風(fēng)沙土玉米膜下滴灌灌溉制度試驗(yàn)研究

王鼎新，竇超銀，孟維忠，佟 威，陳 偉，延瑋辰

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110003)

0 引 言

滴灌具有調(diào)控水分、溶質(zhì)等在土壤中分布的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)滴灌技術(shù)可以將有限的灌溉水量分布在根系分布層[1]，根系土壤長(zhǎng)期保持適宜水勢(shì)；養(yǎng)分通過(guò)點(diǎn)源擴(kuò)散，分布在根系范圍內(nèi)，同時(shí)，通過(guò)灌溉制度減少養(yǎng)分的淋失[2]，從而顯著提高水肥的利用效率，因此，近年來(lái)滴灌技術(shù)在高效節(jié)水灌溉、面源污染防控、水肥一體化等工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，尤其在鹽堿地、沙地、高崗丘陵等劣質(zhì)土壤資源的開(kāi)發(fā)利用中[3,4]。

風(fēng)沙土土質(zhì)貧瘠，具有質(zhì)地粗，蓄水能力低，漏水漏肥嚴(yán)重等特點(diǎn)，合理制定灌溉制度是風(fēng)沙土地區(qū)滴灌技術(shù)發(fā)揮效益的基礎(chǔ)。但在風(fēng)沙土地區(qū)，由于土地生產(chǎn)力低，長(zhǎng)期以治沙和土壤修復(fù)為主，灌溉尤其是高效節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)研究相對(duì)較少，灌溉制度的制定還需要進(jìn)一步深入?；谡舭l(fā)皿蒸發(fā)量制定灌溉制度是一種常用的方法，簡(jiǎn)單易行，并且能夠較好的估算出作物的需水規(guī)律，如李毅杰通過(guò)試驗(yàn)研究表明灌溉量1.0E時(shí)可以滿足甘蔗需求，得到高產(chǎn)[5]；Uzokwe Pauline等研究出干旱條件下，夏玉米滴灌以2/3E為灌溉定額時(shí)有利于促進(jìn)植株生長(zhǎng)，得到較高產(chǎn)量和水分利用效率[6]；竇超銀等研究推薦在風(fēng)沙土地區(qū)玉米膜下滴灌灌溉水量宜控制在25%～75%E之間，但是，在研究中并未考慮玉米生育期對(duì)需水的影響[7]。如玉米苗期處于蒸發(fā)量大的春季，僅考慮單一的灌溉系數(shù)，灌水量也較大，而此時(shí)玉米需水量小，易出現(xiàn)灌水與需水的矛盾，不僅降低水分利用效率，還可能對(duì)作物生長(zhǎng)造成不利影響，這可能是文獻(xiàn)[7]玉米產(chǎn)量和水分利用效率遠(yuǎn)低于其他地區(qū)的原因之一。但如果在基于蒸發(fā)皿蒸發(fā)量制定灌溉制度時(shí)，增加作物系數(shù)，考慮作物不同生育期需水規(guī)律，則可提高灌溉制度的合理性[8]，因此，本文在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮作物系數(shù)，通過(guò)田間試驗(yàn)研究不同灌溉水量對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，從而綜合確定合理的灌溉制度，為風(fēng)沙土地區(qū)玉米滴灌技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于遼寧省彰武縣北甸子村(E122°23′、N42°50′)，地處科爾沁沙地南緣，屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，其主要特征是干燥，風(fēng)沙大。多年平均降雨量412 mm，降雨量年內(nèi)分布不均，夏季降雨量占全年降雨量的60%～70%；多年平均蒸發(fā)量1 781 mm；年平均氣溫6.1 ℃，平均風(fēng)速3.7～4.2 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)24.0 m/s，沙塵暴天氣10～15 d；植物生長(zhǎng)期145～150 d，無(wú)霜期154 d。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為流動(dòng)風(fēng)沙土，干密度1.69 g/cm3，田間持水率12%，凋萎含水率為1.7%，飽和含水率為16.9%。土壤機(jī)械組成以細(xì)沙為主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少，有機(jī)質(zhì)含量為66 g/kg。

1.2 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年5-10月進(jìn)行，玉米供試品種為“遼單535”，根據(jù)玉米生長(zhǎng)劃分為苗期、拔節(jié)期、穗期、灌漿期、完熟期等5個(gè)生育期，以灌溉水量為試驗(yàn)因素，各生育期灌溉水量通過(guò)下式計(jì)算：

