李駿奇，孫兆軍,2，焦炳忠

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，銀川 750021)

溫度、光照、降雨量都是影響玉米生長發(fā)育的環(huán)境因素，溫度主要影響玉米營養(yǎng)生長階段，是決定玉米生育過程的主要因素，而降雨量則主要影響玉米生殖生育期的進(jìn)程[1]。

研究結(jié)果表明：與裸地種植相比，覆膜可以提高表層地溫、降低農(nóng)田地表的蒸發(fā)、顯著提高春玉米的出苗率和水分利用效率，增加春玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[2]。水肥一體化灌溉，有利于精準(zhǔn)施肥，提高化肥利用效率[3]。覆膜還提高土壤內(nèi)生物酶的活性，改良作物種植土壤的水熱環(huán)境，協(xié)調(diào)作物生長所面臨的低溫脅迫和干旱脅迫，明顯降低作物病害威脅[4—6]。近年來微灌尤其是滴灌技術(shù)在西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，而地下滴灌可以減少土表蒸發(fā)損失，既滿足植被正常生長需求，又不易塞堵輸水管，降低成本，提高勞動效率[7]。并且地下滴灌的灌溉過程不易擾動土壤結(jié)構(gòu)，可以較好地保持作物根部松軟透氣的土壤環(huán)境，而灌溉管道埋于地下，避免了陽光暴曬等各類地表腐蝕和人為竊盜破壞[8]。

國際上也將覆膜和滴灌技術(shù)廣泛運(yùn)用在了各類經(jīng)濟(jì)作物，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的Lucas G. Paranhos等[9]對大白菜覆膜滴灌研究表明：使用塑料薄膜覆蓋結(jié)合滴管技術(shù)可以幫助減輕大白菜移栽造成的溫度和光照不足缺點，提高肥料和水分的利用效率，提高大白菜產(chǎn)量。巴西利亞大學(xué)的Marcus V. S. Coelho等[10]研究覆膜滴灌與噴灌對草莓生育狀況的影響，結(jié)果表明地膜覆蓋下的滴灌相比噴灌，明顯降低草莓花葉枯萎病和果實腐爛病的發(fā)生率。在染病初期，有機(jī)覆蓋物比塑料地膜覆蓋處理，花葉枯萎和病果率降低76%。

眾多研究表明，膜下滴灌技術(shù)可以改善土壤水熱循環(huán)，提高農(nóng)田灌溉水利用效率，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，但還缺乏對膜下滴灌與作物最優(yōu)伴膜生長種植模式的分析，覆膜淺埋式節(jié)水滴灌技術(shù)尚且存在較大的研究空間。

試驗以提高土壤溫度和農(nóng)田灌溉水利用效率為中心，利用覆膜保墑手段和水肥一體式的精準(zhǔn)節(jié)水滴灌方式相結(jié)合來對玉米各項生育指標(biāo)和產(chǎn)量進(jìn)行研究，從田間土壤水、熱循環(huán)角度研究滴灌玉米覆膜節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理,分析玉米全生育時期內(nèi)各項生長指標(biāo)以及試驗區(qū)內(nèi)土壤各項理化性質(zhì)，提高干旱地區(qū)玉米節(jié)水灌溉效率，為寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)等干旱缺水地區(qū)高效利用降水資源、增加經(jīng)濟(jì)效益提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2016年在寧夏回族自治區(qū)南部山區(qū)同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)科技園區(qū)內(nèi)進(jìn)行，園區(qū)氣候為中溫帶半干旱大陸性氣候。該地區(qū)氣候干旱，年平均降水量較少，僅為272.6 mm，而年平均蒸發(fā)量較大，為2 325 mm。年平均氣溫8.6 ℃，多年平均日照3 024 h，無霜期120～218 d。

試驗區(qū)土壤為沙壤土，土壤密度1.43 g/cm3，全氮0.65 g/kg，全鹽0.25 g/kg，有機(jī)質(zhì)8.10 mg/kg，全磷0.77 g/kg，速效磷21.65 mg/kg，速效鉀170.00 mg/kg， pH值7.83，田間持水率為23.11%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗作物選擇為當(dāng)?shù)爻Ｒ娖贩N先玉335飼料玉米，將可以實現(xiàn)精準(zhǔn)節(jié)水灌溉目的的淺埋式滴灌與可以實現(xiàn)土壤保水保墑效果的地膜覆蓋結(jié)合作對比試驗。保證各試驗小組同時播種,生育期間采取相同的施肥和灌溉制度。設(shè)計4種試驗?zāi)Ｊ? 每種模式3次重復(fù),共12個小區(qū)隨機(jī)區(qū)組種植，具體種植方式如下：每個小區(qū)長9 m，寬5 m，面積45 m2。相鄰小區(qū)間設(shè)1 m寬隔離帶，防止各試驗小區(qū)之間水熱環(huán)境相互影響。試驗田四周分別種植3行同品種玉米，預(yù)防周邊農(nóng)田異種玉米串粉，影響試驗田產(chǎn)量。

