覆膜和灌水對科爾沁沙地壟溝種植玉米產(chǎn)量和水分利用特征的影響

何釗全，尚雪，張銅會 ，云建英

1. 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；3. 中國科學(xué)院奈曼沙漠化研究站，內(nèi)蒙古 通遼 028300

在干旱和半干旱地區(qū)，作物的年耗水量遠(yuǎn)大于總降水量，約50%的總耗水量產(chǎn)生于土壤表面的蒸發(fā)。農(nóng)田灌溉主要來自地下水，近年來，地下水的過度利用導(dǎo)致區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源匱乏（Chauhan et al.，2008）。玉米作為世界第三重要的谷類糧食作物，整個生長季節(jié)的總需水量為500—800 mm（肖俊夫等，2008）。農(nóng)業(yè)水資源不足會影響玉米生長，降低產(chǎn)量（申麗霞等，2012；Gan et al.，2012）。因此，諸多農(nóng)業(yè)高效節(jié)水增產(chǎn)措施和技術(shù)被頻繁使用和推廣。比如，相比充分灌溉，在玉米關(guān)鍵生育階段，采用雨養(yǎng)、補(bǔ)充灌溉和控制灌溉可以提高產(chǎn)量和水分利用效率（Igbadun et al.，2008；Li et al.，2016）。此外，噴灌、滴灌等灌水技術(shù)的使用越來越頻繁。其中，滴灌能夠降低土壤表面蒸發(fā)和灌溉頻率（White et al.，2004），使得灌溉效率提高 90%（Tiwari et al.，2003）。淺埋滴灌能夠更有效地分配水分（Payero et al.，2006）。同時，地表覆蓋種植模式也能夠提高降水利用率，保護(hù)土壤水分，增加作物產(chǎn)量（Ghosh et al.，2006），覆蓋類型主要有平地覆膜、壟面覆膜、壟溝交替覆膜等（李興等，2010；Gu et al.，2016）。

一直以來，通過不同農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)闡述玉米產(chǎn)量-水分關(guān)系是確定干旱區(qū)作物灌溉制度的必要條件和研究重點(diǎn)（Pandey et al.，2000）。比如，張建軍等（2018）通過研究覆膜時期對隴東旱地春玉米農(nóng)田土壤耗水特征表明，秋季覆膜（休閑期覆膜）較不覆膜顯著降低土壤耗水量47.20—55.70 mm。李建查等（2019）研究得出，相比不覆膜滴灌，膜下充分灌溉和膜下控水灌溉分別節(jié)水26%、44%，灌溉水利用率依次提高0.65、1.43 kg·m-3，均充分說明了覆膜種植模式的顯著節(jié)水效應(yīng)。王曉凌等（2009）發(fā)現(xiàn)，相比行距60 cm的裸地平作玉米，高密度（每條溝種3行玉米）、60 cm壟寬的壟溝覆膜集雨種植的玉米產(chǎn)量和水分利用效率最高，依次達(dá)到 3582.90 kg·hm-2、21.10 kg·hm-2·mm-1，而且耗水量減少了4.61%，充分證實(shí)了壟溝種植模式的低水高產(chǎn)作用。但是，大多數(shù)學(xué)者的研究僅關(guān)注于單一農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)，關(guān)于在壟溝種植條件下的覆膜耦合滴灌及灌水水平等多因素的研究較少。

