曹雪松，李和平，鄭和祥，馮亞陽

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018)

我國是一個(gè)水資源相對缺乏的國家，年用水量約為5 560億m3，農(nóng)業(yè)用水占72%左右[1]。由于工業(yè)發(fā)展和城市擴(kuò)大對需水量大幅度增加，至21世紀(jì)中葉，估計(jì)農(nóng)業(yè)用水的比例將降至50%左右。然而，我國水資源平均利用率僅為40%，發(fā)達(dá)國家為80%～90%，單方水生產(chǎn)能力僅為發(fā)達(dá)國家的42.5%～50%[2]。水資源更是制約西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素,農(nóng)業(yè)灌溉是該地區(qū)第一用水大戶,農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全區(qū)總用水量的90%左右[3]。而西北干旱區(qū)水資源有效利用率低，真正被作物利用的水量只有灌溉用水量的約1/3[4]，農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)嚴(yán)重，灌溉水利用率只有40%～60%,水分生產(chǎn)效率不足1 kg/m3[5]。農(nóng)業(yè)用水資源的開發(fā)非常困難，它投資大，見效慢，受氣候、地理?xiàng)l件和資金等的約束較大，短期內(nèi)不可能解決大面積的農(nóng)田灌溉問題。由此可見，農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺和浪費(fèi)嚴(yán)重的雙重困擾，推行節(jié)水農(nóng)業(yè)，增加其他行業(yè)的可用水量[6]，是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和緩解水資源供需矛盾的重要措施。

飼料玉米是我國西北地區(qū)種植的飼料品種之一，不僅產(chǎn)量高而且營養(yǎng)豐富，在我國農(nóng)業(yè)中有著很高的地位。在水資源日益緊張的情況下，如何在滿足飼料玉米生長發(fā)育需要又獲得高產(chǎn)的情況下盡可能減少灌水量，對西北干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。本文對不同灌水量飼料玉米的耗水特性和生物量進(jìn)行了分析，旨在對干旱區(qū)飼料玉米的生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)哈日根圖嘎查巴圖巴雅爾節(jié)水示范戶。鄂托克前旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南端，海拔1 300～1 400 m，東經(jīng)106°30′～108°30′，北緯37°38′～38°45′，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量261 mm，年平均蒸發(fā)量2 498 mm，年平均風(fēng)速2.6 m/s，年平均日照時(shí)數(shù)2 958 h；年平均無霜期171 d，最大凍土層深度1.54 m。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇飼料玉米為主要研究對象，其生育階段劃分為：苗期、拔節(jié)期、分枝期、開花期、成熟期。

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，處理間設(shè)置2 m的隔離帶。4個(gè)處理的灌水定額分別為15 mm(YM1)、30 mm(YM2)、45 mm(YM3)和60 mm(YM4)；每個(gè)處理的灌水日期和灌水次數(shù)相同；灌水日期根據(jù)YM3試驗(yàn)處理的適宜含水率下限計(jì)算確定；每次的灌水量采用水表計(jì)量。每個(gè)處理均灌水6次，具體日期分別為：5月21日、6月5日、6月20日、7月21日、8月15日、9月10日。試驗(yàn)統(tǒng)一采用卷盤式噴灌進(jìn)行灌水。

1.3 試驗(yàn)觀測內(nèi)容

試驗(yàn)觀測內(nèi)容包括氣象資料、作物生長生育指標(biāo)、土壤指標(biāo)、灌水情況。

(1)氣象數(shù)據(jù)。采用HOBOU30型農(nóng)田氣象站，監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)包括溫度、降雨量、風(fēng)速、相對濕度、氣壓、風(fēng)向等。

(2)作物生長生育指標(biāo)。主要指生長生育指標(biāo)，具體內(nèi)容及采集方法包括：①株高、莖粗。每個(gè)生育期一次，分別用卷尺和卡尺測定。②干物質(zhì)和產(chǎn)量。整個(gè)生長期結(jié)束測定一次，采用樣方測定法測定。

(3)土壤指標(biāo)。利用環(huán)刀在試驗(yàn)區(qū)取原狀土進(jìn)行田間持水量室內(nèi)測定，確定了試驗(yàn)區(qū)0～100 cm土層的田間持水量為22.86%。通過對試驗(yàn)區(qū)1.0 m深土壤分別進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)得出：試驗(yàn)區(qū)0～100 cm土層為沙土，土壤密度1.62 g/cm3。土壤含水量采用烘干和儀器測定2種方法，烘干法使用土鉆取土，烘箱烘干；儀器測定采用HH2型TDR土壤水分測定儀。從開始播種至收獲結(jié)束每10 d一次，降雨前后加測。

