春玉米耗水特性 產(chǎn)量及水分利用效率的相關(guān)性研究

樊曉康

（1.武威市水利綜合事務中心，甘肅 武威 733000；2.武威市中心灌溉試驗站，甘肅 武威 733000）

玉米是甘肅河西地區(qū)栽培的主要糧食和飼料作物，水資源短缺、水分利用率低是制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)高效發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前，主要對玉米滴灌模式方面進行的研究，而對膜下滴灌玉米節(jié)水增產(chǎn)的耗水特性、產(chǎn)量與WUE（水分利用率）之間的關(guān)系研究較少。本文基于西北干旱區(qū)大田玉米生產(chǎn)實際，利用水量平衡原理，研究膜下滴灌不同灌溉定額條件下玉米的耗水規(guī)律和水分利用的關(guān)系，研究在不同灌溉定額下滴灌玉米耗水特征對產(chǎn)量的影響，為西北地區(qū)高效節(jié)水應用提供數(shù)據(jù)支撐，有效促進玉米膜下滴灌技術(shù)在西北地區(qū)的應用。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)簡介

本試驗在武威市水務局中心灌溉試驗站進行（2019 年4月—10 月）。該站位于涼州區(qū)城東，海拔1 581 m。年平均降水量188.9 mm，蒸發(fā)量1 911.8 mm，日照時數(shù)超過2 978 h，年平均風速2.83 m/s，無霜期156 d，最大凍土層深121 cm，屬典型的大陸性溫帶干旱氣候。土壤質(zhì)地屬灰鈣質(zhì)輕砂壤土，富含氮、磷、鉀，土壤通透性好，土壤有機質(zhì)含量0.4～0.8 g/kg，含鹽量0.10～0.55 g/kg。灌溉用水采用地下水，水質(zhì)礦化度0.70 g/L，用水符合膜下灌溉要求。土壤0～100 cm 物理性質(zhì)，見表1。

表1 試驗田土壤物理性質(zhì)Tab.1 The physical properties of soil in test field

1.2 試驗材料與設(shè)計

供試玉米選用普通品種先玉335號。玉米種植和滴灌鋪設(shè)模式：1 膜2 管4 行玉米，滴灌帶均勻鋪設(shè)于2 行玉米中間，植株行間距30 cm，植株間距18 cm。地膜寬度1 400 mm，薄膜厚度0.008 mm，4 月20 日左右人工穴播，5 月1 日出苗，9 月22 日成熟收獲，全生育期156 d。播種前施入底肥磷二銨22.5 kg/0.067 hm2、尿素20 kg/0.067 hm2，拔節(jié)期間追施尿素7 kg/0.067 hm2，穗期再追施尿素10 kg/0.067 hm2，灌漿期追施尿素7 kg/0.067 hm2，生育期注意病蟲害的防治，其他管理措施按大田栽培模式進行。

試驗區(qū)采用隨機區(qū)試驗進行設(shè)計，共設(shè)置3 個滴灌灌溉定額水平，試驗設(shè)計見表2。每個試驗區(qū)重復3 次，共9 個小區(qū)，每個小區(qū)面積4.5 m×6 m，小區(qū)布設(shè)滴灌帶6 條，滴管規(guī)格，直徑15 mm，間距30 cm，正常運行壓力在1.45～2.05 kg/cm2，滴頭流量范圍在3.3～3.5 L/h。每個小區(qū)設(shè)置總控制閥1個，計量表1個，以達到精準灌溉目的。

表2 膜下滴灌玉米灌溉制度設(shè)計方案Tab.2 The design scheme of maize irrigation system under film drip irrigation m3/hm2

1.3 觀測項目與方法

土壤含水率測定：在玉米不同生育期前后、每次灌水前后和收獲后用土鉆法采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 土層土樣，采用烘箱烘干法測定壤含水率；取土位置在滴管下部、地膜中間、植株之間共3 個點，重復3次，取其平均值。

作物耗水量：玉米各生育期耗水量采用農(nóng)田土壤水量平衡公式進行測算。試驗區(qū)地下水位埋深20 m以下部分，地下水補給不計入公式。覆膜滴灌水量較少，不會產(chǎn)生深層漏水現(xiàn)象，地下水排水量計算部分也忽略不計。試驗區(qū)玉米生長階段需要的水分主要由膜下滴灌灌水和降水組成。因此生育期水量平衡計算方程式簡化為：

