灌溉施肥對河套灌區(qū)壟膜溝灌春玉米土壤水熱運移的影響

李 成，馮 浩，董勤各

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國重要的糧油生產(chǎn)基地，但該區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)強烈，氣溫變化幅度大，極易造成作物減產(chǎn)，嚴重影響灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。近年來，隨著灌溉面積的增加和引黃配額的減少[3]，當?shù)厮Y源日益短缺，水污染狀況日益加劇。因此，探索怎樣緩解河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)畝均用水減少與氣溫變幅大所造成作物減產(chǎn)的問題，建立適宜河套灌區(qū)作物生長的良好水熱環(huán)境具有重要實踐意義。

土壤水熱特性與農(nóng)田耕作方式有直接關(guān)系。合理的耕作措施可以為作物生長發(fā)育創(chuàng)造適宜的水熱環(huán)境，是保證作物持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵措施之一。有研究表明，地膜覆蓋能夠改善土壤的水熱環(huán)境，降低土壤水分的無效蒸發(fā)和熱量散失，提高作物產(chǎn)量[4-7]。由于覆膜的保溫保墑抑鹽特性[5,7-9]，河套灌區(qū)春玉米廣泛采用覆膜種植。溝灌是一種低成本高產(chǎn)出的資源節(jié)約型灌溉模式[10]，由于其開溝培土以及前期不灌溉的特點，使得玉米根系更發(fā)達。此外，溝灌入滲效果好，灌水量相對較少且基本無深層滲漏，肥料被培土掩埋利于作物吸收，不易流失[11-12]。集覆膜與溝灌優(yōu)點于一體的壟膜溝灌種植技術(shù)具有增溫保墑、提高作物水分利用效率、促進作物生長發(fā)育的作用[4,9,13-17]，具有良好的應(yīng)用前景。馬樹慶等[18]研究表明，地膜覆蓋可以提高田間土壤溫度，使玉米生育期提前，提高光合產(chǎn)物積累量。馬忠明等[19]研究表明，起壟覆膜較無膜對照處理0～25 cm土層土壤日平均溫度提高2.0℃，起壟覆膜種植模式具有明顯的增溫保墑作用。李波等[20]研究表明，河套灌區(qū)壟膜溝灌種植模式有利于番茄根區(qū)形成良好的水熱環(huán)境，促進番茄生長發(fā)育，獲得較高的產(chǎn)量。然而，鮮有針對河套灌區(qū)壟膜溝灌條件下土壤水熱運移規(guī)律及春玉米產(chǎn)量特征的研究成果。

本研究采用壟膜溝灌種植技術(shù)，通過設(shè)置不同灌溉和施肥水平，分析不同處理對壟膜溝灌土壤水熱運移特征的影響，研究土壤水熱變化規(guī)律，明確河套灌區(qū)壟膜溝灌條件下春玉米產(chǎn)量特征，為提高河套灌區(qū)灌溉水利用效率、改善農(nóng)田土壤水熱環(huán)境、保障春玉米產(chǎn)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗田位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市水利科學研究所曙光試驗站(40°46″N，107°24″E)，地面高程1 039 m，屬干旱半干旱氣候區(qū)，全年日照充足，降水量集中，蒸發(fā)強烈，空氣干燥，晝夜溫差較大。試驗站多年平均氣溫7.8℃，降雨量105 mm，蒸發(fā)量2 306.5 mm。無霜期160 d，年日照時數(shù)3 156 h。試驗區(qū)土壤屬于黃河灌淤土，質(zhì)地主要為沙壤土，耕層平均土壤容重1.43 g·cm-3，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)7.26 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(shù)105.36 mg·kg-1，速效磷質(zhì)量分數(shù)55.82 mg·kg-1，速效鉀質(zhì)量分數(shù)120.49 mg·kg-1，土壤鹽分質(zhì)量分數(shù)1.19 g·kg-1。地下水埋深2.5 m左右，0～100 cm土層土壤田間持水量26.96%。

