鮮食甜玉米需水規律及節水灌溉制度研究

張 雷，王 杰，王樹鵬，黃 英，曹 言，段琪彩，崔遠來

鮮食甜玉米需水規律及節水灌溉制度研究

張 雷1，王 杰1，王樹鵬1，黃 英1，曹 言1，段琪彩1，崔遠來2

（1.云南省水利水電科學研究院，昆明 650228； 2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

【目的】研究鮮食甜玉米需水量、需水規律及節水灌溉制度，指導其科學合理灌溉。【方法】連續開展2 a鮮食甜玉米田間灌溉試驗，以群眾高產種植經驗為試驗處理，在試驗小區內安裝智墑和云智能氣象站采集土壤墑情、氣象數據。分析了甜玉米全生育期土壤水分動態變化規律；計算了甜玉米逐日需水量和作物系數，分析了其需水量規律；針對實際灌溉中存在的問題，對甜玉米灌溉過程中土壤含水率上下限進行了優化。【結果】甜玉米土壤水分變化主要集中在10~30 cm之間，根系最大吸水深度為50 cm；2016—2017年甜玉米全生育期需水量分別為197.7 mm和212.9 mm，平均需水強度分別為3.0 mm/d和3.1 mm/d；需水強度呈現抽雄吐絲期＞灌漿乳熟期＞拔節期＞苗期的規律；甜玉米作物系數（Kc）苗期最小，抽雄吐絲期最大，2 a全生育期Kc平均值分別為0.63和0.67；經過灌溉制度優化，甜玉米全生育期灌水4次，凈灌溉用水量較實際分別減少31.87%和33.97%。【結論】甜玉米需水量較小，需水規律和普通玉米相似，農業生產中應根據降雨情況適時補充灌溉。

甜玉米；需水量；需水規律；作物系數；灌溉制度

0 引 言

【研究意義】玉米作為我國重要糧食作物，長期以來針對其需水量[1]、灌溉制度[2]、灌水方式[3]、水肥耦合[4]等方面開展了大量研究，取得了大批階段性研究成果，對我國灌溉用水管理及農業發展起到了重要的促進作用。然而眾多研究成果中，研究對象多為普通玉米（糧食），關于鮮食甜玉米需水規律及節水灌溉制度的研究還鮮有報道。與普通玉米相比，甜玉米是玉米胚乳中基因Su1隱性突變而來[5]，具有經濟價值高、分蘗能力強（需及時除去無效分蘗）、生長速度快（抽雄吐絲期后20 d左右即可收獲），生育期內需要多次施肥和灌溉[6]等特點。因此，針對普通玉米的灌溉試驗研究成果很難用于指導甜玉米生產實際，隨著甜玉米種植規模的不斷擴大，亟須摸清其生育期需水規律及節水灌溉制度。【研究進展】在諸多需水量研究方法中，烘干法與蒸滲儀測定法被認為是2種精度較高的方法[7]。烘干法需要不斷取土樣烘干獲取土壤含水率數據，一方面會破壞土壤結構，也很難做到長期連續的原位監測；另一方面取樣點過于靠近玉米根系，則會破壞玉米根系影響其正常生長，遠離根系，則不能真實反映玉米根系吸水情況。蒸滲儀測定法需要在試驗場地安裝大型稱重式蒸滲儀，價格昂貴，國內僅有幾個大型灌溉試驗中心站具備相應條件。【切入點】Insentek土壤水分監測儀（智墑）是一種新型土壤水分監測設備，設備通過簡單鉆孔安裝之后便可持續、穩定、精確的測量土壤含水率[8]。與烘干法和蒸滲儀法相比，智墑獲取數據更便捷、實時監測到植物根系層土壤水分的動態變化，性價比也較高。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本文在云南高原特色蔬菜產業種植重點縣建水縣，以當地群眾高產種植經驗為試驗處理，選擇智墑測定甜玉米生育期土壤含水率，連續開展2 a（2016—2017年）覆膜微噴灌條件下鮮食甜玉米需水規律試驗研究，旨在摸清滇中高原地區鮮食甜玉米生育期需水量與需水規律，確立甜玉米節水灌溉制度，為高原特色農業灌溉用水管理提供科學依據。

