噴灌條件下不同灌溉施肥對玉米耗水和產(chǎn)量的影響

王海瑞，呂志遠，湯鵬程，苗　澍，郭克貞，任　杰

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國水科院牧區(qū)水利科學研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

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噴灌條件下不同灌溉施肥對玉米耗水和產(chǎn)量的影響

王海瑞1，呂志遠1，湯鵬程2，苗澍2，郭克貞2，任杰2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國水科院牧區(qū)水利科學研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

摘要：通過野外實測資料，定量研究大型噴灌條件下不同灌水量(3個水平)和肥力(3個水平)處理對玉米耗水規(guī)律、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的影響。結(jié)果表明，拔節(jié)期和灌漿期是玉米需水的關(guān)鍵階段；玉米不同處理在各生育期耗水量在25.63～182.74 mm之間變化，變幅較大。相同肥力處理下，玉米各生育期耗水量總體變化均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢；相同水分處理下，玉米耗水量、產(chǎn)量隨肥力的增加而增加；對比分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量對水量變化的敏感程度遠高于施肥量變化的敏感程度；玉米全生育期總耗水量與玉米產(chǎn)量之間呈現(xiàn)良好的拋物線關(guān)系(R2=0.829)，耗水量為4 673 m3·hm-2時產(chǎn)量Y值最大，為11 151 kg·hm-2。在同等灌水和施肥條件下，處理SF-9比SF-10(CK)增產(chǎn)8.40%，水分生產(chǎn)效率提高15.0%，其它處理增產(chǎn)7.89%～54.51%，噴灌條件下玉米增產(chǎn)效果明顯。

關(guān)鍵詞：大型噴灌；玉米；需水規(guī)律；肥力；水分生產(chǎn)率；產(chǎn)量

內(nèi)蒙古東部區(qū)是國家重要商品糧基地，地處半干旱地帶，干旱是制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。噴灌作為工程節(jié)水的灌溉形式普遍應(yīng)用于生產(chǎn)實際中，改善了農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境，調(diào)節(jié)作物生理過程，取得了一定增產(chǎn)節(jié)水的效果[1-2]。噴灌條件下土壤水分的空間分布與傳統(tǒng)灌溉有明顯差異[3-4]，姚素梅等[5]研究表明，噴灌有利于植株對干物質(zhì)的積累，其干物質(zhì)總量明顯高于地面灌溉條件下。張玲[6]認為大部分農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量構(gòu)成因素及葉片葉綠素含量對施肥水平的反應(yīng)敏感,隨施肥量的提高而明顯得到促進。因此在噴灌條件下全面了解作物需水規(guī)律對于大力發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，緩解水資源短缺和提高作物水分利用效率具有重要意義[7]。本試驗利用大型噴灌機對玉米灌水量和施肥量進行控制，從而分析玉米的耗水規(guī)律，研究不同灌溉、施肥處理對玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的影響，得到水量和施肥量最佳融合點，為內(nèi)蒙古東部地區(qū)節(jié)水增糧提供理論依據(jù)。

1材料與方法

大型噴灌小區(qū)試驗于2014年4—10月在內(nèi)蒙古通遼市科左中旗保康鎮(zhèn)巨寶山村(東經(jīng)121°08′～123°32′，北緯43°32′～44°32′)進行。試驗區(qū)在內(nèi)蒙古東端、大興安嶺東南邊緣、西遼河北岸，是松遼平原向內(nèi)蒙古高原的過渡地帶。試驗區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季雨熱同步，雨量較集中；秋季短促，降溫快；冬季干冷漫長。全年最高氣溫35.8℃，最低氣溫-25.1℃，年平均氣溫7.1℃，無霜期為202 d，全年日照2 891.7 h，年平均降雨269.7 mm。對核心試驗田的土壤物理性狀進行了測定，該試驗區(qū)土層厚度0～100 cm田間持水量25.66%～29.35%，各層土壤平均干容重為1.554 g·cm-3，土壤類型為砂質(zhì)壤土。

