覆膜和灌水对科尔沁沙地垄沟种植玉米产量和水分利用特征的影响

2020-02-21何钊全尚雪张铜会云建英

生态环境学报 2020年1期

何钊全，尚雪，张铜会，云建英

1. 延安大学生命科学学院，陕西延安 716000；2. 中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000；3. 中国科学院奈曼沙漠化研究站，内蒙古通辽 028300

在干旱和半干旱地区，作物的年耗水量远大于总降水量，约50%的总耗水量产生于土壤表面的蒸发。农田灌溉主要来自地下水，近年来，地下水的过度利用导致区域农业水资源匮乏（Chauhan et al.，2008）。玉米作为世界第三重要的谷类粮食作物，整个生长季节的总需水量为500—800 mm（肖俊夫等，2008）。农业水资源不足会影响玉米生长，降低产量（申丽霞等，2012；Gan et al.，2012）。因此，诸多农业高效节水增产措施和技术被频繁使用和推广。比如，相比充分灌溉，在玉米关键生育阶段，采用雨养、补充灌溉和控制灌溉可以提高产量和水分利用效率（Igbadun et al.，2008；Li et al.，2016）。此外，喷灌、滴灌等灌水技术的使用越来越频繁。其中，滴灌能够降低土壤表面蒸发和灌溉频率（White et al.，2004），使得灌溉效率提高 90%（Tiwari et al.，2003）。浅埋滴灌能够更有效地分配水分（Payero et al.，2006）。同时，地表覆盖种植模式也能够提高降水利用率，保护土壤水分，增加作物产量（Ghosh et al.，2006），覆盖类型主要有平地覆膜、垄面覆膜、垄沟交替覆膜等（李兴等，2010；Gu et al.，2016）。

一直以来，通过不同农业节水技术阐述玉米产量-水分关系是确定干旱区作物灌溉制度的必要条件和研究重点（Pandey et al.，2000）。比如，张建军等（2018）通过研究覆膜时期对陇东旱地春玉米农田土壤耗水特征表明，秋季覆膜（休闲期覆膜）较不覆膜显著降低土壤耗水量47.20—55.70 mm。李建查等（2019）研究得出，相比不覆膜滴灌，膜下充分灌溉和膜下控水灌溉分别节水26%、44%，灌溉水利用率依次提高0.65、1.43 kg·m-3，均充分说明了覆膜种植模式的显著节水效应。王晓凌等（2009）发现，相比行距60 cm的裸地平作玉米，高密度（每条沟种3行玉米）、60 cm垄宽的垄沟覆膜集雨种植的玉米产量和水分利用效率最高，依次达到 3582.90 kg·hm-2、21.10 kg·hm-2·mm-1，而且耗水量减少了4.61%，充分证实了垄沟种植模式的低水高产作用。但是，大多数学者的研究仅关注于单一农业节水技术的节水增产效应，关于在垄沟种植条件下的覆膜耦合滴灌及灌水水平等多因素的研究较少。

耗水量为衡量作物水分利用特征的有效指标。研究作物耗水量对不同节水种植模式的响应特征具有显著的现实意义。农田灌溉玉米是内蒙古东南部半干旱地区科尔沁沙地的主要一年生作物，农田灌溉严重依赖地下水。在玉米生长季，由于灌溉方式不当，土壤蒸发通常占作物蒸发总量的 22%—30%（Wang et al.，2015）。过量或不足灌溉对玉米产量和水分利用效率均有显著的负面影响。因此，本文通过综合分析覆膜和灌水对垄沟滴灌种植农田灌溉玉米的影响，（1）明确不同垄沟种植模式和灌水水平下农田玉米的产量、耗水量、水分利用效率及净经济效益大小；（2）确定以高产量、高水分利用效率和高经济效益为目标的最优节水种植模式，以期缓解该地区地下水资源过度利用状况，同时为区域农田作物的合理灌溉制度确定和经济效益评价措施提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

