微喷补灌对夏玉米产量和水分利用效率的影响

吴祥运，王东，蔡晓，林祥，张俊鹏*

微喷补灌对夏玉米产量和水分利用效率的影响

吴祥运1，王东2，蔡晓1，林祥2，张俊鹏1*

（1.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2.山东农业大学 农学院，山东 泰安 271018）

提高夏玉米用水效率。2018—2019年设置4个微喷补灌处理，分别以0~10（W10）、0~20（W20）、0~30（W30）和0~40（W40）cm为目标湿润土层，补灌的目标土壤含水率为相应土层的田间持水率，补灌时期均为夏玉米播种时、拔节期开始时和抽雄期开始时；以传统畦灌模式（CK）为对照，研究了不同微喷补灌方案对夏玉米形态发育指标、产量构成、耗水量和水分利用效率（）的影响。随着补灌目标湿润土层深度的增加，夏玉米株高、叶面积指数（）、地上部干物质量和籽粒产量等指标呈逐渐增大或先增大后减小的趋势，当目标湿润土层达到20 cm后，继续增加灌水量对夏玉米生长的促进效应减小，W20处理的各项指标均能获得较高值。耗水量和受补灌目标湿润土层深度影响显著，其中，耗水量随目标湿润土层深度的增加而增大，则与之相反。W20处理与CK和高水分（W40）处理相比，籽粒产量无显著差异，但灌溉用水量减少47.33%~54.73%，耗水量显著降低9.86%~13.85%，显著提高11.48%~19.26%。建议试验区夏玉米微喷补灌的目标湿润土层为0~20 cm，目标含水率为田间持水率。

微喷补灌；夏玉米；产量；水分利用效率

0 引 言

【研究意义】玉米是我国三大主要粮食作物之一，广泛用于食品加工、动物饲料、工业化学品和生物能源等领域，玉米产业持续稳定发展对保障国家粮食和经济安全至关重要[1]。水分是夏玉米生长所必需的因子，农业生产中，为追求高产，灌水过量现象严重[2]。黄淮海平原是我国夏玉米的重要产区，其播种面积和产量分别占全国的37%和35%以上，但水资源总量仅占全国的6%左右[3-4]。单位耕地面积水资源严重不足和水资源时空分布不均，已成为限制该地区农业生产的主要因素。因此，采用先进的节水灌溉技术，减少灌水定额、提高水分利用效率是该地区夏玉米节本增效和实现可持续发展的重要途径。【研究进展】微喷带灌溉具有便于实施、省时省工和可控性强等优点，可实现小定额灌溉和水肥同步供给，与夏玉米传统地面灌溉相比，微喷带灌溉灌水量减少24%，产量及分别提高14.3%和10.3%[5]。研究表明，夏玉米苗期至灌浆期水分胁迫会导致产量显著降低，但灌浆至成熟期缺水可以在不明显降低产量的基础上提高水分利用效率[6]。黄淮海平原普遍实行冬小麦-夏玉米一年二熟种植制度，由于前茬作物冬小麦对土壤贮水量的过度消耗和降雨时空分布不均匀，导致干旱时常发生，补充灌溉是提高该地区玉米产量及水分利用效率的重要措施[5]。然而，目前黄淮海平原夏玉米的主要灌水方式仍为地面灌，存在灌水定额大、水分利用效率低的问题。【切入点】就黄淮海地区而言，以往针对夏玉米节水灌溉的研究主要以地面灌溉为主，通常以控制计划湿润层土壤水分下限作为灌水依据，灌水时多采用定额灌溉或者灌至田间持水率，存在测墒土层深度大、测墒次数多、灌水定额偏大等问题[7-9]。宋兆云[10]研究发现，在冬小麦生长关键期将浅层土壤补灌至田间持水率可获得较高的籽粒产量和水分利用效率。该技术模式节水高效，且操作简单。【拟解决的关键问题】本研究在综合考虑夏玉米生长季降雨分布和土壤贮水状况的基础上，借鉴贮墒灌溉模式的思路，以夏玉米关键生长时期不同目标湿润土层深度确定补灌水量，通过研究不同微喷补灌水量对夏玉米生长发育、产量构成和水分利用效率的影响，探索该区夏玉米微喷补灌适宜方案，以期改进玉米用水制度，为区域夏玉米节水高产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年6—9月在山东省泰安市道朗镇玄庄村（36°12′ N，116°54′ E）进行。试验区位于黄淮海平原东部，属温带季风气候，年平均气温13.3 ℃，年平均降水量为616 mm，年降水量变化较大且分配不均。试验区土壤类型为壤土，耕层0~20 cm土层土壤碱解氮量为71.80 mg/kg，速效钾量为140.21 mg/kg，速效磷量为46.08 mg/kg。试验区0~100 cm土层土壤体积质量和田间持水率如表1所示，地下水埋深大于5 m。2018年和2019年夏玉米生长季降水量分别为502.0 mm和337.4 mm。