W=αKci(Ek,5-Pk,5)

式中：Ek,5為第k個(gè)5日冠層水面累計(jì)蒸發(fā)量，逐日實(shí)測(cè)；Pk,5為第k個(gè)5日累計(jì)降雨量，逐日實(shí)測(cè)；Kci為第i個(gè)生育期作物系數(shù)，苗期、拔節(jié)期、穗期、灌漿期和完熟期分別取0.45，0.55，1.2，1，0.7[9]；α為需水系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別取0.6(IR1)、0.8(IR2)、1.0(IR3)、1.2(IR4)。

試驗(yàn)共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)。單個(gè)小區(qū)內(nèi)有5壟，壟長(zhǎng)5 m，小區(qū)面積30 m2。玉米采用大壟雙行種植，壟距1.2 m，寬行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m。小區(qū)采用重力滴灌，灌溉前計(jì)算灌溉水量，注入桶中；追肥前將小區(qū)追肥所需肥料溶解，溶液倒入桶中，注水，以水肥一體化形式灌溉施肥。

1.3 田間管理

播種前種子進(jìn)行晾曬處理，各處理均在春播前翻地，平整土地，施農(nóng)家肥(雞糞)1.5 t/hm2，5月11日機(jī)械起壟-鋪設(shè)滴灌帶-覆膜-播種-底肥。施肥量參照當(dāng)?shù)赜昧?，其?0%以底肥施入土壤，30%作為追肥(拔節(jié)肥40%、穗肥60%)。5～6葉期定苗,拔節(jié)期中耕除草,噴施農(nóng)藥甲胺磷一次,防治蟲(chóng)害。8月24日后由于多次降雨，同時(shí)玉米進(jìn)入成熟期，停止灌溉，9月27日收獲。

1.4 測(cè)定指標(biāo)和方法

降雨利用試驗(yàn)站小型氣象站監(jiān)測(cè)，在試驗(yàn)區(qū)從南到北在冠層上方20 cm分別放置3套20 cm蒸發(fā)皿測(cè)量冠層水面蒸發(fā)，每天08∶00測(cè)量一次。灌溉水量通過(guò)水表觀測(cè)。每次灌水前后用TRIME測(cè)定土壤含水量，TRIME管埋設(shè)在壟中央，相鄰兩滴頭中間，埋深80 cm。每個(gè)生育期各處理選9株測(cè)量玉米株高、莖粗和單株全部展開(kāi)葉的葉面積，葉面積指數(shù)(LAI)用葉面積和與單位土地面積折算求得；收獲時(shí)在各小區(qū)隨機(jī)取樣3株測(cè)地上物質(zhì)重(鮮重、干重)、考種(穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重等)，并計(jì)算產(chǎn)量和水分利用效率(WUE)。植株干重采用地上植株放入烘箱在105 ℃殺青0.5 h，75 ℃下烘至恒質(zhì)量，采用電子天平稱量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理土壤含水率變化規(guī)律

玉米生育期內(nèi)各處理0～60 cm土壤平均含水率變化結(jié)果如圖1所示。各處理土壤含水率均呈周期性變化，降雨和灌溉后土壤含水量迅速增加，隨著土壤蒸發(fā)和作物消耗，土壤含水量持續(xù)降低。玉米生育期內(nèi)，IR1，IR2，IR3，IR4處理0～60 cm土壤含水率平均值分別占在田間持水量的78.9%、83%、69%、76.5%，在玉米適宜含水量范圍內(nèi)[10]，各處理灌后土壤含水率較灌前分別平均增加1.8%、2.3%、2.8%、3.6%，即灌水量越大，土壤蓄水越多。IR1和IR2處理土壤含水率變化較為平緩，IR4處理土壤含水率變化幅度較大，這是由于灌水少時(shí)，土壤含水量未高于田間持水量，深層滲漏發(fā)生幾率小，且玉米在灌水少時(shí)根系吸水可能受到抑制，土壤水分消耗少；灌水量大時(shí)，灌后土壤含水率平均達(dá)到12.8%，高于田間持水量，易發(fā)生漏水現(xiàn)象，同時(shí)，土壤水分充足時(shí)，玉米消耗水量增加，從而土壤水分含量變化較大。IR3處理土壤含水量一般在70%～100%田間持水量之間變化，在此區(qū)間玉米無(wú)明顯受旱脅迫，土壤水分有效性高，為玉米生長(zhǎng)提供了良好的土壤條件，這與同樣保水性差的礫石土質(zhì)滴灌土壤水分變化規(guī)律相似[11]。

