灌水量和滴灌频率对甘肃省河西地区春玉米生长和水分利用的影响

李 菊 张富仓 王艳丽 赖珍林 李越鹏 严富来 王海东 郭金金

(西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院/旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

甘肃省河西地区位于我国西北干旱区东部地带，是我国玉米高产区之一。近年来随着灌水方式的改进，河西地区引进了膜下滴灌技术[1]，该技术与传统地面灌溉相比，可节水70%～80%，能显著提高作物的水分利用效率[2]。但由于膜下滴灌技术推广潜力不足，农民尚未普遍掌握滴灌技术，使得目前春玉米农田灌水施肥方式仍以地面灌溉和土壤撒施肥料为主[3]，多灌、少灌以及不能适时的灌溉，加大了农田水肥流失和水肥利用率的降低。而灌水量和滴灌频率作为膜下滴灌灌溉制度的2个重要指标，对作物的生长发育和产量的形成起到重要的影响[4]。因此探究适合于该地区春玉米生长的灌水量和滴灌频率的最佳组合，对当地春玉米节水高效生产有着重要的理论与实际意义。

适宜的灌水不仅有利于提高玉米产量[5]，还可以降低玉米植株发病率[6]。而适宜的滴灌频率也会对土壤中水氮运移、根系分布以及根系对水分和养分的吸收起到重要的调控作用[7]。但由于作物种类不同、生长条件不同，所以滴灌频率对其反应也不同。田建柯等[8]研究表明，夏玉米在高水低频(120% ETc，间隔9 d)处理下可获得单株最大产量，但其水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)低于中水低频(100% ETc，间隔9 d)处理。El-Hendawy等[9]通过沙质土壤试验，认为玉米WUE随灌水量和灌溉频率的增加而增加。而蒋桂英等[10]通过研究发现，中频灌溉(每隔7 d)下小麦产量和WUE最高，较高频灌溉(每隔4 d)和低频灌溉(每隔10 d)增产分别为7.6%和13.5%，WUE增加2.6%和9.9%。以上试验结果表明过量或不足的水分施用都会影响WUE[11]，增加灌水频率可改善水分胁迫，促进植物WUE的提高[12]。Caldwell等[13]通过粉质壤土试验，发现当土壤平均有效水分亏缺<20%，滴灌频率对玉米产量无显著影响。同样Irmak等[14]在多年的粉质壤土田间试验下也有类似发现，2005、2006和2007年的灌水量显著影响粮食产量，然而灌水频率只在2005和2006年(2个干旱年)的生长季节间才对产量有显著影响，且灌水量和灌水频率的交互影响只在最干旱的2005年才对产量有显著影响。综上，滴灌频率和灌水量作为灌溉制度的2个重要指标，其大小不是恒定的，受地区土壤条件、气候条件、作物因素影响[15]。增加灌水量和灌水频率可以显著促进作物生长、提高作物产量[16-17]，但灌水频率过高也会抑制作物生长、使得作物减产或产量差异不显著[18-19]。

灌水量和滴灌频率对作物的生长效应与气候条件、土壤以及灌溉方式等都有关。目前，关于玉米作物滴灌频率的研究大多是在盆栽或桶栽条件下进行，蔬菜及温室作物滴灌频率的研究比较多，大田作物上的研究多是在旱作补充灌溉条件下进行的，缺乏干旱地区膜下滴灌条件下灌水量与滴灌频率协同作用对玉米作物生长和水分利用效率影响的研究报道。本研究就膜下滴灌条件的灌水量和滴灌频率对河西地区春玉米生长、干物质累积、产量和水分利用效率的影响进行分析，旨在探究适合于该地区春玉米生长的灌水量和滴灌频率的最佳组合，以期为该地区玉米节水高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4—9月在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水实验站进行，该站位于甘肃省武威市凉州区(37°50′ N,102°51′ E)，海拔1 580 m，为温带大陆性干旱气候，该地区年平均气温8 ℃，年平均积温3 500 ℃以上，年均日照时数3 000 h左右，无霜期150 d。多年平均降水量≤200 mm，年均蒸发量2 000 mm。试验地土壤类型为灰钙质轻砂壤土，田间持水量21.6%(质量含水率)。地下水埋深40 m以上。试验区2019年春玉米生育期内降雨量为130 mm。

