水氣互作對膜下滴灌玉米生理生長及產量的影響

摘要：為研究水氣互作對膜下滴灌玉米生理生長及產量的影響，探尋膜下滴灌玉米適宜的水氣組合模式，以‘新玉66’為試驗材料，設置3 375（W1）、4 500（W2）、5 625（W3）、6 750 m3?hm-2（W4）4個灌溉水平和加氣滴灌（A）與不加氣滴灌（C）2種灌水方式，分析不同水、氣處理下滴灌玉米生理生長和產量的變化。結果表明，隨著灌水量增加，玉米的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、地上部干物質量及產量先增大后降低，胞間CO2濃度和灌溉水分利用效率降低，W3水平下產量最大。加氣滴灌較不加氣處理提高了玉米的株高、莖粗、葉面積指數；加氣滴灌下玉米凈光合速率顯著增加5.39%～10.09%（Plt;0.05），氣孔導度顯著提高10.64%～18.40%（Plt;0.05），蒸騰速率顯著增加7.07%～15.27%（Plt;0.05），干物質量顯著增加5.53%～7.76%（Plt;0.05），在W3灌溉水平下增長率最大。加氣滴灌使玉米產量和灌溉水分利用效率平均提高3.58%～6.64%和3.36%～6.63%，在W3灌溉水平下的影響更顯著（Plt;0.05），AW3處理玉米產量達到最大，為14 629 kg?hm-2。以上結果表明，AW3處理即加氣滴灌下、灌水量為5 625 m3?hm-2時，可促進膜下滴灌玉米生長，提高產量。以上研究結果可為新疆干旱綠洲區玉米生產提供理論基礎及技術指導。

關鍵詞：加氣灌溉；膜下滴灌；玉米；生理生長；產量

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0963

中圖分類號：S513 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）08‐0189‐12

膜下滴灌是滴灌節水技術與地膜覆蓋技術的有機結合，在增溫保墑、抑制雜草、提高作物產量等方面發揮了突出作用[1‐2]。為解決缺水問題，以實現荒漠綠洲的節水高產，經過幾十年的發展，膜下滴灌技術成為當前新疆地區主要的灌水技術[3]。玉米是新疆重要的糧食作物，到2020年新疆玉米種植面積已達1.05×106 hm2[4]，隨著覆膜的大面積應用，膜下滴灌技術遇到了新的問題。地膜覆蓋阻止了大氣與土壤氣體交換，無法及時補充作物根區土壤呼吸所消耗的氧氣[5]，阻礙了土壤中二氧化碳的排出，降低了土壤的通氣性[6]。同時，滴灌灌水頻繁，間斷式增大土壤水分含量，減少了土體中氣體的有效含量[7]。土壤缺氧影響根系微環境微生物和酶活性，降低根系活力，影響作物對土壤水分、養分的吸收利用，降低地上部營養器官功能，使作物生長緩慢，易產生歉收現象[8‐9]。加氣灌溉通過向作物根區直接輸送水分和氧氣，有效改善作物根區氧氣環境，為作物生理生長提供有益環境，進而提高作物產量與品質[10]，凸顯其在解決因灌水、覆膜及土壤緊實等導致的根區缺氧問題方面的潛力。Li等[11]研究表明，番茄株高和莖粗對土壤加氣具有積極響應。Ben-noah等[12]研究表明，加氣灌溉可以大幅度增加辣椒的單株數、單重和產量。Pendergast 等[13]研究得出，加氣灌溉改善作物的生長環境，從而提高水分生產率和作物的產量與品質。適宜的水氣比例顯著增強土壤通透性，有利于土壤微生物的活動，提高土壤肥力，保證作物根系的良好生長，促進農業生產[14]。其機理是加氣促進作物光合作用及光合產物的積累與運轉、利于根系生長發育及對土壤礦物質元素的吸收，增加土壤微生物群落多樣性及酶活性[15‐16]。

目前，對加氣灌溉的研究大多集中于加氣方式、加氣頻率、加氣埋深及施肥量等方面對作物生理生長、產量和品質的影響，研究對象多以番茄、馬鈴薯等蔬菜作物為主，且主要集中在設施農業中。本研究以大田膜下滴灌玉米為研究對象，采用文丘里加氣灌溉方式，通過設置不同灌水水平，研究水氣互作對膜下滴灌玉米生理生長、干物質積累、產量及灌溉水分利用效率的影響，探究北疆地區加氣滴灌下玉米適宜的灌溉制度，為新疆干旱綠洲區玉米生產提供科學依據，研究結果對緩解區域水資源短缺和促進膜下滴灌可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及試驗材料

試驗于2021年4—9月在現代節水灌溉兵團重點實驗室試驗基地暨石河子大學節水灌溉試驗站（44°18′28″N、86°03′47″E，海拔450 m）開展。該區年平均降水量207 mm，年平均蒸發量1 660 mm，年平均日照時數2 865 h。試驗田地下水埋深8 m以下，土壤質地為壤土。通過研究現場自動氣象站記錄試驗期間的氣象數據（圖1），玉米全生育期總降雨量和平均氣溫分別為74.1 mm 和23.18 ℃。

供試玉米品種為‘新玉66’。地膜選用新疆天業公司生產的聚乙烯普通塑料地膜；滴灌管選用新疆昌吉市通四方塑料廠生產的低密度聚乙烯管，外徑16 mm。

1.2 試驗設計

試驗設定灌水量和灌水方式2 個因素。其中，灌水量（W）設置4個水平，分別為3 375（W1）、4 500（W2）、5 625（W3）和6 750 m3?hm-2（W4）；灌水方式（AC）設置2種，分別為加氣滴灌（A）和不加氣滴灌（C），進行完全隨機組合設計，共計8個處理（表1）。每個處理3次重復，試驗小區面積均為18 m2（3 m×6 m）。玉米于4月22日播種，種植方式為1 膜2 管4 行（圖2），膜寬1.45 m，滴灌管間距90 cm，滴灌管埋深5 cm，株距22 cm，窄行間距30 cm，寬行間距60 cm，播種深度3～4 cm。根據當地生產實踐并借鑒已有研究[17‐18]確定玉米各生育期灌水方案如表2所示。滴灌管滴頭流量3.2 L?h-1，滴頭間距30 cm；加氣滴灌試驗處理利用文丘里空氣射流器（Mazzei air injector 1078）進行加氣，每個加氣處理小區首部獨立安裝加氣裝置（蓄水桶、水泵、文丘里管、回流管、壓力表、旋翼式水表），使用回流管將灌溉水往復通過文丘里射流器進行循環曝氣。通過調節回流管路閥門保證加氣過程中文丘里進水口壓力為0.1 MPa，摻氣比約15%，灌水量通過旋翼式水表計量。各處理其余田間管理措施均一致。