西北干旱區(qū)膜上灌對玉米作物的高效節(jié)水機(jī)理研究

李 逸

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730021）

近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，氣候急劇變化，干旱缺水已然成為西北農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的絆腳石，膜上灌技術(shù)能有效地解決干旱缺水帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題。膜上灌的特點(diǎn)明顯，膜上灌具有應(yīng)用作物種類多、適用范圍廣、增產(chǎn)幅度大的顯著特點(diǎn)，尤其在甘肅等地近年來得到廣泛推廣和使用[1]。本研究針對甘肅省景泰灌區(qū)降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)多干旱、水資源緊缺和生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)，以膜上灌水分運(yùn)移為基礎(chǔ)，以大田實(shí)測膜上灌為出發(fā)點(diǎn)，研究膜上灌真實(shí)的節(jié)水機(jī)理。

1 試驗(yàn)點(diǎn)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

選取位于甘肅景電一期灌區(qū)的景電管理局灌溉試驗(yàn)站，灌溉試驗(yàn)站位于北緯37°11′，東經(jīng)104°03′。屬黃河流域的大陸型干旱氣候，降雨量少，晝夜溫較大，光照充足[2]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)在典型田塊內(nèi)安裝3個(gè)點(diǎn)位土壤溫度濕度總動(dòng)測定儀器及氣象資料采集系統(tǒng)，及時(shí)傳送水分溫度數(shù)據(jù)和氣象資料，保證準(zhǔn)確性，為灌區(qū)作物適時(shí)適量灌溉提供依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)灌水方式為膜上灌溉，作物為玉米，另外選擇畦灌玉米為對照處理，應(yīng)用對比試驗(yàn)方法，重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)時(shí)玉米處于苗期。作物玉米種植模式為一膜三行，其中行距50 cm，株距20 cm，通過玉米種植孔進(jìn)行灌溉，不另行打孔；膜上灌區(qū)域長為30 m寬為3.0 m，面積為90 m2。采用管道灌溉水表進(jìn)行量水。試驗(yàn)選擇玉米全生育期劃分為5個(gè)主要生育階段，即苗期（5月6—31日）、拔節(jié)期（5月31日—6月12日）、大喇叭口期（6月12—19日）、抽雄期（6月19日—7月10日）、灌漿期（7月10日—8月15日）、成熟期（8月15日—9月25日）。試驗(yàn)共設(shè)1個(gè)處理（本研究以畦灌和膜上灌為對照組合）3個(gè)重復(fù)。其中，苗期為保證玉米出苗，不進(jìn)行水分處理，只按照常規(guī)灌溉；拔節(jié)期開始后不同生育期以土壤含水率下限為灌水限制因子，當(dāng)土壤含水率低于限定值時(shí)開始灌水補(bǔ)充，灌溉灌水定額為90 mm，灌水下限和灌水上限分別選擇土壤含水率的60%和85%。

1.3 試驗(yàn)觀測內(nèi)容及方法

1.3.1 土壤含水量

土壤含水量采用烘干法測定。在每個(gè)生育階段，選擇一個(gè)完整灌水周期，分別在灌后、灌中、灌前（下一次灌水前）進(jìn)行測定（雨后加測）[3]。在其余時(shí)間，每10 d測定1次。每次取樣深度均為1m，分5層，即地面下0～20cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。

1.3.2 土壤田間持水率

土壤的田間持水量測定大都采取田間小區(qū)灌水法。原理是依次逐層標(biāo)記、計(jì)算土壤同一層次前后2次的土壤濕度差值，最后測定不同土壤剖面深度的含水率。在進(jìn)行試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)時(shí)，如果某一土壤層差值小于等于2%，那么第二次測定值作為該層土壤的田間持水量，直到出現(xiàn)前后2次測定值小于等于2%?？梢哉J(rèn)為研究的各剖面段的土壤含水率就是該時(shí)段的田間持水量。

1.3.3 地溫測量

對畦灌和膜上灌農(nóng)田進(jìn)行不同深度的地溫觀測，選擇2個(gè)有代表性的生育期埋置“5支組地溫計(jì)”膜上灌處理中的地表溫度分別測定膜上和膜下2處的溫度，在玉米播種后把地溫計(jì)插入玉米各處理不同深度的土層后，每隔5 d在當(dāng)天的8：00、14：00、20：00進(jìn)行地溫觀測，另選典型的晴天和陰天觀測日變化。

