邱新強(qiáng)，張明智，2，張玉順，王 敏，秦海霞，路振廣

（1.河南省水利科學(xué)研究院河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，鄭州450003；2.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710048）

0 引言

黃淮平原是全國(guó)重要的夏玉米主產(chǎn)區(qū)和高產(chǎn)區(qū)。受季風(fēng)性氣候影響，該地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)恰逢雨季，正常年份基本不需要灌溉，但由于特定生育期內(nèi)雨熱不同步，需求不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致階段性干旱時(shí)有發(fā)生[1]。自20世紀(jì)60年代以來(lái)的近50年間，該地區(qū)夏玉米各等級(jí)干旱頻率以輕旱最為明顯，發(fā)生頻率多為5年一遇至3年一遇[2]，夏玉米灌溉用水仍占農(nóng)業(yè)用水的30%～40%[3,4]。因此，以高產(chǎn)兼顧高水分生產(chǎn)率為目標(biāo)，尋求具體可操作的夏玉米節(jié)水高效灌溉控制指標(biāo)，不僅有助于降低干旱及農(nóng)業(yè)水資源短缺所造成的糧食減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，且能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水可持續(xù)發(fā)展。

作物生長(zhǎng)離不開水分，為了滿足作物生長(zhǎng)的要求，需要用人為的方法來(lái)適時(shí)適量地補(bǔ)充天然降水的不足[5]。目前已有相關(guān)研究多基于作物水分生產(chǎn)函數(shù)，尋求有限水量對(duì)作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大的生育時(shí)段，以確保獲得總產(chǎn)量和效益最佳，或者追求有限水量條件下的產(chǎn)量損失最小。灌水定額優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)作物非充分灌溉的基礎(chǔ)，旱后恰當(dāng)?shù)墓嗨坑兄诩涌熘参锘謴?fù)速度[6]，而特定生育階段的灌水定額增加不僅對(duì)增產(chǎn)無(wú)益，而且浪費(fèi)水量[7]。在特定范圍內(nèi)，灌溉定額的增加對(duì)夏玉米的籽粒產(chǎn)量形成具有正效應(yīng)，但灌溉定額的增加與其水分利用效率的提高并不完全同步，在低灌溉定額時(shí)仍能獲得較高的水分利用效率[8-10]。正常生產(chǎn)條件下，苗期灌水定額增加對(duì)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響不大，但會(huì)明顯增加苗期耗水[7]，而拔節(jié)期受輕旱后及時(shí)復(fù)水仍可保證夏玉米正常生長(zhǎng)[10,11]。總之，較大灌水定額造成深層滲漏損失加大，田間水利用系數(shù)較小，而減小灌水定額是提高灌溉水利用率的有效途徑之一?；诖耍瑪M通過(guò)測(cè)坑控制試驗(yàn)，對(duì)低定額補(bǔ)灌的可行性，以及節(jié)水高產(chǎn)目標(biāo)下合理灌水定額的合理選擇進(jìn)行分析，以期為該地區(qū)夏玉米節(jié)水高效灌溉制度的制定提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于許昌市灌溉試驗(yàn)站基地（113°24'E，34°76'N）內(nèi)帶有電動(dòng)防雨棚的有底測(cè)坑（長(zhǎng)×寬×高=3.6 m×2.4 m×2 m）中進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔85.0 m；多年平均氣溫14.7 ℃，年平均降雨量698 mm，8-10月降水量占全年降水量的65%以上，無(wú)霜期216.4 d，全年日照時(shí)間約2 183 h。土壤為中壤土，1 m土層平均干容重為1.53 g/cm3，田間持水量為25.40%（重量含水率），淺層地下水埋深30～40 m。

