不同灌水量对绿洲春玉米农田耗水特征及产量的影响

黄彩霞，张恒嘉

(甘肃农业大学工学院农业水利工程系，兰州 730070)

有限水分管理不仅能提高果树等经济作物和大田作物的产量及水分利用效率，也可明显改善农田水分环境[1,2]。研究表明，有限水分利用可显著节水并提高作物产量或保持不减产[3-5]。春小麦拔节期灌水50 mm(土壤水分保持在45%～50%的田间持水量)而其他生育期充分灌水(相对含水量为65%～70%)对作物产量和水分利用效率提高最为有利，为适宜的灌水模式[6]。玉米苗期和拔节期限量灌水(土壤水分分别保持在50%～60%和60%～70%的田间持水量)可既提高作物产量又提高水分利用效率[7]。拔节期不灌水或少量灌水时玉米根系在深层土壤分布较充分灌水时多，有利于作物充分吸收利用深层土壤水分，而后期灌水则可延缓表层根系生长的衰退，产生明显的补偿效应[8]。也有研究认为，拔节期灌水对玉米株高和干物质积累影响明显，苗期与拔节期灌水不足产生连续干旱，对产量影响极大；抽雄期为玉米需水关键期，应充分灌水，此期灌水量不足显著降低作物产量和水分利用效率；灌浆期适度减少灌水量则有利于作物节水增产[9]。相关研究还发现，旱地冬小麦拔节期、玉米大喇叭口期和谷子始穗期分别补充灌水180、600和450 mm/hm2，可使作物增产57.1%、57.4%和20.5%，且随着灌水量的增加，产量增幅明显，表现出有限水分的超补偿效应[10, 11]。不同灌水量也可使旱地高粱、花生、大麦、棉花、大豆等作物增产9.2%～120%，与充分灌水相比产量降低不明显，但水分利用效率却提高1倍以上[12-14]。

对春小麦而言，播种-三叶是其耗水量相对较小的时期，其中播种-出苗时段耗水量介于8.6～28.5 mm，耗水模系数为9.9%，出苗-三叶期耗水量为16.5～21.0 mm，耗水模系数9.0%，而拔节-开花期则为耗水量和耗水模系数最大的时期[19]。膜孔沟灌春玉米播种-拔节期植株耗水量小，耗水模系数仅14%～19%，拔节后阶段耗水量较大，耗水模系数为23%左右；抽雄-灌浆为玉米产量形成的关键时期，阶段耗水量和耗水模系数均达到最大值，在35%以上；灌浆-成熟耗水模系数降至24%左右[20]。

本文利用中子仪结合烘干称重法，通过连续监测绿洲春玉米农田土壤水分，研究了不同灌水量对玉米农田土壤水分时空变异特征、作物阶段耗水量与耗水模系数、叶面积指数和作物产量变化的影响，以期为绿洲灌区玉米农田水分管理提供理论依据。

1 区域概况与研究方法

1.1 自然概况

试区位于甘肃河西走廊中段临泽县北部(39°21′N，100°07′E)，海拔高度为1 367 m，绿洲外与巴丹吉林沙漠南缘相接，主要依赖黑河水，为典型的沙漠绿洲，属大陆性干旱荒漠气候类型，全年日照时数3 021 h，年太阳总辐射量143 kJ/cm2。年均降水量117 mm，年蒸发量2 390 mm，为降水量的20多倍；年均气温7.6 ℃，最高和最低气温为39.1和-27 ℃，≥10 ℃的年积温为3 088 ℃，无霜期105 d；主风向为西北风，风沙活动集中在3-5月，年均风速3.2 m/s，大于8级大风日数年均15 d；年日照时数3 045 h；该区常年平均地下水位4.2 m，毛管水上升高度65 cm，地下水不能补给到作物根系分布层，向上补给量可忽略不计；冻土深度1.0 m左右；干旱高温和多风是其主要气候特点。地带性土壤为灰棕荒漠土，为绿洲新垦沙地，0～20、20～40、40～60 cm和60 cm以下土层深度土壤容重分别为1.46、1.48、1.56和1.53 g/cm3，0～60 cm土层田间持水量为21.5%。2014年玉米生长季降雨量124.6 mm，多于多年平均值(图1)。

图1 试验年度春玉米生育期内降雨量Fig.1 Monthly precipitation distribution in maize growing season

