灌溉方式對西遼河平原玉米產量及水分利用效率的影響

楊恒山，薛新偉，張瑞富，李金琴，王宇飛，邰繼承，劉 晶

（1. 內蒙古民族大學農學院，內蒙古自治區飼用作物工程技術研究中心，通遼028042； 2. 內蒙古通遼市農業技術推廣站，通遼028000）

0 引 言1

水資源緊缺與農業用水需求之間的矛盾一直備受關注，已經成為制約中國農業現代化發展和農民持續增收的重要因素。同時，中國農業灌溉水利用效率十分低下，2016 年全國農業灌溉水利用系數僅0.536，與農業發達國家的差距較大，這也進一步加劇了農業灌溉水需求與供給失衡的矛盾[1]。玉米是需水較多的作物，針對水資源嚴重緊缺和農業灌溉水效率低下的雙重脅迫，積極推廣節水灌溉技術，從而實現灌溉水的高效利用是中國玉米生產的主要舉措[2-3]。滴灌具有顯著節水增效及環境友好等特點，被視為高效節水灌溉的典范[4-7]。劉洋等[8]研究了東北黑土區膜下滴灌對玉米生長和產量的影響，結果表明，膜下滴灌在玉米生育后期有利于地上部分營養生長，為生育后期的生殖生長積累更多的干物質，成熟期的地上部分干物質量比地面灌溉高23.0%；曹玉軍等[9]研究半 干旱區不同地膜覆蓋滴灌對土壤水、溫變化及玉米生長 的影響時發現，半干旱地區覆膜滴灌，能夠顯著提高土壤溫度、籽粒產量和灌溉水利用效率，其中膜下滴灌處理較常規灌溉處理0～25 cm 土層平均溫度提高2.8 ℃，籽粒產量提高21.6%，灌溉水利用效率提高20.9%。膜下滴灌將覆膜種植和滴灌節水技術有機結合，可以降低土壤蒸發[10-11]，提高土壤溫度和含水率[12-13]，促進作物生長、提高產量及水分利用效率[14-16]。自新疆生產建設兵團在棉花上應用成功后，膜下滴灌技術環節逐漸成熟，應用面積不斷擴大，是近10 a 中國北方地區主推的節水灌溉技術，但也出現了一些問題，增產與殘膜污染的矛盾日益凸顯，機械化收獲、秸稈還田和深翻等技術受到影響，已嚴重影響到了土地的持續利用并造成了環境污染。同時，課題組調研發現，由于西遼河平原光熱充足，膜下滴灌玉米不同程度存在生育后期早衰現象，在偏砂型土壤上表現的更為明顯。淺埋滴灌是通遼市農業技術推廣站和本研究團隊在膜下滴灌基礎上研發的節水灌溉新技術，滴管淺埋于地表(3～5 cm)，在發揮滴灌技術優勢的同時，具有較大的應用價值，2017 年被列為通遼市玉米節水高產的主推技術之一，已累計推廣應用20 萬hm2。但在淺埋滴灌條件下，由于地表無膜，土壤水、熱變化規律與膜下滴灌具有較大差異，這也會進一步影響到玉米籽粒產量的形成以及灌溉水利用效率。由于淺埋滴灌目前尚處于嘗試性推廣應用階段，這方面還沒有太多定量的田間試驗研究予以支撐。前人有關玉米灌溉方式的研究大多集中在膜下滴灌上，且以土壤的水熱效應及玉米對肥料吸收利用效率等研究為主，而膜下滴灌條件下玉米產量形成機理以及灌溉水利用效率還缺乏系統深入的研究，尤其是與其他節水灌溉方式進行比較研究的報道相對較少。因此，本研究選擇淺埋滴灌、膜下滴灌和當地傳統畦灌3 種灌溉方式，研究灌溉方式對玉米籽粒產量形成的影響，揭示灌溉方式下玉米干物質積累與轉運規律及灌溉水利用效率的差異，以期為西遼河平原鑒選玉米節水高產灌溉方式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017—2018 年在通遼市科爾沁區農牧業高新科技示范園區進行（43°37′N、122°19′E，海拔182 m），為連續2 a 定位試驗。試驗區近5 a 平均降雨量350～450 mm、平均氣溫6.5～7.1℃，其中2017年和2018年降雨量分別為399.7和453.3 mm、平均氣溫分別為6.7 和6.9 ℃；試驗地土壤為灰色草甸中壤土，是當地主要的土壤類型。2017 年和2018年耕層土壤容重分別為1.28 和1.31 g/cm3，0～20 cm 土壤表層有機質分別為20.47 和21.61 g/kg、堿解氮分別為50.05 和53.9 mg/kg、全氮分別為0.81 和0.76 g/kg、有效磷分別為6.47 和5.93 mg/kg、速效鉀分別為78.25 和80.25 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設淺埋滴灌（SBDI）、膜下滴灌（MDI）和傳統畦灌（TBI）3 種灌溉方式，各處理3 次重復。采用大區對比試驗，小區面積為864 m2（7.2 m×120 m），供試品種為農華101，各處理采用播種-施肥-鋪帶-覆膜一體機播種，大小壟（小壟行距40 cm，大壟行距80 cm）種植，種植密度為7.5 萬株/hm2，淺埋滴灌和膜下滴灌處理均采用內鑲片式滴灌管，滴頭相距30 cm，滴頭流量為2.7 L/h，其中膜下滴灌處理采用幅寬為1.2 m，厚度為0.08 mm 的聚乙烯吹塑農用透明膜，滴灌管鋪于小壟中間，調整鋪管開溝器和覆土裝置高度，使滴灌管置于小壟中間膜下地上，淺埋滴灌處理抬起覆膜裝置，調整鋪管開溝器和覆土裝置至規定高度，使滴灌管淺埋于小壟中間地表3～5 cm 處，傳統畦灌處理抬起鋪管裝置和覆膜裝置，只進行常規施肥、播種。各處理底施N 35 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O 45 kg/hm2，追施N 240 kg/hm2，分別在拔節期、大喇叭口期、吐絲期按3:6:1 比例結合灌溉進行，膜下滴灌和淺埋滴灌處理單獨配18L 壓差式施肥罐和水表，每次施肥前先滴清水約60 min，然后打開施肥閥，施肥完畢后繼續滴清水至相應灌水量，傳統畦灌處理采用人工開溝撒施。具體灌溉方案如表1。各處理2017 年5 月2 日播種，9月28 日收獲，2018 年5 月8 日播種，10 月1 日收獲。

