交替隔沟灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响
2019-10-12漆栋良胡田田
漆栋良，胡田田，宋 雪
交替隔沟灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响
漆栋良1,2，胡田田2※，宋 雪3
（1. 长江大学农学院，荆州 434025；2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100；3. 郑州大学综合设计研究院有限公司，郑州 450002）
该文研究交替隔沟灌溉下不同灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响。以制种玉米“金西北22号”为供试材料，2014年在大田条件下采用垄植沟灌技术，设置7种灌溉制度：全生育期充分供水（CK）、仅苗期中度亏水（T1）、仅苗期重度亏水（T2）、仅穗期中度亏水（T3）、仅穗期重度亏水（T4）、仅花粒期中度亏水（T5）和仅花粒期重度亏水（T6），分析灌溉制度对玉米耗水强度、作物系数、籽粒产量和水分利用效率（water use efficiency，WUE）的影响。结果表明：CK 下制种玉米生长期内的耗水量、平均作物系数和籽粒产量均最大，分别是494 mm、0.86和6478 kg/hm2。与CK相比，任一亏水处理均降低制种玉米全生育期的平均耗水强度，且T6处理下全生育期的平均耗水强度较T5处理的相应值明显减少（<0.05）；任一生育期亏水均降低该生育阶段的作物系数。T2、T3、T4、T5和T6处理的籽粒产量较CK明显降低，降幅分别是13.29%、15.48%、28.13%、14.06%和19.87%（<0.05）；而T1处理的籽粒产量较CK差异不显著（>0.05），与此同时，T1处理下玉米的耗水量较CK下降20.44%，使其WUE最大（1.55 kg/m3）、灌溉水WUE最大（2.54 kg/m3）。可见，交替隔沟灌溉下采用苗期中度亏水、其他生育期内充分供水的灌溉制度可明显提高制种玉米的水分利用效率，同时不显著降低产量。该研究结果对河西走廊地区制种玉米灌溉管理具有重要指导意义。
灌溉；亏缺；蒸散；耗水；作物系数；籽粒产量；水分利用效率；制种玉米
0 引 言
近年来，交替隔沟灌溉技术（alternate partial root zone irrigation，APRI）已在干旱、半干旱地区得到了广泛的应用，取得了良好的节水效益[1-2]。一般地，玉米在不同生育期经受水分亏缺造成的减产幅度是不一样的[3]。干旱地区，均匀灌溉下大田玉米对水分亏缺的最敏感时期是抽雄期和灌浆期[4]。APRI下大田玉米大喇叭口至灌浆开始是需水的临界期，该时期缺水受旱，会对作物产量产生严重影响[5]。畦灌条件下，各生育期土壤水分影响大田玉米产量大小的顺序依次是灌浆期、孕穗期、拔节期、开花期、苗期[6]。灌浆期不灌水不仅对大田玉米产量没有显著影响，还可大幅度提高作物水分利用效率（water use efficiency，WUE）[7]。制种玉米在灌浆-乳熟期不灌水，可显著提高作物产量和WUE[8]。半干旱地区，在拔节期和灌浆期亏水，开花期充分灌水即可获得与全生育期充分灌水处理相当的大田玉米产量[9]。可见，不同气候、灌水管理措施及品种下玉米对水分亏缺的敏感程度不同，甚至差异很大。
自20世纪90年代初以来，河西灌区成为60多个玉米高产品种的制种基地[10-11]。由于经济价值高，制种玉米在甘肃石羊河流域得到大面积的种植。在该地区，王增丽等[12-13]研究了畦灌、常规沟灌和APRI对制种玉米产量、干物质积累和WUE的影响，发现APRI可提高制种玉米的产量和WUE。杨秀英等[14]研究了不同灌溉制度对大田玉米的影响，发现采用APRI在拔节、大喇叭口、抽雄、抽穗、灌浆始、灌浆中、乳熟期灌水，灌水定额为300 m3/hm2，可以达到使玉米不减产而节水33.3%的目的。漆栋良等[15]研究了不同灌水施氮方式对制种玉米产量及水氮利用效率的影响，发现APRI下均匀或交替施氮提高产量和WUE。但是，关于APRI下灌溉制度对制种玉米阶段耗水量和产量的研究尚未见报道。因此，本文通过研究APRI下灌溉制度对制种玉米不同生育期耗水规律和产量的影响，为当地制种玉米的灌溉提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
2014年在农业部作物高效用水武威科学观测试验站（37°57′20"N、102°50′50"E）进行灌溉试验。多年平均降水量为164.4 mm，多年平均蒸发量为2 000 mm，土壤为灰钙质粉质壤土，容重为1.40 g/cm3，凋萎系数为12%，田间持水率为30%（体积含水率）。试验地其他概况见文献[16]。
1.2 试验设计
