榮 旭，李宗毅，李英豪，馮 健，張 政，王春堂

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

近年來(lái)受全球氣候變化的影響，我國(guó)干旱災(zāi)害加劇，農(nóng)業(yè)干旱形勢(shì)不容樂觀[1]。山東省水資源緊缺，農(nóng)業(yè)用水占其總用水的70%，因此選擇適宜的節(jié)水灌溉方式尤為重要[2]。常規(guī)地面灌溉方式主要有漫灌、畦灌、交替灌溉和波涌灌。漫灌灌溉方式粗放，灌水均勻性極差，水資源嚴(yán)重浪費(fèi)，現(xiàn)已基本不用[3]。畦灌操作簡(jiǎn)單，但由于傳統(tǒng)灌溉下畦首段受水時(shí)間長(zhǎng),且受到相鄰畦田側(cè)向入滲影響，濕潤(rùn)鋒到達(dá)深度較大，深層滲漏問(wèn)題較為嚴(yán)重[4]，不僅會(huì)使水分流失[5]，土壤板結(jié)[6]，而且也造成氮素淋失[7]，進(jìn)而使地下水遭受污染，最終造成面源污染[8,9]。交替灌溉徑流量損失小，入滲量較大[10]，降低了土壤表層水分蒸發(fā)，并減少了土壤水的深層滲漏[11]，有利于作物對(duì)水分的吸收[12]，提高了水分利用效率[13]，但交替灌溉仍未解決長(zhǎng)畦難灌問(wèn)題。而波涌灌溉的穩(wěn)滲率大致為傳統(tǒng)灌溉的25%，且節(jié)水保肥效果較明顯，灌水均勻度和灌溉水有效利用率均得到明顯提高[14]。但其適用于含有一定黏粒且透水性較好的土壤的灌溉，且波涌灌溉水流推進(jìn)仍為地面灌溉傳統(tǒng)的地面灌溉方式，在灌溉長(zhǎng)畦時(shí)灌水時(shí)間較長(zhǎng)，畦首段深層滲漏仍較為嚴(yán)重。因此，在山東地區(qū)引進(jìn)更加高效的灌溉節(jié)水技術(shù)，提高水資源的利用效率[15,16]，是保證山東省農(nóng)業(yè)需求以及可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[17]。

作為一種新型灌溉方式，管渠灌溉是在傳統(tǒng)地面灌溉的基礎(chǔ)上，利用布設(shè)在田間的管渠進(jìn)行灌溉水的輸配，將其均勻地灌入田間，是一種利用管渠代替?zhèn)鹘y(tǒng)地面灌溉水流在田面推進(jìn)的新型灌水方法。本文以夏玉米為研究對(duì)象，設(shè)置傳統(tǒng)連續(xù)灌溉(T)、管渠灌溉(P)、波涌灌溉(S)和固定隔畦波涌灌溉(G)4種不同灌溉方式下對(duì)夏玉米生長(zhǎng)指標(biāo)和水分利用效率的影響進(jìn)行分析研究，從而尋求一種更好的節(jié)水灌溉方式，以期為夏玉米及其他農(nóng)作物的科學(xué)節(jié)水灌溉方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)泰安市馬莊實(shí)驗(yàn)田(117°0′21″E, 36°01′11″N)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2018年6-10月，夏玉米生育期內(nèi)降水總量為505 mm，降水分布如圖1所示。試驗(yàn)田供試土壤類型為壤土，田間持水率為32.5%(體積含水率)。灌區(qū)類型為井灌區(qū)，土壤干容重為1.36 g/cm3，比重為2.64，孔隙度為48.5%。

