地下滴灌量与滴灌带间距对夏玉米生长发育的影响*

要家威, 齐永青, 李怀辉, 沈彦俊**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室石家庄 050022; 2.中国科学院大学 北京 100049; 3.甘肃农业大学水利水电工程学院 兰州 730070)

作为我国重要的粮食主产区之一, 华北平原水土资源高度不匹配, 耕地数量占全国的16.96%, 水资源量仅占全国的2.25%, 灌溉用水量占全国的10.74%[1]。冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)一年两熟制是本区域主要种植制度, 其年均耗水量高, 作物耗水需通过农业灌溉进行补给, 但该区域常规灌溉方式为地面灌溉, 水资源利用效率低下,致使地下水位快速下降, 水资源紧缺状况日益严峻[2-3]。华北平原玉米季降水集中, 但仅通过不稳定降水供给玉米生长易导致减产, 仍需对玉米进行灌溉, 而地面灌溉补给方式易与降水补给重叠, 导致水分无效利用, 因此少量多次的灌溉方式更适用于玉米种植。在此背景下使用高效灌溉技术替代地面灌溉方式,提高灌溉水利用效率, 已成为确保我国粮食、水资源安全和社会稳定的必然要求[4]。

地下滴灌技术是现阶段节水效率最高的灌溉方式之一, 在国内外得到了广泛应用[5]。相关研究表明,地面灌溉、喷灌、地表滴灌和地下滴灌等多种灌溉方式[6-9]对作物生长发育及耗水特征的影响显著, 地下滴灌技术可有效降低灌溉量, 提高作物产量与水分利用效率, 其用水效率比传统农业灌溉方式提高了近30%。地下滴灌技术灌水完成后地表土壤含水量较低, 可以有效减少土壤蒸发量与深层渗漏量[10],将灌溉水留存于植物根区[11]。Valentin等[12]指出玉米地下滴灌的蒸散量相对地表滴灌降低39%, 灌溉水生产力提高25%, 土壤蒸发量在整个生育期内减少约40 mm。近年来, 诸多学者对不同作物的合理灌溉制度[13-14]、滴灌带布设方式[15-17]等关键技术参数进行了大量研究讨论。研究表明合理的灌溉制度在可以实现维持作物高产的同时达到节水目的[18], 适宜的滴灌带布设方式可以减少地下滴灌的成本[19-20]。廉喜旺[15]认为滴灌带间距80 cm、埋深30 cm、灌溉定额375 mm的设计方案苜蓿(Medicago sativa)产量和水分利用效率最高, 同时指出滴灌带埋深对产量的影响大于布设间距。

目前, 地下滴灌技术可在作物产量不显著降低的前提下, 有效减少灌溉量, 该结论仍需通过田间试验对华北典型农田区进行验证。且地下滴灌节水研究大多仅停留在蒸散量层面, 对土壤蒸发进行定量监测及分析的研究鲜有报道。基于此, 本研究采用不同灌溉定额和滴灌带间距的田间组合试验, 研究了地下滴灌对华北典型农田夏玉米生长发育、蒸散量、土壤蒸发以及土壤水分变化的影响, 旨在查明地下滴灌对田间尺度水平衡的影响特征, 并为地下滴灌技术在华北平原的生产应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2020年6月至10月在中国科学院栾城农业生态 系统试验站(37°50N, 114°40E)进行。该地属暖温带半湿润半干旱季风气候, 多年平均降水量约470 mm, 玉米季多年平均降水量约为340 mm。土壤质地以壤土为主, 全氮含量0.7～0.8 g∙kg−1, 碱解氮60～80 mg∙kg−1, 速效磷15～20 mg∙kg−1, 速效钾150～170 mg∙kg−1。土壤平均容重1.45 g∙cm−3, 饱和体积含水量为44%, 田间体积持水量为34%, 凋萎体积含水量为12%。

试验期内降雨量、水面蒸发量、日均温度与日均相对湿度均呈波动状态(图1)。其中, 日降水大于5 mm的有效降水量共298.5 mm, 8月5−6日降雨量共计85.8 mm。试验期当年降雨量接近多年平均降雨量。玉米播种后临近几日内日均温较高, 相对湿度较低, 日水面蒸发量大于10 mm。

图1 试验地试验期内降雨量、水面蒸发量、平均温度与平均相对湿度Fig.1 Rainfall, water evaporation, average temperature and average relative humidity during the test period in the experiment site