1.3.4 玉米膜上灌與畦灌玉米水流推進(jìn)的距離和時(shí)間

利用零慣量法分別對1.6 L/（s·m）、1.8 L/（s·m）、2 L/（s·m）、2.2 L/（s·m）、2.4 L/（s·m）5種單寬流量的地表水流推進(jìn)、消退過程進(jìn)行模擬計(jì)算，停水時(shí)間按照灌溉定額控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜上灌對玉米出苗率的影響

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，膜上灌的出苗率為96.75%；畦灌出苗率為95%，由此明顯高于畦灌玉米的出苗率，高出1.75個(gè)百分點(diǎn)?？梢娪捎诘啬じ采w，大大提高了地表溫度，促進(jìn)種子發(fā)芽。據(jù)觀測，膜上灌條件最大限度減小了對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，很大程度上提高了出苗率。

2.2 膜上灌對玉米灌溉制度的影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 膜上灌與畦灌灌水量表 m3

2.3 膜上灌對地溫的影響

2.3.1 地溫的日變化

1）膜上灌與畦灌全天地溫變化。對于膜上灌而言，在距離地面5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm處對全天地溫進(jìn)行監(jiān)測。在8：00各個(gè)深度的地溫均達(dá)到最低值，8：00～16：00，各個(gè)深度地溫開始逐漸升高，在16：00～17：00，各個(gè)深度的地溫相繼達(dá)到最大值，在隨后的17：00～20：00，氣溫又相繼減小。

對于畦灌而言，在距離地面5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm處對全天地溫進(jìn)行監(jiān)測，在8：00各個(gè)深度的地溫均達(dá)到最低值，8：00～12：00，各個(gè)深度地溫開始逐漸升高，在12：00～14：00，各個(gè)深度的地溫相繼達(dá)到最大值，在隨后的14：00～20：00，氣溫又相繼減小。

膜上灌較之畦灌地溫達(dá)到峰值的時(shí)間有所推遲，可以得出結(jié)論，膜上灌技術(shù)是能夠調(diào)節(jié)當(dāng)天各時(shí)刻的地表溫度。

2）膜上灌與畦灌對不同深度土層地溫對比分析。數(shù)據(jù)顯示，在0～5 cm土層中，畦灌在13：00時(shí)地溫達(dá)到最大值，膜上灌在16：00時(shí)地溫達(dá)到最大值，在8：00～15：00表現(xiàn)為畦灌的地溫高于膜上灌的地面溫度，15：00～20：00膜上灌地溫高于畦灌，8：00～15：00周邊環(huán)境氣溫逐漸升高，15：00～20：00逐漸降低，在5 cm處地溫膜上灌受環(huán)境氣溫的影響較畦灌偏小。膜上灌地溫變化趨勢較為平緩，膜上灌可以調(diào)節(jié)一天中各時(shí)刻的溫度，給玉米生長提供良好的生長環(huán)境。0～10 cm土層地溫受外界環(huán)境的影響較大，10～25 cm土層地溫受外界環(huán)境的影響較小。

2.3.2 地溫在整個(gè)生育期內(nèi)的變化

用當(dāng)天8：00、14：00、20：00觀測的地溫中最高地溫減去最低地溫所得的變化差值來分析膜上灌和畦灌土壤溫度變化幅度，數(shù)據(jù)測得在6月24日—6月29日期間0 cm處畦灌比膜上灌溫度變化幅度高出0.39℃；7月份以后，隨著作物玉米植株的增高和葉面積增大，土壤溫度變化幅度較小，僅相差0.06℃。在5 cm、10 cm、15 cm處從6月24日—6月29日期間，畦灌比膜上灌溫度變化幅度分別高1.84℃、1.55℃、0.72℃。