1.2 试验布置

试验设5个处理，1个对照，分别在玉米拔节、大喇叭口、孕穗、抽雄、吐丝、灌浆期限量灌水。各处理不同生育期灌水量依据当地玉米灌水实际确定；传统灌溉处理各生育期灌水量按当地玉米灌水量的上限确定，作为充分供水对照。本试验灌水方式为畦灌，系当地常规灌水方法，水表严格控制灌水量。玉米不同处理及对照全生育期灌水量见表1。试验每一处理及对照均重复3次，小区面积70 m2(12.5 m×5.6 m)，完全随机区组设计。试验春玉米为当地主栽品种沈单16号，于2013年10月进行匀地，2014年3月30日覆膜，4月5日播种，膜内种植，播种密度为8 万株/hm2。播前底肥施纯氮48 kg/hm2、纯磷63 kg/hm2、纯钾28 kg/hm2作为基肥。玉米出苗后两周左右人工间苗，于拔节和孕穗期分别追施纯氮48和32 kg/hm2。玉米足墒播种，播前清除杂草，作物生长过程中进行中耕，人工除草，并及时防治病虫害。

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

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分

作物生长期间每隔7 d左右测定一次土壤水分，主要生育期和灌水后各加测1次，共分为8层测定：0～20，20～40，40～60，60～80，80～100，100～120，120～140，140～160 cm。土壤容重用环刀法测定，土壤含水量用中子仪结合烘干称重法测定，每个重复取3个样。其中0～20 cm土层用烘干称重法测定，最后换算成体积含水量；其他土层均采用中子仪测定。

1.3.2 作物产量

玉米成熟时各小区单独收获，脱粒、晒干并计产，各处理产量为3个重复小区产量的平均值。

1.3.3 作物叶面积测定

玉米叶面积用LAI-2000叶面积仪测定，每小区测定3株，取其平均值。

1.3.4 作物耗水量

作物耗水量按下式计算：

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

(1)

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Office Excel 2003作图，用SPSS18.0软件进行相关性分析，并用LSD多重比较法比较分析数据差异的显著性(p<0.05)，各图表中的数据均为3次重复的平均值。

2 结果分析

2.1 不同剖面土壤水分时空变化

玉米生长季所有灌水处理不同土层深度土壤水分全生育期变化趋势基本一致(图2)。玉米农田土壤水分的空间变异很大，但各层间的变异又表现出明显的层次性。就不同层次来说，0～20，20～40，40～60，60～80 cm土层土壤水分变异幅度极大，尤以表层0～20 cm水分变幅最大；而下层80～100，100～120，120～140，140～160 cm土层含水量变化相对较为平缓，并且随着土层深度的增加，土壤水分变化逐渐趋于平缓。玉米播种后24 d(4月28日)以后至43 d(5月18日)以前，所有处理不同土层深度土壤水分均不同程度地持续下降。43 d以后，由于各处理玉米在播后52 d(5月27日，即拔节期)进行了102～147 mm的灌水(表1)，又恰逢10.7 mm的少量降雨(图1)，绝大部分灌水处理不同土层含水量均显著提高，至播后101 d达到全生育期最大土壤含水量。

图2 试验玉米0～20，20～40，40～60，60～80，80～100，100～120，120～140，140～160 cm土层土壤水含水量全生育期变化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，玉米播种142 d以后，因灌浆中期(8月26日)灌水和12.2 mm的降雨，所有土层土壤含水量均显著提高。虽然孕穗期(6月22日)、抽雄期(7月12日)、吐丝期(7月28日)、灌浆初期(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)的降雨显著增加了土壤含水量，但由于水分测定日与灌水日时间间隔较长，试验土壤又是绿洲新垦沙地，砂性较外围绿洲农田更大，水分在土壤中渗透和蒸发速度极快，加之正值作物生育盛期，作物蒸腾耗水强度极大(表2)，因而农田土壤水分消耗量非常大，所以在上述时间灌水后土壤含水量并未显著上升。

