微喷灌对夏玉米产量和水分利用效率的影响

郑孟静 张丽华 董志强 申海平 姚海坡 张丽荣 贾秀领

(1河北省农林科学院粮油作物研究所,河北 石家庄 050035;2衡水市林业局,河北 衡水 053000)

华北平原是我国夏玉米主产区,该地区自70年代以来夏季降水量逐年递减[1],且时空分布不均,干旱时常发生[2],补充灌溉是提高该地区玉米产量及水分利用效率的重要措施。该区灌水方式常采用大水漫灌,灌水量大且不易控制,水分利用效率(water use efficiency,WUE)低,易造成灌溉水大量下渗、养分淋溶和地下水污染等一系列生态环境问题[3]。因此,采用先进的节水灌溉技术,减少灌水定额、提高水分利用效率是该地区夏玉米节本增效和实现可持续发展的重要途径。

与传统畦灌相比,喷灌作为一种先进的节水灌溉方式,具有灌水均匀度高、灌水时间和灌水量可控、对土壤和作物扰动小等特点[4]。微喷灌是在喷灌基础上演变的一种新型灌溉方式,其水分蒸发损失小、灌溉水利用系数较高[5-6]。微喷灌对农田小气候及土壤性状具有一定的调节作用,进而影响作物的生长发育[7-8]。王东等[9]研究表明,在小麦灌浆初期,微喷灌可通过降低冠层温度、提高相对湿度来显著提高粒重和籽粒产量。董志强等[10]研究认为,与畦灌相比,在同等产量水平下,微喷灌在平水年可节水20～50 mm,枯水年可节水70～110 mm。同时有研究认为,少量多次或调亏灌溉可显著提高叶片净光合速率,促进生育中后期干物质积累,减少作物冗余生长,优化库源比,实现增产增效[11-12]。前人有关微喷灌的研究多集中于冬小麦[13-14]、花生[15]等作物,而鲜见针对夏玉米生长发育和水分利用特征的研究。因此,研究微喷灌条件下夏玉米耗水动态变化特征,掌握夏玉米全生育期的耗水规律,明确夏玉米生长发育进程、生理活动与夏玉米耗水的相互关系,对制定田间灌溉决策和水分高效管理具有重要的指导意义。基于此,本试验以生产中大面积推广的高产夏玉米品种郑单958为试验材料,采用云智能土壤水分测定仪实时监测夏玉米全生育期多土层(0～200 cm)的水分动态变化,研究不同灌水模式对夏玉米产量和水分利用效率差异的影响机制,以期为华北地区夏玉米节水稳产栽培技术体系的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在河北省农林科学院粮油作物研究所藁城堤上试验站测渗水分池内进行,全生育期遇雨自动关闭遮雨棚。水分池下方为深3 m的观测道,可收集水分渗漏量。该区属华北地区太行山山前平原(116°85′E,38°41′N)。试验地0～20 cm 土壤含有机质15.7 g·kg-1、全氮1.0 g·kg-1、全磷2.1 g·kg-1、碱解氮80.0 mg·kg-1、速效磷21.4 mg·kg-1、速效钾113.9 mg·kg-1。夏玉米生长季大气温度、湿度和日照时数见图1。

图1 夏玉米生长季的相对湿度、平均温度和日照时数Fig.1 The relative humidity,mean temperature and sunshine hours in growing season of summer maize

1.2 试验设计

以大面积推广的高产品种郑单958为试验材料,由河南省农业科学院粮食作物研究所提供。种植密度为82 500株·hm-2,小区面积2.1 m×3.0 m=6.3 m2,每小区种植5 行,行距46.7 cm,行长3 m。于2017年6月20日进行人工点播,播前施入复合肥600 kg·hm-2(N ∶P ∶K为26 ∶10 ∶15),有机肥2.25×104kg·hm-2,大喇叭口期追施90 kg·hm-2纯氮。播种前浇足底墒水,土壤含水量达到田间持水量,其他管理同一般高产田。

采用随机区组设计,主区为灌水方式,设置微喷灌P(灌水定额为38 mm/次)和畦灌Q(灌水定额为75 mm/次),畦灌作为对照(CK);副区为灌水次数,分为1次(W1)、2次(W2)和3次(W3),微喷灌处理每小区铺设微喷带,微喷带为斜5 孔、孔径0.8 mm、带宽40 mm、喷射角范围45°～70°,微喷带铺设在玉米行间;畦灌处理每小区安装直径为5 cm的PVC 出水口。每小区均有流量计控制流量和灌水量。每处理重复4次,具体灌水处理见表1。