1.2 试验设计

采用微喷灌水方式，依据目标湿润土层深度，2018年设置3个微喷补灌水平，分别为0~20、0~30和0~40 cm，依次标记为W20、W30和W40，补灌时期均为夏玉米播种时及拔节期和抽雄期开始时，目标土壤含水率为相应土层的田间持水率；2019年，在此基础上增设0~10 cm（W10）目标湿润土层。各微喷补灌处理的施氮量均为240 kg/hm2，基氮、拔节氮、抽雄氮施用比例为1∶1∶1，其中，基氮底施，拔节期、抽雄期氮随灌溉水施入。此外，采用当地生产中较为常用的灌水和施氮模式作为对照（CK），CK仅在播种后灌水1次，当水流前锋到达畦长长度的90%时停止灌水；施氮量为300 kg/hm2，其中，50%底施，50%于拔节期追施。氮、磷、钾肥的类型分别为尿素（N，46%）、重过磷酸钙（P2O5，46%）、氯化钾（K2O，60%）。所有处理P2O5和K2O用量均为120 kg/hm2，作为底肥一次性施入。

表1 土壤体积质量和田间持水率

试验小区面积96 m2（20 m×4.8 m）。2 a试验均于6月13日播种，于2018年9月26日和2019年9月25日收获。试验地前茬作物为冬小麦，供试夏玉米品种为“登海618”，采用干播湿出等行距播种，行距60 cm，株距25 cm，密度为66 667 株/hm2。每个试验小区种植8行玉米，玉米行空间依次命名为L1—L7，微喷带分别铺设在L2和L6。微喷带类型为玉米专用微喷带，微喷带为斜6孔、折径80 mm、工作压力0.08 MPa、喷幅1.8 m，流量0.25 m3/(h·m)。灌溉水源为井水，采用水表计量，2 a试验灌水量如表2所示。其他田间管理措施同当地种植习惯一致。

表2 2018年和2019年各处理灌水量

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分

采用烘干法测定，分别于夏玉米播种时以及拔节期、抽雄期、灌浆期开始时和收获时测定土壤含水率，播种前和收获后取土深度为2 m，其余时期为1 m，取土位置为微喷带下方，其中0~40 cm土层每10 cm分为1层，40 cm土层以下每20 cm为1层。

1.3.2 株高和叶面积指数

在夏玉米抽雄吐丝期，于每个试验小区选取3株代表性植株，使用卷尺测量玉米的株高及所有叶片长度和最大宽度。叶面积指数[11]计算式为：

式中：（Leaf area index）为叶面积指数；为叶片数；l为单叶片长度（cm）；b为单叶片最大宽度（cm）；为单株占地面积（cm2）。

1.3.3 地上部干物质量

在夏玉米苗期、拔节期、抽雄吐丝期、灌浆期和收获时，于每个试验小区选取3株代表性植株取其地上部，分成茎秆、叶片和果穗等部分分别装入牛皮纸袋放入烘箱中，105 ℃下杀青30 min后，75 ℃烘干至恒质量，使用电子天平测定其干物质量，最后换算成群体生物量（kg/hm2）。

采用Logistic函数对夏玉米地上部干物质积累过程进行非线性回归拟合，Logistic函数表达式[12]为：

式中：为地上部干物质量（kg/hm2）；为相应的理论最大值（kg/hm2）；、均为回归参数；为生长时间（d）。

1.3.4 耗水量

作物生育期间耗水量根据水量平衡方程[13]计算：

式中：为夏玉米生育期内的耗水量（mm）；为灌水量（mm）；为降水量（mm），由布设在试验场的气象站测定；为生育期内地下水对作物根系的补给量（mm）；为生育期内试验区域的地表径流量（mm）；为生育期内根区深层渗漏量（mm）；Δ为生育期内0~2 m土层土壤贮水变化量（mm）。试验区地下水埋深大于5 m且地势平坦有畦埂，故地下水补给量和地表径流量可忽略不计，采用Ertek等[14]报道的方法估算。

