河西地区滴灌春玉米对不同灌溉决策方法的响应

2022-09-25杨睿范军亮赖珍林许新宇

排灌机械工程学报 2022年9期

杨睿，范军亮，赖珍林，许新宇

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

玉米是河西走廊地区第一大粮食作物，其高产稳产对于保障粮食安全和提高农民的生活质量具有重要意义[1-2]．河西走廊气候干旱，年蒸发量大[3]，降雨无法满足作物生长需求，灌水是保证作物高产的必要手段．而河西地区灌溉水利用效率低、水资源浪费严重，制定合理的灌溉制度十分必要[4]．

前人已经提出了多种用于灌溉决策的方法，例如基于土壤水分、蒸散量、土水势、植物水分状态等的决策方法[5-6]．然而，这些研究结果因地区、作物以及方法不同而有所差异．

根据蒸散量确定灌溉制度是一种广泛使用的灌溉决策方法．该方法主要通过估算作物蒸散量，当作物蒸散量累积超过一定阈值时触发灌溉；又或是确定灌水周期，通过利用气象数据计算周期内作物蒸散量，从而确定灌水量[7-8]．然而，用实测气象资料进行ET0计算势必会造成补充作物水分的滞后，因此一些学者将天气预报数据进行解析后应用Pemman-Monteith公式进行ET0预测[9]．此外，一些学者将人工神经网络和支持向量机应用到参考作物蒸发蒸腾量的预测中，均得到了满意的结果[10]．

基于土壤水分和土水势的灌溉决策方法，是将监测值与阈值相比较，从而确定灌水时间．国内外学者通过设置不同的水分控制下限处理，探究并制定了包括棉花、枸杞、长枣等不同作物采用膜下滴灌的灌溉制度，效果良好[11]．在确定灌水量方面，通常采用固定水量，或灌至一定的土壤含水量阈值(例如田间持水量)的方法．

目前，国内虽然已经提出了许多用于灌溉决策的方法，但多是对同一灌溉决策方法下不同水平的研究，无法比较依据不同灌溉决策方法所制定的灌溉制度之间的优劣．此外，对于玉米等粮食作物的增产机制还缺乏系统研究，尤其是不同灌溉决策方法对作物生长指标和生理特性的影响还需要进一步探索．针对这些问题，文中研究不同灌溉决策方法对河西地区春玉米生长、产量及水分利用效率的影响，以期探索适宜河西地区春玉米生长的灌溉决策方式，为当地春玉米高产高效生产提供科学依据．

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站(102°51′E，37°50′N)进行，海拔1 581 m，为大陆性温带干旱气候．该地区多年平均气温为8 ℃，春玉米生长季(4—9月)年平均降水量约为135.4 mm，年均蒸发量为2 000 mm．试验区土壤剖面(0～120 cm)土壤容重为1.52 g/cm3，田间持水量为29%(体积含水量，下同)，凋萎系数为13%，饱和含水量为42.6%，土壤 pH值约8.22．灌溉水源为矿化度0.71 g/L的地下水，地下水埋深为40 m以上．试验期间日平均气温为19.35 ℃，降雨量为98.2 mm．春玉米生育期：苗期(05-01—06-08)、拔节期(06-09—07-01)、抽雄期(07-02—07-25)、灌浆期(07-26—08-23)、成熟期(08-24—09-14)．

1.2 试验设计

试验包括3种灌溉决策方法(土壤水分、蒸散量、土水势)，并依据3种决策方法设置10个灌溉处理．①基于土壤水分的灌溉决策方法设置了3个可利用土壤体积含水量(田间持水量和凋萎含水量之差)的比例作为灌水下限[12]，即90%，70%和50%可利用土壤体积含水量(分别用CK，W1，W2表示)，灌水上限均为田间持水量．②基于蒸散量的灌溉决策方法，设置为每周一灌，过去一周蒸散量通过Pemman-Monteith公式和实测气象数据计算(分别用EP100，EP80表示100%和80%过去一周蒸散量)；未来一周蒸散量通过支持向量机算法建立历史蒸散量与气象数据之间的关系，再将未来一周天气预报气象数据代入所建模型得到(分别用EF100，EF80表示100%和80%未来一周蒸散量)．③基于土水势的灌溉决策方法设置-25，-45和-65 kPa(分别用P25，P45，P65表示)3个灌水下限，灌水上限均为-5 kPa．

