不同滴头流量和灌水频率对玉米产量、耗水及水分利用效率的影响

李德智，佟 玲，吴宣毅，马冬青，杨胜举，王 璐，郑 静

(1.中国农业大学 中国农业水问题研究中心，北京 100083；2.农业农村部作物高效用水武威科学观测实验站，甘肃 武威 733000)

1 研究背景

河西走廊地区气候干旱，但当地拥有丰富的光热资源且昼夜温差较大，非常利于作物生长，是我国西北地区最主要的商品粮生产基地。但早年间由于缺乏科学的灌溉技术指导[1]，存在大水大肥、水肥资源利用效率不高、整体效益较低的现象。发展节水灌溉技术[2]可以进一步提高水肥利用效率，成为解决水资源短缺、保护粮食安全的重要技术支撑之一。而膜下滴灌技术是目前高效节水措施之一，因此通过研究膜下滴灌不同灌水技术参数即不同滴头流量与不同灌水频率下的作物产量、耗水和水分利用效率，优化灌水技术参数，进一步提高农田灌溉水利用效率，推动节水灌溉技术发展，具有十分重要的现实意义。

土壤湿润体对作物生长[3-4]具有显著的影响，而滴头流量又是影响根区土壤湿润体的重要因素[5]。有学者[6-8]就通过试验发现大滴头流量产生的宽浅型土壤湿润区有利于促进作物对肥料和水分的吸收利用，提高水肥利用效率，也使作物的株高和叶面积生长更加均匀，而小滴头流量则会使作物植株生长矮小、产量降低。同时，大滴头流量还可有效避免土壤深层渗漏，但当滴头流量过大时，虽然未形成明显的地表径流，但产生的土壤湿润区过于宽浅，蒸发量增大，水分利用效率有所降低。有关不同滴头流量下棉花的试验研究[9]发现，在苗期小滴头流量的耗水量以及耗水强度均明显小于大滴头流量情况，而在蕾期和花铃期正好相反，这是因为苗期棉花植株株型较小，蒸腾作用较弱，而且大滴头流量下宽浅型湿润体会产生较大的地表湿润面积，大量水分蒸发散失，而蕾期和花铃期的植株生长旺盛，棵间蒸发减少，同时小滴头流量形成的湿润体窄而深，利于棉花根系吸收，蒸腾作用明显增强，并且有效提高水分利用效率。同时也有研究[10]发现随着滴头流量的增大，耗水深度下移的时间以及耗水高峰到来的时间均有不同程度的推迟。也有相关研究[11]表明不同的滴头流量对于作物的产量及耗水规律无显著性影响。

关于不同灌水频率下对作物产量、耗水及水分利用效率影响的研究较多。有国内外多篇文献指出[12-18]，灌水频率在一定范围内的增加有利于增强作物对水肥的吸收利用，可明显提高水肥利用效率和作物产量。相同灌水量下增加灌水频率，耗水强度明显增大，在灌水定额较小时，增加灌水频率可以明显提高玉米产量[19]，但随着灌水定额的增大，增加灌水频率所带来的产量增幅减小，且水分利用效率也逐渐减小[20]，当增加灌水频率超过一定程度时，产量开始降低。有研究也得出类似结论，玉米产量[21]随着滴灌频率的增加而逐渐增加，但当灌水频率增加到一定程度后会使产量和水分利用效率开始降低。原因可能是高频灌溉使土壤表层含水率过高甚至产生地表积水，大量水分耗于蒸发而不能向深层土壤运移，不能够被作物根系吸收利用，同时土壤表层含水率过高也会使土壤通气性降低，抑制根系生长，不利于产量形成。同时还发现玉米耗水量与产量具有明显的抛物线关系，随着耗水量的增加，产量逐渐增大，当耗水量到达某一阈值后，产量增幅减小，耗水量继续增大，产量开始降低。也有学者[22]指出，增加灌水频率会使水分利用效率降低，但可以有效提高叶片水分利用效率。在甘肃民勤地区[23]，高频灌溉可以使作物处在相对稳定的水氮环境中，产量及水分利用效率也会增加。但高频灌溉下湿润带宽度较小，深层土壤的含水率较低，容易造成水分亏缺。在风沙土区中的高频滴灌[24-25]不会造成太大的土壤湿润范围，可减少土面蒸发，同时土壤的通气性好，利于根系生长并有效提高产量。