book=23,ebook=2

1.材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗位于云南省建水縣曲江鎮甜玉米集中連片種植區的大田內（經緯度23°56'34"N，102°50'07"E，海拔1 344 m）。曲江鎮[9]屬南亞熱帶季風氣候，多年平均降水量815.8 mm，多年平均氣溫18 ℃，年日照時間2 300 h左右，無霜期300 d左右。氣候溫和，光熱適度，春暖干燥，夏濕冬干，雨熱同期，冬無嚴寒，夏無酷暑，有“天然溫室”之稱，是云南省有名的蔬菜種植基地。對試驗點土樣進行物理性質測定結果顯示，試驗點土壤類型為粉砂質黏土，耕作層土壤平均體積質量為1.32 g/cm3，耕作層土壤田間體積持水率在42%~44%。

1.2 試驗材料與設計

2 a試驗在同一地塊進行，前茬作物均為冬馬鈴薯。2016年試驗時間為4月23日—6月27日，2017年為4月8日—6月15日。供試甜玉米采用穴播，每穴保留2株，品種均為“庫普拉902”。采用溝壟種植，溝寬0.4 m，壟寬0.7 m，壟長10 m。每壟種植甜玉米2行，行距0.4 m，株距0.3 m。灌溉方式為覆膜（地膜僅覆蓋地壟表面）微噴灌。覆膜后在每壟中間布置一根微噴帶，微噴帶內徑28 mm，有5排縱向斜孔，縱向孔距100 mm，橫向孔距10 mm，孔徑1 mm。灌溉時采用額定流量10 m3/h，揚程16 m，功率0.75 kw的單相潛水泵加壓澆灌2行玉米，并適時調整微噴帶開啟組數，保證單向噴灑幅度在30 cm左右。2 a試驗水肥管理均按當地高產種植經驗進行。2016年甜玉米產量（鮮果穗總質量）24 375 kg/hm2，2017年甜玉米產量（鮮果穗總質量）26 250 kg/hm2。

1.3 觀測要素與方法

1.3.1 土壤含水率與氣象要素

甜玉米播種前，在地塊中部隨機選擇3行地壟，在地壟上安裝智墑（ET60；北京東方潤澤生態科技股份有限公司生產）各1臺，智墑位于2株玉米中間，距離玉米主干約15 cm。智墑埋深60 cm（試驗點60 cm以下土壤為堅硬的黏土層，作物根系很難到達，所以選擇智墑埋深60 cm，以下土層的土壤水分消耗忽略不計）。垂直于地面方向每隔10 cm設1個監測探頭，每個探頭可以實時監測半徑15 cm，高10 cm圓柱土體區域內的平均體積含水率。種植前在試驗小區內取根區各層土壤進行烘干試驗與智墑監測值進行對比，2組數據誤差在±3%以內[10]。試驗點安裝云智能氣象觀測站1套，主要觀測項目為降水量、風速（2 m）、風向、氣溫、相對濕度、氣壓、太陽輻射等。氣象站與智墑均為整點同步發送監測數據。

1.3.2 作物蒸發蒸騰量

1）參考作物蒸發蒸騰量

采用FAO-56[11]推薦的Penman-Monteith公式計算參考作物蒸發蒸騰量（ET0）。

2）作物需水量

作物需水量采用水量平衡法計算：

式中：ETci為第i天作物實際需水量（mm）；ΔWi為第i天作物計劃濕潤層內土壤儲水量的變化值，通過體積含水率變化和計劃濕潤層深度的乘積求得（mm）；Pi為第i天作物計劃濕潤內儲存的有效降水總量，為降雨前和降雨后土壤計劃濕潤層內儲存的可用于蒸發蒸騰的那部分降水量（mm）；Mi為第i天凈灌溉水量，是灌溉前和灌溉后土壤計劃濕潤層內儲水量增加值（mm）計算方法見式（4）；Ki第i天地下水補給量，在有底測坑或地下水埋深＞2.5 m（砂土、沙壤土）、3.5 m（壤土、黏壤土、黏土）條件下，Ki=0（本試驗涉及田塊地下水埋深＞3.5 m）。