2.4 膜上灌對玉米生長性狀的影響

2.4.1 膜上灌對玉米株高的影響

在整個(gè)生育期，膜上灌的株高高于畦灌的株高，在苗期，兩者之間的差距達(dá)到最大，抽雄灌漿期次之（見表2）。

表2 玉米（畦）膜上灌與畦灌株高 cm

2.4.2 膜上灌對莖粗的影響分析

作物玉米的莖粗是反應(yīng)植株本身生長狀態(tài)的指標(biāo)之一，也是衡量生育期過程中對土壤水分養(yǎng)分的有效利用狀態(tài)。此外，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，玉米的莖粗越大越能夠起到抗倒伏性，作用明顯[4]。有利于提高作物產(chǎn)量。從測得數(shù)據(jù)顯示，出苗期后隨著植株的生長，2種方式處理下的玉米莖粗差異變化較大，而膜上灌處理下的玉米相對畦灌的莖粗變化更加明顯。隨著生長期的延續(xù)，其影響效果逐漸降低（表3）。膜上灌對照畦灌莖粗增加幅度分別為2.40%～23.93%。

表3 玉米膜上灌與畦灌莖粗 cm

2.4.3 膜上灌對玉米葉面積的影響

葉面積的大小影響玉米蒸騰量的同時(shí)也影響著光合作用，從而影響干物質(zhì)積累和最終產(chǎn)量。在膜上灌條件下，玉米葉面積隨生育階段呈現(xiàn)出相關(guān)的變化趨勢（表4）。在玉米苗期至拔節(jié)期表現(xiàn)出葉面積最小，因?yàn)樯L緩慢增加幅度緩慢；達(dá)到拔節(jié)后期至抽雄吐絲期，呈現(xiàn)出葉面積迅速增長；至吐絲期達(dá)到最大值。玉米整個(gè)生育期葉面積指數(shù)變化動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為前期增長快，達(dá)到最大值趨于穩(wěn)定后又緩慢下降的趨勢。膜上灌在提高玉米葉面積指數(shù)的同時(shí)，對玉米地生長和產(chǎn)量影響明顯，這也為膜上灌條件下玉米增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。玉米抽雄后植株基本上停止?fàn)I養(yǎng)體的增長，地上部植株生長狀況比較穩(wěn)定。

表4 玉米膜上灌與畦灌葉面積 cm2

2.4.4 干物質(zhì)積累量

干物質(zhì)積累是指玉米地上部分的莖葉、玉米籽粒的積累量，是通過玉米各器官在各生育期的生長呈現(xiàn)出來的[5]。也就是說干物質(zhì)的積累覆蓋整個(gè)生育期的過程：抽穗前干物質(zhì)在莖鞘的積累、花后灌漿期光合產(chǎn)物向籽粒的大量積累及籽粒成熟期莖桿干物質(zhì)向穗部的轉(zhuǎn)移，這3個(gè)階段是不同處理制種玉米干物質(zhì)積累的主要過程。本試驗(yàn)過程中，不同的2種灌溉處理下，玉米苗期到成熟收獲期對干物重的影響日增長量（表5）。說明水分影響是對制種玉米干物質(zhì)的第一影響因子，不同節(jié)水灌溉技術(shù)配合其他農(nóng)藝措施，在缺水條件下需要通過合理分配灌溉用水。

表5 制種玉米干物質(zhì)積累分析 g

2.4.5 膜上灌對玉米根系生長的影響

作物的根長是衡量吸收水分和養(yǎng)分能力的一個(gè)重要參數(shù)，若是根長越長，則吸收土壤水分和養(yǎng)分能力表現(xiàn)出越強(qiáng)的趨勢。在畦灌條件下，土壤表層含水量較多，對根系向下的生長刺激性較弱，所以玉米根系在表層分布較多。而膜上灌使根系向土壤深層的趨勢較大，根系會(huì)吸收土壤養(yǎng)分和水分來滿足地上部分生長發(fā)育對水分的需求，保持植株生命活力旺盛，這充分體現(xiàn)了玉米根系對水分環(huán)境條件的適應(yīng)。相對于畦灌而言，膜上灌的根長、根體積和根表面積的峰值愈位于土壤的深層。膜上灌處理的根長、根體積和根表面積在60～80 cm土層深處出現(xiàn)最大值，畦灌處理在20～40 cm土層深處出現(xiàn)最大值；同時(shí)可以看出，在0～40 cm土層，表現(xiàn)為畦灌處理的根長、根體積和根表面積均大于膜上灌處理，而在40～100 cm土層，則表現(xiàn)為膜上灌處理的根長、根體積和根表面積大于畦灌處理。畦灌條件下，表層含水量較高，對根系生長沒有刺激性，玉米根系在表層分布比較多，根長增加的幅度沒有膜上灌處理明顯。