圖1 夏玉米生育期降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試夏玉米品種為“鑫豐3號(hào)”，播種前施加底肥為洋豐復(fù)合肥8袋，其氮磷鉀含量為112.5 kg/hm2，生育期間不再進(jìn)行追肥。2018年6月14日進(jìn)行機(jī)械播種，布設(shè)行距60 cm，株距20 cm。設(shè)置4種不同的灌溉處理方式：傳統(tǒng)畦灌(T)、管渠灌溉(P)、波涌流灌溉(S)和固定隔畦波涌灌(G)，每個(gè)處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，畦田規(guī)格為1.5 m×120 m，試驗(yàn)區(qū)布置為隨機(jī)分布排列，每個(gè)重復(fù)兩側(cè)均設(shè)置保護(hù)行。設(shè)置灌溉流量為45 m3/h。T處理、S處理和G處理灌溉水流推進(jìn)到畦田長(zhǎng)度九成處停止灌溉，灌溉時(shí)間以秒表計(jì)時(shí)。P處理調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速裝置，控制管渠內(nèi)塞閥移動(dòng)速度為0.1 m/s；S和G處理的灌水周期數(shù)為2，循環(huán)率為1/2；G處理固定灌溉其1、3、5畦。由于夏玉米生育期后期降雨量充足，試驗(yàn)僅在夏玉米拔節(jié)期(7月24號(hào))進(jìn)行了1次灌溉。

1.3 管渠灌溉系統(tǒng)

圖2為管渠灌溉系統(tǒng)裝置圖，圖3為特制的頂部開敞灌水管，圖4為管渠灌溉工作原理圖。該裝置是利用管渠輸水代替田面輸水，在管渠中設(shè)置塞閥，通過(guò)動(dòng)力機(jī)、變速裝置以及動(dòng)力輸出裝置控制牽引繩等速運(yùn)移，再通過(guò)牽引繩控制塞閥在管渠內(nèi)勻速移動(dòng)阻擋水流，使管渠內(nèi)水流在塞閥上游產(chǎn)生溢流。

圖2 管渠灌溉系統(tǒng)

圖3 管渠大樣圖

圖4 管渠灌溉工作原理圖

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)土壤含水率：采用德國(guó)生產(chǎn)的便攜式土壤水分測(cè)量?jī)xTRIME-PICO TDR，夏玉米生育期內(nèi)每隔 10～15 d進(jìn)行測(cè)量，測(cè)深為100 cm，灌水和降雨前后加測(cè)。

(2)生長(zhǎng)指標(biāo)：測(cè)定葉面積指數(shù)(葉長(zhǎng)×葉寬×校正系數(shù))；株高(抽雄前為土面至最高葉尖的高度，抽雄后為土面至雄穗頂端的高度)和莖粗。

(3)地上干物質(zhì)量：該指標(biāo)的測(cè)定與葉面積指數(shù)的測(cè)定同步進(jìn)行。從玉米拔節(jié)期到成熟期，每個(gè)生育期內(nèi)每個(gè)處理隨機(jī)選取18株玉米作為樣本帶回實(shí)驗(yàn)室。放入烘箱105 ℃殺青1 h，再調(diào)至85 ℃烘干至恒質(zhì)量，采用精度為0.01 g的天平進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定。

(4)水分利用效率[18]：

WUEY=Y/ET

(1)

式中：WUEY為水分利用效率，g/(m2·mm)；Y為玉米籽粒產(chǎn)量，g/m2；ET為整個(gè)夏玉米生育期內(nèi)的耗水量，mm。

因該試驗(yàn)地地下水位埋深超過(guò)5 m，故不考慮地下水補(bǔ)給的影響，降雨量采用有效降雨量。

ET=P+I-ΔS-D

(2)

Δh=10∑(ΔθiZi)

(3)

式中：ET為整個(gè)生育期內(nèi)的耗水量，mm；P為整個(gè)生育期內(nèi)的降水量，mm；I為整個(gè)生育期內(nèi)灌水量，mm；ΔS為土壤貯水變化量，mm；Δh為水層厚度；Δθi為某一土層在某一時(shí)段內(nèi)土壤體積含水率的變化；Zi為每一層次的土層厚度，cm；i為土壤層次；D為深層滲漏，D=α(P+I),α為補(bǔ)給系數(shù)，因降雨量和灌水量之和超過(guò)250 mm，故α取0.2。

(5)產(chǎn)量及構(gòu)成因素：收獲時(shí)，調(diào)查每小區(qū)有效穗數(shù)。每小區(qū)選取1.5 m2植株，室外風(fēng)干后于室內(nèi)進(jìn)行考種，考察其穗行數(shù)、行粒數(shù)，然后將測(cè)產(chǎn)的玉米進(jìn)行脫粒處理，稱其千粒質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式對(duì)不同畦段下株高的影響

