地埋滴灌对玉米耗水及水分生产率的影响

李 鹤，刘新潮，贾 琼，郝焕然

(1.内蒙古自治区通辽市水利技术推广站，内蒙古 通辽 028000；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；3.内蒙古水利水电勘测设计院，呼和浩特 010020)

0 引 言

我国平均水资源总量28 124 亿m3，居世界第六位，人均占有量为2 350 m3，仅为世界人均水量的1/4，世界排名第110位，被联合国列为13个贫水国家之一[1]。内蒙古通辽市素有“内蒙古粮仓”之称，是国家重要商品粮基地，粮食总产量占内蒙古自治区的25%以上。全市盛产玉米、小麦、水稻、大豆等作物，玉米产量居全区第一[2-5]。通辽市地处半干旱地带，干旱是制约通辽市农业经济发展的主要因素，全市各地春旱频率高达70%以上。通辽市水资源紧缺，多年平均水资源总量为33.09 亿m3，人均水资源量为1 195 m3/人，按国际标准人均占有水资源量小于1 760 m3/人的为用水紧张地区，通辽市人均水资源量属于用水紧张区[6-8]。面对水资源短缺现状，西辽河平原区玉米膜下滴灌种植模式发展迅速，种植面积逐年扩大，但是随着玉米膜下滴灌工程大面积推广，地膜无法回收，造成环境污染；地面铺设管道过多，无法进行中耕，土壤板结等问题日益显著。地埋滴灌作为一种新型的节水灌溉技术，节水增产效果明显；管道布置于地下，有利于机械作业，便于田间管理；滴灌带避免紫外线照射，可以有效防止毛管老化[9-13]。近年来，玉米地埋滴灌受到越来越多的关注，但是缺乏对其进行系统性的研究。在风沙土地区，地埋滴灌较雨养种植产量提高126.4%，水分生产率(WUE)提高73.6%，与膜下滴灌相比较产量和WUE仅降低0.8 t/hm2和0.3 kg/m3，差异不显著[14]。刘泽宇[15]研究发现赤峰市玉米地埋式滴灌最优技术参数为滴灌带埋深0.35 m，滴灌带间距0.8 m，滴头流量1.38 L/h，该技术参数下玉米产量可达到14 115 kg/hm2，WUE2.65 kg/m3。段满红等[16]对地埋滴灌毛管间距、埋深对产量影响研究得出：埋深30 cm，间距60 cm为最优组合，滴头流量1.6 L/h产量显著高于1.2 L/h。田建斌等研究发现毛管在同一埋设深度时,随着铺设间距的增大，肉眼观察到的横向湿润锋交汇深度也加深[17]。综上所述，学者目前对玉米地埋滴灌的研究不多，大都针对某一方面进行研究，对通辽玉米地埋滴灌埋深、滴头流量及玉米生育指标、耗水规律、产量和水分生产率进行系统研究更少。通辽地区气候特点独特，春播季节风沙较大，无膜灌溉方式更加适合该地区。因此，本文采用田间试验方法设置不同灌水量，对玉米地埋滴灌技术参数进行研究，对比不同滴灌带埋深和滴头流量对玉米生育指标及产量的影响。制定通辽地区地埋滴灌合理技术参数及灌溉制度，旨在为农民生产实践提供理论指导，对通辽农业可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2015年在通辽市科左中旗节水试验站进行，通辽市玉米播种面积占耕地面积的80%以上，科左中旗是玉米播种面积大旗(县)之一。试验区地处东经122°21′10″，北纬44°06′25″，属温带大陆性季风气候、四季分明。春季回暖快，多风沙；夏季雨热同步，雨量集中；秋季短促，降温快；冬季干冷漫长。平均气温5.9 ℃，平均日照时数为2 802.1 时，多年平均降水量342 mm，平均蒸发量为2 027 mm，试验区土壤类型属壤土，容重为1.58 g/cm3。