表1 不同灌溉方式灌溉方案 Table 1 Irrigation scheme of different irrigation methods

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質累積及轉運指標計算

各小區均在吐絲期后開始取樣測定干物質積累量，吐絲期后至收獲每隔10 d 取樣1 次，在同行內取連續3株，3 次重復，所取樣品按器官分離，105 ℃下殺青30 min，于80 ℃烘干至恒質量后測定干物質積累量。

干物質轉運量（T）為吐絲期后10 d（8 月16 日）干物質積累量與成熟期干物質積累量的差值，kg/hm2；干物質轉運效率（TE）為 T 占吐絲期后10 d 干物質積累量的比例，%；干物質轉運對籽粒的貢獻率（TP）為干物質轉運量占籽粒質量的比例，%。

1.3.2 籽粒灌漿速率計算與模擬

各小區均在吐絲期開始取樣，每隔10 d 取樣1 次至收獲，在同行內取連續3 株，3 次重復。將果穗分為上、中、下3部分，去除邊際籽粒，將中、下部籽?；旌献鳛閺妱萘?，上部籽粒為弱勢粒，強勢粒、弱勢粒取均勻100 粒，105 ℃下殺青30 min，于80 ℃烘干至恒質量。

以吐絲后天數（t）為自變量，吐絲后每次所得百粒質量為因變量（Y），參照朱慶森等[17-18]的方法，用Richards方程（Y = A/(1 + Be-kt)m，A、B、k、m 均為模型參數）對籽粒灌漿速率過程進行動態模擬。通過Curve Expert 3.0進行擬合，基于獲得的Richards 方程參數，計算灌漿特征參數：達最大灌漿速率時的天數Tmax= ( lnB－lnD)/C；灌漿速率最大時的生長量Wmax= A(D +1)-1/D；最大灌漿速率Gmax= (C·Wmax/D［1-(Wmax/A)D］；積累起始勢R0= C/D；灌漿活躍期（約完成總積累量的90%）Pt=6/C。參數A、B、C、D 分別為終極生長量、初級參數、生長速率參數、形狀參數，當D = 1 時即為Logistic 方程。

1.3.3 土壤水分及水分平衡

分別在播種期和收獲期采用土鉆取樣，烘干法測定 0～100 cm 土層（每20 cm 1 層）的土壤含水率，每小區取樣點位于種植行上、種植行左側、右側各10 cm，取3 點平均值，3 次重復。