2.2 不同灌水量对玉米阶段耗水量和耗水模系数的影响

玉米不同灌水处理间播种-五叶期和拔节-孕穗期阶段耗水量存在差异(p<0.05)，其他时期差异均不显著(p>0.05)，而耗水模系数仅有播种-五叶期的各处理间差异显著，其他生育阶段均不存在显著差异(表2)。从表2可以看出，玉米阶段耗水量与耗水模系数全生育期均表现为先增大后减小，且其峰值均出现在吐丝-灌浆期。播种-拔节期玉米阶段耗水量和耗水模系数最低，仅占全生育期的16%左右，拔节-孕穗期和孕穗-吐丝期则高于播种-拔节期，均为全生育期的25%左右。吐丝-灌浆中期玉米阶段耗水量和耗水模系数比前一时期有所增加，高达28%左右，但灌浆中期-成熟期则显著下降，仅为全生育期的10%左右。

表2 不同灌水处理玉米阶段耗水量与耗水模系数Tab.2 Periodic water consumption and its percentage in total water use for spring maize subjected to various irrigation water

注：a阶段耗水量；b耗水模系数；n.s., 不显著。

2.3 不同灌水量对玉米叶面积指数的影响

不同灌水处理的群体叶面积发展动态为灌浆初期至灌浆中期达到高峰，稳定持续至灌浆末期，此后叶面积衰减较快(表3)。总体而言，抽雄—成熟期各处理叶面积发展比较稳定，持续时间较长，有利于干物质的积累，尤以产量最高的MI1处理叶面积发展最为稳定。灌水最多的对照CK灌浆初期叶面积指数最大，但衰减也最为迅速，影响了后期群体生产力的增加。除灌浆初期和灌浆中期外，其他所有生育期灌水处理间叶面积指数差异均不显著(p>0.05)。

表3 不同灌水处理玉米叶面积指数Tab.3 Leaf area indexes of spring maize subjected to various irrigation water

注：数值为每个处理三次重复的平均值。同列字母不同表示试验年度处理间在0.05水平上差异显著。

在灌浆初期，灌水最多的MI5处理和对照CK与其他所有处理间叶面积指数均在p<0.05水平上差异显著，MI5和CK比MI1、MI2、MI3、MI4叶面积指数分别增加18.3%、31.1%、22.7%、20.6%和18.6%、31.1%、23.0%、20.9%，但MI5与CK间及MI1、MI2、MI3、MI4间叶面积指数差异均不显著(p>0.05)。此外，处理MI5和对照CK叶面积指数均比MI2、MI3处理在p<0.01水平上显著增加。因此，在灌浆期之前较多的灌水有利于玉米叶面积的发展。在灌浆中期，处理MI4和对照CK的叶面积指数在p<0.05水平上分别比处理MI2增加19.8%和20.0%，比MI3增加22.2%和22.4%，但与其他处理间无显著差异。

2.4 不同灌水量对玉米产量的影响

不同灌水处理及对照间玉米产量差异显著(p<0.05，表4)。MI1处理和对照CK与MI2，MI4间差异显著，但与MI3和MI5间不存在显著差异(p>0.05)，且MI1处理与CK间亦不存在差异。玉米产量以灌溉定额最小的处理MI1最高，分别比其他灌水处理MI2，MI3，MI4和MI5产量提高25.7%，10.4%，9.2%和38.8%，比CK仅增加2.4%。因此，MI1处理在作物生育期内的有限水分管理不但未降低玉米产量，反而节约灌溉用水31.1%(表1)，节水效果极为显著。

表4 不同灌水处理玉米产量Tab.4 Yield performance of spring maize subjected to various irrigation water

注：数值为每个处理3次重复的平均值。同行字母不同表示各处理间在0.05水平上差异显著。

3 讨论与结论

(1)玉米生长季所有灌水处理不同土层深度土壤水分全生育期变化模式基本一致，其土壤水分空间变异很大，但各层间的变异又表现出明显的层次性。其中0～20，20～40，40～60，60～80 cm土层土壤水分变异幅度极大，尤以表层0～20 cm变幅最大，表明表层土壤含水量受灌溉、降水和蒸散的影响最大，这与李红等研究结果一致[17]。

