基于隸屬函數法的寧夏滴灌玉米灌溉制度研究

蔣正文, 岳宏偉, 陳 嬌, 劉 晗

(寧夏回族自治區灌溉排水服務中心,寧夏銀川 750016)

全球氣候變暖加大了對降水時空變化和作物需水及生長規律的影響。節水是我國的一項基本國策,而節水的關鍵是農業節水[1-3]。寧夏是典型的引黃灌溉區,玉米是寧夏的第一大作物,每年種植面積達30萬hm2,占比達70%,玉米的高產穩產對寧夏糧食安全意義重大[4]。

滴灌是一種非常高效的節水方式,在干旱半干旱地區根據作物的需水規律制定滴灌灌溉制度,能夠有效提高作物產量和水分利用率,減少水分、養分淋失和淺層地下水污染[3]。李毅杰等研究表明,滴灌能有效提高甘蔗的產量[5]。周乾等提出了適宜寧夏地區的青貯玉米滴灌制度[6]。加孜拉等以新玉23號為試驗品種,確定適宜北疆寒旱區青貯玉米的滴灌制度[7]。王鼎新等提出在遼西北風沙土地區,玉米膜下滴灌水量宜控制在0.8～1.0 KcE[8]。關于于最優灌溉制度的確定,大多數研究的數據處理仍停留于顯著性或趨勢分析,需要評價者對評價結果進行主觀分析并決策,容易受到試驗數據隨機誤差和人為影響[9-10]。模糊數學中的隸屬函數值法不僅能規避主觀分析和決策的弊端,而且能整合多主體評價信息并使其得到最優唯一解[11-12]。為了促進寧夏引黃灌區高效節水農業的可持續應用和玉米高效節水灌溉技術的發展[13],開展寧夏東麓灌區玉米滴灌系統的研究是十分必要的。本研究通過大田試驗,分析不同灌溉制度下玉米各生長指標、產量及構成要素、光合參數和水分利用效率的變化,運用隸屬函數法確定最佳灌溉量,提出適合當地的玉米灌溉制度,以期為寧夏玉米滴灌技術的推廣應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年在中國灌溉試驗寧夏中心站開展,試驗站位于賀蘭山東麓洪積傾斜平原,地理位置為 106°42′E、38°27′N[14],東西長為546 m,南北寬為246.5 m,面積13.33 hm2,地勢較平坦,海拔高度 1 115.6 ～1 116.6 m,土壤類型以淡灰鈣土為主,土壤肥力中等偏下,表層一般覆蓋1 m左右的沙土且質地較輕,下部為砂礫石。試驗站年平均溫度為8.5 ℃,無霜期為150～195 d;1990年后,年降水量為99.70～233.10 mm,年平均蒸發量為1 583.2 mm。

1.1 試驗設計

試驗采用隨機區組設計,共設5個不同灌溉定額,分別為2 100、2 550、3 000、3 450、3 900 m3/hm2,灌水次數均為12次,灌水周期、施肥水平、耕作措施均相同。重復3次,共15個小區,每個小區面積66.8 m2(8.35 m×8 m)。栽培方式采用寬窄行裸地滴灌,株距25 cm,寬行80 cm,窄行35 cm,密度為6萬株/hm2,每個小區播種14行玉米,每行32株玉米,試驗區四周布設有保護區。供試玉米品種為正大12,分別在玉米的苗期、拔節期、抽雄—吐絲期、吐絲—灌漿期、成熟期進行不同定額的灌水。試驗區土壤容重1.47 g/cm3,田間持水量15.93%。具體試驗設計方案見表1。

表1 玉米滴灌灌溉制度試驗方案

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水量測定 選擇土壤剖面水分傳感器PR2-6測量10、20、30、40、60、100 cm 6個土層的土壤含水量。播種后測量土壤基礎含水量,收獲期測定土壤遺留的水分含量,生育期內一般每隔 10 d 測1次,在生育期轉換、較大降水前后、灌水前后加測。

1.3.2 生長指標、產量及構成要素的測定 采用米尺測定玉米的株高、葉面積、禿尖長、穗長、穗粗,采用游標卡尺測定玉米的莖粗。采用電子天平測定單株玉米穗數、每穗粒數、籽粒質量及百粒質量。

1.3.3 光合參數的測定 采用CI-340便攜式光合測定儀測定氣孔導度(Gs)、光合有效輻射(PAR)、葉片蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)。每處理測定3個重復,每個重復待穩定后讀取10個數據。

1.3.4 耗水量和水分利用效率測定 降水量的測定:生育期間降水量采用雨量器測定。

耗水量ET計算公式:

ET=W0-Wt+I+M+K-D-R。

其中:W0、Wt分別為初始時段、t時段測坑水分變化;I為灌水量;M為降水量;K為地下水補給量;D為深層滲漏量;R為地表徑流量。

水分利用效率WUE的計算公式為:

