春玉米耗水特性 产量及水分利用效率的相关性研究

樊晓康

（1.武威市水利综合事务中心，甘肃 武威 733000；2.武威市中心灌溉试验站，甘肃 武威 733000）

玉米是甘肃河西地区栽培的主要粮食和饲料作物，水资源短缺、水分利用率低是制约当地农业高效发展的关键因素。目前，主要对玉米滴灌模式方面进行的研究，而对膜下滴灌玉米节水增产的耗水特性、产量与WUE（水分利用率）之间的关系研究较少。本文基于西北干旱区大田玉米生产实际，利用水量平衡原理，研究膜下滴灌不同灌溉定额条件下玉米的耗水规律和水分利用的关系，研究在不同灌溉定额下滴灌玉米耗水特征对产量的影响，为西北地区高效节水应用提供数据支撑，有效促进玉米膜下滴灌技术在西北地区的应用。

1 材料与方法

1.1 试验区简介

本试验在武威市水务局中心灌溉试验站进行（2019 年4月—10 月）。该站位于凉州区城东，海拔1 581 m。年平均降水量188.9 mm，蒸发量1 911.8 mm，日照时数超过2 978 h，年平均风速2.83 m/s，无霜期156 d，最大冻土层深121 cm，属典型的大陆性温带干旱气候。土壤质地属灰钙质轻砂壤土，富含氮、磷、钾，土壤通透性好，土壤有机质含量0.4～0.8 g/kg，含盐量0.10～0.55 g/kg。灌溉用水采用地下水，水质矿化度0.70 g/L，用水符合膜下灌溉要求。土壤0～100 cm 物理性质，见表1。

表1 试验田土壤物理性质Tab.1 The physical properties of soil in test field

1.2 试验材料与设计

供试玉米选用普通品种先玉335号。玉米种植和滴灌铺设模式：1 膜2 管4 行玉米，滴灌带均匀铺设于2 行玉米中间，植株行间距30 cm，植株间距18 cm。地膜宽度1 400 mm，薄膜厚度0.008 mm，4 月20 日左右人工穴播，5 月1 日出苗，9 月22 日成熟收获，全生育期156 d。播种前施入底肥磷二铵22.5 kg/0.067 hm2、尿素20 kg/0.067 hm2，拔节期间追施尿素7 kg/0.067 hm2，穗期再追施尿素10 kg/0.067 hm2，灌浆期追施尿素7 kg/0.067 hm2，生育期注意病虫害的防治，其他管理措施按大田栽培模式进行。

试验区采用随机区试验进行设计，共设置3 个滴灌灌溉定额水平，试验设计见表2。每个试验区重复3 次，共9 个小区，每个小区面积4.5 m×6 m，小区布设滴灌带6 条，滴管规格，直径15 mm，间距30 cm，正常运行压力在1.45～2.05 kg/cm2，滴头流量范围在3.3～3.5 L/h。每个小区设置总控制阀1个，计量表1个，以达到精准灌溉目的。

表2 膜下滴灌玉米灌溉制度设计方案Tab.2 The design scheme of maize irrigation system under film drip irrigation m3/hm2

1.3 观测项目与方法

土壤含水率测定：在玉米不同生育期前后、每次灌水前后和收获后用土钻法采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 土层土样，采用烘箱烘干法测定壤含水率；取土位置在滴管下部、地膜中间、植株之间共3 个点，重复3次，取其平均值。

作物耗水量：玉米各生育期耗水量采用农田土壤水量平衡公式进行测算。试验区地下水位埋深20 m以下部分，地下水补给不计入公式。覆膜滴灌水量较少，不会产生深层漏水现象，地下水排水量计算部分也忽略不计。试验区玉米生长阶段需要的水分主要由膜下滴灌灌水和降水组成。因此生育期水量平衡计算方程式简化为：

