不同滴灌方式對(duì)遼西半干旱區(qū)春玉米生長及產(chǎn)量的影響

孫仕軍，楊金鑫，萬 博 ，谷 健b,，劉泳圻，趙 旺，尹光華

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽110161; 2. 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院a.作物研究所，b.耕作栽培研究所 沈陽110161；3. 中國科學(xué)院 沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽110016）

遼寧西部地區(qū)是典型的半干旱地區(qū)[1]，該區(qū)年降水量少，蒸發(fā)量大，土壤抵御干旱、侵蝕的能力很弱[2]，農(nóng)業(yè)用水日益緊缺，水分利用效率僅為0．51kg·m-3，與我國平均水平差距較大，僅是發(fā)達(dá)國家的四分之一[3]。 玉米作為糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料于一體的重要作物[4]，在遼西地區(qū)的播種面積占整個(gè)作物播種面積的60%以上[5]。 作為C4作物，玉米對(duì)光和熱的需求很大，尤其對(duì)水分需求強(qiáng)烈，這是限制玉米增產(chǎn)的一個(gè)重要因素[6]，可見，在遼西半干旱區(qū)，提高水分利用效率至關(guān)重要。 應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)是提高水分利用效率的重要手段[7]。 諸多節(jié)水措施中，滴灌技術(shù)是迄今為止最高效節(jié)水的灌溉技術(shù)之一，依據(jù)滴灌毛管鋪設(shè)的位置及所結(jié)合技術(shù)的不同，可以分為地表無膜滴灌（以下簡稱無膜滴灌）、膜下滴灌和淺埋滴灌等。研究表明，無膜滴灌具有投資成本適中、灌溉均勻、水分深層滲漏損失減少、土壤通透性良好、植物發(fā)病率有效控制等優(yōu)勢(shì)，但是，由于滴灌帶裸露在地表表面，水分蒸發(fā)嚴(yán)重，而且滴灌帶受人畜干擾較大，經(jīng)常出現(xiàn)破損或者卷曲，影響滴灌效果[8]。膜下滴灌同時(shí)具有節(jié)水、抑鹽、增溫等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但在一些地區(qū)和特定的氣候條件下，長期使用膜下滴灌會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田地下水位上升，造成土壤次生鹽堿化。另外，其一次性投資較大，殘膜污染問題也不容忽視[9]。淺埋滴灌是近幾年開始迅速發(fā)展的一種滴灌技術(shù)，其是將滴灌毛管掩埋到地表下3～5cm 的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，由于滴灌帶埋設(shè)深度淺，機(jī)械操作方便，因而勞動(dòng)效率高，便于進(jìn)行自動(dòng)控制和人工檢查收放[10]。 初步研究表明，淺埋滴灌較溝灌節(jié)水30%，產(chǎn)量降低3．4%，而水分利用效率和灌溉水利用效率分別提高22．1%和27．5%；與較無膜滴灌相比，產(chǎn)量和水分利用效率分別提高11．75%和16%；與膜下滴灌相比，能夠避免地膜殘留造成的白色污染問題[11]。 由此可見，淺埋滴灌具有高效節(jié)水和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，但是，不同的滴灌方式在不同的地區(qū)，其水熱及產(chǎn)量效應(yīng)均有所差別[11-12]。 因此，分析不同滴灌方式對(duì)作物生產(chǎn)的影響，因地制宜地選擇適宜的滴灌布置形式來確保農(nóng)業(yè)收益的最大化，顯得十分重要。

基于上述認(rèn)識(shí)，本研究在遼西典型半干旱區(qū)開展田間試驗(yàn)，設(shè)置膜下滴灌、無膜滴灌以及淺埋滴灌3 種不同滴灌方式，利用Logistic 方程對(duì)春玉米整個(gè)生育期的株高、葉面積指數(shù)及籽粒灌漿過程等指標(biāo)進(jìn)行擬合，同時(shí)，分析不同滴灌方式對(duì)出苗率、生長、產(chǎn)量、水分利用效率及經(jīng)濟(jì)效益的影響差異，旨在篩選出最適宜遼西半干旱地區(qū)春玉米種植應(yīng)用的滴灌方式，以期為該區(qū)春玉米滴灌節(jié)水技術(shù)的大面積推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019 年5～10 月在中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所旱作農(nóng)田水循環(huán)試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于遼寧省阜新市阜蒙縣，平均海拔213m，土壤質(zhì)地為砂壤土，容重1．44g·cm-3，田間持水量23%，地下水埋深大于8m。屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降雨季節(jié)性分配極為不均，蒸發(fā)劇烈，年均風(fēng)速3．4m·s-1。2019 年春玉米生育期降雨量和日平均氣溫見圖1。

