傅渝亮，汪順生，李彥彬

（華北水利水電大學水利學院，鄭州450045）

0 引言

提高水分利用效率對發(fā)展節(jié)水農業(yè)至關重要，采取適宜的保護性農業(yè)技術措施，減少農田水分的非生產性水分消耗，提高水分的生產效率，有利于生產力水平的提高[1,2]。壟作溝灌模式和秸稈覆蓋對節(jié)約灌溉用水和保持田間水分具有顯著作用，尤其是對大規(guī)模糧食作物的種植節(jié)水效果明顯[3,4]。由于壟作溝灌技術改變了田間土壤微地形，對田間水肥氣熱狀況具有較好的調節(jié)作用。另外，由于僅在壟溝內進行灌溉，形成了有利于水分運移和入滲的良好路徑，具有節(jié)水、保肥以及增產等優(yōu)點。不僅減少了作物總灌水量，并且降低了灌溉用水的損耗，提高了灌溉水利用效率[5-7]。師學珍等[8]在西北地區(qū)進行了壟作溝灌水肥耦合試驗，結果表明壟作溝灌能顯著提高玉米穂粗、穗長和產量。王增麗等[9]研究了不同灌水量條件對壟作溝灌玉米水分利用效率和產量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，灌水量越大，玉米的穗長、穗行數(shù)越大，灌水定額為500 m3/hm2時，水分利用效率和產量均達到最大值。張立勤等[10]研究發(fā)現(xiàn)，壟作溝灌覆膜比傳統(tǒng)模式種植玉米的WUE和產量分別提高了4.17%～34.16%及1.63%～40.44%。而大量研究已表明，農田覆蓋措施有利于改善土壤結構、保墑保肥且對作物生長具有良好的促進作用[11,12]，并在一定程度上能有效提高降雨利用率。黃彩霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋條件對小麥和玉米的干物質、產量及WUE均有顯著提高作用。張瑜等[14]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能有效提高土層中土壤含水率，并能促進作物增產。

大量壟作溝灌和秸稈覆蓋相結合的研究表明該技術節(jié)水效果顯著，在我國西北、華北等地區(qū)已獲得大面積推廣。但可以看到的是，不同水分控制下限條件下秸稈覆蓋量對壟作溝灌夏玉米的節(jié)水效果、產量和水分利用效率方面的研究較少，基于此，為進一步獲得不同覆蓋條件下更佳的節(jié)水灌溉量，本文通過設置不同秸稈覆蓋量、不同水分控制下限，探究壟作溝灌夏玉米生長發(fā)育、產量及WUE等方面的影響，以期為制定節(jié)水效果更為顯著的夏玉米灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6月至2018年10月在華北水利水電大學農水試驗場開展。該地土壤為粉沙壤土，土壤容重為1.35 g/cm3，田間持水量（Field Capacity，F(xiàn)C） 為24.58%。土壤全氮（Tottal N，TN）為0.055%，有機質（Organic Matter，OM）為0.79%，速效磷（Olsen P，OP）和速效鉀（Avail K，AK）含量分別為12.4 mg/kg 和102.6 mg/kg。試驗設置為壟作溝灌大田試驗，試驗區(qū)域小區(qū)面積為20.0 m×1.1 m，溝斷面為梯形，壟面寬70 cm，壟高20 cm，溝深40 cm，溝底寬20 cm。夏玉米品種為“鄭單958”，種植方式為每壟雙排種植，玉米株距30 cm，行距50 cm。為避免區(qū)間水分相互滲漏對試驗造成干擾，小區(qū)間設置1.1 m 的保護行（壟）。試驗采用隨機區(qū)組排列，重復3 次，試驗過程中無遮雨措施。圖1 為壟作溝灌夏玉米種植示意圖。降雨數(shù)據(jù)由試驗場內的自動氣象站獲?。ㄒ姳?）。按照播種后天數(shù)將壟作溝灌夏玉米全生育期劃分為：播種-出苗期（0～8 d），出苗-拔節(jié)期（8～31 d），拔節(jié)-抽雄期（31～50 d），抽雄-灌漿期（50～63 d） 以及灌漿-成熟期（63～90 d）。

