低压输水玉米不同灌溉方式耗水规律及水效益分析

徐宝山，金建新，闫晓婷

(1.甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211；2.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002)

水资源短缺已经成为制约干旱荒漠绿洲地区农业发展的关键因素[1]，开展农田水分运动和作物耗水规律研究是干旱地区制定农作物节水灌溉制度的必经之路，通过对农田水量平衡的计算，准确分析合理的灌溉制度和灌溉效益已经成为发展高效节水农业的趋势[2]。国内外大量学者已对玉米耗水规律和不同栽培模式进行了研究，并且有较多的报道。孙占祥[3]和徐宝山[4]等通过分析农田土壤水分变化规律和水量平衡原理对辽宁玉米耗水规律进行了田间试验研究，结果表明在0～20cm的土层中水分变化最为剧烈，并且玉米根系吸收层主要集中在80cm以上的土层中，在种植81d之后玉米作物系数值达到最大。赵化春[5]等人对玉米适宜的种植密度进行试验研究，得到了适应区域发展的合理栽培模式。孙旭[6]在分析额济纳荒漠绿洲缺水特点的基础上，以棉花为研究对象，通过与大水漫灌进行对比分析，在水分利用、土地利用及管理方面对节水灌溉方式进行效益评价。丁林[7]等人对河西调亏灌溉、免储水灌溉、垄作沟灌等不同的灌溉方式下玉米的耗水规律和生长状况进行试验研究，得出节水灌溉方式在节水增产效果上优于常规灌溉。本文通过地埋式滴灌、覆膜滴灌、覆膜沟灌和大田畦灌条件下玉米耗水规律和水效益进行对比试验研究，对不同灌溉方式条件下玉米各生育期阶段的耗水量进行定量分析，旨在研究解决节水灌溉在产量降低的情况下，玉米在生长过程中的水分消耗情况，以及分析水经济效益和水生产效益的增长幅度，为干旱地区玉米合理高效灌溉方式及灌溉制度的制定提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年4-10月在疏勒河流域昌马灌区高效节水示范园区进行，该区域气候为典型的内陆型季风气候，年均气温7.1 ℃，多年平均降雨量479.3mm，蒸发量大，干旱指数达到20以上，属于干旱地区，日照时数在3 000h以上，地下水埋深16～25m，全年无霜期210d，灌区土壤以透水性中等的黏壤土和沙壤土为主，播种前平均土壤容重为1.46g/cm3，田间持水率25.7%[8]。试验区主要土壤性质如表1所示。

表1 试验区土壤物理参数

1.2 试验设计

试验针对玉米采用不同的灌水方法，包括高效节水灌溉方法和常规地面灌溉，高效节水灌溉主管采用压力不超过0.4MPa的低压供水方式，主要设置地埋式滴灌(W1)、膜下滴灌(W2)、覆膜沟灌(W3)和大田畦灌(W4)4个灌水处理，其灌溉定额分别为3 000、3 000、3 600、4 500m3/hm2，W1和W2灌水次数分别为12次和10次，W3和W4灌水次数均为6次，玉米采用河西普遍种植的陇玉1号春玉米，株距30cm，行距45cm，采用水表严格控制水量。在试验地安装土壤墒情自动监测系统，并在水分活动区土壤表层( 0～5cm) 、根系层( 0～30cm) 和深层区(30～100cm)不同深度埋设水分传感器。同时在各处理沿着玉米行间纵向布置两根TDR管，每个处理在玉米行间随机布置一个蒸渗桶，材料为锌铁皮制成，高40cm，直径30cm，底部打孔，以便保持与大田透水边界条件相似，每个试验处理设置3个重复。采用两种监测手段开展对土壤水分动态变化和田间水分运移过程进行分析并用烘干法校对。

1.3 试验方法

玉米于4月底种植，9月20日左右根据具体生长状况进行收割，土壤水分采用土壤墒情和TDR土壤水分速测仪测定，并用传统的烘干法进行校核。利用土钻沿着地表向下每隔10cm取一次土并算出一个含水率值，总深度100cm，总计10层，在玉米总生育期内每10d测定一次土壤含水率，灌水前后和降雨后加测。在每个处理中选择有代表性的3棵玉米在每个生育期测定其生长指标，包括株高、茎粗和叶面积等。气象数据利用试验区的TRM-ZS2自动气象站记录，每隔30min自动记录一次环境湿度、环境温度、太阳辐射、降雨等数据。玉米成熟后按照试验小区单打单收，每个处理选择3棵植株进行测定，鲜重利用电子天平称量，然后置于105 ℃的烘箱中烘干8～12h，测定干物质产量，将3个重复的籽粒产量分别进行考种，计算小区单产量及公顷产量。田间棵间蒸发利用蒸渗桶进行测量，在田间取原状土置于桶内，每天18∶00测一次桶重，并在灌水和发生有效降雨后将桶内的土用试验小区内的原状土进行置换。试验区内4-9月的温湿度变化如图1所示。

