蔣正文, 岳宏偉, 陳 嬌, 劉 晗

(寧夏回族自治區(qū)灌溉排水服務(wù)中心,寧夏銀川 750016)

全球氣候變暖加大了對(duì)降水時(shí)空變化和作物需水及生長(zhǎng)規(guī)律的影響。節(jié)水是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策,而節(jié)水的關(guān)鍵是農(nóng)業(yè)節(jié)水[1-3]。寧夏是典型的引黃灌溉區(qū),玉米是寧夏的第一大作物,每年種植面積達(dá)30萬hm2,占比達(dá)70%,玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)寧夏糧食安全意義重大[4]。

滴灌是一種非常高效的節(jié)水方式,在干旱半干旱地區(qū)根據(jù)作物的需水規(guī)律制定滴灌灌溉制度,能夠有效提高作物產(chǎn)量和水分利用率,減少水分、養(yǎng)分淋失和淺層地下水污染[3]。李毅杰等研究表明,滴灌能有效提高甘蔗的產(chǎn)量[5]。周乾等提出了適宜寧夏地區(qū)的青貯玉米滴灌制度[6]。加孜拉等以新玉23號(hào)為試驗(yàn)品種,確定適宜北疆寒旱區(qū)青貯玉米的滴灌制度[7]。王鼎新等提出在遼西北風(fēng)沙土地區(qū),玉米膜下滴灌水量宜控制在0.8～1.0 KcE[8]。關(guān)于于最優(yōu)灌溉制度的確定,大多數(shù)研究的數(shù)據(jù)處理仍停留于顯著性或趨勢(shì)分析,需要評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行主觀分析并決策,容易受到試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差和人為影響[9-10]。模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法不僅能規(guī)避主觀分析和決策的弊端,而且能整合多主體評(píng)價(jià)信息并使其得到最優(yōu)唯一解[11-12]。為了促進(jìn)寧夏引黃灌區(qū)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的可持續(xù)應(yīng)用和玉米高效節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展[13],開展寧夏東麓灌區(qū)玉米滴灌系統(tǒng)的研究是十分必要的。本研究通過大田試驗(yàn),分析不同灌溉制度下玉米各生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量及構(gòu)成要素、光合參數(shù)和水分利用效率的變化,運(yùn)用隸屬函數(shù)法確定最佳灌溉量,提出適合當(dāng)?shù)氐挠衩坠喔戎贫?以期為寧夏玉米滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年在中國(guó)灌溉試驗(yàn)寧夏中心站開展,試驗(yàn)站位于賀蘭山東麓洪積傾斜平原,地理位置為 106°42′E、38°27′N[14],東西長(zhǎng)為546 m,南北寬為246.5 m,面積13.33 hm2,地勢(shì)較平坦,海拔高度 1 115.6 ～1 116.6 m,土壤類型以淡灰鈣土為主,土壤肥力中等偏下,表層一般覆蓋1 m左右的沙土且質(zhì)地較輕,下部為砂礫石。試驗(yàn)站年平均溫度為8.5 ℃,無霜期為150～195 d;1990年后,年降水量為99.70～233.10 mm,年平均蒸發(fā)量為1 583.2 mm。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)5個(gè)不同灌溉定額,分別為2 100、2 550、3 000、3 450、3 900 m3/hm2,灌水次數(shù)均為12次,灌水周期、施肥水平、耕作措施均相同。重復(fù)3次,共15個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積66.8 m2(8.35 m×8 m)。栽培方式采用寬窄行裸地滴灌,株距25 cm,寬行80 cm,窄行35 cm,密度為6萬株/hm2,每個(gè)小區(qū)播種14行玉米,每行32株玉米,試驗(yàn)區(qū)四周布設(shè)有保護(hù)區(qū)。供試玉米品種為正大12,分別在玉米的苗期、拔節(jié)期、抽雄—吐絲期、吐絲—灌漿期、成熟期進(jìn)行不同定額的灌水。試驗(yàn)區(qū)土壤容重1.47 g/cm3,田間持水量15.93%。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 玉米滴灌灌溉制度試驗(yàn)方案

