覆膜畦灌条件下制种玉米需水规律及优化灌溉制度研究

胡铁民，栾元利，王增丽

(武威市中心灌溉试验站，甘肃 武威 733000)

根据农作物各生育阶段的需水情况对灌水次数、灌溉时间与灌溉定额进行适当调整，是在节水前提下达到相对较高产量的一种农业节水模式，也是改善农田小气候的重要措施之一。

自20世纪90年代初以来，全国玉米杂交制种基地逐渐西移，河西灌区成为60多个玉米高产品种的制种基地[1,2]。截止2010年，甘肃省已发展制种玉米面积10万hm2。其中在石羊河流域中武威市、金昌市达到3.33万hm2，总产超过2.08亿kg，制种玉米已成为当地农民增收的主要途径之一。

Abrisqueta[3]研究结果表明，作物生育期连续进行小定额灌溉，将显著影响作物根系生长过程，且不合理的灌溉制度将影响制种玉米的生长发育过程和干物质的累积量[4]。也有研究结果表明，在玉米抽穗期～灌浆期进行适度水分亏缺不会影响作物产量[5-7]。

基于此，本文在前人工作的基础上，针对西北旱区气候特征、农田生产条件，对制种玉米需水量及需水规律进行田间试验，研究覆膜畦灌条件下制种玉米需水规律及优化灌溉制度，为当地制种玉米农业生产活动提供技术指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该研究在甘肃省武威市中心灌溉试验站进行，地理位置东经102°50′50″，北纬37°52′20″，海拔1 581 m，属典型内陆性干旱荒漠生态区。年均降水量164.4 mm，年均蒸发量为2 000 mm，平均土壤密度为1.54 g/cm3，土壤质地为灰钙质粉质壤土，田间持水率为32%(体积含水量)。

1.2 试验材料与设计

供试制种玉米为郑单958，于2012年4月24日种植，9月26日收获，全生育期155 d。父母本种植比例1∶7。覆膜后采用玉米穴播机进行播种，播种量30 kg/hm2，株距为22 cm，行距为40 cm。基肥采用一次性缓释专用肥(其中纯N为375 kg/hm2，P2O5为180 kg/hm2)。灌溉水源来自试验站内，采用井灌方式进行灌溉。

试验采用随机区组设计，共6个处理，生育期不灌水作为对照(CK)处理，各处理重复3次，共21个小区，各小区面积为30 m2(5 m×6 m)。试验处理设置如表1所示。

表1 不同处理灌水定额设置表 m3/hm2Tab.1 Irrigation quota of different treatments

1.3 测定内容与分析方法

(1)土壤含水量：采用土钻取土烘干法测定土壤深度为0～100 cm的土壤含水量，分[0,20]，(20,40)，(40,60]，(60,80]，(80,100] cm 5层进行测定，在生育期每隔15 d测定1次，灌水前后，降雨前后加测，测点布置在行间。

(2)作物耗水量：采用农田土壤水量平衡公式进行耗水量计算。灌水量采用水表进行计量。由于该试验田地下水埋深在40 m以下，可视地下水补给量为0 mm，降水入渗深度不超过1 m，可视深层渗漏为0 mm。作物生长所需水分主要由灌溉水和降雨供应。因此，水量平衡方程可简化为：

ET=P+I-ΔW

(1)

式中：ET为作物生育期耗水量，mm；P为生育期降水量，mm；I为生育期内灌溉量，mm；ΔW为作物生育期土壤蓄水变化量，mm。

(3)产量：作物成熟后，各小区取10株进行考种。考种指标包括穗长、秃尖长、穗粗、百粒质量。测产采取小区单打单收方法测定。

(4)耗水强度、模比系数及水分利用效率按照下列公式计算。

WCRi=WTi/di

(2)

Rwi=WTi/WT

(3)

WUE=Y/WT

(4)

