張明智, 牛文全, 路振廣, 李 元, 王京偉, 邱新強

(1.河南省水利科學(xué)研究院 鄭州 450000; 2.河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心 鄭州 450000; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100)

微潤灌對作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響*

張明智1,2,3, 牛文全3,4**, 路振廣1,2, 李 元4, 王京偉4, 邱新強1,2

(1.河南省水利科學(xué)研究院 鄭州 450000; 2.河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心 鄭州 450000; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100)

為探明微潤灌對作物生長及產(chǎn)量的影響, 以夏玉米和冬小麥為研究對象, 采用完全隨機試驗設(shè)計,對比研究微潤灌不同毛管間距布置(20 cm、40 cm、60 cm)、地下滴灌和無灌溉對大田作物產(chǎn)量、水分利用效率和土壤電導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明: 與地下滴灌相比, 微潤灌用水量約為地下滴灌的 1/4～4/5; 由于灌水差異較大, 作物產(chǎn)量有所降低, 夏玉米產(chǎn)量顯著下降(P＜0.05), 冬小麥產(chǎn)量下降, 但未達顯著水平(P＞0.05); 兩作物水分利用效率有所提高, 但差異不顯著(P＞0.05); 灌溉水分利用效率均顯著提高(P＜0.05)。隨微潤管布置間距的減小, 作物產(chǎn)量呈增加趨勢, 作物水分利用效率與灌溉水分利用效率均呈減小趨勢。綜合考慮分析, 在較為缺水的土區(qū)微潤管最佳布置間距60 cm, 此時可不顯著降低產(chǎn)量同時提高水分利用效率。此外, 微潤灌布置間距對土壤電導(dǎo)率的影響較小。采用微潤灌與地下滴灌處理時, 隨土層深增加, 作物各生育期土壤電導(dǎo)率無顯著差異(P＞0.05)且變化趨勢基本一致, 表明微潤灌與地下滴灌對土壤的影響具有一致性。微潤灌下作物產(chǎn)量與灌漿成熟期10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率和10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率之間相關(guān)性顯著。因此, 采用灌漿成熟期10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率或10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率預(yù)估微潤灌下的作物產(chǎn)量具有可行性。上述研究可為微潤灌技術(shù)推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

微潤灌; 地下滴灌; 產(chǎn)量; 水分利用效率; 土壤電導(dǎo)率; 夏玉米; 冬小麥

微潤灌是一種新型微灌技術(shù), 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、運行費用低, 具有改善土壤水氣環(huán)境, 減少地表蒸發(fā), 抗堵塞性強, 節(jié)水效果顯著等優(yōu)點。微潤灌類似于滲灌技術(shù), 微潤管整體出流且流量小, 可實現(xiàn)作物生育期持續(xù)性供水, 其流量在一定范圍內(nèi)隨工作壓力的增加呈線性增加關(guān)系, 小區(qū)微潤灌流量也可通過改變微潤管布置間距來實現(xiàn), 從而對作物的生長產(chǎn)生影響[1-3]。研究發(fā)現(xiàn), 微潤灌的凈效益比大于滴灌、噴灌[4]。微潤灌(續(xù)灌)處理的土壤水分分布均勻度大于滴灌(間歇灌)。在輕度鹽漬土壤中, 微潤灌處理下的桶栽玉米(Zea maysL.)光合速率高于滴灌、直澆灌。與溝灌對比, 微潤灌可顯著提高溫室黃瓜(Cucumis sativusL.)產(chǎn)量與水分利用效率。滴灌處理下的番茄(Lycopersicon eseulentumMiller)產(chǎn)量與水分利用效率低于微潤灌, 微潤灌可有效減少蒸發(fā),對于提高果樹水肥利用效率具有顯著作用[2,5-6]。但微潤灌作為一種流量較小的續(xù)灌, 目前還沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范, 也沒有大面積大田實踐經(jīng)驗, 其應(yīng)用還非常有限, 并存在一些問題, 例如因灌水器灌水量較小, 對大田作物, 如夏玉米、冬小麥的產(chǎn)量及水分利用效率的影響如何？是否同滴灌一樣對大田作物具有相同適用性？能否滿足大田作物關(guān)鍵需水期的供水要求？

不同灌水技術(shù)的土壤水分分布不同, 土壤養(yǎng)分、鹽分分布也將有所差異。土壤電導(dǎo)率能夠反映土壤含水率、鹽分、有機質(zhì)、土壤酶、土壤容重與土壤孔隙等, 對于判斷土壤鹽漬化程度、肥力質(zhì)量特征和污染程度方面具有重要意義, 是評價農(nóng)作物生長環(huán)境的重要指標(biāo), 它對于確定土壤空間分布差異具有重要的意義[7-8]。有研究表明土壤電導(dǎo)率在作物主要生長階段最大, 隨生育期的變化呈先增加后減小的趨勢。在土壤電導(dǎo)率一定范圍內(nèi), 棉花(Gossypium hirsutumL.)、玉米、小麥等作物的產(chǎn)量隨土壤電導(dǎo)率的增加呈增加趨勢, 且存在不同程度的相關(guān)性, 可作為土壤生產(chǎn)潛力的評價指標(biāo)之一[9-16]。但在微潤連續(xù)小流量灌溉條件下, 土壤電導(dǎo)率如何變化, 是否同滴灌一樣對土壤電導(dǎo)率存在相同影響,微潤灌下土壤電導(dǎo)率與作物產(chǎn)量之間是否存在一定相關(guān)關(guān)系等尚鮮見報道。

