揚黃灌區不同覆膜滴灌方式對玉米生長及產量的影響

李駿奇，孫兆軍,2，焦炳忠

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏大學環境工程研究院，銀川 750021)

溫度、光照、降雨量都是影響玉米生長發育的環境因素，溫度主要影響玉米營養生長階段，是決定玉米生育過程的主要因素，而降雨量則主要影響玉米生殖生育期的進程[1]。

研究結果表明：與裸地種植相比，覆膜可以提高表層地溫、降低農田地表的蒸發、顯著提高春玉米的出苗率和水分利用效率，增加春玉米經濟產量[2]。水肥一體化灌溉，有利于精準施肥，提高化肥利用效率[3]。覆膜還提高土壤內生物酶的活性，改良作物種植土壤的水熱環境，協調作物生長所面臨的低溫脅迫和干旱脅迫，明顯降低作物病害威脅[4—6]。近年來微灌尤其是滴灌技術在西北干旱區農業生產中得到廣泛應用，而地下滴灌可以減少土表蒸發損失，既滿足植被正常生長需求，又不易塞堵輸水管，降低成本，提高勞動效率[7]。并且地下滴灌的灌溉過程不易擾動土壤結構，可以較好地保持作物根部松軟透氣的土壤環境，而灌溉管道埋于地下，避免了陽光暴曬等各類地表腐蝕和人為竊盜破壞[8]。

國際上也將覆膜和滴灌技術廣泛運用在了各類經濟作物，美國佛羅里達大學的Lucas G. Paranhos等[9]對大白菜覆膜滴灌研究表明：使用塑料薄膜覆蓋結合滴管技術可以幫助減輕大白菜移栽造成的溫度和光照不足缺點，提高肥料和水分的利用效率，提高大白菜產量。巴西利亞大學的Marcus V. S. Coelho等[10]研究覆膜滴灌與噴灌對草莓生育狀況的影響，結果表明地膜覆蓋下的滴灌相比噴灌，明顯降低草莓花葉枯萎病和果實腐爛病的發生率。在染病初期，有機覆蓋物比塑料地膜覆蓋處理，花葉枯萎和病果率降低76%。

眾多研究表明，膜下滴灌技術可以改善土壤水熱循環，提高農田灌溉水利用效率，提高農作物產量，但還缺乏對膜下滴灌與作物最優伴膜生長種植模式的分析，覆膜淺埋式節水滴灌技術尚且存在較大的研究空間。

試驗以提高土壤溫度和農田灌溉水利用效率為中心，利用覆膜保墑手段和水肥一體式的精準節水滴灌方式相結合來對玉米各項生育指標和產量進行研究，從田間土壤水、熱循環角度研究滴灌玉米覆膜節水增產機理,分析玉米全生育時期內各項生長指標以及試驗區內土壤各項理化性質，提高干旱地區玉米節水灌溉效率，為寧夏揚黃灌區等干旱缺水地區高效利用降水資源、增加經濟效益提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2016年在寧夏回族自治區南部山區同心縣王團鎮科技園區內進行，園區氣候為中溫帶半干旱大陸性氣候。該地區氣候干旱，年平均降水量較少，僅為272.6 mm，而年平均蒸發量較大，為2 325 mm。年平均氣溫8.6 ℃，多年平均日照3 024 h，無霜期120～218 d。

試驗區土壤為沙壤土，土壤密度1.43 g/cm3，全氮0.65 g/kg，全鹽0.25 g/kg，有機質8.10 mg/kg，全磷0.77 g/kg，速效磷21.65 mg/kg，速效鉀170.00 mg/kg， pH值7.83，田間持水率為23.11%。

1.2 試驗設計

試驗作物選擇為當地常見品種先玉335飼料玉米，將可以實現精準節水灌溉目的的淺埋式滴灌與可以實現土壤保水保墑效果的地膜覆蓋結合作對比試驗。保證各試驗小組同時播種,生育期間采取相同的施肥和灌溉制度。設計4種試驗模式, 每種模式3次重復,共12個小區隨機區組種植，具體種植方式如下：每個小區長9 m，寬5 m，面積45 m2。相鄰小區間設1 m寬隔離帶，防止各試驗小區之間水熱環境相互影響。試驗田四周分別種植3行同品種玉米，預防周邊農田異種玉米串粉，影響試驗田產量。

