不同灌水定額對(duì)景電灌區(qū)春玉米光合生理特征及經(jīng)濟(jì)效益的影響

朱 琪

(甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

水資源短缺是制約我國農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的主要因素之一[1]。高效節(jié)水農(nóng)業(yè)快速發(fā)展是有效解決我國農(nóng)業(yè)缺水、水資源浪費(fèi)問題的關(guān)鍵，其中節(jié)水灌溉技術(shù)是解決我國農(nóng)業(yè)水資源短缺問題的主要舉措[2]，主要是根據(jù)作物耗水特性，將有限水資源合理分配，使作物需水與供水匹配，達(dá)到增產(chǎn)提質(zhì)的目的[3- 4]。白銀市景泰縣地處黃土高原與騰格里沙漠過渡地帶，為河西走廊東端門戶，境內(nèi)有被譽(yù)為“亞洲之最”的景泰川電力提灌工程。降水稀少，年降水量約為185mm左右，平均蒸發(fā)量3038mm，日照時(shí)間較長，全年日照可達(dá)2726h左右，光照資源非常豐富，有利于農(nóng)作物生長發(fā)育。景泰縣具備種植灌溉作物得天獨(dú)厚的地理資源優(yōu)勢(shì)，素有“塞上小江南”之稱，是甘肅省枸杞、沙漠蜜瓜、大棗等經(jīng)濟(jì)作物種植面積最大的地區(qū)之一，更是糧食作物玉米的主要產(chǎn)地。玉米畝產(chǎn)收益較高，不僅可以制作成各種食品，同時(shí)也是高產(chǎn)的飼料作物，種植面積得到大規(guī)模推廣。2018年隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，玉米產(chǎn)業(yè)在確保全縣脫貧致富過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用。目前，膜下滴灌技術(shù)已在小麥、馬鈴薯、玉米[5- 7]等大宗作物中大面積推廣，而且在油葵、菘藍(lán)、西紅柿、棉花、釀酒葡萄[8- 12]等經(jīng)濟(jì)作物中得到了成功的應(yīng)用。但有關(guān)以膜下滴灌為灌溉條件，春玉米光合特性、產(chǎn)量及水分利用效率對(duì)最佳灌水定額和灌溉定額的響應(yīng)鮮有報(bào)道。為此，本研究以春玉米“沈單10號(hào)”為研究對(duì)象，對(duì)不同灌水定額和灌溉定額條件下春玉米光合生理特征、產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響開展系統(tǒng)研究，旨在為景電灌區(qū)春玉米高效節(jié)水產(chǎn)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)發(fā)展提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年4月14日—10月8日在甘肅省中部沿黃灌區(qū)的白銀市景泰縣景電灌區(qū)條山農(nóng)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)位于甘肅省中部，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平緩，屬大陸性溫帶干旱氣候，冬春干燥少雨，風(fēng)沙嚴(yán)重，夏季干燥蒸發(fā)大，秋季降水集中，霜凍天氣早，一年四季晝夜溫差大。年平均氣溫為8.25℃，年平均降水量183.1mm，年平均蒸發(fā)量3038mm，景電灌區(qū)作為全省重要的黃河灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，水源充足，具有良好的農(nóng)業(yè)灌溉條件。試驗(yàn)地主要土壤類型為灰鈣土，易于耕作，土壤平均容重為1.54g·cm-3。試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)5.02g·kg-1、全氮0.46g·kg-1、全磷1.48g·kg-1、全鉀13.15g·kg-1、pH值為8.77、全鹽1.31g·kg-1、灌溉水礦化度0.74g·L-1，生育期內(nèi)降雨量為156.3mm，主要集中在6—9月份。

