辽宁南部地区玉米微喷控水灌溉试验研究

陈 伟 ，吴 奇 ，迟道才 ，杜大鹏 ，赵 勇

（1.辽宁省水利水电科学研究院，沈阳110003；2.沈阳农业大学 水利学院，沈阳110161；3.盖州市灌溉试验站，辽宁 盖州115200）

玉米是我国第一大粮食作物，种植面积达3.676×107hm2。东北四省区是我国玉米最主要的产区，种植面积和总产量约占全国30%，对保障我国粮食安全起着重要的作用[1-2]。辽宁玉米种植面积达2.259×106hm2，年产量达1.4656×107t[3]，约占辽宁省粮食总产量的70%，确保玉米产量稳定增长尤为重要。

辽宁南部地区多年平均降雨量600mm，主要集中在7月和8月，在时间上分配极不均衡，导致当地春旱频发，节水灌溉需求高。当地曾引入过滴灌和大型喷灌机等设备，但是滴灌虽然省水，其田间滴灌带重复利用反而困难，且安装的设备在进入雨季后基本闲置，利用率较低；大型喷灌机一次性投入太高，不适合当地“一家一户”的分散经营模式，且维修养护要求高。因此，根据当地特点，最需要的是投资小、易收放、能应急抗春旱的节水设备及灌溉方式。

随着辽宁省“千万亩滴灌”“节水增粮”及“高效节水灌溉”等项目的实施，国家在当地修建了灌溉主管路以保障灌溉供水，但需要推广适合当地的田间节水灌溉设备。微喷带灌溉是在喷灌和滴灌的基础上发展起来的一种新型灌溉方式，它利用微喷带将水均匀地喷洒在田间，灌溉流量大，灌水周期短、灌溉均匀、抗堵塞、投资少等[4]优点，所用设施操作简单，易于收放，适合补充灌溉的地区，节水增产效果明显[5-6]，为农户普遍接受。相对于传统漫灌处理，微喷节水灌溉技术不仅能够增加土壤表层铵态氮、硝态氮的含量和玉米灌浆期的干物质积累量，还能够提高水分利用效率和兼容多类玉米品种[7-11]。此外，微喷灌技术还能有效地调控干物质分配状况，研究由此而改变的耗水规律具有一定的学术和应用价值。本研究针对微喷灌溉开展试验研究，通过比较不同微喷控制灌溉下土壤墒情、作物长势、耗水规律、产量和水分利用效率及经济效益等差异，为微喷灌溉在辽宁南部地区的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于盖州市徐屯镇徐屯村试验站（东经 122°22′53″，北纬 40°20′58″，海拔 24.5m）,属于半湿润季风气候，年无霜期180d。2017年4月25日播种，9月25日收割，全生育期154d。生育期内蒸发量为1279.6mm，积温为3579.9℃，日照时数为1178.4h，降水量为513.5mm，多集中在7月和8月，比上年同期降水量减少35.7mm，特别是苗期和拔节期降雨量仅26.6mm，受旱严重，结果见表1。土壤质地为中壤土，土壤容重为1.54g·cm-3，土壤 pH 值 5.9，有机质 21.9g·kg-1、全氮 0.89g·kg-1、有效磷 29.4mg·kg-1、有效钾 103.2mg·kg-1，肥力中等，抗旱能力较强，田间持水率25%，地下水埋深为18.5m，不考虑地下水补给作用。

表1 各生育阶段划分及降雨量Table 1 The division of growth stage and rainfall

1.2 试验设计

试验共设置2个灌溉处理，均采用压片式微喷带灌溉，分别是轻度控水灌溉（QK）、重度控水灌溉（ZK），以不灌溉的雨养处理（YY）作为对照，各处理均3次重复，小区采用随机排列；两种灌溉处理在播种后灌保苗水22.5mm，在玉米的苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期设置不同的灌水控制下限（表2），各生育阶段的灌水控制上限为田间持水量的90%。每次灌水水量利用水量平衡方程计算得出；试验小区面积为8m×40m，每个试验小区之间设有保护垄；气象资料由试验站的自动气象站获得。

