灌溉定額對膜下滴灌春玉米土壤水熱空間分布及產(chǎn)量的影響

王克全，王國棟，梁 飛*，曾勝和

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院 農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000; 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水石河子科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，新疆 石河子 832000)

灌溉定額對膜下滴灌春玉米土壤水熱空間分布及產(chǎn)量的影響

王克全1,2，王國棟1,2，梁 飛1,2*，曾勝和1,2

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院 農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000; 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水石河子科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，新疆 石河子 832000)

為了確定新疆膜下滴灌春玉米適宜的灌溉定額，設(shè)置了4 200(T1)、4 800(T2)、5 400(T3)、6 000(T4) m3/hm24種灌溉定額進(jìn)行田間小區(qū)灌溉試驗(yàn)，利用ET-60測定儀測定各處理下的土壤水分和土壤溫度狀況，研究了不同灌溉定額對膜下滴灌春玉米土壤水熱空間分布及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，玉米根系土壤濕潤區(qū)隨灌溉定額的增大而增大，當(dāng)灌溉定額為4 800 m3/hm2時(shí)，僅能保持滴頭下玉米根層10～30 cm土壤水分狀況良好。土壤水分在水平方向運(yùn)移距離較短，濕潤區(qū)范圍較小。灌溉定額在5 400 m3/hm2時(shí)，在垂直方向10～60 cm、水平方向0～30 cm土層均能保持較好的土壤水分狀況，但當(dāng)灌溉定額為6 000 m3/hm2時(shí)會出現(xiàn)土壤水分的無效深層下滲，因此灌溉定額為5 400 m3/hm2較適宜。土壤溫度的空間分布狀況與土壤水分的分布狀況具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，即土壤水分高的土層區(qū)域土壤溫度較低，灌溉定額越大，對根系土壤溫度的影響區(qū)域就越大。各灌水處理下的土壤溫度分布在垂直方向上總體呈由高到低的變化趨勢，其中，30～60 cm深度范圍各灌水處理下水平方向分布較均勻，各灌水處理土層溫度大小為T1>T2>T3>T4。穗干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、葉干質(zhì)量以及生物量總體隨灌溉定額增大而增大，灌溉定額過低不利于玉米干物質(zhì)積累。穗長、穗粗、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量與灌溉定額總體呈正相關(guān)，各處理穗行數(shù)無顯著差異，籽粒產(chǎn)量也隨著灌溉定額的增大而增大，灌溉定額為5 400 m3/hm2的處理產(chǎn)量最高，達(dá)18 697.5 kg/hm2。根據(jù)擬合的產(chǎn)量與灌溉定額的關(guān)系曲線，當(dāng)灌溉定額為5 867 m3/hm2時(shí)，理論產(chǎn)量最高，可達(dá)19 798 kg/hm2。