1.2 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以裕豐303 為供試材料，種植密度60000 株·hm-2。 試驗(yàn)設(shè)置無膜滴灌（SD）、淺埋滴灌（BD）和膜下滴灌（MD）共3 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，共9 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積15m×5m，小區(qū)四周設(shè)保護(hù)行。 播種后于種植行兩側(cè)開溝深施用緩釋肥(N-P2O5-K2O 為26%-11%-11%)，用量為750kg·hm-2，生育期內(nèi)不再追肥。 采用由新疆天業(yè)公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲式薄壁滴灌帶， 滴灌帶管徑16mm，滴頭流量1．38L·h-1，滴頭間距30cm，滴灌帶鋪設(shè)于玉米種植行窄行間，滴灌帶的1 條毛管灌溉2 行作物。 其中，膜下滴灌處理下滴灌帶表層僅覆膜，不覆土；無膜滴灌處理下滴灌帶表層既不覆膜，也不覆土；淺埋滴灌處理下滴灌帶表層不覆膜，僅覆土3～5cm。 各試驗(yàn)小區(qū)中分別在窄行中、兩株春玉米間及寬行中3 個(gè)位置布設(shè)Trime 測(cè)管，膜下滴灌春玉米種植模式如圖2，淺埋滴灌和無膜滴灌春玉米種植模式與膜下滴灌一致。本試驗(yàn)分別在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期均以田間持水率（FC）的70%（±2%）作為灌水下限。各處理不同生育時(shí)期灌溉制度見表1。

圖1 生育期內(nèi)降水量分布Figure 1 Precipitation distribution during the growing period of maize

圖2 玉米膜下滴灌種植模式Figure 2 Mulched drip irrigation planting pattern of maize

表1 不同滴灌處理生育期灌溉制度Table 1 Irrigation regimes of different drip irrigationtreatments during the growing periods of maize

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 出苗率測(cè)定 出苗以葉片露出表土2cm 為準(zhǔn)，播種后7d 開始觀測(cè)，14d 后結(jié)束。

1.3.2 株高、葉面積及籽粒灌漿 進(jìn)程測(cè)定與模擬苗期開始每隔15d 選取各小區(qū)的5 株作為樣本，并進(jìn)行標(biāo)記，用卷尺測(cè)量株高以及選定植株上所有有效葉片的最大長和寬，并推算出葉面積指數(shù)。 授粉后，每5d 取各小區(qū)的3 個(gè)果穗，每個(gè)果穗均勻取3 行籽粒，在80℃烘干至恒重后計(jì)數(shù)并稱重[13]。

生育期內(nèi)株高動(dòng)態(tài)變化過程擬合方程為：

式中：y 為株高（cm）；ym為株高的終極生長量（cm）；a、b 均為參變量；t 為播種后的時(shí)間（d）；通過對(duì)原式二階求導(dǎo)得ym·4-1為株高最大增長速率，(lna)·b-1為此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)擬合方程：

式中：y 為葉面積指數(shù)；y′m為葉面積指數(shù)的終極生長量；a′、b′、c′為參變量；t 為播種后的時(shí)間（d）；通過對(duì)原式二階求導(dǎo)得ym·[1+e(a′-b′2·)（4a′)-1+c′]-1為葉面積指數(shù)最大增長率，·（2a′）-1為此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

籽粒灌漿過程擬合方程為：

式中：y″為粒重（g）；y″m為粒重的終極生長量（g）；a″、b″均為參變量；t′為授粉后時(shí)間（d）；通過對(duì)原式二階求導(dǎo)得b″·y″m·2-1為最大灌漿速率，（lna″）·b″-1此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

1.3.3 土壤水分測(cè)定 從播種前開始，每隔7d 采用時(shí)域反射儀測(cè)定0～120cm 土壤含水量，每隔10cm 一層，直至收獲后結(jié)束。

1.3.4 產(chǎn)量測(cè)定 收獲時(shí)取每個(gè)小區(qū)中間20m2考種計(jì)產(chǎn)，并折算成14%籽粒含水量產(chǎn)量。

1.3.5 耗水量及水分利用效率測(cè)定 水分利用效率為產(chǎn)量與耗水量的比值，耗水量通過水量平衡公式計(jì)算：

式中：ET 為農(nóng)田耗水量（mm）；ΔW 為時(shí)段內(nèi)土壤貯水消耗量（mm）；P 為降水量（mm）；I 為灌水定額（mm）；K 為地下水補(bǔ)給量（mm）；U 為滲漏量（mm）；R 為地表徑流量（mm）。 由于本試驗(yàn)地塊平坦，小區(qū)四周圍壟，地下水埋深大于8m，故視為無地表徑流、滲漏和地下水補(bǔ)給。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌方式對(duì)出苗率的影響