从2018年的4—9月在中国科学院奈曼沙漠化研究站进行田间试验（42°58′N，120°43′E；见图 1）。奈曼旗位于科尔沁沙地西南方向，属于荒漠化地区，大陆性半干旱季风气候。试验区土壤质地为沙质土壤，年平均降雨量360 mm（玉米生长季约为260 mm），年平均蒸发约1950 mm，年平均气温6.4 ℃，最低气温在 1月（-13.5 ℃），最高气温在 7月（23.8 ℃）。此外，年均风速 3.2—4.1 m·s-1。0—30 cm的土壤深度的土壤有机碳含量、pH值和电导率分别为 2.48 g·kg-1、7.85、62.73 μS·cm-1。田间持水量 12.77%，凋萎含水量 5.40%，饱和导水率 0.93 mm·min-1。试验地基础肥力状况如表 1所示，数据来自中国科学院奈曼沙漠化研究站农田气象观测站。

图1 试验区位置示意图Fig. 1 The schematic diagram of the experimental site

试验设计11个处理，每个处理重复4次，共44个小区。试验样地按照裂区设计区组排列。每小区长12 m，宽3 m，总面积为36 m2。具体处理设计如下，（1）垄沟全覆膜雨养（QF）：小区的垄和沟均进行覆膜，同时在玉米播种后供水（38 mm，不含降雨量），以保证正常出苗，其他生育阶段不进行灌水；（2）膜下滴灌（SMD、MMD和LMD）：在小区的垄面上连续覆盖薄膜，垄面薄膜下铺设滴灌带，同时在玉米的整个生育期分别灌水（灌溉+降水）650、500、400 mm；（3）浅埋滴灌（SDD、MDD、LDD）：小区的垄和沟均不进行覆膜，垄面铺设滴灌带，滴灌带上覆土5 cm，同时在玉米的整个生育期分别灌水 650、500、400 mm；（4）传统平作漫灌（SGG、MGG、LGG）：在常规平地上种植玉米，不起垄，不覆膜，同时在玉米的整个生育期分别灌水 650、500、400 mm。对照为当地的平作漫灌（NM），同时在玉米全生育期内充分灌水（实际灌水量显著超过玉米需水量）。实测得，当地平作充分漫灌种植玉米的灌水量（不含降雨量）为：4月29日157.5 mm，6月30日105 mm，7月13日116 mm，7月23日84 mm，8月17日105 mm，9月3日121 mm，合计687 mm。

垄沟全覆膜雨养处理（图2），垄宽50 cm，垄高35 cm，沟宽30 cm，每个小区布设3个垄，4个沟，垄沟比为50∶30（垄宽50 cm，沟宽30 cm）。在种植前一周，用土壤堆积起垄，犁沟作为种植区域。覆盖材料为透明黑色聚乙烯薄膜条状，宽1 m，厚0.008 mm，紧靠着垄和沟槽表面连续铺设，保证连续两层塑料膜边缘重叠20 cm。玉米采用播种机播种。所有小区相距100 cm。膜下滴灌和浅埋滴灌，垄宽80 cm，垄高35 cm，沟宽40 cm，每个小区布设2个垄和3个沟，垄沟比为80∶40。垄面为种植区域。每个垄面上种植两行玉米，植株间距为22 cm。其中，膜下滴灌处理，将宽1 m、厚0.008 mm的塑料膜条紧紧贴在垄面，黑色聚乙烯滴灌带埋于地膜下。浅埋滴灌处理，垄面不覆膜，黑色聚乙烯滴灌带埋于垄面土层下5 cm处。滴灌带铺设在垄面的宽度方向的中间，滴灌管道上的滴水孔的间距为0.15 m，出水率为1 L·h-1。滴头采用压力补偿，调节流量，在变压力、变坡度等条件下提供恒定流量，实现均匀用水。试验采用流量计连续测定灌溉量，供水压力为0.20 MPa。传统平作漫灌处理不采用节水灌溉技术，株距22 cm，行距60 cm。试验田由西向东的坡度为0.50%。供试品种为京科958号（籽粒玉米）。播种前一周左右进行试验田耕作，4月26日，在5 cm的土层深度进行种植。为了减少处理间的水分流动，小区之间设定了1 m的间距，试验田周边设置4 m宽的缓冲区域，避免边缘效应。所有处理的播种密度均为60000 plant·hm-2。5月7日开始出苗，9月11日收获。玉米生育期为从出苗到收获的时期。2018年收获后，人工回收试验田的残留地膜，防止污染环境。

