限額補灌對黃淮平原夏玉米水分利用及產量的影響

邱新強，張明智，2，張玉順，王 敏，秦海霞，路振廣

（1.河南省水利科學研究院河南省節(jié)水灌溉工程技術研究中心，鄭州450003；2.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，西安710048）

0 引言

黃淮平原是全國重要的夏玉米主產區(qū)和高產區(qū)。受季風性氣候影響，該地區(qū)夏玉米生育期內恰逢雨季，正常年份基本不需要灌溉，但由于特定生育期內雨熱不同步，需求不協(xié)調，導致階段性干旱時有發(fā)生[1]。自20世紀60年代以來的近50年間，該地區(qū)夏玉米各等級干旱頻率以輕旱最為明顯，發(fā)生頻率多為5年一遇至3年一遇[2]，夏玉米灌溉用水仍占農業(yè)用水的30%～40%[3,4]。因此，以高產兼顧高水分生產率為目標，尋求具體可操作的夏玉米節(jié)水高效灌溉控制指標，不僅有助于降低干旱及農業(yè)水資源短缺所造成的糧食減產風險，且能夠實現(xiàn)農業(yè)水資源的高效利用，促進當地農業(yè)用水可持續(xù)發(fā)展。

作物生長離不開水分，為了滿足作物生長的要求，需要用人為的方法來適時適量地補充天然降水的不足[5]。目前已有相關研究多基于作物水分生產函數，尋求有限水量對作物產量貢獻最大的生育時段，以確保獲得總產量和效益最佳，或者追求有限水量條件下的產量損失最小。灌水定額優(yōu)化是實現(xiàn)作物非充分灌溉的基礎，旱后恰當的灌水量有助于加快植物恢復速度[6]，而特定生育階段的灌水定額增加不僅對增產無益，而且浪費水量[7]。在特定范圍內，灌溉定額的增加對夏玉米的籽粒產量形成具有正效應，但灌溉定額的增加與其水分利用效率的提高并不完全同步，在低灌溉定額時仍能獲得較高的水分利用效率[8-10]。正常生產條件下，苗期灌水定額增加對夏玉米生長發(fā)育及產量的影響不大，但會明顯增加苗期耗水[7]，而拔節(jié)期受輕旱后及時復水仍可保證夏玉米正常生長[10,11]。總之，較大灌水定額造成深層滲漏損失加大，田間水利用系數較小，而減小灌水定額是提高灌溉水利用率的有效途徑之一?；诖?，擬通過測坑控制試驗，對低定額補灌的可行性，以及節(jié)水高產目標下合理灌水定額的合理選擇進行分析，以期為該地區(qū)夏玉米節(jié)水高效灌溉制度的制定提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于許昌市灌溉試驗站基地（113°24'E，34°76'N）內帶有電動防雨棚的有底測坑（長×寬×高=3.6 m×2.4 m×2 m）中進行。試驗區(qū)屬北溫帶大陸性季風氣候，海拔85.0 m；多年平均氣溫14.7 ℃，年平均降雨量698 mm，8-10月降水量占全年降水量的65%以上，無霜期216.4 d，全年日照時間約2 183 h。土壤為中壤土，1 m土層平均干容重為1.53 g/cm3，田間持水量為25.40%（重量含水率），淺層地下水埋深30～40 m。

供試品種為“宇玉30”，人工點播，每穴點2～3 粒，每個測坑種5行，每行10株，行距48 cm，株距36 cm，密度5.8 萬株/hm2。兩季夏玉米分別于2016年6月13日、2017年6月7日播種，均于當年9月21日收獲，全生育期分別為101、106 d。播前人工溝施底肥750 kg/hm2（N-P-K=28-6-6），施肥深度15～20 cm，并分別于當年7月16日、7月10日追施尿素300 kg/hm2；播后灌蒙頭水60 mm，灌溉水源為井水，由自計加水機計量。間苗、定苗、除草、病蟲害防治等農事管理均保持一致。

1.2 試驗方案

本試驗主要考慮土壤水分脅迫和灌水定額二因素，脅迫程度通過控制灌水下限來實現(xiàn)（由相對含水量表征），隨機區(qū)組試驗設計。試驗共設置5個灌水定額水平（30、45、60、75和90 mm）和4 個灌水控制下限水平（適宜/CK1、輕旱/LD、中旱/MD 和重旱/CK2）。受限于試驗條件，CK1、CK2 兩處理各設置3 個灌水定額水平（30、75 和90 mm），共16 個處理，2次重復，合計32個處理小區(qū)。各處理苗期、拔節(jié)期、抽雄期和灌漿成熟期的土壤水分控制下限見表1。當計劃濕潤層的土壤水分低于灌水控制下限時，按照既定的灌水定額進行灌溉，各處理實際灌水情況見表1。

