鲜食甜玉米需水规律及节水灌溉制度研究

张 雷，王 杰，王树鹏，黄 英，曹 言，段琪彩，崔远来

鲜食甜玉米需水规律及节水灌溉制度研究

张 雷1，王 杰1，王树鹏1，黄 英1，曹 言1，段琪彩1，崔远来2

（1.云南省水利水电科学研究院，昆明 650228； 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

【目的】研究鲜食甜玉米需水量、需水规律及节水灌溉制度，指导其科学合理灌溉。【方法】连续开展2 a鲜食甜玉米田间灌溉试验，以群众高产种植经验为试验处理，在试验小区内安装智墒和云智能气象站采集土壤墒情、气象数据。分析了甜玉米全生育期土壤水分动态变化规律；计算了甜玉米逐日需水量和作物系数，分析了其需水量规律；针对实际灌溉中存在的问题，对甜玉米灌溉过程中土壤含水率上下限进行了优化。【结果】甜玉米土壤水分变化主要集中在10~30 cm之间，根系最大吸水深度为50 cm；2016—2017年甜玉米全生育期需水量分别为197.7 mm和212.9 mm，平均需水强度分别为3.0 mm/d和3.1 mm/d；需水强度呈现抽雄吐丝期＞灌浆乳熟期＞拔节期＞苗期的规律；甜玉米作物系数（Kc）苗期最小，抽雄吐丝期最大，2 a全生育期Kc平均值分别为0.63和0.67；经过灌溉制度优化，甜玉米全生育期灌水4次，净灌溉用水量较实际分别减少31.87%和33.97%。【结论】甜玉米需水量较小，需水规律和普通玉米相似，农业生产中应根据降雨情况适时补充灌溉。

甜玉米；需水量；需水规律；作物系数；灌溉制度

0 引 言

【研究意义】玉米作为我国重要粮食作物，长期以来针对其需水量[1]、灌溉制度[2]、灌水方式[3]、水肥耦合[4]等方面开展了大量研究，取得了大批阶段性研究成果，对我国灌溉用水管理及农业发展起到了重要的促进作用。然而众多研究成果中，研究对象多为普通玉米（粮食），关于鲜食甜玉米需水规律及节水灌溉制度的研究还鲜有报道。与普通玉米相比，甜玉米是玉米胚乳中基因Su1隐性突变而来[5]，具有经济价值高、分蘖能力强（需及时除去无效分蘖）、生长速度快（抽雄吐丝期后20 d左右即可收获），生育期内需要多次施肥和灌溉[6]等特点。因此，针对普通玉米的灌溉试验研究成果很难用于指导甜玉米生产实际，随着甜玉米种植规模的不断扩大，亟须摸清其生育期需水规律及节水灌溉制度。【研究进展】在诸多需水量研究方法中，烘干法与蒸渗仪测定法被认为是2种精度较高的方法[7]。烘干法需要不断取土样烘干获取土壤含水率数据，一方面会破坏土壤结构，也很难做到长期连续的原位监测；另一方面取样点过于靠近玉米根系，则会破坏玉米根系影响其正常生长，远离根系，则不能真实反映玉米根系吸水情况。蒸渗仪测定法需要在试验场地安装大型称重式蒸渗仪，价格昂贵，国内仅有几个大型灌溉试验中心站具备相应条件。【切入点】Insentek土壤水分监测仪（智墒）是一种新型土壤水分监测设备，设备通过简单钻孔安装之后便可持续、稳定、精确的测量土壤含水率[8]。与烘干法和蒸渗仪法相比，智墒获取数据更便捷、实时监测到植物根系层土壤水分的动态变化，性价比也较高。【拟解决的关键问题】鉴于此，本文在云南高原特色蔬菜产业种植重点县建水县，以当地群众高产种植经验为试验处理，选择智墒测定甜玉米生育期土壤含水率，连续开展2 a（2016—2017年）覆膜微喷灌条件下鲜食甜玉米需水规律试验研究，旨在摸清滇中高原地区鲜食甜玉米生育期需水量与需水规律，确立甜玉米节水灌溉制度，为高原特色农业灌溉用水管理提供科学依据。

