不同灌水定額對景電灌區(qū)春玉米光合生理特征及經濟效益的影響

朱 琪

(甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

水資源短缺是制約我國農業(yè)快速發(fā)展的主要因素之一[1]。高效節(jié)水農業(yè)快速發(fā)展是有效解決我國農業(yè)缺水、水資源浪費問題的關鍵，其中節(jié)水灌溉技術是解決我國農業(yè)水資源短缺問題的主要舉措[2]，主要是根據作物耗水特性，將有限水資源合理分配，使作物需水與供水匹配，達到增產提質的目的[3- 4]。白銀市景泰縣地處黃土高原與騰格里沙漠過渡地帶，為河西走廊東端門戶，境內有被譽為“亞洲之最”的景泰川電力提灌工程。降水稀少，年降水量約為185mm左右，平均蒸發(fā)量3038mm，日照時間較長，全年日照可達2726h左右，光照資源非常豐富，有利于農作物生長發(fā)育。景泰縣具備種植灌溉作物得天獨厚的地理資源優(yōu)勢，素有“塞上小江南”之稱，是甘肅省枸杞、沙漠蜜瓜、大棗等經濟作物種植面積最大的地區(qū)之一，更是糧食作物玉米的主要產地。玉米畝產收益較高，不僅可以制作成各種食品，同時也是高產的飼料作物，種植面積得到大規(guī)模推廣。2018年隨著農村產業(yè)結構的調整，玉米產業(yè)在確保全縣脫貧致富過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用。目前，膜下滴灌技術已在小麥、馬鈴薯、玉米[5- 7]等大宗作物中大面積推廣，而且在油葵、菘藍、西紅柿、棉花、釀酒葡萄[8- 12]等經濟作物中得到了成功的應用。但有關以膜下滴灌為灌溉條件，春玉米光合特性、產量及水分利用效率對最佳灌水定額和灌溉定額的響應鮮有報道。為此，本研究以春玉米“沈單10號”為研究對象，對不同灌水定額和灌溉定額條件下春玉米光合生理特征、產量、水分利用效率和經濟效益的影響開展系統(tǒng)研究，旨在為景電灌區(qū)春玉米高效節(jié)水產業(yè)高產、優(yōu)質、可持續(xù)發(fā)展提供可靠的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年4月14日—10月8日在甘肅省中部沿黃灌區(qū)的白銀市景泰縣景電灌區(qū)條山農場內進行。該地區(qū)位于甘肅省中部，試驗區(qū)內地勢平緩，屬大陸性溫帶干旱氣候，冬春干燥少雨，風沙嚴重，夏季干燥蒸發(fā)大，秋季降水集中，霜凍天氣早，一年四季晝夜溫差大。年平均氣溫為8.25℃，年平均降水量183.1mm，年平均蒸發(fā)量3038mm，景電灌區(qū)作為全省重要的黃河灌溉農業(yè)區(qū)，水源充足，具有良好的農業(yè)灌溉條件。試驗地主要土壤類型為灰鈣土，易于耕作，土壤平均容重為1.54g·cm-3。試驗地土壤養(yǎng)分含量分別為有機質5.02g·kg-1、全氮0.46g·kg-1、全磷1.48g·kg-1、全鉀13.15g·kg-1、pH值為8.77、全鹽1.31g·kg-1、灌溉水礦化度0.74g·L-1，生育期內降雨量為156.3mm，主要集中在6—9月份。

1.2 供試材料

供試春玉米品種為“沈單10號”，由遼寧省沈陽市農業(yè)科學院玉米所提供。該品種屬新一代雜交種，果粒飽滿，穗長，具有產量高、品質佳、生長健壯、高抗大斑病和莖腐病等優(yōu)勢。

1.3 實驗設計

實驗于2018年4—10月在景電灌區(qū)條山農場內進行，于4月22日播種，10月1日收獲開始統(tǒng)計產量。試驗地休閑期深耕、冬灌，灌水量為1800m3·hm-2，種植模式為1膜3行(膜寬145cm，行距45cm，株距30cm)，種植密度均為5.04×104株·hm-2。每小區(qū)面積50m2(5.0m×10m)，共15個試驗小區(qū)。播種前施底尿素(N含量≥46%)600kg·hm-2，過磷酸鈣(P2O5含量≥12%)600kg·hm-2，硫酸鉀(K2O含量≥52.0%、S含量≥18.0%)300kg·hm-2。水源是引黃水經過30萬m3大型蓄水池首次沉淀，經低壓管道從大型蓄水池引至溫室蓄水池，利用微型潛水泵或自吸泵加壓，通過滴灌管將水運輸到春玉米根部。春玉米生育期灌水10次，采用不同的灌水梯度。試驗共設5個處理，3次重復，不同處理春玉米灌水方案見表1。每小區(qū)之間用油氈隔斷，深100cm，以防止水分之間側滲。

