河套灌區(qū)灌溉定額對(duì)膜下滴灌玉米生產(chǎn)性狀及水分利用效率的影響

霍軼珍,王文達(dá),韓翠蓮,李生勇,郭彥芬

(1.河套學(xué)院,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)灌溉排水工程技術(shù)研究中心,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)，連年干旱少雨，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，同時(shí)，近些年隨著灌區(qū)節(jié)水改造工程的完成，在政策指令下，對(duì)河套灌區(qū)減少引黃供水40億m3，減少了20%，這也進(jìn)一步加劇了灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水的緊缺度[1]。而傳統(tǒng)大水漫灌方式灌溉水浪費(fèi)問(wèn)題突出，且產(chǎn)出效率較低，因此，這樣的背景下，就急需要發(fā)展和引進(jìn)新的節(jié)水灌溉技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)有限水資源的高效利用和農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。

膜下滴灌技術(shù)是多年來(lái)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐得以證明的一種節(jié)水增產(chǎn)型灌溉技術(shù)，且近些年在灌區(qū)玉米[2]和紫花苜蓿[3]的種植試驗(yàn)過(guò)程中也取得了較好的效果。但以往大量學(xué)者的研究的側(cè)重點(diǎn)主要集中在膜下滴灌灌溉制度對(duì)土壤水熱環(huán)境變化[4-7]、作物增產(chǎn)增收及提高水分利用效率等方面的探索[7-10]，而對(duì)膜下滴灌灌溉制度對(duì)作物整個(gè)生育期植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況及產(chǎn)量和水分利用效率影響系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道，有待進(jìn)一步深入研究。因此本研究以河套灌區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物玉米為研究對(duì)象，以傳統(tǒng)漫灌為對(duì)照，設(shè)置不同滴灌灌溉定額，系統(tǒng)的研究不同處理對(duì)玉米株高、葉面積指數(shù)、地上部生物量累積量和葉片SPAD值等生理性狀指標(biāo)及水分利用效率和產(chǎn)量的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證滴灌在河套灌區(qū)玉米種植過(guò)程中的適宜性，促進(jìn)膜下滴灌技術(shù)在灌區(qū)的發(fā)展應(yīng)用，對(duì)灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)河套學(xué)院灌排試驗(yàn)基地，該地區(qū)多年平均降雨量140 mm，蒸發(fā)量2 306.5 mm，平均氣溫6.8℃，平均日照時(shí)數(shù)3 229.9 h，無(wú)霜期130 d左右，屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗(yàn)區(qū)以粉砂壤土為主，0—100 cm土壤平均容重1.51 g/cm3，土壤田間持水量為0.239 cm3/cm3，灌溉水源為黃河水，平均礦化度0.6～0.8 g/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置傳統(tǒng)漫灌(灌溉定額358 mm)、滴灌DP1(180 mm)、DP2(200 mm)、DP3(220 mm)、DP4(240 mm)和DP5(260 mm)共5個(gè)處理，試驗(yàn)采用小區(qū)試驗(yàn)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積100 m2(20 m×5 m),3次重復(fù)。

春播期，平耙地后采用機(jī)械覆膜鋪滴灌帶及施肥，膜下滴灌采用一膜一帶一行的種植模式。播種時(shí)施底肥尿素(46%N)300 kg/hm2，磷酸二銨(16%P2O5)150 kg/hm2;試驗(yàn)地膜選用內(nèi)蒙古華豐商貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)聚乙烯普通農(nóng)用地膜，膜厚0.008 mm，膜寬70 cm;滴灌帶為內(nèi)鑲貼片式，內(nèi)徑16 mm，滴頭間距30 cm，流量為1.8 L/h;玉米品種為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種西蒙6號(hào)。人工點(diǎn)種玉米，玉米種植行距50 cm，株距28 cm，每壟2行。傳統(tǒng)漫灌根據(jù)當(dāng)?shù)嘏渌畷r(shí)間，采用傳統(tǒng)畦灌的灌水方式進(jìn)行灌溉，灌第一水時(shí)施尿素(46%N)450 kg/hm2;灌第二水時(shí)施尿素(46%N)300 kg/hm2;灌第三水時(shí)不施肥。滴灌灌第三水時(shí)施尿素(46%N)450 kg/hm2，灌第五水時(shí)施尿素(46%N)300 kg/hm2，為提高肥料利用率采用鴨嘴器人工進(jìn)行施肥。各處理灌溉制度見(jiàn)表1。

