多水源交替灌溉模式對(duì)玉米生長(zhǎng)特性及產(chǎn)量的影響

潘春洋，楊樹(shù)青*，婁 帥，劉 鵬，靳亞紅，趙宏燕

（1．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2．內(nèi)蒙古恒源水利工程有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

河套灌區(qū)是我國(guó)重要的糧油生產(chǎn)基地之一，而灌區(qū)內(nèi)的黃河水是整個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)展及周邊生態(tài)環(huán)境的重要保障。如今，黃河水資源日益緊缺，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展。所以，地下水開(kāi)發(fā)受到重視，利用地表水（黃河水）和地下水（微咸水）多水源交替灌溉成為緩解水資源供需矛盾的有效途徑。玉米是河套灌區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物，種植比例較高，因此研究河套灌區(qū)多水源交替灌溉對(duì)玉米的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響具有重要意義。目前，很多學(xué)者針對(duì)番茄、芹菜、枸杞和玉米等作物，在內(nèi)蒙古、濱海地區(qū)等展開(kāi)微咸水與淡水聯(lián)合灌溉［1-6］、單一地下微咸水灌溉［7-9］、井渠結(jié)合灌溉［10-12］的試驗(yàn)，進(jìn)行了關(guān)于作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、水肥利用效率等方面的研究，結(jié)果表明不同的地表水（淡水）、地下水（微咸水）聯(lián)合灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量均有不同影響，合理的灌溉模式不僅能確保作物產(chǎn)量，還可節(jié)約淡水資源。

前人多以單一微咸水灌溉或咸淡水組合灌溉的盆栽試驗(yàn)為主，探討多水源交替灌溉對(duì)不同作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，而在河套灌區(qū)通過(guò)大田試驗(yàn)對(duì)多水源交替灌溉模式研究較少。因此，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，本研究通過(guò)大田試驗(yàn)探討多水源交替灌溉對(duì)玉米生長(zhǎng)特性、產(chǎn)量及水肥利用率的影響，初步優(yōu)選出適合當(dāng)?shù)赜衩追N植的多水源交替灌溉模式。為節(jié)約當(dāng)?shù)氐Y源、合理開(kāi)發(fā)地下微咸水提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)中游—巴彥淖爾市臨河區(qū)，隸屬永濟(jì)灌域，位于河套平原腹地，坐落在黃河“幾”字彎上方。臨河深處內(nèi)陸，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，多年年均降水量130 mm左右，平均氣溫6.8 ℃，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，多年日照均值3 229 h。該地區(qū)光、熱、水同期，無(wú)霜期130 d左右，試驗(yàn)田屬輕度鹽堿地，可用于種植玉米等糧經(jīng)作物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取河套灌區(qū)典型糧食作物玉米為供試材料。采用井（地下水）渠（地表水）2種水源交替灌溉模式，播種前各處理采用渠灌，一水至三水采用多水源交替灌溉，設(shè)置灌溉模式分別為：井井井（JJJ）、井井渠（JJQ）、井渠井（JQJ）、渠井井（QJJ）、井渠渠（JQQ）、渠渠井（QQJ）、渠井渠（QJQ）、渠渠渠（QQQ），并設(shè)置一個(gè)不灌水、不施肥的空白對(duì)照，共9個(gè)試驗(yàn)處理。灌水定額以河套灌區(qū)多年的節(jié)水灌溉制度研究成果為參照，設(shè)為90 mm，灌溉方式為畦灌。施用肥料采用尿素（N 46%）和磷酸二銨（N 18%，P2O546%），其中氮肥施用量為225 kg/hm2，磷肥施用量為235 kg/hm2。田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)管理一致。灌溉井（地下水）水礦化度為2.0～2.5 g/L，灌溉渠水礦化度為0.608 g/L。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

地上部分生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定：玉米苗期在每個(gè)小區(qū)選3株長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)闹仓?，測(cè)定葉子的長(zhǎng)度及最大寬度；并將玉米地上部植株在烘箱中105℃殺青30 min后，調(diào)溫至80℃烘干，8 h后取出地上部生物量稱(chēng)重。

地下部分生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定：利用根鉆取玉米根系，每個(gè)處理 3 個(gè)重復(fù)，取其平均值，取樣深度分別為0～10、10～20、20～40、40～60 cm。取回的根系樣品過(guò)2 mm 篩后，再將其挑出，立即用清水清洗，整個(gè)生育期進(jìn)行3次取樣，分別為拔節(jié)期、吐絲期和成熟期。

