膜下滴灌条件下土壤水势对糯玉米生长及灌溉水利用效率的影响

董娟，邢立文，崔宁博

(1.山西省生物研究所，山西 太原 030000； 2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；3.山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030000)

滴灌是现代农业灌溉中最节水的灌溉技术之一，但是,如何依据膜下滴灌技术、作物耗水特性来有针对性地制定灌溉方案仍是进一步推广该技术的难题。土壤水势指土壤水的总势能，可以衡量土壤对水的吸附力。土壤水势可以代表作物根系的吸水能力，显著地影响作物的生长。土壤水势同时包含了土壤水势和土壤溶质势的作用，只要测定土壤水势一个值即可较为准确地表示土壤对作物的可供水量，因而土壤水势在作物生长、径流、农田蒸发和灌溉计划的制定等方面是非常重要的参数。利用土壤水势制定作物灌溉计划得到各国学者的重视而并广泛研究[1-6]。有关研究表明，滴头下方20 cm深土壤中埋设真空负压计可以通过有效监测土壤水势来判断土壤水分有效供给情况(只要土壤水势低于预定的阈值就进行灌水)，用以简便地制定科学合理的作物灌水制度。这在国内多个地区的多种作物上得到了广泛应用，取得了很好的效果[7-11]。但是，基于土壤水势的糯玉米的膜下滴灌技术在盐碱地地区的研究较少，这在一定程度上影响了该技术在山西省盐碱地地区进一步推广应用。

中国糯玉米的种植面积现已发展至33.3万hm2。糯玉米胚乳中所含淀粉100%是支链淀粉,故具有较高的黏滞性、适口性、膨胀率和消化率，国内外广泛用于食品加工和畜牧饲养及黏着剂工业等领域[12]。本试验以土壤水势作为膜下滴灌的控制指标，研究灌水对甜糯玉米生长发育、鲜食产量和灌溉水利用效率的影响，以期为干旱地区广泛利用膜下滴灌技术和开发改良盐碱地提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大同市现有盐碱地57 033 hm2，盐碱化是全市农业生产的主要限制因素之一，同时也是全市农业可持续发展的巨大潜力[13]。本研究供试温室位于山西省大同市党留庄乡，地理坐标为位于东经113°30′，北纬39°56′。该处土层厚度约200 m，土壤类型主要为沙质黏土，土壤干容重为1.52 g·cm-3，田间体积持水量为37.92%。

1.2 试验方法

膜下滴灌田间试验种植作物为山西省农业科院高粱研究所培育的“甜糯182号”，生育期约80 d。本试验自2017-06-05至2017-08-25。通过真空负压计实时监测土壤水势。本试验设置5个土壤水势处理，各处理控制滴头下20 cm深处的土壤水势下限分别为-25，-20，-15，-10，-5 kPa，灌水土壤水势上限统一设置为0 kPa，即达到土壤水完全饱和状态(田间持水率)。以上各处理设置3个重复，共计15个小区，小区面积为4 m×15 m，田块之间埋设100 cm深的亚克力塑料板进行隔离，以防止各田块之间水肥渗漏[14]。糯玉米采用宽窄行相间种植，窄行距30 cm、宽行距70 cm，在窄行布置滴灌带。糯玉米株距30 cm，滴灌带间距100 cm，滴头间距30 cm。播种前施入基肥(尿素163 kg·hm-2、磷酸二胺420 kg·hm-2、硫酸钾90 kg·hm-2)，并覆盖地膜，地膜厚度8 μm。播种深度5 cm，播种密度为66 667株·hm-1。为淋洗盐碱地中过多盐分及提供足够底墒，各处理于播种首日统一灌水45 mm。糯玉米生育期内利用真空负压计控制灌溉。糯玉米六叶期后随水追施尿素[15]。

1.3 测定项目和方法

采用棋盘式取样法，即各试验小区均匀地分成许多区域，形成棋盘方格，然后将调查取样点均匀分配在试验小区的一定区域上，间距设定为90 cm。

1)各处理在滴头下20 cm深度处安装真空负压计，每日8:00，11:00，15:00，18:00分4次观测土壤水势，通过控制水表记录灌水量。

2)按生育时期测定糯玉米株高、茎粗、叶面积，收获后统计鲜食产量。

3)灌水利用效率(WUE)计算方法如下[16]：

WUE=P/I

(1)

式中：P为产量/(kg·hm-2)；I为灌水量/mm。

4)糯玉米产量、灌水利用效率预测采用二次多项式回归模型表示：

(2)

式中：y为应变量；x为自变量；aj为一次项系数；ajj为二次项系数；n为自变量数。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水势对糯玉米生长性状的影响

2.1.1 不同土壤水势对糯玉米叶面积的影响 如表1所示，在糯玉米生育期内，糯玉米叶面积在糯玉米生育期内随着时间推移增大至抽雄期后因叶片枯萎而不断减小。其中，-5～-20 kPa处理组的动态变化趋势是近似的，但-25 kPa处理组的下降幅度要较其他4个处理大很多，其最大值也远低于其他4个处理，说明在土壤水势过低对叶面积的影响是非常大的。

表1 不同土壤水势对糯玉米叶面积的影响

2.1.2 不同土壤水势对糯玉米株高的影响 如表2所示，在糯玉米生育期内，糯玉米自出苗后不断生长，至抽雄期的第20天达到株高增长的临界期，比叶面积的临界期晚21 d。不同生育时期糯玉米株高基本呈现出随土壤水势的下降而减小的规律。