(2)有限水分管理条件下玉米阶段耗水量与耗水模系数在生育阶段的连续递变中都是由小到大再由大到小，其峰值均出现在吐丝—灌浆期，与以往研究结果较为一致[15,16]。播种-拔节阶段，玉米植株蒸腾量小，其水分大部分以棵间蒸发消耗为主，按持续时间相比，这段时间最长，占到了全生育期天数的25%，但作物阶段耗水量和耗水模系数最低，仅占全生育期耗水量和耗水模系数的16%左右。拔节-孕穗阶段玉米处在气温较高季节，拔节以后每2～3天就可以生出1片新叶，由于植株蒸腾的速率增加较快，日需水强度不断增大，该段时间仅次于播种-拔节期，占到全生育期天数的22%，阶段耗水量和耗水模系数较高，占到全生育期25%左右。孕穗-吐丝阶段占全生育期天数的18%，阶段耗水量和耗水模系数却高达25%左右。吐丝-灌浆中期是玉米形成产量的关键时期，此段时间为全生育期天数的18%，阶段耗水量和耗水模系数却高达28%左右。灌浆中期以后，气温逐渐下降，玉米叶片也开始发黄，日需水量迅速降低，所以灌浆中期-成熟阶段时间为全生育期天数的17%，阶段耗水量和耗水模系数仅为10%左右。

(3)不同灌水处理群体叶面积发展动态为灌浆初期至灌浆中期达到高峰，最大叶面积指数稳定持续至灌浆末期，此后进入快速衰减阶段。抽雄-成熟期玉米叶面积发展比较稳定，持续时间较长，有利于干物质的积累。灌浆初期，全生育期灌水最多的对照CK和MI5处理比其他灌水处理叶面积指数分别增加18.6%～31.1%和18.3%～31.1%，说明灌浆期之前充足的灌水有利于玉米叶面积的增大。

(4)全生育期灌水最少的处理MI1玉米产量最高，分别比其他灌水较多的处理增产9.2%～38.8%，也略高于灌水最多的对照，但却比对照节水31.1%。因此，玉米生育期内合理的有限水分管理(拔节水102 mm+大喇叭口水93 mm+孕穗水93 mm+抽雄水90 mm+吐丝水90 mm+灌浆初期水75 mm+灌浆中期水75 mm)不仅不会降低作物产量，反而会实现节水和高产的双赢，节水保产效果最佳。这种灌水模式有利于玉米农田土壤水分状况的改善，也为灌溉农田水分管理对策提供了理论依据。

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[1] 康绍忠. 新的农业科技革命和21世纪我国农业节水发展[J]. 干旱地区农业研究, 1998,16(1):11-17.

[2] 强生才, 张恒嘉, 莫 非, 等. 微集雨模式与降雨变律对燕麦大田水生态过程的影响[J]. 生态学报, 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] 蔡焕杰, 康绍忠, 张振华, 等. 作物调亏灌溉的适宜时间和调亏程度的研究[J]. 农业工程学报, 2000,16(3):24-27.

[5] 孟兆江, 卞新民, 刘安能, 等. 调亏灌溉对夏玉米光合生理特性的影响[J]. 水土保持学报, 2006,20(3):182-186.

[6] 张步翀, 李凤民, 齐广平. 调亏灌溉对干旱环境下春小麦产量和水分利用效率的影响[J]. 中国生态农业学报, 2007,15(1):58-62.

[7] 康绍忠, 史文娟, 胡笑涛, 等. 调亏灌溉对于玉米生理指标和水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报, 1998,(12):82-87.

[8] 张岁岐, 周小平, 慕自新, 等. 不同灌溉制度对玉米根系生长及水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报, 2009,25(10):1-6.

[9] 李凤英, 黄占斌, 山 仑. 夏玉米水分利用效率的时空变化规律研究[J]. 西北植物学报, 2000,20(6):1 010-1 015.

[10] 牛俊义, 秦舒浩, 蔺海明, 等. 集雨补灌对粮饲兼用玉米的产量及生理效应研究[J]. 草业学报, 2002,11(1):38-42.

[11] 刘昌明. 中国雨水利用研究[M]. 江苏徐州: 中国矿业大学出版社, 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] 张旭东, 杨兴国, 杨启国. 半干旱区旱作春小麦耗水规律研究[J]. 干旱地区农业研究, 2004,22(2):63-66.

[16] 李援农, 李方红, 雷雁斌, 等. 膜孔沟灌条件下春玉米水分利用效率研究[J]. 干旱地区农业研究, 2006,24(5):84-87.

[17] 李 红, 周连第, 张有山. 北京郊区平原粮田土壤水分垂直变异特征[J]. 华北农学报, 2002,17(2):82-87.