灌水量和盐度对玉米产量和水分利用效率的影响

刘 凯,葛 鹏

(苏家屯区农业技术推广与行政执法中心,辽宁 沈阳 110101)

随着农业生产量的增加农业用水量也不断增加。然而，可用于农业生产的淡水在持续减少[1]。淡水的缺乏限制了干旱地区农业的可持续发展[2]。与此同时，灌溉水的水质也在发生着恶化。亏缺灌溉和咸水灌溉在农业生产中普遍被用来克服干旱和维持作物产量[3]。玉米是世界上消耗最广泛的作物之一，其生长在广泛的气候带，大多是在灌溉条件下生长[4]。很多研究表明灌溉水的盐度达到4～8 dS/m可用于玉米生长，且水的盐度阈值应根据土壤和气候条件进行相应的调整[4]。作物产量是利用咸水灌溉考虑的重要因素之一[5]。一般来说，超过耐受限度后，产量会随着土壤盐分的增加而近似线性下降。在干旱和半干旱地区，缺水和水质恶化经常同时发生并相互影响。关于咸水灌溉或亏缺灌溉对玉米的影响，已经进行了许多研究。但关于咸水灌溉和亏缺灌溉对玉米耗水和产量的交互作用的影响仍然较少。本文的研究目的为：(1)量化不同灌水量和不同水盐条件下玉米的产量；(2)评价不同灌水量和水盐条件下玉米的水分生产率。

1 研究方法

1.1 试验设计

本试验于2017—2019年在农业试验站进行。试验区年日照时数超过2700 h，年平均降水量约为510 mm。2017年、2018年和2019年的蒸散量分别为412 mm、383 mm和318 mm。本文采用365 mm的灌水量作为控制灌溉水平的参考值。采用3种水平的水盐度进行灌溉：0.65 dS/m(N1)、3.20 dS/m(N2)和6.10 dS/m(N3)，以及3种水平的灌水量：375 mm(M1)、300 mm(M2)和221 mm(M3)。试验共进行9个灌溉处理。根据研究区耕作习惯，灌溉分4次进行，分别为分蘖～拔节、拔节～抽雄、抽雄～灌浆和灌浆～成熟期。详细的灌溉处理见表1。

表1 不同处理的灌溉方式

每组试验进行3次重复，设置27个小型地块。地块尺寸为3 m×3 m。在地块周围放置0.3 m高的围板，以尽量减少水量的水平运动。盐度为0.65 dS/m、3.20 dS/m和6.10 dS/m的水通过将氯化钠、硫酸镁和硫酸钙(质量比为2∶2∶1)溶解在淡水中人工制备而成。作物行距为15 cm。作物种植前的施肥量为461.2 kg/hm2NH4H2PO4、295 kg/hm2CO(NH2)2、65 kg/hm2K和34 kg/hm2Zn。

1.2 蒸散发计算

实际蒸散发ETa采用式(1)水量平衡方程计算：

ETa+R+D=P0+I+SMD

(1)

式中：ETa为作物蒸散发量，mm；SMD为玉米生育期土壤深度内的实测土壤耗水量，mm；R为地表径流量，mm；D为地下水流量，mm；P0为玉米生育期的总有效降雨量，≥2.5 mm，2017年、2018年和2019年分别为27.8 mm、25.4 mm和50.0 mm；I为灌水量，mm。土壤耗水量(SMD)是指0～120 cm土壤剖面从播种到成熟期土壤含水量的变化，土壤水分消耗时为正值，补给时为负值。地表径流(R)假定为零，灌溉水由30 cm 高的围栏保护。

1.3 生产力指数

水分利用效率WUE计算方法如式(2)所示：

(2)

灌溉水利用效率IWUE计算方法如式(3)所示：

(3)

