不同耕作與灌溉施肥方式對夏玉米水分利用效率的影響

周 齡

(赤峰學院 資源與環境科學學院， 內蒙古 赤峰 024000)

1 研究背景

北京市位于我國華北平原的西北部，是嚴重缺水的特大城市，北京市人均水資源僅有133 m3，遠低于國際規定的人均水資源500 m3的極度缺水線[1-2]。嚴重缺水的現狀制約著北京地區經濟社會的可持續發展[3-4]。農業用水是水資源利用的重要組成部分，農業一直是用水大戶，2013年農業用水量占總用水量的24.97%。近年來北京地區發展節水農業已經取得了顯著效果，今后北京地區依然還需要大力發展節水農業。壟溝耕作方式是一種在農業生產中常用的節水節肥栽培模式，廣泛用于我國北方地區，它通過改變地形，攔蓄部分徑流，促進溝中水分向壟上位置側向流動，減小溝內水流下滲，具有較高的增產、節水、保墑、節肥和增溫的效益[5-8]。馬麗等[9]研究表明，在河南省俊縣，夏玉米采用壟作栽培方式與平作方式相比，能夠促進光合產物的積累及籽粒的轉移，玉米籽粒充實，千粒重顯著提高，產量提高9.6%。趙有彪等[10]研究表明，在甘肅地區種植玉米采用全膜壟作溝灌方式，其產量和水分利用效率分別提高了38.3%和39.0%。師學珍等[11]研究表明，壟作溝灌條件下，合理減少水量有利于提高玉米水分利用效率。謝文等[12]研究表明，壟作方式能明顯提高土壤含水量，土壤容重比平作減少0.05～0.08 g/m3，孔隙度增加，土壤有機質和有效養分含量增加。馬麗[13]研究表明，壟作方式增加土壤孔隙度，土壤容重比平作降低4.38%～7.95%，提高土壤溫度，改善土壤環境和田間小氣候環境，對夏玉米產量增產有幫助。前人研究大多是針對壟作與平作方式對土壤理化性質、作物生理生長指標及產量和作物水分利用效率的影響，而較少將作物耕作方式與灌溉施肥方式組合進行研究。華北地區夏玉米的種植面積占全國玉米生產的34.7%，總產量占全國玉米總產量的36.8%，是我國玉米的主產區之一[14]。為了確定北京地區夏玉米合理的耕作與灌溉施肥方式，本文通過開展夏玉米田間試驗，研究不同耕作與灌溉施肥方式對夏玉米水分利用效率的影響，以期為北京地區水資源高效利用和農業持續發展提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

試驗于2013年6月-10月在北京市灌溉試驗中心站永樂店試驗基地進行。該試驗基地位于北京市通州區永樂店鎮境內，東經114°，北緯39°，平均海拔為20 m。該試驗區屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候，多年平均氣溫為11.5℃，年平均日照時數為22 750 h，多年平均降雨量為622 mm，全年降水主要集中在6-9月份，占全年總降水量的75%。試驗基地地下水埋深達10～20 m。土壤基本物理性質見表1。

表1 土壤基本物理性質

2.2 試驗設計

本次試驗在試驗基地的大田進行，準備12個試驗小區，每個試驗小區的長度為3.5 m，寬度為4 m，面積為14 m2，每個試驗小區之間用田埂隔開，田埂的寬度和高度均為0.3 m，兩排試驗小區之間設有玉米保護區。本次試驗根據耕作方式、灌溉和施肥因素，設置4個處理，每個處理均重復3次，12個試驗小區采用隨機排列的方式布置。試驗小區布置圖見圖1。