供试品种为中鑫202，采用大垄双行栽培模式，垄台宽60cm，垄沟宽40cm，垄高15cm；微喷带选用辽宁水利水电科学研究院生产的压片式微喷带，设计工作压力为0.15MPa，每条喷灌带最大铺设长度100m，喷水幅宽8.0m（两侧各4m，控制4根垄），平均单孔出水量为3L·h-1，每百米喷水量为8.4m3·h-1，灌水均匀度为0.6。每个小区布置8垄，在中间垄沟布设一条微喷带，垄长为20m；无灌溉处理种植方式不变，但仅靠自然降雨。玉米行距40cm，株距30cm，种植密度约60000株·hm-2。春播前翻地，平整土地，旋耕深度25～30cm，土壤表层（约5cm）温度达到14℃开始播种，其他田间管理同当地农户。

表2 玉米各生育阶段灌水控制下限Table 2 The lower limit of irrigation at each growth stage of maize /%

1.3 试验项目及方法

（1）土壤含水率，采用烘干法观测。每个控水选择3个测点，每个点观测5个深度，分别为10，20，30，40，60cm，取均值作为计划湿润层含水率，用于控制灌溉，每旬观测1次，灌水前后、各生育阶段始末和降雨后加测。（2）作物生长状况。分别在玉米各生育阶段测定株高和全部展开叶的叶面积，按长×宽×系数（0.75）法调查叶面积；采用游标卡尺测定每株近地面5cm处的茎粗；在玉米各生育阶段结束后，分别测定其地上部分的干物质质量。每次测定均在小区内随机取5株样本，取其平均数作为小区值。（3）灌水量。根据水量平衡原理计算灌溉水量，采用水表进行灌水量的观测，记录每次灌水前后的水表读数、灌水时间以及灌水日期。根据试验站资料，苗期、拔节期、抽雄吐丝期和灌浆期成熟期的计划湿润层深度分别选择20，40，50，60cm。（4）出苗率。田间出苗后记载小区出苗数，田间出苗率为实际出苗数与理论出苗数的比值。（5）产量。单打单收单独计算产量，同时分别取样进行室内考种，主要测定穗长、每穗粒数、百粒重、秃尖长等产量构成因素。

2 结果与分析

2.1 微喷控水灌溉对玉米生长前期土壤墒情的影响

由于微喷带主要在玉米前期灌溉，进入雨季后，各处理均未灌溉，土壤含水率变化一致，因此仅分析7月20日以前的土壤含水率变化（图1）。由于QK灌水下限较高，因此在图中表现为受旱时间较短，灌水次数较多，在灌溉时一直保持“少量多次”的特点，土壤含水率最高；ZK灌水下限低于QK，大多数时期土壤含水率均低于QK，但高于不灌溉的YY；YY处理土壤含水率在灌溉期内明显低于有灌溉的QK和ZK，土壤墒情变化主要与几次少量降雨有关。

图 1 微喷控水灌溉对灌水期内土壤墒情的影响Figure 1 Effect of Micro-sprinkler irrigationon soil moisture content in the period of irrigation

2.2 微喷控水灌溉对玉米需水规律的影响

辽宁南部地区的干旱主要集中在春季和夏初，微喷灌溉方式的灌溉规律如表3。由表3可知，QK灌溉定额为2591m3·hm-2，灌水时间主要在播种后至7月5日之间；ZK灌溉定额为1746m3·hm-2，灌水时间主要在播种后至6月16日之间；QK灌溉定额比ZK高48.43%，且灌溉次数也比ZK多2次，但都发生在苗期和拔节期。

表3 微喷控水灌溉对玉米灌溉的影响Table 3 Effect of Micro-sprinkler irrigationon maize irrigationregimes

各处理耗水规律见表4。由表4可知，在苗期，QK与ZK阶段耗水量差异不大，日耗水量分别为2.3mm和2.7mm，但显著高于无灌溉处理YY的0.6mm，这是因为此时耗水量主要依靠棵间蒸发，灌水处理的蒸发量显著大于不灌水处理；在拔节期，QK、ZK和YY之间的耗水量差异显著，QK耗水量最大，日耗水量为5.5mm，ZK耗水量小于QK，日耗水量达3.6mm，YY耗水量最小，日耗水量为1.1mm，原因是随着玉米的不断生长，蒸腾作用逐渐加强，耗水量加大，但降雨较少，需要灌溉补充腾发量，QK由于灌水下限设置较高，土壤最湿润，蒸腾、蒸发散失水量最大，ZK由于灌水下限设置较低，土壤含水率较低，受到的干旱胁迫高于QK，因此耗水量也较小，但高于不灌水处理YY；进入抽雄期后，随着降雨量的增加，ZK已停止灌溉，其耗水量与YY相比差异不大，但QK在抽雄初期还在灌溉，因此其耗水量高于其他两个处理；灌浆期降雨充足，3个处理均未灌溉，耗水量差异不大；成熟期玉米生理活动趋于结束，3个处理耗水量均较小。

