王 洋，伍 娟，黃興法，李光永

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100083)

畦灌是地面灌溉中的一種灌溉方式，也是中國(guó)最普遍的灌溉方式。通過(guò)研究?jī)?yōu)化畦灌的灌水技術(shù)參數(shù)可以達(dá)到較好的灌水效果，并能有效地減少深層滲漏損失。改水成數(shù)，是指封口時(shí)田面水流推進(jìn)長(zhǎng)度占畦田總長(zhǎng)度的成數(shù)。進(jìn)行封閉畦田畦灌時(shí)，為了防止畦田尾端出現(xiàn)壅水現(xiàn)象而造成灌溉水大量浪費(fèi)的問(wèn)題[1]。研究表明，灌水參數(shù)和畦田規(guī)格參數(shù)是影響畦田灌溉質(zhì)量的重要因素，并且不同的灌水技術(shù)參數(shù)對(duì)畦田灌溉的影響并不相同[2]。畦長(zhǎng)、改水成數(shù)、單寬流量、灌水定額等都是影響畦田灌溉灌水質(zhì)量的主要因素，但各影響因子中改水成數(shù)對(duì)灌水質(zhì)量的影響最大。減小改水成數(shù)的控制誤差，可以提高畦灌灌水效率及灌水均勻度等指標(biāo)。同時(shí)，較大的單寬流量可以有效地減小改水成數(shù)的控制誤差對(duì)灌水質(zhì)量的影響[3]。高劍民等[4]研究不同液施模式下土壤中水氮分布，液施條件下可以改善土壤水氮空間分布，畦寬為1.5 m、灌溉到畦長(zhǎng)1/2時(shí)施肥，改水成數(shù)為95%的施肥方式可以提高灌水效率和水氮分布均勻性。

目前，國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于畦灌的灌水技術(shù)參數(shù)的研究，分析研究了影響畦田灌溉的多種灌水技術(shù)參數(shù)，但是關(guān)于玉米畦灌的重要技術(shù)參數(shù)改水成數(shù)的文章卻較少。因此，在甘肅省民勤縣進(jìn)行田間試驗(yàn)研究，深入研究畦灌的改水成數(shù)，為民勤地區(qū)畦田灌溉灌水技術(shù)參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年4-10月在甘肅省民勤縣新地村榮騰牧業(yè)進(jìn)行，地理位置北緯38°37′，東經(jīng)102°49′。地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游。民勤縣屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，大陸性沙漠氣候特征明顯，冬冷夏熱、降水稀少、晝夜溫差大，年均降水量為127.7 mm，年均蒸發(fā)量2 623 mm，地下水埋深18～25 m。試驗(yàn)區(qū)表層土壤質(zhì)地為沙壤土，下層土壤為壤土，0～60 cm土層內(nèi)平均干容重為1.52 g/cm3，土壤硝態(tài)氮量為47.5 mg/kg。

玉米試驗(yàn)對(duì)象采用民勤當(dāng)?shù)仄贩N先玉335，采用覆膜種植方式。試驗(yàn)區(qū)畦田坡度0.3%，根據(jù)地面灌溉工程技術(shù)管理規(guī)程，畦田規(guī)格為70 m×2.8 m，畦梗的寬度60 cm。畦灌玉米種植行距40 cm，株距22.5 cm，根據(jù)當(dāng)?shù)赜衩追N植密度為9.528 萬(wàn)株/hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

畦灌試驗(yàn)改水成數(shù)設(shè)置3種處理分別為：0.85、0.90和0.95，簡(jiǎn)記Q1、Q2、Q3。處理Q4，灌水周期數(shù)為2的波涌灌溉與改水成數(shù)0.85組合，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，具體試驗(yàn)處理設(shè)置如表1所示。

1.3 測(cè)試及方法

(1)土壤含水量的測(cè)定：采用烘干法測(cè)定土壤的含水量，分別在灌水前和灌水后48 h測(cè)量。每個(gè)處理選取代表小區(qū)取5個(gè)點(diǎn)，沿畦長(zhǎng)方向每15 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)5層，每層20 cm。畦灌灌溉制度計(jì)算公式如下：

M=H(θ后-θ前)/η

(1)

表1 畦灌玉米試驗(yàn)處理設(shè)置表

式中：H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m；θ后為灌后含水量，體積%；θ前為灌前含水量，體積%；η為灌溉水利用系數(shù)，取0.9。

