地埋滴灌對玉米耗水及水分生產率的影響

李 鶴，劉新潮，賈 瓊，郝煥然

(1.內蒙古自治區通遼市水利技術推廣站，內蒙古 通遼 028000；2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；3.內蒙古水利水電勘測設計院，呼和浩特 010020)

0 引 言

我國平均水資源總量28 124 億m3，居世界第六位，人均占有量為2 350 m3，僅為世界人均水量的1/4，世界排名第110位，被聯合國列為13個貧水國家之一[1]。內蒙古通遼市素有“內蒙古糧倉”之稱，是國家重要商品糧基地，糧食總產量占內蒙古自治區的25%以上。全市盛產玉米、小麥、水稻、大豆等作物，玉米產量居全區第一[2-5]。通遼市地處半干旱地帶，干旱是制約通遼市農業經濟發展的主要因素，全市各地春旱頻率高達70%以上。通遼市水資源緊缺，多年平均水資源總量為33.09 億m3，人均水資源量為1 195 m3/人，按國際標準人均占有水資源量小于1 760 m3/人的為用水緊張地區，通遼市人均水資源量屬于用水緊張區[6-8]。面對水資源短缺現狀，西遼河平原區玉米膜下滴灌種植模式發展迅速，種植面積逐年擴大，但是隨著玉米膜下滴灌工程大面積推廣，地膜無法回收，造成環境污染；地面鋪設管道過多，無法進行中耕，土壤板結等問題日益顯著。地埋滴灌作為一種新型的節水灌溉技術，節水增產效果明顯；管道布置于地下，有利于機械作業，便于田間管理；滴灌帶避免紫外線照射，可以有效防止毛管老化[9-13]。近年來，玉米地埋滴灌受到越來越多的關注，但是缺乏對其進行系統性的研究。在風沙土地區，地埋滴灌較雨養種植產量提高126.4%，水分生產率(WUE)提高73.6%，與膜下滴灌相比較產量和WUE僅降低0.8 t/hm2和0.3 kg/m3，差異不顯著[14]。劉澤宇[15]研究發現赤峰市玉米地埋式滴灌最優技術參數為滴灌帶埋深0.35 m，滴灌帶間距0.8 m，滴頭流量1.38 L/h，該技術參數下玉米產量可達到14 115 kg/hm2，WUE2.65 kg/m3。段滿紅等[16]對地埋滴灌毛管間距、埋深對產量影響研究得出：埋深30 cm，間距60 cm為最優組合，滴頭流量1.6 L/h產量顯著高于1.2 L/h。田建斌等研究發現毛管在同一埋設深度時,隨著鋪設間距的增大，肉眼觀察到的橫向濕潤鋒交匯深度也加深[17]。綜上所述，學者目前對玉米地埋滴灌的研究不多，大都針對某一方面進行研究，對通遼玉米地埋滴灌埋深、滴頭流量及玉米生育指標、耗水規律、產量和水分生產率進行系統研究更少。通遼地區氣候特點獨特，春播季節風沙較大，無膜灌溉方式更加適合該地區。因此，本文采用田間試驗方法設置不同灌水量，對玉米地埋滴灌技術參數進行研究，對比不同滴灌帶埋深和滴頭流量對玉米生育指標及產量的影響。制定通遼地區地埋滴灌合理技術參數及灌溉制度，旨在為農民生產實踐提供理論指導，對通遼農業可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2015年在通遼市科左中旗節水試驗站進行，通遼市玉米播種面積占耕地面積的80%以上，科左中旗是玉米播種面積大旗(縣)之一。試驗區地處東經122°21′10″，北緯44°06′25″，屬溫帶大陸性季風氣候、四季分明。春季回暖快，多風沙；夏季雨熱同步，雨量集中；秋季短促，降溫快；冬季干冷漫長。平均氣溫5.9 ℃，平均日照時數為2 802.1 時，多年平均降水量342 mm，平均蒸發量為2 027 mm，試驗區土壤類型屬壤土，容重為1.58 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗采用2因子3水平正交組合設計(表1)，設滴灌帶埋設深度和滴頭流量2個因子，2種埋設深度，滴灌帶埋深分別為D1：25 cm、D2：35 cm，設3種滴頭流量，滴頭流量分別為Q1：1.05 L/h、Q2：1.38 L/h、Q3：1.90 L/h，試驗共計6種處理，每種處理3次重復，共計18個試驗小區，每個小區的長度均為90 m，寬度為4.8 m，面積為432 m2，試驗區總面積2 592 m2。采用地埋式滴灌帶，滴頭間距為0.3 m；每條滴灌帶控制2行玉米，滴灌帶間距1.2 m，每個處理的施肥量、灌水定額、灌水次數均相同，灌水量依據文獻[18]，設定為苗期60%～85%，拔節期65%～90%，抽雄期65%～95%，灌漿期75%～95%，成熟期70%～85%，計劃濕潤層深度為60 cm，灌水日期根據適宜含水率下限計算確定。試驗品種為偉科702，一年一熟。玉米生育期內旬降雨量見圖1。