1.2 試驗設(shè)計

壟膜溝灌試驗種植時間為2017年4-9月，供試作物為春玉米。壟溝規(guī)格：壟頂寬50 cm，壟底寬70 cm,壟高20 cm，溝底寬50 cm，壟長13 m。設(shè)置3種灌水水平：400 mm(I1)、300 mm(I2)、200 mm(I3);2種施肥水平(高肥、低肥)，高肥為600 kg·hm-2磷酸二銨+300 kg·hm-2尿素(F1)，低肥(F2)施肥量減半。共6個處理，分別為高水高肥(I1F1)、高水低肥(I1F2)、中水高肥(I2F1)、中水低肥(I2F2)、低水高肥(I3F1)、低水低肥(I3F2)。每個處理3個重復，共計18個小區(qū)，每個小區(qū)3條壟溝。每列重復間留2 m寬小路，方便灌水與操作。播前取土，測定初始土壤含水率、土壤容重等指標。

供試玉米品種為西蒙6號，地膜為高壓聚乙烯膜，厚度8 μm。每壟種植2行玉米，行距40 cm，株距30 cm。2017年4月25日播種，播前施肥、起壟、覆膜，采用人工穴播，播種深度5 cm。灌漿期追肥，高肥追尿素150 kg·hm-2，低肥施肥量減半。灌水時間分別為5月31日、7月2日、7月29日、8月17日。

1.3 測定指標與方法

土壤含水率與地溫：采用TRIME-TDR時域反射儀測定含水率，測定深度分別為：0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm；每7 d測定1次，灌溉前后加測1次。地溫計埋設(shè)在各小區(qū)壟背5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，25 cm處，分別于08∶00、14∶00、20∶00讀取地溫計讀數(shù)，每3 d讀取1次。

植株生長狀況及產(chǎn)量構(gòu)成：株高、葉面積、莖粗、地上部干物質(zhì)量、鮮重，分別在玉米出苗、拔節(jié)、抽雄、灌漿、成熟期測量。收獲時每個小區(qū)隨機取10個果穗，測定其產(chǎn)量、千粒重、穗粒數(shù)、穗長、直徑、鮮重等。

采用水量平衡法計算全生育期春玉米耗水量，即蒸散量(evapotranspiration,ET，mm)

ET=ΔW+P+I+G-R-F

(1)

式中，ΔW為播種期與收獲期土壤儲水量之差(mm)；P為生育期有效降水量(mm)，如果降雨量小于當日參考蒸發(fā)蒸騰量的0.2倍，視為無效降雨；I為玉米生育期的灌水量(mm)；G為生育期地下水對作物根系的補給量(mm)；R為生育期地表徑流量(mm)，如試驗區(qū)地勢平坦則無地表徑流產(chǎn)生；F為生育期根區(qū)深層滲漏量(mm)，假定降雨或灌溉先補給根系層土壤水分至田間持水量，多余的水分即為深層滲漏損失量，計算方法為：

灌水(或降水)前100 cm土層內(nèi)有效土壤含水率+灌水量(或降水量)-田間持水量。

玉米水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)計算公式為：

WUE=Y/ET

(2)

式中，Y為單位面積玉米產(chǎn)量,kg·hm-2。

1.4 統(tǒng)計分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理，采用Sigmaplot 12.0繪圖，并用SPSS對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，采用最小顯著差異法(LSD)進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉與施肥水平對壟膜溝灌土壤水分的影響

2.1.1 土壤水分垂向空間分布特征 圖1為播種前與收獲后各處理土壤體積含水率的垂向空間分布特征。由圖1可知播前及收獲后各處理土壤體積含水率由表層到深層逐漸增加。除I1灌水處理80～100 cm土層外，其它處理收獲后各土層土壤體積含水率較播前均有所減少，I1處理土壤體積含水率高于其它灌水處理，I3處理最低。相同灌水不同施肥處理間土壤含水率相差較小。對比播前及收獲后不同處理0～100 cm土層土壤貯水量可知，I1F1和I1F2處理平均土壤含水率較播前分別增加1.1%和4.0% ，而I2F1、I2F2、I3F1、I3F2處理分別減少19.1%、17.8%、30.9%、24.2%，相差較大。

