渗灌对玉米生长指标及产量的影响

2020-12-28赵经华杨庭瑞周和平胡建强

甘肃农业大学学报 2020年6期

赵经华，杨庭瑞，周和平，胡建强

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆水利管理总站,新疆乌鲁木齐 830000)

新疆农业增产增效和节水灌溉的发展依靠着膜下滴灌技术，但由于近年来新疆膜下滴灌的大面积应用，土壤中地膜残留量达到24%左右，比全国农田残膜量高出4倍以上[1-3].渗灌(俗称地下滴灌)作为一种新型的农田节水灌溉技术，在低能耗、高效益的同时可以有效解决膜下滴灌带来的污染问题.因此探明适宜的渗灌灌溉制度及农业技术措施是推广渗灌技术的关键.膜下滴灌使用后的残膜阻碍土壤空隙的连续性，增加土壤水分运移的阻力，水分渗透量随残膜的增加而减少，土壤含水率随之下降[4-5].残膜负效应持续16 a会抵消地膜覆盖36 a增温保墒使作物增加的全部产量[6].虽然膜下滴灌可以减少表层土壤蒸散量，抑制杂草的生长，提升地温，促进植物成熟，提高作物产量[7-10].但地膜覆盖会带来大量白色污染，给土壤结构、生态环境、作物生长、作物产量等造成严重影响[11]，而渗灌可以有效解决膜下滴灌带来的白色污染.渗灌主要利用毛细管作用浸润土壤，水分运移方向与形式明显不同于其他灌溉方式[12].土壤表层水分蒸散量少，深层水分贮存多，有较好的节水保墒性能，土壤储存水分可满足作物生长需求，形成土壤水资源储存、调蓄的空间[13-14].渗灌为实现节水增效、节能降耗、根除地膜、农田生态可持续提供了条件.

渗灌在20世纪末进行了大量研究，经过研究认识到了渗灌管道埋于地下易堵塞等问题，并且阻碍了渗灌在之后的研究进展.近年来，渗灌灌水器的抗阻塞性能大幅提升，保证了本研究的灌水管材运行稳定.因此本研究运用渗灌的渗墒灌溉水分特征，利用正交试验设计.研究渗灌多因素组合下对玉米生长指标和产量的影响，探明了渗灌与膜下滴灌间玉米的生长差异，寻求渗灌玉米适宜的农业技术措施和灌溉制度，对提高玉米产量以及渗灌玉米的研究有重要意义，并且为实际生产实践提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试区位于新疆维吾尔自治区水利厅灌溉中心试验站，处于天山北坡冲积、洪积平原南缘区；地理位置为E 87°18′、N 44°01′，海拔高度557～600 m，代表准格尔盆地南缘区天山北坡洪积、冲积平原地区土壤、灌溉及地理环境特征.年均降水181.7 mm，年均蒸发1 739.1 mm，年均每日日照7.8 h，年均气温13.1 ℃.试区土壤质地为中壤土，0～120 cm土层土壤容重1.47 g/cm3，耕作层1.38 g/cm3，0～120 cm土层田间持水量18%～24%，耕作层20%～23%；农田灌溉水利设施配套情况良好,具备常规观测仪器设备.气象数据见表1.

1.2 试验设计

本试验在2019年进行，玉米品种为‘华西146’，采用宽窄行种植(40 cm+60 cm+40 cm).渗灌试验采用内镶式滴灌带，满足渗灌灌水使用，管道行距70 cm，埋深15～30 cm，灌水器间距30 cm，渗流量2.8 L/h，玉米株距25 cm.膜下滴灌采用当地常用的迷宫式滴灌带，毛管间距1 m，滴头间距20 cm，玉米株距25 cm，滴头流量2.8 L/h.

4月15日播种，4月16日灌出苗水，作物播种量、栽培方式、施肥(药)种类数量等农业技术，均按当地大田作物生产管理.在6月多次喷施甲氨基阿维菌素苯甲酸盐、高效氯氟氰菊酯除病虫害.

作物生长受到作物品种本身及田间管理等多方因素的影响，本试验考虑多种因素，且因素水平数多于2个；当每个因素每个水平互相搭配进行全面试验，试验处理过多，不便于试验的操作，因此利用正交试验设计可以科学的安排与分析多因素试验，且可大大减少试验处理，可以反映与全面试验相近的结论.故试验采用正交试验设计，选择播种深度、渗灌埋深、灌水定额、灌水次数4因素，每个因素3个水平，设常规膜下滴灌CK作为对照，每组3个重复，采用正交表L9(34)试验设计.渗灌试验正交设计见表2，田间灌水处理见表3.

