不同灌水定額對膜下滴灌玉米的生長、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

胡建強， 趙經(jīng)華， 馬英杰， 楊 磊， 陳凱麗

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052；2.阿勒泰地區(qū)水利管理處， 新疆 阿勒泰 836500)

1 研究背景

隨著新疆現(xiàn)代化經(jīng)濟的發(fā)展，各行各業(yè)用水量不斷增加，解決水資源短缺的問題迫在眉睫[1]。農(nóng)業(yè)作為新疆用水量最大的國民經(jīng)濟基礎產(chǎn)業(yè)[2]，水資源的缺乏嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，限制了經(jīng)濟的發(fā)展[3-5]。合理的灌溉制度在達到高產(chǎn)的同時，也能夠節(jié)約農(nóng)業(yè)用水[6-7]，是緩解干旱、半干旱地區(qū)用水矛盾的一條切實可行的途徑[8-9]。

適宜的灌溉制度有利于作物的生長發(fā)育，提高經(jīng)濟效益；當灌水定額過高時，會使玉米根系的呼吸作用受限，影響生理發(fā)育；當灌水定額過低時，不能滿足基本生理發(fā)育，造成大幅減產(chǎn)[10-11]。李蔚新等[12]研究表明當灌水定額大于450 m3/hm2，灌水次數(shù)超過3次時，產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素和水分生產(chǎn)效率有下降的趨勢。唐光木等[13]研究表明當灌溉定額大于6 000 m3/hm2時，對膜下滴灌套播玉米的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成無顯著影響，趙楠等[14]的研究表明寧夏引黃灌區(qū)膜下滴灌春玉米的產(chǎn)量與水分利用效率隨著灌水下限的增加呈先增后減的趨勢。大量研究表明，適宜的灌溉制度具有提高水分利用效率和作物產(chǎn)量等優(yōu)點，在其應用上已相對成熟[15-16]。

以往的研究多集中在砂土、壤土和黏土等土壤的灌溉制度研究，但對多礫石砂土的灌溉制度研究鮮有報道。由于阿勒泰灌區(qū)水低地高，土壤質(zhì)地為多礫石砂土，土壤持水能力差；而且水利設施不完善，農(nóng)業(yè)灌溉技術落后，造成滲漏損失嚴重；年均降水量121 mm，年蒸發(fā)量在1 844.4 mm以上，存在地域差異及氣候差異[17]。特殊的地理位置與氣候條件等原因，使玉米生長發(fā)育的環(huán)境與其他地區(qū)存在一定差異，而玉米作為該地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，對其滴灌灌溉制度的研究具有十分重要的實際意義。因此本文對阿勒泰地區(qū)膜下滴灌灌溉條件下玉米的生理指標、產(chǎn)量與水分利用效率進行研究。以期揭示滴灌玉米不同灌水定額條件的適宜度，為阿勒泰地區(qū)玉米高效節(jié)水研究與示范平臺提供可靠依據(jù)。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗地概況

2017年4-10月在阿勒泰渾沃爾海試驗站進行試驗，地理位置為N47°00′56″～47°01′56″、E87°35′56″-87°36′01″、海拔高度550 m。年均太陽輻射總量564.7 kJ/cm2，年均日照時數(shù)2 778 h，年均氣溫4℃，大于等于10℃的積溫為2 882.4℃，年均降水量121 mm，年蒸發(fā)量為1 844.4 mm以上；年平均相對濕度在50%～70%，作物生長期日平均相對濕度低于30%。該站區(qū)0～50 cm深度的土壤質(zhì)地以沙土和沙壤土為主，土壤肥力貧瘠，50 cm以下為砂礫石，土壤滲透系數(shù)為8.78 mm/d，透水性強，帶堿性。土壤有機質(zhì)含量0.213%，全氮0.027%，速效氮19.5 mg/kg，速效磷9.0 mg/kg,速效鉀92.4 mg/kg。土壤干容重1.75～1.79 g/cm3。

