灌溉方式对西辽河平原玉米产量及水分利用效率的影响

杨恒山，薛新伟，张瑞富，李金琴，王宇飞，邰继承，刘 晶

（1. 内蒙古民族大学农学院，内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心，通辽028042； 2. 内蒙古通辽市农业技术推广站，通辽028000）

0 引 言1

水资源紧缺与农业用水需求之间的矛盾一直备受关注，已经成为制约中国农业现代化发展和农民持续增收的重要因素。同时，中国农业灌溉水利用效率十分低下，2016 年全国农业灌溉水利用系数仅0.536，与农业发达国家的差距较大，这也进一步加剧了农业灌溉水需求与供给失衡的矛盾[1]。玉米是需水较多的作物，针对水资源严重紧缺和农业灌溉水效率低下的双重胁迫，积极推广节水灌溉技术，从而实现灌溉水的高效利用是中国玉米生产的主要举措[2-3]。滴灌具有显著节水增效及环境友好等特点，被视为高效节水灌溉的典范[4-7]。刘洋等[8]研究了东北黑土区膜下滴灌对玉米生长和产量的影响，结果表明，膜下滴灌在玉米生育后期有利于地上部分营养生长，为生育后期的生殖生长积累更多的干物质，成熟期的地上部分干物质量比地面灌溉高23.0%；曹玉军等[9]研究半 干旱区不同地膜覆盖滴灌对土壤水、温变化及玉米生长 的影响时发现，半干旱地区覆膜滴灌，能够显著提高土壤温度、籽粒产量和灌溉水利用效率，其中膜下滴灌处理较常规灌溉处理0～25 cm 土层平均温度提高2.8 ℃，籽粒产量提高21.6%，灌溉水利用效率提高20.9%。膜下滴灌将覆膜种植和滴灌节水技术有机结合，可以降低土壤蒸发[10-11]，提高土壤温度和含水率[12-13]，促进作物生长、提高产量及水分利用效率[14-16]。自新疆生产建设兵团在棉花上应用成功后，膜下滴灌技术环节逐渐成熟，应用面积不断扩大，是近10 a 中国北方地区主推的节水灌溉技术，但也出现了一些问题，增产与残膜污染的矛盾日益凸显，机械化收获、秸秆还田和深翻等技术受到影响，已严重影响到了土地的持续利用并造成了环境污染。同时，课题组调研发现，由于西辽河平原光热充足，膜下滴灌玉米不同程度存在生育后期早衰现象，在偏砂型土壤上表现的更为明显。浅埋滴灌是通辽市农业技术推广站和本研究团队在膜下滴灌基础上研发的节水灌溉新技术，滴管浅埋于地表(3～5 cm)，在发挥滴灌技术优势的同时，具有较大的应用价值，2017 年被列为通辽市玉米节水高产的主推技术之一，已累计推广应用20 万hm2。但在浅埋滴灌条件下，由于地表无膜，土壤水、热变化规律与膜下滴灌具有较大差异，这也会进一步影响到玉米籽粒产量的形成以及灌溉水利用效率。由于浅埋滴灌目前尚处于尝试性推广应用阶段，这方面还没有太多定量的田间试验研究予以支撑。前人有关玉米灌溉方式的研究大多集中在膜下滴灌上，且以土壤的水热效应及玉米对肥料吸收利用效率等研究为主，而膜下滴灌条件下玉米产量形成机理以及灌溉水利用效率还缺乏系统深入的研究，尤其是与其他节水灌溉方式进行比较研究的报道相对较少。因此，本研究选择浅埋滴灌、膜下滴灌和当地传统畦灌3 种灌溉方式，研究灌溉方式对玉米籽粒产量形成的影响，揭示灌溉方式下玉米干物质积累与转运规律及灌溉水利用效率的差异，以期为西辽河平原鉴选玉米节水高产灌溉方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2018 年在通辽市科尔沁区农牧业高新科技示范园区进行（43°37′N、122°19′E，海拔182 m），为连续2 a 定位试验。试验区近5 a 平均降雨量350～450 mm、平均气温6.5～7.1℃，其中2017年和2018年降雨量分别为399.7和453.3 mm、平均气温分别为6.7 和6.9 ℃；试验地土壤为灰色草甸中壤土，是当地主要的土壤类型。2017 年和2018年耕层土壤容重分别为1.28 和1.31 g/cm3，0～20 cm 土壤表层有机质分别为20.47 和21.61 g/kg、碱解氮分别为50.05 和53.9 mg/kg、全氮分别为0.81 和0.76 g/kg、有效磷分别为6.47 和5.93 mg/kg、速效钾分别为78.25 和80.25 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设浅埋滴灌（SBDI）、膜下滴灌（MDI）和传统畦灌（TBI）3 种灌溉方式，各处理3 次重复。采用大区对比试验，小区面积为864 m2（7.2 m×120 m），供试品种为农华101，各处理采用播种-施肥-铺带-覆膜一体机播种，大小垄（小垄行距40 cm，大垄行距80 cm）种植，种植密度为7.5 万株/hm2，浅埋滴灌和膜下滴灌处理均采用内镶片式滴灌管，滴头相距30 cm，滴头流量为2.7 L/h，其中膜下滴灌处理采用幅宽为1.2 m，厚度为0.08 mm 的聚乙烯吹塑农用透明膜，滴灌管铺于小垄中间，调整铺管开沟器和覆土装置高度，使滴灌管置于小垄中间膜下地上，浅埋滴灌处理抬起覆膜装置，调整铺管开沟器和覆土装置至规定高度，使滴灌管浅埋于小垄中间地表3～5 cm 处，传统畦灌处理抬起铺管装置和覆膜装置，只进行常规施肥、播种。各处理底施N 35 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O 45 kg/hm2，追施N 240 kg/hm2，分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期按3:6:1 比例结合灌溉进行，膜下滴灌和浅埋滴灌处理单独配18L 压差式施肥罐和水表，每次施肥前先滴清水约60 min，然后打开施肥阀，施肥完毕后继续滴清水至相应灌水量，传统畦灌处理采用人工开沟撒施。具体灌溉方案如表1。各处理2017 年5 月2 日播种，9月28 日收获，2018 年5 月8 日播种，10 月1 日收获。