1.2 试验设计

试验设计地下滴灌(SSDI)灌溉量与滴灌带间距2个变量。灌溉量2个处理, 分别为62 mm (W1)和35 mm (W2); 滴灌带间距3个处理, 分别为60 cm (D1)、80 cm (D2)与100 cm (D3); 同时设置灌溉量为80 mm的地面灌溉(FI)作为对照。试验采用随机区组设计,每个处理3组重复, 试验方案如表1所示。试验小区长15 m, 宽10 m, 小区间设80 cm保护行, 各小区配备独立管道及水表, 以确保各小区单独灌水和施肥。采用以色列Metzerplas公司生产的压力补偿式滴灌管, 滴头间距40 cm, 统一埋深25 cm, 滴头流速2 L∙h−1。地下滴灌处理播种后使用自走式喷灌机于6月22日进行出苗水灌溉, 灌溉量为15 mm。当W1处理0～100 cm土层的土壤体积含水量降低至田间持水量的60%时进行灌溉, 所有处理同时灌溉, 以保证灌溉频率相同。单次灌水定额通过湿润比、计划湿润深度等因素确定, 其中拔节期计划湿润深度为40 cm, 抽雄期为60 cm, 灌浆期为80 cm。该试验地前一季种植作物为冬小麦, 灌溉制度和试验设计与本试验完全相同。

表1 试验处理设计方案Table 1 Design scheme of test treatments

玉米供试品种为‘郑单958’, 2020年6月20日贴茬播种, 行间距60 cm, 株间距25 cm。2020年9月29日收获。玉米底肥随播种施入, 底肥施N量为156 kg∙hm−2, 施P量为29 kg∙hm−2, 施K量为58 kg∙hm−2;于7月27日随水追肥, 施N量共为40 kg∙hm−2。地面灌溉处理的施肥量与地下滴灌处理的施肥量相同。田间管理水平保持一致。

1.3 测定项目与方法

气象数据来自中国科学院栾城农业生态系统试验站自动气象站, 包括试验期内日降雨量、日均温、相对空气湿度等。

土壤含水量采用便携式土壤水分廓线仪(Diviner 2000)观测, 在6月20日玉米播种前开始, 每间隔7 d观测1次0～100 cm土层的土壤体积含水量,灌水前后1 d及降雨后各加测土壤含水量1次。每个小区随机设定3个样点。

棵间土壤蒸发采用微型蒸渗仪(Micro-lysimeter)观测, 桶体高度15 cm, 内径10 cm, 壁厚5 mm, PVC材质, 桶外使用内径为12 cm的PVC管固定。每日傍晚18:00开始称重, 两天之间重量差值为当日土壤蒸发量, 每次降雨后更换土壤。每个小区随机设定3个样点。作物蒸腾量为蒸散量与土壤蒸发的差值。

农田耗水(ET)根据水量平衡公式计算:

式中: ET为作物实际耗水量(mm),E为土壤蒸发量(mm),T为作物蒸腾量(mm),P为降雨量(mm),I为灌水量(mm),R为地表径流量(mm),D为深层渗漏量(mm), ΔS为生育期内土壤水分消耗量(mm)。试验期内无地表径流产生,R忽略不计; 本试验深层渗漏量通过降雨入渗系数计算[21]。

夏玉米各生育期的株高、叶面积指数(LAI)通过在各小区内选择长势、大小相同的3株进行定株观测, 株高、完全展开叶片的绿叶长度与最大宽度使用精度为1 mm的直尺测量, 叶面积指数使用单株叶面积(叶面积=叶长×叶宽×0.75)与群体密度计算。玉米各生育期地上干物质量测定采用小区随机取样,每次3株, 切割分开后, 在鼓风干燥箱内110 ℃杀青30 min, 然后75 ℃烘干至恒重。穗数、穗粒数、百粒重等产量要素指标通过常规考株、考种获得, 产量为各小区实收结果。采用Logistic方程模拟夏玉米干物质积累量变化[22]:

式中:y为夏玉米干物质积累量(g),T为夏玉米播种后天数(d),K为理论最大干物质积累量(g),a,b为待定系数。夏玉米干物质积累量特征值分别为干物质最大相对生长速率(Vm=−bk/4)、最快生长阶段开始时间[T1=(a−1.317)/b]、最快生长阶段结束时间[T2=(a+1.317)/b]、最大相对生长速率出现时间(Tm=−a/b)。

水分利用效率(WUE)、灌溉水利用效率(IWUE)与收获指数[23](HI)计算公式:

