干旱區(qū)毛管滴灌玉米土壤水分及生長指標(biāo)研究

王文娟，丁 林，王以兵，鄧建偉，李 斌

(甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000)

甘肅河西地區(qū)屬于典型干旱荒漠區(qū)，位于青藏高原邊緣，土地面積達(dá)27.11 萬km2。近30年來，由于該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，因此，對水資源的需求量越來越大。針對這種情況，只有走節(jié)水高效的道路，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，對河西內(nèi)陸區(qū)流域水資源可持續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，發(fā)展高效節(jié)水已迫在眉睫。有大量田間試驗(yàn)研究結(jié)果表明，地埋式滴灌與其他灌溉方式相比具有節(jié)水增產(chǎn)效益[1-5]。Phene等人的研究表示地埋式滴灌條件下甜玉米產(chǎn)量比噴灌和溝灌高12%～14%，與溝灌相比，番茄產(chǎn)量高20%[6]。范永申等通過對棉花常規(guī)地面溝灌、膜下滴灌以及地下滴灌土壤水分變化試驗(yàn)研究表明，棉花地下滴灌節(jié)水增產(chǎn)效果顯著[7]。地埋式滴灌的毛管埋設(shè)深度對土壤水分的運(yùn)移規(guī)律有很大的影響，同時，也影響土壤中養(yǎng)分的運(yùn)移規(guī)律，因此，導(dǎo)致大田玉米的根系對周圍養(yǎng)分和水分的吸收受到很大的限制，抑制了玉米的生長正常發(fā)育，結(jié)果導(dǎo)致減產(chǎn)。另一方面，地埋式滴灌的毛管埋設(shè)深度可能會導(dǎo)致深層滲漏現(xiàn)象的發(fā)生，土壤養(yǎng)分亦隨之流失。

玉米是我國甘肅省河西走廊地區(qū)主要的糧食作物，在河西地區(qū)水資源嚴(yán)重不足的條件下，怎么用最少的水量得到最好的產(chǎn)量是農(nóng)民的最終目的。而最終的玉米產(chǎn)量是在整個生育期內(nèi)玉米的生長、發(fā)育積累而成。所以，為達(dá)到較高的水分利用效率，以及較好的產(chǎn)量，同時，為農(nóng)民的田間灌溉提供有效的科學(xué)理論依據(jù)，對大田玉米的生長發(fā)育特征進(jìn)行研究是很有必要的。本文主要研究地埋式滴灌條件下毛管不同埋設(shè)深度和間距、滴頭流量的大小、玉米發(fā)芽期灌水量對地下滴灌玉米出苗率、生長指標(biāo)的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)甘肅省水利科學(xué)研究院民勤試驗(yàn)基地位于民勤縣城以北的大灘鄉(xiāng)東大村，地理坐標(biāo)為東經(jīng)130°05′，北緯38°37′。該地區(qū)是典型的大陸性荒漠氣候，風(fēng)沙多，蒸發(fā)量大，降水少，氣候干燥。無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0～60 cm為黏壤土，土壤平均容重為1.54 g/cm3。試驗(yàn)田灌溉水質(zhì)情況見表1。

表1 試驗(yàn)田土壤容重和田間持水量Tab.1 Soil bulk density and field capacity of tasted

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

供試品種為河西民勤地區(qū)生產(chǎn)常用品種“鄭單958”，2013年統(tǒng)一冬灌，于2014年5月10日播種，統(tǒng)一施肥(尿素、磷酸二銨分別按300、225 kg/hm2標(biāo)準(zhǔn)施肥)。毛管采用國產(chǎn)和以色列兩種類型的產(chǎn)品，其中，國產(chǎn)采用管徑為Φ12的滴灌帶，壁厚0.4 mm，滴頭流量1.2 L/h，滴頭間距0.4 m；以色列產(chǎn)品采用管徑為Φ12的滴灌帶，壁厚0.38 mm，滴頭流量1.6 L/h，滴頭間距0.4 m。根據(jù)毛管埋設(shè)深度及間距的不同，試驗(yàn)為雙因素設(shè)計水平。毛管埋深h、毛管鋪設(shè)間距a各設(shè)3個水平，分別為30、35、40 cm和60、70、80 cm。具體試驗(yàn)設(shè)計見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計方案Tab.2 The experiment design scheme

