不同灌水量對飼料玉米耗水特性和生物量的影響

曹雪松，李和平，鄭和祥，馮亞陽

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 010020； 3.內蒙古農業大學，呼和浩特 010018)

我國是一個水資源相對缺乏的國家，年用水量約為5 560億m3，農業用水占72%左右[1]。由于工業發展和城市擴大對需水量大幅度增加，至21世紀中葉，估計農業用水的比例將降至50%左右。然而，我國水資源平均利用率僅為40%，發達國家為80%～90%，單方水生產能力僅為發達國家的42.5%～50%[2]。水資源更是制約西北干旱區農業發展的重要因素,農業灌溉是該地區第一用水大戶,農業灌溉用水量占全區總用水量的90%左右[3]。而西北干旱區水資源有效利用率低，真正被作物利用的水量只有灌溉用水量的約1/3[4]，農業用水浪費嚴重，灌溉水利用率只有40%～60%,水分生產效率不足1 kg/m3[5]。農業用水資源的開發非常困難，它投資大，見效慢，受氣候、地理條件和資金等的約束較大，短期內不可能解決大面積的農田灌溉問題。由此可見，農業用水面臨資源短缺和浪費嚴重的雙重困擾，推行節水農業，增加其他行業的可用水量[6]，是我國農業可持續發展和緩解水資源供需矛盾的重要措施。

飼料玉米是我國西北地區種植的飼料品種之一，不僅產量高而且營養豐富，在我國農業中有著很高的地位。在水資源日益緊張的情況下，如何在滿足飼料玉米生長發育需要又獲得高產的情況下盡可能減少灌水量，對西北干旱半干旱地區農業生產至關重要。本文對不同灌水量飼料玉米的耗水特性和生物量進行了分析，旨在對干旱區飼料玉米的生產提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于內蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗昂素鎮哈日根圖嘎查巴圖巴雅爾節水示范戶。鄂托克前旗位于內蒙古自治區鄂爾多斯市西南端，海拔1 300～1 400 m，東經106°30′～108°30′，北緯37°38′～38°45′，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量261 mm，年平均蒸發量2 498 mm，年平均風速2.6 m/s，年平均日照時數2 958 h；年平均無霜期171 d，最大凍土層深度1.54 m。

1.2 試驗材料與試驗設計

選擇飼料玉米為主要研究對象，其生育階段劃分為：苗期、拔節期、分枝期、開花期、成熟期。

試驗設4個處理，每個處理3次重復，處理間設置2 m的隔離帶。4個處理的灌水定額分別為15 mm(YM1)、30 mm(YM2)、45 mm(YM3)和60 mm(YM4)；每個處理的灌水日期和灌水次數相同；灌水日期根據YM3試驗處理的適宜含水率下限計算確定；每次的灌水量采用水表計量。每個處理均灌水6次，具體日期分別為：5月21日、6月5日、6月20日、7月21日、8月15日、9月10日。試驗統一采用卷盤式噴灌進行灌水。

1.3 試驗觀測內容

試驗觀測內容包括氣象資料、作物生長生育指標、土壤指標、灌水情況。

(1)氣象數據。采用HOBOU30型農田氣象站，監測的氣象數據包括溫度、降雨量、風速、相對濕度、氣壓、風向等。

(2)作物生長生育指標。主要指生長生育指標，具體內容及采集方法包括：①株高、莖粗。每個生育期一次，分別用卷尺和卡尺測定。②干物質和產量。整個生長期結束測定一次，采用樣方測定法測定。

(3)土壤指標。利用環刀在試驗區取原狀土進行田間持水量室內測定，確定了試驗區0～100 cm土層的田間持水量為22.86%。通過對試驗區1.0 m深土壤分別進行了顆粒分析試驗得出：試驗區0～100 cm土層為沙土，土壤密度1.62 g/cm3。土壤含水量采用烘干和儀器測定2種方法，烘干法使用土鉆取土，烘箱烘干；儀器測定采用HH2型TDR土壤水分測定儀。從開始播種至收獲結束每10 d一次，降雨前后加測。

(4)灌水情況和地下水位。①灌水情況：記錄各試驗處理的灌水時間、灌水定額和灌溉定額等。②地下水位：采用HOBO地下水位自動測定儀(美國)測定試驗區地下水水位變化，飼料玉米試驗區地下水埋深為1.2～2.0 m。

1.4 試驗測定數據處理方法

(1)耗水量。采用水量平衡法計算耗水量，水量平衡方程可表示為：

ETa=Pe+I-ΔW-Q

(1)

式中：ETa為時段內的耗水量，mm；ΔW為相應時段內的土壤貯水變化量，mm；Pe為相應時段內的有效降雨量，mm；I為相應時段內的灌水量，mm；Q為相應時段內的下邊界水分通量，mm。

①有效降水量Pe采用下式計算：

Pe=αP

(2)

式中：α為有效降水系數；P為實際降水量。

在沙土條件下，當P小于3 mm時，α=0；當P為5～50 mm時，α=1.0；當P大于50 mm時，α=0.8。

②各生育期的灌水量I。各處理每個生育期的灌水量采用實際的凈灌水定額，根據生育期的劃分和灌水記錄，計算得出各處理每個生育期的灌水量。

③各生育期土壤貯水變化量ΔW。各生育期土壤貯水變化量根據各試驗處理的土壤含水率值計算，采用公式為：

(3)

式中：θi為相應時段初始土壤含水率，%；θi+1為相應時段末土壤含水率，%；γ為土壤密度，cm3/g；h為計劃濕潤層深度，mm。

④下邊界水分通量Q。土壤計劃濕潤層下邊界土壤水分的滲漏和補給采用定位通量法計算，測定儀器為負壓計。定位通量法計算公式為：

(4)

