陜西旱地春玉米水分高效利用技術(shù)途徑與展望

凌 莉

（陜西省農(nóng)業(yè)檢驗(yàn)檢測(cè)中心，西安 710003）

玉米是陜西省第一大糧食作物，常年種植面積為113.33 萬hm2（1700 萬畝），而陜北渭北旱作區(qū)春玉米種植面積達(dá)到46.67 萬hm2（700 多萬畝），接近全省玉米種植面積的一半，是陜西省“第二大糧倉”，春玉米一年一熟是該區(qū)主要種植模式。陜北渭北旱作區(qū)光熱資源豐富，是我國(guó)光能資源高值區(qū)，晝夜溫差大，為玉米獲得高產(chǎn)創(chuàng)造了十分有利的條件，促進(jìn)該區(qū)春玉米持續(xù)增產(chǎn)對(duì)保障陜西省糧食安全和農(nóng)民增收具有重要意義[1-2]。而近年來受氣候變化影響，該區(qū)水資源緊缺與玉米持續(xù)增產(chǎn)需求的矛盾日益突出，已成為該區(qū)域春玉米種植體系可持續(xù)發(fā)展的第一限制性因素。因此，保證高產(chǎn)的同時(shí)，最大限度地提高水分利用效率一直以來是陜西旱作春玉米生產(chǎn)面臨的重要挑戰(zhàn)之一[3]。從20 世紀(jì)60年代開始，西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院旱作高效用水研究團(tuán)隊(duì)在覆蓋壟溝集雨春玉米高效用水機(jī)制及環(huán)境作用研究方面取得了系列進(jìn)展，指出促進(jìn)土壤水分的重新分配，改變玉米根系時(shí)空分布，進(jìn)而優(yōu)化根系吸水，最終提高水分利用效率[4]。隨著近年來氣候變化的加劇和市場(chǎng)對(duì)玉米需求的增大，陜西旱作春玉米水分高效利用已不是單一作物層面的研究，而是環(huán)境氣候、耕層構(gòu)建、水肥匹配等多因素互作的研究。近年來科研工作者從節(jié)水高產(chǎn)品種篩選與選育、節(jié)水灌溉技術(shù)及設(shè)備研發(fā)、溝壟集雨種植優(yōu)化等方面開展了旱地玉米的大量研究，并取得長(zhǎng)足的進(jìn)展，在一定程度上提高了陜西旱地春玉米水分利用效率[5-8]。本文總結(jié)了陜西旱作春玉米種植體系水分高效利用技術(shù)進(jìn)展，并從降雨和灌水資源的分配及水分供應(yīng)與消耗的角度，提出構(gòu)建抗旱品種生物節(jié)水、覆蓋深松農(nóng)藝蓄水、智能灌溉高效用水的旱作春玉米節(jié)水技術(shù)體系，以期為推動(dòng)該區(qū)玉米綠色高效生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 陜西旱作春玉米生產(chǎn)中水分利用現(xiàn)狀

陜西省多年平均水資源總量423.3 億m3，人均水資源量1092m3，約為全國(guó)平均水平的一半，是全國(guó)水資源最緊缺的省份之一。由于水資源時(shí)空分布不均，陜北和關(guān)中僅占全省水資源總量的29%，且65%集中在汛期，多年平均降水量542.5mm，人均水資源量410.5m3，約為全國(guó)平均水平的1/5[9]。陜西旱地春玉米分布在渭北黃土高塬雨養(yǎng)區(qū)和陜北長(zhǎng)城沿線風(fēng)沙灌溉區(qū)，其中渭北黃土高塬雨養(yǎng)區(qū)包含銅川市全部和寶雞、咸陽、渭南市北部部分縣區(qū)及韓城市，屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫6.5～15.6℃，年均降水量456.3～657.3mm，降水主要集中于夏季，區(qū)域水資源短缺，降水是地表水、地下水以及土壤水的主要補(bǔ)給來源。玉米降雨利用率只有30%～40%，水分生產(chǎn)效率0.4kg/m3，對(duì)自然降水的利用效率只有一半[10]。陜北長(zhǎng)城沿線風(fēng)沙灌溉區(qū)包括榆林市的定邊、靖邊、橫山、神木、府谷、榆陽等區(qū)縣和延安市的吳起縣部分，地勢(shì)較為平坦，海拔1200～1500m，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地沙化嚴(yán)重，光能資源豐富，是我國(guó)光能資源高值區(qū)，年均降水量為316.4～445.0mm，7-9 月降水量占全年的59%～76%，蒸發(fā)量多在2000mm 以上。年地下水可利用量為5.7 億m3，降水入滲率達(dá)80%以上的大片沙地作為貯水庫，玉米灌溉用水系數(shù)0.5左右，水分生產(chǎn)效率0.7～0.8kg/m3，低于規(guī)范要求的1.2kg/m3，相比有一定差距[11]。因此，充分利用好降雨、土壤水和灌溉水資源是陜西旱地春玉米節(jié)水高產(chǎn)高效與可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