表1 2019年试验站基本气象资料Table 1 Basic meteorological data of the test station in 2019

表2 渗灌试验正交设计

表3 2019年玉米田间灌水处理

1.3 测定指标

试验测定指标包括株高、叶面积指数(LAI)、叶绿素含量、产量(单位面积穗数、每穗粒数、千粒质量)、具体测量方法如下：

株高，叶面积指数(LAI)：株高采用卷尺测量(0.1 cm)，每个小区取3株，在各生育期对玉米株高进行测量，取均值.叶面积指数通过对叶片长和最大叶片宽的测量以及玉米占地面积的统计得出；每次各小区采集植株样品3株，用卷尺测量玉米植株叶片的长和宽，玉米叶面积计算使用长宽系数法，经验系数为0.75[15].计算见下公式.

玉米叶面积=玉米叶长×玉米叶宽×0.75

LAI=玉米的叶面积/单位玉米的占地面积

叶绿素含量：在各试验处理小区内取3株，在所选的每株玉米上选取生长均匀的3片叶片，使用SPAD-502Plus便携式叶绿素指数仪在叶片上中下位置分别测量叶绿素含量并取均值.

产量测定在每个小区取15株玉米进行考种测量，主要测量每株穗数、每穗粒数、千粒质量，分别数穗、脱粒和数粒，将籽粒烘干后称质量，计算小区籽粒产量，根据小区面积折算为公顷产量.同时，对每个处理小区实打实收并与考种产量结果对比使用.

1.4 研究方法

分析正交试验结果，试验采用直观分析法(又称极差分析法).经由试验成果分析获得试验因素影响因素主次及较优方案.

本试验主要考虑不同因素对玉米产量的影响，正交试验设计方案及其实施过程中特别注意：考虑试验系统和操作可能产生的误差，试验处理小区采取随机区组排列；严格按照试验方案实施，确保正交试验设计的特点及试验结果准确性.直观分析法(极差分析法)方法如下：

ki=Ki/s

式中，Ki为任意列上水平号为i所对应的试验结果之和；ki为任意列上因素取水平i时所得试验结果的算术平均值；s为任意一列上各个水平出现的次数，本次试验取3.

R=max{K1，K2，K3}—min{K1，K2，K3}

或R=max{k1，k2，k3}—min{k1，k2，k3}

式中，R为极差，本试验极差采用R=max{k1，k2，k3}—min{k1，k2，k3}.

各列极差不完全相同，表明各试验因素水平对试验结果影响有不同表现，极差越大，表示该因素数值在试验范围内变化，会较大程度引起试验观测指标的变化，因此极差最大的一列，就是主要影响试验观测指标因素，从而得各因素对结果影响主次顺序.根据Ki或ki在同一列中值大小，可得某一因素下哪一个水平更优，并且得到较优组合.正交试验的优势在于用较少的试验组合同等反映全面试验的结果，为后续实际的生产实践提供指导.

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米株高的影响

各试验处理观测玉米生育生长时期观测结果基本相同(表4)，根据正交试验渗灌及膜下滴灌CK对照玉米不同生长时期记录，研究分析不同处理对玉米生长动态指标的影响.图1为不同处理的玉米生育末期株高变化趋势表现：处理7>处理9>处理8>处理6>处理4>处理2>处理5>处理3>处理1>处理CK.各处理玉米的株高生长变化趋势相近，从苗期到灌浆期玉米株高呈增大趋势，各处理从拔节到抽穗期株高变化最大，较前一生育期末各试验处理株高增长了50%～96%，在抽穗期后玉米株高生长趋于缓慢，处理CK变化率最低为16.3%，各处理在灌浆期玉米株高达到最大值，处理6最高为326 cm，处理8次之，灌浆期到成熟期，玉米株高呈现下降趋势，且下降程度不大，其原因生长后期玉米籽粒生长发育为主.各处理的平均株高，处理CK平均株高最大，达到204.1 cm；处理8次之，达到195.4 cm；处理1为最低，与处理8相差23.1 cm；处理1与处理8相比，灌水次数分别为6和8次，且播种深度有明显差异.通过分析发现，播种深度对玉米的株高影响较大，这是由于渗灌可提高土壤深层的保墒性能，播深的增加，根系有效汲取土壤水分为玉米后期生长提供了保证；总灌水次数的不同使玉米在不同生育期的灌水次数及灌水量有所变化，也影响了玉米的生长；相比其他两因素，渗灌埋深和灌水定额对玉米的影响较小.虽前人研究大都集中于膜下滴灌对玉米生长影响，玉米干物质积累量与株高变化趋势逐渐增长，玉米株高前期增长缓慢，拔节后快速增长，灌浆后期趋于稳定，且在生长中期膜下滴灌比其他灌水方式玉米株高更高[16-20].本试验研究渗灌与膜下滴灌CK对照试验数据分析所得结果与前人所得结论相似.