圖1 玉米生育期內(nèi)各處理0～60 cm土壤平均含水率動(dòng)態(tài)變化

2.2 不同灌水處理對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

2.2.1 株 高

玉米生長(zhǎng)期內(nèi)株高變化如圖2所示，隨著生長(zhǎng)期的進(jìn)行，株高在苗期～拔節(jié)期迅速增大，增幅平均達(dá)到239.0%，拔節(jié)～穗期株高持續(xù)增大，但增幅減小，平均為40.7%，穗期后，株高趨于穩(wěn)定。各處理之間，苗期株高接近；拔節(jié)后，玉米株高隨著灌水量的增加而增加，完熟期灌水量最少的IR1處理株高僅194 cm，IR2和IR3相差不大，分別為202.8和207.8 cm，IR4處理?xiàng)l件下株高最大，達(dá)到228.0 cm。方差分析表明，苗期各處理株高差異不顯著；拔節(jié)期～灌漿期IR1顯著矮于IR4處理，IR2、IR3與IR4差異不顯著，完熟時(shí)，IR1、IR2和IR3處理之間差異不顯著，但均顯著矮于IR4處理。說(shuō)明拔節(jié)期后灌溉水量是影響玉米株高生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，增加灌水量促進(jìn)株高生長(zhǎng)，或拔節(jié)期水分脅迫對(duì)株高有明顯的抑制作用[12]。當(dāng)灌水量相差較大時(shí)，可顯著影響植株高度，此外，灌水量大可延緩植株衰老萎蔫，完熟期時(shí)株高變化較小。

圖2 不同處理玉米生育期株高變化 注：同一生育期各處理無(wú)相同字母代表差異達(dá)5%顯著水平，下同。

2.2.2 莖 粗

各處理玉米莖粗變化如圖3所示，隨著生長(zhǎng)進(jìn)行，玉米莖粗有先增大后減小的變化趨勢(shì)，苗期到拔節(jié)期莖粗增大較明顯，平均增長(zhǎng)40%，拔節(jié)期～灌漿期莖粗變化較小，完熟期莖粗減小約19%。不同處理之間，苗期莖粗差異較小，苗期后，灌溉水量越大，莖稈越粗壯，在莖粗達(dá)到最大的穗期IR1處理莖粗最小，只有29.5 mm，IR2、IR3、IR4處理分別比IR1粗2.2%、12.5%、14.5%。方差分析表明，苗期各處理差異不顯著；拔節(jié)期時(shí)，IR4處理顯著粗于其他處理；穗期～完熟期IR1處理顯著小于IR4處理，其他處理之間差異不顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明，拔節(jié)期是莖粗形成的關(guān)鍵時(shí)期，灌水量作用顯著，有利于獲得粗壯莖稈；在水分不構(gòu)成脅迫時(shí)，拔節(jié)～穗期玉米莖稈會(huì)持續(xù)生長(zhǎng)，但如果長(zhǎng)期灌溉水量小則可能抑制玉米莖粗生長(zhǎng)，這與“由于需水關(guān)鍵期的短期輕度水分脅迫后具有部分補(bǔ)償效應(yīng),長(zhǎng)期脅迫后補(bǔ)償效應(yīng)不足”[13]結(jié)論類似，在風(fēng)沙土地區(qū)要獲得粗壯莖稈，灌水量應(yīng)達(dá)到IR3處理水平。

圖3 不同處理玉米生育期莖粗變化

2.2.3 葉面積指數(shù)(LAI)