试验采用交替隔沟灌溉方式，设3个灌水梯度：充分灌水（灌水定额30 mm，约为当地常规沟灌水定额的75%，可使0～60 cm土层的土壤含水率达到田间持水量的95%左右）、中度亏水（灌水定额20 mm）和重度亏水（灌水定额10 mm）；在玉米播种-拔节（苗期）、拔节-抽穗（穗期）、抽穗-成熟（花粒期）施加不同程度的水分亏缺，在此基础上选取6个可操作性强且对产量影响较大的亏水处理，1个全生育期充分灌水（CK），构成试验方案（表1）。对于CK小区，当土壤含水率接近灌水下限（即田间持水量的75%～80%）时，开始灌水，灌水上限为田间持水量的95%。其他处理小区的灌水时间同CK（表1）。各处理重复3次，共21个小区。为进行交替灌溉处理，各小区内，本次灌水的沟下次不灌水，非灌水沟下次灌水，轮流交替进行。
表1 交替隔沟灌溉条件下制种玉米灌溉制度试验设计
注：VE、V6、VT和R6分别代表出苗、拔节、抽雄和成熟。
Note: VE, V6, VT and R6are emergence, jointing, tasseling and maturity stage, respectively.
1.3 试验实施
供试作物为当地种植的制种玉米“金西北22号”。试验于2014年4月21日垄上点播，每垄种一行玉米，行距 55 cm，株距 25 cm。4月28日出苗，6月6日拔节，7月13日抽雄，8月11日灌浆，9月22日收获。制种玉米在不同灌水处理间的生育进程无明显差异。
不同处理氮肥施用方式和施氮量（当地施氮水平200 kg/hm2[17]，以纯N计）均相同。氮肥选用尿素，分3次施入，基施40%，大喇叭口期和抽雄期各追施30%。氮肥分3次施用。第1次在覆膜种植前，均匀撒施在2沟内。2次追施分别在大喇叭口期和抽雄期，在相应生育期灌水处理前均匀撒施沟内。沟垄设置、底肥实施同文献[16]。其中，沟深30 cm，沟底宽 20 cm，垄顶宽 20 cm，垄底宽 35 cm。小区面积 32 m2（8 m×4 m），为东西走向，7个小区为1个区组，小区之间用0.5 m宽垄隔开，7个处理在区组内随机排列，共3个区组区组之间设1.5 m宽隔离带。根据制种玉米生育进程及土壤水分情况，分别在播后13、29、43、56、68、78、89、108和125 d灌水。不同处理的灌水次数和灌溉定额见表1。
1.4 测定项目与方法
1）气象资料：距试验点50 m安装有自动气象站，自动测定降雨量、太阳辐射、相对湿度、温度、风速等指标。
2）玉米生育期及生长状况：根据Ritchie等[18]关于玉米不同生育期可见叶子数的标准，观察、记录玉米生长发育进程。本试验中玉米生育时期划分为播种-拔节、拔节-大喇叭口、大喇叭口-抽雄、抽雄-抽丝、抽丝-灌浆、灌浆-乳熟、乳熟-成熟共7个生育期。
3）土壤含水率
为确定灌水时间，在制种玉米全生育期内用土壤水分仪（Diviner 2000，Sentek Pty Ltd., Australia）测定CK处理0～100 cm （每10 cm为1层）土壤体积含水率，测管布置为垄上，每5～7 d测定1次。
为计算所有7个生育阶段及整个生育期内玉米的耗水量，播前、收获后和每个观测生育期用烘干法（105 ℃）测定垄上0～100 cm（每20 cm为1层）土壤质量含水率。
4）籽粒产量：玉米成熟时，在各小区中间选取2行玉米，收获果穗，风干脱粒、称质量，得到籽粒产量。
1.5 指标计算方法
1.5.1 参考作物需水量
Zhao等[19]研究发现，FAO在1992年提出的彭曼-蒙太斯（Penman-Moteith）公式在河西走廊地区应用价值和精度较高。故采用1992年FAO专家咨询会议使用的Penman-Moteith公式计算ET0，如下：
式中ET0为参考作物需水量，mm；R为净辐射量，MJ/(m2·d)；为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，kPa/℃；为湿度计常数，kPa/℃；为空气平均温度，℃；2为地面以上2 m高处的风速，m/s；e为空气饱和水汽压，kPa；e为空气实际水汽压，kPa。
1.5.2 耗水量、耗水强度和耗水模数
耗水量（evapotranspiration，ET）由水量平衡公式计算
式中为时段内的灌水量，mm；为时段内的降雨量，mm；为时段内的地下水补给量，mm，地下水埋深在40 m以下，可忽略不计，=0；为时段内的排水量，mm，可忽略不计，=0；Δ为时段内0～100 cm土层土壤储水量的变化，mm；为地表径流量，mm，考虑到制种玉米试验期间无地表径流发生，=0。
耗水强度为耗水量（mm）与耗水天数（d）的比值，mm/d；耗水模数为某阶段耗水量（mm）与全生育期耗水量（mm）的比值，%。
1.5.3 作物系数
某作物各生育阶段需水量的模式可用下式表达
式中K为第阶段的作物系数；ET为第阶段的实际作物蒸发蒸腾量，即阶段耗水量（式（2）），mm；ET0i为第阶段的参考作物蒸发蒸腾量（式（1）），mm。
1.5.4 水分利用效率