试验设置的10个灌水处理的灌水方案见表1，表中I为灌水量，n为灌水次数．每个处理重复3次，随机区组排列，共30个小区，小区面积为5 m×10 m，试验区四周设有2 m宽的保护区，相邻2个小区间设0.5 m宽的隔离带．

表1 不同处理田间灌水方案Tab.1 Irrigation scheduling in different treatments

供试玉米品种为“中地88”，为河西走廊地区广泛种植品种．试验所用地膜宽100 cm，厚0.008 mm．各处理施肥量与施肥时间一致，试验田施肥总量：氮肥、磷肥、钾肥分别为240，120，60 kg/hm2，整个生育期共施肥4次，每次施肥量占总施肥量分别为20%(苗期)、30%(拔节期)、30%(抽雄期)、20%(灌浆期)．春玉米于2020年4月播种，9月收获，种植模式为一膜两管四行，种植密度为80 000株/hm2．灌水处理从三叶一心期开始进行，春玉米灌溉计划湿润层深度苗期为40 cm，拔节期为60 cm，抽雄期后为100 cm．

1.3 测定项目及方法

1) 气象数据．试验站内标准气象站(Hobo，Onset Computer，USA)记录作物全生育期内气温、降雨、太阳辐射、相对湿度、风速和大气压等数据．

2) 土壤水分和水势．土壤含水率：每个小区安装EM50数据采集器测定土壤体积含水率，EM50连接有5个ECH2O水分探头，埋深分别为10，20，30，50和80 cm，每15 min测定1次，对春玉米整个生育期土壤水分进行动态测定，数据采集器自动记录．同时用烘干法，分别在灌水前土钻取土，选取小区内宽行中间、窄行中间、株间3个位置点取土．土壤水分测定分别在[0,20)，[20,40)，[40,60)，[60,80)，(80,100] cm土层，每个处理随机选取3组测点，105 ℃烘干至恒重后称重，取3组数据的均值．

土水势：每个小区埋设1个真空表式负压计，埋设位置为滴头正下方20 cm处，以监测土壤基质势．

修水历史悠久，由上奉山背遗址证明，在新石器时期，这里就已经有人类在这里生活了。在漫长的岁月里，经过几千年的沉淀，造就了深厚的人文底蕴。修水称“文章奥府”，为“濂溪弦铎之地，山谷桑梓之乡”，文化教育兴盛，诞生了宋代著名书法家、江西诗派鼻祖黄庭坚，清一代帝师万承风，近代“陈门五杰”——清末维新派陈宝箴、著名诗人陈三立、著名画家陈衡恪、清华四大国学大师之一陈寅恪以及著名植物学家陈封怀均等众多名人。

3) 生长指标．在春玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期，各处理随机选取3株植物样，使用卷尺以及游标卡尺测定株高和叶面积指数．同时将夏玉米植株分离为茎、叶、穗，105 ℃杀青30 min，在75 ℃下烘干至恒重，使用精度为0.1 g的天平称重．

4) 产量．收获时各小区随机选取10株玉米，每小区取3次重复，风干至籽粒水分质量分数为14%时测定产量．

5) 水分利用效率，计算式为

WUE=Y/ET，

(1)

式中：Y为产量，kg/hm2；ET为蒸散量，mm．

ET=P+I+W1-W2，

(2)

式中：P为降雨量，mm；I为生育期灌水量，mm；W1，W2分别为播前、收获后土壤贮水量，mm．

W=10γHθ，

(3)

式中：W为土壤贮水量，mm；γ为土壤容重，g/cm3；H为土层深度，cm；θ为土壤质量含水率，%．

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对试验数据进行处理，用SPSS 20.0软件进行数据分析，方差分析采用最小显著差异LSD法进行，采用Origin 9.2作图．

