黃彩霞，張恒嘉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)水利工程系，蘭州 730070)

有限水分管理不僅能提高果樹等經(jīng)濟作物和大田作物的產(chǎn)量及水分利用效率，也可明顯改善農(nóng)田水分環(huán)境[1,2]。研究表明，有限水分利用可顯著節(jié)水并提高作物產(chǎn)量或保持不減產(chǎn)[3-5]。春小麥拔節(jié)期灌水50 mm(土壤水分保持在45%～50%的田間持水量)而其他生育期充分灌水(相對含水量為65%～70%)對作物產(chǎn)量和水分利用效率提高最為有利，為適宜的灌水模式[6]。玉米苗期和拔節(jié)期限量灌水(土壤水分分別保持在50%～60%和60%～70%的田間持水量)可既提高作物產(chǎn)量又提高水分利用效率[7]。拔節(jié)期不灌水或少量灌水時玉米根系在深層土壤分布較充分灌水時多，有利于作物充分吸收利用深層土壤水分，而后期灌水則可延緩表層根系生長的衰退，產(chǎn)生明顯的補償效應(yīng)[8]。也有研究認為，拔節(jié)期灌水對玉米株高和干物質(zhì)積累影響明顯，苗期與拔節(jié)期灌水不足產(chǎn)生連續(xù)干旱，對產(chǎn)量影響極大；抽雄期為玉米需水關(guān)鍵期，應(yīng)充分灌水，此期灌水量不足顯著降低作物產(chǎn)量和水分利用效率；灌漿期適度減少灌水量則有利于作物節(jié)水增產(chǎn)[9]。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，旱地冬小麥拔節(jié)期、玉米大喇叭口期和谷子始穗期分別補充灌水180、600和450 mm/hm2，可使作物增產(chǎn)57.1%、57.4%和20.5%，且隨著灌水量的增加，產(chǎn)量增幅明顯，表現(xiàn)出有限水分的超補償效應(yīng)[10, 11]。不同灌水量也可使旱地高粱、花生、大麥、棉花、大豆等作物增產(chǎn)9.2%～120%，與充分灌水相比產(chǎn)量降低不明顯，但水分利用效率卻提高1倍以上[12-14]。

對春小麥而言，播種-三葉是其耗水量相對較小的時期，其中播種-出苗時段耗水量介于8.6～28.5 mm，耗水模系數(shù)為9.9%，出苗-三葉期耗水量為16.5～21.0 mm，耗水模系數(shù)9.0%，而拔節(jié)-開花期則為耗水量和耗水模系數(shù)最大的時期[19]。膜孔溝灌春玉米播種-拔節(jié)期植株耗水量小，耗水模系數(shù)僅14%～19%，拔節(jié)后階段耗水量較大，耗水模系數(shù)為23%左右；抽雄-灌漿為玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，階段耗水量和耗水模系數(shù)均達到最大值，在35%以上；灌漿-成熟耗水模系數(shù)降至24%左右[20]。

本文利用中子儀結(jié)合烘干稱重法，通過連續(xù)監(jiān)測綠洲春玉米農(nóng)田土壤水分，研究了不同灌水量對玉米農(nóng)田土壤水分時空變異特征、作物階段耗水量與耗水模系數(shù)、葉面積指數(shù)和作物產(chǎn)量變化的影響，以期為綠洲灌區(qū)玉米農(nóng)田水分管理提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 自然概況

試區(qū)位于甘肅河西走廊中段臨澤縣北部(39°21′N，100°07′E)，海拔高度為1 367 m，綠洲外與巴丹吉林沙漠南緣相接，主要依賴黑河水，為典型的沙漠綠洲，屬大陸性干旱荒漠氣候類型，全年日照時數(shù)3 021 h，年太陽總輻射量143 kJ/cm2。年均降水量117 mm，年蒸發(fā)量2 390 mm，為降水量的20多倍；年均氣溫7.6 ℃，最高和最低氣溫為39.1和-27 ℃，≥10 ℃的年積溫為3 088 ℃，無霜期105 d；主風(fēng)向為西北風(fēng)，風(fēng)沙活動集中在3-5月，年均風(fēng)速3.2 m/s，大于8級大風(fēng)日數(shù)年均15 d；年日照時數(shù)3 045 h；該區(qū)常年平均地下水位4.2 m，毛管水上升高度65 cm，地下水不能補給到作物根系分布層，向上補給量可忽略不計；凍土深度1.0 m左右；干旱高溫和多風(fēng)是其主要氣候特點。地帶性土壤為灰棕荒漠土，為綠洲新墾沙地，0～20、20～40、40～60 cm和60 cm以下土層深度土壤容重分別為1.46、1.48、1.56和1.53 g/cm3，0～60 cm土層田間持水量為21.5%。2014年玉米生長季降雨量124.6 mm，多于多年平均值(圖1)。