book=23,ebook=2

1.材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于云南省建水县曲江镇甜玉米集中连片种植区的大田内（经纬度23°56'34"N，102°50'07"E，海拔1 344 m）。曲江镇[9]属南亚热带季风气候，多年平均降水量815.8 mm，多年平均气温18 ℃，年日照时间2 300 h左右，无霜期300 d左右。气候温和，光热适度，春暖干燥，夏湿冬干，雨热同期，冬无严寒，夏无酷暑，有“天然温室”之称，是云南省有名的蔬菜种植基地。对试验点土样进行物理性质测定结果显示，试验点土壤类型为粉砂质黏土，耕作层土壤平均体积质量为1.32 g/cm3，耕作层土壤田间体积持水率在42%~44%。

1.2 试验材料与设计

2 a试验在同一地块进行，前茬作物均为冬马铃薯。2016年试验时间为4月23日—6月27日，2017年为4月8日—6月15日。供试甜玉米采用穴播，每穴保留2株，品种均为“库普拉902”。采用沟垄种植，沟宽0.4 m，垄宽0.7 m，垄长10 m。每垄种植甜玉米2行，行距0.4 m，株距0.3 m。灌溉方式为覆膜（地膜仅覆盖地垄表面）微喷灌。覆膜后在每垄中间布置一根微喷带，微喷带内径28 mm，有5排纵向斜孔，纵向孔距100 mm，横向孔距10 mm，孔径1 mm。灌溉时采用额定流量10 m3/h，扬程16 m，功率0.75 kw的单相潜水泵加压浇灌2行玉米，并适时调整微喷带开启组数，保证单向喷洒幅度在30 cm左右。2 a试验水肥管理均按当地高产种植经验进行。2016年甜玉米产量（鲜果穗总质量）24 375 kg/hm2，2017年甜玉米产量（鲜果穗总质量）26 250 kg/hm2。

1.3 观测要素与方法

1.3.1 土壤含水率与气象要素

甜玉米播种前，在地块中部随机选择3行地垄，在地垄上安装智墒（ET60；北京东方润泽生态科技股份有限公司生产）各1台，智墒位于2株玉米中间，距离玉米主干约15 cm。智墒埋深60 cm（试验点60 cm以下土壤为坚硬的黏土层，作物根系很难到达，所以选择智墒埋深60 cm，以下土层的土壤水分消耗忽略不计）。垂直于地面方向每隔10 cm设1个监测探头，每个探头可以实时监测半径15 cm，高10 cm圆柱土体区域内的平均体积含水率。种植前在试验小区内取根区各层土壤进行烘干试验与智墒监测值进行对比，2组数据误差在±3%以内[10]。试验点安装云智能气象观测站1套，主要观测项目为降水量、风速（2 m）、风向、气温、相对湿度、气压、太阳辐射等。气象站与智墒均为整点同步发送监测数据。

1.3.2 作物蒸发蒸腾量

1）参考作物蒸发蒸腾量

采用FAO-56[11]推荐的Penman-Monteith公式计算参考作物蒸发蒸腾量（ET0）。

2）作物需水量

作物需水量采用水量平衡法计算：

式中：ETci为第i天作物实际需水量（mm）；ΔWi为第i天作物计划湿润层内土壤储水量的变化值，通过体积含水率变化和计划湿润层深度的乘积求得（mm）；Pi为第i天作物计划湿润内储存的有效降水总量，为降雨前和降雨后土壤计划湿润层内储存的可用于蒸发蒸腾的那部分降水量（mm）；Mi为第i天净灌溉水量，是灌溉前和灌溉后土壤计划湿润层内储水量增加值（mm）计算方法见式（4）；Ki第i天地下水补给量，在有底测坑或地下水埋深＞2.5 m（砂土、沙壤土）、3.5 m（壤土、黏壤土、黏土）条件下，Ki=0（本试验涉及田块地下水埋深＞3.5 m）。

