膜下滴灌玉米最佳種植密度及灌溉模式試驗(yàn)研究

劉秋麗，王永紅

(山西省水利水電科學(xué)研究院， 太原 030002)

2017年山西省玉米種植面積為180.685 萬hm2，是山西省主要的糧食經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。水資源短缺限制了山西北部地區(qū)玉米的生長，對(duì)玉米的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)影響很大[2]。膜下滴灌是覆膜與滴灌結(jié)合的局部灌溉的高效節(jié)水技術(shù)[3-5]。2013年膜下滴灌技術(shù)在山西省許多地區(qū)得到推廣應(yīng)用[6]，2016年已發(fā)展至 2.39 萬hm2[7]。在節(jié)水前提下如何使山西省北部地區(qū)膜下滴灌玉米獲得穩(wěn)定高產(chǎn)，需要研究確定出適宜的種植密度和灌溉制度。目前針對(duì)山西省北部地區(qū)膜下滴灌玉米生產(chǎn)需要開展的種植密度和灌溉制度組合的研究還很少。因此，在該區(qū)開展系統(tǒng)的田間試驗(yàn)，研究山西北部地區(qū)膜下滴灌條件下，種植密度和灌溉制度對(duì)玉米的耗水特性、生長發(fā)育、產(chǎn)量形成及水分利用效率的影響，可為該地區(qū)膜下滴灌玉米最優(yōu)種植與灌溉制度的建立及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于大同市陽高縣北徐屯鄉(xiāng)南徐屯村，該地多年平均降水量413 mm，全年70%的降水量集中在7-9月份。多年平均蒸發(fā)量1 743 mm，全年67%的蒸發(fā)量集中在3-7月份。供試土壤為硫酸鹽鹽化草甸土，土層3 m以內(nèi)土壤質(zhì)地為沙壤土和輕壤土，肥力水平較低。土壤主要物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土壤理化性狀Tab.1 Soil physical and chemical properties

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)因素選擇為灌水次數(shù)(B)和種植密度(A)2個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)3個(gè)水平。種植密度設(shè)7.50、8.25、9.00 萬株/hm2，灌水次數(shù)設(shè)3、4、5次。試驗(yàn)組合方案見表2。試驗(yàn)共計(jì)9個(gè)處理，每個(gè)處理均作3次重復(fù)取平均值，共計(jì)安排27個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。各處理其他的管理措施均相同。

表2 試驗(yàn)組合方案Tab.2 Experimental combination programme

玉米品種選用適合當(dāng)?shù)孛芗N植的利民33號(hào)。播種前基施磷酸二氫鉀 450 kg/hm2。采用寬窄行的“一膜一帶二行玉米”的膜下滴灌種植模式，其中窄行覆膜，膜內(nèi)玉米行寬40 cm，寬行間距60 cm。每種植12行玉米作為一個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)長16.7 m、寬5.5 m。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)周圍均設(shè)有保護(hù)行。出苗后按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行田間統(tǒng)一管理。分別在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期進(jìn)行灌水。4月6日播種，9月底收獲。玉米生育期灌水日期及灌水定額見表3。

表3 灌水日期及灌水定額Tab.3 Irrigation date and irrigation quota

1.3 測試指標(biāo)及方法

(1)玉米生長性狀測定。每小區(qū)選5株有代表性的玉米掛牌，分別在6月15日、7月10日、7月29日、8月17日、8月28日、9月12日用卷尺測玉米的株高。用米格紙測量葉片的葉面積系數(shù)，然后計(jì)算小區(qū)玉米的葉面積指數(shù)。

(2)產(chǎn)量測定。玉米收獲后按實(shí)收測產(chǎn)。

(3)土壤含水率測定。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)均分別在滴灌管下、膜下玉米株間、兩膜中心安裝水分儀觀測孔，利用Star-S406水分觀測儀以10 cm為單元同時(shí)觀測深度至80 cm。然后利用加權(quán)平均法計(jì)算確定土壤0～80 cm深的平均含水率。