表1 不同處理灌溉制度 mm

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

田間微氣象站采集玉米生育期氣象數(shù)據(jù);準(zhǔn)確記錄玉米各生育期時(shí)間，玉米苗期開(kāi)始，各處理小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的6株玉米掛牌標(biāo)記，每隔7 d采用鋼尺測(cè)量玉米株高，同時(shí)測(cè)量每株各葉片最長(zhǎng)、最寬處，利用公式計(jì)算葉面積指數(shù)[11];各生育期選一天利用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定葉片SPAD值;各生育期內(nèi)，各處理選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的3株植物樣，分割后自然晾干，然后放入紙袋在80℃恒溫烘箱中烘干至恒重，利用度萬(wàn)分之一精度的電子天平稱(chēng)重，測(cè)量地上部生物質(zhì)量累積量;玉米成收獲后，每個(gè)處理選取15株植物樣測(cè)量穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量。

1.3.1 水分利用效率的計(jì)算

WUE=Ym/ETm

(1)

ETm=ΔW+P+I+G-D

(2)

式中:Ym為玉米產(chǎn)量(kg/hm2);ETm為生育期耗水量(mm);ΔW為生育期內(nèi)0—100 cm土壤貯水量變化(mm);P為生育期有效降雨量(mm);I為灌溉量(mm);G為地下水補(bǔ)給量(mm);D為深層滲漏量(mm)。

1.3.2 滲漏補(bǔ)給量的計(jì)算 分別在各處理小區(qū)中間埋設(shè)80 cm,100 cm兩根張力計(jì)，選定距地表為100 cm處為作物根系層下邊界，采用達(dá)西定律計(jì)算地下水補(bǔ)給量與滲漏量。

(3)

式中:ψm1和ψm2分別為土壤層深度為80 cm和100 cm處的基質(zhì)勢(shì)值(hPa),θ為80 cm和100 cm處的平均體積含水率(%);Z1和Z2為兩處的埋深(cm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Mircrosoft-Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并進(jìn)行圖表的繪制，利用SPSS 17.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌定額對(duì)玉米株高的影響

由圖1可知，不同處理?xiàng)l件下玉米全生育期株高變化趨勢(shì)一致，整體表現(xiàn)為前期生長(zhǎng)速率較快，生育后期玉米逐漸由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率趨于平緩。整個(gè)生育期，各滴灌處理?xiàng)l件下玉米株高整體表現(xiàn)為DP5>DP4>DP3>DP2>DP1，且均明顯高于傳統(tǒng)漫灌CK處理(p<0.05)，這是由于滴灌較傳統(tǒng)漫灌更好的調(diào)節(jié)了土壤的水肥氣熱條件，為玉米的生長(zhǎng)提供了良好的土壤環(huán)境，全生育期處理DP1,DP2,DP3,DP4和DP5平均較CK高18.12%,27.71%,34.91%,40.52%和45.1%。苗期至抽雄吐絲期是玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛期，此時(shí)植株壯苗生長(zhǎng)有利于產(chǎn)量的形成，研究發(fā)現(xiàn)，處理DP4和DP5間差異性不顯著(p>0.05)，但均顯著高于其他各處理(p<0.05)，該生育階段，兩處理平均較處理CK,DP1,DP2和DP3高68.13%,30.81%,15.26%,6.21%和76.24%,36.95%,20.68%,11.27%，這也說(shuō)明，在一定的灌溉量范圍內(nèi)，隨灌溉量增加，可顯著促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)發(fā)育，當(dāng)灌溉量達(dá)到一定值時(shí)，該效應(yīng)減弱。玉米進(jìn)入灌漿期以后，植株進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，植株間株高差異減弱，各滴灌處理間差異性不顯著(p>0.05)，但均明顯高于常規(guī)灌溉處理CK。