經(jīng)過實際調(diào)研，玉米新品種京科968在當?shù)鼐哂休^好的適應(yīng)性和較高的產(chǎn)量水平，所以選用京科968為供試作物。試驗采用正交試驗法，根據(jù)示范區(qū)土壤特性和玉米需水、需肥規(guī)律，結(jié)合大型噴灌機主要技術(shù)參數(shù)，開展大型噴灌條件下玉米灌溉制度與水肥一體化田間試驗研究。試驗示范區(qū)面積120 m×252 m=3.024 hm2，采用平移噴灌機灌溉，2跨，每跨60 m，采用管道供水。試驗采用4因素(水、氮、磷、鉀)3水平(高、中、低)正交試驗，具體試驗因素水平設(shè)計如表1所示。試驗共設(shè)9個不同正交設(shè)計處理與1個常規(guī)大田對照處理，共計10個試驗處理。每個處理小區(qū)面積為25.0 m×50.0 m=1 250 m2，因小區(qū)面積大于300 m2，故設(shè)2次重復(fù)，共18個小區(qū)。試驗小區(qū)之間隔離帶寬1.5 m，邊界保護區(qū)寬5～6 m。對照處理采用試驗地附近當?shù)剞r(nóng)民種植地塊。該處理所有耕作均按當?shù)貍鹘y(tǒng)種植模式進行，同時觀察各個生育期的生長狀況及玉米產(chǎn)量。每個小區(qū)土壤水分、玉米生長狀況以及產(chǎn)量觀測點不少于2個。土壤含水率的測定采用烘干和儀器測定兩種方法，烘干法使用土鉆取土，烘箱烘干，儀器測定采用HH2型TDR土壤水分測定儀，共埋設(shè)TDR管48根。每個點分層0～20、20～40、40～60、60～80各測兩次，從開始播種至收獲結(jié)束每5天測一次，灌水與降雨前、后均加測一次。

注：(1) 表中N、P2O5、K2O肥的施用比例通過三料復(fù)合肥與尿素進行調(diào)配。(2)本設(shè)計的低肥處理參照周邊農(nóng)民傳統(tǒng)玉米種植的施肥量。

Note：(1) The application ratio of N、P2O5、K2O fertilizer was mixed by the three compound fertilizer and urea. (2) Low fertilizer treatment was referenced with the local farmers triditional apply fertilizer rate of corn.

2014年，本試驗區(qū)降雨多小雨，平均降雨深度小于3 mm的為無效降雨，玉米生育期內(nèi)有效降雨量為244.04 mm，屬于一般干旱年份。2014年玉米生育期降雨分布情況見表3。

本試驗小區(qū)通過水分儀對各個小區(qū)的水分進行實時監(jiān)測，當處理達到水分下限時，及時灌水達到田間持水量。通過控制噴灌機的行走速度控制灌水量，其中高水處理的實際灌水定額是49.05 mm，共灌水4次，中水處理的灌水定額為64.25 mm，共灌水2次，低水處理的灌水定額為73.65 mm，共灌水1次，當?shù)靥幚?SF-10)的灌水是當?shù)剞r(nóng)民使用指針噴灌機灌水，灌水量根據(jù)當?shù)剞r(nóng)民灌水經(jīng)驗得到，我們通過水表讀數(shù)進行量測。2014年各個生育期灌溉水量見表4。

本文采用土壤水量平衡法[8]計算不同處理的需水狀況，總水量按如下公式計算：

ET=P+I-ΔSWS+Q

(1)

式中，ET為總需(耗)水量；P為生長季的某一時段有效降雨量；I為某一時段有效灌溉量；ΔSWS為土壤儲水量變化；Q為地下水的補給量和滲漏量。地下水補給量和滲漏量計算將0～80cm的土壤層看成一個整體，通過達西公式計算下邊界的出流量。

(2)

式中，K(h)為非飽和導(dǎo)水率；dH為土壤間的勢能差；dL為計算勢能差的土壤間距，本文中為20cm。本研究中把作物根層土壤分為4層，依據(jù)如下公式計算土壤水儲量ΔSWS：

ΔSWS=W2-W1

(3)

(4)