圖1 試驗?zāi)甓却河衩咨趦?nèi)降雨量Fig.1 Monthly precipitation distribution in maize growing season

1.2 試驗布置

試驗設(shè)5個處理，1個對照，分別在玉米拔節(jié)、大喇叭口、孕穗、抽雄、吐絲、灌漿期限量灌水。各處理不同生育期灌水量依據(jù)當(dāng)?shù)赜衩坠嗨畬嶋H確定；傳統(tǒng)灌溉處理各生育期灌水量按當(dāng)?shù)赜衩坠嗨康纳舷薮_定，作為充分供水對照。本試驗灌水方式為畦灌，系當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌水方法，水表嚴格控制灌水量。玉米不同處理及對照全生育期灌水量見表1。試驗每一處理及對照均重復(fù)3次，小區(qū)面積70 m2(12.5 m×5.6 m)，完全隨機區(qū)組設(shè)計。試驗春玉米為當(dāng)?shù)刂髟云贩N沈單16號，于2013年10月進行勻地，2014年3月30日覆膜，4月5日播種，膜內(nèi)種植，播種密度為8 萬株/hm2。播前底肥施純氮48 kg/hm2、純磷63 kg/hm2、純鉀28 kg/hm2作為基肥。玉米出苗后兩周左右人工間苗，于拔節(jié)和孕穗期分別追施純氮48和32 kg/hm2。玉米足墑播種，播前清除雜草，作物生長過程中進行中耕，人工除草，并及時防治病蟲害。

表1 玉米全生育期灌水量Tab.1 Seasonal total irrigation applied for maize

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分

作物生長期間每隔7 d左右測定一次土壤水分，主要生育期和灌水后各加測1次，共分為8層測定：0～20，20～40，40～60，60～80，80～100，100～120，120～140，140～160 cm。土壤容重用環(huán)刀法測定，土壤含水量用中子儀結(jié)合烘干稱重法測定，每個重復(fù)取3個樣。其中0～20 cm土層用烘干稱重法測定，最后換算成體積含水量；其他土層均采用中子儀測定。

1.3.2 作物產(chǎn)量

玉米成熟時各小區(qū)單獨收獲，脫粒、曬干并計產(chǎn)，各處理產(chǎn)量為3個重復(fù)小區(qū)產(chǎn)量的平均值。

1.3.3 作物葉面積測定

玉米葉面積用LAI-2000葉面積儀測定，每小區(qū)測定3株，取其平均值。

1.3.4 作物耗水量

作物耗水量按下式計算：

耗水量(mm)=生育期有效降雨量(mm)+[生育期初土壤儲水量(mm)-生育期末土壤儲水量(mm)]+生育期灌水量(mm)

(1)

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003作圖，用SPSS18.0軟件進行相關(guān)性分析，并用LSD多重比較法比較分析數(shù)據(jù)差異的顯著性(p<0.05)，各圖表中的數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 不同剖面土壤水分時空變化

玉米生長季所有灌水處理不同土層深度土壤水分全生育期變化趨勢基本一致(圖2)。玉米農(nóng)田土壤水分的空間變異很大，但各層間的變異又表現(xiàn)出明顯的層次性。就不同層次來說，0～20，20～40，40～60，60～80 cm土層土壤水分變異幅度極大，尤以表層0～20 cm水分變幅最大；而下層80～100，100～120，120～140，140～160 cm土層含水量變化相對較為平緩，并且隨著土層深度的增加，土壤水分變化逐漸趨于平緩。玉米播種后24 d(4月28日)以后至43 d(5月18日)以前，所有處理不同土層深度土壤水分均不同程度地持續(xù)下降。43 d以后，由于各處理玉米在播后52 d(5月27日，即拔節(jié)期)進行了102～147 mm的灌水(表1)，又恰逢10.7 mm的少量降雨(圖1)，絕大部分灌水處理不同土層含水量均顯著提高，至播后101 d達到全生育期最大土壤含水量。