田間淺埋滴灌設備選擇內鑲貼片式滴灌帶，管帶充水后外徑16 mm。貼片式內鑲滴頭間距0.3 m，利用1.5 kW潛水泵壩內抽水，穩定工況下滴頭流量2 L/h，淺埋式滴灌帶平均埋入深度為5.0～5.5 cm。

(1)膜內淺埋式滴灌(UF)。如圖1所示，試驗小區寬窄行設計，寬行0.7 m，窄行0.3 m，寬行正中央埋入滴灌帶。玉米植株寬行種植，每小區種植10行玉米，分別播種于5條滴灌帶兩側0.15 m，株距按滴頭0.3 m一孔一株，種植密度為6.66 萬株/hm2。選取寬度0.9 m地膜覆滿寬行，依寬窄行分界線壓實。

(2)膜側淺埋式滴灌(FS)。試驗小區設計及覆膜方式參照圖1，區別為滴灌帶窄行埋入，玉米距滴灌帶兩側分別0.15 m處種植。

(3)無膜淺埋式滴灌(NF)。試驗小區設計及覆膜方式參考圖1，區別為采取不覆膜處理。

(4)無膜地表滴灌(CK)。試驗小區設計及覆膜方式參考圖1，區別為采取不覆膜及滴灌帶地表鋪設處理。

1.3 水肥指標

播種前的基肥采取人工施肥的方法，將磷酸二氫銨(150 kg/hm2)，磷酸鉀復合肥(225 kg/hm2)撒于地表，隨翻地過程施入土壤。分別于苗期—拔節期、抽雄期—灌漿期追加磷酸二氫鉀(525 kg/hm2)。5月6日翻地平土，進行試驗小區規劃和滴灌帶的埋設，滴灌帶平均埋設深度控制在5 cm；5月8日播種，采用人工手持鴨子嘴播種，每穴1～2 粒種子，播完表層覆土輕壓實；5月18日檢測出苗(UF)，10月6日收獲，全生育期為166 d。

玉米生育期內的灌溉水量分配如下：苗期5 mm(10%)、拔節期15 mm(30%)、抽穗期15 mm(30%)、灌漿期15 mm(30%)。

全部小區采用水罐溶肥，用施肥器使肥隨灌溉水施入田間，施肥前先灌水30 min，使小區灌溉系統平穩運行，保證施肥均勻性和防止施肥濃度高而燒苗，施肥結束后灌水沖洗灌溉系統。

1.4 觀測項目

(1)土壤溫度和含水率。使用曲管地溫計測量土壤溫度。分別選取膜內滴灌、膜側滴灌和無膜滴灌處理各2個小區，每個小區安裝1組曲管地溫計;埋設深度分別為5,10,15,20,25 cm;埋設位置為行上2株玉米之間;地溫計觀測時間為每日06∶00-20∶00每隔2 h記錄一次。

分別在苗期、拔節期、抽雄期、吐絲期和灌漿期，用烘干法測定0～100 cm土層土壤含水量，每20 cm為一土層。

(2)出苗時間及出苗率。自播種3 d后起開始觀測各小區玉米出苗狀況，自區內玉米出苗開始記錄出苗率。當小區內出苗率達到80%以上并且無明顯變化時記為出苗時間。

(3)株高、莖粗、葉片數。每小區隨機選取長勢良好的玉米植株5 株，用直尺以玉米植株根莖分界線為起點，依據植株長勢量至植株自然生長最高點，記錄植株高度；由根部以上第1節，用游標卡尺測量植株縱徑與橫徑，記錄植株莖粗；清數植株每一片自然展開的葉子總數，記錄植株葉片數。

(4)葉面積指數、干物質積累量。在玉米苗期、拔節期、抽穗期、吐絲期和灌漿期，每小區隨機選取長勢良好的玉米植株3株，用卷尺測量每一片自然展開葉子的長度與寬度，然后帶回室內用網格交叉法測量葉片的實際面積，用葉片的實際面積除以長和寬的乘積確定修正系數(一般為0.74～0.76)，來計算葉面積指數(LAI)。在玉米苗期、拔節期、抽穗期、吐絲期和成熟期分別測定玉米植株地上部分的干物質質量，成熟期時分莖葉、籽粒測試。植株取樣點位置與株高測點相同。取整個植株樣品(地上部分)在105 ℃殺青0.5 h，然后在70 ℃下干燥至恒質量，稱量植株干物質質量。

