河套灌區不同灌溉方式春玉米耗水特性與經濟效益分析

鄒宇鋒 蔡煥杰 張體彬 王云霏 徐家屯

(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)

0 引言

內蒙古河套灌區位于黃河上中游內蒙古段北岸的沖積平原，灌區總土地面積119萬hm2，設計灌溉面積73萬hm2，是亞洲最大的一首制自流灌區和全國3個特大型灌區之一，也是我國重要的商品糧、油生產基地。河套灌區年均農業灌溉引水量約45億m3，近年由于國家對黃河水資源的統一調度，灌區引水配額有減小趨勢[1]。灌區內農田灌溉方式長期以地面灌為主，水分利用效率低下，地下水位埋深較淺，土壤次生鹽漬化日益嚴重[2]，勢必需要更多的灌溉水進行鹽分的淋洗。地表水資源的緊缺和土壤鹽漬化嚴重限制河套灌區農業生產的可持續發展，已成為亟待解決的矛盾。因此，灌區只有尋求發展更加節水高效的灌溉方式，才有可能同步實現農業節水和鹽漬化的治理。

畦灌是河套灌區農民普遍采用的一種灌溉方式，其管理粗放，雖然近些年隨著激光平地等畦田改造工程的實施，灌溉效率略有提高，但總體水分利用率仍然較低[3]；溝灌是一種改進的精細地面灌溉技術，開溝培土耕作措施有利于水分入滲和作物根系生長，可減少灌水量和深層滲漏量，顯著提高灌溉水利用效率[4-5]，尤其是在壟上覆膜的壟膜溝灌技術基礎上發展的集雨補灌種植技術體系在黃土高原半干旱地區農業生產中得到了廣泛應用[6-7]；膜下滴灌技術是近20年發展起來的相對先進的節水灌溉技術，該技術將覆膜栽培和滴灌灌溉結合，具有明顯的節水節肥、抑蒸保墑的優勢，在我國干旱半干旱地區農業生產中發揮了巨大作用。然而，由于河套灌區地表水資源相對其他旱區豐富，農民節水意識薄弱，例如壟膜溝灌、膜下滴灌等節水灌溉技術至今并未得到足夠的關注和應用。

春玉米是河套灌區第二大糧食作物，近年的播種面積約34萬hm2，約占糧食作物播種面積的50%。目前，灌區內春玉米種植主要以畦灌為主，溝灌和滴灌等節水灌溉技術在河套灌區春玉米的應用研究僅處于起步探索階段，受限于配套技術、成本投入、農民認知等多方面因素，并未得到大面積的推廣。李成等[8]研究了壟膜溝灌種植模式下的土壤水熱狀況，并對比分析了不同施肥水平下的春玉米生長情況，為壟膜溝灌技術在河套灌區的應用提供了理論依據。膜下滴灌技術在河套灌區的研究較早關注的是經濟效益較高的加工番茄[9]，之后孫貫芳等[10]研究了不同膜下滴灌制度下的土壤水熱鹽運移規律，指出河套灌區膜下滴灌土壤鹽分調控應為生育期滴灌灌溉和非生育期漫灌洗鹽雙重調控。此外，前人也建立了井渠結合膜下滴灌的土壤鹽分運移模型，為下一步膜下滴灌推廣應用以及相對應的秋澆制度提供了建議與參考[11]。總體而言，關于河套灌區節水灌溉方式的研究大多關注單一灌溉方式下土壤水鹽過程及作物生長響應，多種灌溉方式下作物耗水特性的響應差異和對比傳統畦灌在經濟效益方面的分析研究還較少。

本研究在河套灌區連續開展3年的田間定位試驗，以傳統畦灌為對照，研究不同節水灌溉方式(壟膜溝灌、膜下滴灌)和不同灌溉水平下春玉米耗水特性和作物產量的響應關系，并對比分析不同處理下春玉米生產的經濟效益，以期尋求最適宜的節水灌溉方式和制度，進一步完善河套灌區春玉米節水灌溉技術體系，為灌區農業節水灌溉技術發展與農田水資源管理決策提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2016—2018年的春玉米生長季(5—9月)在河套灌區曙光試驗站(40°46″N，107°24″E，海拔1 039 m)進行。該試驗站地處內蒙古自治區巴彥淖爾市臨河區八岱鄉旭光村，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降雨量為135 mm，年均蒸發量2 350 mm，全年日照充足，晝夜溫差較大。全年無霜期為135～150 d，日照時數3 200 h左右。

