優(yōu)勢(shì)延續(xù)至生育期結(jié)束；由圖2c可知，玉米葉面積指數(shù)隨生育期進(jìn)程呈先增后減的趨勢(shì)，在8月30日前后（灌漿期）達(dá)到最大，至成熟期有所回落，各生育期葉面積指數(shù)均表現(xiàn)為QK＞ZK＞YY，前期灌溉對(duì)玉米灌漿期葉面積影響較大，在苗期、抽穗期、灌漿期和成熟期均表現(xiàn)為QK和ZK之間無較大的差異，但高于YY。在拔節(jié)期，QK、ZK和YY三者之間葉面積指數(shù)均有差異，由此可見，前期微噴灌溉處理可以促進(jìn)玉米葉面積增長(zhǎng)。不同處理各生育期干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為QK＞ZK＞YY，由圖2d可知，自灌漿期開始，各處理對(duì)玉米干物質(zhì)積累量影響顯著，這種差異一直保持到生育期結(jié)束，由此可見，前期微噴灌溉處理可以促進(jìn)玉米干物質(zhì)積累?？偟膩碇v，前期微噴灌溉促進(jìn)了玉米的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，表現(xiàn)為灌溉處理在莖粗、株高和葉面積指數(shù)上高于雨養(yǎng)處理YY，但控水處理之間的差異不大；而無灌溉處理缺水后容易造成對(duì)生長(zhǎng)的抑制，這和竇超銀等[12-15]研究結(jié)果一致。

圖 2 不同處理玉米生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)比Figure 2 The comparison of corn growth parameters among different treatments

2.4 不同灌溉方式對(duì)玉米出苗率及考種指標(biāo)的影響

各處理玉米出苗率及考種指標(biāo)的方差分析及LSD比較結(jié)果如表5。出苗率是影響玉米產(chǎn)量的重要因素，各處理玉米出苗率表現(xiàn)為ZK＞QK＞YY，但ZK和QK之間無顯著差異，均達(dá)到97%，但無灌溉的YY僅為73.2%，因此，前期灌溉有利于保證玉米的出苗率。

表 5 不同灌溉方式下出苗率及考種指標(biāo)Table 5 Seedling emergence rate and yield componentsamong different irrigation methods

作物產(chǎn)量的變化是各產(chǎn)量構(gòu)成要素的綜合變化導(dǎo)致的。不同處理玉米穗長(zhǎng)無顯著差異，說明前期微噴灌溉不影響玉米穗長(zhǎng)；禿尖長(zhǎng)表現(xiàn)為YY＞ZK＞QK，其中不灌溉的YY禿尖長(zhǎng)最大，重度微噴控水灌溉ZK禿尖長(zhǎng)小于YY，但二者差異不顯著，輕度微噴控水灌溉禿尖長(zhǎng)明顯低于YY和ZK，說明前期輕度控水灌溉可以抑制禿尖長(zhǎng)度，這有利于產(chǎn)量穩(wěn)定；每穗粒數(shù)表現(xiàn)為QK＞ZK＞YY，輕控灌溉處理每穗粒數(shù)最多，不灌溉處理最少，三者差異顯著；百粒重分析結(jié)果同每穗粒數(shù)分析結(jié)果一致，表現(xiàn)為QK＞ZK＞YY，三者差異顯著；說明灌溉可提高每穗粒數(shù)和百粒重，輕度控水灌溉效果最好。對(duì)于產(chǎn)量來講，不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量影響顯著，結(jié)果表現(xiàn)為QK＞ZK＞YY，三者差異顯著，說明前期微噴灌溉有利于產(chǎn)量積累，輕度控水灌溉產(chǎn)量最高，不灌溉會(huì)顯著降低玉米產(chǎn)量。

2.5 不同灌溉方式對(duì)玉米水分利用效率及經(jīng)濟(jì)效益的影響

玉米產(chǎn)量除以需水量即為水分利用效率。不同處理玉米水分利用效率數(shù)值上表現(xiàn)為ZK＞YY＞QK，分別為2.88，2.76，2.7kg·m-3，但無顯著差異；微噴灌溉是一種補(bǔ)充性灌溉技術(shù)，總的來說，輕度控水灌溉和重度控水灌溉都并沒有使水分生產(chǎn)率發(fā)生顯著變化。