為探明上述問題, 本試驗設(shè)置微潤灌3種微潤管布置間距, 并與地下滴灌、無灌溉處理做比較, 分析研究冬小麥與夏玉米根區(qū)土壤電導(dǎo)率等的變化過程及對產(chǎn)量、水分利用效率的影響。該研究結(jié)果可為微潤灌技術(shù)的推廣及應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2014年7月—2015年6月在陜西省楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站(108°24′E、34°20′N)進行, 該試驗站海拔521 m, 屬暖溫帶半濕潤氣候, 全年無霜期221 d,年均日照時數(shù)2 163.8 h, 年降水量550～650 mm, 且多集中在7—9月。2014—2015年夏玉米、冬小麥輪作整個生育期降雨量及溫度如圖1所示。供試土壤為楊凌土, 基本養(yǎng)分狀況為: 有機質(zhì)16.88 g·kg-1、全氮0.94 g·kg-1、全磷0.32 g·kg-1、全鉀11.2 g·kg-1, 經(jīng)測定10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、50～60 cm和70～80 cm土層土壤電導(dǎo)率(mS·cm-1)夏玉米播前分別為4.27、4.34、4.39、4.19和3.79, 冬小麥播前分別為2.68、3.71、4.07、3.94和3.74, pH 8.05, 經(jīng)測定80 cm土層內(nèi)平均田間持水率為31.68%(體積含水率), 體積飽和含水率為60.1%, 凋萎含水率為8.5%, 土壤容重為1.32 g·cm-3, 該試驗小區(qū)地下水埋深大于5 m[17],因此, 忽略地下水補給。

圖1 試驗期間作物生育期內(nèi)試驗地降水量(P)和溫度變化Fig.1 Changes of local precipitation (P) and temperatureduring growth period of crops during the experiment

1.2 試驗設(shè)計

本試驗夏玉米品種為‘鄭丹 958’, 種植密度為50 000 株·hm-2, 株間距30 cm, 行間距60 cm, 2014年7月1日播種, 同年10月12日收獲, 夏玉米全生育期采用經(jīng)驗公式計算有效降雨325.6 mm[18]。播種前基施有機肥 600 kg·hm-2(N、P、K≥5%, 有機質(zhì)≥45%)、復(fù)合肥750 kg·hm-2(N、P、K≥15%), 拔節(jié)期(8月6日)追施尿素600 kg·hm-2。施肥方式均為撒施。冬小麥品種為‘小偃 22’, 小麥播種密度為 224.88 kg·hm-2, 行距20 cm。于2014年10月25日播種, 劃溝撒播, 播種深度為5 cm, 2015年6月7日收獲, 全生育期平均天數(shù)為230 d, 為了防止微潤管凍裂, 越冬期(84 d)停止灌溉。采用經(jīng)驗公式計算降雨量為232.7 mm[18]。播種前基施有機肥600 kg·hm-2(N、P、K≥5%, 有機質(zhì)≥45%)和復(fù)合肥 750 kg·hm-2(N、P、K≥15%)。施肥方式均為撒施。

本研究設(shè)置 3種灌水方式, 分別為微潤灌、地下滴灌(CK1)和無灌溉(CK2), 由于微潤灌流量的控制可通過其布置間距來實現(xiàn), 故設(shè) 3種微潤管間距布置[60 cm(I1)、40 cm(I2)與20 cm(I3)]。微潤灌的微潤管(深圳市微潤灌有限公司)管徑16 cm, 工作壓力為 200 kPa水頭時, 流量約為4 L·(m·d)-1, 本次試驗的工作壓力為40 kPa水頭, 實際流量為50 mL·(m·h)-1左右, 微潤管埋深 20 cm。地下滴灌的滴灌帶(甘肅大禹生產(chǎn)內(nèi)鑲貼片式地下滴灌帶)管徑16 mm, 布置間距60 cm, 滴頭間距40 cm, 埋深20 cm, 工作壓力100 kPa, 滴頭流量為2.2 L·h-1。本試驗為大田完全隨機試驗, 共 5個處理, 每個處理重復(fù) 3次, 共 15個試驗小區(qū), 隨機排列。試驗小區(qū)大小為2.8 m×4 m,各小區(qū)之間間距1 m, 小區(qū)中間埋設(shè)1 m深建筑防水膜苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)隔離, 防止土壤水分橫向滲透運移。各處理在全生育期灌水量如表1所示。

灌水量的計算及控制:

地下滴灌以灌水上下限控制。即當(dāng)計劃濕潤層土壤含水量達田間持水率的 65%以下時, 開始灌溉,如果土壤含水量高于控制上限[田間持水率的90%(θF)],則一直不進行灌溉。灌水量用下式[19]計算:

式中:M為一次灌水量(m3·hm-2),θF為土壤田間持水量,θi為H土層內(nèi)的平均含水率(重量含水率),γ為土壤容重(g·cm-3),H為計劃濕潤層深度(m),p為土壤濕潤比(滴灌取p=0.9)。土壤計劃濕潤層深度在苗期、拔節(jié)期、抽雄期與灌漿成熟期分別取40 cm、60 cm、60 cm和60 cm, 根據(jù)灌水上限和計劃濕潤層深度計算出次灌水量, 再根據(jù)滴頭流量, 計算出灌水時間。