圖2 試驗玉米0～20，20～40，40～60，60～80，80～100，100～120，120～140，140～160 cm土層土壤水含水量全生育期變化Fig.2 Profile soil water content in 0～20, 20～40, 40～60, 60～80, 80～100, 100～120, 120～140 and 140～160 cm depths in various periods of spring maize

此外，玉米播種142 d以后，因灌漿中期(8月26日)灌水和12.2 mm的降雨，所有土層土壤含水量均顯著提高。雖然孕穗期(6月22日)、抽雄期(7月12日)、吐絲期(7月28日)、灌漿初期(8月9日)的灌水和29.8 mm(4月)、22.5 mm(6月)、32 mm(7月)、17.4 mm(9月)的降雨顯著增加了土壤含水量，但由于水分測定日與灌水日時間間隔較長，試驗土壤又是綠洲新墾沙地，砂性較外圍綠洲農(nóng)田更大，水分在土壤中滲透和蒸發(fā)速度極快，加之正值作物生育盛期，作物蒸騰耗水強度極大(表2)，因而農(nóng)田土壤水分消耗量非常大，所以在上述時間灌水后土壤含水量并未顯著上升。

2.2 不同灌水量對玉米階段耗水量和耗水模系數(shù)的影響

玉米不同灌水處理間播種-五葉期和拔節(jié)-孕穗期階段耗水量存在差異(p<0.05)，其他時期差異均不顯著(p>0.05)，而耗水模系數(shù)僅有播種-五葉期的各處理間差異顯著，其他生育階段均不存在顯著差異(表2)。從表2可以看出，玉米階段耗水量與耗水模系數(shù)全生育期均表現(xiàn)為先增大后減小，且其峰值均出現(xiàn)在吐絲-灌漿期。播種-拔節(jié)期玉米階段耗水量和耗水模系數(shù)最低，僅占全生育期的16%左右，拔節(jié)-孕穗期和孕穗-吐絲期則高于播種-拔節(jié)期，均為全生育期的25%左右。吐絲-灌漿中期玉米階段耗水量和耗水模系數(shù)比前一時期有所增加，高達28%左右，但灌漿中期-成熟期則顯著下降，僅為全生育期的10%左右。

表2 不同灌水處理玉米階段耗水量與耗水模系數(shù)Tab.2 Periodic water consumption and its percentage in total water use for spring maize subjected to various irrigation water

注：a階段耗水量；b耗水模系數(shù)；n.s., 不顯著。

2.3 不同灌水量對玉米葉面積指數(shù)的影響

不同灌水處理的群體葉面積發(fā)展動態(tài)為灌漿初期至灌漿中期達到高峰，穩(wěn)定持續(xù)至灌漿末期，此后葉面積衰減較快(表3)。總體而言，抽雄—成熟期各處理葉面積發(fā)展比較穩(wěn)定，持續(xù)時間較長，有利于干物質(zhì)的積累，尤以產(chǎn)量最高的MI1處理葉面積發(fā)展最為穩(wěn)定。灌水最多的對照CK灌漿初期葉面積指數(shù)最大，但衰減也最為迅速，影響了后期群體生產(chǎn)力的增加。除灌漿初期和灌漿中期外，其他所有生育期灌水處理間葉面積指數(shù)差異均不顯著(p>0.05)。

表3 不同灌水處理玉米葉面積指數(shù)Tab.3 Leaf area indexes of spring maize subjected to various irrigation water