遼寧西部抗旱春播最重要的任務(wù)是提高作物的出苗率、使苗全苗壯[14]。 由表2 可知，各處理在苗期0～40cm土層土壤含水量由高到低依次為膜下滴灌＞淺埋滴灌＞無膜滴灌，淺埋滴灌處理下春玉米出苗率比無膜滴灌提高2．81%，比膜下滴灌降低3．95%。 說明淺埋滴灌與無膜滴灌相比，對(duì)春玉米出苗更有利，但不如膜下滴灌的保苗效果。 這是由于膜下滴灌的保水性能高于淺埋滴灌，而淺埋滴灌的保水性能高于無膜滴灌，從而表現(xiàn)出了保水性能越好，出苗率越高的趨勢(shì)。

2.2 不同滴灌方式對(duì)春玉米生長動(dòng)態(tài)的影響

2.2.1 春玉米株高和葉面積動(dòng)態(tài)變化特征 株高和葉面積指數(shù)是描述玉米生長的重要指標(biāo)， 分別表示玉米垂直和水平生長能力，與產(chǎn)量密切相關(guān)[15]。為了定量研究春玉米整個(gè)生育期的株高、葉面積動(dòng)態(tài)變化特征，分別采用Logistic 和修正的Logistic 方程擬合株高、葉面積動(dòng)態(tài)變化，其中，兩個(gè)指標(biāo)的決定系數(shù)R2均大于0．98，表明Logistic 和修正的Logistic 方程能很好的擬合春玉米株高、葉面積動(dòng)態(tài)變化。 由表3 和圖3 可知，春玉米株高整體趨勢(shì)從播種后開始快速增長，并在播后80d 的灌漿期達(dá)到最大，此后緩慢增長，直至成熟期結(jié)束。 而株高增長率達(dá)到最大的時(shí)間在播后40～45d，即拔節(jié)期，說明拔節(jié)期是向上生長最快的時(shí)期。淺埋滴灌春玉米最大株高比無膜滴灌高8．12cm，比膜下滴灌高11．02cm，表明淺埋滴灌對(duì)株高的影響較大。 淺埋滴灌株高達(dá)到最大增長速率的時(shí)間比無膜滴灌提前1d，比膜下滴灌延遲4d，增長率最大值比無膜滴灌高2．77%，比膜下滴灌低15．01%。 可知膜下滴灌和淺埋滴灌均可以促進(jìn)玉米生長前期的生長，快速達(dá)到株高最大值，但膜下滴灌要大于淺埋滴灌。由表4 和圖4 可知，葉面積指數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)與株高相似，都在灌漿期達(dá)到最大，后期由于葉片枯萎，逐漸減小。 對(duì)不同處理各生育期的葉面積指數(shù)進(jìn)行比較，由高到低的順序依次為：膜下滴灌＞淺埋滴灌＞無膜滴灌；其中，淺埋滴灌最大值比無膜滴灌提高3．88%，比膜下滴灌降低9．10%。 可見，淺埋滴灌春玉米整體長勢(shì)優(yōu)于無膜滴灌這是由于膜下滴灌春玉米存在生育后期早衰現(xiàn)象，且在砂壤土上表現(xiàn)的更為明顯。

2.2.2 籽粒灌漿過程動(dòng)態(tài)變化特征 灌漿是玉米籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)形成的重要保證[16]。 在與產(chǎn)量潛力相關(guān)的農(nóng)藝性狀中，灌漿過程是影響籽粒大小和最終產(chǎn)量的重要因素[17]。為了定量描述春玉米籽粒灌漿過程動(dòng)態(tài)變化特征，利用Logistic 方程擬合籽粒灌漿進(jìn)程，決定系數(shù)均為0．99，擬合效果較好。 由表5 和圖5 可知，淺埋滴灌下粒重高于無膜滴灌，最大值提高3．88%，低于膜下滴灌，降低1．35%。 淺埋滴灌粒重增長率最大時(shí)間比無膜滴灌提前3d，最大值提高14．22%，比膜下滴灌延遲1d，最大值降低0．43%。 可見，淺埋滴灌對(duì)提高春玉米粒重及粒重增長率有明顯效果，這是由于淺埋滴灌采用滴灌帶淺埋于地表的方式，在發(fā)揮節(jié)水作用的同時(shí)，也避免了膜下滴灌導(dǎo)致的生育后期根冠早衰的問題，使得籽粒的灌漿時(shí)間得以延長。

