灌溉定额条件下玉米的产量形成及灌溉增产潜力研究

徐 晨，赵洪祥，闫伟平，李 前，刘晓龙，王俊鹏，历艳璐，张治安，边少锋

(1.吉林农业大学农学院，长春 130118；2.吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，长春 130033；3.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西 宜春 336000)

土壤水分是作物生长发育过程中关键因子之一，对作物的产量及产量的形成具有关键作用[1-3]。对缺水地区来说，灌溉已成为农作物生长不可或缺的关键因素。灌溉的多少显著影响玉米的产量，玉米的产量随着灌水量的增加呈线性增加[4]。Adamu等[5]研究发现，玉米全生育期灌水与仅在生育早、中期灌溉，所得到的玉米产量基本一致，但后者的经济效益更高。Sampathjymar等[6]研究表明，采用补亏灌溉的方式替代普通灌溉，玉米的产量和净收益均较高。王艳等[7]研究发现，当土壤含水量降至田间持水量的50%后，灌溉至土壤水分达到田间持水量的75%时，盆栽玉米植株在产量和形态指标上均有较好的表现。不同灌溉量级和灌溉次数也对玉米的产量有着显著的影响，刘玉洁等[8]研究表明，玉米全生育期灌水次数达到5次时，对玉米产量的影响最大。

Hybrid-Maize模型主要利用长期的气象数据和短期的田间试验数据来评价特定地区玉米的产量潜力和生长发育情况[9,10]，通过对不同栽培因素的相互组合，预测一个地区玉米的产量和合理的栽培措施，也可用于了解该地区玉米高产的因素及限制玉米产量提高的因素[11-13]。Gibson等[9]研究发现，灌溉量的多少可以通过模型的模拟进行预测，从而减少灌水量，可以尽可能地节约农业用水，以获取更大的效益。Hybrid-Maize模型在我国北方地区多有应用，侯鹏等[14]认为，黑龙江省第1积温带灌溉增产潜力较大，第3、4、5积温带由于气候因素，灌溉增产潜力小，该模型在黑龙江的模拟较为成功，为当地的灌溉提供了参考。曹玉军等[15]研究表明，吉林省东部地区播种应在4月20日前完成，中部和西部地区应在5月中旬完成；东部、中部和西部的种植密度应为9、8和7.5 万株/hm2；选择生育期较长的品种进行播种，能够获得更好的增产潜力。在吉林省西部半干旱区，水分是限制作物生长和产量形成的重要因素，在这一地区已有学者对灌溉条件下玉米的生长发育进行了相关研究[16]，但不同灌溉定额条件下这一地区的产量潜力研究并不多见，有关灌溉定额对吉林省半干旱区玉米产量形成的影响也尚不明确。本文研究了不同灌溉定额条件对玉米产量形成的影响及不同灌溉定额条件下这一地区的灌溉增产潜力，明确灌溉定额对玉米产量及农艺性状的影响和这一地区的灌溉增产潜力范围，以期为吉林省西部半干旱区玉米灌溉定额的确定和建立吉林省西部半干旱区玉米灌溉栽培措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016和2017年在吉林省洮南市的农业推广中心试验站实施(东经122.49°，北纬45.20°)，属北温带大陆性季风气候，年均日照时数为3 000 h，无霜期132～136 d，平均海拔156.8 m，≥10 ℃的有效积温在2016和2017年分别为3 292.4和3 296.8 ℃。试验站土壤质地为沙壤土，土壤密度为1.49 g/cm3，有机质含量为12.46 g/kg，速效氮含量为65.47 mg/kg，速效磷含量为21.65 mg/kg，速效钾含量为103.56 mg/kg，pH值为7.8。

1.2 试验设计

供试玉米品种选用吉林省西部地区广泛推广种植的华农887(HN887)和先玉335(XY335)，采用常规垄作的种植方式，种植密度为6.5 万株/hm2，播种前统一灌溉50 mm。播种日期分别为2016年5月2日和2017年5月4日，收获日期分别为2016年9月29日和2017年10月2日，全生育期日平均气温分别为20.26和20.52 ℃，全生育期降水量分别为273.7和197.7 mm。基施复合肥750 kg/hm2，在拔节期时补施尿素277.2 kg/hm2。

本试验共设置4个灌溉定额，具体的实施方案详见表1，采用滴灌的方式进行灌溉，小区面积设定为30 m2，垄宽65 cm，小区长度7.7 m，每个处理3次重复，共24个小区。