3 結(jié)論

3.1 膜上灌與畦灌全天地溫變化

對于膜上灌而言，在距離地面5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm處對全天地溫進(jìn)行監(jiān)測。在8：00各個(gè)深度的地溫均達(dá)到最低值；8：00～16：00各個(gè)深度地溫開始逐漸升高；在16：00～17：00各個(gè)深度的地溫相繼達(dá)到最大值；在隨后的17：00～20：00氣溫相繼減小。

3.2 不同深度膜上灌與畦灌地溫對比分析

對不同土層深度地溫的分布測定結(jié)果表明，不同處理溫度分布有相同的變化趨勢。膜上灌地溫變化趨勢較為平緩，膜上灌可以調(diào)節(jié)一天中各時(shí)刻的溫度，給玉米生長提供良好的生長環(huán)境。0～10 cm土層地溫受外界環(huán)境的影響較大，10～25 cm土層地溫受外界環(huán)境的影響較小。

3.3 玉米莖粗情況分析

作物玉米的莖粗是說明植株的生長程度好壞及植株對土壤養(yǎng)分和水分利用狀況良好的指標(biāo)之一，莖粗呈現(xiàn)出越大能夠增加其抗倒伏能力，有利于保護(hù)植株的安全生長，防止倒伏，從而不影響高產(chǎn)。根據(jù)前面的數(shù)據(jù)說明，在玉米播種后50 d，畦灌和膜上灌處理的玉米莖粗呈現(xiàn)出明顯的差異，膜上灌處理不但能使玉米株高明顯增加，也對玉米莖粗具有一定的影響。時(shí)間的推移其影響效果逐漸降低。膜上灌對照畦灌莖粗增加幅度分別為2.40%～23.93%。

3.4 膜上灌對玉米葉面積的影響分析

植株的葉面積大小程度不但影響玉米蒸騰量還影響光合作用，從而影響干物質(zhì)積累和最終產(chǎn)量。膜上灌方式可以提高玉米葉面積指數(shù)的同時(shí)，對玉米地生長和產(chǎn)量形成起到重要的作用，因?yàn)槟ど瞎鄺l件下改善田間農(nóng)田小氣候，根系的土壤含水量高，保證了養(yǎng)分和水分供應(yīng)，以及調(diào)節(jié)地溫。在生育期內(nèi)的植株生長旺盛，植株莖粗、葉面積等快速增加，到抽雄前期植株各生長指標(biāo)高于畦灌，玉米抽雄后植株基本上停止?fàn)I養(yǎng)體的增長。

3.5 干物質(zhì)積累的影響分析

作物玉米干物質(zhì)最終是根系吸收利用養(yǎng)分和水分，以供植株生長發(fā)育，同時(shí)也是植株本身的光合作用不斷積累，但是隨著植株玉米從發(fā)芽出苗到成熟期，整個(gè)生長過程也伴隨著根系、莖葉等器官衰老，干物質(zhì)積累的速率從快速增長到穩(wěn)定再逐漸變緩，但總積累量是增加。2種方式（畦灌和膜上灌）的處理下，玉米整株干物質(zhì)積累方式具有共同的特點(diǎn)：出苗后期開始逐漸增加，增速直線型上升，變化明顯，增加到高峰后便逐漸降低，直至成熟，在整個(gè)過程中抽雄到灌漿期是比較明顯的生長階段，干物質(zhì)總量積累速率最大，呈現(xiàn)形式主要體現(xiàn)為籽粒。而在其他剩余階段，干物質(zhì)積累主要是在莖和葉上，因?yàn)榘喂?jié)期是營養(yǎng)生長，抽雄到乳熟期是以穗生長為中心的生長階段。

3.6 玉米根系的影響分析

在畦灌條件下，由于田間水分下滲到深層水分較少，而停留在地面表層的灌溉水較多，隨著灌水時(shí)間的推進(jìn)，地表層3～5 cm含水量相對充足，但是含水層的有效水分對根系向下生長影響力較小，種情況下玉米根系在表層分布較多，所以根長相比較而言比膜上灌處理下的增速小。而膜上灌處理后土壤養(yǎng)分和水分能夠保證根系向土壤深層延伸，同時(shí)也供給植株體生長旺盛。對比畦灌方式，膜上灌的根長和根表面積的峰值位于土壤的深層。