注：數(shù)值為每個處理三次重復(fù)的平均值。同列字母不同表示試驗?zāi)甓忍幚黹g在0.05水平上差異顯著。

在灌漿初期，灌水最多的MI5處理和對照CK與其他所有處理間葉面積指數(shù)均在p<0.05水平上差異顯著，MI5和CK比MI1、MI2、MI3、MI4葉面積指數(shù)分別增加18.3%、31.1%、22.7%、20.6%和18.6%、31.1%、23.0%、20.9%，但MI5與CK間及MI1、MI2、MI3、MI4間葉面積指數(shù)差異均不顯著(p>0.05)。此外，處理MI5和對照CK葉面積指數(shù)均比MI2、MI3處理在p<0.01水平上顯著增加。因此，在灌漿期之前較多的灌水有利于玉米葉面積的發(fā)展。在灌漿中期，處理MI4和對照CK的葉面積指數(shù)在p<0.05水平上分別比處理MI2增加19.8%和20.0%，比MI3增加22.2%和22.4%，但與其他處理間無顯著差異。

2.4 不同灌水量對玉米產(chǎn)量的影響

不同灌水處理及對照間玉米產(chǎn)量差異顯著(p<0.05，表4)。MI1處理和對照CK與MI2，MI4間差異顯著，但與MI3和MI5間不存在顯著差異(p>0.05)，且MI1處理與CK間亦不存在差異。玉米產(chǎn)量以灌溉定額最小的處理MI1最高，分別比其他灌水處理MI2，MI3，MI4和MI5產(chǎn)量提高25.7%，10.4%，9.2%和38.8%，比CK僅增加2.4%。因此，MI1處理在作物生育期內(nèi)的有限水分管理不但未降低玉米產(chǎn)量，反而節(jié)約灌溉用水31.1%(表1)，節(jié)水效果極為顯著。

表4 不同灌水處理玉米產(chǎn)量Tab.4 Yield performance of spring maize subjected to various irrigation water

注：數(shù)值為每個處理3次重復(fù)的平均值。同行字母不同表示各處理間在0.05水平上差異顯著。

3 討論與結(jié)論

(1)玉米生長季所有灌水處理不同土層深度土壤水分全生育期變化模式基本一致，其土壤水分空間變異很大，但各層間的變異又表現(xiàn)出明顯的層次性。其中0～20，20～40，40～60，60～80 cm土層土壤水分變異幅度極大，尤以表層0～20 cm變幅最大，表明表層土壤含水量受灌溉、降水和蒸散的影響最大，這與李紅等研究結(jié)果一致[17]。

(2)有限水分管理條件下玉米階段耗水量與耗水模系數(shù)在生育階段的連續(xù)遞變中都是由小到大再由大到小，其峰值均出現(xiàn)在吐絲—灌漿期，與以往研究結(jié)果較為一致[15,16]。播種-拔節(jié)階段，玉米植株蒸騰量小，其水分大部分以棵間蒸發(fā)消耗為主，按持續(xù)時間相比，這段時間最長，占到了全生育期天數(shù)的25%，但作物階段耗水量和耗水模系數(shù)最低，僅占全生育期耗水量和耗水模系數(shù)的16%左右。拔節(jié)-孕穗階段玉米處在氣溫較高季節(jié)，拔節(jié)以后每2～3天就可以生出1片新葉，由于植株蒸騰的速率增加較快，日需水強度不斷增大，該段時間僅次于播種-拔節(jié)期，占到全生育期天數(shù)的22%，階段耗水量和耗水模系數(shù)較高，占到全生育期25%左右。孕穗-吐絲階段占全生育期天數(shù)的18%，階段耗水量和耗水模系數(shù)卻高達25%左右。吐絲-灌漿中期是玉米形成產(chǎn)量的關(guān)鍵時期，此段時間為全生育期天數(shù)的18%，階段耗水量和耗水模系數(shù)卻高達28%左右。灌漿中期以后，氣溫逐漸下降，玉米葉片也開始發(fā)黃，日需水量迅速降低，所以灌漿中期-成熟階段時間為全生育期天數(shù)的17%，階段耗水量和耗水模系數(shù)僅為10%左右。