次降雨有效降水量計算式為:

式中：Pi為有效降水量（mm）；H為甜玉米根系吸水深度，根據甜玉米根系層土壤含水率動態監測結果確定（mm）；θ1和θ2為降雨前和降雨后根系層土壤體積含水率（%）。

凈灌溉用水量計算式為：

式中：Mi為某次灌水凈灌溉用水量（mm）；H意義同式（2）；θv1為某次灌水前1 h，H土層內各監測點實測體積含水率（%）；θv2為某次灌水后，H土層內各監測點實測值相對穩定時的體積含水率（%），每次灌后時間節點選擇，根據試驗小區智墑逐時觀測值靈活判斷（一般取灌后4～6 h），觀測值穩定以后，灌溉水以毛管水的形式存在于土壤中，不再下滲。

1.3.3 作物系數

鮮食甜玉米作物系數kc計算式為：

式中：kc為作物系數；ETc為實際作物需水量（mm/d）；ET0為參考作物需水量（mm/d）。

1.3.4 基礎作物系數修正

FAO-56給出的作物系數是特定標準條件下的作物系數，實際應用過程中需要根據當地具體條件進行修正，修正公式為：

book=0,ebook=3

式中：Kcbmind（修正）和Kcbend（修正）分別為修正后生長中期和生長后期kc值；Kcbmind和Kcbend分別為FAO-56推薦的甜玉米生長中期和生長后期kc值；u2為生長中期和后期2 m高度處日平均風速的平均值（m/s）；RHmin為生長中期和后期日最小相對濕度的平均值（%）；h為生長中期和后期平均植物高度（m）。

2 結果與分析

2.1 甜玉米生育期土壤水分動態變化

實時監測結果（圖1）顯示，甜玉米根系層不同深度土壤含水率變化程度不一。在播種后的40 d內，10~20 cm表層土壤含水率變化較大，40 d以后30 cm以下土壤含水率變化開始變大，但整個生育期土壤含水率變化主要集中在10~30 cm間，到生長后期40 cm處才有輕微波動，50 cm處土壤含水率較穩定。不同深度的土壤水分變化表明，試驗點甜玉米根系最大吸水深度為50 cm。根據圖1甜玉米根系層吸水情況，確定甜玉米不同生育期計劃濕潤層深度，苗期為20 cm、拔節期為30 cm、抽雄吐絲期為40 cm、灌漿乳熟期為50 cm。從圖1還可以看出，降水和灌溉適時補充根系層土壤水量的動態變化過程，降水量較多則灌溉量相對少，降水量少則灌溉量相對多，2016和2017年甜玉米全生育期凈灌溉用水量分別為164.7 mm和182.8mm，有效降水量分別為60.2mm和66.7 mm。總體上甜玉米生育期10~30 cm根層內體積含水率基本維持在30%以上，相當于田持的70%以上，水分供給充足，有利于甜玉米生長發育。

圖1 甜玉米生育期土壤含水率動態變化 Fig.1 The dynamic change of soil content in growth stages of sweet maize

2.2 甜玉米生育期需水量及需水規律

根據式（1）計算甜玉米生育期內逐日需水量，如表1所示。試驗點2016年和2017年甜玉米全生育期分別為66 d和69 d，需水量分別為197.7 mm和book=8,ebook=4212.9 mm，全生育期平均需水強度分別為3.0 mm/d和3.1 mm/d。從不同生育階段看，苗期持續時間約占全生育期的1/3，相比其他生育階段，苗期需水量、需水強度和模比系數都較小，階段需水量占總需水量的14%左右，2 a平均需水強度為1.4 mm/d；拔節期甜玉米營養生長不斷加快，這一時期階段需水量和平均需水強度均較苗期有所增強；抽雄吐絲期是甜玉米營養和生殖生長的關鍵期，此階段田間覆蓋度基本達到頂峰，階段需水量、模比系數和平均需水強度達到各生育階段中最大值；灌漿乳熟期甜玉米以生殖生長為主，此階段干物質快速形成并向穗部轉移，是產量最終形成的關鍵階段，此階段持續時間較短，且階段需水量、模比系數和平均需水強度均開始下降。