式中：h1、h2分別為斷面z1、z2處的土壤負壓值，由此可以得到t1至t2時段內單位面積上流過的土壤水流量Q(z1-2)，同樣由Q(z1-2)求得任一斷面流量Q(z)：

(5)

飼料玉米的下邊界水分通量根據試驗實測的土壤負壓值進行各生育期土壤深層滲漏或補給量的計算。

(2)水分生產率。水分生產率指作物消耗單位水量的產出，其值等于作物產量與作物凈耗水量之比值。作物水分生產率采用下式計算：

(6)

(3)耗水強度。耗水強度用下式計算：

(7)

式中：r為耗水強度，mm/d；ETa為飼料玉米各生育階段的耗水量，mm；d為各生育階段天數，d。

2 結果與分析

2.1 不同處理對飼料玉米不同生育階段耗水量和耗水強度的影響

表1為不同處理對飼料玉米不同生育階段耗水量和耗水強度的影響。由表1可知：從飼料玉米的各生育階段來看，飼料玉米在苗期耗水量最低，其次為成熟期，其中YM1處理在苗期的耗水量最低，僅為24.92 mm，這是因為YM1處理的灌水定額最小；苗期飼料玉米的葉面積指數小，光合作用低，耗水量也低；到了成熟期后，飼料玉米的大部分葉片都基本停止了光合作用，這階段的耗水量也較低。飼料玉米耗水量最高的生育階段是分枝期，YM4處理最大達到155.04 mm，此階段飼料玉米葉面積指數最大，光合作用最強，耗水量也最大。從不同的處理來看，飼料玉米的耗水量隨著灌水量的增加顯著增大。但是在苗期隨著灌水量的增加，飼料玉米的耗水量增加不顯著，這可能和灌水量過多、在飼料玉米生長初期一定程度上受到了水分脅迫(水分過多)的影響；拔節期至開花期，耗水量隨著灌水量的增加顯著增大。建議在飼料玉米生長初期可以適當減少灌水量。

各處理的耗水強度也不盡相同，總體來說耗水強度也是隨著灌水量的增加而呈增大趨勢。拔節期至開花期的耗水強度明顯大于苗期和成熟期的耗水強度。其中YM4處理分枝期耗水強度最大達到4.31 mm/d，明顯大于飼料玉米同一生長階段其他處理，說明灌水量的增加對增大耗水強度作用十分明顯。成熟期和苗期的耗水強度相差不大，但成熟期的耗水強度要大于苗期的耗水強度，因為成熟期飼料玉米主要進行生殖生長的緣故。

2.2 不同處理對飼料玉米不同生育階段株高的影響

對飼料玉米的每個生育期的株高進行觀測，采用其平均值繪制株高隨時間的變化過程(見圖1)。從圖1可以看出，不同灌溉水平對飼料玉米株高的影響總體趨勢是一致的：由快到慢的生長過程，在灌漿至成熟期基本停止生長。成熟期YM4最高，為272 cm， YM3、YM2、YM1株高分別為253、242和226 cm，分別高出7.5%、12.4%和20.4%。可見隨著灌水量的增加飼料玉米的株高也呈增高趨勢。

圖1 飼料玉米不同試驗處理對株高的影響

2.3 不同處理對飼料玉米產量和水分生產率的影響

由表2可知，隨著灌水量的增加，飼料玉米產量和水分生產率都增大。YM4處理的產量最大，為9 517.5 kg/hm2，YM3、YM2、YM1產量分別為8 283.0、6 307.5和5 074.5 kg/hm2，分別高出14.9%、50.9%和87.6%；YM4處理折合總產量(籽粒+秸稈)為13 053.0 kg/hm2，YM3、YM2、YM1折合總產量分別為11 343.0、8 862.0和7 173.0 kg/hm2，分別高出15.1%、47.3%和81.9%。

YM4處理的水分生產率最大為2.05 kg/m3，YM1處理最小為1.67 kg/m3，兩者相差0.38 kg/m3；折合總產量后的水分生產率YM4處理最大為2.81 kg/m3，YM1處理最小為2.37 kg/m3，兩者相差0.44 kg/m3。但是對于YM4處理和YM3處理，不管是水分生產率還是折合總產量后的水分生產率，兩者均相差甚微，由此可見此時增加灌水量已經不是提高產量的最主要因素。建議對飼料玉米采取YM4處理和YM3處理之間的灌水量，在獲得相對較高產量的同時，又可以達到較高的用水效率。

表2 不同處理對飼料玉米產量和水分生產率的影響

3 結 論

(1)飼料玉米耗水量隨著灌水量的增加而增大，苗期和成熟期增加不明顯，拔節期至開花期增加較顯著； 同一個處理中，苗期耗水量最低，其次為成熟期，分枝期耗水量最大。

(2)飼料玉米耗水強度隨著灌水量的增加而呈增大趨勢，拔節期至開花期的耗水強度明顯大于苗期和成熟期的耗水強度；成熟期和苗期的耗水強度相差不大，成熟期的耗水強度要略大于苗期的耗水強度。

(3)飼料玉米株高隨著灌水量的增加而增大，不同灌水量對飼料玉米株高的影響總體趨勢都是由快到慢，在灌漿至成熟期基本不再增大。

(4)隨著灌水量的增加，飼料玉米產量和水分生產率都增大，但不會無限增大。當灌水量達到45～60 mm之間某一個特定值后，隨著灌水量的增加，產量和水分生產率增幅很小。建議飼料玉米在苗期可適當增加灌水量，在其他生育期可取45 mm的灌水制度。

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