試驗地土壤屬于黃河灌淤土，土壤分層明顯。0～40 cm深度土壤飽和浸提液電導率(ECe)平均值為6.6 dS/m，pH值平均值為8.5(表1)，屬于輕度鹽漬化水平[12]。0～40 cm深度土壤有機質質量比7.3 g/kg，全氮質量比105.36 mg/kg，速效磷質量比55.82 mg/kg，速效鉀質量比120.49 mg/kg。試驗站設有氣象站、水面蒸發皿和地下水監測井，分別對氣象數據、水面蒸發量和地下水位進行監測。試驗區地下水位主要受周邊農田灌溉影響，周年波動較大，一般在2～3.5 m之間(圖1)，地下水電導率為1.8 dS/m左右，pH值為7.7左右。試驗田每年作物收獲后(約11月初)采用引黃水漫灌(俗稱“秋澆”)，灌水定額150～180 mm。

表1 河套灌區曙光試驗站2016年播前土壤基本理化性質Tab.1 Physicochemical properties of soil in Shuguang Experiment Station of Hetao Irrigation District before sowing in 2016

圖2 河套灌區春玉米不同灌溉方式種植模式示意圖Fig.2 Cultivating patterns of spring maize under different irrigation methods in Hetao Irrigation District

1.2 田間試驗

1.2.1種植模式

供試作物為春玉米，品種為“西蒙6號”，采用“一膜兩行”的寬窄行種植方式，地膜為厚度8 μm高壓聚乙烯地膜，膜內為窄行距30 cm，膜間為寬行距70 cm(圖2)。其中溝灌處理的溝深20 cm，壟肩寬60 cm，壟上覆膜，膜下種植2行玉米(圖2b)；滴灌處理為膜下滴灌，選擇貼片式滴灌帶(直徑16 mm)，工作壓力為0.1 MPa，滴頭流量2.5 L/h，滴頭間距30 cm，與株距一致。所有處理均覆膜后點播，株距30 cm，播種深度5 cm，播種密度66 667株/hm2。3年田間試驗具體播種日期分別為2016年4月27日、2017年4月28日和2018年4月29日，收獲日期分別為2016年9月9日、2017年9月8日和2018年9月10日。

1.2.2試驗設計

田間試驗采用裂區試驗設計，主處理為灌溉方式，包括畦灌、溝灌和滴灌；次處理為灌水水平，其中畦灌(BI)為對照處理，僅設置一個灌溉水平，依照當地黃河引水日期和傳統灌溉習慣執行；溝灌和滴灌方式下分別設置高(H)、中(M)和低(L)3個灌溉水平。溝灌處理參考玉米需水量和需水規律[13]，3個灌溉水平分別為推薦灌溉定額(450 mm)的1倍(450 mm，FI-H)、0.8倍(360 mm，FI-M)和0.6倍(270 mm，FI-L)，分別在玉米的三葉期、拔節期、抽雄期和灌漿期灌水4次；而滴灌處理是通過控制土壤水勢下限指導灌溉[14]，參考前人在河套灌區膜下滴灌春玉米生產的研究結果[10,15]，分別控制土壤基質勢下限為-10(DI-H)、-30(DI-M)、-50 kPa(DI-L)，每次灌水10 mm(參考玉米生育期內最大日蒸發量)，直至灌漿后期灌溉停止。因此，田間試驗共包含7個處理，每個處理重復3個小區，小區規格為寬4 m、長15 m，每小區包含8行玉米。小區四周均設有畦埂，且同一灌溉方式小區之間間隔2 m、不同灌溉方式小區之間間隔5 m，以減少灌溉水分側滲影響。

1.2.3施肥與田間管理

試驗地底肥于每年春季播種之前耕翻時施入，分別采用尿素、磷酸二銨和硫酸鉀按照純氮150 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2和K2O 45 kg/hm2施入量均勻撒施后翻耕。所有處理玉米生育期內追施純氮150 kg/hm2，畦灌和溝灌均結合灌漿期灌水時均勻撒施；滴灌處理則是自拔節期后采用水肥一體化形式將總追肥量平均到每次灌水的尿素施用量隨灌水施入。保證所有處理每年累積施肥量一致。其他田間管理，如除草、病蟲害防治等同周邊農田一致。