(4)地下水補(bǔ)給量。利用安裝的自制蒸滲儀觀測灌溉和降水對(duì)地下水的補(bǔ)給量。

(5)耗水量計(jì)算。玉米田間耗水量根據(jù)如下公式計(jì)算確定[8]：

ET=WT+P+M+S-ΔW

(1)

式中：ET為生育期總耗水量，m3/hm2；WT為計(jì)劃濕潤層增加而增加的水量，m3/hm2；P為生育期有效降水量，m3/hm2；S為地下水補(bǔ)給量，m3/hm2；M為灌水量，m3/hm2；ΔW為作物生育期結(jié)束時(shí)與開始時(shí)土壤儲(chǔ)水量之差，m3/hm2。

(6)作物水分利用效率計(jì)算。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ET為生育期總耗水量，m3/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用 SPSS 11.7統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用LSD法進(jìn)行相互間的多重比較，利用S-N-K法進(jìn)行兩兩比較，利用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度、灌水次數(shù)對(duì)玉米生長的影響

(1)對(duì)玉米株高的影響。由表4可以看出，種植密度、灌水次數(shù)對(duì)玉米植株生長有一定的影響。整個(gè)生育期內(nèi)玉米株高隨時(shí)間的增加先增大后稍減小至不再隨時(shí)間變化，整個(gè)生育期內(nèi)，T4(A2B1)處理玉米長勢最好，其次是T5(A2B2)、T7(A3B1)處理，這3個(gè)處理與其他處理相比差異極顯著。各處理均是7月29日抽穗期之前玉米增長率較大，7月29日之后株高增長緩慢甚至有減小趨勢，因?yàn)?月29日前是玉米抽穗前的生長關(guān)鍵期，抽穗之后株高增長變緩，以果實(shí)的灌漿生長為主。9月12日， T4(A2B1)處理的玉米株高最大為275.7 cm， T7(A2B2)、T5(A2B2)處理的玉米株高分別為244.3、239.3 cm，T1(A1B1)處理玉米的株高最低為225.7 cm。

表4 生育期玉米株高 cmTab.4 The height of maize plant during the period of growth

注：數(shù)字后不同小寫字母表示LSD法比較其相互差異顯著性(P<0.05)，下表同。

(2)對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響。種植密度、灌水次數(shù)影響玉米的葉面積指數(shù)。葉面積指數(shù)反映試驗(yàn)區(qū)玉米整體生長情況，關(guān)系玉米生育期的騰發(fā)量，直接關(guān)系到玉米產(chǎn)量高低。由表5可知：整個(gè)生育期內(nèi)，T4(A2B1)處理的玉米葉面積指數(shù)最大， T5(A2B2)次之，均與其他處理間存在顯著性差異。T5(A2B2)與T7(A3B1)之間差異不大，T1(A1B1)與T2(A1B2)之間差異也較小。同一種植密度不同灌水次數(shù)條件下，均是B1(灌水3次)處理的玉米葉片長勢較好。灌水次數(shù)為B1、B2條件下均是A2(玉米種植密度為8.25 萬株/hm2)處理的玉米面積指數(shù)較大，葉片長勢較好；灌水次數(shù)為B3條件下則是A1處理的玉米葉片長勢較好。9個(gè)處理下玉米的葉面積指數(shù)基本呈隨時(shí)間增加到峰值再隨時(shí)間減小的趨勢。7月29日前玉米葉面積指數(shù)增長迅速，并在8月中旬前后達(dá)到生長峰值，之后隨時(shí)間略有下降。因?yàn)?月中旬之前是玉米生長旺盛的關(guān)鍵時(shí)期，玉米的葉長寬增長較快，之后玉米灌漿期以玉米粒的生長為主，葉面積不再增長，隨時(shí)間呈下降趨勢。