圖1 不同滴灌定額條件下玉米各生育期株高變化

2.2 不同滴灌定額對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

葉面積指數(shù)直接影響到作物蒸騰作用及光合產(chǎn)物的形成，并最終表現(xiàn)在作物產(chǎn)量方面。由圖2可知，玉米苗期至拔節(jié)期，葉面積指數(shù)增加迅速，至灌漿期達(dá)到全生育期的峰值，而后隨玉米灌漿成熟及葉片的枯萎衰老，葉面積指數(shù)逐漸減小。整體來(lái)看，玉米全生育期內(nèi)各處理葉面積指數(shù)隨滴灌定額的增加呈增加趨勢(shì)，且各處理均顯著高于漫灌處理CK。不同處理對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響主要在玉米苗期至抽雄吐絲期的生育前中期，灌水量越大，葉面積指數(shù)越大，且此階段處理DP1,DP2,DP3,DP4和DP5平均較CK高37.94%,50.76%,76.27%,101.43%和105.91%，差異性顯著(p<0.05)，這也增加了對(duì)光照的截留，提高光照利用率，為玉米光合產(chǎn)物的形成及產(chǎn)量的提高奠定了基礎(chǔ)[12]。但對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌溉量達(dá)到240 mm以后，繼續(xù)增加灌水量，對(duì)葉面積指數(shù)的影響減弱。玉米進(jìn)入灌漿期后，植株轉(zhuǎn)向營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，植株吸收的養(yǎng)分主要用于籽粒的灌漿，此階段各處理間差異性減弱，但各滴灌處理葉面積指數(shù)隨灌水量增加呈增加趨勢(shì)，且均明顯高于常規(guī)灌溉處理CK，但差異性不顯著。由此可見(jiàn)，滴灌不同灌溉定額主要影響玉米生育前中期葉面積的生長(zhǎng)發(fā)育，且在一定灌溉定額范圍內(nèi)，隨灌水量增加葉面積指數(shù)呈持續(xù)增加趨勢(shì)，生育后期影響變?nèi)酢?/p>

圖2 不同滴灌定額條件下玉米各生育期葉面積指數(shù)變化

2.3 不同滴灌定額對(duì)玉米地上部生物量累積量的影響

由圖3可知，隨滴灌灌溉定額的增加，玉米地上部生物量累積量整體表現(xiàn)為DP5>DP4>DP3>DP2>DP1，且均顯著高于對(duì)照處理CK，這主要是由于滴灌更好的調(diào)節(jié)了土壤的水肥氣熱條件，促進(jìn)了植株的生長(zhǎng)發(fā)育和生育進(jìn)程，玉米全生育期處理DP1,DP2,DP3,DP4和DP5平均較CK高31.37%,42.74%,63.52%,91.22%和98.26%。同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各生育期處理DP4和DP5間地上部生物量累積量相差在0.03%～2.99%，差異性不顯著(p>0.05)，但均顯著高于其他各處理(p<0.05)。這也說(shuō)明，并不是灌溉量越多越有利于地上部生物量累積量的增加，當(dāng)?shù)喂喙喔榷~達(dá)到240 mm后，繼續(xù)增加灌水量，對(duì)地上部生物量累積量的影響減弱。

圖3 不同滴灌定額條件下玉米各生育期地上部生物量累積量變化

2.4 不同滴灌定額對(duì)玉米葉片SPAD值的影響

作物葉片SPAD值是反映葉片葉綠素相對(duì)含量的指標(biāo)，從而直接反映作物的生長(zhǎng)狀況。由圖4可知，隨滴灌定額的增加，玉米葉片SPAD值在全生育期同樣表現(xiàn)為DP5>DP4>DP3>DP2>DP1。不同灌溉處理主要影響玉米苗期至灌漿初期葉片SPAD值變化，此階段除處理DP4和DP5間差異性不顯著外(p>0.05)，其他各處理間差異達(dá)到了顯著性水平(p<0.05)，且各處理均顯著高于對(duì)照處理CK，此生育階段處理DP1,DP2,DP3,DP4和DP5平均較CK高5.72%,10.65%,15.35%,28.50%和29.57%。這一方面是由于膜下滴灌灌溉過(guò)程中，達(dá)到了對(duì)玉米根系區(qū)的精確灌溉，為玉米生長(zhǎng)提供了適宜的土壤水分條，另一方面滴灌較常規(guī)灌溉可有效提高肥料利用率，此外膜下滴灌土壤增溫保墑效果顯著，從而為玉米的生長(zhǎng)發(fā)育提供了更適宜的土壤水肥熱條件[13-15]。玉米成熟期至收獲期，植株衰老枯萎，葉片SPAD值顯著減小，但此階段各處理間差異性不顯著(p>0.05)。

圖4 不同滴灌定額條件下玉米各生育期葉片SPAD值變化

2.5 不同滴灌定額對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表2不同處理?xiàng)l件下玉米產(chǎn)量指標(biāo)對(duì)比可知，玉米穗長(zhǎng)、穗粗及穗粒數(shù)均表現(xiàn)為處理DP5>DP4>DP3>DP2>DP1，說(shuō)明灌水量對(duì)各指標(biāo)影響顯著。而百粒重和產(chǎn)量則表現(xiàn)為DP4>DP5>DP3>DP2>DP1，處理DP5和DP4各指標(biāo)差異性不顯著，但均顯著高于其他各處理。說(shuō)明在一定的灌溉定額條件下，玉米百粒重和產(chǎn)量隨灌水量增加呈持續(xù)增加趨勢(shì)，但繼續(xù)增加灌水量對(duì)產(chǎn)量的提升具有一定的抑制作用，且研究發(fā)現(xiàn)，各滴灌處理產(chǎn)量指標(biāo)均顯著高于對(duì)照處理CK，這主要是由于滴灌在各關(guān)鍵生育期可為玉米的正常生長(zhǎng)及時(shí)提供水肥供應(yīng)，增產(chǎn)效果顯著，處理DP1,DP2,DP3,DP4和DP5平均較CK增產(chǎn)11.18%,16.75%,46.54%,56.06%和47.96%。

