基于正交试验的玉米最优产量渗灌技术组合分析

杨庭瑞，赵经华，杨 磊，彭艳平，周和平

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，乌鲁木齐 830000；3.新疆水利管理总站,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】新疆地处我国西北边陲，水资源极为短缺[1-3]。新疆降水少，蒸发大，属于依靠灌溉的荒漠绿洲农业[4]。膜下滴灌长期使用地膜残留率达到20%以上[5,6]。渗灌是将作物用水直接输入田间埋于地下的灌水毛管，借助毛细管作用浸润土壤的灌水措施[7,8]。渗灌水分运移方式与其他灌水方式有明显的不同[9]。渗灌灌水土壤表层水分少，深层土壤贮水多，形成土壤水资源储存、调蓄的空间[10,11]。【前人研究进展】研究发现[12-14]，若表层土壤干旱而中下部土壤水分适宜，可以促进作物的根系吸收下部土壤的水分，从而提高水分利用效率。Mishra H.S等[15]研究认为，在土壤表层湿润环境中，根系主要集中在浅层，并且集中在水平发展；在土壤表层干旱处理中，由于水分的亏缺，根系主要集中在深层，并且集中在垂直发展。刘洪光等[16,17]研究表明，渗灌可以减少地表水分蒸发，耕作层以下土壤水分与作物的根系生长相互作用有利于节水增产。【本研究切入点】土壤深层水分的利用与根系的生长发育状况密切相关，目前国内对膜下滴灌的作物耗水规律和机理等已有研究，但关于渗灌作物这方面研究较少，也缺乏渗灌作物根系生长分布及深层土壤水分的利用研究，渗灌还需进行更多深入且细致的研究。研究不同作物渗灌土壤水分状况与产量效应。【拟解决的关键问题】采用正交试验设计，以渗灌玉米产量为敏感性分析指标，研究玉米渗灌多因素组合下土壤水分分布以及渗灌玉米产量效应，分析玉米渗灌与膜下滴灌土壤水分分布差异及渗灌玉米适宜的农业技术措施和灌溉制度，为渗灌应用于玉米大田种植提供技术与管理理论指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于新疆昌吉州昌吉市滨湖镇13户村的新疆灌溉中心试验站(44°01'N，87°18'E，海拔600 m)进行，为天山北坡、洪积平原地带，气候类型属于典型内陆干旱性气候，昼夜温差较大，日照时数约为7.8 h，年均气温约13.1℃。该区降水量少，年降水量约为181.7 mm；蒸发强烈，年蒸发量可达1 730 mm以上。地下水位在3 m以下。该区土壤为中壤土的棕漠土，0～100 cm土层土壤干容重1.38～1.54 g/cm3，耕作层平均土壤干容重1.46 g/cm3，0～100 cm土层田间持水量为18%～24%，耕作层田间持水量为20%～23%。表1

表1 2019年试验站气象因素Table 1 Basic meteorological data of the test station in 2019

2019年供试玉米品种为华西146，采用甘肃省大禹节水灌溉公司生产的地埋内镶式滴灌带，滴灌带间距0.7 m，滴头间距30 cm，滴头流量2.8 L/h，管道埋深20～30 cm。对照CK采用迷宫式出流滴灌带，毛管间距1 m，相比渗灌略长，滴头间距20 cm，相比渗灌间距略短。对照CK滴头流量2.8 L/h，各田间灌溉工作压力150 kPa。玉米株距25 cm，行距35 cm，渗灌与对照CK种植密度相同。玉米的栽培、管理措施均按试区当地大田作物生产管理。在虫害多发时期喷药防除病虫害。

1.2 方 法

1.2.1 多因素正交试验

影响玉米生长发育的因素主要包括：灌水方式、灌溉制度、种植方式、肥料施用、病虫害防治、田间管理、气候环境等[18-23]。选取渗灌埋深、播种深度、灌水频次、灌水定额4个因素，设膜下滴灌CK对照，研究渗灌玉米土壤水分分布及产量状况。各因素各取3个水平试验，选取L9(34)正交试验因素水平。表2，表3

表2 正交试验因素水平Table 2 Orthogonal factor level table

表3 正交试验设计表L9(34)Table 3 Orthogonal experiment design L9(34)

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 试验区气象数据由自动气象站采集，试验各处理灌溉水量使用水表测量控制，采用烘干法与TRIME-IPH水分仪两者结合观测0～100 cm土层(每20 cm为一层)土壤含水率，观测后取均值。每个试验处理以灌水器为中心等距20 cm固定埋设2处土壤含水率TRIME管，灌水或降水前后加测土壤含水率。

1.2.2.2 产量测定在每个处理小区取15株玉米考种测量，主要测量每株穗数、每穗粒数、千粒重，分别数穗、脱粒、数粒，将籽粒烘干后称重，计算小区籽粒产量，根据小区面积折算为公顷产量。同时，对每个处理小区实打实收并与考种产量结果对比使用。

1.3 数据处理

正交试验采用直观分析法如下：

ki=Ki/s.

式中：Ki：任意列上水平号为i所对应的试验结果之和；

ki：为任意列上因素取水平i时所得试验结果的算术平均值；

s：为任意一列上各个水平出现的次数，本次试验取3。

R=max{k1，k2，k3}-min{k1，k2，k3}.

