管渠灌溉对夏玉米产量及水分利用效率的影响

荣 旭，李宗毅，李英豪，冯 健，张 政，王春堂

(山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

近年来受全球气候变化的影响，我国干旱灾害加剧，农业干旱形势不容乐观[1]。山东省水资源紧缺，农业用水占其总用水的70%，因此选择适宜的节水灌溉方式尤为重要[2]。常规地面灌溉方式主要有漫灌、畦灌、交替灌溉和波涌灌。漫灌灌溉方式粗放，灌水均匀性极差，水资源严重浪费，现已基本不用[3]。畦灌操作简单，但由于传统灌溉下畦首段受水时间长,且受到相邻畦田侧向入渗影响，湿润锋到达深度较大，深层渗漏问题较为严重[4]，不仅会使水分流失[5]，土壤板结[6]，而且也造成氮素淋失[7]，进而使地下水遭受污染，最终造成面源污染[8,9]。交替灌溉径流量损失小，入渗量较大[10]，降低了土壤表层水分蒸发，并减少了土壤水的深层渗漏[11]，有利于作物对水分的吸收[12]，提高了水分利用效率[13]，但交替灌溉仍未解决长畦难灌问题。而波涌灌溉的稳渗率大致为传统灌溉的25%，且节水保肥效果较明显，灌水均匀度和灌溉水有效利用率均得到明显提高[14]。但其适用于含有一定黏粒且透水性较好的土壤的灌溉，且波涌灌溉水流推进仍为地面灌溉传统的地面灌溉方式，在灌溉长畦时灌水时间较长，畦首段深层渗漏仍较为严重。因此，在山东地区引进更加高效的灌溉节水技术，提高水资源的利用效率[15,16]，是保证山东省农业需求以及可持续发展的关键[17]。

作为一种新型灌溉方式，管渠灌溉是在传统地面灌溉的基础上，利用布设在田间的管渠进行灌溉水的输配，将其均匀地灌入田间，是一种利用管渠代替传统地面灌溉水流在田面推进的新型灌水方法。本文以夏玉米为研究对象，设置传统连续灌溉(T)、管渠灌溉(P)、波涌灌溉(S)和固定隔畦波涌灌溉(G)4种不同灌溉方式下对夏玉米生长指标和水分利用效率的影响进行分析研究，从而寻求一种更好的节水灌溉方式，以期为夏玉米及其他农作物的科学节水灌溉方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在山东农业大学泰安市马庄实验田(117°0′21″E, 36°01′11″N)进行，试验时间为2018年6-10月，夏玉米生育期内降水总量为505 mm，降水分布如图1所示。试验田供试土壤类型为壤土，田间持水率为32.5%(体积含水率)。灌区类型为井灌区，土壤干容重为1.36 g/cm3，比重为2.64，孔隙度为48.5%。

图1 夏玉米生育期降雨量

1.2 试验设计

供试夏玉米品种为“鑫丰3号”，播种前施加底肥为洋丰复合肥8袋，其氮磷钾含量为112.5 kg/hm2，生育期间不再进行追肥。2018年6月14日进行机械播种，布设行距60 cm，株距20 cm。设置4种不同的灌溉处理方式：传统畦灌(T)、管渠灌溉(P)、波涌流灌溉(S)和固定隔畦波涌灌(G)，每个处理均设置3个重复，畦田规格为1.5 m×120 m，试验区布置为随机分布排列，每个重复两侧均设置保护行。设置灌溉流量为45 m3/h。T处理、S处理和G处理灌溉水流推进到畦田长度九成处停止灌溉，灌溉时间以秒表计时。P处理调节转速装置，控制管渠内塞阀移动速度为0.1 m/s；S和G处理的灌水周期数为2，循环率为1/2；G处理固定灌溉其1、3、5畦。由于夏玉米生育期后期降雨量充足，试验仅在夏玉米拔节期(7月24号)进行了1次灌溉。

1.3 管渠灌溉系统

图2为管渠灌溉系统装置图，图3为特制的顶部开敞灌水管，图4为管渠灌溉工作原理图。该装置是利用管渠输水代替田面输水，在管渠中设置塞阀，通过动力机、变速装置以及动力输出装置控制牵引绳等速运移，再通过牵引绳控制塞阀在管渠内匀速移动阻挡水流，使管渠内水流在塞阀上游产生溢流。