表1 微喷灌和畦灌条件下夏玉米不同生育期的灌水量Table1 The irrigation amount of summer maize at different growth stages micro-sprinkling irrigation and border irrigation

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数 在V3时期选择8株长势均匀一致的无病虫害植株标记,分别于V3、V5、V7、V9、V11、V13、VT、R2、R4和R6时期测量叶长和最大叶宽。按照公式计算叶面积和叶面积指数(leaf area index,LAI):

V3、V5、V7、V9、V11和V13分别代表全田50%以上植株达3、5、7、9、11和13片展开叶的时期;VT 代表全田有50%以上植株达吐丝期;R2、R4和R6分别代表全田50%以上植株籽粒分别达乳熟早期、蜡熟期和生理成熟期。

1.3.2 光合参数分别于V11、V15、VT、R2和R6时期采用LCi-SD 便携式光合仪(ADC,英国)测定叶片的净光合速率(photosynthesis,Pn)和蒸腾速率(transpiration,Tr),其中V15 代表全田50%以上植株达15片展开叶的时期。测定时间为晴天10:30-12:00,采用人工光源,光强设置为800 μmol·m-2·s-1,处理间光强保持一致。处理间采用交叉测定方式,开花前测定最新完全展开叶,开花后测定穗位叶,每小区测定6株。

1.3.3 干物质积累分别于VT、R2、R4和R6时期,每小区取代表性植株5株,105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重后称重。

1.3.4 夏玉米蒸散量和水分利用效率 采用云智能土壤水分测定仪(北京东方润泽生态科技股份有限公司)实时监测夏玉米整个生长季0～200 cm 土层土壤水分动态变化,每10 cm为一个土壤层次,每小时记录一次数据。蒸散量为整个生育期日蒸散量的和。因设备数量限制,水分分析数据仅为PW2和QW2 两处理。按照公式计算水分利用效率(WUE):

式中,Y为籽粒产量,kg·hm-2;ET为作物全生育期总蒸散量,mm。

1.3.5 阶段耗水量、耗水强度、阶段耗水层耗水比 阶段耗水层分析以2次灌水时间为节点划分了3个阶段,定义为生育前期(2017年6月22日至2017年7月30日)、生育中期(2017年8月1日至2017年8月23日)和生育后期(2017年8月25日至2017年10月1日),分5个耗水层0～20、20～40、20～60、60～100和100～200 cm。阶段耗水量为该阶段日耗水量的总和,耗水强度=阶段耗水量/该阶段的天数;阶段耗水层耗水比=每土层的耗水量/阶段总耗水量×100%。

1.3.6 产量及产量构成因素 在成熟期计算测产面积,调查穗数、穗行数、行粒数,重复3次,收获后脱粒,烘干称重,采用PM-8188NEW型谷物水分测定仪(郑州机械设备有限公司)测定籽粒含水量,折算为含水量14%的标准产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2010进行数据处理,采用DPS 7.05 统计软件对数据进行方差分析和LDS 法差异显著性检验(P＜0.05);采用SigmaPlot 10.0 作图。

2 结果与分析

2.1 灌水模式对夏玉米产量及构成因素的影响

由图2可知,与PW3相比,PW2、PW1、QW3、QW2、QW1的增水比例和增产比例分别为-33.3%和-13.9%、-66.7%和-23.4%、97.4%和3.3%、31.6%和-12.5%、-34.2%和-18.0%。由表2可知,微喷灌方式下,产量随灌水量的降低而降低;PW2 与QW1的灌水量相同,但其产量显著高于QW1(P＜0.05),PW3的灌水量低于QW2,但产量显著高于QW2(P＜0.05)。2种灌水方式下,W1的穗数、穗粒数、千粒重和产量均低于W2和W3;W2 与W3的穗数差异不显著,穗粒数、千粒重和产量均表现为W2 显著低于W3。相同灌水次数下,微喷灌和畦灌的穗数差异不显著,而穗粒数、千粒重和产量均表现为微喷灌低于畦灌。与QW1相比,PW2的灌水量相同、灌水次数增加,产量提高5.0%;与QW2相比,PW3的灌水量减少、灌水次数增加,产量提高14.3%。结果表明,2种灌水方式下减少灌水量均导致夏玉米产量降低,而采用微喷灌方式,在控水条件下减少灌水定额、增加灌水次数有利于夏玉米产量的提高。