1.2 供試材料

供試春玉米品種為“沈單10號(hào)”，由遼寧省沈陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米所提供。該品種屬新一代雜交種，果粒飽滿，穗長，具有產(chǎn)量高、品質(zhì)佳、生長健壯、高抗大斑病和莖腐病等優(yōu)勢(shì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)于2018年4—10月在景電灌區(qū)條山農(nóng)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，于4月22日播種，10月1日收獲開始統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量。試驗(yàn)地休閑期深耕、冬灌，灌水量為1800m3·hm-2，種植模式為1膜3行(膜寬145cm，行距45cm，株距30cm)，種植密度均為5.04×104株·hm-2。每小區(qū)面積50m2(5.0m×10m)，共15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。播種前施底尿素(N含量≥46%)600kg·hm-2，過磷酸鈣(P2O5含量≥12%)600kg·hm-2，硫酸鉀(K2O含量≥52.0%、S含量≥18.0%)300kg·hm-2。水源是引黃水經(jīng)過30萬m3大型蓄水池首次沉淀，經(jīng)低壓管道從大型蓄水池引至溫室蓄水池，利用微型潛水泵或自吸泵加壓，通過滴灌管將水運(yùn)輸?shù)酱河衩赘俊４河衩咨诠嗨?0次，采用不同的灌水梯度。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，3次重復(fù)，不同處理春玉米灌水方案見表1。每小區(qū)之間用油氈隔斷，深100cm，以防止水分之間側(cè)滲。

1.4 主要測(cè)定指標(biāo)與方法

采用傳統(tǒng)烘干稱重法測(cè)定。在播種前和收獲后以及每個(gè)生育期內(nèi)用土鉆取土，在灌水前、灌水后和降水前后進(jìn)行加測(cè)，取樣深度為0～80cm，0～20cm每10cm為一層，20～80cm每20cm為一層，取樣后裝入鋁盒中稱鮮土重，然后放置在預(yù)熱至110℃烘箱內(nèi)烘干至恒重稱重，計(jì)算土壤含水率。計(jì)算公式如下：

W=(W1—W2)/(W2—W3)×100%

(1)

式中，W—土壤含水量，%；W1—土壤鮮樣和鋁盒的總質(zhì)量，g；W2—烘干土樣和鋁盒的總質(zhì)量，g；W3—空鋁盒的質(zhì)量，g。

1.4.2生理指標(biāo)

每個(gè)處理選3株玉米，使用LI- 6400型光合測(cè)定儀在玉米拔節(jié)期、吐絲期和灌漿期選取晴天8∶00am-18∶00pm測(cè)定葉片光合日動(dòng)態(tài)，每隔2h觀測(cè)1次。測(cè)定參數(shù)包括凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度。

1.4.3產(chǎn)量

待春玉米成熟后，每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收獲測(cè)產(chǎn)計(jì)算，3個(gè)重復(fù)的平均值為各處理的實(shí)際產(chǎn)量。同時(shí)各小區(qū)隨機(jī)取20株進(jìn)行穗粗、穗長、無效穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、單株成穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重等指標(biāo)測(cè)定。

1.4.4水分利用效率

采購人員參考和依據(jù)讀者、專家學(xué)者或是書商提供的圖書薦購單，將書單發(fā)給書商，然后書商根據(jù)訂購單來安排圖書的運(yùn)送工作。這種方式的好處就是方便，節(jié)約人力和經(jīng)費(fèi)，缺點(diǎn)是不能從紙張、印刷質(zhì)量等方面對(duì)書籍有直觀全面的了解。

水分利用效率WUE按如下公式計(jì)算：

(2)

式中，WUE—水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y—作物產(chǎn)量，kg·hm-2，ETa—農(nóng)田耗水量，mm。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用EXCEL 2019對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，用SPSS 16.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水定額對(duì)春玉米光合特性的影響

2.1.1拔節(jié)期

光合作用對(duì)作物產(chǎn)量的形成起關(guān)鍵作用。作物光合作用特性包括凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度。光合速率是指作物單位時(shí)間和面積吸收或者釋放二氧化碳的量，即作物單位時(shí)間內(nèi)制造有機(jī)物的量，由作物自身積累和呼吸所消耗的兩部分構(gòu)成。春玉米拔節(jié)期葉片凈光合速率日動(dòng)態(tài)變化見表2。在玉米拔節(jié)期8∶00am- 18∶00pm時(shí)段內(nèi)，所有處理呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，在8∶00am和12∶00am時(shí)各處理之間峰值差異較明顯。其中灌水量最低的T1處理峰值最低，而T4全天凈光合速率最大，表明T4處理能提升凈光合速率，全天均值達(dá)27.135μmol·m-2·s-1，較對(duì)照CK提高1.830μmol·m-2·s-1。