玉米生育期耗水總量ET（m3/hm2）為

式中P0為生育期內降水量，m3/hm2；W1播種前土壤含水率，m3/hm2；W0為收獲后土壤含水率，m3/hm2；R 為地表徑流，由于試驗地地勢平坦，故R=0；r 為土壤容重，g/cm3；H 為土壤水分的計算深度，本試驗取100 cm；F為計算土體與下界面處的水分交換量（m3/hm2）。由于試驗地地下水埋深度較深，地下水上升對玉米生長的影響不大，玉米生長所需要的水分由自然降水和灌溉水供給，進入作物根系層下邊界的滲漏量可忽略不計，故D=0；

1.3.4 產量及水分平衡

產量及其構成因素收獲時每小區取18 m2樣方，3 次重復，調查樣方內有效穗數，測定籽粒產量，并取樣測定籽粒含水率，按含水率為14%折算成產量。同時，各小區均取樣10 穗，調查穗粒數、測定千粒質量。

式中WUE 為水分利用效率，kg/m3；IWUE 為灌溉水利用效率，kg/m3；I 為玉米生育期灌水量，m3/hm2。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016、Curve Expert3.0、CAXA2007進行數據處理和作圖，DPSV10.0 軟件進行處理間的差異顯著性法（least significance difference，LSD）分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式對玉米干物質積累的影響

由表2 中2018 年結果分析可知，對于玉米莖、葉干物質積累量而言，所有處理均在吐絲后10 d（8 月16 日）達到最大，且淺埋滴灌和傳統畦灌最大，膜下滴灌最小。對于莖+葉+籽粒的干物質積累總量而言，吐絲期（7 月26日）處理間差異不顯著，吐絲10～40 d（7 月26 日—8 月16 日），表現為膜下滴灌和淺埋滴灌最大，傳統畦灌最小，吐絲50 d（9 月6 日）以膜下滴灌最高（P＜0.05），9 月26 日以淺埋滴灌最高，膜下滴灌最低，二者之間差異達到了顯著水平（P＜0.05），但二者均與傳統畦灌之間的差異均不顯著，這也說明與膜下滴灌以及傳統畦灌處理相比，淺埋滴灌處理玉米的碳水化合物的同化作用更強。

表2 灌溉方式對玉米干物質積累量的影響 Table 2 Effects of irrigation methods on dry matter accumulation of maize

2.2 灌溉方式對玉米干物質轉運的影響

由表3 可見，玉米莖鞘干物質轉運量以淺埋滴灌最高，膜下滴灌最低（P＜0.05），但二者與傳統畦灌之間的差異均不顯著。葉及干物質轉運總量各處理均表現為淺埋滴灌＞傳統畦灌＞膜下滴灌（P＜0.05）；從干物質轉運率及干物質轉運量對籽粒的貢獻率來看，干物質轉運率淺埋滴灌分別較膜下滴灌和傳統畦灌高16.7%和5.6%，而干物質轉運量對籽粒的貢獻率淺埋滴灌分別較膜下滴灌和傳統畦灌高12.8%和3.5%，說明淺埋滴灌方式玉米干物質轉運量更大，轉運效率更高，對于提高玉米籽粒產量更為有利。

表3 2018 年灌溉方式對玉米干物質轉運的影響 Table 3 Effects of irrigation methods on dry matter transportation of maize in 2018

2.3 灌溉方式對玉米籽粒灌漿的影響

2.3.1 灌溉方式對籽粒干質量的影響

由圖1 可見，隨著生育進程的推移，各處理籽粒干質量逐漸增加，其中強勢粒和弱勢粒在吐絲30 d 前處理間差異較小，而吐絲30 d 后均以淺埋滴灌最高，膜下滴灌最低，且隨著生育進程的推移，處理間差異逐漸增加。

2.3.2 灌溉方式對籽粒灌漿速率的影響

由圖2 可見，各處理玉米籽粒灌漿速率隨著生育進程的推移呈現先升高后降低的趨勢，強勢粒和弱勢粒均在吐絲20 d 達到最高。不同處理間強勢粒在各生育階段均以淺埋滴灌最高，膜下滴灌最低，其中吐絲10～30 d 處理間差異較小；弱勢粒不同處理間變化規律與強勢粒不同，吐絲10～20 d 表現以膜下滴灌最高，淺埋滴灌次之，傳統畦灌最低，而吐絲30～50 d 后均以膜下滴灌最低，淺埋滴灌和傳統畦灌之間的差異較小。這也說明淺埋滴灌處理有利于提高強勢粒灌漿速率，膜下滴灌處理有利于提高弱勢粒吐絲20 d 前的灌漿速率，而吐絲30～50 d 淺埋滴灌和傳統畦灌處理更具優勢。

圖1 灌溉方式對玉米籽粒干質量的影響（2018 年） Fig.1 Effects of irrigation methods on rate of grain dry matter of maize（2018）