1.3 觀測指標與計算方法

1.3.1作物產量及地上部生物量

每年9月上旬春玉米成熟后，在每個小區剔除邊行之外的6行玉米(每小區共8行)中S形選取5株長勢均勻、無病蟲害玉米植株，從地表處剪取收獲整個植株(每處理共計15株)，其中籽粒經晾曬風干后脫粒，稱量，然后根據種植密度計算得出籽粒產量(Ygrain)；地上部除籽粒外的其他干物質經80℃干燥至質量恒定后稱量，得除籽粒之外地上部生物量(Ystraw)，然后計算收獲指數(HI)

(1)

1.3.2作物水分利用

(1)土壤含水率

分別在膜內和膜間埋設TDR土壤水分測管(圖2)，生長季內每間隔10 d利用TDR便攜式土壤水分測量儀(TRIME-PICO型，IMKO，德國)測量土壤體積含水率1次，測量深度為20、40、60、80、100 cm，然后通過空間加權平均法計算0～100 cm深度土壤平均含水率(cm3/cm3)和貯水量(mm)。

(2)土壤水勢

用于指導滴灌灌溉的土壤水勢通過埋設在滴頭正下方20 cm深度處的負壓計來監測，埋設位置見圖2c。每天08:00和15:00讀取數據，一旦達到所設定閾值，立即啟動灌溉。另外，前人在該試驗基地的研究表明，土壤剖面內夾砂層的存在限制了玉米根系的生長，玉米根系主要分布在0～80 cm深度內[16-17]，因此，本研究中將玉米根區深度定義為0～100 cm，該深度足以包含絕大多數玉米根系，以滿足計算玉米水分利用的需要。為監測根區下層界面的水勢梯度，在玉米窄行正下方埋設土壤水勢傳感器(MPS-6型，Decagon，美國)，埋設深度分別為90、110 cm(圖2)，通過數據采集器(EM50型，Decagon，美國)每30 min自動采集土壤水勢數據，以計算根區下層土壤水分通量。

(3)作物實際耗水量

作物實際耗水量(ET)采用水量平衡方程計算，即

ET=P+I+ΔS+G-D-R

(2)

其中

ΔS=hθ1-hθ2

(3)

式中P——降雨量，mm

I——灌水量，mm

ΔS——生長季初末根區貯水量差值，mm

h——根區深度，取100 cm

θ1——生長季初期土壤體積含水率，cm3/cm3

θ2——生長季末期土壤體積含水率，cm3/cm3

R——地表徑流，本研究地勢平坦且小區之間設有隔離畦埂，此項忽略

G——地下水毛管上升補給量，mm

D——深層滲漏量，mm

本研究將G和D合并考慮為根區下層(100 cm深度處)水分通量Q，可以通過達西定律公式計算

(4)

(5)

式中K(φ)——非飽和導水率，mm/h

φ110——110 cm深度處土壤水勢，cm

φ90——90 cm深度處土壤水勢，cm

Ks——100 cm深度處飽和導水率，mm/h

θ——100 cm深度處實際含水率，cm3/cm3

θs——100 cm深度處飽和含水率，取0.4 cm3/cm3

m——經驗系數

水分特征曲線采用高速離心法(CR21型，Hitachi，日本)測定；飽和導水率Ks由定水頭法測定，100 cm深度處Ks為13.6 mm/h；非飽和導水率由非飽和導水率自動測量系統測定；土壤水勢由水勢傳感器監測；經驗系數m取2.1[18-19]。

(4)水分利用效率

水分利用效率(WUE)計算式為

(6)

灌溉水利用效率(WUEi)計算式為

(7)

(5)作物水分生產函數

作物產量與耗水量之間的關系表達式為[20]

(8)

式中Ya——作物實際籽粒產量，kg/hm2

Ym——作物最高產量，kg/hm2

ETa——作物實際耗水量，mm

ETm——作物最大耗水量，mm

Ky——作物產量-水分響應系數

本研究針對溝灌和滴灌處理，分別選擇連續3年中最大產量和最大耗水量為各自灌溉方式下的Ym和ETm，然后分別計算溝灌和滴灌處理下的Ky。

1.3.3經濟效益分析

農業生產的凈收益表達式為

Pn=YgrainPgrain-Ct

(9)

