河西地區(qū)滴灌春玉米對不同灌溉決策方法的響應(yīng)

楊睿，范軍亮，賴珍林，許新宇

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

玉米是河西走廊地區(qū)第一大糧食作物，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對于保障糧食安全和提高農(nóng)民的生活質(zhì)量具有重要意義[1-2]．河西走廊氣候干旱，年蒸發(fā)量大[3]，降雨無法滿足作物生長需求，灌水是保證作物高產(chǎn)的必要手段．而河西地區(qū)灌溉水利用效率低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，制定合理的灌溉制度十分必要[4]．

前人已經(jīng)提出了多種用于灌溉決策的方法，例如基于土壤水分、蒸散量、土水勢、植物水分狀態(tài)等的決策方法[5-6]．然而，這些研究結(jié)果因地區(qū)、作物以及方法不同而有所差異．

根據(jù)蒸散量確定灌溉制度是一種廣泛使用的灌溉決策方法．該方法主要通過估算作物蒸散量，當(dāng)作物蒸散量累積超過一定閾值時(shí)觸發(fā)灌溉；又或是確定灌水周期，通過利用氣象數(shù)據(jù)計(jì)算周期內(nèi)作物蒸散量，從而確定灌水量[7-8]．然而，用實(shí)測氣象資料進(jìn)行ET0計(jì)算勢必會(huì)造成補(bǔ)充作物水分的滯后，因此一些學(xué)者將天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后應(yīng)用Pemman-Monteith公式進(jìn)行ET0預(yù)測[9]．此外，一些學(xué)者將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)應(yīng)用到參考作物蒸發(fā)蒸騰量的預(yù)測中，均得到了滿意的結(jié)果[10]．

基于土壤水分和土水勢的灌溉決策方法，是將監(jiān)測值與閾值相比較，從而確定灌水時(shí)間．國內(nèi)外學(xué)者通過設(shè)置不同的水分控制下限處理，探究并制定了包括棉花、枸杞、長棗等不同作物采用膜下滴灌的灌溉制度，效果良好[11]．在確定灌水量方面，通常采用固定水量，或灌至一定的土壤含水量閾值(例如田間持水量)的方法．

目前，國內(nèi)雖然已經(jīng)提出了許多用于灌溉決策的方法，但多是對同一灌溉決策方法下不同水平的研究，無法比較依據(jù)不同灌溉決策方法所制定的灌溉制度之間的優(yōu)劣．此外，對于玉米等糧食作物的增產(chǎn)機(jī)制還缺乏系統(tǒng)研究，尤其是不同灌溉決策方法對作物生長指標(biāo)和生理特性的影響還需要進(jìn)一步探索．針對這些問題，文中研究不同灌溉決策方法對河西地區(qū)春玉米生長、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以期探索適宜河西地區(qū)春玉米生長的灌溉決策方式，為當(dāng)?shù)卮河衩赘弋a(chǎn)高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站(102°51′E，37°50′N)進(jìn)行，海拔1 581 m，為大陸性溫帶干旱氣候．該地區(qū)多年平均氣溫為8 ℃，春玉米生長季(4—9月)年平均降水量約為135.4 mm，年均蒸發(fā)量為2 000 mm．試驗(yàn)區(qū)土壤剖面(0～120 cm)土壤容重為1.52 g/cm3，田間持水量為29%(體積含水量，下同)，凋萎系數(shù)為13%，飽和含水量為42.6%，土壤 pH值約8.22．灌溉水源為礦化度0.71 g/L的地下水，地下水埋深為40 m以上．試驗(yàn)期間日平均氣溫為19.35 ℃，降雨量為98.2 mm．春玉米生育期：苗期(05-01—06-08)、拔節(jié)期(06-09—07-01)、抽雄期(07-02—07-25)、灌漿期(07-26—08-23)、成熟期(08-24—09-14)．