圖2 灌溉方式對玉米籽粒灌漿速率的影響（2018 年） Fig.2 Effects of irrigation methods on rate of grain-filling per kernel of maize（2018）

2.3.3 灌溉方式下玉米籽粒灌漿參數

用Richards 方程對各處理籽粒干質量與吐絲后天數進行擬合，得到不同處理的灌漿速率等參數，從表4 可以看出，方程決定系數在0.992～0.999 間，說明Richards方程較好地模擬了各處理籽粒灌漿過程。強勢粒和弱勢粒各灌漿參數不同處理間變化規律表現不同，強勢粒平均灌漿速率以膜下滴灌處理最高，淺埋滴灌處理次之，傳統畦灌處理最低，而活躍生長期以淺埋滴灌最高，傳統畦灌次之，膜下滴灌最低，最大灌漿速率以及達到最大灌漿速率的時間均以淺埋滴灌處理最高；弱勢粒不同處理間變化規律與強勢粒不同，平均灌漿速率、活躍期生長以及達到最大灌漿速率的時間均表現為淺埋滴灌最高，膜下滴灌最低，最大灌漿速率則以膜下滴灌處理最高，淺埋滴灌處理次之，傳統畦灌處理最低。

表4 籽粒灌漿模型與籽粒參數模型（2018 年） Table 4 Grain filling parameters and grain filling process model（2018）

2.4 不同灌溉方式下玉米產量及其構成因素的影響

由表5 可見，各處理籽粒產量2017 年以淺埋滴灌顯著高于膜下滴灌（P＜0.05），但與傳統畦灌差異不顯著，其中淺埋滴灌較膜下滴灌和傳統畦灌分別高了6.1%和1.4%；2018 年以淺埋滴灌最高，傳統畦灌次之，膜下滴灌最低，處理間差異均達到了顯著水平（P＜0.05），其中淺埋滴灌較膜下滴灌和傳統畦灌分別高了13.9%和6.1%。；有效穗數2017 年以淺埋滴灌最高，傳統畦灌和膜下滴灌差異不顯著，2018 年各處理間差異不顯著；不同處理千粒質量表現為淺埋滴灌＞傳統畦灌＞膜下滴灌，說明淺埋滴灌有利于提高玉米千粒質量，千粒質量的提高可能是淺埋滴灌處理實測產量高于膜下滴灌和傳統畦灌的主要原因。

表5 灌溉方式對玉米產量及其構成因素的影響 Table 5 Effects of irrigation methods on yield and yield components of maize

2.5 灌溉方式對玉米水分利用效率的影響

由表6 可見，各處理耗水量不同處理間2 a 均以傳統畦灌最高，其與淺埋滴灌和膜下滴灌的差異均達到了顯著水平（P＜0.05），淺埋滴灌和膜下滴灌之間的差異不顯著；水分利用效率2017 年表現為淺埋滴灌＞膜下滴灌＞傳統畦灌，處理間差異均達到了顯著水平，2018 年淺埋滴灌和膜下滴灌差異不顯著，但均顯著高于傳統畦灌（P＜0.05）；灌溉水利用效率不同處理間2 a 變化規律一致，淺埋滴灌和膜下滴灌均顯著（P＜0.05）高于傳統畦灌，但二者之間的差異不顯著。

表6 灌溉方式對玉米耗水量及水分利用效率的影響 Table 6 Effects of irrigation methods on evapotranspiration and water use efficiency of maize

3 討 論

3.1 不同灌溉方式下玉米生育后期干物質積累轉運規律的差異性探討

作物籽粒產量高低是由干物質積累和轉運決定的[19]，因此，干物質積累的多少和轉運率的高低是影響玉米籽粒產量的2 個主要因素[20-23]。胡昌浩等[24]研究了中國不同年代玉米品種物質生產特性演進指出，當代玉米品種籽粒灌漿物質依賴于直接來源于花后較高的光合作用而獲得更高產量；馬赟花等[25]進行了不同高產品種干物質積累轉運與產量形成的研究，結果表明，玉米花后干物質積累量占總生物量的73.0%以上，是玉米的籽粒產量形成的主要光合產物來源；黃智鴻等[26]在研究超高產玉米品種干物質積累與轉運的分配特點時指出，玉米籽粒產量很大程度上決定于玉米生育后期的光合生產能力，生育后期的光合生產干物質對籽粒的貢獻78.0%～84.0%。從前人的研究可以看出，玉米花后干物質積累量占總積累量的絕大部分，是籽粒產量形成的主要物質來源，因此，維持玉米花后較強的碳水化合物的同化作用是提高產量的關鍵。從本研究結果來看，不同灌溉方式下玉米花后干物質積累量存在差異，以淺埋滴灌方式處理最高，傳統畦灌處理次之，膜下滴灌處理最低，淺埋滴灌條件下，較高的干物質積累量也為籽粒產量的形成奠定了堅實基礎。膜下滴灌由于地表覆膜，一方面使玉米生育前期和中期物質積累強度增加，另一方面也使玉米生育進程加快，因此，膜下滴灌處理玉米雖然吐絲40 d 前具有較高的干物質積累量，但由于生育進程加快，生育后期根冠衰老加劇，造成吐絲40 d 干物質積累量明顯低于淺埋滴灌和傳統畦灌，這不但影響到干物質的進一步積累，根冠衰老也使干物質轉運效率變低，從而籽粒產量低于淺埋滴灌和傳統畦灌處理。

