玉米不僅是中國(guó)重要的糧食作物，且兼有經(jīng)濟(jì)、飼料、能量等多重重要屬性，是不可或缺的一大戰(zhàn)略資源；玉米秸稈能夠用作加工飼料，秸稈還田還可用作土壤肥料，秸稈加工亦能用于燃料制作等。但目前不僅存在于中國(guó)、也是全世界共同的一個(gè)現(xiàn)狀是：水資源非常短缺，傳統(tǒng)的如溝灌、漫灌和噴灌等方式易造成水資源浪費(fèi)，灌水后也易造成作物根系的短暫性缺氧、對(duì)其根系呼吸造成抑制。為改善傳統(tǒng)灌溉施肥的生產(chǎn)模式、解決上述弊端，本文以玉米為試驗(yàn)對(duì)象，提出水肥氣一體化智能栽培技術(shù)的應(yīng)用，并在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式的對(duì)照比較下，進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)一步明確水肥氣一體化智能栽培技術(shù)在應(yīng)用上凸顯出的優(yōu)勢(shì)，并以此為主要方向探索栽培技術(shù)的創(chuàng)新和完善，探索提高作物產(chǎn)量、改善作物形狀的有力途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)選擇在河南省永城市某個(gè)試驗(yàn)農(nóng)田，試驗(yàn)所在地氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，該地有分明的四季和充足的光照，日照時(shí)間年平均在2 049 h、氣溫年平均在14.3℃、降水量年平均在871.3 mm，全年無(wú)霜期是209 d。該試驗(yàn)農(nóng)田土壤物理性質(zhì)：含有機(jī)質(zhì)20 g/kg、有效磷1.2 mg/kg、全氮1.2 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為“鄭單958”。2021年5月進(jìn)行穴播，收獲時(shí)間為2021年10月。設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)小組，各試驗(yàn)小組以1 m為間隔，以防相互造成影響。其余田間管理方法各小組均相同，并于試驗(yàn)田周圍設(shè)計(jì)有保護(hù)行。

2個(gè)試驗(yàn)小組分別為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式和水肥氣一體化智能栽培模式，區(qū)別在于施肥的方式和是否對(duì)土壤進(jìn)行通氣處理。在單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的前提下展開(kāi)試驗(yàn)研究；傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式小組采取的處理方法為：不通氣與常規(guī)施肥；水肥氣一體化智能栽培試驗(yàn)小組為通氣+液肥。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式試驗(yàn)小組在全部玉米生育周期中進(jìn)行12次灌水（并不做通氣處理），進(jìn)行5次施肥，分別在：玉米苗期時(shí)施肥1次、喇叭口期時(shí)施肥2次，其余2次分別在孕穗期與灌漿期。

智能化技術(shù)試驗(yàn)研究組則全程以水肥氣一體化智能設(shè)備來(lái)栽種玉米，包括灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)以及過(guò)濾系統(tǒng)；分析其工作原理：（1）進(jìn)行作物的初始灌溉時(shí)，開(kāi)啟供水泵（為恒壓狀態(tài)），促使水流進(jìn)入過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，使過(guò)濾之后的水分經(jīng)滲灌管運(yùn)輸至田間，這一流程能夠基于PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際所需進(jìn)行灌水，并自主調(diào)節(jié)在灌溉上需要花費(fèi)的時(shí)間。（2）當(dāng)對(duì)作物進(jìn)行施肥時(shí)，將供水泵打開(kāi)，合理調(diào)配施肥用量，注入水分，注入量以施肥罐中預(yù)設(shè)液位最高值為標(biāo)準(zhǔn)，可超過(guò)該液位，或正處于該液位時(shí)，暫停注水，受壓力影響，施肥罐便可以將液肥注入至滲灌管并作用于試驗(yàn)田。該系統(tǒng)基于自主控制系統(tǒng)，相應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)施肥在用量上與時(shí)間上的把控與調(diào)節(jié)，促進(jìn)養(yǎng)分有效性的提高，由于滲灌管是經(jīng)地下埋設(shè)，所以可以實(shí)現(xiàn)水分、養(yǎng)分直接對(duì)作物根部產(chǎn)生作用，促進(jìn)水分、養(yǎng)分的應(yīng)用效率，并有利于作物根系充分吸收這些水分和養(yǎng)分，避免浪費(fèi)；基于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移，為作物生長(zhǎng)提供有利基礎(chǔ)。（3）通氣設(shè)備連接供水管、再連接田間滲灌管，當(dāng)完成灌溉、關(guān)閉水泵之后，通氣設(shè)備隨之開(kāi)啟，即開(kāi)始管道的通氣增氧，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米根系土壤的通氣作用、提高土壤中的含氧量。