微潤灌與降雨量關(guān)系密切, 遇降雨或灌水上限達到90%田間持水率(θF), 則關(guān)閉閥門停止灌溉, 雨后動態(tài)監(jiān)測土壤水分, 若土壤水分分別達田間持水率的 65%、71%與 77%時(本試驗前進行了預(yù)試驗,測定了微潤管間距60 cm、40 cm與20 cm連續(xù)灌水120 h, 大約在灌水60 h后微潤管出流穩(wěn)定, 并測定其土壤0～80 cm土層平均含水率分別為田間持水量的65%、71%和77%), 開啟閥門繼續(xù)微潤灌。每個小區(qū)的灌水量根據(jù)微潤管條數(shù)、長度和實際灌水時間計算。

由于試驗小區(qū)比較集中, 各處理的降水量認為完全一致, 采用距試驗地約300 m的國家氣象站數(shù)據(jù)獲得農(nóng)田降水量。播種前對夏玉米、冬小麥種子進行篩選并灌水至田間持水率的 80%, 以保證出苗純度。

表1 試驗方案及各處理灌溉定額Table 1 Test plan and scale irrigation of every treatment

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 產(chǎn)量及水分利用效率

在夏玉米、冬小麥?zhǔn)斋@期各小區(qū)夏玉米、冬小麥進行脫粒獲得所有籽粒, 待風(fēng)干后測其產(chǎn)量[20],單位換算為 kg·hm-2。

采用TRIME-PICO(德國)測定全生育期土壤體積含水率, 每隔3 d測量1次, 若遇降雨或灌溉, 則在降雨或灌溉24 h后加測1次。每個小區(qū)選取兩個監(jiān)測點, 滴灌處理(CK1): 一根TRIME管埋設(shè)在距滴灌帶30 cm處(兩滴灌帶之間)兩個滴頭中間, 另一根埋設(shè)在滴灌帶方向距滴頭20 cm處, 見圖2a; 微潤灌I1、I2與I3處理: 微潤管方向隨機選取一點, 一根TRIME管埋設(shè)在該點的兩條微潤管之間, 分別為30 cm、20 cm與10 cm, 另一根在微潤管方向距離該點20 cm處, 以I1處理小區(qū)為例,見圖 2b; 無灌溉處理(CK2): 在小區(qū)內(nèi)隨機選取 30 cm×20 cm矩形框, 在其對角線布置兩根TRIME管。分別測量 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、50～60 cm和70～80 cm土層深度的土壤含水率。

圖2 地下滴灌(CK1)與微潤灌60 cm(I1)處理灌溉管及TRIME管布置示意圖Fig.2 Layout diagrams of irrigation tube and TRIME tube with treatments of subsurface drip irrigation (CK1) and moistube-irrigation with 60 cm distance (I1)

耗水量[21]由農(nóng)田水分平衡求得:

式中: ETa為作物生育期耗水量, mm;P為作物生育期降雨量, mm;I為作物生育期灌溉定額, mm; ΔW為作物收獲與播種時的土壤儲水變化量, mm。

作物水分利用效率[22], 指作物單位耗水量產(chǎn)出的籽粒產(chǎn)量, 可用式(3)計算:

式中: WUE 為作物水分利用效率, kg·hm-2·mm-1;Y為作物籽粒產(chǎn)量, kg·hm-2。

灌溉水分利用效率[23]指單位灌溉水量消耗所獲得的籽粒產(chǎn)量, 可用式(4)計算:

式中: iWUE 為作物灌溉水分利用效率, kg·hm-2·mm-1;Y為作物籽粒產(chǎn)量, kg·hm-2;I為作物生育期灌溉定額, mm。

1.3.2 土壤電導(dǎo)率

采用 TRIME-PICO(德國)進行監(jiān)測, 布設(shè)位置見圖2。夏玉米在播種后18 d、44 d、66 d和92 d, 冬小麥于播種后29 d、72 d、131 d、165 d、186 d和224 d分別測定土壤電導(dǎo)率(ECi), 每次測量深度為10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、50～60 cm和70～80 cm,計算 10～80 cm 土層土壤平均電導(dǎo)率, 由于該儀器無法測量 0～10 cm土層的土壤電導(dǎo)率, 因此本文沒有分析該層土壤電導(dǎo)率的變化。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0軟件進行均值誤差分析, Origin Pro 9.0作圖, 差異顯著分析采用F檢驗, 顯著水平設(shè)置為P＜0.05, 除特殊標(biāo)注外, 圖表中數(shù)據(jù)全部為3個重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 微潤灌對作物產(chǎn)量、水分利用效率與灌溉水分利用效率(iWUE)的影響

由圖 3可知, 與地下滴灌(CK1)對比, 夏玉米微潤灌I1、I2與I3分別比CK1的產(chǎn)量顯著降低19.52%、16.61%和 10.73%; 冬小麥 I1、I2與 CK1相比產(chǎn)量有所降低, 但無顯著性差異, I3處理產(chǎn)量略高于 CK1,相差不大。與無灌溉(CK2)處理對比, 微潤灌 I1、I2與I3處理的夏玉米產(chǎn)量分別顯著提高9.81%、13.78%和 21.79%; 冬小麥產(chǎn)量也提高了 7.01%、8.19%和9.42%, 但無顯著性差異(P＞0.05)。隨微潤管布置間距的減小, 夏玉米、冬小麥產(chǎn)量均呈增加趨勢, 夏玉米與冬小麥I3比I1、I2處理產(chǎn)量分別增加10.91%、7.04%與 2.25%、1.13%, 夏玉米各處理間存在顯著性差異, 而冬小麥各處理間無顯著性差異。

