基于正交試驗的玉米最優產量滲灌技術組合分析

楊庭瑞，趙經華，楊 磊，彭艷平，周和平

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，烏魯木齊 830000；3.新疆水利管理總站,烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】新疆地處我國西北邊陲，水資源極為短缺[1-3]。新疆降水少，蒸發大，屬于依靠灌溉的荒漠綠洲農業[4]。膜下滴灌長期使用地膜殘留率達到20%以上[5,6]。滲灌是將作物用水直接輸入田間埋于地下的灌水毛管，借助毛細管作用浸潤土壤的灌水措施[7,8]。滲灌水分運移方式與其他灌水方式有明顯的不同[9]。滲灌灌水土壤表層水分少，深層土壤貯水多，形成土壤水資源儲存、調蓄的空間[10,11]。【前人研究進展】研究發現[12-14]，若表層土壤干旱而中下部土壤水分適宜，可以促進作物的根系吸收下部土壤的水分，從而提高水分利用效率。Mishra H.S等[15]研究認為，在土壤表層濕潤環境中，根系主要集中在淺層，并且集中在水平發展；在土壤表層干旱處理中，由于水分的虧缺，根系主要集中在深層，并且集中在垂直發展。劉洪光等[16,17]研究表明，滲灌可以減少地表水分蒸發，耕作層以下土壤水分與作物的根系生長相互作用有利于節水增產。【本研究切入點】土壤深層水分的利用與根系的生長發育狀況密切相關，目前國內對膜下滴灌的作物耗水規律和機理等已有研究，但關于滲灌作物這方面研究較少，也缺乏滲灌作物根系生長分布及深層土壤水分的利用研究，滲灌還需進行更多深入且細致的研究。研究不同作物滲灌土壤水分狀況與產量效應。【擬解決的關鍵問題】采用正交試驗設計，以滲灌玉米產量為敏感性分析指標，研究玉米滲灌多因素組合下土壤水分分布以及滲灌玉米產量效應，分析玉米滲灌與膜下滴灌土壤水分分布差異及滲灌玉米適宜的農業技術措施和灌溉制度，為滲灌應用于玉米大田種植提供技術與管理理論指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于新疆昌吉州昌吉市濱湖鎮13戶村的新疆灌溉中心試驗站(44°01'N，87°18'E，海拔600 m)進行，為天山北坡、洪積平原地帶，氣候類型屬于典型內陸干旱性氣候，晝夜溫差較大，日照時數約為7.8 h，年均氣溫約13.1℃。該區降水量少，年降水量約為181.7 mm；蒸發強烈，年蒸發量可達1 730 mm以上。地下水位在3 m以下。該區土壤為中壤土的棕漠土，0～100 cm土層土壤干容重1.38～1.54 g/cm3，耕作層平均土壤干容重1.46 g/cm3，0～100 cm土層田間持水量為18%～24%，耕作層田間持水量為20%～23%。表1

表1 2019年試驗站氣象因素Table 1 Basic meteorological data of the test station in 2019

2019年供試玉米品種為華西146，采用甘肅省大禹節水灌溉公司生產的地埋內鑲式滴灌帶，滴灌帶間距0.7 m，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.8 L/h，管道埋深20～30 cm。對照CK采用迷宮式出流滴灌帶，毛管間距1 m，相比滲灌略長，滴頭間距20 cm，相比滲灌間距略短。對照CK滴頭流量2.8 L/h，各田間灌溉工作壓力150 kPa。玉米株距25 cm，行距35 cm，滲灌與對照CK種植密度相同。玉米的栽培、管理措施均按試區當地大田作物生產管理。在蟲害多發時期噴藥防除病蟲害。

