引黄滴灌条件下水氮互作对玉米耗水特性及产量的影响

曹雪松，郑和祥，苗 平，牛 海，孙晨云

引黄滴灌条件下水氮互作对玉米耗水特性及产量的影响

曹雪松1，郑和祥1，苗 平2，牛 海3，孙晨云4

（1.中国水利水电科学研究院 牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020；2.鄂尔多斯市河湖保护中心，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.鄂尔多斯市水利事业发展中心，内蒙古 鄂尔多斯 017000；4.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

【】为鄂尔多斯杭锦旗黄河南岸灌区引黄滴灌玉米提出合理的水肥调控方案。采用田间试验，设3个引黄滴灌灌水定额（225、300 m3/hm2和375 m3/hm2），每种灌溉定额下均设2个施氮量（207、276 kg/hm2），研究了引黄滴灌条件下不同水肥处理对玉米耗水量、耗水强度、水分生产率和玉米产量的影响。引黄滴灌条件下水氮互作表现出显著的正交互作用。耗水量与耗水强度随灌水定额的增加呈递增趋势，耗水量与耗水强度的峰值均出现在玉米的抽雄期—灌浆期。在一定的水分条件下，增加施肥量对玉米耗水特性的影响不显著；在同一灌水定额下，增加施肥量不能显著提高作物千粒质量、籽粒产量和水分生产率，当施肥量超过一定数量时，继续施肥对产量和水分生产率反而产生负影响。当灌水量为4 206.84～4 890.36 m3/hm2、施肥量为977.13～1 122.87 kg/hm2时，引黄滴灌玉米有95%的概率可获得大于8 765.55 kg/hm2的籽粒产量。综合节水、高产和高效等生产因素，建议鄂尔多斯黄河南岸灌区引黄滴灌玉米灌水定额300 m3/hm2左右，灌水12～14次，施尿素（含氮量为46%）1 200 kg/hm2左右。