1.3 主要觀測項目

（1）采用TRIME-IPH 土壤水分測量系統(tǒng)和取土烘干法測定土壤含水率，深度100 cm，每20 cm 為一層，7～10 d 測一次，灌前、灌后均加測。采用水量平衡法計算作物耗水量。

（2）人工收獲，并考種、測產。考種取樣10 株（10 次重復），觀測百粒重、穗長、穗粗、穗行數、禿尖長等，脫粒后風干觀測產量和百粒重。

（3）利用SPSS 22.0進行均值誤差分析，采用OriginPro 9.0作圖，差異顯著分析采用F檢驗，顯著水平設置為P＜0.05，圖表中數據除特殊標注外均為所有重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同處理下夏玉米的耗水特性分析

不同水分處理條件下夏玉米的階段耗水量見表2。由表2可知，夏玉米全生育期總耗水量分別為142.29～349.08 mm（2016年）、168.88～407.43 mm（2017年），其中CK1 處理的總耗水量均值較CK2 處理分別提高了約77.9%、63.4%。同一水分脅迫水平下，夏玉米的總耗水量基本呈先增加后減小變化；同一灌水定額下，輕旱處理的總耗水量總體較大。

夏玉米的階段耗水量在生育期內總體呈“升高→降低→升高”的波狀變化，其耗水強度則呈單峰曲線變化，其中拔節(jié)期和灌漿成熟期的階段耗水量較高，耗水強度的峰值集中于抽雄期。隨著水分脅迫程度的加劇，夏玉米各階段耗水量普遍呈下降變化，其中灌漿成熟期的降幅最大，苗期變幅總體較小。輕旱條件下，拔節(jié)期、抽雄期與灌漿成熟期的耗水量隨著灌水定額的增加呈單峰曲線變化，其中LD60 和LD75兩處理的耗水量總體較高；中旱條件下，各階段耗水量并未隨灌水定額增加呈現(xiàn)出明顯的趨勢性變化，可能與處理間的灌溉周期差異較大有關。

2.2 不同處理下夏玉米的穗部性狀及產量構成因子變化

由表3和表4可知，夏玉米的果穗長度和直徑分別在15.12～21.36 cm 和3.93～4.90 cm 之間，其穗行數集中于13～15行，禿尖長度則普遍小于2 cm；兩季夏玉米穗粒重、百粒重和出籽率的均值分別為102.3 g（變異系數CV≈19.14%）、31.56 g（CV≈8.80%）和82.25%（CV≈2.05%）。對比可知，隨著水分脅迫程度的加劇，夏玉米果穗長度、直徑、穗行數、穗粒重和百粒重總體呈下降趨勢變化，禿尖長度增加，出籽率變幅則較小。方差分析結果顯示，水分虧缺和灌水定額對兩季夏玉米果穗的長度、直徑、穗粒重以及百粒重均產生顯著影響，禿尖長和出籽率的處理間差異均不顯著。

表3 不同處理下夏玉米的穗部性狀及產量構成因子（2016年）

表4 不同處理下夏玉米的穗部性狀及產量構成因子（2017年）

隨著灌水定額增加，輕旱各處理的果穗長度、直徑、穗粒重和百粒重等指標表現(xiàn)出一定的趨勢線變化，但存在年際間差異，這一現(xiàn)象在中旱各處理間同樣有所體現(xiàn)，而兩季夏玉米穗行數、禿尖長和出籽率的處理間差異普遍不顯著。綜合比較，輕旱水平下LD60 和LD75 兩處理的表現(xiàn)較好，且年際間變異不大；中旱水平下MD45 和MD90 處理的穗部性狀表現(xiàn)較好，但存在一定的年際間差異。

