膜下滴灌條件下土壤水勢對糯玉米生長及灌溉水利用效率的影響

董娟，邢立文，崔寧博

(1.山西省生物研究所，山西 太原 030000； 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030000)

滴灌是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉中最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一，但是,如何依據(jù)膜下滴灌技術(shù)、作物耗水特性來有針對性地制定灌溉方案仍是進(jìn)一步推廣該技術(shù)的難題。土壤水勢指土壤水的總勢能，可以衡量土壤對水的吸附力。土壤水勢可以代表作物根系的吸水能力，顯著地影響作物的生長。土壤水勢同時包含了土壤水勢和土壤溶質(zhì)勢的作用，只要測定土壤水勢一個值即可較為準(zhǔn)確地表示土壤對作物的可供水量，因而土壤水勢在作物生長、徑流、農(nóng)田蒸發(fā)和灌溉計劃的制定等方面是非常重要的參數(shù)。利用土壤水勢制定作物灌溉計劃得到各國學(xué)者的重視而并廣泛研究[1-6]。有關(guān)研究表明，滴頭下方20 cm深土壤中埋設(shè)真空負(fù)壓計可以通過有效監(jiān)測土壤水勢來判斷土壤水分有效供給情況(只要土壤水勢低于預(yù)定的閾值就進(jìn)行灌水)，用以簡便地制定科學(xué)合理的作物灌水制度。這在國內(nèi)多個地區(qū)的多種作物上得到了廣泛應(yīng)用，取得了很好的效果[7-11]。但是，基于土壤水勢的糯玉米的膜下滴灌技術(shù)在鹽堿地地區(qū)的研究較少，這在一定程度上影響了該技術(shù)在山西省鹽堿地地區(qū)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

中國糯玉米的種植面積現(xiàn)已發(fā)展至33.3萬hm2。糯玉米胚乳中所含淀粉100%是支鏈淀粉,故具有較高的黏滯性、適口性、膨脹率和消化率，國內(nèi)外廣泛用于食品加工和畜牧飼養(yǎng)及黏著劑工業(yè)等領(lǐng)域[12]。本試驗以土壤水勢作為膜下滴灌的控制指標(biāo)，研究灌水對甜糯玉米生長發(fā)育、鮮食產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響，以期為干旱地區(qū)廣泛利用膜下滴灌技術(shù)和開發(fā)改良鹽堿地提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大同市現(xiàn)有鹽堿地57 033 hm2，鹽堿化是全市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素之一，同時也是全市農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的巨大潛力[13]。本研究供試溫室位于山西省大同市黨留莊鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為位于東經(jīng)113°30′，北緯39°56′。該處土層厚度約200 m，土壤類型主要為沙質(zhì)黏土，土壤干容重為1.52 g·cm-3，田間體積持水量為37.92%。

1.2 試驗方法

膜下滴灌田間試驗種植作物為山西省農(nóng)業(yè)科院高粱研究所培育的“甜糯182號”，生育期約80 d。本試驗自2017-06-05至2017-08-25。通過真空負(fù)壓計實(shí)時監(jiān)測土壤水勢。本試驗設(shè)置5個土壤水勢處理，各處理控制滴頭下20 cm深處的土壤水勢下限分別為-25，-20，-15，-10，-5 kPa，灌水土壤水勢上限統(tǒng)一設(shè)置為0 kPa，即達(dá)到土壤水完全飽和狀態(tài)(田間持水率)。以上各處理設(shè)置3個重復(fù)，共計15個小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×15 m，田塊之間埋設(shè)100 cm深的亞克力塑料板進(jìn)行隔離，以防止各田塊之間水肥滲漏[14]。糯玉米采用寬窄行相間種植，窄行距30 cm、寬行距70 cm，在窄行布置滴灌帶。糯玉米株距30 cm，滴灌帶間距100 cm，滴頭間距30 cm。播種前施入基肥(尿素163 kg·hm-2、磷酸二胺420 kg·hm-2、硫酸鉀90 kg·hm-2)，并覆蓋地膜，地膜厚度8 μm。播種深度5 cm，播種密度為66 667株·hm-1。為淋洗鹽堿地中過多鹽分及提供足夠底墑，各處理于播種首日統(tǒng)一灌水45 mm。糯玉米生育期內(nèi)利用真空負(fù)壓計控制灌溉。糯玉米六葉期后隨水追施尿素[15]。