式中：ET1-2——玉米各个生育期阶段耗水量，mm；i——土壤深度标号；n——土壤深度总和；ri——土壤第i层的实际干密度，g/cm3；Hi——土壤第i层的总厚度，cm；Wi1——土壤第i层次在时段开始测算的含水率；Wi2——土壤第i层次在时段最终测得的含水率；I——各个生育期阶段内的实际灌水量，mm；P——各个生育期阶段内的有效降雨量，mm。

水分利用效率WUE：

式中：WUE——作物水分利用效率（kg/m3）；Y——试验小区单位面积上的产量（kg/0.067 hm2）；ET——单位面积上实际测算的蒸发蒸腾量（mm或m3/hm2）。

生态指标：作物株高、叶面积和基茎粗每隔10～15 d 测定1次，在各小区分别选取样3株定点测定。

产量：收获前每处理小区取中间两排玉米20穗装入尼龙网袋，待风干脱粒后测定实际产量。取各小区定株玉米测定穗长、穗粗、穗行数、穗粒数、穗粒质量、百粒质量、干物质量，并确定收获指数。

1.4 数据分析处理

数据分析采用Excel 2007和SPSS16.0数据分析软件。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理玉米耗水特性分析

2.1.1 不同处理耗水规律分析

表3 为玉米各生育期的耗水量及其他耗水特性。由表3可以看出，不同处理玉米在大喇叭口期-抽穗期、抽穗期-灌浆期、灌浆期-乳熟期3 个生育阶段耗水量差异极显著，其中大喇叭口期-抽穗期耗水量最大，此阶段3个处理相互之间耗水量差异显著，这是因为该时期玉米根茎叶进入旺盛生长阶段，试验区玉米覆盖度接近生育期最大值，在该时段内随着试验区温度的上高，玉米生育阶段所需的水分也迅速增加，日照时间变长，耗水量达到顶峰，日蒸发量随之变大，土壤水分蒸发较快。

表3 膜下滴灌玉米各生育期耗水特征Tab.3 The water consumption characteristics of maize under film drip irrigation in each growth period

由表3 和图1 可得，耗水量随灌溉定额的增大而增大，3个处理总耗水量T3＞T2＞T1，三者最大相差111 mm。这是因为覆膜有效抑制了地面无效蒸发，灌溉水量越大则土壤水分含量越大，玉米蒸腾量也越大，所以膜下滴灌玉米灌水量大的耗水量大，玉米生长也比较旺盛。同时，全生育期膜下滴灌玉米耗水量各处理均表现为生育阶段前后期少，中期比较多的变化趋势。

图1 玉米不同生育期耗水量及累计耗水量Fig.1 The water consumption and cumulative water consumption of maize in different growth periods

2.1.2 不同处理耗水情况的变化规律分析

玉米各个生育阶段耗水情况变化规律见图2。由图2 可知，各处理在玉米全生育期耗水强度的变化规律一致，呈现出一个斜“M”的变化趋势，第1 个顶点出现在大喇叭口期，第2 个顶点出现在灌浆期。从全生育期来看，处理3 的耗水强度最高，最高达到5.08 mm/d。大喇叭口期-抽穗期呈下降趋势，这种趋势由于大喇叭口期到抽穗期时间段阴雨天气较多，导致玉米用水需求较少，耗水强度较低。

由图2和表3可知，乳熟期-收获期是各处理玉米全生育期耗水强度最低的阶段。大喇叭口期-抽穗期、灌浆期-乳熟期各处理耗水强度差异显著。从各生育阶段来看，膜下滴灌玉米各生育期耗水量随着灌溉量变大，耗水强度也随之变大。

图2 全生育期各处理耗水强度变化Fig.2 The variation of water consumption intensity of each treatment in the whole growth period

2.1.3 不同处理耗水模数变化规律

玉米全生育阶段各处理耗水模数的变化规律见图3，由图3 和表3 可知，各处理耗水模数变化规律一致，全生育期都呈抛物线趋势，从苗期开始逐渐上升，到大喇叭口期达到最大，而后又呈逐渐下降趋势。其中大喇叭口期耗水模数最大，各处理平均达到0.247，乳熟期耗水模数最小，各处理平均为0.055。

