灌水量和鹽度對玉米產量和水分利用效率的影響

劉 凱,葛 鵬

(蘇家屯區農業技術推廣與行政執法中心,遼寧 沈陽 110101)

隨著農業生產量的增加農業用水量也不斷增加。然而，可用于農業生產的淡水在持續減少[1]。淡水的缺乏限制了干旱地區農業的可持續發展[2]。與此同時，灌溉水的水質也在發生著惡化。虧缺灌溉和咸水灌溉在農業生產中普遍被用來克服干旱和維持作物產量[3]。玉米是世界上消耗最廣泛的作物之一，其生長在廣泛的氣候帶，大多是在灌溉條件下生長[4]。很多研究表明灌溉水的鹽度達到4～8 dS/m可用于玉米生長，且水的鹽度閾值應根據土壤和氣候條件進行相應的調整[4]。作物產量是利用咸水灌溉考慮的重要因素之一[5]。一般來說，超過耐受限度后，產量會隨著土壤鹽分的增加而近似線性下降。在干旱和半干旱地區，缺水和水質惡化經常同時發生并相互影響。關于咸水灌溉或虧缺灌溉對玉米的影響，已經進行了許多研究。但關于咸水灌溉和虧缺灌溉對玉米耗水和產量的交互作用的影響仍然較少。本文的研究目的為：(1)量化不同灌水量和不同水鹽條件下玉米的產量；(2)評價不同灌水量和水鹽條件下玉米的水分生產率。

1 研究方法

1.1 試驗設計

本試驗于2017—2019年在農業試驗站進行。試驗區年日照時數超過2700 h，年平均降水量約為510 mm。2017年、2018年和2019年的蒸散量分別為412 mm、383 mm和318 mm。本文采用365 mm的灌水量作為控制灌溉水平的參考值。采用3種水平的水鹽度進行灌溉：0.65 dS/m(N1)、3.20 dS/m(N2)和6.10 dS/m(N3)，以及3種水平的灌水量：375 mm(M1)、300 mm(M2)和221 mm(M3)。試驗共進行9個灌溉處理。根據研究區耕作習慣，灌溉分4次進行，分別為分蘗～拔節、拔節～抽雄、抽雄～灌漿和灌漿～成熟期。詳細的灌溉處理見表1。

表1 不同處理的灌溉方式

每組試驗進行3次重復，設置27個小型地塊。地塊尺寸為3 m×3 m。在地塊周圍放置0.3 m高的圍板，以盡量減少水量的水平運動。鹽度為0.65 dS/m、3.20 dS/m和6.10 dS/m的水通過將氯化鈉、硫酸鎂和硫酸鈣(質量比為2∶2∶1)溶解在淡水中人工制備而成。作物行距為15 cm。作物種植前的施肥量為461.2 kg/hm2NH4H2PO4、295 kg/hm2CO(NH2)2、65 kg/hm2K和34 kg/hm2Zn。

1.2 蒸散發計算

實際蒸散發ETa采用式(1)水量平衡方程計算：

ETa+R+D=P0+I+SMD

(1)

式中：ETa為作物蒸散發量，mm；SMD為玉米生育期土壤深度內的實測土壤耗水量，mm；R為地表徑流量，mm；D為地下水流量，mm；P0為玉米生育期的總有效降雨量，≥2.5 mm，2017年、2018年和2019年分別為27.8 mm、25.4 mm和50.0 mm；I為灌水量，mm。土壤耗水量(SMD)是指0～120 cm土壤剖面從播種到成熟期土壤含水量的變化，土壤水分消耗時為正值，補給時為負值。地表徑流(R)假定為零，灌溉水由30 cm 高的圍欄保護。

1.3 生產力指數

水分利用效率WUE計算方法如式(2)所示：

(2)

灌溉水利用效率IWUE計算方法如式(3)所示：

(3)