1.3 主要測試項目及方法

(1)土壤含水率的測定。土壤含水率采用TDR(時域反射儀)及土鉆取土烘干法兩種方法測定。每處理布設(shè)3個測點(diǎn)，分別在距樹15、30、60 cm處，每個測點(diǎn)測量5個深度，分別為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。用烘干法測得的土壤含水率公式為：

(1)

(2)玉米生長狀況的測定。生理指標(biāo)的測定包括作物的株高、莖粗、葉面積及各個生育期干物質(zhì)量。每個小區(qū)連續(xù)選定5株作為觀測樣本，在玉米各個生育期測定生物指標(biāo)。

株高：用鋼卷尺測量植株露出土面部分至最高葉尖的高度，抽雄后為露出土面部分至雄穗頂端的高度。

葉面積：用鋼卷尺測定葉長和葉寬，計算采用長寬系數(shù)法計算玉米葉面積。

莖粗：用游標(biāo)卡尺測定植株距地面10 cm處的莖粗。

干物質(zhì)：將玉米植株分解，在干燥箱105 ℃殺青1 h后，80 ℃烘干至恒重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同毛管埋深對土壤水分動態(tài)的影響

玉米全生育期內(nèi)(4月25日-10月3日)在地埋式滴灌條件下不同埋深的玉米田土壤水分垂直分布及其動態(tài)變化如圖1和圖2所示。

圖1 不同毛管埋深垂直方向土壤含水率的變化Fig.1 The soil moisture content in vertical change of for different embedded depth

圖2 不同毛管埋深水平方向土壤含水率的變化Fig.2 The soil moisture content in level change of for different embedded depth

在3種不同埋深的中心位置，即滴頭所在周圍，土壤含水率最高，繼而向周邊4個方向呈逐漸降低的狀態(tài)，土壤水分分布規(guī)律曲線呈拋物線形狀擴(kuò)散。在灌水定額和灌水時間一定的情況下，毛管滴頭埋深越大，在距毛管滴頭一定距離內(nèi)，含水率越大。在水平方向，毛管滴頭兩側(cè)相同距離的土壤含水率呈現(xiàn)基本對稱的規(guī)律，在垂直方向上，距毛管滴頭下方的含水率高于上方的含水率。引起此現(xiàn)象的原因可能是土壤重力勢的作用。

2.2 不同毛管埋深對玉米出苗率的影響

影響玉米出苗的因子有很多，比如土壤水分過少或者過多，土壤溫度過高或者過低，都有可能使玉米種子發(fā)芽受限，或者出苗率降低，甚至不出苗的現(xiàn)象發(fā)生，最終導(dǎo)致玉米產(chǎn)量降低。

滴灌帶埋設(shè)深度和間距不僅影響水分在土壤中的運(yùn)動，進(jìn)而影響玉米出苗率的大小。本試驗(yàn)在玉米播種后不進(jìn)行地面灌溉，而是將出苗水直接通過灌水器灌入田間，目的在于研究毛管埋深、間距的不同對于玉米出苗狀況的影響，以及玉米出苗所需的灌水量。表3為灌水結(jié)束第12、18 d的玉米出苗率以及成熟收獲后玉米殘茬。