表1 試驗設計方案

圖1 玉米生育期內旬降雨量

1.3 測定指標與方法

氣象數據觀測：采用進口小型自動監測氣象站，定期電腦采集氣象數據，監測項目包括大氣壓強、地溫、氣溫、降雨量、相對濕度、露點溫度、風速、風向、太陽輻射、含水率。

土壤含水率：采用TDR和烘干法測量土壤含水率，每7 d測一次，播前、收獲后各測一次，灌水、降雨后加測，測量深度為1 m，分為5層，每層20 cm，設3組重復。

作物生態指標測定：株高、葉面積用卷尺測量，株高測定是從植株根部到所有器官中的最長點；葉面積的測定是從葉尖到葉基的長度與離葉基1/3處的葉寬計算得到；其中，單葉面積用下式計算：

S=0.75ab

(1)

式中：S為葉面積；a為葉長；b為葉寬。單葉面積累加得全株面積。

耗水量計算：采用水量平衡法[19]：

Wt-W0=W+P0+M+K-ETc

(2)

式中：Wt為時段末土壤儲水量；W0時段初的土壤儲水量；M為灌水量；P0為有效降雨量；W為由于計劃濕潤層增大而增加水量；K為地下水補給量，研究區地下水埋深為8 m左右，地下水補給量忽略；ETc為田間耗水量，mm。

測產方法：每個處理取30 m調查行距、株距、果穗總數，得到公頃株數、有效穗數。每個小區隨機選取10穗玉米，游標卡尺測量穗長、穗寬、禿尖長，人工計數每穗粒數，脫粒后隨機取5組300粒稱重，得到百粒重。水分生產率計算：

(3)

式中：WUE為水分生產效率，kg/m3；Y為作物產量，kg/hm2；ETc為田間耗水量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同處理玉米株高研究

滴灌帶埋設深度不同導致灌水均勻度不同，影響水分在土壤中的運移，玉米根系的生長與土壤水分分布密切相關，根系吸水又會改變土壤含水率。在這種土壤水分與根系的交互影響下，不同滴灌帶埋深使玉米生長產生差異。玉米生育期株高變化見圖2，由圖可知各滴頭流量下不同埋深玉米株高變化趨勢一致，在苗期-拔節D1(25 cm)埋深處理高于D2(35 cm)15%～30%，到了抽雄期以后D1略大于D2但各處理間無顯著差異(p<0.05)。這是因為，在前期植株較小，地面覆蓋低，表層土壤棵間蒸發較大，根系分布較淺，此時埋設深度較淺的D1處理可以更及時地將水分輸送至淺層土壤，供給根系吸水。到了抽雄以后，玉米由營養生長轉為生殖生長，地表被植株完全遮蓋，棵間蒸發較小，吸水性較好的根毛分布在滴灌帶下方土壤區域，各處理土壤水分滿足根系吸水。故不同埋深下玉米株高差異不大。