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括3種灌溉決策方法(土壤水分、蒸散量、土水勢)，并依據(jù)3種決策方法設(shè)置10個(gè)灌溉處理．①基于土壤水分的灌溉決策方法設(shè)置了3個(gè)可利用土壤體積含水量(田間持水量和凋萎含水量之差)的比例作為灌水下限[12]，即90%，70%和50%可利用土壤體積含水量(分別用CK，W1，W2表示)，灌水上限均為田間持水量．②基于蒸散量的灌溉決策方法，設(shè)置為每周一灌，過去一周蒸散量通過Pemman-Monteith公式和實(shí)測氣象數(shù)據(jù)計(jì)算(分別用EP100，EP80表示100%和80%過去一周蒸散量)；未來一周蒸散量通過支持向量機(jī)算法建立歷史蒸散量與氣象數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，再將未來一周天氣預(yù)報(bào)氣象數(shù)據(jù)代入所建模型得到(分別用EF100，EF80表示100%和80%未來一周蒸散量)．③基于土水勢的灌溉決策方法設(shè)置-25，-45和-65 kPa(分別用P25，P45，P65表示)3個(gè)灌水下限，灌水上限均為-5 kPa．

試驗(yàn)設(shè)置的10個(gè)灌水處理的灌水方案見表1，表中I為灌水量，n為灌水次數(shù)．每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，共30個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為5 m×10 m，試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)有2 m寬的保護(hù)區(qū)，相鄰2個(gè)小區(qū)間設(shè)0.5 m寬的隔離帶．

表1 不同處理田間灌水方案Tab.1 Irrigation scheduling in different treatments

供試玉米品種為“中地88”，為河西走廊地區(qū)廣泛種植品種．試驗(yàn)所用地膜寬100 cm，厚0.008 mm．各處理施肥量與施肥時(shí)間一致，試驗(yàn)田施肥總量：氮肥、磷肥、鉀肥分別為240，120，60 kg/hm2，整個(gè)生育期共施肥4次，每次施肥量占總施肥量分別為20%(苗期)、30%(拔節(jié)期)、30%(抽雄期)、20%(灌漿期)．春玉米于2020年4月播種，9月收獲，種植模式為一膜兩管四行，種植密度為80 000株/hm2．灌水處理從三葉一心期開始進(jìn)行，春玉米灌溉計(jì)劃濕潤層深度苗期為40 cm，拔節(jié)期為60 cm，抽雄期后為100 cm．

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1) 氣象數(shù)據(jù)．試驗(yàn)站內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣象站(Hobo，Onset Computer，USA)記錄作物全生育期內(nèi)氣溫、降雨、太陽輻射、相對濕度、風(fēng)速和大氣壓等數(shù)據(jù)．

2) 土壤水分和水勢．土壤含水率：每個(gè)小區(qū)安裝EM50數(shù)據(jù)采集器測定土壤體積含水率，EM50連接有5個(gè)ECH2O水分探頭，埋深分別為10，20，30，50和80 cm，每15 min測定1次，對春玉米整個(gè)生育期土壤水分進(jìn)行動(dòng)態(tài)測定，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)記錄．同時(shí)用烘干法，分別在灌水前土鉆取土，選取小區(qū)內(nèi)寬行中間、窄行中間、株間3個(gè)位置點(diǎn)取土．土壤水分測定分別在[0,20)，[20,40)，[40,60)，[60,80)，(80,100] cm土層，每個(gè)處理隨機(jī)選取3組測點(diǎn)，105 ℃烘干至恒重后稱重，取3組數(shù)據(jù)的均值．

土水勢：每個(gè)小區(qū)埋設(shè)1個(gè)真空表式負(fù)壓計(jì)，埋設(shè)位置為滴頭正下方20 cm處，以監(jiān)測土壤基質(zhì)勢．

修水歷史悠久，由上奉山背遺址證明，在新石器時(shí)期，這里就已經(jīng)有人類在這里生活了。在漫長的歲月里，經(jīng)過幾千年的沉淀，造就了深厚的人文底蘊(yùn)。修水稱“文章奧府”，為“濂溪弦鐸之地，山谷桑梓之鄉(xiāng)”，文化教育興盛，誕生了宋代著名書法家、江西詩派鼻祖黃庭堅(jiān)，清一代帝師萬承風(fēng)，近代“陳門五杰”——清末維新派陳寶箴、著名詩人陳三立、著名畫家陳衡恪、清華四大國學(xué)大師之一陳寅恪以及著名植物學(xué)家陳封懷均等眾多名人。