表4 玉米生长时期观测记录

图1 不同处理下玉米株高变化趋势线Figure 1 The trend line of maize plant height under different treatments

2.2 不同处理对玉米叶面积指数的影响

图2为各处理玉米叶面积指数变化情况，各处理下生育末期玉米叶面积指数表现为：处理CK>处理7>处理2>处理4>处理9>处理6>处理1>处理3>处理8>处理5.在玉米全生育期内，玉米从苗期到灌浆期叶面积指数呈现单增趋势，在灌浆期叶面积指数值达到最大，处理CK最大值2.4，处理7达到2.3，最低为处理5，与处理7相差1.21.分析数据发现灌水量较大程度的影响玉米的叶面积指数；当灌水定额相同，灌水次数不同时，灌水次数较多，其叶面积指数也较大，这是由于灌水次数的主要影响作用于拔节期至灌浆期期间需水高峰是否灌水，在需水高峰期灌水，为玉米生长提供了充足水分；叶面积指数被播种深度和渗灌埋深影响程度较低.灌浆期到成熟期，玉米叶面积指数出现小幅下降，这是由于玉米生长后期，气温逐渐降低，玉米耗水量不断下降，生长发育较生育前期相对缓慢，后期玉米营养物质用于籽粒生长，叶片逐渐萎缩，提高玉米植株的灌浆产量，这与一些学者[21-22]的研究结论是相近的.本试验观测玉米叶面积指数在全生育期的变化情况也与张乐等[23]等的研究结果也相符.

图2 不同处理下玉米叶面积指数变化趋势线Figure 2 The trend line of maize leaf area index under different treatments

2.3 不同处理对玉米叶绿素含量的影响

图3为不同处理玉米叶绿素含量趋势.成熟后玉米叶绿素含量呈现：处理5>处理9>处理4=处理CK>处理1>处理8>处理3>处理6>处理7>处理2.试验处理全生育期内玉米叶绿素含量变化呈现先增后降趋势，开花期各处理达最大值，处理CK最大，玉米叶绿素含量为68，处理9次之为64，开花期到灌浆期各处理叶绿素含量基本维持不变，灌浆期后玉米叶绿素含量呈大幅下降趋势，这是由于在灌浆期之后灌水量逐渐减少.分析可知，灌溉是叶绿素含量的主要因素，灌水定额相比其他因素对叶绿素含量有更大程度的影响.作物光合作用主要依靠叶绿素进行，叶片是进行光合作用的载体，叶绿素含量增多可以提高叶片生理活性，而灌水能够保持玉米叶片叶绿素含量，从而延长光合作用时间，促进玉米干物质积累[24-25]；地下滴灌相比膜下滴灌在灌浆期后的叶绿素含量下降趋势缓慢，可延缓玉米叶片的衰败，为玉米提供更多的光合作用的产物，促进玉米的生长.