1.3 測定項目和方法

采用棋盤式取樣法，即各試驗小區(qū)均勻地分成許多區(qū)域，形成棋盤方格，然后將調(diào)查取樣點(diǎn)均勻分配在試驗小區(qū)的一定區(qū)域上，間距設(shè)定為90 cm。

1)各處理在滴頭下20 cm深度處安裝真空負(fù)壓計，每日8:00，11:00，15:00，18:00分4次觀測土壤水勢，通過控制水表記錄灌水量。

2)按生育時期測定糯玉米株高、莖粗、葉面積，收獲后統(tǒng)計鮮食產(chǎn)量。

3)灌水利用效率(WUE)計算方法如下[16]：

WUE=P/I

(1)

式中：P為產(chǎn)量/(kg·hm-2)；I為灌水量/mm。

4)糯玉米產(chǎn)量、灌水利用效率預(yù)測采用二次多項式回歸模型表示：

(2)

式中：y為應(yīng)變量；x為自變量；aj為一次項系數(shù)；ajj為二次項系數(shù)；n為自變量數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水勢對糯玉米生長性狀的影響

2.1.1 不同土壤水勢對糯玉米葉面積的影響 如表1所示，在糯玉米生育期內(nèi)，糯玉米葉面積在糯玉米生育期內(nèi)隨著時間推移增大至抽雄期后因葉片枯萎而不斷減小。其中，-5～-20 kPa處理組的動態(tài)變化趨勢是近似的，但-25 kPa處理組的下降幅度要較其他4個處理大很多，其最大值也遠(yuǎn)低于其他4個處理，說明在土壤水勢過低對葉面積的影響是非常大的。

表1 不同土壤水勢對糯玉米葉面積的影響

2.1.2 不同土壤水勢對糯玉米株高的影響 如表2所示，在糯玉米生育期內(nèi)，糯玉米自出苗后不斷生長，至抽雄期的第20天達(dá)到株高增長的臨界期，比葉面積的臨界期晚21 d。不同生育時期糯玉米株高基本呈現(xiàn)出隨土壤水勢的下降而減小的規(guī)律。

表2 不同土壤水勢對糯玉米株高的影響

2.1.3 不同土壤水勢對糯玉米莖粗的影響 如表3所示，在糯玉米生育期內(nèi)，糯玉米不斷生長至抽雄期的第15天達(dá)到莖粗增長的臨界期。隨著糯玉米的不斷生長發(fā)育，其植株不斷長高。當(dāng)糯玉米生長到某一臨界期后，莖粗則停止增加，比葉面積的臨界期約晚15 d。由表3還可以看出，不同生育時期的糯玉米莖粗基本呈現(xiàn)出隨土壤水勢的下降而減小的規(guī)律。

表3 不同土壤水勢對糯玉米莖粗的影響

2.2 不同土壤水勢對糯玉米鮮食產(chǎn)量的影響

從表4可以看出，糯玉米鮮食產(chǎn)量隨著土壤水勢的升高和總灌水量的增加而提高，土壤水勢越高、生育期內(nèi)總灌水量也越大。糯玉米鮮食產(chǎn)量也越高。糯玉米鮮食產(chǎn)量最高值是-5 kPa處理組，最低值是-25 kPa處理組。

表4 不同土壤水勢對糯玉米鮮食產(chǎn)量的影響

根據(jù)二元二次回歸的計算原理，以糯玉米鮮食產(chǎn)量為因變量(Y)，土壤水勢(X)為自變量進(jìn)行二元二次多項式回歸擬合，得出相應(yīng)的糯玉米鮮食產(chǎn)量模型：

Y=8 680.11-53.56X-11.88X2

(3)

式中：Y為糯玉米鮮食產(chǎn)量/( kg·hm-2)；X為土壤水勢/kPa。

糯玉米產(chǎn)量預(yù)測模型的擬合度及顯著性檢驗采用F檢驗，經(jīng)計算F=123.13>F0.05(1,3)=10.13，P值=0.008<0.05，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.991 9。說明糯玉米鮮食產(chǎn)量與土壤水勢的擬合程度很好，方程回歸達(dá)到顯著水平，可以反映土壤水勢對糯玉米鮮食產(chǎn)量的影響。此預(yù)測模型具有較高的可靠性。

2.3 不同土壤水勢對糯玉米灌溉水利用效率的影響

從表5可以看出，灌溉水利用效率與土壤水勢的回歸曲線為二次多項式曲線，經(jīng)計算可得，當(dāng)土壤水勢在-10 kPa，灌溉水量為222.95 mm時灌溉水利用效率最高，為37.39 kg·mm-1·hm-2。