耕作方式設置2種耕作方式，分別為起壟和不起壟，起壟耕作的壟深度為0.2 m，壟寬度為0.4 m。灌溉施肥方式設置4種方式，具有3種灌水水平和3種施肥水平。灌水水平分為高、低、不灌3種水平，其中高水灌溉與當地實際灌溉情況一致，玉米生育期內每畝地灌溉40 m3，即每個試驗小區灌溉60 mm，低水灌溉為高水灌溉的50%，即每個試驗小區灌溉30 mm，高水灌溉和低水灌溉分別在玉米拔節期各灌溉一次。施肥水平分為高肥、中肥和低肥3個水平，玉米在拔節期需要施尿素促進玉米生長發育，高肥水平施肥量為600 kg/hm2，中肥水平施肥量為450 kg/hm2，低肥水平施肥量為330 kg/hm2。這4種灌溉施肥方式組合分別為高灌中肥(AE)、低灌高肥(BF)、低灌中肥(BE)和不灌低肥(CD)。4種灌溉施肥方式在夏玉米播種前均需要灌溉，播前灌溉水量均為30 mm，目的是為了土壤儲水保墑和苗期玉米的生長；同時也需要在夏玉米播種前進行施肥，各處理均施復合肥450 kg/hm2，其中包括氮肥108 kg/hm2、磷肥81 kg/hm2、鉀肥63 kg/hm2。各處理灌溉施肥方案見表2。

圖1 試驗小區布置圖

表2 各處理灌溉施肥方案

本試驗供試作物為夏玉米，品種為“鄭單958”，2013年7月1日播種，10月24號收獲，生育期116 d，采用人工播種和施肥，玉米行距為0.6 m，株距為0.3 m，每個試驗小區布置7行11列，總共77株玉米。試驗基地有管道供水到試驗地，其中不起壟的處理采用畦灌灌水方式，起壟處理采用溝灌灌水方式，供水管道的末端安裝有水表，可以用來控制灌溉水量。試驗期間所有的農藝措施與當地實際情況保持一致。

2.3 測定項目與方法

在夏玉米每個生育期內采用土鉆分層獲取土樣，每個取樣點都分為4層，分別為 0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm。在播種前和收獲后兩次取樣，每個取樣點深度為0～100 cm。采用烘干法(土樣在105 ℃烘箱內烘8 h)測定土壤的含水率。在9月30日玉米進入成熟期采用卷尺測定每個處理玉米的株高和葉面積的長(L)與寬(B)，采用下列計算公式得到葉面積指數：

(1)

式中：LAI表示葉面積指數;K為葉片的擬合系數，夏玉米取為0.735[15];A為一株玉米葉片所占地面的面積。

夏玉米收獲時進行考種和測產，分別測定夏玉米的穗長、穗粗、百粒重、穗粒重，每個處理5次重復；每個處理取10株玉米進行脫粒并曬干后進行測產，換算成每公頃的產量。夏玉米全生育期內的氣象數據由試驗站的自動氣象站下載獲得，夏玉米全生育期內的降雨量為367.8 mm。

采用水量平衡公式計算夏玉米全生育期的耗水量，水量平衡公式如下：

Q=P0+I+ΔW-R-D

(2)

ΔW=10rH(W1-W0)

(3)

式中：Q為夏玉米全生育的耗水量，mm；P0為全生育的降雨量，mm；I為全生育的灌溉量，mm；ΔW為土壤水分變化量，mm；W0、W1分別為播前和收獲時土壤質量含水率；R為徑流量，mm，由于本試驗每個試驗小區之間由田埂隔開，徑流量為0；r為每層土壤的容重，g/cm3；H為土壤水的計算深度，mm，本次試驗取為100 cm；D為計算土體與下界面處的水分交換量，mm，由于試驗地地下水埋深在10 m以上，地下水上升對夏玉米生長的影響不大，夏玉米生長的水分主要由降雨和灌溉供給，進入作物根系層下邊界的滲漏量可忽略不計，故D取為0。

夏玉米全生育期的水分利用效率采用如下公式計算：

(4)

