土壤水分调控对滴灌青贮玉米作物系数和水分利用效率的影响

2021-04-04佟长福李和平石祥芝曹雪松罗鹏怀李生众

节水灌溉 2021年3期

佟长福，李和平，石祥芝，曹雪松，罗鹏怀，李生众

（1.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特010020；2.呼伦贝尔市水利局，内蒙古呼伦贝尔021008；3.乌审旗水利局，内蒙古鄂尔多斯017300；4.内蒙古通辽市科尔沁区莫力庙灌区管理所，内蒙古通辽028031）

青贮玉米是全株刈割用于青贮饲喂牲畜的饲用型玉米，其营养丰富、消化率较高，粗蛋白质含量可达3%以上，含有丰富的糖类[1]。它生长迅速，可获得较多的茎叶产量，是养殖业不可缺少的基础饲料。种植青贮玉米不仅为发展现代畜牧业提供了大量优质饲料，而且有利于种植业结构调整，解决畜牧业发展中青贮饲料短缺的有效途径。同时，是稳定畜牧业生产、发展农业循环经济、促进农牧民增收的有效途径之一，对草畜一体化转型升级、实施奶业振兴和促进农业供给侧结构性改革具有重要意义[2]。

随着畜牧业迅速发展，对青贮玉米等饲料的需求日益增大，为提高青贮玉米产量及经济效益，增加农牧民收入，研究青贮玉米节水高效技术显得尤为重要[3]。申孝军等[4]采用人工控水试验研究了不同水分处理对青贮玉米生长、产量、耗水量以及水分利用效率的影响；范晓慧[5]研究认为青贮玉米在任何一个阶段发生水分胁迫，都会使植株的高度、叶面积和最终产量比充分灌溉状态时的小；田建柯[6]等研究了灌水量及灌水频率对玉米生长和水分利用的影响；焦炳忠等[7]研究了不同灌溉定额对膜侧玉米生长及水分利用效率的影响；段震宇[8]研究了不同灌水期对青贮玉米农艺性状及产量形成的影响；张仔罗等[9]认为灌溉量对滴灌小麦—青贮玉米复播体系蒸发蒸腾量值及作物系数值影响显著，灌溉量越大，蒸发蒸腾量值和作物系数值越大；蒙强等[10]研究了不同水分处理的春青稞产量及水分利用效率均随水分调控下限的降低呈现出先升高后降低趋势。目前，对滴灌青贮玉米的作物系数和水分利用效率研究涉及较少。因此，本文开展了滴灌青贮玉米田间试验研究，探索了滴灌条件下不同水分调控对青贮玉米作物系数和水分利用效率影响，有效提高了水分利用效率，从而能保证有限的水资源得到充分利用，为当地青贮玉米的灌溉管理提供了依据[11]。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于锡林浩特市沃元奶牛场（44°00'56.5″N，116°06'55.4″E，海拔978 m），距市区6 km。多年平均降水量269 mm，年内分配极不均衡，7-8月降水量占全年降水总量的70%；蒸发量1 863 mm（20 cm 蒸发皿）；平均气温2.3 ℃，极端最高气温39.2 ℃，极端最低气温-42.4 ℃；风速为3.4 m/s，最大风速为29 m/s，最大冻土深度2.9 m。供试土壤以栗钙土为主，土壤钾元素含量相对较高，而氮和磷含量较低，有机质含量在2%～3%之间，全氮含量低于10%。土壤0～100 cm 平均容重为1.66 g/cm3，田间持水量为14.3%（占干土重）[12-14]。

1.2 试验材料与试验设计

试验材料为龙单38 号。试验共设8 个处理，每个处理重复2次。灌溉方式为滴灌，采用控制土壤含水率下限的方法进行灌溉（表1），上限为田间持水率的90%，每个处理安装水表严格控制灌水量。每个处理的试验区面积均为19 m×15 m，每个试验区设保护区隔离，以避免相互影响，试验区面积为0.91 hm2。选用内镶贴片式滴灌带，毛管直径16 mm，壁厚0.2 mm，滴头间距300 mm，滴头流量2.2 L/h[15]；滴灌带平行于青贮玉米种植方向铺设，间距为60 cm。除灌水外，各处理农业技术措施保持一致，每个处理施肥量按照当地正常的使用量，播种时施有机肥22 500～30 000 kg/hm2，6月底和7月中旬分别追尿素225～300 kg/hm2。本文耗水量的计算采用水量平衡原理，其中地下水埋深为25 m，不考虑地下水的补给量。

表1 青贮玉米土壤含水率下限控制（占田间持水率） %Tab.1 Control index lower of soil moisture content of silage maize(percent of field capacity)

1.3 有效降雨量与灌水量

1.3.1 有效降雨量

根据文献[16]，有效降雨量采用下面公式计算：

式中：Pe为有效降雨量，mm；α为有效降雨系数；P为一次降雨量，mm；当P≤5mm 时，α=0；当5＜P≤30mm 时，α=1.0；当30＜P≤50mm 时，α=0.8；当50＜P≤100mm时，α=0.7；当P＞100mm时，α=0.6。

