水药一体化膜下滴灌对玉米生长和除草剂残留的影响研究

王 惠，石文鹏，王文娥，胡笑涛

(西北农林科技大学 旱区农业工程教育部重点实验室， 陕西 杨凌 712100)

河西走廊地区多采用玉米膜下滴灌，膜下滴灌技术的使用，使得灌溉水的蒸发损失大大减少，为作物及根系的生长发育创造了良好的环境。但由于塑料薄膜将地面及植物体完全覆盖，导致作物周围生长的杂草无法被常规方式清除。滴灌施药技术由水肥一体化技术衍生，其本质都是为保证作物正常生长，合理、有效的施用作物需要的成分。且通过滴灌技术施用农药或除草剂，还可以减少人员和有害物质的接触，避免有毒物质污染环境[1]。采用水药一体化的方式施用除草剂进行膜下滴灌，既不影响作物正常灌溉，又可以有效的清除膜下杂草，有效节省人力物力[2]。李颖等[1]通过试验证明滴灌施用戊唑醇和多菌灵可有效防治玉米茎腐病，显著提高产量和效益。岳瑾等[3]开展甘薯根腐病水药一体化防治技术研究。结果表明：寡雄腐霉在滴灌条件下，对根腐病的防治效果显著。赵冰梅等[4]明确提出滴灌施用丙炔氟草胺防除覆膜棉田杂草的可行性。任玉鹏[5]研究了不同剂型阿维菌素在不同滴灌顺序、滴水量及滴灌流速下在土壤中的分布动态，发现滴水量和农药剂型是影响药剂在土壤中分布的主要因素。李敏华等[6]筛选了浅埋滴灌种植春玉米适宜的除草剂种类以及减量下的防控效果。但是目前对于水药一体化，特别是随水施用除草剂的研究不多，关于其滴灌方式对施药均匀性及其影响因素研究较少。

水药一体化的施药效果影响玉米生长及产量，且施药后药物残留会造成环境污染。根据不同滴灌带长度及施药方式的水药一体化试验，通过施药后玉米产量及除草剂残留量分析其施药效果。本文按照最佳施药时间通过设计连续施药、周期施药以及不施药作为对照的大田试验，通过不同长度滴灌带首中尾玉米叶面积指数、产量、土壤中除草剂残留等对滴灌系统的施药均匀性影响因素进行分析，以探求在保证玉米良好生长以及对人类、环境友好的前提下，适宜的滴灌带长度和施药方式。

1 试验布置及方法

1.1 试验材料及设备

试验场地位于甘肃省武威市中国农业大学石羊河试验站进行。灌溉用水为石羊河试验站自来水，水中主要含有HCO3-、HSO4-、Cl-、Ca2+、K+及Mg2+等，不会与乙草胺发生化学反应。pH在7.3～9.5之间。

试验采用水药一体化膜下滴灌技术，滴灌系统包括水源、水泵、过滤器、自制施药器及滴灌系统。过滤设备采用网式120目过滤器。为保证试验作物良好发育及生长，增设施肥系统，为了避免因灌水或施肥导致灌水器堵塞造成的施药均匀性试验误差，将施药与施肥系统分开。施肥滴灌系统为玉米施肥和灌水，施药滴灌系统只用来施药，且为减少堵塞每个灌水期结束后均更换施药滴灌带。为减小施肥对试验带来的影响，试验调节施肥比例统一为4%；滴灌带为杨凌润沃公司生产的迷宫流道式滴灌带，额定试验工作压力为55 kPa。

供试作物为“先玉335”玉米，种植方式采用一膜一带双行模式，玉米株距为0.3 m，膜宽1.2 m；试验除草剂为50%乙草胺乳剂，是土壤处理除草剂的一种。

1.2 试验设计与布置

由于除草剂随水运动到管末需要一定时间，所以施药均匀性随管长不同，将管长作为一个影响因素，设置了5个水平，40 m、30 m、20 m、15 m、10 m；借鉴脉冲式或间歇式的灌溉方法可提高灌溉均匀度，设置了连续施药、周期性施药两种施药方式，只灌溉不施药作为对照，共3个水平。试验采用全组合，共15个处理，详见表1。

表1 滴灌带布设及处理表

根据试验设计，将试验田分为5个小区，每个小区为42 m×3.6 m，铺3行地膜，每行地膜铺设施肥和施药两条滴灌带，共6条滴灌带，其中3条施肥滴灌带，灌水施肥量完全相同，如图1(a)所示；3条施药滴灌带，施药方式不同，分别为连续施药、周期施药和不施药(对照)，灌水量相同。其他长度滴灌带与10 m铺设方式相同，见图1(b)。

图1 布置示意图

除草剂总施用量为3 000 ml/hm2，且为了保证不同管长水平下施用等量的乙草胺，将自制施药器与滴灌带直接连接，详细试验处理见表2。

表2 不同长度滴灌带大田试验处理表

1.3 测定指标

玉米的叶面积指数：施药处理前，分别在每条滴灌带的前、中、后三个位置采样测定玉米的未施药处理的叶面积指数。施药处理之后的一个月，在相同位置每周测定一次玉米的叶面积指数。

