覆膜畦灌條件下制種玉米需水規(guī)律及優(yōu)化灌溉制度研究

胡鐵民，欒元利，王增麗

(武威市中心灌溉試驗(yàn)站，甘肅 武威 733000)

根據(jù)農(nóng)作物各生育階段的需水情況對灌水次數(shù)、灌溉時(shí)間與灌溉定額進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，是在節(jié)水前提下達(dá)到相對較高產(chǎn)量的一種農(nóng)業(yè)節(jié)水模式，也是改善農(nóng)田小氣候的重要措施之一。

自20世紀(jì)90年代初以來，全國玉米雜交制種基地逐漸西移，河西灌區(qū)成為60多個(gè)玉米高產(chǎn)品種的制種基地[1,2]。截止2010年，甘肅省已發(fā)展制種玉米面積10萬hm2。其中在石羊河流域中武威市、金昌市達(dá)到3.33萬hm2，總產(chǎn)超過2.08億kg，制種玉米已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的主要途徑之一。

Abrisqueta[3]研究結(jié)果表明，作物生育期連續(xù)進(jìn)行小定額灌溉，將顯著影響作物根系生長過程，且不合理的灌溉制度將影響制種玉米的生長發(fā)育過程和干物質(zhì)的累積量[4]。也有研究結(jié)果表明，在玉米抽穗期～灌漿期進(jìn)行適度水分虧缺不會(huì)影響作物產(chǎn)量[5-7]。

基于此，本文在前人工作的基礎(chǔ)上，針對西北旱區(qū)氣候特征、農(nóng)田生產(chǎn)條件，對制種玉米需水量及需水規(guī)律進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究覆膜畦灌條件下制種玉米需水規(guī)律及優(yōu)化灌溉制度，為當(dāng)?shù)刂品N玉米農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

該研究在甘肅省武威市中心灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，地理位置東經(jīng)102°50′50″，北緯37°52′20″，海拔1 581 m，屬典型內(nèi)陸性干旱荒漠生態(tài)區(qū)。年均降水量164.4 mm，年均蒸發(fā)量為2 000 mm，平均土壤密度為1.54 g/cm3，土壤質(zhì)地為灰鈣質(zhì)粉質(zhì)壤土，田間持水率為32%(體積含水量)。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試制種玉米為鄭單958，于2012年4月24日種植，9月26日收獲，全生育期155 d。父母本種植比例1∶7。覆膜后采用玉米穴播機(jī)進(jìn)行播種，播種量30 kg/hm2，株距為22 cm，行距為40 cm。基肥采用一次性緩釋專用肥(其中純N為375 kg/hm2，P2O5為180 kg/hm2)。灌溉水源來自試驗(yàn)站內(nèi)，采用井灌方式進(jìn)行灌溉。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共6個(gè)處理，生育期不灌水作為對照(CK)處理，各處理重復(fù)3次，共21個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為30 m2(5 m×6 m)。試驗(yàn)處理設(shè)置如表1所示。

表1 不同處理灌水定額設(shè)置表 m3/hm2Tab.1 Irrigation quota of different treatments

1.3 測定內(nèi)容與分析方法

(1)土壤含水量：采用土鉆取土烘干法測定土壤深度為0～100 cm的土壤含水量，分[0,20]，(20,40)，(40,60]，(60,80]，(80,100] cm 5層進(jìn)行測定，在生育期每隔15 d測定1次，灌水前后，降雨前后加測，測點(diǎn)布置在行間。

(2)作物耗水量：采用農(nóng)田土壤水量平衡公式進(jìn)行耗水量計(jì)算。灌水量采用水表進(jìn)行計(jì)量。由于該試驗(yàn)田地下水埋深在40 m以下，可視地下水補(bǔ)給量為0 mm，降水入滲深度不超過1 m，可視深層滲漏為0 mm。作物生長所需水分主要由灌溉水和降雨供應(yīng)。因此，水量平衡方程可簡化為：

ET=P+I-ΔW

(1)

式中：ET為作物生育期耗水量，mm；P為生育期降水量，mm；I為生育期內(nèi)灌溉量，mm；ΔW為作物生育期土壤蓄水變化量，mm。

(3)產(chǎn)量：作物成熟后，各小區(qū)取10株進(jìn)行考種。考種指標(biāo)包括穗長、禿尖長、穗粗、百粒質(zhì)量。測產(chǎn)采取小區(qū)單打單收方法測定。

(4)耗水強(qiáng)度、模比系數(shù)及水分利用效率按照下列公式計(jì)算。

WCRi=WTi/di

(2)

Rwi=WTi/WT

(3)

