灌溉方式对西辽河平原玉米产量和水氮利用效率的影响

孟繁昊，杨恒山，张瑞富，张玉芹，李维敏，张雨珊，张明伟

(内蒙古民族大学 农学院，内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心，内蒙古 通辽 028043)

西辽河平原地处世界玉米“黄金带”，是我国玉米单产最高的地区之一。受全球气候变化和人类活动的双重影响，西辽河径流量日益减少，当地的农业用水大量依赖开采地下水，导致漏斗区面积持续扩大。水粮矛盾现已成为限制西辽河平原玉米可持续生产的主要因素。传统种植方式下，长期高施氮累积效应下出现增肥不增产的现象，大水漫灌之下，大量氮肥被淋溶到深层土壤中，不仅导致氮肥利用效率低，还会在地表形成板结层，严重影响耕地质量。因此，探索适宜的灌溉方式对提高当地玉米的水、氮利用效率均有重要意义。

滴灌具有节水增效的特点，在我国干旱半干旱区应用较广，并取得较好成效。研究表明：滴灌可提高表层(0～40 cm)土壤水、氮含量，有利于作物吸收利用，能够提高作物产量和水、氮利用效率；膜下滴灌较大水漫灌可显著提高玉米地上部的干物质积累量、产量和水分利用效率；任中生等研究表明，膜下滴灌能够促进玉米生长和氮素吸收，较传统畦灌的氮肥利用率提高41.03%。膜下滴灌技术集种植技术和灌溉技术于一体，可降低土壤水分蒸发，提高土壤温度，促进作物干物质积累转运，从而提高产量和水、氮利用效率，具有节本增效的作用。但随着膜下滴灌技术应用面积扩大，残膜污染问题日益加重。近年来，浅埋滴灌技术作为一种新型的节水灌溉方式得到广泛应用。通过定量分析地表、膜下、浅埋3种滴灌模式下田间水热环境、产量的差异发现，浅埋滴灌可有效降低滴灌带附近的温度，较地表滴灌显著提高玉米产量和水分利用效率。郭金路等研究表明，与常规沟灌对照相比，浅埋式滴灌灌溉定额为2 908.0 m·hm时，较常规沟灌可节水30%，籽粒产量仅下降3.4%，而水分利用效率和灌溉水利用效率分别提高了22.1%和27.5%。作者团队前期在通辽市的研究表明，浅埋滴灌的灌溉水利用效率显著高于膜下滴灌和传统畦灌，籽粒产量较膜下滴灌和传统畦灌高分别6.1%～13.9%和1.4%～6.2%。

西辽河平原适宜玉米种植的区域主要介于兴安盟以西、赤峰市以东，通辽市位于二盟市之间。本研究特选择分别位于兴安盟、赤峰市、通辽市的3个春玉米主产区作为试验区，探究浅埋滴灌、膜下滴灌、传统畦灌3种灌溉方式对春玉米物质积累、产量和水、氮利用效率的影响，明确适宜当地的灌溉方式，以期为优化西辽河平原春玉米种植的灌溉方式提供借鉴。同时，研究结果对于保证西辽河平原玉米的稳产增产亦具有参考意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2020年在西辽河平原春玉米主产区内的3个试验点进行，分别位于通辽市现代农业科技园区(44°13′N，123°28′E)、赤峰市松山区太平地镇(41°17′N，118°51′E)、兴安盟科右前旗(46°05′N，127°03′E)。这3个试验点均位于内蒙古中东部。

将2018—2020年玉米生育期内各试验点的降雨和积温情况整理于表1。

表1 试验区玉米生育期内的降雨和积温

通辽市试验点的土壤类型为灰色草甸土，赤峰市试验点为壤土，兴安盟试验点为栗钙土。将各试验区0～20 cm土层的土壤基本理化性状整理于表2。

表2 试验区土壤基本理化性状

1.2 试验设计

各试验点均设浅埋滴灌、膜下滴灌和传统畦灌3种灌溉方式，采用大田对比试验，各试验小区面积为0.33 hm。

供试品种为农华101，大小垄(小垄行距40 cm，大垄行距80 cm)种植，种植密度为7.5万株·hm。各处理统一设定纯氮施用量300 kg·hm，氮素供体为尿素(N含量46%)和磷酸二铵(N含量18%，PO含量46%)。各处理均基施磷酸二铵195 kg·hm、硫酸钾(KO含量50%)90 kg·hm。结合滴灌处理，分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期按3∶6∶1的比例追施尿素，畦灌处理于小喇叭口期一次性追施尿素。