2 结果与分析

2.1 春玉米株高变化

图1为灌溉决策方法对春玉米株高h的影响．由图可以看出，不同灌溉决策方法下，春玉米株高在苗期差异不具有统计学意义，而从拔节期开始各处理间株高差异具有统计学意义．同一灌溉决策方法下，不同水平处理之间的株高变化规律基本一致．基于土壤水分调控的春玉米株高，表现为土壤水分下限越高，株高越大，即按处理排序由大到小为CK，W1，W2，其中CK与处理W1下的株高显著高于W2，说明植株生长需要充足的水分供应．基于蒸散量调控的株高，按处理排序由大到小为EF80，EF100，EP80，EP100；基于未来一周蒸散量调控下的春玉米株高，高于基于过去一周蒸散量调控下的春玉米株高．基于土水势调控下春玉米株高，表现为灌溉下限越高，株高越大，即按处理排序由大到小为P25，P45，P65，与基于土壤水分调控下株高规律一致．此外，处理W2下株高自拔节期起显著低于其他处理，主要原因是春玉米生长关键时期受到的水分胁迫较严重．各组内最优处理的株高峰值组间比较，表现为h(CK)≈h(P25)>h(EF80)，并且处理间差异不具有统计学意义．

图1 灌溉决策方法对春玉米株高的影响Fig.1 Effects of irrigation decision-making methods on plant height of spring maize

2.2 春玉米叶面积指数变化

图2为灌溉决策方法对春玉米叶面积指数LAI的影响．由图可以看出，在春玉米的全生育期，叶面积指数呈现先快速增长，随后缓慢增长；灌浆期过后，叶片开始衰老脱落，各处理的叶面积指数均有不同程度减小．在拔节期和抽雄期，处理W2的叶面积指数显著小于CK和W1的，而CK与W1的叶面积指数差异不具有统计学意义．当叶面积指数达到峰值时，处理CK和W1的叶面积指数分别比W2增大13.28%和8.24%．

图2 灌溉决策方法对春玉米叶面积指数的影响Fig.2 Effects of irrigation decision-making methods on leaf area index of spring maize

基于蒸散量调控下LAI差异较小．基于土水势调控下LAI指数整体表现按处理排序由大到小为P25，P45，P65；处理P25和P45的LAI峰值分别比P65增大9.87%和3.81%．各组内最优处理的LAI峰值之间差异不具有统计学意义．此外，在成熟期CK的LAI相较于其他处理表现出了更快的下降速度，可能的原因是成熟期玉米耗水量减小，适当降低土壤水分有利于减缓叶片衰老．

2.3 春玉米干物质积累量变化

图3为灌溉决策方法对春玉米干物质积累DMA的影响．由图可知，春玉米的干物质积累量随着生育期推进而不断增大，成熟期时达到峰值．

图3 灌溉决策方法对春玉米干物质积累的影响Fig.3 Effects of irrigation decision-making methods on dry matter accumulation of spring maize

在春玉米拔节期，处理W2的干物质积累量显著低于其他处理，这是由于W2在拔节期灌水量较少，春玉米受到的水分胁迫较严重．在灌浆期和成熟期，玉米籽粒迅速发育，地上部干物质积累量增加明显，该阶段是玉米营养生长的关键期，需水量较大．同一灌溉决策方法下干物质积累规律基本一致，与灌水量成正相关关系．基于土壤水分调控的春玉米干物质积累表现按处理排序由大到小为W1，CK，W2；基于蒸散量调控的干物质积累表现按处理排序由大到小为EP100，EP80，EF100，EF80；基于土水势调控的干物质积累表现按处理排序由大到小为P25，P45，P65．成熟期时各组内干物质积累最优处理进行比较，表现按处理排序由大到小为W1，EP100，P25．

2.4 春玉米产量和水分利用效率变化

表2为灌溉决策方法对春玉米产量及水分利用效率的影响．

表2 灌溉决策方法对春玉米产量及水分利用效率的影响Tab.2 Effects of irrigation decision-making methods on yield and water use efficiency of spring maize

