姬祥祥 徐 芳 劉美含 馮 浩 何建強(qiáng) 張?bào)w彬

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；4.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是亞洲最大的一首制自流灌區(qū)，現(xiàn)有引黃灌溉面積6.0×105hm2以上，是我國重要的商品糧、油基地。引黃灌溉對發(fā)展河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著決定性作用，然而由于長期大水漫灌、渠系滲漏與排水不暢等原因，造成灌區(qū)地下水位抬升，土壤鹽漬化日益嚴(yán)重[1]。目前，灌區(qū)現(xiàn)有不同程度的鹽漬化耕地約3.9×105hm2，已占耕地總面積的70%左右[2]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)種植業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增加，灌溉面積有增加的趨勢，但由于黃河水資源日益緊缺，河套灌區(qū)引黃配額從50余億立方米減少至40億立方米左右[3]。因此，土壤鹽漬化嚴(yán)重和地表水資源緊缺之間的矛盾制約著河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

膜下滴灌技術(shù)具有節(jié)水、抑蒸、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，在旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和鹽堿地改良利用中發(fā)揮著重要作用[6-9]。隨著土壤鹽漬化的日益嚴(yán)重和地表水資源的緊缺，膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)逐漸引起重視[10-12]，制定科學(xué)合理的灌溉制度是推廣膜下滴灌技術(shù)的前提，而根據(jù)土壤水基質(zhì)勢制定灌溉制度是目前較為先進(jìn)的方法之一。土壤水基質(zhì)勢是衡量土壤基質(zhì)對水分吸附能力的物理量。土壤水總是由水勢高處向低處流動(dòng)，土壤水勢可分為壓力勢、基質(zhì)勢、重力勢、溫度勢和溶質(zhì)勢。在農(nóng)田中基質(zhì)勢是決定土壤水勢的關(guān)鍵因子，它是由土壤基質(zhì)(固體)的吸附力和毛管力造成的勢能。土壤水勢絕對值越高，土壤含水率越小，土壤對水的吸力越強(qiáng)，作物越難吸收利用，否則越容易吸收利用。如將真空負(fù)壓計(jì)埋在滴頭正下方20 cm深度處監(jiān)測土壤水基質(zhì)勢，可以反映土壤中可供植物吸收的有效水分的供給狀況[13]。通過控制土壤水基質(zhì)勢下限(即只要土壤水基質(zhì)勢低于預(yù)定的閾值就進(jìn)行灌水)，可以科學(xué)合理地制定膜下滴灌灌溉制度，這在我國多個(gè)地區(qū)多種作物上得到了利用。例如，一些研究[11,14-16]分別利用控制土壤水基質(zhì)勢下限的方法為我國甘肅、寧夏等地區(qū)土豆、番茄、玉米滴灌探尋出適宜的土壤水基質(zhì)勢下限范圍。

膜下滴灌灌溉制度中，具體的土壤水基質(zhì)勢下限與當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤類型、作物種類等密切相關(guān)，明確不同基質(zhì)勢水平下的土壤水分分布狀況和作物生長耗水特性則是制定膜下滴灌灌溉制度的重要前提。但相關(guān)研究在河套灌區(qū)開展相對較少，不同土壤基質(zhì)勢水平下土壤水分運(yùn)移和分布特征以及作物生長和耗水的響應(yīng)機(jī)制尚不明確。這在一定程度上制約了膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)的推廣和使用。

