不同灌水量对饲料玉米耗水特性和生物量的影响

曹雪松，李和平，郑和祥，冯亚阳

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020； 3.内蒙古农业大学，呼和浩特 010018)

我国是一个水资源相对缺乏的国家，年用水量约为5 560亿m3，农业用水占72%左右[1]。由于工业发展和城市扩大对需水量大幅度增加，至21世纪中叶，估计农业用水的比例将降至50%左右。然而，我国水资源平均利用率仅为40%，发达国家为80%～90%，单方水生产能力仅为发达国家的42.5%～50%[2]。水资源更是制约西北干旱区农业发展的重要因素,农业灌溉是该地区第一用水大户,农业灌溉用水量占全区总用水量的90%左右[3]。而西北干旱区水资源有效利用率低，真正被作物利用的水量只有灌溉用水量的约1/3[4]，农业用水浪费严重，灌溉水利用率只有40%～60%,水分生产效率不足1 kg/m3[5]。农业用水资源的开发非常困难，它投资大，见效慢，受气候、地理条件和资金等的约束较大，短期内不可能解决大面积的农田灌溉问题。由此可见，农业用水面临资源短缺和浪费严重的双重困扰，推行节水农业，增加其他行业的可用水量[6]，是我国农业可持续发展和缓解水资源供需矛盾的重要措施。

饲料玉米是我国西北地区种植的饲料品种之一，不仅产量高而且营养丰富，在我国农业中有着很高的地位。在水资源日益紧张的情况下，如何在满足饲料玉米生长发育需要又获得高产的情况下尽可能减少灌水量，对西北干旱半干旱地区农业生产至关重要。本文对不同灌水量饲料玉米的耗水特性和生物量进行了分析，旨在对干旱区饲料玉米的生产提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于内蒙古鄂尔多斯市鄂托克前旗昂素镇哈日根图嘎查巴图巴雅尔节水示范户。鄂托克前旗位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西南端，海拔1 300～1 400 m，东经106°30′～108°30′，北纬37°38′～38°45′，属中温带半干旱大陆性气候，年平均气温7.9 ℃，年平均降水量261 mm，年平均蒸发量2 498 mm，年平均风速2.6 m/s，年平均日照时数2 958 h；年平均无霜期171 d，最大冻土层深度1.54 m。

1.2 试验材料与试验设计

选择饲料玉米为主要研究对象，其生育阶段划分为：苗期、拔节期、分枝期、开花期、成熟期。

试验设4个处理，每个处理3次重复，处理间设置2 m的隔离带。4个处理的灌水定额分别为15 mm(YM1)、30 mm(YM2)、45 mm(YM3)和60 mm(YM4)；每个处理的灌水日期和灌水次数相同；灌水日期根据YM3试验处理的适宜含水率下限计算确定；每次的灌水量采用水表计量。每个处理均灌水6次，具体日期分别为：5月21日、6月5日、6月20日、7月21日、8月15日、9月10日。试验统一采用卷盘式喷灌进行灌水。

1.3 试验观测内容

试验观测内容包括气象资料、作物生长生育指标、土壤指标、灌水情况。

(1)气象数据。采用HOBOU30型农田气象站，监测的气象数据包括温度、降雨量、风速、相对湿度、气压、风向等。

(2)作物生长生育指标。主要指生长生育指标，具体内容及采集方法包括：①株高、茎粗。每个生育期一次，分别用卷尺和卡尺测定。②干物质和产量。整个生长期结束测定一次，采用样方测定法测定。

(3)土壤指标。利用环刀在试验区取原状土进行田间持水量室内测定，确定了试验区0～100 cm土层的田间持水量为22.86%。通过对试验区1.0 m深土壤分别进行了颗粒分析试验得出：试验区0～100 cm土层为沙土，土壤密度1.62 g/cm3。土壤含水量采用烘干和仪器测定2种方法，烘干法使用土钻取土，烘箱烘干；仪器测定采用HH2型TDR土壤水分测定仪。从开始播种至收获结束每10 d一次，降雨前后加测。

(4)灌水情况和地下水位。①灌水情况：记录各试验处理的灌水时间、灌水定额和灌溉定额等。②地下水位：采用HOBO地下水位自动测定仪(美国)测定试验区地下水水位变化，饲料玉米试验区地下水埋深为1.2～2.0 m。

1.4 试验测定数据处理方法

(1)耗水量。采用水量平衡法计算耗水量，水量平衡方程可表示为：

ETa=Pe+I-ΔW-Q

(1)

式中：ETa为时段内的耗水量，mm；ΔW为相应时段内的土壤贮水变化量，mm；Pe为相应时段内的有效降雨量，mm；I为相应时段内的灌水量，mm；Q为相应时段内的下边界水分通量，mm。

①有效降水量Pe采用下式计算：

Pe=αP

(2)

式中：α为有效降水系数；P为实际降水量。

在沙土条件下，当P小于3 mm时，α=0；当P为5～50 mm时，α=1.0；当P大于50 mm时，α=0.8。

②各生育期的灌水量I。各处理每个生育期的灌水量采用实际的净灌水定额，根据生育期的划分和灌水记录，计算得出各处理每个生育期的灌水量。

③各生育期土壤贮水变化量ΔW。各生育期土壤贮水变化量根据各试验处理的土壤含水率值计算，采用公式为：

(3)

式中：θi为相应时段初始土壤含水率，%；θi+1为相应时段末土壤含水率，%；γ为土壤密度，cm3/g；h为计划湿润层深度，mm。

④下边界水分通量Q。土壤计划湿润层下边界土壤水分的渗漏和补给采用定位通量法计算，测定仪器为负压计。定位通量法计算公式为：

(4)