次降雨有效降水量计算式为:

式中：Pi为有效降水量（mm）；H为甜玉米根系吸水深度，根据甜玉米根系层土壤含水率动态监测结果确定（mm）；θ1和θ2为降雨前和降雨后根系层土壤体积含水率（%）。

净灌溉用水量计算式为：

式中：Mi为某次灌水净灌溉用水量（mm）；H意义同式（2）；θv1为某次灌水前1 h，H土层内各监测点实测体积含水率（%）；θv2为某次灌水后，H土层内各监测点实测值相对稳定时的体积含水率（%），每次灌后时间节点选择，根据试验小区智墒逐时观测值灵活判断（一般取灌后4～6 h），观测值稳定以后，灌溉水以毛管水的形式存在于土壤中，不再下渗。

1.3.3 作物系数

鲜食甜玉米作物系数kc计算式为：

式中：kc为作物系数；ETc为实际作物需水量（mm/d）；ET0为参考作物需水量（mm/d）。

1.3.4 基础作物系数修正

FAO-56给出的作物系数是特定标准条件下的作物系数，实际应用过程中需要根据当地具体条件进行修正，修正公式为：

book=0,ebook=3

式中：Kcbmind（修正）和Kcbend（修正）分别为修正后生长中期和生长后期kc值；Kcbmind和Kcbend分别为FAO-56推荐的甜玉米生长中期和生长后期kc值；u2为生长中期和后期2 m高度处日平均风速的平均值（m/s）；RHmin为生长中期和后期日最小相对湿度的平均值（%）；h为生长中期和后期平均植物高度（m）。

2 结果与分析

2.1 甜玉米生育期土壤水分动态变化

实时监测结果（图1）显示，甜玉米根系层不同深度土壤含水率变化程度不一。在播种后的40 d内，10~20 cm表层土壤含水率变化较大，40 d以后30 cm以下土壤含水率变化开始变大，但整个生育期土壤含水率变化主要集中在10~30 cm间，到生长后期40 cm处才有轻微波动，50 cm处土壤含水率较稳定。不同深度的土壤水分变化表明，试验点甜玉米根系最大吸水深度为50 cm。根据图1甜玉米根系层吸水情况，确定甜玉米不同生育期计划湿润层深度，苗期为20 cm、拔节期为30 cm、抽雄吐丝期为40 cm、灌浆乳熟期为50 cm。从图1还可以看出，降水和灌溉适时补充根系层土壤水量的动态变化过程，降水量较多则灌溉量相对少，降水量少则灌溉量相对多，2016和2017年甜玉米全生育期净灌溉用水量分别为164.7 mm和182.8mm，有效降水量分别为60.2mm和66.7 mm。总体上甜玉米生育期10~30 cm根层内体积含水率基本维持在30%以上，相当于田持的70%以上，水分供给充足，有利于甜玉米生长发育。

图1 甜玉米生育期土壤含水率动态变化 Fig.1 The dynamic change of soil content in growth stages of sweet maize

2.2 甜玉米生育期需水量及需水规律

根据式（1）计算甜玉米生育期内逐日需水量，如表1所示。试验点2016年和2017年甜玉米全生育期分别为66 d和69 d，需水量分别为197.7 mm和book=8,ebook=4212.9 mm，全生育期平均需水强度分别为3.0 mm/d和3.1 mm/d。从不同生育阶段看，苗期持续时间约占全生育期的1/3，相比其他生育阶段，苗期需水量、需水强度和模比系数都较小，阶段需水量占总需水量的14%左右，2 a平均需水强度为1.4 mm/d；拔节期甜玉米营养生长不断加快，这一时期阶段需水量和平均需水强度均较苗期有所增强；抽雄吐丝期是甜玉米营养和生殖生长的关键期，此阶段田间覆盖度基本达到顶峰，阶段需水量、模比系数和平均需水强度达到各生育阶段中最大值；灌浆乳熟期甜玉米以生殖生长为主，此阶段干物质快速形成并向穗部转移，是产量最终形成的关键阶段，此阶段持续时间较短，且阶段需水量、模比系数和平均需水强度均开始下降。

