晉北地區(qū)膜下滴灌玉米田水鹽分布及產(chǎn)量研究

牛 永 華

(山西省水利水電科學(xué)研究院, 太原 030002)

山西省糧食作物以玉米為主，2016年其播種面積和產(chǎn)量分別約占50%和67%[1]，然而70%以上的玉米種植在干旱半干旱地區(qū)，干旱缺水是限制玉米生產(chǎn)的一個(gè)主要因素，采用高效節(jié)水技術(shù)是解決這一難題的一個(gè)重要手段。膜下滴灌技術(shù)集成了地膜和滴灌的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大力發(fā)展起到了重要作用，2017年已推廣到全國(guó)29個(gè)省市，中亞和非洲的17個(gè)國(guó)家，在70多種作物上成功應(yīng)用。2013年以來(lái)受強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策引導(dǎo)，膜下滴灌技術(shù)擬在山西省內(nèi)推廣。為使膜下滴灌技術(shù)發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)，在各地應(yīng)用時(shí)有必要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、水資源狀況、作物栽培模式等條件進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。

適宜的滴灌制度能夠保證作物高產(chǎn)、節(jié)水，并緩解土壤鹽漬化[2-4]。孫貫芳等[5]研究表明，河套灌區(qū)膜下滴灌玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段控制灌水下限-30 kPa有利于土壤溫度積累；威迎龍[6]建議松遼平原玉米滴灌灌水202～210 mm為適宜的灌水量；劉強(qiáng)東等[7]表明石河子地區(qū)420 mm的灌溉定額可以保證較高的產(chǎn)量和水分利用效率；張昊等[8]表明膜下滴灌玉米土壤水分以20 cm土層內(nèi)變化最明顯，赤峰地區(qū)以150～180 mm較適宜；徐建等[9]表明阿爾泰地區(qū)玉米高產(chǎn)節(jié)水的適宜灌水量為525 mm。除了灌溉制度的研究，膜下滴灌水鹽運(yùn)移研究也較多。孫貫芳等[5]研究表明控制灌水下限為-10 kPa可有效淋濾0～100 cm土壤鹽分，秋澆灌黃河水180 mm后，次年春播前0～100 cm土壤鹽分平均下降10.86%～26.14%；李文昊等[10]對(duì)膜下滴灌6 a的棉田水鹽運(yùn)移狀況進(jìn)行了分析，表明長(zhǎng)期應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)后鹽堿土可能有氯化物-硫酸鹽鹽土轉(zhuǎn)化為硫酸鹽鹽土，綠洲堿灌區(qū)現(xiàn)行灌溉制度下膜下滴灌棉田土壤鹽分向著有利于棉花生長(zhǎng)的方向發(fā)展。

盡管膜下滴灌水鹽運(yùn)移及產(chǎn)量方面研究較多，但尚無(wú)定論，且在玉米上的研究較少，在山西膜下滴灌的研究更少。故在黃土高原東北部典型干旱冷涼區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究灌溉制度對(duì)膜下滴灌玉米地水鹽分布及玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，以期為膜下滴灌技術(shù)在山西干旱地區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2015年在山西省大同市陽(yáng)高縣北徐屯鄉(xiāng)南徐屯村進(jìn)行試驗(yàn)(113°29′～114°6′E，39°50′～ 40°31′N(xiāo)，海拔1017～1 030 m)。試驗(yàn)基地處于黃土高原丘陵區(qū)的沖洪積傾斜平原區(qū)，坡度小于1°，屬典型季風(fēng)大陸性氣候。試驗(yàn)農(nóng)田為耕種硫酸鹽鹽化草甸土，以沙壤土和輕壤土為主，0～30 cm土壤理化性狀如下：有機(jī)質(zhì)含量13.9 g/kg，全氮0.67 g/kg，堿解氮165 mg/kg，有效磷5.4 mg/kg，速效鉀85 mg/kg，容重1.4 g/cm3，pH值8.1。試驗(yàn)田地力均勻，地勢(shì)平坦，肥力水平較低。2013 年開(kāi)始，該灌區(qū)農(nóng)田灌溉方式從漫灌轉(zhuǎn)變?yōu)槟は碌喂唷５叵滤裆?2 m。試驗(yàn)田安裝有自動(dòng)雨量站(DWSZ-A，中環(huán)天儀股份有限公司)，對(duì)降雨量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。研究期(4月6日-9月28日)試驗(yàn)地氣溫及降水情況見(jiàn)圖1。2015年玉米生育期內(nèi)降水量為373.9 mm、最低氣溫為-0.4 ℃。

圖1 2015年膜下滴灌玉米生育期間日均氣溫及降水量分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

參考當(dāng)?shù)毓喔葌鹘y(tǒng)及其他地方玉米膜下滴灌灌水量，按照灌溉方式和灌水量設(shè)計(jì)3個(gè)處理，如表1所示。小區(qū)面積90 m2，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，以未灌溉作為對(duì)照，共12個(gè)小區(qū)。周?chē)贾帽Ｗo(hù)區(qū)，每小區(qū)配備獨(dú)立安裝水表，以測(cè)定灌水量。