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤含水量測(cè)定 選擇土壤剖面水分傳感器PR2-6測(cè)量10、20、30、40、60、100 cm 6個(gè)土層的土壤含水量。播種后測(cè)量土壤基礎(chǔ)含水量,收獲期測(cè)定土壤遺留的水分含量,生育期內(nèi)一般每隔 10 d 測(cè)1次,在生育期轉(zhuǎn)換、較大降水前后、灌水前后加測(cè)。

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量及構(gòu)成要素的測(cè)定 采用米尺測(cè)定玉米的株高、葉面積、禿尖長(zhǎng)、穗長(zhǎng)、穗粗,采用游標(biāo)卡尺測(cè)定玉米的莖粗。采用電子天平測(cè)定單株玉米穗數(shù)、每穗粒數(shù)、籽粒質(zhì)量及百粒質(zhì)量。

1.3.3 光合參數(shù)的測(cè)定 采用CI-340便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定氣孔導(dǎo)度(Gs)、光合有效輻射(PAR)、葉片蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)。每處理測(cè)定3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)待穩(wěn)定后讀取10個(gè)數(shù)據(jù)。

1.3.4 耗水量和水分利用效率測(cè)定 降水量的測(cè)定:生育期間降水量采用雨量器測(cè)定。

耗水量ET計(jì)算公式:

ET=W0-Wt+I+M+K-D-R。

其中:W0、Wt分別為初始時(shí)段、t時(shí)段測(cè)坑水分變化;I為灌水量;M為降水量;K為地下水補(bǔ)給量;D為深層滲漏量;R為地表徑流量。

水分利用效率WUE的計(jì)算公式為:

WUE=0.1×產(chǎn)量/ET。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計(jì),使用SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差分析,使用Duncan’s方法檢驗(yàn)不同處理間差異的顯著性。采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法對(duì)綜合素質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)公式為:當(dāng)指標(biāo)性狀呈正相關(guān)時(shí),公式為:

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

當(dāng)指標(biāo)性狀呈負(fù)相關(guān)時(shí),公式為:

U(Xj)=1-(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中:U(Xj)表示隸屬函數(shù)值;Xj表示處理水平某指標(biāo)的測(cè)定值;Xmin、Xmax表示參試水平系中某一指標(biāo)內(nèi)的最小值、最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理對(duì)玉米全生育期土壤水分變化的影響

各處理土壤水分隨時(shí)間的延續(xù)呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)(圖1),各處理土壤水分隨灌水量增大而增大。在整個(gè)生育期,F4、F5處理的土壤含水量普遍高于其他處理,其中在苗期、拔節(jié)期、抽雄—吐絲期、吐絲—灌漿期、成熟期均顯著高于F1、F2、F3處理(P<0.05),在玉米全生育期土壤含水量整體表現(xiàn)為F5>F4>F3>F2>F1。

2.2 不同水分處理對(duì)玉米株高、莖粗和葉面積的影響

在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi),各處理的株高總體表現(xiàn)規(guī)律一致(圖2-A)。玉米株高在拔節(jié)期到抽雄期增長(zhǎng)速度最快,隨后玉米進(jìn)入吐絲—灌漿期,株高增長(zhǎng)速度開始放緩;在整個(gè)生育期,F4、F5處理的株高顯著高于其他處理(P<0.05),玉米株高在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)表現(xiàn)為F4>F5>F3>F2>F1。

在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi),各處理的莖粗總體表現(xiàn)一致(圖2-B)。玉米莖粗在拔節(jié)期增長(zhǎng)速度最快,進(jìn)入抽雄期莖粗生長(zhǎng)速度減緩。在整個(gè)生育期,F4處理的莖粗顯著高于其他處理(P<0.05),玉米莖粗在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)表現(xiàn)為F4>F5>F3>F2>F1。