表1 试验地土壤养分、微量矿质元素全量及重金属元素状况Table 1 The soil nutrients, trace mineral elements and the heavy metal elements in the experimental site

试验中，玉米的生育阶段划分为播种期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期。根据玉米各生育期需水量的大小，出苗-拔节期、拔节-抽穗期、抽穗-灌浆期、灌浆-成熟期的灌水量依次为全生育期总灌水量的15%、35%、22%、28%（肖俊夫等，2008）。灌溉次数、每一次灌溉量以及灌溉间隔时间设定均是在达到预先设定的玉米每个生育阶段的供水量（灌溉+降雨）的原则下，根据降雨时间和降雨量大小进行雨后灌溉。灌溉在无风或者小风（＜1.5 m·s-1）的情况下进行。降水量用标准雨量计测量。具体的实际灌溉制度见表2。

玉米种植前，测定试验样地土壤养分含量得到，土层 0—100 cm 内 N∶P∶K 为 3∶4∶11（表 1）。玉米整个生育期内对大量营养元素的需求比例（N∶P∶K）为 1∶0.48∶0.80，种植前试验样地不同土壤营养元素比例不均衡，不能满足玉米的肥料需求。因此，以当地习惯施肥为依据，将375 kg·hm-2剂量的（每小区1.35 kg）磷酸二铵（N-P2O5-K2O，18-46-0）基底肥料均匀地分散在表层土，实现养分平衡供应，满足作物的需求；为了避免肥料在土壤表面的损失，在肥料表面覆盖土层，也能确保玉米的充分吸收。整个生育期内不进行农药、杀虫剂等的使用，防止影响试验结果。

1.2 主要指标测定

1.2.1 产量组分及产量

玉米收获后，测定每个小区产量。在灌浆期和成熟期，分别进行产量组分的测定，测产指标：穗长（cm）、穗粗（mm）、穗粒数等指标。

穗长：用直尺（1 mm）测量。

穗粗：用数显游标卡尺（0.01 mm）测定。

1.2.2 耗水特性指标

试验区设有农田气象观测站，在作物生育期内对气温、降雨量、风速、相对湿度、气压及风向等气象要素进行了观测。

图2 试验样地剖面图Fig. 2 Profile of the experiment site

（1）实际耗水量采用农田水量平衡方程（龚元石等，1996）：

式中，ETc为作物耗水量或者作物蒸散量；P为作物生育期场内降雨量；I为灌溉量；G为作物生育阶段地下水的补给量；D为深层渗漏量；R为灌溉和降雨的地面径流损失量；ΔW 为作物收获时与播种时土壤储水量之差，单位均为mm。考虑到地下水位较深，以及土壤水分变化显示没有渗漏量，因此，G=0且D=0；试验中未观测到灌溉和降雨的地面径流损失量，因此R忽略不计。

（2）土壤贮水变化量（邓振镛等，2010）：各生育期土壤贮水变化量根据各试验处理的土壤含水率值计算，公式为：

表2 玉米整个生育期的实际灌溉制度（4—9月）Table 2 The actual irrigation regimes across the entire growing season (April-September 2017) mm