耗水量為衡量作物水分利用特征的有效指標(biāo)。研究作物耗水量對不同節(jié)水種植模式的響應(yīng)特征具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。農(nóng)田灌溉玉米是內(nèi)蒙古東南部半干旱地區(qū)科爾沁沙地的主要一年生作物，農(nóng)田灌溉嚴(yán)重依賴地下水。在玉米生長季，由于灌溉方式不當(dāng)，土壤蒸發(fā)通常占作物蒸發(fā)總量的 22%—30%（Wang et al.，2015）。過量或不足灌溉對玉米產(chǎn)量和水分利用效率均有顯著的負(fù)面影響。因此，本文通過綜合分析覆膜和灌水對壟溝滴灌種植農(nóng)田灌溉玉米的影響，（1）明確不同壟溝種植模式和灌水水平下農(nóng)田玉米的產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率及凈經(jīng)濟(jì)效益大?。唬?）確定以高產(chǎn)量、高水分利用效率和高經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的最優(yōu)節(jié)水種植模式，以期緩解該地區(qū)地下水資源過度利用狀況，同時為區(qū)域農(nóng)田作物的合理灌溉制度確定和經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)措施提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從2018年的4—9月在中國科學(xué)院奈曼沙漠化研究站進(jìn)行田間試驗(yàn)（42°58′N，120°43′E；見圖 1）。奈曼旗位于科爾沁沙地西南方向，屬于荒漠化地區(qū)，大陸性半干旱季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為沙質(zhì)土壤，年平均降雨量360 mm（玉米生長季約為260 mm），年平均蒸發(fā)約1950 mm，年平均氣溫6.4 ℃，最低氣溫在 1月（-13.5 ℃），最高氣溫在 7月（23.8 ℃）。此外，年均風(fēng)速 3.2—4.1 m·s-1。0—30 cm的土壤深度的土壤有機(jī)碳含量、pH值和電導(dǎo)率分別為 2.48 g·kg-1、7.85、62.73 μS·cm-1。田間持水量 12.77%，凋萎含水量 5.40%，飽和導(dǎo)水率 0.93 mm·min-1。試驗(yàn)地基礎(chǔ)肥力狀況如表 1所示，數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院奈曼沙漠化研究站農(nóng)田氣象觀測站。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置示意圖Fig. 1 The schematic diagram of the experimental site

試驗(yàn)設(shè)計(jì)11個處理，每個處理重復(fù)4次，共44個小區(qū)。試驗(yàn)樣地按照裂區(qū)設(shè)計(jì)區(qū)組排列。每小區(qū)長12 m，寬3 m，總面積為36 m2。具體處理設(shè)計(jì)如下，（1）壟溝全覆膜雨養(yǎng)（QF）：小區(qū)的壟和溝均進(jìn)行覆膜，同時在玉米播種后供水（38 mm，不含降雨量），以保證正常出苗，其他生育階段不進(jìn)行灌水；（2）膜下滴灌（SMD、MMD和LMD）：在小區(qū)的壟面上連續(xù)覆蓋薄膜，壟面薄膜下鋪設(shè)滴灌帶，同時在玉米的整個生育期分別灌水（灌溉+降水）650、500、400 mm；（3）淺埋滴灌（SDD、MDD、LDD）：小區(qū)的壟和溝均不進(jìn)行覆膜，壟面鋪設(shè)滴灌帶，滴灌帶上覆土5 cm，同時在玉米的整個生育期分別灌水 650、500、400 mm；（4）傳統(tǒng)平作漫灌（SGG、MGG、LGG）：在常規(guī)平地上種植玉米，不起壟，不覆膜，同時在玉米的整個生育期分別灌水 650、500、400 mm。對照為當(dāng)?shù)氐钠阶髀啵∟M），同時在玉米全生育期內(nèi)充分灌水（實(shí)際灌水量顯著超過玉米需水量）。實(shí)測得，當(dāng)?shù)仄阶鞒浞致喾N植玉米的灌水量（不含降雨量）為：4月29日157.5 mm，6月30日105 mm，7月13日116 mm，7月23日84 mm，8月17日105 mm，9月3日121 mm，合計(jì)687 mm。