冬小麥、夏玉米 I1、I2與 I3處理的作物水分利用效率比CK1均有提高, 但無顯著差異。I1、I2與I3處理夏玉米灌溉水分利用率分別比 CK1處理顯著提高 211.52%、115.18%與 72.74%; I1、I2與 I3處理冬小麥灌溉水分利用率也分別比 CK1的顯著提高133.51%、57.39%與 19.41%。隨微潤管布置間距的減小, 作物水分利用效率(WUE)與灌溉水分利用效率(iWUE)均呈減小趨勢。夏玉米與冬小麥的I1比I2、I3處理灌溉水分利用效率分別顯著提高 43.47%、84.03%與48.36%、95.62%。

圖3 微潤灌對作物產(chǎn)量(A)、作物水分利用效率與灌水水分利用效率(B)的影響Fig.3 Effect of moistube-irrigation on crops yield (A), crop water use efficiency and irrigation water use efficiency (B)

2.2 微潤灌對土壤電導(dǎo)率(EC)的影響

2.2.1 夏玉米、冬小麥生育期內(nèi)10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率()變化情況

圖4為不同處理下土壤平均電導(dǎo)率的變化過程。相同生育階段, 微潤灌、CK1(地下滴灌)、CK2(無灌溉)各處理間土壤平均電導(dǎo)率無顯著性差異。不同作物類型, 全生育階段土壤平均電導(dǎo)率呈不同變化趨勢。從夏玉米苗期到灌漿成熟期, 各處理土壤平均電導(dǎo)率呈先增加后減小趨勢, 在拔節(jié)期土壤平均電導(dǎo)率達到峰值; 從冬小麥苗期到灌漿成熟期, 各處理土壤平均電導(dǎo)率呈先減小后增加再減小趨勢, 在苗期土壤平均電導(dǎo)率達到峰值。不同作物類型, 土壤平均電導(dǎo)率差異較大, 夏玉米土壤平均電導(dǎo)率(3.90～4.90 mS·cm-1)≥冬小麥土壤平均電導(dǎo)率(3.20～3.80 mS·cm-1)。

2.2.2 不同深度土壤電導(dǎo)率(EC)的變化情況

2.2.2.1 全生育期平均土壤電導(dǎo)率 EC隨土層深度的變化趨勢

圖4 微潤灌對夏玉米(A)和冬小麥(B)不同生育期土壤平均電導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of moistube-irrigation on average electrical conductivity of soil at different growth stages of summer corn (A) and winter wheat (B)

通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn), 在相同生育期, 隨土層深度的增加, 各處理間土壤電導(dǎo)率無顯著性差異(P＞0.5), 均呈相同變化趨勢, 說明微潤灌與地下滴灌、無灌溉對土壤電導(dǎo)率的影響類似。不同作物在全生育階段, 土壤電導(dǎo)率隨土層深度的變化趨勢見圖5, 圖中15 cm、25 cm、35 cm、55 cm與75 cm處電導(dǎo)率代表 10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、50～60 cm和70～80 cm土層深度的土壤電導(dǎo)率。

由圖 5知, 夏玉米全生育期平均土壤電導(dǎo)率隨土層深度的增加呈先增加后減小趨勢, 50～60 cm土層達峰值, 地下滴灌的夏玉米全生育期平均土壤電導(dǎo)率較大。隨土層深度的增加, 冬小麥全生育期平均土壤電導(dǎo)率呈增加趨勢。

2.2.2.2 不同生育階段平均土壤電導(dǎo)率 EC隨土層深度的變化趨勢

由圖 6可知, 不同夏玉米生育時期, 土壤電導(dǎo)率隨土層深度變化的趨勢不同。苗期土壤電導(dǎo)率基本隨著土層深度的增加而減小, 拔節(jié)期土壤電導(dǎo)率呈“S”形變化趨勢, 但不同深度差異較小, 集中在4.5～5.0 mS·cm-1。抽雄期與灌漿成熟期土壤電導(dǎo)率均隨土層深度的增加呈增大趨勢, 到生育期末土壤電導(dǎo)率隨深度增加的趨勢變快。夏玉米生育初期,淺層土壤電導(dǎo)率明顯大于深層。隨夏玉米的生長,淺層土壤電導(dǎo)率逐漸減小, 而深層土壤電導(dǎo)率逐漸增大。在生育期末, 深層土壤電導(dǎo)率顯著大于淺層土壤電導(dǎo)率, 拔節(jié)期為轉(zhuǎn)折點, 此時土壤平均電導(dǎo)率達到峰值。

不同灌溉處理的土壤電導(dǎo)率不同。全生育期對照 CK1的土壤電導(dǎo)率均最大, 在苗期和拔節(jié)期 I3處理的土壤電導(dǎo)率最小, 抽雄期與灌漿成熟期 CK2的最小。不同處理之間土壤電導(dǎo)率存在一定的差異。苗期和灌漿成熟期不同處理之間土壤電導(dǎo)率的平均差異較大,拔節(jié)期和抽雄期最小。不同處理土壤電導(dǎo)率差異最大出現(xiàn)在苗期50～60 cm土層, 最大值為CK1的4.48 mS·cm-1,最小值為I3處理的3.94 mS·cm-1, 相差13.71%。