表1 不同處理春玉米灌水方案 單位：m3·hm-2

表2 不同灌溉定額對(duì)春玉米拔節(jié)期光合特性的影響

注：表中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05),下同。

蒸騰速率是作物單位時(shí)間內(nèi)在單位葉面積上的蒸騰水量，蒸騰速率的大小直接反映作物葉片耗水的快慢程度。不同灌水處理對(duì)春玉米不同生育期蒸騰速率的影響見表2。在8∶00am- 18∶00pm時(shí)段內(nèi)，葉片凈光合速率與蒸騰速率的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)先升高后降低的單峰變化趨勢(shì)，峰值也出現(xiàn)在12∶00am- 16∶00pm時(shí)段內(nèi)，隨后逐漸下降。其中CK蒸騰速率最大，達(dá)6.408mmol·m-2·s-1，其次為T4和T3，分別為6.004、5.574mmol·m-2·s-1，T1蒸騰速率最小，僅為3.327mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道。通過氣孔擴(kuò)散的氣體有O2、CO2和水蒸汽，是體現(xiàn)作物葉片CO2與外界進(jìn)行水汽與交換能力的重要指標(biāo)。不同灌水處理對(duì)春玉米拔節(jié)期全天氣孔導(dǎo)度的影響見表2。氣孔導(dǎo)度從8∶00am到12∶00am為增加階段，此后很快進(jìn)入降低階段，僅在12∶00am短暫出現(xiàn)一個(gè)峰值。灌水T1和T2顯著低于T3、T4和CK(P<0.05)，其中T1和T2的均值僅為0.156和0.195mol·m-2·s-1，顯著低于T3、T4和CK。

2.1.2吐絲期

吐絲期是玉米的重要生長階段之一，該階段生長對(duì)玉米籽粒的形成極其關(guān)鍵。春玉米吐絲期葉片凈光合速率日動(dòng)態(tài)變化見表3。在玉米吐絲期8∶00am- 18∶00pm時(shí)段內(nèi)，各處理均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。其中T1處理降低幅度最顯著，表明土壤水分降低抑制了光合速率，而T4全天凈光合速率最大，表明T4灌水處理能顯著提升凈光合速率，均值達(dá)24.236μmol·m-2.s-1，較對(duì)照CK提高8.045μmol·m-2·s-1，而T1僅僅為7.199μmol·m-2·s-1(P<0.05)。

不同灌水處理對(duì)春玉米吐絲期全天蒸騰速率的影響見表3。在8∶00am- 18∶00pm時(shí)段內(nèi)，葉片凈光合速率與蒸騰速率的變化趨勢(shì)基本一致，總體表現(xiàn)出先升高后降低的單峰變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在12∶00am。隨后各處理蒸騰速率均開始下降，其中CK蒸騰速率最大，達(dá)4.803mmol·m-2·s-1，0其次為T4，為4.386mmol·m-2·s-1，T1蒸騰速率最小，僅為1.484mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

表3 不同灌溉定額對(duì)春玉米吐絲期光合特性的影響

由于吐絲期是籽粒產(chǎn)量發(fā)育的重要生育期，所以該育期內(nèi)較高的氣孔導(dǎo)度有益于降低高溫對(duì)作物灼傷，減小水分損失。不同灌水處理對(duì)春玉米吐絲期全天氣孔導(dǎo)度的影響見表3。高灌水定額T4和CK氣孔導(dǎo)度從8∶00am到10∶00am呈先增加后減小趨勢(shì)，隨后進(jìn)入降低階段，僅在10∶00am出現(xiàn)短暫峰值。而低灌水定額T1和T2處理并沒有顯著變化，且T1和T2處理的均值僅為0.058和0.074mol·m-2·s-1，顯著低于T3、T4和CK(P<0.05)。