壟溝全覆膜雨養(yǎng)處理（圖2），壟寬50 cm，壟高35 cm，溝寬30 cm，每個小區(qū)布設(shè)3個壟，4個溝，壟溝比為50∶30（壟寬50 cm，溝寬30 cm）。在種植前一周，用土壤堆積起壟，犁溝作為種植區(qū)域。覆蓋材料為透明黑色聚乙烯薄膜條狀，寬1 m，厚0.008 mm，緊靠著壟和溝槽表面連續(xù)鋪設(shè)，保證連續(xù)兩層塑料膜邊緣重疊20 cm。玉米采用播種機(jī)播種。所有小區(qū)相距100 cm。膜下滴灌和淺埋滴灌，壟寬80 cm，壟高35 cm，溝寬40 cm，每個小區(qū)布設(shè)2個壟和3個溝，壟溝比為80∶40。壟面為種植區(qū)域。每個壟面上種植兩行玉米，植株間距為22 cm。其中，膜下滴灌處理，將寬1 m、厚0.008 mm的塑料膜條緊緊貼在壟面，黑色聚乙烯滴灌帶埋于地膜下。淺埋滴灌處理，壟面不覆膜，黑色聚乙烯滴灌帶埋于壟面土層下5 cm處。滴灌帶鋪設(shè)在壟面的寬度方向的中間，滴灌管道上的滴水孔的間距為0.15 m，出水率為1 L·h-1。滴頭采用壓力補(bǔ)償，調(diào)節(jié)流量，在變壓力、變坡度等條件下提供恒定流量，實(shí)現(xiàn)均勻用水。試驗(yàn)采用流量計(jì)連續(xù)測定灌溉量，供水壓力為0.20 MPa。傳統(tǒng)平作漫灌處理不采用節(jié)水灌溉技術(shù)，株距22 cm，行距60 cm。試驗(yàn)田由西向東的坡度為0.50%。供試品種為京科958號（籽粒玉米）。播種前一周左右進(jìn)行試驗(yàn)田耕作，4月26日，在5 cm的土層深度進(jìn)行種植。為了減少處理間的水分流動，小區(qū)之間設(shè)定了1 m的間距，試驗(yàn)田周邊設(shè)置4 m寬的緩沖區(qū)域，避免邊緣效應(yīng)。所有處理的播種密度均為60000 plant·hm-2。5月7日開始出苗，9月11日收獲。玉米生育期為從出苗到收獲的時期。2018年收獲后，人工回收試驗(yàn)田的殘留地膜，防止污染環(huán)境。

表1 試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分、微量礦質(zhì)元素全量及重金屬元素狀況Table 1 The soil nutrients, trace mineral elements and the heavy metal elements in the experimental site

試驗(yàn)中，玉米的生育階段劃分為播種期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期。根據(jù)玉米各生育期需水量的大小，出苗-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期、抽穗-灌漿期、灌漿-成熟期的灌水量依次為全生育期總灌水量的15%、35%、22%、28%（肖俊夫等，2008）。灌溉次數(shù)、每一次灌溉量以及灌溉間隔時間設(shè)定均是在達(dá)到預(yù)先設(shè)定的玉米每個生育階段的供水量（灌溉+降雨）的原則下，根據(jù)降雨時間和降雨量大小進(jìn)行雨后灌溉。灌溉在無風(fēng)或者小風(fēng)（＜1.5 m·s-1）的情況下進(jìn)行。降水量用標(biāo)準(zhǔn)雨量計(jì)測量。具體的實(shí)際灌溉制度見表2。

玉米種植前，測定試驗(yàn)樣地土壤養(yǎng)分含量得到，土層 0—100 cm 內(nèi) N∶P∶K 為 3∶4∶11（表 1）。玉米整個生育期內(nèi)對大量營養(yǎng)元素的需求比例（N∶P∶K）為 1∶0.48∶0.80，種植前試驗(yàn)樣地不同土壤營養(yǎng)元素比例不均衡，不能滿足玉米的肥料需求。因此，以當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥為依據(jù)，將375 kg·hm-2劑量的（每小區(qū)1.35 kg）磷酸二銨（N-P2O5-K2O，18-46-0）基底肥料均勻地分散在表層土，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分平衡供應(yīng)，滿足作物的需求；為了避免肥料在土壤表面的損失，在肥料表面覆蓋土層，也能確保玉米的充分吸收。整個生育期內(nèi)不進(jìn)行農(nóng)藥、殺蟲劑等的使用，防止影響試驗(yàn)結(jié)果。

1.2 主要指標(biāo)測定

1.2.1 產(chǎn)量組分及產(chǎn)量

玉米收獲后，測定每個小區(qū)產(chǎn)量。在灌漿期和成熟期，分別進(jìn)行產(chǎn)量組分的測定，測產(chǎn)指標(biāo)：穗長（cm）、穗粗（mm）、穗粒數(shù)等指標(biāo)。

穗長：用直尺（1 mm）測量。

穗粗：用數(shù)顯游標(biāo)卡尺（0.01 mm）測定。

1.2.2 耗水特性指標(biāo)

試驗(yàn)區(qū)設(shè)有農(nóng)田氣象觀測站，在作物生育期內(nèi)對氣溫、降雨量、風(fēng)速、相對濕度、氣壓及風(fēng)向等氣象要素進(jìn)行了觀測。