本文通過在河套灌區(qū)連續(xù)進(jìn)行的兩年春玉米田間試驗(yàn)，研究基于土壤水基質(zhì)勢的不同膜下滴灌條件下土壤水分狀況和春玉米生長的響應(yīng)機(jī)制，明晰不同土壤水基質(zhì)勢水平對土壤水分狀況和春玉米生長及耗水特性的影響，以期為膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)的推廣和使用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)的曙光試驗(yàn)站(40°46″N，107°24″E，海拔1 039 m)，地處干旱半干旱氣候帶，屬典型的溫帶大陸性氣候。全年日照充足，晝夜溫差較大，降水量集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，空氣干燥。試驗(yàn)站多年平均氣溫6.9℃，其中1月均溫-14～-11℃，7月均溫22～24℃，0～20 cm土層平均地溫9.4℃。相對濕度51%，氣壓89.82 kPa。風(fēng)大而頻繁，年均風(fēng)速為2.8～2.9 m/s。全年日照時(shí)數(shù)為3 190～3 260 h，年總輻射量為6 151.2～6 383.1 MJ/m2，10℃以上活動(dòng)積溫3 000～3 280℃。0～40 cm 土壤EC1∶5(土水比1∶5浸提液電導(dǎo)率)一般在0.6～1.6 dS/m 之間，pH值為8.3左右，在灌區(qū)內(nèi)屬于典型鹽漬化區(qū)域，有較強(qiáng)的代表性。試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有地下水源井。試驗(yàn)田每年的秋季采用引黃水漫灌秋澆。試區(qū)內(nèi)土壤屬于黃河灌淤土，土壤分層明顯，厚薄不均(表1)。田間試驗(yàn)在2016年和2017年玉米生長季內(nèi)(5—10月)進(jìn)行，其中2016年生長季內(nèi)累積降雨量為123 mm，蒸發(fā)量達(dá)904.9 mm；2017年生長季內(nèi)累積降雨量僅為37 mm，蒸發(fā)量為948.8 mm(圖1)。

表1 試驗(yàn)地土壤(0～120 cm)基本理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soils (0～120 cm) in experimental site

圖1 河套灌區(qū)玉米生育期內(nèi)降雨量與累積蒸發(fā)量Fig.1 Precipitations and accumulative evaporations during two growing seasons of spring maize in Hetao Irrigation District

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

膜下滴灌田間試驗(yàn)種植作物為春玉米“西蒙6號”。試驗(yàn)設(shè)置5 個(gè)土壤水基質(zhì)勢水平，分別控制土壤水基質(zhì)勢(Soil matric potentials，SMP)下限為-10 kPa(S1)、-20 kPa(S2)、-30 kPa(S3)、-40 kPa(S4)、-50 kPa(S5)，共形成5個(gè)處理，每處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×15 m，各小區(qū)之間設(shè)置1 m寬的緩沖區(qū)以減少土壤水分側(cè)滲。各處理均采用寬窄行的種植方式，窄行和寬行行距分別為30 cm和70 cm，在窄行中間布置滴灌帶，滴灌帶間距100 cm，滴頭間距30 cm，玉米株距30 cm(圖2)。播種前施加底肥并覆蓋地膜，地膜為高壓聚乙烯膜，厚度8 μm。播種深度5 cm，播種密度為66 667株/hm2。2016年播種時(shí)間為4月27日，2017年為4月28日，分別于2016年9月8日和2017年9月2日收獲。

圖2 河套灌區(qū)春玉米膜下滴灌試驗(yàn)種植模式和取樣點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic of planting pattern and soil sampling positions of experiment of spring maize under mulched drip irrigation in Hetao Irrigation District1.滴頭 2.玉米 3.地膜 4.真空負(fù)壓計(jì) 5.取樣點(diǎn)

在每個(gè)處理的任選2 個(gè)重復(fù)小區(qū)內(nèi)安裝真空表式負(fù)壓計(jì)，位置為滴頭正下方20 cm處(圖2)。每天09:00和15:00分別觀測負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，一旦達(dá)到所設(shè)定的閾值，立即啟動(dòng)滴灌，參考當(dāng)?shù)厮嫒照舭l(fā)量設(shè)定灌水定額為10 mm，并記錄灌溉日期和總灌水量。5個(gè)不同處理在2016年和2017年實(shí)際灌溉定額分別為336.3、205.5、141.1、100.0、70.0 mm和490.8、366.0、298.8、199.7、126.0 mm(圖3)。試驗(yàn)地基肥于播種之前耕翻時(shí)施入，其中尿素(N：46%)施入量163 kg/hm2、磷酸二胺(N：18%，P2O5：42%)施入量420 kg/hm2、硫酸鉀(K2O：50%)施入量90 kg/hm2。玉米生育期內(nèi)于6葉期后僅追施氮肥，采用水溶性較好的尿素，于灌水前溶于施肥罐中，隨灌水施入，且保證各處理施肥量一致。2016年和2017年施肥量一致，玉米全生育期內(nèi)純氮累積施入量為300 kg/hm2。

