民勤地区畦灌春玉米改水成数田间试验研究

王 洋，伍 娟，黄兴法，李光永

(中国农业大学,北京 100083)

畦灌是地面灌溉中的一种灌溉方式，也是中国最普遍的灌溉方式。通过研究优化畦灌的灌水技术参数可以达到较好的灌水效果，并能有效地减少深层渗漏损失。改水成数，是指封口时田面水流推进长度占畦田总长度的成数。进行封闭畦田畦灌时，为了防止畦田尾端出现壅水现象而造成灌溉水大量浪费的问题[1]。研究表明，灌水参数和畦田规格参数是影响畦田灌溉质量的重要因素，并且不同的灌水技术参数对畦田灌溉的影响并不相同[2]。畦长、改水成数、单宽流量、灌水定额等都是影响畦田灌溉灌水质量的主要因素，但各影响因子中改水成数对灌水质量的影响最大。减小改水成数的控制误差，可以提高畦灌灌水效率及灌水均匀度等指标。同时，较大的单宽流量可以有效地减小改水成数的控制误差对灌水质量的影响[3]。高剑民等[4]研究不同液施模式下土壤中水氮分布，液施条件下可以改善土壤水氮空间分布，畦宽为1.5 m、灌溉到畦长1/2时施肥，改水成数为95%的施肥方式可以提高灌水效率和水氮分布均匀性。

目前，国内外有很多关于畦灌的灌水技术参数的研究，分析研究了影响畦田灌溉的多种灌水技术参数，但是关于玉米畦灌的重要技术参数改水成数的文章却较少。因此，在甘肃省民勤县进行田间试验研究，深入研究畦灌的改水成数，为民勤地区畦田灌溉灌水技术参数的确定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年4-10月在甘肃省民勤县新地村荣腾牧业进行，地理位置北纬38°37′，东经102°49′。地处甘肃省河西走廊东北部，石羊河流域下游。民勤县属温带大陆性干旱气候区，大陆性沙漠气候特征明显，冬冷夏热、降水稀少、昼夜温差大，年均降水量为127.7 mm，年均蒸发量2 623 mm，地下水埋深18～25 m。试验区表层土壤质地为沙壤土，下层土壤为壤土，0～60 cm土层内平均干容重为1.52 g/cm3，土壤硝态氮量为47.5 mg/kg。

玉米试验对象采用民勤当地品种先玉335，采用覆膜种植方式。试验区畦田坡度0.3%，根据地面灌溉工程技术管理规程，畦田规格为70 m×2.8 m，畦梗的宽度60 cm。畦灌玉米种植行距40 cm，株距22.5 cm，根据当地玉米种植密度为9.528 万株/hm2。

1.2 试验设计

畦灌试验改水成数设置3种处理分别为：0.85、0.90和0.95，简记Q1、Q2、Q3。处理Q4，灌水周期数为2的波涌灌溉与改水成数0.85组合，每个处理设置3个重复，具体试验处理设置如表1所示。

1.3 测试及方法

(1)土壤含水量的测定：采用烘干法测定土壤的含水量，分别在灌水前和灌水后48 h测量。每个处理选取代表小区取5个点，沿畦长方向每15 m一个测点，每个点测5层，每层20 cm。畦灌灌溉制度计算公式如下：

M=H(θ后-θ前)/η

(1)

表1 畦灌玉米试验处理设置表

式中：H为土壤计划湿润层深度，m；θ后为灌后含水量，体积%；θ前为灌前含水量，体积%；η为灌溉水利用系数，取0.9。

(2)玉米田间储水量：一次灌水后，土壤储水量增加量计算公式为：

ΔW=h(θ2-θ1)

(2)

式中：ΔW为土壤储水量增加量，mm；h为土壤厚度，mm；θ1为灌水前土壤体积含水率；θ2为灌水后土壤体积含水率。

(3)土壤硝态氮的测定：抽穗期玉米生理活动增强，对硝态氮的需求最大，土壤中硝态氮含量变化幅度最大，因此在玉米抽穗期取灌水前、后土壤，每个处理的测点位置及取土方法与测定土壤含水量的取土位置相同。使用AA3型连续流动分析仪测量土壤中的硝态氮含量。