式中:Y为经济产量(kg∙hm−2), ET为蒸散量(mm),I为灌水量(mm)。

1.4 数据处理与分析方法

基于Excel 2013处理数据并绘制图表, 采用SPSS软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理的土壤含水量变化过程

图2所示为玉米整个生育期内0～100 cm土层土壤体积含水量随时间变化过程, 不同处理的0～20 cm土层土壤体积含水量主要受降雨、灌溉与土壤蒸发影响, 随时间呈波动变化。地下滴灌处理波动明显,W2各处理表层20 cm以上土层土壤体积含水量变化较大, 而W1各处理含水量波动变化的位置仅位于土壤表层15 cm以上, 相对于W2处理较浅。20～60 cm土层是地下滴灌处理灌溉水主要存留位置, 该层土壤含水量主要受灌溉及作物根系吸水影响, 土壤含水量波动与灌溉周期同步。W1处理的灌溉水主要停留于根区20～60 cm土层, W2各处理灌溉水主要停留在20～40 cm土层。W2各处理40～60 cm土壤含水量增加量相对W1处理较小。W2各处理灌溉量较低, 因此根区土壤含水量也较低, 在8月5日强降雨补给后仍未达到田间持水量, 在生育后期3组处理土壤含水量均下降至20%以下。地下滴灌各处理60～100 cm土层土壤含水量在无大雨影响下, 仅被作物根系吸收消耗。W1D3处理滴灌带间距较大, 在整个剖面的平均体积含水量相对W1D1与W1D2处理较小, 但3种处理之间土壤含水量变化趋势基本相同,而W2各处理因灌溉量较小, 各间距处理之间无明显差异。FI处理经灌溉后, 整个剖面的土壤含水量增至田间持水量, 生育前期表层土壤含水量在降雨影响下长时间处于20%以上, 生育后期无降雨补给, 土壤含水量下降较快。

图2 玉米生育期内不同处理0～100 cm土壤体积含水量随时间变化过程Fig.2 Variation process of 0‒100 cm soil volumetric water contents with different treatments during the growth period of maize

2.2 不同处理对蒸散量及土壤蒸发量的影响

图3所示为生育期内不同处理的日土壤蒸发量与日蒸散量变化。夏玉米进入拔节期(7月9日)之前FI处理最高日土壤蒸发量为5.38 mm, 蒸发总量为44 mm, 显著高于地下滴灌所有处理17 mm的平均蒸发总量。玉米拔节期后, 所有处理的日土壤蒸发量与日蒸散量变化趋势基本相同, 随夏玉米生长发育至完全覆盖地表, 日棵间蒸发量逐渐减小, 日蒸散量在生育后期保持相对稳定。降雨后日土壤蒸发与日蒸散均有明显上升, 两者与土壤含水量有密切关系。W1与W2各处理出苗水灌溉量相同, 生育前期表层土壤含水量基本一致, 因而各处理间土壤蒸发量差异不明显。W1与W2各处理灌溉定额不同,导致后者生育前中期日蒸散量低于前者。

图3 不同处理下夏玉米生育期内日土壤蒸发量和日蒸散量Fig.3 Daily evaporation and evapotranspiration during the growth period of summer corn under different treatments

表2所示为不同处理下夏玉米蒸散量、土壤蒸发、作物蒸腾与土壤蒸发占蒸散量比值(E/ET)。W1、W2与FI处理之间蒸散量差异达显著水平(P<0.05),FI处理ET值最大, 为324.22 mm。W1与W2处理较FI处理分别降低8.1%与15.9%。FI处理与地下滴灌处理之间棵间蒸发量的差异同样达显著水平(P<0.05); 与FI处理相比, 地下滴灌处理的土壤蒸发量降低30%。相对于W2处理, W1处理土壤蒸发略有增加, 但差异并不显著。地下滴灌处理可显著降低E/ET值, 由FI处理的0.34降低至0.27。

表2 不同处理下夏玉米蒸散量、土壤蒸发量与作物蒸腾量Table 2 Summer corn evapotranspiration, evaporation and transpiration under different treatments

2.3 不同处理对玉米生物量的影响

夏玉米株高总体变化趋势相同, 拔节期与大喇叭口期生长最迅速, 直至吐丝期株高基本定型(图4)。抽雄期以前地下滴灌各处理间差异不显著(表3), 与地下滴灌处理相比, FI处理生长较快, 拔节期增加了约30 cm, 大喇叭口期增加了约50 cm。吐丝期W1各处理与FI处理达到相同植株高度, 比W2各处理显著提高了10 cm (P<0.05)。