圖3 玉米生育期內(nèi)5個(gè)不同灌溉處理的累積灌水量Fig.3 Cumulative irrigation depths of five different treatments during growing season of spring maize

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1土壤含水率

在玉米生育期內(nèi)，土壤含水率每隔15 d測定一次，采用土鉆法采集土樣，采樣位置為與滴頭水平距離0、25、50 cm處，取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm(圖2)。取回的土樣在實(shí)驗(yàn)室采用干燥法測定土壤質(zhì)量含水率，之后根據(jù)各土層土壤容重折算體積含水率。土壤0～60 cm剖面內(nèi)的平均含水率采用加權(quán)平均法計(jì)算得出。玉米生育期耗水量采用水量平衡方程計(jì)算。

PET=ΔW+P+I+R+G-F

(1)

式中PET——玉米生育期耗水量(ET)，mm

ΔW——播種期與收獲期土壤儲水量之差，mm,整個(gè)剖面的ΔW由不同空間位置數(shù)值通過加權(quán)平均計(jì)算得出

P——生育期有效降水量，mm，如果降雨量小于當(dāng)日參考蒸發(fā)蒸騰量的0.2倍，視為無效降雨[17]

I——玉米生育期的灌水量，mm

G——生育期地下水對作物根系的補(bǔ)給量，mm，詳細(xì)計(jì)算過程可參考文獻(xiàn)[18]

R——生育期地表徑流量，mm，試區(qū)地勢平坦，無地表徑流產(chǎn)生

F——生育期根區(qū)深層滲漏量，mm

根據(jù)FAO56分冊中提供的方法計(jì)算，假定降雨或灌溉先補(bǔ)給根系層土壤水分至田間持水量，多余的水分即為深層滲漏損失量[17]，計(jì)算方法為灌水(或降水)前60 cm土層內(nèi)有效土壤含水率和灌水量(或降水量)相加，再減去田間持水量。

1.3.2玉米生長指標(biāo)、產(chǎn)量和水分利用效率

在玉米生長期內(nèi)，定期觀測物候期，并在每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的植株3株，掛牌標(biāo)記。每個(gè)生育期測定一次經(jīng)過標(biāo)記的玉米株高和葉面積，使用鋼卷尺(精度0.1 cm)測量葉脈長度和垂直于葉脈方向葉片最寬處寬度，葉面積折算系數(shù)為0.75[19]。根據(jù)種植密度計(jì)算葉面積指數(shù)(LAI)。在玉米的各生育期，每個(gè)小區(qū)選取3株具有代表性的植株，采集植株地上部分，采樣后將植株按照葉、莖、雄和穗分開處理，用干燥箱烘至恒質(zhì)量，測定其干物質(zhì)量。收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)選取10株具有代表性的玉米進(jìn)行考種，單穗脫粒，籽粒均脫水至恒質(zhì)量，然后根據(jù)每公頃的株數(shù)計(jì)算單位面積的產(chǎn)量，并計(jì)算收獲指數(shù)。玉米水分利用效率(WUE)的計(jì)算公式為

UWUE=Y/PET

(2)

式中UWUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——單位面積玉米產(chǎn)量，kg/hm2

1.3.3統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel 2010整理后，利用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，利用LSD法檢驗(yàn)差異顯著性(p<0.05)。采用Excel 2010、Surfer 8和SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 同處理下土壤含水率分布特征