表2 不同滴灌處理春玉米出苗率Table 2 Seedling emergence rate of spring maize treated by different drip irrigations

表3 Logistic 方程的擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of Logistic equation

表4 修正的Logistic 方程的擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters of the modified Logistic equation

圖3 春玉米株高隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Figure 3 The variation trend of spring maize plant height with time

圖4 春玉米葉面積指數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Figure 4 The change trend of leaf area index of spring maize with time

表5 Logistic 方程的擬合參數(shù)Table 5 Fitting parameters of Logistic equation

2.3 不同滴灌方式對(duì)春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表6 可知，淺埋滴灌處理產(chǎn)量達(dá)11962．54kg·hm-2，較無膜滴灌處理的10922．08kg·hm-2增產(chǎn)9．53%，較膜下滴灌處理的11502．45kg·hm-2增產(chǎn)4．00%。 淺埋滴灌處理的各產(chǎn)量構(gòu)成要素指標(biāo)值較無膜滴灌增加9．73%、1．18%、15．49%、4．24%、5．43%，較膜下滴灌分別增加5．18%、0．18%、8．20%、1．68%、-1．84%，均與產(chǎn)量變化基本一致，表明表6 中所示指標(biāo)都會(huì)影響籽粒產(chǎn)量。由表7 可知，產(chǎn)量對(duì)其構(gòu)成因素相關(guān)性由大到小依次為穗粒數(shù)、穗長、有效穗數(shù)、穗粗、百粒重。 其中淺埋滴灌產(chǎn)量顯著高于無膜滴灌，且與膜下滴灌差異不顯著，表明淺埋滴灌的增產(chǎn)效果明顯。其增產(chǎn)的原因是淺埋滴灌與無膜滴灌相比滴灌帶表層覆土， 對(duì)灌溉水分蒸發(fā)的阻礙作用，使得根區(qū)土層得以蓄水保墑，能更有效地供給春玉米生長發(fā)育所需要的水分，為生長發(fā)育創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境條件，進(jìn)而提高春玉米產(chǎn)量。 而膜下滴灌由于地膜覆蓋對(duì)降雨入滲的阻礙作用，使得降雨不能更有效地被根系吸收利用[18]，導(dǎo)致產(chǎn)量不如淺埋滴灌處理。

2.4 不同滴灌方式對(duì)春玉米水分利用效率的影響

由表8 可知，不同處理間耗水量無膜滴灌最高，其次是淺埋滴灌和膜下滴灌，其中淺埋滴灌耗水量較無膜滴灌減少2．83%，較膜下滴灌增加4．59%，表明淺埋滴灌具有良好的保水性能，但膜下滴灌的保水性能更好。 灌溉水利用效率（IWUE）由高到低順序依次表現(xiàn)為：膜下滴灌＞淺埋滴灌＞無膜滴灌，其中淺埋滴灌的灌溉水利用效率較無膜滴灌處理提高20．11%，較膜下滴灌處理降低11．74%，究其原因主要是不同滴灌方式具有不同的節(jié)水效應(yīng)，淺埋滴灌的保水性能高于無膜滴灌，但低于膜下滴灌。 從水分利用效率（WUE）的結(jié)果來看，淺埋滴灌的水分利用效率較無膜滴灌處理提高12．67%，較膜下滴灌處理降低0．59%。 水分利用效率提高的原因在于無膜滴灌處理土壤表面的蒸發(fā)量大，耗水量較大，且無膜滴灌有利于滴灌點(diǎn)附近雜草的生長，其與春玉米存在競爭關(guān)系，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，造成水分利用效率降低[19]。而淺埋滴灌將水分輸送到土壤表層以下，可以降低水分的無效損失，抑制雜草生長，提高產(chǎn)量，因而水分利用效率提高[20]。

圖5 春玉米籽粒增重變化趨勢(shì)Figure 5 Variation trend of grain weight gain in spring maize

表6 春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Table 6 Spring maize yield and its components

表7 春玉米產(chǎn)量對(duì)其構(gòu)成要素的相關(guān)分析Table 7 Correlation analysis of spring maize yield to its constituent elements

表8 滴灌方式對(duì)春玉米水分利用效率的影響Table 8 Effects of drip irrigation on water consumption and water use efficiency of spring maize