根據甜玉米日需水量值繪制其全生育期需水過程線（圖2）。甜玉米全生育期需水過程線并不是一條光滑穩定的曲線，而是一條不斷波動變化的鋸齒狀曲線，波動幅度和作物的生長及氣象要素息息相關[12]。2個年度甜玉米需水強度雖然存在差異，但變化趨勢基本一致，呈現出中間高、兩頭低的現象，即抽雄吐絲期>灌漿乳熟期>拔節期>苗期，趨勢線表現為開口向下的拋物線。

表1 鮮食甜玉米各生育階段需水量及需水規律 Table 1 The water requirement and water requirement regulation in different growth stages of sweet maize

圖2 甜玉米生育期內逐日需水量變化過程 Fig.2 The hydrograph of diurnal water consumption on sweet maize

2.3 甜玉米作物系數

采用式（4）計算試驗點甜玉米全生育期逐日kc，如圖3所示。甜玉米逐日kc日間變幅較大，變化趨勢與需水強度變化趨勢基本一致，呈苗期kc較小，進入拔節期以后kc逐漸增大，至抽雄吐絲期達到峰值，灌漿乳熟期以后kc值有所下降的趨勢。2016年和2017年甜玉米全生育期kc平均值分別為0.63和0.67，不同生育階段kc值見表2。地膜覆蓋條件下，土壤表面蒸發較小，甜玉米耗水主要由植株蒸騰產生，在此條件下得到的作物系數（kc）非常類似于基礎作物系數（kcb）。因此，擬將實測kc值與FAO-56推薦值進行比較。采用式（5）和式（6）對推薦值進行修正，經修正2016年甜玉米不同生育階段作物系數為kcbini=0.15、kcbmind修正=1.04、kcbend修正=0.91，2017年為kcbini=0.15、kcbmind修正=1.07、kcbend修正=0.96。實測均值與推薦值（修正）相比，生育初期（苗期）和生育中期（抽雄吐絲期），2 a的實測kc值均較推薦值大，而生育后期（灌漿乳熟期）則相反。

2.4 甜玉米生育期節水灌溉制度設計

試驗點現場農事活動記錄及土壤水分監測結果顯示，2016年和2017年甜玉米全生育期均灌水9次，凈灌溉用水量分別為164.7 mm和182.8 mm（表3）。從不同生育階段來看，苗期凈灌水定額較小，抽雄吐絲期和灌漿乳熟期凈灌水定額較大，凈灌溉定額也較book=0,ebook=5大。雖然2個年度均灌水9次，但2016年甜玉米生育前期降水較少，所以灌水主要分布在這段時間；2017年則相反，甜玉米生育前期降水多，后期降水少，所以灌水主要分布在生育后期。從灌溉前和灌溉后計劃濕潤層土壤含水率情況來看，2016年和2017年試驗點甜玉米全生育期內實測灌溉前和灌溉后土壤計劃濕潤層儲水量占田間持水率的65%~99%。參照文獻[13]的研究成果，玉米苗期、拔節期、抽雄吐絲期和灌漿乳熟期的最優土壤相對含水率分別為60%、70%、75%、70%，上限均為90%。將最優土壤含水率控制灌溉上下限與實際灌溉制度對比發現，2個年度共18次灌水中有14次灌前土壤含水率偏高，2次灌前土壤含水率偏低；有11次灌后土壤含水率偏高，4次灌后土壤含水率偏低。可見，試驗點甜玉米全生育期灌前和灌后土壤含水率偏高的情況較多，易造成灌水成本增加和灌溉用水浪費，灌溉水分利用率較低。

圖3 甜玉米生育期作物系數 Fig.3 The crop coefficient of sweet maize

表2 甜玉米不同生育期作物系數 Table 2 The crop coefficient of sweet maize in different growth stages

