泾惠渠灌区夏玉米非充分灌溉制度分析

蔡晓东，陈新明,2，曹晓华，李 强

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.陕西省泾惠渠管理局，陕西 咸阳 713800)

干旱缺水是我国干旱和半干旱地区面临的主要问题，也是影响农业持续稳定发展的主要制约因素。传统灌水方式依然存在着灌溉水利用率低、浪费严重等问题[1],我国北方地区尤为严重，这不仅限制了我国的经济发展，而且造成了土地荒漠化、沙尘暴等一系列严重环境问题，危及到了人类生存。目前解决水资源短缺最主要的方法是提高水资源的利用效率，注重节水农业的发展[2]。然而一切先进的农业节水技术要达到节水的目的，都必须充分考虑土壤-作物-水分的关系，实现水-土-作物关系的最优协调。在水资源短缺的今天，利用水分亏缺的双重性，研究灌区夏玉米非充分灌溉制度。非充分灌溉可降低作物的耗水量，但从土壤水分有效性考虑，非充分灌溉可以使土壤水分更有效地被利用[3]。水分亏缺对作物不一定是有害的，水分阶段性亏缺对夏玉米的生长发育具有双重性，某一阶段水分亏缺可能会严重危害夏玉米生长，而另一阶段一定程度的水分亏缺对生长发育有利，过去几十年泾惠渠一直研究的是充分灌溉的试验。面对日益紧缺的水资源和不断增加的水需求，发展节水农业已经到了非常必要的时期，非充分灌溉作为田间节水的一项可行性理论，已经被普遍接受。泾惠渠灌区非充分灌溉试验对于合理安排供水计划，节约用水，提高作物产量和水分利用效率有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，是一个以农业灌溉为主的大型灌区，现有设施灌溉面积9.69 万hm2，有效灌溉面积8.79 万hm2[4]，灌区面积占全省灌溉面积的2.4%，生产粮食产量占全省的5.8%，是陕西省重要的粮食生产基地之一。陕西省泾惠渠灌溉试验站，地理坐标为东经108°54′，北纬34°33′，海拔433.72 m，年平均降雨量540 mm，年蒸发量为1 200 mm，年平均气温为13.6 ℃。试验水源为井水，用水表控制灌水量，灌溉条件较好。试验于2013-2016年的6-10月在陕西省咸阳市泾阳县三渠镇泾惠渠灌溉试验站大田进行(见表1)。

表1 夏玉米各生育期降雨量 mm

根据泾惠渠灌区1953-2016年的降雨资料，结合夏玉米全生育期从6月1号播种到9月30日收获，绘制了降雨频率曲线图，由图1可以看出，泾惠渠灌区夏玉米全生育期多年平均降雨量为295.75 mm，其中2013年,夏玉米全生育期内的降雨量为182 mm；2014年,夏玉米全生育期内的降雨量为223.3 mm；2015年,夏玉米全生育期内的降雨量为186.9 mm；2016年,夏玉米全生育期内的降雨量为216.7 mm。所以按照多年降雨频率曲线，2013的降雨频率为87.6%，2014年的降雨频率为72.3%，2015年的降雨频率为84.6%，2016年的降雨频率为78.4%，均接近75%枯水年。

图1 泾惠渠夏玉米全生育期内降雨频率曲线

1.2 试验设计

夏玉米非充分灌溉制度田间试验布设在本站第二耕作区西边地块。根据玉米的生长规律，将夏玉米的生育期分为：播种期、出苗期、三叶期、拔节期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期、开花期、抽丝期、灌浆期、完熟期。试验将灌水时期分为压茬期、拔节期、喇叭口期、抽雄期、灌浆期。各年以不灌水作为对照组，研究在不同生育期水分亏缺情况下夏玉米的生长发育情况，本试验水分处理用M表示，总共有8个处理，每个处理重复两次，由于夏玉米生长期短，各年的气候差异导致方案略有变化，各年份不同的灌水处理组合与灌溉定额，见表2。

1.3 实验测定指标及方法

(1)土壤含水率。土壤含水率的测定采用烘干法，用土钻取土，选取前、中、后3个测点，每个测点测定土壤深度为0～100 cm，土样间距10 cm进行测定。在灌水期前后3 d和生育期内每7 d测定一次。

(2)玉米生理指标测定。玉米生理指标测定在每个生育期内取3株具有代表性的植株，用游标卡尺、直尺等测定夏玉米成熟后的株高、茎粗等生理指标。夏玉米成熟后，进行穗长、穗粗等产量因素的测定，然后考种计算实收的百粒重与产量。