1.2 试验设计

试验设灌水量和滴灌频率2个因素。依据当地灌水经验以及田建柯等[8]对玉米灌水量和灌水频率的试验结果，设置3个灌水量：60%(W1)、80%(W2)、100%(W3)的ETc和3个滴灌频率：4(D1)、8(D2)和12 d(D3)，共9个处理。随机区组排列，小区面积为60 m2，长10 m，宽6 m，3次重复，共27个小区。ETc为作物蒸发蒸腾量，mm/d，计算公式如下：

ETc=ET0×Kc

(1)

式中：Kc，玉米作物系数，分别取0.7(苗期)、1.2(拔节期～灌浆期)、0.6(乳熟期～成熟期)[20]；ET0，参考作物蒸发蒸腾量，mm/d，根据 FAO-56 Penman Monteith[21]计算。

供试玉米品种为‘咸科858’。2019年4月12日播种，同年9月7日收获，共计149 d。每个小区采用宽窄行播种(窄行玉米间距为40 cm，宽行玉米间距为80 cm)和1条滴灌带控制2行玉米的种植模式，滴灌带布设在窄行中间，玉米株距25 cm，种植密度6.7×104株/hm2；小区灌溉方式采用膜下滴灌，滴头间距30 cm，滴头流量3 L/h，滴头工作压力0.1 MPa，并通过水表严格控制各小区灌水量；施肥采用液压比例施肥泵装置，根据当地农民推荐玉米滴灌施肥量N 200 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O 100 kg/hm2，按照玉米生长特性，施肥4次，每次施肥量占总施肥量的比例分别为20%(苗期)、30%(拔节期)、30%(吐丝期)和20%(灌浆期)。灌水量为各处理所设滴灌周期内作物蒸发蒸腾量(ETc)减去周期内有效降雨量。若降雨量超过此次作物蒸发量时，不再灌溉；若降雨量未达到此次作物蒸发量时则补充灌溉至作物蒸发蒸腾量。灌水处理从苗期末开始，收获前15～20 d结束灌水。整个生育期W1、W2和W3处理的灌溉定额分别为244.2、315.7和387.1 mm，见图1。

图1 春玉米全生育期灌水方案Fig.1 Irrigation scheme of spring maize in whole growth period

1.3 测定项目及方法

1.3.1生长指标测定

在春玉米各生育时期，每个小区选定3株具有代表性的玉米，测量茎粗和株高以及所有叶片的长和最大宽度，计算叶面积指数。叶面积指数计算公式[22]：

(2)

式(2)中：0.75，玉米叶面积的校正系数;ρ，玉米植株密度;m，测量株数;Lij和Wij分别为第i株玉米的第j片叶片的长度和最大宽度，cm。

1.3.2干物质量和产量测定

干物质量测定：在玉米各生育期(苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期和成熟期)，每小区随机选取3株长势均匀的玉米，用剪刀沿土壤表面将植株剪下，去除表面污垢后用剪刀将茎、叶和穗分离，放入烘箱杀青0.5 h(105 ℃)后再烘至恒重(75 ℃)，最后用电子天平称量质量，计算各器官干物质量。

产量及构成要素测定：在成熟期苞叶完全泛白后，随机选取小区中的一行玉米，沿滴灌带走向连续取样20株，测定玉米穗长、秃尖长以及穗行数，并在人工脱粒风干后测定籽粒含水率为14%下的产量[23]。

1.3.3水分利用效率计算

作物耗水量计算[24]可简化为

ET=Pr+I-W

(3)

水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)：

(4)

(5)

式(3)～(5)中：Pr，有效降雨量，mm；I，灌水量，mm；W，播种前和收获后土壤蓄水量的变化，mm；WUE，水分利用效率，kg/m3；Y，产量，kg/hm2；IWUE，灌溉水利用效率，kg/m3。