4種不同灌溉方式下夏玉米的株高在生育期的變化規(guī)律如圖5所示。在夏玉米生育期內(nèi)，不同畦段上株高的變化趨勢(shì)總體為畦中>畦首>畦尾。隨著夏玉米生育期的進(jìn)行，各處理的株高變化趨勢(shì)一致。從拔節(jié)期到開花期，株高的增長(zhǎng)最快；從開花期到灌漿期，夏玉米株高的增長(zhǎng)開始變緩慢；從灌漿期到成熟期，株高基本沒變化甚至有略微的減小。在畦首段，4種處理的株高大小基本一致；在畦中段，P處理大于S處理、G處理和T處理；而在畦尾段上，P處理和S處理株高在開花期到成熟期均大于T處理，且P處理的株高大于S處理。T處理在畦首段與畦中段株高變化不大，在畦尾段T處理的株高較畦首段與畦中段相差較大。

圖5 不同灌溉方式下夏玉米在生育期內(nèi)株高的變化

2.2 不同的灌溉處理對(duì)不同畦段葉面積指數(shù)的影響

如圖6所示，不同灌溉方式夏玉米葉面積指數(shù)在整個(gè)生育期內(nèi)表現(xiàn)的變化規(guī)律基本相同，從拔節(jié)期至開花期，夏玉米葉面積指數(shù)的增長(zhǎng)速率最大；在開花期時(shí)，葉面積指數(shù)達(dá)到峰值，隨后葉面積指數(shù)逐漸降低，符合作物增長(zhǎng)函數(shù)。而P處理在畦長(zhǎng)方向上葉面積指數(shù)基本保持一致，T處理、S處理和G處理在畦中段葉面積指數(shù)最大，在玉米整個(gè)生育期基本表現(xiàn)為葉面積指數(shù)畦中>畦首>畦尾。且T處理在畦尾段的葉面積指數(shù)小于P處理、S處理和G處理。

圖6 不同灌溉方式下葉面積指數(shù)在生育期內(nèi)的變化

2.3 不同的灌溉處理對(duì)不同畦段下干物質(zhì)量的影響

如圖7所示，各處理地上部干物質(zhì)積累量趨勢(shì)基本一致，在整個(gè)夏玉米生育期內(nèi)，地上部干物質(zhì)積累量隨著夏玉米生育期的推進(jìn)逐漸增加，各畦段干物質(zhì)積累量依次為畦中段>畦首段>畦尾段。在畦首段和畦中段，不同灌溉方式下干物質(zhì)量表現(xiàn)為P>S>T>G；而在畦尾段，整個(gè)夏玉米生育期P處理最大，T處理、S處理和G處理大小基本一致。在成熟期，各處理在不同畦段上干物質(zhì)積累量平均值大小表現(xiàn)為P>S>T>G，且P處理和G處理在不同畦段的干物質(zhì)積累量變化不大，最大變化為19.4%和17.1%，低于S處理的23.61%和T處理的27.4%，T處理在不同畦段上干物質(zhì)積累量的變化最大。

2.4 不同灌水方式下對(duì)夏玉米產(chǎn)量及WUE的影響

由表1可見，不同灌溉處理在穗數(shù)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、產(chǎn)量及WUEY上沒有顯著性差異；G處理與T、S處理間的千粒質(zhì)量達(dá)到顯著水平，與P處理無(wú)明顯差異；P處理在耗水量上與T處理、S處理間的差異達(dá)顯著水平，與G處理未達(dá)到顯著水平。在千粒質(zhì)量上，總體表現(xiàn)為G處理>P處理>S處理>T處理，其中，G處理、P處理、S處理較T處理分別提高7.49%、4.05%和2.14%；在產(chǎn)量上，以P處理的產(chǎn)量值最高，較T處理、S處理、G處理分別提高了7.64%、3.30%和10.6%；在耗水量上，以P處理的耗水量最低，總體表現(xiàn)為T處理>S處理>G處理>P處理，P處理耗水量分別較T處理、S處理和G處理處理降低了7.31%、5.37%和2.06%；WUEY水平上，以P處理最高，對(duì)比T處理、S處理和G處理分別提高了17.5%、9.3%和11.9%。