根據上文分析，試驗點甜玉米常規灌水過程中還有較大的節水潛力。本研究根據水量平衡原理，以播種時計劃濕潤層土壤儲水量作為初始值，以表1中甜玉米不同生育階段需水量平均值作為日需水量，以文獻[13]推薦的玉米最優控制上下限為灌水依據，當計劃濕潤層土壤儲水量逐日被消耗（考慮有效降雨量補充），接近控制下限時開始灌水，使之達到控制上限，依此類推，直至甜玉米收獲，得到甜玉米節水灌溉制度設計圖及灌溉制度表（圖4和表4）。如圖4所示，與甜玉米常規灌溉條件下實際儲水量變化過程相比，經過節水灌溉優化設計的甜玉米全生育期計劃濕潤層儲水量始終在控制灌溉上下限內波動，既節約了灌溉用水又可保證甜玉米始終在最優土壤含水率條件下生長。如表4所示，經過節水灌溉優化設計，2016年甜玉米只需灌溉4次，凈灌溉定額112.2 mm，比實際灌溉制度灌水次數減少5次，凈灌溉用水量減少52.5 mm（31.87%）。2017年甜玉米同樣只需灌溉4次，凈灌溉定額為120.7 mm，比實際灌溉制度灌水次數減少5次，凈灌溉用水量減少62.1 mm（33.97%）。綜上所述，通過節水灌溉優化設計，在保證甜玉米最優水分供給條件下，甜玉米全生育期灌溉次數較常規灌溉可減少1/2以上，凈灌溉用水量分別減少了31.87%和33.97%。

book=90,ebook=6

表3 甜玉米實際灌溉情況 Table 3 The real irrigation water use of sweet maize

圖4 甜玉米節水灌溉制度 Fig.4 The water saving irrigation system on sweet maize

表4 甜玉米優化節水灌溉制度 Table 4 The water saving irrigation system of fresh sweet maize

3 討 論

白樹明等[14]在20世紀90年代通過田間試驗得到云南玉米需水量在369.7~417.9 mm之間；Qin等[8]采用智墑監測得到夏玉米需水量為309.0~311.0 mm之間；Wendt等[15]曾于20世紀70年代在美國得克薩斯州開展過不同灌水方式下鮮食甜玉米需水量試驗，作者通過監測土壤水勢換算土壤含水率，結果顯示，不同灌溉模式下甜玉米全生育期需水量在310~361 mm之間，日均需水強度在4.3~5.0 mm/d之間。試驗得到的甜玉米需水量和需水強度值與上述文獻相比均較小，可能原因為：①地膜覆蓋抑制了甜玉米棵間蒸發，王健等[16]研究表明夏玉米生育期棵間蒸發量占蒸發蒸騰量的比例可達43.57%~52.52%；②甜玉米品種與試驗環境差異，本試驗甜玉米品種為“庫普拉902”，植株平均高度為1.6 m左右，僅為普通玉米（株高2.0~2.5 m）高度的2/3，植株矮小意味著地上生物量的減小，通過光合作用消耗的水分也會減小；同時作物需水量還與氣象條件[12]、土壤類型、種植密度及栽培模式等因素緊密相關，一個或多個因素的改變都會直接影響作物需水量。雖然試驗得到的鮮食甜玉米需水量和需水強度值偏小，但需水過程線變化特征與肖俊夫等[17]和范曉慧[18]研究結果基本一致。2 a甜玉米需水量數據環比，2017年較2016年多15.2 mm。可能是因為2017年生育期長3 d，且凈灌溉用水量多18.1 mm；生育期延長會增加需水總量，需水總量也會隨凈灌溉用水量的增加而增大[19]。

作物系數可以綜合反映作物種類、生物學特性、土壤水肥狀況和田間管理[20]，是計算作物需水量必不可少的參數。試驗得到的2個年度甜玉米不同生育階段kc值與FAO推薦的kcb值相比，生長初期和生長中期實測值均偏大，可能是因為雖有地膜覆蓋，但不能完全避免土壤表面蒸發，使得實測kc值較kcb值大。而生長后期實測kc值卻較kcb值小，這可能與甜玉米采收時間控制有關，甜玉米灌漿結束后，有7 d左右最佳采收時間，農民可根據市場價格等因素控制采收時間，此階段需水量和作物系數均逐漸下降（圖2和圖3），若遇采收時間延后，生長后期平均kc值將減小。