表2 不同處理?xiàng)l件下玉米產(chǎn)量指標(biāo)對(duì)比

對(duì)于干旱半干旱地區(qū)來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)用水日益短缺是制約農(nóng)業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展的關(guān)鍵性因素，因此在這樣的背景下實(shí)現(xiàn)灌溉水的高效利用是我們亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，而作物水分利用效率是衡量水分利用程度的量化指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)(表3)，各滴灌處理水分利用效率均顯著高于常規(guī)灌溉CK，以處理DP4最高，平均較處理，差異性均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)。

表3 不同處理?xiàng)l件下水分利用效率對(duì)比

3 討論與結(jié)論

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處干旱半干旱區(qū)，連年干旱少雨，因此，如何實(shí)現(xiàn)水資源的合理灌溉和高效利用是保證農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。而灌溉定額的大小直接影響作物植株的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，從而影響產(chǎn)量的形成。研究發(fā)現(xiàn)，由于滴灌條件更好的調(diào)節(jié)了土壤環(huán)境，促進(jìn)了作物生長(zhǎng)發(fā)育，玉米全生育期內(nèi)各生育指標(biāo)均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)漫灌處理。

作物植株的高矮表征作物生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的優(yōu)劣，其在一定程度上影響植株對(duì)光照的吸收利用，從而影響光合產(chǎn)物的形成，研究發(fā)現(xiàn)，玉米株高隨滴灌定額的增加，呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這一結(jié)論與李媛媛[16]和鄭和祥[17]等的研究結(jié)論具有相同之處，且各滴灌處理均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)漫灌處理，但并不是灌水越多對(duì)植株生長(zhǎng)越有利，當(dāng)灌溉定額達(dá)到一定量后(240 mm)，繼續(xù)增加灌水量，對(duì)玉米株高影響大大減弱。

葉面積指數(shù)大小是影響作物接受光能進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵性因素，是衡量作物群體結(jié)構(gòu)是否合理的判定依據(jù)，葉面積指數(shù)相對(duì)越大，越有利于光合產(chǎn)物的形成。本研究發(fā)現(xiàn)，隨滴灌灌溉定額的增加，葉面積指數(shù)呈增加趨勢(shì)，且在玉米前中期影響更為顯著，與郭維[18]等的研究結(jié)果相同。但當(dāng)灌溉定額達(dá)到240 mm后，繼續(xù)增加灌溉定額，對(duì)葉面積指數(shù)影響微弱，這一結(jié)論與田育豐[19]等得出的灌溉定額達(dá)到一定值后葉面積指數(shù)下降的結(jié)論有所不同，這可能是由于地域氣候有所差異，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)生理反應(yīng)有所不同。

地上部生物量累積量是反映作物生長(zhǎng)狀況優(yōu)劣的另一重要指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)隨灌水量的增加地上部生物量累積量呈增大趨勢(shì)，且當(dāng)灌溉定額達(dá)到240 mm后，增幅減弱。

作物葉片SPAD值是反映葉片中葉綠素相對(duì)含量的指標(biāo)，其含量大小直接影響光合作用并最終影響到產(chǎn)量的形成，研究發(fā)現(xiàn)，隨灌溉定額的增加，葉片SPAD值呈顯著增加趨勢(shì)，說(shuō)明充足的水分供應(yīng)，更有利于植株的光合作用，但當(dāng)灌溉定額達(dá)到240 mm后，增加效應(yīng)減弱。

有研究表明[20]，額外的增加灌溉水量可顯著提高作物產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，隨灌溉定額的增加，玉米穗長(zhǎng)、穗粗及穗粒數(shù)均呈現(xiàn)不同增加趨勢(shì)，但當(dāng)灌溉定額達(dá)到240 mm后，玉米百粒重和產(chǎn)量呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)，這可能是由于灌水量過(guò)多，延長(zhǎng)了玉米的成熟進(jìn)程，這一結(jié)論與李媛媛等[16]的研究結(jié)果相同。同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌溉水量達(dá)到240 mm后，繼續(xù)增加灌溉水量，水分利用效率減小顯著。因此綜合評(píng)價(jià)，滴灌灌溉定額為240 mm較適宜在該地區(qū)玉米種植過(guò)程中推廣應(yīng)用。