(2)玉米田間儲(chǔ)水量：一次灌水后，土壤儲(chǔ)水量增加量計(jì)算公式為：

ΔW=h(θ2-θ1)

(2)

式中：ΔW為土壤儲(chǔ)水量增加量，mm；h為土壤厚度，mm；θ1為灌水前土壤體積含水率；θ2為灌水后土壤體積含水率。

(3)土壤硝態(tài)氮的測(cè)定：抽穗期玉米生理活動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)硝態(tài)氮的需求最大，土壤中硝態(tài)氮含量變化幅度最大，因此在玉米抽穗期取灌水前、后土壤，每個(gè)處理的測(cè)點(diǎn)位置及取土方法與測(cè)定土壤含水量的取土位置相同。使用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)量土壤中的硝態(tài)氮含量。

(4)玉米產(chǎn)量的測(cè)定：在玉米成熟期各處理每個(gè)小區(qū)取15 m長(zhǎng)、6行寬的玉米進(jìn)行考種，計(jì)算求得平均產(chǎn)量值即為該處理的產(chǎn)量值。

采用Excel 2013、Surfer 15作圖，SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春玉米畦灌灌溉制度

畦灌全生育期灌水7次，由于試驗(yàn)處理是改水成數(shù)，各個(gè)處理的灌溉定額并不相同，實(shí)際灌水時(shí)將根據(jù)2018年試驗(yàn)中玉米生育期及階段耗水量比例、各生育期天數(shù)、降雨量及土壤墑情進(jìn)行灌溉，畦灌灌溉制度如表2所示。

表2 2018年春玉米畦灌試驗(yàn)灌溉制度 mm

2.2 土壤儲(chǔ)水量變化規(guī)律

土壤儲(chǔ)水量對(duì)農(nóng)業(yè)作物生長(zhǎng)有著非常重要的意義，土壤儲(chǔ)水量的變化值可反映一次灌水的灌水量，對(duì)土壤儲(chǔ)水量的定量計(jì)算也是必不可少的部分[5]。根據(jù)土壤水分分布規(guī)律，將100 cm土層劃分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。以灌漿期7月23日灌水為例，各層土壤儲(chǔ)水量變化如圖1所示。

圖1中4個(gè)處理Q1、Q2、Q3、Q4的平均灌水定額分別是：50.7、56.9、68.0、57.3 mm。從圖1可得出，各處理不同土層儲(chǔ)水量隨著土壤深度增加，儲(chǔ)水量出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；土壤累積儲(chǔ)水量隨著距畦首距離的增加而逐漸減少。圖1(a)～圖1(c)比較得出，處理Q3的土壤儲(chǔ)水量最大，土壤累積儲(chǔ)存量更加接近計(jì)劃灌水定額，處理Q1的土壤儲(chǔ)水量最小，說(shuō)明改水成數(shù)越大，灌入田間的水量越多，土壤累積儲(chǔ)水量越多，且畦首和畦尾儲(chǔ)水量差值越小。

圖2為畦灌不同處理土層內(nèi)儲(chǔ)水量沿畦長(zhǎng)方向擬合規(guī)律，從圖2可以看出，土層內(nèi)累積儲(chǔ)水量與距畦首距離呈指數(shù)關(guān)系[6]，且改水成數(shù)越大，擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2越大，擬合效果越好。由擬合結(jié)果得出Q1、Q2、Q3、Q4畦首儲(chǔ)水量分別為87.9、94.8、119.6、83.9 mm，畦尾儲(chǔ)水量分別為24.2、35.5、40.8、43.2 mm。比較Q1、Q2、Q3，處理Q3的畦首和畦尾儲(chǔ)水量差值較小，相差65.9%，但處理Q3的擬合規(guī)律圖顯示畦首的儲(chǔ)水量約120 mm，說(shuō)明改水成數(shù)0.95在畦田首段會(huì)出現(xiàn)較多的深層滲漏水。處理Q4首、尾端的土壤儲(chǔ)水量相差48.5%，在各處理中的差值最小，說(shuō)明波涌灌溉方式可以減小土壤畦首和畦尾的儲(chǔ)水量差值。處理Q1畦尾的儲(chǔ)水量小于30 mm，雖然改水成數(shù)越小農(nóng)田灌溉越節(jié)水，但是畦田灌溉灌水周期長(zhǎng)，土壤儲(chǔ)水量不足以維持到下次灌水，不能滿足畦田玉米正常生長(zhǎng)所需的水分。

