微潤灌溉對玉米耗水特性及產(chǎn)量的影響研究

王亞竹，王建平

(1.甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000；2.甘肅省引大入秦工程管理局，甘肅 永登 730300)

微潤灌溉是一種以半透膜為基本原理，以低工作壓力為動力驅動，通過毛管上的灌水器把水或水肥的混合液緩慢出流滲入到作物根區(qū)土壤中，再借助毛細管作用或重力作用將水分擴散到根系層供作物吸收利用的一種新型節(jié)水灌溉技術[1]。其特點是地下線源連續(xù)緩慢灌溉，能最大程度地節(jié)約勞動力、節(jié)省能源消耗和高效利用水資源。微潤灌溉與其他傳統(tǒng)灌溉方式相比均勻度高，有效降低了徑流、滲漏和蒸發(fā)這三種主要的田間水分損失，節(jié)水效果非常明顯，在干旱區(qū)具有廣闊的應用前景。對微潤灌溉技術的研究主要集中在不同埋深及壓力水頭對作物生長、產(chǎn)量、品質、土壤水分動態(tài)的影響[2-5]，不同土壤質地對微潤管水分入滲、線源入滲濕潤體特性及水分運移的影響[6-8]，微潤管不同布設方式對夏玉米苗期生長影響[9]，微潤灌溉灌水均勻度[10]等方面?？梢娡ㄟ^合理的布設和灌溉參數(shù)的優(yōu)化，微潤灌溉在一定程度上可達到節(jié)水增產(chǎn)的目的。本研究針對區(qū)域特點，在民勤綠洲開展相關研究，與膜下滴灌對比分析微潤灌溉條件下玉米節(jié)水、增產(chǎn)及水分利用的機理與效果，為微潤灌溉技術推廣應用提供科學參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年4月-2016年9月進行，試驗區(qū)位于民勤縣城以北約13.5 km處的大灘鄉(xiāng)東大村甘肅省水利科學研究院民勤灌溉試驗示范基地內，地處綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)量大，風沙多，自然災害頻繁。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45%，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm，全年平均揚沙59 d。年日照時數(shù)3 028 h，光熱資源豐富，≥0 ℃積溫3 550 ℃，≥10 ℃積溫3 145 ℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗區(qū)土質0～60 cm為黏壤土，60以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳?，土壤平均容重?.54 g/cm3，田間持水量為22.27 %。試驗田土壤養(yǎng)分、鹽分含量為有機質0.527%、全氮0.045%、全磷0.115%、全鉀1.667%、pH值7.96、全鹽1.872 g/kg，灌溉水礦化度0.91 g/L。

1.2 試驗設計

根據(jù)微潤管首部工作壓力試驗設3個處理，首部工作壓力分別為2.0、2.5和3.0 m，以膜下滴灌為對照。試驗區(qū)微潤管間距60 cm，布置長度78 m，埋設深度30 cm，充滿水后覆土掩埋，首部安裝水箱，在水箱內部安裝水位自控浮球閥，以自動控制水箱水位，保證田間灌水的連續(xù)性以及提供較為穩(wěn)定的進口壓力。試驗以玉米為供試作物，品種為“先玉335”，均為覆膜種植，行距45 cm，株距25 cm，膜下滴灌對照區(qū)采用“1膜2管3行”布設，膜寬145 cm，布置長度78 m，滴灌設計灌水定額為40.5 mm，用水表嚴格控制灌水量，灌水次數(shù)8次，灌水時間根據(jù)土壤含水量結果及作物生育期狀況進行適時灌溉，灌溉水源為井水。

1.3 測定指標與方法

土壤含水率：采用土鉆取土烘干稱重法(105 ℃，12 h)結合TDR土壤水分速測儀測定。深度為0～100 cm土層中每20 cm為一層進行測定，整個生育期每隔10～20 d測定一次，降水及灌水前后進行加測。

灌水量：微潤灌溉區(qū)每天固定時間記錄水表計數(shù)，計算出每天的灌水量；滴灌區(qū)按照設計灌溉制度進行灌溉，記錄每次灌水時間、灌水前后水表讀數(shù)，計算出每次的灌水量。

耗水量：耗水量(ET)按式(1)計算：

ETi=M+P+K±ΔS-R-D

(1)

式中：ETi為作物階段耗水量，mm；M為灌水量，mm；P為降水量，mm；K為地下水補給量，mm；ΔS為土壤貯水量的變化，mm；R為地表徑流量，mm；D為深層滲漏量，mm。