表3 大田玉米出苗率狀況Tab.3 The farm corn seedling emergence

由表3可知，滴頭流量為1.2 L/h時，5月20日其T1出苗率明顯高于其他處理，出苗率達(dá)到56.51%，其次為處理T4可達(dá)20.61%，其余處理出苗率都不足10%；當(dāng)?shù)晤^流量為1.6 L/h時，T10、T13出苗率最高，分別達(dá)到47.86%和47.25%，其次為T17和T15，其余處理出苗率介于16%～20%之間，最低也可達(dá)15.98%。隨著時間的推移，各處理出苗率也呈現(xiàn)增大的趨勢，玉米播種后第18 d(6月3日)對出苗率進(jìn)行第二次觀測。根據(jù)6月3日測得的出苗率來看，各處理出苗率均有所增長，并且增長幅度不一。當(dāng)?shù)晤^流量為1.2 L/h時，除T8出苗率增長不明顯之外(0.99%)，其余處理其出苗率均有大幅增長趨勢。其中，T1出苗率可達(dá)到85.11%，增長了28.6%，其次T4出苗率位居第二，出苗率達(dá)到53.38%，增長了32.77%；當(dāng)?shù)晤^流量為1.6 L/h時，各處理出苗率均有大幅增長，增長幅度介于33.79%～57.38%之間，其出苗率增長幅度相比于滴頭流量為1.2 L/h時較高。根據(jù)出苗率高低位于前三的處理依次為T10、T17、T13，分別為89.14%、87.02%、78.57%，增長了41.27%、57.38%、31.32%。為準(zhǔn)確計算玉米最終產(chǎn)量，收獲后對玉米殘茬進(jìn)行計數(shù)統(tǒng)計，即11月份測得的玉米殘茬數(shù)為最終穩(wěn)定出苗率。由表3測得的11月份數(shù)據(jù)來看，出苗率仍有增長趨勢，說明繼玉米播種18 d后仍有出苗現(xiàn)象。

由以上分析可知，玉米播種后出苗水通過滴灌帶灌入田間的前提下，滴頭流量的不同、毛管埋設(shè)方式的不同可以影響玉米出苗時間、出苗率。灌水后第12 d，滴頭流量大時(1.6 L/h)的處理平均出苗率要高于滴頭流量小(1.2 L/h)的處理，隨著時間各處理出苗率呈現(xiàn)持續(xù)上升狀態(tài)，灌水后第18 d，各處理出苗率基本趨于穩(wěn)定。在同一滴頭流量下，毛管埋設(shè)間距對出苗率大小的影響高于毛管埋深對出苗率的影響。如表中所示，滴頭流量為1.2 L/h的前提下，毛管埋深分別為30、35 cm的水平上，其毛管間距越小出苗率越大，例如灌水后第12 d、第18 d T1出苗率高于T2、T3，T4出苗率高于T5、T6，但當(dāng)毛管埋深為40 cm并未呈現(xiàn)出T7高于T8、T9；同理，滴頭流量為1.6 L/h時，在同一毛管埋深深度水平下，間距較小的處理的出苗率高于間距較大的處理。由此可見，當(dāng)?shù)晤^流量較小時，毛管埋深深度在40 cm的情況下，毛管埋設(shè)間距對于出苗率的影響較小。

2.3 不同毛管埋深對玉米株高及莖粗的影響

玉米的株高和莖粗是表現(xiàn)玉米生長發(fā)育很重要的指標(biāo)之一。適宜的株高及莖粗既可以減少根系對土壤水分的吸收，以免株高和莖粗過分生長造成水分浪費(fèi)，還可以改善株型，達(dá)到高效節(jié)水增產(chǎn)的目的，因此，對玉米株高以及莖粗的研究很有必要。

圖3 不同毛管埋深對玉米株高與莖粗的變化Fig.3 The change of plant height and stem diameter for different embedded depth of capillary

不同毛管埋深對玉米株高與莖粗的變化規(guī)律如圖3所示，從圖3可以看出玉米再全生育期內(nèi)株高與莖粗的變化規(guī)律，各處理從苗期到抽雄期逐漸增大，埋深30 cm處理的株高及莖粗在生育期內(nèi)均大于埋深35 cm，埋深40 cm處理玉米的株高和莖粗顯著低于其他處理，這一現(xiàn)象造成玉米蒸騰速率變慢，株高與莖粗生長緩慢。

圖4 不同毛管埋深對玉米葉面積及單株干物質(zhì)量的變化Fig.4 The change of leaf area and dry matter per quality for different embedded depth of capillary

