風沙土玉米膜下滴灌灌溉制度試驗研究

王鼎新，竇超銀，孟維忠，佟 威，陳 偉，延瑋辰

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；遼寧省水利水電科學研究院，沈陽 110003)

0 引 言

滴灌具有調控水分、溶質等在土壤中分布的技術特點，通過滴灌技術可以將有限的灌溉水量分布在根系分布層[1]，根系土壤長期保持適宜水勢；養分通過點源擴散，分布在根系范圍內，同時，通過灌溉制度減少養分的淋失[2]，從而顯著提高水肥的利用效率，因此，近年來滴灌技術在高效節水灌溉、面源污染防控、水肥一體化等工程建設中得到廣泛應用，尤其在鹽堿地、沙地、高崗丘陵等劣質土壤資源的開發利用中[3,4]。

風沙土土質貧瘠，具有質地粗，蓄水能力低，漏水漏肥嚴重等特點，合理制定灌溉制度是風沙土地區滴灌技術發揮效益的基礎。但在風沙土地區，由于土地生產力低，長期以治沙和土壤修復為主，灌溉尤其是高效節水灌溉的基礎研究相對較少，灌溉制度的制定還需要進一步深入。基于蒸發皿蒸發量制定灌溉制度是一種常用的方法，簡單易行，并且能夠較好的估算出作物的需水規律，如李毅杰通過試驗研究表明灌溉量1.0E時可以滿足甘蔗需求，得到高產[5]；Uzokwe Pauline等研究出干旱條件下，夏玉米滴灌以2/3E為灌溉定額時有利于促進植株生長，得到較高產量和水分利用效率[6]；竇超銀等研究推薦在風沙土地區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需水的影響[7]。如玉米苗期處于蒸發量大的春季，僅考慮單一的灌溉系數，灌水量也較大，而此時玉米需水量小，易出現灌水與需水的矛盾，不僅降低水分利用效率，還可能對作物生長造成不利影響，這可能是文獻[7]玉米產量和水分利用效率遠低于其他地區的原因之一。但如果在基于蒸發皿蒸發量制定灌溉制度時，增加作物系數，考慮作物不同生育期需水規律，則可提高灌溉制度的合理性[8]，因此，本文在前期試驗基礎上進一步考慮作物系數，通過田間試驗研究不同灌溉水量對玉米生長和產量的影響，從而綜合確定合理的灌溉制度，為風沙土地區玉米滴灌技術的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區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氣候區，其主要特征是干燥，風沙大。多年平均降雨量412 mm，降雨量年內分布不均，夏季降雨量占全年降雨量的60%～70%；多年平均蒸發量1 781 mm；年平均氣溫6.1 ℃，平均風速3.7～4.2 m/s，最大瞬時風速達24.0 m/s，沙塵暴天氣10～15 d；植物生長期145～150 d，無霜期154 d。試驗區土壤主要為流動風沙土，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%。土壤機械組成以細沙為主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少，有機質含量為66 g/kg。

1.2 供試材料與試驗設計

試驗于2018年5-10月進行，玉米供試品種為“遼單535”，根據玉米生長劃分為苗期、拔節期、穗期、灌漿期、完熟期等5個生育期，以灌溉水量為試驗因素，各生育期灌溉水量通過下式計算：

W=αKci(Ek,5-Pk,5)

式中：Ek,5為第k個5日冠層水面累計蒸發量，逐日實測；Pk,5為第k個5日累計降雨量，逐日實測；Kci為第i個生育期作物系數，苗期、拔節期、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，根據試驗設計分別取0.6(IR1)、0.8(IR2)、1.0(IR3)、1.2(IR4)。

試驗共4個處理，每個處理重復3次，共12個小區。單個小區內有5壟，壟長5 m，小區面積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。小區采用重力滴灌，灌溉前計算灌溉水量，注入桶中；追肥前將小區追肥所需肥料溶解，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