水分利用效率（water use efficiency，WUE）为籽粒产量与生育期内耗水量的比值；灌溉水利用效率（irrigation water use efficiency，IWUE）为籽粒产量与生育期内灌水量的比值。
1.6 数据处理
试验数据用Excel 2010软件绘图，SPSS12.0统计软件进行方差分析和多重比较，方差分析用One-way，多重比较用Duncan法。
2 结果与分析
2.1 制种玉米全生育期参考作物蒸发蒸腾量变化规律
玉米全生育期内参考作物蒸发蒸腾量ET0的平均值为3.70 mm/d，随时间呈现明显的季节性变化（图1）。4月ET0在4 mm/d以下，后逐渐增大，在7月达到最高（6.17 mm/d）。8月后，随太阳辐射强度及气温的变化，ET0逐渐减小为约3 mm/d。其受天气变阴或降雨的影响，6－8月期间出现一些较小的值（图1）。
图1 制种玉米全生育期降雨分布和参考作物蒸发蒸腾量（ET0）变化
2.2 灌溉制度对制种玉米各阶段耗水量的影响
耗水量表现为：播种-拔节期，T1与T2处理<其他处理；拔节-大喇叭口期，T3与T4处理 表2 不同灌溉制度下制种玉米各生育期的耗水量、耗水强度和耗水模数 注：同一生育期同列数字不同字母表示差异性达0.05显著水平。WCA、WCI和WCM分别代表耗水量、耗水强度和耗水模数。V6、V12、VT、R1、R2、R4和R6分别代表出拔节、大喇叭口、抽雄、抽丝、灌浆、乳熟和成熟；下同。 Note: Different letters after data within same column and growth stage mean significant difference at 0.05 levels. WCA, WCI and WCM represents amount, intensity modulus of water consumption, respectively. V6, V12, VT, R1, R2, R4and R6are jointing, bell, tasseling, silking, filling, milking and maturity stage, respectively; the same as below. 耗水强度表现为：播种-拔节期，耗水强度在2 mm/d以下。进入拔节期以后，耗水强度迅速增大，在大喇叭口-抽雄期T6处理下达到峰值4.78 mm/d，其后逐渐减小。抽雄-灌浆时介于2.5～4.5 mm/d之间，灌浆-乳熟期T6处理下降到1.99 mm/d，乳熟-收获期各处理耗水强度降到2.60 mm/d以下，其中T6处理只有1.44 mm/d。各生育阶段的耗水强度在不同处理之间表现与耗水量相似（表2）。任一亏水处理均降低全生育期的平均耗水强度，且T6处理显著低于T5处理，说明花粒期重度亏水较中度亏水进一步降低制种玉米的耗水强度。 从耗水模数来看，CK的耗水模数介于9.29%（灌浆-乳熟）～19.33%（拔节-大喇叭口）之间。播种-拔节期，与T2处理相比，T1处理的耗水模数增加8.64%；抽雄-收获期，与T6处理相比，T5处理的耗水模数增加5.27%～32.80%，拔节-抽雄期，与T4处理相比，T3的耗水模数增加1.21%～3.42%（表2）。说明在苗期和花粒期中度亏水的耗水模数较重度亏水处理的耗水模数增加1.21%～32.80%。 K值表现为：播种-拔节期，T1与T2处理<其他处理；拔节-抽雄期，T1、T2、T3与T4处理<其他处理；抽雄-抽丝期，T6处理 表3 不同灌溉制度下制种玉米的作物系数Kc 与CK相比，T2~T6处理的籽粒产量分别显著下降13.29%、15.48%、28.13%、14.06%和19.87%（<0.05），而T1处理的籽粒产量没有显著下降（>0.05）（表4）。籽粒产量在不同亏水处理间表现为T1>T2（T3、T5）>T6>T4。WUE表现为T1（T2）>T6（CK）>T3（T5）>T4。IWUE表现为T1 >T2（T3、T5、CK）>T6 >T4。T1处理下WUE和IWUE均最大，分别是1.55和2.54 kg/m3。可见，APRI下苗期中度亏水有利于维持制种玉米的籽粒产量，显著提高其WUE和IWUE。 表4 不同灌溉制度下制种玉米的籽粒产量、水分利用效率和灌溉水利用效率 前人研究表明，中国春玉米耗水量变化在400～700 mm，夏玉米耗水量变化在350～400 mm[20]。本文中，不同处理间制种玉米的耗水量在378～494 mm之间，CK下最大（表2）。在同一试验地区，均匀隔沟灌溉（CI）下，张立勤等[11]发现制种玉米的耗水量高达678 mm。可见，与CI相比，APRI明显降低制种玉米的耗水量。这与杨秀英等[14]在大田玉米的研究结果相一致。主要原因是，干旱区参考作物蒸发蒸腾量较大，APRI由于只给作物一侧交替供水，使每次灌溉的湿润面积减少。因此，显著降低作物的蒸发量[21]。而且，本研究中T2处理的耗水量（378 mm）与张芮等[22]在膜下滴灌采用充分灌溉得到的耗水量（360 mm）相当。