各處理的玉米葉面積在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的規(guī)律與上述生長(zhǎng)量基本相同(圖2-C)。進(jìn)入拔節(jié)期,葉面積增長(zhǎng)速度加快,拔節(jié)中期至抽雄—吐絲期葉面積增長(zhǎng)速度最快,進(jìn)入吐絲—灌漿期,葉面積增長(zhǎng)速度開始減緩。在整個(gè)生育期,F4、F5處理的莖粗顯著高于其他處理(P<0.05),玉米莖粗在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)表現(xiàn)為F4>F5>F3>F2>F1。

2.3 不同水分處理對(duì)玉米光合參數(shù)的影響

分析不同水分處理玉米的光合有效輻射(圖3-A),F2處理的光合有效輻射顯著低于其他處理(P<0.05),為1 197.71 μmol/(m2·s);而F3、F4處理的光合有效輻射顯著高于其他處理(P<0.05),F3處理的光合有效輻射分別為F1、F2、F4、F5處理的1.20、1.72、1.03、1.33倍。

不同水分處理的玉米氣孔導(dǎo)度均存在差異(圖3-B),F5處理時(shí)的玉米氣孔導(dǎo)度顯著低于其他處理(P<0.05),僅為123.36 mmol/(m2·s);而F2處理的玉米氣孔導(dǎo)度顯著高于其他處理(P<0.05),分別為F1、F3、F4、F5處理的1.22、1.21、1.07、1.82倍。

分析不同水分處理的玉米凈光合速率(圖3-C),F1處理時(shí)的玉米凈光合速率顯著低于其他處理(P<0.05),僅為23.73 mmol/(m2·s);而F2、F3、F4、F5處理間的玉米凈光合速率無顯著差異。

分析不同控水處理的玉米蒸騰速率發(fā)現(xiàn)(圖3-D),F5處理的蒸騰速率顯著低于其他處理(P<0.05),為4.49 mmol/(m2·s);而F4處理的玉米蒸騰速率分別為F1、F2、F3、F5處理玉米蒸騰速率的1.22、1.12、1.05、1.44倍,顯著高于其他處理(P<0.05)。

2.4 不同水分處理的玉米耗水量的變化

分析不同水分處理的玉米各生育期耗水量(表2)發(fā)現(xiàn),在苗期和成熟期,F5處理的玉米耗水量和耗水強(qiáng)度顯著高于其他處理(P<0.05);而在其他時(shí)期F4、F5處理的耗水量和耗水強(qiáng)度均顯著高于其他處理(P<0.05)。在不同水分處理下,全生育期耗水量由高到低依次為F5>F4>F3>F2>F1。

表2 不同水分處理下玉米耗水量的變化

2.5 不同水分處理玉米產(chǎn)量特性的影響

分析不同水分處理下的玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素(表3)發(fā)現(xiàn),F4處理的穗長(zhǎng)、穗粗顯著高于其他處理(P<0.05);F4、F5處理的籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量顯著高于其他處理(P<0.05);F4、F5處理的禿尖長(zhǎng)顯著低于其他處理(P<0.05)。

表3 不同水分處理下玉米產(chǎn)量特性的影響

2.6 不同水分處理對(duì)玉米水分利用效率的影響

通過對(duì)不同水分處理的玉米耗水量、產(chǎn)量、灌溉水分利用效率、水分利用效率進(jìn)行分析(表4),發(fā)現(xiàn)F4、F5處理的耗水量和產(chǎn)量顯著高于其他處理(P<0.05);F4處理的灌溉水利用效率和水分利用效率顯著高于其他處理(P<0.05),因此在保證產(chǎn)量的條件下,F4處理更有利于提高水分利用效率。

表4 不同水分處理對(duì)玉米水分利用效率的影響

2.7 不同水分處理下玉米各生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量及構(gòu)成要素、光合參數(shù)、水分利用效率的相關(guān)性分析