滴頭流量是地埋式滴灌系統的重要設計參數。地埋式滴灌土壤水分運移的過程是以滴頭為中心，向四周擴散，在相同土壤環境下，土壤水分運移的快慢和擴散范圍取決于滴頭流量的大小，流量越小，濕潤體越小，而且速度慢，反之則快。土壤水分運移快慢和濕潤體大小影響著玉米灌水的效果，進而影響玉米生長發育，最終影響玉米產量。從圖2可以看出相同埋設深度下，玉米株高Q1(1.05 L/h)處理低于Q2(1.38 L/h)處理5%，Q3(1.90 L/h)處理較Q2(1.38 L/h)處理低8%，在前期由于灌水次數較少，不同滴頭流量各處理間無顯著差異，在拔節-抽雄灌水次數增多，抽雄期以后各處理出現顯著性差異(p<0.05)，試驗表明Q2流量下的濕潤體最適合玉米生長發育。

圖2 不同處理玉米株高變化

2.2 不同處理玉米葉面積指數(LAI)研究

葉片是玉米進行光合作用的主要器官，葉面積指數是衡量作物生長狀況的重要指標，葉片的大小與作物蒸發蒸騰密切相關，葉片的發展變化反映了光合有效面積的大小和光能截獲量的大小，影響著作物的經濟產量。生育期內玉米葉面積指數變化規律見圖3，各處理葉面積指數呈“正弦函數”變化。前期葉片增長速度較快，到抽雄期玉米由營養生長進入生殖生長，葉片增長速度降低。灌漿期達到最大，各處理葉面積指數(LAI)為4.40～4.93。到了成熟期葉片開始變黃萎縮，葉面積指數有所降低。不同埋深對玉米葉面積指數影響較大，D2(35 cm)埋深處理葉面積指數低于D1(25 cm)埋深4%～15%，因為D1處理埋設深度較淺，水分更易輸送至根區附近土層，供作物生長發育。研究表明D1埋深更益于葉片生長。

圖3 不同處理玉米葉面積指數變化

適宜的滴頭流量可以均勻、高效地為玉米根區輸送水分，流量較小，水分運移較慢，濕潤面積較小，根系無法及時吸收水分，影響作物生長發育；流量較大，水分運移較快，水分向下運移相比橫向運移快，大量水分進入深層土壤，根系吸收不到，以無效水分的形式儲存在土壤中，水分利用效率低。在D1(25 cm)埋深下Q2(1.38 L/h)處理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)處理3%～16%。表明埋深25 cm流量1.38 L/h的D1Q2處理葉片發育最好。D2(35 cm)埋深下不同滴灌量各處理LAI無顯著差異(p<0.05)，不同滴灌帶埋深對葉片發育的影響作用大于滴頭流量。

2.3 玉米生育期耗水規律研究

不同處理耗水量見表2，生育期玉米耗水規律：苗期由于作物生長發育較慢，耗水主要以棵間蒸發為主，前期為滿足出苗要求，灌水較多，耗水量占生育期總耗水量17%～19%。拔節期玉米迅速生長，棵間蒸發降低，蒸騰耗水顯著增大，耗水量達到最大，占生育期總耗水量23%～29%，該階段需要大量灌水滿足作物生長發育需求。抽雄期以后耗水量有所降低，達到生育期內最小值，僅占生育期總耗水量15%～18%。在降雨較大的灌漿期作物耗水量又有所增加，成熟期由于葉片枯萎發黃，玉米逐漸停止生長，作物耗水量又有所降低。D1(25 cm)埋深各處理生育期平均耗水量較D2(35 cm)處理高7%，由于埋深較淺時，淺層土壤含水率較高，棵間土壤蒸發較大，根系也更易吸收土壤水分用于作物蒸騰，故滴灌帶埋深越淺耗水量越大。不同流量各處理Q2(1.38 L/h)處理生育期耗水量為366.19 mm，略小于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)處理，差異不顯著(p<0.05)，說明滴頭流量對玉米耗水影響不大。

