土壤水基質勢膜下滴灌春玉米生長和耗水特性研究

姬祥祥 徐 芳 劉美含 馮 浩 何建強 張體彬

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院， 陜西楊凌 712100；3.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；4.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

內蒙古河套灌區是亞洲最大的一首制自流灌區，現有引黃灌溉面積6.0×105hm2以上，是我國重要的商品糧、油基地。引黃灌溉對發展河套灌區農業生產起著決定性作用，然而由于長期大水漫灌、渠系滲漏與排水不暢等原因，造成灌區地下水位抬升，土壤鹽漬化日益嚴重[1]。目前，灌區現有不同程度的鹽漬化耕地約3.9×105hm2，已占耕地總面積的70%左右[2]。近年來，隨著農業種植業經濟效益的增加，灌溉面積有增加的趨勢，但由于黃河水資源日益緊缺，河套灌區引黃配額從50余億立方米減少至40億立方米左右[3]。因此，土壤鹽漬化嚴重和地表水資源緊缺之間的矛盾制約著河套灌區農業生產的可持續發展。

膜下滴灌技術具有節水、抑蒸、增產等優點[4-5]，在旱區節水農業生產和鹽堿地改良利用中發揮著重要作用[6-9]。隨著土壤鹽漬化的日益嚴重和地表水資源的緊缺，膜下滴灌技術在河套灌區逐漸引起重視[10-12]，制定科學合理的灌溉制度是推廣膜下滴灌技術的前提，而根據土壤水基質勢制定灌溉制度是目前較為先進的方法之一。土壤水基質勢是衡量土壤基質對水分吸附能力的物理量。土壤水總是由水勢高處向低處流動，土壤水勢可分為壓力勢、基質勢、重力勢、溫度勢和溶質勢。在農田中基質勢是決定土壤水勢的關鍵因子，它是由土壤基質(固體)的吸附力和毛管力造成的勢能。土壤水勢絕對值越高，土壤含水率越小，土壤對水的吸力越強，作物越難吸收利用，否則越容易吸收利用。如將真空負壓計埋在滴頭正下方20 cm深度處監測土壤水基質勢，可以反映土壤中可供植物吸收的有效水分的供給狀況[13]。通過控制土壤水基質勢下限(即只要土壤水基質勢低于預定的閾值就進行灌水)，可以科學合理地制定膜下滴灌灌溉制度，這在我國多個地區多種作物上得到了利用。例如，一些研究[11,14-16]分別利用控制土壤水基質勢下限的方法為我國甘肅、寧夏等地區土豆、番茄、玉米滴灌探尋出適宜的土壤水基質勢下限范圍。

膜下滴灌灌溉制度中，具體的土壤水基質勢下限與當地氣候條件、土壤類型、作物種類等密切相關，明確不同基質勢水平下的土壤水分分布狀況和作物生長耗水特性則是制定膜下滴灌灌溉制度的重要前提。但相關研究在河套灌區開展相對較少，不同土壤基質勢水平下土壤水分運移和分布特征以及作物生長和耗水的響應機制尚不明確。這在一定程度上制約了膜下滴灌技術在河套灌區的推廣和使用。