圖2 試驗(yàn)樣地剖面圖Fig. 2 Profile of the experiment site

（1）實(shí)際耗水量采用農(nóng)田水量平衡方程（龔元石等，1996）：

式中，ETc為作物耗水量或者作物蒸散量；P為作物生育期場內(nèi)降雨量；I為灌溉量；G為作物生育階段地下水的補(bǔ)給量；D為深層滲漏量；R為灌溉和降雨的地面徑流損失量；ΔW 為作物收獲時與播種時土壤儲水量之差，單位均為mm?？紤]到地下水位較深，以及土壤水分變化顯示沒有滲漏量，因此，G=0且D=0；試驗(yàn)中未觀測到灌溉和降雨的地面徑流損失量，因此R忽略不計(jì)。

（2）土壤貯水變化量（鄧振鏞等，2010）：各生育期土壤貯水變化量根據(jù)各試驗(yàn)處理的土壤含水率值計(jì)算，公式為：

表2 玉米整個生育期的實(shí)際灌溉制度（4—9月）Table 2 The actual irrigation regimes across the entire growing season (April-September 2017) mm

式中，θi為相應(yīng)時段初始土壤含水率，%；θj為相應(yīng)時段末土壤含水率，%；γ為土壤容，cm3·g-1；h為計(jì)劃濕潤層深度，mm。

（3）參考作物蒸散量（樊軍等，2008），計(jì)算公式為：

式中，ET0為參考作物蒸散發(fā)量，mm·d-1；n為第i旬的天數(shù)，d；△為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；Rn為太陽凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為干濕常數(shù)，kPa/℃；t為 2 m高度處氣溫，℃；U2為2 m高度處風(fēng)速，m·s-1；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

（4）水分利用率指作物消耗單位水量的產(chǎn)出，其值等于作物產(chǎn)量與作物凈耗水量之比值。作物水分生產(chǎn)率采用下式計(jì)算：

式中，Y為玉米產(chǎn)量，kg；ET為全生育期實(shí)際耗水量，mm。

式中，NP為凈經(jīng)濟(jì)效益，yuan·hm-2；TR為總收入，yuan·hm-2；TC 為總投入，yuan·hm-2?？偸杖?收獲經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量×當(dāng)?shù)仄骄鶅r(jià)格。當(dāng)?shù)仄骄鶅r(jià)格按收獲當(dāng)日市場價(jià)格1.70 yuan·kg-1計(jì)；總成本包括試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)資金投入。

1.3 數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)方法

不同節(jié)水種植模式對玉米的影響中，所有的圖采用Origin 8.0繪制。所有的表格采用Excel 2010進(jìn)行繪制。利用彭曼公式計(jì)算玉米的參考作物蒸散量。采用多因素方差分析影響玉米產(chǎn)量和水分利用率的主要因素。采用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析以及回歸分析，顯著性檢驗(yàn)采用LSD法。利用定額對比方法對比不同節(jié)水種植模式的投入產(chǎn)出。投入產(chǎn)出的數(shù)據(jù)包括水費(fèi)、人工費(fèi)和固定收入等，并且采用SPSS 20.0進(jìn)行凈收入在不同處理間的方差分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 玉米耗水量

整個生育期內(nèi)，玉米的 ET0為 501 mm，降雨量為261 mm（圖3）。在玉米全生育期內(nèi)，ET0的平均值為3.61 mm·d-1，隨著月份的遞進(jìn)呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征。4月較小，后逐漸增大，在7月達(dá)到較高值，8月后，隨著太陽輻射強(qiáng)度的減弱和氣溫的降低，ET0平均值減小為 2.74 mm·d-1。7—8月，受降雨的影響，出現(xiàn)較多的低值。由圖4可知，整體來看，各個種植模式的玉米的ETc、kc以及I均隨著灌水量的增加而增加。QF處理的玉米的總 ETc和 kc最小，分別為 290 mm、0.58，并且和其他種植模式之間差異顯著（P＜0.05）。相反，最大的總 ETc和 kc均出現(xiàn)在NM處理中，這可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐墓嗨N植模式在玉米的全生育期內(nèi)能夠提供充分，甚至過多的土壤水分。同時，玉米的I達(dá)到了6.83 mm·d-1，極顯著高于本試驗(yàn)中的幾種種植模式（P＜0.01）。該結(jié)果（NM 處理的總 ETc）顯著高于Istanbulluoglu et al.（2002）的研究結(jié)果，他認(rèn)為玉米在充分灌溉下的 ETc為 586 mm。這表明壟溝種植模式對于限制作物水分蒸發(fā)有著顯著的作用。但是，Dagdelen et al.（2009）研究發(fā)現(xiàn)，灌溉玉米的 ETc為 174 mm，顯著低于該研究中的 QF的玉米的 ETc，該試驗(yàn)結(jié)果的差異很可能與地域差異、玉米品種及灌水種植模式等因素有關(guān)。另外，MD和DD的玉米的ETc的變化范圍為407—580 mm，和Oktem et al.（2003）的滴灌種植玉米的ETc相比，降低率的范圍為46.17%—49.32%，充分證實(shí)了壟溝種植模式和淺埋滴灌具有很好的蓄水能力。整體來看，不同種植模式下玉米的ETc的變化范圍為290—614 mm。