3.2 不同灌溉方式下玉米灌溉水利用效率的差異性探討

不同灌溉方式由于灌溉設施及配置方式不同而具有不同的節水效應。張彥群等[11]分析覆膜滴灌玉米節水增產機理時發現，膜下滴灌方式由于地表覆膜，可以顯著降低土壤蒸發量和提高作物蒸騰拉力，從而使水分消耗向增加作物產量的方向分配，與不覆膜滴灌方式相比，籽粒產量提高 5.9%～8.8%，水分利用效率提高12.0%～13.1%；姬景紅等[27]在研究膜下滴灌對玉米生長發育及水分利用效率的影響時發現，覆膜滴灌在保證玉米產量的同時，水分利用率較地表滴灌提高了2.7 倍；申麗霞等[28]在研究地膜覆蓋對土壤水熱與玉米生長的影響時指出，地膜覆蓋能使10 和20 cm 土層溫度高于不覆膜處理，使玉米生育期較不覆膜處理縮短8～12 d；杜社妮等[29]在研究玉米地膜覆蓋的土壤環境效應時也發現，地膜可顯著提高玉米前期的土壤溫度，有利于壯苗，但在生育后期抑制了根系的生長發育，降低了玉米的蒸散量和水分利用率。前人關于膜下滴灌對玉米籽粒產量和水分利用效率影響的結論不一，這可能和不同的研究地區水熱條件不同有關系。玉米籽粒產量與水分利用效率不具有同步性，較高的產量往往需要更多的水分消耗，干旱可以獲得較高的水分利用效率，但對產量提高不利[30]。從本試驗結果來看，淺埋滴灌處理灌溉水利用效率明顯高于膜下滴灌處理，究其原因主要是，在相同灌溉定額條件下，淺埋滴灌由于地表無膜，滴灌管淺埋于地表，在發揮節水作用的同時，也避免了玉米生育后期根冠的早衰問題，籽粒灌漿速率高，灌漿時間長，籽粒產量高于膜下滴灌處理，較高的籽粒產量也是導致淺埋滴灌灌溉水利用效率明顯高于膜下滴灌的主要原因；另外，本試驗苗期田間調查發現，淺埋滴灌由于地表無膜，玉米出苗更為整齊一致，成苗率要明顯高于膜下滴灌，從而也造成了二者有效穗數上的差異，雖然差異均未達到顯著水平，但在一定程度上也影響到二者的產量表現；另外，本試驗淺埋滴灌和膜下滴灌灌溉定額相同，是依據淺埋滴灌所設計，由于膜下滴灌保水效果更好，灌溉水有所盈余，這在一定程度上也影響了膜下滴灌方式下灌溉水利用效率。

本研究僅探討了淺埋滴灌與膜下滴灌、傳統畦灌條件下玉米產量形成及水分利用的差異，有關淺埋滴灌與膜下滴灌、傳統畦灌條件下玉米水分吸收利用規律及其差異目前尚不明確，淺埋滴灌方式下節水灌溉制度尤其是淺埋滴灌水肥一體化條件下的節水灌溉制度也需今后進一步深入研究。

4 結 論

淺埋滴灌方式與膜下滴灌和傳統畦灌方式相比，淺埋滴灌花后維持了較高的物質生產能力，從而使吐絲后干物質積累量較高，且保持了較高的干物質轉運效率，促進了籽粒灌漿，提高了籽粒產量，分別較膜下滴灌和傳統畦灌高6.1%～13.9%和1.4%～6.2%；灌溉水利用效率淺埋滴灌也明顯高于膜下滴灌和傳統畦灌。淺埋滴灌既解決了節水增效問題，也避免了殘膜的環境污染，是西遼河平原玉米節水高產栽培適宜的灌溉方式