对于浅埋滴灌和膜下滴灌：在播种—出苗期，灌溉1次，灌水量550 m·hm；在拔节期，灌溉2次，每次灌水量425 m·hm；在抽雄—吐丝期，灌溉1次，灌水量350 m·hm；在吐丝—灌浆期，灌溉2次，每次灌水量275 m·hm；在灌浆—成熟期，灌溉1次，灌水量100 m·hm；全生育期，合计灌溉7次，总灌水量2 400 m·hm。对于传统畦灌：在播种—出苗期，灌溉1次，灌水量1 000 m·hm；在拔节期，灌溉1次，灌水量800 m·hm；在抽雄—吐丝期，灌溉1次，灌水量800 m·hm；在吐丝—灌浆期，灌溉1次，灌水量800 m·hm；在灌浆—成熟期，灌溉1次，灌水量600 m·hm；全生育期，合计灌溉5次，总灌水量4 000 m·hm。

各处理的其他田间管理措施一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 地上部生物量

在吐丝期和完熟期分别于各试验小区取具有代表性的连续植株3株，重复3次，按茎鞘、叶片、穗轴、苞叶和籽粒分开，在烘箱内105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至质量恒定后，测定干物质质量。

1.3.2 产量

各试验小区测产面积为24 m。于测产小区内调查各处理的有效穗数，人工脱粒后，测鲜粒重和含水量，并折算成含水量为14%的产量。同时，各小区取10穗平均穗用于考种，待自然风干后，调查穗粒数，测定含水量，并折算成含水量为14%的千粒重。

1.3.3 相关参数计算

营养器官干物质转运量(kg·hm)=吐丝后营养器官干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量；

营养器官干物质转运率(%)=营养器官干物质转运量/吐丝期营养器官干物质积累量×100；

营养器官干物质转运贡献率(%)=营养器官干物质转运量/成熟期籽粒干重×100；

灌溉水利用效率(IWUE，kg·m)=产量/灌水量；

氮肥偏生产率(NPEP，kg·kg)=产量/施氮量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件整理数据；采用DPS 10.0软件对数据进行方差分析和多元回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对春玉米干物质积累的影响

吐丝前：除2018年通辽市试验点浅埋滴灌处理的干物质积累量显著(<0.05)高于膜下滴灌外，这2个处理的干物质积累量在各年各试验点上均无显著差异；2018年3个试验点和2019年赤峰市试验点，膜下滴灌处理的干物质积累量显著(<0.05)低于传统畦灌，而其他年份各试验点上这二者并无显著差异；各年份各试验点，浅埋滴灌处理与传统畦灌处理的干物质积累量始终无显著差异(图1)。

SBDI，浅埋滴灌；MDI，膜下滴灌；TBI，传统畦灌。下同。同一试验点，相同年份同一时期柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。SBDI， Shallow buried drip irrigation； MDI， Mulched drip irrigation； TBI， Traditional border irrigation. The same as below. In the same growth period of the same year， bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05 in the same area.图1 不同灌溉方式下春玉米吐丝前、吐丝后的干物质积累量Fig.1 Dry matter accumulation of spring maize before and after silking under different irrigation methods

吐丝后：除2018、2019年兴安盟试验点浅埋滴灌处理与传统畦灌处理的干物质积累量无显著差异外，浅埋滴灌处理的干物质积累量均显著(<0.05)高于传统畦灌；除2018年通辽市试验点和2020年赤峰市试验点浅埋滴灌处理的干物质积累量显著(<0.05)高于膜下滴灌处理外，这2个处理的干物质积累量并无显著差异；除2019年通辽市试验点和2020年赤峰市试验点膜下滴灌处理的干物质积累量显著(<0.05)高于传统畦灌处理外，这2个处理的干物质积累量亦无显著差异。

2.2 不同灌溉方式对春玉米干物质转运的影响

在茎鞘转运量上：除2019年赤峰市试验点和2018—2020年的兴安盟试验点外，浅埋滴灌处理均显著(<0.05)高于膜下滴灌；2019年通辽市和兴安盟试验点，以及2018—2020年的赤峰市试验点，浅埋滴灌处理显著(<0.05)高于传统畦灌处理，在其他年份各试验点上，二者无显著差异；除2019年赤峰市、兴安盟试验点外，各年各试验点膜下滴灌处理与传统畦灌处理均无显著(<0.05)差异(表3)。

表3 不同灌溉方式下春玉米各器官的干物质转运量、转运率及对籽粒的转运贡献率

在叶片转运量上：除2019、2020年赤峰市试验点和2018年的兴安盟试验点外，浅埋滴灌处理与膜下滴灌处理无显著差异；除2018年赤峰市试验点和2019、2020年兴安盟试验点外，浅埋滴灌处理均显著(<0.05)高于传统畦灌；除2020年通辽市试验点、2019年赤峰市试验点和2018—2020年兴安盟试验点外，膜下滴灌处理均显著(<0.05)高于传统畦灌。