式中：WUE為夏玉米全生育期的水分利用效率，kg/m3；Y表示夏玉米產量，kg/hm2；Q為夏玉米全生育期的耗水量，m3/hm2。

3 結果與分析

3.1 土壤水分分布規律

圖2為不同處理的土壤水分分布規律，其中0～60 cm為夏玉米的主根系層土壤，是作物吸收水分的主要土層。由圖2可以看出，在表層土壤(0～20 cm)，各處理的土壤含水率變化范圍為0.12～0.20 cm3/cm3，其中不起壟的AE、BF和BE處理土壤水分變化基本一致，起壟的CD處理土壤水分變化略有差異；8月5日進行灌溉后，不起壟的AE、BF和BE處理的土壤含水率明顯上升，沒有灌溉的CD處理的土壤含水率則下降；隨著夏玉米生育期的推進，不起壟的AE、BF和BE處理的土壤水分快速消耗，而起壟的CD處理與不起壟處理之間的水分差異逐漸減小；8月27日之后，在降雨和土壤蒸發作用下，不起壟的AE、BF和BE處理的土壤含水率較低且變化緩慢，而CD處理由于起壟的作用，可以減少土壤水分蒸發，土壤含水率較高且減小的較緩慢；至夏玉米收獲時，各處理的土壤含水率差異并不明顯。在中層土壤(20～40 cm)，各處理土壤水分隨時間變化趨勢與表層土壤水分變化趨勢類似，中層土壤各處理土壤含水率變化更加劇烈，土壤含水率的變化范圍為0.18～0.32cm3/cm3，在夏玉米生育后期土壤含水率基本表現出CD處理﹥AE處理﹥BF處理﹥BE處理的規律。在下層土壤(40～60 cm)，各處理土壤水分隨時間變化趨勢與表層土壤水分變化趨勢基本類似，各處理土壤含水率的變化范圍為0.14～0.28 cm3/cm3，在夏玉米生育后期，AE處理和CD處理的土壤含水率基本接近，略大于BF處理和BE處理。在夏玉米主根系層土壤(0～60 cm)，土壤水分變化趨勢與表層土壤水分變化趨勢類似，各處理土壤含水率的變化范圍為0.15～0.27 cm3/cm3，在夏玉米生育后期，土壤含水率呈現出CD處理﹥AE處理﹥BF處理﹥BE處理的規律。由此可見，起壟耕作與不起壟耕作方式相比，土壤含水率變化幅度小，變化趨勢更平緩，保水保肥能力更強。

3.2 夏玉米生長及產量指標

表3為不同處理夏玉米的生長及產量指標。由表3可知，BE處理的株高和葉面積指數在4個處理中表現出最大。BE處理株高為254.67 cm，AE、BF和CD處理分別比BE處理降低了5.81%、5.98%和8.05%；BE處理葉面積指數為3.79 cm2/cm2，AE、BF和CD處理分別比BE處理降低了14.25%、8.83%和12.98%，說明在夏玉米生育后期，夏玉米植株停止生長，夏玉米的株高和葉面積指數差異性較小。但在產量指標中，AE處理的產量最大，為10 768 kg/hm2，BF、BE和CD處理分別比AE處理降低了8.16%、10.19%和12.86%，說明灌溉水量越大，施肥量越大，夏玉米的產量也越大。在不同耕作方式中，起壟CD處理的夏玉米產量僅僅比不起壟AE處理降低了12.86%，起壟CD處理的夏玉米減產幅度較小。經過方差分析可知，本試驗條件下灌溉水量與施肥量對夏玉米各生長及產量指標均無顯著性影響(p﹤0.05)，說明氣象因素對夏玉米生長的影響大于灌溉因素、施肥因素和耕作方式對夏玉米生長的影響。

3.3 夏玉米耗水規律及水分利用效率

表4為不同處理夏玉米各生育階段的耗水量。由表4可以看出，在夏玉米播種期-出苗期，由于作物植株較小，作物根系吸水不旺盛，在播種前期的灌溉量和降雨量條件下，土壤起蓄水作用，土壤水分存儲在0～100 cm土層中；在出苗期-拔節期，這一生育期，夏玉米幼苗生長不迅速，需水量比較小，這一時期降雨量比較大，降雨量達166.8 mm，這時期土壤繼續蓄水；在拔節期-抽雄期，這一時期夏玉米生殖生長迅速，作物根系吸水旺盛，雖然這一時期降雨量達到1 10.2 mm，各處理也進行了灌溉，但仍然滿足不了夏玉米的需水需求，這時期土壤水分被消耗；在抽雄期-灌漿期，這時期夏玉米以營養生長為主，作物根系吸水也比較劇烈，這時期降雨量只有39.4 mm，不能滿足夏玉米營養生長的要求，此時期土壤水分也是被消耗；在灌漿期-成熟期，夏玉米營養生長減弱，作物根系吸水量減小，此時期降雨量為39.1 mm，夏玉米繼續消耗存儲在土體中的水分。在夏玉米各生育期階段，降雨量加灌溉量之和與土壤水消耗量之間均具有明顯的互補關系，降雨加灌溉量之和越大，土壤水消耗量越少，甚至出現蓄水；反之，降雨量加灌溉量之和越小，土壤水消耗量越大。因此，在進行灌溉的時候，充分考慮作物生長季節內的降雨時間和降雨量在作物不同生育期內的分配，選擇適宜的時間進行灌溉，形成作物生長季節內的土壤水分干濕交替，充分開發土體的蓄供水能力，是節水灌溉的有效途徑之一。