式中Pn——凈收益，元/hm2

Pgrain——籽粒價格，元/t

Ct——總成本，元/hm2

總支出中分為固定支出和可變支出[21]。針對本研究實例，固定支出主要包含農業生產資料和田間管理費用，包括種子、農藥、化肥、秋季翻耕等；可變支出主要為因灌溉管理不同的支出，包括灌溉系統和材料的折舊、灌溉用水、用電、用工等。上述參數的計算均參照生產季度當時的市場價格，包括玉米價格、用工價格、水價等。所有灌溉成本的計算前提是田間供水系統(如水井、水泵、主輸水管道等)已配備，可以保證隨時的灌水需要。

2 結果與分析

2.1 降雨蒸發及灌溉情況

2016—2018年春玉米生長季累積降雨量分別為123、37、135.1 mm(圖3)。分析1990—2010年的氣象數據，發現該區域玉米生長期內(5—9月)平均降雨量為92 mm，因此2017年屬于典型的干旱年，而2016、2018年則屬于濕潤年。2016、2018年8月中下旬(春玉米灌漿期)均有一次較大降雨，分別為26、66 mm。3個生長季內累積水面蒸發量分別為904.9、948.8、850.2 mm(圖3)，蒸降比分別為7.4、25.6和6.3。

本研究以當地普遍應用的畦灌為對照處理，按照當地黃河引水和灌溉習慣，春玉米生長季內共灌溉3次，每季總灌溉定額為525 mm；溝灌處理春玉米生長季內共灌水4次，高、中、低3個水平處理的灌溉定額分別為450、360、270 mm；而滴灌條件下通過控制根區土壤不同的基質勢下限來實現不同的灌溉水平，處理間灌水次數和累積灌水量顯著差異，3個春玉米生長季高、中、低水平的灌溉量分別在340～440 mm、140～300 mm和70～130 mm之間，其中同等灌溉水平下降雨較少的2017年灌水量明顯多于其他年份。各處理具體灌水次數和灌溉量見表2。

圖3 河套灌區2016—2018年春玉米生長季內累積蒸發量和降雨量Fig.3 Cumulative evaporation and rainfall during growing seasons of spring maize in 2016—2018 in Hetao Irrigation District

2.2 春玉米產量與生物量

不同灌溉方式、灌溉水平及二者交互作用均顯著影響玉米籽粒產量(P<0.05)(表3)。在同一灌溉方式下，玉米籽粒產量隨灌水量的增多而顯著增加；不同灌溉方式之間比較發現，控制土壤基質勢下限-10 kPa的滴灌高水處理(DI-H)籽粒產量顯著高于其他處理，3年平均值達到16.0 t/hm2；而最小產量同樣出自滴灌處理，為控制下限-50 kPa的滴灌低水處理，3年平均籽粒產量僅為10.6 t/hm2。溝灌高、中、低3個灌水處理3年平均籽粒產量分別為14.4、13.3、11.4 t/hm2，而作為對照的畦灌處理，3年平均籽粒產量為13.2 t/hm2。年際之間比較發現，畦灌和溝灌處理在降雨較少的2017年各處理籽粒產量均低于其他2年，而滴灌下產量并沒有明顯降低，這說明滴灌灌溉方式更加有利于在干旱年保持較高的作物產量。

表2 河套灌區春玉米不同灌溉方式下灌水次數和灌溉量Tab.2 Irrigation times and volume for spring maize cropping under different irrigation methods in Hetao Irrigation District

玉米地上部秸稈是當地牲畜主要粗飼料的原料之一。灌溉方式和灌水顯著影響地上部生物量，但二者的交互作用在除2017年之外的其他2個生長季內未達到顯著水平。和籽粒產量響應一致，在同一灌溉方式下，地上部生物量隨灌水量的增多顯著增加(表3)；所有處理中，3個生長季平均最大地上部生物量出自溝灌的灌水較多的兩個處理，其中溝灌高水(FI-H)處理(13.6 t/hm2)和中水(FI-M)處理(13.5 t/hm2)二者之間差異不顯著，而滴灌處理下土壤水勢下限為-50 kPa的低水處理(DI-L)地上部生物量最低。

