遼北風沙區玉米苗期調虧灌溉試驗研究

王 鐵

(彰武縣水利事務服務中心，遼寧 阜新 123200)

遼北風沙區是我國典型的半干旱丘陵山區，水資源匱乏，多年平均降雨量僅為400 mm左右，以旱作雨養農業為主，玉米是該地區主要糧食作物，年產量占全省玉米產量的3/4。傳統的大水漫灌等地面灌溉方式不僅耗水量大，而且水分利用效率低，因此，在該地區推廣玉米高效節水灌溉技術，對于保障糧食安全和農業可持續發展具有重要意義。調虧灌溉是20世紀70年代中后期由澳大利亞持續灌溉農業研究所提出的一種節水技術，與充分灌溉相比，具有較大的節水增產效應[1]，并已在玉米、小麥、棉花等大田作物研究中取得一定的成效[2-4]。近年來，國內外學者開展了大量有關玉米調虧灌溉效應及機理方面的研究，已有研究表明，調虧灌溉對玉米生長生理特性、耗水規律及產量的影響，主要與虧水時期和虧水程度有關[1, 5-8]。前期有關調虧灌溉對玉米影響的研究主要集中在玉米需水關鍵期，如拔節期、抽穗開花期等，而有關玉米苗期調虧灌溉的報道仍較少，尤其關于遼北地區相關研究更是鮮有報道。因此，在遼北風沙區開展玉米苗期調虧灌溉研究，研究苗期不同調虧程度對玉米生長特性及產量的影響，可進一步挖掘玉米調虧灌溉節水潛力，為該地區玉米調虧灌溉技術的發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在遼寧省阿爾鄉灌溉試驗站進行，該試驗站屬于溫帶半干旱季風氣候，其主要特征是干燥、風沙大。年平均氣溫6.1℃，平均濕度58%，無霜期154 d；多年平均降水量為307.0 mm，多年平均蒸發量為1777.6～1783.4 mm，降水量年內分布不均，夏季降水量占全年降水量的66%以上；年平均風速3.7～4.2 m/s，最大風速24 m/s；干燥系數1.0～1.8，沙包天氣10～15 d，主要出現于春季。土壤為風沙土，干容重1.69 g/cm3，有機質含量為0.66 mg/kg，速效磷1.70 mg/kg，速效鉀19.10 mg/kg，全氮6.00 mg/kg，田間持水率為15.77%(體積含水率后同)，飽和持水率為28.79%，試驗區地下水埋深為6.08 m。

1.2 試驗設計

試驗共設置4個處理，即在苗期設置3個不同的水分脅迫水平，分別為重度脅迫(MH，50%～55%)、中度脅迫(MM，55%～65%)和輕度脅迫(ML，65%～70%)，各處理控水下限均為占田間持水量(體積含水率)的百分比。各處理其他生育期土壤水分下限均維持在田間持水量的70%～75%，以全生育期土壤水分控制下限占田間持水量的70%～75%為對照(CK)，各處理灌水上限均為田間持水量的90%。每個處理設置3次重復，共12個小區。試驗小區規格為2.00 m×3.34 m，采用大壟雙行，每個小區種植2壟4行玉米。各處理控水標準見表1。苗期調控計劃濕潤層深度為30 cm 內的平均土壤含水率，拔節期調控計劃濕潤層深度為45 cm內的平均土壤含水率，抽穗開花期調控計劃濕潤層深度為60 cm內的平均土壤含水率。灌水量由式(1)、式(2)計算得出：

H=ρb×(θFC-θm)×D

(1)

V=H×A

(2)

式中：ρb為土壤容重，g/cm3；θFC、θm分別為田間持水率(體積含水率)和灌溉時土壤實際含水率(體積含水率)，%；D為玉米生長期內根系活動層深度，苗期、拔節期和抽穗開花期根系層深度分別為0.30 m、0.45 m和0.60 m；H為小區所需灌溉的水層深度，m；A為小區面積，m2；V為小區需要灌溉的水量，m3。

表1 不同水分處理各生育期控水下限 %

1.3 測定項目

1.3.1 土壤含水率

每個小區選擇1個測點，每個點觀測6個深度，分別為0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm，40～50 cm，50～60 cm，觀測時間間隔為5 d，灌水前后、各生育期始末及降雨后均加測。如遇一次降雨量超過飽和含水率，則不需測定土壤含水率。

