不同耕作与灌溉施肥方式对夏玉米水分利用效率的影响

周 龄

(赤峰学院 资源与环境科学学院， 内蒙古 赤峰 024000)

1 研究背景

北京市位于我国华北平原的西北部，是严重缺水的特大城市，北京市人均水资源仅有133 m3，远低于国际规定的人均水资源500 m3的极度缺水线[1-2]。严重缺水的现状制约着北京地区经济社会的可持续发展[3-4]。农业用水是水资源利用的重要组成部分，农业一直是用水大户，2013年农业用水量占总用水量的24.97%。近年来北京地区发展节水农业已经取得了显著效果，今后北京地区依然还需要大力发展节水农业。垄沟耕作方式是一种在农业生产中常用的节水节肥栽培模式，广泛用于我国北方地区，它通过改变地形，拦蓄部分径流，促进沟中水分向垄上位置侧向流动，减小沟内水流下渗，具有较高的增产、节水、保墒、节肥和增温的效益[5-8]。马丽等[9]研究表明，在河南省俊县，夏玉米采用垄作栽培方式与平作方式相比，能够促进光合产物的积累及籽粒的转移，玉米籽粒充实，千粒重显著提高，产量提高9.6%。赵有彪等[10]研究表明，在甘肃地区种植玉米采用全膜垄作沟灌方式，其产量和水分利用效率分别提高了38.3%和39.0%。师学珍等[11]研究表明，垄作沟灌条件下，合理减少水量有利于提高玉米水分利用效率。谢文等[12]研究表明，垄作方式能明显提高土壤含水量，土壤容重比平作减少0.05～0.08 g/m3，孔隙度增加，土壤有机质和有效养分含量增加。马丽[13]研究表明，垄作方式增加土壤孔隙度，土壤容重比平作降低4.38%～7.95%，提高土壤温度，改善土壤环境和田间小气候环境，对夏玉米产量增产有帮助。前人研究大多是针对垄作与平作方式对土壤理化性质、作物生理生长指标及产量和作物水分利用效率的影响，而较少将作物耕作方式与灌溉施肥方式组合进行研究。华北地区夏玉米的种植面积占全国玉米生产的34.7%，总产量占全国玉米总产量的36.8%，是我国玉米的主产区之一[14]。为了确定北京地区夏玉米合理的耕作与灌溉施肥方式，本文通过开展夏玉米田间试验，研究不同耕作与灌溉施肥方式对夏玉米水分利用效率的影响，以期为北京地区水资源高效利用和农业持续发展提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

试验于2013年6月-10月在北京市灌溉试验中心站永乐店试验基地进行。该试验基地位于北京市通州区永乐店镇境内，东经114°，北纬39°，平均海拔为20 m。该试验区属于温带大陆性半湿润季风气候，多年平均气温为11.5℃，年平均日照时数为22 750 h，多年平均降雨量为622 mm，全年降水主要集中在6-9月份，占全年总降水量的75%。试验基地地下水埋深达10～20 m。土壤基本物理性质见表1。

表1 土壤基本物理性质

2.2 试验设计

本次试验在试验基地的大田进行，准备12个试验小区，每个试验小区的长度为3.5 m，宽度为4 m，面积为14 m2，每个试验小区之间用田埂隔开，田埂的宽度和高度均为0.3 m，两排试验小区之间设有玉米保护区。本次试验根据耕作方式、灌溉和施肥因素，设置4个处理，每个处理均重复3次，12个试验小区采用随机排列的方式布置。试验小区布置图见图1。