1.4 主要測定指標與方法

采用傳統(tǒng)烘干稱重法測定。在播種前和收獲后以及每個生育期內用土鉆取土，在灌水前、灌水后和降水前后進行加測，取樣深度為0～80cm，0～20cm每10cm為一層，20～80cm每20cm為一層，取樣后裝入鋁盒中稱鮮土重，然后放置在預熱至110℃烘箱內烘干至恒重稱重，計算土壤含水率。計算公式如下：

W=(W1—W2)/(W2—W3)×100%

(1)

式中，W—土壤含水量，%；W1—土壤鮮樣和鋁盒的總質量，g；W2—烘干土樣和鋁盒的總質量，g；W3—空鋁盒的質量，g。

1.4.2生理指標

每個處理選3株玉米，使用LI- 6400型光合測定儀在玉米拔節(jié)期、吐絲期和灌漿期選取晴天8∶00am-18∶00pm測定葉片光合日動態(tài)，每隔2h觀測1次。測定參數包括凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度。

1.4.3產量

待春玉米成熟后，每個小區(qū)單獨收獲測產計算，3個重復的平均值為各處理的實際產量。同時各小區(qū)隨機取20株進行穗粗、穗長、無效穗長、穗行數、行粒數、單株成穗數、穗粒數、百粒重等指標測定。

1.4.4水分利用效率

采購人員參考和依據讀者、專家學者或是書商提供的圖書薦購單，將書單發(fā)給書商，然后書商根據訂購單來安排圖書的運送工作。這種方式的好處就是方便，節(jié)約人力和經費，缺點是不能從紙張、印刷質量等方面對書籍有直觀全面的了解。

水分利用效率WUE按如下公式計算：

(2)

式中，WUE—水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y—作物產量，kg·hm-2，ETa—農田耗水量，mm。

1.5 數據統(tǒng)計分析

利用EXCEL 2019對所測數據進行計算，用SPSS 16.0數據處理系統(tǒng)進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同灌水定額對春玉米光合特性的影響

2.1.1拔節(jié)期

光合作用對作物產量的形成起關鍵作用。作物光合作用特性包括凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度。光合速率是指作物單位時間和面積吸收或者釋放二氧化碳的量，即作物單位時間內制造有機物的量，由作物自身積累和呼吸所消耗的兩部分構成。春玉米拔節(jié)期葉片凈光合速率日動態(tài)變化見表2。在玉米拔節(jié)期8∶00am- 18∶00pm時段內，所有處理呈現波動性變化，在8∶00am和12∶00am時各處理之間峰值差異較明顯。其中灌水量最低的T1處理峰值最低，而T4全天凈光合速率最大，表明T4處理能提升凈光合速率，全天均值達27.135μmol·m-2·s-1，較對照CK提高1.830μmol·m-2·s-1。

表1 不同處理春玉米灌水方案 單位：m3·hm-2

表2 不同灌溉定額對春玉米拔節(jié)期光合特性的影響

注：表中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05),下同。

蒸騰速率是作物單位時間內在單位葉面積上的蒸騰水量，蒸騰速率的大小直接反映作物葉片耗水的快慢程度。不同灌水處理對春玉米不同生育期蒸騰速率的影響見表2。在8∶00am- 18∶00pm時段內，葉片凈光合速率與蒸騰速率的變化趨勢基本一致，呈現先升高后降低的單峰變化趨勢，峰值也出現在12∶00am- 16∶00pm時段內，隨后逐漸下降。其中CK蒸騰速率最大，達6.408mmol·m-2·s-1，其次為T4和T3，分別為6.004、5.574mmol·m-2·s-1，T1蒸騰速率最小，僅為3.327mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

氣孔是植物葉片與外界進行氣體交換的主要通道。通過氣孔擴散的氣體有O2、CO2和水蒸汽，是體現作物葉片CO2與外界進行水汽與交換能力的重要指標。不同灌水處理對春玉米拔節(jié)期全天氣孔導度的影響見表2。氣孔導度從8∶00am到12∶00am為增加階段，此后很快進入降低階段，僅在12∶00am短暫出現一個峰值。灌水T1和T2顯著低于T3、T4和CK(P<0.05)，其中T1和T2的均值僅為0.156和0.195mol·m-2·s-1，顯著低于T3、T4和CK。