產(chǎn)量測(cè)定：收獲時(shí)，對(duì)玉米進(jìn)行考種，測(cè)量玉米的穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)等指標(biāo)。對(duì)收獲的果實(shí)進(jìn)行稱(chēng)量，計(jì)算每顆玉米穗的穗粒數(shù)，并從玉米穗粒中隨機(jī)取3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)100粒，各自稱(chēng)量并取平均數(shù)計(jì)算百粒質(zhì)量。

1.3.2 灌溉水分利用效率及氮肥農(nóng)學(xué)利用率的計(jì)算

灌溉水分利用效率（iWUE）（kg/m3）計(jì)算公式為：

式中：Y 為玉米產(chǎn)量，kg/hm2；W為生育期灌水總量，m3/hm2。

氮肥農(nóng)學(xué)利用率是指單位施氮量可以增加的作物產(chǎn)量，計(jì)算公式為［13］：

式中：Y為施氮肥處理下的玉米產(chǎn)量；Y0為空白處理下的玉米產(chǎn)量；F為施氮肥量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010及 SPSS 20.0進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 多水源交替灌溉模式對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

葉面積是植物截獲光能的物質(zhì)載體，葉面積指數(shù)（LAI）是反映作物群體光合能力的重要指標(biāo)［14］，由圖1可知，多水源交替灌溉模式下玉米全生育期LAI存在顯著性差異（P＜0.05）；玉米葉面積在全生育期內(nèi)的變化規(guī)律基本表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，在生育前期玉米葉面積不斷增加，抽雄期LAI達(dá)到最大，抽雄期之后玉米的LAI開(kāi)始降低。苗期各處理無(wú)顯著差異，拔節(jié)期灌溉一水后QJJ、QQJ、QJQ和QQQ處理的LAI分別較空白處理高119.76%、144.30%、149.37%和126.62%；JJJ、JJQ、JQJ、JQQ處理分別較空白處理高49.61%、78.19%、65.99%和92.13%，說(shuō)明灌溉井水對(duì)玉米葉面積指數(shù)的增長(zhǎng)有一定作用；抽雄期灌溉二水后，JQQ、QQJ、QJQ和QQQ的葉面積指數(shù)分別較空白處理高40.99%、50.75%、47.14%和55.01%，JJJ、JJQ、JQJ和QJJ處 理 分 別 較 空白處理高12.69%、18.66%、17.14%和25.69%；灌漿期三水后，JQQ、QQJ、QJQ和QQQ的葉面積指數(shù)分別較空白處理高67.92%、74.53%、84.12%和88.47%；JJJ、JJQ、JQJ和QJJ處理分別較空白處 理 高36.83%、47.85%、46.90%和52.93%； 各處理葉面積指數(shù)在玉米成熟期按大到小排序?yàn)镼QQ＞QJQ＞QQJ＞JQQ＞QJJ＞JJQ＞JQJ＞JJJ＞ 空 白。 其中JQQ、QQJ、QJQ和QQQ處理的葉面積指數(shù)分別較空白處理高146.19%、152.81%、160.25%和179.72%，JJJ、JJQ、JQJ和QJJ處理分別較空白處理高44.57%、84.75%、78.01%和92.18%；說(shuō)明增加灌溉井水次數(shù)，對(duì)玉米LAI的抑制作用明顯，水分脅迫和鹽分積累會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，在一水時(shí)灌溉渠水可以有效地促進(jìn)植株葉片生長(zhǎng)，為后期玉米的生長(zhǎng)打下良好基礎(chǔ)。

圖1 不同處理下玉米葉面積指數(shù)變化規(guī)律

2.2 多水源交替灌溉模式對(duì)玉米生物量積累的影響

2.2.1 多水源交替灌溉模式對(duì)玉米地上生物量的影響

圖2為不同處理下地上部生物量積累情況。由圖2可知，玉米全生育期地上部生物量易受多水源交替灌溉方式的影響。多水源交替灌溉下玉米全生育期地上部生物量存在顯著性差異（P＜0.05），玉米地上部生物量在全生育期內(nèi)的變化規(guī)律表現(xiàn)為一直增大的趨勢(shì)，苗期各處理無(wú)顯著差異。拔節(jié)期灌溉一水后QJJ、QQJ、QJQ和QQQ處理的地上部生物量變化范圍為：142～156 g/株；JJJ、JJQ、JQJ、JQQ處理的地上部生物量變化范圍為：90～105 g/株，灌溉井水較灌溉地表水（黃河水）平均低33.98%，說(shuō)明拔節(jié)期灌溉井水對(duì)地上部生物量的積累抑制作用明顯；各處理地上部生物量在玉米灌漿期和成熟期按大到小排序均為QQQ＞QJQ＞QQJ＞JQQ＞QJJ＞JJQ＞JQJ＞JJJ＞ 空白， 其 中 QJQ處理地上部生物量與QQQ處理無(wú)顯著差異；成熟期JQQ、QQJ、QJQ和QQQ處理的地上部生物量分別較空白處理高269.43%、292.84%、305.72%和311.68%，JJJ、JJQ、JQJ和QJJ處理分別較空白處理高112.97%、188.91%、146.29%和209.38%；說(shuō)明多水源交替灌溉模式下灌溉井水次數(shù)越多，對(duì)地上生物量抑制作用越明顯，抽雄期灌溉井水對(duì)地上生物量影響較小。