式中，W1為生育期前土壤貯水量(mm)；W2為生育期后土壤貯水量(mm)；θi為距土壤地表icm(i=20、40、60、80cm)處的體積含水率值。

2結(jié)果與分析

2.1不同灌溉施肥處理玉米生育期耗水規(guī)律

2.1.1各生育期的地下水補給量與滲漏量大型噴灌條件玉米各生育期地下水的補給量和滲漏量是將0～80 cm的土壤層看成一個整體，通過達西公式計算下邊界的出流量。2014年玉米各生育期內(nèi)地下水的補給量和滲漏量如表5所示。

2.1.2噴灌條件下不同灌溉施肥處理玉米各生育期耗水規(guī)律利用水量平衡公式對大型噴灌條件下玉米不同處理各生育階段的耗水量進行計算，玉米各生育階段耗水量如圖1所示。

由圖1A可以看出，在高水分處理下，SF-1、SF-2、SF-3處理各生育期的耗水量明顯比SF-10(CK)高，施肥量對各生育期耗水量的影響比較大，說明高水分條件下肥量是敏感因素。由圖1B可以看出，在中水分處理下，SF-4、SF-5、SF-6處理各生育期的耗水量高于SF-10(CK)，各處理間相差沒有高水分處理下變化大，施肥量對各生育期的耗水量影響不大。由圖1C可以看出，在低水分處理下，SF-7、SF-8處理部分生育期的耗水量略高于SF-10(CK)，SF-9的全生育期總耗水量低于SF-10(CK)。低水分處理中，施肥量對各生育期的耗水量基本沒影響，甚至出現(xiàn)負作用，此水分下肥量不是敏感因素。從圖1A～C整體耗水量比較看，高水分處理的(SF-1、SF-2、SF-3)>中水分處理的(SF-4、SF-5、SF-6)>低水分處理的(SF-7、SF-8、SF-9)，全生育期總耗水量關(guān)系是SF-2>SF-1>SF-3>SF-4>SF-5>SF-6>SF-7>SF-10(CK)>SF-8>SF-9處理。各生育期的耗水量隨灌水量的增加而增加。噴灌條件下玉米的全生育期耗水量總體變化均呈現(xiàn)先升高后降低最后又升高的變化趨勢，各生育期的耗水量關(guān)系是拔節(jié)期>灌漿期>抽雄期>苗期>播種至出苗期。播種至出苗期和苗期植株覆蓋度較低，氣溫較低，這一時段玉米耗水以土壤蒸發(fā)為主。隨著作物的生長發(fā)育，耗水量不斷增大，到拔節(jié)期達到最大。在拔節(jié)期玉米由快速生長期進入生長旺盛期，植物覆蓋度開始達到最大，田間裸露地表不斷減少，作物騰發(fā)量主要以作物蒸騰為主；同時，該階段作物生長發(fā)育進入相對成熟的階段，光合作用較為活躍，蒸騰需水達到最大。另外2014年該地區(qū)降雨極不平衡，主要集中在拔節(jié)期，所以供水充足，耗水量也相應(yīng)地比較大；抽雄期～灌漿期，玉米不同處理的耗水量達到全生育期的第二頂峰值，這是因為該階段生殖生長和營養(yǎng)生長并進，生長旺盛，根莖葉逐漸健全，葉面積最大，地面覆蓋達到最大，生長發(fā)育耗水劇增。玉米不同處理在各生育期耗水量在25.63～182.74 mm之間變化，變幅較大。

圖1不同施肥水平下玉米各生育期的耗水量

Fig.1The corn water consumption in each growth stage

under different fertilization level

分析相同水分處理不同施肥量下玉米各生育期耗水量的顯著水平如表6。高水分處理下，各生育期耗水量總體是SF-1、SF-2處理與SF-3處理差異極顯著，總耗水量是SF-2處理與SF-2、SF-3處理差異顯著；中水分處理下，各生育期耗水量總體是SF-4處理與SF-5、SF-6處理差異顯著，總耗水量是SF-4與SF-5處理差異極顯著，SF-5處理與SF-6處理差異極顯著；低水分處理下，各生育期的耗水量差異不顯著。

注：大寫字母表示差異達0.01顯著水平，小寫字母表示差異達0.05顯著水平。

Note：Capital letters indicate significant differences at the level of 0.01, small letters indicate significant differences at the level of 0.05.