根据甜玉米日需水量值绘制其全生育期需水过程线（图2）。甜玉米全生育期需水过程线并不是一条光滑稳定的曲线，而是一条不断波动变化的锯齿状曲线，波动幅度和作物的生长及气象要素息息相关[12]。2个年度甜玉米需水强度虽然存在差异，但变化趋势基本一致，呈现出中间高、两头低的现象，即抽雄吐丝期>灌浆乳熟期>拔节期>苗期，趋势线表现为开口向下的抛物线。

表1 鲜食甜玉米各生育阶段需水量及需水规律 Table 1 The water requirement and water requirement regulation in different growth stages of sweet maize

图2 甜玉米生育期内逐日需水量变化过程 Fig.2 The hydrograph of diurnal water consumption on sweet maize

2.3 甜玉米作物系数

采用式（4）计算试验点甜玉米全生育期逐日kc，如图3所示。甜玉米逐日kc日间变幅较大，变化趋势与需水强度变化趋势基本一致，呈苗期kc较小，进入拔节期以后kc逐渐增大，至抽雄吐丝期达到峰值，灌浆乳熟期以后kc值有所下降的趋势。2016年和2017年甜玉米全生育期kc平均值分别为0.63和0.67，不同生育阶段kc值见表2。地膜覆盖条件下，土壤表面蒸发较小，甜玉米耗水主要由植株蒸腾产生，在此条件下得到的作物系数（kc）非常类似于基础作物系数（kcb）。因此，拟将实测kc值与FAO-56推荐值进行比较。采用式（5）和式（6）对推荐值进行修正，经修正2016年甜玉米不同生育阶段作物系数为kcbini=0.15、kcbmind修正=1.04、kcbend修正=0.91，2017年为kcbini=0.15、kcbmind修正=1.07、kcbend修正=0.96。实测均值与推荐值（修正）相比，生育初期（苗期）和生育中期（抽雄吐丝期），2 a的实测kc值均较推荐值大，而生育后期（灌浆乳熟期）则相反。

2.4 甜玉米生育期节水灌溉制度设计

试验点现场农事活动记录及土壤水分监测结果显示，2016年和2017年甜玉米全生育期均灌水9次，净灌溉用水量分别为164.7 mm和182.8 mm（表3）。从不同生育阶段来看，苗期净灌水定额较小，抽雄吐丝期和灌浆乳熟期净灌水定额较大，净灌溉定额也较book=0,ebook=5大。虽然2个年度均灌水9次，但2016年甜玉米生育前期降水较少，所以灌水主要分布在这段时间；2017年则相反，甜玉米生育前期降水多，后期降水少，所以灌水主要分布在生育后期。从灌溉前和灌溉后计划湿润层土壤含水率情况来看，2016年和2017年试验点甜玉米全生育期内实测灌溉前和灌溉后土壤计划湿润层储水量占田间持水率的65%~99%。参照文献[13]的研究成果，玉米苗期、拔节期、抽雄吐丝期和灌浆乳熟期的最优土壤相对含水率分别为60%、70%、75%、70%，上限均为90%。将最优土壤含水率控制灌溉上下限与实际灌溉制度对比发现，2个年度共18次灌水中有14次灌前土壤含水率偏高，2次灌前土壤含水率偏低；有11次灌后土壤含水率偏高，4次灌后土壤含水率偏低。可见，试验点甜玉米全生育期灌前和灌后土壤含水率偏高的情况较多，易造成灌水成本增加和灌溉用水浪费，灌溉水分利用率较低。

图3 甜玉米生育期作物系数 Fig.3 The crop coefficient of sweet maize

表2 甜玉米不同生育期作物系数 Table 2 The crop coefficient of sweet maize in different growth stages

