黑龙江西部风沙土区玉米覆膜喷灌节水效果试验研究

原万坤，刘庆华

（东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030）

大庆杜蒙地区干旱缺水，如何把有限的降水最大限度地储存到土壤中去，充分提高这部分水资源的利用率是人们一直追求的目标。地膜覆盖因其能改善耕层土壤的水热状况而在我国北方干旱半干旱地区大面积应用。大垄双行覆膜技术结合膜下滴灌进行补水种植模式的实施，在很大程度上提高了水分利用效率，发挥了玉米的增产潜力[1]。目前当地玉米种植多为小垄不覆膜的常规种植模式，由于水热供应不足而造成了玉米的低产。本试验在传统大垄双行覆膜的基础上对大垄的垄型进行改进，由原来的平垄台种植改为垄台上开双沟种植，便于降雨及喷灌水量能直接深入玉米苗带，旨在增产的同时提高水分利用率、降低灌溉成本。

改进的大垄双行覆膜（以下称为大垄双沟覆膜）不仅可以使垄上降雨富集并叠加到苗带沟内，使根系土壤蓄水量增加，而且可以减少蒸发损失，提高水分利用效率。玉米根系活动层土壤水分状况因受气象条件、土壤特性、耕作措施等因素的制约，存在明显的时空差异，即不同时间土壤水分在空间各点的值既有差异又互相影响[2]。本研究利用实测的土壤水分资料，分析了大垄双沟覆膜条件下玉米根系活动层土壤水分动态变化的规律性及对产量的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

试验选用两种玉米，分别是当地大面积常规种植的品种吉单109和适合覆膜种植的品种先玉335。

1.2 方法

试验为两种种植模式的对比，分别为大垄双沟覆膜喷灌种植（大垄宽130 cm，垄台成“W”型，苗带处于沟底，便于膜上集水经放苗空入渗）与常规喷灌种植（小垄未覆膜做对照）。结构见图1。覆膜种植品种为先玉335，常规种植品种为吉单109，同时两种种植模式保持灌水量和施肥量的一致。每种模式设2个重复，共4个小区，每个小区面积为26 m×25.65 m，小区之间设宽1 m的保护区。试验期间使用土钻取，土采用烘干法对玉米根系层的含水率进行测量（测定时间为5月30日～9月16日），每3～7 d测定1次，降雨后加测，测得值均为质量含水率。试验区每个处理对应1种管理模式。玉米收获后按小区测产。

图1 大垄双沟垄型Fig.1 Type of Doulbe ditch wide-ridge treatment

2 结果与分析

2.1 土壤水分的垂直动态变化对比

2009年是典型春旱的年份，试验对大垄双沟覆膜及对照区的各层土壤含水率进行了长期观测，观测时段从拔节期至灌浆期，时间为6月22日至8月17日，期间有两次降水，日期分别为7月10日和8月13日。玉米根系层土壤含水量随时间的变化曲线如图2、3所示。由图2、3对比分析可知，玉米根系层土壤水分垂直变化即具有相同的规律又有各自的特点。两种处理玉米根系各层土壤水分垂直动态变化具有相同的规律，即浅层变化明显。玉米根系浅层0～20 cm土壤含水率变化幅度最大，变化范围分别为对照区3.53%～12.51%、覆膜区6.51%～12.74%。尤其是降水后，越趋近土壤表层，土壤含水率变化越明显，说明玉米根系层土壤含水率的变化主要受降水和蒸发蒸腾的影响，从而形成大的波动[3]；随着土层深度的增加土壤含水率动态变化曲线逐渐呈平缓的曲线形式，且各层间的变化表现出明显的层次性；深层变化相对稳定，深层80 cm土壤含水率变化不明显，变化范围分别为对照区8.43%～12.51%、覆膜区9.09%～11.96%，该层受降水和蒸发的影响很小，水分的运动主要受重力、毛管力植物根系消耗的影响，因此该层的变化趋势不明显。

农业生产实践中的一切措施都是为作物增产服务的，因此对作物的产量和水分利用效率进行对比分析可以评判技术措施的优劣[5]。大垄双沟种植对玉米产量及水分利用效率的影响见表1。大垄双沟覆膜明显地提高了玉米的产量和水分利用效率，玉米产量增产3 648.14 kg·hm-2水分利用效率增加了0.76 kg·m-3；每公顷产量增幅为38.9%，增产效果明显。

本试验采用喷水溶解肥的方式追肥，由于肥料并未直接作用到玉米根系，因此会影响玉米的产量。为避免后期脱肥减产，应多次用喷灌形式补肥或人工使用追肥器在玉米根部的膜上打孔施肥来解决肥料长效的问题。

2.2 土壤水分横向分布对比

采用大垄双沟覆膜技术很好的解决了玉米苗期、拔节期气温低干旱缺水等问题。喷灌时机通常选在风速、蒸发量小的时刻进行间歇性补水，当苗带沟内水分积满时停止补水，等沟内水分完全经放苗空入渗后再进行补水。

在大垄双沟覆膜处理下，不同深度土层处横向剖面顶、沟、肩处的水分差异也很大，大小顺序为0～10＞10～20＞20～40＞40～60＞60～80 cm（见图 5）。浅层0～40 cm以内，沟与顶和肩二者的土壤含水量的差值明显（差值2.21%～4.01%），深层60～80 cm土壤含水率差值很小，可见大垄双沟覆膜技术在横向上对浅层土壤含水率的影响大。