2.2 試驗設計

供試玉米為先玉1331號，5月13日播種，10月3日收獲，采用一膜一管二行種植，株距20 cm，行距(40-60-40 cm)，滴灌帶布設在膜中間。滴頭流量3.6 L/h，滴頭間距0.3 m。試驗共設5個處理，每個處理設3個重復。

試驗采用變灌水定額，其灌溉制度如表1所示。為保證試驗合理性，本試驗小區(qū)隨機布置，各小區(qū)之間均設有隔離帶以防止水分交互作用。玉米在全生育期采用滴施方式施加尿素4次：225 kg/hm2(7月5日)；225 kg/hm2(7月12日)；225 kg/hm2(7月19日)；225 kg/hm2(8月9日)。

表1 玉米灌水方案設計 m3/hm2

2.3 測定項目與方法

(1)株高與葉面積指數(shù)：每小區(qū)在玉米生育初期選取5株長勢均勻的玉米，并標記，采用卷尺(0.1 cm)在拔節(jié)期和乳熟期各測量一次株高，喇叭口期與抽雄散粉期各測量3次株高；玉米株高在抽雄散粉期之前為玉米基部至玉米頂端兩片葉子的交匯處的高度，抽雄散粉期至乳熟期為玉米基部至雄穗尖端的高度。測量株高的同時，采用卷尺分別測定5株玉米葉片的長和寬，采用長寬系數(shù)法計算玉米葉面積，經(jīng)驗系數(shù)取0.75[18]，葉面積指數(shù)(LAI)的計算見公式(1)。

LAI=玉米的葉面積/玉米的占地面積

(1)

(2)耗水量：采用TRIME-IPH測定土壤含水率。每小區(qū)設3根測管，布設位置距滴灌帶0、20、40 cm。測定深度為60 cm，每10 cm一測。測定時間分別為：播種前、收獲后、灌前和灌后。如遇降雨、生育階段轉(zhuǎn)變時，需進行加測。通過測定計算玉米生育期內(nèi)各階段的土壤含水量與有效降雨量，計算作物耗水量，耗水量的計算公式為[19]：

(2)

式中：ET1-2為階段耗水量，mm；i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)；γi為第i層土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi1為第i層土壤階段初含水量，θi2為第i層土壤階段末含水量，均以占干土重的百分數(shù)計；M為時段內(nèi)的灌水量，mm；P0為時段內(nèi)降水量，mm；K為時段內(nèi)的地下水補給量，mm；本試驗地的地下水埋深較深，地下水補給量視為0。

(5)水分利用效率：水分利用效率的計算公式[20]為：

WUE=Ya/ETa

(3)

式中：WUE為水分利用效率，kg/( hm2·mm)；Ya為玉米產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為玉米生育期間實際耗水量，mm。

(6)產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成要素：每個試驗小區(qū)隨機選取5株玉米，分析平均穗長、禿尖長、每穗粒數(shù)、百粒重、結(jié)棒高，當籽粒晾曬至含水率14%時稱重換算出單位面積的產(chǎn)量[21]。

(7)氣象數(shù)據(jù)：使用HOBO小型自動氣象站全天候自動觀測氣溫、輻射、降雨等常用氣象數(shù)據(jù)，15 min測定一次。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2010繪制圖標，DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗和相關性分析。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同灌水定額對膜下滴灌玉米株高的影響

圖1為不同灌水定額的玉米株高隨時間變化趨勢。由圖1可知，玉米株高呈S型曲線變化，6月15日之前采用相同灌水定額保證充分蹲苗，促使玉米根系縱向發(fā)展，使植株基部莖節(jié)粗壯，增強抗旱和抗倒伏的能力，避免因莖折影響葉片向果穗輸送光合產(chǎn)物[22]，因此玉米株高基本無差異。6月15日之后株高隨氣溫升高、日照時間增加和灌水定額不同出現(xiàn)差異。7月6日-7月23日差異明顯且生長速率最快，該時段的平均株高比7月6日前高74.97%。說明該時段為玉米株高生長關鍵期，因為該時期在根莖葉旺盛生長的同時雌雄穗快速分化發(fā)育，對水分的需求量最大，應該加強水分管理。7月23日至8月4日增長速率減慢，但低灌水處理仍在以一定的速率生長，說明灌水定額過小將增加根莖葉的生長周期，影響后期玉米籽粒的生長發(fā)育。8月4日之后，株高變化不明顯甚至有下降的趨勢，因為該時期以玉米籽粒的生殖生長為主。李凱等[23]研究表明玉米株高是影響玉米產(chǎn)量的重要性狀。因此適宜的灌溉制度將確保玉米株高達到最優(yōu)狀態(tài)，為后期的高產(chǎn)奠定物質(zhì)基礎。