本文通過在河套灌區連續進行的兩年春玉米田間試驗，研究基于土壤水基質勢的不同膜下滴灌條件下土壤水分狀況和春玉米生長的響應機制，明晰不同土壤水基質勢水平對土壤水分狀況和春玉米生長及耗水特性的影響，以期為膜下滴灌技術在河套灌區的推廣和使用提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古自治區河套灌區的曙光試驗站(40°46″N，107°24″E，海拔1 039 m)，地處干旱半干旱氣候帶，屬典型的溫帶大陸性氣候。全年日照充足，晝夜溫差較大，降水量集中，蒸發強烈，空氣干燥。試驗站多年平均氣溫6.9℃，其中1月均溫-14～-11℃，7月均溫22～24℃，0～20 cm土層平均地溫9.4℃。相對濕度51%，氣壓89.82 kPa。風大而頻繁，年均風速為2.8～2.9 m/s。全年日照時數為3 190～3 260 h，年總輻射量為6 151.2～6 383.1 MJ/m2，10℃以上活動積溫3 000～3 280℃。0～40 cm 土壤EC1∶5(土水比1∶5浸提液電導率)一般在0.6～1.6 dS/m 之間，pH值為8.3左右，在灌區內屬于典型鹽漬化區域，有較強的代表性。試驗站內設有地下水源井。試驗田每年的秋季采用引黃水漫灌秋澆。試區內土壤屬于黃河灌淤土，土壤分層明顯，厚薄不均(表1)。田間試驗在2016年和2017年玉米生長季內(5—10月)進行，其中2016年生長季內累積降雨量為123 mm，蒸發量達904.9 mm；2017年生長季內累積降雨量僅為37 mm，蒸發量為948.8 mm(圖1)。

表1 試驗地土壤(0～120 cm)基本理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of soils (0～120 cm) in experimental site

圖1 河套灌區玉米生育期內降雨量與累積蒸發量Fig.1 Precipitations and accumulative evaporations during two growing seasons of spring maize in Hetao Irrigation District

1.2 試驗設計

膜下滴灌田間試驗種植作物為春玉米“西蒙6號”。試驗設置5 個土壤水基質勢水平，分別控制土壤水基質勢(Soil matric potentials，SMP)下限為-10 kPa(S1)、-20 kPa(S2)、-30 kPa(S3)、-40 kPa(S4)、-50 kPa(S5)，共形成5個處理，每處理3個重復，共計15個小區，小區面積為4 m×15 m，各小區之間設置1 m寬的緩沖區以減少土壤水分側滲。各處理均采用寬窄行的種植方式，窄行和寬行行距分別為30 cm和70 cm，在窄行中間布置滴灌帶，滴灌帶間距100 cm，滴頭間距30 cm，玉米株距30 cm(圖2)。播種前施加底肥并覆蓋地膜，地膜為高壓聚乙烯膜，厚度8 μm。播種深度5 cm，播種密度為66 667株/hm2。2016年播種時間為4月27日，2017年為4月28日，分別于2016年9月8日和2017年9月2日收獲。

圖2 河套灌區春玉米膜下滴灌試驗種植模式和取樣點位置示意圖Fig.2 Schematic of planting pattern and soil sampling positions of experiment of spring maize under mulched drip irrigation in Hetao Irrigation District1.滴頭 2.玉米 3.地膜 4.真空負壓計 5.取樣點

在每個處理的任選2 個重復小區內安裝真空表式負壓計，位置為滴頭正下方20 cm處(圖2)。每天09:00和15:00分別觀測負壓計讀數，一旦達到所設定的閾值，立即啟動滴灌，參考當地水面日蒸發量設定灌水定額為10 mm，并記錄灌溉日期和總灌水量。5個不同處理在2016年和2017年實際灌溉定額分別為336.3、205.5、141.1、100.0、70.0 mm和490.8、366.0、298.8、199.7、126.0 mm(圖3)。試驗地基肥于播種之前耕翻時施入，其中尿素(N：46%)施入量163 kg/hm2、磷酸二胺(N：18%，P2O5：42%)施入量420 kg/hm2、硫酸鉀(K2O：50%)施入量90 kg/hm2。玉米生育期內于6葉期后僅追施氮肥，采用水溶性較好的尿素，于灌水前溶于施肥罐中，隨灌水施入，且保證各處理施肥量一致。2016年和2017年施肥量一致，玉米全生育期內純氮累積施入量為300 kg/hm2。

圖3 玉米生育期內5個不同灌溉處理的累積灌水量Fig.3 Cumulative irrigation depths of five different treatments during growing season of spring maize