1.3.2 植株生長性狀

(1)株高。采用直尺測定掛牌標記玉米的株高，每10 d一次。

(2)莖粗。采用游標卡尺測量掛牌標記玉米的莖粗，每10 d一次。

(3)葉面積指數。在每個小區選取生長狀況良好、具有代表性的玉米植株掛牌標記，自苗期起，每隔10 d測定一次葉面積，采用長寬面積系數法計算葉面積(葉面積=葉長×葉寬×0.75)，繼而計算葉面積指數。

(4)地上部干物質重。分別在拔節期、抽穗開花期、灌漿期及成熟期測定玉米地上部干物質重。將植株地上部分齊地面剪下，分解為莖、葉、穗(抽穗開花期后)等部分，分裝于牛皮紙袋中，置于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在70℃下烘干至恒重，并稱量植株地上部干重。

1.3.3 產量

黃熟期結束后，各小區單打單收，曬干并去除雜質，測量玉米實際產量。

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件進行數據整理，用R Studio(1.2.5019)軟件進行數據統計分析，用SigmaPlot 12.5軟件繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 苗期調虧灌溉對玉米株高的影響

圖1 苗期不同虧水處理下玉米生育期內株高動態注：圖中“工”字符號代表LSD值，當處理間差值大于LSD值時表示處理間差異顯著，否則處理間差異不顯著，下同

苗期虧水處理下玉米生育期內株高變化如圖1所示，不同處理玉米株高在生育期內變化趨勢基本一致，即苗期增長緩慢，拔節期快速增長，進入灌漿期(7月末)后，株高不再增長。苗期(如6月10日—6月20日)不同水分處理間株高無顯著差異，這可能是由于苗期植株較小，需水量較少，對水分虧缺不敏感，植株此時對水分脅迫具有一定的耐受力。拔節期中度虧水處理(MM)株高增幅較大，以6月20日—30日為例，株高增加了92.9%。6月30日，MM處理株高顯著高于其他處理，較對照(CK)處理提高了24.0%，輕度虧水(ML)和重度虧水(MH)處理株高與CK處理基本無差異。從拔節期到孕穗期，MM處理株高繼續快速增長，且MH處理株高增加明顯，7月20日，MM和MH處理株高較CK處理分別提高了24.7%和9.6%，ML處理和CK處理株高基本接近。進入灌漿期后，各處理株高基本保持穩定，直至成熟期，各處理間株高大小順序為MM>MH>ML≈CK。因此，與全生育期充分灌溉(CK處理)相比，苗期重度(MH)和中度虧水(MM)處理植株生育后期株高均顯著提高，表明玉米在苗期遭受適度水分脅迫后，復水后補償效應較明顯。

2.2 苗期調虧灌溉對玉米莖粗的影響

苗期不同虧水處理下玉米生育期內莖粗變化如圖2所示，不同處理玉米生育期內莖粗變化趨勢基本一致，自苗期(6月10日)起，植株莖粗快速增長，進入拔節期(7月初)后增速變緩，拔節末期后莖粗基本保持穩定，成熟期后有減小趨勢。6月10日，各處理間莖粗無顯著差異；6月20日，ML、MM處理莖粗略高于CK處理，MH處理莖粗低于CK處理，但均未達到顯著性水平，MM、ML處理莖粗顯著高于MH處理，較MH處理分別增加了24.0%和25.2%。6月30日后，MM處理莖粗增速高于其他處理，莖粗大小順序為：MM>ML>CK>MH。7月30日，MM、ML處理較CK處理莖粗分別提高了7.9%和3.2%，MH處理較CK處理降低了5.1%。穗期后，植株莖粗趨于穩定，8月20日，各處理莖粗均達到最大值，MM與ML處理莖粗接近，均高于CK處理，MH處理莖粗仍低于CK，MM處理較MH處理莖粗提高了12.8%。成熟期后，各處理莖粗均有所降低，但MM處理莖粗仍高于其他處理。總的來說，與CK處理相比，MM、ML處理提高了莖粗，而MH處理降低了莖粗，這表明苗期輕度和中度虧水對植株莖稈生長有促進作用，而重度虧水則不利于植株獲得壯實的莖稈，說明玉米生長前期土壤水分狀況直接影響其莖稈的生長，因此，在制定灌溉制度時應避免苗期重旱。