2.5 不同滴灌方式經(jīng)濟(jì)效益比較分析

對(duì)3 種不同滴灌方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益的比較分析，以便從中選擇最佳滴灌方案。不同滴灌處理下經(jīng)濟(jì)效益分析見表9。 由表9 可知，除去滴灌帶的管帶投入與機(jī)井供水的配套成本，春玉米淺埋滴灌和無膜滴灌與膜下滴灌相比減少了地膜等相關(guān)的生產(chǎn)資料及人工費(fèi)用的投入，很大程度上降低了生產(chǎn)成本。淺埋滴灌的凈效益比無膜滴灌增加37．74%，比膜下滴灌增加25．24%。 綜合認(rèn)為，在遼西半干旱地區(qū)，淺埋滴灌可以達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)、增效的目的，并解決了膜下滴灌造成的環(huán)境污染問題，經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益較優(yōu)。

表9 不同滴灌處理對(duì)比試驗(yàn)示范效益分析Table 9 Comparative experimental and demonstration benefit analysis of different drip irrigation treatments 元·hm-2

3 討論與結(jié)論

不同滴灌方式由于灌溉設(shè)施配置方式及灌溉定額不同具有不同的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)。研究表明，膜下滴灌與無膜滴灌相比可以保持水分，玉米產(chǎn)量會(huì)有效提高。原因在于覆膜技術(shù)可以增高溫度，也可以保墑，使玉米獲得更好的水熱條件，從而提高了產(chǎn)量和水分利用效率[21]。也有研究表明，膜下滴灌可以使玉米前期的土壤溫度升高，促進(jìn)玉米苗期的生長發(fā)育，但在生育后期限制了根系的生長，降低了玉米的蒸散量和水分利用效率[22]。 前人關(guān)于膜下滴灌對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率影響的結(jié)論不一，這可能和不同的研究地區(qū)的水熱條件不同有關(guān)。在遼西地區(qū)，春玉米全生育期積溫基本能夠滿足春玉米生長發(fā)育的要求，土壤季節(jié)性干旱是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制性因素。除此之外，膜下滴灌技術(shù)由于覆蓋地表，使降水無法及時(shí)入滲，一定程度上導(dǎo)致膜下滴灌無水可保。與此同時(shí)，膜下滴灌技術(shù)還存在著增加地膜投入、出苗期引苗、秋收后地膜回收不徹底造成的白色污染與阻礙春玉米對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分吸收等問題，從而影響了春玉米膜下滴灌技術(shù)的大規(guī)模推廣[23]。從本試驗(yàn)結(jié)果來看，淺埋滴灌處理春玉米產(chǎn)量要高于膜下滴灌和無膜滴灌，究其原因主要是，淺埋滴灌表面不覆膜且滴灌帶埋于地表以下，避免了膜下滴灌春玉米后期根冠早衰問題和無膜滴灌灌溉水蒸散損失大的問題，使得春玉米灌漿時(shí)間得以延長，水資源得到充分有效的利用。 此外，淺埋滴灌由于表面不覆膜，出苗比膜下滴灌更整齊，成苗率高，使得二者有效穗數(shù)有差異，這也是淺埋滴灌產(chǎn)量高于膜下滴灌的原因之一。 當(dāng)然，本研究結(jié)果僅為2019 年豐水年景條件下的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于干旱年景下的試驗(yàn)還有待做進(jìn)一步探討。

本研究結(jié)果表明，淺埋滴灌有利于春玉米的出苗，出苗率較無膜滴灌提高2．81%，較膜下滴灌降低3．95%；淺埋滴灌促進(jìn)了春玉米的生長，增加了最大株高、葉面積指數(shù)；春玉米粒重較無膜滴灌提高3．88%，較膜下滴灌粒重降低1．35%，有利于灌漿籽粒的形成；產(chǎn)量達(dá)11962．54kg·hm-2，較無膜滴灌顯著增產(chǎn)9．53%，較膜下滴灌增產(chǎn)4．00%，淺埋滴灌與膜下滴灌相比產(chǎn)量差異不顯著；水分利用效率較無膜滴灌提高12．67%，較膜下滴灌降低0．59%；淺埋滴灌的凈效益比無膜滴灌增加37．74%，比膜下滴灌增加25．24%。 總的來說，淺埋滴灌技術(shù)解決了膜下滴灌春玉米出苗期引苗問題，也避免了殘膜的環(huán)境污染問題，能更好實(shí)現(xiàn)節(jié)水、增產(chǎn)、增效的目標(biāo)，是遼西半干旱區(qū)及類似地區(qū)高產(chǎn)栽培適宜的高效節(jié)水灌溉技術(shù)。

致謝：本試驗(yàn)在完成過程中得到國家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站的大力支持。遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院孫占祥研究員、馮良山研究員和張哲站長對(duì)本研究提供了很多幫助，在此一并致謝！