表1 玉米生育期灌溉制度

試驗(yàn)開(kāi)始前，試驗(yàn)地在3 月采用大水漫灌的形式進(jìn)行一次春灌，灌溉量為750 m3/hm2左右。膜下滴灌玉米品種為利民33號(hào)，采用起壟種植。壟頂寬90 cm，壟底寬140 cm，壟高12 cm，玉米在壟上種植，1壟2行玉米，壟上玉米行距為40 cm，滴灌帶鋪在玉米中間，膜間距為50 cm，玉米種植密度為8.25 萬(wàn)株/hm2。滴頭流量2.31 L/h，滴頭間距0.2 m，內(nèi)徑16 mm。玉米4月6日開(kāi)始播種，播種時(shí)統(tǒng)一施底肥磷酸二氫鉀450 kg/hm2，出苗后各處理除灌溉制度不同外，施肥、打藥、除草等田間管理措施均同當(dāng)?shù)亓?xí)慣。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定及計(jì)算

(1)土壤含水率測(cè)定計(jì)算。采用Star-S406土壤水分觀測(cè)儀(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司27研究所)自動(dòng)連續(xù)測(cè)定土壤10、20、30、40、50、60、80 cm 深度處土壤含水率，并采用烘干法進(jìn)行標(biāo)定。水分測(cè)定探頭埋設(shè)同溫度探頭，分別在各小區(qū)膜下株間、膜下滴頭附近、膜間3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，取其平均值作為該生育期的代表值。

(2)土壤電導(dǎo)率測(cè)定。在玉米各生育期內(nèi)灌水前后采集各膜下株間、膜下滴頭附近、膜間3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)0～10、10～20、20～30、30～50、50～80、80～100、100～150 cm處的土樣。風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，稱(chēng)取20 g 土樣，按照5∶1水土比配制混合液，振蕩和靜置各30 min 后取其上清液，以3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心30 min，采用電導(dǎo)率儀(DDS-11A，上海雷磁儀器廠)測(cè)定其電導(dǎo)率。

(3)玉米生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量測(cè)定。各小區(qū)標(biāo)記5株玉米，在各生育期采用常規(guī)方法進(jìn)行株高、葉面積測(cè)定，并計(jì)算葉面積指數(shù)。同時(shí)，隨機(jī)采集5株玉米進(jìn)行干物質(zhì)測(cè)定。玉米成熟后實(shí)收計(jì)產(chǎn)，并計(jì)算灌溉水水分利用效率(Irrigation Water Use Efficiency，IWUE)，即玉米產(chǎn)量與灌溉定額的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，連續(xù)變量以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SE)的形式表示，用單因素方差分析(one-way ANOVA)及LSD方法進(jìn)行均數(shù)間的多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

圖2給出玉米生育期各處理的地上部分干物質(zhì)質(zhì)量、株高、葉面積指數(shù)的變化。由圖2可知，隨著生育期的推進(jìn)，各生長(zhǎng)指標(biāo)呈拋物線型增長(zhǎng)趨勢(shì)，這可能與玉米生長(zhǎng)所需積溫有關(guān)。株高能反映玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀況[12]。劉洋等[11]認(rèn)為，隨著玉米生育期推進(jìn)，有效積溫不斷增加，株高和葉面積隨積溫增加而增加，當(dāng)有效積溫達(dá)到880～1 000 ℃時(shí)，達(dá)最大值，之后進(jìn)入了生殖生長(zhǎng)階段，株高不再增加，而葉面積指數(shù)降低。圖2還表明，不同灌溉處理對(duì)玉米株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)重影響差異較大。玉米生長(zhǎng)指標(biāo)隨灌水量增加而明顯改善，但處理DI-1125與DI-900差異不大，在各測(cè)定時(shí)間的株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)重均超過(guò)其他處理，而CK處理生長(zhǎng)最慢，各指標(biāo)均低于其他處理。這與徐劍等[7,9]研究結(jié)果一致，當(dāng)灌水量低于某一臨界值時(shí)，灌水量不再是玉米生長(zhǎng)的主要影響因子，因而隨著灌水增加株高不會(huì)再明顯增加。徐劍等[7]表明臨界值為630 m3/hm2，本文表明臨界值為900 m3/hm2，這可能與研究地點(diǎn)不同有關(guān)。圖2(d)表明，隨著灌水量增加到900 m3/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量顯著增加，但當(dāng)灌水量大于900 m3/hm2時(shí)，產(chǎn)量不再顯著增加。與CK相比，灌水量為900 m3/hm2時(shí)，產(chǎn)量增加了63%(P<0.05)。與產(chǎn)量變化趨勢(shì)不同，IWUE隨著灌水量增加而降低，DI-675、DI-900和DI-1200處理IWUE分別為12.66、10.84、8.33 kg/m3。可見(jiàn)產(chǎn)量與水分利用效率不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，這與王軍等[13]的研究結(jié)果一致。綜合考慮產(chǎn)量和節(jié)水效應(yīng)，建議900 m3/hm2(灌溉4次、灌水定額為225 m3/hm2)為玉米膜下滴灌適宜灌水量。