2 结果与分析

2.1 不同处理对夏玉米株高的影响

夏玉米生长过程中，水起着不可或缺的作用。玉米的生长发育随着灌水的不同而不同，株高是冠层结构对水分效应的体现。2013年，M1处理(不灌水)的株高显著低于其他处理6%，M8处理(压茬期+灌浆期)的株高显著低于其他处理8.4%，而M3处理(压茬期+拔节期)的株高达到了最大值，拔节期处理下的株高显著高于其他处理5%。说明了在夏玉米的压茬期和拔节期灌水对于株高的影响很大。2014年，M5(压茬期+拔节期)、M6(压茬期+拔节期+小喇叭口期)、M7(压茬期+拔节期+灌浆期)处理下的株高显著高于其他处理5.6%，说明拔节期是夏玉米株高的需水敏感期。2015年，在拔节期进行灌水的株高显著高于拔节期未灌水5.2%，灌浆期的灌水与不灌水对株高的影响无明显差异，说明灌浆期是夏玉米生育周期的后期，玉米营养也进入了生长阶段，株高增长速率趋于稳定。2016年，拔节期都不灌水，而喇叭口期灌水的株高显著高于其他处理5.5%，说明喇叭口期适当灌水对夏玉米株高有促进作用。

表2 各年份灌溉定额以及各处理组合

2.2 不同处理对夏玉米茎粗的影响

由表3可知，夏玉米的茎粗随着生育期而增加，在苗期和拔节期生长最快，灌浆期之前茎粗的生长基本完成。2014年，拔节期未灌水的处理M1(不灌水)、M2(压茬期)、M5(压茬期+灌浆期)的茎粗显著低于其他处理5.1%，说明在保证苗期灌水的情况下，在拔节期灌水对茎粗的影响比较大。2015年，M7(压茬期+抽雄期+灌浆期)处理的茎粗显著低于其他处理19.3%，说明拔节期是夏玉米茎粗生长的关键需水期。而3次灌水处理(压茬期+拔节期+抽雄期)、(压茬期+抽雄期+灌浆期)的茎粗显著低于其他处理5.9%，说明灌水次数对于茎粗的影响比较小，灌水时期则起比较大的作用。2016年，在拔节期和苗期均不灌水，各处理对于茎粗的影响不显著。综上所述，说明拔节期和苗期的灌水对于夏玉米茎粗的生长起到决定性的作用，而在其他灌水时期灌水对夏玉米茎粗的影响很小。

表3 2013-2016年夏玉米各处理成熟后的株高与茎粗 cm

注：采用DPS软件的DUNCAN新负极差发进行多重比较，表中以小写字母标记5%显著水平，字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著，下同。

2.3 不同生育期灌水对于夏玉米产量构成因素的影响

不同生育期灌水对夏玉米的产量影响不同。夏玉米产量构成因素包括亩株数、穗粒重、百粒重。产量构成因素如表4所示，从表4可以看出，2013年，由于夏玉米生长期间气候干旱，灌水次数越多产量越高，在M6(压茬期+拔节期+抽雄期)、M7(压茬期+拔节期+灌浆期)处理都用了3次灌水，其产量分别为11 803.5和9 900 kg/hm2，显著高于其他处理25.2%，而M1(不灌水)处理的产量最低，M8(压茬期+灌浆期)处理的产量显著低于其他处理23.8%，说明夏玉米到了灌浆期，生长发育已经趋于稳定，对产量的影响不大。穗粒重和百粒重受灌水处理的影响比较大，3次灌水的M6(压茬期+拔节期+抽雄期)、M7(压茬期+拔节期+灌浆期)处理的百粒重显著高于其他处理6.4%，说明生长期水分充足，夏玉米生长良好。而不同处理的产量M6(压茬期+拔节期+抽雄期)>M5(拔节期+抽雄期)>M4(压茬期+抽雄期),则说明在夏玉米生育期内对水分敏感程度依次是：抽雄期>大喇叭口期>出苗期。2014年，各处理在苗期、拔节期、抽雄期均不灌水，各处理对于夏玉米产量因素的影响不显著。2015年，抽雄期灌水的处理M5(压茬期+拔节期+抽雄期)、M7(压茬期+抽雄期+灌浆期)的产量显著高于其他处理6.98%，说明抽雄期是夏玉米产量的关键需水期。2016年，所有的处理在苗期和拔节期均不灌水，M1(不灌水)、M2(压茬期)处理的穗粒重和百粒重显著低于其他处理35.3%、8.1%，说明在生育期内缺水对穗粒重和百粒重的影响比较大。M1(不灌水)处理的产量显著低于其他处理42.69%，说明在夏玉米的生育期内灌水对产量有比较大的影响。

表4 2013-2016年产量因素表

2.4 不同处理下夏玉米耗水量与产量、WUE的关系

根据不同处理下夏玉米产量与耗水量的关系，利用Excel曲线拟合绘制二次曲线图。由图2可知，随着耗水量的增加，产量逐渐增高。由图2可知，由于农业需水量受种植结构、土壤、气候等变化环境的综合影响[5]，过多的耗水量使得产量降低，导致水分的浪费。