通过以上研究成果可以看出，不同的灌水技术参数对于作物的产量、耗水规律以及水分利用效率均有显著影响，但上述研究均是作物生长对单一灌水技术参数如滴头流量或灌水频率的响应，并且这类研究在河西走廊地区仍较少见。作物生长对于灌水技术参数的响应也因为作物品种及生长环境的差异而不同，因此在我国西北旱区并且同时考虑滴头流量和灌水频率组合状态下对于玉米生长的相关影响有必要进一步深入研究，探究河西走廊地区玉米在不同的滴头流量与灌水频率及二者交互作用影响下的产量、耗水及水分利用效率变化规律，为进一步优化河西走廊地区水肥一体化膜下滴灌灌水技术参数提供理论基础，为河西走廊地区玉米节水节肥提供技术支撑。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

本试验于2019年3月至9月在甘肃省武威市中国农业大学石羊河实验站进行。该站位于甘肃省武威市凉州区(102°50′E，37°52′N)，地处河西走廊东部，属大陆性温带干旱气候，多年平均降水量164 mm，多年平均水面蒸发量2 000 mm，地下水埋深超过25 m，是典型荒漠绿洲灌溉农业区[1]。其自然环境条件在我国西北内陆干旱区具有典型性和代表性。本试验全生育期内(2019年4月26日至2019年9月22日)降水量为159.8 mm，其中有效降雨量为137.6 mm，灌水量为302.1 mm。试验地土壤质地为砂质壤土，0～100 cm土层内平均土壤干容重为1.59 g/cm3，田间持水量为0.29 cm3/cm3，凋萎系数为0.12 cm3/cm3。

2.2 试验设计

本试验玉米品种为当地常见的先玉335，于2019年4月26日播种，2019年9月22日收获。在试验区内为南北向种植，种植方式为“一膜两带四行”，即一幅膜内铺设两条滴灌带，种植4行作物。其中每幅膜宽140 cm，滴灌带间距为80 cm，作物行距40 cm，株距27.5 cm。

本试验的设计因素是大田玉米水肥一体化膜下滴灌灌水技术参数，分别为滴灌带滴头流量和灌水频率，滴头流量设计有3个水平，分别为2.0、2.5、3.0 L/h；灌水频率设计有5个水平，分别为6、8、10、12、14 d。本试验共计14个处理，每个处理设置3个重复，具体处理设置如表1所示。

表1 试验处理设计

本试验各处理灌溉定额相同，均为302.1 mm，各个灌水频率处理灌水定额因灌水日期不同而有所不同。2019年4月26日所有小区统一灌出苗水，灌水量为40 mm。2019年6月10日开始第1次灌水处理，所有小区统一灌水，之后按照试验设计的灌水频率进行各试验小区的灌水，每次灌水量依据实验站气象站所观测的各项气象数据计算所得的参考作物蒸发蒸腾量(ET0)乘以该时段所在生育期作物系数(Kc)并减去该时段内的有效降水(Pe)进行计算。

2.3 主要观测指标与测定方法

2.3.1 作物耗水量 作物耗水量根据水量平衡方程确定。由于实验站地下水埋深超过25 m，降水稀少，且本试验采用膜下滴灌技术，湿润深度较浅，所以地下水补给、深层渗漏与地表径流均可忽略不计。作物耗水量计算公式如公式(1)所示。

ET=Pe+I-ΔW

(1)

式中：ET为全生育期耗水量，mm；Pe为有效降水量，mm；I为灌水量，mm；ΔW为全生育期根区土壤水分变化量，mm。

有效降水量计算如公式(2)[26]所示。

Pe=a·P

(2)

式中：Pe为有效降水量，mm；P为单次降水量，mm；a为降水有效利用系数，当P<5 mm时，a=0；当5 mm≤P≤50 mm时，a=1；当P>50 mm时，a=0.7～0.8。2019年试验期间单次降水量最大不超过30 mm。