青贮玉米2011年和2012年不同生育阶段有效降水量见表2。

表2 2011-2012年青贮玉米不同生育阶段有效降雨量 mmTab.2 Effective precipitation in different fertility stages of silage maize in 2011-2012

1.3.2 灌水量

参照前期研究[16]，青贮玉米2011年和2012年灌水量见表3。

1.4 观测内容与方法

1.4.1 土壤含水率的测定

试验观测从2011年5月至2012年10月，采用土壤水分监测仪PR2和烘干法每隔10 d（灌水和降雨前后加测）测定一次土壤含水率，测定土壤层次为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60和60～100 cm，设2次重复[17]。

表3 2011-201年青贮玉米不同处理灌水量 mmTab.3 Irrigation of silage maize under different treatment in 2011-2012

1.4.2 产量的测定

采用样方法测定地上部分青贮玉米产量，样方面积为1.5 m×1.5 m，每个处理重复3 次，取其平均值，然后计算得出不同处理每公顷的产量。

1.4.3 耗水量计算

青贮玉米耗水量根据水量平衡原理计算[18]，见公式（2）。

式中：ETa为生育阶段耗水量，mm；M为生育阶段灌溉水量，mm；P0为生育阶段有效降雨量，mm；Wr为生育阶段由于计划湿润层增加而增加的水量（生育阶段无变化，则Wr=0），mm；K为地下水补给量（地下水埋深为25 m，K=0），mm；ΔW为生育阶段土壤计划湿润层内的储水量，mm。

1.4.4 参考作物腾发量和作物系数

采用标准化、统一化后FAO（联合国粮食及农业组织）Penman-Monteith 公式计算参考作物腾发量[19]（气象数据来源2011年5月23日-9月7日，2012年5月10日-8月29日的田间气象站）：

式中：ETo为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Rn为净辐射，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量，MJ/（m2·d）；u2为2 m高度处风速，m/s；es为平均饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。

1.4.5 青贮玉米作物系数与水分利用效率

青贮玉米作物系数为全生育期实际耗水量与参考作物腾发量比值，采用公式（4）计算：

式中：KC为作物系数；ETa为青贮玉米全生育期实际耗水量，mm。

青贮玉米水分利用效率是消耗单位水量的产出，其值等于青贮玉米产量与耗水量比，采用公式（5）计算：

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为青贮玉米产量，kg/hm2。

2 结果分析与讨论

2.1 不同灌水处理土壤水分变化

土壤含水率的水平变化是指作物不同时期不同层次土壤含水率的动态变化。本文以2011年5-10月的试验监测数据（0～60 cm 土层均值）分析不同灌水处理青贮玉米全生育期土壤水分变化，从图1中可知：不同灌水处理的土壤含水率变化趋势相同。6月初土壤含水率较低，青贮玉米刚刚播种，该时期降水稀少而气温逐渐升高，水分供需矛盾突出，故此期为春夏失墒期；7月中下旬各土层的土壤含水率均较其他时段高，Q1 处理土壤含水率达到最大，因为土壤水分来源主要是降雨和灌水所致，到7月下旬以后，温度迅速升高，青贮玉米也逐渐进入生长速率较高的生长发育阶段，植物对水分的利用和需水量也随着增加，土壤水分蒸发损失增大，土壤含水率急剧下降；8月上旬土壤含水率降到最低，此后由于灌溉使土壤含水率逐渐升高；8月中下旬到收割前不进行灌溉，土壤含水率逐渐降低[20]。

土壤储水量根据2011-2012年试验监测数据由土壤含水率分层计算得出。不同灌水处理青贮玉米0～60 cm土层的土壤储水量变化见图2。

从图2可知：Q1、Q2 和Q3 这3 个处理的土壤储水量较小，因为3个处理的灌水量较其他处理大，土壤水分消耗主要是降雨和灌溉水；其他处理灌水量小，土壤水分消耗主要是降雨、灌溉水和土壤储水。

2.2 不同土壤水分调控对青贮玉米产量的影响

水分亏缺对青贮玉米生态性状和生理活动的影响最终反映在产量上，不同生育阶段发生水分胁迫时，对产量影响机理是不同的。本研究对不同灌溉水平条件下青贮玉米的产量进行了分析[21]。

青贮玉米生长发育的各个阶段，水分胁迫均会引起一系列的不良后果，其中最明显的影响是植株的大小、叶面积和作物产量下降。不同土壤水分调控对青贮玉米产量的影响（以2012年为例）见图3。从图中可知：Q1对照处理产量最大为64 980 kg/hm2，其次是苗期受旱（Q2）处理为57 765 kg/hm2，减产率为11.1%；苗期-拔节期受旱（Q5）处理产量为38 205 kg/hm2，比对照处理减产26 775 kg/hm2，减产率为41.2%；拔节-抽雄期受旱（Q7）处理产量最小为37 830 kg/hm2，比对照处理减产27 150 kg/hm2，减产率为41.8%；抽雄-收割受旱（Q8）处理产量为46 050 kg/hm2，比对照处理减产18 930 kg/hm2，减产率为29.1%。