2.1.3灌漿期

灌漿期是玉米后期生長關(guān)鍵階段，即通過光合作用產(chǎn)生的淀粉、蛋白質(zhì)和積累的有機(jī)物通過同化作用儲(chǔ)存在籽粒中。該階段生長對(duì)玉米干物質(zhì)積累和籽粒形成最為關(guān)鍵。吐絲期葉片凈光合速率日動(dòng)態(tài)變化見表4。在玉米灌漿期8∶00am- 18∶00pm時(shí)段內(nèi)，所有處理呈現(xiàn)明顯峰值變化，即從8∶00am- 18∶00pm各處理之間均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，且峰值維持較長一段時(shí)間，12∶00am后呈降低趨勢(shì)。其中T1處理降低幅度顯著，而T4處理凈光合速率全天最大，達(dá)15.830μmol·m-2·s-1，而對(duì)照CK為15.183μmol·m-2·s-1，而T1僅為4.680μmol·m-2·s-1(P<0.05)。

不同灌水處理對(duì)春玉米灌漿期全天蒸騰速率的影響見表4。在春玉米8∶00am- 18∶00pm時(shí)段內(nèi)，葉片凈光合速率與蒸騰速率的變化趨勢(shì)差異較大，總體表現(xiàn)出從高到低然后在高的趨勢(shì)。而隨著時(shí)間的推進(jìn)，呈先升高后降低的單峰變化趨勢(shì)，極低值出現(xiàn)在8∶00am，隨后開始上升，10∶00pm又開始下降。其中，CK蒸騰速率最大，達(dá)4.193mmol·m-2·s-1，其次為T4和T3，為3.463和3.257mmol·m-2·s-1，T1蒸騰速率最小，僅為1.344mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

由于灌漿期是籽粒形成的重要生育期，較吐絲期相比，該生育期部分葉片凋落，氣孔導(dǎo)度關(guān)閉，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度值減小。不同灌水處理對(duì)春玉米灌漿期全天氣孔導(dǎo)度的影響見表4。氣孔導(dǎo)度變化幅度從8∶00am到18∶00pm呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)。T1和T2處理降低顯著，均值僅為0.030和0.074mol·m-2·s-1，顯著低于T3、T4和CK(P<0.05)。

2.2 不同灌水定額對(duì)春玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子主要包括：果穗長度、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗、單穗粒數(shù)、穗重和穗軸重。較高灌溉定額CK相比，T1果穗長度、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗、單穗粒數(shù)、穗重和穗軸重分別較CK降低了8.74%、7.68%、2.44%、9.52%、9.93%、13.66%和17.28%；T2果穗長度、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗、單穗粒數(shù)、穗重和穗軸重分別較CK降低了6.00%、2.25%、1.83%、2.75%、4.04%、9.98%和9.96%；T3果穗長度、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗、單穗粒數(shù)、穗重和穗軸重分別較CK降低了5.96%、0.76%、1.44%、0.27%、2.19%、6.98%和6.98%；T4果穗長度、行粒數(shù)、穗重和穗軸重分別降低了1.63%、0.45%、4.70%和1.02%，而穗行數(shù)、穗粗、單穗粒數(shù)分別較CK增加2.66%、0.88%、2.20%；可以發(fā)現(xiàn)除了穗行數(shù)、穗粗、單穗粒數(shù)增加外，其余均降低，降低的灌溉定額顯著地抑制了作物的生長和最終的灌漿，進(jìn)而產(chǎn)量構(gòu)成因子的降低，這說明對(duì)于玉米產(chǎn)量來說，灌水定額降低對(duì)產(chǎn)量影響較為敏感。另外，不同處理之間相比，單穗粒數(shù)、穗重和穗軸重存在顯著差異(P<0.05)，而果穗長度、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗并不在顯著差異(P>0.05)，也間接地反映出單穗粒數(shù)、穗重和穗軸重視決定產(chǎn)量構(gòu)成因子的決定性因素。詳見表5。

表4 不同灌溉定額對(duì)春玉米灌漿期光合特性的影響

表5 不同灌水定額對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

2.3 不同灌水定額對(duì)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

產(chǎn)量和水分利用效率是反映玉米生產(chǎn)最主要的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，隨著T1、T2、T3、T4和CK灌水定額增加，玉米全生育的耗水量也隨之增大，CK耗水最大，與T1、T2、T3、T4相比較，分別增加了42.28%、38.98%、32.20%和24.07%。但水分利用效率差異較大，T1、T2、T3、T4處理均值達(dá)到了3.21kg·m-3，較CK相比，分別增加了53.18%、50.91%、43.18%和37.27%，并且發(fā)現(xiàn)，最低灌溉定額的T1處理水分利用效率最高。但其產(chǎn)量最低，因?yàn)槠淙牡乃肿钌佟Ｍ瑫r(shí)，可以看出，較CK相比較，T1的節(jié)水效率最高，其次是T2、T3、T4。這是產(chǎn)量提高和降低耗水之間面臨和要解決的矛盾。如何尋求他們之間平衡對(duì)灌溉定額的制定非常重要。詳見表6。