灌溉定額； 新疆； 膜下滴灌； 春玉米； 水熱分布； 產(chǎn)量

土壤水分和溫度是影響作物生長的重要土壤環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)田節(jié)水研究中的主要評價(jià)指標(biāo)，對農(nóng)業(yè)節(jié)水的生產(chǎn)決策起到重要作用[1]。灌溉可調(diào)整土壤中的水、肥、氣、熱等環(huán)境參數(shù)，土壤水熱是作物生長必需的環(huán)境因素[2-4]，與土壤類型、耕作方式[5]、栽培和灌溉管理措施等有關(guān)。土壤水熱變化直接影響到土壤呼吸、養(yǎng)分分解等，對作物生長有著顯著影響[6-9]。李彩霞等[10]研究表明，與常規(guī)溝灌相比，交替隔溝灌溉具有控墑?wù){(diào)溫作用，有利于根區(qū)土壤水分的高效利用，促進(jìn)根區(qū)土溫的均勻分布。膜下滴灌技術(shù)是覆膜與滴灌技術(shù)相結(jié)合的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，近20 a來在新疆得到大面積推廣應(yīng)用，玉米膜下滴灌技術(shù)是北疆地區(qū)針對實(shí)際生產(chǎn)需求，在棉花膜下滴灌技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而興起的，是對糧食作物灌溉方式的一次改革。然而，滴灌條件下，的土壤水、熱分布與傳統(tǒng)灌溉條件下有較大差異，不同滴灌灌溉定額和灌水頻率對土壤水熱分布及產(chǎn)量必然產(chǎn)生不同影響。已有研究[11-13]表明，春玉米抽雄期以前實(shí)施的滴灌各處理中，高頻滴灌下土壤平均含水率和不同深度土壤基質(zhì)勢波動幅度較小，高頻滴灌下土壤水分能保持在一個比較穩(wěn)定的范圍；土壤溫度受灌水過程、土壤含水率及作物生育階段的影響較明顯，滴灌能顯著延遲氣溫對土壤溫度的影響。張昊等[14]研究表明，膜下滴灌條件下，玉米土壤水分運(yùn)移變化多在60 cm土層以上，0～20 cm土層變化最為明顯。新疆地處西北干旱區(qū)，常年干旱少雨，土壤水熱分布狀況受灌溉定額的影響較大，而當(dāng)前灌溉定額對新疆膜下滴灌玉米土壤水熱空間分布狀況的影響研究還鮮見報(bào)道，為此，于2016年在新疆地區(qū)開展膜下滴灌玉米田間小區(qū)灌溉試驗(yàn)，研究不同灌溉定額對膜下滴灌玉米根層土壤水熱空間分布狀況及產(chǎn)量的影響，為揭示膜下滴灌玉米土壤水熱特征對滴灌灌溉定額的響應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年5—9月在農(nóng)業(yè)部作物高效用水石河子科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。區(qū)域?qū)俚湫透珊蛋敫珊荡箨懶詺夂?，降水稀少、空氣干燥、光熱集中，年均氣?.5～7.2 ℃，多年平均降雨量115 mm，蒸發(fā)量1 942 mm。實(shí)驗(yàn)站內(nèi)安裝有自動氣象站，可獲得每日氣象數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)田為灌耕灰漠土，地力均勻，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量7.14 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為34.30、18.00、130.50 mg/kg，pH值為8.2，0～60 cm土層土壤平均容重1.60 g/cm3，平均田間持水率17.7%，平均飽和含水率20.73%，凋萎含水率9.73%；2016年度玉米生育期(5—9月)內(nèi)有效降雨量為124 mm，最高溫度39.9 ℃，最低溫度13.9 ℃，平均溫度22.4 ℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為鄭單958。試驗(yàn)設(shè)4個灌溉定額水平：4 200 m3/hm2(T1處理)、4 800 m3/hm2(T2處理)、5 400 m3/hm2(T3處理)、6 000 m3/hm2(T4處理)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個處理重復(fù)3次，共12個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為20 m×5.5 m，采用80 cm+30 cm寬窄行種植，株距14.4 cm，種植密度12.5萬株/hm2，一膜一管2行種植模式，單翼迷宮式滴灌帶布置于窄行中間，滴頭間距30 cm，滴頭流量為2.0 L/h，各小區(qū)內(nèi)種植10行作物，外側(cè)2行為保護(hù)行。滴灌處理采用單獨(dú)施肥裝置，每個小區(qū)分別裝有獨(dú)立的水表和壓力表。灌水時(shí)間、灌水量和肥料(N、P2O5、K2O分別為300、90、45 kg/hm2)施用比例及次數(shù)按照生育時(shí)期進(jìn)行分配(表1、表2)。其他田間管理措施與常規(guī)管理模式保持一致。

表1 各滴灌處理玉米主要生育時(shí)期的灌水量 m3/hm2

表2 各滴灌處理玉米主要生育時(shí)期的施肥量 kg/hm2

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤含水率與土壤溫度 每個試驗(yàn)小區(qū)采用3根智墑ET-60土壤水分溫度管式測定儀(北京東方潤澤生態(tài)公司)實(shí)時(shí)(每2 h存儲1次數(shù)據(jù))測定土壤水分狀況(體積含水率)和土壤溫度，第1根測管靠近滴頭，第2根水平方向距離滴頭15 cm，第3根水平方向距離滴頭30 cm，在每個測管垂直下方10、20、30、40、50、60 cm深度處各布置1個水分溫度傳感器。

1.3.2 干質(zhì)量 收獲期每個小區(qū)隨機(jī)取10株玉米植株，在實(shí)驗(yàn)室洗凈烘干，105 ℃殺青，80 ℃烘干，稱量穗干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、葉干質(zhì)量等生物量指標(biāo)。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 成熟期每小區(qū)選取一膜兩行，果穗全部收獲，計(jì)產(chǎn)(含水率按14%計(jì))，考種，選定20株測定穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、百粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 16.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05，LSD法)；圖表采用Origin 8.6繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理下土壤水分空間分布狀況