在大型噴灌條件下對玉米不同處理各生育階段的耗水模數(shù)進行計算，結(jié)果見表7。

由表7可知，2014年玉米各生育期耗水模數(shù)與耗水量總體變化一致，拔節(jié)期和灌漿期較高，苗期、播種到苗期的比較低。這說明玉米在拔節(jié)期和灌漿期生長速度快，葉面蒸騰大，耗水量也就大。這兩個生育期總體呈現(xiàn)前期低、中期高、后期降低的變化趨勢，其中拔節(jié)期和灌漿期的耗水量總和占玉米全生育期耗水量的60%以上。

2.2噴灌條件下玉米產(chǎn)量、水分生產(chǎn)率與耗水量的關(guān)系

玉米每消耗1 m3水所能生產(chǎn)的子粒產(chǎn)量定義為水分生產(chǎn)率：

WUE=Y/ET

(5)

式中，Y為玉米產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為玉米耗水量(m3·hm-2)。

為了試驗結(jié)果更加明顯，本文以當?shù)赜衩桩a(chǎn)量為基礎(chǔ)，計算各處理的水分生產(chǎn)效率和增產(chǎn)率，計算結(jié)果見表8。

從表8可以看出，SF-4處理的產(chǎn)量最大，為10 005 kg·hm-2， SF-4處理的水分生產(chǎn)率最大，為2.30 kg·m-3，SF-10(當?shù)?處理的產(chǎn)量為5 985.00 kg·hm-2，SF-10(當?shù)?處理的水分生產(chǎn)率為1.60 kg·m-3，其中SF-8、SF-9處理的耗水量低于當?shù)毓嗨绞降腟F-10處理，而玉米產(chǎn)量高于SF-10處理的產(chǎn)量，處理SF-9比SF-10(CK)增產(chǎn)8.40%，水分生產(chǎn)效率提高15.0%，其它處理增產(chǎn)在7.89%～54.51%，水分生產(chǎn)效率提高5%～43.75%之間，噴灌條件下增產(chǎn)效果明顯。從表8還可以得出當耗水量接近時，產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，其中低水處理時施肥量的增加對產(chǎn)量增加的速率最大。當施肥量一定時，隨著耗水量的增加，產(chǎn)量逐漸增大，當耗水量增加到一定程度時，產(chǎn)量增加變緩，開始呈現(xiàn)“報酬遞減”現(xiàn)象，當產(chǎn)量達到最大值后如繼續(xù)增加耗水量，產(chǎn)量不增反降[9]。高肥處理下產(chǎn)量隨耗水量的增加的效率最大。綜上所述，產(chǎn)量隨灌水量增加的效率遠高于隨施肥量增加的效率，即產(chǎn)量對水量變化的敏感程度遠高于施肥量變化的敏感程度。

圖2為玉米產(chǎn)量Y與玉米生育期總耗水量ET的關(guān)系曲線。由圖可見，二者之間呈現(xiàn)良好的拋物線關(guān)系，其回歸方程為：

Y=a ET2+b ET+c

(6)

式中，a、b、c為回歸系數(shù)。

由式(6)對圖1中各點擬合得方程：

Y=-0.0031ET2+28.04ET-54369

(7)

R2=0.829

二次函數(shù)關(guān)系存在極值，所以一階導(dǎo)數(shù)dY/dET=0處，玉米產(chǎn)量為最大值。由式(7)求導(dǎo)，得到ET=4 673m3·hm-2時產(chǎn)量Y值最大，為11 151kg·hm-2。

圖2玉米產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系曲線

Fig.2The relation curve of corn yield with water consumption

3結(jié)論

1) 噴灌條件下，拔節(jié)期和灌漿期是玉米需水關(guān)鍵階段。灌水定額越大，玉米各生育期的耗水量越大，玉米不同處理各生育期耗水量在25.63～182.74 mm之間變化，變幅較大。各生育期耗水量與耗水模數(shù)總體為拔節(jié)期>灌漿期>抽雄期>苗期>播種至出苗期，拔節(jié)期和灌漿期的耗水量總和占玉米全生育期耗水量的60%以上，耗水量總體呈現(xiàn)前期低、中期高、后期降低的變化趨勢。

