基于隶属函数法的宁夏滴灌玉米灌溉制度研究

蒋正文, 岳宏伟, 陈 娇, 刘 晗

(宁夏回族自治区灌溉排水服务中心,宁夏银川 750016)

全球气候变暖加大了对降水时空变化和作物需水及生长规律的影响。节水是我国的一项基本国策,而节水的关键是农业节水[1-3]。宁夏是典型的引黄灌溉区,玉米是宁夏的第一大作物,每年种植面积达30万hm2,占比达70%,玉米的高产稳产对宁夏粮食安全意义重大[4]。

滴灌是一种非常高效的节水方式,在干旱半干旱地区根据作物的需水规律制定滴灌灌溉制度,能够有效提高作物产量和水分利用率,减少水分、养分淋失和浅层地下水污染[3]。李毅杰等研究表明,滴灌能有效提高甘蔗的产量[5]。周乾等提出了适宜宁夏地区的青贮玉米滴灌制度[6]。加孜拉等以新玉23号为试验品种,确定适宜北疆寒旱区青贮玉米的滴灌制度[7]。王鼎新等提出在辽西北风沙土地区,玉米膜下滴灌水量宜控制在0.8～1.0 KcE[8]。关于于最优灌溉制度的确定,大多数研究的数据处理仍停留于显著性或趋势分析,需要评价者对评价结果进行主观分析并决策,容易受到试验数据随机误差和人为影响[9-10]。模糊数学中的隶属函数值法不仅能规避主观分析和决策的弊端,而且能整合多主体评价信息并使其得到最优唯一解[11-12]。为了促进宁夏引黄灌区高效节水农业的可持续应用和玉米高效节水灌溉技术的发展[13],开展宁夏东麓灌区玉米滴灌系统的研究是十分必要的。本研究通过大田试验,分析不同灌溉制度下玉米各生长指标、产量及构成要素、光合参数和水分利用效率的变化,运用隶属函数法确定最佳灌溉量,提出适合当地的玉米灌溉制度,以期为宁夏玉米滴灌技术的推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在中国灌溉试验宁夏中心站开展,试验站位于贺兰山东麓洪积倾斜平原,地理位置为 106°42′E、38°27′N[14],东西长为546 m,南北宽为246.5 m,面积13.33 hm2,地势较平坦,海拔高度 1 115.6 ～1 116.6 m,土壤类型以淡灰钙土为主,土壤肥力中等偏下,表层一般覆盖1 m左右的沙土且质地较轻,下部为砂砾石。试验站年平均温度为8.5 ℃,无霜期为150～195 d;1990年后,年降水量为99.70～233.10 mm,年平均蒸发量为1 583.2 mm。

1.1 试验设计

试验采用随机区组设计,共设5个不同灌溉定额,分别为2 100、2 550、3 000、3 450、3 900 m3/hm2,灌水次数均为12次,灌水周期、施肥水平、耕作措施均相同。重复3次,共15个小区,每个小区面积66.8 m2(8.35 m×8 m)。栽培方式采用宽窄行裸地滴灌,株距25 cm,宽行80 cm,窄行35 cm,密度为6万株/hm2,每个小区播种14行玉米,每行32株玉米,试验区四周布设有保护区。供试玉米品种为正大12,分别在玉米的苗期、拔节期、抽雄—吐丝期、吐丝—灌浆期、成熟期进行不同定额的灌水。试验区土壤容重1.47 g/cm3,田间持水量15.93%。具体试验设计方案见表1。

表1 玉米滴灌灌溉制度试验方案

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量测定 选择土壤剖面水分传感器PR2-6测量10、20、30、40、60、100 cm 6个土层的土壤含水量。播种后测量土壤基础含水量,收获期测定土壤遗留的水分含量,生育期内一般每隔 10 d 测1次,在生育期转换、较大降水前后、灌水前后加测。

1.3.2 生长指标、产量及构成要素的测定 采用米尺测定玉米的株高、叶面积、秃尖长、穗长、穗粗,采用游标卡尺测定玉米的茎粗。采用电子天平测定单株玉米穗数、每穗粒数、籽粒质量及百粒质量。

1.3.3 光合参数的测定 采用CI-340便携式光合测定仪测定气孔导度(Gs)、光合有效辐射(PAR)、叶片蒸腾速率(Tr)、净光合速率(Pn)。每处理测定3个重复,每个重复待稳定后读取10个数据。

1.3.4 耗水量和水分利用效率测定 降水量的测定:生育期间降水量采用雨量器测定。

耗水量ET计算公式:

ET=W0-Wt+I+M+K-D-R。

其中:W0、Wt分别为初始时段、t时段测坑水分变化;I为灌水量;M为降水量;K为地下水补给量;D为深层渗漏量;R为地表径流量。

水分利用效率WUE的计算公式为:

WUE=0.1×产量/ET。

1.4 数据处理

使用Excel 2013软件进行数据的整理和统计,使用SPSS 24.0软件进行方差分析,使用Duncan’s方法检验不同处理间差异的显著性。采用模糊数学中的隶属函数值法对综合素质进行评价。隶属函数公式为:当指标性状呈正相关时,公式为:

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin);

当指标性状呈负相关时,公式为:

U(Xj)=1-(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中:U(Xj)表示隶属函数值;Xj表示处理水平某指标的测定值;Xmin、Xmax表示参试水平系中某一指标内的最小值、最大值。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理对玉米全生育期土壤水分变化的影响

各处理土壤水分随时间的延续呈现相同的变化趋势(图1),各处理土壤水分随灌水量增大而增大。在整个生育期,F4、F5处理的土壤含水量普遍高于其他处理,其中在苗期、拔节期、抽雄—吐丝期、吐丝—灌浆期、成熟期均显著高于F1、F2、F3处理(P<0.05),在玉米全生育期土壤含水量整体表现为F5>F4>F3>F2>F1。

2.2 不同水分处理对玉米株高、茎粗和叶面积的影响

在整个生长期内,各处理的株高总体表现规律一致(图2-A)。玉米株高在拔节期到抽雄期增长速度最快,随后玉米进入吐丝—灌浆期,株高增长速度开始放缓;在整个生育期,F4、F5处理的株高显著高于其他处理(P<0.05),玉米株高在整个生长期内表现为F4>F5>F3>F2>F1。

在整个生长期内,各处理的茎粗总体表现一致(图2-B)。玉米茎粗在拔节期增长速度最快,进入抽雄期茎粗生长速度减缓。在整个生育期,F4处理的茎粗显著高于其他处理(P<0.05),玉米茎粗在整个生长期内表现为F4>F5>F3>F2>F1。

各处理的玉米叶面积在整个生长期内的规律与上述生长量基本相同(图2-C)。进入拔节期,叶面积增长速度加快,拔节中期至抽雄—吐丝期叶面积增长速度最快,进入吐丝—灌浆期,叶面积增长速度开始减缓。在整个生育期,F4、F5处理的茎粗显著高于其他处理(P<0.05),玉米茎粗在整个生长期内表现为F4>F5>F3>F2>F1。

2.3 不同水分处理对玉米光合参数的影响

分析不同水分处理玉米的光合有效辐射(图3-A),F2处理的光合有效辐射显著低于其他处理(P<0.05),为1 197.71 μmol/(m2·s);而F3、F4处理的光合有效辐射显著高于其他处理(P<0.05),F3处理的光合有效辐射分别为F1、F2、F4、F5处理的1.20、1.72、1.03、1.33倍。

不同水分处理的玉米气孔导度均存在差异(图3-B),F5处理时的玉米气孔导度显著低于其他处理(P<0.05),仅为123.36 mmol/(m2·s);而F2处理的玉米气孔导度显著高于其他处理(P<0.05),分别为F1、F3、F4、F5处理的1.22、1.21、1.07、1.82倍。

分析不同水分处理的玉米净光合速率(图3-C),F1处理时的玉米净光合速率显著低于其他处理(P<0.05),仅为23.73 mmol/(m2·s);而F2、F3、F4、F5处理间的玉米净光合速率无显著差异。

分析不同控水处理的玉米蒸腾速率发现(图3-D),F5处理的蒸腾速率显著低于其他处理(P<0.05),为4.49 mmol/(m2·s);而F4处理的玉米蒸腾速率分别为F1、F2、F3、F5处理玉米蒸腾速率的1.22、1.12、1.05、1.44倍,显著高于其他处理(P<0.05)。

2.4 不同水分处理的玉米耗水量的变化

分析不同水分处理的玉米各生育期耗水量(表2)发现,在苗期和成熟期,F5处理的玉米耗水量和耗水强度显著高于其他处理(P<0.05);而在其他时期F4、F5处理的耗水量和耗水强度均显著高于其他处理(P<0.05)。在不同水分处理下,全生育期耗水量由高到低依次为F5>F4>F3>F2>F1。

表2 不同水分处理下玉米耗水量的变化

2.5 不同水分处理玉米产量特性的影响

分析不同水分处理下的玉米产量构成要素(表3)发现,F4处理的穗长、穗粗显著高于其他处理(P<0.05);F4、F5处理的籽粒质量、百粒质量显著高于其他处理(P<0.05);F4、F5处理的秃尖长显著低于其他处理(P<0.05)。