2.3.2 作物产量 玉米进入蜡熟期后开始测产，为避免边际效应，测产取样时在小区中间位置随机选取1行玉米，沿滴灌带方向连续取样15株，取样重复3次。人工掰取果穗并去除胞叶后进行脱粒，每个重复随机选取4组100粒长势良好均匀、未受损伤的籽粒使用精度为0.01 g的电子天平称取百粒鲜重，之后将其放入85℃的烘箱烘至恒重后称取百粒干重。同时，将剩余籽粒使用精度为0.001 kg的电子天平进行称重，记录15株玉米的籽粒鲜重，称重后将籽粒在晴天阳光强烈的条件下晾晒约7～10 d，称取15株玉米的籽粒干重。依据百粒干重换算成含水率为13%的单位面积产量，并计算收获指数，具体计算如公式(3)所示。

HI=Y/Ba

(3)

式中：HI为收获指数；Y为作物产量，kg/hm2；Ba为地上部生物量，kg/hm2。

2.3.3 水分利用效率 水分利用效率采用作物产量和耗水量进行计算。具体如公式(4)所示。

WUE=Y/ET

(4)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为作物产量，kg/hm2；ET为全生育期耗水量，mm。

2.4 数据分析

本文数据均采用Microsoft Office Excel 2019和SPSS 23.0统计软件进行分析。

3 结果与分析

3.1 不同灌水技术参数对玉米耗水量的影响

滴头流量分别为2.0、2.5、3.0 L/h(D1、D2、D3)下不同灌水频率的玉米全生育期耗水量变化规律如图1所示。

由图1可知，在相同滴头流量处理中，不同灌水频率处理下的玉米耗水量基本呈现随着灌水频率的降低先增大后减小又增大的趋势，耗水量ET均在P2(8 d)处理达到最大值，平均可达到427.1 mm，这与董玉云等[19]的研究具有相似的结论。而在D2(2.5 L/h)、D3(3.0 L/h)相对较大滴头流量的处理中，低频灌溉下的耗水量出现增大的现象，这可能是因为灌水频率较低时，由于灌水时间间隔较长，每次灌水时灌水量较大，而当滴头流量较大时，滴头出流速度较快，大于水分下渗的速度，土壤表层含水率迅速增大甚至达到饱和，影响水分下渗并可能产生地表积水，大量水分蒸发散失，导致总体耗水量增大。这与马士萌[1]的研究结果相近。

图1 不同滴头流量各灌水频率下玉米全生育期耗水量变化

灌水频率分别为8、10、12、14 d(P2、P3、P4、P5)下不同滴头流量的玉米全生育期耗水量变化规律如图2所示。

图2 不同灌水频率各滴头流量下玉米全生育期耗水量变化

由图2可知，在相同灌水频率处理中，不同滴头流量处理下的玉米耗水量基本随着滴头流量的增大基本呈先增大后减小的趋势，各处理玉米耗水量均在D2(2.5 L/h)取得最大值，平均可达到423.6 mm，而D1(2.0 L/h)、D3(3.0 L/h)处理下的耗水量则相对较小，平均耗水量分别为415.2、414.2 mm。在本试验中观测土壤体积含水率及叶面积指数时中发现，在3种滴头流量处理中，D2(2.5 L/h)处理下的平均土壤体积含水率最高，叶面积指数相对较大，因此在该处理下，植株蒸腾相对更为强烈，导致总体耗水量增大。

3.2 不同灌水技术参数对玉米产量的影响

表2为各处理实测百粒干重及计算所得的作物产量、收获指数和水分利用效率及显著性分析。通过对表2中数据进行显著性分析可以发现，不同的灌水频率对玉米百粒重及产量均具有极显著的影响(P<0.01)，而不同滴头流量及滴头流量与灌水频率的交互作用则对百粒重与产量均未达到显著性影响(P>0.05)，可见不同的灌水频率对玉米产量的影响更加显著。不同的滴头流量、灌水频率及其交互作用对玉米收获指数的影响均达到了极显著水平(P<0.01)。