(4)玉米产量的测定：在玉米成熟期各处理每个小区取15 m长、6行宽的玉米进行考种，计算求得平均产量值即为该处理的产量值。

采用Excel 2013、Surfer 15作图，SPSS 18.0对数据进行处理、方差分析。

2 结果与分析

2.1 春玉米畦灌灌溉制度

畦灌全生育期灌水7次，由于试验处理是改水成数，各个处理的灌溉定额并不相同，实际灌水时将根据2018年试验中玉米生育期及阶段耗水量比例、各生育期天数、降雨量及土壤墒情进行灌溉，畦灌灌溉制度如表2所示。

表2 2018年春玉米畦灌试验灌溉制度 mm

2.2 土壤储水量变化规律

土壤储水量对农业作物生长有着非常重要的意义，土壤储水量的变化值可反映一次灌水的灌水量，对土壤储水量的定量计算也是必不可少的部分[5]。根据土壤水分分布规律，将100 cm土层划分为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。以灌浆期7月23日灌水为例，各层土壤储水量变化如图1所示。

图1中4个处理Q1、Q2、Q3、Q4的平均灌水定额分别是：50.7、56.9、68.0、57.3 mm。从图1可得出，各处理不同土层储水量随着土壤深度增加，储水量出现明显下降趋势；土壤累积储水量随着距畦首距离的增加而逐渐减少。图1(a)～图1(c)比较得出，处理Q3的土壤储水量最大，土壤累积储存量更加接近计划灌水定额，处理Q1的土壤储水量最小，说明改水成数越大，灌入田间的水量越多，土壤累积储水量越多，且畦首和畦尾储水量差值越小。

图2为畦灌不同处理土层内储水量沿畦长方向拟合规律，从图2可以看出，土层内累积储水量与距畦首距离呈指数关系[6]，且改水成数越大，拟合曲线相关系数R2越大，拟合效果越好。由拟合结果得出Q1、Q2、Q3、Q4畦首储水量分别为87.9、94.8、119.6、83.9 mm，畦尾储水量分别为24.2、35.5、40.8、43.2 mm。比较Q1、Q2、Q3，处理Q3的畦首和畦尾储水量差值较小，相差65.9%，但处理Q3的拟合规律图显示畦首的储水量约120 mm，说明改水成数0.95在畦田首段会出现较多的深层渗漏水。处理Q4首、尾端的土壤储水量相差48.5%，在各处理中的差值最小，说明波涌灌溉方式可以减小土壤畦首和畦尾的储水量差值。处理Q1畦尾的储水量小于30 mm，虽然改水成数越小农田灌溉越节水，但是畦田灌溉灌水周期长，土壤储水量不足以维持到下次灌水，不能满足畦田玉米正常生长所需的水分。

图2 各处理土层内储水量沿畦长方向拟合规律图

2.3 土壤硝态氮分布规律

畦灌土壤中硝态氮含量的变化与施肥方式、施肥时机、入畦单宽流量、土壤质地、坡度、肥液浓度等有密切关系[7]。选择合适的施肥方式、施肥时机、入畦单宽流量可为作物吸收利用提供相对均匀的土壤水氮分布状态[8]。Playan E等[9]研究得出，较大入畦流量下灌溉中期施肥可获得较为理想的施肥和灌水均匀性效果。根据国内外研究成果，本试验采用预先充分溶解氮肥，灌溉水流到畦田中段开始施肥。探究畦灌灌水施肥后土壤硝态氮沿畦长方向0～70 m和垂直方向0～100 cm分布情况，选取7月29日灌水后土壤硝态氮变化量，畦灌改水成数处理对土壤硝态氮分布如图3所示。

从图3得出，土壤硝态氮垂直方向变化：硝态氮随水分垂直运移，深度增大，硝态氮含量变化梯度减小。处理Q1改水成数0.85，灌水定额最小，硝态氮迁移下渗量少；处理Q3改水成数0.95，灌水定额最大，硝态氮迁移下渗量多。说明垂直方向硝态氮运移量随着改水成数增大而增加。土壤硝态氮沿畦长方向变化：畦田首段土壤硝态氮变化量大小为Q1>Q2>Q3，说明改水成数越大，硝态氮随灌溉水沿畦长方向运移量越多，首段硝态氮变化量减少。畦田尾端土壤硝态氮变化量Q1

图3 玉米畦灌施肥后的土壤硝态氮含量变化(单位：mg/kg)

注：图3具体数值含义为7月29日施肥前后土壤硝态氮含量变化，mg/kg。土壤硝态氮变化量越大图中颜色越深。

改水成数与土壤硝态氮分布有密切关系。改水成数越大，土壤硝态氮分布会更加均匀。在各处理中灌水周期2的波涌灌与改水成数0.85组合，土壤硝态氮分布最均匀[12]。仅从硝态氮分布均匀性而言，处理Q3、Q4为玉米提供更好的养分条件。