圖2 苗期不同虧水處理下玉米生育期內莖粗動態

2.3 苗期調虧灌溉對玉米葉面積指數的影響

圖3 苗期不同虧水處理下玉米生育期內葉面積指數變化

苗期調虧灌溉玉米生育期內葉面積指數(LAI)變化如圖3所示，不同處理玉米生育期內LAI變化趨勢基本一致，苗期開始LAI增長稍緩慢，之后LAI快速增長，至7月30日達到最大值，之后LAI開始下降。6月10日，各處理間LAI值無顯著差異；6月20日，MM處理LAI高于其他處理；由于MM處理LAI增速較高，至6月30日，MM處理LAI較CK處理提高了13.3%，較MH處理提高了15.0%，MH、ML處理LAI與CK處理無顯著差異。7月20日，各處理LAI大小順序為MM>MH>ML>CK，MM和MH處理LAI較CK處理分別提高了25.5%和14.4%。7月30日，各處理LAI均達到最大值，MM處理LAI較CK處理提高了24.8%。之后，各處理LAI均開始下降，且MM處理LAI降幅低于其他處理，表明苗期適度虧水處理將有助于延緩植株衰退，降低葉片衰退速率。8月20日，MH、ML處理與CK處理間LAI無顯著差異，MM處理LAI顯著高于CK處理，較CK處理提高了15.4%。生育末期(9月2日)，MH、ML、CK處理LAI進一步大幅度降低，而MM處理LAI下降速度相對緩慢。因此，玉米苗期適度虧水處理不僅不會降低葉片生長，還能通過后期復水補償效應促進玉米葉片生長，并有效延緩玉米葉片在生育末期的衰退。

圖4 苗期不同虧水處理下玉米各生育期地上部干重

2.4 苗期調虧灌溉對玉米地上部干重的影響

苗期不同虧水處理下玉米各生育期地上部干物質積累如圖4所示，不同處理玉米生育期內地上部干物質重變化趨勢基本一致，苗期至拔節期，地上部干物質增幅較小，拔節期后地上部干物質進入快速增長期，孕穗期干物質重大幅度提升，灌漿期后增速減緩，至成熟期達到最大值。苗期與拔節期各處理間地上部干物質重無顯著差異。孕穗期，MM和ML處理地上部干物質重與CK處理仍無顯著差異，而MH處理地上部干重較CK處理降低了32.7%，表明苗期輕度和中度虧水處理對玉米孕穗期地上部干重無顯著影響，而重度虧水處理顯著降低玉米孕穗期地上部干重。至灌漿期，MM處理地上部干重增幅較大，其干重較CK處理提高了10.9%，而MH處理地上部干重較CK處理降低了25.4%，ML處理干重稍高于CK處理。成熟期，各處理地上部干重均達到最大值，各處理地上部干重大小順序為：MM>ML>CK>MH，MM、ML、CK處理間差異不顯著，MH處理地上部干重較CK降低了13.3%。因此，苗期輕度或中度虧水處理，復水后產生的補償效應不僅能彌補水分虧缺造成的損失，還能對植株干物質積累產生一定的促進作用；而苗期重度虧水處理下，后期復水產生的補償效應可能無法彌補重度水分虧缺對植株的抑制作用，導致玉米干物質積累不足。

2.5 苗期調虧灌溉對玉米產量的影響

苗期不同虧水處理對玉米產量的影響如圖5所示。不同處理玉米產量在11 219.4～12 923.7 kg/hm2之間，MM處理產量最高(12 923.7 kg/hm2)，CK處理產量最低(11 219.4 kg/hm2)，MH、MM、ML處理產量較CK處理產量分別提高了12.5%、15.2%和13.3%，MH、MM、ML處理間產量無顯著差異。從不同水分虧缺處理對玉米生長特性影響來看，適度(中度)虧水處理通過提高植株株高、莖粗、葉面積等性狀以促進植株干物質積累，最終提高玉米產量。

圖5 苗期不同虧水處理對玉米產量的影響

3 結 論

通過在遼北地區開展玉米苗期調虧灌溉試驗，研究了苗期不同程度虧水脅迫對玉米生長特性及產量的影響，得到主要結論如下：

(1)與充分灌溉相比，輕度、中度和重度水分虧缺均提高了玉米株高。

(2)與充分灌溉相比，輕度和中度水分虧缺提高了玉米莖粗和地上部干物質重，而重度水分虧缺降低了玉米莖粗和地上部干物質重。

(3)與充分灌溉相比，輕度和重度水分虧缺對玉米葉面積指數無影響，中度水分虧缺提高了各生育期玉米葉面積指數。

(4)與充分灌溉相比，不同程度水分虧缺均提高了玉米產量，且中度水分虧缺對產量的提升幅度最大，提高了15.2%。

綜上，苗期中度水分虧缺處理可顯著改善玉米生長并提高玉米產量，適合在遼北風沙區應用推廣。