表6 不同灌溉定額對(duì)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2.4 不同灌水定額對(duì)春玉米經(jīng)濟(jì)效益的影響

不同灌水定額對(duì)春玉米經(jīng)濟(jì)效益的影響見表7。結(jié)果表明T1、T2、T3、T4和CK之間的投入無顯著差異(P>0.05)。與CK相比，T1、T2、T3籽粒產(chǎn)出和秸稈產(chǎn)出分別降低了11.70%、8.03%、3.25%和6.66%、4.80%、3.31%，導(dǎo)致總產(chǎn)出的降低。此外，盡管T1、T2、T3、T4和CK之間的產(chǎn)投比無顯著差異(P>0.05)，但是凈產(chǎn)值確存在差異，因?yàn)檩^低灌溉定額其節(jié)水效益較為明顯，與CK相比較，T1、T2、T3、T4的凈產(chǎn)值分別提高了1.68%、3.42%、6.24%、9.63%?？梢钥闯觯诖河衩咨a(chǎn)中，較高的灌溉定額可以獲得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)收益。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌溉定額超出一定的范圍后，反而會(huì)導(dǎo)致凈產(chǎn)值的降低，不利于春玉米的生產(chǎn)。因此，探索灌溉定額與經(jīng)濟(jì)效益之間的最優(yōu)耦合關(guān)系對(duì)提升玉米產(chǎn)量和農(nóng)民收入非常重要。

3 結(jié)論

(1)灌水定額減小影響了玉米葉片的正常光合作用，導(dǎo)致葉片光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度下降的同時(shí)還促使了光合速率日變化的峰值提前。從全生育期來看，玉米葉片光合速率和蒸騰速率在拔節(jié)期受到水分的影響最大，在吐絲期灌水定額減少后氣孔導(dǎo)度下降最顯著。

(2)膜下滴灌春玉米產(chǎn)量隨灌水量呈正態(tài)分布，當(dāng)灌水量小于3600m3·hm-2時(shí)，春玉米產(chǎn)量隨灌水量增加而增加，當(dāng)灌水量大于3600m3·hm-2時(shí)，春玉米產(chǎn)量隨灌水量增加而減小，處理T4產(chǎn)量最大，為15020.2kg·hm-2，處理T1產(chǎn)量最小，僅為12750.5kg·hm-2。果穗長度、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粗、單穗粒數(shù)、穗重等產(chǎn)量構(gòu)成因素同樣隨灌水定額增加呈遞增趨勢(shì)，CK較T1、T2和T3增幅分別為2.44%～17.28%、1.83%～9.96%、0.27%～6.98%。

(3)膜下滴灌春玉米水分利用效率隨灌水定額的增加而減小，處理T1水分利用效率最大、節(jié)水效率最高，分別為3.37kg·m-3和42.28%，處理CK水分利用效率最小，僅分別為2.20kg·m-3。

綜合考慮春玉米產(chǎn)量、水分利用效率、經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)，景電灌區(qū)最佳春玉米灌水定額為360m3·hm-2，灌水10次，灌溉定額為3600m3·hm-2。由此可見，適度的灌水定額既能顯著提高春玉米水分生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、高效用水的目的，又能提高春玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)景電灌區(qū)春玉米種植具有重要的意義。本試驗(yàn)只對(duì)春玉米進(jìn)行了相同生育期不同灌水定額分析研究，而不同生育期調(diào)虧灌溉對(duì)春玉米產(chǎn)量、水分利用效率和品質(zhì)的影響是否更具有優(yōu)勢(shì)還有待進(jìn)一步研究。

表7 不同灌溉定額對(duì)春玉米經(jīng)濟(jì)效益的影響