通过以上分析可知：青贮玉米苗期受旱处理减产率最小为11.1%，应进行灌溉补墒；进入拔节-抽雄期植株生长旺盛，是青贮玉米株体形成的重要时期，土壤水分供应充足，有利于植株健壮生长，积累更多的干物质，为后期的生殖生长奠定良好基础，该阶段受旱，减产率最大达到41.8%，可见该阶段为青贮玉米需水的关键期；抽雄-收割期，青贮玉米由营养生长向生殖生长过渡，叶面积指数和蒸腾均达到其一生中的最高值，生殖生长和体内新陈代谢旺盛，同时进入开花和授粉阶段，为青贮玉米生产效率最高期，该阶段受旱，减产率达到29.1%。

2.3 不同土壤水分调控对青贮玉米耗水强度的影响

根据公式（2）得出青贮玉米全生育期内耗水强度见表4。从表4可知：青贮玉米每个处理的耗水强度趋势一致，均是先由低到高，然后再由高到低变化。苗期植株幼小，地面覆盖度低，其水分消耗以地面蒸发为主，因此该阶段耗水强度较低，处于2.56～3.29 mm/d之间；拔节期以后，营养生长加快，植株蒸腾速率增加较快，耗水强度快速增大，在2.71～4.37 mm/d 之间；拔节-抽雄阶段，青贮玉米的株高和叶面积均达到最大，同时恰好处在一年中气温最高的季节，耗水强度也处于最高阶段，处于2.19～5.90 mm/d 之间，是青贮玉米需水关键期；抽雄-收割阶段，由于气温逐渐降低，叶片蒸腾活力降低，耗水强度逐渐减小，Q6、Q7 和Q8 等3 个处理，在拔节-抽雄阶段，耗水强度比苗期的小，这是由于灌水原因所致。从上面分析可知，青贮玉米的需水敏感期为拔节-抽雄期，因此，在拔节-抽雄期灌水，对确保青贮玉米需水和获得较高的产量尤为重要。

表4 2011-2012年青贮玉米不同处理各生育阶段耗水强度mm/dTab.4 Water consumption intensity of silage maize at different growth stages under each treatment in 2011-2012

2.4 不同土壤水分调控下青贮玉米产量与全生育期耗水量的关系

根据2011-2012年的实测资料（剔除处理间差异不显著数据），点绘产量与全生育期耗水量的关系图（见图4），二者之间呈现出二次抛物线关系，相关性较高，其回归方程为：

从图4可知：青贮玉米产量随着耗水量的增加而增加，但耗水量到达一定程度时，产量增加缓慢，开始呈现出“报酬递减”现象。

2.5 不同土壤水分调控对青贮玉米作物系数的影响

作物系数是作物本身生物学特性的反映，它与作物的种类、品种、生育期、作物生长状况有关。通过上面试验结果分析，Q1 处理产量最高，因此以该灌水处理为典型处理分析计算作物系数。

从表5可知：青贮玉米各生育阶段作物系数呈现出先由低到高，然后再由高到低的变化趋势。青贮玉米在生长初始阶段，耗水量（ETa）主要以棵间蒸发为主，青贮玉米蒸腾量较小，ETa值接近参考作物腾发量，二者比值（即作物系数Kc）也较小；随青贮玉米生长，植株逐渐长大，叶面积指数逐渐增大，ETa主要以青贮玉米植株蒸腾为主，ETa值逐渐增大且大于ET0，作物系数Kc逐渐增大；到拔节-抽雄期达到最大值；进入抽雄-收割期，耗水量ETa减少，作物系数又开始减小，整个生育期的作物系数呈现出二次抛物线形。

表5 2011-2012年典型灌水处理（Q1）青贮玉米作物系数Tab.5 Crop coefficient of silage maize with typical irrigation（Q1）in 2011-2012

限于篇幅，本文给出其他处理作物系数（2011-2012年均值）见表6。从表6可知：不同水分处理的青贮玉米各生育阶段作物系数变化趋势同Q1处理。

表6 不同灌水处理青贮玉米作物系数（2011、2012年均值）Tab.6 Crop coefficient of silage maize with different irrigation treatment（Average in 2011 and 2012）

2.6 不同土壤水分调控对青贮玉米水分利用效率的影响

根据2011年和2012年的试验资料，利用公式（5）计算出不同水分调控下青贮玉米水分利用效率见图5。

从图5可知：2011年的水分利用效率大于2012年，是由这2 个年度的气象因素和灌水差异所致。2011年的水分利用效率最大值为Q2 处理，但不是灌水量最大的处理，水分利用效率最小值为Q8 处理，二者相差57.6%，而灌水量相差77.6%；Q3、Q4 和Q5 处理的水分利用效率和Q2 处理差距不大，灌水量差距分别为17.2%、30.5%和42.8%，由此可见Q5处理为最佳的灌水处理。2012年水分利用效率各处理间差异较小，由于降雨量较大导致灌水量差异较小，灌水量最大与最小处理间相差80 mm；水分利用效率最大为Q1 处理，亦是灌水量最大的处理。因此，根据有效降雨量和灌水量，可以推测在降水量较大的年份灌水量大的处理其水分利用效率较大。