滴灌；玉米；耗水量；籽粒产量；水分生产率

0 引言

【研究意义】随着城市规模的不断扩大、经济总量的快速增长、城市人口的急剧膨胀以及气候变化，人们对水资源的需求呈指数级增长，已经远远超出了当前水资源的承受能力[1-2]。农业生产作为水资源用水大户，在粮食安全、潜在的气候变化和环境保护方面正承受着越来越大的压力[3]。农业用水资源开发困难，受气候、地理条件和资金等约束较大，短期内不可能解决大面积的农田灌溉难题，同时，农业用水面临着资源短缺和浪费严重的双重压力。因此，推行节水农业、增加农田灌溉用水路径与渠道，是我国农业可持续高质量发展和缓解水资源供需矛盾的重要举措。内蒙古自治区杭锦旗黄河南岸灌区始建于1963年，位于黄河右岸堤防与库布齐沙漠之间，总设计灌溉面积约为375.3 km2，是鄂尔多斯市最大的引黄灌溉灌区，在农业生产中具有重要作用。春玉米是该地区农牧民种植最受欢迎的粮食作物之一，常年采用引黄河水畦灌，不但严重浪费水资源，用水效率低，而且随着畦灌水的蒸发与入渗，将黄河水中的盐分留存于土壤表面。随着时间的推移，黄河南岸灌区土壤盐碱化程度逐渐加重，严重影响了灌区作物的生长，导致灌区农牧民收入减少。因此，有必要开展引黄滴灌研究，降低土壤盐碱化程度，提高水分利用效率，缓解水资源供需矛盾，使农业生产更加高效。【研究进展】滴灌作为现代高效节水灌溉技术的先进代表，不仅可以有效削减灌水的无效蒸发与肥料淋溶损失，而且对提高灌溉水与肥料的利用效率、改善作物品质以及提高作物产量均有显著的效果[4-5]。滴灌是引黄灌区发展高效节水灌溉最为有效和可靠的灌溉方式[6-7]。玉米滴灌与喷灌和常规沟灌相比产量无明显降低，在水分利用效率大幅提高的同时可节水35%～55%[8]。李菊等[9]对河西地区春玉米生长和水分利用进行了研究，结果表明同一滴灌频率下，充分灌溉（100%C）处理的株高、茎粗、叶面积指数和干物质累积量均显著高于亏缺灌溉处理，灌水量对春玉米产量、水分利用效率和灌溉水利用效率影响极显著，产量最高达到15 769 kg/hm2，比亏缺灌溉（60%C、80%C）分别提高29.68%和8.90%。勉有明等[10]开展了扬黄灌区土壤水分、温度、碳氮及玉米产量对施氮量的响应研究，结果表明秸秆还田配施氮肥对滴灌玉米各生育期0～25 cm土层土壤温度有明显的调控效应，可有效增加0～40 cm土层土壤有机碳和全氮量，调节土壤碳氮，显著提高玉米籽粒产量和水分生产率。【切入点】黄河水泥沙量较大，将黄河水通过扬水泵站泵到沉沙池中沉沙，再经过一、二级过滤系统过滤，将过滤后的黄河水通过滴灌的形式作用于鄂尔多斯黄河南岸灌区盐碱地玉米，采用引黄滴灌的模式，结合水肥一体化技术进行玉米农业生产。目前，滴灌技术已在水资源相对匮乏地区大面积推广应用，并取得了较好的节水效果[11]，引黄滴灌技术也已在内蒙古河套灌区开展了相关研究，主要是引黄滴灌水肥一体化工程设计、引黄灌区规模化发展滴灌投资与效益等，而针对鄂尔多斯黄河南岸灌区引黄滴灌对玉米耗水特性及产量的影响的研究未见报道。【拟解决的关键问题】在鄂尔多斯黄河南岸灌区开展引黄滴灌玉米田间试验，研究引黄滴灌对玉米耗水特性及产量的影响，分析引黄滴灌条件下不同水分处理对玉米耗水量、耗水强度、水分生产率、株高及产量的影响规律，以期为鄂尔多斯黄河南岸灌区引黄滴灌技术的推广应用提供科学依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯市杭锦旗，其位于鄂尔多斯高原西北部，东与鄂尔多斯市达拉特旗、东胜区相邻，西南与鄂尔多斯市乌审旗接壤，北部与巴彦淖尔市隔河相望，地理坐标为东经106°55´—109°16´，北纬39°22´—40°52´，东西长197.0 km，南北宽166.0 km，总土地面积1.89万km2，属中温带大陆性气候，多年平均风速3.0 m/s；多年平均气温5.6 ℃；平均相对湿度为49%，干燥度1.98；多年平均日照时间3 193 h；多年平均降水量与蒸发量分别为245、2 720 mm；平均无霜期155 d，土壤冻结深度可达1.54 m。试验区土壤为砂土，0～40 cm土层的田间持水率为22.86%，播种前耕作层（0～40 cm）土壤有机质量3.270 g/kg，全氮量0.243 g/kg，硝态氮量9.02 mg/kg，铵态氮量15.33 mg/kg，速效磷量4.90 mg/kg，速效钾量63.0 mg/kg。

1.2 试验材料及种植方法

供试材料：采用当地农民使用的制种玉米，根系发达，抗倒性强，耐旱、耐高温，活杆成熟，耐密植、适口性好。

种植方式：试验田采用不覆膜条播，一带控制2行玉米，宽窄行距分别为50、35 cm的偏心播种种植方式，大田试验种植方式布置图详见图1。试验田2条滴灌带间距为85 cm，试验田株距20 cm，种植密度11.76万株/hm2。滴灌带滴头间距0.3 m，滴头流量2.0 L/h，滴头工作压力0.1 MPa。