WUE=Y/WT

(4)

式中：WCRi為耗水強(qiáng)度，mm/d；WTi為階段耗水量，mm；di為作物階段生長天數(shù)，d；i=1，2，…，n；n為劃分的作物生育階段數(shù)；Rwi為耗水模比系數(shù)，%；WT為作物生育期耗水量，mm；WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用SPSS 15.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分變化情況分析

不同處理制種玉米生育期0～100 cm土壤含水量動(dòng)態(tài)變化見圖1。由圖1可知，各處理在苗期土壤含水量變化情況基本一致，變化幅度介于17.05%～19.21%；在拔節(jié)期，各處理0～100 cm土壤含水量急劇降低。其中，T2、CK土壤含水量降幅較大，分別降至12.20%和11.23%。其他處理由于具有相同的灌水定額，土壤含水量基本一致，水分含量變化范圍介于14.23%～16.01%。隨著作物生育進(jìn)程的發(fā)展，在抽穗期，由于氣溫升高，作物蒸發(fā)蒸騰量加大，耗水量增加，各處理土壤含水量急劇下降(CK除外)，土壤含水量介于10.78%～12.94%。對照CK由于在制種玉米全生育期無灌水處理加之降雨量偏低，土壤水分含量降至9.25%。在灌漿期，各處理土壤水分逐漸升高，但增幅不大。分析原因?yàn)橹品N玉米穗部營養(yǎng)物質(zhì)累積過程引起的較大需水與連續(xù)降雨(7月21日-8月5日降雨4次，有效降雨量46.9 mm)消除了處理間差異有關(guān)。

2.2 制種玉米階段耗水規(guī)律分析

將各處理制種玉米生育階段耗水量ETi、耗水模比系數(shù)Rwi列于表2。由表2可知，各處理制種玉米階段耗水量變化規(guī)律基本相同，呈“高-低-高”的變化趨勢。各處理苗期階段耗水量介于157.19～173.63 mm，耗水模比系數(shù)28.28%～52.20%。與其他生育階段相比，苗期具有較高的階段耗水量和耗水模比系數(shù)，分析原因與苗期周期較長，植株生長較矮，棵間蒸發(fā)較大有關(guān)。隨著植株進(jìn)一步生長，到拔節(jié)期，植株葉面積指數(shù)達(dá)到峰值，棵間無效蒸發(fā)降低，植株耗水形式主要來源于葉面的蒸騰作用。到抽雄期各處理耗水量逐漸降低，到灌漿期耗水量到達(dá)最低值。其中，處理T6峰值、最低值較其他處理相比明顯偏低，土壤持續(xù)干旱缺水形成的疊加效應(yīng)明顯。在灌漿期，階段耗水量、耗水模比系數(shù)較前期提高，作物耗水量明顯增加，這與作物穗部籽粒營養(yǎng)物質(zhì)累積速度加快有關(guān)[8]。

表2 不同水分處理制種玉米階段耗水情況及模比系數(shù)Tab.2 Evaluation indexes of stages water consumption for different treatments

圖1 各處理生育期0～100 cm土壤含水量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Variation of soil water content for different treatments in seed maize period

將制種玉米生育期耗水強(qiáng)度繪于圖2。由圖2可知，制種玉米生育期耗水強(qiáng)度呈“低-高-低”的變化趨勢，峰值主要出現(xiàn)在抽穗期。其中，T4、T3、T2處理耗水強(qiáng)度分別為5.02、4.59、4.56 mm/d。之后耗水強(qiáng)度逐漸下降，到灌漿期到達(dá)谷值。在成熟期，各處理耗水強(qiáng)度介于1.53～3.94 mm/d，大小依次為T1>T3>T2>T4>T5>T6>CK。對照CK在制種玉米整個(gè)生育期內(nèi)，耗水強(qiáng)度均顯著低于其他處理。結(jié)合表3分析結(jié)果可知，盡管在苗期各處理均表現(xiàn)出較高的階段耗水量，但因苗期周期長，氣溫相對較低等因素，各處理苗期耗水強(qiáng)度較其他生育階段較低。

圖2 各處理制種玉米不同生育期耗水強(qiáng)度變化Fig.2 Variation of soil water content for different treatments in seed maize period