通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn), 不同處理各土層之間土壤電導(dǎo)率存在不同差異性。夏玉米苗期, 降雨少, 土壤水分的增加由灌溉決定, 隨著土層深度的增加, I2不同深度土壤電導(dǎo)率變化差異性較小, 表現(xiàn)為 10～60 cm 土層無顯著性差異, 僅 70～80 cm 與10～60 cm土層存在顯著性差異; I1和I3不同土層深度的土壤電導(dǎo)率差異性相同, 表現(xiàn)為10～40 cm土層無顯著性差異, 50～60 cm、70～80 cm 與 10～40 cm 土層存在顯著性差異。與 CK1對比, 微潤灌灌水量越大不同深度土層的土壤電導(dǎo)率差異性越大; 與 CK2對比, 微潤管布置間距越大(灌水量越小)不同深度的土壤電導(dǎo)率差異性越小。拔節(jié)期與抽雄期, 降雨較多, 各處理不同土層深度的土壤電導(dǎo)率無顯著性差異。灌漿成熟期, I2處理不同土層土壤電導(dǎo)率變化差異性較小, I1和I3、地下滴灌與無灌溉處理土壤電導(dǎo)率差異性大, 均表現(xiàn)為 70～80 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm 土層。

圖5 不同處理對夏玉米(a)、冬小麥(b)全生育期平均土壤電導(dǎo)率的影響Fig.5 Effect of moistube-irrigation on average electrical conductivity in different soil depths during summer corn (a) and winter wheat (b) growing seasons

圖6 不同處理對夏玉米苗期(a)、拔節(jié)期(b)、抽雄期(c)和灌漿成熟期(d)土壤電導(dǎo)率的影響Fig.6 Effect of moistube-irrigation on electrical conductivity of soil at seedling (a), jointing (b), tasseling (c) and grain-filling (d) stages of summer corn

圖7為不同生育階段, 冬小麥土壤電導(dǎo)率EC隨土層深度的變化趨勢。由圖7可知, 不同冬小麥生育階段, 土壤電導(dǎo)率隨土層深度變化的趨勢基本類似,均隨土層深度的增加呈增加趨勢, 表現(xiàn)為 70～80 cm＞50～60 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm 土層。隨冬小麥的生長, 淺層土壤電導(dǎo)率基本呈減小趨勢, 深層土壤電導(dǎo)率基本趨于穩(wěn)定不變。在苗期各土層土壤電導(dǎo)率均大于其他生育期相同土層。各生育階段40～80 cm土層土壤電導(dǎo)率顯著大于10～40 cm土層土壤電導(dǎo)率, 全生育期不同土層苗期 80 cm土層土壤電導(dǎo)率最大。不同處理土壤電導(dǎo)率差異較小, 均無顯著性差異。

通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn), 在冬小麥各生育階段, 不同處理下各土層之間土壤電導(dǎo)率存在顯著差異性。均表現(xiàn)為50～60、70～80 cm土層土壤電導(dǎo)率顯著較高, 10～20 cm最小。I2處理土壤電導(dǎo)率變化差異性較小, 對照組與I3類似。

2.3 微潤灌土壤電導(dǎo)率與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

采用 Pearson相關(guān)系數(shù)對不同生育時期不同深度土壤電導(dǎo)率與夏玉米、冬小麥產(chǎn)量進行雙尾顯著性檢驗, 分析結(jié)果如表2。

根據(jù)相關(guān)性分析, 認為夏玉米、冬小麥產(chǎn)量與灌漿成熟期10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率、10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率相關(guān)性顯著(P＜0.05)。因此, 以線性回歸方法建立灌漿成熟期10～80 cm土層土壤電導(dǎo)率與產(chǎn)量之間關(guān)系(圖8)。

由表2可知, 夏玉米、冬小麥產(chǎn)量與土壤電導(dǎo)率均呈正相關(guān)性; 與灌漿期10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率相關(guān)性顯著, 與該生育階段10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率相關(guān)性也顯著。

由圖8可知, 夏玉米、冬小麥產(chǎn)量與灌漿成熟期10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率在3.86～4.44 mS·cm-1、2.96～3.48 mS·cm-1范圍內(nèi)呈線性增加趨勢, 其中模型決定系數(shù)R2與Pearson相關(guān)系數(shù)均較高, 因此, 采用該生育階段10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率或者10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率預(yù)估夏玉米、冬小麥產(chǎn)量具有可行性。

3 討論

微潤灌影響土壤水、熱、氣、肥, 從而對作物生長及產(chǎn)量產(chǎn)生不同程度的影響。土壤電導(dǎo)率在不同程度上反映土壤中鹽、水、有機物、無機物、土壤結(jié)構(gòu)等, 它作為一種復(fù)雜的土壤理化參數(shù), 可用于土壤生產(chǎn)潛力的評估[24]。

表2 不同生育期土壤電導(dǎo)率與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系Table 2 Relationship between soil electrical conductivity and yields at different growth stages

圖8 10～80 cm平均土壤電導(dǎo)率與作物產(chǎn)量回歸模型Fig.8 Regression models of average soil electrical conductivity at 10-80 cm layer and crops yields

