风沙土玉米膜下滴灌灌溉制度试验研究

2019-08-30王鼎新窦超银孟维忠延玮辰

节水灌溉 2019年8期

王鼎新，窦超银，孟维忠，佟威，陈伟，延玮辰

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009；辽宁省水利水电科学研究院，沈阳 110003)

0 引言

滴灌具有调控水分、溶质等在土壤中分布的技术特点，通过滴灌技术可以将有限的灌溉水量分布在根系分布层[1]，根系土壤长期保持适宜水势；养分通过点源扩散，分布在根系范围内，同时，通过灌溉制度减少养分的淋失[2]，从而显著提高水肥的利用效率，因此，近年来滴灌技术在高效节水灌溉、面源污染防控、水肥一体化等工程建设中得到广泛应用，尤其在盐碱地、沙地、高岗丘陵等劣质土壤资源的开发利用中[3,4]。

风沙土土质贫瘠，具有质地粗，蓄水能力低，漏水漏肥严重等特点，合理制定灌溉制度是风沙土地区滴灌技术发挥效益的基础。但在风沙土地区，由于土地生产力低，长期以治沙和土壤修复为主，灌溉尤其是高效节水灌溉的基础研究相对较少，灌溉制度的制定还需要进一步深入。基于蒸发皿蒸发量制定灌溉制度是一种常用的方法，简单易行，并且能够较好的估算出作物的需水规律，如李毅杰通过试验研究表明灌溉量1.0E时可以满足甘蔗需求，得到高产[5]；Uzokwe Pauline等研究出干旱条件下，夏玉米滴灌以2/3E为灌溉定额时有利于促进植株生长，得到较高产量和水分利用效率[6]；窦超银等研究推荐在风沙土地区玉米膜下滴灌灌溉水量宜控制在25%～75%E之间，但是，在研究中并未考虑玉米生育期对需水的影响[7]。如玉米苗期处于蒸发量大的春季，仅考虑单一的灌溉系数，灌水量也较大，而此时玉米需水量小，易出现灌水与需水的矛盾，不仅降低水分利用效率，还可能对作物生长造成不利影响，这可能是文献[7]玉米产量和水分利用效率远低于其他地区的原因之一。但如果在基于蒸发皿蒸发量制定灌溉制度时，增加作物系数，考虑作物不同生育期需水规律，则可提高灌溉制度的合理性[8]，因此，本文在前期试验基础上进一步考虑作物系数，通过田间试验研究不同灌溉水量对玉米生长和产量的影响，从而综合确定合理的灌溉制度，为风沙土地区玉米滴灌技术的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于辽宁省彰武县北甸子村(E122°23′、N42°50′)，地处科尔沁沙地南缘，属于温带半干旱季风气候区，其主要特征是干燥，风沙大。多年平均降雨量412 mm，降雨量年内分布不均，夏季降雨量占全年降雨量的60%～70%；多年平均蒸发量1 781 mm；年平均气温6.1 ℃，平均风速3.7～4.2 m/s，最大瞬时风速达24.0 m/s，沙尘暴天气10～15 d；植物生长期145～150 d，无霜期154 d。试验区土壤主要为流动风沙土，干密度1.69 g/cm3，田间持水率12%，凋萎含水率为1.7%，饱和含水率为16.9%。土壤机械组成以细沙为主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少，有机质含量为66 g/kg。

1.2 供试材料与试验设计

试验于2018年5-10月进行，玉米供试品种为“辽单535”，根据玉米生长划分为苗期、拔节期、穗期、灌浆期、完熟期等5个生育期，以灌溉水量为试验因素，各生育期灌溉水量通过下式计算：

W=αKci(Ek,5-Pk,5)

式中：Ek,5为第k个5日冠层水面累计蒸发量，逐日实测；Pk,5为第k个5日累计降雨量，逐日实测；Kci为第i个生育期作物系数，苗期、拔节期、穗期、灌浆期和完熟期分别取0.45，0.55，1.2，1，0.7[9]；α为需水系数，根据试验设计分别取0.6(IR1)、0.8(IR2)、1.0(IR3)、1.2(IR4)。

