涇惠渠灌區(qū)夏玉米非充分灌溉制度分析

蔡曉東，陳新明,2，曹曉華，李 強

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.陜西省涇惠渠管理局，陜西 咸陽 713800)

干旱缺水是我國干旱和半干旱地區(qū)面臨的主要問題，也是影響農業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的主要制約因素。傳統(tǒng)灌水方式依然存在著灌溉水利用率低、浪費嚴重等問題[1],我國北方地區(qū)尤為嚴重，這不僅限制了我國的經濟發(fā)展，而且造成了土地荒漠化、沙塵暴等一系列嚴重環(huán)境問題，危及到了人類生存。目前解決水資源短缺最主要的方法是提高水資源的利用效率，注重節(jié)水農業(yè)的發(fā)展[2]。然而一切先進的農業(yè)節(jié)水技術要達到節(jié)水的目的，都必須充分考慮土壤-作物-水分的關系，實現(xiàn)水-土-作物關系的最優(yōu)協(xié)調。在水資源短缺的今天，利用水分虧缺的雙重性，研究灌區(qū)夏玉米非充分灌溉制度。非充分灌溉可降低作物的耗水量，但從土壤水分有效性考慮，非充分灌溉可以使土壤水分更有效地被利用[3]。水分虧缺對作物不一定是有害的，水分階段性虧缺對夏玉米的生長發(fā)育具有雙重性，某一階段水分虧缺可能會嚴重危害夏玉米生長，而另一階段一定程度的水分虧缺對生長發(fā)育有利，過去幾十年涇惠渠一直研究的是充分灌溉的試驗。面對日益緊缺的水資源和不斷增加的水需求，發(fā)展節(jié)水農業(yè)已經到了非常必要的時期，非充分灌溉作為田間節(jié)水的一項可行性理論，已經被普遍接受。涇惠渠灌區(qū)非充分灌溉試驗對于合理安排供水計劃，節(jié)約用水，提高作物產量和水分利用效率有著重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關中平原中部，是一個以農業(yè)灌溉為主的大型灌區(qū)，現(xiàn)有設施灌溉面積9.69 萬hm2，有效灌溉面積8.79 萬hm2[4]，灌區(qū)面積占全省灌溉面積的2.4%，生產糧食產量占全省的5.8%，是陜西省重要的糧食生產基地之一。陜西省涇惠渠灌溉試驗站，地理坐標為東經108°54′，北緯34°33′，海拔433.72 m，年平均降雨量540 mm，年蒸發(fā)量為1 200 mm，年平均氣溫為13.6 ℃。試驗水源為井水，用水表控制灌水量，灌溉條件較好。試驗于2013-2016年的6-10月在陜西省咸陽市涇陽縣三渠鎮(zhèn)涇惠渠灌溉試驗站大田進行(見表1)。

表1 夏玉米各生育期降雨量 mm

根據(jù)涇惠渠灌區(qū)1953-2016年的降雨資料，結合夏玉米全生育期從6月1號播種到9月30日收獲，繪制了降雨頻率曲線圖，由圖1可以看出，涇惠渠灌區(qū)夏玉米全生育期多年平均降雨量為295.75 mm，其中2013年,夏玉米全生育期內的降雨量為182 mm；2014年,夏玉米全生育期內的降雨量為223.3 mm；2015年,夏玉米全生育期內的降雨量為186.9 mm；2016年,夏玉米全生育期內的降雨量為216.7 mm。所以按照多年降雨頻率曲線，2013的降雨頻率為87.6%，2014年的降雨頻率為72.3%，2015年的降雨頻率為84.6%，2016年的降雨頻率為78.4%，均接近75%枯水年。

圖1 涇惠渠夏玉米全生育期內降雨頻率曲線

1.2 試驗設計

夏玉米非充分灌溉制度田間試驗布設在本站第二耕作區(qū)西邊地塊。根據(jù)玉米的生長規(guī)律，將夏玉米的生育期分為：播種期、出苗期、三葉期、拔節(jié)期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期、開花期、抽絲期、灌漿期、完熟期。試驗將灌水時期分為壓茬期、拔節(jié)期、喇叭口期、抽雄期、灌漿期。各年以不灌水作為對照組，研究在不同生育期水分虧缺情況下夏玉米的生長發(fā)育情況，本試驗水分處理用M表示，總共有8個處理，每個處理重復兩次，由于夏玉米生長期短，各年的氣候差異導致方案略有變化，各年份不同的灌水處理組合與灌溉定額，見表2。