表2 不同土壤水势对糯玉米株高的影响

2.1.3 不同土壤水势对糯玉米茎粗的影响 如表3所示，在糯玉米生育期内，糯玉米不断生长至抽雄期的第15天达到茎粗增长的临界期。随着糯玉米的不断生长发育，其植株不断长高。当糯玉米生长到某一临界期后，茎粗则停止增加，比叶面积的临界期约晚15 d。由表3还可以看出，不同生育时期的糯玉米茎粗基本呈现出随土壤水势的下降而减小的规律。

表3 不同土壤水势对糯玉米茎粗的影响

2.2 不同土壤水势对糯玉米鲜食产量的影响

从表4可以看出，糯玉米鲜食产量随着土壤水势的升高和总灌水量的增加而提高，土壤水势越高、生育期内总灌水量也越大。糯玉米鲜食产量也越高。糯玉米鲜食产量最高值是-5 kPa处理组，最低值是-25 kPa处理组。

表4 不同土壤水势对糯玉米鲜食产量的影响

根据二元二次回归的计算原理，以糯玉米鲜食产量为因变量(Y)，土壤水势(X)为自变量进行二元二次多项式回归拟合，得出相应的糯玉米鲜食产量模型：

Y=8 680.11-53.56X-11.88X2

(3)

式中：Y为糯玉米鲜食产量/( kg·hm-2)；X为土壤水势/kPa。

糯玉米产量预测模型的拟合度及显著性检验采用F检验，经计算F=123.13>F0.05(1,3)=10.13，P值=0.008<0.05，复相关系数R2=0.991 9。说明糯玉米鲜食产量与土壤水势的拟合程度很好，方程回归达到显著水平，可以反映土壤水势对糯玉米鲜食产量的影响。此预测模型具有较高的可靠性。

2.3 不同土壤水势对糯玉米灌溉水利用效率的影响

从表5可以看出，灌溉水利用效率与土壤水势的回归曲线为二次多项式曲线，经计算可得，当土壤水势在-10 kPa，灌溉水量为222.95 mm时灌溉水利用效率最高，为37.39 kg·mm-1·hm-2。

表5 不同土壤水势对灌溉水利用效率的影响

根据二元二次回归的计算原理，以灌溉水利用效率为因变量(Y)，土壤水势(X)为自变量进行二元二次多项式回归拟合，得出相应的灌溉水利用效率模型：

Y=33.51-0.85X-0.06X2

(4)

式中：Y为糯玉米灌溉水利用效率/(kg·mm-1·hm-2)；X为土壤水势/kPa。

糯玉米灌溉水利用效率预测模型的拟合度及显著性检验采用F检验，经计算F=110.68>F0.05(1,3)=10.13，P值=0.009<0.01，复相关系数R2=0.991 0。说明糯玉米灌溉水利用效率与土壤水势的拟合程度很好，方程回归达到极显著水平，可以反映土壤水势对糯玉米灌溉水利用效率的影响。此预测模型具有较高的可靠性。

3 结论与讨论

本研究探究了盐碱地条件下土壤水势对膜下滴灌糯玉米生长发育、耗水特性的影响。采用本研究成果可以精确制定糯玉米的灌水量和灌溉日期，克服了范雅君等[17]以Jensen模型建立的河套地区玉米膜下滴灌的灌溉制度存在灌溉水量的不能确定具体到某一天的缺点。当基质势下限控制为-10 kPa时，全生育期灌溉水量仅需要222.95 mm，节水效果提升了58.40%，此时的作物产量达到8 336.25 kg·hm-2，灌溉水利用效率为37.39 kg·mm-1·hm-2。这说明通过监测土壤水势下限可以有效指导玉米膜下滴灌生产，并可以大幅提高水分利用效率，这对于大同这样的干旱地区来说是至关重要的。

本研究通过为期1 a的田间试验数据采集，在糯玉米的不同生育时期，分析不同处理的株高、茎粗、叶面积和鲜食产量的变化规律，发现无论是糯玉米的生长指标，还是鲜食产量，基本都随着土壤水势的提高呈现先增大后减小或趋于平缓的规律；土壤水势越高，各项指标数值越大。在山西省大同市盐碱地区利用膜下滴灌技术种植作物来开发盐碱地，糯玉米鲜食产量最高的处理组为-5 kPa；糯玉米灌溉水利用效率最高的处理组为-10 kPa，此结论要略高于其他有关土壤水势下限控制水平的研究报道[18～19]。因此，在盐碱地区利用土壤水势控制灌溉，盐碱地土壤水势的控制水平要高于非盐碱地上控制水平。本研究结果表明，玉米水分利用效率随基质势控制水平的升高呈现出中间大两边小的趋势，这与杨会颖等[20]在甘肃省关于膜下滴灌种植辣椒的研究结论相同，说明过高的土壤水势下限设置会使得作物根区附近的水分过剩，降低水分利用效率；而土壤水势下限设置过低则会导致作物产量下降。冯棣等[21]的研究表明，不同作物的耗水特性和适宜灌溉下限不同，不同作物在不同气候和土壤条件下的适宜灌溉下限也不同。谭军利等[14]的研究指出，作物生长指标和产量随盐碱地利用年限增加呈增加趋势。

本研究仅有1 a的试验数据，仅以糯玉米作为研究对象，这是本研究的不足之处，在未来的研究中应予以改进。此外，对膜下滴灌条件下盐碱地土壤物理、化学、生物等土壤特性需要进行长期综合研究，本研究相关结论也需要在今后的长期试验中验证，以期为膜下滴灌技术可持续性开发利用盐碱地提供一定理论依据。