1.2 试验设计

试验采用2因子3水平正交组合设计(表1)，设滴灌带埋设深度和滴头流量2个因子，2种埋设深度，滴灌带埋深分别为D1：25 cm、D2：35 cm，设3种滴头流量，滴头流量分别为Q1：1.05 L/h、Q2：1.38 L/h、Q3：1.90 L/h，试验共计6种处理，每种处理3次重复，共计18个试验小区，每个小区的长度均为90 m，宽度为4.8 m，面积为432 m2，试验区总面积2 592 m2。采用地埋式滴灌带，滴头间距为0.3 m；每条滴灌带控制2行玉米，滴灌带间距1.2 m，每个处理的施肥量、灌水定额、灌水次数均相同，灌水量依据文献[18]，设定为苗期60%～85%，拔节期65%～90%，抽雄期65%～95%，灌浆期75%～95%，成熟期70%～85%，计划湿润层深度为60 cm，灌水日期根据适宜含水率下限计算确定。试验品种为伟科702，一年一熟。玉米生育期内旬降雨量见图1。

表1 试验设计方案

图1 玉米生育期内旬降雨量

1.3 测定指标与方法

气象数据观测：采用进口小型自动监测气象站，定期电脑采集气象数据，监测项目包括大气压强、地温、气温、降雨量、相对湿度、露点温度、风速、风向、太阳辐射、含水率。

土壤含水率：采用TDR和烘干法测量土壤含水率，每7 d测一次，播前、收获后各测一次，灌水、降雨后加测，测量深度为1 m，分为5层，每层20 cm，设3组重复。

作物生态指标测定：株高、叶面积用卷尺测量，株高测定是从植株根部到所有器官中的最长点；叶面积的测定是从叶尖到叶基的长度与离叶基1/3处的叶宽计算得到；其中，单叶面积用下式计算：

S=0.75ab

(1)

式中：S为叶面积；a为叶长；b为叶宽。单叶面积累加得全株面积。

耗水量计算：采用水量平衡法[19]：

Wt-W0=W+P0+M+K-ETc

(2)

式中：Wt为时段末土壤储水量；W0时段初的土壤储水量；M为灌水量；P0为有效降雨量；W为由于计划湿润层增大而增加水量；K为地下水补给量，研究区地下水埋深为8 m左右，地下水补给量忽略；ETc为田间耗水量，mm。

测产方法：每个处理取30 m调查行距、株距、果穗总数，得到公顷株数、有效穗数。每个小区随机选取10穗玉米，游标卡尺测量穗长、穗宽、秃尖长，人工计数每穗粒数，脱粒后随机取5组300粒称重，得到百粒重。水分生产率计算：

(3)

式中：WUE为水分生产效率，kg/m3；Y为作物产量，kg/hm2；ETc为田间耗水量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同处理玉米株高研究

滴灌带埋设深度不同导致灌水均匀度不同，影响水分在土壤中的运移，玉米根系的生长与土壤水分分布密切相关，根系吸水又会改变土壤含水率。在这种土壤水分与根系的交互影响下，不同滴灌带埋深使玉米生长产生差异。玉米生育期株高变化见图2，由图可知各滴头流量下不同埋深玉米株高变化趋势一致，在苗期-拔节D1(25 cm)埋深处理高于D2(35 cm)15%～30%，到了抽雄期以后D1略大于D2但各处理间无显著差异(p<0.05)。这是因为，在前期植株较小，地面覆盖低，表层土壤棵间蒸发较大，根系分布较浅，此时埋设深度较浅的D1处理可以更及时地将水分输送至浅层土壤，供给根系吸水。到了抽雄以后，玉米由营养生长转为生殖生长，地表被植株完全遮盖，棵间蒸发较小，吸水性较好的根毛分布在滴灌带下方土壤区域，各处理土壤水分满足根系吸水。故不同埋深下玉米株高差异不大。