圖3 玉米全生育期內(nèi)降雨量（Pr）分布和參考作物蒸散量（ET0）變化Fig. 3 Variations of precipitation (Pr）and daily reference crop evapotranspiration (ET0）during the entire growing season of maize

圖4 不同處理的玉米在整個生育期的耗水特性Fig. 4 Changes of water consumption characteristics of maize among different treatments during the entire growing season

2.2 玉米水分利用效率

作物水分利用效率一般確定為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與季節(jié)性作物蒸散量之比。QF的玉米獲得了最大WUE，為 6.33 kg·m-3，極顯著高于 Ko et al.（2009）和該試驗(yàn)中其他節(jié)水種植模式的研究結(jié)果。其中 Ko et al.（2009）研究得出，當(dāng)玉米在456 mm的灌水水平時，能夠獲得的 WUE的范圍為 1.60—2.00 kg·m-3。因此，可以說明，QF處理能夠在維持甚至增加玉米產(chǎn)量的同時最大程度地提高 WUE。其次為400 mm灌水水平下的DD處理，該種植模式下，WUE為4.72 kg·m-3，相比DD處理在360 mm灌水水平下的WUE，增大了33.33%。總而言之，在QF、MD、DD、GG以及NM處理中，玉米的WUE在不同灌水水平下的大小次序?yàn)?300 mm＞400 mm＞500 mm＞650 mm＞948 mm，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果不太一致。他們研究認(rèn)為，玉米的 WUE隨著灌水水量的減少而降低，而且不同的灌水水平的WUE間沒有顯著的差異（Gheysari et al.，2015），這可能與玉米的種植模式以及不同地域的氣象因素間的差異有關(guān)。綜上所述，本結(jié)果表明，在壟溝全覆膜雨養(yǎng)、膜下滴灌、淺埋滴灌、傳統(tǒng)平作漫灌以及當(dāng)?shù)氐钠阶鞒浞致喾N植模式下，ETc、WUE的變化范圍依次為 292—632 mm、2.89—6.33 kg·m-3。Koksal et al.（1998）研究也發(fā)現(xiàn)當(dāng)玉米的ETc范圍為631—723 mm，WUE的變化范圍為1.38—1.80 kg·m-3，這充分說明了在本研究節(jié)水種植模式下，WUE顯著被提高（圖5）。

2.3 灌水量和產(chǎn)量組分的關(guān)系

由圖6可知，Ai和產(chǎn)量組分之間的關(guān)系為二次曲線。Moosavi（2012）研究發(fā)現(xiàn)，在灌水范圍 0—400 mm內(nèi)，Ai的減少會導(dǎo)致玉米的穗粗和穗長的減小。本研究中，玉米的穗長、穗粗、穗粒數(shù)和產(chǎn)量的最大值均出現(xiàn)在300—400 mm灌水范圍內(nèi)，當(dāng)Ai高于400 mm，產(chǎn)量組分就會隨著Ai的增大而變小，這和表3的結(jié)果相一致，表明ETc和產(chǎn)量組分之間的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值。因此，過多的Ai并不能增加玉米的產(chǎn)量，并且玉米的產(chǎn)量組分，即，穗長、穗粗、穗重、穗粒數(shù)等指標(biāo)在0—100 mm灌水范圍內(nèi)的大小明顯高于其在600—700 mm的灌水范圍。玉米的產(chǎn)量會隨著穗粒數(shù)的增多而極顯著增大。同時發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量和Ai之間存在著非線性的關(guān)系，這和Cetin et al.（2002）、Farré et al.（2009）的研究結(jié)果一致。當(dāng)然，也有研究表明，產(chǎn)量和Ai之間存在著極為緊密的線性關(guān)系（Irmak et al.，2000；Payero et al.，2006），導(dǎo)致這種結(jié)果差異性的原因可能是產(chǎn)量和灌水之間的關(guān)系會隨著季節(jié)和地域的變化而變化。