式中，θi为相应时段初始土壤含水率，%；θj为相应时段末土壤含水率，%；γ为土壤容，cm3·g-1；h为计划湿润层深度，mm。

（3）参考作物蒸散量（樊军等，2008），计算公式为：

式中，ET0为参考作物蒸散发量，mm·d-1；n为第i旬的天数，d；△为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；Rn为太阳净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；r为干湿常数，kPa/℃；t为 2 m高度处气温，℃；U2为2 m高度处风速，m·s-1；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。

（4）水分利用率指作物消耗单位水量的产出，其值等于作物产量与作物净耗水量之比值。作物水分生产率采用下式计算：

式中，Y为玉米产量，kg；ET为全生育期实际耗水量，mm。

式中，NP为净经济效益，yuan·hm-2；TR为总收入，yuan·hm-2；TC 为总投入，yuan·hm-2。总收入=收获经济产量×当地平均价格。当地平均价格按收获当日市场价格1.70 yuan·kg-1计；总成本包括试验过程中的各项资金投入。

1.3 数据整理和统计方法

不同节水种植模式对玉米的影响中，所有的图采用Origin 8.0绘制。所有的表格采用Excel 2010进行绘制。利用彭曼公式计算玉米的参考作物蒸散量。采用多因素方差分析影响玉米产量和水分利用率的主要因素。采用SPSS 20.0进行方差分析、相关分析以及回归分析，显著性检验采用LSD法。利用定额对比方法对比不同节水种植模式的投入产出。投入产出的数据包括水费、人工费和固定收入等，并且采用SPSS 20.0进行净收入在不同处理间的方差分析。

2 结果分析与讨论

2.1 玉米耗水量

整个生育期内，玉米的 ET0为 501 mm，降雨量为261 mm（图3）。在玉米全生育期内，ET0的平均值为3.61 mm·d-1，随着月份的递进呈现出明显的季节性变化特征。4月较小，后逐渐增大，在7月达到较高值，8月后，随着太阳辐射强度的减弱和气温的降低，ET0平均值减小为 2.74 mm·d-1。7—8月，受降雨的影响，出现较多的低值。由图4可知，整体来看，各个种植模式的玉米的ETc、kc以及I均随着灌水量的增加而增加。QF处理的玉米的总 ETc和 kc最小，分别为 290 mm、0.58，并且和其他种植模式之间差异显著（P＜0.05）。相反，最大的总 ETc和 kc均出现在NM处理中，这可能是因为当地的灌水种植模式在玉米的全生育期内能够提供充分，甚至过多的土壤水分。同时，玉米的I达到了6.83 mm·d-1，极显著高于本试验中的几种种植模式（P＜0.01）。该结果（NM 处理的总 ETc）显著高于Istanbulluoglu et al.（2002）的研究结果，他认为玉米在充分灌溉下的 ETc为 586 mm。这表明垄沟种植模式对于限制作物水分蒸发有着显著的作用。但是，Dagdelen et al.（2009）研究发现，灌溉玉米的 ETc为 174 mm，显著低于该研究中的 QF的玉米的 ETc，该试验结果的差异很可能与地域差异、玉米品种及灌水种植模式等因素有关。另外，MD和DD的玉米的ETc的变化范围为407—580 mm，和Oktem et al.（2003）的滴灌种植玉米的ETc相比，降低率的范围为46.17%—49.32%，充分证实了垄沟种植模式和浅埋滴灌具有很好的蓄水能力。整体来看，不同种植模式下玉米的ETc的变化范围为290—614 mm。

图3 玉米全生育期内降雨量（Pr）分布和参考作物蒸散量（ET0）变化Fig. 3 Variations of precipitation (Pr）and daily reference crop evapotranspiration (ET0）during the entire growing season of maize

图4 不同处理的玉米在整个生育期的耗水特性Fig. 4 Changes of water consumption characteristics of maize among different treatments during the entire growing season