2) 噴灌條件下不同灌溉施肥處理玉米各生育期耗水規(guī)律。同肥力條件下，噴灌條件下玉米各生育期耗水量總體變化均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，玉米各生育期耗水量隨灌水量的增加而增加；在高水分處理下，施肥量對各生育期耗水量的影響比較大，在中水分處理下，施肥量對各生育期的耗水量影響不大。低水分處理中，施肥量對各生育期的耗水量基本沒影響，甚至出現(xiàn)負作用，此水分條件下肥量不是敏感因素。產(chǎn)量對水量變化的敏感程度遠高于施肥量變化的敏感程度。

3) 分析同水分不同施肥量下玉米各生育期耗水量的顯著水平。高水分處理下，各生育期耗水量差異極顯著。中水分處理下， 各生育期耗水量總體是顯著的；低水分處理下，各生育期的耗水量差異不顯著。

4) 玉米全生育期總耗水量與玉米產(chǎn)量之間呈現(xiàn)良好的拋物線關(guān)系(R2=0.829),得到水分生產(chǎn)函數(shù)Y=-0.003ET2+28.04ET-54369，當耗水量為4 673 m3·hm-2時產(chǎn)量Y值最大，為11 151 kg·hm-2。在同等灌水量和施肥量條件下，處理SF-9比SF-10(CK)增產(chǎn)8.40%，水分生產(chǎn)效率提高15.0%，其它處理增產(chǎn)7.89%～54.51%，水分生產(chǎn)效率提高5%～43.75%，噴灌條件下玉米增產(chǎn)效果明顯, 該成果可為以后內(nèi)蒙古東部地區(qū)節(jié)水增糧提供充分的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

參 考 文 獻：

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Effect of different irrigation and fertilization on water consumption and yield of corn under the condition of sprinkler irrigation

WANG Hai-rui1, LV Zhi-yuan1, TANG Peng-cheng2, MIAO Shu2, GUO Ke-zhen2, REN Jie2

(1.InnerMongoliaAgriculturalUniversity,WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,Hohhot,InnerMongolia010018,China; 2.HydroelectricandWaterConservancyScienceInstituteofChina,InstituteofWaterConservancyScienceinPastoralAreas,Hohhot,InnerMongolia010020,China)

Keywords:large-scale sprinkler irrigation； corn； water quirement regulation； fertility； water production efficiency； yield

Abstract：Through the actual measured data in field, quantitatively researched the effects of different irrigation amounts (three levels) and fertilities (three levels) to the water comsumption rule, yield and water production efficiency of corn under the conditions of large scale sprinkler irrigation. The results showed that: The jointing stage and filling stage were the critical period of corn water requirements. The water consumption of corn in each growth stage with different treatments were change between 25.63 mm to 182.74 mm, the change range was rather big. Under the same fertility treatment, the overall variation of corn's water consumption in each growth stage was showed the change trend as first increase and then decrease. Under the same water treatment, the corn water consumption and yield were increased with the fertility increase. According to the comparison, found that the sensitivity of water to production was bigger than the sensitivity of fertilization. The relationship between total water consumption of corn in whole growth period with the yield was showed a good parabolic relation (R2=0.829) and obtained when the water consumption was 4 673 m3·hm-2, the cron yield will be the highest as 11 151 kg·hm-2. Under the same condition of irrigation and fertilizaer, the yield of SF-9 treatment will be increased production of 8.4% than SF-10(CK), the water production efficiency will be increased 15%. Other treatments will be increased the production from 7.89% to 54.51%. Under sprinkler irrigation condition, the effect of increasing corn production was obvious.

文章編號：1000-7601(2016)03-0072-06

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.11

收稿日期：2015-10-27

基金項目：國家科技支撐“東北四省(區(qū))節(jié)水增糧高效灌溉技術(shù)研究與規(guī)模示范”(2014BAD12B03)；內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳科技攻關(guān)“通遼平原玉米噴灌水肥一體化技術(shù)研究”(2015CD1543)

作者簡介：王海瑞(1989—)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。 E-mail：672803722@qq.com。 通信作者：呂志遠(1955—)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，教授，主要從事節(jié)水灌溉理論技術(shù)應(yīng)用研究。 E-mail：lzy690816@sohu.com。

中圖分類號：S275.5； S513

文獻標志碼：A