图3 全生育期各处理耗水模数变化Fig.3 The change of water consumption modulus of each treatment in the whole growth period

各处理玉米各生育阶段之间耗水模数差异极显著，最大相差0.2，最小相差0.02。

2.2 灌溉定额与产量构成要素相关性分析

不同处理玉米产量构成要素分析，见表4。由表4 可知，灌水量多的处理，产量以及产量构成要素也相应较高（除秃尖长相反外）。就产量构成要素来看，3个处理之间穗长无显著差异，其他均差异显著，而差异极显著的是秃尖长。灌水量T3＞T2＞T1，产量T3＞T2＞T1，而秃尖长T3＜T2＜T1，产量T3 比T1 高出23.3%，秃尖长T3 比T1 低出25.4%。可见灌水量多少对穗长影响不大，而对产量和秃尖长影响较大，灌水量越多，产量越高。

表4 不同处理产量构成要素Tab.4 The yield components of different treatments

灌溉定额与产量构成要素的相关性见表5。从表5 可知，穗粗、穗粒干质量与灌溉定额呈极显著正相关（r=0.99**，r=1.00**），秃尖长与灌溉定额呈极显著负相关（r=-1.00**），产量、穗粒数与灌溉定额呈正相关。说明灌溉定额对玉米产量及其产量构成的贡献率较大。玉米穗长、穗粗、穗粒数、穗粒干质量及千粒质量的增加有利于玉米产量的增加，而秃尖长则影响玉米产量的增加。

表5 灌溉定额与产量构成要素的相关性Tab.5 The correlation analysis between irrigation quota and yield components

2.3 不同灌溉定额下产量及WUE分析

不同处理玉米产量及WUE 分析见表6。由表6 可知，3个处理的产量、WUE、IWUE 均有显著差异（P＜0.05）。T2 与T1 处理相比，灌水量多，产量高，IWUE 低，但差异不显著，而WUE 差异显著，T2 的WUE 高，故T2 较T1 处理较优；T2 与T3处理相比，灌水量少，产量低，但WUE 高、IWUE 高且均有显著差异，故T2 较T3 处理较优。因此，T1、T2、T3 3 个处理相比，T2 处理WUE 最高，从而选择灌溉定额为3 375 m3/hm2的T2 最为合理。图4 为膜下滴灌玉米耗水量和产量、水分利用效率之间的关系。由图4 可知，耗水量分别与产量及水分利用效率呈二次曲线关系，相关性较好，R 分别为0.94、0.83，而随着耗水量的增加作物水分利用效率要早于产量达到最大值，之后产量越来越高，水分利用效率逐渐下降。对耗水情况而言，水分利用效率比产量更为敏感。由此可见，T2 灌溉定额较好，产量高，IWUE和WUE也高。

表6 不同灌溉定额玉米产量及WUE分析Tab.6 The maize yield and WUE analysis under different irrigation quotas

图4 玉米耗水量与产量、水分利用效率之间的关系Fig.4 The relationship between water consumption,yield and water use efficiency of maize

3 结论

膜下滴灌玉米全生育期随灌溉定额的增大，耗水量、产量也在增大，而WUE先增大后减小。

玉米全生育阶段耗水量为生育前期、中期、后期变化趋势为少、多、少；耗水强度呈现出一个斜“M”的变化趋势，第1个顶点出现在大喇叭口期，第2个顶点出现在灌浆期；耗水模数呈抛物线趋势，从苗期开始逐渐上升，到大喇叭口期达到最大，而后又呈逐渐下降的趋势，各处理间差异不明显。

产量构成要素中穗粗、穗粒干质量与灌溉定额呈极显著正相关，秃尖长与灌溉定额呈极显著负相关，产量、穗粒数与灌溉定额呈正相关。说明灌溉定额对玉米产量及其产量构成的贡献率较大。

水分利用效率的变化是产量与耗水关系的基础，随着耗水量的增加，作物水分利用效率要早于产量达到最大值。经综合分析，T2 处理灌溉定额为300 mm 的灌溉制度更为节水高效。