WUE=0.1×產量/ET。

1.4 數據處理

使用Excel 2013軟件進行數據的整理和統計,使用SPSS 24.0軟件進行方差分析,使用Duncan’s方法檢驗不同處理間差異的顯著性。采用模糊數學中的隸屬函數值法對綜合素質進行評價。隸屬函數公式為:當指標性狀呈正相關時,公式為:

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin);

當指標性狀呈負相關時,公式為:

U(Xj)=1-(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中:U(Xj)表示隸屬函數值;Xj表示處理水平某指標的測定值;Xmin、Xmax表示參試水平系中某一指標內的最小值、最大值。

2 結果與分析

2.1 不同水分處理對玉米全生育期土壤水分變化的影響

各處理土壤水分隨時間的延續呈現相同的變化趨勢(圖1),各處理土壤水分隨灌水量增大而增大。在整個生育期,F4、F5處理的土壤含水量普遍高于其他處理,其中在苗期、拔節期、抽雄—吐絲期、吐絲—灌漿期、成熟期均顯著高于F1、F2、F3處理(P<0.05),在玉米全生育期土壤含水量整體表現為F5>F4>F3>F2>F1。

2.2 不同水分處理對玉米株高、莖粗和葉面積的影響

在整個生長期內,各處理的株高總體表現規律一致(圖2-A)。玉米株高在拔節期到抽雄期增長速度最快,隨后玉米進入吐絲—灌漿期,株高增長速度開始放緩;在整個生育期,F4、F5處理的株高顯著高于其他處理(P<0.05),玉米株高在整個生長期內表現為F4>F5>F3>F2>F1。

在整個生長期內,各處理的莖粗總體表現一致(圖2-B)。玉米莖粗在拔節期增長速度最快,進入抽雄期莖粗生長速度減緩。在整個生育期,F4處理的莖粗顯著高于其他處理(P<0.05),玉米莖粗在整個生長期內表現為F4>F5>F3>F2>F1。

各處理的玉米葉面積在整個生長期內的規律與上述生長量基本相同(圖2-C)。進入拔節期,葉面積增長速度加快,拔節中期至抽雄—吐絲期葉面積增長速度最快,進入吐絲—灌漿期,葉面積增長速度開始減緩。在整個生育期,F4、F5處理的莖粗顯著高于其他處理(P<0.05),玉米莖粗在整個生長期內表現為F4>F5>F3>F2>F1。

2.3 不同水分處理對玉米光合參數的影響

分析不同水分處理玉米的光合有效輻射(圖3-A),F2處理的光合有效輻射顯著低于其他處理(P<0.05),為1 197.71 μmol/(m2·s);而F3、F4處理的光合有效輻射顯著高于其他處理(P<0.05),F3處理的光合有效輻射分別為F1、F2、F4、F5處理的1.20、1.72、1.03、1.33倍。

不同水分處理的玉米氣孔導度均存在差異(圖3-B),F5處理時的玉米氣孔導度顯著低于其他處理(P<0.05),僅為123.36 mmol/(m2·s);而F2處理的玉米氣孔導度顯著高于其他處理(P<0.05),分別為F1、F3、F4、F5處理的1.22、1.21、1.07、1.82倍。

分析不同水分處理的玉米凈光合速率(圖3-C),F1處理時的玉米凈光合速率顯著低于其他處理(P<0.05),僅為23.73 mmol/(m2·s);而F2、F3、F4、F5處理間的玉米凈光合速率無顯著差異。

分析不同控水處理的玉米蒸騰速率發現(圖3-D),F5處理的蒸騰速率顯著低于其他處理(P<0.05),為4.49 mmol/(m2·s);而F4處理的玉米蒸騰速率分別為F1、F2、F3、F5處理玉米蒸騰速率的1.22、1.12、1.05、1.44倍,顯著高于其他處理(P<0.05)。

2.4 不同水分處理的玉米耗水量的變化

分析不同水分處理的玉米各生育期耗水量(表2)發現,在苗期和成熟期,F5處理的玉米耗水量和耗水強度顯著高于其他處理(P<0.05);而在其他時期F4、F5處理的耗水量和耗水強度均顯著高于其他處理(P<0.05)。在不同水分處理下,全生育期耗水量由高到低依次為F5>F4>F3>F2>F1。

表2 不同水分處理下玉米耗水量的變化

2.5 不同水分處理玉米產量特性的影響

分析不同水分處理下的玉米產量構成要素(表3)發現,F4處理的穗長、穗粗顯著高于其他處理(P<0.05);F4、F5處理的籽粒質量、百粒質量顯著高于其他處理(P<0.05);F4、F5處理的禿尖長顯著低于其他處理(P<0.05)。