田間淺埋滴灌設(shè)備選擇內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，管帶充水后外徑16 mm。貼片式內(nèi)鑲滴頭間距0.3 m，利用1.5 kW潛水泵壩內(nèi)抽水，穩(wěn)定工況下滴頭流量2 L/h，淺埋式滴灌帶平均埋入深度為5.0～5.5 cm。

(1)膜內(nèi)淺埋式滴灌(UF)。如圖1所示，試驗小區(qū)寬窄行設(shè)計，寬行0.7 m，窄行0.3 m，寬行正中央埋入滴灌帶。玉米植株寬行種植，每小區(qū)種植10行玉米，分別播種于5條滴灌帶兩側(cè)0.15 m，株距按滴頭0.3 m一孔一株，種植密度為6.66 萬株/hm2。選取寬度0.9 m地膜覆滿寬行，依寬窄行分界線壓實。

(2)膜側(cè)淺埋式滴灌(FS)。試驗小區(qū)設(shè)計及覆膜方式參照圖1，區(qū)別為滴灌帶窄行埋入，玉米距滴灌帶兩側(cè)分別0.15 m處種植。

(3)無膜淺埋式滴灌(NF)。試驗小區(qū)設(shè)計及覆膜方式參考圖1，區(qū)別為采取不覆膜處理。

(4)無膜地表滴灌(CK)。試驗小區(qū)設(shè)計及覆膜方式參考圖1，區(qū)別為采取不覆膜及滴灌帶地表鋪設(shè)處理。

1.3 水肥指標(biāo)

播種前的基肥采取人工施肥的方法，將磷酸二氫銨(150 kg/hm2)，磷酸鉀復(fù)合肥(225 kg/hm2)撒于地表，隨翻地過程施入土壤。分別于苗期—拔節(jié)期、抽雄期—灌漿期追加磷酸二氫鉀(525 kg/hm2)。5月6日翻地平土，進(jìn)行試驗小區(qū)規(guī)劃和滴灌帶的埋設(shè)，滴灌帶平均埋設(shè)深度控制在5 cm；5月8日播種，采用人工手持鴨子嘴播種，每穴1～2 粒種子，播完表層覆土輕壓實；5月18日檢測出苗(UF)，10月6日收獲，全生育期為166 d。

玉米生育期內(nèi)的灌溉水量分配如下：苗期5 mm(10%)、拔節(jié)期15 mm(30%)、抽穗期15 mm(30%)、灌漿期15 mm(30%)。

全部小區(qū)采用水罐溶肥，用施肥器使肥隨灌溉水施入田間，施肥前先灌水30 min，使小區(qū)灌溉系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，保證施肥均勻性和防止施肥濃度高而燒苗，施肥結(jié)束后灌水沖洗灌溉系統(tǒng)。

1.4 觀測項目

(1)土壤溫度和含水率。使用曲管地溫計測量土壤溫度。分別選取膜內(nèi)滴灌、膜側(cè)滴灌和無膜滴灌處理各2個小區(qū)，每個小區(qū)安裝1組曲管地溫計;埋設(shè)深度分別為5,10,15,20,25 cm;埋設(shè)位置為行上2株玉米之間;地溫計觀測時間為每日06∶00-20∶00每隔2 h記錄一次。

分別在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期和灌漿期，用烘干法測定0～100 cm土層土壤含水量，每20 cm為一土層。

(2)出苗時間及出苗率。自播種3 d后起開始觀測各小區(qū)玉米出苗狀況，自區(qū)內(nèi)玉米出苗開始記錄出苗率。當(dāng)小區(qū)內(nèi)出苗率達(dá)到80%以上并且無明顯變化時記為出苗時間。

(3)株高、莖粗、葉片數(shù)。每小區(qū)隨機(jī)選取長勢良好的玉米植株5 株，用直尺以玉米植株根莖分界線為起點，依據(jù)植株長勢量至植株自然生長最高點，記錄植株高度；由根部以上第1節(jié)，用游標(biāo)卡尺測量植株縱徑與橫徑，記錄植株莖粗；清數(shù)植株每一片自然展開的葉子總數(shù)，記錄植株葉片數(shù)。