图1 试验区内4-9月温湿度变化图

2 结论与分析

2.1 耗水规律分析

玉米在整个生育期内的水分消耗主要包括植株蒸腾、棵间土壤蒸发、植株体内储存、农田生态需水量以及土壤深层渗漏等量，对于玉米在生育期内的耗水规律，可以通过土壤水库水量平衡计算求得，计算公式如式(1)所示。

Δθ=P+I+D-ET0-R-U-B

(1)

式中：Δθ为土壤水库储水量变化值，mm；P为生育期内有效降雨量，mm；I为灌水量，mm；D为地下水蒸发补给根系吸水层水量，mm；ET0为作物生育期腾发量，mm；R为降雨或灌溉产生的地表径流量，mm；U为深层渗漏量，mm；B为储存于作物体内的水量，mm。

2.1.1 土壤水分变化过程

疏勒河流域属于内陆干旱荒漠区，土壤水分补充绝大部分来自灌溉，主要消耗于腾发过程，利用土壤墒情和TDR土壤水分速测仪按照时域反射原理对试验区作物根系活动层土壤含水率进行定时观测，得到的土壤水分动态曲线如图2所示。

图2 试验区内土壤水分变化图

由图2可以看出，灌水后土壤含水率增大具有较强的规律性，但是不同的处理灌水后土壤含水率的上限，以及经过作物消耗和蒸发之后土壤含水率下限表现出明显的差异，W1处理土壤含水率上限基本保持在田间持水量的70%～75%，W2、W3、W4分别为65%～70%、75%～80%、85%～95%。灌水前土壤含水率基本是W4最低，其次是W2，然后是W3和W1，这可能是由于在全生育期内大田畦灌无覆膜，地表处于无保护状态，土壤蒸发量比较大，地埋式滴灌基本能杜绝深层渗漏和土壤无效蒸发的原因。并且同一个处理在生长前期较低，生长后期较高，这可能与作物生长规律和土地裸露面积大小有关，特别在苗期，裸露地面的无效蒸发直接影响了土壤水分的消耗，在拔节期和抽雄期，玉米营养生长处于旺盛时期，耗水量较大，因此在灌水前其土壤含水率均小于后期，例如，处理W4在抽雄期前最低土壤含水率为7%～8%，几乎达到了土壤凋萎含水率，而在抽雄期后为11%～12%。

2.1.2 不同处理玉米耗水规律

通过土壤含水率的实测值以及式(1)计算不同处理玉米各生育期阶段耗水量和耗水模数，由于随着灌水量的差异作物长势从拔节期甚至苗期开始出现差异，因此其耗水规律也表现出不同的特点，如表3所示。

由表3可以看出，不同处理全生育期总耗水量差异显著，依次为W4>W3>W2>W1，W1耗水量最小为356.23mm，W4耗水量最大为573.21mm，W4比W1大37.9%，这是因为地埋式滴灌将滴灌管埋设在玉米根部，直接将灌溉水输送至根系，大大减小了土壤无效蒸发和深层渗漏，节约了水资源，因此耗水量最小，传统的大田畦灌不仅管理粗放，而且定额较大，总体呈现出灌溉定额越大，玉米全生育期的耗水量也越大。玉米在生长过程中拔节期耗水量最大，其耗水模数W1、W2、W3、W4分别为28.74、30.06、28.74、27.34，就W1而言，拔节期耗水量比苗期、抽雄期和灌浆期分别大51.7%、7.6%和14.2%。不同处理在同一生育期内呈现的规律基本和总耗水量相同，即为W4>W3>W2>W1，在抽雄期，W4阶段耗水量为143.84mm，比处理W1、W2、W3分别大34.2%、29.3%、14.7%。

表3 不同处理玉米各生育期阶段耗水量及耗水模数

图3 不同处理日耗水量阶段变化图

日耗水强度是一个描述玉米日耗水动态的指标，其与玉米品种、耕作方式、灌水定额、气候特征等因素密切相关，也直接影响到玉米生长状况、干物质及产量的积累和形成，由图3可以看出，不同处理随着生育期的推进其日耗水量呈现出先增大后减小的趋势，最大日耗水量出现在拔节期，W1、W2、W3、W4分别为8.43、10.47、13.51和16.02mm/d。但是不同处理差值较大，在苗期W4平均日耗水强度为2.01mm/d，而W1、W2、W3分别为0.97、1.34和1.57，W4处理比其分别大51.7%、33.3%和21.8%。 总体趋势为灌水量越大，其各阶段耗水量也越大，这可能与灌溉促进玉米营养生长有关。

2.2 耗水指数和产量

通过不同的灌溉方式试验对春玉米耗水指数和产量进行分析比较，如表4所示，结果表明W1和W2处理产量和耗水指数差别不大，W1略高于W2，而W1、W2与W3和W4差异较为显著，特别是W4，其产量达到了16 500kg/hm2，比W1、W2和W3分别高24.7%、27.3%和13.6%。单方水产值却表现出W1>W2>W3>W4的规律，W1、W2、W3和W4的耗水指数分别为4.14、4.00、3.86和3.67kg/kg，这反映了地埋式滴灌和膜下滴灌在提高水资源利用率方面具有明显的优势，W1比W4大11.4%，因此大面积推广高效节水灌溉势在必行，而W1比W2大3.4%，说明在干旱地区借助地埋式渗灌，采用少量多次的灌水方式更有利于提高水分利用效率。