滇中高原地區地形地貌錯綜復雜、立體氣候、水資源時空分布不均、土壤類型多樣、物種資源豐富，本文試驗數據僅為2 a的成果，有一定局限性。不同水文年型或非充分灌溉條件下甜玉米需水規律及節水灌溉制度的擬定，仍須做長時間試驗觀測。此外，甜玉米經濟價值高，種植前景廣闊，在我國已得到大面積推廣和種植，因此有必要對其需水量時空變化特征開展深入研究。

4 結 論

1）確定了甜玉米不同生育階段計劃濕潤層深度：苗期為20 cm、拔節期為30 cm、抽雄吐絲期為40 cm、灌漿乳熟期為50 cm，試驗點甜玉米根系吸水深度為50 cm。

2）2016年和2017年甜玉米生育期需水量別為197.7 mm和212.9 mm，全生育期平均需水強度分別為3.0 mm/d和3.1 mm/d。各生育期需水強度表現為抽雄吐絲期＞灌漿乳熟期＞拔節期＞苗期。甜玉米全生育期日需水量過程線為一條不斷波動變化的鋸齒狀曲線，趨勢線表現為開口向下的拋物線。

3）甜玉米苗期kc較小，進入拔節期以后kc逐漸增大，至抽雄吐絲期達到峰值（2016年和2017年分別為1.13和1.31），灌漿乳熟期以后kc值有所下降，2個年度甜玉米全生育期kc平均值分別為0.63和0.67。

4）實際灌溉過程中往往存在灌前和灌后土壤含水率偏高的情況，通過節水灌溉優化設計，2 a甜玉米全生育期灌溉次數減少為4次，凈灌溉用水量減少為112.2 mm和120.7 mm，較實際分別減少31.87%和33.97%。

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Water Consumption of Sweet Corn and Its Water-saving Irrigation Strategies

ZHANG Lei1, WANG Jie1, WANG Shupeng1, HUANG Ying1, CAO Yan1, DUAN Qicai1, CUI yuanlai2

(1.Yunnan Institute of Water Resource and Hydropower Research, Kunming 650228, China；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

【】Cultivation of sweet corn has increased over the past decades in some areas of China, but its demand for water and the associated irrigation strategies are poorly documented. The objective of this paper is to plug this knowledge gap.【】A two-year field experiment designed based on the principle of achieving high yield was conducted. During the experiment we measured the change in soil moisture and meteorological factors, and used them to calculate water requirement, water consumption and crop coefficient (c) of the crops. These help us to optimize the irrigation strategy for sweet corn production.【】The water requirement, daily water consumption during the growth season of the sweet corn in 2016 and 2017 were 197.7 and 212.9 mm, 3.0 mm/d and 3.1 mm/d respectively. The daily water consumption varied with growth stage, being highest in the tasseling stage and least in the seedling stage. The average crop coefficient in 2016 and 2017 was 0.63 and 0.67, respectively, and the optimal calculation showed that changing irrigations times to four could reduce irrigation water by 31.84% to 33.97% compared to the currently used irrigation strategy.【】Water requirement of the sweet maize was low and its water consumption was similar to normal corn. Appropriate irrigation is essential to safeguarding its production.

sweet corn; water requirement; water consumption; crop coefficient; irrigation system

S274.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019368

1672 - 3317（2021）01 - 0022 - 08

2019-11-11

云南省重點新產品開發計劃項目（2015BB019）；2019年云南省水利廳水資源費項目；2017年云南省科技廳“三區”科技服務項目

張雷（1986-），男，工程師，碩士，主要從事高原特色農作物節水灌溉研究。E-mail: 554117864@qq.com

張雷, 王杰, 王樹鵬, 等. 鮮食甜玉米需水規律及節水灌溉制度研究[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(1): 22-29, 37.

ZHANG Lei, WANG Jie, WANG Shupeng, et al. Water Consumption of Sweet Corn and Its Water-saving Irrigation Strategies[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 22-29, 37.

責任編輯：趙宇龍