式中：R为极差。

若各试验因素对试验指标无影响，各因素下ki应该相等；相反，则该试验因素对试验指标有影响。用ki的数值大小判断各试验因素水平对试验指标的影响，R值的大小是判断试验因素对试验指标影响程度的依据。

2 结果与分析

2.1 各处理土壤水分变化

研究表明，渗灌各处理在各生育时期土壤含水率从耕作层向下至100 cm处都有一个逐渐增长的趋势，在生长中后期抽穗期～开花期之间中部土壤含水率变化较明显。膜下滴灌灌水器铺设在土壤表面，地膜的铺设为土壤增温保墒，耕作层土壤含水率较高，在20～60 cm土壤含水率降低，60～100 cm土壤含水率有所回升，且总体变化明显。渗灌各处理在耕作层20 cm处的土壤含水率均低于对照试验CK，膜下滴灌CK耕作层20 cm处土壤含水率同比渗灌总体平均土壤含水率高出了97.6%，差异显著。在40 cm处，各处理土壤含水率分布均匀，渗灌总体平均土壤含水率为11.73%，膜下滴灌CK为11.4%。在60～80 cm处，渗灌土壤含水率相比上层土壤含水率有所增加，渗灌总体平均土壤含水率维持在13.6%～15.7%，而处理7在多个生育时期内土壤深度80 cm处相比其他处理均为最高，其抽穗期土壤深度80 cm处土壤含水率达到了20.4%。在土壤深度100 cm处土壤含水率相比上层的土壤有明显升高，渗灌处理1达到了峰值28.2%，渗灌各处理土壤含水率总体平均为21.3%，膜下滴灌CK为21.6%，渗灌与膜下滴灌差异不显著。

耕作层土壤含水率渗灌低于膜下滴灌；在中部土壤渗灌高于膜下滴灌，在100 cm处渗灌与膜下滴灌表现相同。渗灌的土壤水分分布表现为上部耕作层少，中下层逐渐增多。膜下滴灌的土壤水分分布则是耕作层多，中层水分降低，下层增大。图1

2.2 玉米产量效应

研究表明，玉米产量随播种深度增加出现先降后增趋势，播种深度20 cm达到高产为9 848.62 kg/hm2；播种深度是渗灌玉米产量的重要影响因素，渗灌播种深度较膜下滴灌更深，但玉米产量却相对较高，随着渗灌埋深增大玉米产量也在增加，渗灌埋深30 cm时玉米产量达到9 659.50 kg/hm2；随着灌水频次的增多，玉米产量的变化趋势为抛物线形，在灌水频次7次时玉米产量达到峰值9 754.49 kg/hm2；对玉米产量的影响最小的是灌水定额，在600 m3/hm2时达到玉米高产为9 524.45 kg/hm2。渗灌总体各处理的平均产量为9 485.10 kg/hm2，比膜下滴灌CK产量8 416.78 kg/hm2，增产1 068.32 kg/hm2，涨幅为12.7%。渗灌灌溉定额2 700～6 000 m3/hm2，灌溉定额增大玉米产量也逐渐增大，但在灌溉定额6 000 m3/hm2时玉米产量为9 976.03 kg/hm2，灌溉定额4 200 m3/hm2时产量为9 905.56 kg/hm2，两者灌溉水量差距较大，产量增幅却较小，在产量接近的情况下，灌溉定额4 200 m3/hm2更加节能增效，与膜下滴灌CK相比，单位面积节水300 m3/hm2，提高产量1 488.78 kg/hm2，涨幅为17.7%；4 200 m3/hm2渗灌定额方案既可以减少灌水频次节约水量，也可以增产增效。

(a)4月15日出苗期 (b)5月2日分蘖期

对渗灌玉米产量影响最为显著的是播种深度，其次为灌水频次，之后为渗灌埋深，影响最小的是灌水定额。影响玉米产量的最优组合为A3B3C2D2。图2,表4，表5

图2 因素-指标关系曲线Fig.2 The curve of the relationship between the results and influencing factors

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal test results

表5 正交试验指标Table 5 The index analysis of orthogonal test result(kg/hm2)

3 讨 论

地膜覆盖强度多年呈增长趋势[24]。地膜使用量大，但回收率低，地膜残留在土壤中会不同程度的影响土壤理化性质、土壤结构、土壤水分运移、植物根系生长、作物吸收水分及作物生长发育[25-27]。渗灌的使用不需要铺设地膜[28,29]。在研究中玉米播种深度作为重要影响因素，播种的深度影响着作物出苗及前期的生长。研究设置为10、15、20 cm 3个深播水平，且远大于膜下滴灌下的5 cm播种深度，通过试验发现渗灌各处理平均出苗率达到94%，膜下滴灌出苗率达到97%，渗灌各处理平均产量达到9 485.10 kg/hm2，相比膜下滴灌增产12.7%。渗灌条件下深播玉米出苗率有所降低，对最终产量的影响不明显，但仍需继续深入研究渗灌玉米适宜的播深及优化灌水技术组合参数。

4 结 论

4.1渗灌与膜下滴灌水分运移方式不同，渗灌土壤耕作层含水率较膜下滴灌更低，中部土壤含水率比膜下滴灌高，渗灌与膜下滴灌在深层土壤含水率的表现状况相近，渗灌的水分分布为耕作层较低，中层渐增，而膜下滴灌水分在耕作层与土壤中层分布正好与之相反；深层土壤水分分布两者相近。渗灌灌水有利于土壤深层储水，减少土壤表层蒸发，有良好的水分深储、土壤保墒性能。

4.2对渗灌玉米产量影响的试验因素主次顺序为播种深度>灌水次数>渗灌埋深>灌水定额；最优因素水平组合为播种深度20 cm，渗灌埋深30 cm，灌水定额600 m3/hm2，灌水频次7次。生产方案为播种深度10 cm，渗灌埋深25 cm，灌水定额600 m3/hm2，灌水7次，灌溉定额4 200 m3/hm2，产量9 905.56 kg/hm2。