1.3 實驗測定指標及方法

(1)土壤含水率。土壤含水率的測定采用烘干法，用土鉆取土，選取前、中、后3個測點，每個測點測定土壤深度為0～100 cm，土樣間距10 cm進行測定。在灌水期前后3 d和生育期內每7 d測定一次。

(2)玉米生理指標測定。玉米生理指標測定在每個生育期內取3株具有代表性的植株，用游標卡尺、直尺等測定夏玉米成熟后的株高、莖粗等生理指標。夏玉米成熟后，進行穗長、穗粗等產量因素的測定，然后考種計算實收的百粒重與產量。

2 結果與分析

2.1 不同處理對夏玉米株高的影響

夏玉米生長過程中，水起著不可或缺的作用。玉米的生長發(fā)育隨著灌水的不同而不同，株高是冠層結構對水分效應的體現(xiàn)。2013年，M1處理(不灌水)的株高顯著低于其他處理6%，M8處理(壓茬期+灌漿期)的株高顯著低于其他處理8.4%，而M3處理(壓茬期+拔節(jié)期)的株高達到了最大值，拔節(jié)期處理下的株高顯著高于其他處理5%。說明了在夏玉米的壓茬期和拔節(jié)期灌水對于株高的影響很大。2014年，M5(壓茬期+拔節(jié)期)、M6(壓茬期+拔節(jié)期+小喇叭口期)、M7(壓茬期+拔節(jié)期+灌漿期)處理下的株高顯著高于其他處理5.6%，說明拔節(jié)期是夏玉米株高的需水敏感期。2015年，在拔節(jié)期進行灌水的株高顯著高于拔節(jié)期未灌水5.2%，灌漿期的灌水與不灌水對株高的影響無明顯差異，說明灌漿期是夏玉米生育周期的后期，玉米營養(yǎng)也進入了生長階段，株高增長速率趨于穩(wěn)定。2016年，拔節(jié)期都不灌水，而喇叭口期灌水的株高顯著高于其他處理5.5%，說明喇叭口期適當灌水對夏玉米株高有促進作用。

表2 各年份灌溉定額以及各處理組合

2.2 不同處理對夏玉米莖粗的影響

由表3可知，夏玉米的莖粗隨著生育期而增加，在苗期和拔節(jié)期生長最快，灌漿期之前莖粗的生長基本完成。2014年，拔節(jié)期未灌水的處理M1(不灌水)、M2(壓茬期)、M5(壓茬期+灌漿期)的莖粗顯著低于其他處理5.1%，說明在保證苗期灌水的情況下，在拔節(jié)期灌水對莖粗的影響比較大。2015年，M7(壓茬期+抽雄期+灌漿期)處理的莖粗顯著低于其他處理19.3%，說明拔節(jié)期是夏玉米莖粗生長的關鍵需水期。而3次灌水處理(壓茬期+拔節(jié)期+抽雄期)、(壓茬期+抽雄期+灌漿期)的莖粗顯著低于其他處理5.9%，說明灌水次數(shù)對于莖粗的影響比較小，灌水時期則起比較大的作用。2016年，在拔節(jié)期和苗期均不灌水，各處理對于莖粗的影響不顯著。綜上所述，說明拔節(jié)期和苗期的灌水對于夏玉米莖粗的生長起到決定性的作用，而在其他灌水時期灌水對夏玉米莖粗的影響很小。