圖2 不同處理下玉米地上部生物量變化規(guī)律

2.2.2 多水源交替灌溉模式對(duì)玉米根系生物量的影響

由圖3可見(jiàn)，多水源交替灌溉模式下不同土層的根系生物量變化規(guī)律不同，0～60 cm土層內(nèi)的根系生物量在玉米整個(gè)生育期內(nèi)均呈先增大后減少的趨勢(shì)，多水源交替灌溉模式下玉米根系生物量存在顯著差異，且隨著土層深度的增加，根系生物量逐漸減小。

圖3 不同處理下玉米地下部生物量變化規(guī)律

在0～10 cm土層，拔節(jié)期不同處理之間根系生物量差異不顯著，吐絲期各處理均有明顯增加，但不同處理的根系生物量增長(zhǎng)幅度不同，整體表現(xiàn)為QJJ、QQJ、QJQ和QQQ處理增長(zhǎng)幅度較大，而JJJ、JJQ、JQJ和JQQ處理增長(zhǎng)幅度較小；吐絲期到成熟期根系生物量呈下降趨勢(shì)，成熟期QQQ處理根系生物量最大，其次為QJQ處理，且兩處理差異較小。

在10～20 cm土層，拔節(jié)期，QJJ、QQJ、QJQ和QQQ處理與JJJ、JJQ、JQJ和JQQ處理的根系生物量有顯著差異（P＜0.05），灌溉井水處理均值較灌溉渠水處理均值低51.97%，空白處理根系生物量顯著低于其他處理，此時(shí)為一水后，說(shuō)明灌水對(duì)作物的根系生長(zhǎng)起明顯作用，拔節(jié)期到吐絲期QJQ、QQQ、QQJ處理增長(zhǎng)幅度較大，成熟期根系生物量整體變化規(guī)律為：QJQ＞QQQ＞QQJ＞JQQ＞QJJ、JJQ＞JQJ＞JJJ＞ 空白處理。

在20～40和40～60 cm土層中，拔節(jié)期，QJJ、QQJ、QJQ和QQQ處理根系生物量均顯著高于JJJ、JJQ、JQJ和JQQ處理；吐絲期有相似的變化趨勢(shì)；成熟期，20～40 cm土層整體變化規(guī)律為：QQQ＞QJQ＞JQQ＞QQJ＞QJJ＞JJQ＞JQJ＞JJJ＞ 空白；40～60 cm土層整體變化規(guī)律為：QQQ＞QJQ＞QQJ＞JQQ＞QJJ＞JJQ＞JQJ＞JJJ＞ 空白。

綜上，各個(gè)生育期在灌水后的地上部生物量及根系生物量均顯著高于空白處理，說(shuō)明水分脅迫對(duì)作物生物量的積累有顯著的影響。井水灌溉玉米生物量顯著低于黃河水灌溉，QJQ處理的根系生物量及地上部生物量均僅次于QQQ處理且高于其他井灌參與的處理，綜合各土層整體分析，根系生物量由高到低依次是：QQQ、QJQ、QQJ、JQQ、QJJ、JJQ、JQJ、JJJ、空白。且QQQ處理與QJQ處理差異較小，說(shuō)明QJQ處理為較適宜的多水源交替灌溉模式。