式中：WCRi为耗水强度，mm/d；WTi为阶段耗水量，mm；di为作物阶段生长天数，d；i=1，2，…，n；n为划分的作物生育阶段数；Rwi为耗水模比系数，%；WT为作物生育期耗水量，mm；WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为经济产量，kg/hm2。

1.4 数据处理

试验采用SPSS 15.0对数据进行处理，利用Duncan新复极差法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤水分变化情况分析

不同处理制种玉米生育期0～100 cm土壤含水量动态变化见图1。由图1可知，各处理在苗期土壤含水量变化情况基本一致，变化幅度介于17.05%～19.21%；在拔节期，各处理0～100 cm土壤含水量急剧降低。其中，T2、CK土壤含水量降幅较大，分别降至12.20%和11.23%。其他处理由于具有相同的灌水定额，土壤含水量基本一致，水分含量变化范围介于14.23%～16.01%。随着作物生育进程的发展，在抽穗期，由于气温升高，作物蒸发蒸腾量加大，耗水量增加，各处理土壤含水量急剧下降(CK除外)，土壤含水量介于10.78%～12.94%。对照CK由于在制种玉米全生育期无灌水处理加之降雨量偏低，土壤水分含量降至9.25%。在灌浆期，各处理土壤水分逐渐升高，但增幅不大。分析原因为制种玉米穗部营养物质累积过程引起的较大需水与连续降雨(7月21日-8月5日降雨4次，有效降雨量46.9 mm)消除了处理间差异有关。

2.2 制种玉米阶段耗水规律分析

将各处理制种玉米生育阶段耗水量ETi、耗水模比系数Rwi列于表2。由表2可知，各处理制种玉米阶段耗水量变化规律基本相同，呈“高-低-高”的变化趋势。各处理苗期阶段耗水量介于157.19～173.63 mm，耗水模比系数28.28%～52.20%。与其他生育阶段相比，苗期具有较高的阶段耗水量和耗水模比系数，分析原因与苗期周期较长，植株生长较矮，棵间蒸发较大有关。随着植株进一步生长，到拔节期，植株叶面积指数达到峰值，棵间无效蒸发降低，植株耗水形式主要来源于叶面的蒸腾作用。到抽雄期各处理耗水量逐渐降低，到灌浆期耗水量到达最低值。其中，处理T6峰值、最低值较其他处理相比明显偏低，土壤持续干旱缺水形成的叠加效应明显。在灌浆期，阶段耗水量、耗水模比系数较前期提高，作物耗水量明显增加，这与作物穗部籽粒营养物质累积速度加快有关[8]。

表2 不同水分处理制种玉米阶段耗水情况及模比系数Tab.2 Evaluation indexes of stages water consumption for different treatments

图1 各处理生育期0～100 cm土壤含水量动态变化Fig.1 Variation of soil water content for different treatments in seed maize period

将制种玉米生育期耗水强度绘于图2。由图2可知，制种玉米生育期耗水强度呈“低-高-低”的变化趋势，峰值主要出现在抽穗期。其中，T4、T3、T2处理耗水强度分别为5.02、4.59、4.56 mm/d。之后耗水强度逐渐下降，到灌浆期到达谷值。在成熟期，各处理耗水强度介于1.53～3.94 mm/d，大小依次为T1>T3>T2>T4>T5>T6>CK。对照CK在制种玉米整个生育期内，耗水强度均显著低于其他处理。结合表3分析结果可知，尽管在苗期各处理均表现出较高的阶段耗水量，但因苗期周期长，气温相对较低等因素，各处理苗期耗水强度较其他生育阶段较低。

图2 各处理制种玉米不同生育期耗水强度变化Fig.2 Variation of soil water content for different treatments in seed maize period