圖2 各處理土層內(nèi)儲(chǔ)水量沿畦長(zhǎng)方向擬合規(guī)律圖

2.3 土壤硝態(tài)氮分布規(guī)律

畦灌土壤中硝態(tài)氮含量的變化與施肥方式、施肥時(shí)機(jī)、入畦單寬流量、土壤質(zhì)地、坡度、肥液濃度等有密切關(guān)系[7]。選擇合適的施肥方式、施肥時(shí)機(jī)、入畦單寬流量可為作物吸收利用提供相對(duì)均勻的土壤水氮分布狀態(tài)[8]。Playan E等[9]研究得出，較大入畦流量下灌溉中期施肥可獲得較為理想的施肥和灌水均勻性效果。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，本試驗(yàn)采用預(yù)先充分溶解氮肥，灌溉水流到畦田中段開(kāi)始施肥。探究畦灌灌水施肥后土壤硝態(tài)氮沿畦長(zhǎng)方向0～70 m和垂直方向0～100 cm分布情況，選取7月29日灌水后土壤硝態(tài)氮變化量，畦灌改水成數(shù)處理對(duì)土壤硝態(tài)氮分布如圖3所示。

從圖3得出，土壤硝態(tài)氮垂直方向變化：硝態(tài)氮隨水分垂直運(yùn)移，深度增大，硝態(tài)氮含量變化梯度減小。處理Q1改水成數(shù)0.85，灌水定額最小，硝態(tài)氮遷移下滲量少；處理Q3改水成數(shù)0.95，灌水定額最大，硝態(tài)氮遷移下滲量多。說(shuō)明垂直方向硝態(tài)氮運(yùn)移量隨著改水成數(shù)增大而增加。土壤硝態(tài)氮沿畦長(zhǎng)方向變化：畦田首段土壤硝態(tài)氮變化量大小為Q1>Q2>Q3，說(shuō)明改水成數(shù)越大，硝態(tài)氮隨灌溉水沿畦長(zhǎng)方向運(yùn)移量越多，首段硝態(tài)氮變化量減少。畦田尾端土壤硝態(tài)氮變化量Q1

圖3 玉米畦灌施肥后的土壤硝態(tài)氮含量變化(單位：mg/kg)

注：圖3具體數(shù)值含義為7月29日施肥前后土壤硝態(tài)氮含量變化，mg/kg。土壤硝態(tài)氮變化量越大圖中顏色越深。

改水成數(shù)與土壤硝態(tài)氮分布有密切關(guān)系。改水成數(shù)越大，土壤硝態(tài)氮分布會(huì)更加均勻。在各處理中灌水周期2的波涌灌與改水成數(shù)0.85組合，土壤硝態(tài)氮分布最均勻[12]。僅從硝態(tài)氮分布均勻性而言，處理Q3、Q4為玉米提供更好的養(yǎng)分條件。

2.4 畦灌灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外專家提出了多個(gè)分析評(píng)價(jià)農(nóng)田灌溉方法的田間灌水質(zhì)量指標(biāo)。本試驗(yàn)主要從灌水效率Ea和灌水均勻度CUW兩個(gè)方面進(jìn)行分析。畦灌灌水效率與灌水均勻度的計(jì)算數(shù)值如圖4所示。

圖4 畦灌改水成數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

畦灌灌水效率與灌水均勻度試驗(yàn)結(jié)果與楊麗麗[13]基于Meta-分析畦灌灌水質(zhì)量的結(jié)果基本符合。由圖4所知，畦灌處理灌水均勻度與灌水效率變化趨勢(shì)相同，灌水效率和灌水均勻度隨改水成數(shù)的增大而增大。灌水效率Ea和灌水均勻度CUW由大到小排序?yàn)镼4>Q3>Q2>Q1，處理Q1的Ea和CUW在各處理中最小，處理Q4的Ea和CUW在各處理中最大。根據(jù)史學(xué)斌等[14]關(guān)于關(guān)中西部畦灌優(yōu)化灌水技術(shù)要素組合的初步研究，提出灌水效率Ea≥80%、灌水均勻度CUW≥80%。民勤的畦灌試驗(yàn)處理只有Q3、Q4達(dá)到灌溉評(píng)價(jià)指標(biāo)，Q4的灌水效率和灌水均勻度較高，說(shuō)明波涌灌溉能提高畦灌的灌水效率和灌水均勻度，采用波涌灌溉灌水方式可以選擇較小的改水成數(shù)。