式中：h1、h2分别为断面z1、z2处的土壤负压值，由此可以得到t1至t2时段内单位面积上流过的土壤水流量Q(z1-2)，同样由Q(z1-2)求得任一断面流量Q(z)：

(5)

饲料玉米的下边界水分通量根据试验实测的土壤负压值进行各生育期土壤深层渗漏或补给量的计算。

(2)水分生产率。水分生产率指作物消耗单位水量的产出，其值等于作物产量与作物净耗水量之比值。作物水分生产率采用下式计算：

(6)

(3)耗水强度。耗水强度用下式计算：

(7)

式中：r为耗水强度，mm/d；ETa为饲料玉米各生育阶段的耗水量，mm；d为各生育阶段天数，d。

2 结果与分析

2.1 不同处理对饲料玉米不同生育阶段耗水量和耗水强度的影响

表1为不同处理对饲料玉米不同生育阶段耗水量和耗水强度的影响。由表1可知：从饲料玉米的各生育阶段来看，饲料玉米在苗期耗水量最低，其次为成熟期，其中YM1处理在苗期的耗水量最低，仅为24.92 mm，这是因为YM1处理的灌水定额最小；苗期饲料玉米的叶面积指数小，光合作用低，耗水量也低；到了成熟期后，饲料玉米的大部分叶片都基本停止了光合作用，这阶段的耗水量也较低。饲料玉米耗水量最高的生育阶段是分枝期，YM4处理最大达到155.04 mm，此阶段饲料玉米叶面积指数最大，光合作用最强，耗水量也最大。从不同的处理来看，饲料玉米的耗水量随着灌水量的增加显著增大。但是在苗期随着灌水量的增加，饲料玉米的耗水量增加不显著，这可能和灌水量过多、在饲料玉米生长初期一定程度上受到了水分胁迫(水分过多)的影响；拔节期至开花期，耗水量随着灌水量的增加显著增大。建议在饲料玉米生长初期可以适当减少灌水量。

各处理的耗水强度也不尽相同，总体来说耗水强度也是随着灌水量的增加而呈增大趋势。拔节期至开花期的耗水强度明显大于苗期和成熟期的耗水强度。其中YM4处理分枝期耗水强度最大达到4.31 mm/d，明显大于饲料玉米同一生长阶段其他处理，说明灌水量的增加对增大耗水强度作用十分明显。成熟期和苗期的耗水强度相差不大，但成熟期的耗水强度要大于苗期的耗水强度，因为成熟期饲料玉米主要进行生殖生长的缘故。

2.2 不同处理对饲料玉米不同生育阶段株高的影响

对饲料玉米的每个生育期的株高进行观测，采用其平均值绘制株高随时间的变化过程(见图1)。从图1可以看出，不同灌溉水平对饲料玉米株高的影响总体趋势是一致的：由快到慢的生长过程，在灌浆至成熟期基本停止生长。成熟期YM4最高，为272 cm， YM3、YM2、YM1株高分别为253、242和226 cm，分别高出7.5%、12.4%和20.4%。可见随着灌水量的增加饲料玉米的株高也呈增高趋势。

图1 饲料玉米不同试验处理对株高的影响

2.3 不同处理对饲料玉米产量和水分生产率的影响

由表2可知，随着灌水量的增加，饲料玉米产量和水分生产率都增大。YM4处理的产量最大，为9 517.5 kg/hm2，YM3、YM2、YM1产量分别为8 283.0、6 307.5和5 074.5 kg/hm2，分别高出14.9%、50.9%和87.6%；YM4处理折合总产量(籽粒+秸秆)为13 053.0 kg/hm2，YM3、YM2、YM1折合总产量分别为11 343.0、8 862.0和7 173.0 kg/hm2，分别高出15.1%、47.3%和81.9%。

YM4处理的水分生产率最大为2.05 kg/m3，YM1处理最小为1.67 kg/m3，两者相差0.38 kg/m3；折合总产量后的水分生产率YM4处理最大为2.81 kg/m3，YM1处理最小为2.37 kg/m3，两者相差0.44 kg/m3。但是对于YM4处理和YM3处理，不管是水分生产率还是折合总产量后的水分生产率，两者均相差甚微，由此可见此时增加灌水量已经不是提高产量的最主要因素。建议对饲料玉米采取YM4处理和YM3处理之间的灌水量，在获得相对较高产量的同时，又可以达到较高的用水效率。

表2 不同处理对饲料玉米产量和水分生产率的影响

3 结 论

(1)饲料玉米耗水量随着灌水量的增加而增大，苗期和成熟期增加不明显，拔节期至开花期增加较显著； 同一个处理中，苗期耗水量最低，其次为成熟期，分枝期耗水量最大。

(2)饲料玉米耗水强度随着灌水量的增加而呈增大趋势，拔节期至开花期的耗水强度明显大于苗期和成熟期的耗水强度；成熟期和苗期的耗水强度相差不大，成熟期的耗水强度要略大于苗期的耗水强度。

(3)饲料玉米株高随着灌水量的增加而增大，不同灌水量对饲料玉米株高的影响总体趋势都是由快到慢，在灌浆至成熟期基本不再增大。

(4)随着灌水量的增加，饲料玉米产量和水分生产率都增大，但不会无限增大。当灌水量达到45～60 mm之间某一个特定值后，随着灌水量的增加，产量和水分生产率增幅很小。建议饲料玉米在苗期可适当增加灌水量，在其他生育期可取45 mm的灌水制度。

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