因为玉米苗期需水不多，较耐旱，叶片面积较小，农田蒸散以棵间蒸发为主，可以承受一定的程度的干旱[23]。 前人研究表明，不超过植物适应范围的缺水，往往在复水后产生水分利用和生长上的补偿效应[24]。本文中，当亏水处理恢复正常供水后，耗水强度明显增大（表2），说明作物适应亏水的补偿效应存在。另外，灌浆期以前，与CK相比，各生育期T1处理的耗水强度降低（抽雄-抽丝期除外）。可能的原因是，一方面，苗期适当亏水（蹲苗）锻炼后，植株的根系能更新、长出大量新根[25]。另一方面，采用Hoagland溶液培养，干湿交替供应水分使得玉米根冠比增大，根系分枝的数目增加，活性根生成增多[26]。与CI相比，APRI显著促进玉米根系生长及深扎[27]。APRI下蹲苗时，二者根系生长的补偿效应可能叠加，使根系的吸水能力增强。但是，灌浆-乳熟期T1处理的耗水强度与CK相比差异不显著（表2）。这可能与灌浆期为籽粒产量形成的关键期、对水分和养分的需求量较大有关[28]。其原因需要进一步研究。 在参考作物蒸发蒸腾量一定的情况下，作物需水量多少是作物系数K大小的决定因素。本研究表明，任何生育期亏水使该生育阶段的K值明显降低，且很难完全恢复到CK的水平（表3）。这与肖俊夫等[20]的研究结果相一致，他们指出亏水处理不但造成阶段需水量的降低，而且降低整个生育期的需水量。在同一地区，关于棉花的研究结果也表明，灌水方式相同时，K值与灌水量成正相关[29]。另外，本文发现T4和T6处理使K值出现剧烈下降，不同的是T4处理K的下降出现在抽丝-乳熟期，而T6处理出现在抽雄-抽丝期（表4）。说明穗期重度亏水降低作物系数有一定的滞后性。 前人研究结果表明, 在一定条件下, 适度的水分亏缺不会对作物产量造成影响，却能显著提高作物WUE[30-31]；调亏灌溉的适宜时段应该是作物生长的早期阶段[32]。本文结果与上述结论具有一致性，T1处理下制种玉米籽粒产量没有显著减少，WUE和IWUE明显增加，而T6处理与之相反（表4）。可能原因是，苗期作物植株较小，气温较低，蒸发强度小（图1），耗水强度也小（表2），也就是说作物缺水的发展速度比较慢。较慢的水分亏缺发展速度对作物产量的影响较小[33]。而在作物的生长中期阶段，气温升高，蒸发强度大（图1），植株生长旺盛，耗水强度也大（表2），作物缺水的发展速度比较快，不适和进行调亏灌溉。此外，穗期是玉米对水分亏缺最敏感的时期，该时期重度亏水直接导致叶面积、生长速率、株高和产量的显著下降[34]，使WUE显著降低（表4）。 同一地区，充分供水时，Kang等[35]发现在均匀隔沟灌溉（CI）和APRI之间大田玉米的WUE差异不大，分别为2.76和2.66 kg/m3；张立勤等[36]研究表明CI下制种玉米的WUE为1.12 kg/m3；张芮等[22]发现膜下滴灌条件下制种玉米的WUE为2.01 kg/m3，IWUE为2.93 kg/m3。本文中，CK的制种玉米WUE和IWUE分别为1.31和2.39 kg/m3（表4）。可见，APRI较CI显著提高制种玉米的WUE。但是，制种玉米的WUE普遍低于大田玉米的WUE。这主要是因为大田玉米的产量（8 500～10 500 kg/hm2之间）远高于制种玉米的产量（5 500～8 000 kg/hm2之间）。 大田条件下，对APRI不同灌溉制度下制种玉米耗水规律和产量进行研究，结果表明： 1）苗期重度亏水下制种玉米全生育期的耗水量最小（378 mm），全生育期充分供水（CK）下制种玉米全生育期的耗水量最大（494 mm）。任一生育期进行亏水处理均降低全生育期的平均耗水强度，且花粒期重度亏水下全生育期的平均耗水强度较中度亏水的相应值进一步降低。 2）CK下制种玉米生育期内平均作物系数最大（0.86），籽粒产量最高（6 478 kg/hm2）。任一生育期亏水均使该生育阶段的作物系数减少。与CK相比，苗期重度、穗期中度、穗期重度、花粒期中度和花粒期重度亏水的籽粒产量分别显著下降13.29%、15.48%、28.13%、14.06%和19.87%（<0.05）；苗期轻度亏水（T1）的籽粒产量与CK 无明显差异（>0.05）。但T1下全生育期的耗水量（393 mm）较CK显著下降20.44%。因此，APRI下采用苗期中度亏水、其他生育期内充分供水的灌溉制度明显提高制种玉米的WUE。 [1] Sepaskhah A R, Ahmadi S H. 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Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2007, 16(4): 83－86.