图1 大田试验种植方式布置图

1.3 试验设计

2020年5—9月在鄂尔多斯市杭锦旗巴拉贡镇朝凯村开展了田间试验。黄河水按水流方向依次经过引水渠、沉沙装置、水泵、施肥装置、过滤装置和田间滴灌系统进入土壤直接供作物吸收。试验设灌水定额、施肥量2个因子，试验布设6个试验处理，3个重复，共计18个试验小区，每个小区长60 m，宽6 m，相邻小区间设置2 m隔离带。肥料均采用当地农民常用的尿素（含氮量为46%）。播种时每个试验处理均施入等量的基肥（农家肥15 000 kg/hm2），追肥时按试验处理施入尿素，将尿素在施肥罐中充分溶解，然后通过水压差随滴灌灌水直接滴施到作物根区，各处理灌水与施肥时间、次数均相同。病虫草害、农机农艺配套措施均按照当地农户实施方式统一进行田间管理。灌水量采用旋翼式数字水表精确计量。各试验处理作物生育期灌溉、施肥实施方案详见表1。

1.4 观测指标与方法

气象要素：在试验区设立农田气象站，主要用于观测气温、降雨量、风速、相对湿度、气压、风向等。试验区全年降雨量210.1 mm，其中玉米生育期内有效降雨量169.2 mm，作物生育期内有效降雨量、总辐射和气温见图2。

表1 各试验处理作物生育期灌溉、施肥实施方案

注出苗期和抽雄期不施肥；灌水定额单位为m3/hm2，施肥量单位为kg/hm2。

图2 作物生育期内有效降雨量、总辐射和气温

作物生长发育指标：作物的株高和茎粗分别采用卷尺和游标卡尺测量，每个生育期测定1次，每次测量时随机选取各试验处理的3株制种玉米进行测量，取平均值作为测量结果；玉米收获时各试验区除边行后单打单收测产，并测定玉米千粒质量和籽粒产量等指标，最后按照国家收购标准将籽粒产量折合成籽粒含水率为14%的单位面积产量。

土壤含水率：各试验小区土壤含水率采用HH2型TDR土壤水分测定仪和智墒2种仪器测定，2种仪器测定结果相互校核后取均值代表所测土壤含水率。

灌水情况和地下水位：主要记录各试验处理的灌水日期、灌水定额和灌溉定额；地下水位采用HOBO地下水位自动检测仪（美国）测定试验区地下水水位变化，试验区地下水埋深为1.3～1.5 m。

1.5 玉米耗水量的计算与分析

玉米耗水量的计算采用水量平衡方程计算：

玉米各生育期土壤贮水变化量根据各试验处理的土壤含水率值计算，计算式为：

式中：θ为相应时段初始土壤含水率（%）；θ1为相应时段末土壤含水率（%）；为土壤体积质量（g/cm3）；为计划湿润层深度（mm）。

玉米下边界水分通量根据试验实测的土壤负压值进行各生育期土壤深层渗漏或补给量的计算。土壤计划湿润层下边界土壤水分的补给和渗漏采用定位通量法计算，测定仪器为负压计。定位通量法计算式为：

水分生产率为作物消耗单位水量的产出，其值等于作物产量与作物净耗水量之比值。作物水分生产率采用下式计算：

式中：水分生产率（kg/m3）；为作物产量（kg/hm2）；其他符号同上。

耗水强度为单位面积的植物群体在单位时间内的耗水量。作物耗水强度采用下式计算：

式中：为耗水强度（mm/d）；为作物生育阶段历时（d）；其他符号同上。

耗水模数指玉米各生育时期耗水占其全生育期耗水的比重。

1.6 数据分析

使用SPSS 19.0、SigmaPlot 14.0、Origin Pro 8.5和Excel 2019软件对数据进行整理、分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 引黄滴灌对玉米各生育阶段耗水特性的影响