土壤中乙草胺残留量：施药处理30 d后，在每条施药滴灌带中间位置每隔10 cm深度(40 cm，共4层)取土层，测定各土层中乙草胺的含量。

玉米收获后测量其玉米的产量、百粒重、双穗率。

2 结果与分析

2.1 滴灌带随水施除草剂对玉米生长的影响

田间杂草与作物争夺养分，使用除草剂可以有效减少杂草数量。滴灌带长及施药方式不同时，沿滴灌带的施药均匀性不同，除草效果也不同，进而影响作物生长。通过滴灌带不同位置(首中尾)玉米的叶面积指数、整体产量即可反映均匀性及除草效果。

2.1.1 施药方式对玉米叶面积指数的影响

除草效果较好时，玉米的养分供应充分，叶面积指数较高。图2给出了玉米不同生长阶段5种长度滴灌带3种施药方式施药后玉米叶面积指数随时间变化情况。从图中可以看出，整体来说，不同长度水平下各方式对叶面积指数整体增长情况大致相同，叶面积指数随时间增大呈现先升高后略有降低的趋势。这是玉米在成熟期正常的生长现象，此时玉米会将供给叶面的部分营养转给籽粒，以保证其正常生长发育[7-13]。

虽然叶面积指数整体变化规律相似，但不同施药处理下，其数值大小还存在着较为明显的差异。由表3可得，相较于无药方式，连续和周期两种施药方式的叶面积指数有明显较大。且，由图2中可看出，无药方式下叶面积峰值出现在7月17日—7月24日之间，后玉米逐渐将叶片的养分转移至籽粒。而施用除草剂后，不同处理及滴灌带位置处叶面积峰值均有明显的延后，出现在7月24日—7月31日之间。这也就证明由于除草剂乙草胺的除草效果较好，清除了作物周围杂草，减少了其对玉米养分的抢夺，使得玉米自身有更加充足的养分供应。

然而叶面积延后的现象在周期施药方式下滴灌带中部位置处并没有发生。以30 m长度滴灌带为例，由图2可以看出，连续施药情况下，30 m滴灌带整体变化规律相同，且在滴灌带首、中、尾处测得的玉米叶面积指数均存在着峰值不同程度的后移现象。而周期施药处理下，30 m滴灌带中部确并无叶面积指数峰值的后移。这是由于周期施药的自身灌水特点。周期施药是借鉴脉冲式灌水方式产生，其会在滴灌带内部产生波浪似的脉冲水流[14]，加之滴灌带长度较长，会导致除草剂与灌溉水流无法充分混合，使得滴灌带不同位置处施药均匀性较差，即会产生不同位置处叶面积指数相差较大的现象。

图2 不同长度滴灌带3种施药方法玉米的叶面积指数

同时，滴灌带的长度也会对叶面积指数的变化产生影响。施药处理下，滴灌带长度不同，叶面积指数出现峰值的后移程度也不同。滴灌带长度越长，后移程度越小。滴灌带长度越短，峰值出现后移的程度就越显著。且由表3可以看出，滴灌带长度越短，不同位置处叶面积指数的数值相差越小。反之，也越大。这是因为，滴灌带长度越长，其首尾压力差就越大，导致首部和尾部灌水器流量相差越大，即灌水施药均匀度不高。这也就导致了施用除草剂的均匀性较差，尾部杂草未能有效去除，故叶面积指数也会产生较大的差异。

表3 不同长度滴灌带施药30 d玉米叶面积指数增加量

在不同长度的滴灌带进行不同处理方法时，测量了在施药处理前玉米自身的叶面积指数。将其与测得的叶面积指数的峰值做差，可以得到玉米施用乙草胺后叶面积指数的增加量，如表3所示。上述已经提到，乙草胺的除草效果较好，清除了作物周围杂草，减少了其对玉米养分的抢夺，使得玉米自身有更加充足的养分供应，使得叶面积指数较大。即叶面积指数的变化可反映除草效果(施药效果)。从表中数据来看，连续施药情况下叶面积指数的增加量比无药和周期两种施药方式的增加量大得多，最大可达到2.97。而周期施药仅略大于无药处理，表明周期施药方式虽然也有一定的除草效果，但仍不如连续施药方式。连续施药情况下，增加量最小为1.19，最大可达到2.97，证明其可以清除杂草，促进玉米的生长发育。

2.1.2 不同长度滴灌带作物产量分析

图3、图4、图5分别为不同长度滴灌带3种施药方法作物双穗率、百粒重和产量图。从图4中可以看出40 m滴灌带处理下，连续施药方式的百粒重明显大于其他两种方式，而其他滴灌带长度下，百粒重差异并不明显。由图3、图5可以看出，不同滴灌带长度连续施药方式处理下，玉米的产量和双穗确实较大，尤其是双穗率，远高于其他两种施药方式。也就是说，连续施药的方式确实对玉米的生长发育起到了促进的作用，连续施药的方式还有利于玉米双穗率的提高。并且，由图3、图4、图5还可以看出，随着滴灌带长度的减小，三种施药方式之间的差异也在逐渐减小。说明滴灌带长度确实对施药或施肥的均匀性有影响。滴灌带长度越短，除草剂或肥液随水施用越均匀，作物对其利用率也就越高，作物产量越好。