根据上文分析，试验点甜玉米常规灌水过程中还有较大的节水潜力。本研究根据水量平衡原理，以播种时计划湿润层土壤储水量作为初始值，以表1中甜玉米不同生育阶段需水量平均值作为日需水量，以文献[13]推荐的玉米最优控制上下限为灌水依据，当计划湿润层土壤储水量逐日被消耗（考虑有效降雨量补充），接近控制下限时开始灌水，使之达到控制上限，依此类推，直至甜玉米收获，得到甜玉米节水灌溉制度设计图及灌溉制度表（图4和表4）。如图4所示，与甜玉米常规灌溉条件下实际储水量变化过程相比，经过节水灌溉优化设计的甜玉米全生育期计划湿润层储水量始终在控制灌溉上下限内波动，既节约了灌溉用水又可保证甜玉米始终在最优土壤含水率条件下生长。如表4所示，经过节水灌溉优化设计，2016年甜玉米只需灌溉4次，净灌溉定额112.2 mm，比实际灌溉制度灌水次数减少5次，净灌溉用水量减少52.5 mm（31.87%）。2017年甜玉米同样只需灌溉4次，净灌溉定额为120.7 mm，比实际灌溉制度灌水次数减少5次，净灌溉用水量减少62.1 mm（33.97%）。综上所述，通过节水灌溉优化设计，在保证甜玉米最优水分供给条件下，甜玉米全生育期灌溉次数较常规灌溉可减少1/2以上，净灌溉用水量分别减少了31.87%和33.97%。

book=90,ebook=6

表3 甜玉米实际灌溉情况 Table 3 The real irrigation water use of sweet maize

图4 甜玉米节水灌溉制度 Fig.4 The water saving irrigation system on sweet maize

表4 甜玉米优化节水灌溉制度 Table 4 The water saving irrigation system of fresh sweet maize

3 讨 论

白树明等[14]在20世纪90年代通过田间试验得到云南玉米需水量在369.7~417.9 mm之间；Qin等[8]采用智墒监测得到夏玉米需水量为309.0~311.0 mm之间；Wendt等[15]曾于20世纪70年代在美国得克萨斯州开展过不同灌水方式下鲜食甜玉米需水量试验，作者通过监测土壤水势换算土壤含水率，结果显示，不同灌溉模式下甜玉米全生育期需水量在310~361 mm之间，日均需水强度在4.3~5.0 mm/d之间。试验得到的甜玉米需水量和需水强度值与上述文献相比均较小，可能原因为：①地膜覆盖抑制了甜玉米棵间蒸发，王健等[16]研究表明夏玉米生育期棵间蒸发量占蒸发蒸腾量的比例可达43.57%~52.52%；②甜玉米品种与试验环境差异，本试验甜玉米品种为“库普拉902”，植株平均高度为1.6 m左右，仅为普通玉米（株高2.0~2.5 m）高度的2/3，植株矮小意味着地上生物量的减小，通过光合作用消耗的水分也会减小；同时作物需水量还与气象条件[12]、土壤类型、种植密度及栽培模式等因素紧密相关，一个或多个因素的改变都会直接影响作物需水量。虽然试验得到的鲜食甜玉米需水量和需水强度值偏小，但需水过程线变化特征与肖俊夫等[17]和范晓慧[18]研究结果基本一致。2 a甜玉米需水量数据环比，2017年较2016年多15.2 mm。可能是因为2017年生育期长3 d，且净灌溉用水量多18.1 mm；生育期延长会增加需水总量，需水总量也会随净灌溉用水量的增加而增大[19]。

作物系数可以综合反映作物种类、生物学特性、土壤水肥状况和田间管理[20]，是计算作物需水量必不可少的参数。试验得到的2个年度甜玉米不同生育阶段kc值与FAO推荐的kcb值相比，生长初期和生长中期实测值均偏大，可能是因为虽有地膜覆盖，但不能完全避免土壤表面蒸发，使得实测kc值较kcb值大。而生长后期实测kc值却较kcb值小，这可能与甜玉米采收时间控制有关，甜玉米灌浆结束后，有7 d左右最佳采收时间，农民可根据市场价格等因素控制采收时间，此阶段需水量和作物系数均逐渐下降（图2和图3），若遇采收时间延后，生长后期平均kc值将减小。

