土壤水分調控對滴灌青貯玉米作物系數和水分利用效率的影響

佟長福，李和平，石祥芝，曹雪松，羅鵬懷，李生眾

（1.水利部牧區(qū)水利科學研究所，呼和浩特010020；2.呼倫貝爾市水利局，內蒙古呼倫貝爾021008；3.烏審旗水利局，內蒙古鄂爾多斯017300；4.內蒙古通遼市科爾沁區(qū)莫力廟灌區(qū)管理所，內蒙古通遼028031）

青貯玉米是全株刈割用于青貯飼喂牲畜的飼用型玉米，其營養(yǎng)豐富、消化率較高，粗蛋白質含量可達3%以上，含有豐富的糖類[1]。它生長迅速，可獲得較多的莖葉產量，是養(yǎng)殖業(yè)不可缺少的基礎飼料。種植青貯玉米不僅為發(fā)展現代畜牧業(yè)提供了大量優(yōu)質飼料，而且有利于種植業(yè)結構調整，解決畜牧業(yè)發(fā)展中青貯飼料短缺的有效途徑。同時，是穩(wěn)定畜牧業(yè)生產、發(fā)展農業(yè)循環(huán)經濟、促進農牧民增收的有效途徑之一，對草畜一體化轉型升級、實施奶業(yè)振興和促進農業(yè)供給側結構性改革具有重要意義[2]。

隨著畜牧業(yè)迅速發(fā)展，對青貯玉米等飼料的需求日益增大，為提高青貯玉米產量及經濟效益，增加農牧民收入，研究青貯玉米節(jié)水高效技術顯得尤為重要[3]。申孝軍等[4]采用人工控水試驗研究了不同水分處理對青貯玉米生長、產量、耗水量以及水分利用效率的影響；范曉慧[5]研究認為青貯玉米在任何一個階段發(fā)生水分脅迫，都會使植株的高度、葉面積和最終產量比充分灌溉狀態(tài)時的小；田建柯[6]等研究了灌水量及灌水頻率對玉米生長和水分利用的影響；焦炳忠等[7]研究了不同灌溉定額對膜側玉米生長及水分利用效率的影響；段震宇[8]研究了不同灌水期對青貯玉米農藝性狀及產量形成的影響；張仔羅等[9]認為灌溉量對滴灌小麥—青貯玉米復播體系蒸發(fā)蒸騰量值及作物系數值影響顯著，灌溉量越大，蒸發(fā)蒸騰量值和作物系數值越大；蒙強等[10]研究了不同水分處理的春青稞產量及水分利用效率均隨水分調控下限的降低呈現出先升高后降低趨勢。目前，對滴灌青貯玉米的作物系數和水分利用效率研究涉及較少。因此，本文開展了滴灌青貯玉米田間試驗研究，探索了滴灌條件下不同水分調控對青貯玉米作物系數和水分利用效率影響，有效提高了水分利用效率，從而能保證有限的水資源得到充分利用，為當地青貯玉米的灌溉管理提供了依據[11]。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于錫林浩特市沃元奶牛場（44°00'56.5″N，116°06'55.4″E，海拔978 m），距市區(qū)6 km。多年平均降水量269 mm，年內分配極不均衡，7-8月降水量占全年降水總量的70%；蒸發(fā)量1 863 mm（20 cm 蒸發(fā)皿）；平均氣溫2.3 ℃，極端最高氣溫39.2 ℃，極端最低氣溫-42.4 ℃；風速為3.4 m/s，最大風速為29 m/s，最大凍土深度2.9 m。供試土壤以栗鈣土為主，土壤鉀元素含量相對較高，而氮和磷含量較低，有機質含量在2%～3%之間，全氮含量低于10%。土壤0～100 cm 平均容重為1.66 g/cm3，田間持水量為14.3%（占干土重）[12-14]。