1.3 測定指標與方法

1.3.1土壤含水率

在玉米生育期內，土壤含水率每隔15 d測定一次，采用土鉆法采集土樣，采樣位置為與滴頭水平距離0、25、50 cm處，取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm(圖2)。取回的土樣在實驗室采用干燥法測定土壤質量含水率，之后根據各土層土壤容重折算體積含水率。土壤0～60 cm剖面內的平均含水率采用加權平均法計算得出。玉米生育期耗水量采用水量平衡方程計算。

PET=ΔW+P+I+R+G-F

(1)

式中PET——玉米生育期耗水量(ET)，mm

ΔW——播種期與收獲期土壤儲水量之差，mm,整個剖面的ΔW由不同空間位置數值通過加權平均計算得出

P——生育期有效降水量，mm，如果降雨量小于當日參考蒸發蒸騰量的0.2倍，視為無效降雨[17]

I——玉米生育期的灌水量，mm

G——生育期地下水對作物根系的補給量，mm，詳細計算過程可參考文獻[18]

R——生育期地表徑流量，mm，試區地勢平坦，無地表徑流產生

F——生育期根區深層滲漏量，mm

根據FAO56分冊中提供的方法計算，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[17]，計算方法為灌水(或降水)前60 cm土層內有效土壤含水率和灌水量(或降水量)相加，再減去田間持水量。

1.3.2玉米生長指標、產量和水分利用效率

在玉米生長期內，定期觀測物候期，并在每個小區選取具有代表性的植株3株，掛牌標記。每個生育期測定一次經過標記的玉米株高和葉面積，使用鋼卷尺(精度0.1 cm)測量葉脈長度和垂直于葉脈方向葉片最寬處寬度，葉面積折算系數為0.75[19]。根據種植密度計算葉面積指數(LAI)。在玉米的各生育期，每個小區選取3株具有代表性的植株，采集植株地上部分，采樣后將植株按照葉、莖、雄和穗分開處理，用干燥箱烘至恒質量，測定其干物質量。收獲時每個小區選取10株具有代表性的玉米進行考種，單穗脫粒，籽粒均脫水至恒質量，然后根據每公頃的株數計算單位面積的產量，并計算收獲指數。玉米水分利用效率(WUE)的計算公式為

UWUE=Y/PET

(2)

式中UWUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——單位面積玉米產量，kg/hm2

1.3.3統計分析

試驗數據經過Excel 2010整理后，利用SPSS 19.0對數據進行單因素方差分析，利用LSD法檢驗差異顯著性(p<0.05)。采用Excel 2010、Surfer 8和SigmaPlot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 同處理下土壤含水率分布特征

灌漿期是玉米需水關鍵時期[20-21]，該時期土壤水分狀況對玉米生長和產量形成至關重要。從玉米灌漿期內各處理土壤體積含水率剖面分布(圖4)，可以看出，土壤含水率在剖面內表現出明顯的徑向分布規律，即越遠離滴頭，含水率越低。不同土壤水基質勢下限處理下土壤剖面含水率差異明顯。2016年灌漿期S1～S5處理0～60 cm土壤剖面體積含水率均值分別為0.35、0.24、0.23、0.19、0.20 cm3/cm3；2017年分別為0.29、0.21、0.21、0.16、0.17 cm3/cm3，即隨著土壤水基質勢下限的降低，土壤剖面體積含水率明顯減小。基質勢下限最低的S5處理剖面平均含水率稍高于S4處理，這可能是由于S5處理土壤含水率長時間處于較低水平，使根系生長受到脅迫，吸水能力下降[22-24]，進而土壤較深層水分不能被有效吸收利用所造成的。