(4)灌水情況和地下水位。①灌水情況：記錄各試驗(yàn)處理的灌水時(shí)間、灌水定額和灌溉定額等。②地下水位：采用HOBO地下水位自動(dòng)測定儀(美國)測定試驗(yàn)區(qū)地下水水位變化，飼料玉米試驗(yàn)區(qū)地下水埋深為1.2～2.0 m。

1.4 試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)處理方法

(1)耗水量。采用水量平衡法計(jì)算耗水量，水量平衡方程可表示為：

ETa=Pe+I-ΔW-Q

(1)

式中：ETa為時(shí)段內(nèi)的耗水量，mm；ΔW為相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的土壤貯水變化量，mm；Pe為相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的有效降雨量，mm；I為相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；Q為相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的下邊界水分通量，mm。

①有效降水量Pe采用下式計(jì)算：

Pe=αP

(2)

式中：α為有效降水系數(shù)；P為實(shí)際降水量。

在沙土條件下，當(dāng)P小于3 mm時(shí)，α=0；當(dāng)P為5～50 mm時(shí)，α=1.0；當(dāng)P大于50 mm時(shí)，α=0.8。

②各生育期的灌水量I。各處理每個(gè)生育期的灌水量采用實(shí)際的凈灌水定額，根據(jù)生育期的劃分和灌水記錄，計(jì)算得出各處理每個(gè)生育期的灌水量。

③各生育期土壤貯水變化量ΔW。各生育期土壤貯水變化量根據(jù)各試驗(yàn)處理的土壤含水率值計(jì)算，采用公式為：

(3)

式中：θi為相應(yīng)時(shí)段初始土壤含水率，%；θi+1為相應(yīng)時(shí)段末土壤含水率，%；γ為土壤密度，cm3/g；h為計(jì)劃濕潤層深度，mm。

④下邊界水分通量Q。土壤計(jì)劃濕潤層下邊界土壤水分的滲漏和補(bǔ)給采用定位通量法計(jì)算，測定儀器為負(fù)壓計(jì)。定位通量法計(jì)算公式為：

(4)

式中：h1、h2分別為斷面z1、z2處的土壤負(fù)壓值，由此可以得到t1至t2時(shí)段內(nèi)單位面積上流過的土壤水流量Q(z1-2)，同樣由Q(z1-2)求得任一斷面流量Q(z)：

(5)

飼料玉米的下邊界水分通量根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測的土壤負(fù)壓值進(jìn)行各生育期土壤深層滲漏或補(bǔ)給量的計(jì)算。

(2)水分生產(chǎn)率。水分生產(chǎn)率指作物消耗單位水量的產(chǎn)出，其值等于作物產(chǎn)量與作物凈耗水量之比值。作物水分生產(chǎn)率采用下式計(jì)算：

(6)

(3)耗水強(qiáng)度。耗水強(qiáng)度用下式計(jì)算：

(7)

式中：r為耗水強(qiáng)度，mm/d；ETa為飼料玉米各生育階段的耗水量，mm；d為各生育階段天數(shù)，d。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對飼料玉米不同生育階段耗水量和耗水強(qiáng)度的影響

表1為不同處理對飼料玉米不同生育階段耗水量和耗水強(qiáng)度的影響。由表1可知：從飼料玉米的各生育階段來看，飼料玉米在苗期耗水量最低，其次為成熟期，其中YM1處理在苗期的耗水量最低，僅為24.92 mm，這是因?yàn)閅M1處理的灌水定額最小；苗期飼料玉米的葉面積指數(shù)小，光合作用低，耗水量也低；到了成熟期后，飼料玉米的大部分葉片都基本停止了光合作用，這階段的耗水量也較低。飼料玉米耗水量最高的生育階段是分枝期，YM4處理最大達(dá)到155.04 mm，此階段飼料玉米葉面積指數(shù)最大，光合作用最強(qiáng)，耗水量也最大。從不同的處理來看，飼料玉米的耗水量隨著灌水量的增加顯著增大。但是在苗期隨著灌水量的增加，飼料玉米的耗水量增加不顯著，這可能和灌水量過多、在飼料玉米生長初期一定程度上受到了水分脅迫(水分過多)的影響；拔節(jié)期至開花期，耗水量隨著灌水量的增加顯著增大。建議在飼料玉米生長初期可以適當(dāng)減少灌水量。

各處理的耗水強(qiáng)度也不盡相同，總體來說耗水強(qiáng)度也是隨著灌水量的增加而呈增大趨勢。拔節(jié)期至開花期的耗水強(qiáng)度明顯大于苗期和成熟期的耗水強(qiáng)度。其中YM4處理分枝期耗水強(qiáng)度最大達(dá)到4.31 mm/d，明顯大于飼料玉米同一生長階段其他處理，說明灌水量的增加對增大耗水強(qiáng)度作用十分明顯。成熟期和苗期的耗水強(qiáng)度相差不大，但成熟期的耗水強(qiáng)度要大于苗期的耗水強(qiáng)度，因?yàn)槌墒炱陲暳嫌衩字饕M(jìn)行生殖生長的緣故。