玉米各生育时期耗水量、耗水强度和耗水模数等耗水特征值如表2所示。由表2可知，不同处理玉米各生育时期耗水量随灌水定额的增加呈递增趋势，耗水高峰时期出现在玉米的拔节期—抽雄期—灌浆期，而玉米出苗期和成熟期的耗水量相对较低；YM3、YM4、YM5、YM6处理玉米在各生育时期的耗水量均显著大于YM1、YM2处理的；从玉米全生育期的耗水量分析，YM1、YM2处理耗水量相差不大，约为300 mm，这是由于灌水定额较低的缘故；YM3、YM4、YM5、YM6处理耗水量相差不大，约为400 mm，当灌溉定额接近玉米的需水量的时候，随着灌水定额的增大，玉米耗水量不再增加，此时灌水定额已不再是约束玉米生长发育的首要因素。

由表2可知，不同处理条件下玉米的耗水强度呈先增大后减小的趋势，即随着灌水定额的增加，玉米的耗水强度随之增大，当灌水定额达到一定的数量之后，再增加灌水定额，玉米的耗水强度不再增大，反而会出现减小的趋势；不同处理条件下玉米耗水强度较大的时期出现在玉米的抽雄期—灌浆期，玉米在出苗期—拔节期和成熟期的耗水强度相对较低；YM4处理玉米在抽雄期的耗水强度最大，为4.75 mm/d，YM1处理玉米在出苗期的耗水强度最小，为1.35 mm/d；YM1、YM2处理玉米在不同生育时期的耗水强度均显著低于YM3、YM4、YM5、YM6处理的，这是由于YM1、YM2处理的灌水定额较低，不能达到玉米正常生长发育所需的灌水水平，外在表现为玉米生长缓慢，株高明显低于其他处理。

由表2可知，不同试验处理玉米的耗水模数峰值出现在抽雄期—灌浆期，最小值则出现在成熟期，同时，各处理玉米耗水模数在出苗期—拔节期和灌浆期差异不显著；不同试验处理玉米的耗水模数随着灌水定额的增加呈增加趋势，玉米在出苗期植株幼小且生长缓慢，地温和太阳辐射均较低，植株耗水量和耗水强度均处于较低水平，耗水模数也较低，约为10%；玉米在抽雄期—灌浆期植株生长旺盛，雄穗、雌穗迅速分化，植株叶面积指数达到峰值，植株开始开花授粉，同时灌浆也需要消耗部分水分，另外此阶段气温和太阳辐射均处于较高水平，土壤蒸发和植株蒸腾作用加剧，故此阶段玉米的耗水量和耗水强度较大，耗水模数为31.15%～34.19%；收获期气温和太阳辐射有所降低，此阶段植株各形态指标均处于衰退状态，耗水强度有所降低，但由于成熟期历时最短，因此阶段耗水量占整个生育期耗水量的比例较低，耗水模数最小，为5.12%～6.50%。

表2 不同试验处理作物各生育期耗水特性

注同列不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05），下同。为耗水量，为耗水强度，为耗水模系数。

2.2 引黄滴灌对玉米千粒质量、籽粒产量及水分生产率的影响

表3为不同试验处理玉米千粒质量、籽粒产量及水分生产率。由表3可知，引黄滴灌不同试验处理间玉米千粒质量、籽粒产量和水分生产率的差异均显著，且随着灌水定额的增加，玉米千粒质量、籽粒产量和水分生产率均呈先增大后减小的趋势。YM4处理玉米千粒质量、籽粒产量和水分生产率均最大，分别为326.6 g、11 326.58 kg/hm2和2.79 kg/m3，YM1处理玉米千粒质量、籽粒产量和水分生产率均最小，分别为246.44 g、5 072.79 kg/hm2和1.67 kg/m3，相比于YM1处理，YM4处理玉米千粒质量、籽粒产量和水分生产率分别增大32.54%、123.28%和67.32%。YM4处理玉米千粒质量、籽粒产量和水分生产率均显著大于其他处理。综合考虑千粒质量、籽粒产量和水分生产率等因素以及本着黄河流域生态保护和高质量发展的原则，建议当地引黄滴灌玉米按照YM4处理灌水、施肥水平进行农业生产。

