东北地区不同灌溉方式对玉米生长及其产量的影响

李明宇

（辽宁省防汛抗旱指挥部办公室，辽宁 沈阳 110003）

1 引言

在中国，农业是用水大户，用水总量4 000亿m3，占全国总用水量的70%，其中农田灌溉用水量3 600—3 800亿m3，占农业用水量的90%—95%。水资源不足严重制约着中国北方干旱、半干旱地区的农业生产[1，2]。根据作物产量与水分关系，发展节水灌溉，力求用尽可能少的水资源达到农作物稳产和高产，是缓解干旱、半干旱地区水资源紧缺的一条切实可行的途径[3，4]。

东北四省区是我国玉米最主要的产区，种植面积和总产量均占到全国30%左右，对保障我国粮食安全起着重要的作用。由于近些年东北地区干旱频发，受旱持续时间长、受灾面积大、玉米减产幅度大等问题，我国粮食安全受到了严重威胁。为了确保我国粮食安全，国家在农田中增加了大量灌溉设备，如何用好这些灌溉设备是摆在我们面前的一项突出问题。因此，研究喷灌、滴灌及自然降雨条件下的作物需水规律及灌溉制度的重要性日益明显。喷灌与农户常用的地面灌溉相比，可节水30%—50%，提高粮食作物产量10%—20%，经济作物20%—30%，蔬菜1—2倍[5，6]；与管灌相比，喷灌可提高水分利用效率17.67%[7]。实施喷灌还能调节田间的小气候，提高农产品的品质，防治作物的病虫害，促进灌溉的机械化、自动化[8]。膜下滴灌是将滴灌技术与覆膜种植技术有机结合起来的灌溉技术。滴灌可实现作物按需供水，其灌水方式可使作物根区土壤经常保持较高的含水量；覆膜减少了水分散失，提高了水分利用的有效性。膜下滴灌技术创造了有利于作物生长发育的水、肥、气、热环境，获得较好的节水增产效果[9]。

玉米是辽宁北部风沙区的主要粮食作物，在当地率先开展玉米膜下滴灌、喷灌及自然降雨三种不同灌溉条件下的对比研究，以探求更加高效、实用的灌溉方式及设备，为当地农业灌溉提供技术支撑。

2 材料和方法

2.1 试验区概况

试验于2019年在辽宁省阿尔乡灌溉试验站进行，试验站位于辽宁省阜新市彰武县阿尔乡镇北甸子村，地处科尔沁沙地南缘，东、西、北三面与内蒙古科左后旗比邻，属于温带半干旱季风气候，其主要特征是干燥，风沙大。年平均气温6.1℃，平均湿度58%，无霜期154天；多年平均降水量为307mm，多年平均蒸发量1 777.6—1 783.4mm；降水量年内分布不均，夏季降水量占全年降水量的66%以上；年平均风速3.7—4.2m·s-1，最大风速24m·s-1，干燥系数1.0—1.8，沙包天气10—15d，主要出现于春季。土壤为风沙土，干容重1.69g·cm-3，土壤颗粒粒径主要分布在0.075—2mm之间，其中0.5—2mm 占 0.5%，0.25—0.5mm 占 28.3%，0.075—0.25mm占69.7%，小于0.075mm颗粒占1.8%。有机质含量为0.66mg·kg-1，土壤碱解氮7.2mg·kg-1，速效磷1.7mg·kg-1，速效钾19.1mg·kg-1，全氮0.006mg·kg-1，田间持水率为6.32%，饱和含水率为16.88%，试验区地下水埋深为1.5—2.8m。

2.2 试验设计

试验为单因素试验，设置三种不同灌溉方式，即自然降雨、膜下滴灌和大田喷灌，每个处理设置三次重复。自然降雨条件即全生育期不灌水，仅靠自然降雨；膜下滴灌，滴灌带位于垄中央，单条滴灌带灌溉两行玉米，滴头间距0.3m，滴头流量4L/h，全生育期滴灌水总量为110mm，分五次灌溉，每次灌水时期及水量见表1；喷灌选用压力式喷头，喷管高于地面1.5m，喷头喷射半径为7.5m，出水量12L/h，全生育期灌水200mm，每次灌水时期及水量见表1。本试验三个试验处理的玉米栽培品种选用当地品种“辽单565”，施肥、喷药、除草等管理措施采用当地中高产管理模式，三个灌溉试验处理除灌溉方式不同外，其余试验条件均保持一致。玉米采用大垄双行种植，垄距1.2m，玉米宽行距0.8m，窄行距0.3m，种植密度为5.56万株/hm2。每个试验小区内有5垄，垄长5m，小区面积达30m2，种植面积较大，能够满足试验要求。

