民勤地區(qū)畦灌春玉米改水成數(shù)田間試驗研究

王 洋，伍 娟，黃興法，李光永

(中國農業(yè)大學,北京 100083)

畦灌是地面灌溉中的一種灌溉方式，也是中國最普遍的灌溉方式。通過研究優(yōu)化畦灌的灌水技術參數(shù)可以達到較好的灌水效果，并能有效地減少深層滲漏損失。改水成數(shù)，是指封口時田面水流推進長度占畦田總長度的成數(shù)。進行封閉畦田畦灌時，為了防止畦田尾端出現(xiàn)壅水現(xiàn)象而造成灌溉水大量浪費的問題[1]。研究表明，灌水參數(shù)和畦田規(guī)格參數(shù)是影響畦田灌溉質量的重要因素，并且不同的灌水技術參數(shù)對畦田灌溉的影響并不相同[2]。畦長、改水成數(shù)、單寬流量、灌水定額等都是影響畦田灌溉灌水質量的主要因素，但各影響因子中改水成數(shù)對灌水質量的影響最大。減小改水成數(shù)的控制誤差，可以提高畦灌灌水效率及灌水均勻度等指標。同時，較大的單寬流量可以有效地減小改水成數(shù)的控制誤差對灌水質量的影響[3]。高劍民等[4]研究不同液施模式下土壤中水氮分布，液施條件下可以改善土壤水氮空間分布，畦寬為1.5 m、灌溉到畦長1/2時施肥，改水成數(shù)為95%的施肥方式可以提高灌水效率和水氮分布均勻性。

目前，國內外有很多關于畦灌的灌水技術參數(shù)的研究，分析研究了影響畦田灌溉的多種灌水技術參數(shù)，但是關于玉米畦灌的重要技術參數(shù)改水成數(shù)的文章卻較少。因此，在甘肅省民勤縣進行田間試驗研究，深入研究畦灌的改水成數(shù)，為民勤地區(qū)畦田灌溉灌水技術參數(shù)的確定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年4-10月在甘肅省民勤縣新地村榮騰牧業(yè)進行，地理位置北緯38°37′，東經102°49′。地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游。民勤縣屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，大陸性沙漠氣候特征明顯，冬冷夏熱、降水稀少、晝夜溫差大，年均降水量為127.7 mm，年均蒸發(fā)量2 623 mm，地下水埋深18～25 m。試驗區(qū)表層土壤質地為沙壤土，下層土壤為壤土，0～60 cm土層內平均干容重為1.52 g/cm3，土壤硝態(tài)氮量為47.5 mg/kg。

玉米試驗對象采用民勤當?shù)仄贩N先玉335，采用覆膜種植方式。試驗區(qū)畦田坡度0.3%，根據地面灌溉工程技術管理規(guī)程，畦田規(guī)格為70 m×2.8 m，畦梗的寬度60 cm。畦灌玉米種植行距40 cm，株距22.5 cm，根據當?shù)赜衩追N植密度為9.528 萬株/hm2。

1.2 試驗設計

畦灌試驗改水成數(shù)設置3種處理分別為：0.85、0.90和0.95，簡記Q1、Q2、Q3。處理Q4，灌水周期數(shù)為2的波涌灌溉與改水成數(shù)0.85組合，每個處理設置3個重復，具體試驗處理設置如表1所示。

1.3 測試及方法

(1)土壤含水量的測定：采用烘干法測定土壤的含水量，分別在灌水前和灌水后48 h測量。每個處理選取代表小區(qū)取5個點，沿畦長方向每15 m一個測點，每個點測5層，每層20 cm。畦灌灌溉制度計算公式如下：

M=H(θ后-θ前)/η

(1)

表1 畦灌玉米試驗處理設置表

式中：H為土壤計劃濕潤層深度，m；θ后為灌后含水量，體積%；θ前為灌前含水量，體積%；η為灌溉水利用系數(shù)，取0.9。

(2)玉米田間儲水量：一次灌水后，土壤儲水量增加量計算公式為：

ΔW=h(θ2-θ1)

(2)

式中：ΔW為土壤儲水量增加量，mm；h為土壤厚度，mm；θ1為灌水前土壤體積含水率；θ2為灌水后土壤體積含水率。

(3)土壤硝態(tài)氮的測定：抽穗期玉米生理活動增強，對硝態(tài)氮的需求最大，土壤中硝態(tài)氮含量變化幅度最大，因此在玉米抽穗期取灌水前、后土壤，每個處理的測點位置及取土方法與測定土壤含水量的取土位置相同。使用AA3型連續(xù)流動分析儀測量土壤中的硝態(tài)氮含量。

(4)玉米產量的測定：在玉米成熟期各處理每個小區(qū)取15 m長、6行寬的玉米進行考種，計算求得平均產量值即為該處理的產量值。

采用Excel 2013、Surfer 15作圖，SPSS 18.0對數(shù)據進行處理、方差分析。

2 結果與分析

2.1 春玉米畦灌灌溉制度

畦灌全生育期灌水7次，由于試驗處理是改水成數(shù)，各個處理的灌溉定額并不相同，實際灌水時將根據2018年試驗中玉米生育期及階段耗水量比例、各生育期天數(shù)、降雨量及土壤墑情進行灌溉，畦灌灌溉制度如表2所示。

