微润灌溉对玉米耗水特性及产量的影响研究

王亚竹，王建平

(1.甘肃省水利科学研究院，兰州 730000；2.甘肃省引大入秦工程管理局，甘肃 永登 730300)

微润灌溉是一种以半透膜为基本原理，以低工作压力为动力驱动，通过毛管上的灌水器把水或水肥的混合液缓慢出流渗入到作物根区土壤中，再借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到根系层供作物吸收利用的一种新型节水灌溉技术[1]。其特点是地下线源连续缓慢灌溉，能最大程度地节约劳动力、节省能源消耗和高效利用水资源。微润灌溉与其他传统灌溉方式相比均匀度高，有效降低了径流、渗漏和蒸发这三种主要的田间水分损失，节水效果非常明显，在干旱区具有广阔的应用前景。对微润灌溉技术的研究主要集中在不同埋深及压力水头对作物生长、产量、品质、土壤水分动态的影响[2-5]，不同土壤质地对微润管水分入渗、线源入渗湿润体特性及水分运移的影响[6-8]，微润管不同布设方式对夏玉米苗期生长影响[9]，微润灌溉灌水均匀度[10]等方面。可见通过合理的布设和灌溉参数的优化，微润灌溉在一定程度上可达到节水增产的目的。本研究针对区域特点，在民勤绿洲开展相关研究，与膜下滴灌对比分析微润灌溉条件下玉米节水、增产及水分利用的机理与效果，为微润灌溉技术推广应用提供科学参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年4月-2016年9月进行，试验区位于民勤县城以北约13.5 km处的大滩乡东大村甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验示范基地内，地处绿洲和腾格里沙漠交界地带，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥，降水稀少，蒸发量大，风沙多，自然灾害频繁。多年平均气温7.8 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均湿度45%，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，全年平均扬沙59 d。年日照时数3 028 h，光热资源丰富，≥0 ℃积温3 550 ℃，≥10 ℃积温3 145 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm。试验区土质0～60 cm为黏壤土，60以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54 g/cm3，田间持水量为22.27 %。试验田土壤养分、盐分含量为有机质0.527%、全氮0.045%、全磷0.115%、全钾1.667%、pH值7.96、全盐1.872 g/kg，灌溉水矿化度0.91 g/L。

1.2 试验设计

根据微润管首部工作压力试验设3个处理，首部工作压力分别为2.0、2.5和3.0 m，以膜下滴灌为对照。试验区微润管间距60 cm，布置长度78 m，埋设深度30 cm，充满水后覆土掩埋，首部安装水箱，在水箱内部安装水位自控浮球阀，以自动控制水箱水位，保证田间灌水的连续性以及提供较为稳定的进口压力。试验以玉米为供试作物，品种为“先玉335”，均为覆膜种植，行距45 cm，株距25 cm，膜下滴灌对照区采用“1膜2管3行”布设，膜宽145 cm，布置长度78 m，滴灌设计灌水定额为40.5 mm，用水表严格控制灌水量，灌水次数8次，灌水时间根据土壤含水量结果及作物生育期状况进行适时灌溉，灌溉水源为井水。

1.3 测定指标与方法

土壤含水率：采用土钻取土烘干称重法(105 ℃，12 h)结合TDR土壤水分速测仪测定。深度为0～100 cm土层中每20 cm为一层进行测定，整个生育期每隔10～20 d测定一次，降水及灌水前后进行加测。

灌水量：微润灌溉区每天固定时间记录水表计数，计算出每天的灌水量；滴灌区按照设计灌溉制度进行灌溉，记录每次灌水时间、灌水前后水表读数，计算出每次的灌水量。

耗水量：耗水量(ET)按式(1)计算：

ETi=M+P+K±ΔS-R-D

(1)

式中：ETi为作物阶段耗水量，mm；M为灌水量，mm；P为降水量，mm；K为地下水补给量，mm；ΔS为土壤贮水量的变化，mm；R为地表径流量，mm；D为深层渗漏量，mm。

试验区地下水位较深，地下水的补给量不予考虑，即K=0。因试验采用是微润灌溉和膜下滴灌技术，属于小定额灌溉，不产生地表径流并避免了深层渗漏，在计算过程中不考虑，即R=0，D=0。考虑到试验区域降水少、蒸发量大的气候特点，在计算耗水量时，只将一次≥5 mm的降水作为有效降水，<5 mm的降水不考虑在内。

气象资料：通过安装的TRM-ZS3全自动气象站观测记载降水量、蒸发量、温度、风速等气象因素。

籽粒产量：玉米成熟后，在每个小区随机选三处进行取样，每处取样12株，风干后称重，进行考种，按各小区单收，计算各小区籽粒产量。

1.4 数据分析及处理方法

用Excel2013进行数据处理和制图，用DPS(v6.05)统计软件做相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下的灌水量

微润管直接向作物根区缓慢持续供水，根据作物耗水速度自动实时灌溉，由水表测量灌水量，在作物生育阶段每天记录灌水量。由表1可以看出，膜下滴灌灌溉定额为324.0 mm，微润灌溉整体较膜下滴灌灌水定额小，其中微润管进口压力为3.0 m时其灌溉定额最大，为242.82 mm，较膜下滴灌小25.1%，且水头压力越小，节水效果越明显，说明微润灌溉只灌溉作物根部，减少了无效的土壤水分消耗，具有明显的节水效应。微润灌溉在玉米不同生育期灌水量差异较大，在苗期到拔节期和拔节期到大喇叭期灌水量最大，如3.0 m水头这两生育期灌水量分别占到总灌溉定额的24.7%和23.9%，说明在这两生育期其耗水量较大，土壤水分消耗较快。微润灌溉定额与首部压力水头有显著的正相关关系(图1)，首部水头和灌水量满足对数函数关系，且其决定系数R2达到0.995 ，微润管进口压力从2.0 m提高到2.5 m，再从2.5 m提高到3.0 m时，灌溉定额分别增加17%和9.5%，说明存在一个灌水量极值，这为有效控制微润管出水量提供了可能。