2.4 不同毛管埋深對玉米葉面積及單株干物質(zhì)量的影響

從圖4可以看出，在成熟期埋深40 cm的干物質(zhì)積累最少，為326.56 g，其他處理間差異不大。從拔節(jié)到抽雄前期，埋深30 cm處理的干物質(zhì)增長最快，在抽雄期至成熟期間埋深30 cm和埋深35 cm處理的干物質(zhì)增長速率較快，超過了在此時段埋深40 cm處理；出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是由于在玉米營養(yǎng)生長期間，埋深40 cm毛管滴頭距離作物根系較遠(yuǎn)，土壤含水率較低，且降雨量較少，隨著拔節(jié)后期的灌水和降雨的到來，埋深30 cm和埋深35 cm的優(yōu)勢發(fā)揮了出來，有效實(shí)現(xiàn)了對灌溉水和降雨的利用和減少蒸發(fā)的效果，故在抽雄前期到成熟期埋深30 cm和埋深35 cm單株干物質(zhì)迅速增加。

葉面積系數(shù)是作物群體結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一，也是衡量作物生長狀況是否合適的標(biāo)志。從圖4可以看出，各處理的葉面積系數(shù)變化規(guī)律大概是一致的，即灌漿期﹥抽雄吐絮期﹥拔節(jié)期﹥苗期。在玉米苗期前，植株矮小，葉片窄小，因此葉面積系數(shù)較??；不同毛管埋深各處理之間的葉面積系數(shù)差異也很大，毛管埋深30 cm更有利于葉面積系數(shù)的增加。

2.5 毛管不同埋設(shè)深度及間距對產(chǎn)量的影響

表4為滴頭流量為1.2 L/h時各處理的產(chǎn)量及水分利用效率變化情況，由表4可以看出毛管埋設(shè)為30 cm、間距為60 cm的T1其產(chǎn)量最高，可達(dá)11 670 kg/hm2，比埋深為30 cm、間距分別為70和80 cm的T2和T3的產(chǎn)量高出32.4%、31.2%，比間距為60 cm、埋深分別為35和40 cm的T4和T7的產(chǎn)量高出27.0%、36.8%；毛管埋設(shè)為35 cm、間距為60 cm的T4其產(chǎn)量位居第二，為8 520 kg/hm2，高于埋深為35 cm、間距分別為70和80 cm的T5和T624.1%、11.1%，高于埋深為40 cm、間距為60 cm的T713.4%；而T7其產(chǎn)量為7 380 kg/hm2，分別高于T8和T925.4%、10.2%。

表4 滴頭流量為1.6 L/h時不同處理玉米產(chǎn)量及和水分利用效率Tab.4 Drops of head when the flow rate of 1.6 L/h with corn yield and water use efficiency for different treatments

注：不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。下表同。

由表4可以看出，毛管埋深為30 cm、間距為60 cm時獲得的產(chǎn)量最高，其次為T4，也就是說，毛管埋設(shè)間距一定的情況下，埋深深度越淺，地下灌水器周圍土壤水分借助毛管力上升的效果更佳，更有利于玉米發(fā)芽、出苗，獲得的產(chǎn)量也高于埋深深度較深的(40 cm)。除此以外，由表4可以看出，當(dāng)毛管埋深深度一定的情況，毛管間距為80 cm時高于70 cm，但低于60 cm的處理，如T3產(chǎn)量高于T2，T6高于T5，T9高于T8。結(jié)合表3各處理出苗率情況考慮，盡管埋設(shè)深度不變，毛管間距為80 cm時的出苗率低于70 cm，但最后其產(chǎn)量表現(xiàn)與之相反。

表5為滴頭流量為1.6 L/h時各處理的產(chǎn)量及水分利用效率。分析表5可知，與滴頭流量為1.2 L/h時的處理相似，毛管埋設(shè)為30 cm、間距為60 cm的T10其產(chǎn)量最高，可達(dá)15 375 kg/hm2，比埋深為30 cm、間距分別為70 cm和80 cm的T11和T12的產(chǎn)量高出57.9%、35.8%，比間距為60 cm、埋深分別為35和40 cm的T13和T16的產(chǎn)量高出8.8%、5.6%；毛管埋設(shè)為35 cm、間距為60 cm的T16其產(chǎn)量位居第二，為14 565 kg/hm2，高于埋深為40 cm、間距分別為70和80 cm的T17和T1849.2%、71.9%，高于埋深為35 cm、間距為60 cm的T133.1%。試驗(yàn)分析表明，同一毛管鋪設(shè)方式下、灌水定額和灌水時間一致的情況下，滴頭流量為1.6 L/h時其產(chǎn)量顯著高于滴頭流量為1.2 L/h的處理，說明滴頭流量越大對于產(chǎn)量的提高有顯著影響。