试验共4个处理，每个处理重复3次，共12个小区。单个小区内有5垄，垄长5 m，小区面积30 m2。玉米采用大垄双行种植，垄距1.2 m，宽行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m。小区采用重力滴灌，灌溉前计算灌溉水量，注入桶中；追肥前将小区追肥所需肥料溶解，溶液倒入桶中，注水，以水肥一体化形式灌溉施肥。

1.3 田间管理

播种前种子进行晾晒处理，各处理均在春播前翻地，平整土地，施农家肥(鸡粪)1.5 t/hm2，5月11日机械起垄-铺设滴灌带-覆膜-播种-底肥。施肥量参照当地用量，其中70%以底肥施入土壤，30%作为追肥(拔节肥40%、穗肥60%)。5～6叶期定苗,拔节期中耕除草,喷施农药甲胺磷一次,防治虫害。8月24日后由于多次降雨，同时玉米进入成熟期，停止灌溉，9月27日收获。

1.4 测定指标和方法

降雨利用试验站小型气象站监测，在试验区从南到北在冠层上方20 cm分别放置3套20 cm蒸发皿测量冠层水面蒸发，每天08∶00测量一次。灌溉水量通过水表观测。每次灌水前后用TRIME测定土壤含水量，TRIME管埋设在垄中央，相邻两滴头中间，埋深80 cm。每个生育期各处理选9株测量玉米株高、茎粗和单株全部展开叶的叶面积，叶面积指数(LAI)用叶面积和与单位土地面积折算求得；收获时在各小区随机取样3株测地上物质重(鲜重、干重)、考种(穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、穗粒数和百粒重等)，并计算产量和水分利用效率(WUE)。植株干重采用地上植株放入烘箱在105 ℃杀青0.5 h，75 ℃下烘至恒质量，采用电子天平称量。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理土壤含水率变化规律

玉米生育期内各处理0～60 cm土壤平均含水率变化结果如图1所示。各处理土壤含水率均呈周期性变化，降雨和灌溉后土壤含水量迅速增加，随着土壤蒸发和作物消耗，土壤含水量持续降低。玉米生育期内，IR1，IR2，IR3，IR4处理0～60 cm土壤含水率平均值分别占在田间持水量的78.9%、83%、69%、76.5%，在玉米适宜含水量范围内[10]，各处理灌后土壤含水率较灌前分别平均增加1.8%、2.3%、2.8%、3.6%，即灌水量越大，土壤蓄水越多。IR1和IR2处理土壤含水率变化较为平缓，IR4处理土壤含水率变化幅度较大，这是由于灌水少时，土壤含水量未高于田间持水量，深层渗漏发生几率小，且玉米在灌水少时根系吸水可能受到抑制，土壤水分消耗少；灌水量大时，灌后土壤含水率平均达到12.8%，高于田间持水量，易发生漏水现象，同时，土壤水分充足时，玉米消耗水量增加，从而土壤水分含量变化较大。IR3处理土壤含水量一般在70%～100%田间持水量之间变化，在此区间玉米无明显受旱胁迫，土壤水分有效性高，为玉米生长提供了良好的土壤条件，这与同样保水性差的砾石土质滴灌土壤水分变化规律相似[11]。

图1 玉米生育期内各处理0～60 cm土壤平均含水率动态变化

2.2 不同灌水处理对作物生长的影响

2.2.1 株高

玉米生长期内株高变化如图2所示，随着生长期的进行，株高在苗期～拔节期迅速增大，增幅平均达到239.0%，拔节～穗期株高持续增大，但增幅减小，平均为40.7%，穗期后，株高趋于稳定。各处理之间，苗期株高接近；拔节后，玉米株高随着灌水量的增加而增加，完熟期灌水量最少的IR1处理株高仅194 cm，IR2和IR3相差不大，分别为202.8和207.8 cm，IR4处理条件下株高最大，达到228.0 cm。方差分析表明，苗期各处理株高差异不显著；拔节期～灌浆期IR1显著矮于IR4处理，IR2、IR3与IR4差异不显著，完熟时，IR1、IR2和IR3处理之间差异不显著，但均显著矮于IR4处理。说明拔节期后灌溉水量是影响玉米株高生长的关键因素，增加灌水量促进株高生长，或拔节期水分胁迫对株高有明显的抑制作用[12]。当灌水量相差较大时，可显著影响植株高度，此外，灌水量大可延缓植株衰老萎蔫，完熟期时株高变化较小。