耕作方式设置2种耕作方式，分别为起垄和不起垄，起垄耕作的垄深度为0.2 m，垄宽度为0.4 m。灌溉施肥方式设置4种方式，具有3种灌水水平和3种施肥水平。灌水水平分为高、低、不灌3种水平，其中高水灌溉与当地实际灌溉情况一致，玉米生育期内每亩地灌溉40 m3，即每个试验小区灌溉60 mm，低水灌溉为高水灌溉的50%，即每个试验小区灌溉30 mm，高水灌溉和低水灌溉分别在玉米拔节期各灌溉一次。施肥水平分为高肥、中肥和低肥3个水平，玉米在拔节期需要施尿素促进玉米生长发育，高肥水平施肥量为600 kg/hm2，中肥水平施肥量为450 kg/hm2，低肥水平施肥量为330 kg/hm2。这4种灌溉施肥方式组合分别为高灌中肥(AE)、低灌高肥(BF)、低灌中肥(BE)和不灌低肥(CD)。4种灌溉施肥方式在夏玉米播种前均需要灌溉，播前灌溉水量均为30 mm，目的是为了土壤储水保墒和苗期玉米的生长；同时也需要在夏玉米播种前进行施肥，各处理均施复合肥450 kg/hm2，其中包括氮肥108 kg/hm2、磷肥81 kg/hm2、钾肥63 kg/hm2。各处理灌溉施肥方案见表2。

图1 试验小区布置图

表2 各处理灌溉施肥方案

本试验供试作物为夏玉米，品种为“郑单958”，2013年7月1日播种，10月24号收获，生育期116 d，采用人工播种和施肥，玉米行距为0.6 m，株距为0.3 m，每个试验小区布置7行11列，总共77株玉米。试验基地有管道供水到试验地，其中不起垄的处理采用畦灌灌水方式，起垄处理采用沟灌灌水方式，供水管道的末端安装有水表，可以用来控制灌溉水量。试验期间所有的农艺措施与当地实际情况保持一致。

2.3 测定项目与方法

在夏玉米每个生育期内采用土钻分层获取土样，每个取样点都分为4层，分别为 0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm。在播种前和收获后两次取样，每个取样点深度为0～100 cm。采用烘干法(土样在105 ℃烘箱内烘8 h)测定土壤的含水率。在9月30日玉米进入成熟期采用卷尺测定每个处理玉米的株高和叶面积的长(L)与宽(B)，采用下列计算公式得到叶面积指数：

(1)

式中：LAI表示叶面积指数;K为叶片的拟合系数，夏玉米取为0.735[15];A为一株玉米叶片所占地面的面积。

夏玉米收获时进行考种和测产，分别测定夏玉米的穗长、穗粗、百粒重、穗粒重，每个处理5次重复；每个处理取10株玉米进行脱粒并晒干后进行测产，换算成每公顷的产量。夏玉米全生育期内的气象数据由试验站的自动气象站下载获得，夏玉米全生育期内的降雨量为367.8 mm。

采用水量平衡公式计算夏玉米全生育期的耗水量，水量平衡公式如下：

Q=P0+I+ΔW-R-D

(2)

ΔW=10rH(W1-W0)

(3)

式中：Q为夏玉米全生育的耗水量，mm；P0为全生育的降雨量，mm；I为全生育的灌溉量，mm；ΔW为土壤水分变化量，mm；W0、W1分别为播前和收获时土壤质量含水率；R为径流量，mm，由于本试验每个试验小区之间由田埂隔开，径流量为0；r为每层土壤的容重，g/cm3；H为土壤水的计算深度，mm，本次试验取为100 cm；D为计算土体与下界面处的水分交换量，mm，由于试验地地下水埋深在10 m以上，地下水上升对夏玉米生长的影响不大，夏玉米生长的水分主要由降雨和灌溉供给，进入作物根系层下边界的渗漏量可忽略不计，故D取为0。

夏玉米全生育期的水分利用效率采用如下公式计算：

(4)