表1 不同灌溉方式灌溉方案 Table 1 Irrigation scheme of different irrigation methods

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质累积及转运指标计算

各小区均在吐丝期后开始取样测定干物质积累量，吐丝期后至收获每隔10 d 取样1 次，在同行内取连续3株，3 次重复，所取样品按器官分离，105 ℃下杀青30 min，于80 ℃烘干至恒质量后测定干物质积累量。

干物质转运量（T）为吐丝期后10 d（8 月16 日）干物质积累量与成熟期干物质积累量的差值，kg/hm2；干物质转运效率（TE）为 T 占吐丝期后10 d 干物质积累量的比例，%；干物质转运对籽粒的贡献率（TP）为干物质转运量占籽粒质量的比例，%。

1.3.2 籽粒灌浆速率计算与模拟

各小区均在吐丝期开始取样，每隔10 d 取样1 次至收获，在同行内取连续3 株，3 次重复。将果穗分为上、中、下3部分，去除边际籽粒，将中、下部籽粒混合作为强势粒，上部籽粒为弱势粒，强势粒、弱势粒取均匀100 粒，105 ℃下杀青30 min，于80 ℃烘干至恒质量。

以吐丝后天数（t）为自变量，吐丝后每次所得百粒质量为因变量（Y），参照朱庆森等[17-18]的方法，用Richards方程（Y = A/(1 + Be-kt)m，A、B、k、m 均为模型参数）对籽粒灌浆速率过程进行动态模拟。通过Curve Expert 3.0进行拟合，基于获得的Richards 方程参数，计算灌浆特征参数：达最大灌浆速率时的天数Tmax= ( lnB－lnD)/C；灌浆速率最大时的生长量Wmax= A(D +1)-1/D；最大灌浆速率Gmax= (C·Wmax/D［1-(Wmax/A)D］；积累起始势R0= C/D；灌浆活跃期（约完成总积累量的90%）Pt=6/C。参数A、B、C、D 分别为终极生长量、初级参数、生长速率参数、形状参数，当D = 1 时即为Logistic 方程。

1.3.3 土壤水分及水分平衡

分别在播种期和收获期采用土钻取样，烘干法测定 0～100 cm 土层（每20 cm 1 层）的土壤含水率，每小区取样点位于种植行上、种植行左侧、右侧各10 cm，取3 点平均值，3 次重复。