表4 微喷控水灌溉下玉米耗水规律Table 4 The regular pattern of water consumption in maize under Micro-sprinkler irrigation

2.3 微喷控水灌溉对玉米生长指标的影响

由图2a可知，在玉米整个生育期，茎粗随生育进程先增后减，在灌浆期达到最大，成熟期稍有减少，与其他研究结果一致[2-3]。通过方差分析和LSD比较，在灌浆期，玉米茎粗表现为QK＞ZK＞YY，但灌溉两处理之间无显著差别，均显著高于雨养处理YY，这种差异一直保持至成熟期，说明灌溉有利于增加玉米茎粗；由图2b可知，自拔节期开始，不同处理株高表现为QK＞ZK＞YY，其中，QK和ZK之间差异不大，但高于YY，这种差异一直保持至成熟期，说明前期灌溉可以促进株高生长，并将优势延续至生育期结束；由图2c可知，玉米叶面积指数随生育期进程呈先增后减的趋势，在8月30日前后（灌浆期）达到最大，至成熟期有所回落，各生育期叶面积指数均表现为QK＞ZK＞YY，前期灌溉对玉米灌浆期叶面积影响较大，在苗期、抽穗期、灌浆期和成熟期均表现为QK和ZK之间无较大的差异，但高于YY。在拔节期，QK、ZK和YY三者之间叶面积指数均有差异，由此可见，前期微喷灌溉处理可以促进玉米叶面积增长。不同处理各生育期干物质积累量表现为QK＞ZK＞YY，由图2d可知，自灌浆期开始，各处理对玉米干物质积累量影响显著，这种差异一直保持到生育期结束，由此可见，前期微喷灌溉处理可以促进玉米干物质积累。总的来讲，前期微喷灌溉促进了玉米的营养生长，表现为灌溉处理在茎粗、株高和叶面积指数上高于雨养处理YY，但控水处理之间的差异不大；而无灌溉处理缺水后容易造成对生长的抑制，这和窦超银等[12-15]研究结果一致。

图 2 不同处理玉米生长指标对比Figure 2 The comparison of corn growth parameters among different treatments

2.4 不同灌溉方式对玉米出苗率及考种指标的影响

各处理玉米出苗率及考种指标的方差分析及LSD比较结果如表5。出苗率是影响玉米产量的重要因素，各处理玉米出苗率表现为ZK＞QK＞YY，但ZK和QK之间无显著差异，均达到97%，但无灌溉的YY仅为73.2%，因此，前期灌溉有利于保证玉米的出苗率。

表 5 不同灌溉方式下出苗率及考种指标Table 5 Seedling emergence rate and yield componentsamong different irrigation methods

作物产量的变化是各产量构成要素的综合变化导致的。不同处理玉米穗长无显著差异，说明前期微喷灌溉不影响玉米穗长；秃尖长表现为YY＞ZK＞QK，其中不灌溉的YY秃尖长最大，重度微喷控水灌溉ZK秃尖长小于YY，但二者差异不显著，轻度微喷控水灌溉秃尖长明显低于YY和ZK，说明前期轻度控水灌溉可以抑制秃尖长度，这有利于产量稳定；每穗粒数表现为QK＞ZK＞YY，轻控灌溉处理每穗粒数最多，不灌溉处理最少，三者差异显著；百粒重分析结果同每穗粒数分析结果一致，表现为QK＞ZK＞YY，三者差异显著；说明灌溉可提高每穗粒数和百粒重，轻度控水灌溉效果最好。对于产量来讲，不同处理对玉米产量影响显著，结果表现为QK＞ZK＞YY，三者差异显著，说明前期微喷灌溉有利于产量积累，轻度控水灌溉产量最高，不灌溉会显著降低玉米产量。