在本系統(tǒng)中，考慮到玉米無(wú)論是在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)還是物質(zhì)合成時(shí)，都不能缺少水分加持的這一關(guān)鍵條件，且又要考量到防止灌水量太多而帶來(lái)呼吸困難的問(wèn)題、解決水分與養(yǎng)分的難以吸收，盡量避免發(fā)生無(wú)消耗水的問(wèn)題；另外還需要注意，不能由于減少灌水量而導(dǎo)致不足的問(wèn)題，滿足不了玉米基本的生長(zhǎng)發(fā)育需求，以防作物發(fā)生籽粒缺陷、產(chǎn)量降低等后果。同時(shí)，考慮到從肥料施用量上的良好把控能夠在很大程度上促進(jìn)增產(chǎn)增效，保證玉米對(duì)氮、磷等養(yǎng)分的有效吸收，但也要考慮到若肥料投入較大、會(huì)在一定程度上降低肥料養(yǎng)分利用率，所以，要在確?；世眯实幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)適宜的施肥量。另外，土壤中的氣體和水分兼具重要性，土壤的通氣處理有利于改善作物根系因灌水而導(dǎo)致發(fā)生的缺氧問(wèn)題。綜上所述，在本次試驗(yàn)的水肥氣一體化智能系統(tǒng)中，施肥量為650 kg/hm2、通氣量為 2 000 m3/hm2時(shí)，灌水量設(shè)計(jì)為3 600 m3/hm2。

1.3 測(cè)試指標(biāo)

主要的農(nóng)藝性狀監(jiān)測(cè)指標(biāo)有：玉米株高、莖粗以及玉米產(chǎn)量；通過(guò)統(tǒng)計(jì)這些指標(biāo)數(shù)據(jù)，目的是反映玉米生長(zhǎng)發(fā)育情況和物質(zhì)積累量；統(tǒng)計(jì)根長(zhǎng)、干重的指標(biāo)數(shù)據(jù)，目的是反映作物吸收土壤中水分和養(yǎng)分的能力。

1.3.1 關(guān)于農(nóng)藝性狀相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定

玉米進(jìn)入成熟期，在不同試驗(yàn)處理小組隨機(jī)則取10株典型玉米，使用游標(biāo)卡尺對(duì)玉米的莖粗進(jìn)行測(cè)定，莖粗的界定為：取玉米根系在土壤上部的第二、第三節(jié)中間處測(cè)量直徑。卷尺測(cè)量玉米株高：保持植株和地面的垂直度，對(duì)植株最高值進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算平均數(shù)據(jù)值；收獲后，測(cè)量各小區(qū)選定玉米的單穗重量，10株植株相加之和則是玉米產(chǎn)量。

1.3.2 根系指標(biāo)