收獲指數反映地上部干物質向籽粒的轉運效率。灌溉方式和灌溉水平顯著影響收獲指數，但其在不同處理間的響應規律與籽粒和地上部生物量不同，例如，溝灌高水和中水處理雖然取得了最高的地上部生物量，但收獲指數較小，并沒有獲得最高的籽粒產量，表明該處理下干物質轉運效率較低。收獲指數最高的處理為滴灌高水(DI-H)和滴灌中水DI-M(表3)，這說明保持根區較高基質勢處理有利于干物質向籽粒中的轉運，從而提高作物籽粒產量和收獲指數[22]。

表3 河套灌區不同灌溉方式下春玉米籽粒產量、地上部生物量及收獲指數Tab.3 Grain yield, aboveground biomass and harvest index of spring maize under different irrigation methods in Hetao Irrigation District

2.3 春玉米水分利用

研究區域的地下水埋深一般在2～3.5 m之間，且季節性波動較大(圖2)，該淺層地下水勢必會通過毛管上升對根區土壤水分進行補給[23]。本研究通過觀測根區下層土壤水勢梯度，計算水分通量Q，進而分析生育期內毛管上升補給量和深層滲漏量。就整個生育期而言，Q為正，表明深層滲漏量大于毛管上升補給量，Q為負，則表示深層土壤水分通量以地下水毛管上升補給根區為主。不同灌溉方式之間的Q值比較發現，畦灌以深層滲漏為主，平均有10%的灌水通過深層滲漏損失，而灌水較少的溝灌和滴灌處理則以地下水的毛管上升為主，例如滴灌低水處理每個生長季有10.5～29.0 mm的地下水通過毛管上升補給到根區供作物吸收(表4)。

對于濕潤年2016年和2018年，畦灌和溝灌、滴灌下的高水處理下玉米收獲后的根區貯水量較播前增加(ΔS為負)；在干旱的2017年，除滴灌高水之外的所有處理ΔS均為正，表示玉米收獲后的根區土壤水分較播前降低。畦灌條件下作物實際耗水量ET在3年平均為537 mm，溝灌高、中、低水3個處理ET的平均值分別為462、423、358 mm，而滴灌3個灌水水平的平均ET分別為496、371、307 mm， 即在溝灌和滴灌條件下，隨著灌水量的增加，作物耗水量逐漸增加(表4)。

表4 河套灌區不同灌溉方式下春玉米水分利用情況Tab.4 Water use of spring maize under different irrigation methods in Hetao Irrigation District

不同灌溉方式和灌溉水平顯著影響水分利用效率(WUE)及灌溉水利用效率(WUEi)(P<0.05)(表5)。灌溉方式之間差異顯著，其中畦灌3年平均WUE為2.46 kg/m3，而溝灌WUE為2.79～2.98 kg/m3，滴灌WUE最高，在3.23～4.12 kg/m3之間。對于同一種灌溉方式(溝灌或滴灌)而言，3年WUE平均值均表現為中水處理最高。另外，WUEi由大到小依次為滴灌、溝灌、畦灌，且在同一灌溉方式內隨著灌水量的減少顯著增加(P<0.05)(表5)。

一般而言，隨著耗水量的增加，作物產量先增加，在到達最大值(在現有外界環境條件下作物潛在產量得到最大發揮)之后，隨著耗水量等增加，作物產量開始降低。對于滴灌而言，符合拋物線的變化規律(圖4a)，即在耗水量460 mm左右時，春玉米籽粒產量可以達到最高值(16 t/hm2左右)；但是對于溝灌來說，現有數據擬合曲線則基本符合直線趨勢，未找到產量的最高值，也就是說本研究中的溝灌處理中的耗水量可能還未達到最大值，如果繼續增加灌水、降雨(或增加土壤儲水、地下水補給等)，春玉米籽粒產量還有繼續增加的可能。另外，從圖4a也可看出，同等ET情況下滴灌春玉米籽粒產量普遍高于溝灌處理。