2.5 不同灌溉方式对玉米水分利用效率及经济效益的影响

玉米产量除以需水量即为水分利用效率。不同处理玉米水分利用效率数值上表现为ZK＞YY＞QK，分别为2.88，2.76，2.7kg·m-3，但无显著差异；微喷灌溉是一种补充性灌溉技术，总的来说，轻度控水灌溉和重度控水灌溉都并没有使水分生产率发生显著变化。

不同灌溉方式的年均经济效益由高到低依次为QK＞ZK＞YY，见表6。其中，灌溉主管路由政府投资，农户只负责田间的微喷带一次性投入，需要0.6万元·hm-2，但至少可以重复使用5年，因此按照年投入0.12万元·hm-2计算。YY由于产量过低，因此净效益最低；两种灌溉方式处理净效益分别为YY的2倍、1.7倍，QK与ZK投入的差别主要是提水量不同导致的电费差异，虽然QK投入最高，但由于产量也最高，因此，净效益也最高，因此，若不计铺设管路的工程投资，从年经济效益角度讲，QK是最佳的灌溉方式。当考虑工程投资时，辽宁南部地区灌溉输水主要通过铺设田间管路实现，QK与ZK管道工程投资一般为0.12万元·hm-2，按照净效益讲，2～3年后，QK和ZK的净效益就会超过YY[16-17]。可见，在水资源充足地区，轻度微喷控水灌溉经济效益最优，而在水资源紧缺的地区，重度微喷控水灌溉节水增产效果最好。

表 6 各处理年均经济效益比较Table 6 The comparison of annual economic benefits among each treatment

3 讨论与结论

崔吉晓等[17]在研究中发现，微喷灌处理能够精准控制灌水量，防止土壤水分下渗，将大部分的养分溶解到根区，从而提高灌水利用系数和水分生产率，这与本研究结果一致。微喷控水灌溉能够提高土壤墒情，改善土壤水分环境，提高玉米的干物质量，尤其是以轻度微喷灌提高玉米物质生产水平最为显著。徐袁博[18]在对冬小麦进行微喷灌研究时发现，微喷灌改善土壤水分状况有利于水分高效利用和以水调肥促进养分的有效同化，同时促进干物质积累。还有研究表明，在农田采用节水灌溉的模式，当土壤含水量适宜时能够显著提高籽粒的灌浆速率，还不影响灌浆的周期，提高了籽粒形成质量进而促进了作物产量[11,19-20]。本研究也得出相似结论，玉米前期微喷灌能够促进生长，有利于最终产量的形成。减少灌水量是降低耗水进而提高水分利用效率的有效措施[21]，在一定范围内增加灌水量有利于产量提高，但灌水量过多由于毛管作用会导致水分携带养分进入根区以下使养分利用收到限制进而降低籽粒产量[11,22]。本研究中轻度控水灌溉处理每穗粒数最多，不灌溉处理最少，对于每穗粒数来说，轻度控水灌溉效果最好。前期微喷灌处理促进玉米营养生长，表现为较高的茎粗、株高、叶面积指数，而雨养条件下作物生长受到抑制，这与前人研究结果一致[15]。虽然轻度微喷灌溉的灌溉频次较高，但是由于相对于重度胁迫微喷灌显著提高了产量使其经济效益最高。

本研究结果表明，微喷灌溉在灌水时期上适用于辽宁南部地区。在拔节中期前，玉米微喷控水灌溉可以有效增加土壤墒情，轻度控水灌溉定额比重度高48.43%，灌溉次数多2次；在拔节中期后，随着玉米的不断长高，微喷灌溉效果会受到影响，而此时已进入雨季，不再需要灌溉。微喷灌溉有利于促进玉米生长。玉米前期微喷灌溉处理在株高、茎粗、叶面积和干物质积累方面均具有显著的优势，不灌溉会使玉米生长性状受到影响。微喷灌溉显著增加玉米产量。对于辽宁南部地区玉米来讲，做好苗期灌溉，保证出苗率是稳产增产的前提，前期微喷灌溉可以显著提高玉米出苗率，增加每穗粒数和百粒重，显著增加产量。微喷灌溉可显著增加效益。虽然从水分利用效率上看，前期微喷控水灌溉同不灌溉差异不大，但从经济效益上来看，微喷灌溉经济效益显著高于不灌溉处理，轻度微喷控水灌溉效益最好。