圖1 不同灌水定額對玉米株高的影響

3.2 不同灌水定額對膜下滴灌玉米葉面積指數(shù)的影響

圖2為不同灌水定額的玉米葉面積指數(shù)隨時間變化趨勢。如圖2所示，玉米葉面積指數(shù)(LAI)呈單峰趨勢變化，6月15日之后因灌水定額不同出現(xiàn)明顯差異，6月15日-7月19日葉面積指數(shù)斜率最大，該時段平均葉面積指數(shù)比6月15日之前高85.11%，說明此階段是玉米葉片增長的關鍵時期，應加強水分管理促進葉面積的生長，保證干物質(zhì)積累為后期高產(chǎn)提供保障。此階段出現(xiàn)分段生長現(xiàn)象，灌水定額大于W3處理與小于W3處理的差幅在13.98%～21.65%之間。說明水分短缺將抑制了玉米葉面積的增長。7月23日之后玉米葉面積指數(shù)有減小現(xiàn)象，因為該時期葉片干物質(zhì)向玉米籽粒轉(zhuǎn)移，導致植株底部葉片干黃衰落且中上部葉片外邊緣干黃，因此葉面積指數(shù)有減小趨勢。8月4日之后下降趨勢最明顯，但W4與W5處理下降趨勢較小，說明當灌水定額大于W4處理時會在一定程度上延緩葉片枯萎，增加干物質(zhì)的積累量。合理的灌溉制度既保證了干物質(zhì)的積累影響最終產(chǎn)量，又節(jié)約灌溉水量。

圖2 不同灌水定額條件下玉米全生育期葉面積指數(shù)變化曲線

3.3 不同灌水處理對玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

為探究產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成要素的相關性，表2用LSD法分析了產(chǎn)量與其構(gòu)成要素的相關程度。分析可知，產(chǎn)量與百粒重相關性不顯著，與禿尖長呈負相關，與其他構(gòu)成要素在0.01水平呈極顯著相關；這與張淑杰等[24]的研究基本一致。因此理想的產(chǎn)

量構(gòu)成因素是最終產(chǎn)量的保障。

產(chǎn)量構(gòu)成因素又受水分的影響，理想的產(chǎn)量構(gòu)成需合理的灌溉制度。表3用LSD法分析了不同灌水定額間各產(chǎn)量構(gòu)成要素的差異性。分析可知，以W3處理為界，除百粒重之外低灌水與高灌水的產(chǎn)量構(gòu)成要素差異顯著。說明灌水定額小于W3處理時，因水分虧缺，將導致玉米穗長較小每穗粒數(shù)減少且禿尖長較長，從而影響最終的產(chǎn)量。但與高灌水處理相比，低灌水處理的水分能滿足較少每穗粒數(shù)的水分需求，因此處理間的百粒重差異不顯著。W4處理的產(chǎn)量構(gòu)成要素最大，W4處理的穗長與W5、W3、W2、W1處理的差幅分別為：2.25%、5.1%、9.21%、14.69%；W4處理下的每穗粒數(shù)與W5、W3、W2、W1處理的差幅分別為：2.04%、6.29%、14.29%、22.11%；W4處理下的百粒重與W5、W3、W2、W1處理的差幅分別為：1.71%、5.61%、6.70%、9.03%。以上分析表明，灌水定額過大對產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響并不明顯，因此適宜的灌溉制度可以達到理想的產(chǎn)量構(gòu)成要素而且可以節(jié)約灌溉用水。