表3 不同试验处理玉米千粒质量、籽粒产量及水分生产率

2.3 引黄滴灌玉米产量与灌水、施肥因素关系分析

灌水定额、施肥量和籽粒产量间的回归模拟分析曲线见图3，其回归方程为：

=-153 648.996 8+25.380 5+204.275 1-

0.002 7-0.002 42-0.090 82，2=0.9835，（7）

式中：为玉米籽粒产量（kg/hm2）；为灌水量（m3/hm2）；为施肥量（kg/hm2）。

图3 玉米籽粒产量与灌水、施肥量关系曲线

将引黄滴灌水、氮代码值在[0，1]内等分为7个等级（0.00、0.17、0.33、0.50、0.67、0.83、1.00），所有组合共49组。将相应的水、氮代码值输入回归模型，从玉米籽粒产量中选出本试验平均产量超过均产8 765.55 kg/hm2的35套方案，占所有方案的71.43%。不同灌水和施氮水平的频数统计分析表明，4 206.84～4 890.36 m3/hm2的灌水量和977.13～1 122.87 kg/hm2的施肥量有95%的概率可以获得大于8 765.55 kg/hm2的玉米籽粒产量。

3 讨论

作物的灌溉技术方式不同，其耗水特性及产量的响应亦不同。喷灌技术模式较普通地面灌溉水分生产效率可以提高到2.15倍[12]，通过增加施肥频次与施肥时间后移提高作物叶面积指数，延缓叶片衰老，增加作物的最大生长速率，进而增加作物产量[13]，还可以通过微喷补灌至作物的目标湿润土层，提高作物产量[14]。当滴灌灌溉定额减少20%时，交替地下滴灌可以提高春玉米水分利用效率和灌溉水利用效率，但产量较固定地下滴灌有所降低[15]；膜下滴灌技术适量的水、氮耦合可提升玉米的株高、叶面积和产量[16]。膜下滴灌材料的改善对提高作物水分效率也扮演重要的角色，有研究指出使用诱导期为50～70 d的氧化型生物可降解薄膜下滴灌可有效提高玉米的水分利用效率[17]。研究表明[14-15,18]，在水源是地下水的前提下，喷灌、交替地下滴灌、膜下滴灌均能一定程度提高作物的耗水特性与产量。本研究发现引黄滴灌不同灌水、施肥处理阶段耗水量与耗水强度的峰值均出现在抽雄期—灌浆期，水、氮单因素对玉米籽粒产量的影响大小次序为灌水＞施氮，灌水是影响玉米籽粒产量的主要因素，水氮互作对玉米产量有明显促进作用，这与前人[19-23]研究结果一致。浅埋滴灌水肥一体化通过水氮运移，使氮肥分布于作物根系周围，不会造成氮肥流失或局部亏缺，实现氮肥的精准供应，在时间和空间上与制种玉米水肥供需匹配更加合理，氮肥利用率更高，从而表现出在一定的水分条件下，施氮肥有利于提高作物耗水量、水分生产率及产量。

滴灌水、氮在适宜范围内耦合可表现出明显的正交互作用，从而促进作物的干物质积累，获得高产。张忠学等[24]、Zhang等[25]研究表明，适当地减少灌水量可在作物减产不显著的情况下提高作物水分利用效率。Rudnick等[26]研究表明，玉米在生殖生长期内耗水量对氮肥施用量的响应显著。本研究表明在一定的水分条件下，增加施肥量对玉米耗水特性的影响不显著。在水分不足时，高氮量反而对玉米的生长发育起到抑制作用，这与孙云云等[16]、郝小雨等[27]的研究结论一致。与YM4处理相比，继续增加灌水定额，玉米千粒质量、籽粒产量和水分生产率不升反降。究其原因可能是水、肥耦合供给在一定程度上会改变作物耗水特性和产量性状，进而影响作物产量与水分生产率。说明引黄滴灌条件下，对作物进行适时适量的灌水和施肥，不但可以改善作物的耗水特性，促进作物生长发育，增加产量，而且可以提高水肥利用效率，从而达到“水肥互促”的正效应结果。