表1 灌溉定额方案明细 mm

1.3 测定的项目与方法

(1)产量。收获期时进行全小区测产，使用谷物水分测定仪测定玉米籽粒的水分，按照[17]的方法计算产量。

(2)农艺性状及田间生长发育观测记录。于玉米的拔节期、大口期、吐丝期、灌浆期和成熟期，在各小区内选取5株长势基本一致的玉米植株，使用直尺测量株高和所有展开叶的叶面积。记录各小区玉米的出苗日期、达到吐丝的日期和玉米达到生理成熟的日期，时期的确定是以全小区50%以上的植株达到标准为限。

(3)Hybrid-Maize模型预测计算。模型使用吉林省洮南地区近10 a的日太阳辐射量、日最高气温、日最低气温、日降水量，以上气象数据均由吉林省气象局提供，输入2016和2017年试验品种的有效积温、播种日期、施肥量、种植密度、前茬作物，对不同灌溉定额条件下玉米的增产潜力和生长发育状况进行研究。

1.4 数据处理

以上数据均采用Excel 2013和SAS 9.0数据处理系统进行处理；基于Hybrid-Maize模型的灌溉增产潜力评估，采用Hybrid-Maize 2016软件进行模拟分析。

2 结果与分析

2.1 灌溉定额条件下玉米的产量及经济效益分析

半干旱地区作物的生长发育及产量形成与农业灌溉之间关系密切[18]，灌溉不足或灌溉不及时易造成作物产量降低[19]，而过多的灌溉量和不合理的灌溉方式也会影响到作物产量的稳定提升[20]。表2是不同灌溉定额条件下玉米产量的变化，与Q0处理相比，2个品种的产量均随灌溉定额的增加而显著提高。Q2与Q3处理的产量间均无显著性差异，且均显著高于Q1处理。这说明灌溉是保证这一地区玉米增产的重要方式。年份、品种和灌溉定额分别对玉米的产量影响显著(见表3)，年份和品种的互作对产量影响不显著，说明不同年份的灌溉定额对产量的影响趋势相同。不同品种对灌溉定额的调节反应是一致的。

表2 不同灌溉定额条件下玉米的产量变化 kg/hm2

注：同一品种中同一行数据后标有不同小写字母者表示在5%水平上差异显著(P<0.05)，下同。

表3 不同灌溉定额条件下玉米产量的方差分析结果

注：Y代表年份；I代表灌溉定额；V代表品种；NS代表无差异显著性(P>0.05)；*代表在P< 0.05水平下差异显著；**代表在P< 0.01水平下差异显著；下同。

从表4中可以看出，水费、电费和机械人工是影响玉米净收入的主要因素，与Q0处理相比，Q1、Q2和Q3处理的净收入均呈增加的变化趋势，其中，华农887分别增加了34.48%、53.87%和51.54%，先玉335分别增加了22.63%、54.45%和54.57%。根据Q3处理和Q2处理的投入计算发现，种植HN887的Q3处理和Q2处理分别比Q0处理增加收入3 762和3 932 元/hm2，种植XY335分别增加收入3 648和3 640 元/hm2，这说明有效的灌溉可以增加吉林省西部半干旱区的农民收入。与Q2处理相比，Q3处理在全生育期灌溉定额增加了80 mm的情况下，2个品种的产量没有显著性增加，种植HN887，Q3处理比Q2处理净收入低170 元/hm2；种植XY335，Q3比Q2处理的净收入高8 元/hm2，但却要增加灌溉用水80 mm，这浪费了水资源，也花费了更多的电能和机械人工费用。从节约资源、增加经济效益角度分析，灌溉170 mm更适合在吉林省西部地区推广应用。

表4 经济效益分析 元/hm2

注：玉米的卖出价为1.6 元/kg；水费为0.13 元/t；电费为0.5 元/kWh；利用水泵向滴灌带输送水的速度为40 m3/h；复合肥的价格为2 800 元/t；尿素的价格为2 500 元/t。

2.2 灌溉定额条件下玉米的生长发育变化

灌溉定额影响玉米植株的生长发育。由表5可以看出，与Q0处理相比，Q2与Q3处理的玉米植株均提前达到吐丝期，且更晚生理成熟。这说明适宜的灌溉促进了玉米生长发育，增加了生殖生长期，生殖生长天数的增加有利于玉米籽粒产量的形成，未经灌溉的Q0处理和灌溉较少的Q1处理因过早的生理成熟，导致籽粒难有足够的时间积累养分，这也是产量下降的原因之一。