2.3 多水源交替灌溉模式對(duì)玉米產(chǎn)量及水肥利用效率的影響

表2列出了多水源交替灌溉模式下玉米的穗部性狀（平均穗長(zhǎng)、平均穗粗、禿尖長(zhǎng)）、百粒重、產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用率及灌溉水利用效率。通過(guò)對(duì)玉米穗部性狀進(jìn)行分析可知，井水灌溉導(dǎo)致玉米減產(chǎn)體現(xiàn)在玉米穗部性狀上，穗長(zhǎng)、穗粗表現(xiàn)玉米穗的大小，禿尖越短表示玉米穗越飽滿(mǎn)；灌溉井水使玉米果穗變短變細(xì)，禿尖變長(zhǎng)。有井灌參與的各處理下玉米穗長(zhǎng)較QQQ處理的差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）；其中灌溉兩次及以上井水處理的玉米平均穗長(zhǎng)由長(zhǎng)到短分別為：QJJ、JJQ、JQJ和JJJ，灌溉一次井水及不灌溉井水的處理玉米穗長(zhǎng)由長(zhǎng)到短分別為QQQ、QJQ、QQJ和JQQ；玉米平均穗粗差異不顯著。多水源交替灌溉模式下玉米禿尖長(zhǎng)差異顯著（P＜0.05），整體由長(zhǎng)到短變化規(guī)律依次為：空白、JJJ、JQJ、JJQ、QJJ、 JQQ、 QQJ、QJQ 、QQQ。不同處理的百粒重與產(chǎn)量均差異顯著（P＜0.05），且變化趨勢(shì)相似。隨著灌溉井水次數(shù)的增加，玉米產(chǎn)量明顯降低，灌溉一水井水的處理較QQQ處理降低0.57%～17.67%；灌溉兩水井水的處理較QQQ降低24.80%～33.54%；灌溉三水井水的處理較QQQ處理降低37.40%；空白處理較QQQ處理降低76.51%。由此可以看出：水分脅迫對(duì)玉米穗的外觀形態(tài)及產(chǎn)量影響十分顯著；拔節(jié)期灌溉井水對(duì)玉米穗的外觀形態(tài)及產(chǎn)量影響最大，其次為灌漿期，抽雄期灌溉井水對(duì)玉米穗的外觀形態(tài)及產(chǎn)量影響最小。

表2 不同處理夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及水肥利用效率

灌溉水分利用效率（iWUE）反映作物對(duì)水分的吸收和利用過(guò)程，氮肥農(nóng)學(xué)利用率（AE）反映單位施氮量可以增加的作物產(chǎn)量。氮肥農(nóng)學(xué)利用率與灌溉水利用效率變化規(guī)律相似，各處理差異顯著（P＜0.05）；多水源交替灌溉模式對(duì)水分和氮肥的吸收利用有一定的影響，灌溉兩次及以上井水的處理中QJJ處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別較JQJ、JJQ、JJJ處理高20.33%、6.23%、32.21%；QJJ處理灌溉水利用效率分別較JQJ、JJQ、JJJ處理高13.15%、4.20%、20.13%；灌溉一次及不灌井水的處理中QQQ處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率較QJQ、QQJ、JQQ處理分別高0.75%、29.34%、30.04%；QQQ處理灌溉水利用效率較QJQ、QQJ、JQQ處理分別高0.57%、21.00%、21.47%；其中QQQ處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率和灌溉水利用效率均較高，且與QJQ處理無(wú)顯著差異；說(shuō)明灌溉適宜的多水源交替灌溉模式有利于玉米對(duì)水分及氮肥的吸收利用，QJQ處理高于其他灌溉模式，且與QQQ無(wú)顯著差異，主要原因?yàn)榈?次灌溉淡水，為玉米提供了很好的生長(zhǎng)環(huán)境，第3次灌溉淡水保證了玉米根系對(duì)水分及氮肥的利用與吸收。