表2 各处理实测玉米百粒重、产量、收获指数和水分利用效率及显著性分析

滴头流量分别为2.0、2.5、3.0 L/h(D1、D2、D3)下不同灌水频率的玉米产量变化规律如图3所示。

灌水频率分别为8、10、12、14 d(P2、P3、P4、P5)下不同滴头流量的玉米产量变化规律如图4所示。

由图3可见，在相同滴头流量处理中，不同灌水频率处理下的产量基本随着灌水频率的降低呈现先增加后减小的趋势，本试验设置的3种滴头流量处理基本都在P2(8 d)或P3(10 d)处理下达到最大值，平均产量可以达到18.0 t/hm2，其中D3P2(3.0 L/h，8 d)最大为18.1 t/hm2，这可能是因为P2(8 d)或P3(10 d)处理下的土壤水分状况较优，更利于玉米产量的形成，而当灌水频率过高时，土壤水分状况影响根系的生长进而影响作物产量，当灌水频率低于P3(10 d)时，因灌水时间的间隔较长，土壤水分亏缺，玉米存在不同程度的水分胁迫，因此导致产量随着灌水频率的降低而逐渐减小。在D3P5(3.0 L/h，14 d)处理下的产量出现较高值，这可能是因为玉米受到水分胁迫后，同时由于灌水时间间隔较长，每次灌水量大，大滴头流量出流速度快，玉米产生了复水补偿效应，因此导致产量较高值。

图3 不同滴头流量各灌水频率下玉米产量变化

由图4可见，在相同灌水频率中，不同滴头流量处理下的产量表现出不同规律性，在P2(8 d)较高频灌溉处理中，产量随着滴头流量的增大而略有增加；在P3(10 d)处理中，产量随着滴头流量的增大呈现先减小后增加的抛物线趋势；在P4(12 d)较低频灌溉处理中，产量随着滴头流量的增大而减小；在P5(14 d)低频灌溉处理中，产量随着滴头流量的增大先减小后增大，在D3(3.0 L/h)处取得最大值，这可能是因为该处理灌水频率低，灌水时间间隔较长，玉米受到水分胁迫，同时因为每次灌水量大，大滴头流量出流速度快，玉米产生了复水补偿效应，因此导致出现较高值。可见，在相同灌水频率不同滴头流量处理下的玉米产量比较中，不同滴头流量对玉米产量存在一定的影响，但在本次试验中未呈现出明显一致的规律性。

图4 不同灌水频率各滴头流量下玉米产量变化

3.3 不同灌水技术参数对玉米水分利用效率的影响

表2中的结果已表明，不同的滴头流量和不同的灌水频率对玉米水分利用效率均具有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)影响，而滴头流量与灌水频率的交互作用则对玉米水分利用效率未达到显著性影响(P>0.05)。

滴头流量分别为2.0、2.5、3.0 L/h(D1、D2、D3)下不同灌水频率的玉米水分利用效率变化规律如图5所示。

图5 不同滴头流量各灌水频率下玉米水分利用效率变化

灌水频率分别为8、10、12、14 d(P2、P3、P4、P5)下不同滴头流量的玉米水分利用效率变化规律如图6所示。

图6 不同灌水频率各滴头流量下玉米水分利用效率变化

由图5可看出，在D1、D2滴头流量处理中，不同灌水频率处理下的玉米水分利用效率随着灌水频率的降低呈先增大后减小的基本趋势，D3滴头流量处理则呈先减小后增大的趋势。本试验设置的3种滴头流量处理中的玉米水分利用效率均是在P2(8 d)或P3(10 d)处理时达到最大值，可见灌水频率过高与过低都不利于提高玉米水分利用效率。如同在D3P5(3.0 L/h，14 d)处理中的产量出现较高值，在D3P5(3.0 L/h，14 d)处理中的水分利用效率较大值亦可能是因为复水补偿效应形成了较高的产量，而最终产生了较高的水分利用效率。但从整体上看，玉米水分利用效率随灌水频率的降低大体呈现先增大后减小的整体趋势，这与本试验中产量变化规律具有一致性。

由图6可看出，在相同灌水频率下，不同滴头流量处理下的玉米水分利用效率基本随着滴头流量的增大呈先减小后增大的趋势，各处理下的水分利用效率在D2(2.5 L/h)处理时最小，推测是因为在D2处理中作物耗水量较大，同时产量处于较低水平，因此使得该处理的水分利用效率较小。