式中：Y为作物产量，kg/hm2。

2 结果分析

2.1 玉米产量

表2给出了每种处理的玉米产量，可以看出：玉米产量在2017年为5246～7432 kg/hm2，2018年为6402～7223 kg/hm2，2019年为 5633～7140 kg/hm2。在3年内通过充足的淡水灌溉(M1N1)获得的产量最大,M3N3在2017年和2018年的产量最低，M1N3在2019年的产量最低。表3中的方差分析结果表明，灌溉水量和盐分对产量的交互影响在统计学上不显著(p>0.05)。2017年和2018年，盐度对产量的影响并不显著。N1和N2、N2和N3、N1和N3之间的产量差异显著。灌水量对玉米产量的影响在2017年和2019年显著(p<0.05)，但在2018年不显著(p<0.05)。2017年，在淡水和咸水灌溉下，玉米产量因水量减少而下降。这种减少仅在M3显著。M1和M2之间的产率差异被限制在7.0%以内。2018年，在淡水灌溉条件下，充分灌溉获得的产量最高，尽管M1N1、M2N1和M3N1三种水分处理之间的差异不显著。但在咸水灌溉条件下，产量表现为M2>M1>M3，M1N2和M1N3的玉米产量分别比M2N2和M2N3低2.9%和6.8%。表明第二年咸水灌溉开始影响玉米产量对水位的响应规律。2019年，淡水灌溉玉米产量保持M1N1>M2N1>M3N1的顺序。然而，N2和N3的最高产量是通过M2处理获得的。与M2N2和M2N3相比，M1N2和M1N3的产量分别降低了6.7%和11.1%。此外，在相同盐度水平下，咸水灌溉M1的产量低于M3，其与2018年的结果不同。M1N2和M1N3的产量都在6.5%左右，低于M3N2和M3N3。结果表明，在咸水灌溉条件下，充足的供水不是获得最高产量的必要条件。水的盐度越高，获得最高产量所需的水就越少。

表2 2017年、2018年和2019年每种处理的玉米产量

2.2 水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)

各处理的水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)见表4。由表4可知，水分利用效率变化范围为1.19～1.64 kg/m3。由表3方差分析结果，M2处理在相同盐度水平下具有最高的WUE值，3种水处理间的差异不显著。2018年，灌水量对WUE的影响显著(p<0.05)，而3种水分处理之间的差异仍然不显著(p>0.05)。N1和N2的最高WUE值1.64 kg/m3均通过M3处理获得，而N3的WUE值1.63 kg/m3通过M2处理获得。表明当用盐水灌溉时，WUE通过适当减少水量而增加。与M1N2和M1N3相比，M2N2和M2N3灌溉水量减少20.0%，但产量分别增加3.0%和7.3%，WUE分别增加21.4%和28.8%。2019年，玉米的WUE受灌水量和水矿化度的影响显著。在相同盐度水平下，WUE大小为M3>M2>M1的顺序，而在水位M1和M2，WUE大小为N1 > N2 > N3的顺序。M3N2处理的最高WUE值为 1.56 kg/m3。M2N2和M2N3比M1N2和M1N3分别高出22.3%和22.2%，产量分别高出6.7%和11.1%。与M2N2和M2N3相比，M3N2和M3N3的WUE产量较高。当水的盐度为3.20 dS/m和6.10 dS/m时，295 mm的水量有利于提高玉米产量和WUE。IWUE(1.50～3.16 kg/m3)高于WUE(1.05～1.64 kg/m3)。2017年,灌水量对IWUE的影响显著，与WUE不同。在相同的盐度水平下，2017年IWUEM2和M3之间的差异不显著，M3和M2的减产程度和减水程度大致相当。2018年和2019年，随着灌水量的减少，IWUE在相同盐度水平下显著增加，M1、M2和M3之间的差异显著。应用咸水灌溉时，M2的产量高于M1，但M3的产量在2018年仅比M1低3.0%，2019年比M1高。可以看出，即使在咸水灌溉条件下，通过减少灌水量，IWUE也显著增加。盐度对WUE和IWUE的影响在2019年才显著(p<0.05)。N3中的WUE和IWUE明显少于N1和N2，然而，在N1和N2之间没有观察到显著差异。因此，盐度3.20 dS/m对WUE和IWUE的影响不明显，但盐度6.10 dS/m可降低IWUE。与N1相比，在水位M1、M2和M3时，N3的IWUE减少了21.1%、10.2%和10.7%。方差分析结果表明，灌溉水量和盐度对WUE和IWUE的交互影响在3年内都没有统计学意义。

表3 水的盐度、灌水量、水的盐度×灌水量对玉米产量、水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)影响的F检验及显著性分析

表4 各处理的水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE) kg·m-3

3 结 论

本文以田间试验为基础，研究了3个灌水量和3个盐度水平下玉米的生产力和耗水量，研究结果表明：灌水量的影响在研究的3年内占主导地位；玉米产量对灌水量的响应不同于对耗水量的响应。当使用淡水时，产量与灌水量成正比。2017年咸水灌溉对产量的影响不明显；随着土壤盐分的增加,2018年和2019年，咸水灌溉下的最高产量与最大灌水量不一致；WUE在2018年和2019年以及IWUE在2017年、2018年和2019年通过减少灌水量得到了提高，但是WUE在2017年不同灌水量处理之间的差异不明显，适当的淡水亏缺灌溉有助于改善WUE和IWUE。与淡水灌溉相比，3.20 dS/m盐度下的产量和WUE分别下降了8.0%和12.0%，降幅不显著。可以得出结论，水的盐度3.20 dS/m对玉米产量和水分生产率没有显著影响。