2.1.2吐絲期

吐絲期是玉米的重要生長階段之一，該階段生長對玉米籽粒的形成極其關鍵。春玉米吐絲期葉片凈光合速率日動態(tài)變化見表3。在玉米吐絲期8∶00am- 18∶00pm時段內，各處理均呈現降低趨勢。其中T1處理降低幅度最顯著，表明土壤水分降低抑制了光合速率，而T4全天凈光合速率最大，表明T4灌水處理能顯著提升凈光合速率，均值達24.236μmol·m-2.s-1，較對照CK提高8.045μmol·m-2·s-1，而T1僅僅為7.199μmol·m-2·s-1(P<0.05)。

不同灌水處理對春玉米吐絲期全天蒸騰速率的影響見表3。在8∶00am- 18∶00pm時段內，葉片凈光合速率與蒸騰速率的變化趨勢基本一致，總體表現出先升高后降低的單峰變化趨勢，峰值出現在12∶00am。隨后各處理蒸騰速率均開始下降，其中CK蒸騰速率最大，達4.803mmol·m-2·s-1，0其次為T4，為4.386mmol·m-2·s-1，T1蒸騰速率最小，僅為1.484mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

表3 不同灌溉定額對春玉米吐絲期光合特性的影響

由于吐絲期是籽粒產量發(fā)育的重要生育期，所以該育期內較高的氣孔導度有益于降低高溫對作物灼傷，減小水分損失。不同灌水處理對春玉米吐絲期全天氣孔導度的影響見表3。高灌水定額T4和CK氣孔導度從8∶00am到10∶00am呈先增加后減小趨勢，隨后進入降低階段，僅在10∶00am出現短暫峰值。而低灌水定額T1和T2處理并沒有顯著變化，且T1和T2處理的均值僅為0.058和0.074mol·m-2·s-1，顯著低于T3、T4和CK(P<0.05)。

2.1.3灌漿期

灌漿期是玉米后期生長關鍵階段，即通過光合作用產生的淀粉、蛋白質和積累的有機物通過同化作用儲存在籽粒中。該階段生長對玉米干物質積累和籽粒形成最為關鍵。吐絲期葉片凈光合速率日動態(tài)變化見表4。在玉米灌漿期8∶00am- 18∶00pm時段內，所有處理呈現明顯峰值變化，即從8∶00am- 18∶00pm各處理之間均呈現先增加后降低趨勢，且峰值維持較長一段時間，12∶00am后呈降低趨勢。其中T1處理降低幅度顯著，而T4處理凈光合速率全天最大，達15.830μmol·m-2·s-1，而對照CK為15.183μmol·m-2·s-1，而T1僅為4.680μmol·m-2·s-1(P<0.05)。

不同灌水處理對春玉米灌漿期全天蒸騰速率的影響見表4。在春玉米8∶00am- 18∶00pm時段內，葉片凈光合速率與蒸騰速率的變化趨勢差異較大，總體表現出從高到低然后在高的趨勢。而隨著時間的推進，呈先升高后降低的單峰變化趨勢，極低值出現在8∶00am，隨后開始上升，10∶00pm又開始下降。其中，CK蒸騰速率最大，達4.193mmol·m-2·s-1，其次為T4和T3，為3.463和3.257mmol·m-2·s-1，T1蒸騰速率最小，僅為1.344mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

由于灌漿期是籽粒形成的重要生育期，較吐絲期相比，該生育期部分葉片凋落，氣孔導度關閉，導致氣孔導度值減小。不同灌水處理對春玉米灌漿期全天氣孔導度的影響見表4。氣孔導度變化幅度從8∶00am到18∶00pm呈現持續(xù)降低的趨勢。T1和T2處理降低顯著，均值僅為0.030和0.074mol·m-2·s-1，顯著低于T3、T4和CK(P<0.05)。

2.2 不同灌水定額對春玉米產量構成因素的影響

玉米產量構成因子主要包括：果穗長度、行粒數、穗行數、穗粗、單穗粒數、穗重和穗軸重。較高灌溉定額CK相比，T1果穗長度、行粒數、穗行數、穗粗、單穗粒數、穗重和穗軸重分別較CK降低了8.74%、7.68%、2.44%、9.52%、9.93%、13.66%和17.28%；T2果穗長度、行粒數、穗行數、穗粗、單穗粒數、穗重和穗軸重分別較CK降低了6.00%、2.25%、1.83%、2.75%、4.04%、9.98%和9.96%；T3果穗長度、行粒數、穗行數、穗粗、單穗粒數、穗重和穗軸重分別較CK降低了5.96%、0.76%、1.44%、0.27%、2.19%、6.98%和6.98%；T4果穗長度、行粒數、穗重和穗軸重分別降低了1.63%、0.45%、4.70%和1.02%，而穗行數、穗粗、單穗粒數分別較CK增加2.66%、0.88%、2.20%；可以發(fā)現除了穗行數、穗粗、單穗粒數增加外，其余均降低，降低的灌溉定額顯著地抑制了作物的生長和最終的灌漿，進而產量構成因子的降低，這說明對于玉米產量來說，灌水定額降低對產量影響較為敏感。另外，不同處理之間相比，單穗粒數、穗重和穗軸重存在顯著差異(P<0.05)，而果穗長度、行粒數、穗行數、穗粗并不在顯著差異(P>0.05)，也間接地反映出單穗粒數、穗重和穗軸重視決定產量構成因子的決定性因素。詳見表5。