取各處理小區(qū)有代表性的10株玉米，剪除根系上方氣根至莖基部后獲得根系，處理好伴隨土壤；均勻烘干即可。基于105℃的溫度要求，持續(xù)殺青30 min，并烘干到恒重，稱量根系干物質(zhì)重，用于計(jì)算根干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采取SPSS25.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件做數(shù)據(jù)處理，測(cè)試指標(biāo)統(tǒng)一表達(dá)形式為：均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)據(jù)之間的差異值使用t檢驗(yàn)方法，測(cè)得結(jié)果P＜0.05表示差異性大、符合統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2個(gè)試驗(yàn)組的玉米農(nóng)藝性狀與根系生長(zhǎng)數(shù)據(jù)對(duì)照結(jié)果見(jiàn)表1所示，由數(shù)據(jù)可知，相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式，采取水肥氣一體化智能栽培技術(shù)的試驗(yàn)小組玉米株高平均值提高了1.93%、莖粗平均值提高了7.12%、產(chǎn)量平均值提高了9.18%、根長(zhǎng)提高了1.21%、根干重提高了18.55%。提示采用水肥氣一體化智能栽培技術(shù)能夠顯著提高玉米的株高、莖粗、產(chǎn)量、根長(zhǎng)和根干重，特別是比較產(chǎn)量、根長(zhǎng)和根干重?cái)?shù)據(jù)差異可見(jiàn)，數(shù)據(jù)有明顯差異性（P＜0.05）。提示在玉米栽培中采取水肥氣一體化智能栽培技術(shù)，既能促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育、又有利于產(chǎn)量提高。

表1 測(cè)得玉米農(nóng)藝性狀指標(biāo)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)/（±s）

3 結(jié)論與討論

3.1 關(guān)于水肥氣一體化智能栽培技術(shù)的概述

（1）該設(shè)備于試驗(yàn)田的應(yīng)用運(yùn)行平穩(wěn)可行，對(duì)玉米栽培提出的合理灌水、適宜施肥和有效通氣要求均可滿足；設(shè)計(jì)旁通閥用于田間滲灌，能精準(zhǔn)的對(duì)作物進(jìn)行供水、供肥與通氣。（2）該設(shè)備各組成系統(tǒng)各司其職、運(yùn)行良好、互不造成干擾，以供水管網(wǎng)用于田間主管道使用，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、適用性高。（3）優(yōu)化通氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)和田間主管道是相連的，完成灌水之后便可自動(dòng)進(jìn)行通氣，可以提高土壤的通氣效率。（4）過(guò)濾系統(tǒng)在該設(shè)備組成中有較高的穩(wěn)定性、較強(qiáng)的過(guò)濾能力，能夠自主清洗，以防造成田間滲灌管的堵塞，保證作物對(duì)水分、養(yǎng)分的充分吸收。（5）充分使用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化種植技術(shù)，并基于設(shè)備的精準(zhǔn)性為作物提供適宜的水分、肥料與氣體，減小勞動(dòng)力浪費(fèi)。

3.2 關(guān)于該技術(shù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成

在該技術(shù)設(shè)備組成中包括灌溉、過(guò)濾、施肥和通氣幾大主要系統(tǒng)，以及田間滲灌管等。

灌溉系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有供水泵，這一設(shè)計(jì)目的是向試驗(yàn)田高效疏松作物所需水分，始終保持土壤中適宜的含水量；并在自動(dòng)化控制的前提下，實(shí)現(xiàn)灌溉管控，科學(xué)、規(guī)范調(diào)節(jié)適宜灌水量。

施肥系統(tǒng)的作用設(shè)置是把液肥通過(guò)管道直接運(yùn)輸?shù)阶魑锔低寥?，最大程度上提高養(yǎng)分吸收率。

通氣系統(tǒng)則通過(guò)與管道的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的通氣和增氧，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣體后，順著供水管運(yùn)輸至田間地下的滲灌管，并直接到達(dá)土壤，針對(duì)土壤存在的含水、含氣體不均衡問(wèn)題進(jìn)行改善。