式中：ET1-2——玉米各個生育期階段耗水量，mm；i——土壤深度標號；n——土壤深度總和；ri——土壤第i層的實際干密度，g/cm3；Hi——土壤第i層的總厚度，cm；Wi1——土壤第i層次在時段開始測算的含水率；Wi2——土壤第i層次在時段最終測得的含水率；I——各個生育期階段內(nèi)的實際灌水量，mm；P——各個生育期階段內(nèi)的有效降雨量，mm。

水分利用效率WUE：

式中：WUE——作物水分利用效率（kg/m3）；Y——試驗小區(qū)單位面積上的產(chǎn)量（kg/0.067 hm2）；ET——單位面積上實際測算的蒸發(fā)蒸騰量（mm或m3/hm2）。

生態(tài)指標：作物株高、葉面積和基莖粗每隔10～15 d 測定1次，在各小區(qū)分別選取樣3株定點測定。

產(chǎn)量：收獲前每處理小區(qū)取中間兩排玉米20穗裝入尼龍網(wǎng)袋，待風干脫粒后測定實際產(chǎn)量。取各小區(qū)定株玉米測定穗長、穗粗、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、干物質(zhì)量，并確定收獲指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2007和SPSS16.0數(shù)據(jù)分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理玉米耗水特性分析

2.1.1 不同處理耗水規(guī)律分析

表3 為玉米各生育期的耗水量及其他耗水特性。由表3可以看出，不同處理玉米在大喇叭口期-抽穗期、抽穗期-灌漿期、灌漿期-乳熟期3 個生育階段耗水量差異極顯著，其中大喇叭口期-抽穗期耗水量最大，此階段3個處理相互之間耗水量差異顯著，這是因為該時期玉米根莖葉進入旺盛生長階段，試驗區(qū)玉米覆蓋度接近生育期最大值，在該時段內(nèi)隨著試驗區(qū)溫度的上高，玉米生育階段所需的水分也迅速增加，日照時間變長，耗水量達到頂峰，日蒸發(fā)量隨之變大，土壤水分蒸發(fā)較快。

表3 膜下滴灌玉米各生育期耗水特征Tab.3 The water consumption characteristics of maize under film drip irrigation in each growth period

由表3 和圖1 可得，耗水量隨灌溉定額的增大而增大，3個處理總耗水量T3＞T2＞T1，三者最大相差111 mm。這是因為覆膜有效抑制了地面無效蒸發(fā)，灌溉水量越大則土壤水分含量越大，玉米蒸騰量也越大，所以膜下滴灌玉米灌水量大的耗水量大，玉米生長也比較旺盛。同時，全生育期膜下滴灌玉米耗水量各處理均表現(xiàn)為生育階段前后期少，中期比較多的變化趨勢。

圖1 玉米不同生育期耗水量及累計耗水量Fig.1 The water consumption and cumulative water consumption of maize in different growth periods

2.1.2 不同處理耗水情況的變化規(guī)律分析

玉米各個生育階段耗水情況變化規(guī)律見圖2。由圖2 可知，各處理在玉米全生育期耗水強度的變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)出一個斜“M”的變化趨勢，第1 個頂點出現(xiàn)在大喇叭口期，第2 個頂點出現(xiàn)在灌漿期。從全生育期來看，處理3 的耗水強度最高，最高達到5.08 mm/d。大喇叭口期-抽穗期呈下降趨勢，這種趨勢由于大喇叭口期到抽穗期時間段陰雨天氣較多，導致玉米用水需求較少，耗水強度較低。

由圖2和表3可知，乳熟期-收獲期是各處理玉米全生育期耗水強度最低的階段。大喇叭口期-抽穗期、灌漿期-乳熟期各處理耗水強度差異顯著。從各生育階段來看，膜下滴灌玉米各生育期耗水量隨著灌溉量變大，耗水強度也隨之變大。

圖2 全生育期各處理耗水強度變化Fig.2 The variation of water consumption intensity of each treatment in the whole growth period

2.1.3 不同處理耗水模數(shù)變化規(guī)律

玉米全生育階段各處理耗水模數(shù)的變化規(guī)律見圖3，由圖3 和表3 可知，各處理耗水模數(shù)變化規(guī)律一致，全生育期都呈拋物線趨勢，從苗期開始逐漸上升，到大喇叭口期達到最大，而后又呈逐漸下降趨勢。其中大喇叭口期耗水模數(shù)最大，各處理平均達到0.247，乳熟期耗水模數(shù)最小，各處理平均為0.055。

圖3 全生育期各處理耗水模數(shù)變化Fig.3 The change of water consumption modulus of each treatment in the whole growth period