1.4 数据处理及分析方法

采用 Excel 2013 进行数据处理；SPSS 23.0软件中单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05)；主成分分析法对春玉米各指标进行综合分析；Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对春玉米生长指标的影响

2.1.1株高

由表1可知，春玉米株高随生育进程快速增长至吐丝期后趋于平稳。比较吐丝期至成熟期春玉米株高可知，同一滴灌频率下，株高随灌水量增加而显著增加，于W3水平下达到最大值，较W1和W2分别增加7.61%～14.07%和3.13%～8.99%，说明充分灌水可促进春玉米株高的增长；同一灌水水平条件下，株高随滴灌频率的增加呈现不同变化规律，在W1和W2灌溉水平下，春玉米株高随滴灌频率的增加而增加，于D1处理下达到最大，其中W1D1较W1D2和W1D3分别增加3.64%和6.44%，W2D1较W2D2和W2D3分别增加3.36%和6.55%；在W3灌水水平下，株高随滴灌频率的增加呈先增加后减小的趋势，且D2的株高较D1和D3分别增加1.91% 和4.49%。说明过低的滴灌频率不利于春玉米株高的增长，而水分充足时过高的滴灌频率也会抑制株高的增长。且由显著性检验可知，灌水量、滴灌频率及其二者交互作用对春玉米拔节期、吐丝期和灌浆期的株高有极显著的影响。

表1 不同灌水处理下春玉米的株高Table 1 Plant height of spring maize under different irrigation treatments cm

2.1.2茎粗

由表2可知，在春玉米整个生育期，各处理的茎粗变化趋势基本相似，均呈现先增加后减小的趋势。苗期～拔节期，春玉米茎粗快速增大，且于拔节期达到最大值，最大茎粗介于26.46～32.55 mm，达到最大值后春玉米茎粗开始减小，这可能与玉米后期生殖生长，玉米茎中的养分转运到果穗有关。比较拔节期到成熟期春玉米茎粗可知，同一滴灌频率下，增大灌水量有助于提高茎粗，其中W3的茎粗比W1和W2分别提高8.82%～16.92%和2.32%～6.03%，且差异显著；同一灌水水平下，滴灌频率低会抑制春玉米茎粗的生长，提高灌水频率可以有效地促进春玉米茎粗的增加，其中W1D1较W1D2和W1D3分别增加3.99%和11.65%，W2D1较W2D2和W2D3分别增加3.61%和7.17%、W3D1较W3D2和W3D3分别增加2.49%和5.46%。此外在春玉米拔节期～成熟期还可发现，W1D3处理下春玉米茎粗均显著低于其他处理，说明农田生产过程中应避免春玉米过度亏缺灌溉。

表2 不同灌水处理下春玉米的茎粗Table 2 Stem diameter of spring maize under different irrigation treatments mm

2.1.3叶面积指数(LAI)

由表3可知，春玉米的LAI随生育期推进先增加后减小，且在吐丝期达到最大值。苗期各处理之间LAI差异不显著。比较春玉米拔节期至成熟期LAI可发现，相同滴灌频率下，各灌水处理的春玉米LAI随灌水量的增加显著增大，其中W3较W1和W2分别提高13.23%～31.36%和4.99%～18.79%，说明充分灌溉有助于LAI的增长。相同灌水量下，春玉米LAI随滴灌频率的增加呈现不同变化趋势。在W1和W2灌水水平下，春玉米LAI随滴灌频率的增加而增加，且D1处理的LAI显著高于D2和D3，W1D1较W1D2和W1D3的LAI分别提高7.37%～10.12%和10.07%～17.56%、W2D1较W2D2和W2D3分别提高5.86%～7.88%

表3 不同灌水处理下春玉米的叶面积指数(LAI)Table 3 Leaf area index (LAI) of spring maize under different irrigation treatments

和10.80%～13.98%；在W3灌溉水平下，春玉米LAI随滴灌频率的增加呈现先增加后减小的趋势，于D2处理下达到最大，其中W3D2较W3D1和W3D3的LAI分别增长2.79%～5.35%和5.74～10.15%。总体而言，W3D2更利于LAI的提高。