播種前種子進行晾曬處理，各處理均在春播前翻地，平整土地，施農家肥(雞糞)1.5 t/hm2，5月11日機械起壟-鋪設滴灌帶-覆膜-播種-底肥。施肥量參照當地用量，其中70%以底肥施入土壤，30%作為追肥(拔節肥40%、穗肥60%)。5～6葉期定苗,拔節期中耕除草,噴施農藥甲胺磷一次,防治蟲害。8月24日后由于多次降雨，同時玉米進入成熟期，停止灌溉，9月27日收獲。

1.4 測定指標和方法

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

2 結果與分析

2.1 不同灌溉處理土壤含水率變化規律

玉米生育期內各處理0～60 cm土壤平均含水率變化結果如圖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，隨著土壤蒸發和作物消耗，土壤含水量持續降低。玉米生育期內，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[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，土壤含水量未高于田間持水量，深層滲漏發生幾率小，且玉米在灌水少時根系吸水可能受到抑制，土壤水分消耗少；灌水量大時，灌后土壤含水率平均達到12.8%，高于田間持水量，易發生漏水現象，同時，土壤水分充足時，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，在此區間玉米無明顯受旱脅迫，土壤水分有效性高，為玉米生長提供了良好的土壤條件，這與同樣保水性差的礫石土質滴灌土壤水分變化規律相似[11]。

圖1 玉米生育期內各處理0～60 cm土壤平均含水率動態變化

2.2 不同灌水處理對作物生長的影響

2.2.1 株 高

玉米生長期內株高變化如圖2所示，隨著生長期的進行，株高在苗期～拔節期迅速增大，增幅平均達到239.0%，拔節～穗期株高持續增大，但增幅減小，平均為40.7%，穗期后，株高趨于穩定。各處理之間，苗期株高接近；拔節后，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處理條件下株高最大，達到228.0 cm。方差分析表明，苗期各處理株高差異不顯著；拔節期～灌漿期IR1顯著矮于IR4處理，IR2、IR3與IR4差異不顯著，完熟時，IR1、IR2和IR3處理之間差異不顯著，但均顯著矮于IR4處理。說明拔節期后灌溉水量是影響玉米株高生長的關鍵因素，增加灌水量促進株高生長，或拔節期水分脅迫對株高有明顯的抑制作用[12]。當灌水量相差較大時，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相同字母代表差異達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，隨著生長進行，玉米莖粗有先增大后減小的變化趨勢，苗期到拔節期莖粗增大較明顯，平均增長40%，拔節期～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；拔節期時，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。試驗結果表明，拔節期是莖粗形成的關鍵時期，灌水量作用顯著，有利于獲得粗壯莖稈；在水分不構成脅迫時，拔節～穗期玉米莖稈會持續生長，但如果長期灌溉水量小則可能抑制玉米莖粗生長，這與“由于需水關鍵期的短期輕度水分脅迫后具有部分補償效應,長期脅迫后補償效應不足”[13]結論類似，在風沙土地區要獲得粗壯莖稈，灌水量應達到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(LAI)

玉米LAI變化如圖4所示，LAI隨著玉米生長先迅速增大，在穗期LAI達到最大后持續減小，苗期到拔節期的LAI增幅最為明顯，漲幅達到近10倍，拔節～穗期增長減緩，約增長35.4%，穗期LAI平均為3.5，穗期～灌漿期時LAI開始小幅下降，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。試驗說明灌水量對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，有利于葉片生長和減緩葉片衰敗，而低水處理，因水分脅迫抑制葉片生長并加快葉面衰敗[12]，灌溉量達到IR3處理時會在一定程度上延緩葉片枯萎,增加干物質的積累量[14]。試驗LAI值與其他文獻[15]相比偏小，這是可能土壤瘠薄，植株整體偏小，同時種植密度小，單株玉米占地面積較大導致。

圖4 玉米各生育期的葉面積指數(LAI)

2.2.4 地上物質重

玉米完熟期地上部分物質重如表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處理也達到顯著水平。即增加灌溉水量有利于玉米營養生長，對地上物質的形成具有明顯的促進作用。