表3 不同水分处理下玉米产量特性的影响

2.6 不同水分处理对玉米水分利用效率的影响

通过对不同水分处理的玉米耗水量、产量、灌溉水分利用效率、水分利用效率进行分析(表4),发现F4、F5处理的耗水量和产量显著高于其他处理(P<0.05);F4处理的灌溉水利用效率和水分利用效率显著高于其他处理(P<0.05),因此在保证产量的条件下,F4处理更有利于提高水分利用效率。

表4 不同水分处理对玉米水分利用效率的影响

2.7 不同水分处理下玉米各生长指标、产量及构成要素、光合参数、水分利用效率的相关性分析

对5个不同水分处理下玉米的株高、茎粗、叶面积、穗长、穗粗、秃尖长、籽粒质量、百粒质量、耗水量、产量、WUE、PAR、Gs、Pn、Tr进行相关性分析(表5),发现除秃尖长、PAR、Gs、Pn、Tr外,其余10个指标两两之间均呈极显著正相关(P<0.01);秃尖长与株高无相关性,与其他10个指标间呈极显著负相关(P<0.01);PAR与株高、WUE间呈显著正相关(P<0.05);Gs和Tr呈极显著正相关(P<0.01);Pn与株高、叶面积、穗长、穗粗、籽粒质量、百粒质量、耗水量、产量、WUE呈正相关。因此选择株高、茎粗、叶面积、穗长、穗粗、秃尖长、籽粒质量、百粒质量、耗水量、产量、WUE、Pn等12个指标进行后续分析。

表5 不同水分处理下各生长指标、产量及构成要素、光合参数与水分利用效率的相关系数矩阵

2.6 不同水分处理下玉米各指标的综合评价

用模糊数学中的隶属函数值法对株高、茎粗、叶面积、穗长、穗粗、秃尖长、籽粒质量、百粒质量、耗水量、产量、WUE、Pn等12个指标进行综合分析,分别得到各指标隶属函数值和平均值,结果如表6所示。各处理的各指标隶属函数平均值分别为0.08、0.33、0.59、0.93、072,由高到低依次为F4>F5>F3>F2>F1;因此,最理想的灌溉定额为 3 450 m3/hm2,灌水次数为12次。

表6 不同水分处理下玉米各指标隶属函数值及综合评价

3 讨论与结论

水资源匮乏、降水量不足和地面蒸发量过大,是限制西北干旱和半干旱地区农业生产的主要因素[15]。大量研究表明,滴灌技术可有效提高作物产量和水分利用效率[16-18]。王洪博等研究表明,滴灌灌水定额为54 mm时,棉花生长及产量品质较优[19]。王振华等研究发现,膜下滴灌甜菜以60 mm灌水定额灌水9次时,可获得高产与糖产,较传统新疆膜下滴灌甜菜制度节水10%[20]。范海燕等对青椒耗水规律及灌溉制度进行研究,发现设施青椒适宜的计划湿润深度取40 cm,灌水定额15～20 mm,全生育期内除定植水外,灌溉12～17次[21]。本研究表明,F4、F5处理下的全生育期土壤水分、株高、茎粗、叶面积、穗长、穗粗、籽粒质量、百粒质量、耗水量、产量、WUE、Pn显著高于其他处理,秃尖长低于其他处理。由此可见,合理的灌溉制度对提高玉米产量和水资源利用效率具有重要作用。

综合评价结果的科学性和合理性受到评价指标丰欠程度的直接影响[22]。前人以生长指标、增产指标或节水指标为基础进行评价[23-25],但是相似的指标易导致信息重叠,不具有代表性,因此将生长指标、增产指标和节水指标进行综合评价,有利于消除重叠信息的不利影响。生长指标(如株高、叶面积指数、茎粗等)是植株高产稳产的基础,是直接影响玉米光合作用的强弱、抗病、抗倒伏能力;节水指标(如耗水量、WUE等)在农业节水中扮演重要角色,是提高水资源利用率的关键;增产指标(如穗长、每穗粒数等产量构成及产量)基于生长指标,并与节水指标相互依存[26-28]。因此本研究对株高、茎粗、叶面积、穗长、穗粗、秃尖长、籽粒质量、百粒质量、耗水量、产量、WUE、PAR、Gs、Pn、Tr等生长指标、增产指标、节水指标进行相关性分析,然后对两两之间均呈显著相关指标进行评价;共筛选出株高、茎粗、叶面积、穗长、穗粗、秃尖长、籽粒质量、百粒质量、耗水量、产量、WUE、Pn等12个指标,利用模糊数学中的隶属函数值法对上述指标进行综合评价,各处理下的综合隶属函数平均值由高到低依次为F4>F5>F3>F2>F1,最理想的灌溉定额为 3 450 m3/hm2,灌水次数为12次。