图3 不同处理之间双穗率对比图

图4 不同处理之间百粒重对比图

图5 不同处理之间产量对比图

2.2 滴灌带随水施用除草剂对农药残留量的影响

2.2.1 滴灌带长度对各土层农药残留量的影响

图6为不同长度滴灌带不同土层深度乙草胺含量图，整体规律来看，不同处理下，乙草胺在土壤中的残余量都随着土层深度的增加先增大后减小。图中可以看出，不同滴灌带长度及不同施药方式处理下，乙草胺均在0～20 cm深度土层残留最多，这是由于乙草胺是以随水施用的方式滴入土壤表面的，其主要随着水流浸润在土壤中移动。随着土层深度的逐渐增加，随水进入土层的乙草胺含量也逐渐减少，最后基本达到100 ng/kg。

图6 不同长度滴灌带不同土层深度乙草胺残留量

而在0～10 cm深度土层乙草胺含量几乎为零则是由乙草胺的降解方式导致的。乙草胺在土壤中的降解方式主要由光作用降解[15]和微生物降解[16-20]两种，且影响降解速率的因素也有很多，其中最主要的就是土壤微生物[21-26]。试验中，在0～10 cm土层的乙草胺主要通过光解和微生物降解，并且由于土壤表层直接与空气接触，日照充足，水分也比较充足，由此加快了微生物对乙草胺的降解速率，使得乙草胺在0～10 cm土层的残留量几乎没有。而10 cm～20 cm土层由于接触不到阳光，乙草胺主要是依赖微生物降解，且无法接收到充足的空气和水分，导致微生物对乙草胺的降解速率减慢，加之灌溉水携带除草剂由0～10 cm土层向下浸润，部分除草剂会进入10 cm～20 cm土层，导致20 cm处成为乙草胺在土壤中残余量的峰值位置。

2.2.2 除草剂累计残留分析

通常情况下认为乙草胺残余量不大于原始乙草胺含量的10%，即可认为乙草胺已经降解完全[27]。石羊河试验站土壤属沙化土壤，土壤中微生物较少。由于除表层土壤外，土壤中乙草胺的降解主要依赖微生物降解，且试验土壤持水量小于60%，据此估算试验乙草胺的半衰期大于7.9 d[25,28]，从而得出降解90%乙草胺所需时间应大于26.24 d。本试验取土时间为施药30 d后，使用液相色谱仪测定乙草胺残余量不大于原始乙草胺含量的10%即可认为乙草胺已降解完全，不会污染土壤环境。由于试验过程中的施药量严格控制在3.45 mg/kg，计算出残留率见表4，可得出不施药、连续施药、周期施药三种施药方式的残留率均远远低于90%，与土壤乙草胺半衰期计算方法得出结果相同，表明施药30 d后乙草胺对环境影响就下降到最低。另外，从数据结果来看，三种施药方式残留量相比施药量可忽略不计，可以认为完全降解。

表4 滴灌带农药累计残留分析

3 结 论

(1) 随水施用除草剂处理之后，三种施药方式(无药、周期、连续)的叶面积指数具有明显的差异，整体呈现先增大后略有减小的趋势。另外，各方式下玉米叶面积指数峰值出现的时间均出现不同程度的后延现象。这是由于除草剂的施用减少了田间的杂草，使得玉米可以获取更多的养分以供给籽粒，也间接证明除草剂对作物生长起到了一定的促进效果。

(2) 连续施药处理方式下玉米叶面积指数比其他两种施药方式大，其增加量也最大，说明连续施药处理对清除田间杂草，延缓玉米叶片衰老有效。且连续施药方式下，滴灌带首中尾部玉米叶面积指数极差最小，说明连续施药除草的均匀性也更好。加之连续施药后，各滴灌带长度下，玉米产量及双穗率均有明显提升，故可认为连续施药是较为合适的水药一体化施药方式。

(3) 相同施药方式下，不同长度滴灌带各土层除草剂残留相差不大，而玉米的叶面积指数、产量以及滴灌带除草剂残留均有差异。随着滴灌带长度的减小，三种施药方式之间的差异也在逐渐减小，说明滴灌带长度确实对施药或施肥的均匀性有影响。滴灌带长度越短，除草剂或肥液随水施用越均匀，玉米叶面积指数越大，作物对其利用率也就越高，作物产量越好。综合来说，滴灌带长度为20 m时，玉米产量最大、双穗率较高、叶面积指数较大、并且除草剂残留相对较少，因此，可认为20 m长为滴灌带较适宜的长度。