(in Chinese with English abstract) Effect of irrigation regime on water consumption pattern and grain yield of seed maize under partial root zone irrigation Qi Dongliang1,2, Hu Tiantian2※,Song Xue3 (1,,434025,; 2,,712100,; 3..,,450002,) Alternate partial zone irrigation (APRI) has been widely practiced worldwide and has been proven that it has a great potential of water saving in arid and semi-arid areas, but information on different irrigation regimes on water consumption pattern under APRI receives limited attention, especially for seed maize. To better use and development of APRI in arid area, we carried out a field experiment to investigate the effect of different irrigation regimes on water consumption pattern and grain yield of seed maize (Zay mays, Gold northwestern 22) under APRI at Wuwei, northwest China in 2014 using ridge planting-furrow irrigation technology. The irrigation regimes included only moderate water deficit at seeding stage (T1), only severe water deficit at seeding stage (T2), only moderate water deficit at heading stage (T3), only severe water deficit at heading stage (T4), only moderate water deficit at flowering and kernel stage (T5), only severe water deficit at flowering and kernel stage (T6) and full irrigation during whole growth period of seed maize (CK). Weather data during the seed maize growth season, water consumption amount of the different growth stages (planting to jointing, jointing to bell, bell to tasseling, tasseling to silking, silking to filling, filling to milk and milk to maturity) and grain yield at the maturity of seed maize were determined. The intensity of water consumption and crop coefficient at the different growth stages, water use efficiency (WUE) and irrigation water use efficiency (IWUE) were calculated. The results showed that, the CK resulted in the greatest water consumption amount and the average crop coefficientduring the whole growth period of seed maize as well as the grain yield, and the corresponding values were 494 mm, 0.86 and 6478 kg/hm2, respectively. Compared to CK, the average intensity of water consumption during the seed maize grown season were decreased in any water deficit treatment, and the average intensity of water