表5 各生育期葉面積指數(shù)Tab.5 Leaf area index during different period of growth

2.2 不同處理的土壤含水率變化過程

分別對(duì)5月23日至9月30日時(shí)段內(nèi)的0～80 cm土層土壤含水率(體積含水率)進(jìn)行監(jiān)測，繪制玉米生育期內(nèi)土壤含水率變化曲線，見圖1。整個(gè)生育期內(nèi)，膜下滴灌各試驗(yàn)處理的土壤含水率曲線波動(dòng)較大，土壤含水率變化趨勢基本一致，基本呈低-高-低的變化趨勢。T5(A2B2)、T9(A3B3)2個(gè)處理與其他處理之間存在顯著差異，其余7個(gè)處理的土壤含水率相互之間差異不大。由于5月23日至6月27日時(shí)段內(nèi)無灌水，所以土壤含水率變化幅度較小，土壤含水率較低。各處理均是灌水后土壤含水率增大，7月29日的土壤含水率最大。灌水前，T6(A2B3)、T1(A1B1)處理的土壤平均含水率較大，分別為27.85%、26.51%；T5(A2B2) 處理的土壤平均含水率最小，為22.99%。開始灌水后，7月10日至9月30日期間，T1(A1B1)、T6(A2B3) 處理的土壤平均含水率較大，分別是28.85%、28.76%； T5(A2B2)處理的土壤平均含水率最小，為25.22%。整個(gè)生育期內(nèi)，T6(A2B3) 處理的土壤平均含水率最大為28.56%，T5(A2B2)處理的土壤平均含水率最小為24.72%。

圖1 玉米生育期 0～80 cm土壤含水率變化曲線Fig.1 Curves of average water content in soil of 0～80 cm during the period of maize growth

2.3 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響

(1)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。各處理玉米產(chǎn)量見表6。對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，種植密度的F=15.67，P=0.01<0.05，產(chǎn)量差異顯著。 不考慮灌水次數(shù)，A2處理的產(chǎn)量均值分別與A1、A3處理的產(chǎn)量均值之間存在顯著性差異，A1、A3處理之間差異不顯著，說明種植密度對(duì)產(chǎn)量有一定影響。不考慮種植密度，灌水次數(shù)的F=1.42，P=0.38>0.05，不同灌水次數(shù)處理下玉米產(chǎn)量均值之間無顯著性差異。說明本試驗(yàn)條件下灌水次數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著，種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量的影響較大。

表6 各處理玉米產(chǎn)量 kg/hm2Tab.6 Maize yields under different treatment

灌水次數(shù)一定，玉米產(chǎn)量隨種植密度的增加先增大后減小，均是A2處理的玉米產(chǎn)量最高。種植密度為A1、A3條件下玉米產(chǎn)量隨灌水次數(shù)的增加先增高后降低，均是B2處理下玉米產(chǎn)量最高；而種植密度為A2條件下B1處理的玉米產(chǎn)量最高，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)量隨灌水次數(shù)增加呈負(fù)增長，說明種植密度8.25 萬株/hm2條件下灌水3次已達(dá)到最高產(chǎn)量，再增加灌水次數(shù)并不能使玉米產(chǎn)量更高。不同種植密度、灌水次數(shù)組合處理下以A2B1產(chǎn)量最高為8 418 kg/hm2，其次是A2B2處理，A3B1處理的產(chǎn)量最低，說明種植密度及灌水次數(shù)均影響玉米產(chǎn)量，高密度低水、低密度高水均不能獲得高產(chǎn)。

(2)對(duì)玉米耗水量的影響。對(duì)耗水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，3個(gè)種植密度下，不同灌水次數(shù)的耗水量均值的P=0.50>0.05，相互間差異不顯著，說明種植密度對(duì)耗水量影響不明顯；3個(gè)灌水次數(shù)下，不同種植密度的耗水量均值的P=0.02<0.05，差異顯著， B1處理的均值分別與B2、B3處理的均值間存顯著性差異，B2、B3處理的均值之間差異不顯著，說明灌水量對(duì)耗水量的影響較大。