1.2 試驗材料與試驗設計

試驗材料為龍單38 號。試驗共設8 個處理，每個處理重復2次。灌溉方式為滴灌，采用控制土壤含水率下限的方法進行灌溉（表1），上限為田間持水率的90%，每個處理安裝水表嚴格控制灌水量。每個處理的試驗區(qū)面積均為19 m×15 m，每個試驗區(qū)設保護區(qū)隔離，以避免相互影響，試驗區(qū)面積為0.91 hm2。選用內鑲貼片式滴灌帶，毛管直徑16 mm，壁厚0.2 mm，滴頭間距300 mm，滴頭流量2.2 L/h[15]；滴灌帶平行于青貯玉米種植方向鋪設，間距為60 cm。除灌水外，各處理農業(yè)技術措施保持一致，每個處理施肥量按照當地正常的使用量，播種時施有機肥22 500～30 000 kg/hm2，6月底和7月中旬分別追尿素225～300 kg/hm2。本文耗水量的計算采用水量平衡原理，其中地下水埋深為25 m，不考慮地下水的補給量。

表1 青貯玉米土壤含水率下限控制（占田間持水率） %Tab.1 Control index lower of soil moisture content of silage maize(percent of field capacity)

1.3 有效降雨量與灌水量

1.3.1 有效降雨量

根據文獻[16]，有效降雨量采用下面公式計算：

式中：Pe為有效降雨量，mm；α為有效降雨系數；P為一次降雨量，mm；當P≤5mm 時，α=0；當5＜P≤30mm 時，α=1.0；當30＜P≤50mm 時，α=0.8；當50＜P≤100mm時，α=0.7；當P＞100mm時，α=0.6。

青貯玉米2011年和2012年不同生育階段有效降水量見表2。

表2 2011-2012年青貯玉米不同生育階段有效降雨量 mmTab.2 Effective precipitation in different fertility stages of silage maize in 2011-2012

1.3.2 灌水量

參照前期研究[16]，青貯玉米2011年和2012年灌水量見表3。

1.4 觀測內容與方法

1.4.1 土壤含水率的測定

試驗觀測從2011年5月至2012年10月，采用土壤水分監(jiān)測儀PR2和烘干法每隔10 d（灌水和降雨前后加測）測定一次土壤含水率，測定土壤層次為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60和60～100 cm，設2次重復[17]。

表3 2011-201年青貯玉米不同處理灌水量 mmTab.3 Irrigation of silage maize under different treatment in 2011-2012

1.4.2 產量的測定

采用樣方法測定地上部分青貯玉米產量，樣方面積為1.5 m×1.5 m，每個處理重復3 次，取其平均值，然后計算得出不同處理每公頃的產量。

1.4.3 耗水量計算

青貯玉米耗水量根據水量平衡原理計算[18]，見公式（2）。

式中：ETa為生育階段耗水量，mm；M為生育階段灌溉水量，mm；P0為生育階段有效降雨量，mm；Wr為生育階段由于計劃濕潤層增加而增加的水量（生育階段無變化，則Wr=0），mm；K為地下水補給量（地下水埋深為25 m，K=0），mm；ΔW為生育階段土壤計劃濕潤層內的儲水量，mm。

1.4.4 參考作物騰發(fā)量和作物系數

采用標準化、統(tǒng)一化后FAO（聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織）Penman-Monteith 公式計算參考作物騰發(fā)量[19]（氣象數據來源2011年5月23日-9月7日，2012年5月10日-8月29日的田間氣象站）：

式中：ETo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為凈輻射，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；u2為2 m高度處風速，m/s；es為平均飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為濕度計常數，kPa/℃。

1.4.5 青貯玉米作物系數與水分利用效率

青貯玉米作物系數為全生育期實際耗水量與參考作物騰發(fā)量比值，采用公式（4）計算：

式中：KC為作物系數；ETa為青貯玉米全生育期實際耗水量，mm。

青貯玉米水分利用效率是消耗單位水量的產出，其值等于青貯玉米產量與耗水量比，采用公式（5）計算：

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為青貯玉米產量，kg/hm2。

2 結果分析與討論

2.1 不同灌水處理土壤水分變化

土壤含水率的水平變化是指作物不同時期不同層次土壤含水率的動態(tài)變化。本文以2011年5-10月的試驗監(jiān)測數據（0～60 cm 土層均值）分析不同灌水處理青貯玉米全生育期土壤水分變化，從圖1中可知：不同灌水處理的土壤含水率變化趨勢相同。6月初土壤含水率較低，青貯玉米剛剛播種，該時期降水稀少而氣溫逐漸升高，水分供需矛盾突出，故此期為春夏失墑期；7月中下旬各土層的土壤含水率均較其他時段高，Q1 處理土壤含水率達到最大，因為土壤水分來源主要是降雨和灌水所致，到7月下旬以后，溫度迅速升高，青貯玉米也逐漸進入生長速率較高的生長發(fā)育階段，植物對水分的利用和需水量也隨著增加，土壤水分蒸發(fā)損失增大，土壤含水率急劇下降；8月上旬土壤含水率降到最低，此后由于灌溉使土壤含水率逐漸升高；8月中下旬到收割前不進行灌溉，土壤含水率逐漸降低[20]。