图2 不同处理玉米生育期株高变化注：同一生育期各处理无相同字母代表差异达5%显著水平，下同。

2.2.2 茎粗

各处理玉米茎粗变化如图3所示，随着生长进行，玉米茎粗有先增大后减小的变化趋势，苗期到拔节期茎粗增大较明显，平均增长40%，拔节期～灌浆期茎粗变化较小，完熟期茎粗减小约19%。不同处理之间，苗期茎粗差异较小，苗期后，灌溉水量越大，茎秆越粗壮，在茎粗达到最大的穗期IR1处理茎粗最小，只有29.5 mm，IR2、IR3、IR4处理分别比IR1粗2.2%、12.5%、14.5%。方差分析表明，苗期各处理差异不显著；拔节期时，IR4处理显著粗于其他处理；穗期～完熟期IR1处理显著小于IR4处理，其他处理之间差异不显著。试验结果表明，拔节期是茎粗形成的关键时期，灌水量作用显著，有利于获得粗壮茎秆；在水分不构成胁迫时，拔节～穗期玉米茎秆会持续生长，但如果长期灌溉水量小则可能抑制玉米茎粗生长，这与“由于需水关键期的短期轻度水分胁迫后具有部分补偿效应,长期胁迫后补偿效应不足”[13]结论类似，在风沙土地区要获得粗壮茎秆，灌水量应达到IR3处理水平。

图3 不同处理玉米生育期茎粗变化

2.2.3 叶面积指数(LAI)

玉米LAI变化如图4所示，LAI随着玉米生长先迅速增大，在穗期LAI达到最大后持续减小，苗期到拔节期的LAI增幅最为明显，涨幅达到近10倍，拔节～穗期增长减缓，约增长35.4%，穗期LAI平均为3.5，穗期～灌浆期时LAI开始小幅下降，约为10%，完熟期LAI衰减速度加快，下降20%。不同处理之间，苗期叶片少，LAI值都较小，差异不明显；拔节期灌水量较多的IR3和IR4处理LAI明显高出灌水量少的IR1和IR2处理；拔节期后，LAI随着灌水量的增加而增大，穗期、灌浆期和完熟期IR4处理分别高出IR1处理27.0%，37%和40.5%。方差分析表明苗期处理之间差异不显著，拔节期IR1处理显著小于IR3和IR4处理；穗期～完熟期，仅灌水量最大的IR4处理显著大于灌水量最小的IR1处理，其他处理之间差异不显著。试验说明灌水量对LAI影响明显，增大灌溉水量可获得较大的LAI，这是由于高水处理水分充足，作物吸水容易，有利于叶片生长和减缓叶片衰败，而低水处理，因水分胁迫抑制叶片生长并加快叶面衰败[12]，灌溉量达到IR3处理时会在一定程度上延缓叶片枯萎,增加干物质的积累量[14]。试验LAI值与其他文献[15]相比偏小，这是可能土壤瘠薄，植株整体偏小，同时种植密度小，单株玉米占地面积较大导致。

图4 玉米各生育期的叶面积指数(LAI)

2.2.4 地上物质重

玉米完熟期地上部分物质重如表1所示，地上部分鲜重和干重均随着灌水量的增加而增大，IR4处理地上部分鲜重和干重分别为694.42、245.1 g，鲜重比IR1、IR2和IR3处理分别高50.6%、16.8%和4.3%，干重分别高出61.7%、25.7%和10.2%。其中IR1处理鲜重与IR4处理差异达到显著水平，IR1处理干重显著低于其他处理，IR2处理干重与IR4处理也达到显著水平。即增加灌溉水量有利于玉米营养生长，对地上物质的形成具有明显的促进作用。

表1 不同灌溉处理地上物质重和SPAD值

注：同一列数据无相同字母代表差异达5%显著水平，下同。

2.2.5 叶绿素(SPAD值)