2 陜西旱作春玉米生產(chǎn)中水分高效技術(shù)途徑

2.1節(jié)水抗旱玉米品種應(yīng)用生物節(jié)水是節(jié)水農(nóng)業(yè)的主要方式之一，抗旱節(jié)水品種的應(yīng)用是生物節(jié)水的主要內(nèi)容，科學(xué)精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)玉米品種的抗旱性和水分利用效率是篩選并利用抗旱節(jié)水品種的基礎(chǔ)。許多研究者采用不同的指標(biāo)來評(píng)價(jià)玉米的抗旱性[12-13]，如杜偉莉等[14]對(duì)玉米形態(tài)、生理性狀指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)和主成分分析，篩選出凈光合速率、實(shí)際量子產(chǎn)量、葉綠素含量、葉面積、干物質(zhì)等指標(biāo)用于玉米品種抗旱性篩選。而抗旱節(jié)水性最終體現(xiàn)在產(chǎn)量上，產(chǎn)量是最重要的綜合抗旱鑒定指標(biāo)[15]。黎裕等[16]研究基于產(chǎn)量的量化指標(biāo)，抗旱指數(shù)是玉米抗旱雜交種篩選的良好指標(biāo)，在玉米抗旱性鑒定工作中收到了良好效果。利用抗旱指數(shù)指標(biāo)篩選出的玉米抗旱節(jié)水品種鄭單958 已成為陜北渭北生產(chǎn)主導(dǎo)品種[17]。本地區(qū)玉米抗旱節(jié)水品種的選育工作也有了較大的發(fā)展，先后選育出陜單9號(hào)、戶單4號(hào)、陜單609 等玉米品種在生產(chǎn)上發(fā)揮了重要作用[18]，且新選育出的抗旱節(jié)水玉米品種陜科9 號(hào)、陜科536 也正在陜北渭北旱作區(qū)進(jìn)行大面積示范推廣。

2.2灌溉水肥一體化技術(shù)玉米滴灌水肥一體化技術(shù)是利用管道灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水中，同時(shí)進(jìn)行灌溉與施肥，適時(shí)適量地滿足玉米對(duì)水分和養(yǎng)分的需求，實(shí)現(xiàn)水肥同步管理和合理利用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)[19]。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用為玉米提供了適宜的水肥條件，改善了土壤微環(huán)境，提高了灌溉用水效率和水肥利用效率，使產(chǎn)量大幅度提高，具有顯著優(yōu)勢(shì)；不僅能夠提高水分、養(yǎng)分利用效率，節(jié)省勞動(dòng)力，提高土地利用率，還能保證作物得到均衡的養(yǎng)分供應(yīng)，有利于保護(hù)環(huán)境、改善土壤狀況，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[20]。李彬等[21]發(fā)現(xiàn)，相對(duì)傳統(tǒng)水肥管理方法，水肥一體化條件下玉米水分利用效率提高8.5%～62.9%，肥料利用率提高16.0%～60.6%，產(chǎn)量提高22.0%；且應(yīng)用水肥一體化技術(shù)后，玉米密度可增加1000 株/667m2，產(chǎn)量增加300kg/667m2。在靖邊縣膜下滴灌水肥一體化千畝核心示范方玉米平均產(chǎn)量達(dá)到954.9kg/667m2，創(chuàng)造了全國(guó)旱地玉米的高產(chǎn)紀(jì)錄[22]。此外，企業(yè)與高校、研究所合作開發(fā)了適應(yīng)水肥一體化的新型水溶肥料和自動(dòng)化膜下滴灌技術(shù)，進(jìn)一步推進(jìn)了水肥一體化技術(shù)的大面積應(yīng)用。

2.3溝壟覆蓋集雨技術(shù)溝壟集雨種植技術(shù)是通過田間起壟、壟面產(chǎn)流、溝內(nèi)高效集雨，達(dá)到集雨、蓄水保墑、增溫、抑蒸的效果，已成為旱區(qū)農(nóng)業(yè)主要節(jié)水措施之一[23]。研究表明溝壟集雨種植較傳統(tǒng)平作能夠顯著增加玉米產(chǎn)量和水分利用效率，劉璐璐等[24]研究發(fā)現(xiàn)壟溝集雨種植結(jié)合覆膜技術(shù)對(duì)于旱地春玉米的出苗和拔節(jié)期分別提前2～3d 和 8～9d，較平作而言，顯著影響春玉米的株高、吐絲期葉面積指數(shù)，籽粒產(chǎn)量和水分利用效率分別增加23%～47%和18%～37%。壟溝集雨種植技術(shù)中壟溝比對(duì)玉米產(chǎn)量影響也有明顯的差異，壟溝比為40∶70、55∶55、70∶40 下產(chǎn)量分別增加 26.1%、36.4%和50.3%[25]。壟溝集雨種植和覆蓋技術(shù)的結(jié)合使用，不僅有集雨的效果，也對(duì)一些溫度較低地區(qū)有增溫作用，一般覆蓋塑料地膜、生物可降解膜等，起到增溫的作用，且覆蓋面積越大，增溫效應(yīng)越好，產(chǎn)量也越高，大小為：全膜雙壟溝＞傳統(tǒng)半覆膜＞平作不覆膜[26]。而生物可降解地膜和液態(tài)地膜伴隨著技術(shù)的改進(jìn)和成本的降低，作為壟溝集雨適宜的覆蓋材料，可以支撐壟溝集雨技術(shù)未來的可持續(xù)發(fā)展，