2.4 灌水量和耗水量、水分利用率的關(guān)系

圖5 不同處理的水分利用率（WUE）Fig. 5 Water use efficiency (WUE) of the different treatments

由表4可知，灌水水平顯著地影響ETc、kc和I。ETc、kc以及 I和 Ai之間呈現(xiàn)極顯著的線性關(guān)系（R2≥0.95）。同時，kc、I也和 Ai呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系，R2≥0.98。因此，ETc、kc以及 I的增加值和 Ai的增量有著極其緊密的關(guān)系。ETc、kc以及I在不同灌水水平下的大小次序?yàn)?948 mm＞650 mm＞500 mm＞400 mm＞300 mm。其中，在300 mm灌水水平下，ETc和kc依次為292 mm、0.58，極顯著低于在其他灌水水平下的（P＜0.01）。Kiziloglu et al.（2009）研究表明，kc在玉米的全生育期內(nèi)的變化范圍為1.01—1.10，和本結(jié)果相近，即在360 mm的灌水水平下，kc的變化范圍為1.15—1.22。這充分說明，在360 mm的灌水水平以上，灌水越多，kc越大（圖7）。

圖6 灌水量（Ai）與產(chǎn)量組分及產(chǎn)量之間的關(guān)系Fig. 6 Relationships between irrigation (Ai) and yield factors, yield

表3 玉米的耗水特性、產(chǎn)量組分以及水分利用率之間的相關(guān)性Table 3 Correlations among water consumption characteristics, yield factors and WUE of maize

表4 節(jié)水種植模式和灌水水平對玉米耗水特性的影響Table 4 Effects of water-saving planting pattern and irrigation level on the water consumption characteristics of maize

分析表5可知，灌水水平顯著影響WUE的大小，并且和Ai存在著緊密的線性關(guān)系。分析圖8可知，WUE隨著灌水水平的提高而降低，同時從表1可知，ETc和WUE之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，WUE在不同灌水水平下的大小次序?yàn)?300 mm＞400 mm＞500 mm＞650 mm＞948 mm。

2.6 投入產(chǎn)出分析

圖7 灌水量（Ai）、耗水量（ETc）與作物系數(shù)（kc）和耗水強(qiáng)度（I）的關(guān)系Fig. 7 Relationships between irrigation (Ai), water consumption (ETc ) and crop coefficient (kc), water consumption intensity (I)

表5 壟溝種植模式和灌水水平對玉米產(chǎn)量、水分利用率的影響Table 5 Effects of furrow planting pattern and irrigation level on the yield and WUE of maize

圖8 灌水量（Ai）與水分利用率（WUE）的關(guān)系Fig. 8 Relationships between irrigation (Ai) and water use efficiency (WUE)