(5)產量及水分利用效率。考種取樣在每個小區按等間距(10 m)布置4個觀測點，每個測點取2行，每行取3株，共6株(樣方面積為2×3×0.65 m×0.33 m=1. 287 m2)，測量穗粒數，風干后脫粒，測定百粒重、含水率，產量折算為質量含水率14%的標準產量。

水分利用效率(WUE)的計算公式為：

WUE=Y/ET

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為單位面積玉米產量，kg/hm2；ET為作物蒸發蒸騰量，m3/hm2。

1.5 試驗數據處理

各項基礎試驗數據由電腦導入，分析工具借助MATLAB、AutoCAD 2014以及Microsoft Office Excel等進行數據的整理分析及圖表繪制工作。

2 試驗結果分析

2.1 土壤溫度及出苗情況

圖2給出苗期不同覆膜處理20 cm深度土壤溫度的典型日變化規律。從圖2中可以看出，覆膜處理的植株全生育期土壤溫度均高于不覆膜處理，且這一變化在苗期最為明顯。與無膜滴灌相比，覆膜處理可以提高地表溫度，尤其是膜內淺埋式滴灌處理，平均溫度比無膜處理提高2.4 ℃，日間氣溫差距最明顯時段出現在下午14∶00-16∶00，最大溫差為2.7 ℃。由此可見，覆膜處理營造了更有利于植株生長發育的溫度條件。

圖2 苗期20 cm深度土壤溫度的典型日變化

表1給出不同處理下玉米出苗率統計情況。從表1中可以看出，覆膜滴灌處理的出苗率明顯高于不覆膜處理，在覆膜處理中，UF的出苗率又高于FS。其中，UF的出苗時間為5月18日，比FS提前1 d，比NF和CK提前3 d。可見，覆膜處理可以加快玉米的出苗時間，提高玉米出苗率，其中以UF效果最好。

表1 玉米出苗率統計

2.2 玉米植株生育指標

2.2.1 株 高

從圖3可以看出，各處理在苗期株高走勢差別較小，自拔節期(7月4日)開始，各處理株高存在明顯規律為UF>FS>NF>CK，抽雄期(7月21日)后，植株光合作用產生的有機物質主要用于果實的灌漿，株高于成熟期趨于穩定時，UF、FS、NF的平均株高分別較CK增高了46.5%、32.2%、16%。其中覆膜處理的平均株高增幅十分明顯，而淺埋滴灌處理相對地表滴灌處理，也會提高玉米植株的株高。其中，在7月21日—8月9日(抽穗期—灌漿期)，覆膜處理的玉米植株株高仍有小幅度的增長，而無膜處理的玉米植株株高增長在這一時期幾乎停滯。

圖3 玉米株高變化

2.2.2 葉片數及葉面積指數

玉米植株的葉片是其進行光合作用的主要器官，通過有機質的積累促成玉米的最終產量。葉片數以及葉面積指數可以反映玉米的生育、灌漿以及產量狀況。圖4和圖5分別給出不同處理植株的葉片累計數以及葉面積指數變化規律。從圖4可以看出，覆膜的2種處理與無膜的2種處理葉片數具有明顯差別，不同覆膜方式之間也具有一定差距，而無膜處理的NF與CK之間，葉片數無明顯變化。UF、FS、NF和CK成熟期葉片數分別為17、15、14和14片。UF、FS與CK相比較處理各增加了3片、1片。

圖4 葉片累計數變化

圖5 葉面積指數變化

從圖5可以看出，各處理的葉面積指數隨植株的生育過程遞增。是否采取覆膜處理對葉面積指數影響較為明顯，而單一因素下，UF與FS之間以及NF與CK之間，從苗期到拔節期(6月2日-7月4日)，葉面積指數差異不大。植株成熟期葉面積指數UF>FS>NF>CK，UF、FS、NF在成熟期相比較CK分別增加了18.9%、14.4%、4%。