2.4 多水源交替灌溉模式下0～60 cm土層土壤電導(dǎo)率變化特征

圖4為不同灌溉方式下0～60 cm深度土壤電導(dǎo)率的變化。從圖4可以看出，灌水后各處理在0～60 cm土層內(nèi)土壤電導(dǎo)率高，波動(dòng)較大。灌溉地下微咸水土壤鹽分減少幅度明顯小于灌溉黃河水土壤鹽分的減少幅度，在0～20 cm土層，灌溉一水后JJJ、JJQ、JQJ和JQQ土壤電導(dǎo)率平均減少149.375 μS/cm，QJJ、QQJ、QJQ和QQQ土壤電導(dǎo)率平均減少242.75μ S/cm；灌溉二水后QJQ、QJJ、JJQ和JJJ呈升高趨勢(shì)，而JQQ、QQJ、JQJ和空白處理繼續(xù)降低；灌溉三水后至秋澆前，QQJ、JQJ、JJJ、QJJ和空白處理呈升高趨勢(shì)，而JQQ、QJQ、JJQ呈降低趨勢(shì)；秋澆后土壤鹽分明顯低于秋澆前。在20～40 cm土層，灌溉一水后JJJ鹽分增加，JJQ、JQJ和JQQ土壤電導(dǎo)率平均減少129.33 μ S/cm，QJJ、QQJ、QJQ和QQQ土壤電導(dǎo)率平均減少217.625 μ S/cm；灌溉二水后QJQ、QJJ、JJQ、JJJ和空白呈升高趨勢(shì)，而QQJ和JQJ處理呈降低趨勢(shì)，QQQ和JQQ處理趨于水平；灌溉三水后至秋澆前，JJJ和空白處理增加幅度較大，QJQ和JJQ處理降低幅度較大，其他處理變化幅度較??；秋澆后0～40 cm土層各處理土壤鹽分被淋洗；在40～60 cm土層，灌溉一水后JJJ、JJQ和JQJ土壤電導(dǎo)率平均減少76μ S/cm，JQQ處理土壤電導(dǎo)率升高24.5%，QJJ、QQJ、QJQ和QQQ土壤電導(dǎo)率平均減少218.25μ S/cm；灌溉二水后，土壤鹽分波動(dòng)變大，其中二水灌溉井水的處理土壤鹽分呈增加趨勢(shì)，灌溉黃河水的處理土壤鹽分呈降低趨勢(shì)；灌溉三水后至秋澆前，土壤鹽分波動(dòng)略微增大，JJJ和空白處理土壤鹽分含量較高，QJQ、JQQ、QQJ處理土壤鹽分含量較低，秋澆后土壤鹽分變化幅度增大，QQQ、QJQ和QQJ處理土壤鹽分較低；綜上分析可得灌溉井水的處理土壤積鹽程度明顯大于灌溉黃河水的處理。拔節(jié)期灌溉井水的處理全生育期積鹽程度高于其它處理；灌溉兩次及以上井水的處理土壤鹽分明顯高于灌溉一次井水或不灌水的處理。因此，建議選用灌溉一次井水的水源灌溉模式，而且在拔節(jié)期最好灌溉渠水，這樣既可以避免土壤積鹽影響玉米生長(zhǎng)，還可節(jié)約一次渠水資源。

圖4 不同處理下0～60 cm土層土壤電導(dǎo)率變化規(guī)律

3 結(jié)論

隨著灌溉井水次數(shù)的增加，對(duì)玉米的生長(zhǎng)及地上地下部生物量的積累均有顯著的抑制作用，水分脅迫和鹽分積累均會(huì)抑制作物生長(zhǎng)及地上地下部生物量的積累；灌溉兩次及以上井水與全渠水灌溉在葉面積指數(shù)及生物量積累上存在顯著差異（P＜0.05）；灌溉一次井水與全渠水灌溉差異較小，其中QJQ處理與QQQ處理在地上部生物量積累上無(wú)顯著差異。一水時(shí)灌溉渠水可以有效地促進(jìn)植株葉片生長(zhǎng)和地上地下生物量的積累，為后期玉米的生長(zhǎng)打下良好基礎(chǔ)。

多水源交替灌溉模式對(duì)玉米穗部性狀、產(chǎn)量及水肥利用效率影響顯著，拔節(jié)期灌溉井水對(duì)玉米穗的外觀形態(tài)及產(chǎn)量影響最大且土壤積鹽程度較高，其次為灌漿期，抽雄期灌溉井水對(duì)玉米穗的外觀形態(tài)及產(chǎn)量影響最小。灌溉兩次及以上井水的處理土壤鹽分顯著高于灌溉一次井水或不灌水的處理。適宜的多水源交替灌溉模式有利于玉米對(duì)水分及氮肥的吸收利用，QJQ處理高于其他灌溉模式，且與QQQ無(wú)顯著差異。整體分析由高到低依次是QQQ＞QJQ＞ QQJ＞JQQ ＞QJJ＞JJQ＞JQJ＞JJJ＞ 空白。主要原因?yàn)榈?次灌溉淡水，為玉米提供了很好的生長(zhǎng)環(huán)境，第3次灌溉淡水保證了玉米根系對(duì)水分及氮肥的利用與吸收。

綜上所述，考慮玉米葉片生長(zhǎng)、生物量積累、產(chǎn)量、水肥利用效率及土壤鹽分變化等因素的基礎(chǔ)上，QJQ處理為較適宜當(dāng)?shù)氐亩嗨唇惶婀喔饶Ｊ剑扔欣谟衩鬃魑锷L(zhǎng)和保證玉米產(chǎn)量，還可節(jié)約地表水資源。