表1 試驗期間各月降雨量 mmTab.1 Rainfall from of each months during the experiment

1.2 試驗方案及試驗設計

本次試驗在夏玉米播種后10 d 測定各土壤水分梯度下不同秸稈覆蓋量的出苗率、株高和地上干物質積累量。共設4種秸稈覆蓋量，即M0：覆蓋量為0（CK）、M1：覆蓋量為1 500 kg/hm2、M2：4 500 kg/hm2、M3：7 500 kg/hm2，夏玉米出苗后均勻覆蓋于壟上玉米行間。設4 種水分控制下限：分別為I1：55%FC、I2：60%FC、I3：70%FC和I4：80%FC。試驗計劃濕潤層為100 cm，以烘干法在每次灌水和雨后對土壤水分進行測定。當土壤重量含水率達到水分控制下限時進行灌水，灌水定額為45 mm。試驗共設置12 個處理，各試驗采用隨機區(qū)組排列，3次重復。各處理生育期內水分控制下限和覆蓋量見表2。

表2 各處理生育期內水分控制下限和覆蓋量Tab.2 Different irrigation and fertilizing amount

1.3 測定項目及方法

1.3.1 作物棵間蒸發(fā)量和土壤含水率測定

作物棵間蒸發(fā)采用微型蒸發(fā)器測定，用換土稱重法測量，分別將內徑為5 cm 和10 cm 的微型蒸發(fā)器放置于隴上和溝內，在每天8∶00 取土并使用精度為0.01 g 的天秤稱重。土壤含水率測定采用TDR 測定，在壟、溝各取一個觀測點，試驗區(qū)每隔5 d 測定一次土壤含水率，灌水前后及降雨后加測，并利用下式計算夏玉米耗水量：

式中：ET為夏玉米全生育期耗水量，mm；I為夏玉米全生育期凈灌水量，mm；P為夏玉米全生育期內有效降雨量，mm；ri為相應第i層的土壤干容重，g/cm3；Hi為相應第i層土壤厚度，cm；θi1、θi2為第i層土壤的含水率在時段初、末的值，%；G為地下水補給量，mm；D為深層滲漏量，mm。

由于試驗地點地下水位處于5 m 以下，因此不考慮地下水補給情況，即G=0；試驗單次灌水量均較小，不存在深層滲漏情況，故D=0。

1.3.2 作物生長和產量測定

各處理預先隨機標定10 株待測植株，每10 d 測定一次株高和葉面積等。株高用卷尺進行測量，測量標定的10 株玉米全部葉片的長、寬。在作物成熟時，對夏玉米干物質、產量等進行測定。干物質累積量的測定：將標定10 株待測植株，剪去地下部分，將各個分器官置于105 ℃下殺青30 min，75 ℃下烘至恒重，冷卻后稱重；測定生物學產量、籽粒產量及產量，各處理實行單打單收，測定實際產量。

1.3.3 水分利用效率（WUE）及降水利用效率（PUE）

WUE為夏玉米產量與耗水量的比值；PUE為夏玉米產量與降水量的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007 分析軟件處理試驗數(shù)據(jù)，同時采用SPSS 11.5 軟件進行統(tǒng)計學分析，并對相關指標用DUNCAN法進行顯著性分析，顯著性水平為（p＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對壟作溝灌夏玉米株高的影響

圖2 為不同處理對壟作溝灌夏玉米株高的影響?？梢钥闯?，從55%FC～80%FC范圍內，株高表現(xiàn)為先增大后降低并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。在55%FC水分條件下，夏玉米生育初期，其株高變化并不隨秸稈覆蓋量的增加而出現(xiàn)顯著差異，當生育期超過60 d 時，覆蓋處理的夏玉米株高顯著高于CK。在達到60%FC水分條件下，秸稈覆蓋1 500 kg/hm2處理夏玉米株高與CK 差距逐漸減小，秸稈覆蓋4 500 kg/hm2以及7 500 kg/hm2株高變化差距不顯著，但均顯著高于1 500 kg/hm2及CK處理。當水分控制為70%FC時，不同覆蓋處理間株高變化均出現(xiàn)一定差距，秸稈覆蓋處理株高生長均顯著高于CK，此時，秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時的株高最大。在80%FC水分條件下，各覆蓋處理對夏玉米株高的影響趨于一致，但均略高于CK。