處理S1～S5土壤水分由表層向深層逐漸遞減(圖4)，且隨著基質勢下限的降低土體的濕潤范圍也在減小，由于S1處理基質勢下限最高，灌水頻次最高，濕潤體的區域最大，豎直方向上濕潤范圍可達60 cm；其它處理濕潤深度一般在30～40 cm以上。值得說明的是，在2016年，基質勢下限最低的S5處理膜外(與滴頭水平距離50 cm處)含水率出現了高于膜內區域的現象(圖4e)，這可能是由于該時期(玉米灌漿期)出現了較大降雨事件(圖1)，水分從膜間裸地入滲導致，而S5處理由于膜下區域土壤含水率也相對較低，所以此現象較為明顯；而2017年該時期無降雨發生，由于裸地強烈蒸發，造成無地膜覆蓋區域土壤含水率明顯小于膜內位置(圖4f～4j)。但深度60 cm位置處各處理均出現了土壤含水率較大的現象，S5處理尤為明顯(圖4j)，這可能是由于該時期是周圍農田大面積灌水時期，造成地下水位上升從而通過毛管作用影響根區土壤水分狀況，而S5處理作物生長較差，根系吸水較少，所以影響更為明顯。而該區域60～90 cm深度處土壤顆粒中砂粒含量較高(表1)，勢必影響根區土壤水分與地下水的交換，特別是在地下水位埋深較淺時的影響更為明顯。

圖4 2016年和2017年玉米灌漿期不同基質勢下限處理下土壤含水率分布狀況Fig.4 Soil moisture distributions at grain-filling stage of maize under different treatments of soil matric potential in 2016 and 2017

2.2 玉米生長動態

圖5 玉米生育期內不同基質勢下限處理下玉米株高Fig.5 Dynamics of plant height of maize under different treatments of soil matric potential during two growing seasons

圖6 玉米生育期內不同基質勢下限處理下玉米葉面積指數Fig.6 Dynamics of leaf area index of maize under different treatments of soil matric potential during two growing seasons

不同基質勢處理的玉米株高變化在兩年內均呈S型生長曲線形式(圖5)。6月中旬到7月中旬正是玉米的拔節期和抽穗期，株高增長速度較快，在抽穗期達到整個生育期的最大值，且在該時期隨著土壤水基質勢下限而降低，玉米株高出現不同程度的減小，基質勢下限水平最高的S1處理玉米株高最高，各處理之間差異顯著，且處理差異在降雨量較少的2017年表現更為明顯。葉面積指數(LAI)均呈現先增大后減小的變化趨勢，拔節期到抽穗期基本呈直線增長，并在抽穗期達到最大值，各處理最大值在4～6之間，進入成熟期后出現不同程度的減小(圖6)。其中S1、S2和S3處理的LAI大小在生育期內差異不明顯，基本保持同步變化，從兩年的變化可以看出土壤水基質勢下限控制在-30 kPa以上時(S1、S2和S3處理)，玉米的葉面積指數可以維持在較高水平。而S5處理在抽穗期之后LAI出現快速減小的趨勢，發生早衰現象，這是由于S5處理的灌水量較少導致玉米受到干旱脅迫，抑制了植株莖稈的生長，同時加速了葉片的枯萎[25]。同樣，在降雨量較少的2017年表現尤為明顯。

2.3 產量及其構成因素分析

不同土壤水基質勢下限，顯著影響著玉米產量和產量構成(表2)。各處理間比較發現，S1、S2、S3處理產量顯著高于S4和S5(p<0.05)，而前三者之間差異不顯著。其中2016年S4、S5處理較S1處理分別減少12.3%、19.3%，2017年則分別減少21.3%、54%。因此，田間土壤水基質勢下限控制在-30 kPa時產量較高，當低于該下限值時不利于玉米產量的形成。對比兩年的結果發現，由于2016年生育期內降雨較多，即使維持較低土壤水基質勢、灌水較少的處理S4和S5也取得了較高的玉米產量，整體高于降雨較少的2017年。但是土壤水基質勢下限較高的S1、S2及S3處理受自然降雨的影響不大，兩年均保持較高的產量水平。