1.3.5 产量构成

玉米收获时，在每个小区中间行连续取15株样本，将样本风干后测定其产量构成要素（穗行数和行粒数），脱粒测定总质量及其百粒质量，折算籽粒产量，每个处理重复3次。

1.3.6 水分利用效率

水分利用效率（）计算式为[15]：

式中：为夏玉米籽粒产量（kg/hm2）。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016和DPS数据处理系统进行数据处理和分析，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同处理对夏玉米株高和LAI的影响

表3为不同灌水处理对抽雄吐丝期夏玉米株高和的影响。由表3可知，微喷补灌处理夏玉米的株高和大于CK（除2018年W30处理的外）。2018年，3个微喷补灌处理间株高无显著差异，但均显著高于CK，W20、W30和W40处理的株高与CK相比分别增加5.07%、6.99%和8.42%；处理间无显著差异。2019年，W20、W30和W40处理间株高和无显著差异，但显著大于CK和W10处理。与CK相比，W20、W30和W40处理的株高分别增加5.78%、7.74%和6.25%，依次增加9.61%、13.85%和12.08%。

表3 2018年和2019年不同灌水处理夏玉米株高和LAI

注 同列不同字母表示显著性差异（＜0.05），下同。

2.2 不同处理对夏玉米地上部干物质积累量的影响

表4显示了2018—2019年不同灌水处理夏玉米的地上部干物质积累量。从表4可以看出，玉米生育期间不同处理地上部干物质积累量变化特征基本一致；与CK相比，除W10处理外，其余微喷补灌处理夏玉米地上部干物质积累量呈现出明显的后发增长效应。夏玉米成熟期，微喷补灌处理的地上部干物质积累量随目标湿润土层深度增加呈增大趋势。其中，2018年，W20、W30和W40处理夏玉米成熟期干物质积累量较CK分别增加了3.27%、5.90%和11.77%，仅CK显著低于W40处理，W20和W30处理与CK和W40处理间均无显著差异；2019年，W20、W30和W40处理夏玉米成熟期干物质积累量较CK依次增加了15.86%、24.18%和25.2%，而W10处理减少了12.83%，W20、W30和W40处理间差异不显著，但均显著大于CK和W10处理。表5给出了夏玉米地上部干物质量与播种后天数的拟合函数。由表5可知，2018年和2019年不同灌水处理下拟合方程的2分别在0.980和0.990以上，显著性水平为<0.05和<0.01。2018年，与CK相比，微喷补灌处理夏玉米干物质量的快速增长持续时间（Δ）、快速增长期日平均增长速率（V）、日最大增长量出现的时间（0）和日最大增长速率（max）等指标无明显差异。2019年，与CK相比，W20、W30和W40处理地上部干物质的快速积累期起始时间（1）和结束时间（2）、及0均有一定程度推迟，且V和max分别明显增加了57.0、64.6、75.3 kg/（hm2·d）与108.6、117.2、129.4 kg/（hm2·d）；W10处理的Δ减少了2.9 d，V和max分别降低20.2和23.1 kg/（hm2·d）。

表4 2018年和2019年不同灌水处理夏玉米干物质积累量

表5 2018年和2019年地上部干物质量与播种后天数的Logistic函数拟合

注1和2分别为夏玉米地上部干物质快速积累期的起始时间和结束时间（d）；Δ为快速增长持续的时间（d）；V为快速增长期日平均增长速率（kg·hm-2·d-1）；0为日最大增长量出现的时间（d）；max为日最大增长速率（kg·hm-2·d-1）；*和**分别表示在0.05和0.01水平下差异显著。

2.3 不同灌水处理对夏玉米产量构成的影响

表6为不同灌水处理夏玉米的产量构成情况。由表6可知，除W10处理外，其他微喷补灌处理的穗粒数、百粒质量和籽粒产量均优于CK；微喷补灌条件下，随着目标湿润土层深度的增加，穗粒数、百粒质量和籽粒产量呈先增大后减小或逐渐增大的趋势。2018年，W20、W30和W40处理夏玉米籽粒产量比CK分别增加3.39%、2.84%和2.56%，各处理间籽粒产量、穗粒数和百粒质量均无显著差异。2019年，W20、W30和W40处理的穗粒数、百粒质量和籽粒产量均显著高于W10处理，而W20、W30和W40处理间各项指标均无显著差异；与CK相比，W20、W30和W40处理的籽粒产量分别增加5.63%、7.14%和9.99%，W10处理降低3.72%，其中，仅W40处理籽粒产量与CK差异显著。2 a试验表明，W20微喷补灌处理与常规畦灌处理（CK）相比，可在减少施氮量20%、节省灌溉用水量47.33%~50.49%的情况下增产3.39%~5.63%；与高水分处理（W40）相比，W20处理的籽粒产量无显著差异，但灌水量减少51.12%~54.73%。