表4 不同灌溉定額對春玉米灌漿期光合特性的影響

表5 不同灌水定額對玉米產量構成要素的影響

2.3 不同灌水定額對春玉米產量和水分利用效率的影響

產量和水分利用效率是反映玉米生產最主要的兩個關鍵指標，隨著T1、T2、T3、T4和CK灌水定額增加，玉米全生育的耗水量也隨之增大，CK耗水最大，與T1、T2、T3、T4相比較，分別增加了42.28%、38.98%、32.20%和24.07%。但水分利用效率差異較大，T1、T2、T3、T4處理均值達到了3.21kg·m-3，較CK相比，分別增加了53.18%、50.91%、43.18%和37.27%，并且發(fā)現，最低灌溉定額的T1處理水分利用效率最高。但其產量最低，因為其全生育消耗的水分最少。同時，可以看出，較CK相比較，T1的節(jié)水效率最高，其次是T2、T3、T4。這是產量提高和降低耗水之間面臨和要解決的矛盾。如何尋求他們之間平衡對灌溉定額的制定非常重要。詳見表6。

表6 不同灌溉定額對春玉米產量和水分利用效率的影響

2.4 不同灌水定額對春玉米經濟效益的影響

不同灌水定額對春玉米經濟效益的影響見表7。結果表明T1、T2、T3、T4和CK之間的投入無顯著差異(P>0.05)。與CK相比，T1、T2、T3籽粒產出和秸稈產出分別降低了11.70%、8.03%、3.25%和6.66%、4.80%、3.31%，導致總產出的降低。此外，盡管T1、T2、T3、T4和CK之間的產投比無顯著差異(P>0.05)，但是凈產值確存在差異，因為較低灌溉定額其節(jié)水效益較為明顯，與CK相比較，T1、T2、T3、T4的凈產值分別提高了1.68%、3.42%、6.24%、9.63%。可以看出，在春玉米生產中，較高的灌溉定額可以獲得預期的經濟收益。同時發(fā)現，當灌溉定額超出一定的范圍后，反而會導致凈產值的降低，不利于春玉米的生產。因此，探索灌溉定額與經濟效益之間的最優(yōu)耦合關系對提升玉米產量和農民收入非常重要。

3 結論

(1)灌水定額減小影響了玉米葉片的正常光合作用，導致葉片光合速率、蒸騰速率和氣孔導度下降的同時還促使了光合速率日變化的峰值提前。從全生育期來看，玉米葉片光合速率和蒸騰速率在拔節(jié)期受到水分的影響最大，在吐絲期灌水定額減少后氣孔導度下降最顯著。

(2)膜下滴灌春玉米產量隨灌水量呈正態(tài)分布，當灌水量小于3600m3·hm-2時，春玉米產量隨灌水量增加而增加，當灌水量大于3600m3·hm-2時，春玉米產量隨灌水量增加而減小，處理T4產量最大，為15020.2kg·hm-2，處理T1產量最小，僅為12750.5kg·hm-2。果穗長度、行粒數、穗行數、穗粗、單穗粒數、穗重等產量構成因素同樣隨灌水定額增加呈遞增趨勢，CK較T1、T2和T3增幅分別為2.44%～17.28%、1.83%～9.96%、0.27%～6.98%。

(3)膜下滴灌春玉米水分利用效率隨灌水定額的增加而減小，處理T1水分利用效率最大、節(jié)水效率最高，分別為3.37kg·m-3和42.28%，處理CK水分利用效率最小，僅分別為2.20kg·m-3。

綜合考慮春玉米產量、水分利用效率、經濟效益等指標，景電灌區(qū)最佳春玉米灌水定額為360m3·hm-2，灌水10次，灌溉定額為3600m3·hm-2。由此可見，適度的灌水定額既能顯著提高春玉米水分生產效率，實現節(jié)水、高效用水的目的，又能提高春玉米產量和經濟效益，對景電灌區(qū)春玉米種植具有重要的意義。本試驗只對春玉米進行了相同生育期不同灌水定額分析研究，而不同生育期調虧灌溉對春玉米產量、水分利用效率和品質的影響是否更具有優(yōu)勢還有待進一步研究。

表7 不同灌溉定額對春玉米經濟效益的影響