4 结论

1）耗水量与耗水强度随灌水定额的增加呈先增大后减小趋势，耗水量与耗水强度的峰值出现在玉米的抽雄期—灌浆期。当灌水定额大于300 m3/hm2时，增加施肥量对玉米耗水特性的影响不显著。

2）灌水一定的条件下，增加施肥量不能显著提高作物千粒质量、籽粒产量和水分生产率，过高的施肥对产量和水分生产率反而产生负影响。当灌水量为4 206.84～4 890.36 m3/hm2、施肥量为977.13～1 122.87 kg/hm2时，引黄滴灌玉米有95%的概率可获得大于8 765.55 kg/hm2的籽粒产量。

3）综合节水、高产和高效等生产因素，建议鄂尔多斯黄河南岸灌区引黄滴灌玉米采用灌水定额约300 m3/hm2，灌水12～14次，施肥量约为1 200kg/hm2的水肥调控模式。

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The Effect of Drip Fertigation with Yellow River Water on Water Consumption and Yield of Summer Maize

CAO Xuesong1, ZHENG Hexiang1, MIAO Ping2, NIU Hai3, SUN Chenyun4,

（1.Institute of Water Resources for Pastoral Area of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Huhhot 010020, China; 2. Ordos River and Lake Protection Center, Ordos 017000, China;3. Ordos Development Center of Water Conservancy, Ordos 017000, China;4. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China）

【】Irrigation and fertilization combine to modulate water uptake and crop yield. The purpose of our work is to find a rational fertigation scheduling for corn production drip-irrigated using the Yellow River water in Ordos, Inner Mongolia. 【】The experiment was conducted in a corn field. The crop was drip-irrigated at the irrigation amount of 225, 300 and 375 m3/hm2respectively, each having two nitrogen applications: 207 and 276 kg/hm2. In each treatment, we measured water consumption and the crop yield.【】Coupling irrigation and nitrogen fertilization showed a positive interaction between them in certain ranges. Water consumption and its associated consumption intensity both increased with the irrigation amount, peaking at the tasseling -filling stage. Increasing nitrogen fertilization did not always result in a significant effect on water consumption, nor increased the thousand-grain weight, grain yield and water productivity. When the irrigation amount was in the range of 4 206.84～4 890.36 m3/hm2and the fertilization in 977.13～1 122.87 kg/hm2, there was a high probability (95%) to increase the corn yield to more than 8 765.55 kg/hm2.【】Considering water saving, yield and water and nitrogen use efficiency, the optimal drip-fertigation using Yellow River water for corn production in Ordos was to irrigate 300 m3/hm2of water in 12～14 times, with 1 200 kg/hm2(46% of nitrogen) of fertilization.

drip fertigation;corn;water consumption;grain yield; water production efficiency

曹雪松, 郑和祥, 苗平, 等. 引黄滴灌条件下水氮互作对玉米耗水特性及产量的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 33-39.

CAO Xuesong, ZHENG Hexiang, MIAO Ping, et al. The Effect of Drip Fertigation with Yellow River Water on Water Consumption and Yield of Summer Maize[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 33-39.

2021-08-10

“科技兴蒙”重点专项项目（KJXM-EEDS-2020010-01）；鄂尔多斯市科技计划项目（20190101）；中国水利水电科学研究院科研专项项目（MK2020J05）；内蒙古自治区水利科技项目（MK0413B032021）

曹雪松（1989-），男，河南商丘人。硕士，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail: cxsmks@126.com

1672 - 3317（2022）03 - 0033 - 07

S274.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021366

责任编辑：赵宇龙