式中：Y為作物產量，kg/hm2。

2 結果分析

2.1 玉米產量

表2給出了每種處理的玉米產量，可以看出：玉米產量在2017年為5246～7432 kg/hm2，2018年為6402～7223 kg/hm2，2019年為 5633～7140 kg/hm2。在3年內通過充足的淡水灌溉(M1N1)獲得的產量最大,M3N3在2017年和2018年的產量最低，M1N3在2019年的產量最低。表3中的方差分析結果表明，灌溉水量和鹽分對產量的交互影響在統計學上不顯著(p>0.05)。2017年和2018年，鹽度對產量的影響并不顯著。N1和N2、N2和N3、N1和N3之間的產量差異顯著。灌水量對玉米產量的影響在2017年和2019年顯著(p<0.05)，但在2018年不顯著(p<0.05)。2017年，在淡水和咸水灌溉下，玉米產量因水量減少而下降。這種減少僅在M3顯著。M1和M2之間的產率差異被限制在7.0%以內。2018年，在淡水灌溉條件下，充分灌溉獲得的產量最高，盡管M1N1、M2N1和M3N1三種水分處理之間的差異不顯著。但在咸水灌溉條件下，產量表現為M2>M1>M3，M1N2和M1N3的玉米產量分別比M2N2和M2N3低2.9%和6.8%。表明第二年咸水灌溉開始影響玉米產量對水位的響應規律。2019年，淡水灌溉玉米產量保持M1N1>M2N1>M3N1的順序。然而，N2和N3的最高產量是通過M2處理獲得的。與M2N2和M2N3相比，M1N2和M1N3的產量分別降低了6.7%和11.1%。此外，在相同鹽度水平下，咸水灌溉M1的產量低于M3，其與2018年的結果不同。M1N2和M1N3的產量都在6.5%左右，低于M3N2和M3N3。結果表明，在咸水灌溉條件下，充足的供水不是獲得最高產量的必要條件。水的鹽度越高，獲得最高產量所需的水就越少。

表2 2017年、2018年和2019年每種處理的玉米產量

2.2 水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)

各處理的水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)見表4。由表4可知，水分利用效率變化范圍為1.19～1.64 kg/m3。由表3方差分析結果，M2處理在相同鹽度水平下具有最高的WUE值，3種水處理間的差異不顯著。2018年，灌水量對WUE的影響顯著(p<0.05)，而3種水分處理之間的差異仍然不顯著(p>0.05)。N1和N2的最高WUE值1.64 kg/m3均通過M3處理獲得，而N3的WUE值1.63 kg/m3通過M2處理獲得。表明當用鹽水灌溉時，WUE通過適當減少水量而增加。與M1N2和M1N3相比，M2N2和M2N3灌溉水量減少20.0%，但產量分別增加3.0%和7.3%，WUE分別增加21.4%和28.8%。2019年，玉米的WUE受灌水量和水礦化度的影響顯著。在相同鹽度水平下，WUE大小為M3>M2>M1的順序，而在水位M1和M2，WUE大小為N1 > N2 > N3的順序。M3N2處理的最高WUE值為 1.56 kg/m3。M2N2和M2N3比M1N2和M1N3分別高出22.3%和22.2%，產量分別高出6.7%和11.1%。與M2N2和M2N3相比，M3N2和M3N3的WUE產量較高。當水的鹽度為3.20 dS/m和6.10 dS/m時，295 mm的水量有利于提高玉米產量和WUE。IWUE(1.50～3.16 kg/m3)高于WUE(1.05～1.64 kg/m3)。2017年,灌水量對IWUE的影響顯著，與WUE不同。在相同的鹽度水平下，2017年IWUEM2和M3之間的差異不顯著，M3和M2的減產程度和減水程度大致相當。2018年和2019年，隨著灌水量的減少，IWUE在相同鹽度水平下顯著增加，M1、M2和M3之間的差異顯著。應用咸水灌溉時，M2的產量高于M1，但M3的產量在2018年僅比M1低3.0%，2019年比M1高。可以看出，即使在咸水灌溉條件下，通過減少灌水量，IWUE也顯著增加。鹽度對WUE和IWUE的影響在2019年才顯著(p<0.05)。N3中的WUE和IWUE明顯少于N1和N2，然而，在N1和N2之間沒有觀察到顯著差異。因此，鹽度3.20 dS/m對WUE和IWUE的影響不明顯，但鹽度6.10 dS/m可降低IWUE。與N1相比，在水位M1、M2和M3時，N3的IWUE減少了21.1%、10.2%和10.7%。方差分析結果表明，灌溉水量和鹽度對WUE和IWUE的交互影響在3年內都沒有統計學意義。

表3 水的鹽度、灌水量、水的鹽度×灌水量對玉米產量、水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)影響的F檢驗及顯著性分析

表4 各處理的水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE) kg·m-3

3 結 論

本文以田間試驗為基礎，研究了3個灌水量和3個鹽度水平下玉米的生產力和耗水量，研究結果表明：灌水量的影響在研究的3年內占主導地位；玉米產量對灌水量的響應不同于對耗水量的響應。當使用淡水時，產量與灌水量成正比。2017年咸水灌溉對產量的影響不明顯；隨著土壤鹽分的增加,2018年和2019年，咸水灌溉下的最高產量與最大灌水量不一致；WUE在2018年和2019年以及IWUE在2017年、2018年和2019年通過減少灌水量得到了提高，但是WUE在2017年不同灌水量處理之間的差異不明顯，適當的淡水虧缺灌溉有助于改善WUE和IWUE。與淡水灌溉相比，3.20 dS/m鹽度下的產量和WUE分別下降了8.0%和12.0%，降幅不顯著。可以得出結論，水的鹽度3.20 dS/m對玉米產量和水分生產率沒有顯著影響。