式中：WUE为夏玉米全生育期的水分利用效率，kg/m3；Y表示夏玉米产量，kg/hm2；Q为夏玉米全生育期的耗水量，m3/hm2。

3 结果与分析

3.1 土壤水分分布规律

图2为不同处理的土壤水分分布规律，其中0～60 cm为夏玉米的主根系层土壤，是作物吸收水分的主要土层。由图2可以看出，在表层土壤(0～20 cm)，各处理的土壤含水率变化范围为0.12～0.20 cm3/cm3，其中不起垄的AE、BF和BE处理土壤水分变化基本一致，起垄的CD处理土壤水分变化略有差异；8月5日进行灌溉后，不起垄的AE、BF和BE处理的土壤含水率明显上升，没有灌溉的CD处理的土壤含水率则下降；随着夏玉米生育期的推进，不起垄的AE、BF和BE处理的土壤水分快速消耗，而起垄的CD处理与不起垄处理之间的水分差异逐渐减小；8月27日之后，在降雨和土壤蒸发作用下，不起垄的AE、BF和BE处理的土壤含水率较低且变化缓慢，而CD处理由于起垄的作用，可以减少土壤水分蒸发，土壤含水率较高且减小的较缓慢；至夏玉米收获时，各处理的土壤含水率差异并不明显。在中层土壤(20～40 cm)，各处理土壤水分随时间变化趋势与表层土壤水分变化趋势类似，中层土壤各处理土壤含水率变化更加剧烈，土壤含水率的变化范围为0.18～0.32cm3/cm3，在夏玉米生育后期土壤含水率基本表现出CD处理﹥AE处理﹥BF处理﹥BE处理的规律。在下层土壤(40～60 cm)，各处理土壤水分随时间变化趋势与表层土壤水分变化趋势基本类似，各处理土壤含水率的变化范围为0.14～0.28 cm3/cm3，在夏玉米生育后期，AE处理和CD处理的土壤含水率基本接近，略大于BF处理和BE处理。在夏玉米主根系层土壤(0～60 cm)，土壤水分变化趋势与表层土壤水分变化趋势类似，各处理土壤含水率的变化范围为0.15～0.27 cm3/cm3，在夏玉米生育后期，土壤含水率呈现出CD处理﹥AE处理﹥BF处理﹥BE处理的规律。由此可见，起垄耕作与不起垄耕作方式相比，土壤含水率变化幅度小，变化趋势更平缓，保水保肥能力更强。

3.2 夏玉米生长及产量指标

表3为不同处理夏玉米的生长及产量指标。由表3可知，BE处理的株高和叶面积指数在4个处理中表现出最大。BE处理株高为254.67 cm，AE、BF和CD处理分别比BE处理降低了5.81%、5.98%和8.05%；BE处理叶面积指数为3.79 cm2/cm2，AE、BF和CD处理分别比BE处理降低了14.25%、8.83%和12.98%，说明在夏玉米生育后期，夏玉米植株停止生长，夏玉米的株高和叶面积指数差异性较小。但在产量指标中，AE处理的产量最大，为10 768 kg/hm2，BF、BE和CD处理分别比AE处理降低了8.16%、10.19%和12.86%，说明灌溉水量越大，施肥量越大，夏玉米的产量也越大。在不同耕作方式中，起垄CD处理的夏玉米产量仅仅比不起垄AE处理降低了12.86%，起垄CD处理的夏玉米减产幅度较小。经过方差分析可知，本试验条件下灌溉水量与施肥量对夏玉米各生长及产量指标均无显著性影响(p﹤0.05)，说明气象因素对夏玉米生长的影响大于灌溉因素、施肥因素和耕作方式对夏玉米生长的影响。

3.3 夏玉米耗水规律及水分利用效率

表4为不同处理夏玉米各生育阶段的耗水量。由表4可以看出，在夏玉米播种期-出苗期，由于作物植株较小，作物根系吸水不旺盛，在播种前期的灌溉量和降雨量条件下，土壤起蓄水作用，土壤水分存储在0～100 cm土层中；在出苗期-拔节期，这一生育期，夏玉米幼苗生长不迅速，需水量比较小，这一时期降雨量比较大，降雨量达166.8 mm，这时期土壤继续蓄水；在拔节期-抽雄期，这一时期夏玉米生殖生长迅速，作物根系吸水旺盛，虽然这一时期降雨量达到1 10.2 mm，各处理也进行了灌溉，但仍然满足不了夏玉米的需水需求，这时期土壤水分被消耗；在抽雄期-灌浆期，这时期夏玉米以营养生长为主，作物根系吸水也比较剧烈，这时期降雨量只有39.4 mm，不能满足夏玉米营养生长的要求，此时期土壤水分也是被消耗；在灌浆期-成熟期，夏玉米营养生长减弱，作物根系吸水量减小，此时期降雨量为39.1 mm，夏玉米继续消耗存储在土体中的水分。在夏玉米各生育期阶段，降雨量加灌溉量之和与土壤水消耗量之间均具有明显的互补关系，降雨加灌溉量之和越大，土壤水消耗量越少，甚至出现蓄水；反之，降雨量加灌溉量之和越小，土壤水消耗量越大。因此，在进行灌溉的时候，充分考虑作物生长季节内的降雨时间和降雨量在作物不同生育期内的分配，选择适宜的时间进行灌溉，形成作物生长季节内的土壤水分干湿交替，充分开发土体的蓄供水能力，是节水灌溉的有效途径之一。