2.2 不同處理對飼料玉米不同生育階段株高的影響

對飼料玉米的每個(gè)生育期的株高進(jìn)行觀測，采用其平均值繪制株高隨時(shí)間的變化過程(見圖1)。從圖1可以看出，不同灌溉水平對飼料玉米株高的影響總體趨勢是一致的：由快到慢的生長過程，在灌漿至成熟期基本停止生長。成熟期YM4最高，為272 cm， YM3、YM2、YM1株高分別為253、242和226 cm，分別高出7.5%、12.4%和20.4%?？梢婋S著灌水量的增加飼料玉米的株高也呈增高趨勢。

圖1 飼料玉米不同試驗(yàn)處理對株高的影響

2.3 不同處理對飼料玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率的影響

由表2可知，隨著灌水量的增加，飼料玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率都增大。YM4處理的產(chǎn)量最大，為9 517.5 kg/hm2，YM3、YM2、YM1產(chǎn)量分別為8 283.0、6 307.5和5 074.5 kg/hm2，分別高出14.9%、50.9%和87.6%；YM4處理折合總產(chǎn)量(籽粒+秸稈)為13 053.0 kg/hm2，YM3、YM2、YM1折合總產(chǎn)量分別為11 343.0、8 862.0和7 173.0 kg/hm2，分別高出15.1%、47.3%和81.9%。

YM4處理的水分生產(chǎn)率最大為2.05 kg/m3，YM1處理最小為1.67 kg/m3，兩者相差0.38 kg/m3；折合總產(chǎn)量后的水分生產(chǎn)率YM4處理最大為2.81 kg/m3，YM1處理最小為2.37 kg/m3，兩者相差0.44 kg/m3。但是對于YM4處理和YM3處理，不管是水分生產(chǎn)率還是折合總產(chǎn)量后的水分生產(chǎn)率，兩者均相差甚微，由此可見此時(shí)增加灌水量已經(jīng)不是提高產(chǎn)量的最主要因素。建議對飼料玉米采取YM4處理和YM3處理之間的灌水量，在獲得相對較高產(chǎn)量的同時(shí)，又可以達(dá)到較高的用水效率。

表2 不同處理對飼料玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率的影響

3 結(jié) 論

(1)飼料玉米耗水量隨著灌水量的增加而增大，苗期和成熟期增加不明顯，拔節(jié)期至開花期增加較顯著； 同一個(gè)處理中，苗期耗水量最低，其次為成熟期，分枝期耗水量最大。

(2)飼料玉米耗水強(qiáng)度隨著灌水量的增加而呈增大趨勢，拔節(jié)期至開花期的耗水強(qiáng)度明顯大于苗期和成熟期的耗水強(qiáng)度；成熟期和苗期的耗水強(qiáng)度相差不大，成熟期的耗水強(qiáng)度要略大于苗期的耗水強(qiáng)度。

(3)飼料玉米株高隨著灌水量的增加而增大，不同灌水量對飼料玉米株高的影響總體趨勢都是由快到慢，在灌漿至成熟期基本不再增大。

(4)隨著灌水量的增加，飼料玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率都增大，但不會(huì)無限增大。當(dāng)灌水量達(dá)到45～60 mm之間某一個(gè)特定值后，隨著灌水量的增加，產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率增幅很小。建議飼料玉米在苗期可適當(dāng)增加灌水量，在其他生育期可取45 mm的灌水制度。

[1] 張啟舜.從國際水問題看我國節(jié)水灌溉革命[J].科技導(dǎo)報(bào), 2000,16(8):51-54.

[2] 黃修橋.關(guān)于我國節(jié)水灌溉宏觀發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J].灌溉排水, 1998,17(4):53-57.

[3] 范仲林.淺談西北干旱區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉的技術(shù)措施與對策[J].節(jié)水灌溉, 2007,(10):27-28.

[4] 周宏飛.西北干旱區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的意義與前景[J].干旱區(qū)地理, 1996,19(1):68-72.

[5] 王德梅, 于振文.灌溉量和灌溉時(shí)期對小麥耗水特性和產(chǎn)量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008,19(9):1 965-1 970.

[6] Zegbe J A，Behboudian M H，Clothier B E. Partial rootzone drying is a feasible option for irrigating processing tomatoes[J].Agricultural Water Management, 2004,68(12):195-206.