表6 2018年和2019年不同灌水处理夏玉米产量构成

2.4 不同灌水处理对夏玉米耗水量和WUE的影响

表7为2018—2019年各处理夏玉米的耗水量和。从表7可以看出，微喷补灌条件下夏玉米耗水量随目标湿润土层深度的增加呈递增趋势，而呈降低趋势。2018年，与CK相比，W20、W30和W40处理耗水量分别降低13.31%、3.37%和0.86%；分别提高19.26%、6.43%和3.45%，其中，W20和W30处理的耗水量及与CK间差异均达显著水平。2019年，与CK相比，W10、W20和W30处理耗水量分别降低18.40%、9.86%和1.66%，W40处理提高4.64%；4个补灌处理依次提高17.99%、17.19%、8.94%和5.12%，其中，W10和W20处理的耗水量比CK显著降低，而显著提高。与CK和W40处理相比，W10和W20处理夏玉米的耗水量明显降低，而水分利用效率明显提高。

表7 2018年和2019年不同灌水处理耗水量和WUE

3 讨 论

土壤水分是影响作物生长发育、产量及水分利用效率的重要环境因子，适时适量补充土壤水分，避免土壤长期处于水分亏缺状态有利于实现作物可持续高产高效[16-17]。和株高是表征作物冠层结构的重要指标，主要通过影响光能分布、光能截获和光能利用对生物量和籽粒产量产生影响[18]；地上部干物质量可综合反映作物生长状况，很大程度上能影响产量的高低[19]。研究表明，灌水能增大玉米和干物质积累量，并延缓叶片衰老，增加叶面积持续时间[20]。本研究结果与其相似，即与CK相比，微喷补灌可以明显增加夏玉米株高、和地上部干物质积累量，但当补灌水量超过一定程度（W20）后，其对夏玉米生长的促进效应减弱，究其原因是该地区夏玉米生育期间旱情多为短时性干旱，补充适量水分即能满足正常生长所需，补充过多水分对其生长无明显促进作用。采用Logistic模型可对各处理夏玉米地上部干物质积累过程进行较好的模拟，这与前人研究结果[21]相似。依据实测结果和模拟结果可知，微喷补灌处理的地上部干物质量呈现了后发生长优势，与CK相比，W20、W30和W40处理会推迟干物质快速积累期的起止时间，能明显提高快速增长期的日平均增长量和日最大增长量。

前人研究[23-24]表明，水氮之间存在明显的交互作用，水分不足会限制氮肥肥效的发挥，水分过多则会导致氮肥淋溶损失和作物减产，二者用量过多或不足均会影响作物产量，而同等种植密度条件下，穗粒数和百粒质量是玉米籽粒产量的主要决定因子。本研究中，W20、W30和W40处理3个微喷补灌处理间夏玉米的穗粒数、百粒质量和籽粒产量差异不显著，但均大于CK，而W10处理低于CK。原因是W10处理灌水量过低，影响夏玉米对氮肥的吸收利用，抑制其叶面积展开，降低其光合作用，导致植株矮小、百粒质量减少和产量降低，而CK仅在播种后进行一次灌水，且按基氮和拔节氮为1∶1的方式施氮，这种灌水和施氮模式易使氮肥以气态形式损失并影响夏玉米生育中后期的水氮供应，进而影响其籽粒产量[6, 25]。年际间，2019年灌水处理对夏玉米产量的影响效应大于2018年，这可能是因为2018年降水量大，处理间灌水量梯度较小，且造成了一定的氮素淋溶损失。2 a试验结果表明，微喷补灌水肥一体化可促进玉米产量的增加，但灌水量不宜过低或过高，W20处理在节约灌水量和施氮量的同时，能保证较高的玉米产量。