3) 生長指標(biāo)．在春玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期，各處理隨機(jī)選取3株植物樣，使用卷尺以及游標(biāo)卡尺測定株高和葉面積指數(shù)．同時(shí)將夏玉米植株分離為莖、葉、穗，105 ℃殺青30 min，在75 ℃下烘干至恒重，使用精度為0.1 g的天平稱重．

4) 產(chǎn)量．收獲時(shí)各小區(qū)隨機(jī)選取10株玉米，每小區(qū)取3次重復(fù)，風(fēng)干至籽粒水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)測定產(chǎn)量．

5) 水分利用效率，計(jì)算式為

WUE=Y/ET，

(1)

式中：Y為產(chǎn)量，kg/hm2；ET為蒸散量，mm．

ET=P+I+W1-W2，

(2)

式中：P為降雨量，mm；I為生育期灌水量，mm；W1，W2分別為播前、收獲后土壤貯水量，mm．

W=10γHθ，

(3)

式中：W為土壤貯水量，mm；γ為土壤容重，g/cm3；H為土層深度，cm；θ為土壤質(zhì)量含水率，%．

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，方差分析采用最小顯著差異LSD法進(jìn)行，采用Origin 9.2作圖．

2 結(jié)果與分析

2.1 春玉米株高變化

圖1為灌溉決策方法對春玉米株高h(yuǎn)的影響．由圖可以看出，不同灌溉決策方法下，春玉米株高在苗期差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而從拔節(jié)期開始各處理間株高差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．同一灌溉決策方法下，不同水平處理之間的株高變化規(guī)律基本一致．基于土壤水分調(diào)控的春玉米株高，表現(xiàn)為土壤水分下限越高，株高越大，即按處理排序由大到小為CK，W1，W2，其中CK與處理W1下的株高顯著高于W2，說明植株生長需要充足的水分供應(yīng)．基于蒸散量調(diào)控的株高，按處理排序由大到小為EF80，EF100，EP80，EP100；基于未來一周蒸散量調(diào)控下的春玉米株高，高于基于過去一周蒸散量調(diào)控下的春玉米株高．基于土水勢調(diào)控下春玉米株高，表現(xiàn)為灌溉下限越高，株高越大，即按處理排序由大到小為P25，P45，P65，與基于土壤水分調(diào)控下株高規(guī)律一致．此外，處理W2下株高自拔節(jié)期起顯著低于其他處理，主要原因是春玉米生長關(guān)鍵時(shí)期受到的水分脅迫較嚴(yán)重．各組內(nèi)最優(yōu)處理的株高峰值組間比較，表現(xiàn)為h(CK)≈h(P25)>h(EF80)，并且處理間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．

圖1 灌溉決策方法對春玉米株高的影響Fig.1 Effects of irrigation decision-making methods on plant height of spring maize

2.2 春玉米葉面積指數(shù)變化

圖2為灌溉決策方法對春玉米葉面積指數(shù)LAI的影響．由圖可以看出，在春玉米的全生育期，葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先快速增長，隨后緩慢增長；灌漿期過后，葉片開始衰老脫落，各處理的葉面積指數(shù)均有不同程度減?。诎喂?jié)期和抽雄期，處理W2的葉面積指數(shù)顯著小于CK和W1的，而CK與W1的葉面積指數(shù)差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．當(dāng)葉面積指數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，處理CK和W1的葉面積指數(shù)分別比W2增大13.28%和8.24%．

圖2 灌溉決策方法對春玉米葉面積指數(shù)的影響Fig.2 Effects of irrigation decision-making methods on leaf area index of spring maize