表5 河套灌區春玉米不同灌溉方式水分利用效率與灌溉水利用效率Tab.5 Water use efficiency and irrigation water use efficiency of spring maize under different irrigation methods in Hetao Irrigation District kg/m3

相對產量減少與相應的相對耗水量減少之間的關系是被廣泛應用的水分生產函數，其中產量-水分響應系數Ky反映作物對于土壤水分脅迫的敏感程度[23]。本研究中，溝灌和滴灌Ky分別為0.821 5和0.684，說明滴灌條件下，作物耗水量的減少所引起的減產幅度更小，也就是說滴灌更易于在潛在干旱脅迫下保持較高的作物產量。

圖4 河套灌區不同灌溉方式下籽粒產量與作物耗水量之間的關系及產量-水分響應系數Fig.4 Relationships between grain yield and ET and coefficient of yield response to water under different irrigation methods in Hetao Irrigation District

2.4 經濟效益分析

農民收入與農產品價格密切相關。2016—2017年度內蒙古產區玉米價格為1 631元/t，2017—2018年度國內玉米價格回升，達到1 761元/t，2018—2019年度價格為1 810元/t[24-25]。因此按照此價格計算，在本研究的2016—2018年，隨著國內玉米價格的回升，農民玉米生產收入逐年增加(表6)。3年平均收入以滴灌高水處理最高，滴灌條件下的低水處理因大幅減產，收入最低(表6)。

表6 河套灌區不同灌溉方式下玉米生產收入Tab.6 Income of spring maize production under different irrigation methods in Hetao Irrigation District

不同灌溉方式下的成本支出明細見表7。不同灌溉處理中的相同費用主要有種子、化肥、農藥等農資材料以及播種、收獲用工費用等；溝灌由于播前增加了起壟耕作，增加了部分用工(或機械)費用，而畦灌和溝灌種植均需要進行追肥操作，產生了追肥用工費用，而滴灌采用水肥一體化技術，無此費用(表7)。不同處理之間生產支出的差異更多體現在灌溉管理方面，其中畦灌和溝灌的灌溉系統主要為田間輸水管道(以聚乙烯水帶為例)和水表等材料

費，按照控制面積1 hm2計算，合計300元，所有灌溉管材使用年限按照5年計算，所以畦灌和溝灌處理灌溉系統折舊費為每公頃每年60元；滴灌灌溉系統主要包括滴灌帶及其配套管材，其中滴灌帶一般選擇每年更換一次的可回收薄壁滴灌帶，價格為0.15元/m，滴灌帶田間布設間距為1 m，所以每公頃滴灌帶價格為1 500元；每套滴灌系統其他配套管材約2 000元，包含輸水管道100元(按照φ60 mm PVC管200 m計算)，每套滴灌系統需注肥器1 500元，其他如水表、壓力表、閥門、過濾器、變徑、三通等連接管件耗材400元。除滴灌帶外的其他配套管材按照使用壽命為5年,每套系統按照控制1 hm2計算，每年折舊費用為400元/hm2，因此滴灌灌溉設備折舊費共計1 900元/hm2。灌溉水費(0.11元/m3)、電費(0.5元/(kW·h))，按照當地主管部門統一定價計算[26]。在田間渠系和管道已配套的前提下，畦灌和溝灌的灌溉管理用工按照每公頃灌水一次需要1個人工計算(人工費用150元/d)，所以畦灌灌水3次，需450元，溝灌灌水4次，需600元，而滴灌采用水肥一體化技術，灌水施肥操作相對輕松，每次灌溉按照工作1 h(10元用工費)計算，3個滴灌水平的灌溉次數平均為32、21、10次，即用工費320、210、100元(表7)。綜上，相對于畦灌，溝灌種植由于增加了播前耕作而增加了總支出，而滴灌主要是增加灌溉系統成本而增加了總支出(表7)。就凈收益而言，溝灌下高水處理凈收益較畦灌增加13%，相對節水14%，而中水溝灌凈收益與畦灌持平，但相對節水31%。而滴灌中高水和中水處理均高于畦灌，分別增加凈收益28%和22%，且二者相對于畦灌分別節水19%和57%(表7)。

表7 河套灌區不同灌溉方式下玉米生產每年支出明細及經濟效益分析Tab.7 Annual expense of maize production and its economic analysis under different irrigation methods in Hetao Irrigation District