2.2 玉米水分利用效率

作物水分利用效率一般确定为经济产量与季节性作物蒸散量之比。QF的玉米获得了最大WUE，为 6.33 kg·m-3，极显著高于 Ko et al.（2009）和该试验中其他节水种植模式的研究结果。其中 Ko et al.（2009）研究得出，当玉米在456 mm的灌水水平时，能够获得的 WUE的范围为 1.60—2.00 kg·m-3。因此，可以说明，QF处理能够在维持甚至增加玉米产量的同时最大程度地提高 WUE。其次为400 mm灌水水平下的DD处理，该种植模式下，WUE为4.72 kg·m-3，相比DD处理在360 mm灌水水平下的WUE，增大了33.33%。总而言之，在QF、MD、DD、GG以及NM处理中，玉米的WUE在不同灌水水平下的大小次序为 300 mm＞400 mm＞500 mm＞650 mm＞948 mm，这一结果与前人的研究结果不太一致。他们研究认为，玉米的 WUE随着灌水水量的减少而降低，而且不同的灌水水平的WUE间没有显著的差异（Gheysari et al.，2015），这可能与玉米的种植模式以及不同地域的气象因素间的差异有关。综上所述，本结果表明，在垄沟全覆膜雨养、膜下滴灌、浅埋滴灌、传统平作漫灌以及当地的平作充分漫灌种植模式下，ETc、WUE的变化范围依次为 292—632 mm、2.89—6.33 kg·m-3。Koksal et al.（1998）研究也发现当玉米的ETc范围为631—723 mm，WUE的变化范围为1.38—1.80 kg·m-3，这充分说明了在本研究节水种植模式下，WUE显著被提高（图5）。

2.3 灌水量和产量组分的关系

由图6可知，Ai和产量组分之间的关系为二次曲线。Moosavi（2012）研究发现，在灌水范围 0—400 mm内，Ai的减少会导致玉米的穗粗和穗长的减小。本研究中，玉米的穗长、穗粗、穗粒数和产量的最大值均出现在300—400 mm灌水范围内，当Ai高于400 mm，产量组分就会随着Ai的增大而变小，这和表3的结果相一致，表明ETc和产量组分之间的相关系数为负值。因此，过多的Ai并不能增加玉米的产量，并且玉米的产量组分，即，穗长、穗粗、穗重、穗粒数等指标在0—100 mm灌水范围内的大小明显高于其在600—700 mm的灌水范围。玉米的产量会随着穗粒数的增多而极显著增大。同时发现，产量和Ai之间存在着非线性的关系，这和Cetin et al.（2002）、Farré et al.（2009）的研究结果一致。当然，也有研究表明，产量和Ai之间存在着极为紧密的线性关系（Irmak et al.，2000；Payero et al.，2006），导致这种结果差异性的原因可能是产量和灌水之间的关系会随着季节和地域的变化而变化。

2.4 灌水量和耗水量、水分利用率的关系

图5 不同处理的水分利用率（WUE）Fig. 5 Water use efficiency (WUE) of the different treatments

由表4可知，灌水水平显著地影响ETc、kc和I。ETc、kc以及 I和 Ai之间呈现极显著的线性关系（R2≥0.95）。同时，kc、I也和 Ai呈现线性正相关关系，R2≥0.98。因此，ETc、kc以及 I的增加值和 Ai的增量有着极其紧密的关系。ETc、kc以及I在不同灌水水平下的大小次序为 948 mm＞650 mm＞500 mm＞400 mm＞300 mm。其中，在300 mm灌水水平下，ETc和kc依次为292 mm、0.58，极显著低于在其他灌水水平下的（P＜0.01）。Kiziloglu et al.（2009）研究表明，kc在玉米的全生育期内的变化范围为1.01—1.10，和本结果相近，即在360 mm的灌水水平下，kc的变化范围为1.15—1.22。这充分说明，在360 mm的灌水水平以上，灌水越多，kc越大（图7）。

图6 灌水量（Ai）与产量组分及产量之间的关系Fig. 6 Relationships between irrigation (Ai) and yield factors, yield

表3 玉米的耗水特性、产量组分以及水分利用率之间的相关性Table 3 Correlations among water consumption characteristics, yield factors and WUE of maize