2.3 制種玉米產(chǎn)量、WUE、ET關(guān)系分析

制種玉米生育期耗水量、產(chǎn)量及WUE關(guān)系分析見圖3和圖4。由圖3和圖4可知，相同灌溉定額，不同灌水次數(shù)影響制種玉米生育期耗水量。T1處理產(chǎn)量與T4處理產(chǎn)量無明顯差異，耗水量為595.91 mm。WUE為1.38 kg/m3低于T4處理(1.71 kg/m3)，表明T1處理是以較大耗水量為代價(jià)換來的產(chǎn)量。T5處理制種玉米產(chǎn)量最高，對應(yīng)灌水次數(shù)為3次，灌水時(shí)間分別為苗期、拔節(jié)期和灌漿期，滿足了制種玉米各生育階段對水分的需求。灌水次數(shù)過少和過多都不利于制種玉米生長發(fā)育，供水過少或不灌水，制種玉米植株遭受水分脅迫而不能正常生長，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

圖3 各處理制種玉米產(chǎn)量、耗水量關(guān)系分析Fig.3 Relationship analysis of yield and water consumption of seed maize

圖4 各處理制種玉米WUE、耗水量關(guān)系分析Fig.4 Relationship analysis of WUE and water consumption of seed maize

由圖3和圖4還可知，制種玉米全生育期耗水量與產(chǎn)量、耗水量與WUE均呈二次拋物線關(guān)系，耗水量與WUE、產(chǎn)量二者呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.827 3和0.570 9，對二者的擬合關(guān)系建立的回歸方程進(jìn)行求解，函數(shù)具有極值，對應(yīng)高產(chǎn)的耗水量為562.18 mm，處理T1與之接近。但從各處理耗水量與WUE分析可知，各處理WUE介于1.22～1.86 kg/m3。灌溉定額為的2 700 m3/hm2的處理(T5)水分利用效率WUE最高，為1.86 kg/m3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在西北旱區(qū)，制種玉米在拔節(jié)期～抽雄期、灌漿期～成熟期分別進(jìn)行1次控水處理對作物產(chǎn)量影響不大，依靠自然降雨或僅在拔節(jié)期、灌漿期進(jìn)行2次灌水處理不能滿足作物對水分的需求，作物減產(chǎn)幅度明顯。結(jié)合研究結(jié)果，本年度T5 處理所對應(yīng)的灌溉制度最優(yōu)。

2.4 制種玉米產(chǎn)量、耗水量相關(guān)性分析

將制種玉米產(chǎn)量、耗水量及產(chǎn)量特征值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。由表3可知，制種玉米產(chǎn)量與耗水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82。耗水量與行粒數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.87。表明在一定范圍內(nèi)，作物耗水量的增加能有效提高作物產(chǎn)量特征。此外，產(chǎn)量與穗行數(shù)、行粒數(shù)特質(zhì)因子均呈正相關(guān)關(guān)系；與千粒重、畝株數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明，作物千粒重、畝株數(shù)過大反而會(huì)降低作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

表3 不同處理制種玉米產(chǎn)量、耗水量及產(chǎn)量特征值相關(guān)性分析Tab.3 Evaluation indexes of seed maize's yields for different treatments

注：*，**分別表示P<0.05，P<0.01水平顯著相關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)覆膜栽培方式是西北旱區(qū)傳統(tǒng)的保墑措施[9-12]。灌溉水源依靠自然降水不能滿足制種玉米生長需要。若在玉米苗期、拔節(jié)期，以及開花期、灌漿期出現(xiàn)連續(xù)干旱情況會(huì)導(dǎo)致玉米嚴(yán)重減產(chǎn)[13-15]。本研究結(jié)果表明，制種玉米生育期內(nèi)進(jìn)行充分灌溉，能顯著提高0～50 cm土壤水分含量。在需水關(guān)鍵期(抽雄期、灌漿期)進(jìn)行灌水處理，能顯著提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

(2)本研究結(jié)果表明，制種玉米需水規(guī)律呈“低-高-低”趨勢，制種玉米耗水強(qiáng)度峰值介于1.65～5.02 mm/d。不同處理制種玉米耗水強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在不同時(shí)間段，這與灌水次數(shù)影響制種玉米生育進(jìn)程有關(guān)。

(3)覆膜畦灌條件下，制種玉米生育期產(chǎn)量、耗水量及WUE呈二次拋物線關(guān)系，對函數(shù)求解均存在極值，這與宇宙[8]的研究結(jié)果相一致。此外，作物耗水量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.82)。產(chǎn)量與穗行數(shù)、行粒數(shù)特質(zhì)因子均呈正相關(guān)關(guān)系。

(4)在西北旱區(qū)覆膜畦灌條件下，制種玉米在拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期進(jìn)行3次灌水，灌水定額為900 m3/hm2，灌溉定額為2 700 m3/hm2的灌溉制度最優(yōu)，具體實(shí)施灌溉因降水情況而定。

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