基于蒸散量調(diào)控下LAI差異較?。谕了畡菡{(diào)控下LAI指數(shù)整體表現(xiàn)按處理排序由大到小為P25，P45，P65；處理P25和P45的LAI峰值分別比P65增大9.87%和3.81%．各組內(nèi)最優(yōu)處理的LAI峰值之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．此外，在成熟期CK的LAI相較于其他處理表現(xiàn)出了更快的下降速度，可能的原因是成熟期玉米耗水量減小，適當(dāng)降低土壤水分有利于減緩葉片衰老．

2.3 春玉米干物質(zhì)積累量變化

圖3為灌溉決策方法對春玉米干物質(zhì)積累DMA的影響．由圖可知，春玉米的干物質(zhì)積累量隨著生育期推進(jìn)而不斷增大，成熟期時(shí)達(dá)到峰值．

圖3 灌溉決策方法對春玉米干物質(zhì)積累的影響Fig.3 Effects of irrigation decision-making methods on dry matter accumulation of spring maize

在春玉米拔節(jié)期，處理W2的干物質(zhì)積累量顯著低于其他處理，這是由于W2在拔節(jié)期灌水量較少，春玉米受到的水分脅迫較嚴(yán)重．在灌漿期和成熟期，玉米籽粒迅速發(fā)育，地上部干物質(zhì)積累量增加明顯，該階段是玉米營養(yǎng)生長的關(guān)鍵期，需水量較大．同一灌溉決策方法下干物質(zhì)積累規(guī)律基本一致，與灌水量成正相關(guān)關(guān)系．基于土壤水分調(diào)控的春玉米干物質(zhì)積累表現(xiàn)按處理排序由大到小為W1，CK，W2；基于蒸散量調(diào)控的干物質(zhì)積累表現(xiàn)按處理排序由大到小為EP100，EP80，EF100，EF80；基于土水勢調(diào)控的干物質(zhì)積累表現(xiàn)按處理排序由大到小為P25，P45，P65．成熟期時(shí)各組內(nèi)干物質(zhì)積累最優(yōu)處理進(jìn)行比較，表現(xiàn)按處理排序由大到小為W1，EP100，P25．

2.4 春玉米產(chǎn)量和水分利用效率變化

表2為灌溉決策方法對春玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響．

表2 灌溉決策方法對春玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響Tab.2 Effects of irrigation decision-making methods on yield and water use efficiency of spring maize

由表可知，同一灌溉決策方法下，基于土壤水分調(diào)控的春玉米產(chǎn)量表現(xiàn)按處理排序由大到小為W1,CK,W2，處理W1的產(chǎn)量顯著高于W2，而CK的產(chǎn)量與W1和W2之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；基于蒸散量調(diào)控的春玉米產(chǎn)量具體表現(xiàn)按處理排序由大到小為EP100，EP80，EF100，EF80，其中處理EP100下的產(chǎn)量顯著高于EF100，處理EP80的產(chǎn)量顯著高于EF80，而EP100和EP80，EF100和EF80之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，原因是基于過去一周蒸散量調(diào)控的灌溉制度分配于玉米籽粒發(fā)育期的水分更多．基于土水勢灌溉決策下，處理P25的產(chǎn)量顯著高于P45和P65，而處理P45和P65的產(chǎn)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．此外，處理W1的產(chǎn)量顯著高于EP100和P25，分別提高6.90%和8.28%．由表還可知，處理EP100的水分利用效率顯著高于P25和W1，分別提高14.50%和19.13%．同一灌溉決策方法下，處理W2的WUE顯著高于CK和W1，處理EP100，EP80，EF80的WUE均顯著高于EF100，處理P65的WUE顯著高于P45，但與P25之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．

3 討 論

春玉米各生育期對土壤水分的消耗有一定的差異，不同灌溉決策方法可能導(dǎo)致土壤水分盈余或虧缺．秦一等[13]研究發(fā)現(xiàn)，玉米一生需水動(dòng)態(tài)基本遵循“前期少，中期多，后期偏多”的變化規(guī)律，這與文中研究結(jié)果相似，苗期和拔節(jié)期春玉米生長對水分的需求較?。m然總體規(guī)律表現(xiàn)為灌水量越大，則春玉米株高和葉面積增長越快，但各處理間峰值差異大多不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．不同灌溉決策方式下，干物質(zhì)積累在拔節(jié)期-抽雄期規(guī)律相似，處理僅W2顯著低于其他處理．與其他處理相比，處理W2的灌水下限較低，灌水周期較長，春玉米植株生長發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期受到的水分脅迫嚴(yán)重．