由表可知，同一灌溉决策方法下，基于土壤水分调控的春玉米产量表现按处理排序由大到小为W1,CK,W2，处理W1的产量显著高于W2，而CK的产量与W1和W2之间差异均不具有统计学意义；基于蒸散量调控的春玉米产量具体表现按处理排序由大到小为EP100，EP80，EF100，EF80，其中处理EP100下的产量显著高于EF100，处理EP80的产量显著高于EF80，而EP100和EP80，EF100和EF80之间差异均不具有统计学意义，原因是基于过去一周蒸散量调控的灌溉制度分配于玉米籽粒发育期的水分更多．基于土水势灌溉决策下，处理P25的产量显著高于P45和P65，而处理P45和P65的产量差异不具有统计学意义．此外，处理W1的产量显著高于EP100和P25，分别提高6.90%和8.28%．由表还可知，处理EP100的水分利用效率显著高于P25和W1，分别提高14.50%和19.13%．同一灌溉决策方法下，处理W2的WUE显著高于CK和W1，处理EP100，EP80，EF80的WUE均显著高于EF100，处理P65的WUE显著高于P45，但与P25之间差异不具有统计学意义．

3 讨论

春玉米各生育期对土壤水分的消耗有一定的差异，不同灌溉决策方法可能导致土壤水分盈余或亏缺．秦一等[13]研究发现，玉米一生需水动态基本遵循“前期少，中期多，后期偏多”的变化规律，这与文中研究结果相似，苗期和拔节期春玉米生长对水分的需求较小．虽然总体规律表现为灌水量越大，则春玉米株高和叶面积增长越快，但各处理间峰值差异大多不具有统计学意义．不同灌溉决策方式下，干物质积累在拔节期-抽雄期规律相似，处理仅W2显著低于其他处理．与其他处理相比，处理W2的灌水下限较低，灌水周期较长，春玉米植株生长发育的关键时期受到的水分胁迫严重．

文中研究发现，处理CK的干物质积累量最大，这是由于CK的灌水频率和灌水定额都较大．处理W1，EP100，P25和P45的灌水周期较CK长，但单次灌水量大，干物质积累量表现突出．成熟期春玉米干物质积累规律与灌浆期基本一致，这是由于株高发育停滞，叶面积指数开始减小，籽粒基本定型，此时主要进入干燥脱水过程．

邹宇锋等[14]研究发现，灌水水平越高，玉米籽粒产量越大．文中研究结果表明，不同灌溉决策方法下春玉米产量基本表现为随灌溉定额增大而增大．其可能原因是，不同灌溉决策方法通过调控春玉米全生育期的灌水总量和灌水分配，从而影响春玉米的产量和水分利用效率．

此外，作物耗水量也与灌溉定额成正比，这与殷韶梅等[15]研究结果一致．然而，产量与耗水量之间并不是简单的线性关系．处理CK和W1的产量分别比EP100高出2.34%和6.90%，但是耗水量分别比EP100高出了26.13%和27.35%，处理CK和W1耗水量比P25高出了11.57%和12.65%．处理EP100和EP80的水分利用效率显著高于处理CK，W1和P25，说明不同灌溉决策方法下春玉米产量表现优异的处理中，基于蒸散量调控的灌溉在水量分配上优于其他灌溉决策方法，利于春玉米植株利用更多水分在产量的形成上．

不同灌溉决策方法各有其优点和适用性．基于土壤含水量调控的灌溉制度，通过测量获得当前的土壤含水量状况，进一步确定灌水量，该决策方法主要依赖于土壤水分的测量精度和准确性．但田间土壤含水量具有较强的时空变异性，同时土壤水分传感器价格较为昂贵，目前该灌溉决策方法还不适于中国大面积推广和应用．基于蒸散量调控的灌溉制度，通过估算作物蒸散量进行灌溉，能满足作物实际水分需求，而中国的实测气象数据通过气象站获得，优点是准确和获取便捷，在固定区域范围建立气象站，研发相应的灌溉决策系统，为该区域农民提供灌溉指导可行的方案；而相较之下，依据天气预报网站预测所得的气象数据准确度还有待于提高，并且依据天气预报数据估算蒸散量的技术尚不够成熟．基于土壤水势调控的灌溉制度，能够直接衡量土壤基质对水分的吸纳能力，较其他方法更方便简单，但是张力计需要人为监测读数以及易损坏的特点也限制了该方法的广泛应用．