滇中高原地区地形地貌错综复杂、立体气候、水资源时空分布不均、土壤类型多样、物种资源丰富，本文试验数据仅为2 a的成果，有一定局限性。不同水文年型或非充分灌溉条件下甜玉米需水规律及节水灌溉制度的拟定，仍须做长时间试验观测。此外，甜玉米经济价值高，种植前景广阔，在我国已得到大面积推广和种植，因此有必要对其需水量时空变化特征开展深入研究。

4 结 论

1）确定了甜玉米不同生育阶段计划湿润层深度：苗期为20 cm、拔节期为30 cm、抽雄吐丝期为40 cm、灌浆乳熟期为50 cm，试验点甜玉米根系吸水深度为50 cm。

2）2016年和2017年甜玉米生育期需水量别为197.7 mm和212.9 mm，全生育期平均需水强度分别为3.0 mm/d和3.1 mm/d。各生育期需水强度表现为抽雄吐丝期＞灌浆乳熟期＞拔节期＞苗期。甜玉米全生育期日需水量过程线为一条不断波动变化的锯齿状曲线，趋势线表现为开口向下的抛物线。

3）甜玉米苗期kc较小，进入拔节期以后kc逐渐增大，至抽雄吐丝期达到峰值（2016年和2017年分别为1.13和1.31），灌浆乳熟期以后kc值有所下降，2个年度甜玉米全生育期kc平均值分别为0.63和0.67。

4）实际灌溉过程中往往存在灌前和灌后土壤含水率偏高的情况，通过节水灌溉优化设计，2 a甜玉米全生育期灌溉次数减少为4次，净灌溉用水量减少为112.2 mm和120.7 mm，较实际分别减少31.87%和33.97%。

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Water Consumption of Sweet Corn and Its Water-saving Irrigation Strategies

ZHANG Lei1, WANG Jie1, WANG Shupeng1, HUANG Ying1, CAO Yan1, DUAN Qicai1, CUI yuanlai2

(1.Yunnan Institute of Water Resource and Hydropower Research, Kunming 650228, China；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

【】Cultivation of sweet corn has increased over the past decades in some areas of China, but its demand for water and the associated irrigation strategies are poorly documented. The objective of this paper is to plug this knowledge gap.【】A two-year field experiment designed based on the principle of achieving high yield was conducted. During the experiment we measured the change in soil moisture and meteorological factors, and used them to calculate water requirement, water consumption and crop coefficient (c) of the crops. These help us to optimize the irrigation strategy for sweet corn production.【】The water requirement, daily water consumption during the growth season of the sweet corn in 2016 and 2017 were 197.7 and 212.9 mm, 3.0 mm/d and 3.1 mm/d respectively. The daily water consumption varied with growth stage, being highest in the tasseling stage and least in the seedling stage. The average crop coefficient in 2016 and 2017 was 0.63 and 0.67, respectively, and the optimal calculation showed that changing irrigations times to four could reduce irrigation water by 31.84% to 33.97% compared to the currently used irrigation strategy.【】Water requirement of the sweet maize was low and its water consumption was similar to normal corn. Appropriate irrigation is essential to safeguarding its production.

sweet corn; water requirement; water consumption; crop coefficient; irrigation system

S274.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019368

1672 - 3317（2021）01 - 0022 - 08

2019-11-11

云南省重点新产品开发计划项目（2015BB019）；2019年云南省水利厅水资源费项目；2017年云南省科技厅“三区”科技服务项目

张雷（1986-），男，工程师，硕士，主要从事高原特色农作物节水灌溉研究。E-mail: 554117864@qq.com

张雷, 王杰, 王树鹏, 等. 鲜食甜玉米需水规律及节水灌溉制度研究[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(1): 22-29, 37.

ZHANG Lei, WANG Jie, WANG Shupeng, et al. Water Consumption of Sweet Corn and Its Water-saving Irrigation Strategies[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 22-29, 37.

责任编辑：赵宇龙