文中研究發(fā)現(xiàn)，處理CK的干物質(zhì)積累量最大，這是由于CK的灌水頻率和灌水定額都較大．處理W1，EP100，P25和P45的灌水周期較CK長，但單次灌水量大，干物質(zhì)積累量表現(xiàn)突出．成熟期春玉米干物質(zhì)積累規(guī)律與灌漿期基本一致，這是由于株高發(fā)育停滯，葉面積指數(shù)開始減小，籽?；径ㄐ停藭r(shí)主要進(jìn)入干燥脫水過程．

鄒宇鋒等[14]研究發(fā)現(xiàn)，灌水水平越高，玉米籽粒產(chǎn)量越大．文中研究結(jié)果表明，不同灌溉決策方法下春玉米產(chǎn)量基本表現(xiàn)為隨灌溉定額增大而增大．其可能原因是，不同灌溉決策方法通過調(diào)控春玉米全生育期的灌水總量和灌水分配，從而影響春玉米的產(chǎn)量和水分利用效率．

此外，作物耗水量也與灌溉定額成正比，這與殷韶梅等[15]研究結(jié)果一致．然而，產(chǎn)量與耗水量之間并不是簡單的線性關(guān)系．處理CK和W1的產(chǎn)量分別比EP100高出2.34%和6.90%，但是耗水量分別比EP100高出了26.13%和27.35%，處理CK和W1耗水量比P25高出了11.57%和12.65%．處理EP100和EP80的水分利用效率顯著高于處理CK，W1和P25，說明不同灌溉決策方法下春玉米產(chǎn)量表現(xiàn)優(yōu)異的處理中，基于蒸散量調(diào)控的灌溉在水量分配上優(yōu)于其他灌溉決策方法，利于春玉米植株利用更多水分在產(chǎn)量的形成上．

不同灌溉決策方法各有其優(yōu)點(diǎn)和適用性．基于土壤含水量調(diào)控的灌溉制度，通過測量獲得當(dāng)前的土壤含水量狀況，進(jìn)一步確定灌水量，該決策方法主要依賴于土壤水分的測量精度和準(zhǔn)確性．但田間土壤含水量具有較強(qiáng)的時(shí)空變異性，同時(shí)土壤水分傳感器價(jià)格較為昂貴，目前該灌溉決策方法還不適于中國大面積推廣和應(yīng)用．基于蒸散量調(diào)控的灌溉制度，通過估算作物蒸散量進(jìn)行灌溉，能滿足作物實(shí)際水分需求，而中國的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)通過氣象站獲得，優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確和獲取便捷，在固定區(qū)域范圍建立氣象站，研發(fā)相應(yīng)的灌溉決策系統(tǒng)，為該區(qū)域農(nóng)民提供灌溉指導(dǎo)可行的方案；而相較之下，依據(jù)天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)站預(yù)測所得的氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度還有待于提高，并且依據(jù)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)估算蒸散量的技術(shù)尚不夠成熟．基于土壤水勢調(diào)控的灌溉制度，能夠直接衡量土壤基質(zhì)對水分的吸納能力，較其他方法更方便簡單，但是張力計(jì)需要人為監(jiān)測讀數(shù)以及易損壞的特點(diǎn)也限制了該方法的廣泛應(yīng)用．

4 結(jié) 論

1) 處理CK的產(chǎn)量最高，比EP100和P25分別增大6.90%和8.28%；處理EP100的產(chǎn)量顯著低于CK，但WUE顯著高于處理CK的；處理EP80和EP100的產(chǎn)量和WUE差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．

2) 綜合考慮產(chǎn)量、水分利用效率和灌溉決策方法的適用性，基于過去蒸散量調(diào)控灌溉，灌水定額為80%ET0是最適合河西地區(qū)春玉米高效穩(wěn)產(chǎn)的灌溉決策方法．