4 讨 论

(1)相同滴头流量中，不同灌水频率下玉米耗水量基本呈现随着灌水频率的降低先增大后减小又增大的趋势，推测大滴头流量低频灌溉下的耗水量较大可能与每次灌水量较大导致的土壤蒸发等无效损失较大有关。相同灌水频率中，不同滴头流量下耗水量大体随着滴头流量的增大呈现先增大后减小的趋势，D2(2.5 L/h)处理下耗水量最大，但其影响并未达到显著性水平。可见，随着灌水频率的降低，耗水量有所减小，但在大滴头流量下低频灌溉因为每次灌水量较大，同时出流速度较快，超过了土壤水分下渗速度，也会增加土壤水分蒸发损失，导致耗水量增大。在观测平均土壤体积含水率以及玉米叶面积等指标时还发现，在3种滴头流量下，D2(2.5 L/h)处理的平均土壤体积含水率为最高，同时玉米叶面积较大，这必然会增加玉米植株蒸腾和棵间蒸发，因此导致该处理耗水量较大。

(2)相同滴头流量中，不同灌水频率下的玉米产量与水分利用效率大体呈现出随着灌水频率的降低先增大后减小的单峰变化趋势，基本都在P2(8 d)或P3(10 d)处理下达到最大值，可见中高频灌溉更有利于产量和水分利用效率的提高。同时还发现在D2(2.5L/h)处理下产量普遍较低的现象，在观测平均土壤体积含水率、玉米叶面积与生物量等指标时发现，在3种滴头流量下，D2(2.5L/h)处理平均土壤体积含水率为最高，同时叶面积与生物量较大，推测这是因为高含水率水平促进叶面积增大与生物量增长，同时也使得生物量更多的向玉米叶片分配与转运，从而减少了生物量向玉米果实上的分配，而且较高的含水率和叶面积也会使耗水量增大。因此导致D2(2.5 L/h)处理下的玉米产量和水分利用效率均处在较低水平。

(3)在图3(c)中可以看出，D3P2(3.0 L/h，8 d)和D3P4(3.0 L/h，12 d)处理中的产量误差线值较大，说明这两组产量数据组内差异较大。而相比之下，D1(2.0 L/h)、D2(2.5 L/h)处理均没有这种现象发生，推测是因为D3(3.0 L/h)滴头流量较大，水流出流速度快，每次灌水后土壤表层含水率迅速饱和，同时可能由于小区内地块不够平整，产生小范围的积水与地表径流，因此导致小区内土壤水分分布不均匀，从而导致玉米的生长及产量不均匀，因此出现产量组内误差较大，误差线较大的现象。

(4)在本试验中灌水频率为8～10 d时，玉米产量和水分利用效率均处在较高水平，这与在相同试验条件与设计因素下的制种玉米研究[1,27]具有一致的结论，因此在河西走廊地区玉米膜下滴灌可选择8～10 d的灌水频率。但是在本试验不同的滴头流量的比较中，滴头流量为2.5 L/h时的整体表现均较差，这与制种玉米的研究结论[1,27]并不一致，推测除了品种和每年的天气条件不同之外，可能也与田间试验的偶然性有关，因此关于滴头流量的选择仍需进一步的研究。

5 结 论

本文通过在田间试验中设置不同的滴头流量与灌水频率，探索不同灌水技术参数条件下玉米耗水量、产量及水分利用效率的变化规律，为河西走廊地区进一步发展节水灌溉提供理论基础。主要研究结论如下：

(1)玉米耗水量随着灌水频率的降低呈现先增大后减小又增大的趋势，8 d的灌水频率时达到最大值，大滴头流量低频灌溉会使耗水量有所增加。耗水量随着滴头流量的增大呈现先增大后减小的趋势，2.5 L/h滴头流量的耗水量为最大。

(2)玉米产量和水分利用效率随着灌水频率的降低基本呈现先增大后减小的趋势，二者均在灌水频率为8～10 d时达到最大值。玉米产量和水分利用效率在2.5 L/h滴头流量下均处在较低水平，水分利用效率随着滴头流量的增大呈现先减小后增大的趋势。

(3)以节水节肥、优产高产为目标，通过对比不同灌水技术参数下的玉米耗水量、产量及水分利用效率变化规律，推荐河西走廊地区玉米膜下滴灌方案：当高频灌溉(6～8 d)时，宜选用3.0 L/h的滴灌带；当中频灌溉(10～12 d)时，宜选用2.0 L/h或2.5 L/h的滴灌带；当低频灌溉(14 d)时，宜选用3.0 L/h的滴灌带。