综合通辽市、赤峰市、兴安盟3个试验点3年数据：在茎鞘转运率上，浅埋滴灌较膜下滴灌、传统畦灌分别高9.31%、15.25%，膜下滴灌较传统畦灌高5.43%；在茎鞘转运贡献率上，浅埋滴灌较膜下滴灌、传统畦灌分别高13.45%、29.07%，膜下滴灌较传统畦灌高13.77%；在叶片转运率上，浅埋滴灌较膜下滴灌、传统畦灌分别高15.17%、32.38%，膜下滴灌较传统畦灌高14.95%；在叶片转运贡献率上，浅埋滴灌较膜下滴灌、传统畦灌分别高6.93%、47.82%，膜下滴灌较传统畦灌高38.23%。

2.3 不同灌溉方式对春玉米产量及其构成因素的影响

在有效穗数上，通辽市、赤峰市、兴安盟试验点各年3种灌溉方式下均无显著差异(表4)。在穗粒数上：通辽市试验点3种灌溉方式下无显著差异；赤峰市和兴安盟试验点，浅埋滴灌处理显著(<0.05)高于传统畦灌，膜下滴灌与其他2种灌溉方式无显著差异。在千粒重上，各试验点各年浅埋滴灌处理的均显著(<0.05)高于传统畦灌；除2019年赤峰市试验点和2020年兴安盟试验点外，膜下滴灌与传统畦灌并无显著差异；除通辽市试验点浅膜滴灌显著(<0.05)高于膜下滴灌外，其他试验点这二者间均无差异。在产量上：除2018年赤峰市试验点和2020年通辽市试验点外，浅埋滴灌与膜下滴灌的并无显著差异；在各年份各试验点，浅膜滴灌的均显著(<0.05)高于传统畦灌；2018年通辽市试验点、2018—2020年赤峰市试验点，以及2019—2020年兴安盟试验点上，膜下滴灌与传统畦灌并无显著差异，但在其他年份各试验点上，膜下滴灌的要显著(<0.05)高于传统畦灌。综合2018—2020年各试验点玉米产量表现，浅埋滴灌较膜下滴灌和传统畦灌平均增产3.43%和7.43%，膜下滴灌较传统畦灌平均增产3.87%。

表4 不同灌溉方式下春玉米的产量及其构成因素

2.4 不同灌溉方式下春玉米干物质积累量与产量的相关性

对不同灌溉方式下春玉米干物质积累量与产量的相关性进行分析(图2)。结果显示：浅埋滴灌方式下，无论是吐丝前，还是吐丝后，春玉米的干物质积累量均与产量呈极显著(<0.01)正相关；膜下滴灌方式下，吐丝前，春玉米的干物质积累量与产量呈极显著(<0.01)正相关，而在吐丝后，春玉米的干物质积累量与产量呈显著(<0.05)正相关；传统畦灌方式下，无论是吐丝前，还是吐丝后，春玉米的干物质积累量与产量均呈显著(<0.05)正相关。从各回归方程的决定系数()来看，同一时期均表现为浅埋滴灌>膜下滴灌>传统畦灌。

“**”和“*”分别表示回归方程通过P<0.01和P<0.05的显著性检验。ya、yb、yc分别代表浅埋滴灌(SBDI)、膜下滴灌(MDI)与传统畦灌(TBI)下的产量。“**” and “*” indicated that the regression equation passed the significance test at P<0.01 and P<0.05， respectively. ya， yb， yc represented the yield under shallow buried drip irrigation (SBDI)， mulched drip irrigation (MDI)， and traditional border irrigation (TBI)， respectively.图2 不同灌溉方式下春玉米干物质积累量与产量的相关性Fig.2 Correlation between dry matter accumulation and yield of spring maize under different irrigation methods

2.5 不同灌溉方式对春玉米水、氮利用效率的影响

在灌溉水利用效率上：各年份各试验点浅埋滴灌与膜下滴灌的差异均不显著，且二者均显著(<0.05)高于传统畦灌(图3)。

图3 不同灌溉方式下春玉米的水、氮利用效率Fig.3 Water and nitrogen use efficiency of spring maize under different irrigation methods

在氮肥偏生产力上：除2018年赤峰市试验点和2020年通辽试验点外，浅埋滴灌与膜下滴灌并无显著差异；除2018年兴安盟试验点外，浅埋滴灌的要显著(<0.05)高于传统畦灌；除2020年赤峰市、兴安盟试验点外，膜下滴灌与传统畦灌并无显著差异。