2.2 不同灌水处理对春玉米地上部干物质累积量的影响

由表4可知，春玉米地上部干物质累积量随生育期推进不断增加，各处理间的差异随生育期的推进而开始显现。苗期地上部干物质在各灌水处理间差异不显著；拔节期干物质累积量随灌水量的增加显著增大。但同一灌水量下，不同滴灌频率间差异不显著；吐丝期各处理春玉米地上部干物质累积量相对于拔节期增加显著，其中W3D2总累积量最大，达12 829.64 kg/hm2，但与W3D1无显著性差异；灌浆期干物质累积量持续增大，变化规律与吐丝期相似，W3D2显著高于其他处理；成熟期春玉米总干物质累积量受灌水量影响显著，干物质累积量随灌水量的增加显著增大，在同一滴灌频率下，W3的平均总干物质量比W1和W2分别提高17.28%和7.03%。同一灌水量下，不同滴灌频率对春玉米干物质累积量的影响呈现出不同的变化规律，在W1和W2水平下，D1处理下的地上部干物质累积量都显著高于D2和D3，且W1D1较W1D2和W1D3分别增长7.36%和11.53%、W2D1较W2D2和W2D3分别增长5.33%和14.19%；而在W3水平下，地上部干物质累积量表现出随滴灌频率增加先增加后减小的趋势，说明滴灌频率过高会抑制干物质的累积。

表4 不同灌水处理下春玉米的地上部干物质累积量Table 4 Dry matter accumulation of spring maize under different irrigation treatments kg/hm2

2.3 不同灌水处理对春玉米产量及水分利用效率的影响

2.3.1产量及构成因素

由表5可知，在D1处理下，W2和W3的穗长差异不显著，但显著高于W1，此外W3的行粒数和百粒重显著高于W1和W2，但W3的秃尖长显著低于W1和W2。在D2和D3灌水处理下，W3处理的穗长、行粒数和百粒重显著高于W1和W2。在W1和W2灌水处理下，D1的秃尖长较D2和D3均显著降低，但D1的穗长、行粒数和百粒重较D2和D3均显著增大。在W3灌水处理下，D1和D2的穗长和行粒数均显著高于D3，但D1和D2之间差异不显著，D2的穗粗和百粒重都显著高于D1和D3，D1处理的秃尖长均显著低于D2和D3。总体上，增加灌水量有助于穗长、行粒数和百粒重的增长，而增加灌水频率可缩短秃尖长度。

表5 不同灌水处理下春玉米的产量及产量构成要素Table 5 Spring maize yield and yield components under different irrigation treatments

另外，相同滴灌频率下，春玉米产量随灌水量的增加而增加，于W3处理下达到最大值，平均达15 769 kg/hm2，较W1和W2分别增产29.69%和8.90%。相同灌水量下，不同滴灌频率对春玉米产量有不同程度的影响。在W1与W2灌溉水平下，D1产量最高，W1D1较W1D2和W1D3分别升高10.73%和21.76%、W2D1较W2D2和W2D3分别升高7.66%和18.92%；随灌水量增大至W3水平时，D2处理的产量显著高于其他处理，较D1和D3分别增加3.92%和13.95%。总体上，W3D2产量最高，W1D1产量最低。可见，充分灌水时，降低灌水频率至D2水平有利于实现玉米增产。此外，由显著性检验可知，灌水量、滴灌频率及其二者交互作用对春玉米产量的影响均达到极显著水平。

2.3.2耗水量和水分利用效率

英国诗人济慈也曾专门撰写诗作描述自己阅读《荷马史诗》的激动心情，包括济慈在内的许多浪漫主义诗人在创作诗歌时都会借鉴神话中的情节与人物。最为典型的例子就是拜伦，其所塑造的英雄热情坚韧，具有极强的生命力，愿付出所有抵抗罪恶，无疑是将英雄人物神化。

由表6可知，各处理春玉米耗水量介于395.39～526.88 mm。其中W3D2耗水量最高，为526.88 mm，显著高于其他处理；W1D3处理最低，为395.39 mm，显著低于其他处理。当滴灌频率相同时，W3处理下春玉米耗水量显著高于W1和W2，分别升高23.41%～30.57%和8.52%～13.13%。当灌水量相同时，D1处理下春玉米耗水量显著高于D2和D3(除D1W3和D2W3)。总体而言，增加灌水量春玉米耗水量有上升趋势。