表3 2013-2016年夏玉米各處理成熟后的株高與莖粗 cm

注：采用DPS軟件的DUNCAN新負極差發(fā)進行多重比較，表中以小寫字母標記5%顯著水平，字母相同表示差異不顯著，字母不同表示差異顯著，下同。

2.3 不同生育期灌水對于夏玉米產量構成因素的影響

不同生育期灌水對夏玉米的產量影響不同。夏玉米產量構成因素包括畝株數(shù)、穗粒重、百粒重。產量構成因素如表4所示，從表4可以看出，2013年，由于夏玉米生長期間氣候干旱，灌水次數(shù)越多產量越高，在M6(壓茬期+拔節(jié)期+抽雄期)、M7(壓茬期+拔節(jié)期+灌漿期)處理都用了3次灌水，其產量分別為11 803.5和9 900 kg/hm2，顯著高于其他處理25.2%，而M1(不灌水)處理的產量最低，M8(壓茬期+灌漿期)處理的產量顯著低于其他處理23.8%，說明夏玉米到了灌漿期，生長發(fā)育已經趨于穩(wěn)定，對產量的影響不大。穗粒重和百粒重受灌水處理的影響比較大，3次灌水的M6(壓茬期+拔節(jié)期+抽雄期)、M7(壓茬期+拔節(jié)期+灌漿期)處理的百粒重顯著高于其他處理6.4%，說明生長期水分充足，夏玉米生長良好。而不同處理的產量M6(壓茬期+拔節(jié)期+抽雄期)>M5(拔節(jié)期+抽雄期)>M4(壓茬期+抽雄期),則說明在夏玉米生育期內對水分敏感程度依次是：抽雄期>大喇叭口期>出苗期。2014年，各處理在苗期、拔節(jié)期、抽雄期均不灌水，各處理對于夏玉米產量因素的影響不顯著。2015年，抽雄期灌水的處理M5(壓茬期+拔節(jié)期+抽雄期)、M7(壓茬期+抽雄期+灌漿期)的產量顯著高于其他處理6.98%，說明抽雄期是夏玉米產量的關鍵需水期。2016年，所有的處理在苗期和拔節(jié)期均不灌水，M1(不灌水)、M2(壓茬期)處理的穗粒重和百粒重顯著低于其他處理35.3%、8.1%，說明在生育期內缺水對穗粒重和百粒重的影響比較大。M1(不灌水)處理的產量顯著低于其他處理42.69%，說明在夏玉米的生育期內灌水對產量有比較大的影響。

表4 2013-2016年產量因素表

2.4 不同處理下夏玉米耗水量與產量、WUE的關系

根據(jù)不同處理下夏玉米產量與耗水量的關系，利用Excel曲線擬合繪制二次曲線圖。由圖2可知，隨著耗水量的增加，產量逐漸增高。由圖2可知，由于農業(yè)需水量受種植結構、土壤、氣候等變化環(huán)境的綜合影響[5]，過多的耗水量使得產量降低，導致水分的浪費。

隨著灌水量增加，夏玉米的耗水量對水分利用效率的影響很大，如圖2(a)所示，2013年，當耗水量達到最大的時候產量達到最大，而水分利用效率卻隨著耗水量的增加而降低，這也與王勇等[6]得出的結論類似。由圖2(b)可知，2014年，灌水兩次處理的水分利用效率顯著低于灌水3次處理7.1%，水分利用效率M6(壓茬期+灌漿期)>M5(壓茬期+拔節(jié)期)>M3(壓茬期)。如圖2(c)所示，2015年，灌水兩次處理的水分利用效率顯著高于3次處理45.7%，M6(壓茬期+抽雄期)>M3(壓茬期+拔節(jié)期)，而3次灌水處理中M4(壓茬期+抽雄期+灌漿期)的水分利用效率僅為2.73 kg/m3，而過多的灌水會降低水分利用效率。如圖2(d)所示，2016年，在拔節(jié)期和苗期均沒有灌水，在兩次灌水處理的水分利用效率顯著高于3次灌水的處理19.6%， M5(壓茬期+抽雄期)>M3(壓茬期+灌漿期)。農田節(jié)水調控的主要目的是通過科學的灌水方式和各種農業(yè)節(jié)水措施的實施, 減少棵間土壤蒸發(fā)的無效耗水[7]。綜合4 a的數(shù)據(jù)，制定合理的灌溉制度，在夏玉米需水期適度灌水是提高水分利用效率的有效途徑。