土壤儲水量根據2011-2012年試驗監(jiān)測數據由土壤含水率分層計算得出。不同灌水處理青貯玉米0～60 cm土層的土壤儲水量變化見圖2。

從圖2可知：Q1、Q2 和Q3 這3 個處理的土壤儲水量較小，因為3個處理的灌水量較其他處理大，土壤水分消耗主要是降雨和灌溉水；其他處理灌水量小，土壤水分消耗主要是降雨、灌溉水和土壤儲水。

2.2 不同土壤水分調控對青貯玉米產量的影響

水分虧缺對青貯玉米生態(tài)性狀和生理活動的影響最終反映在產量上，不同生育階段發(fā)生水分脅迫時，對產量影響機理是不同的。本研究對不同灌溉水平條件下青貯玉米的產量進行了分析[21]。

青貯玉米生長發(fā)育的各個階段，水分脅迫均會引起一系列的不良后果，其中最明顯的影響是植株的大小、葉面積和作物產量下降。不同土壤水分調控對青貯玉米產量的影響（以2012年為例）見圖3。從圖中可知：Q1對照處理產量最大為64 980 kg/hm2，其次是苗期受旱（Q2）處理為57 765 kg/hm2，減產率為11.1%；苗期-拔節(jié)期受旱（Q5）處理產量為38 205 kg/hm2，比對照處理減產26 775 kg/hm2，減產率為41.2%；拔節(jié)-抽雄期受旱（Q7）處理產量最小為37 830 kg/hm2，比對照處理減產27 150 kg/hm2，減產率為41.8%；抽雄-收割受旱（Q8）處理產量為46 050 kg/hm2，比對照處理減產18 930 kg/hm2，減產率為29.1%。

通過以上分析可知：青貯玉米苗期受旱處理減產率最小為11.1%，應進行灌溉補墑；進入拔節(jié)-抽雄期植株生長旺盛，是青貯玉米株體形成的重要時期，土壤水分供應充足，有利于植株健壯生長，積累更多的干物質，為后期的生殖生長奠定良好基礎，該階段受旱，減產率最大達到41.8%，可見該階段為青貯玉米需水的關鍵期；抽雄-收割期，青貯玉米由營養(yǎng)生長向生殖生長過渡，葉面積指數和蒸騰均達到其一生中的最高值，生殖生長和體內新陳代謝旺盛，同時進入開花和授粉階段，為青貯玉米生產效率最高期，該階段受旱，減產率達到29.1%。

2.3 不同土壤水分調控對青貯玉米耗水強度的影響

根據公式（2）得出青貯玉米全生育期內耗水強度見表4。從表4可知：青貯玉米每個處理的耗水強度趨勢一致，均是先由低到高，然后再由高到低變化。苗期植株幼小，地面覆蓋度低，其水分消耗以地面蒸發(fā)為主，因此該階段耗水強度較低，處于2.56～3.29 mm/d之間；拔節(jié)期以后，營養(yǎng)生長加快，植株蒸騰速率增加較快，耗水強度快速增大，在2.71～4.37 mm/d 之間；拔節(jié)-抽雄階段，青貯玉米的株高和葉面積均達到最大，同時恰好處在一年中氣溫最高的季節(jié)，耗水強度也處于最高階段，處于2.19～5.90 mm/d 之間，是青貯玉米需水關鍵期；抽雄-收割階段，由于氣溫逐漸降低，葉片蒸騰活力降低，耗水強度逐漸減小，Q6、Q7 和Q8 等3 個處理，在拔節(jié)-抽雄階段，耗水強度比苗期的小，這是由于灌水原因所致。從上面分析可知，青貯玉米的需水敏感期為拔節(jié)-抽雄期，因此，在拔節(jié)-抽雄期灌水，對確保青貯玉米需水和獲得較高的產量尤為重要。