2.2 产量差形成解析

2.2.1 不同处理下夏玉米叶片净光合速率变化 由图3可知,灌水方式对穗位叶净光合速率具有显著调控效应(P＜0.05)。2种灌水模式下,穗位叶净光合速率均随着灌水次数的增加而增加,相同灌水次数下,微喷灌的净光合速率低于畦灌;PW3的穗位叶净光合速率在VT和R2时显著高于QW2,平均高8.8%,PW2的穗位叶净光合速率在各生育时期均高于QW1。结果表明,采用微喷灌方式,减少灌水定额、增加灌水次数可提高穗位叶光合能力,为产量的提高提供物质基础。

表2 灌水模式对夏玉米产量及构成因素的影响Table2 Effect of irrigation mode on the grain yield and components of summer maize

图2 其他处理较PW3的产量和水分增加比例Fig.2 The increased percentage of grain yield and water irrigation of other treatments compared with PW3

2.2.2 不同处理下夏玉米干物质积累变化 由图4可知,自吐丝期(VT)各处理地上部干物积累量呈增加趋势。灌水方式和灌水次数对灌浆期干物质积累具有调控效应。2种灌水方式下,干物质积累量均随着灌水次数的增加而增加;与PW1相比,PW2和PW3的干物质积累量分别增加12.4%和25.3%(各时期的平均值);与QW1相比,QW2和QW3的干物质积累量分别增加了10.0%和25.8%(各时期的平均值)。PW3的灌水量低于QW2,而PW3的干物质积累量高于QW2 且在R2、R4和R6时期达显著水平(P＜0.05),相同灌水量下,PW2的干物质积累量高于QW1,且在R2和R4时期达到显著水平(P＜0.05)。上述结果表明,采用微喷灌方式,减少灌水定额、增加灌水次数可提高灌浆期干物质积累量,促进后期籽粒灌浆,进而增加粒重,提高产量。

注:不同小写字母表示同一生育时期处理间差异显著(P＜0.05)。下同Note:Different lowercase letters represent significant difference at 0.05 level among treatments during the same growing stage.The same as following.

2.3 不同灌水模式下夏玉米的水分利用效率

基于对PW2和QW2的产量分析,进一步深入分析这2种灌水模式下的水分利用效率差异。由图5-A可知,PW2 整个生育期的总蒸散量和灌水量分别为289.2 mm和76 mm,QW2 整个生育期的总蒸散量和灌水量为324.3 mm和150 mm。与QW2相比,PW2的蒸散量减少10.8%。由图5-B可知,PW2的产量高于QW2,但差异不显著(P＞0.05),而其WUE 存在显著差异。与QW2相比,PW2的WUE 提高10.3%。上述结果表明,采用微喷灌方式,减少灌溉定额50%,可实现节水,同时提高WUE。

图4 不同时期灌水模式对夏玉米干物质积累的影响Fig.4 Effect of irrigation mode on the dry matter accumulation of summer maize during different growing stages

图5 不同灌水方式下全生育期总蒸散量及产量和水分利用效率的差异Fig.5 The difference of total evapotranspiration,grain yield and water use efficiency in different irrigation patterns

2.4 水分利用效率差形成解析

2.4.1 不同处理下夏玉米LAI和蒸腾速率变化 由图6-A可知,LAI 在整个生育期呈先升高后降低的趋势,在吐丝期(VT)达到最大值。V3～V11时期两处理的LAI 差异不显著(P＜0.05)(此阶段未灌水),之后PW2的LAI 显著或极显著低于QW2。作物的生理性耗水即为蒸腾耗水,其强度可通过叶片蒸腾速率来表征。通过分析两处理的蒸腾速率发现(图6-B),PW2的蒸腾速率在各生育时期均低于QW2,平均低21.4%(各时期的平均值)。结果表明,微喷灌方式通过降低LAI和蒸腾速率,降低蒸腾耗水量,进而降低总蒸散量,提高了WUE。