3 討 論

從4 a的數(shù)據(jù)分析得出，夏玉米在壓茬期和拔節(jié)期的灌水對株高的影響較大,這與Kato Z等[8]的結論相似，拔節(jié)期作為對玉米生長最重要的時期，適當灌水能有效提高夏玉米的株高。夏玉米的莖粗隨著生育期而增加，在苗期和拔節(jié)期生長速率最快，灌漿期之前莖粗的生長基本完成，隨后有減小,這與張俊鵬等[9]的研究結論相似。而從數(shù)據(jù)反應株高和莖粗最高的時候產量不是最大。拔節(jié)期是夏玉米產量的水分敏感期，抽雄期和灌漿期階段適度控制灌水，不會對產量造成影響，這也與Ibarra-Caballero J等[10]和張群[11]等的結論相同。相同灌水次數(shù)，在非水分敏感期適當虧水不會造成減產，反而會提高水分利用效率，不同的灌溉制度對于夏玉米的生長發(fā)育以及增產至關重要，這也與劉一龍等[12]的結論相似 ，從圖2(c)和圖2(d)可以看出，隨著耗水量的增加水分利用效率反而呈現(xiàn)下降的趨勢，究其原因是過多的灌水量使得土壤板結，通氣性不良，影響了作物正常的生長發(fā)育。2016年，拔節(jié)期和苗期干旱導致了耗水量平均僅有297.08 mm，也說明了各生育階段干旱均降低了夏玉米的階段耗水量和日耗水強度，其中重旱處理的降幅最大[13]。在非充分灌溉下夏玉米要高產，就要適期播種，強化田間管理。播種前要求土壤含水率不低于20%，遇干旱澆足播前水。種植緊湊型玉米，使得畝株數(shù)增加、養(yǎng)分制造多、畝穗數(shù)增加、畝粒數(shù)多、貯存養(yǎng)分多。應確保群體整齊度，夏玉米產量是由畝株數(shù)、穗粒重、百粒重三因素決定的，與畝株數(shù)成正相關。夏玉米由低產變高產，限制因素為畝株數(shù)不足，要大力增加種植密度，由高產再高產(見表4)。

圖2 2013-2016年不同灌水處理下夏玉米耗水量與產量、WUE的關系

4 結 語

(1)通過分析不同灌水處理對夏玉米植株生理指標、水分利用效率和產量的影響，確定了75%枯水年(2013-2016年)最優(yōu)灌溉制度是：壓茬期+拔節(jié)期+抽雄期[14,15]，全生育期灌水3次，灌溉定額3 300 m3/hm2；由于受到夏季氣候變化大的影響，一般在保證苗全、苗齊、苗壯的前提下，拔節(jié)期+抽雄期具有相對的優(yōu)勢，也與關中地區(qū)降雨一般在年后期有著比較大的關系。

(2)非充分灌溉下，夏玉米壓茬期和拔節(jié)期灌水對于株高的影響很大；拔節(jié)期和苗期灌水對于夏玉米莖粗的生長起到決定性的作用，而其他灌水時期灌水對夏玉米莖粗的影響很??；拔節(jié)期和抽雄期是夏玉米產量的關鍵需水期；夏玉米生育期的需水敏感期適度灌水是提高水分利用效率的有效途徑。

(3)在生育期前期旱象明顯的枯水年份，增加畝株數(shù)，進而增加穗粒重和百粒重，是夏玉米豐產的基本保障；拔節(jié)期和抽雄期是夏玉米產量的關鍵需水期。在合理的灌溉制度下，隨著灌水量增加，產量逐漸增高，但超過某一特定范圍，隨著水量增加產量反而有所降低，過多水量導致土壤板結，土壤通氣性差，進而影響夏玉米的正常生長，因此合理的非充分灌溉制度有利于取得高產的結果。而對于百粒重，4 a的數(shù)據(jù)顯示灌漿期的水分虧缺會導致百粒重降低，在一定區(qū)間內灌溉水量跟百粒重成正比例關系，灌溉水量越多，百粒重越大。