1.2 方 法

1.2.1 多因素正交試驗

影響玉米生長發育的因素主要包括：灌水方式、灌溉制度、種植方式、肥料施用、病蟲害防治、田間管理、氣候環境等[18-23]。選取滲灌埋深、播種深度、灌水頻次、灌水定額4個因素，設膜下滴灌CK對照，研究滲灌玉米土壤水分分布及產量狀況。各因素各取3個水平試驗，選取L9(34)正交試驗因素水平。表2，表3

表2 正交試驗因素水平Table 2 Orthogonal factor level table

表3 正交試驗設計表L9(34)Table 3 Orthogonal experiment design L9(34)

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 試驗區氣象數據由自動氣象站采集，試驗各處理灌溉水量使用水表測量控制，采用烘干法與TRIME-IPH水分儀兩者結合觀測0～100 cm土層(每20 cm為一層)土壤含水率，觀測后取均值。每個試驗處理以灌水器為中心等距20 cm固定埋設2處土壤含水率TRIME管，灌水或降水前后加測土壤含水率。

1.2.2.2 產量測定在每個處理小區取15株玉米考種測量，主要測量每株穗數、每穗粒數、千粒重，分別數穗、脫粒、數粒，將籽粒烘干后稱重，計算小區籽粒產量，根據小區面積折算為公頃產量。同時，對每個處理小區實打實收并與考種產量結果對比使用。

1.3 數據處理

正交試驗采用直觀分析法如下：

ki=Ki/s.

式中：Ki：任意列上水平號為i所對應的試驗結果之和；

ki：為任意列上因素取水平i時所得試驗結果的算術平均值；

s：為任意一列上各個水平出現的次數，本次試驗取3。

R=max{k1，k2，k3}-min{k1，k2，k3}.

式中：R為極差。

若各試驗因素對試驗指標無影響，各因素下ki應該相等；相反，則該試驗因素對試驗指標有影響。用ki的數值大小判斷各試驗因素水平對試驗指標的影響，R值的大小是判斷試驗因素對試驗指標影響程度的依據。

2 結果與分析

2.1 各處理土壤水分變化

研究表明，滲灌各處理在各生育時期土壤含水率從耕作層向下至100 cm處都有一個逐漸增長的趨勢，在生長中后期抽穗期～開花期之間中部土壤含水率變化較明顯。膜下滴灌灌水器鋪設在土壤表面，地膜的鋪設為土壤增溫保墑，耕作層土壤含水率較高，在20～60 cm土壤含水率降低，60～100 cm土壤含水率有所回升，且總體變化明顯。滲灌各處理在耕作層20 cm處的土壤含水率均低于對照試驗CK，膜下滴灌CK耕作層20 cm處土壤含水率同比滲灌總體平均土壤含水率高出了97.6%，差異顯著。在40 cm處，各處理土壤含水率分布均勻，滲灌總體平均土壤含水率為11.73%，膜下滴灌CK為11.4%。在60～80 cm處，滲灌土壤含水率相比上層土壤含水率有所增加，滲灌總體平均土壤含水率維持在13.6%～15.7%，而處理7在多個生育時期內土壤深度80 cm處相比其他處理均為最高，其抽穗期土壤深度80 cm處土壤含水率達到了20.4%。在土壤深度100 cm處土壤含水率相比上層的土壤有明顯升高，滲灌處理1達到了峰值28.2%，滲灌各處理土壤含水率總體平均為21.3%，膜下滴灌CK為21.6%，滲灌與膜下滴灌差異不顯著。

耕作層土壤含水率滲灌低于膜下滴灌；在中部土壤滲灌高于膜下滴灌，在100 cm處滲灌與膜下滴灌表現相同。滲灌的土壤水分分布表現為上部耕作層少，中下層逐漸增多。膜下滴灌的土壤水分分布則是耕作層多，中層水分降低，下層增大。圖1