2.4.2 不同处理下的阶段耗水量和耗水强度 由图7可知,2种灌水模式下,夏玉米阶段耗水量均表现为S-E和E-J 耗水量相对较少,平均在33～35 mm 之间;J-T和T-M 阶段耗水量较高,平均为62～113 mm,是整个生育期耗水量较多的时期;M-D和D-F 阶段耗水量较T-M 显著降低,平均为27～39 mm。在耗水量较多的时期(J-T和T-M),PW2的耗水量显著低于QW2,平均低21.4%和13.9%(图7-A)。S-E 阶段两处理的耗水强度均为3.4 mm·d-1;E-J和J-T 阶段的耗水强度为2.6～3.3 mm·d-1;T-M是整个生育期耗水强度最高的时期,平均为3.6～4.1 mm·d-1。S-E和E-J 阶段PW2的耗水强度与QW2 差异不显著(P＞0.05);J-T和T-M 阶段PW2的耗水强度显著低于QW2(P＜0.05),平均低21.5%和13.9%(图7-B)。结果表明,微喷灌方式可通过降低高耗水时期的耗水量和耗水强度来降低总蒸散量,从而提高WUE。

图7 不同灌水方式下不同生育阶段的耗水量及耗水强度Fig.7 The stage water consumption and intensity of water consumption under sprinkling irrigation and border irrigation during different growing stages

2.4.3 不同生育阶段夏玉米不同土层的耗水比例变化 由图8可知,在夏玉米生育前期,PW2和QW2 不同土层耗水比例相似,主要耗水层在0～60 cm,分别占阶段耗水量的71.7%和78.5%。在夏玉米生育中期,PW2的0～20 cm和20～40 土层耗水比例均低于QW2,平均低14.8%和24.5%;40～60、60～100和100～200 cm 土层的耗水比例均高于QW2,平均高8.7%、34.9%和24.7%。PW2和QW2的0～100 cm 土层的耗水比例占此阶段耗水量的88.9%和91.6%。在夏玉米生育后期,PW2的0～20、20～40、40～60 cm 土层的耗水比例均低于QW2,而60～100和100～200 cm土层的耗水比例显著高于QW2(P＜0.05),PW2和QW2的100～200 cm 土层的耗水比例分别为27.3%和11.9%。结果表明,采用微喷灌方式减少灌溉定额、降低灌水量,相对降低作物对上层土壤水分的消耗而显著增加作物对100 cm 以下土层水分的利用。

2.4.4 不同灌水模式下灌水后夏玉米日蒸散量变化 利用土壤水分监测仪实时监测了2次灌水后日蒸散量变化。结果表明,2次灌水后日蒸散量呈波动变化,2次灌水后PW2的日蒸散量整体低于QW2,平均低22.5%(图9-A)和52.2%(图9-B)。2次灌水后日蒸散量均表现为灌水后1～5 d QW2 显著高于PW2(P＜0.05)。表明微喷灌可降低日蒸散量和灌水后水分的无效蒸发。

图8 不同生育阶段夏玉米不同土层的吸水比例Fig.8 The percentage of water uptake from different soil layers during different growing stages of summer maize

3 讨论

水分亏缺严重限制了华北地区夏玉米生产[17]。采用节水灌溉技术来提高作物的水分利用效率是实现农业可持续发展的技术关键[18-21]。土壤水分状况是作物生长的关键,对作物生长发育和产量形成具有重要作用。

3.1 不同灌水模式对夏玉米产量的影响

本试验条件下灌水方式和灌水次数是夏玉米产量差异形成的主控因素。在2种灌水方式下,随着灌水次数的增加(总灌水量的增加),夏玉米产量呈增加趋势。相同灌水次数下微喷灌的夏玉米产量均低于畦灌。前人研究表明,夏玉米产量与灌水量呈二次抛物线关系,在一定范围内产量随灌水量的增加而增加[22-24]。本研究结果与前人研究一致。通过比较PW2和QW1 发现,两处理的灌水量相同,PW2 灌水次数多于QW1,PW2 产量显著高于QW1;比较PW3和QW2 发现,PW3 灌水量低于QW2,灌水次数多于QW2,其产量高于QW2,说明采用微喷灌小额多次灌溉有利于夏玉米产量的提高。研究表明,通过喷灌方式减少25%灌水量可实现夏玉米相对较高的产量水平[25]。

图9 2种灌水模式下灌水后10 d 蒸散量变化Fig.9 The change of daily evapotranspiration during ten days after irrigation under two irrigation mode

也有研究认为,灌水量过多会导致净光合速率和气孔导度降低,减少光合产物向籽粒的分配,使产量降低[26-27]。本研究通过分析产量构成因素发现,不同灌水模式对产量的影响主要是通过影响穗粒数和粒重,说明采用微喷灌少量多次灌溉有利于玉米的穗花发育及籽粒灌浆。前人研究认为,通过改善玉米灌浆期的光合特性,可增强花后干物质积累,提高穗粒数和粒重,提高产量[28]。崔吉晓等[29]研究表明,微喷灌方式可促进玉米灌浆期生物量积累,其产量较漫灌提高6.7%。本试验分析了不同生育期夏玉米植株的穗位叶净光合速率和干物质积累,发现与大额少次畦灌相比,采用微喷灌方式,减少灌溉定额、增加灌溉次数可提高穗位叶净光合速率,增加干物质积累,进而有利于夏玉米花后灌浆,增加粒重,提高产量。