玉米生育期耗水总量ET（m3/hm2）为

式中P0为生育期内降水量，m3/hm2；W1播种前土壤含水率，m3/hm2；W0为收获后土壤含水率，m3/hm2；R 为地表径流，由于试验地地势平坦，故R=0；r 为土壤容重，g/cm3；H 为土壤水分的计算深度，本试验取100 cm；F为计算土体与下界面处的水分交换量（m3/hm2）。由于试验地地下水埋深度较深，地下水上升对玉米生长的影响不大，玉米生长所需要的水分由自然降水和灌溉水供给，进入作物根系层下边界的渗漏量可忽略不计，故D=0；

1.3.4 产量及水分平衡

产量及其构成因素收获时每小区取18 m2样方，3 次重复，调查样方内有效穗数，测定籽粒产量，并取样测定籽粒含水率，按含水率为14%折算成产量。同时，各小区均取样10 穗，调查穗粒数、测定千粒质量。

式中WUE 为水分利用效率，kg/m3；IWUE 为灌溉水利用效率，kg/m3；I 为玉米生育期灌水量，m3/hm2。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016、Curve Expert3.0、CAXA2007进行数据处理和作图，DPSV10.0 软件进行处理间的差异显著性法（least significance difference，LSD）分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对玉米干物质积累的影响

由表2 中2018 年结果分析可知，对于玉米茎、叶干物质积累量而言，所有处理均在吐丝后10 d（8 月16 日）达到最大，且浅埋滴灌和传统畦灌最大，膜下滴灌最小。对于茎+叶+籽粒的干物质积累总量而言，吐丝期（7 月26日）处理间差异不显著，吐丝10～40 d（7 月26 日—8 月16 日），表现为膜下滴灌和浅埋滴灌最大，传统畦灌最小，吐丝50 d（9 月6 日）以膜下滴灌最高（P＜0.05），9 月26 日以浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低，二者之间差异达到了显著水平（P＜0.05），但二者均与传统畦灌之间的差异均不显著，这也说明与膜下滴灌以及传统畦灌处理相比，浅埋滴灌处理玉米的碳水化合物的同化作用更强。

表2 灌溉方式对玉米干物质积累量的影响 Table 2 Effects of irrigation methods on dry matter accumulation of maize

2.2 灌溉方式对玉米干物质转运的影响

由表3 可见，玉米茎鞘干物质转运量以浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低（P＜0.05），但二者与传统畦灌之间的差异均不显著。叶及干物质转运总量各处理均表现为浅埋滴灌＞传统畦灌＞膜下滴灌（P＜0.05）；从干物质转运率及干物质转运量对籽粒的贡献率来看，干物质转运率浅埋滴灌分别较膜下滴灌和传统畦灌高16.7%和5.6%，而干物质转运量对籽粒的贡献率浅埋滴灌分别较膜下滴灌和传统畦灌高12.8%和3.5%，说明浅埋滴灌方式玉米干物质转运量更大，转运效率更高，对于提高玉米籽粒产量更为有利。

表3 2018 年灌溉方式对玉米干物质转运的影响 Table 3 Effects of irrigation methods on dry matter transportation of maize in 2018

2.3 灌溉方式对玉米籽粒灌浆的影响

2.3.1 灌溉方式对籽粒干质量的影响

由图1 可见，随着生育进程的推移，各处理籽粒干质量逐渐增加，其中强势粒和弱势粒在吐丝30 d 前处理间差异较小，而吐丝30 d 后均以浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低，且随着生育进程的推移，处理间差异逐渐增加。

2.3.2 灌溉方式对籽粒灌浆速率的影响

由图2 可见，各处理玉米籽粒灌浆速率随着生育进程的推移呈现先升高后降低的趋势，强势粒和弱势粒均在吐丝20 d 达到最高。不同处理间强势粒在各生育阶段均以浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低，其中吐丝10～30 d 处理间差异较小；弱势粒不同处理间变化规律与强势粒不同，吐丝10～20 d 表现以膜下滴灌最高，浅埋滴灌次之，传统畦灌最低，而吐丝30～50 d 后均以膜下滴灌最低，浅埋滴灌和传统畦灌之间的差异较小。这也说明浅埋滴灌处理有利于提高强势粒灌浆速率，膜下滴灌处理有利于提高弱势粒吐丝20 d 前的灌浆速率，而吐丝30～50 d 浅埋滴灌和传统畦灌处理更具优势。

图1 灌溉方式对玉米籽粒干质量的影响（2018 年） Fig.1 Effects of irrigation methods on rate of grain dry matter of maize（2018）

图2 灌溉方式对玉米籽粒灌浆速率的影响（2018 年） Fig.2 Effects of irrigation methods on rate of grain-filling per kernel of maize（2018）