為明確不同灌溉定額處理下土壤水分的空間分布狀況，選取膜下滴灌春玉米大喇叭口期灌水后1 d垂直方向上10～60 cm土層、水平方向上0～30 cm土層的土壤含水率進(jìn)行分析。各處理下灌水后的土壤含水率分布狀況如圖1所示。由圖1可知，各處理滴頭下垂直方向上10～30 cm土層土壤含水率均較高，4個處理之間差異不顯著(P>0.05)，說明在這一土層內(nèi)灌水量對水分垂直方向上的運(yùn)移影響較??；而在水平方向上，土壤含水率較高(大于16%)的覆蓋范圍隨著灌水量的增加而越來越大。較低灌溉定額的T1、T2處理只能保持水平方向15 cm范圍內(nèi)土壤處于較高的水分狀況，而水平方向超過了15 cm的土壤含水率較低，不利于作物的生長發(fā)育，T3、T4處理無論是垂直方向上還是水平方向上，土壤均具有較好的水分狀況，土壤含水率處于田間持水量的80%～90%，為作物生長提供了較好的水分環(huán)境。30～60 cm深度土層無論是垂直方向上還是水平方向上土壤含水率均隨灌水量的增加而增加，除T4處理外，其他處理土壤含水率隨土壤深度逐漸變小，其中T3、T4處理在30～50 cm土層差異較小，而在50 cm以下土層T4處理土壤含水率繼續(xù)增高。

A、B、C、D分別代表T1、T2、T3、T4處理，下同

較高的灌水定額增加了土壤水分的下滲能力，T4處理灌水定額過大而產(chǎn)生了土壤水分的深層滲漏，故T3處理(灌溉定額5 400 m3/hm2)能夠使玉米根層垂直方向上10～50 cm、水平方向上0～30 cm土層保持較好的水分狀況，且沒有出現(xiàn)水分的深層滲漏，為較適宜的灌溉定額。

2.2 不同灌水處理下土壤溫度空間分布狀況

土壤溫度是關(guān)系作物生長的重要土壤環(huán)境參數(shù)，土壤溫度過高或過低都會直接影響到作物根系的生長發(fā)育，進(jìn)而影響地上植株的生長，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。地膜覆蓋與滴灌技術(shù)結(jié)合有效增加了土壤溫度，抑制了土壤水分蒸發(fā)，明顯改善了土壤水熱條件，同時(shí)灌水對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用也較為明顯，灌水定額的大小對土壤溫度的分布具有重要影響[3,15-16]。圖2為膜下滴灌春玉米大喇叭口期不同灌水處理下灌水1 d后垂直方向上10～60 cm土層、水平方向上0～30 cm土層土壤溫度的空間分布狀況，從各處理下土壤溫度的分布情況來看，灌溉對土壤溫度分布的影響比較明顯。隨著水分在土壤中的運(yùn)移差異，土壤溫度的分布情況也有所不同。由于灌溉水為井水，水溫不足15 ℃，在高溫季節(jié)滴灌濕潤區(qū)范圍內(nèi)對春玉米根層土壤溫度有調(diào)節(jié)作用，4種灌水處理下的淺層(10～30 cm)土壤溫度分布在垂直方向上總體呈由高到低的變化趨勢，這是由于灌水結(jié)束后，土壤水分不斷向下運(yùn)移和消耗，淺層土壤溫度受氣溫(當(dāng)日最高氣溫31.1 ℃，最低氣溫18.7 ℃)影響較大，故灌水后土壤溫度較高，水平方向上則是距離滴灌帶水平距離越遠(yuǎn)，土壤溫度越高，這與上述不同灌水處理下土壤水分的分布狀況具有很大的相關(guān)性，說明灌溉對土壤具有降溫的作用，土壤溫度隨土壤含水率的增大逐漸降低。各灌水處理下30～60 cm深度范圍內(nèi)水平方向上溫度分布較均勻，土層溫度大小總體上表現(xiàn)為T1>T2>T3>T4，垂直方向上，各處理土溫分布狀況隨土層深度增加而降低，T4處理最低達(dá)16 ℃，這可能是由于50～60 cm土層溫度較低，T4處理灌水定額較高，水分滲漏至該土層，導(dǎo)致土壤溫度更低，這對玉米根系生長發(fā)育將產(chǎn)生不利影響，而T3處理50～60 cm土層土壤溫度與30～50 cm土層相差不大，土壤溫度分布狀況較好，有利于玉米的生長。