表2 2018年春玉米畦灌試驗灌溉制度 mm

2.2 土壤儲水量變化規(guī)律

土壤儲水量對農業(yè)作物生長有著非常重要的意義，土壤儲水量的變化值可反映一次灌水的灌水量，對土壤儲水量的定量計算也是必不可少的部分[5]。根據土壤水分分布規(guī)律，將100 cm土層劃分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。以灌漿期7月23日灌水為例，各層土壤儲水量變化如圖1所示。

圖1中4個處理Q1、Q2、Q3、Q4的平均灌水定額分別是：50.7、56.9、68.0、57.3 mm。從圖1可得出，各處理不同土層儲水量隨著土壤深度增加，儲水量出現(xiàn)明顯下降趨勢；土壤累積儲水量隨著距畦首距離的增加而逐漸減少。圖1(a)～圖1(c)比較得出，處理Q3的土壤儲水量最大，土壤累積儲存量更加接近計劃灌水定額，處理Q1的土壤儲水量最小，說明改水成數(shù)越大，灌入田間的水量越多，土壤累積儲水量越多，且畦首和畦尾儲水量差值越小。

圖2為畦灌不同處理土層內儲水量沿畦長方向擬合規(guī)律，從圖2可以看出，土層內累積儲水量與距畦首距離呈指數(shù)關系[6]，且改水成數(shù)越大，擬合曲線相關系數(shù)R2越大，擬合效果越好。由擬合結果得出Q1、Q2、Q3、Q4畦首儲水量分別為87.9、94.8、119.6、83.9 mm，畦尾儲水量分別為24.2、35.5、40.8、43.2 mm。比較Q1、Q2、Q3，處理Q3的畦首和畦尾儲水量差值較小，相差65.9%，但處理Q3的擬合規(guī)律圖顯示畦首的儲水量約120 mm，說明改水成數(shù)0.95在畦田首段會出現(xiàn)較多的深層滲漏水。處理Q4首、尾端的土壤儲水量相差48.5%，在各處理中的差值最小，說明波涌灌溉方式可以減小土壤畦首和畦尾的儲水量差值。處理Q1畦尾的儲水量小于30 mm，雖然改水成數(shù)越小農田灌溉越節(jié)水，但是畦田灌溉灌水周期長，土壤儲水量不足以維持到下次灌水，不能滿足畦田玉米正常生長所需的水分。

圖2 各處理土層內儲水量沿畦長方向擬合規(guī)律圖

2.3 土壤硝態(tài)氮分布規(guī)律

畦灌土壤中硝態(tài)氮含量的變化與施肥方式、施肥時機、入畦單寬流量、土壤質地、坡度、肥液濃度等有密切關系[7]。選擇合適的施肥方式、施肥時機、入畦單寬流量可為作物吸收利用提供相對均勻的土壤水氮分布狀態(tài)[8]。Playan E等[9]研究得出，較大入畦流量下灌溉中期施肥可獲得較為理想的施肥和灌水均勻性效果。根據國內外研究成果，本試驗采用預先充分溶解氮肥，灌溉水流到畦田中段開始施肥。探究畦灌灌水施肥后土壤硝態(tài)氮沿畦長方向0～70 m和垂直方向0～100 cm分布情況，選取7月29日灌水后土壤硝態(tài)氮變化量，畦灌改水成數(shù)處理對土壤硝態(tài)氮分布如圖3所示。

從圖3得出，土壤硝態(tài)氮垂直方向變化：硝態(tài)氮隨水分垂直運移，深度增大，硝態(tài)氮含量變化梯度減小。處理Q1改水成數(shù)0.85，灌水定額最小，硝態(tài)氮遷移下滲量少；處理Q3改水成數(shù)0.95，灌水定額最大，硝態(tài)氮遷移下滲量多。說明垂直方向硝態(tài)氮運移量隨著改水成數(shù)增大而增加。土壤硝態(tài)氮沿畦長方向變化：畦田首段土壤硝態(tài)氮變化量大小為Q1>Q2>Q3，說明改水成數(shù)越大，硝態(tài)氮隨灌溉水沿畦長方向運移量越多，首段硝態(tài)氮變化量減少。畦田尾端土壤硝態(tài)氮變化量Q1

圖3 玉米畦灌施肥后的土壤硝態(tài)氮含量變化(單位：mg/kg)

注：圖3具體數(shù)值含義為7月29日施肥前后土壤硝態(tài)氮含量變化，mg/kg。土壤硝態(tài)氮變化量越大圖中顏色越深。

改水成數(shù)與土壤硝態(tài)氮分布有密切關系。改水成數(shù)越大，土壤硝態(tài)氮分布會更加均勻。在各處理中灌水周期2的波涌灌與改水成數(shù)0.85組合，土壤硝態(tài)氮分布最均勻[12]。僅從硝態(tài)氮分布均勻性而言，處理Q3、Q4為玉米提供更好的養(yǎng)分條件。