灌漿期是玉米需水關(guān)鍵時(shí)期[20-21]，該時(shí)期土壤水分狀況對玉米生長和產(chǎn)量形成至關(guān)重要。從玉米灌漿期內(nèi)各處理土壤體積含水率剖面分布(圖4)，可以看出，土壤含水率在剖面內(nèi)表現(xiàn)出明顯的徑向分布規(guī)律，即越遠(yuǎn)離滴頭，含水率越低。不同土壤水基質(zhì)勢下限處理下土壤剖面含水率差異明顯。2016年灌漿期S1～S5處理0～60 cm土壤剖面體積含水率均值分別為0.35、0.24、0.23、0.19、0.20 cm3/cm3；2017年分別為0.29、0.21、0.21、0.16、0.17 cm3/cm3，即隨著土壤水基質(zhì)勢下限的降低，土壤剖面體積含水率明顯減小。基質(zhì)勢下限最低的S5處理剖面平均含水率稍高于S4處理，這可能是由于S5處理土壤含水率長時(shí)間處于較低水平，使根系生長受到脅迫，吸水能力下降[22-24]，進(jìn)而土壤較深層水分不能被有效吸收利用所造成的。

處理S1～S5土壤水分由表層向深層逐漸遞減(圖4)，且隨著基質(zhì)勢下限的降低土體的濕潤范圍也在減小，由于S1處理基質(zhì)勢下限最高，灌水頻次最高，濕潤體的區(qū)域最大，豎直方向上濕潤范圍可達(dá)60 cm；其它處理濕潤深度一般在30～40 cm以上。值得說明的是，在2016年，基質(zhì)勢下限最低的S5處理膜外(與滴頭水平距離50 cm處)含水率出現(xiàn)了高于膜內(nèi)區(qū)域的現(xiàn)象(圖4e)，這可能是由于該時(shí)期(玉米灌漿期)出現(xiàn)了較大降雨事件(圖1)，水分從膜間裸地入滲導(dǎo)致，而S5處理由于膜下區(qū)域土壤含水率也相對較低，所以此現(xiàn)象較為明顯；而2017年該時(shí)期無降雨發(fā)生，由于裸地強(qiáng)烈蒸發(fā)，造成無地膜覆蓋區(qū)域土壤含水率明顯小于膜內(nèi)位置(圖4f～4j)。但深度60 cm位置處各處理均出現(xiàn)了土壤含水率較大的現(xiàn)象，S5處理尤為明顯(圖4j)，這可能是由于該時(shí)期是周圍農(nóng)田大面積灌水時(shí)期，造成地下水位上升從而通過毛管作用影響根區(qū)土壤水分狀況，而S5處理作物生長較差，根系吸水較少，所以影響更為明顯。而該區(qū)域60～90 cm深度處土壤顆粒中砂粒含量較高(表1)，勢必影響根區(qū)土壤水分與地下水的交換，特別是在地下水位埋深較淺時(shí)的影響更為明顯。

圖4 2016年和2017年玉米灌漿期不同基質(zhì)勢下限處理下土壤含水率分布狀況Fig.4 Soil moisture distributions at grain-filling stage of maize under different treatments of soil matric potential in 2016 and 2017

2.2 玉米生長動(dòng)態(tài)

圖5 玉米生育期內(nèi)不同基質(zhì)勢下限處理下玉米株高Fig.5 Dynamics of plant height of maize under different treatments of soil matric potential during two growing seasons

圖6 玉米生育期內(nèi)不同基質(zhì)勢下限處理下玉米葉面積指數(shù)Fig.6 Dynamics of leaf area index of maize under different treatments of soil matric potential during two growing seasons