圖2 各處理灌水后10～60 cm土層土壤溫度(℃)的空間分布狀況

2.3 不同灌水處理對春玉米產(chǎn)量及生物量的影響

由表3可見，穗長、穗粗、行粒數(shù)均以T1處理最小，與T2、T3、T4處理存在顯著差異，而T2、T3、T4處理間無顯著差異；百粒質(zhì)量以T1處理最小，T3處理最大，T3與T4處理差異不顯著，但T3處理顯著高于T1、T2處理；4個處理下的穗行數(shù)無顯著差異。說明灌水對穗長、穗粗、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量有較大影響，各籽粒產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)均隨著灌水定額的增加總體呈增長趨勢，T3處理下產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)總體表現(xiàn)最高。

T3、T4處理穗干質(zhì)量差異不顯著，但顯著高于T2、T1處理，這說明灌溉定額的高低對穗干質(zhì)量的影響較大，穗干質(zhì)量隨灌溉定額的升高而增大；T2、T3、T4處理莖干質(zhì)量差異不顯著，但顯著高于T1處理，可見，T1處理對莖稈干物質(zhì)積累產(chǎn)生了不利影響；T2處理葉片干質(zhì)量最高，與T3、T4處理差異不顯著，但顯著高于T1處理；生物量與穗干質(zhì)量的表現(xiàn)一致，均隨灌溉定額的升高而增大，T1、T2、T4處理間差異顯著，T3處理與T2、T4處理差異均不顯著；各干質(zhì)量指標(biāo)與灌溉定額總體上呈正相關(guān)，灌溉定額過低不利于玉米干物質(zhì)積累。

表3 不同灌水處理下玉米的產(chǎn)量和生物量指標(biāo)

注：同列不同字母表示處理間在5%水平上差異顯著。

玉米籽粒產(chǎn)量隨灌水定額的增加呈拋物線形增長趨勢，T3處理產(chǎn)量最高，T1處理顯著低于T2、T3、T4處理，T2處理與T4處理差異不顯著，但顯著低于T3處理，T4、T3處理間無顯著差異。以籽粒產(chǎn)量為因變量(Y)，灌溉定額為自變量(X)，得到擬合回歸方程為：Y=-18 063+12.907X-0.001 1X2，R2=0.89。灌溉定額為5 867 m3/hm2時(shí)，理論產(chǎn)量最高，Ymax=19 798 kg/hm2。因此，從籽粒產(chǎn)量情況來看，該地區(qū)滴灌春玉米適宜灌溉定額應(yīng)該介于5 400～6 000 m3/hm2。

3 結(jié)論與討論

玉米作為公認(rèn)的高耗水作物，其根層土壤水熱狀況對植株的生長發(fā)育和生理作用具有重要影響，最終決定了產(chǎn)量的高低，而土壤水熱分布狀況與灌溉定額的大小密切相關(guān)。本試驗(yàn)通過設(shè)置不同灌溉定額的灌水處理，研究其對滴灌玉米土壤水熱分布狀況的影響，當(dāng)灌溉定額低于4 800 m3/hm2時(shí)，僅能保持滴頭下玉米根層垂直方向10～30 cm土壤水分狀況良好，土壤水分在水平方向運(yùn)移距離較短，濕潤區(qū)范圍較小。灌溉定額在5 400 m3/hm2以上時(shí)，在垂直方向10～60 cm、水平方向0～30 cm土層均能保持較好的土壤水分狀況，但灌溉定額過高(≥6 000 m3/hm2)會出現(xiàn)土壤水分的無效深層下滲，因此灌溉定額為5 400 m3/hm2較適宜。土壤溫度的空間分布狀況與土壤水分的的分布狀況具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，即土壤水分高的土層區(qū)域土壤溫度較低。灌溉定額越大，對根系土壤溫度的影響區(qū)域就越大,這與上述不同灌水處理下土壤水分的分布狀況具有很大的相關(guān)性，說明灌溉對土壤具有降溫作用，土壤溫度隨土壤含水率的增大而逐漸降低，這與李彩霞等[10]的研究結(jié)論基本一致，但王建東等[11]研究表明，灌溉在一定程度上具有保溫作用，這可能與灌溉水源溫度和氣溫的差異有關(guān)。