表3 不同水分處理下玉米產量特性的影響

2.6 不同水分處理對玉米水分利用效率的影響

通過對不同水分處理的玉米耗水量、產量、灌溉水分利用效率、水分利用效率進行分析(表4),發現F4、F5處理的耗水量和產量顯著高于其他處理(P<0.05);F4處理的灌溉水利用效率和水分利用效率顯著高于其他處理(P<0.05),因此在保證產量的條件下,F4處理更有利于提高水分利用效率。

表4 不同水分處理對玉米水分利用效率的影響

2.7 不同水分處理下玉米各生長指標、產量及構成要素、光合參數、水分利用效率的相關性分析

對5個不同水分處理下玉米的株高、莖粗、葉面積、穗長、穗粗、禿尖長、籽粒質量、百粒質量、耗水量、產量、WUE、PAR、Gs、Pn、Tr進行相關性分析(表5),發現除禿尖長、PAR、Gs、Pn、Tr外,其余10個指標兩兩之間均呈極顯著正相關(P<0.01);禿尖長與株高無相關性,與其他10個指標間呈極顯著負相關(P<0.01);PAR與株高、WUE間呈顯著正相關(P<0.05);Gs和Tr呈極顯著正相關(P<0.01);Pn與株高、葉面積、穗長、穗粗、籽粒質量、百粒質量、耗水量、產量、WUE呈正相關。因此選擇株高、莖粗、葉面積、穗長、穗粗、禿尖長、籽粒質量、百粒質量、耗水量、產量、WUE、Pn等12個指標進行后續分析。

表5 不同水分處理下各生長指標、產量及構成要素、光合參數與水分利用效率的相關系數矩陣

2.6 不同水分處理下玉米各指標的綜合評價

用模糊數學中的隸屬函數值法對株高、莖粗、葉面積、穗長、穗粗、禿尖長、籽粒質量、百粒質量、耗水量、產量、WUE、Pn等12個指標進行綜合分析,分別得到各指標隸屬函數值和平均值,結果如表6所示。各處理的各指標隸屬函數平均值分別為0.08、0.33、0.59、0.93、072,由高到低依次為F4>F5>F3>F2>F1;因此,最理想的灌溉定額為 3 450 m3/hm2,灌水次數為12次。

表6 不同水分處理下玉米各指標隸屬函數值及綜合評價

3 討論與結論

水資源匱乏、降水量不足和地面蒸發量過大,是限制西北干旱和半干旱地區農業生產的主要因素[15]。大量研究表明,滴灌技術可有效提高作物產量和水分利用效率[16-18]。王洪博等研究表明,滴灌灌水定額為54 mm時,棉花生長及產量品質較優[19]。王振華等研究發現,膜下滴灌甜菜以60 mm灌水定額灌水9次時,可獲得高產與糖產,較傳統新疆膜下滴灌甜菜制度節水10%[20]。范海燕等對青椒耗水規律及灌溉制度進行研究,發現設施青椒適宜的計劃濕潤深度取40 cm,灌水定額15～20 mm,全生育期內除定植水外,灌溉12～17次[21]。本研究表明,F4、F5處理下的全生育期土壤水分、株高、莖粗、葉面積、穗長、穗粗、籽粒質量、百粒質量、耗水量、產量、WUE、Pn顯著高于其他處理,禿尖長低于其他處理。由此可見,合理的灌溉制度對提高玉米產量和水資源利用效率具有重要作用。

綜合評價結果的科學性和合理性受到評價指標豐欠程度的直接影響[22]。前人以生長指標、增產指標或節水指標為基礎進行評價[23-25],但是相似的指標易導致信息重疊,不具有代表性,因此將生長指標、增產指標和節水指標進行綜合評價,有利于消除重疊信息的不利影響。生長指標(如株高、葉面積指數、莖粗等)是植株高產穩產的基礎,是直接影響玉米光合作用的強弱、抗病、抗倒伏能力;節水指標(如耗水量、WUE等)在農業節水中扮演重要角色,是提高水資源利用率的關鍵;增產指標(如穗長、每穗粒數等產量構成及產量)基于生長指標,并與節水指標相互依存[26-28]。因此本研究對株高、莖粗、葉面積、穗長、穗粗、禿尖長、籽粒質量、百粒質量、耗水量、產量、WUE、PAR、Gs、Pn、Tr等生長指標、增產指標、節水指標進行相關性分析,然后對兩兩之間均呈顯著相關指標進行評價;共篩選出株高、莖粗、葉面積、穗長、穗粗、禿尖長、籽粒質量、百粒質量、耗水量、產量、WUE、Pn等12個指標,利用模糊數學中的隸屬函數值法對上述指標進行綜合評價,各處理下的綜合隸屬函數平均值由高到低依次為F4>F5>F3>F2>F1,最理想的灌溉定額為 3 450 m3/hm2,灌水次數為12次。