2.5 玉米田間耗水量和產(chǎn)量

通過(guò)各處理的玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素分析、耗水量分析，得出改水成數(shù)對(duì)畦灌玉米的影響。表3為不同玉米處理產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量、生育期耗水量及水分利用效率。

表3 不同處理玉米產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率

注：*表示在P0.05水平下差異顯著，**表示在P0.01水平下差異顯著。a、b表示改水成數(shù)對(duì)各個(gè)因素的統(tǒng)計(jì)顯著性。

由表3可知，分析Q1、Q2、Q3處理，隨著改水成數(shù)的增加，玉米的穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量也隨之增加。通過(guò)玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素顯著性分析，不同改水成數(shù)處理對(duì)于玉米的禿尖、穗粒數(shù)沒(méi)有顯著影響，但對(duì)于玉米百粒重有顯著影響，從而影響各處理的玉米實(shí)測(cè)產(chǎn)量[15]。改水成數(shù)0.95的玉米籽粒最重，改水成數(shù)0.85的玉米籽粒質(zhì)量最小，說(shuō)明不同改水成數(shù)通過(guò)影響玉米籽粒重而影響玉米的產(chǎn)量。畦灌各處理產(chǎn)量和耗水量大小為：Q3>Q4>Q2>Q1，處理Q3的產(chǎn)量和耗水量最大，分別為13 563.6 kg/hm2、510.6 mm。比較Q1與Q3，Q3比Q1的耗水量多43 mm，產(chǎn)量Q3比Q1多2 000 kg/hm2。處理Q3的水分利用效率最大，而Q1的水分利用效率最小，水分利用效率Q3比Q1大6%。處理Q4產(chǎn)量和水分利用效率比Q3分別低5%、1.5%，兩者相差不大，處理Q4的玉米產(chǎn)量低于處理Q3，原因可能是處理Q3的灌水量最多。從產(chǎn)量和水分利用效率分析，處理Q3、Q4的玉米產(chǎn)量高，能帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)收益。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)畦灌改水成數(shù)與土壤儲(chǔ)水量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤儲(chǔ)水量隨改水成數(shù)增大而增加。較小的改水成數(shù)會(huì)造成畦田首、尾段的土壤水分分布不均勻，改水成數(shù)0.85處理土壤中的儲(chǔ)水量最小，土壤水分不能滿足作物的生長(zhǎng)要求。波涌灌溉與改水成數(shù)0.85組合可以提高土壤水分分布的均勻度和土壤含水量。畦灌土壤儲(chǔ)水量沿畦長(zhǎng)方向符合指數(shù)關(guān)系，且改水成數(shù)越大，擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2越大，擬合效果越好。

(2)畦灌改水成數(shù)對(duì)土壤硝態(tài)氮分布影響顯著，沿畦長(zhǎng)方向土壤硝態(tài)氮分布隨改水成數(shù)增大而越均勻，同時(shí)畦灌灌水評(píng)價(jià)指標(biāo)灌水效率和灌水均勻度隨改水成數(shù)的增大而增大。改水成數(shù)0.95、波涌灌溉改水成數(shù)0.85的土壤硝態(tài)氮分布均勻，灌水效率和灌水均勻度都達(dá)到80%。

(3)畦灌改水成數(shù)對(duì)玉米的百粒重和產(chǎn)量有顯著影響，改水成數(shù)大，尾段玉米的產(chǎn)量高，所以改水成數(shù)0.95的玉米耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率最大。同時(shí)，波涌灌溉與改水成數(shù)0.85組合處理的產(chǎn)量也相對(duì)較高。

綜上所述，改水成數(shù)0.95的土壤水氮分布相對(duì)均勻，玉米的產(chǎn)量最高，改水成數(shù)0.95可作為民勤地區(qū)春玉米畦灌灌水參數(shù)。如果從節(jié)水角度考慮，采用波涌灌溉灌水方式可以使用0.85改水成數(shù)。