2.4 畦灌灌水質量評價

國內外專家提出了多個分析評價農田灌溉方法的田間灌水質量指標。本試驗主要從灌水效率Ea和灌水均勻度CUW兩個方面進行分析。畦灌灌水效率與灌水均勻度的計算數(shù)值如圖4所示。

圖4 畦灌改水成數(shù)對評價指標的影響

畦灌灌水效率與灌水均勻度試驗結果與楊麗麗[13]基于Meta-分析畦灌灌水質量的結果基本符合。由圖4所知，畦灌處理灌水均勻度與灌水效率變化趨勢相同，灌水效率和灌水均勻度隨改水成數(shù)的增大而增大。灌水效率Ea和灌水均勻度CUW由大到小排序為Q4>Q3>Q2>Q1，處理Q1的Ea和CUW在各處理中最小，處理Q4的Ea和CUW在各處理中最大。根據史學斌等[14]關于關中西部畦灌優(yōu)化灌水技術要素組合的初步研究，提出灌水效率Ea≥80%、灌水均勻度CUW≥80%。民勤的畦灌試驗處理只有Q3、Q4達到灌溉評價指標，Q4的灌水效率和灌水均勻度較高，說明波涌灌溉能提高畦灌的灌水效率和灌水均勻度，采用波涌灌溉灌水方式可以選擇較小的改水成數(shù)。

2.5 玉米田間耗水量和產量

通過各處理的玉米產量構成因素分析、耗水量分析，得出改水成數(shù)對畦灌玉米的影響。表3為不同玉米處理產量構成因素、產量、生育期耗水量及水分利用效率。

表3 不同處理玉米產量、耗水量及水分利用效率

注：*表示在P0.05水平下差異顯著，**表示在P0.01水平下差異顯著。a、b表示改水成數(shù)對各個因素的統(tǒng)計顯著性。

由表3可知，分析Q1、Q2、Q3處理，隨著改水成數(shù)的增加，玉米的穗粒數(shù)、百粒重和產量也隨之增加。通過玉米產量構成因素顯著性分析，不同改水成數(shù)處理對于玉米的禿尖、穗粒數(shù)沒有顯著影響，但對于玉米百粒重有顯著影響，從而影響各處理的玉米實測產量[15]。改水成數(shù)0.95的玉米籽粒最重，改水成數(shù)0.85的玉米籽粒質量最小，說明不同改水成數(shù)通過影響玉米籽粒重而影響玉米的產量。畦灌各處理產量和耗水量大小為：Q3>Q4>Q2>Q1，處理Q3的產量和耗水量最大，分別為13 563.6 kg/hm2、510.6 mm。比較Q1與Q3，Q3比Q1的耗水量多43 mm，產量Q3比Q1多2 000 kg/hm2。處理Q3的水分利用效率最大，而Q1的水分利用效率最小，水分利用效率Q3比Q1大6%。處理Q4產量和水分利用效率比Q3分別低5%、1.5%，兩者相差不大，處理Q4的玉米產量低于處理Q3，原因可能是處理Q3的灌水量最多。從產量和水分利用效率分析，處理Q3、Q4的玉米產量高，能帶來更高的經濟收益。

3 結 語

(1)畦灌改水成數(shù)與土壤儲水量呈正相關關系，土壤儲水量隨改水成數(shù)增大而增加。較小的改水成數(shù)會造成畦田首、尾段的土壤水分分布不均勻，改水成數(shù)0.85處理土壤中的儲水量最小，土壤水分不能滿足作物的生長要求。波涌灌溉與改水成數(shù)0.85組合可以提高土壤水分分布的均勻度和土壤含水量。畦灌土壤儲水量沿畦長方向符合指數(shù)關系，且改水成數(shù)越大，擬合曲線相關系數(shù)R2越大，擬合效果越好。

(2)畦灌改水成數(shù)對土壤硝態(tài)氮分布影響顯著，沿畦長方向土壤硝態(tài)氮分布隨改水成數(shù)增大而越均勻，同時畦灌灌水評價指標灌水效率和灌水均勻度隨改水成數(shù)的增大而增大。改水成數(shù)0.95、波涌灌溉改水成數(shù)0.85的土壤硝態(tài)氮分布均勻，灌水效率和灌水均勻度都達到80%。

(3)畦灌改水成數(shù)對玉米的百粒重和產量有顯著影響，改水成數(shù)大，尾段玉米的產量高，所以改水成數(shù)0.95的玉米耗水量、產量和水分利用效率最大。同時，波涌灌溉與改水成數(shù)0.85組合處理的產量也相對較高。

綜上所述，改水成數(shù)0.95的土壤水氮分布相對均勻，玉米的產量最高，改水成數(shù)0.95可作為民勤地區(qū)春玉米畦灌灌水參數(shù)。如果從節(jié)水角度考慮，采用波涌灌溉灌水方式可以使用0.85改水成數(shù)。