2.1.2 土壤水分時間變化特征 圖2為2017年春玉米生育期內(nèi)各土層不同處理土壤體積含水率隨時間的變化過程。由圖2可以看出，各土層土壤體積含水率的變化趨勢較為一致，第1次灌水后含水率達到最大，之后變化較平緩。每次灌水后，不同處理間各土層土壤體積含水率先變大，之后逐漸減小。0～20 cm土層全生育期內(nèi)I1灌水處理土壤體積含水率較大，平均土壤含水率較I2、I3分別高6.52%、12.39%，各灌水處理間F2施肥處理土壤體積含水率較F1大，各處理間相差較小。20～60 cm土層全生育期內(nèi)I1灌水處理土壤體積含水率最大，I3最小，各灌水處理間F2施肥處理土壤體積含水率較F1大，不同處理間相差較大。60～100 cm土層全生育期內(nèi)I1灌水處理土壤體積含水率最大，平均土壤含水率較I2、I3分別高13.57%、29.32%，I3最??；各灌水處理間F2施肥處理土壤體積含水率較F1大，不同灌水處理間相差較大。春玉米出苗-拔節(jié)期0～100 cm土層平均土壤體積含水率I1F2處理最大，且各灌水處理間差異較大，I1F2較I1F1、I2F1、I2F2、I3F1、I3F2分別高1.23%、9.58%、7.27%、19.65%、17.27%。灌漿成熟期0～100 cm土層各處理間土壤體積含水率相差不大，各灌水處理間F2施肥處理較F1大。全生育期0～100 cm土層I2F2處理土壤含水率比I1F1、I1F2處理分別低8.3%、9.2%，比I2F1、I3F1、I3F2處理分別高1.6%、11.1%、14.1%。

圖1 播前及各處理收獲后不同土層土壤體積含水率的變化Fig.1 Change of soil volume water content before sowind and after harvesting of each treatment in different soil layers

注：折線表示土壤體積含水率，柱狀圖表示灌水量。Note: The dash lines are soil volume water content and the bars are the amount of irrigation.圖2 春玉米生育期內(nèi)各土層不同處理土壤體積含水率隨時間的變化Fig.2 Variation of soil volume water content with time in different soil layers under different treatments during spring maize growth season

2.2 不同灌溉水平對壟膜溝灌土壤溫度的影響

2.2.1 土壤溫度的時空分布特征 土壤溫度是影響作物生長發(fā)育的重要因素之一[21]。圖3為2017年春玉米生育期內(nèi)不同灌水處理平均土壤溫度隨時間的變化過程，經(jīng)過單因素方差分析，各灌水處理間均無顯著性差異。可以看出，不同灌水處理下土壤溫度隨時間變化趨勢大致相同。玉米生長前期各處理土壤溫度均較低，這與當?shù)貧鉁赜嘘P(guān)。春季多風且氣溫較低，之后土壤溫度逐漸升高，拔節(jié)期、抽雄期土壤溫度均處于較高狀態(tài)，I2處理高于其它處理，I1處理最低。隨著生育期的推進，各處理玉米葉面積逐漸增大，到達地面的太陽輻射減少，土壤溫度逐漸降低，但I2處理仍處于最高，I1處理低于其它處理。每次灌水后，各處理平均土壤溫度明顯降低。全生育期內(nèi)， I2灌水處理平均土壤溫度最高，較I3、I1處理分別高0.1℃、0.6℃，I1處理最低。

圖4為春玉米整個生育期內(nèi)不同灌水處理間不同土層的平均土壤溫度，經(jīng)過單因素方差分析，各灌水處理間均無顯著性差異。表層土壤(0～5 cm) I2和I3灌水處理間差異不大，均高于I1灌水處理，分別高0.3℃、0.4℃。5～20 cm土層I2處理土壤溫度均高于其他處理，較I3、I1處理分別高0.3℃、0.7℃，I1處理最低。20～25 cm土層I3處理平均土壤溫度最高，較I2、I1處理分別高0.3℃、0.6℃，I1處理最低。隨著土層深度的增加，各灌水處理間平均土壤溫度逐漸降低。由土壤溫度的時空分布特征可知，土壤溫度在時空上均為I2處理最高，I1處理最低，這可能與灌溉水量及灌溉水的溫度有關(guān)。

圖3 春玉米生育期內(nèi)不同灌水處理平均土壤溫度隨時間的變化Fig.3 Variation of soil average temperature with time under different irrigation treatments during spring maize growth season

圖4 春玉米生育期內(nèi)不同灌水處理平均土壤溫度隨深度的變化Fig.4 Variation of soil average temperature with depth under different irrigation treatments during spring maize growth season