表2 不同基質勢水平對玉米產量及產量構成因素的影響Tab.2 Effects of different matric potentials on maize yields and yield components

注：圖中同一指標的不同字母表示存在顯著性差異(p<0.05)。

從產量構成因素上看，各基質勢下限處理下玉米百粒質量與穗粒數整體上隨著基質勢下限的提高均呈增加趨勢，且兩年數據顯示S1、S2、S3顯著高于S4、S5處理，說明玉米生育期內基質勢下限控制在小于-30 kPa時，較低的土壤水基質勢會引起干旱脅迫，導致玉米耗水量下降(圖7)，干物質的生產不能為玉米籽粒提供充足的營養物質，最終抑制了干物質積累和產量形成，從而導致穗粒數與百粒質量顯著減小[26]。而基質勢下限的提高直接使得根系層貯有足夠的水量，保證籽粒形成過程中水分的供應，使得穗粒數及百粒質量增加。相關性分析結果表明，經濟產量和穗粒數相關性最大(R2=0.81)，說明提高穗粒數是增產的重要途徑；地上部生物量與經濟產量緊密線性相關(R2=0.90)，收獲指數范圍為0.40～0.59，表明地上部干物質的積累是產量形成的基礎，穗粒數多是玉米高產的關鍵，百粒質量高是玉米高產的保證[27]。

2.4 耗水量與水分利用效率

作物ET與WUE是衡量農業水資源利用水平高低和評價節水措施的一項重要指標[28-30]。2016年各處理ET在318～388 mm，各處理間差異相對較小；而2017年S1處理(SMP為-10 kPa)的ET高達432 mm，而S5處理(SMP為-50 kPa)僅為196 mm，各處理間差異較大(圖7a)。但2個生育期內玉米ET均隨土壤水基質勢下限呈現出顯著的線性關系(p<0.05)，R2分別為0.87(2016年)和0.99(2017年)。2個生育期內，WUE均表現為隨著土壤水基質勢呈先增大后減小的趨勢(圖7b)，二者之間均呈現顯著的單峰曲線關系(p< 0.05)，R2分別為0.71(2016年)和0.98 (2017年)。兩年的WUE峰值對應的土壤水基質勢下限均為-30 kPa，WUE分別為47.8 kg/(hm2·mm)(2016年)和52.5 kg/(hm2·mm)(2017年)。由于2016年降水較多可能在一定程度上掩蓋了不同灌水處理之間的差異，所以處理差異不如2017年明顯。一般地，可以發現當基質勢下限控制在-30 kPa時可以有效提高玉米的WUE。

圖7 不同基質勢下玉米耗水量與水分利用效率Fig.7 Evapotranspiration and WUE of maize under different treatments of soil matric potential

3 討論

目前，大多數膜下滴灌的研究中，都是以不同土壤水分下限為依據指導田間灌溉[9，31-33]；而土壤含水率的有效性，與土壤結構有很大的關系，而不同類型的土壤，土壤結構必然存在較大差異，即便是同一種土壤，在同一塊地中，也存在很大的空間變異性。在農田中種植作物時往往會施用牛糞、雞糞、羊糞等以及各種專門配制的基質，使得耕作層土壤結構變化更大，所以用土壤含水率為依據確定土壤水分的有效性，有很大的不確定性且實用性較差。而土壤水基質勢擺脫土壤類型、耕作施肥等因素對土壤水分有效性的影響，能夠直接衡量土壤基質對水的吸納能力，反映土壤水分對作物的有效供給狀況。通過康躍虎[13]相關領域的研究結果，發現用埋在滴頭下面20 cm深處的負壓計所測得的土壤水勢值，能夠很好地反映大部分作物根系分布層的土壤基質中的水分狀況。所以利用土壤水基質勢下限指導河套春玉米膜下滴灌灌溉是一種非常實用的方法。