表6 不同灌水处理下春玉米的水分利用效率Table 6 Water use efficiency of spring maize under different irrigation treatments

灌水量、滴灌频率及其二者交互作用对春玉米的WUE影响极显著，见表6。在D2水平下，W3的WUE均高于W1和W2；D1和D3水平下，适当的水分亏缺可促进春玉米的WUE提高，其中W2D1的WUE较W1D1和W3D1分别增加3.15%和6.17%，W2D3的WUE较W1D3和W3D3分别增加2.88%和1.06%，W2D3和W3D3差异不显著。在W1和W2灌水水平下，增大滴灌频率可显著提高春玉米的WUE，其中W1D1的WUE较W1D2和W1D3分别增加7.46%和14.03%，W2D1的WUE较W2D2和W2D3分别增大4.47%和14.34%；在W3灌水水平下，WUE随着滴灌频率的增加呈现先增大后减小的趋势，在D2下达到最大值，较D1和D3分别提高2.59%和11.66%。综上可知，亏缺灌溉(W1和W2)中D1处理WUE最大，充分灌溉(W3)水平下春玉米WUE在D2处理达到最大。

此外，当滴灌频率相同时，增大灌水量，IWUE呈显著下降趋势，其中W2和W3的IWUE较W1分别降低7.14%～10.26%和15.12%～32.37%。灌水量相同时，在W1和W2灌水水平下，随滴灌频率增加IWUE呈显著上升趋势，其中W1D1较W1D2和W1D3分别升高10.71%和21.78%，W2D1较W2D2和W2D3分别升高7.58%和18.90%；在W3灌水水平下，随滴灌频率增加IWUE呈先升后降趋势，其中D2较D1和D3分别升高3.86%和13.75%。综上可知，亏缺灌溉(W1和W2)中D1处理IWUE最大，充分灌溉(W3)水平下春玉米IWUE在D2处理达到最大。

2.4 综合评价

考虑到不同指标下最优灌水量和滴灌频率组合存在一定的差异，因此需要对试验结果进行综合分析：运用主成分分析数学模型对春玉米产量、WUE、IWUE、成熟期株高、茎粗、LAI、干物质累积量进行分析。结果表明产量和WUE的特征值均>1，贡献率分别为76.30%和21.95%，累积贡献率达到98.25%，涵盖了绝大部分的信息。按主成分分析理论[25]，可选前2个指标来代表最优组合筛选的主成分因子。分析可得：

第一个主成分的模型函数表达式为：F1=0.186X1+0.121X2-0.052X3+0.184X4+0.183X5+0.182X6+0.187X7；

第二个主成分的模型函数表达式为：F2=0.011X1+0.491X2+0.620X3-0.075X4+0.017X5-0.133X6+0.030X7。

式中：X1，产量；X2，水分利用效率(WUE)；X3，灌溉水利用效率(IWUE)；X4，株高；X5，茎粗；X6，叶面积指数；X7，干物质累积量。

将各主成分的方差贡献率作为权重，线性加权构建最佳灌水组合综合评价模型，为：F=0.763F1+0.219F2，最终得出不同灌水处理下春玉米综合指标的得分和排序，见表7。综合评价得分最高的处理是W3D2，其次是W2D1，得分最低的处理是W1D3。

表7 主成分分析法评价春玉米综合指标分数与排名Table 7 Evaluation of comprehensive index score and ranking of spring maize by principal component