2.2.2 土層積溫的時間變化特征 玉米0～25 cm深度土壤溫度在適宜的范圍內(nèi)有利于作物的生長發(fā)育，土壤積溫按0～25 cm土層中大于10℃的有效積溫計算。不同灌水處理下春玉米各生育期0～25 cm土壤積溫和總積溫的變化如表1所示。由表1可以看出不同灌水處理間不同生育期積溫及總積溫均表現(xiàn)出顯著性差異。除苗期外，I2處理積溫顯著高于其他處理，I1處理積溫最低。I2、I3處理土壤積溫較I1處理拔節(jié)期分別高1.04%、0.70%，抽雄期分別高3.83%、2.44%，灌漿期分別高5.58%、3.98%，成熟期分別高4.61%、4.15%，總積溫分別高2.63%、2.11%。

2.3 壟膜溝灌土壤水熱耦合效應(yīng)

整個生長季各處理0～100 cm土層土壤體積含水率隨時間動態(tài)變化趨勢基本相同(圖2d),I1灌水處理最高，同一灌水處理間F2施肥處理較F1高。由圖3可知各處理土壤溫度隨時間的動態(tài)變化趨勢相同。土壤溫度和土壤含水率均隨時間的變化呈現(xiàn)一定的波動，灌溉對其影響較大，每次灌溉后都出現(xiàn)較大波動。全生育期4次灌水，每次灌水后各處理土壤含水率都逐漸變大，然后又逐漸減小，無論是灌水前還是灌水后I1處理含水率都高于其他處理。每次灌溉后各處理土壤溫度均下降，之后逐漸升高，無論是灌水前還是灌水后I1處理土壤溫度都低于其他處理。

表1 春玉米生育期內(nèi)不同灌水處理土壤0～25 cm土層積溫的變化/℃

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)， the same below.

表2 不同處理對春玉米產(chǎn)量、耗水量(ET)及水分利用效率(WUE)的影響

2.4 壟膜溝灌春玉米產(chǎn)量及水分利用效率分析

不同水肥處理下玉米產(chǎn)量性狀如表2所示。穗行數(shù)I2F1處理最高，各處理間無顯著差異。行粒數(shù)I1F1處理最高，不同灌水處理間差異顯著，同一灌水量下不同施肥處理間無顯著性差異。千粒重I1灌水處理最大，I1F1處理較I2F1、I3F1分別高13.66%、21.00%，不同灌水處理間差異顯著，同一灌水量下不同施肥處理間無顯著性差異。I1灌水處理產(chǎn)量最高，與I2灌水處理無顯著性差異，均顯著高于I3灌水處理，I1、I2灌水處理間不同施肥處理無顯著性差異，而I3F1處理產(chǎn)量則顯著高于I3F2處理，其中I1F2、I2F2處理較I3F2處理分別增產(chǎn)56.9%、33.8%。

整個生長季內(nèi)各灌水處理間作物耗水量差異顯著，I1處理最高，I3處理最低，同一灌水處理不同施肥處理間差異不顯著。水分利用效率各處理間均無顯著性差異。

3 討 論

水熱條件是影響作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的重要因素[22]。起壟能夠增加土層的厚度，改善土壤通氣條件，改變地表熱量平衡，易于提高表層土壤溫度。覆膜可以蓄水保墑，抑制蒸發(fā)，改善作物水分狀況[9,23-27]。農(nóng)田起壟覆膜后，地表接收太陽輻射面積增大，利于表層土壤溫度提高及熱量向深層土壤傳遞[24,28-33]，且能明顯增加地表溫度，防止熱量擴散，促進作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量[6,16,24,34-36]。

各處理0～100 cm土層土壤體積含水率均為收獲后低于播種前。I1灌水處理含水率高于其他處理，I3灌水處理含水率最低，而不同施肥處理間相差較小。可見，灌水量是影響土壤體積含水率的主要因素，這與張忠學等研究結(jié)果類似[37]。由于河套灌區(qū)降雨量小，因此土壤含水率的時空分布主要受灌溉水量的影響[38]。各處理不同土層土壤水分動態(tài)變化規(guī)律整體相似。其中，0～20 cm、20～60 cm土層土壤體積含水率隨灌水呈現(xiàn)明顯的變化，表層起伏更明顯，而60～100 cm土層變化幅度較小，此結(jié)論與Dong等前期研究結(jié)果類似[39]。受灌水量影響，I1灌水處理條件下，0～100 cm土層體積含水率一直較高。由于后期作物耗水量增大，因此玉米生長后期I3灌水處理土壤體積含水率低于其他灌水處理。另外，各處理淺層土壤水分生育期內(nèi)變化明顯，深層土壤含水率基本不受灌溉的影響。