于過(guò)濾系統(tǒng)中設(shè)計(jì)自動(dòng)砂石過(guò)濾器的裝備，設(shè)置過(guò)濾頻次為3～4次灌水間隔，特別是在灌溉液肥之后，可以負(fù)責(zé)過(guò)濾系統(tǒng)的清洗，繼而提高該系統(tǒng)的使用壽命和效率。

3.3 智能化栽培技術(shù)可促進(jìn)玉米生產(chǎn)水平提高

在水肥氣一體化智能栽培技術(shù)中，系統(tǒng)中的水分是從滲灌管出水口朝著土壤四周擴(kuò)散，促使水分能夠在土壤中得到均勻的分布和浸散，從而保證玉米作物有充足的水分獲得，基于水分基礎(chǔ)的奠定使其得到良好生長(zhǎng)。

在水肥氣一體化智能栽培技術(shù)當(dāng)中，通常是結(jié)束了灌水之后自動(dòng)開(kāi)始通氣，保證氣體于土壤孔隙間的填充和擴(kuò)散，促使其均勻分布在土壤中，提高土壤透氣性。無(wú)論是作物根系呼吸還是土壤微生物呼吸，都離不開(kāi)氧氣，而且氧氣也是能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵原料；這種設(shè)計(jì)目的是對(duì)玉米根部氧供環(huán)境進(jìn)行改善。加之氣體的有效運(yùn)動(dòng)還可以使水分伴隨于此做出運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散，促使水分在土壤中的分布更為均勻，也能使根系與水分充分接觸、吸收，并助力于作物的良好發(fā)育。處于發(fā)育早期階段時(shí)，植株的水、氧消耗量都不高；至定植期至苗期階段，植株尚小，根系呼吸弱，不易于產(chǎn)生氧氣，因此導(dǎo)致土壤含氧度不足；進(jìn)行通氣后，則會(huì)改善土壤中的含氧量。玉米進(jìn)入生長(zhǎng)后期，根系越來(lái)越發(fā)達(dá)，呼吸作用增強(qiáng)、植株蒸騰作用的強(qiáng)化，都對(duì)土壤氧氣含量提出很高要求，必須要有充分的氧氣供應(yīng)才能滿足玉米此時(shí)的生長(zhǎng)需求，這時(shí)土壤中的氧氣被急劇消耗，但在水肥氣一體化智能栽培技術(shù)當(dāng)中，氧氣不足、不穩(wěn)定的問(wèn)題被提前預(yù)估到，所以基于通氣系統(tǒng)來(lái)為玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程提供有效處理，在通氣下，土壤中含氧量始終維持穩(wěn)定，為各個(gè)時(shí)期玉米需氧都提供了保障，因此有利于植株的生長(zhǎng)發(fā)育。

另外，水肥氣一體化系統(tǒng)在土壤中的分布趨勢(shì)其優(yōu)勢(shì)在于，保證液肥和水適當(dāng)配比之后進(jìn)入到土壤中的運(yùn)動(dòng)軌跡和水分大致是相同的，從而確保養(yǎng)分能夠均勻地分布在土壤當(dāng)中，為玉米作物根系提供充足養(yǎng)分，促進(jìn)玉米作物根系的良好成長(zhǎng)發(fā)育，以此促進(jìn)玉米產(chǎn)量的提高。

綜上所述，由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，玉米生產(chǎn)中積極采用水肥氣一體化智能栽培技術(shù)，能確切提高玉米株高、莖粗、產(chǎn)量、根長(zhǎng)和根干重，尤其是在產(chǎn)量、根長(zhǎng)與根干重?cái)?shù)據(jù)上，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)重視模式相比數(shù)據(jù)差異顯著。提示水肥氣一體化智能栽培技術(shù)從設(shè)備的技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面著手，合理且均勻地提供水分、養(yǎng)分與氣體，營(yíng)造玉米良好的生長(zhǎng)基礎(chǔ)與發(fā)育環(huán)境，提高玉米的生長(zhǎng)與產(chǎn)量。