各處理玉米各生育階段之間耗水模數(shù)差異極顯著，最大相差0.2，最小相差0.02。

2.2 灌溉定額與產(chǎn)量構(gòu)成要素相關(guān)性分析

不同處理玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素分析，見表4。由表4 可知，灌水量多的處理，產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成要素也相應較高（除禿尖長相反外）。就產(chǎn)量構(gòu)成要素來看，3個處理之間穗長無顯著差異，其他均差異顯著，而差異極顯著的是禿尖長。灌水量T3＞T2＞T1，產(chǎn)量T3＞T2＞T1，而禿尖長T3＜T2＜T1，產(chǎn)量T3 比T1 高出23.3%，禿尖長T3 比T1 低出25.4%。可見灌水量多少對穗長影響不大，而對產(chǎn)量和禿尖長影響較大，灌水量越多，產(chǎn)量越高。

表4 不同處理產(chǎn)量構(gòu)成要素Tab.4 The yield components of different treatments

灌溉定額與產(chǎn)量構(gòu)成要素的相關(guān)性見表5。從表5 可知，穗粗、穗粒干質(zhì)量與灌溉定額呈極顯著正相關(guān)（r=0.99**，r=1.00**），禿尖長與灌溉定額呈極顯著負相關(guān)（r=-1.00**），產(chǎn)量、穗粒數(shù)與灌溉定額呈正相關(guān)。說明灌溉定額對玉米產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成的貢獻率較大。玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)、穗粒干質(zhì)量及千粒質(zhì)量的增加有利于玉米產(chǎn)量的增加，而禿尖長則影響玉米產(chǎn)量的增加。

表5 灌溉定額與產(chǎn)量構(gòu)成要素的相關(guān)性Tab.5 The correlation analysis between irrigation quota and yield components

2.3 不同灌溉定額下產(chǎn)量及WUE分析

不同處理玉米產(chǎn)量及WUE 分析見表6。由表6 可知，3個處理的產(chǎn)量、WUE、IWUE 均有顯著差異（P＜0.05）。T2 與T1 處理相比，灌水量多，產(chǎn)量高，IWUE 低，但差異不顯著，而WUE 差異顯著，T2 的WUE 高，故T2 較T1 處理較優(yōu)；T2 與T3處理相比，灌水量少，產(chǎn)量低，但WUE 高、IWUE 高且均有顯著差異，故T2 較T3 處理較優(yōu)。因此，T1、T2、T3 3 個處理相比，T2 處理WUE 最高，從而選擇灌溉定額為3 375 m3/hm2的T2 最為合理。圖4 為膜下滴灌玉米耗水量和產(chǎn)量、水分利用效率之間的關(guān)系。由圖4 可知，耗水量分別與產(chǎn)量及水分利用效率呈二次曲線關(guān)系，相關(guān)性較好，R 分別為0.94、0.83，而隨著耗水量的增加作物水分利用效率要早于產(chǎn)量達到最大值，之后產(chǎn)量越來越高，水分利用效率逐漸下降。對耗水情況而言，水分利用效率比產(chǎn)量更為敏感。由此可見，T2 灌溉定額較好，產(chǎn)量高，IWUE和WUE也高。

表6 不同灌溉定額玉米產(chǎn)量及WUE分析Tab.6 The maize yield and WUE analysis under different irrigation quotas

圖4 玉米耗水量與產(chǎn)量、水分利用效率之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between water consumption,yield and water use efficiency of maize

3 結(jié)論

膜下滴灌玉米全生育期隨灌溉定額的增大，耗水量、產(chǎn)量也在增大，而WUE先增大后減小。

玉米全生育階段耗水量為生育前期、中期、后期變化趨勢為少、多、少；耗水強度呈現(xiàn)出一個斜“M”的變化趨勢，第1個頂點出現(xiàn)在大喇叭口期，第2個頂點出現(xiàn)在灌漿期；耗水模數(shù)呈拋物線趨勢，從苗期開始逐漸上升，到大喇叭口期達到最大，而后又呈逐漸下降的趨勢，各處理間差異不明顯。

產(chǎn)量構(gòu)成要素中穗粗、穗粒干質(zhì)量與灌溉定額呈極顯著正相關(guān)，禿尖長與灌溉定額呈極顯著負相關(guān)，產(chǎn)量、穗粒數(shù)與灌溉定額呈正相關(guān)。說明灌溉定額對玉米產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成的貢獻率較大。

水分利用效率的變化是產(chǎn)量與耗水關(guān)系的基礎(chǔ)，隨著耗水量的增加，作物水分利用效率要早于產(chǎn)量達到最大值。經(jīng)綜合分析，T2 處理灌溉定額為300 mm 的灌溉制度更為節(jié)水高效。