2.3 地上部分干物質積累量

圖6給出各處理植株地上部分干物質積累量隨各生育期的變化規律。從圖6中可以看出：在苗期—拔節期主要是營養器官的分化與根系的建立，此階段各處理地上部分干物質積累量無明顯區分；從抽雄期開始，各處理開始出現明顯區分，并在灌漿期區別最為明顯，UF、FS地上部分干物質積累量明顯高于NF、CK。覆膜處理對地上部分干物質積累量的影響較大，淺埋滴灌處理相對地表滴灌也有一定影響，灌漿期以果實的灌漿與物質積累為主，水分需求量大，此時期缺水會造成減產。成熟期的地上部分干物質積累量，UF、FS、NF分別比CK增加了9.7%、6.8%、4.2%。

圖6 地上部分干物質積累量

2.4 產量及水分利用效率

根據王團鎮當地歷史氣象統計，近年來玉米生育期(5-9月)的平均有效降水量(大于5 mm)為 234 mm。表2給出各試驗處理玉米實際產量與各項灌溉指標。從表2得出：各處理玉米實際產量比較為UF>FS>NF>CK，且UF、FS、NF比CK分別高出12.9%、8.2%、2.6%；膜內處理比膜側處理、無膜處理分別高出4.7%、10.3%；淺埋式處理比地表處理高出2.6%。

表2 玉米實際產量與各項灌溉指標

各處理采用相同的灌水定額，但實際需水量存在差異：CK實際需水量最多，產量最低，需水量從高到低依次為CK>NF>FS>UF，FS處理比UF處理需水量高0.63%。群體WUE在覆膜方式下差異明顯，在是否淺埋處理下差異較小，UF處理比FS、NF和CK處理分別高5.0%、11.8%和15.2%；灌溉水分生產效率從高到低依次是UF>FS>NF>CK。

3 結 論

(1)覆膜處理全生育期土壤溫度均高于不覆膜處理，且在苗期最為明顯。與無膜滴灌相比，覆膜處理可以提高地表溫度，膜內淺埋式滴灌處理提高玉米出苗率效果優于膜側淺埋式滴灌處理。覆膜處理營造了更有利于植株生長發育的溫度條件，加快玉米的出苗時間，提高玉米出苗率。

(2)覆膜和淺埋滴灌處理營造了有利于玉米生長的土壤水、熱環境，相比無膜地表滴灌處理，植株的株高、葉片數均有增加。株高于成熟期趨于穩定，植株光合作用產生的有機物質主要用于果實灌漿，UF、FS、NF的平均株高分別較CK增高了46.5%、32.2%、16%。覆膜處理的平均株高增幅十分明顯，而淺埋滴灌處理相對地表滴灌處理，也會提高玉米植株的株高。

覆膜處理可以增加植株葉片數量，有利于植物有機質的積累，而淺埋式滴灌相對于地表滴灌，對葉片數量的影響不大。

各處理的葉面積指數隨植株的生育過程遞增，覆膜處理可以明顯提高葉面積指數。而UF與FS之間以及NF與CK之間，苗期至拔節期的葉面積指數差異不大。成熟期葉面積指數UF>FS>NF>CK，UF、FS、NF在成熟期相比較CK分別增加了18.9%、14.4%、4%。

(3)苗期至拔節期主要是營養器官的分化 與根系的建立，此階段地上部分干物質積累量各處理之間無明顯區分；而在灌漿期區別最為明顯，UF、FS地上部分干物質積累量明顯高于NF、CK。成熟期的地上部分干物質積累量，UF、FS、NF分別比CK增加了9.7%、6.8%、4.2%。覆膜處理對地上部分干物質積累量的影響較大，淺埋滴灌處理相對地表滴灌也有一定影響，灌漿期以果實的灌漿與物質積累為主，水分需求量大，此時期缺水會造成減產。

(4)各處理玉米需水量從高到低依次為CK>NF>FS>UF，實際產量比較為UF>FS>NF>Ck，且UF、FS、NF比CK分別高出12.9%、8.2%、2.6%；膜內處理比膜側處理、無膜處理分別高出4.7%、10.3%；淺埋式處理比地表處理高出2.6%；灌溉水分生產效率從高到低依次是UF>FS>NF>CK。覆膜方式對群體WUE影響明顯，是否采取潛埋處理對群體WUE影響不大。

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