滴头流量是地埋式滴灌系统的重要设计参数。地埋式滴灌土壤水分运移的过程是以滴头为中心，向四周扩散，在相同土壤环境下，土壤水分运移的快慢和扩散范围取决于滴头流量的大小，流量越小，湿润体越小，而且速度慢，反之则快。土壤水分运移快慢和湿润体大小影响着玉米灌水的效果，进而影响玉米生长发育，最终影响玉米产量。从图2可以看出相同埋设深度下，玉米株高Q1(1.05 L/h)处理低于Q2(1.38 L/h)处理5%，Q3(1.90 L/h)处理较Q2(1.38 L/h)处理低8%，在前期由于灌水次数较少，不同滴头流量各处理间无显著差异，在拔节-抽雄灌水次数增多，抽雄期以后各处理出现显著性差异(p<0.05)，试验表明Q2流量下的湿润体最适合玉米生长发育。

图2 不同处理玉米株高变化

2.2 不同处理玉米叶面积指数(LAI)研究

叶片是玉米进行光合作用的主要器官，叶面积指数是衡量作物生长状况的重要指标，叶片的大小与作物蒸发蒸腾密切相关，叶片的发展变化反映了光合有效面积的大小和光能截获量的大小，影响着作物的经济产量。生育期内玉米叶面积指数变化规律见图3，各处理叶面积指数呈“正弦函数”变化。前期叶片增长速度较快，到抽雄期玉米由营养生长进入生殖生长，叶片增长速度降低。灌浆期达到最大，各处理叶面积指数(LAI)为4.40～4.93。到了成熟期叶片开始变黄萎缩，叶面积指数有所降低。不同埋深对玉米叶面积指数影响较大，D2(35 cm)埋深处理叶面积指数低于D1(25 cm)埋深4%～15%，因为D1处理埋设深度较浅，水分更易输送至根区附近土层，供作物生长发育。研究表明D1埋深更益于叶片生长。

图3 不同处理玉米叶面积指数变化

适宜的滴头流量可以均匀、高效地为玉米根区输送水分，流量较小，水分运移较慢，湿润面积较小，根系无法及时吸收水分，影响作物生长发育；流量较大，水分运移较快，水分向下运移相比横向运移快，大量水分进入深层土壤，根系吸收不到，以无效水分的形式储存在土壤中，水分利用效率低。在D1(25 cm)埋深下Q2(1.38 L/h)处理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)处理3%～16%。表明埋深25 cm流量1.38 L/h的D1Q2处理叶片发育最好。D2(35 cm)埋深下不同滴灌量各处理LAI无显著差异(p<0.05)，不同滴灌带埋深对叶片发育的影响作用大于滴头流量。

2.3 玉米生育期耗水规律研究

不同处理耗水量见表2，生育期玉米耗水规律：苗期由于作物生长发育较慢，耗水主要以棵间蒸发为主，前期为满足出苗要求，灌水较多，耗水量占生育期总耗水量17%～19%。拔节期玉米迅速生长，棵间蒸发降低，蒸腾耗水显著增大，耗水量达到最大，占生育期总耗水量23%～29%，该阶段需要大量灌水满足作物生长发育需求。抽雄期以后耗水量有所降低，达到生育期内最小值，仅占生育期总耗水量15%～18%。在降雨较大的灌浆期作物耗水量又有所增加，成熟期由于叶片枯萎发黄，玉米逐渐停止生长，作物耗水量又有所降低。D1(25 cm)埋深各处理生育期平均耗水量较D2(35 cm)处理高7%，由于埋深较浅时，浅层土壤含水率较高，棵间土壤蒸发较大，根系也更易吸收土壤水分用于作物蒸腾，故滴灌带埋深越浅耗水量越大。不同流量各处理Q2(1.38 L/h)处理生育期耗水量为366.19 mm，略小于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)处理，差异不显著(p<0.05)，说明滴头流量对玉米耗水影响不大。