图2 管渠灌溉系统

图3 管渠大样图

图4 管渠灌溉工作原理图

1.4 测定项目与方法

(1)土壤含水率：采用德国生产的便携式土壤水分测量仪TRIME-PICO TDR，夏玉米生育期内每隔 10～15 d进行测量，测深为100 cm，灌水和降雨前后加测。

(2)生长指标：测定叶面积指数(叶长×叶宽×校正系数)；株高(抽雄前为土面至最高叶尖的高度，抽雄后为土面至雄穗顶端的高度)和茎粗。

(3)地上干物质量：该指标的测定与叶面积指数的测定同步进行。从玉米拔节期到成熟期，每个生育期内每个处理随机选取18株玉米作为样本带回实验室。放入烘箱105 ℃杀青1 h，再调至85 ℃烘干至恒质量，采用精度为0.01 g的天平进行质量测定。

(4)水分利用效率[18]：

WUEY=Y/ET

(1)

式中：WUEY为水分利用效率，g/(m2·mm)；Y为玉米籽粒产量，g/m2；ET为整个夏玉米生育期内的耗水量，mm。

因该试验地地下水位埋深超过5 m，故不考虑地下水补给的影响，降雨量采用有效降雨量。

ET=P+I-ΔS-D

(2)

Δh=10∑(ΔθiZi)

(3)

式中：ET为整个生育期内的耗水量，mm；P为整个生育期内的降水量，mm；I为整个生育期内灌水量，mm；ΔS为土壤贮水变化量，mm；Δh为水层厚度；Δθi为某一土层在某一时段内土壤体积含水率的变化；Zi为每一层次的土层厚度，cm；i为土壤层次；D为深层渗漏，D=α(P+I),α为补给系数，因降雨量和灌水量之和超过250 mm，故α取0.2。

(5)产量及构成因素：收获时，调查每小区有效穗数。每小区选取1.5 m2植株，室外风干后于室内进行考种，考察其穗行数、行粒数，然后将测产的玉米进行脱粒处理，称其千粒质量。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对不同畦段下株高的影响

4种不同灌溉方式下夏玉米的株高在生育期的变化规律如图5所示。在夏玉米生育期内，不同畦段上株高的变化趋势总体为畦中>畦首>畦尾。随着夏玉米生育期的进行，各处理的株高变化趋势一致。从拔节期到开花期，株高的增长最快；从开花期到灌浆期，夏玉米株高的增长开始变缓慢；从灌浆期到成熟期，株高基本没变化甚至有略微的减小。在畦首段，4种处理的株高大小基本一致；在畦中段，P处理大于S处理、G处理和T处理；而在畦尾段上，P处理和S处理株高在开花期到成熟期均大于T处理，且P处理的株高大于S处理。T处理在畦首段与畦中段株高变化不大，在畦尾段T处理的株高较畦首段与畦中段相差较大。

图5 不同灌溉方式下夏玉米在生育期内株高的变化

2.2 不同的灌溉处理对不同畦段叶面积指数的影响

如图6所示，不同灌溉方式夏玉米叶面积指数在整个生育期内表现的变化规律基本相同，从拔节期至开花期，夏玉米叶面积指数的增长速率最大；在开花期时，叶面积指数达到峰值，随后叶面积指数逐渐降低，符合作物增长函数。而P处理在畦长方向上叶面积指数基本保持一致，T处理、S处理和G处理在畦中段叶面积指数最大，在玉米整个生育期基本表现为叶面积指数畦中>畦首>畦尾。且T处理在畦尾段的叶面积指数小于P处理、S处理和G处理。

图6 不同灌溉方式下叶面积指数在生育期内的变化

2.3 不同的灌溉处理对不同畦段下干物质量的影响

如图7所示，各处理地上部干物质积累量趋势基本一致，在整个夏玉米生育期内，地上部干物质积累量随着夏玉米生育期的推进逐渐增加，各畦段干物质积累量依次为畦中段>畦首段>畦尾段。在畦首段和畦中段，不同灌溉方式下干物质量表现为P>S>T>G；而在畦尾段，整个夏玉米生育期P处理最大，T处理、S处理和G处理大小基本一致。在成熟期，各处理在不同畦段上干物质积累量平均值大小表现为P>S>T>G，且P处理和G处理在不同畦段的干物质积累量变化不大，最大变化为19.4%和17.1%，低于S处理的23.61%和T处理的27.4%，T处理在不同畦段上干物质积累量的变化最大。