表2 不同處理耗水量研究

2.4 不同處理玉米產量研究

不同玉米產量變化見圖4，埋深為25 cm的各處理玉米平均產量高于埋深35 cm各處理平均產量14%，滴灌帶埋設深度與產量呈反比，隨埋深增加，玉米產量降低。這是由于水分在土層中向上運移較向下運移困難，埋深越淺對玉米生長發育和產量的積累越有益，前文提到玉米埋深較淺時有益于玉米植株生長發育，各項生育指標較優，為后期玉米產量的累積奠定基礎。結合當地耕作習慣，滴灌帶埋深為25 cm為最佳方案。

D1Q2(埋深25 cm，滴頭流量1.38 L/h)產量最高達到16 000.45 kg/hm2，顯著優于其他處理。在相同埋深下，不同滴頭流量對產量的影響較小，不同滴頭流量產量差異不顯著。

圖4 不同處理玉米產量

2.5 玉米水分生產率研究及灌溉制度研究

不同處理玉米水分生產率(WUE)見表3。D1(25 cm)埋深下，Q2(1.38 L/h)處理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)處理15%～18%；D2(35 cm)埋深下，Q2(1.38 L/h)處理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)處理2%～5%。說明滴灌帶埋設較深時，不同滴頭流量對玉米水分生產效率影響較小。不同滴頭流量間水分利用效率表現為Q2>Q3>Q1，研究表明D1Q2(埋深25 cm，滴頭流量1.38 L/h)水分利用效率最大，達到4.37 kg/m3。

表3 不同處理玉米WUE

綜上，結合玉米生長指標，需水規律，產量以及水分利用效率，從高產和水資源高效利用角度綜合分析，D1Q2(滴灌帶埋深25 cm，滴頭流量1.38 L/h)為最優組合模式。通遼地區玉米地埋滴灌推薦灌溉制度見表4，全生育期灌水7次，灌溉定額為175 mm。

表4 玉米地埋滴灌推薦灌溉制度

3 討論與結論

通過對通遼玉米地埋滴灌生育指標，耗水規律，產量，水分生產率研究得出以下結論：

(1)地埋滴灌玉米株高苗期-拔節D1(25 cm)埋深處理高于D2(35 cm)15%～30%，到了抽雄期以后D1略大于D2但各處理間無顯著差異(p<0.05)。Q1(1.05 L/h)處理低于Q2(1.38 L/h)處理5%，Q3(1.90 L/h)處理較Q2(1.38 L/h)處理低8%，Q2流量下的濕潤體最適合玉米生長發育。

(2)生育期葉面積指數呈“正弦函數”變化。前期葉片增長速度較快，灌漿期達到最大，各處理葉面積指數(LAI)為4.40～4.93。D2(35 cm)埋深處理葉面積指數低于D1(25 cm)埋深4%～15%，研究表明D1埋深更益于葉片生長。在D1(25 cm)埋深下Q2(1.38 L/h)處理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)處理3%～16%。表明埋深25 cm流量1.38 L/h的D1Q2處理葉片發育最好。D2(35 cm)埋深下不同滴灌量各處理LAI無顯著差異(p<0.05)。

(3)拔節期耗水量最大，占生育期總耗水量23%～29%，D1(25 cm)埋深各處理生育期平均耗水量較D2(35 cm)處理高7%。不同流量各處理Q2(1.38 L/h)處理生育期耗水量為366.19 mm，略小于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)處理，差異不顯著(p<0.05)。

(4)埋深為25 cm的各處理玉米平均產量高于埋深35cm各處理平均產量14%，滴灌帶埋設深度與產量呈反比，隨埋深增加，玉米產量降低。D1Q2(埋深25 cm，滴頭流量1.38 L/h)產量最高達到16 000.45 kg/hm2，水分利用效率最大4.37 kg/m3，顯著優于其他處理。從高產和農業水資源高效利用角度出發，西遼河平原地埋滴灌帶埋設深度25 cm，滴頭流量1.38 L/h為最優組合，推薦灌溉制度為全生育期灌水7次，灌溉定額175 mm。