(3)不同灌水處理群體葉面積發(fā)展動態(tài)為灌漿初期至灌漿中期達到高峰，最大葉面積指數(shù)穩(wěn)定持續(xù)至灌漿末期，此后進入快速衰減階段。抽雄-成熟期玉米葉面積發(fā)展比較穩(wěn)定，持續(xù)時間較長，有利于干物質(zhì)的積累。灌漿初期，全生育期灌水最多的對照CK和MI5處理比其他灌水處理葉面積指數(shù)分別增加18.6%～31.1%和18.3%～31.1%，說明灌漿期之前充足的灌水有利于玉米葉面積的增大。

(4)全生育期灌水最少的處理MI1玉米產(chǎn)量最高，分別比其他灌水較多的處理增產(chǎn)9.2%～38.8%，也略高于灌水最多的對照，但卻比對照節(jié)水31.1%。因此，玉米生育期內(nèi)合理的有限水分管理(拔節(jié)水102 mm+大喇叭口水93 mm+孕穗水93 mm+抽雄水90 mm+吐絲水90 mm+灌漿初期水75 mm+灌漿中期水75 mm)不僅不會降低作物產(chǎn)量，反而會實現(xiàn)節(jié)水和高產(chǎn)的雙贏，節(jié)水保產(chǎn)效果最佳。這種灌水模式有利于玉米農(nóng)田土壤水分狀況的改善，也為灌溉農(nóng)田水分管理對策提供了理論依據(jù)。

□

[1] 康紹忠. 新的農(nóng)業(yè)科技革命和21世紀我國農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 1998,16(1):11-17.

[2] 強生才, 張恒嘉, 莫 非, 等. 微集雨模式與降雨變律對燕麥大田水生態(tài)過程的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2011,31(9):2 365-2 373.

[3] Mitchell P D, Chalmers D J. The effect of reduced water supply on peach tree growth and yields [J]. Journal of the American Society for Horticultural Science, 1982,107:853-856.

[4] 蔡煥杰, 康紹忠, 張振華, 等. 作物調(diào)虧灌溉的適宜時間和調(diào)虧程度的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2000,16(3):24-27.

[5] 孟兆江, 卞新民, 劉安能, 等. 調(diào)虧灌溉對夏玉米光合生理特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2006,20(3):182-186.

[6] 張步翀, 李鳳民, 齊廣平. 調(diào)虧灌溉對干旱環(huán)境下春小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2007,15(1):58-62.

[7] 康紹忠, 史文娟, 胡笑濤, 等. 調(diào)虧灌溉對于玉米生理指標和水分利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 1998,(12):82-87.

[8] 張歲岐, 周小平, 慕自新, 等. 不同灌溉制度對玉米根系生長及水分利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2009,25(10):1-6.

[9] 李鳳英, 黃占斌, 山 侖. 夏玉米水分利用效率的時空變化規(guī)律研究[J]. 西北植物學(xué)報, 2000,20(6):1 010-1 015.

[10] ?？×x, 秦舒浩, 藺海明, 等. 集雨補灌對糧飼兼用玉米的產(chǎn)量及生理效應(yīng)研究[J]. 草業(yè)學(xué)報, 2002,11(1):38-42.

[11] 劉昌明. 中國雨水利用研究[M]. 江蘇徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1998.

[12] Astatke A, Airaksinen H, Mohamed Saleem M A. Supplementary irrigation for sequential cropping in the Ethiopian highland vertisols using broadbed and furrow land management system[J]. Agricultural Water Management, 1991,(20):173-184.

[13] Undersader D J. Management o f sorghum under limited irrigation[J]. Agronomy Journal, 1986,(78):28-32.

[14] Misra G K, Chaudhary T N. Effect of a limited water input on root growth, water use and grain yield of wheat[J]. Field Crops Research, 1985,(10):125-134.

[15] 張旭東, 楊興國, 楊啟國. 半干旱區(qū)旱作春小麥耗水規(guī)律研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2004,22(2):63-66.

[16] 李援農(nóng), 李方紅, 雷雁斌, 等. 膜孔溝灌條件下春玉米水分利用效率研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2006,24(5):84-87.

[17] 李 紅, 周連第, 張有山. 北京郊區(qū)平原糧田土壤水分垂直變異特征[J]. 華北農(nóng)學(xué)報, 2002,17(2):82-87.