2.2 不同處理對壟作溝灌夏玉米葉面積的影響

圖3 為各處理對壟作溝灌10 株夏玉米葉面積變化的影響。可以看到，在生育期前40 d，不同處理條件下夏玉米葉面積均呈現(xiàn)較為緩慢增加的趨勢，相同水分條件下，秸稈覆蓋能顯著增大葉面積。在生育期40～80 d 時，各處理對夏玉米葉面積影響顯著增大，這是由于該時期為夏玉米拔節(jié)期—抽雄期，夏玉米營養(yǎng)生長處于主要地位，而水分對葉片的生長促進效果顯著，因此各處理葉面積隨水分控制下限的增大而增大。80 d之后，各處理夏玉米葉面不在繼續(xù)增大且逐漸趨于穩(wěn)定或略有降低。水分為55%FC時，夏玉米葉面積隨秸稈覆蓋量的增大而增大，秸稈覆蓋量1 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2以及7 500 kg/hm2時平均值分別較CK 提高46.58%、58.31% 及61.32%，而水分控制下限60%FC～80%FC時，秸稈覆蓋量1 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2和7 500 kg/hm2葉面積平均值分別較CK 提高 25.87%、 59.45%、 54.32%，23.23%、 52.15%、48.75%以及6.54%、31.65%、27.23%，當水分控制下限為80%FC，且以秸稈覆蓋量為4 500 kg/hm2時，夏玉米葉面積達到最大，對夏玉米葉面積的促進作用最為顯著，進一步提高葉片光合生產潛力。

2.3 不同處理對壟作溝灌夏玉米干物質積累量的影響

干物質積累量是影響夏玉米產量的重要因素，圖4為不同秸稈覆蓋量與水分耦合對10 株夏玉米干物質積累量的影響?？梢钥闯?，在生育期70 d 之前，各處理夏玉米干物質積累量增速顯著，而70 d 之后增速顯著降低并趨于緩和。在水分條件為55%FC時，各處理對夏玉米干物質積累量影響差異不顯著，成熟期時均維持在每10株120 g左右，且均顯著低于其他水分處理；水分控制下限55%FC～60%FC、70%FC以及80%FC時，夏玉米平均干物質累積量漲幅分別為1.88%、7.26%及19.65%。當水分達到較高水平時（70%FC和80%FC），不同秸稈覆蓋量處理之間夏玉米的干物質積累量差異性逐漸縮小，特別是水分80%FC時秸稈覆蓋量為7 500 kg/km2僅比水分70%FC時秸稈覆蓋量為7 500 kg/hm2時夏玉米干物質積累量增加3.05%。60%FC水分處理條件下，在生育期70 d 之后，夏玉米干物質積累量隨秸稈覆蓋量的增大而增大，但隨著水分控制下限的繼續(xù)增大，僅有秸稈覆蓋量4 500 kg/km2和7 500 kg/km2的干物質積累量處在較高水平，分別達到182.55 g 和185.29 g，顯著高于秸稈覆蓋量1 500 kg/km2（153.91 g）和CK（147.88 g）。說明在一定水分下限范圍內，秸稈覆蓋量越大，越有利于夏玉米干物質積累量的提高。相同秸稈覆蓋量情況下，夏玉米干物質積累量隨水分控制下限的提高而增大，而相同水分控制下限條件下，秸稈覆蓋量為7 500 kg/hm2時，夏玉米干物質的積累量最大。

不同耦合處理對壟作溝灌夏玉米干物質累積特征參數(shù)具有不同影響。由表3可知，相同水分控制下限條件下，最大干物質累積速率、干物質累積速率最大時間、干物質累積速率最大時生長量以及平均干物質累積速率均與秸稈覆蓋量成顯著的正相關關系，而相同秸稈覆蓋量條件下，干物質累積速率最大時生長量隨水分控制下限的增加而增大，但最大干物質累計速率和干物質累積速率最大時間隨水分控制下限增大表現(xiàn)為先增大后降低變化，均于70%FC水分控制下限時達到最大。不同水分控制下限條件對最大干物質累計速率影響不顯著（p＞0.05），對干物質累積速率最大時生長量影響達到顯著水平（p＜0.05），而對干物質累積速率最大時間和平均干物質累積速率的影響影響達到極顯著水平（p＜0.01）。不同秸稈覆蓋量以及不同耦合處理對夏玉米干物質累積特征參數(shù)的影響均具有統(tǒng)計學意義（p＜0.01）。

表3 不同耦合處理對夏玉米干物質累積特征參數(shù)的影響Tab 3 Effect of different coupling treatments on summer maize dry matter accumulation characteristic parameters