圖2 不同灌溉制度下玉米生育期生長(zhǎng)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化及產(chǎn)量

2.2 不同灌溉制度對(duì)土壤含水率的影響

圖3為玉米不同生育期0～100 cm土壤水分平均值的變化。由圖3可知，玉米生育期內(nèi)4個(gè)處理土壤水分在剖面的分布規(guī)律基本一致，即土壤含水率隨土壤深度的增加而增加后基本保持穩(wěn)定，在0～40 cm內(nèi)隨著灌水量增加土壤含水率呈增加趨勢(shì)，而>40 cm深處各處理間土壤水分無(wú)明顯差異。苗期土壤棵間蒸發(fā)占優(yōu)勢(shì)，4個(gè)處理均為覆膜處理，覆膜可減少土壤蒸發(fā)量，減少土壤水分的損耗[11]，因而灌水量高的處理土壤含水率較高。進(jìn)入拔節(jié)期后，0～40 cm內(nèi)土壤含水率差異開(kāi)始有明顯差異，CK處理的含水率明顯低于灌水處理。王增麗等[14]的研究也表明，拔節(jié)期在棵間蒸發(fā)和作物蒸騰共同作用下，40 cm土層內(nèi)含水率減少明顯。抽雄期是玉米生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，需水量大，根系活動(dòng)范圍最大[13,14]，40 cm土層內(nèi)各灌水處理間差異減小。灌漿期水分支撐玉米籽粒生長(zhǎng)，盡管后期降水較多，但研究期蒸發(fā)也大，加上蒸騰量大，土壤水分消耗也較大，故土壤水分整體也較低。

圖3 不同生育期玉米田0～100 cm土壤剖面水分變化

2.3 不同灌溉制度對(duì)0～150 cm土壤鹽分的影響

玉米收獲后土壤EC值在土壤剖面的分布如圖4所示。由圖4可知，表層土壤鹽分明顯低于深層，在40～60 cm處有鹽分累積現(xiàn)象，這符合鹽隨水走的規(guī)律。各處理中，灌水量最大的處理，鹽分最少，可見(jiàn)灌溉對(duì)鹽分有一定的淋洗作用。土壤0～10、10～20、20～30、30～50、50～80、80～100、100～150 cm土層初始EC值分別為0.833、0.803、0.711、1.189、0.803、1.164、2.368 dS/m。與之相比，玉米收獲后CK的EC值無(wú)顯著差異，但灌水處理土壤表層(0～50 cm)EC均有一定程度的降低，灌水量為900和1 125 m3/hm2時(shí)，EC值分別降低14%和28%(P<0.05)。孫貫芳等[5]研究表明，滴灌會(huì)濕潤(rùn)土壤表層，少量的灌溉水不足以將鹽分沖到地下水中起淋洗鹽分作用。因而，本研究中土壤EC值僅在表層體現(xiàn)出了降低的趨勢(shì)，且在40～60 cm處有鹽分累積現(xiàn)象，在土壤深層基本沒(méi)有多大的變化。可見(jiàn)，長(zhǎng)期的膜下滴灌可能不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有必要對(duì)膜下滴灌鹽分運(yùn)移進(jìn)行長(zhǎng)期的定位觀測(cè)，進(jìn)行深入的探討，擬定合理的應(yīng)對(duì)措施，使膜下滴灌技術(shù)能夠長(zhǎng)期保持其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖4 玉米收獲后土壤剖面EC值分布

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)不同灌溉處理下山西干旱冷涼區(qū)玉米田水鹽分布及玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：①不同處理下土壤水分在剖面的分布規(guī)律基本一致，隨土壤深度的增加先增加后穩(wěn)定，在40 cm土層內(nèi)受灌水量影響較大，但隨著生育期玉米耗水增加，這種差異逐漸減小。服從鹽隨水走的規(guī)律，鹽分約50 cm內(nèi)有明顯的降低趨勢(shì)，但在40～60 cm處有鹽分累積現(xiàn)象。滴灌僅濕潤(rùn)土壤表層，不能將土壤鹽分淋洗出土壤，土壤深層鹽分變化不大。②玉米株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)重隨灌水量增加而增加，但灌水量大于900 m3/hm2時(shí)差異不再明顯。灌水量900與1 125 m3/hm2的產(chǎn)量差異不顯著，均高于其他處理。與CK相比，灌水量為900 m3/hm2時(shí)，產(chǎn)量增加了63%(P<0.05)。與產(chǎn)量趨勢(shì)相反，IWUE隨灌水量增加而降低。綜合考慮產(chǎn)量和節(jié)水效應(yīng)，建議900 m3/hm2(灌溉4次、灌水定額為225 m3/hm2)為山西干旱冷涼區(qū)玉米膜下滴灌適宜灌水量。本文僅通過(guò)1 a試驗(yàn)獲得了一些初步結(jié)論，有必要進(jìn)行長(zhǎng)期的定位研究，深入了解膜下滴灌對(duì)玉米田鹽分的影響，并積極采取應(yīng)對(duì)措施，確保該技術(shù)能夠可持續(xù)地發(fā)揮最好的效果。