3 討論

3.1 不同灌溉方式下的作物水分利用特征

按照當地黃河引水灌溉傳統，本研究試驗地每年秋季作物收獲后均進行一次漫灌，一方面淋洗鹽分，另一方面為次年春播提供必要墑情。所以春季春玉米播種時的土壤墑情一般較好(表1)，可以滿足作物出苗和早期幼苗生長，生長季內的第一次灌溉一般都在播種后的1個月左右(6葉期至拔節期之間)進行。

畦灌中畦田的面積和平整程度，以及溝灌中壟溝規格和長度等，顯著影響灌水時水流推進速度和水分均勻度，進而影響作物水分利用和生長發育[4]。本研究中，在試驗前進行了土地的平整，且小區面積僅為4 m×15 m，取樣位置盡量選擇小區中部，所以可以忽略畦灌和溝灌下水流推進造成的土壤水分的差異。不同灌溉方式之間比較發現，傳統畦灌一般有10%左右的灌水通過深層滲漏損失，水分利用率較低，與前人研究結果基本一致[27]；溝灌是精細地面灌溉方式，本研究中溝灌中水和高水處理在沒有顯著降低，甚至提高籽粒產量的同時，顯著減少灌溉水量，提高了水分利用高效率(表5)，這是因為溝灌的灌水定額相對較小，并且灌入溝中的水分在土壤中還有著比較明顯的側向入滲，因而減少甚至杜絕了深層滲漏的發生[28]。前人在干旱半干旱地區對紅花籽的研究結果表明，壟溝灌溉技術節約了30%的灌溉水量，作物產量僅減少13%，此差異未達到顯著水平[29]。

而滴灌通過對根區土壤進行長時間、低流量的局部供給，基本上不會產生地表徑流和深層滲漏，同時地表覆膜減少了裸地蒸發，更利于提高水分利用效率(表5)。另外，前人研究還表明，玉米花后干物質積累量占總生物量的73%以上，是玉米籽粒產量形成的主要產物來源，也就是說玉米籽粒產量很大程度決定于玉米生育后期的光合生產能力[30-31]，而滴灌條件下“少量多次”的灌溉方式，更有利于維持中后期根區土壤適宜的水肥狀況，從而促進作物籽粒灌漿和最終產量的形成[32]。另外，本研究滴灌處理中，維持最低土壤水勢的滴灌處理(DI-L)得到了最低的籽粒產量和地上部生物量。LEACH[33]研究指出，隨著土壤水勢的降低，土壤-植物系統之間水分運輸阻力逐漸增強，從而抑制作物光合與生長。另外，節水灌溉條件下減少一定量的ET并不會顯著降低作物產量[34-36]。本研究也表明，相對于傳統畦灌，溝灌和滴灌處理作物實際耗水ET均顯著降低(表4)，但部分高水、中水處理的籽粒產量反而增加(表3)，提高了水分利用效率。

水分生產函數中的產量-水分響應系數Ky反映作物對于土壤水分脅迫的敏感程度。本研究中，溝灌和滴灌Ky分別為0.821 5和0.684，遠小于FAO 66(1.25)[23]和前人的研究(1.26[37]、1.47[38]、1.5[39])。該差異應主要歸因于氣候條件、作物品種、管理措施、土壤條件、灌溉方法，以及水分脅迫發生的具體生育時期[40]。另外，還可能與本研究中所選擇的最大產量和最大耗水量有關(受限于本研究條件下周圍環境和田間管理水平等多因素，二者可能并未達到真正的最大值)；另外，按照FAO 66中的標準[23]，玉米(Ky=1.25)屬于水分脅迫敏感型作物，但是也有學者認為，包括玉米在內的禾谷類作物屬于中度耐旱作物，其耐旱性能較馬鈴薯等其他作物強[41]。這其中的分歧肯定與作物品種特性和生長環境有關，隨著生物育種技術的進步，更加耐旱品種的出現，改變了原有的閾值水平。相對而言，本研究中更應關注滴灌Ky小于溝灌，說明滴灌更適宜于在潛在干旱脅迫下保持較高的作物產量。考慮到Ky顯著受到水分脅迫發生的具體生育時期的影響[40]，曾有研究指出在玉米水分敏感時期(如抽穗開花期)發生水分脅迫將會比其他時期產生較大的Ky(大于3)，其次為灌漿期和營養生長時期[42-43]。在相同的、較小灌水量條件下，相對于溝灌，“小流量、高頻率、長時間”的灌溉特點使得膜下滴灌可以維持更多的水分在根區范圍內，使得更多的水分被植物利用，相比溝灌水分的無效消耗更少，從而可以維持相對更高的作物產量。