表1 不同生育阶段玉米亩灌溉用水量 mm

图1 微润灌溉首部水头和灌水量关系

2.2 对玉米耗水量的影响

应用农田水量平衡法计算出玉米各生育时期耗水量及耗水特征值(表2)。由表2可以看出，玉米在不同的生育阶段耗水是不同的，总体来说，玉米全生育期耗水量均表现为生育前期小，中期大，后期小的变化规律，拔节期和灌浆期是玉米需水的关键期，各处理耗水量峰值均出现在这两个生育期，如微润管进口压力为3.0 m时，玉米在拔节期和灌浆期的耗水量分别为66.65 m和66.90 mm，耗水模数则为21.46%和21.54%，这两个阶段耗水量接近全生育期耗水量的一半，其他处理也有类似的规律。耗水总量最大的为滴灌对照区，全生育期总量为391.80 mm，较进口压力为2.0、2.5和3.0 m的微润灌溉分别大34.3%、26.1%和20.7%。各生育期随着作物长势和灌水条件的不同耗水量有所区别，如在拔节期和大喇叭期，微润管进口压力为3.0 m和2.5 m条件下其阶段耗水量分别为66.65 mm和62.9 mm，比滴灌对照区分别大29.3%和35.6%。但是在玉米生长后期，即抽穗期、灌浆期和成熟期则表现为滴灌对照耗水量较大，说明微润灌溉可以根据作物实际需水情况进行实时调整灌水量，这对优化作物灌溉制度和提高叶片水分利用效率具有重要意义。

表2 不同生育阶段玉米耗水量

注：CD表示生育期耗水量，mm；CP表示生育期耗水模数，%。

2.3 对玉米产量及构成因素的影响

玉米百粒重、穗长、穗重、穗粒重等均是影响玉米产量的重要因素。由表3可以看出，穗重、穗粒重和平均百粒重，均是微润管进口压力为3.0 m的处理最高，膜下滴灌对照最低，但各微润管处理间无差异，其中穗重、穗粒重与滴灌处理有极显著差异，百粒重与滴灌处理有显著差异。如微润管进口压力为3.0 m比进口压力为2.0、2.5 m和膜下滴灌平均百粒重分别高19.2%、14.2%和23.3%。微润管进口压力为3.0 m的处理产量也最高，达到10 507 kg/hm2，与其他微润灌及滴灌处理有极显著差异，较滴灌对照产量9 421 kg/hm2高11.5%，增产效果显著。结合表1数据可得在微润灌溉条件下，不但能够增产，还能减少灌水量。

表3 玉米产量构成要素及水分利用效率

2.4 对玉米WUE的影响

由表3可以看出，不同处理对玉米WUE的影响较大，其中滴灌对照的WUE最低，仅为2.91 kg/m3，其次是微润管进口压力为3.0 m的处理，为4.33 kg/m3，其中微润管进口压力为2.0 m的处理WUE最大，达到5.38 kg/m3。说明滴灌对照灌水量较大降低了水分利用WUE，不利于干旱地区水资源高效利用的目的。利用灌溉定额和玉米籽粒产量进行回归，发现两者能较好地满足二次函数关系(图2)，其回归方程为y=-0.119x2+76.24x-899.7，决定系数R2达到0.995，说明该方程能较好地反映随着灌溉水量的增加玉米籽粒产量的变化趋势。即随着灌溉定额的增加，玉米籽粒产量表现为先增加后降低的变化规律，当水量达到一定值时，玉米产量出现最大值，继续增大灌水量玉米籽粒产量会出现下降趋势。由该方程计算可知玉米籽粒产量达到最大时灌溉定额为319 mm，此时籽粒产量的理论最大值为11 260.7 kg/hm2。

图2 玉米籽粒产量与灌溉定额的关系

3 结果与讨论

微润灌溉和膜下滴灌灌溉方式完全不同，微润灌溉是根据作物需要自动灌溉，不需要制定灌溉制度，而膜下滴灌是根据设计的灌溉制度进行适时适量间歇灌溉。对节约用水量方面，微润灌溉以微量、缓慢、连续的供水过程给作物提供全生期供水，且在保证作物充分灌溉的前提下非常节水，减少了灌溉水的无效浪费。

(1)全生育期玉米微润灌溉水头压力为2.0、2.5和3.0 m比膜下滴灌灌溉定额分别降低41.48%、31.53%和25.06%，减少了无效的土壤水分消耗，更加适合作物的生长需求。

(2)膜下滴灌全生育期耗水量比微润管进口压力为2.0、2.5和3.0 m的处理分别大34.3%、26.1%和20.7%，说明微润灌溉可以根据作物实际需水情况进行实时调整灌水量，对于优化灌溉水供给和提高水分利用效率具有重要意义。

(3)在微润管进口压力为3.0 m时，不但总耗水量较膜下滴灌低，而且产量还提高了11.5%，水分利用效率达到4.33 kg/m3，说明微润灌溉通过优化全生育期水分配置，达到了节水、增产、高效的效果。

微润灌溉较滴灌具有一定的节水作用，本研究结论与已有节水60%以上研究成果还有一定的差距，但总体趋势一致；微润灌溉具有一定的增产作用，这与薛万来等[11]的研究结论是相似的。另外，本研究结论是在大田试验条件下完成的，不可避免受到气候、作物种类、土壤质地、水资源等因子的影响，所以试验得出的结论有一定的局限性，微润灌溉技术参数及其对作物的影响还需进一步研究和探讨。