供試品種為“宇玉30”，人工點(diǎn)播，每穴點(diǎn)2～3 粒，每個(gè)測(cè)坑種5行，每行10株，行距48 cm，株距36 cm，密度5.8 萬(wàn)株/hm2。兩季夏玉米分別于2016年6月13日、2017年6月7日播種，均于當(dāng)年9月21日收獲，全生育期分別為101、106 d。播前人工溝施底肥750 kg/hm2（N-P-K=28-6-6），施肥深度15～20 cm，并分別于當(dāng)年7月16日、7月10日追施尿素300 kg/hm2；播后灌蒙頭水60 mm，灌溉水源為井水，由自計(jì)加水機(jī)計(jì)量。間苗、定苗、除草、病蟲害防治等農(nóng)事管理均保持一致。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要考慮土壤水分脅迫和灌水定額二因素，脅迫程度通過(guò)控制灌水下限來(lái)實(shí)現(xiàn)（由相對(duì)含水量表征），隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)灌水定額水平（30、45、60、75和90 mm）和4 個(gè)灌水控制下限水平（適宜/CK1、輕旱/LD、中旱/MD 和重旱/CK2）。受限于試驗(yàn)條件，CK1、CK2 兩處理各設(shè)置3 個(gè)灌水定額水平（30、75 和90 mm），共16 個(gè)處理，2次重復(fù)，合計(jì)32個(gè)處理小區(qū)。各處理苗期、拔節(jié)期、抽雄期和灌漿成熟期的土壤水分控制下限見表1。當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤水分低于灌水控制下限時(shí)，按照既定的灌水定額進(jìn)行灌溉，各處理實(shí)際灌水情況見表1。

1.3 主要觀測(cè)項(xiàng)目

（1）采用TRIME-IPH 土壤水分測(cè)量系統(tǒng)和取土烘干法測(cè)定土壤含水率，深度100 cm，每20 cm 為一層，7～10 d 測(cè)一次，灌前、灌后均加測(cè)。采用水量平衡法計(jì)算作物耗水量。

（2）人工收獲，并考種、測(cè)產(chǎn)。考種取樣10 株（10 次重復(fù)），觀測(cè)百粒重、穗長(zhǎng)、穗粗、穗行數(shù)、禿尖長(zhǎng)等，脫粒后風(fēng)干觀測(cè)產(chǎn)量和百粒重。

（3）利用SPSS 22.0進(jìn)行均值誤差分析，采用OriginPro 9.0作圖，差異顯著分析采用F檢驗(yàn)，顯著水平設(shè)置為P＜0.05，圖表中數(shù)據(jù)除特殊標(biāo)注外均為所有重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下夏玉米的耗水特性分析

不同水分處理?xiàng)l件下夏玉米的階段耗水量見表2。由表2可知，夏玉米全生育期總耗水量分別為142.29～349.08 mm（2016年）、168.88～407.43 mm（2017年），其中CK1 處理的總耗水量均值較CK2 處理分別提高了約77.9%、63.4%。同一水分脅迫水平下，夏玉米的總耗水量基本呈先增加后減小變化；同一灌水定額下，輕旱處理的總耗水量總體較大。

夏玉米的階段耗水量在生育期內(nèi)總體呈“升高→降低→升高”的波狀變化，其耗水強(qiáng)度則呈單峰曲線變化，其中拔節(jié)期和灌漿成熟期的階段耗水量較高，耗水強(qiáng)度的峰值集中于抽雄期。隨著水分脅迫程度的加劇，夏玉米各階段耗水量普遍呈下降變化，其中灌漿成熟期的降幅最大，苗期變幅總體較小。輕旱條件下，拔節(jié)期、抽雄期與灌漿成熟期的耗水量隨著灌水定額的增加呈單峰曲線變化，其中LD60 和LD75兩處理的耗水量總體較高；中旱條件下，各階段耗水量并未隨灌水定額增加呈現(xiàn)出明顯的趨勢(shì)性變化，可能與處理間的灌溉周期差異較大有關(guān)。