3.2 不同灌水模式对夏玉米WUE的影响

前人研究表明,采用作物生理节水灌溉方式可在减产不显著的情况下提高WUE[20,23,30]。Zhang 等[31]研究表明,灌水量减少10%,其产量无显著变化,而蒸散量降低,WUE 提高4.61%～6.66%。本试验对比2种灌溉模式(PW2和QW2)发现,其灌水次数相同但灌水方式和灌水定额不同,PW2 采用微喷灌的节水方式,灌水定额较传统畦灌(QW2)减少50%。结果显示,PW2 产量略低于QW2,但差异不显著,而PW2的WUE 提高10.3%。PW2 产量降低主要是由于植株的光合作用受到了限制,WUE 提高主要是由于降低了总蒸散量。

进一步从耗水特性来阐明微喷灌方式总蒸散量降低的生理基础。本研究通过分析两处理的LAI和蒸腾速率发现,自V11时期PW2的LAI和蒸腾速率显著低于QW2,进而导致微喷灌模式下植株在高耗水阶段(J-M)的阶段耗水量和耗水强度显著低于畦灌。前人对玉米耗水特性的研究也表明,玉米全生育期耗水量随着灌溉定额的增大而增加;玉米阶段耗水量表现为生育前期少,中后期多的趋势,且采用节水灌溉模式可显著降低阶段耗水量和耗水强度[32-33]。此外,本研究发现2种灌水模式在不同生育阶段的主要耗水层存在差异。在玉米生育前期,PW2和QW2均未进行灌溉,此阶段夏玉米不同土层的耗水比例相似,主要耗水层在0～60 cm,这主要是由于前期植株干物质积累相对较少,且根系主要集中在上层。在玉米生育中期,进行一次灌溉导致QW2的0～20和20～40 cm 土层的耗水比例显著大于PW2,主要是由于畦灌灌水定额大,加之气温较高,导致灌溉水大量蒸发。为进一步证实畦灌导致高耗水强度,对2次灌水后1～10 d的日蒸散量进行分析,结果显示,采用微喷灌方式在灌水后1～5 d的日蒸散量显著低于畦灌(P＜0.05),说明采用微喷灌方式、小额灌溉可减少无效耗水,提高WUE。在玉米生育后期,PW2 增加了植株对100 cm 以下土壤贮水的消耗。究其原因,微喷灌方式的灌水定额和总灌溉量少,当上层土壤水分不足时,上、下层土壤产生水势差,水分通过毛管作用发生向上迁移,以达到水势平衡。因此,采用微喷灌、小额灌溉充分利用灌溉水的同时可高效利用深层土壤贮水,提高植株的WUE。李全起等[34]研究认为,苗期保证较充足的底墒水,能增强夏玉米在干旱环境下利用深层土壤水分的能力,这与本试验结果基本一致。也有研究认为,玉米根系在生育后期主要吸收层在100 cm 以上[35-36]。本研究结果与之存在差异,可能是因为本试验与前人研究的试验地点、试验条件和灌溉措施等存在差异。

本试验中植株耗水量与相同试验条件下的结果大体一致[37],而低于雨养条件下的研究结果[38]。分析其原因,一方面是由于本试验是在旱棚中进行,目的是通过排除自然降雨,精确控制灌水定额及灌水量,采用土壤水分实时监测系统阐明夏玉米整个生育期的耗水规律;另一方面是由于夏玉米播种前灌足底墒水,土壤水分达到田间持水量,前期未发生水分亏缺,土壤含水量高于雨养条件。前人研究也认为旱区夏玉米采用播前灌溉可提高产量和WUE[39-40]。

4 结论

本研究结果表明,与畦灌大水、少次灌溉相比,采用微喷灌方式、减少灌水定额、增加灌水次数,可降低夏玉米叶片蒸腾、增加干物质积累,同时可高效吸收利用深层土壤水分,在保障夏玉米产量的前提下,减少总耗水量,提高WUE。在玉米等高秆作物中应用微喷灌可节省人工成本,增加经济效益,对华北缺水地区压采地下水具有重要的推广价值。