随着灌水量增加，夏玉米的耗水量对水分利用效率的影响很大，如图2(a)所示，2013年，当耗水量达到最大的时候产量达到最大，而水分利用效率却随着耗水量的增加而降低，这也与王勇等[6]得出的结论类似。由图2(b)可知，2014年，灌水两次处理的水分利用效率显著低于灌水3次处理7.1%，水分利用效率M6(压茬期+灌浆期)>M5(压茬期+拔节期)>M3(压茬期)。如图2(c)所示，2015年，灌水两次处理的水分利用效率显著高于3次处理45.7%，M6(压茬期+抽雄期)>M3(压茬期+拔节期)，而3次灌水处理中M4(压茬期+抽雄期+灌浆期)的水分利用效率仅为2.73 kg/m3，而过多的灌水会降低水分利用效率。如图2(d)所示，2016年，在拔节期和苗期均没有灌水，在两次灌水处理的水分利用效率显著高于3次灌水的处理19.6%， M5(压茬期+抽雄期)>M3(压茬期+灌浆期)。农田节水调控的主要目的是通过科学的灌水方式和各种农业节水措施的实施, 减少棵间土壤蒸发的无效耗水[7]。综合4 a的数据，制定合理的灌溉制度，在夏玉米需水期适度灌水是提高水分利用效率的有效途径。

3 讨 论

从4 a的数据分析得出，夏玉米在压茬期和拔节期的灌水对株高的影响较大,这与Kato Z等[8]的结论相似，拔节期作为对玉米生长最重要的时期，适当灌水能有效提高夏玉米的株高。夏玉米的茎粗随着生育期而增加，在苗期和拔节期生长速率最快，灌浆期之前茎粗的生长基本完成，随后有减小,这与张俊鹏等[9]的研究结论相似。而从数据反应株高和茎粗最高的时候产量不是最大。拔节期是夏玉米产量的水分敏感期，抽雄期和灌浆期阶段适度控制灌水，不会对产量造成影响，这也与Ibarra-Caballero J等[10]和张群[11]等的结论相同。相同灌水次数，在非水分敏感期适当亏水不会造成减产，反而会提高水分利用效率，不同的灌溉制度对于夏玉米的生长发育以及增产至关重要，这也与刘一龙等[12]的结论相似 ，从图2(c)和图2(d)可以看出，随着耗水量的增加水分利用效率反而呈现下降的趋势，究其原因是过多的灌水量使得土壤板结，通气性不良，影响了作物正常的生长发育。2016年，拔节期和苗期干旱导致了耗水量平均仅有297.08 mm，也说明了各生育阶段干旱均降低了夏玉米的阶段耗水量和日耗水强度，其中重旱处理的降幅最大[13]。在非充分灌溉下夏玉米要高产，就要适期播种，强化田间管理。播种前要求土壤含水率不低于20%，遇干旱浇足播前水。种植紧凑型玉米，使得亩株数增加、养分制造多、亩穗数增加、亩粒数多、贮存养分多。应确保群体整齐度，夏玉米产量是由亩株数、穗粒重、百粒重三因素决定的，与亩株数成正相关。夏玉米由低产变高产，限制因素为亩株数不足，要大力增加种植密度，由高产再高产(见表4)。

图2 2013-2016年不同灌水处理下夏玉米耗水量与产量、WUE的关系

4 结 语

(1)通过分析不同灌水处理对夏玉米植株生理指标、水分利用效率和产量的影响，确定了75%枯水年(2013-2016年)最优灌溉制度是：压茬期+拔节期+抽雄期[14,15]，全生育期灌水3次，灌溉定额3 300 m3/hm2；由于受到夏季气候变化大的影响，一般在保证苗全、苗齐、苗壮的前提下，拔节期+抽雄期具有相对的优势，也与关中地区降雨一般在年后期有着比较大的关系。

(2)非充分灌溉下，夏玉米压茬期和拔节期灌水对于株高的影响很大；拔节期和苗期灌水对于夏玉米茎粗的生长起到决定性的作用，而其他灌水时期灌水对夏玉米茎粗的影响很小；拔节期和抽雄期是夏玉米产量的关键需水期；夏玉米生育期的需水敏感期适度灌水是提高水分利用效率的有效途径。

(3)在生育期前期旱象明显的枯水年份，增加亩株数，进而增加穗粒重和百粒重，是夏玉米丰产的基本保障；拔节期和抽雄期是夏玉米产量的关键需水期。在合理的灌溉制度下，随着灌水量增加，产量逐渐增高，但超过某一特定范围，随着水量增加产量反而有所降低，过多水量导致土壤板结，土壤通气性差，进而影响夏玉米的正常生长，因此合理的非充分灌溉制度有利于取得高产的结果。而对于百粒重，4 a的数据显示灌浆期的水分亏缺会导致百粒重降低，在一定区间内灌溉水量跟百粒重成正比例关系，灌溉水量越多，百粒重越大。