2.2 玉米產量效應

研究表明，玉米產量隨播種深度增加出現先降后增趨勢，播種深度20 cm達到高產為9 848.62 kg/hm2；播種深度是滲灌玉米產量的重要影響因素，滲灌播種深度較膜下滴灌更深，但玉米產量卻相對較高，隨著滲灌埋深增大玉米產量也在增加，滲灌埋深30 cm時玉米產量達到9 659.50 kg/hm2；隨著灌水頻次的增多，玉米產量的變化趨勢為拋物線形，在灌水頻次7次時玉米產量達到峰值9 754.49 kg/hm2；對玉米產量的影響最小的是灌水定額，在600 m3/hm2時達到玉米高產為9 524.45 kg/hm2。滲灌總體各處理的平均產量為9 485.10 kg/hm2，比膜下滴灌CK產量8 416.78 kg/hm2，增產1 068.32 kg/hm2，漲幅為12.7%。滲灌灌溉定額2 700～6 000 m3/hm2，灌溉定額增大玉米產量也逐漸增大，但在灌溉定額6 000 m3/hm2時玉米產量為9 976.03 kg/hm2，灌溉定額4 200 m3/hm2時產量為9 905.56 kg/hm2，兩者灌溉水量差距較大，產量增幅卻較小，在產量接近的情況下，灌溉定額4 200 m3/hm2更加節能增效，與膜下滴灌CK相比，單位面積節水300 m3/hm2，提高產量1 488.78 kg/hm2，漲幅為17.7%；4 200 m3/hm2滲灌定額方案既可以減少灌水頻次節約水量，也可以增產增效。

(a)4月15日出苗期 (b)5月2日分蘗期

對滲灌玉米產量影響最為顯著的是播種深度，其次為灌水頻次，之后為滲灌埋深，影響最小的是灌水定額。影響玉米產量的最優組合為A3B3C2D2。圖2,表4，表5

圖2 因素-指標關系曲線Fig.2 The curve of the relationship between the results and influencing factors

表4 正交試驗結果Table 4 Orthogonal test results

表5 正交試驗指標Table 5 The index analysis of orthogonal test result(kg/hm2)

3 討 論

地膜覆蓋強度多年呈增長趨勢[24]。地膜使用量大，但回收率低，地膜殘留在土壤中會不同程度的影響土壤理化性質、土壤結構、土壤水分運移、植物根系生長、作物吸收水分及作物生長發育[25-27]。滲灌的使用不需要鋪設地膜[28,29]。在研究中玉米播種深度作為重要影響因素，播種的深度影響著作物出苗及前期的生長。研究設置為10、15、20 cm 3個深播水平，且遠大于膜下滴灌下的5 cm播種深度，通過試驗發現滲灌各處理平均出苗率達到94%，膜下滴灌出苗率達到97%，滲灌各處理平均產量達到9 485.10 kg/hm2，相比膜下滴灌增產12.7%。滲灌條件下深播玉米出苗率有所降低，對最終產量的影響不明顯，但仍需繼續深入研究滲灌玉米適宜的播深及優化灌水技術組合參數。

4 結 論

4.1滲灌與膜下滴灌水分運移方式不同，滲灌土壤耕作層含水率較膜下滴灌更低，中部土壤含水率比膜下滴灌高，滲灌與膜下滴灌在深層土壤含水率的表現狀況相近，滲灌的水分分布為耕作層較低，中層漸增，而膜下滴灌水分在耕作層與土壤中層分布正好與之相反；深層土壤水分分布兩者相近。滲灌灌水有利于土壤深層儲水，減少土壤表層蒸發，有良好的水分深儲、土壤保墑性能。

4.2對滲灌玉米產量影響的試驗因素主次順序為播種深度>灌水次數>滲灌埋深>灌水定額；最優因素水平組合為播種深度20 cm，滲灌埋深30 cm，灌水定額600 m3/hm2，灌水頻次7次。生產方案為播種深度10 cm，滲灌埋深25 cm，灌水定額600 m3/hm2，灌水7次，灌溉定額4 200 m3/hm2，產量9 905.56 kg/hm2。