表1 不同试验因素及灌溉方法

2.3 观测指标

2.3.1 土壤容重和田间持水量

在土壤翻耕前，挖1m土壤剖面，以20cm为一层，逐层采集，测定土壤含水量，土壤容重、田间持水量，具体指标测定值见表2。

表2 不同土层深度土壤水分测定值

2.3.2 土壤含水量监测

自播种后，每间隔7天监测一次土壤含水量，直至收获。采用土钻取土，取样深度100cm，以20cm为一层；各处理选取三个样点取样，烘干称重测定含水量；滴灌处理在距滴头水平距离20cm、40cm、60cm、80cm、100cm等处分别取样。每次较大降水及灌水前、后都加测。

2.3.3 灌水量

采用水表对每个处理小区单独计量。

2.3.4 玉米生长性状

株高、茎粗、叶面积为10天观测一次。

（1）株高

每个处理选取10株定点挂牌进行测量，抽雄期前为土面至最高叶尖的高度，抽雄期后由土面量至雄穗端的高度。

（2）叶面积每个点或处理定点挂牌测量3—5株，7—10天观测一天，；采用卷尺测量玉米植株株高和全部展开叶的叶长，最大叶宽，并将它们相乘再乘以经验系数0.75，然后将所有叶片面积相加获得，从而计算出叶面积。

（3）茎粗

对不同处理测定株高的同时，采用游标卡尺测定茎粗，抽雄以前测定离地面6cm的橫位直径（位置固定），抽雄期后测定玉米植株地上第三节中部的橫位直径，不同处理的测定高度及方法要一致。

2.3.5 产量

在玉米收获时期对玉米果实进行考种测产。包括穗长、秃尖长、穗粗、穗行数、穗粒数、百粒重及产量。

3 结果与分析

3.1 不同灌溉方式对玉米株高、茎粗的影响

由图1可知，各处理下玉米株高变化整体趋于一致，在生长期内持续增高，到抽雄灌浆期内趋于平稳，成熟期达到最高；由表3知，各处理出苗时间不同，膜下滴灌处理出苗最早，喷灌处理出苗时间推迟1天，自然降雨处理推迟2天；各处理在7月1日前（7叶期末）株高差距不大，7月11日（拔节期）后株高差距逐渐加大，株高一直表现为膜下滴灌＞喷灌＞自然降雨。从出苗到七叶期之间，各处理玉米株高差异不大，表明苗期不同灌溉方式对玉米生长影响较小。图2为各处理方式的最终株高，方差分析显示膜下滴灌与自然降雨的最终株高差异显著，不同处理其株高大小顺序为膜下滴灌＞喷灌＞自然降雨，膜下滴灌的最终株高比自然降雨高56%。三种灌溉方式下玉米茎粗波动不大，基本上保持膜下滴灌＞喷灌＞自然降雨的趋势。与自然降雨相比，喷灌和膜下滴灌可分别增加最终茎粗11%和42%。

图1 不同灌溉方式下的株高、茎粗变化

表3 不同灌溉方式生育期划分

图2 不同灌溉方式下最终株高方差分析

3.2 不同灌溉方式对玉米叶面积的影响

不同处理下玉米叶面积变化过程由图3可见，6月30日前各处理叶面积指数差异不明显，待7月10日（拔节）后，各处理叶面积出现明显差异，膜下滴灌植株叶面积最大，其次为喷灌，自然降雨处理植株的叶面积最小。7月30日抽雄后叶面积达到最高值，其中膜下滴灌的最大，其次是喷灌，最后是自然降雨，随后进入成熟期，植株底部的叶片开始衰败，绿叶面积减少。不同灌溉方式下玉米叶面积从苗期到成熟期呈现单峰曲线变化，抽雄期叶面积最大，随后下降，处理间叶面积差异最大是在抽雄期。