不同灌溉方式的年均經(jīng)濟(jì)效益由高到低依次為QK＞ZK＞YY，見表6。其中，灌溉主管路由政府投資，農(nóng)戶只負(fù)責(zé)田間的微噴帶一次性投入，需要0.6萬元·hm-2，但至少可以重復(fù)使用5年，因此按照年投入0.12萬元·hm-2計(jì)算。YY由于產(chǎn)量過低，因此凈效益最低；兩種灌溉方式處理凈效益分別為YY的2倍、1.7倍，QK與ZK投入的差別主要是提水量不同導(dǎo)致的電費(fèi)差異，雖然QK投入最高，但由于產(chǎn)量也最高，因此，凈效益也最高，因此，若不計(jì)鋪設(shè)管路的工程投資，從年經(jīng)濟(jì)效益角度講，QK是最佳的灌溉方式。當(dāng)考慮工程投資時(shí)，遼寧南部地區(qū)灌溉輸水主要通過鋪設(shè)田間管路實(shí)現(xiàn)，QK與ZK管道工程投資一般為0.12萬元·hm-2，按照凈效益講，2～3年后，QK和ZK的凈效益就會(huì)超過YY[16-17]。可見，在水資源充足地區(qū)，輕度微噴控水灌溉經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，而在水資源緊缺的地區(qū)，重度微噴控水灌溉節(jié)水增產(chǎn)效果最好。

表 6 各處理年均經(jīng)濟(jì)效益比較Table 6 The comparison of annual economic benefits among each treatment

3 討論與結(jié)論

崔吉曉等[17]在研究中發(fā)現(xiàn)，微噴灌處理能夠精準(zhǔn)控制灌水量，防止土壤水分下滲，將大部分的養(yǎng)分溶解到根區(qū)，從而提高灌水利用系數(shù)和水分生產(chǎn)率，這與本研究結(jié)果一致。微噴控水灌溉能夠提高土壤墑情，改善土壤水分環(huán)境，提高玉米的干物質(zhì)量，尤其是以輕度微噴灌提高玉米物質(zhì)生產(chǎn)水平最為顯著。徐袁博[18]在對(duì)冬小麥進(jìn)行微噴灌研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，微噴灌改善土壤水分狀況有利于水分高效利用和以水調(diào)肥促進(jìn)養(yǎng)分的有效同化，同時(shí)促進(jìn)干物質(zhì)積累。還有研究表明，在農(nóng)田采用節(jié)水灌溉的模式，當(dāng)土壤含水量適宜時(shí)能夠顯著提高籽粒的灌漿速率，還不影響灌漿的周期，提高了籽粒形成質(zhì)量進(jìn)而促進(jìn)了作物產(chǎn)量[11,19-20]。本研究也得出相似結(jié)論，玉米前期微噴灌能夠促進(jìn)生長(zhǎng)，有利于最終產(chǎn)量的形成。減少灌水量是降低耗水進(jìn)而提高水分利用效率的有效措施[21]，在一定范圍內(nèi)增加灌水量有利于產(chǎn)量提高，但灌水量過多由于毛管作用會(huì)導(dǎo)致水分?jǐn)y帶養(yǎng)分進(jìn)入根區(qū)以下使養(yǎng)分利用收到限制進(jìn)而降低籽粒產(chǎn)量[11,22]。本研究中輕度控水灌溉處理每穗粒數(shù)最多，不灌溉處理最少，對(duì)于每穗粒數(shù)來說，輕度控水灌溉效果最好。前期微噴灌處理促進(jìn)玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，表現(xiàn)為較高的莖粗、株高、葉面積指數(shù)，而雨養(yǎng)條件下作物生長(zhǎng)受到抑制，這與前人研究結(jié)果一致[15]。雖然輕度微噴灌溉的灌溉頻次較高，但是由于相對(duì)于重度脅迫微噴灌顯著提高了產(chǎn)量使其經(jīng)濟(jì)效益最高。

本研究結(jié)果表明，微噴灌溉在灌水時(shí)期上適用于遼寧南部地區(qū)。在拔節(jié)中期前，玉米微噴控水灌溉可以有效增加土壤墑情，輕度控水灌溉定額比重度高48.43%，灌溉次數(shù)多2次；在拔節(jié)中期后，隨著玉米的不斷長(zhǎng)高，微噴灌溉效果會(huì)受到影響，而此時(shí)已進(jìn)入雨季，不再需要灌溉。微噴灌溉有利于促進(jìn)玉米生長(zhǎng)。玉米前期微噴灌溉處理在株高、莖粗、葉面積和干物質(zhì)積累方面均具有顯著的優(yōu)勢(shì)，不灌溉會(huì)使玉米生長(zhǎng)性狀受到影響。微噴灌溉顯著增加玉米產(chǎn)量。對(duì)于遼寧南部地區(qū)玉米來講，做好苗期灌溉，保證出苗率是穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的前提，前期微噴灌溉可以顯著提高玉米出苗率，增加每穗粒數(shù)和百粒重，顯著增加產(chǎn)量。微噴灌溉可顯著增加效益。雖然從水分利用效率上看，前期微噴控水灌溉同不灌溉差異不大，但從經(jīng)濟(jì)效益上來看，微噴灌溉經(jīng)濟(jì)效益顯著高于不灌溉處理，輕度微噴控水灌溉效益最好。