2.3 制种玉米产量、WUE、ET关系分析

制种玉米生育期耗水量、产量及WUE关系分析见图3和图4。由图3和图4可知，相同灌溉定额，不同灌水次数影响制种玉米生育期耗水量。T1处理产量与T4处理产量无明显差异，耗水量为595.91 mm。WUE为1.38 kg/m3低于T4处理(1.71 kg/m3)，表明T1处理是以较大耗水量为代价换来的产量。T5处理制种玉米产量最高，对应灌水次数为3次，灌水时间分别为苗期、拔节期和灌浆期，满足了制种玉米各生育阶段对水分的需求。灌水次数过少和过多都不利于制种玉米生长发育，供水过少或不灌水，制种玉米植株遭受水分胁迫而不能正常生长，也会导致产量降低。

图3 各处理制种玉米产量、耗水量关系分析Fig.3 Relationship analysis of yield and water consumption of seed maize

图4 各处理制种玉米WUE、耗水量关系分析Fig.4 Relationship analysis of WUE and water consumption of seed maize

由图3和图4还可知，制种玉米全生育期耗水量与产量、耗水量与WUE均呈二次抛物线关系，耗水量与WUE、产量二者呈正相关，相关系数分别为0.827 3和0.570 9，对二者的拟合关系建立的回归方程进行求解，函数具有极值，对应高产的耗水量为562.18 mm，处理T1与之接近。但从各处理耗水量与WUE分析可知，各处理WUE介于1.22～1.86 kg/m3。灌溉定额为的2 700 m3/hm2的处理(T5)水分利用效率WUE最高，为1.86 kg/m3。

试验结果表明，在西北旱区，制种玉米在拔节期～抽雄期、灌浆期～成熟期分别进行1次控水处理对作物产量影响不大，依靠自然降雨或仅在拔节期、灌浆期进行2次灌水处理不能满足作物对水分的需求，作物减产幅度明显。结合研究结果，本年度T5 处理所对应的灌溉制度最优。

2.4 制种玉米产量、耗水量相关性分析

将制种玉米产量、耗水量及产量特征值进行相关性分析，结果见表3。由表3可知，制种玉米产量与耗水量呈显著正相关关系，相关系数达0.82。耗水量与行粒数呈显著正相关关系，相关系数达0.87。表明在一定范围内，作物耗水量的增加能有效提高作物产量特征。此外，产量与穗行数、行粒数特质因子均呈正相关关系；与千粒重、亩株数均呈负相关关系，表明，作物千粒重、亩株数过大反而会降低作物经济产量。

表3 不同处理制种玉米产量、耗水量及产量特征值相关性分析Tab.3 Evaluation indexes of seed maize's yields for different treatments

注：*，**分别表示P<0.05，P<0.01水平显著相关。

3 结 论

(1)覆膜栽培方式是西北旱区传统的保墒措施[9-12]。灌溉水源依靠自然降水不能满足制种玉米生长需要。若在玉米苗期、拔节期，以及开花期、灌浆期出现连续干旱情况会导致玉米严重减产[13-15]。本研究结果表明，制种玉米生育期内进行充分灌溉，能显著提高0～50 cm土壤水分含量。在需水关键期(抽雄期、灌浆期)进行灌水处理，能显著提高作物经济产量。

(2)本研究结果表明，制种玉米需水规律呈“低-高-低”趋势，制种玉米耗水强度峰值介于1.65～5.02 mm/d。不同处理制种玉米耗水强度峰值出现在不同时间段，这与灌水次数影响制种玉米生育进程有关。

(3)覆膜畦灌条件下，制种玉米生育期产量、耗水量及WUE呈二次抛物线关系，对函数求解均存在极值，这与宇宙[8]的研究结果相一致。此外，作物耗水量与产量呈显著正相关关系(R2=0.82)。产量与穗行数、行粒数特质因子均呈正相关关系。

(4)在西北旱区覆膜畦灌条件下，制种玉米在拔节期、抽雄期、灌浆期进行3次灌水，灌水定额为900 m3/hm2，灌溉定额为2 700 m3/hm2的灌溉制度最优，具体实施灌溉因降水情况而定。

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