本文以不同土壤水基質勢作為單因子對河套灌區膜下滴灌春玉米生長和耗水特性進行了探究。類似地，范雅君等[9]用水分虧缺處理的方法設置了6個單因子灌水量水平，通過Jensen模型建立了玉米水分生產函數，對河套地區玉米膜下滴灌的灌溉制度進行了優化，得出玉米全生育期的耗水規律呈中間高兩頭低的變化，全生育期耗水量為536 mm時，其玉米產量最高為12 871 kg/hm2。相比于其他方法雖然有很好的節水效果，但是用Jensen模型制定出的灌溉制度依然存在著一定的局限性[34]，灌水量的確定不能具體到某一天。雖然與本研究一樣都是以灌水量作為單因子，而本研究中對玉米的灌水量的確定在時間尺度上完全可以具體到某一天。當基質勢下限控制為-40 kPa時，2016年作物需水量為329 mm，對應產量已經達到13 089 kg/hm2，2017年為256 mm產量達到12 750 kg/hm2；所以高滴灌量處理并不是一種優選模式[35]，證明利用監測土壤水基質勢下限可以更有效地指導玉米膜下滴灌，并可以提高水分利用效率。

近年來多位學者在多個地區研究并提出了不同作物各自適宜的土壤水基質勢下限。楊會穎等[36]在甘肅省武威市通過膜下滴灌種植辣椒試驗研究了不同土壤水基質勢對辣椒產量、耗水和水分利用效率的影響，結果表明辣椒的水分利用效率隨著基質勢控制下限的降低呈現先升高再降低的趨勢，與本文玉米作物在不同基質勢下限處理下的水分利用效率變化規律類似，說明過高的土壤水基質勢下限會使得作物根區水分過剩，造成水分利用效率較低，而土壤水基質勢下限控制過低則會導致減產。

前人研究表明，不同作物的耗水特性不同，適宜的灌水下限也不同[37-39]；即使同一作物，在不同的氣候和土壤條件下，其對于不同土壤水分的耗水響應也有可能不同，進而造成確定膜下滴灌灌水量的土壤水基質勢下限不同。任中生等[40]在河套灌區開展了一年的玉米膜下滴灌田間試驗，結果表明水分利用效率隨基質勢控制水平的升高而下降，且以土壤水基質勢-40 kPa為最大。而本研究連續兩年的田間試驗中年際降雨差異明顯，通過對比分析根區土壤水分狀況和作物生長的響應及水分利用效率，發現當膜下滴灌灌水下限為-30 kPa，在不顯著降低產量的同時可以獲得最大的水分利用效率，這一結果與孫貫芳等[16]的研究結果一致；但與任中生等[40]的結果不同，原因是其從資源環境角度考慮了氮素玉米產量的影響。

綜上，本研究結果表明將土壤水基質勢下限控制在合適的范圍時可以有效提高春玉米的水分利用效率，達到節水增產的效果。本研究的結果將有助于推動膜下滴灌技術在河套灌區的推廣，有助于灌區實現農業節水和鹽漬化的防治。本研究的不足之處是沒有考慮到施肥頻率對作物生長的影響，而且田間試驗設計所包含的處理數目有限，對探究適宜的土壤水基質勢下限存在一定的局限性，在后面的研究中可考慮借助計算機模型來進一步增加處理數量，細化研究內容。

4 結論

(1) 不同土壤水基質勢水平下土壤剖面水分分布差異明顯，隨著土壤水基質勢控制下限的降低，根區土壤含水率顯著降低，表明土壤水基質勢水平的提高有利于提高根區土壤含水率。

(2) 當基質勢下限控制在-30 kPa時，玉米產量達到較高水平，且水分利用效率最高，因此建議河套灌區膜下滴灌種植玉米的土壤水基質勢下限控制在-30 kPa為宜。

(3) 土壤水基質勢下限控制在適當的范圍時，可以有效提高春玉米的水分利用效率，達到節水增產的效果。