2.4保護(hù)性耕作技術(shù)保護(hù)性耕作減少水土流失，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，有利于蓄水保墑和土壤培肥，促進(jìn)耕地質(zhì)量提升，實(shí)現(xiàn)培肥增產(chǎn)的目的，包括少免耕、深松耕、條帶旋耕等保護(hù)性耕作技術(shù)[27]。免耕通過抑制土壤水分蒸發(fā)保持土壤水分，深松耕作可以有效打破土壤犁底層，降低容重，增加孔隙度，提高土壤蓄水能力，為玉米生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的土壤環(huán)境，增強(qiáng)植株根系從土壤中吸收水分和養(yǎng)分的能力，從而提高作物產(chǎn)量[28]。渭北長(zhǎng)武縣雨養(yǎng)旱作區(qū)春玉米田深旋免耕精量播種機(jī)播種后，土壤耕層容重顯著降低，土壤蓄水保水能力提高，春玉米的播種質(zhì)量明顯提高，群體整齊度增加，群體透光性明顯改善，具有顯著的增產(chǎn)作用[29]。鄔小春等[30]研究表明春季條帶旋耕顯著提高了15～35cm 土壤田間持水量，增強(qiáng)了土壤蓄水保墑能力，提高了春玉米產(chǎn)量。

3 研究展望

如何在水分限制條件下提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率一直是陜北灌溉渭北雨養(yǎng)旱作春玉米生產(chǎn)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，陜北灌溉渭北雨養(yǎng)旱作春玉米生產(chǎn)已從單純追求產(chǎn)量的粗放型向產(chǎn)量與效率并重發(fā)展，在增加玉米產(chǎn)量及促進(jìn)農(nóng)民增收的同時(shí)，提高水分利用效率成為未來陜北灌溉春玉米生產(chǎn)的重要任務(wù)之一。因此，未來陜北渭北玉米節(jié)水技術(shù)體系方向應(yīng)以“節(jié)水高產(chǎn)、提質(zhì)增效”為目標(biāo)，圍繞基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、典型示范全創(chuàng)新鏈系統(tǒng)部署，利用作物栽培學(xué)、遺傳學(xué)、水利工程學(xué)、土壤學(xué)及材料學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的有機(jī)整合，融入一系列高新技術(shù)，有力保障陜西省糧食安全和主要農(nóng)產(chǎn)品有效供給，全面提升陜西省玉米產(chǎn)能與效益。針對(duì)現(xiàn)有研究中的不足，玉米抗旱節(jié)水增產(chǎn)的進(jìn)一步深入研究方向如下。

3.1生物節(jié)水隨著分子生物學(xué)、基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展，控制玉米節(jié)水與高產(chǎn)的多基因互作問題仍需深入研究，在分子水平上探究作物本身節(jié)水抗旱機(jī)制，定向培育玉米抗旱節(jié)水新品種，最大限度地發(fā)掘利用品種抗旱節(jié)水的遺傳潛力，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)水革命。

3.2智能灌溉水肥一體化技術(shù)多集中在灌水與肥料數(shù)量結(jié)合、產(chǎn)量效應(yīng)及水肥交互作用機(jī)理等方面的研究，更應(yīng)從水肥耦合遷移、玉米根系吸收利用生理代謝過程、玉米水分-養(yǎng)分-產(chǎn)量綜合生產(chǎn)函數(shù)及定量關(guān)系等方面探索，同時(shí)結(jié)合農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)，使水肥一體化技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化和智能化邁進(jìn)，是目前也是未來的研究熱點(diǎn)。

3.3保墑耕作保護(hù)性耕作的研究已經(jīng)不是單純的土壤耕作技術(shù)研究，而是更注重研究翻、深、免相結(jié)合的輪耕模式，結(jié)合秸稈覆蓋還田保護(hù)技術(shù)、裸露農(nóng)田綠色覆蓋技術(shù)，建立新型的保護(hù)性耕作體系，實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)調(diào)控、固碳減排與節(jié)水高效的協(xié)調(diào)。