圖2 2013年各試驗處理土壤水分分布規律

表3 不同處理的夏玉米生長及產量指標

表4 不同處理的夏玉米各生育階段的土壤水分消耗量 mm

注：土壤消耗量為負，表示土壤蓄水。

表5為不同處理夏玉米全生育期的耗水量及水分利用效率。由表5可以看出，AE處理耗水量最大，為469.9 mm，BF、BE和CD處理耗水量分別比AE處理降低了6.96%、5.64%和12.90%，可見，灌溉量越大，夏玉米耗水量也越大。作物耗水主要由降雨量、灌溉量和土壤供水三部分構成，其中降雨量是夏玉米最主要的耗水部分，降雨量占夏玉米耗水量的78%～89.9%，其中起壟CD處理降雨量占耗水量的比例最大，為89.90%，降雨是該試驗區夏玉米耗水量的最主要來源。灌溉占耗水量的7.3%～19.2%，AE處理的灌溉量為90 mm，占耗水量的比例最大，為19.2%。在夏玉米全生育期耗水量中，有少量土壤水，各處理土壤水分變化量均為負值，說明夏玉米全生育期內土壤水有所增加，土壤蓄水，土壤蓄水量范圍為9.4 mm～15.6 mm。不起壟AE處理和起壟CD處理的夏玉米水分利用效率最大，為2.29 kg/m3，可見，起壟CD處理與不起壟AE處理夏玉米水分利用效率相同。不起壟的BF、BE處理的水分利用效率分別比AE處理降低了1.3%和4.8%，可見，在不起壟的灌溉方式中，肥力水平相同的情況下，灌溉水量對水分利用效率有一定的影響，在此試驗中，較大的灌溉水量能夠提高水分利用效率。因此，在試驗區種植夏玉米，為了能夠提高作物的水分利用效率，采用起壟的耕作方式可以提高作物的水分利用效率，達到節水灌溉的目的。

表5 夏玉米全生育期耗水規律及水分利用效率

4 結 論

本試驗通過在北京地區開展夏玉米田間試驗，設置不同的耕作和灌溉施肥方式，通過測定夏玉米生育期內的土壤含水率、生長及產量指標，研究不同耕作和灌溉施肥方式對夏玉米水分利用效率的影響。主要結論如下：

(1)表層土壤(0～20 cm)、中層土壤(20～40 cm)、下層土壤(40～60 cm)和夏玉米主根系層土壤(0～60cm)，各處理在不同生育階段的土壤含水率變化規律基本相似，在夏玉米抽雄期之后土壤水分呈現出CD處理﹥AE處理﹥BF處理﹥BE處理的規律。土壤水分分布規律表明：在灌溉水平和施肥量相同情況下，起壟耕作方式與不起壟耕作方式相比，土壤含水率變化更平緩，保水保肥能力更強；在相同灌溉和壟作方式下，施肥量也會影響土壤含水率，施肥量越大，夏玉米生育后期的0～60 cm土層的土壤含水量也越大。

(2)壟作方式相同條件下，夏玉米產量隨著灌溉水量和施肥量的增加而增大，AE處理的產量最大，為10 768 kg/hm2，起壟CD處理與不起壟AE處理相比，夏玉米產量減產12.86%。

(3)采用起壟耕作方式可以提高夏玉米的水分利用效率，在灌溉水量較小的情況下，起壟CD處理的夏玉米水分利用效率最大，為2.29 kg/m3；不起壟的耕作方式，在一定范圍內，夏玉米水分利用效率隨著灌溉水量的減少而減小。因此，在研究區種植夏玉米，采用起壟不灌溉低肥的方式可以提高夏玉米的水分利用效率，對夏玉米生長及產量影響較小，可以達到節水節肥的目的。