不同基質(zhì)勢處理的玉米株高變化在兩年內(nèi)均呈S型生長曲線形式(圖5)。6月中旬到7月中旬正是玉米的拔節(jié)期和抽穗期，株高增長速度較快，在抽穗期達(dá)到整個(gè)生育期的最大值，且在該時(shí)期隨著土壤水基質(zhì)勢下限而降低，玉米株高出現(xiàn)不同程度的減小，基質(zhì)勢下限水平最高的S1處理玉米株高最高，各處理之間差異顯著，且處理差異在降雨量較少的2017年表現(xiàn)更為明顯。葉面積指數(shù)(LAI)均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，拔節(jié)期到抽穗期基本呈直線增長，并在抽穗期達(dá)到最大值，各處理最大值在4～6之間，進(jìn)入成熟期后出現(xiàn)不同程度的減小(圖6)。其中S1、S2和S3處理的LAI大小在生育期內(nèi)差異不明顯，基本保持同步變化，從兩年的變化可以看出土壤水基質(zhì)勢下限控制在-30 kPa以上時(shí)(S1、S2和S3處理)，玉米的葉面積指數(shù)可以維持在較高水平。而S5處理在抽穗期之后LAI出現(xiàn)快速減小的趨勢，發(fā)生早衰現(xiàn)象，這是由于S5處理的灌水量較少導(dǎo)致玉米受到干旱脅迫，抑制了植株莖稈的生長，同時(shí)加速了葉片的枯萎[25]。同樣，在降雨量較少的2017年表現(xiàn)尤為明顯。

2.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素分析

不同土壤水基質(zhì)勢下限，顯著影響著玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成(表2)。各處理間比較發(fā)現(xiàn)，S1、S2、S3處理產(chǎn)量顯著高于S4和S5(p<0.05)，而前三者之間差異不顯著。其中2016年S4、S5處理較S1處理分別減少12.3%、19.3%，2017年則分別減少21.3%、54%。因此，田間土壤水基質(zhì)勢下限控制在-30 kPa時(shí)產(chǎn)量較高，當(dāng)?shù)陀谠撓孪拗禃r(shí)不利于玉米產(chǎn)量的形成。對比兩年的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于2016年生育期內(nèi)降雨較多，即使維持較低土壤水基質(zhì)勢、灌水較少的處理S4和S5也取得了較高的玉米產(chǎn)量，整體高于降雨較少的2017年。但是土壤水基質(zhì)勢下限較高的S1、S2及S3處理受自然降雨的影響不大，兩年均保持較高的產(chǎn)量水平。

表2 不同基質(zhì)勢水平對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.2 Effects of different matric potentials on maize yields and yield components

注：圖中同一指標(biāo)的不同字母表示存在顯著性差異(p<0.05)。

從產(chǎn)量構(gòu)成因素上看，各基質(zhì)勢下限處理下玉米百粒質(zhì)量與穗粒數(shù)整體上隨著基質(zhì)勢下限的提高均呈增加趨勢，且兩年數(shù)據(jù)顯示S1、S2、S3顯著高于S4、S5處理，說明玉米生育期內(nèi)基質(zhì)勢下限控制在小于-30 kPa時(shí)，較低的土壤水基質(zhì)勢會引起干旱脅迫，導(dǎo)致玉米耗水量下降(圖7)，干物質(zhì)的生產(chǎn)不能為玉米籽粒提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，最終抑制了干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成，從而導(dǎo)致穗粒數(shù)與百粒質(zhì)量顯著減小[26]。而基質(zhì)勢下限的提高直接使得根系層貯有足夠的水量，保證籽粒形成過程中水分的供應(yīng)，使得穗粒數(shù)及百粒質(zhì)量增加。相關(guān)性分析結(jié)果表明，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和穗粒數(shù)相關(guān)性最大(R2=0.81)，說明提高穗粒數(shù)是增產(chǎn)的重要途徑；地上部生物量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量緊密線性相關(guān)(R2=0.90)，收獲指數(shù)范圍為0.40～0.59，表明地上部干物質(zhì)的積累是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，穗粒數(shù)多是玉米高產(chǎn)的關(guān)鍵，百粒質(zhì)量高是玉米高產(chǎn)的保證[27]。