表2 不同处理耗水量研究

2.4 不同处理玉米产量研究

不同玉米产量变化见图4，埋深为25 cm的各处理玉米平均产量高于埋深35 cm各处理平均产量14%，滴灌带埋设深度与产量呈反比，随埋深增加，玉米产量降低。这是由于水分在土层中向上运移较向下运移困难，埋深越浅对玉米生长发育和产量的积累越有益，前文提到玉米埋深较浅时有益于玉米植株生长发育，各项生育指标较优，为后期玉米产量的累积奠定基础。结合当地耕作习惯，滴灌带埋深为25 cm为最佳方案。

D1Q2(埋深25 cm，滴头流量1.38 L/h)产量最高达到16 000.45 kg/hm2，显著优于其他处理。在相同埋深下，不同滴头流量对产量的影响较小，不同滴头流量产量差异不显著。

图4 不同处理玉米产量

2.5 玉米水分生产率研究及灌溉制度研究

不同处理玉米水分生产率(WUE)见表3。D1(25 cm)埋深下，Q2(1.38 L/h)处理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)处理15%～18%；D2(35 cm)埋深下，Q2(1.38 L/h)处理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)处理2%～5%。说明滴灌带埋设较深时，不同滴头流量对玉米水分生产效率影响较小。不同滴头流量间水分利用效率表现为Q2>Q3>Q1，研究表明D1Q2(埋深25 cm，滴头流量1.38 L/h)水分利用效率最大，达到4.37 kg/m3。

表3 不同处理玉米WUE

综上，结合玉米生长指标，需水规律，产量以及水分利用效率，从高产和水资源高效利用角度综合分析，D1Q2(滴灌带埋深25 cm，滴头流量1.38 L/h)为最优组合模式。通辽地区玉米地埋滴灌推荐灌溉制度见表4，全生育期灌水7次，灌溉定额为175 mm。

表4 玉米地埋滴灌推荐灌溉制度

3 讨论与结论

通过对通辽玉米地埋滴灌生育指标，耗水规律，产量，水分生产率研究得出以下结论：

(1)地埋滴灌玉米株高苗期-拔节D1(25 cm)埋深处理高于D2(35 cm)15%～30%，到了抽雄期以后D1略大于D2但各处理间无显著差异(p<0.05)。Q1(1.05 L/h)处理低于Q2(1.38 L/h)处理5%，Q3(1.90 L/h)处理较Q2(1.38 L/h)处理低8%，Q2流量下的湿润体最适合玉米生长发育。

(2)生育期叶面积指数呈“正弦函数”变化。前期叶片增长速度较快，灌浆期达到最大，各处理叶面积指数(LAI)为4.40～4.93。D2(35 cm)埋深处理叶面积指数低于D1(25 cm)埋深4%～15%，研究表明D1埋深更益于叶片生长。在D1(25 cm)埋深下Q2(1.38 L/h)处理高于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)处理3%～16%。表明埋深25 cm流量1.38 L/h的D1Q2处理叶片发育最好。D2(35 cm)埋深下不同滴灌量各处理LAI无显著差异(p<0.05)。

(3)拔节期耗水量最大，占生育期总耗水量23%～29%，D1(25 cm)埋深各处理生育期平均耗水量较D2(35 cm)处理高7%。不同流量各处理Q2(1.38 L/h)处理生育期耗水量为366.19 mm，略小于Q1(1.05 L/h)和Q3(1.90 L/h)处理，差异不显著(p<0.05)。

(4)埋深为25 cm的各处理玉米平均产量高于埋深35cm各处理平均产量14%，滴灌带埋设深度与产量呈反比，随埋深增加，玉米产量降低。D1Q2(埋深25 cm，滴头流量1.38 L/h)产量最高达到16 000.45 kg/hm2，水分利用效率最大4.37 kg/m3，显著优于其他处理。从高产和农业水资源高效利用角度出发，西辽河平原地埋滴灌带埋设深度25 cm，滴头流量1.38 L/h为最优组合，推荐灌溉制度为全生育期灌水7次，灌溉定额175 mm。