3.1 微潤灌對產(chǎn)量、作物水分利用效率及灌溉水分利用效率的影響

微潤管出流小, 灌水時間長, 屬于線源灌溉,滴灌帶出流大, 灌水時間短, 屬于點源灌溉, 兩種灌溉方式土壤水分時空分布不同, 導(dǎo)致作物根系吸水量不同, 進而對作物產(chǎn)量、水分利用效率產(chǎn)生影響。前人研究認為, 微潤灌溫室黃瓜的水分利用效率高于滴灌[5], 膜下滴灌玉米產(chǎn)量高于微潤灌, 水分利用效率顯著低于微潤灌, 微潤管間距60 cm土壤水分利用效率高[25]。本試驗發(fā)現(xiàn)夏玉米產(chǎn)量顯著低于地下滴灌, 可能由于夏玉米全生育期溫度高,蒸發(fā)量大, 對灌溉水量比較敏感, 微潤灌供水量約為地下滴灌的1/2[26], 微潤灌在夏玉米全生育期供水持續(xù)穩(wěn)定, 然夏玉米關(guān)鍵需水期需水量遠大于微潤灌供水, 使其生長受限制, 進而影響產(chǎn)量的增加。在大田夏玉米、冬小麥輪作試驗中微潤灌(毛管間距20 cm)夏玉米灌水量為地下滴灌灌水量1/2, 冬小麥灌水量為地下滴灌灌水量4/5, 以此類推發(fā)現(xiàn)隨微潤灌灌水量的增加, 微潤灌作物產(chǎn)量與地下滴灌產(chǎn)量差距逐漸減小且灌水量為地下滴灌的4/5時逐漸高于地下滴灌, 同時為提高作物水分利用效率, 建議實踐應(yīng)用中, 在作物關(guān)鍵需水期(夏玉米抽雄及灌漿成熟期、冬小麥抽穗及灌漿成熟期)可適當(dāng)增大微潤灌工作壓力, 增加灌溉水量, 從而改變與地下滴灌產(chǎn)量的差異性, 提高微潤灌大田適用性。本研究還發(fā)現(xiàn)隨微潤管布置間距的減小, 作物產(chǎn)量呈增加趨勢, 灌溉水分利用效率呈顯著減小趨勢(P＜0.05), 微潤管布置間距的減小, 可增加小區(qū)灌水量, 通過對全生育期10～80 cm土壤平均體積含水率分析發(fā)現(xiàn), 土壤含水率分別為25.58%、26.19%與27.93%, 土壤含水率與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系(灌水下限40%～75%田間持水率)[27], 導(dǎo)致作物產(chǎn)量呈增加趨勢, 分析發(fā)現(xiàn)微潤灌夏玉米、冬小麥產(chǎn)量在微潤管布置60 cm、40 cm與20 cm處理間不存在顯著性差異, 但灌溉定額之間存在顯著性差異, 因此, 灌溉水分利用效率呈顯著減小趨勢。綜合考慮分析, 在不顯著降低產(chǎn)量的同時可提高水分利用效率的最佳微潤管布置間距為60 cm。

3.2 微潤灌對土壤電導(dǎo)率的影響

土壤電導(dǎo)率影響因素有土壤全氮含量、K+、、pH、土壤體積含水率、土壤干重以及有機質(zhì)等, 土壤養(yǎng)分離子及有機質(zhì)含量的增加, 土壤陽離子越多, 土壤膠體吸附的負離子就越多, 土壤電導(dǎo)率也就越大[28]。在一定范圍內(nèi)作物產(chǎn)量隨土壤電導(dǎo)率的提高而增加[14], 若Na+、Mg2+等離子含量過高引起土壤電導(dǎo)率升高時, 土壤出現(xiàn)鹽堿化, 則影響作物生長及產(chǎn)量。本試驗土壤為非鹽堿化土壤, 灌溉水為自來水, Na+、Mg2+等鹽化離子含量低, 土壤電導(dǎo)率變化主要反映土壤養(yǎng)分離子含量的變化[29-30]。本研究通過對不同深度各處理間的土壤電導(dǎo)率進行單因素方差分析發(fā)現(xiàn), 各處理之間無顯著性差異(P＞0.05)。表明微潤灌與地下滴灌、無灌溉對土壤電導(dǎo)率(養(yǎng)分離子含量)的影響基本一致, 該新型灌水技術(shù)適用于大田夏玉米、冬小麥灌溉, 同時微潤灌為小流量連續(xù)灌溉, 出流量與作物生長需水量處在動態(tài)平衡中, 土壤養(yǎng)分向下運移很慢, 幾乎保持在作物根系生長層, 土壤有效養(yǎng)分供給穩(wěn)定, 從而進一步提高微潤灌大田適用性。