2.4 不同灌水方式下对夏玉米产量及WUE的影响

由表1可见，不同灌溉处理在穗数、穗行数、行粒数、产量及WUEY上没有显著性差异；G处理与T、S处理间的千粒质量达到显著水平，与P处理无明显差异；P处理在耗水量上与T处理、S处理间的差异达显著水平，与G处理未达到显著水平。在千粒质量上，总体表现为G处理>P处理>S处理>T处理，其中，G处理、P处理、S处理较T处理分别提高7.49%、4.05%和2.14%；在产量上，以P处理的产量值最高，较T处理、S处理、G处理分别提高了7.64%、3.30%和10.6%；在耗水量上，以P处理的耗水量最低，总体表现为T处理>S处理>G处理>P处理，P处理耗水量分别较T处理、S处理和G处理处理降低了7.31%、5.37%和2.06%；WUEY水平上，以P处理最高，对比T处理、S处理和G处理分别提高了17.5%、9.3%和11.9%。

表1 夏玉米产量及WUE

注：*同一列数据后不同小写字母表示在P<0.05 水平差异显著。

3 讨 论

灌溉对夏玉米整个生育期内的耗水量以及产量影响较大。其主要生育期天气常为高温多雨，但降雨量分布不均，会形成阶段性干旱，如果干旱较为严重，灌水不及时，会影响夏玉米生长发育，进而影响产量。因此适当的灌溉方式对农业发展有着重要作用。在夏玉米主要生育期内，畦首段和畦中段夏玉米的株高变化基本不变，这与李强[19]等研究一致；而在畦尾段，P处理的株高大于T处理，这说明传统灌溉在长畦的畦尾段水流推进困难，土壤含水量较低。王艳[20]等研究表明，随着夏玉米生长发育，作物对水分需求越来越大，水分成为制约的夏玉米生长的重要因素。试验中，S处理和G处理的WUEY仅比T处理的WUEY分别高出7.5%和5%，这可能是因为拔节期前及拔节初期，降雨量少；从开花期至灌浆期后期，降雨量较大。致使S处理和G处理的WUEY与T处理的WUEY相差不大。在成熟期，T处理在畦尾段的干物质量与S处理的干物质量相差不大，一方面可能是因为在夏玉米开花期至灌浆期的降雨量较大，弥补了T处理的畦尾段在拔节水灌水量不足；另一方面，张岁岐[21]等研究结果显示，畦尾段的土壤含水量较少，玉米根系在水分亏缺条件下深层土壤中根长密度增加，增强了玉米在深层土壤水分的有效吸收，而后期较大的降雨量延缓了表层根系衰老，产生了补偿效应。在试验中，T处理在畦尾段的地上部干物质积累量与畦首和畦中段相差较多，这说明在畦尾段，灌溉水在畦田推进较为困难，水流汇集畦首和畦中段，造成较大的渗漏损失，导致畦尾段土壤含水量较低，这与李强[20]等研究一致。而管渠灌溉畦尾段干物质积累量高于传统灌溉、波涌灌溉和固定波涌灌溉，这表明管渠灌溉在不同畦段灌溉水较为均匀，减少灌溉水深层渗漏的效果较好。因为管渠灌溉将水流的纵向推进改为横向推进，缩短灌溉水流动的距离。同时灌溉水在管渠中流动时阻力较小，流速快，降低了畦田首部深层渗漏量，减少了灌溉水在畦首段土层深层渗漏，且提高了畦尾段的灌水量，从而提高灌水质量，能显著提高灌溉水水分利用效率和灌水均匀度。

图7 不同灌溉方式下夏玉米地上部干物质积累量在生育期内的变化

4 结 论

(1)4种不同灌溉方式对夏玉米的株高、叶面积指数和地上部干物质积累量方面影响各有不同。在夏玉米生长性状方面，相比较传统连续灌溉与波涌流灌溉，管渠灌溉表现效果更加突出，有利于夏玉米生长发育。

(2)在产量及水分利用效率方面，不同的灌溉方式对夏玉米产生不同的影响，而管渠灌溉能更好地满足了夏玉米生长发育对水的需求，有效防止了畦田前段的深层渗漏，并提高了畦田后段的入渗水量，使灌溉水在畦田上分布更加均匀，进而增加夏玉米的产量。因此，在山东泰安对夏玉米采用管渠灌溉可以取得较好的节水和增产效果。