2.4 不同耦合處理對壟作溝灌夏玉米耗水量的影響

通過表4可以看出，夏玉米各生育階段中耗水量大小關系依次為：灌漿-成熟期（95.77 mm）＞拔節(jié)-抽雄期（76.19 mm） ＞抽雄-灌漿期（62.53 mm） ＞出苗-拔節(jié)期（58.46 mm）＞播種-出苗期（24.29 mm），水分控制下限越高，各階段耗水量越高并達到極顯著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米全生育期內耗水量平均漲幅分別為5.06%、11.45%及23.48%。

表4 各處理夏玉米不同生育階段耗水量mmTab.4 Water consumption of different growth stages of summer maize

整體來看，水分處理和秸稈覆蓋處理對夏玉米全生育期內的耗水量變化影響均達到極顯著水平（p＜0.01），但水分和秸稈覆蓋耦合處理對其變化影響不顯著（p＞0.05）。相同水分條件下，各生育期耗水量隨秸稈覆蓋量的增加表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，并于秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，其平均值為313.91 mm；而相同秸稈覆蓋量情況下，各生育期耗水量隨水分控制下限的提高表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢，并于70%FC時達到最大，為333.43 mm。各生育期內耗水量最大的時期為灌漿—成熟期，這主要是由于此階段是物質積累的關鍵階段，需要大量水分以促進光合作用以及促進玉米籽粒形成，因此耗水量最大。

通過圖5可以看出，夏玉米耗水量模比系數(shù)在全生育期內表現(xiàn)為先增加后降低再增大的趨勢，呈顯著的二次拋物線規(guī)律。相同水分控制下限條件下，同一生育時期的耗水量模比系數(shù)隨秸稈覆蓋量的增加而降低，播種—出苗期，不覆蓋秸稈夏玉米耗水量的模比系數(shù)最大為19.30%，相較于不覆蓋，秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2以及1 500 kg/hm2模比系數(shù)減幅分別為13.38%、4.54%和4.14%。拔節(jié)—抽雄期秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2時耗水量模比系數(shù)最大為24.51%，表現(xiàn)出最佳的保水能力，秸稈覆蓋量1 500 kg/hm2時模比系數(shù)最低為23.09%。抽雄—灌漿期夏玉米耗水量模比系數(shù)與秸稈覆蓋量呈正比降低，秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2時模比系數(shù)較1 500 kg/hm2提高5.45%；灌漿—成熟期夏玉米耗水量模比系數(shù)與秸稈覆蓋量呈反比上升，秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2時模比系數(shù)較1 500 kg/hm2降低3.96%。

2.5 不同耦合處理對夏玉米產量和水分利用效率的影響

夏玉米產量構成因子主要包括玉米穗長、穗粗、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重以及籽粒產量等。根據(jù)表5可知，不同水分控制下限條件均會對夏玉米生長和產量影響因子產生一定影響，不同水分控制下限處理與夏玉米產量影響因子的關系均具有統(tǒng)計學意義（p＜0.01）。不同覆蓋量處理對夏玉米穗長、穗粗、穗行數(shù)影響不顯著（p＞0.05），而對穗粒數(shù)、百粒重以及籽粒產量影響極顯著（p＜0.01）。水分下限和秸稈覆蓋耦合處理對夏玉米穗長、穗行數(shù)和穗粒數(shù)影響不顯著平（p＞0.05），而對穗粗、百粒重以及籽粒產量的影響均達到極顯著水平（p＜0.01）。

表6 為不同水分和秸稈覆蓋量耦合處理對夏玉米產量、WUE以及PUE的影響。整體來看，水分處理、秸稈覆蓋處理及其耦合處理對夏玉米產量、WUE和PUE的影響均達到極顯著水平（p＜0.01），隨著水分控制下限的增大，WUE表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，而產量和PUE隨水分條件的增大而不斷增大，但增加幅度逐漸減小。由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米產量、WUE和PUE平均變化幅度分別為33.42%、10.60%、-2.54%，24.13%、1.50%、-7.61% 以及24.42%、7.40%、-2.58%。不同秸稈覆蓋處理對夏玉米產量、WUE和PUE的影響均達到極顯著水平（p＜0.01），相同水分條件下，夏玉米產量、WUE以及PUE均隨著秸稈覆蓋量的增大表現(xiàn)為先增大后降低趨勢，在秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，平均分別為6 257.69 kg/hm2、1.97 kg/m3和5.05 kg/m3。相同秸稈覆蓋量處理下，其產量、WUE和PUE隨水分控制下限的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，70%FC水分處理，產量、WUE和PUE均達到最大值，分別為6 602.07 kg/hm2、1.98 kg/m3和5.23 kg/m3。因此可以看到，水分控制下限為70%FC處理、秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時，夏玉米的產量（6 922.54 kg/hm2）、WUE（2.09 kg/m3） 和PUE（5.48 kg/m3）均最高。