(4)葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量。在玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期、吐絲期和灌漿期，每小區(qū)隨機(jī)選取長勢良好的玉米植株3株，用卷尺測量每一片自然展開葉子的長度與寬度，然后帶回室內(nèi)用網(wǎng)格交叉法測量葉片的實際面積，用葉片的實際面積除以長和寬的乘積確定修正系數(shù)(一般為0.74～0.76)，來計算葉面積指數(shù)(LAI)。在玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期、吐絲期和成熟期分別測定玉米植株地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量，成熟期時分莖葉、籽粒測試。植株取樣點位置與株高測點相同。取整個植株樣品(地上部分)在105 ℃殺青0.5 h，然后在70 ℃下干燥至恒質(zhì)量，稱量植株干物質(zhì)質(zhì)量。

(5)產(chǎn)量及水分利用效率?？挤N取樣在每個小區(qū)按等間距(10 m)布置4個觀測點，每個測點取2行，每行取3株，共6株(樣方面積為2×3×0.65 m×0.33 m=1. 287 m2)，測量穗粒數(shù)，風(fēng)干后脫粒，測定百粒重、含水率，產(chǎn)量折算為質(zhì)量含水率14%的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

水分利用效率(WUE)的計算公式為：

WUE=Y/ET

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為單位面積玉米產(chǎn)量，kg/hm2；ET為作物蒸發(fā)蒸騰量，m3/hm2。

1.5 試驗數(shù)據(jù)處理

各項基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)由電腦導(dǎo)入，分析工具借助MATLAB、AutoCAD 2014以及Microsoft Office Excel等進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理分析及圖表繪制工作。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 土壤溫度及出苗情況

圖2給出苗期不同覆膜處理20 cm深度土壤溫度的典型日變化規(guī)律。從圖2中可以看出，覆膜處理的植株全生育期土壤溫度均高于不覆膜處理，且這一變化在苗期最為明顯。與無膜滴灌相比，覆膜處理可以提高地表溫度，尤其是膜內(nèi)淺埋式滴灌處理，平均溫度比無膜處理提高2.4 ℃，日間氣溫差距最明顯時段出現(xiàn)在下午14∶00-16∶00，最大溫差為2.7 ℃。由此可見，覆膜處理營造了更有利于植株生長發(fā)育的溫度條件。

圖2 苗期20 cm深度土壤溫度的典型日變化

表1給出不同處理下玉米出苗率統(tǒng)計情況。從表1中可以看出，覆膜滴灌處理的出苗率明顯高于不覆膜處理，在覆膜處理中，UF的出苗率又高于FS。其中，UF的出苗時間為5月18日，比FS提前1 d，比NF和CK提前3 d?？梢?，覆膜處理可以加快玉米的出苗時間，提高玉米出苗率，其中以UF效果最好。

表1 玉米出苗率統(tǒng)計

2.2 玉米植株生育指標(biāo)

2.2.1 株 高

從圖3可以看出，各處理在苗期株高走勢差別較小，自拔節(jié)期(7月4日)開始，各處理株高存在明顯規(guī)律為UF>FS>NF>CK，抽雄期(7月21日)后，植株光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)主要用于果實的灌漿，株高于成熟期趨于穩(wěn)定時，UF、FS、NF的平均株高分別較CK增高了46.5%、32.2%、16%。其中覆膜處理的平均株高增幅十分明顯，而淺埋滴灌處理相對地表滴灌處理，也會提高玉米植株的株高。其中，在7月21日—8月9日(抽穗期—灌漿期)，覆膜處理的玉米植株株高仍有小幅度的增長，而無膜處理的玉米植株株高增長在這一時期幾乎停滯。

圖3 玉米株高變化

2.2.2 葉片數(shù)及葉面積指數(shù)

玉米植株的葉片是其進(jìn)行光合作用的主要器官，通過有機(jī)質(zhì)的積累促成玉米的最終產(chǎn)量。葉片數(shù)以及葉面積指數(shù)可以反映玉米的生育、灌漿以及產(chǎn)量狀況。圖4和圖5分別給出不同處理植株的葉片累計數(shù)以及葉面積指數(shù)變化規(guī)律。從圖4可以看出，覆膜的2種處理與無膜的2種處理葉片數(shù)具有明顯差別，不同覆膜方式之間也具有一定差距，而無膜處理的NF與CK之間，葉片數(shù)無明顯變化。UF、FS、NF和CK成熟期葉片數(shù)分別為17、15、14和14片。UF、FS與CK相比較處理各增加了3片、1片。