表1 夏玉米產(chǎn)量及WUE

注：*同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在P<0.05 水平差異顯著。

3 討 論

灌溉對(duì)夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)的耗水量以及產(chǎn)量影響較大。其主要生育期天氣常為高溫多雨，但降雨量分布不均，會(huì)形成階段性干旱，如果干旱較為嚴(yán)重，灌水不及時(shí)，會(huì)影響夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響產(chǎn)量。因此適當(dāng)?shù)墓喔确绞綄?duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要作用。在夏玉米主要生育期內(nèi)，畦首段和畦中段夏玉米的株高變化基本不變，這與李強(qiáng)[19]等研究一致；而在畦尾段，P處理的株高大于T處理，這說(shuō)明傳統(tǒng)灌溉在長(zhǎng)畦的畦尾段水流推進(jìn)困難，土壤含水量較低。王艷[20]等研究表明，隨著夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育，作物對(duì)水分需求越來(lái)越大，水分成為制約的夏玉米生長(zhǎng)的重要因素。試驗(yàn)中，S處理和G處理的WUEY僅比T處理的WUEY分別高出7.5%和5%，這可能是因?yàn)榘喂?jié)期前及拔節(jié)初期，降雨量少；從開花期至灌漿期后期，降雨量較大。致使S處理和G處理的WUEY與T處理的WUEY相差不大。在成熟期，T處理在畦尾段的干物質(zhì)量與S處理的干物質(zhì)量相差不大，一方面可能是因?yàn)樵谙挠衩组_花期至灌漿期的降雨量較大，彌補(bǔ)了T處理的畦尾段在拔節(jié)水灌水量不足；另一方面，張歲岐[21]等研究結(jié)果顯示，畦尾段的土壤含水量較少，玉米根系在水分虧缺條件下深層土壤中根長(zhǎng)密度增加，增強(qiáng)了玉米在深層土壤水分的有效吸收，而后期較大的降雨量延緩了表層根系衰老，產(chǎn)生了補(bǔ)償效應(yīng)。在試驗(yàn)中，T處理在畦尾段的地上部干物質(zhì)積累量與畦首和畦中段相差較多，這說(shuō)明在畦尾段，灌溉水在畦田推進(jìn)較為困難，水流匯集畦首和畦中段，造成較大的滲漏損失，導(dǎo)致畦尾段土壤含水量較低，這與李強(qiáng)[20]等研究一致。而管渠灌溉畦尾段干物質(zhì)積累量高于傳統(tǒng)灌溉、波涌灌溉和固定波涌灌溉，這表明管渠灌溉在不同畦段灌溉水較為均勻，減少灌溉水深層滲漏的效果較好。因?yàn)楣芮喔葘⑺鞯目v向推進(jìn)改為橫向推進(jìn)，縮短灌溉水流動(dòng)的距離。同時(shí)灌溉水在管渠中流動(dòng)時(shí)阻力較小，流速快，降低了畦田首部深層滲漏量，減少了灌溉水在畦首段土層深層滲漏，且提高了畦尾段的灌水量，從而提高灌水質(zhì)量，能顯著提高灌溉水水分利用效率和灌水均勻度。

圖7 不同灌溉方式下夏玉米地上部干物質(zhì)積累量在生育期內(nèi)的變化

4 結(jié) 論

(1)4種不同灌溉方式對(duì)夏玉米的株高、葉面積指數(shù)和地上部干物質(zhì)積累量方面影響各有不同。在夏玉米生長(zhǎng)性狀方面，相比較傳統(tǒng)連續(xù)灌溉與波涌流灌溉，管渠灌溉表現(xiàn)效果更加突出，有利于夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育。

(2)在產(chǎn)量及水分利用效率方面，不同的灌溉方式對(duì)夏玉米產(chǎn)生不同的影響，而管渠灌溉能更好地滿足了夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水的需求，有效防止了畦田前段的深層滲漏，并提高了畦田后段的入滲水量，使灌溉水在畦田上分布更加均勻，進(jìn)而增加夏玉米的產(chǎn)量。因此，在山東泰安對(duì)夏玉米采用管渠灌溉可以取得較好的節(jié)水和增產(chǎn)效果。