表4 节水种植模式和灌水水平对玉米耗水特性的影响Table 4 Effects of water-saving planting pattern and irrigation level on the water consumption characteristics of maize

分析表5可知，灌水水平显著影响WUE的大小，并且和Ai存在着紧密的线性关系。分析图8可知，WUE随着灌水水平的提高而降低，同时从表1可知，ETc和WUE之间存在着显著的负相关关系，因此，WUE在不同灌水水平下的大小次序为 300 mm＞400 mm＞500 mm＞650 mm＞948 mm。

2.6 投入产出分析

图7 灌水量（Ai）、耗水量（ETc）与作物系数（kc）和耗水强度（I）的关系Fig. 7 Relationships between irrigation (Ai), water consumption (ETc ) and crop coefficient (kc), water consumption intensity (I)

表5 垄沟种植模式和灌水水平对玉米产量、水分利用率的影响Table 5 Effects of furrow planting pattern and irrigation level on the yield and WUE of maize

图8 灌水量（Ai）与水分利用率（WUE）的关系Fig. 8 Relationships between irrigation (Ai) and water use efficiency (WUE)

MD处理在400—650 mm灌水范围下，平均总投入为11020.04 yuan·hm-2，为所有节水种植模式中投入最多的（表6）。其中，相比NM，投入增多了 3.21%，差别不明显。从净收入的角度看，QF处理的玉米的净收入能够达到 20874.69 yuan·hm-2，投入产出比为2.01，该覆盖模式的净收入相比 NM，增大了4.89%。而薛晶等（2013）研究发现，甘蔗在垄沟全覆膜种植模式下，相比无覆盖，能够增加的净经济效益仅为 7290.00 yuan·hm-2，明显低于QF处理。DD的平均净收入为23207.69 yuan·hm-2，显著高于其他节水种植模式，投入产出比为1.94。同时发现，GG的净收入仅为18930.01 yuan·hm-2，显著低于其他垄沟种植模式。这说明在各个节水种植模式下，DD的玉米的净收入最大，其次为QF和MD，而GG的净收入最低。解文艳等（2014）研究发现，秸秆覆盖、地膜覆盖的玉米的净经济效益分别为 12156.10、11965.90 yuan·hm-2，传统平作无覆盖的玉米的净经济效益为11453.00 yuan·hm-2，均不及本研究中不同种植模式下的净经济效益大小。王桂荣（2017）通过对玉米采用微灌水肥一体化技术种植模式后，经济效益可以达到 8412.18 yuan·hm-2。郭富强等（2017）研究表明，膜下滴灌能够增加收入 3825 yuan·hm-2，投入产出比为0.56，远远低于本研究中的不同节水种植模式的，这可能与玉米种植密度、品种以及灌水量大小有关。

此外，值得注意的是，在玉米成熟采收之后，为了防止玉米秸秆焚烧引发环境污染等问题，在当年秋季进行秸秆翻耕还田，作为返田有机肥使用。秸秆翻耕还田能够增加作物生长期间土壤含水量，增加土壤微生物（主要有细菌、真菌、放线菌等）数量，提高土壤有机质和养分含量，改善沙地土壤理化性质，提高土壤肥力和作物产量（Sadaf et al.，2017；陆宁海等，2018；Wang et al.，2020）。秸秆还田的持续时间越长，对土壤理化性状的改善作用越明显（宋大利等，2018）。另外，秸秆还田能够促进土壤腐殖物质的形成，有利于土壤大团聚体的形成，提高各粒级团聚体内的有机碳含量，固碳效应显著（李艳等，2019），具有重要的生态价值，是农业绿色发展和农田减肥增效的有效措施。另外，本文仅采用投入产出法计算了玉米在不同节水种植模式下的产量净经济效益，在以后的进一步研究中需要核算关于玉米秸秆循环利用方式和价值方面的经济效益，以期为区域生态节水农业可持续发展提供全面的理论依据。