图3 不同灌溉方式下的叶面积变化

3.3 不同灌溉方式对玉米产量及产量构成的影响

表4 为试验各处理作物考种指标的对比，分别对穗长、秃尖长、穗粗、穗行数、穗粒数、百粒重六项指标进行对比。首先是秃尖长，大小顺序为膜下滴灌＞喷灌＞自然降雨，但三者之间没有显著差异；穗长大小顺序为膜下滴灌＞喷灌＞自然降雨，但三者之间没有显著差异；穗粗大小顺序为喷灌≈膜下滴灌＞自然降雨，但三者之间没有显著差异；穗行数大小顺序为喷灌＞膜下滴灌＞自然降雨，但三者之间没有显著差异；穗粒数大小顺序为喷灌＞膜下滴灌＞自然降雨，其中喷灌与滴灌处理无显著差异,但均显著高于自然降雨；百粒重大小顺序为膜下滴灌＞喷灌＞自然降雨，其中喷灌和膜下滴灌较自然降雨分别提高49%、62%，喷灌和膜下滴灌无显著差异，但均显著高于自然降雨。各项指标中，喷灌和膜下滴灌可显著增加玉米穗粒数与百粒重。所有考种指标中，膜下滴灌和喷灌处理明显强于自然降雨，反映出灌水处理优于自然降雨，而膜下滴灌灌溉方式对于玉米产量的增长促进作用最大。与自然降雨相比，膜下滴灌和喷灌可分别增加玉米产量43.05%、23.32%，均达到显著性水平。

表4 不同灌溉方式下的产量指标

3.4 不同灌溉方式对土壤水分及水分利用效率的影响

不同处理方式土壤含水率均值数据如表5，变化趋势如图4所示，各处理整体变化趋势一致，在生长期内均为三次过程升降。自然降雨和膜下滴灌波动较大；喷灌处理曲线变化最为平缓，为三组中波动最小的一组，稳定性较好；膜下滴灌整体含水率较高，含水量较高，尤其在玉米播种时期、出苗时期要明显强于喷灌和自然降雨处理，可见覆膜处理在早期玉米植株覆盖率较低时保水性较好，这对玉米的生长起到很大的促进作用。从水分利用效率看，膜下滴灌较喷灌和自然降雨可分别提高93%、53%。

图4 不同处理方式土壤含水率变化趋势

表5 不同处理的水分利用效率

4 讨论

一般研究均表明，玉米的生长对水分条件较为敏感。姚启伦等研究表明，水分缺乏时，株高、总叶面积、地上部干质重等均不同程度地下降[10]。焦艳平等研究也表明，株高、茎粗、叶面积指数、地上部分干物质积累量等均随着土壤水势的升高而增加[11]。相关实验表明，株高是玉米获得高产的基础，与籽粒重及饱满程度密切相关。株高变小往往会造成玉米叶面积变小，光合功能降低，直接影响玉米干物质积累及生物学产量的形成[12]。本研究膜下滴灌的土壤水分高于自然降雨和喷灌，这在一定程度上为玉米生长提供了一个较好的水分环境从而促进了玉米的生长。喷灌和膜下滴灌较自然降雨均能提高玉米植株的株高，且膜下滴灌的作用效果更好。三种灌溉方式下玉米茎粗波动不大，但喷灌和膜下滴灌的茎粗始终高于自然降雨，可见有灌溉保证的处理茎粗要优于自然降雨条件，而对于膜下滴灌和喷灌这两种灌溉方式，膜下滴灌的茎粗值始终高于喷灌，可见膜下滴灌更有利于玉米茎部生长。

5 结论

通过玉米不同灌溉方式试验研究，得到以下结论：

（1）不同控制灌溉方式下土壤含水率会发生明显变化，在玉米播种时期、出苗时期膜下滴灌土壤含水量要明显高于其他两组处理。

（2）在玉米生长指标方面，其株高、茎粗、叶面积平均值均出现膜下滴灌＞喷灌＞自然降雨的顺序，表明膜下滴灌更适合促进玉米生长。

（3）膜下滴灌条件下玉米产量最高，喷灌处理产量也有增加，较自然降雨分别增加43.05%、23.32%，自然降雨产量最低。

（4）综合比较三种不同灌溉方式，膜下滴灌是最适合在本地推广的灌溉方式。