由土壤溫度時空分布特征可知，整個生育期內(nèi)土壤溫度在時空上均為I2灌水處理最高，I1灌水處理最低。同時，不同處理不同生育期的積溫及總積溫具有相同規(guī)律。隨著土層深度增加，各處理土壤溫度逐漸降低。各處理土壤溫度和含水率受灌溉影響較大，每次灌溉后土壤溫度逐漸降低，而土壤含水率逐漸升高。土壤溫度的變化是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學性質(zhì)相互作用共同影響的結(jié)果，灌水引起的土壤水分變化直接影響土壤熱力學性質(zhì)[21,28,36,40]。當土壤含水率增加時，其導熱率變小，不利于土壤溫度上升，土壤溫度變化小[41-42]，加之灌溉水為地下水，所以導致土壤溫度降低。

春玉米I1、I2灌水處理間產(chǎn)量無顯著差異，均顯著高于I3灌水處理，各灌水處理間F1、F2施肥處理無顯著差異，而I3F1產(chǎn)量顯著高于I3F2處理。作物耗水量I3灌水處理最低，I1灌水處理最高，同一灌水處理下不同施肥處理對作物耗水量無顯著影響。I1灌水處理條件下，千粒重顯著高于其他灌水處理，I1、I2灌水處理間不同施肥處理對其無顯著影響，而I3F1處理顯著高于I3F2處理。可見水分對春玉米產(chǎn)量性狀的影響高于施肥，這與王鵬勃等[43]的研究結(jié)果一致。然而，當灌水量不足時，施肥量對作物產(chǎn)量影響顯著。

有研究表明，灌溉增加了土壤體積含水率從而增加土壤熱容量，進而影響土壤熱傳導和溫度變化[44]，導致土壤溫度和土壤含水率呈負相關(guān)關(guān)系。本研究采用地膜覆蓋技術(shù)，在增加土壤體積含水率的同時實現(xiàn)土壤溫度的同步提高，減緩了其負相關(guān)性。綜合土壤溫度、土壤含水率及其對春玉米產(chǎn)量性狀的影響，I2F2處理在節(jié)水節(jié)肥的前提下既保證了適宜作物生長的水分和溫度又保證了最終的水分利用效率和產(chǎn)量，對春玉米壟膜溝灌種植模式在河套灌區(qū)的推廣具有一定的指導意義。

4 結(jié) 論

壟膜溝灌種植模式下各灌溉施肥處理的淺層土壤水分在春玉米生育期內(nèi)變化明顯，深層土壤水分基本不受灌溉的影響。整個生育期0～100 cm土層I2F2處理土壤含水率比I1F1、I1F2處理分別低8.3%、9.2%，比I2F1、I3F1、I3F2處理分別高1.6%、11.1%、14.1%。整個生長季內(nèi)不同深度、不同生育期土壤溫度均為I2灌水處理最高，I1處理最低。隨著土層深度增加，土壤溫度逐漸降低。整個生育期內(nèi)各處理土壤溫度和含水率受灌溉影響較大，每次灌溉后土壤溫度顯著降低，而土壤含水率顯著升高。灌溉對土壤含水率及春玉米產(chǎn)量性狀的影響高于施肥，壟膜溝灌種植模式減緩了土壤水分和溫度的負相關(guān)性。

綜上，壟膜溝灌種植模式下I2F2處理土壤含水率在整個生育期內(nèi)都保持較高水平，土壤保溫效果明顯，為玉米生長提供了適宜的土壤水熱環(huán)境。同時，I2F2處理顯著提高了玉米產(chǎn)量，與I3F2相比提高33.80%，與I3F1相比提高21.95%，與I1處理無顯著差異。本研究為春玉米壟膜溝灌種植模式在河套灌區(qū)的推廣提供了一定的理論依據(jù)。