3 讨论

3.1 灌溉方式对春玉米干物质积累转运的影响

干物质是作物产量形成的基础，作物产量直接受到作物干物质积累转运的影响。研究表明，玉米籽粒产量主要依赖于光合产物的积累，生育后期干物质积累对籽粒的贡献率可达78.0%～84.0%。刘戈等通过对覆膜浅埋滴灌、浅埋滴灌、覆膜滴灌、地表滴灌和传统畦灌的对比发现，滴灌下玉米生育后期叶面积指数、地上部干物质累积量和籽粒产量均显著(<0.05)高于传统畦灌。滴灌通过增加玉米吐丝后的干物质积累量、氮素积累量及其对籽粒氮素的贡献率，最终提升产量。本研究发现，相较而言，灌溉方式对兴安盟试验点春玉米生育期内干物质积累转运的影响不及通辽市、赤峰市试验点。这可能是因为，降雨是影响灌溉效果的主要因素之一，春玉米生育期内兴安盟降雨较多，频繁的降雨弱化了灌溉对玉米生长发育的影响。

通辽市和赤峰市试验点的气候条件比较相似，降雨少，积温高，生育后期灌溉效果明显。浅埋滴灌的方式可按照春玉米生长需水需肥的规律实现水、氮后移，避免生育后期灌水和施氮不便造成的养分匮乏的问题，在生育后期可明显提高春玉米的干物质生产能力，促进干物质积累。膜下滴灌方式下，由于覆膜有效地提高了地温，且土壤昼夜温差较小，玉米有效生长时间被缩短，因而并不利于碳水化合物的积累和生成。这可能是造成膜下滴灌处理下，春玉米干物质转运量低于浅埋滴灌的原因之一。

3.2 灌溉方式对春玉米产量的影响

不同灌溉方式对春玉米产量的影响存在显著差异。贾琼等研究表明：平水偏丰年，膜下滴灌处理的产量较浅埋滴灌处理低6%～19%；平水偏枯年，膜下滴灌处理的产量较浅埋滴灌高7%～15%。本研究发现，试验各年各点浅埋滴灌处理的产量均显著高于传统畦灌。另外，2020年通辽市试验点和2018年赤峰市试验点，浅埋滴灌处理的产量显著高于膜下滴灌，2019—2020年通辽市试验点和2018年兴安盟试验点膜下滴灌的产量显著高于传统畦灌。各种灌溉方式下，无论是吐丝前还是吐丝后，春玉米的干物质积累量均与产量呈显著正相关。由此推测，浅埋滴灌与膜下滴灌吐丝后较高的干物质积累量也是导致其较传统畦灌产量高的因素之一。通辽市2020年和赤峰市2018年降雨较多，浅埋滴灌方式下无地膜截流，自然降水可更好地被春玉米吸收利用，有利于春玉米生长发育，因而春玉米产量表现为浅埋滴灌高于膜下滴灌。

3.3 灌溉方式对春玉米水、氮利用效率的影响

不同的灌溉方式下，水分在土壤中的运移路径不同，会影响到氮素的运移和分布，也会间接影响到作物对肥料的吸收和利用。研究表明，滴灌条件下，随着灌水量增大，土壤湿润体的硝态氮含量增加，而滴头附近的硝态氮含量变化不太明显，在湿润体边缘硝态氮会累积。万晓菊等研究发现，在膜下滴灌、露地滴灌、覆膜沟灌和露地沟灌4种灌溉方式中，膜下滴灌更有利于玉米植株对水、氮的高效吸收利用，进而促进干物质的积累和高效转运，最终显著增加玉米籽粒产量。本研究中，浅埋滴灌、膜下滴灌的灌溉水利用效率显著高于传统畦灌，除2018年兴安盟试验点外，浅埋滴灌的氮肥偏生产力均显著高于传统畦灌。玉米通过根系吸收土壤养分，滴灌方式下，玉米根系随土层加深而减少，大部分根系都集中在0～20 cm土层内，水、氮和较大比例的根系分布在同一湿润土体内，因此根系与水、氮接触的机会更大，根系与水、氮空间分布上的耦合效应使得滴灌方式下水、氮吸收利用效率提高。2020年通辽市试验点和2018年赤峰市试验点，浅埋滴灌的氮肥偏生产力显著高于膜下滴灌。原因可能是，上述试验点浅埋滴灌下增产明显，从而提高了氮肥利用效率。除2020年赤峰市和兴安盟试验点外，膜下滴灌与传统畦灌的氮肥偏生产力均无显著差异。其原因可能是：一方面，膜下滴灌方式下地表覆膜，使得土壤表层与地膜之间含水量较高，可刺激玉米第一茎节次生根的生长，从而减弱对土壤中氮素的吸收；另一方面，覆膜可提高地温，使玉米生育进程加快，这在一定程度上加剧了生育后期的根系衰老，降低了根系的活性和吸收能力，从而减弱生育后期春玉米对氮素的吸收利用。

综合产量、水氮高效利用等因素，浅埋滴灌为西辽河平原，以及拟生态区适宜的灌溉方式。