由表7看出：種植密度為A1、A3條件下，耗水量隨灌水次數(shù)增加先增大后減小，均是B1處理的耗水量最??；在A2條件下，耗水量則隨灌水次數(shù)增加而增大。說明適宜的種植密度下增加灌水量增大作物耗水量。B1、B3條件下，耗水量隨種植密度的增加先增大后減小，A2處理的耗水量最大；B2條件下，耗水量則隨種植密度的增加先降低后增大，A2處理的耗水量最小。說明玉米種植密度及灌水次數(shù)對(duì)耗水量變化均有一定影響。9個(gè)試驗(yàn)處理中T6(A2B3)處理的耗水量最大，為4 261.1 m3/hm2，分別較T5(A2B2)、T4(A2B1)處理高2.5%、5.1%；其次是T2(A1B2)處理的耗水量，為4 238.5 m3/hm2；T7(A3B1)處理的耗水量最低，為3 912 m3/hm2。

表7 各處理玉米耗水量 m3/hm2Tab.7 Water consumption of maize under different treatment

(3)對(duì)玉米水分利用效率的影響。由表8看出，不考慮灌水次數(shù)情況下， A2處理分別與A1、A3處理的均值存顯著性差異(P=0.005<0.05)，A1、A3處理的均值之間差異不顯著(P=0.059>0.05)；不考慮種植密度情況下，B1與B3處理均值存在顯著性差異(P=0.022<0.05)，B1、B2處理均值之間差異不顯著(P=0.105>0.05)，B2、B3處理均值之間差異不顯著(P=0.192>0.05)。說明種植密度、灌水次數(shù)均對(duì)玉米水分利用效率有一定影響。

表8 各處理玉米水分利用效率 kg/hm2Tab.8 Water use efficiency of maize under different treatment

T4(A2B1)處理的水分利用效率最高，為2.1 kg/m3；其次是T5(A2B2)處理，為1.9 kg/m3；T6(A3B2)處理的水分利用效率最低，為1.4 kg/m3。T1(A1B1)、T2(A1B2)、T6(A2B3)處理的水分利用效率之間無顯著差異；T7(A3B1)、T3(A1B3)、T9(A3B3)處理的水分利用效率之間差異不顯著。灌水次數(shù)相同、種植密度不同條件下，玉米水分利用效率隨種植密度先增大后減小，種植密度為8.25 萬株/hm2處理的水分利用效率最大；種植密度相同、灌水次數(shù)不同條件下，玉米水分利用效率反隨灌水次數(shù)的增加而減小，均是灌水3次處理的玉米水分利用效率最大。

因此，要結(jié)合種植密度和灌水次數(shù)2方面分析，灌水3次、種植密度8.25 萬株/hm2組合處理的玉米產(chǎn)量達(dá)到8 418 kg/hm2，耗水量為4 057.0 m3/hm2，水分利用效率為2.1 kg/m3，是本試驗(yàn)條件下種植密度和灌溉次數(shù)的最佳組合模式。

3 結(jié) 論

(1)玉米的生長狀況、產(chǎn)量及水分利用效率均受種植密度和灌水次數(shù)的影響。株高和葉面積指數(shù)隨時(shí)間的增加先增大后稍減小至不變。種植密度8.25 萬株/hm2、灌水3、4、5次處理下的產(chǎn)量和耗水量呈指數(shù)變化關(guān)系，在灌水3次、耗水量為4 057.0 kg/hm2時(shí)已獲得最高產(chǎn)量，在此基礎(chǔ)上再增加灌水次數(shù)，耗水量增大，產(chǎn)量不增反而下降。全生育期內(nèi)，T4(A2B1)處理玉米長勢最好，株高最高達(dá)275.7 cm、葉面積指數(shù)為5.34、產(chǎn)量達(dá)到8 418 kg/hm2、水分利用效率為 2.1 kg/m3，T5(A2B2)處理次之。T4(A2B1)即種植密度8.25 萬株/hm2、灌水3次是最佳的節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)、密植灌水組合模式。

(2)生育期土壤含水率變化基本呈低-高-低波動(dòng)趨勢。6月27日之前土壤含水率變化幅度較小，7月29日土壤含水率達(dá)到最大峰值。全生育期內(nèi)，T6(A2B3)處理下的土壤平均含水率最大，其次是T1(A1B1)處理，T5(A2B2)處理下的土壤平均含水率最小。