图2 2013年各试验处理土壤水分分布规律

表3 不同处理的夏玉米生长及产量指标

表4 不同处理的夏玉米各生育阶段的土壤水分消耗量 mm

注：土壤消耗量为负，表示土壤蓄水。

表5为不同处理夏玉米全生育期的耗水量及水分利用效率。由表5可以看出，AE处理耗水量最大，为469.9 mm，BF、BE和CD处理耗水量分别比AE处理降低了6.96%、5.64%和12.90%，可见，灌溉量越大，夏玉米耗水量也越大。作物耗水主要由降雨量、灌溉量和土壤供水三部分构成，其中降雨量是夏玉米最主要的耗水部分，降雨量占夏玉米耗水量的78%～89.9%，其中起垄CD处理降雨量占耗水量的比例最大，为89.90%，降雨是该试验区夏玉米耗水量的最主要来源。灌溉占耗水量的7.3%～19.2%，AE处理的灌溉量为90 mm，占耗水量的比例最大，为19.2%。在夏玉米全生育期耗水量中，有少量土壤水，各处理土壤水分变化量均为负值，说明夏玉米全生育期内土壤水有所增加，土壤蓄水，土壤蓄水量范围为9.4 mm～15.6 mm。不起垄AE处理和起垄CD处理的夏玉米水分利用效率最大，为2.29 kg/m3，可见，起垄CD处理与不起垄AE处理夏玉米水分利用效率相同。不起垄的BF、BE处理的水分利用效率分别比AE处理降低了1.3%和4.8%，可见，在不起垄的灌溉方式中，肥力水平相同的情况下，灌溉水量对水分利用效率有一定的影响，在此试验中，较大的灌溉水量能够提高水分利用效率。因此，在试验区种植夏玉米，为了能够提高作物的水分利用效率，采用起垄的耕作方式可以提高作物的水分利用效率，达到节水灌溉的目的。

表5 夏玉米全生育期耗水规律及水分利用效率

4 结 论

本试验通过在北京地区开展夏玉米田间试验，设置不同的耕作和灌溉施肥方式，通过测定夏玉米生育期内的土壤含水率、生长及产量指标，研究不同耕作和灌溉施肥方式对夏玉米水分利用效率的影响。主要结论如下：

(1)表层土壤(0～20 cm)、中层土壤(20～40 cm)、下层土壤(40～60 cm)和夏玉米主根系层土壤(0～60cm)，各处理在不同生育阶段的土壤含水率变化规律基本相似，在夏玉米抽雄期之后土壤水分呈现出CD处理﹥AE处理﹥BF处理﹥BE处理的规律。土壤水分分布规律表明：在灌溉水平和施肥量相同情况下，起垄耕作方式与不起垄耕作方式相比，土壤含水率变化更平缓，保水保肥能力更强；在相同灌溉和垄作方式下，施肥量也会影响土壤含水率，施肥量越大，夏玉米生育后期的0～60 cm土层的土壤含水量也越大。

(2)垄作方式相同条件下，夏玉米产量随着灌溉水量和施肥量的增加而增大，AE处理的产量最大，为10 768 kg/hm2，起垄CD处理与不起垄AE处理相比，夏玉米产量减产12.86%。

(3)采用起垄耕作方式可以提高夏玉米的水分利用效率，在灌溉水量较小的情况下，起垄CD处理的夏玉米水分利用效率最大，为2.29 kg/m3；不起垄的耕作方式，在一定范围内，夏玉米水分利用效率随着灌溉水量的减少而减小。因此，在研究区种植夏玉米，采用起垄不灌溉低肥的方式可以提高夏玉米的水分利用效率，对夏玉米生长及产量影响较小，可以达到节水节肥的目的。