许多研究[26-27]证实，适当减少作物灌水量可在减产不显著的情况下提高并降低蒸散量。本研究得到相似的结论，即与CK相比，所有微喷补灌处理（2019年W40处理除外）的耗水量均有所下降，均有所增大；微喷补灌水肥一体化条件下，夏玉米耗水量随灌水量（目标湿润土层深度）的增加而增大，随灌水量的增加而降低。究其原因是水肥同步供给会改变作物耗水规律和产量性状，进而影响。综上，与W40处理和CK相比，W20处理能在保证玉米籽粒产量的同时，促使耗水量显著降低9.86%~13.85%、显著提高11.48%~19.26%，并且灌溉用水量减少47.33%~54.73%。说明适时适量进行灌水和施肥能促进玉米生长，提高用水效率，达到“以水促肥”和“以肥促水”的正效应结果。

4 结 论

1）微喷补灌条件下增加目标湿润土层深度可促进夏玉米生长和籽粒产量的提高，但当目标湿润土层深度大于20 cm时，继续增加灌水量对夏玉米生长的促进效应减小。

2）与常规畦灌处理（CK）和高水分处理（W40）相比，目标湿润土层为0~20 cm（W20）可在保证夏玉米籽粒产量无显著差异的条件下，节省灌溉用水量47.33%~54.73%，耗水量减少9.86%~13.85%，提高11.48%~19.26%。

3）建议试验区夏玉米微喷补灌方案为：目标湿润土层0~20 cm，补灌时期为播种时及拔节期和抽雄期开始时，补灌的目标含水率为田间持水率。

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The Impacts of Supplementary Micro-hose-sprinkling Irrigation Amount on Yield and Water Use Efficiency of Summer Maize

WU Xiangyun1, WANG Dong2, CAI Xiao1, LIN Xiang2, ZHANG Junpeng1*

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China;2. College of Agriculture, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)

【】Rainfalls in the growth season of summer maize in most areas in northern China are insufficient to meet its demand, and supplementary irrigation is thus required. The purpose of this paper is to investigate the efficacy of different hose-micro-sprinkler irrigation amounts at improving yield and water use efficiency of the maize.【】The experiment was conducted in 2018—2019 at a field, with the four irrigation amounts determined by topping up the soil water in depth of 0~10 (W10), 0~20 (W20), 0~30 (W30) and 0~40 (W40) cm to the field capacity at sowing, beginning of jointing and tasseling stages, respectively. The traditional border irrigation was taken as the control (CK). During the experiment, we measured plant growth, yield components, evapotranspiration and water use efficiency () of the crops in each treatment.【】With the increase in soil depth used to determine the irrigation amount, the plant height, leaf area index (), aboveground dry biomass and grain yield either increased monotonically or concavely. After the soil reference depth exceeded 20 cm, the efficacy of increasing irrigation at improving crop growth declined. Among all treatments, W20gave the highest value for all four measured indicators. Irrigation amount impacted both evapotranspiration andat significant level, with the evapotranspiration increasing while thedecreasing with irrigation amount. No significant difference in grain yield we found between W20, CK and W40treatments, and compared to the CK and W40, W20reduced irrigation amount and water consumption by 47.33%~54.73% and 9.86%~13.85% respectively, with itsincreasing at significant level by 11.48%~19.26%.【】Considering irrigation amount, grain yield, evapotranspiration and, our results suggested that topping up soil water in the depth of 0~20 cm by the hose-micro-sprinkling irrigation to the field capacity at sowing, beginning of the jointing and tasseling stages respectively, was most effective.

supplementarymicro-hose-sprinkling irrigation; summer maize; yield; water use efficiency

S275.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020253

1672 - 3317（2021）01 - 0030 - 08

2020-05-09

山东省重大科技创新工程项目（2019JZZY010716）；山东省重点研发计划项目（2018GNC111007）；国家公益性行业（农业）科研专项（201503130）

吴祥运（1995-），男。硕士研究生，主要从事节水灌溉原理与新技术研究。E-mail: yxiangwu@163.com

张俊鹏（1983-），男。副教授，硕士生导师，主要从事作物水分生理与高效用水技术研究。E-mail: jpengzhang@163.com

吴祥运, 王东, 蔡晓, 等. 微喷补灌对夏玉米产量和水分利用效率的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(1): 30-37.

WU Xiangyun, WANG Dong, CAI Xiao, et al. The Impacts of Supplementary Micro-hose-sprinkling Irrigation Amount on Yield and Water Use Efficiency of Summer Maize[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 30-37.

责任编辑：韩 洋