2.4 不同灌水处理对玉米产量的影响

根据渗灌正交试验直观分析法分析(表5)可知，四种试验因素对产量的影响主次顺序为播种深度>灌水次数>渗灌埋深>灌水定额；较优方案播种深度为20 cm，渗灌埋深30 cm，灌水定额600 m3/hm2，灌水次数7次.由图4渗灌正交试验不同因素与玉米平均产量关系趋势分析看出，玉米产量随着播种深度增加先降后增，在20 cm播种深度表现最大产量为9 849 kg/hm2；然而玉米产量对渗灌埋深的响应为单增趋势，渗灌埋深30 cm时玉米产量达到了9 659 kg/hm2；随着灌水次数的增多，玉米产量变化为先增后降，在灌水频次7次时玉米产量最大为9 754 kg/hm2；玉米产量对四种试验因素响应最差的为灌水定额，灌水定额在600 m3/hm2时达到玉米高产为9 524 kg/hm2.渗灌平均产量9 485.10 kg/hm2，比对照试验膜下滴灌CK产量8 416.78 kg/hm2，增产1 068.32 kg/hm2，增产12.7%.渗灌试验灌溉定额范围2 700～6 000 m3/hm2，从灌溉水量角度分析，随着灌溉定额的增大玉米产量也逐渐增大，在灌溉定额6 000 m3/hm2时玉米产量为9 976.03 kg/hm2，但在灌溉定额4 200 m3/hm2时玉米产量为9 905.56 kg/hm2，两者灌溉水量差距较大，但产量增幅较小，同比之下，在产量接近的情况下，灌溉定额4 200 m3/hm2为较优方案，与膜下滴灌CK相比，单位面积节水300 m3/hm2，提高产量1 488.78 kg/hm2，增产17.7%.试验结果分析看出，较优4 200 m3/hm2渗灌定额方案既可以保证较好产量，又可以减少灌水频次节约水量不用地膜节能降耗.从播种深度分析，播种深度浅玉米出苗时间较短且出苗率较高，但是播种深度深的玉米产量却相对较高.从渗灌埋深角度来看，渗灌埋深较大玉米产量更高，原因在于渗灌使水分直接输送至作物根部土壤湿润区，使农田地表土壤处于较为干燥状态，可以采用不需覆膜的灌溉方式，减少地表水分的无效蒸发，提高并增加了土壤水分有效利用效率.

图3 不同处理下玉米叶绿素含量变化趋势线Figure 3 The trend line of chlorophyll content in maize under different treatments

表5 渗灌正交试验设计及玉米产量结果统计分析

图4 渗灌正交试验不同因素下玉米平均产量的趋势线Figure 4 The trend line of maize average yield under different factors of orthogonal experiment of subsurface irrigation

3 讨论

玉米生长在生育期内受多种因素的影响，作物产量、水分利用效率、生长和生理特征与田间灌溉管理等方式有很大关系[26-27].玉米生长对水分敏感程度在各生育期有所不同，且各生育期水分的多寡对玉米的生长发育及产量影响也有不同[28-30].在膜下滴灌、漫灌、沟畦灌等地表灌溉条件下，随着灌水量在一定范围内的增加，膜下滴灌玉米株高、叶面积指数、产量、水分利用效率和灌溉利用效率均等呈现增长趋势；6 000 m3/hm2灌水量为玉米灌水量上限，高于此灌水量对玉米产量无显著提高[31-33].刘玉洁等[34]认为作物有相同灌溉定额时，灌水次数的变化也会较大程度影响作物产量.在地下滴灌条件下，控制性根区与地下滴灌可有效提高作物产量及水分利用效率，高效控制灌水定额可直接影响玉米生物量、产量等因素[35]；关小康等[36]通过试验发现地下滴灌埋深30 cm，灌水450 m3/hm2，种子适宜深播，可提高夏玉米株高整齐度及单株干物质积累量.本试验开展渗灌与膜下滴灌对比不同处理玉米各项指标变化分析表明，灌水量影响玉米的生长.玉米的株高、叶面积指数和叶绿素含量的生育前期长势较膜下滴灌缓慢，生育后期渗灌表现出比膜下滴灌更明显的优势，这与窦超银等[37]研究结果相同.渗灌灌水对玉米生长的积极影响得益于其灌水技术措施及土壤保墒性能改善.另一方面膜下滴灌常使用1.5～2.1 L/h的小流量，10～15次的多频次灌水，而渗灌灌水滴头流量较膜下滴灌更大，灌水次数也有所减少，渗灌可节约能耗.渗灌不使用地膜，可以有效减少白色污染，改善农田生态环境节水节能降耗.经以上分析后需要指出的是：作物生长受多种因素影响，且渗灌相比膜下滴灌水分运移机理等有所不同，利用正交表设计渗灌玉米试验，虽然可以次数最少的均衡试验得到影响因素的较优组合方案，但作物生长及土壤水分运移是长期且复杂过程，仍需结合实际生产实践对参数进行调整，从而得到最佳的因素水平组合.农田灌溉方式的实际应用与当地的气候、土壤、光热资源等条件息息相关，渗灌在一些方面表现出比膜下滴灌明显的优势，但渗灌并不能完全替代膜下滴灌，需要客观的去评价两种灌溉技术的优劣，在实际应用中选取适合的灌溉方法.