2.3.3 灌溉方式下玉米籽粒灌浆参数

用Richards 方程对各处理籽粒干质量与吐丝后天数进行拟合，得到不同处理的灌浆速率等参数，从表4 可以看出，方程决定系数在0.992～0.999 间，说明Richards方程较好地模拟了各处理籽粒灌浆过程。强势粒和弱势粒各灌浆参数不同处理间变化规律表现不同，强势粒平均灌浆速率以膜下滴灌处理最高，浅埋滴灌处理次之，传统畦灌处理最低，而活跃生长期以浅埋滴灌最高，传统畦灌次之，膜下滴灌最低，最大灌浆速率以及达到最大灌浆速率的时间均以浅埋滴灌处理最高；弱势粒不同处理间变化规律与强势粒不同，平均灌浆速率、活跃期生长以及达到最大灌浆速率的时间均表现为浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低，最大灌浆速率则以膜下滴灌处理最高，浅埋滴灌处理次之，传统畦灌处理最低。

表4 籽粒灌浆模型与籽粒参数模型（2018 年） Table 4 Grain filling parameters and grain filling process model（2018）

2.4 不同灌溉方式下玉米产量及其构成因素的影响

由表5 可见，各处理籽粒产量2017 年以浅埋滴灌显著高于膜下滴灌（P＜0.05），但与传统畦灌差异不显著，其中浅埋滴灌较膜下滴灌和传统畦灌分别高了6.1%和1.4%；2018 年以浅埋滴灌最高，传统畦灌次之，膜下滴灌最低，处理间差异均达到了显著水平（P＜0.05），其中浅埋滴灌较膜下滴灌和传统畦灌分别高了13.9%和6.1%。；有效穗数2017 年以浅埋滴灌最高，传统畦灌和膜下滴灌差异不显著，2018 年各处理间差异不显著；不同处理千粒质量表现为浅埋滴灌＞传统畦灌＞膜下滴灌，说明浅埋滴灌有利于提高玉米千粒质量，千粒质量的提高可能是浅埋滴灌处理实测产量高于膜下滴灌和传统畦灌的主要原因。

表5 灌溉方式对玉米产量及其构成因素的影响 Table 5 Effects of irrigation methods on yield and yield components of maize

2.5 灌溉方式对玉米水分利用效率的影响

由表6 可见，各处理耗水量不同处理间2 a 均以传统畦灌最高，其与浅埋滴灌和膜下滴灌的差异均达到了显著水平（P＜0.05），浅埋滴灌和膜下滴灌之间的差异不显著；水分利用效率2017 年表现为浅埋滴灌＞膜下滴灌＞传统畦灌，处理间差异均达到了显著水平，2018 年浅埋滴灌和膜下滴灌差异不显著，但均显著高于传统畦灌（P＜0.05）；灌溉水利用效率不同处理间2 a 变化规律一致，浅埋滴灌和膜下滴灌均显著（P＜0.05）高于传统畦灌，但二者之间的差异不显著。

表6 灌溉方式对玉米耗水量及水分利用效率的影响 Table 6 Effects of irrigation methods on evapotranspiration and water use efficiency of maize

3 讨 论

3.1 不同灌溉方式下玉米生育后期干物质积累转运规律的差异性探讨

作物籽粒产量高低是由干物质积累和转运决定的[19]，因此，干物质积累的多少和转运率的高低是影响玉米籽粒产量的2 个主要因素[20-23]。胡昌浩等[24]研究了中国不同年代玉米品种物质生产特性演进指出，当代玉米品种籽粒灌浆物质依赖于直接来源于花后较高的光合作用而获得更高产量；马赟花等[25]进行了不同高产品种干物质积累转运与产量形成的研究，结果表明，玉米花后干物质积累量占总生物量的73.0%以上，是玉米的籽粒产量形成的主要光合产物来源；黄智鸿等[26]在研究超高产玉米品种干物质积累与转运的分配特点时指出，玉米籽粒产量很大程度上决定于玉米生育后期的光合生产能力，生育后期的光合生产干物质对籽粒的贡献78.0%～84.0%。从前人的研究可以看出，玉米花后干物质积累量占总积累量的绝大部分，是籽粒产量形成的主要物质来源，因此，维持玉米花后较强的碳水化合物的同化作用是提高产量的关键。从本研究结果来看，不同灌溉方式下玉米花后干物质积累量存在差异，以浅埋滴灌方式处理最高，传统畦灌处理次之，膜下滴灌处理最低，浅埋滴灌条件下，较高的干物质积累量也为籽粒产量的形成奠定了坚实基础。膜下滴灌由于地表覆膜，一方面使玉米生育前期和中期物质积累强度增加，另一方面也使玉米生育进程加快，因此，膜下滴灌处理玉米虽然吐丝40 d 前具有较高的干物质积累量，但由于生育进程加快，生育后期根冠衰老加剧，造成吐丝40 d 干物质积累量明显低于浅埋滴灌和传统畦灌，这不但影响到干物质的进一步积累，根冠衰老也使干物质转运效率变低，从而籽粒产量低于浅埋滴灌和传统畦灌处理。