2.3 夏玉米耗水量與產量的關系

2.3.1 夏玉米產量與耗水量之間的關系

不同水分處理條件下夏玉米產量與耗水量的關系見圖1。由圖1 可知，兩季夏玉米產量與耗水量呈顯著的二次函數關系，公式如下：

圖1 夏玉米產量與耗水量關系

式中：Y為夏玉米產量，kg/hm2；ET為夏玉米的總耗水量，mm。

對公式兩邊求導，并令dY/dET=0，可知夏玉米的耗水量為449.0 mm時，其籽粒產量達到峰值，約為7 671.7 kg/hm2。

2.3.2 夏玉米產量與水分利用效率

由表5可知，同一水分虧缺水平下，兩季夏玉米的籽粒產量和耗水量均值分別約為7 384.6 kg/hm2和354.93 mm（CK1）、6 457 kg/hm2和266.13 mm（LD）、5 140.3 kg/hm2和205.58 mm（MD）、4 631.6 kg/hm2和208.75 mm（CK2），可見夏玉米的籽粒產量和耗水量隨著水分脅迫程度的加劇明顯呈下降趨勢變化；此外，灌水定額45～75 mm 處理的籽粒產量總體表現(xiàn)較好，其中灌水定額60 mm 處理的總體表現(xiàn)最優(yōu)且年際間變異最?。–V值低于5.05%）。方差分析結果顯示，水分虧缺和灌水定額對兩季夏玉米籽粒產量和耗水量的影響均已達到顯著水平，二者交互作用對其籽粒產量產生了極顯著影響。值得注意的是，MD90處理的籽粒產量與MD60處理間差異不顯著，且年際間表現(xiàn)穩(wěn)定（CV≈0.64%），可見適度提高灌水定額有助于保證產量，這也為夏玉米在水分虧缺條件下獲得較高WUE奠定了基礎。

本試驗中，兩季夏玉米的WUE分別為2.08～3.14 kg/m3（2016年）和1.68～2.70 kg/m3（2017年）。對比可知，CK1各處理的WUE值總體較低；輕旱處理的WUE均值較CK1處理有所提高，其中LD60 和LD90 兩處理的WUE值總是較高，但二者均存在一定的年際間差異，這主要與其耗水量的年際間差異較大有關；中旱各處理的WUE值總體較高且年際間差異不大，處理間差異均不顯著。隨著灌水定額增加，2016年度各處理的WUE值均呈上升趨勢變化，2017年度則呈波動變化?？傊?，從獲得較高的產量兼顧高WUE角度考慮，本試驗中LD60處理的表現(xiàn)最優(yōu)。

3 討論和結論

水分是保證夏玉米正常生長發(fā)育并獲得產量的關鍵因子，適時適量地灌溉有助于夏玉米實現(xiàn)節(jié)水高產。灌水控制下限作為土壤供給作物可利用水分的臨界值，決定著作物灌水的開始時間和灌水次數，也影響灌水量的確定[12]。根據我國北方各地經驗，作物對土壤水分降低的適應性有相當寬的伸縮幅度，適宜土壤水分下限值可以從65%～70%田間持水率降低到50%～55%田間持水率，作物仍能正常生長，并獲得相當理想的產量，而且使田間耗水減少30%～40%，灌水次數和灌水定額減少一半或者更多。已有研究也證實，苗期適度干旱有利于壯苗和促進根系的深扎[13,14]，當灌水控制下限控制在50%以上水平時，可保證夏玉米獲得較高的產量，WUE也顯著提高[10,15]。本試驗也得到了相同的變化趨勢，但以輕旱各處理的產量和WUE表現(xiàn)最優(yōu)，出現(xiàn)這種差異可能與深松耕的擴容增墑（增加孔隙度、田間持水量和飽和含水量）[16]效果顯著有關。相反，較高的灌水下限使得土壤水分無效消耗增加，降低了作物水分利用效率[16]。

適宜的灌水定額，應以作物需水要求為主，并適當考慮實際灌水的可能性。地面灌溉是當前黃淮平原農田普遍采用的補水措施，孫景生等[17]采用動態(tài)規(guī)劃技術優(yōu)化得出了夏玉米的最優(yōu)灌水時間和灌水定額，提出夏玉米拔節(jié)后的灌水定額為60 mm。本試驗中，LD60 處理可以獲得穩(wěn)定的產量和較高的WUE，且年際間變異不大。也有研究認為，生長后期采用較大的灌水定額，同樣有利于產量形成和水分利用效率提高[10,18,19]，前提是足夠低的灌水控制下限的應用，該思路與黃淮平原地區(qū)夏玉米大田灌溉管理現(xiàn)狀基本吻合。本試驗中，不同灌水定額下夏玉米各處理的WUE在數值上不盡相同，且存在一定的年際間差異，其中灌水定額60 和90 mm 處理的WUE普遍較高。穗粒重是影響產量的關鍵因素，高產玉米品種的單穗粒重為201～300 g 的穗數占群體穗數的比例高達83.05%[20]，本試驗的平均單穗粒重僅為102.3 g，這也是最終籽粒產量總體不高的原因所在，此種情況應與品種特性有較大關系，也從另一方面反映了該品種抗旱性的某些特點?？傊?，綜合考慮生產現(xiàn)狀及夏玉米生育期恰逢雨季這一事實，夏玉米低定額補灌是可行的，但灌水定額不宜小于60 mm；拔節(jié)后遭受輕度水分脅迫時灌水60 mm 可滿足需求，中度以上干旱時建議適當增加灌水量，更有利于夏玉米抗旱穩(wěn)產。