玉米LAI變化如圖4所示，LAI隨著玉米生長(zhǎng)先迅速增大，在穗期LAI達(dá)到最大后持續(xù)減小，苗期到拔節(jié)期的LAI增幅最為明顯，漲幅達(dá)到近10倍，拔節(jié)～穗期增長(zhǎng)減緩，約增長(zhǎng)35.4%，穗期LAI平均為3.5，穗期～灌漿期時(shí)LAI開(kāi)始小幅下降，約為10%，完熟期LAI衰減速度加快，下降20%。不同處理之間，苗期葉片少，LAI值都較小，差異不明顯；拔節(jié)期灌水量較多的IR3和IR4處理LAI明顯高出灌水量少的IR1和IR2處理；拔節(jié)期后，LAI隨著灌水量的增加而增大，穗期、灌漿期和完熟期IR4處理分別高出IR1處理27.0%，37%和40.5%。方差分析表明苗期處理之間差異不顯著，拔節(jié)期IR1處理顯著小于IR3和IR4處理；穗期～完熟期，僅灌水量最大的IR4處理顯著大于灌水量最小的IR1處理，其他處理之間差異不顯著。試驗(yàn)說(shuō)明灌水量對(duì)LAI影響明顯，增大灌溉水量可獲得較大的LAI，這是由于高水處理水分充足，作物吸水容易，有利于葉片生長(zhǎng)和減緩葉片衰敗，而低水處理，因水分脅迫抑制葉片生長(zhǎng)并加快葉面衰敗[12]，灌溉量達(dá)到IR3處理時(shí)會(huì)在一定程度上延緩葉片枯萎,增加干物質(zhì)的積累量[14]。試驗(yàn)LAI值與其他文獻(xiàn)[15]相比偏小，這是可能土壤瘠薄，植株整體偏小，同時(shí)種植密度小，單株玉米占地面積較大導(dǎo)致。

圖4 玉米各生育期的葉面積指數(shù)(LAI)

2.2.4 地上物質(zhì)重

玉米完熟期地上部分物質(zhì)重如表1所示，地上部分鮮重和干重均隨著灌水量的增加而增大，IR4處理地上部分鮮重和干重分別為694.42、245.1 g，鮮重比IR1、IR2和IR3處理分別高50.6%、16.8%和4.3%，干重分別高出61.7%、25.7%和10.2%。其中IR1處理鮮重與IR4處理差異達(dá)到顯著水平，IR1處理干重顯著低于其他處理，IR2處理干重與IR4處理也達(dá)到顯著水平。即增加灌溉水量有利于玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，對(duì)地上物質(zhì)的形成具有明顯的促進(jìn)作用。

表1 不同灌溉處理地上物質(zhì)重和SPAD值

注：同一列數(shù)據(jù)無(wú)相同字母代表差異達(dá)5%顯著水平，下同。

2.2.5 葉綠素(SPAD值)

由表1可知，葉片SPAD值呈現(xiàn)先增大后減小的總體趨勢(shì)，在穗期時(shí)葉片的SPAD值達(dá)到最大，平均為63.5，分別比苗期、拔節(jié)期、灌漿期多出16.6%、17.6%、13.8%。不同處理之間，隨著灌溉水量的增加，各處理的SPAD值也逐漸增加，苗期～灌漿期IR1平均值分別比IR2、IR3、IR4處理低5.5%、10.7%、13.2%。從方差分析上看，苗期沒(méi)有顯著性差異；拔節(jié)期灌水較少的處理IR1和IR2處理顯著低于灌水較多的IR3和IR4處理；穗期時(shí)IR4處理顯著高于其他處理；灌漿期各處理之間沒(méi)有顯著性差異。即玉米葉片的葉綠素含量對(duì)水分感應(yīng)較為敏感，葉片生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，水分越充足，葉片SPAD值越大，但隨著作物生長(zhǎng)，葉片成熟，灌水量引起的差異逐漸減小，這與宮亮等研究結(jié)果相一致[16]。此外，梁哲軍等研究發(fā)現(xiàn)SPAD值下降速率隨滴灌定額的增加而降低[17]，試驗(yàn)中穗期～灌漿期SPAD值下降速率具有相似規(guī)律，由此可知，灌溉水量越多對(duì)作物葉綠素積累越有利。