3.2 不同節水灌溉方式下的經濟效益分析

和傳統畦灌相比，溝灌高水處理顯著增加了籽粒產量和凈收益，而中水處理籽粒產量和凈收益均與畦灌持平，但相對節水31%(表7)。農業生產的收益不應僅局限于作物籽粒產量，節約的水分可以用來擴大種植面積，進而增加農業生產總收益，也就是說節水灌溉條件下的減產可以通過節約用水增加的灌溉面積來補償[35,44]。此外，還應該將調整灌溉方式之后水資源的重新配置帶來的生態和社會效益考慮在內[45]。

滴灌高水和中水處理在相對畦灌節水19%和57%的情況下，可以增加春玉米生產凈收益22%～28%(表7)；另外，本研究旨在研究水分管理效應，因此應盡量消除其他因素對玉米生長的影響，所以保持了所有處理的施肥量一致，均為當地高產田推薦水平。但實際滴灌生產中應該考慮到滴灌水肥一體化技術在節水節肥方面的優勢，有研究表明，滴灌在保證不減產的情況下，可以普遍節約肥料30%～50%。因此，實際生產過程中滴灌下的經濟凈收益理應更高。當然，還需要說明的是，本研究中是利用地下水進行的滴灌灌溉，如果采用引黃水滴灌的話，就涉及到黃河水由于高含沙無法直接使用的問題，勢必增加灌溉前期水處理成本；另外，地下水的利用一方面可以降低地下水位，減輕土壤鹽漬化，另一方面地下水的過度開采又將打破原有的農業生態水文平衡，進而影響整個農業生產活動甚至生態環境。前人就河套灌區地下水的利用[46]以及地下水適宜開采區域及其與引黃秋澆的結合問題[11]，進行了一些研究，提出可以在地下水礦化度小于2 g/L的地區開采地下水進行灌溉，并結合采用黃河水進行2年1次的秋澆壓鹽；而本研究結果可以為具體作物(玉米)包括溝灌和滴灌在內的節水灌溉技術的推廣提供參考和技術補充，當然，針對需要綜合考慮生產、經濟甚至生態效益的節水灌溉適宜面積問題，還需要進行長時間、大尺度的系統研究。

河套灌區當地普遍應用的地表水畦灌(漫灌)水分利用效率較低，而采用節水灌溉之后，農戶層面的經濟結果是能夠增加農民收入(表7)，而更高層面的結果(非農業)是減少農業水資源的利用量，可以有更多的水資源用于其他行業甚至黃河流域其他區域。不僅僅是決策者，農民也應該被告知采用節水灌溉之后所帶來的直接和間接效益，以便更主動地選擇節水灌溉，這樣農田尺度和區域尺度的整體農業生產和社會效益才能得到提高[21,47]。鑒于此，建議針對當地黃河引水條件、地下水資源條件(埋深、礦化度等)、農民接受程度等實際情況，選擇適宜的節水灌溉方式。

4 結論

(1)畦灌條件下平均有10%的灌水通過深層滲漏而損失，而滴灌低水處理每個生長季有10.5～29 mm的地下水通過毛管上升補給根區而被作物吸收。

(2)相對于傳統畦灌，溝灌高水處理可以增加玉米籽粒產量和凈收益，中水處理可以在保持產量和凈收益持平的情況下，節約灌溉水31%；滴灌條件下的高水和中水處理在相對畦灌節水19%和57%的情況下，顯著提高春玉米籽粒產量和凈收益，擁有較高的水分利用效率。

(3)引水資源相對充足時，可以選擇溝灌中水處理(360 mm)，甚至高水處理(450 mm)，可以獲得與畦灌相當甚至略高的產量和經濟效益；而在灌溉水資源相對虧缺且經濟條件和農民接受度較高的地區，建議選擇土壤基質勢下限為-30 kPa的滴灌處理。