2.2 不同處理下夏玉米的穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因子變化

由表3和表4可知，夏玉米的果穗長(zhǎng)度和直徑分別在15.12～21.36 cm 和3.93～4.90 cm 之間，其穗行數(shù)集中于13～15行，禿尖長(zhǎng)度則普遍小于2 cm；兩季夏玉米穗粒重、百粒重和出籽率的均值分別為102.3 g（變異系數(shù)CV≈19.14%）、31.56 g（CV≈8.80%）和82.25%（CV≈2.05%）。對(duì)比可知，隨著水分脅迫程度的加劇，夏玉米果穗長(zhǎng)度、直徑、穗行數(shù)、穗粒重和百粒重總體呈下降趨勢(shì)變化，禿尖長(zhǎng)度增加，出籽率變幅則較小。方差分析結(jié)果顯示，水分虧缺和灌水定額對(duì)兩季夏玉米果穗的長(zhǎng)度、直徑、穗粒重以及百粒重均產(chǎn)生顯著影響，禿尖長(zhǎng)和出籽率的處理間差異均不顯著。

表3 不同處理下夏玉米的穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因子（2016年）

表4 不同處理下夏玉米的穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因子（2017年）

隨著灌水定額增加，輕旱各處理的果穗長(zhǎng)度、直徑、穗粒重和百粒重等指標(biāo)表現(xiàn)出一定的趨勢(shì)線變化，但存在年際間差異，這一現(xiàn)象在中旱各處理間同樣有所體現(xiàn)，而兩季夏玉米穗行數(shù)、禿尖長(zhǎng)和出籽率的處理間差異普遍不顯著。綜合比較，輕旱水平下LD60 和LD75 兩處理的表現(xiàn)較好，且年際間變異不大；中旱水平下MD45 和MD90 處理的穗部性狀表現(xiàn)較好，但存在一定的年際間差異。

2.3 夏玉米耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

2.3.1 夏玉米產(chǎn)量與耗水量之間的關(guān)系

不同水分處理?xiàng)l件下夏玉米產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系見圖1。由圖1 可知，兩季夏玉米產(chǎn)量與耗水量呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系，公式如下：

圖1 夏玉米產(chǎn)量與耗水量關(guān)系

式中：Y為夏玉米產(chǎn)量，kg/hm2；ET為夏玉米的總耗水量，mm。

對(duì)公式兩邊求導(dǎo)，并令dY/dET=0，可知夏玉米的耗水量為449.0 mm時(shí)，其籽粒產(chǎn)量達(dá)到峰值，約為7 671.7 kg/hm2。

2.3.2 夏玉米產(chǎn)量與水分利用效率

由表5可知，同一水分虧缺水平下，兩季夏玉米的籽粒產(chǎn)量和耗水量均值分別約為7 384.6 kg/hm2和354.93 mm（CK1）、6 457 kg/hm2和266.13 mm（LD）、5 140.3 kg/hm2和205.58 mm（MD）、4 631.6 kg/hm2和208.75 mm（CK2），可見夏玉米的籽粒產(chǎn)量和耗水量隨著水分脅迫程度的加劇明顯呈下降趨勢(shì)變化；此外，灌水定額45～75 mm 處理的籽粒產(chǎn)量總體表現(xiàn)較好，其中灌水定額60 mm 處理的總體表現(xiàn)最優(yōu)且年際間變異最?。–V值低于5.05%）。方差分析結(jié)果顯示，水分虧缺和灌水定額對(duì)兩季夏玉米籽粒產(chǎn)量和耗水量的影響均已達(dá)到顯著水平，二者交互作用對(duì)其籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生了極顯著影響。值得注意的是，MD90處理的籽粒產(chǎn)量與MD60處理間差異不顯著，且年際間表現(xiàn)穩(wěn)定（CV≈0.64%），可見適度提高灌水定額有助于保證產(chǎn)量，這也為夏玉米在水分虧缺條件下獲得較高WUE奠定了基礎(chǔ)。