表1 不同灌溉處理地上物質重和SPAD值

注：同一列數據無相同字母代表差異達5%顯著水平，下同。

2.2.5 葉綠素(SPAD值)

由表1可知，葉片SPAD值呈現先增大后減小的總體趨勢，在穗期時葉片的SPAD值達到最大，平均為63.5，分別比苗期、拔節期、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，苗期沒有顯著性差異；拔節期灌水較少的處理IR1和IR2處理顯著低于灌水較多的IR3和IR4處理；穗期時IR4處理顯著高于其他處理；灌漿期各處理之間沒有顯著性差異。即玉米葉片的葉綠素含量對水分感應較為敏感，葉片生長發育過程中，水分越充足，葉片SPAD值越大，但隨著作物生長，葉片成熟，灌水量引起的差異逐漸減小，這與宮亮等研究結果相一致[16]。此外，梁哲軍等研究發現SPAD值下降速率隨滴灌定額的增加而降低[17]，試驗中穗期～灌漿期SPAD值下降速率具有相似規律，由此可知，灌溉水量越多對作物葉綠素積累越有利。

2.3 產量與WUE

玉米考種指標、產量和WUE如表2所示，穗行數隨灌水量增加有減小的趨勢，其他各考種指標隨著灌水量的增加先增大后減小，IR3處理各指標值最大，各處理之間差異均未達到顯著水平。IR1處理穗重僅243.3g，比IR2、IR3和IR4處理分別少26%、33%、32%；各處理穗長在18～22 cm之間，灌水量引起穗長變化幅度約15%，IR1處理穗長較其他處理短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43粒，比IR2和IR4分別多14.6%和10.7%，由于玉米穗行粒數變幅大于穗行數，其乘積穗粒數變化規律與穗粒數接近，因此，IR3處理穗粒數多于其他處理；除穗粒數量多外，IR3處理粒重也高于其他處理，IR1、IR2、IR3處理粒重接近。考種結果表明灌溉水量越大，玉米穗越長越重，當灌溉水量達到1.2KcE時反不利于穗的生長；穗粗受灌水量影響較小，灌水量過多過少都不利于籽粒生長發育，籽粒偏小，粒重減輕；小粒可導致穗行數增加，但并未增加穗粒數。

表2 不同灌溉處理對玉米產量及產量構成性狀的影響

試驗因素水平范圍內，處理之間產量和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。產量從大到小依次為IR3>IR2>IR4>IR1，IR3處理達到最大為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，產量下降明顯，IR1較IR2減產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，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，因為長期水分脅迫導致減產，當灌水量高于IR2處理時，增加灌水量可提高產量，但灌水量過多則會造成減產，這與前人研究結果一致[18]。WUE受玉米產量和灌溉水量雙重作用，在灌水量少時仍可獲得較高的WUE值，但犧牲了產量，經濟性差；增加灌溉水量可提高產量和增大WUE，但隨著灌水量等進一步增加，產量增幅減小，甚至減產，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玉米生長、產量和WUE的影響，在遼西北風沙土地區，玉米膜下滴灌灌溉水量宜控制在0.8KcE～1.0KcE。

3 結 語

(1)增加灌溉水量有利于玉米營養生長，玉米莖粗，株高，葉面積，干物質，葉綠素等隨灌水量的增加而增大，當灌水量低于0.8KcE時，玉米植株生長受阻。

(2)灌水量過多和過少均不利于玉米生殖生長，玉米穗重、穗長、穗行粒數、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，穗行數隨著灌水量增加而減小。灌水量0.8KcE～1.0KcE時，產量構成性狀良好。

(3)玉米產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，產量最大，13.2 t/hm2；灌水量0.8KcE時，WUE最大，2.4 kg/m3；綜合考慮農業生產的經濟性和水資源的合理利用，在遼西北風沙土地區，玉米膜下滴灌灌溉水量宜控制在0.8KcE～1.0KcE。