土壤可溶性離子組成、含量及其比例關(guān)系是土壤電導(dǎo)率的重要影響因素[14]。研究認為土壤體積含水率在15%～30%時, 水分是影響土壤電導(dǎo)率的主要因素, 體積含水率在 30%以上時, 影響土壤電導(dǎo)率的主要因素是土壤養(yǎng)分離子[9]。本研究發(fā)現(xiàn)夏玉米土壤電導(dǎo)率顯著大于冬小麥, 通過對10～80 cm土層土壤含水率分析發(fā)現(xiàn), 夏玉米全生育期土壤平均體積含水率比冬小麥高 4%左右, 同時, 夏玉米拔節(jié)期(8月6日)追施加尿素, 可顯著提高、離子含量, 由于尿素分解的對吸附態(tài)鹽基離子的交換作用增加水溶性 K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子含量[31-32], 導(dǎo)致本次試驗夏玉米土壤含水率與離子濃度均大于冬小麥。本研究還發(fā)現(xiàn)全生育期土壤電導(dǎo)率隨土層深度的增加, 夏玉米呈先增加后減小趨勢、冬小麥呈增加趨勢, 出現(xiàn)上述結(jié)果的原因夏玉米可能是由于生育期溫度高, 土壤淺層水分蒸發(fā)量大, 本試驗測定 10～20 cm 土層土壤體積含水率比50～60 cm土層體積含水率小6%左右, 同時, 夏玉米主根系集中在 10～20 cm 土層, 隨土層深度的增加,夏玉米根系呈減小趨勢, 作物生長吸收土壤養(yǎng)分,導(dǎo)致離子含量減小, 且土壤電導(dǎo)率與離子含量呈正相關(guān)關(guān)系[33-35]。綜上, 由于土壤水分與作物根系吸收離子雙重作用導(dǎo)致 10～20 cm 土層土壤電導(dǎo)率小于50～60土層, 然而70～80 cm土層土壤電導(dǎo)率又小于50～60 cm土層, 可能是由于土壤含水率的差異引起的, 微潤灌出流小, 該流量除被作物吸收外, 剩余水分保持在微潤管附近, 難補充深層土壤水分,且距離微潤管距離越遠土壤含水量相對較小, 分析發(fā)現(xiàn)0～80 cm土層土壤含水率低于50～60 cm土層體積含水率約2%左右。冬小麥可能是由于生育期溫度低, 蒸發(fā)小, 土壤養(yǎng)分離子隨水分向上運移較小,作物種植密度較大, 且根系主要集中在表層, 隨土層深度的增加土壤根系體積逐漸減小, 導(dǎo)致養(yǎng)分離子吸收較少, 同時分析發(fā)現(xiàn)隨著土層深度的增加土壤體積含水率呈增加趨勢, 由于蒸發(fā)與作物吸收雙重作用使土壤電導(dǎo)率呈增加趨勢。

3.3 微潤灌下土壤電導(dǎo)率與作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

土壤電導(dǎo)率與不同作物產(chǎn)量之間可能存在不同的相關(guān)性, 土壤電導(dǎo)率與玉米產(chǎn)量存在相關(guān)關(guān)系且具有有較高的灰色關(guān)聯(lián)度, 土壤電導(dǎo)率可以用來評估作物產(chǎn)量[28,36-38], 不同深度土層電導(dǎo)率與作物產(chǎn)量的相關(guān)性也不同[39], 不同作物品種土壤電導(dǎo)率與其產(chǎn)量存在不同程度上的相關(guān)性, 例如番茄的產(chǎn)量與土壤電導(dǎo)率呈反函數(shù)關(guān)系[40], 棉花、玉米的產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨土壤電導(dǎo)率的增加呈增加趨勢[36,41-42]。也有學(xué)者認為產(chǎn)量與土壤電導(dǎo)率沒有明顯的一致性關(guān)系, 如Corwin等[24]。本研究發(fā)現(xiàn)微潤灌下大田夏玉米、冬小麥灌漿成熟期10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率、10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率與產(chǎn)量存在顯著正相關(guān)關(guān)系, 主要是由于灌漿成熟期是干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)移[43], 在該時段作物的根系生長環(huán)境直接決定了作物產(chǎn)量的高低,微潤管出流小, 供水持續(xù), 在施肥等管理措施相同情況下, 夏玉米、冬小麥根區(qū)土壤的水肥環(huán)境比較穩(wěn)定, 同時微潤管埋深20 cm土層, 該土層為夏玉米根系集中區(qū), 前人研究發(fā)現(xiàn)根系生長與產(chǎn)量存在顯著性關(guān)系[44-45]。因此, 采用灌漿成熟期10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率和10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率預(yù)估夏玉米、冬小麥產(chǎn)量具有可行性。然而本試驗發(fā)現(xiàn)冬小麥灌漿成熟期土壤電導(dǎo)率與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 與趙勇等[12]研究表明在灌漿成熟期土壤電導(dǎo)率與產(chǎn)量之間呈負相關(guān)關(guān)系相反, 可能因為灌水方式的差異, 還可能是由于測量土壤電導(dǎo)率的方法與儀器的區(qū)別, 趙勇測定土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀DDB-307, 水∶土=5∶1, 土樣經(jīng)擾動處理, 主要測定土壤離子含量, 很難反映原狀土壤真實性。本試驗采用TDR測定, 土樣為土壤原狀土, 能夠反映土壤中鹽、水、有機物、無機物、土壤結(jié)構(gòu)等綜合性土壤因素。

4 結(jié)論

1)微潤灌與地下滴灌相比, 節(jié)水效果顯著, 作物產(chǎn)量有所降低, 但不同作物產(chǎn)量降低情況不同。微潤灌夏玉米灌水利用效率提高了211.52%～72.74%(P＜0.05), 冬小麥為133.51%～19.41%(P＜0.05)。隨微潤灌灌水量的增加, 微潤灌與地下滴灌相比二者作物產(chǎn)量差異逐漸減小, 當(dāng)灌水量達到一定程度則高于地下滴灌。微潤灌作為大田作物適宜的灌水技術(shù)之一, 為了提高大田適用性, 建議實踐中, 應(yīng)在作物需水關(guān)鍵期(抽雄及灌漿成熟期)適當(dāng)增大微潤灌工作壓力, 增加灌水量, 保證作物高產(chǎn)。