試驗區(qū)地下水位較深，地下水的補給量不予考慮，即K=0。因試驗采用是微潤灌溉和膜下滴灌技術，屬于小定額灌溉，不產(chǎn)生地表徑流并避免了深層滲漏，在計算過程中不考慮，即R=0，D=0。考慮到試驗區(qū)域降水少、蒸發(fā)量大的氣候特點，在計算耗水量時，只將一次≥5 mm的降水作為有效降水，<5 mm的降水不考慮在內。

氣象資料：通過安裝的TRM-ZS3全自動氣象站觀測記載降水量、蒸發(fā)量、溫度、風速等氣象因素。

籽粒產(chǎn)量：玉米成熟后，在每個小區(qū)隨機選三處進行取樣，每處取樣12株，風干后稱重，進行考種，按各小區(qū)單收，計算各小區(qū)籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

用Excel2013進行數(shù)據(jù)處理和制圖，用DPS(v6.05)統(tǒng)計軟件做相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式下的灌水量

微潤管直接向作物根區(qū)緩慢持續(xù)供水，根據(jù)作物耗水速度自動實時灌溉，由水表測量灌水量，在作物生育階段每天記錄灌水量。由表1可以看出，膜下滴灌灌溉定額為324.0 mm，微潤灌溉整體較膜下滴灌灌水定額小，其中微潤管進口壓力為3.0 m時其灌溉定額最大，為242.82 mm，較膜下滴灌小25.1%，且水頭壓力越小，節(jié)水效果越明顯，說明微潤灌溉只灌溉作物根部，減少了無效的土壤水分消耗，具有明顯的節(jié)水效應。微潤灌溉在玉米不同生育期灌水量差異較大，在苗期到拔節(jié)期和拔節(jié)期到大喇叭期灌水量最大，如3.0 m水頭這兩生育期灌水量分別占到總灌溉定額的24.7%和23.9%，說明在這兩生育期其耗水量較大，土壤水分消耗較快。微潤灌溉定額與首部壓力水頭有顯著的正相關關系(圖1)，首部水頭和灌水量滿足對數(shù)函數(shù)關系，且其決定系數(shù)R2達到0.995 ，微潤管進口壓力從2.0 m提高到2.5 m，再從2.5 m提高到3.0 m時，灌溉定額分別增加17%和9.5%，說明存在一個灌水量極值，這為有效控制微潤管出水量提供了可能。

表1 不同生育階段玉米畝灌溉用水量 mm

圖1 微潤灌溉首部水頭和灌水量關系

2.2 對玉米耗水量的影響

應用農(nóng)田水量平衡法計算出玉米各生育時期耗水量及耗水特征值(表2)。由表2可以看出，玉米在不同的生育階段耗水是不同的，總體來說，玉米全生育期耗水量均表現(xiàn)為生育前期小，中期大，后期小的變化規(guī)律，拔節(jié)期和灌漿期是玉米需水的關鍵期，各處理耗水量峰值均出現(xiàn)在這兩個生育期，如微潤管進口壓力為3.0 m時，玉米在拔節(jié)期和灌漿期的耗水量分別為66.65 m和66.90 mm，耗水模數(shù)則為21.46%和21.54%，這兩個階段耗水量接近全生育期耗水量的一半，其他處理也有類似的規(guī)律。耗水總量最大的為滴灌對照區(qū)，全生育期總量為391.80 mm，較進口壓力為2.0、2.5和3.0 m的微潤灌溉分別大34.3%、26.1%和20.7%。各生育期隨著作物長勢和灌水條件的不同耗水量有所區(qū)別，如在拔節(jié)期和大喇叭期，微潤管進口壓力為3.0 m和2.5 m條件下其階段耗水量分別為66.65 mm和62.9 mm，比滴灌對照區(qū)分別大29.3%和35.6%。但是在玉米生長后期，即抽穗期、灌漿期和成熟期則表現(xiàn)為滴灌對照耗水量較大，說明微潤灌溉可以根據(jù)作物實際需水情況進行實時調整灌水量，這對優(yōu)化作物灌溉制度和提高葉片水分利用效率具有重要意義。