图4 横向各点0～80 cm土层平均含水率对比Fig.4 Comparison of every horizontal soil layer moisture under the soil layer from 0 to 80 cm in the film-mulching treatment

从图4中可以看出大垄双沟覆膜与对照区0～80 cm深度范围内的土壤平均含水量由高到底次序依次为沟（12.6%）、肩（11.12%）、顶（11%）、对照（8.26%）。沟内土壤含水量明显大于垄顶和垄肩，说明在大垄垄台上开双沟覆膜集雨效果明显，玉米种植在垄台的沟内，汇集到沟内的降水经放苗空入渗到玉米根系的土壤内，能使沟内苗带处的土壤水分增加。这在生育期前段有效降雨量少而水资源又相对匮乏的情况下，可以采用短时喷灌补水来满足玉米生长所需水分。由于垄沟降水向两侧的横向补给使得垄肩处浅层土壤水分也略高于垄顶。

2.3 大垄双沟种植对玉米产量及水分利用效率的影响

1932年，Binham提出黏度的倒数具有加和性，并经过实验验证，如式(2)。可以看出，该模型预测精度会随着组分油品的黏度比增大而显著降低，特别不适合两种组分油黏度相差大的油品混合后黏度的预测[4]。1992年，李闯文通过13组实验结果对该模型进行预测，发现结果并不理想，在此基础上提出一种改进模型，如式(3)。

表1 玉米产量及水分利用率Table 1 Maize yield and WUE

3 讨 论

3.1 喷灌补水时间

通过大垄双沟覆膜处理，一定程度上解决了传统平垄覆膜形式下降水难以入渗的问题，使落到膜面上的降水汇集到苗带沟处后直接经放苗孔入渗到作物根系，导致土壤水分在水平方向上呈不均匀分布，从而改变了玉米生长所需水分状况。苗带与垄顶处土壤含水率差异越大，说明相同降水时将垄上雨水向苗带汇集的越多，集雨效果越好。7月13日降水2 d后连续3 d取土观测，土壤含水率数值为15～17日3 d的平均值。

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3.2 追肥

两种处理的差别，由于覆膜改变了SPAC（Soil plantatmosphere continum）系统的连续性，这必然对土壤各层含水率的变化产生直接影响[4]。对比土壤表层0～20 cm变化曲线可知，图2对照区表层土壤含水率比图3覆膜区变化的更为剧烈，这是由于降水直接补充了表层土壤含水量，雨后的蒸发又直接作用于表层所致，而覆膜区由于膜的阻隔作用使土壤水分垂直蒸发受阻，因此土壤水分的下降趋势比较缓和，且观测期内表层含水率平均值覆膜区（8.67%）高于对照区（6.22%），可见覆膜对表层土壤的保水作用明显；40～60 cm土层含水率变化受蒸发作用的影响较小，该层的平均含水率高于表层，对玉米的生长起着重要的作用，由于玉米的根系活动层主要分布在0～60 cm，而图2对照区表层20 cm以上含水率变化剧烈，可被根系直接利用的水分集中于40～60 cm，所以该层的土壤含水率变化比较复杂。图3覆膜区深层土壤含水率要高于对照，覆膜60 cm的深层含水率均值为11.6%，对照区60 cm的深层含水率均值则只有9.7%，低于覆膜，并且随着玉米的生长呈下降趋势。

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3.3 揭膜

玉米生育期中后期，由于植株高大、叶片茂盛，不便于喷灌作业的实施和膜上水分向沟内汇集，而膜又影响了水分的入渗，因此若进入雨季时应考虑及时揭膜。

评估方法：以地区统调负荷最高时点统计出重载率，与上一年线路重载率实绩值进行比对，对重载率提高的情况以及具体重载线路进行原因分析，提出解决建议和规划方案。

4 结论

玉米根系土层水分的垂直动态变化表现出明显的层次性，浅层0～20 cm土层水分变化显著，其主要是受降水，蒸发作用的影响。40～60 cm土层含水率变化复杂，深层60～80 cm含水率变化稳定[6]。

大垄双沟覆膜喷灌条件下各深度土层的水分横剖面差异很大。苗带沟处土壤水分明显高于垄顶和垄肩，垄肩处略高于垄顶，且都高于对照区苗带的土壤含水量，说明大垄双沟覆膜具有明显的集水效果。大垄双沟覆膜种植技术提高了玉米的水分利用率和产量。

[1]张忠学,曾赛星.东北半干旱灌区节水农业理论与实践[M].北京:中国农业出版社,2005:145-174.

[2]刘庆华,马永胜,王立坤.行间覆膜节水技术在黑龙江省西部半干旱区集雨作用的研究[J].农业系统科学与综合研究,2005,21(4):92-95.

[3]党修辉,刘庆华.行间覆膜对玉米根系层土壤水分动态的影响[J].灌溉排水学报,2008(12):101-103.

[4]张绪成.旱地地膜玉米集雨补灌效应研究[J].甘肃农业科技,2003(11):62-64.

[5]Alderfasi A A,Nielsen D C.Use of crop water stress index for monitoring water status and scheduling irrigation in wheat[J].Agricultural Water Management,2001,46(3):241-251.

[6]刘红英,蔡焕杰,王健.灌溉条件下夏玉米田根系层水分动态和田间灌溉水有效利用率的研究[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2005,33(6):107-112.