2.4 耗水量與水分利用效率

作物ET與WUE是衡量農(nóng)業(yè)水資源利用水平高低和評價(jià)節(jié)水措施的一項(xiàng)重要指標(biāo)[28-30]。2016年各處理ET在318～388 mm，各處理間差異相對較??；而2017年S1處理(SMP為-10 kPa)的ET高達(dá)432 mm，而S5處理(SMP為-50 kPa)僅為196 mm，各處理間差異較大(圖7a)。但2個(gè)生育期內(nèi)玉米ET均隨土壤水基質(zhì)勢下限呈現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系(p<0.05)，R2分別為0.87(2016年)和0.99(2017年)。2個(gè)生育期內(nèi)，WUE均表現(xiàn)為隨著土壤水基質(zhì)勢呈先增大后減小的趨勢(圖7b)，二者之間均呈現(xiàn)顯著的單峰曲線關(guān)系(p< 0.05)，R2分別為0.71(2016年)和0.98 (2017年)。兩年的WUE峰值對應(yīng)的土壤水基質(zhì)勢下限均為-30 kPa，WUE分別為47.8 kg/(hm2·mm)(2016年)和52.5 kg/(hm2·mm)(2017年)。由于2016年降水較多可能在一定程度上掩蓋了不同灌水處理之間的差異，所以處理差異不如2017年明顯。一般地，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)基質(zhì)勢下限控制在-30 kPa時(shí)可以有效提高玉米的WUE。

圖7 不同基質(zhì)勢下玉米耗水量與水分利用效率Fig.7 Evapotranspiration and WUE of maize under different treatments of soil matric potential

3 討論

目前，大多數(shù)膜下滴灌的研究中，都是以不同土壤水分下限為依據(jù)指導(dǎo)田間灌溉[9，31-33]；而土壤含水率的有效性，與土壤結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，而不同類型的土壤，土壤結(jié)構(gòu)必然存在較大差異，即便是同一種土壤，在同一塊地中，也存在很大的空間變異性。在農(nóng)田中種植作物時(shí)往往會施用牛糞、雞糞、羊糞等以及各種專門配制的基質(zhì)，使得耕作層土壤結(jié)構(gòu)變化更大，所以用土壤含水率為依據(jù)確定土壤水分的有效性，有很大的不確定性且實(shí)用性較差。而土壤水基質(zhì)勢擺脫土壤類型、耕作施肥等因素對土壤水分有效性的影響，能夠直接衡量土壤基質(zhì)對水的吸納能力，反映土壤水分對作物的有效供給狀況。通過康躍虎[13]相關(guān)領(lǐng)域的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)用埋在滴頭下面20 cm深處的負(fù)壓計(jì)所測得的土壤水勢值，能夠很好地反映大部分作物根系分布層的土壤基質(zhì)中的水分狀況。所以利用土壤水基質(zhì)勢下限指導(dǎo)河套春玉米膜下滴灌灌溉是一種非常實(shí)用的方法。

本文以不同土壤水基質(zhì)勢作為單因子對河套灌區(qū)膜下滴灌春玉米生長和耗水特性進(jìn)行了探究。類似地，范雅君等[9]用水分虧缺處理的方法設(shè)置了6個(gè)單因子灌水量水平，通過Jensen模型建立了玉米水分生產(chǎn)函數(shù)，對河套地區(qū)玉米膜下滴灌的灌溉制度進(jìn)行了優(yōu)化，得出玉米全生育期的耗水規(guī)律呈中間高兩頭低的變化，全生育期耗水量為536 mm時(shí)，其玉米產(chǎn)量最高為12 871 kg/hm2。相比于其他方法雖然有很好的節(jié)水效果，但是用Jensen模型制定出的灌溉制度依然存在著一定的局限性[34]，灌水量的確定不能具體到某一天。雖然與本研究一樣都是以灌水量作為單因子，而本研究中對玉米的灌水量的確定在時(shí)間尺度上完全可以具體到某一天。當(dāng)基質(zhì)勢下限控制為-40 kPa時(shí)，2016年作物需水量為329 mm，對應(yīng)產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到13 089 kg/hm2，2017年為256 mm產(chǎn)量達(dá)到12 750 kg/hm2；所以高滴灌量處理并不是一種優(yōu)選模式[35]，證明利用監(jiān)測土壤水基質(zhì)勢下限可以更有效地指導(dǎo)玉米膜下滴灌，并可以提高水分利用效率。