2.4 畦灌灌水质量评价

国内外专家提出了多个分析评价农田灌溉方法的田间灌水质量指标。本试验主要从灌水效率Ea和灌水均匀度CUW两个方面进行分析。畦灌灌水效率与灌水均匀度的计算数值如图4所示。

图4 畦灌改水成数对评价指标的影响

畦灌灌水效率与灌水均匀度试验结果与杨丽丽[13]基于Meta-分析畦灌灌水质量的结果基本符合。由图4所知，畦灌处理灌水均匀度与灌水效率变化趋势相同，灌水效率和灌水均匀度随改水成数的增大而增大。灌水效率Ea和灌水均匀度CUW由大到小排序为Q4>Q3>Q2>Q1，处理Q1的Ea和CUW在各处理中最小，处理Q4的Ea和CUW在各处理中最大。根据史学斌等[14]关于关中西部畦灌优化灌水技术要素组合的初步研究，提出灌水效率Ea≥80%、灌水均匀度CUW≥80%。民勤的畦灌试验处理只有Q3、Q4达到灌溉评价指标，Q4的灌水效率和灌水均匀度较高，说明波涌灌溉能提高畦灌的灌水效率和灌水均匀度，采用波涌灌溉灌水方式可以选择较小的改水成数。

2.5 玉米田间耗水量和产量

通过各处理的玉米产量构成因素分析、耗水量分析，得出改水成数对畦灌玉米的影响。表3为不同玉米处理产量构成因素、产量、生育期耗水量及水分利用效率。

表3 不同处理玉米产量、耗水量及水分利用效率

注：*表示在P0.05水平下差异显著，**表示在P0.01水平下差异显著。a、b表示改水成数对各个因素的统计显著性。

由表3可知，分析Q1、Q2、Q3处理，随着改水成数的增加，玉米的穗粒数、百粒重和产量也随之增加。通过玉米产量构成因素显著性分析，不同改水成数处理对于玉米的秃尖、穗粒数没有显著影响，但对于玉米百粒重有显著影响，从而影响各处理的玉米实测产量[15]。改水成数0.95的玉米籽粒最重，改水成数0.85的玉米籽粒质量最小，说明不同改水成数通过影响玉米籽粒重而影响玉米的产量。畦灌各处理产量和耗水量大小为：Q3>Q4>Q2>Q1，处理Q3的产量和耗水量最大，分别为13 563.6 kg/hm2、510.6 mm。比较Q1与Q3，Q3比Q1的耗水量多43 mm，产量Q3比Q1多2 000 kg/hm2。处理Q3的水分利用效率最大，而Q1的水分利用效率最小，水分利用效率Q3比Q1大6%。处理Q4产量和水分利用效率比Q3分别低5%、1.5%，两者相差不大，处理Q4的玉米产量低于处理Q3，原因可能是处理Q3的灌水量最多。从产量和水分利用效率分析，处理Q3、Q4的玉米产量高，能带来更高的经济收益。

3 结 语

(1)畦灌改水成数与土壤储水量呈正相关关系，土壤储水量随改水成数增大而增加。较小的改水成数会造成畦田首、尾段的土壤水分分布不均匀，改水成数0.85处理土壤中的储水量最小，土壤水分不能满足作物的生长要求。波涌灌溉与改水成数0.85组合可以提高土壤水分分布的均匀度和土壤含水量。畦灌土壤储水量沿畦长方向符合指数关系，且改水成数越大，拟合曲线相关系数R2越大，拟合效果越好。

(2)畦灌改水成数对土壤硝态氮分布影响显著，沿畦长方向土壤硝态氮分布随改水成数增大而越均匀，同时畦灌灌水评价指标灌水效率和灌水均匀度随改水成数的增大而增大。改水成数0.95、波涌灌溉改水成数0.85的土壤硝态氮分布均匀，灌水效率和灌水均匀度都达到80%。

(3)畦灌改水成数对玉米的百粒重和产量有显著影响，改水成数大，尾段玉米的产量高，所以改水成数0.95的玉米耗水量、产量和水分利用效率最大。同时，波涌灌溉与改水成数0.85组合处理的产量也相对较高。

综上所述，改水成数0.95的土壤水氮分布相对均匀，玉米的产量最高，改水成数0.95可作为民勤地区春玉米畦灌灌水参数。如果从节水角度考虑，采用波涌灌溉灌水方式可以使用0.85改水成数。