MD處理在400—650 mm灌水范圍下，平均總投入為11020.04 yuan·hm-2，為所有節(jié)水種植模式中投入最多的（表6）。其中，相比NM，投入增多了 3.21%，差別不明顯。從凈收入的角度看，QF處理的玉米的凈收入能夠達(dá)到 20874.69 yuan·hm-2，投入產(chǎn)出比為2.01，該覆蓋模式的凈收入相比 NM，增大了4.89%。而薛晶等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗在壟溝全覆膜種植模式下，相比無覆蓋，能夠增加的凈經(jīng)濟(jì)效益僅為 7290.00 yuan·hm-2，明顯低于QF處理。DD的平均凈收入為23207.69 yuan·hm-2，顯著高于其他節(jié)水種植模式，投入產(chǎn)出比為1.94。同時發(fā)現(xiàn)，GG的凈收入僅為18930.01 yuan·hm-2，顯著低于其他壟溝種植模式。這說明在各個節(jié)水種植模式下，DD的玉米的凈收入最大，其次為QF和MD，而GG的凈收入最低。解文艷等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋、地膜覆蓋的玉米的凈經(jīng)濟(jì)效益分別為 12156.10、11965.90 yuan·hm-2，傳統(tǒng)平作無覆蓋的玉米的凈經(jīng)濟(jì)效益為11453.00 yuan·hm-2，均不及本研究中不同種植模式下的凈經(jīng)濟(jì)效益大小。王桂榮（2017）通過對玉米采用微灌水肥一體化技術(shù)種植模式后，經(jīng)濟(jì)效益可以達(dá)到 8412.18 yuan·hm-2。郭富強(qiáng)等（2017）研究表明，膜下滴灌能夠增加收入 3825 yuan·hm-2，投入產(chǎn)出比為0.56，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本研究中的不同節(jié)水種植模式的，這可能與玉米種植密度、品種以及灌水量大小有關(guān)。

此外，值得注意的是，在玉米成熟采收之后，為了防止玉米秸稈焚燒引發(fā)環(huán)境污染等問題，在當(dāng)年秋季進(jìn)行秸稈翻耕還田，作為返田有機(jī)肥使用。秸稈翻耕還田能夠增加作物生長期間土壤含水量，增加土壤微生物（主要有細(xì)菌、真菌、放線菌等）數(shù)量，提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，改善沙地土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量（Sadaf et al.，2017；陸寧海等，2018；Wang et al.，2020）。秸稈還田的持續(xù)時間越長，對土壤理化性狀的改善作用越明顯（宋大利等，2018）。另外，秸稈還田能夠促進(jìn)土壤腐殖物質(zhì)的形成，有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，提高各粒級團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳含量，固碳效應(yīng)顯著（李艷等，2019），具有重要的生態(tài)價(jià)值，是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和農(nóng)田減肥增效的有效措施。另外，本文僅采用投入產(chǎn)出法計(jì)算了玉米在不同節(jié)水種植模式下的產(chǎn)量凈經(jīng)濟(jì)效益，在以后的進(jìn)一步研究中需要核算關(guān)于玉米秸稈循環(huán)利用方式和價(jià)值方面的經(jīng)濟(jì)效益，以期為區(qū)域生態(tài)節(jié)水農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供全面的理論依據(jù)。

表6 不同壟溝種植模式的玉米的投入產(chǎn)出分析Table 6 Cost and profit of maize under the different ridge-furrow planting patterns

3 結(jié)論

通過田間試驗(yàn)探究覆膜和灌水對科爾沁沙地壟溝種植玉米產(chǎn)量-水分關(guān)系的影響規(guī)律，確定有利于提高沙地玉米產(chǎn)量和水分利用效率的高效節(jié)水種植模式。初步得到如下結(jié)論：

（1）相比NM處理，壟溝種植模式提高了玉米的產(chǎn)量，減少了ETc，提高了WUE。Ai和產(chǎn)量之間呈現(xiàn)二次曲線式的關(guān)系。灌水水平顯著影響 WUE的大小，并且和ETc呈線性正相關(guān)的關(guān)系。

（2）和NM處理相比，QF處理的Ai節(jié)省約650 mm，產(chǎn)量增加2.24%。同時，QF處理的玉米的ETc和 kc極顯著低于其他種植模式，WUE（6.30 kg·m-3）顯著高于其他節(jié)水種植模式和 NM 處理（1.91 kg·m-3）。

（3）DD處理的玉米的 NP最大，能夠達(dá)到23207.69 yuan·hm-2，投入產(chǎn)出比達(dá)到最大值（2.14）。其次為QF處理，玉米的NP和投入產(chǎn)出比依次達(dá)到20874.69 yuan·hm-2、2.01。GG處理的玉米的NP較低。

綜上所述，壟溝全覆膜雨養(yǎng)種植模式最顯著減少了耗水量，同時提高了玉米產(chǎn)量和凈經(jīng)濟(jì)效益，可以在科爾沁沙地適當(dāng)推廣，為緩解地下水過度利用、農(nóng)業(yè)灌溉制度和種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃管理提供理論依據(jù)，同時，發(fā)展當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)和提高農(nóng)牧民收入，實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。