consumption in the T6 treatment was significantly smaller than that in the T5 treatment. The crop coefficient in any water deficit period of seed maize was also decreased by all the water deficit treatments. Compared to CK, the T2, T3, T4, T5 and T6 treatments significantly decreased grain yield of seed maize by 13.29%,15.48%, 28.13%, 14.06% and19.87% (<0.05), respectively. However, the grain yield of the T1 treatment was comparable to that of the CK. At the same time, the T1 treatment significantly decreased the water consumption during the whole growth period of seed maize by 20.44% if compared to CK. As a result, the T1 treatment achieved the greatest WUE (1.55 kg/hm2) and IWUE (2.54 kg/hm2). These results suggested alternate partial root zone irrigation with the irrigation regime of moderate water deficit at the seeding stage and full irrigation at the other growth stages could maintain the grain yield and obviously reduce the water consumption amount during the whole growth period of seed maize, and thereby improving water use efficiency. The results could provide guidance to irrigation management in the field for seed maize in the Hexi Corridor area of northwest China. irrigation; deficit; evapotranspiration; water consumption; crop coefficient; grain yield; water use efficiency; seed maize 2018-11-17 2019-05-10 国家自然科学基金项目（51809006、51079124）；国家“十二五”863 计划项目（2011AA100504） 漆栋良，博士，主要从事农业水土环境调控及水肥资源高效利用研究。Email：qdl198799@126.com 胡田田，博士生导师，主要从事农业水土资源高效利用研究。Email：hutiant@nwsuaf.edu.cn 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.008 S275.9 A 1002-6819(2019)-14-0064-07 漆栋良，胡田田，宋 雪. 交替隔沟灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：64－70. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.008 http://www.tcsae.org Qi Dongliang, Hu Tiantian, Song Xue. Effect of irrigation regime on water consumption pattern and grain yield of seed maize under partial root zone irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 64－70. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.008 http://www.tcsae.org
2.3 灌溉制度对制种玉米作物系数Kc的影响
2.4 灌溉制度对制种玉米的产量和水分利用效率的影响
3 讨 论
4 结 论