本試驗(yàn)中，兩季夏玉米的WUE分別為2.08～3.14 kg/m3（2016年）和1.68～2.70 kg/m3（2017年）。對(duì)比可知，CK1各處理的WUE值總體較低；輕旱處理的WUE均值較CK1處理有所提高，其中LD60 和LD90 兩處理的WUE值總是較高，但二者均存在一定的年際間差異，這主要與其耗水量的年際間差異較大有關(guān)；中旱各處理的WUE值總體較高且年際間差異不大，處理間差異均不顯著。隨著灌水定額增加，2016年度各處理的WUE值均呈上升趨勢(shì)變化，2017年度則呈波動(dòng)變化。總之，從獲得較高的產(chǎn)量兼顧高WUE角度考慮，本試驗(yàn)中LD60處理的表現(xiàn)最優(yōu)。

3 討論和結(jié)論

水分是保證夏玉米正常生長(zhǎng)發(fā)育并獲得產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，適時(shí)適量地灌溉有助于夏玉米實(shí)現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)。灌水控制下限作為土壤供給作物可利用水分的臨界值，決定著作物灌水的開始時(shí)間和灌水次數(shù)，也影響灌水量的確定[12]。根據(jù)我國(guó)北方各地經(jīng)驗(yàn)，作物對(duì)土壤水分降低的適應(yīng)性有相當(dāng)寬的伸縮幅度，適宜土壤水分下限值可以從65%～70%田間持水率降低到50%～55%田間持水率，作物仍能正常生長(zhǎng)，并獲得相當(dāng)理想的產(chǎn)量，而且使田間耗水減少30%～40%，灌水次數(shù)和灌水定額減少一半或者更多。已有研究也證實(shí)，苗期適度干旱有利于壯苗和促進(jìn)根系的深扎[13,14]，當(dāng)灌水控制下限控制在50%以上水平時(shí)，可保證夏玉米獲得較高的產(chǎn)量，WUE也顯著提高[10,15]。本試驗(yàn)也得到了相同的變化趨勢(shì)，但以輕旱各處理的產(chǎn)量和WUE表現(xiàn)最優(yōu)，出現(xiàn)這種差異可能與深松耕的擴(kuò)容增墑（增加孔隙度、田間持水量和飽和含水量）[16]效果顯著有關(guān)。相反，較高的灌水下限使得土壤水分無(wú)效消耗增加，降低了作物水分利用效率[16]。

適宜的灌水定額，應(yīng)以作物需水要求為主，并適當(dāng)考慮實(shí)際灌水的可能性。地面灌溉是當(dāng)前黃淮平原農(nóng)田普遍采用的補(bǔ)水措施，孫景生等[17]采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)優(yōu)化得出了夏玉米的最優(yōu)灌水時(shí)間和灌水定額，提出夏玉米拔節(jié)后的灌水定額為60 mm。本試驗(yàn)中，LD60 處理可以獲得穩(wěn)定的產(chǎn)量和較高的WUE，且年際間變異不大。也有研究認(rèn)為，生長(zhǎng)后期采用較大的灌水定額，同樣有利于產(chǎn)量形成和水分利用效率提高[10,18,19]，前提是足夠低的灌水控制下限的應(yīng)用，該思路與黃淮平原地區(qū)夏玉米大田灌溉管理現(xiàn)狀基本吻合。本試驗(yàn)中，不同灌水定額下夏玉米各處理的WUE在數(shù)值上不盡相同，且存在一定的年際間差異，其中灌水定額60 和90 mm 處理的WUE普遍較高。穗粒重是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，高產(chǎn)玉米品種的單穗粒重為201～300 g 的穗數(shù)占群體穗數(shù)的比例高達(dá)83.05%[20]，本試驗(yàn)的平均單穗粒重僅為102.3 g，這也是最終籽粒產(chǎn)量總體不高的原因所在，此種情況應(yīng)與品種特性有較大關(guān)系，也從另一方面反映了該品種抗旱性的某些特點(diǎn)?？傊?，綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)狀及夏玉米生育期恰逢雨季這一事實(shí)，夏玉米低定額補(bǔ)灌是可行的，但灌水定額不宜小于60 mm；拔節(jié)后遭受輕度水分脅迫時(shí)灌水60 mm 可滿足需求，中度以上干旱時(shí)建議適當(dāng)增加灌水量，更有利于夏玉米抗旱穩(wěn)產(chǎn)。