3.2 不同灌溉方式下玉米灌溉水利用效率的差异性探讨

不同灌溉方式由于灌溉设施及配置方式不同而具有不同的节水效应。张彦群等[11]分析覆膜滴灌玉米节水增产机理时发现，膜下滴灌方式由于地表覆膜，可以显著降低土壤蒸发量和提高作物蒸腾拉力，从而使水分消耗向增加作物产量的方向分配，与不覆膜滴灌方式相比，籽粒产量提高 5.9%～8.8%，水分利用效率提高12.0%～13.1%；姬景红等[27]在研究膜下滴灌对玉米生长发育及水分利用效率的影响时发现，覆膜滴灌在保证玉米产量的同时，水分利用率较地表滴灌提高了2.7 倍；申丽霞等[28]在研究地膜覆盖对土壤水热与玉米生长的影响时指出，地膜覆盖能使10 和20 cm 土层温度高于不覆膜处理，使玉米生育期较不覆膜处理缩短8～12 d；杜社妮等[29]在研究玉米地膜覆盖的土壤环境效应时也发现，地膜可显著提高玉米前期的土壤温度，有利于壮苗，但在生育后期抑制了根系的生长发育，降低了玉米的蒸散量和水分利用率。前人关于膜下滴灌对玉米籽粒产量和水分利用效率影响的结论不一，这可能和不同的研究地区水热条件不同有关系。玉米籽粒产量与水分利用效率不具有同步性，较高的产量往往需要更多的水分消耗，干旱可以获得较高的水分利用效率，但对产量提高不利[30]。从本试验结果来看，浅埋滴灌处理灌溉水利用效率明显高于膜下滴灌处理，究其原因主要是，在相同灌溉定额条件下，浅埋滴灌由于地表无膜，滴灌管浅埋于地表，在发挥节水作用的同时，也避免了玉米生育后期根冠的早衰问题，籽粒灌浆速率高，灌浆时间长，籽粒产量高于膜下滴灌处理，较高的籽粒产量也是导致浅埋滴灌灌溉水利用效率明显高于膜下滴灌的主要原因；另外，本试验苗期田间调查发现，浅埋滴灌由于地表无膜，玉米出苗更为整齐一致，成苗率要明显高于膜下滴灌，从而也造成了二者有效穗数上的差异，虽然差异均未达到显著水平，但在一定程度上也影响到二者的产量表现；另外，本试验浅埋滴灌和膜下滴灌灌溉定额相同，是依据浅埋滴灌所设计，由于膜下滴灌保水效果更好，灌溉水有所盈余，这在一定程度上也影响了膜下滴灌方式下灌溉水利用效率。

本研究仅探讨了浅埋滴灌与膜下滴灌、传统畦灌条件下玉米产量形成及水分利用的差异，有关浅埋滴灌与膜下滴灌、传统畦灌条件下玉米水分吸收利用规律及其差异目前尚不明确，浅埋滴灌方式下节水灌溉制度尤其是浅埋滴灌水肥一体化条件下的节水灌溉制度也需今后进一步深入研究。

4 结 论

浅埋滴灌方式与膜下滴灌和传统畦灌方式相比，浅埋滴灌花后维持了较高的物质生产能力，从而使吐丝后干物质积累量较高，且保持了较高的干物质转运效率，促进了籽粒灌浆，提高了籽粒产量，分别较膜下滴灌和传统畦灌高6.1%～13.9%和1.4%～6.2%；灌溉水利用效率浅埋滴灌也明显高于膜下滴灌和传统畦灌。浅埋滴灌既解决了节水增效问题，也避免了残膜的环境污染，是西辽河平原玉米节水高产栽培适宜的灌溉方式