表3 不同处理下夏玉米不同生育期株高、叶面积指数和干物质量显著性分析表Table 3 Significance analysis of plant height, leaf area index and dry matter quality of summer maize at different growth stages under different treatments

夏玉米叶面积指数总体变化趋势相同, 拔节期开始快速增长, 至抽雄期达最大, 随后缓慢下降, 到成熟期降到最低(图4)。不同生育时期内各处理差异较大, 苗期、拔节期及大喇叭口期地下滴灌各处理间LAI差异不显著, 大喇叭口期FI处理相对于地下滴灌处理显著提高33% (P<0.05)。在生育中后期,W1处理与W2处理出现显著差异(P<0.05), 叶面积指数随灌溉量的增加而增大, 表现为FI>W1>W2。吐丝期各处理间LAI差异最为显著, W1处理比W2处理提高7%, FI处理的LAI比最小值W2处理提高16.3%(P<0.05)。

玉米地上干物质量随生长时间增加而增加(图4),抽雄期、吐丝期及灌浆期的各处理之间差异显著(P<0.05)。灌浆期W1各处理平均干物质量比W2处理提高21%, FI处理比W2处理提高40%。成熟期干物质量依次为FI>W1>W2。基于Logistic方程拟合分析夏玉米单株干物质积累量的特征值, 地下滴灌各处理的最大相对生长速率基本相同, FI处理比地下滴灌处理均值提高14% (表4)。W1各处理与FI处理的最快生长阶段基本相同, W2各处理最快生长开始时间延后7～8 d, 最大生长速率出现时间延后10 d, 结束时间延后15 d左右。W2各处理生长发育时期延后主要原因为灌溉量较低, 产生了水分胁迫, 对夏玉米生育进程造成影响, 而两次大雨补给使夏玉米后期恢复了正常生长。

表4 不同处理下夏玉米干物质积累的Logistic模拟特征值Table 4 Logistic simulation eigenvalues value of dry matter accumulation of summer maize under different treatments

图4 不同处理下夏玉米不同生育期株高、叶面积指数和干物质量Fig.4 Plant height, leaf area index and dry matter quality of summer corn at different growth stages under different treatments

2.4 不同处理对玉米产量及水分利用效率的影响

不同处理的玉米产量、水分利用效率及产量构成要素如表5所示。各处理间穗行数无显著差异。灌溉量对玉米行粒数影响显著(P<0.05), W1D1处理行粒数最高, W1处理显著大于W2处理(提高8.2%)。地下滴灌处理与FI处理百粒重差异显著(P<0.05),FI处理百粒重最高, 相对W1和W2处理显著提高16.6%和20.8%, 地下滴灌各处理间无显著性差异。产量随灌溉量的降低而降低, FI处理产量最高, 大小关系表现为FI>W1>W2; 与FI处理相比, W1各处理产量无显著下降, W2各处理平均产量显著降低15% (P<0.05)。各滴灌带间距处理间产量无显著差异。各处理间水分利用效率差异未达显著水平, W2D3处理的水分利用效率最高, 为3.08 kg∙m−3, FI处理最低, 为2.97 kg∙m−3。显著性分析表明灌溉量对灌溉水利用效率影响显著(P<0.05), 减少灌溉量可显著提高灌溉水利用效率,W2D3处理的灌溉水利用效率最高, 为23.77 kg∙m−3,FI处理最低, 为12.05 kg∙m−3, W1和W2各处理平均分别比FI处理显著提高20%和93%。地下滴灌处理可有效提高夏玉米收获指数, 大小关系依次为W1>W2>FI, W1D1处理的收获指数最大, 为0.531, W1处理比FI处理提高10.7%, 差异具有统计学意义。

表5 不同处理下夏玉米产量及水分利用效率Table 5 Summer maize yield and water use efficiency under different treatments

3 讨论

研究地下滴灌技术中灌溉量、滴灌带间距布设与夏玉米生长发育及耗水特征的响应关系, 对缓解华北典型农田区地下水超采问题具有重要的科学意义。本试验中地下滴灌出水口埋设在地下25 cm处,能够将灌溉水直接输送至作物根区。W1各处理的土壤湿润体主要位于地下20～60 cm, 土壤水分再分布过程中受重力势影响, 向下运移距离远大于向上运移距离, 湿润体呈现“上小下大”的形态, 与康银红等[24]研究结果一致。滴头流速相同的情况下, 灌溉量越大、灌溉时间越长、湿润锋运移距离越大, 相较于W2处理, W1处理相对湿润体大小增加20 cm,土壤体积含水量增加量相应提高[25-26]。试验中特殊的水分分布特征表明, 地下滴灌有效降低了土壤表层的土壤含水量, 形成10 cm左右的干土层, 为减少土壤蒸发量提供了必要条件, 这是地下滴灌技术在节水农业中的一大优势[27]。