對(duì)5個(gè)不同水分處理下玉米的株高、莖粗、葉面積、穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、耗水量、產(chǎn)量、WUE、PAR、Gs、Pn、Tr進(jìn)行相關(guān)性分析(表5),發(fā)現(xiàn)除禿尖長(zhǎng)、PAR、Gs、Pn、Tr外,其余10個(gè)指標(biāo)兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);禿尖長(zhǎng)與株高無相關(guān)性,與其他10個(gè)指標(biāo)間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);PAR與株高、WUE間呈顯著正相關(guān)(P<0.05);Gs和Tr呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);Pn與株高、葉面積、穗長(zhǎng)、穗粗、籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、耗水量、產(chǎn)量、WUE呈正相關(guān)。因此選擇株高、莖粗、葉面積、穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、耗水量、產(chǎn)量、WUE、Pn等12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行后續(xù)分析。

表5 不同水分處理下各生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量及構(gòu)成要素、光合參數(shù)與水分利用效率的相關(guān)系數(shù)矩陣

2.6 不同水分處理下玉米各指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法對(duì)株高、莖粗、葉面積、穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、耗水量、產(chǎn)量、WUE、Pn等12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,分別得到各指標(biāo)隸屬函數(shù)值和平均值,結(jié)果如表6所示。各處理的各指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值分別為0.08、0.33、0.59、0.93、072,由高到低依次為F4>F5>F3>F2>F1;因此,最理想的灌溉定額為 3 450 m3/hm2,灌水次數(shù)為12次。

表6 不同水分處理下玉米各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

水資源匱乏、降水量不足和地面蒸發(fā)量過大,是限制西北干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素[15]。大量研究表明,滴灌技術(shù)可有效提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[16-18]。王洪博等研究表明,滴灌灌水定額為54 mm時(shí),棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量品質(zhì)較優(yōu)[19]。王振華等研究發(fā)現(xiàn),膜下滴灌甜菜以60 mm灌水定額灌水9次時(shí),可獲得高產(chǎn)與糖產(chǎn),較傳統(tǒng)新疆膜下滴灌甜菜制度節(jié)水10%[20]。范海燕等對(duì)青椒耗水規(guī)律及灌溉制度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)設(shè)施青椒適宜的計(jì)劃濕潤(rùn)深度取40 cm,灌水定額15～20 mm,全生育期內(nèi)除定植水外,灌溉12～17次[21]。本研究表明,F4、F5處理下的全生育期土壤水分、株高、莖粗、葉面積、穗長(zhǎng)、穗粗、籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、耗水量、產(chǎn)量、WUE、Pn顯著高于其他處理,禿尖長(zhǎng)低于其他處理。由此可見,合理的灌溉制度對(duì)提高玉米產(chǎn)量和水資源利用效率具有重要作用。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和合理性受到評(píng)價(jià)指標(biāo)豐欠程度的直接影響[22]。前人以生長(zhǎng)指標(biāo)、增產(chǎn)指標(biāo)或節(jié)水指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià)[23-25],但是相似的指標(biāo)易導(dǎo)致信息重疊,不具有代表性,因此將生長(zhǎng)指標(biāo)、增產(chǎn)指標(biāo)和節(jié)水指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),有利于消除重疊信息的不利影響。生長(zhǎng)指標(biāo)(如株高、葉面積指數(shù)、莖粗等)是植株高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ),是直接影響玉米光合作用的強(qiáng)弱、抗病、抗倒伏能力;節(jié)水指標(biāo)(如耗水量、WUE等)在農(nóng)業(yè)節(jié)水中扮演重要角色,是提高水資源利用率的關(guān)鍵;增產(chǎn)指標(biāo)(如穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成及產(chǎn)量)基于生長(zhǎng)指標(biāo),并與節(jié)水指標(biāo)相互依存[26-28]。因此本研究對(duì)株高、莖粗、葉面積、穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、耗水量、產(chǎn)量、WUE、PAR、Gs、Pn、Tr等生長(zhǎng)指標(biāo)、增產(chǎn)指標(biāo)、節(jié)水指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,然后對(duì)兩兩之間均呈顯著相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià);共篩選出株高、莖粗、葉面積、穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、籽粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、耗水量、產(chǎn)量、WUE、Pn等12個(gè)指標(biāo),利用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),各處理下的綜合隸屬函數(shù)平均值由高到低依次為F4>F5>F3>F2>F1,最理想的灌溉定額為 3 450 m3/hm2,灌水次數(shù)為12次。