3 讨 论

灌水量和灌水频率对作物产量具有显著的影响[9,14,28]，增加灌水量和灌水频率，作物产量有增长趋势[29]。但当灌水量增加到一定域值时，过高的滴灌频率会抑制作物干物质的积累以及产量构成要素的形成，导致产量降低[30]。本研究发现W3D2的产量最高，且灌水量和滴灌频率对春玉米影响极显著，这与黄兴法等[31]建议西北地区玉米采用中高频率灌水一致；而与张乐等[32]和王建东等[33]研究结论不尽相同，造成试验差距的原因可能与试验区气候条件、土壤质地、玉米品种和种植密度不同有关。在本试验中，同一滴灌频率下，春玉米产量及地上部干物质量均随灌溉量的增大呈现增长趋势；亏缺灌溉下，春玉米产量随滴灌频率的增加而增加，而充分灌溉处理下，相比于滴灌频率4和12 d而言，8 d处理对提高春玉米产量效果更优，这可能是由于过高的滴灌频率使根系附近一直处于较高的土壤含水量，从而抑制土壤的通气性，导致根系疾病发生和产量降低[13]。而过低的滴灌频率可能是因为灌水间隔过长，灌水前的表层土壤干燥范围扩大，使得灌水后的土壤湿润范围增大，水平入渗距离增加，垂直方向土壤储水量减少，加之连续干旱导致土壤平均含水率波动较大，土壤水分未能维持在一个比较稳定的状态，阻止了水分和矿质营养向作物输送，不利于作物生长，使得产量受到抑制。由此可见，适宜的滴灌频率可以在作物根区土壤水分和通气条件之间建立平衡，减少根系浸水，并保持较小的土壤水分波动，减少整个生长季节的植物水分胁迫，利于作物的生长和产量的提高。

水分不足是干旱半干旱地区农业生产的主要限制因子，提高作物本身的WUE是进一步实现节水增产的关键[34-35]。本试验研究发现，重度缺水时虽耗水量最低，但所获得的产量不高，从而导致重度水分亏缺未获得较高的WUE；轻度亏缺时，W2D1处理获得最佳WUE，说明增加滴灌频率，可改善水分胁迫，从而可以提高植物的WUE；充分灌溉时，W3D2处理的WUE比W2D1处理低3.32%，但增产6.21%，说明适当的滴灌频率可以获得高产和较高的IWUE[36-37]。此外，除W3外，耗水量和IWUE随滴灌频率的增加先增加后减小，其余处理均随滴灌频率的增加而增加；当滴灌频率相同时，耗水量随灌水量的增加而增加，而IWUE随灌水量的增大而减小。说明干旱胁迫可提高作物IWUE[38]。

试验结果在不同指标下存在一定的差异，且仅凭单一指标不能准确地做出评价[39]，而基于各指标的综合分析与评价能有效地克服单一指标评价片面的问题，更能确保结果的科学性和客观性[40]。本试验通过主成分分析法对9种不同灌水处理的产量、WUE、IWUE、株高、茎粗、叶面积指数、干物质累积量7项指标进行综合评价与分析。结果表明，7项指标中主要由玉米产量和WUE决定，其累积贡献影响力达98.25%，且当灌水量为100% ETc、灌水频率为8 d时，春玉米综合评分排名最高，可作为河西地区灌水量和滴灌频率的最佳组合。但由于气候因素对灌水量和滴灌频率影响较大，因此还需要进一步的田间试验加以优化。

4 结 论

本研究通过研究不同灌水量和滴灌频率对河西地区春玉米生长、产量及水分利用效率的影响，获得的主要结论如下：

1)灌水量和滴灌频率对作物生长和产量的形成具有显著促进作用，在亏缺灌溉条件下，春玉米株高、LAI、干物质累积量和产量均随滴灌频率的增加而增加，而在充分灌溉条件下，春玉米株高、LAI、干物质累积量和产量随滴灌频率的增大先增大后减小。其中W3D2处理对作物生长和产量的形成效果最佳，且获得最高产量为16 658 kg/hm2。

2)灌水量和滴灌频率对春玉米WUE和IWUE有极显著的影响。其中W2D1获得最佳WUE为3.27 kg/m3，W3D2次于W2D1处理，为3.16 kg/m3；灌水量对春玉米耗水量有显著影响，且于W3(100% ETc)下获得最大值。

3)综合考虑春玉米生长指标、产量、WUE和IWUE，以及主成分分析法对春玉米指标的综合评分排名，推荐灌水量100% ETc、灌水频率8 d作为甘肃省河西地区春玉米灌水管理最佳组合。