目前地下滴灌研究中, 土壤蒸发及作物蒸腾量多通过软件计算所得[28], 而本研究通过微型蒸渗仪的手段对土壤蒸发进行了定量实测, 发现地下滴灌处理棵间土壤蒸发量显著低于FI处理, 降低了30%, 可能是由于玉米生育前期土壤处于无叶片覆盖的裸露状态, 田间蒸散以棵间蒸发为主, 且FI处理的灌溉量较大, 地表土壤含水量较高, 相对地下滴灌处理可供土壤蒸发使用的水分更多, 从而导致了非生产性耗水增加[29]。本研究表明灌溉量对蒸散量的影响达显著水平, 而地下滴灌不同定额灌溉量下土壤蒸发量差异不显著, 蒸散量间差异主要由作物蒸腾量的不同导致, 低灌溉量使玉米产量出现显著降低, 同时作物生长发育指标均有不同程度的衰减, 结果与目前大多数研究相同[30]。

FI处理苗期灌溉量相对地下滴灌处理高, 致使株高与叶面积指数在生育前期增加更快, 有利于提高作物产量。玉米各生育期内株高、叶面积指数与干物质积累量随灌溉量的增加而增加[31], 苗期不同的土壤含水量和全生育期内不同的灌溉总量导致了各处理间生长发育指标的差异。相对于地面灌溉方式,地下滴灌可在作物产量相同的前提下减少灌溉量,从而提高灌溉水利用效率[8-9]。现阶段研究多以提高生物产量[32]或作物品种遗传潜力[33]的方式提高作物收获指数, 而本研究发现地下滴灌处理收获指数相较于FI处理显著提高10%, 表明地下滴灌技术同样可以有效促进生物产量向经济产量转化。

同一灌溉定额下, 60 cm、80 cm和100 cm的滴灌带间距处理的蒸散量、生长发育指标与产量均无显著差异。这可能因为农田水分输入项主要由降雨和灌溉两部分构成, 而华北平原季节性降雨集中, 本研究中玉米关键生育期受强降雨影响, 掩盖了不同间距下的灌溉处理引起的水分分布空间差异, 使各处理的土壤水分分布更为均匀, 各项数据无显著差异。现阶段多数研究结果也表明, 相对于滴灌带布设间距, 灌溉量与气候条件对作物生长发育与产量的影响更大[34]。滴灌带布设参数对地下滴灌技术的应用成本及工程量影响较大, 滴灌带间距的增加可以减少成本与施工量[19-20,35]。本研究中, 在考虑布设成本与施工量的前提下, 100 cm间距处理优于60 cm和80 cm处理。而在该区域滴灌带间距布设方案研究中, 应针对冬小麦-夏玉米轮作制度进行考量, 通过更多的田间试验探究宽间距对密植作物冬小麦的产量及生长发育指标是否有显著影响。

4 结论

1)地下滴灌水分直接灌入作物根区, 主要停留在20～60 cm土层, 灌溉量越高, 湿润范围越大, 土壤含水量也越大。相对地面灌溉处理, 地下滴灌有效降低地表0～20 cm和60～100 cm的土壤含水量。

2)玉米株高、叶面积指数与干物质积累量随灌溉量的增加而增加。地面灌溉处理玉米株高增长速率较快, 作物最大干物质量积累速率提高。地下低灌溉量滴灌(35 mm)对玉米造成水分胁迫, 其生育期相对地表灌溉滞后。

3)与地面灌溉方式相比, 地下滴灌能显著降低蒸散量与土壤蒸发量, 土壤蒸发降低30%,E/ET值从0.34降低到0.27。地下滴灌可在减少22%灌溉量的条件下保证作物产量无明显下降, 其中, 蒸散量降低8%, 灌溉水利用效率提高20%, 收获指数提高10%。

4) 60 cm、80 cm及100 cm 3种滴灌带间距对玉米生长发育及耗水特征无显著影响, 同一灌溉量下土壤含水量变化趋势差异不明显, 但较大的滴灌带间距可减少地下滴灌系统成本。