3 討論與結論

水分處理和覆蓋處理對夏玉米生長發(fā)育均有顯著的促進作用。本研究表明，55%FC～80%FC范圍內，株高表現(xiàn)為先增大后降低并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，同一水分控制處理下，秸稈覆蓋為4 500 kg/hm2和7 500 kg/hm2能顯著提高夏玉米株高，各覆蓋處理夏玉米株高均顯著高于CK。水分控制下限60%FC～80%FC時，秸稈覆蓋量為4 500 kg/km2的夏玉米葉面積達到最大，對夏玉米葉面積的促進作用最為顯著，這與趙引等[15]在覆膜和灌水量對玉米生長的影響中得到的結果一致。王平等[16]研究表明，隨灌水量的增加，夏玉米的干物質積累量顯著提高，80%的土壤含水率有利于干物質的積累。本研究發(fā)現(xiàn)，在一定水分下限范圍內，秸稈覆蓋量越大，越有利于提高夏玉米干物質積累量的提高，相同秸稈覆蓋量情況下，夏玉米干物質積累量隨水分控制下限的提高而增大，而相同水分控制下限條件下，秸稈覆蓋量為7 500 kg/hm2時，夏玉米干物質的積累量最大。

申勝龍等[17]通過大田試驗，研究了不同秸稈覆蓋量對夏玉米耗水量、干物質累積量的影響，結果表明，不同秸稈覆蓋量處理耗水量均大于CK，且覆蓋量越大，耗水量也越大，在干旱半干旱地區(qū)壟膜溝播條件下，7 500 kg/hm2為合理的秸稈覆蓋量。本研究表明，水分和秸稈覆蓋處理對夏玉米耗水量影響極顯著，全生育耗水量水分控制下限的增加而增大，各階段耗水量越高并達到極顯著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米全生育期內耗水量平均漲幅分別為5.06%、11.45%及23.48%。相同水分條件下，耗水量于秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，其平均值為313.91 mm；而相同秸稈覆蓋量情況下，并于70%FC時達到最大，為333.43 mm。鄭媛媛等[18]研究了不同灌水和不同覆蓋條件下玉米產量和水分利用的影響，結果表明土壤耗水量隨著灌溉水量的增加而減少，而覆蓋能降低土壤耗水量，這可能是由于試驗地區(qū)氣候條件和試驗條件不同所導致與本文研究結果并不完全一致。

本研究表明，水分、秸稈覆蓋以及其耦合處理對夏玉米產量、WUE和PUE的影響均達到極顯著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米產量、WUE和PUE平均變化幅度分別為33.42%、10.60%、 -2.54%，24.13%、 1.50%、 -7.61% 以及24.42%、7.40%、-2.58%。高天平等[19]研究了不同水分補給量對覆蓋條件下玉米產量的影響，結果表明，田間持水量的75%～80%最有利于產量的提高。本研究中，相同秸稈覆蓋量處理下，夏玉米的產量、WUE和PUE均于70%FC水分處理時達到最大值，平均分別為6 602.07 kg/hm2、1.98 kg/m3和5.23 kg/m3。相同水分條件下，夏玉米產量、WUE以及PUE均在秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，平均分別為6 257.69 kg/hm2、1.97 kg/m3和5.05 kg/m3。

綜合來看，水分控制下限為70%FC處理、秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時，夏玉米的產量（6 922.54 kg/hm2）、WUE（2.09 kg/m3）和PUE（5.48 kg/m3）均最高，而且單位玉米產量的耗水系數(shù)最小，顯著提升了經(jīng)濟效益，即I3M3 處理是本試驗中的最佳處理，對于提高西北、華北等地區(qū)的高產高效的壟作種植模式秸稈覆蓋措施與節(jié)水灌溉兩者的耦合應用方案的制訂提供參考及技術支撐。