2.3 產(chǎn)量與WUE

玉米考種指標(biāo)、產(chǎn)量和WUE如表2所示，穗行數(shù)隨灌水量增加有減小的趨勢(shì)，其他各考種指標(biāo)隨著灌水量的增加先增大后減小，IR3處理各指標(biāo)值最大，各處理之間差異均未達(dá)到顯著水平。IR1處理穗重僅243.3g，比IR2、IR3和IR4處理分別少26%、33%、32%；各處理穗長(zhǎng)在18～22 cm之間，灌水量引起穗長(zhǎng)變化幅度約15%，IR1處理穗長(zhǎng)較其他處理短2.84、2.84、1.77 cm。穗粗在49～52 mm之間，變化幅度更小，約4.8%。IR1處理平均每穗17行，每行35粒玉米粒，其他處理平均16行，IR3處理每行玉米粒數(shù)43粒，比IR2和IR4分別多14.6%和10.7%，由于玉米穗行粒數(shù)變幅大于穗行數(shù)，其乘積穗粒數(shù)變化規(guī)律與穗粒數(shù)接近，因此，IR3處理穗粒數(shù)多于其他處理；除穗粒數(shù)量多外，IR3處理粒重也高于其他處理，IR1、IR2、IR3處理粒重接近?？挤N結(jié)果表明灌溉水量越大，玉米穗越長(zhǎng)越重，當(dāng)灌溉水量達(dá)到1.2KcE時(shí)反不利于穗的生長(zhǎng)；穗粗受灌水量影響較小，灌水量過(guò)多過(guò)少都不利于籽粒生長(zhǎng)發(fā)育，籽粒偏小，粒重減輕；小?？蓪?dǎo)致穗行數(shù)增加，但并未增加穗粒數(shù)。

表2 不同灌溉處理對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成性狀的影響

試驗(yàn)因素水平范圍內(nèi)，處理之間產(chǎn)量和WUE差異均不顯著，但隨灌水量增加均有先增大后減小的變化趨勢(shì)。產(chǎn)量從大到小依次為IR3>IR2>IR4>IR1，IR3處理達(dá)到最大為13.2 t/hm2，分別高出IR2、IR4、IR1處理4%、6%、27.3%，灌溉水量低于IR2處理時(shí)，產(chǎn)量下降明顯，IR1較IR2減產(chǎn)24%。WUE從大到小順序是IR2、IR3、IR1、IR4，除灌水量最小的IR1處理因明顯減產(chǎn)，WUE為2.1 kg/m3外，WUE總體隨著灌溉水量的增大而減小，IR2處理WUE達(dá)到2.4 kg/m3，IR3和IR4處理較IR2處理分別減少7%和21.7%。這表明灌水量低至IR1處理時(shí)，因?yàn)殚L(zhǎng)期水分脅迫導(dǎo)致減產(chǎn)，當(dāng)灌水量高于IR2處理時(shí)，增加灌水量可提高產(chǎn)量，但灌水量過(guò)多則會(huì)造成減產(chǎn)，這與前人研究結(jié)果一致[18]。WUE受玉米產(chǎn)量和灌溉水量雙重作用，在灌水量少時(shí)仍可獲得較高的WUE值，但犧牲了產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)性差；增加灌溉水量可提高產(chǎn)量和增大WUE，但隨著灌水量等進(jìn)一步增加，產(chǎn)量增幅減小，甚至減產(chǎn)，WUE大幅下降，水資源利用效率低[7]。因此，綜合考慮灌溉水量對(duì)玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和WUE的影響，在遼西北風(fēng)沙土地區(qū)，玉米膜下滴灌灌溉水量宜控制在0.8KcE～1.0KcE。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)增加灌溉水量有利于玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，玉米莖粗，株高，葉面積，干物質(zhì)，葉綠素等隨灌水量的增加而增大，當(dāng)灌水量低于0.8KcE時(shí)，玉米植株生長(zhǎng)受阻。

(2)灌水量過(guò)多和過(guò)少均不利于玉米生殖生長(zhǎng)，玉米穗重、穗長(zhǎng)、穗行粒數(shù)、穗百粒重等隨著灌水量的增加先增大后減小，穗粗受灌水量影響較小，穗行數(shù)隨著灌水量增加而減小。灌水量0.8KcE～1.0KcE時(shí)，產(chǎn)量構(gòu)成性狀良好。

(3)玉米產(chǎn)量和水分利用效率均隨灌溉水量的增加先增大后減小，灌水量1.0KcE時(shí)，產(chǎn)量最大，13.2 t/hm2；灌水量0.8KcE時(shí)，WUE最大，2.4 kg/m3；綜合考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和水資源的合理利用，在遼西北風(fēng)沙土地區(qū)，玉米膜下滴灌灌溉水量宜控制在0.8KcE～1.0KcE。