表5 不同灌溉定额条件下玉米田间观测记录

玉米植株的叶面积和株高是决定玉米籽粒产量形成的重要因素，玉米会通过外部形态的变化来适应灌溉所带来的不同影响[21]。已有研究结果表明，灌溉可以使处于干旱少雨地区的农作物维持稳定的叶面积[22]。叶面积指数(LAI)是反映玉米群体叶片生长的重要指标，其值的高低显著影响着玉米的产量。表6是不同灌溉定额条件下玉米叶面积指数的变化。可以看出：拔节期2个玉米品种各处理的LAI间均无显著性差异；与Q0处理相比，大口期与吐丝期的Q2和Q3处理均显著增加，Q2与Q3处理间无显著性差异；与Q0相比，灌浆期与成熟期的Q1、Q2和Q3处理均显著增加，Q2与Q3处理均显著高于Q1处理，Q2与Q3处理间无显著性差异。随着生育期的推进，LAI均呈抛物线状变化趋势，均在吐丝期时达到最高，吐丝期后各处理的LAI均呈下降的变化趋势。成熟期时，与Q2和Q3处理相比，未经灌溉的Q0处理的LAI下降的百分率最大，2016年，HN887的Q0处理分别下降了23.58%和23.35%，XY335的Q0处理分别下降了21.57%和20.65%；2017年，HN887的Q0处理分别下降了22.03%和21.59%，XY335的Q0处理分别下降了26.41%和26.19%。这说明到了玉米的生育后期，有效的灌溉是维持玉米群体叶面积的重要措施。

不同灌溉定额条件下玉米的株高变化同LAI变化趋势相似。如表7所示：大口期和吐丝期时，与Q0处理相比，Q2和Q3处理的株高均显著增加，Q2与Q3处理间均无显著性差异；灌浆期和成熟期时，与Q0处理相比，Q1、Q2和Q3处理均显著增加，其中，Q2与Q3处理的株高均显著高于Q1处理，Q2与Q3处理间无显著性差异，未经灌溉的Q0处理和灌溉较少的Q1处理植株较为矮小，影响了玉米的正常生长发育。本研究与沈东萍[23]的研究结果基本一致。说明通过灌溉定额的实施，可以有效地维持玉米植株的叶面积，增加玉米的株高，最终促进玉米产量的形成。

表6 不同灌溉定额条件下玉米的叶面积指数

注：同一品种中同一列数据后标有不同小写字母者表示在5%水平上差异显著(P<0.05)，下同。

表7 不同灌溉定额条件下玉米的株高 cm

2.3 玉米的灌溉增产潜力及生育时期的模拟研究

吉林省西部半干旱地区的降雨表现为分布不均和雨量不稳定[24]，在玉米的关键生育期，降雨量不足将难以保证玉米的正常生长发育，如灌溉用水使用得当，这一地区玉米的灌溉增产潜力将十分巨大。气候生产潜力是按照试验设置处理的方式进行模拟，播种时间、播种密度、施肥用量及灌溉定额与本文材料与方法中提到的数据相一致。光温生产潜力是排除一切不利于玉米生长发育的因素时该地区可达到的最大产量。洮南地区玉米可以达到的光温生产潜力为14 000 kg/hm2(见表8)，Q0处理的气候生产潜力仅为8 400 kg/hm2，这说明半干旱区需要通过适量的灌溉来增加产量，未经灌溉的玉米产量与该地区可达到的最大产量差值较大，通过适宜的灌溉(Q2、Q3处理)可减少与光温生产潜力之间的差值。从表9可以看出，2016和2017年的试验所测得的产量与Hybrid-Maize模型所模拟出的气候生产潜力趋势基本吻合，产量差极小，但所有处理均与光温生产潜力存在较大的产量差，说明吉林省西部的半干旱地区仍然有着巨大的增产潜力，可通过其他耕作方式或栽培模式加以改进，达到产量的最大化。

表8 玉米产量的模拟结果 kg/hm2

表9 玉米实测产量与增产潜力的对比分析

3 结 论

有效灌溉(Q2、Q3处理)提高了玉米的产量，增加了玉米的叶面积指数和株高，并有效地增加了农民的收入。玉米采用170 mm的灌溉定额时，其产量形成和农民的经济收入均表现较佳，170 mm可作为吉林省西部半干旱地区玉米生产的灌溉参考值，可在吉林省西部半干旱地区推广应用，对吉林省西部半干旱区玉米的高效生产具有重要的理论和实践意义。

Hybrid-Maize模型可作为吉林省西部半干旱区估测玉米产量变化趋势的模型，其模拟值与本研究的田间试验结果基本吻合。通过灌溉定额处理的玉米产量仍然与这一地区的玉米光温生产潜力间存在着较大的差值，寻求其他不利于和有利于吉林省西部半干旱区玉米生产的因素，缩小与光温生产潜力之间的差值，是未来我们需要继续研究的方向。