表4 不同处理玉米耗水指数及产量

2.3 水生产效益和水经济效益

玉米种植效益直接取决于投入成本和产出效益的相互关系，对不同灌溉处理的玉米其水生产效益和水经济效益呈现出较为明显的差距。W4最终干物质产量最大，为1 220g，比W1、W2、W3分别大13.9%、19.6%、4.9%，说明增加灌溉定额能显著增加玉米的营养生长和干物质的积累。但其水生产效益和水经济效益却表现出相反的趋势，依次为W1>W2>W3>W4，W1水生产效益4.14kg/m3，分别比W2、W3 、W4大3.38%、6.76%、11.35%，原因可能是随着水量的增加，产量出现了报酬递减的阶段，水经济效益也具有类似的规律。可见，采用大定额灌水更加有利于玉米干物质的积累和籽粒产量的增加，但是并不利于提高水生产效益和水经济效益，因此，在干旱地区发展农业应从基于非充分灌溉的高效节水灌溉着手，以便扩大总灌溉面积。

表5 不同处理玉米水生产效益

3 结 语

从疏勒河流域的自然气候特征来看，发展高效可持续农业的关键在于发展节水生态农业，由于天然降雨远远不能满足农作物生长发育和维持农田生态系统所消耗的水分，因此用少量的灌溉水量取得最大灌溉效益已经成为防止绿洲退化、雪山线上移等问题的必由之路，通过不同灌水方式下玉米耗水规律和水效益的对比分析，主要取得了以下结论。

(1)玉米在拔节期和抽雄期属于需水关键期，其在总生育期耗水量所占的比例超过了50%，不同的处理略有不同，W1、W2、W3 、W4分别为55.3%、57.26%、53.68%和52.43%，因此在农业生产实际中，一定要保证拔节期和抽雄期的土壤水分供应。

(2)不同的灌水方式条件下玉米同一时期的耗水呈现出较为显著的差异，比如抽雄期，W4阶段耗水量为143.84mm，比处理W1、W2、W3分别大34.2%、29.3%、14.7%。表现为灌溉定额越大，其耗水量也越大的规律。相比W1和W2，总灌溉定额相同，W1处理为地埋式滴灌，其较W2具有更高的水分利用效率。

(3)虽然大定额的灌水能提高玉米产量和干物质的积累量，但是随着灌水量的增加，耗水指数、水经济效益及水生产效益均出现降低的现象，比如水生产效益，W1水生产效益4.14kg/m3，分别比W2、W3 、W4大3.38%、6.76%、11.35%。通过W1和W2的耗水指数分别为4.14、4.00kg/kg，可以得到在干旱地区采用少量多次的灌水方式更有利于灌溉水资源的高效利用。

(4)本结论以2014年的试验结果为依据，对不同灌溉方式条件下的玉米耗水规律和水效益进行计算分析，对河西内陆干旱地区玉米水效益达到最大的灌水方式进行了试验研究，对指导该地区玉米种植具有一定的指导意义，但是本结论的试验数据仅为一年的试验结果，没有考虑气候年际变化所带来的误差，也缺乏不同水文年份之间的横向比较，也没根据多年长系列气象、水文、玉米等实测参数条件下的耦合效应分析，这对本文所得到的结论在大田多年间的推广应用造成一定的制约，因此，对本文的结论需要根据不同频率水文年份的试验数据进行及时补充和完善。

[1] 王耀琳,王继和,俄有浩.节水灌溉-民勤绿洲发展农业的唯一出路[C]∥ 中国西北荒漠持续农业与沙漠综合治理国际学术交流会论文集.兰州:兰州大学出版社,1998:212-219.

[2] 陈奇恩,萧复兴,晋凡生，等.晋中旱地玉米耗水规律及农田水分平衡研究[J].华北农学报,1991,6(4):94-99.

[3] 孙占祥,冯良山,杜桂娟，等.玉米灌溉田土壤水分变化及其耗水规律研究[J].玉米科学, 2010,18(1):99-102.

[4] 徐宝山，贾生海，雒天峰等.膜下滴灌不同灌水定额对玉米根系生长的影响[J].水土保持研究，2014,21(5)：272-276.

[5] 赵化春,韩 萍.玉米栽培的适宜密度问题[J]. 玉米科学，2001,9(增刊):34-38.

[6] 孙 旭,崔向新,李玉春，等.荒漠绿洲节水灌溉制度及效益评价[J].干旱区资源与环境,2000,14(5):44-48.

[7] 丁 林,孟彤彤,王以兵.节水灌溉技术在制种玉米上的应用研究[J].水土保持通报,2013,33(2):160-164.

[8] 丁 林,金彦兆,李元红，等.小麦玉米畦垄间作空间格局及节水机理[J]. 西北农业学报,2014,23(6):56-63.