2)隨微潤管布置間距的減小, 夏玉米、冬小麥產(chǎn)量均呈增加趨勢, 水分利用效率與灌溉水分利用效率均呈減小趨勢。綜合考慮分析, 在較為缺水的土地區(qū), 微潤管布置間距60 cm可不顯著降低作物產(chǎn)量的同時提高水分利用效率。

3)微潤管布置間距對土壤電導(dǎo)率影響較小, 微潤灌與地下滴灌、無灌溉處理的土壤電導(dǎo)率隨土層深度增加, 各生育期土壤電導(dǎo)率變化趨勢基本一致且各處理間無顯著性差異(P＞0.05), 表明微潤灌與地下滴灌對土壤的影響基本一致, 同樣適用于大田夏玉米、冬小麥灌溉。

4)微潤灌夏玉米、冬小麥產(chǎn)量與灌漿成熟期10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率和10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率之間相關(guān)性顯著, 可采用灌漿成熟期10～20 cm土層土壤電導(dǎo)率或者10～80 cm土層土壤平均電導(dǎo)率預(yù)估微潤灌作物產(chǎn)量。

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Effect of moistube-irrigation on crop yield and water use efficiency*

ZHANG Mingzhi1,2,3, NIU Wenquan3,4**, LU Zhenguang1,2, LI Yuan4, WANG Jingwei4, QIU Xinqiang1,2
(1.Henan Provincial Water Conservancy Research Institute, Zhengzhou 450000, China; 2.Center of Efficient Irrigation Engineering and Technology Research in Henan Province, Zhengzhou 450000, China; 3.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 4.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

In this study, summer corn and winter wheat were used to explore the effect of moistube-irrigation on crop growth and yield to support the generalization and application of moistube-irrigation technology.Comparative experiment was set up in a completely randomized design in order to determine yield, water use efficiency of summer corn and winter wheat and soil electrical con-ductivity.The treatments of the experiment included moistube-irrigation with different distances between moistubes (60 cm, 40 cm and 20 cm) and subsurface drip irrigation and no irrigation as the controls.The irrigation amount of moistube-irrigation was 1/4-4/5 that of subsurface drip irrigation.The results showed crop yield decreases under moistube-irrigation treatments due to lower irrigation amount.However, the decrease was not significant for winter wheat though it was significant for summer corn.Water use efficiencies of both crops were not significantly changed under moistube-irrigation treatments compared with the treatment of subsurface dir irrigation, while the irrigation water use efficiencies of crops were increased significantly.While crop yield increased with decreasing moistube interval, crop water use efficiency and irrigation water use efficiency decreased.For the Lou soil region which contains less water, the best moistube layout distance in the region was 60 cm according to the results of crops yields and water use efficiencies.This improved irrigation water use efficiency without significantly reducing yield.In addition, moistube distance had little effect on soil electrical conductivity.With increasing soil depth, there was no significant difference (P＞ 0.05) in soil electrical conductivity in each growth period of two crops.Also it’s variation trends in moistube-irrigation and subsurface drip irrigation were very similar.It suggested that the effect of moistube-irrigation and subsurface drip irrigation on soil electrical conductivity was consistent.Therefore, moistube-irrigation was much as applicable in summer maize and winter wheat cultivation as subsurface drip irrigation.The correlation between crop yield and soil electrical conductivity at the 10-20 cm soil layer and average soil electrical conductivity at the 10-80 cm soil layer was significant under moistube-irrigation.Hence, it was feasible to estimate crop yield by using soil electrical conductivity at the 10-20 cm soil layer and average soil electrical conductivity at the 10-80 cm soil layer.The above research provided the basis for the application of moistube-irrigation technology in summer corn and winter wheat cultivation.

Mar.21, 2017; accepted Jul.15, 2017

Moistube-irrigation; Subsurface drip irrigation; Yield; Water use efficiency; Soil electrical conductivity; Summer corn; Winter wheat

S513; S512.1+1; S275.4; S153.2

A

1671-3990(2017)11-1671-13

10.13930/j.cnki.cjea.170243

張明智, 牛文全, 路振廣, 李元, 王京偉, 邱新強.微潤灌對作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2017, 25(11): 1671-1683

Zhang M Z, Niu W Q, Lu Z G, Li Y, Wang J W, Qiu X Q.Effect of moistube-irrigation on crop yield and water use efficiency[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(11): 1671-1683

* 河南省基本科研業(yè)務(wù)費、河南省水利科技攻關(guān)計劃項目(GG201602)、國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0400202)和國家自然科學(xué)基金項目(51679205)資助

** 通訊作者: 牛文全, 主要從事灌溉理論與節(jié)水技術(shù)研究。E-mail: nwq@nwsuaf.edu.cn

張明智, 主要從事節(jié)水灌溉新技術(shù)研究。E-mail: mingzhiz@yeah.net

2017-03-21 接受日期: 2017-07-15

* This study was supported by the Henan Province Basic Research Business Expenses, Henan Province Water Science and Technology Breakthrough Project (GG201602), the National Key Research and Development Program of China (2016YFC0400202) and the National Natural Science Foundation of China (51679205).

** Corresponding author, E-mail: nwq@nwsuaf.edu.cn