表5 不同土壤水勢對灌溉水利用效率的影響

根據(jù)二元二次回歸的計算原理，以灌溉水利用效率為因變量(Y)，土壤水勢(X)為自變量進(jìn)行二元二次多項式回歸擬合，得出相應(yīng)的灌溉水利用效率模型：

Y=33.51-0.85X-0.06X2

(4)

式中：Y為糯玉米灌溉水利用效率/(kg·mm-1·hm-2)；X為土壤水勢/kPa。

糯玉米灌溉水利用效率預(yù)測模型的擬合度及顯著性檢驗采用F檢驗，經(jīng)計算F=110.68>F0.05(1,3)=10.13，P值=0.009<0.01，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.991 0。說明糯玉米灌溉水利用效率與土壤水勢的擬合程度很好，方程回歸達(dá)到極顯著水平，可以反映土壤水勢對糯玉米灌溉水利用效率的影響。此預(yù)測模型具有較高的可靠性。

3 結(jié)論與討論

本研究探究了鹽堿地條件下土壤水勢對膜下滴灌糯玉米生長發(fā)育、耗水特性的影響。采用本研究成果可以精確制定糯玉米的灌水量和灌溉日期，克服了范雅君等[17]以Jensen模型建立的河套地區(qū)玉米膜下滴灌的灌溉制度存在灌溉水量的不能確定具體到某一天的缺點(diǎn)。當(dāng)基質(zhì)勢下限控制為-10 kPa時，全生育期灌溉水量僅需要222.95 mm，節(jié)水效果提升了58.40%，此時的作物產(chǎn)量達(dá)到8 336.25 kg·hm-2，灌溉水利用效率為37.39 kg·mm-1·hm-2。這說明通過監(jiān)測土壤水勢下限可以有效指導(dǎo)玉米膜下滴灌生產(chǎn)，并可以大幅提高水分利用效率，這對于大同這樣的干旱地區(qū)來說是至關(guān)重要的。

本研究通過為期1 a的田間試驗數(shù)據(jù)采集，在糯玉米的不同生育時期，分析不同處理的株高、莖粗、葉面積和鮮食產(chǎn)量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)無論是糯玉米的生長指標(biāo)，還是鮮食產(chǎn)量，基本都隨著土壤水勢的提高呈現(xiàn)先增大后減小或趨于平緩的規(guī)律；土壤水勢越高，各項指標(biāo)數(shù)值越大。在山西省大同市鹽堿地區(qū)利用膜下滴灌技術(shù)種植作物來開發(fā)鹽堿地，糯玉米鮮食產(chǎn)量最高的處理組為-5 kPa；糯玉米灌溉水利用效率最高的處理組為-10 kPa，此結(jié)論要略高于其他有關(guān)土壤水勢下限控制水平的研究報道[18～19]。因此，在鹽堿地區(qū)利用土壤水勢控制灌溉，鹽堿地土壤水勢的控制水平要高于非鹽堿地上控制水平。本研究結(jié)果表明，玉米水分利用效率隨基質(zhì)勢控制水平的升高呈現(xiàn)出中間大兩邊小的趨勢，這與楊會穎等[20]在甘肅省關(guān)于膜下滴灌種植辣椒的研究結(jié)論相同，說明過高的土壤水勢下限設(shè)置會使得作物根區(qū)附近的水分過剩，降低水分利用效率；而土壤水勢下限設(shè)置過低則會導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。馮棣等[21]的研究表明，不同作物的耗水特性和適宜灌溉下限不同，不同作物在不同氣候和土壤條件下的適宜灌溉下限也不同。譚軍利等[14]的研究指出，作物生長指標(biāo)和產(chǎn)量隨鹽堿地利用年限增加呈增加趨勢。

本研究僅有1 a的試驗數(shù)據(jù)，僅以糯玉米作為研究對象，這是本研究的不足之處，在未來的研究中應(yīng)予以改進(jìn)。此外，對膜下滴灌條件下鹽堿地土壤物理、化學(xué)、生物等土壤特性需要進(jìn)行長期綜合研究，本研究相關(guān)結(jié)論也需要在今后的長期試驗中驗證，以期為膜下滴灌技術(shù)可持續(xù)性開發(fā)利用鹽堿地提供一定理論依據(jù)。