本研究結(jié)果表明，滴灌玉米穗干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、葉干質(zhì)量以及地上部分總生物量總體上均隨灌溉定額的增大而增大，灌溉定額過低不利于玉米干物質(zhì)積累。從籽粒產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)來看，穗長、穗粗、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量與灌溉定額的增加總體呈正相關(guān)，籽粒產(chǎn)量也隨著灌溉定額的增大而增大，與T4處理相比，T3處理平均籽粒產(chǎn)量增加3.7%，這說明適宜的灌溉定額有利于玉米增產(chǎn)，灌溉定額過高反而不利于產(chǎn)量的提高，這與前人的研究結(jié)果[12]吻合。根據(jù)擬合的產(chǎn)量灌溉定額關(guān)系曲線，當(dāng)灌溉定額為5 867 m3/hm2時(shí)，理論產(chǎn)量最高，可達(dá)19 798 kg/hm2。

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Effects of Irrigating Quota on the Farmland Soil Water-Heat Spatial Distribution and Yield of Spring Maize under Mulched Drip Irrigation

WANG Kequan1,2,WANG Guodong1,2,LIANG Fei1,2*,ZENG Shenghe1,2

(1.Institute of Farmland Water Conservancy and Soil-fertilizer,Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Science,Shihezi 832000,China; 2.Experimental Station for Crop Water Use of Ministry of Agriculture,Shihezi 832000,China)

In order to ascertain the suitable irrigating quota under mulched drip irrigation for spring maize in Xinjiang,a field plot irrigation experiment with 4 irrigating quota treatments[4 200(T1),4 800(T2),5 400(T3),6 000(T4) m3/ha]was carried out.Soil moisture and temperature of all treatments were measured by ET-60 to study the effects of different irrigating quotas on the spatial distribution of soil water-heat and yield.The results showed that the soil humid area of maize roots increased with the irrigating quota.When the irrigating quota was 4 800 m3/ha,soil moisture under 10 to 30 cm of maize root was in good condition.The spread of soil moisture in the horizontal direction was relatively short,and the wet area was small.When the irrigation quota was 5 400 m3/ha,soil moisture condition showed good in both the vertical direction from 10 to 60 cm and the horizontal direction from 0 to 30 cm.When the irrigation quota was 6 000 m3/ha,water would move into deep soil layer ineffectively.Hence the suggested irrigation quota was 5 400 m3/ha.The spatial distribution of soil temperature had a strong negative correlation with the distribution of soil moisture,and the soil temperature would be impacted in more scale under higher irrigating quota.Distribution of soil temperature in the vertical direction under different irrigation treatments showed an overall trend of ranging from high to low,and the temperature in the horizontal direction of 30—60 cm was equally distributed which was T1>T2>T3>T4.Dry weight of spike,stem,leaves and above-ground biomass increased with the irrigation quota,and low irrigating quota was harmful to the accumulation of maize dry matter.The spike length,ear diameter,row grains and 100-grain weight were positively correlated with the irrigation quota,however,ear rows of all treatments showed no obvious difference.The yield increased with the increase of irrigation quota.When the irrigating quota was 5 400 m3/ha,spring maize had the highest production of 18 697.5 kg/ha.According to the fitted curve of yield and irrigation quota,when the irrigation quota is 5 867 m3/ha,the theoretical yield is the highest,reaching 19 798 kg/ha.

irrigating quota; Xinjiang; mulched drip irrigation; spring maize; water-heat distribution; yield

S275.6；S513

A

1004-3268(2017)11-0025-06

2017-05-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31460550)；兵團(tuán)科技攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化計(jì)劃項(xiàng)目(2016AC008)

王克全(1983-)，男，河南寧陵人，助理研究員，碩士，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail:120753380@qq.com

*通訊作者：梁 飛(1984-)，男，河北張北人，副研究員，在讀博士生，主要從事滴灌施肥技術(shù)研究。E-mail:liangfei3326@126.com