表4 2011-2012年青貯玉米不同處理各生育階段耗水強度mm/dTab.4 Water consumption intensity of silage maize at different growth stages under each treatment in 2011-2012

2.4 不同土壤水分調控下青貯玉米產量與全生育期耗水量的關系

根據2011-2012年的實測資料（剔除處理間差異不顯著數據），點繪產量與全生育期耗水量的關系圖（見圖4），二者之間呈現出二次拋物線關系，相關性較高，其回歸方程為：

從圖4可知：青貯玉米產量隨著耗水量的增加而增加，但耗水量到達一定程度時，產量增加緩慢，開始呈現出“報酬遞減”現象。

2.5 不同土壤水分調控對青貯玉米作物系數的影響

作物系數是作物本身生物學特性的反映，它與作物的種類、品種、生育期、作物生長狀況有關。通過上面試驗結果分析，Q1 處理產量最高，因此以該灌水處理為典型處理分析計算作物系數。

從表5可知：青貯玉米各生育階段作物系數呈現出先由低到高，然后再由高到低的變化趨勢。青貯玉米在生長初始階段，耗水量（ETa）主要以棵間蒸發(fā)為主，青貯玉米蒸騰量較小，ETa值接近參考作物騰發(fā)量，二者比值（即作物系數Kc）也較?。浑S青貯玉米生長，植株逐漸長大，葉面積指數逐漸增大，ETa主要以青貯玉米植株蒸騰為主，ETa值逐漸增大且大于ET0，作物系數Kc逐漸增大；到拔節(jié)-抽雄期達到最大值；進入抽雄-收割期，耗水量ETa減少，作物系數又開始減小，整個生育期的作物系數呈現出二次拋物線形。

表5 2011-2012年典型灌水處理（Q1）青貯玉米作物系數Tab.5 Crop coefficient of silage maize with typical irrigation（Q1）in 2011-2012

限于篇幅，本文給出其他處理作物系數（2011-2012年均值）見表6。從表6可知：不同水分處理的青貯玉米各生育階段作物系數變化趨勢同Q1處理。

表6 不同灌水處理青貯玉米作物系數（2011、2012年均值）Tab.6 Crop coefficient of silage maize with different irrigation treatment（Average in 2011 and 2012）

2.6 不同土壤水分調控對青貯玉米水分利用效率的影響

根據2011年和2012年的試驗資料，利用公式（5）計算出不同水分調控下青貯玉米水分利用效率見圖5。

從圖5可知：2011年的水分利用效率大于2012年，是由這2 個年度的氣象因素和灌水差異所致。2011年的水分利用效率最大值為Q2 處理，但不是灌水量最大的處理，水分利用效率最小值為Q8 處理，二者相差57.6%，而灌水量相差77.6%；Q3、Q4 和Q5 處理的水分利用效率和Q2 處理差距不大，灌水量差距分別為17.2%、30.5%和42.8%，由此可見Q5處理為最佳的灌水處理。2012年水分利用效率各處理間差異較小，由于降雨量較大導致灌水量差異較小，灌水量最大與最小處理間相差80 mm；水分利用效率最大為Q1 處理，亦是灌水量最大的處理。因此，根據有效降雨量和灌水量，可以推測在降水量較大的年份灌水量大的處理其水分利用效率較大。

3 結 論

（1）不同水分調控對青貯玉米產量產生了不同程度的負面影響，這種影響隨著水分脅迫時間的延長和脅迫程度的加劇而愈加嚴重。

（2）青貯玉米耗水量與產量關系呈現出二次拋物線關系，青貯玉米產量隨著耗水量的增加而增加，但耗水量到達一定程度時，產量增加緩慢，開始呈現出“報酬遞減”現象。

（3）青貯玉米各生育階段作物系數變化趨勢為低-高-低，到拔節(jié)-抽雄期時達到最高，然后逐漸降低，整個生育期的作物系數變化呈二次拋物線形。

（4）不同降水量與水分調控條件下，降水量較小的年份，灌水量對青貯玉米水分利用效率影響較明顯；降水量較大的年份，灌水量對青貯玉米水分利用效率影響不大。