表2 不同生育階段玉米耗水量

注：CD表示生育期耗水量，mm；CP表示生育期耗水模數(shù)，%。

2.3 對玉米產(chǎn)量及構成因素的影響

玉米百粒重、穗長、穗重、穗粒重等均是影響玉米產(chǎn)量的重要因素。由表3可以看出，穗重、穗粒重和平均百粒重，均是微潤管進口壓力為3.0 m的處理最高，膜下滴灌對照最低，但各微潤管處理間無差異，其中穗重、穗粒重與滴灌處理有極顯著差異，百粒重與滴灌處理有顯著差異。如微潤管進口壓力為3.0 m比進口壓力為2.0、2.5 m和膜下滴灌平均百粒重分別高19.2%、14.2%和23.3%。微潤管進口壓力為3.0 m的處理產(chǎn)量也最高，達到10 507 kg/hm2，與其他微潤灌及滴灌處理有極顯著差異，較滴灌對照產(chǎn)量9 421 kg/hm2高11.5%，增產(chǎn)效果顯著。結合表1數(shù)據(jù)可得在微潤灌溉條件下，不但能夠增產(chǎn)，還能減少灌水量。

表3 玉米產(chǎn)量構成要素及水分利用效率

2.4 對玉米WUE的影響

由表3可以看出，不同處理對玉米WUE的影響較大，其中滴灌對照的WUE最低，僅為2.91 kg/m3，其次是微潤管進口壓力為3.0 m的處理，為4.33 kg/m3，其中微潤管進口壓力為2.0 m的處理WUE最大，達到5.38 kg/m3。說明滴灌對照灌水量較大降低了水分利用WUE，不利于干旱地區(qū)水資源高效利用的目的。利用灌溉定額和玉米籽粒產(chǎn)量進行回歸，發(fā)現(xiàn)兩者能較好地滿足二次函數(shù)關系(圖2)，其回歸方程為y=-0.119x2+76.24x-899.7，決定系數(shù)R2達到0.995，說明該方程能較好地反映隨著灌溉水量的增加玉米籽粒產(chǎn)量的變化趨勢。即隨著灌溉定額的增加，玉米籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后降低的變化規(guī)律，當水量達到一定值時，玉米產(chǎn)量出現(xiàn)最大值，繼續(xù)增大灌水量玉米籽粒產(chǎn)量會出現(xiàn)下降趨勢。由該方程計算可知玉米籽粒產(chǎn)量達到最大時灌溉定額為319 mm，此時籽粒產(chǎn)量的理論最大值為11 260.7 kg/hm2。

圖2 玉米籽粒產(chǎn)量與灌溉定額的關系

3 結果與討論

微潤灌溉和膜下滴灌灌溉方式完全不同，微潤灌溉是根據(jù)作物需要自動灌溉，不需要制定灌溉制度，而膜下滴灌是根據(jù)設計的灌溉制度進行適時適量間歇灌溉。對節(jié)約用水量方面，微潤灌溉以微量、緩慢、連續(xù)的供水過程給作物提供全生期供水，且在保證作物充分灌溉的前提下非常節(jié)水，減少了灌溉水的無效浪費。

(1)全生育期玉米微潤灌溉水頭壓力為2.0、2.5和3.0 m比膜下滴灌灌溉定額分別降低41.48%、31.53%和25.06%，減少了無效的土壤水分消耗，更加適合作物的生長需求。

(2)膜下滴灌全生育期耗水量比微潤管進口壓力為2.0、2.5和3.0 m的處理分別大34.3%、26.1%和20.7%，說明微潤灌溉可以根據(jù)作物實際需水情況進行實時調整灌水量，對于優(yōu)化灌溉水供給和提高水分利用效率具有重要意義。

(3)在微潤管進口壓力為3.0 m時，不但總耗水量較膜下滴灌低，而且產(chǎn)量還提高了11.5%，水分利用效率達到4.33 kg/m3，說明微潤灌溉通過優(yōu)化全生育期水分配置，達到了節(jié)水、增產(chǎn)、高效的效果。

微潤灌溉較滴灌具有一定的節(jié)水作用，本研究結論與已有節(jié)水60%以上研究成果還有一定的差距，但總體趨勢一致；微潤灌溉具有一定的增產(chǎn)作用，這與薛萬來等[11]的研究結論是相似的。另外，本研究結論是在大田試驗條件下完成的，不可避免受到氣候、作物種類、土壤質地、水資源等因子的影響，所以試驗得出的結論有一定的局限性，微潤灌溉技術參數(shù)及其對作物的影響還需進一步研究和探討。