近年來多位學(xué)者在多個(gè)地區(qū)研究并提出了不同作物各自適宜的土壤水基質(zhì)勢下限。楊會穎等[36]在甘肅省武威市通過膜下滴灌種植辣椒試驗(yàn)研究了不同土壤水基質(zhì)勢對辣椒產(chǎn)量、耗水和水分利用效率的影響，結(jié)果表明辣椒的水分利用效率隨著基質(zhì)勢控制下限的降低呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，與本文玉米作物在不同基質(zhì)勢下限處理下的水分利用效率變化規(guī)律類似，說明過高的土壤水基質(zhì)勢下限會使得作物根區(qū)水分過剩，造成水分利用效率較低，而土壤水基質(zhì)勢下限控制過低則會導(dǎo)致減產(chǎn)。

前人研究表明，不同作物的耗水特性不同，適宜的灌水下限也不同[37-39]；即使同一作物，在不同的氣候和土壤條件下，其對于不同土壤水分的耗水響應(yīng)也有可能不同，進(jìn)而造成確定膜下滴灌灌水量的土壤水基質(zhì)勢下限不同。任中生等[40]在河套灌區(qū)開展了一年的玉米膜下滴灌田間試驗(yàn)，結(jié)果表明水分利用效率隨基質(zhì)勢控制水平的升高而下降，且以土壤水基質(zhì)勢-40 kPa為最大。而本研究連續(xù)兩年的田間試驗(yàn)中年際降雨差異明顯，通過對比分析根區(qū)土壤水分狀況和作物生長的響應(yīng)及水分利用效率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜下滴灌灌水下限為-30 kPa，在不顯著降低產(chǎn)量的同時(shí)可以獲得最大的水分利用效率，這一結(jié)果與孫貫芳等[16]的研究結(jié)果一致；但與任中生等[40]的結(jié)果不同，原因是其從資源環(huán)境角度考慮了氮素玉米產(chǎn)量的影響。

綜上，本研究結(jié)果表明將土壤水基質(zhì)勢下限控制在合適的范圍時(shí)可以有效提高春玉米的水分利用效率，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果。本研究的結(jié)果將有助于推動(dòng)膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)的推廣，有助于灌區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水和鹽漬化的防治。本研究的不足之處是沒有考慮到施肥頻率對作物生長的影響，而且田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)所包含的處理數(shù)目有限，對探究適宜的土壤水基質(zhì)勢下限存在一定的局限性，在后面的研究中可考慮借助計(jì)算機(jī)模型來進(jìn)一步增加處理數(shù)量，細(xì)化研究內(nèi)容。

4 結(jié)論

(1) 不同土壤水基質(zhì)勢水平下土壤剖面水分分布差異明顯，隨著土壤水基質(zhì)勢控制下限的降低，根區(qū)土壤含水率顯著降低，表明土壤水基質(zhì)勢水平的提高有利于提高根區(qū)土壤含水率。

(2) 當(dāng)基質(zhì)勢下限控制在-30 kPa時(shí)，玉米產(chǎn)量達(dá)到較高水平，且水分利用效率最高，因此建議河套灌區(qū)膜下滴灌種植玉米的土壤水基質(zhì)勢下限控制在-30 kPa為宜。

(3) 土壤水基質(zhì)勢下限控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷷r(shí)，可以有效提高春玉米的水分利用效率，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果。