表2 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成要素之間的相關分析

注:*表示顯著性水平達0.05，**表示顯著水平達0.01。

表3 不同灌水定額處理下滴灌玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素指標

注:數(shù)值后不同小寫字母a、b、c表示處理間在0.05水平差異顯著，下表同。

3.4 不同灌水處理對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

表4分析了不同灌水定額間產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的差異性。由表4可知，W4處理產(chǎn)量達到最高，為14 134.04 kg/hm2。W4處理的產(chǎn)量與W1、W2、W3、W5差幅分別為44.89%、32.47%、9.54%、2.18%。經(jīng)LSD法分析表明，產(chǎn)量在W3、W4、W5灌水水平下差異不顯著，它們分別與W1、W2灌水水平差異顯著。說明在玉米生長過程中水分短缺將抑制玉米產(chǎn)量的增長。

經(jīng)LSD法分析表明，耗水量在W4、W5灌水水平下無顯著差異，與其他灌水水平差異顯著。說明灌水定額小于W4處理時，滿足不了玉米的需水量，水分虧缺將制約玉米的產(chǎn)量。當灌水定額為W4處理時，基本上已經(jīng)滿足玉米的需水量，增加灌水定額不僅會造成水資源浪費，而且最終產(chǎn)量出現(xiàn)下降的趨勢。

水分利用效率在W1、W2灌水水平下與其他處理差異顯著，在W4處理利用效率最優(yōu)，為34.00 kg/( hm2·mm)。與W4相比，W3、W5處理的水分利用效率分別下降了3.00%、5.96%。隨著灌水定額的增加，水分利用效率和產(chǎn)量均出現(xiàn)下降的趨勢，說明適宜的灌溉制度在滿足玉米耗水量的同時既可達到高產(chǎn)又可以提高水分利用效率。

表4 不同處理對玉米產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響

4 結(jié) 論

(1)研究表明，在所研究地區(qū)的土壤氣候條件下，玉米生長速率最快的階段出現(xiàn)在喇叭口期至抽雄散粉期，在該時段應加強水分管理。當灌水定額小于525 m3/hm2時，因水分虧缺，將抑制玉米株高、葉面積增長，在一定程度上增加了玉米的營養(yǎng)生長時間，推遲了玉米的受精與籽粒的發(fā)育，從而影響最終的產(chǎn)量。當灌水定額大于525 m3/hm2時，不僅促進玉米的生長而且有利于玉米籽粒的發(fā)育與干物質(zhì)的積累，為后期高產(chǎn)奠定基礎。

(2)經(jīng)LSD法分析表明，盡可能地減小禿尖長，增加果穗的粒數(shù)、長度與高度將達到較理想的產(chǎn)量構(gòu)成，為最終產(chǎn)量提供保障。但水分短缺將導致玉米果穗長度與粒數(shù)減少且禿尖長增加，對百粒重影響不明顯?？赡苁且驗槊克肓?shù)的減少導致每個籽粒的灌漿得到保障，因此處理間百粒重無明顯差異。而且在喇叭口期至乳熟期干旱對產(chǎn)量構(gòu)成影響最嚴重，應在該時期加強水分管理，避免水分虧缺，與黃曉俊等[25]的研究結(jié)果一致。因此適宜的灌溉制度將減小禿尖長，增加果穗的粒數(shù)、長度與高度得到理想的產(chǎn)量構(gòu)成。

(3)灌水定額增加相同的梯度時，與耗水量呈線性變化，但與產(chǎn)量呈單峰曲線變化。這將導致水分利用效率呈單峰曲線變化。因此產(chǎn)量達到峰值時，水分利用效率也將達到峰值。灌水定額525 m3/hm2時，產(chǎn)量達到最大。為了使經(jīng)濟效益最大化，W4處理(即灌水定額525 m3/hm2)是最有利于阿勒泰地區(qū)節(jié)水增產(chǎn)的灌溉制度。該試驗結(jié)果可為阿勒泰地區(qū)膜下滴灌玉米制定最優(yōu)的灌溉制度提供合理的理論依據(jù)。