表5 滴頭流量為1.2 L/h時不同處理玉米產(chǎn)量及和水分利用效率Tab.5 Drops of head when the flow rate of 1.2 L/h with corn yield and water use efficiency for different treatments

3 結(jié) 語

本論文討論了地埋式滴灌條件下不同埋深的玉米田土壤水分垂直和水平分布及其動態(tài)變化，在3種不同埋深的中心位置，即滴頭所在周圍，土壤含水率最高，繼而向周邊4個方向呈逐漸降低的狀態(tài)，土壤水分分布規(guī)律曲線呈拋物線形狀擴(kuò)散。在灌水定額和灌水時間一定的情況下，毛管滴頭埋深越大，在距毛管滴頭一定距離內(nèi)，含水率越大。通過試驗(yàn)得出：滴頭流量為1.2 L/h時，處理T1出苗率明顯高于其他處理，出苗率達(dá)到56.51%，其次為處理T2可達(dá)20.61%，其余處理出苗率都不足10%；玉米干物質(zhì)積累變化表現(xiàn)為在成熟期埋深40 cm的干物質(zhì)積累最少，為326.56 g；對產(chǎn)量的影響結(jié)果為滴頭流量為1.2 L/h時，T1其產(chǎn)量最高，可達(dá)11 670 kg/hm2，比埋深為30 cm、間距分別為70和80 cm的T2和T3的產(chǎn)量高出32.4%、31.2%，比間距為60 cm、埋深分別為35和40 cm的T4和T7的產(chǎn)量高出27.0%、36.8%；滴頭流量為1.6 L/h時，T10其產(chǎn)量最高，可達(dá)15 375 kg/hm2，比埋深為30 cm、間距分別為70和80 cm的T11和T12的產(chǎn)量高出57.9%、35.8%，比間距為60 cm、埋深分別為35和40 cm的T13和T16的產(chǎn)量高出8.8%、5.6%；盡管地下滴灌與地表滴灌相比，具有較高的節(jié)水效率且存在較大的增產(chǎn)潛力，但主要存在著苗期灌水存在困難，需采用其他方式灌溉或進(jìn)行棉苗移栽的障礙，同時還存在作物每年種植的位置的改變，預(yù)先埋好的毛管不能將水分養(yǎng)分直接輸送到根系。同一毛管鋪設(shè)方式下、灌水定額和灌水時間一致的情況下，滴頭流量為1.6 L/h時其產(chǎn)量顯著高于滴頭流量為1.2 L/h的處理。毛管埋深為30 cm、間距為60 cm為適宜地埋式滴灌條件下大田玉米的最優(yōu)組合模式。

[1] 黃興法,李光永.地下滴灌技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002,18(2):176-181.

[2] 程先軍,許 迪,張 昊.地下滴灌技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J]. 節(jié)水灌溉，1999,(8):13-15.

[3] 康紹忠,李永杰.21世紀(jì)我國節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢及其對策[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1997,13(4):1-7.

[4] 張愛莉.最經(jīng)濟(jì)的灌水法-地下滴灌[J].灌溉排水,1995,14(1):50-52.

[5] Saeijs H L F, Berkel M J.Global water crisis:the major issue of the 21st century, a growing and explosive problem[J]. European Water Pollution Control,1995,5(4):26-40.

[6] Phene C J，Beale O W. High-frequency irrigation for water nutrient management in humid region [J]. Soilence Society of America Journal，1976，40(3):430-436.

[7] 范永申,仵 峰，張銀炎，等.地下滴灌條件下棉花土壤水分運(yùn)移田間試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報,2007,26(4):1-4.