由表1可知，叶片SPAD值呈现先增大后减小的总体趋势，在穗期时叶片的SPAD值达到最大，平均为63.5，分别比苗期、拔节期、灌浆期多出16.6%、17.6%、13.8%。不同处理之间，随着灌溉水量的增加，各处理的SPAD值也逐渐增加，苗期～灌浆期IR1平均值分别比IR2、IR3、IR4处理低5.5%、10.7%、13.2%。从方差分析上看，苗期没有显著性差异；拔节期灌水较少的处理IR1和IR2处理显著低于灌水较多的IR3和IR4处理；穗期时IR4处理显著高于其他处理；灌浆期各处理之间没有显著性差异。即玉米叶片的叶绿素含量对水分感应较为敏感，叶片生长发育过程中，水分越充足，叶片SPAD值越大，但随着作物生长，叶片成熟，灌水量引起的差异逐渐减小，这与宫亮等研究结果相一致[16]。此外，梁哲军等研究发现SPAD值下降速率随滴灌定额的增加而降低[17]，试验中穗期～灌浆期SPAD值下降速率具有相似规律，由此可知，灌溉水量越多对作物叶绿素积累越有利。

2.3 产量与WUE

玉米考种指标、产量和WUE如表2所示，穗行数随灌水量增加有减小的趋势，其他各考种指标随着灌水量的增加先增大后减小，IR3处理各指标值最大，各处理之间差异均未达到显著水平。IR1处理穗重仅243.3g，比IR2、IR3和IR4处理分别少26%、33%、32%；各处理穗长在18～22 cm之间，灌水量引起穗长变化幅度约15%，IR1处理穗长较其他处理短2.84、2.84、1.77 cm。穗粗在49～52 mm之间，变化幅度更小，约4.8%。IR1处理平均每穗17行，每行35粒玉米粒，其他处理平均16行，IR3处理每行玉米粒数43粒，比IR2和IR4分别多14.6%和10.7%，由于玉米穗行粒数变幅大于穗行数，其乘积穗粒数变化规律与穗粒数接近，因此，IR3处理穗粒数多于其他处理；除穗粒数量多外，IR3处理粒重也高于其他处理，IR1、IR2、IR3处理粒重接近。考种结果表明灌溉水量越大，玉米穗越长越重，当灌溉水量达到1.2KcE时反不利于穗的生长；穗粗受灌水量影响较小，灌水量过多过少都不利于籽粒生长发育，籽粒偏小，粒重减轻；小粒可导致穗行数增加，但并未增加穗粒数。

表2 不同灌溉处理对玉米产量及产量构成性状的影响

试验因素水平范围内，处理之间产量和WUE差异均不显著，但随灌水量增加均有先增大后减小的变化趋势。产量从大到小依次为IR3>IR2>IR4>IR1，IR3处理达到最大为13.2 t/hm2，分别高出IR2、IR4、IR1处理4%、6%、27.3%，灌溉水量低于IR2处理时，产量下降明显，IR1较IR2减产24%。WUE从大到小顺序是IR2、IR3、IR1、IR4，除灌水量最小的IR1处理因明显减产，WUE为2.1 kg/m3外，WUE总体随着灌溉水量的增大而减小，IR2处理WUE达到2.4 kg/m3，IR3和IR4处理较IR2处理分别减少7%和21.7%。这表明灌水量低至IR1处理时，因为长期水分胁迫导致减产，当灌水量高于IR2处理时，增加灌水量可提高产量，但灌水量过多则会造成减产，这与前人研究结果一致[18]。WUE受玉米产量和灌溉水量双重作用，在灌水量少时仍可获得较高的WUE值，但牺牲了产量，经济性差；增加灌溉水量可提高产量和增大WUE，但随着灌水量等进一步增加，产量增幅减小，甚至减产，WUE大幅下降，水资源利用效率低[7]。因此，综合考虑灌溉水量对玉米生长、产量和WUE的影响，在辽西北风沙土地区，玉米膜下滴灌灌溉水量宜控制在0.8KcE～1.0KcE。