圖4 葉片累計數(shù)變化

圖5 葉面積指數(shù)變化

從圖5可以看出，各處理的葉面積指數(shù)隨植株的生育過程遞增。是否采取覆膜處理對葉面積指數(shù)影響較為明顯，而單一因素下，UF與FS之間以及NF與CK之間，從苗期到拔節(jié)期(6月2日-7月4日)，葉面積指數(shù)差異不大。植株成熟期葉面積指數(shù)UF>FS>NF>CK，UF、FS、NF在成熟期相比較CK分別增加了18.9%、14.4%、4%。

2.3 地上部分干物質(zhì)積累量

圖6給出各處理植株地上部分干物質(zhì)積累量隨各生育期的變化規(guī)律。從圖6中可以看出：在苗期—拔節(jié)期主要是營養(yǎng)器官的分化與根系的建立，此階段各處理地上部分干物質(zhì)積累量無明顯區(qū)分；從抽雄期開始，各處理開始出現(xiàn)明顯區(qū)分，并在灌漿期區(qū)別最為明顯，UF、FS地上部分干物質(zhì)積累量明顯高于NF、CK。覆膜處理對地上部分干物質(zhì)積累量的影響較大，淺埋滴灌處理相對地表滴灌也有一定影響，灌漿期以果實的灌漿與物質(zhì)積累為主，水分需求量大，此時期缺水會造成減產(chǎn)。成熟期的地上部分干物質(zhì)積累量，UF、FS、NF分別比CK增加了9.7%、6.8%、4.2%。

圖6 地上部分干物質(zhì)積累量

2.4 產(chǎn)量及水分利用效率

根據(jù)王團(tuán)鎮(zhèn)當(dāng)?shù)貧v史氣象統(tǒng)計，近年來玉米生育期(5-9月)的平均有效降水量(大于5 mm)為 234 mm。表2給出各試驗處理玉米實際產(chǎn)量與各項灌溉指標(biāo)。從表2得出：各處理玉米實際產(chǎn)量比較為UF>FS>NF>CK，且UF、FS、NF比CK分別高出12.9%、8.2%、2.6%；膜內(nèi)處理比膜側(cè)處理、無膜處理分別高出4.7%、10.3%；淺埋式處理比地表處理高出2.6%。

表2 玉米實際產(chǎn)量與各項灌溉指標(biāo)

各處理采用相同的灌水定額，但實際需水量存在差異：CK實際需水量最多，產(chǎn)量最低，需水量從高到低依次為CK>NF>FS>UF，F(xiàn)S處理比UF處理需水量高0.63%。群體WUE在覆膜方式下差異明顯，在是否淺埋處理下差異較小，UF處理比FS、NF和CK處理分別高5.0%、11.8%和15.2%；灌溉水分生產(chǎn)效率從高到低依次是UF>FS>NF>CK。

3 結(jié) 論

(1)覆膜處理全生育期土壤溫度均高于不覆膜處理，且在苗期最為明顯。與無膜滴灌相比，覆膜處理可以提高地表溫度，膜內(nèi)淺埋式滴灌處理提高玉米出苗率效果優(yōu)于膜側(cè)淺埋式滴灌處理。覆膜處理營造了更有利于植株生長發(fā)育的溫度條件，加快玉米的出苗時間，提高玉米出苗率。

(2)覆膜和淺埋滴灌處理營造了有利于玉米生長的土壤水、熱環(huán)境，相比無膜地表滴灌處理，植株的株高、葉片數(shù)均有增加。株高于成熟期趨于穩(wěn)定，植株光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)主要用于果實灌漿，UF、FS、NF的平均株高分別較CK增高了46.5%、32.2%、16%。覆膜處理的平均株高增幅十分明顯，而淺埋滴灌處理相對地表滴灌處理，也會提高玉米植株的株高。

覆膜處理可以增加植株葉片數(shù)量，有利于植物有機(jī)質(zhì)的積累，而淺埋式滴灌相對于地表滴灌，對葉片數(shù)量的影響不大。

各處理的葉面積指數(shù)隨植株的生育過程遞增，覆膜處理可以明顯提高葉面積指數(shù)。而UF與FS之間以及NF與CK之間，苗期至拔節(jié)期的葉面積指數(shù)差異不大。成熟期葉面積指數(shù)UF>FS>NF>CK，UF、FS、NF在成熟期相比較CK分別增加了18.9%、14.4%、4%。

(3)苗期至拔節(jié)期主要是營養(yǎng)器官的分化 與根系的建立，此階段地上部分干物質(zhì)積累量各處理之間無明顯區(qū)分；而在灌漿期區(qū)別最為明顯，UF、FS地上部分干物質(zhì)積累量明顯高于NF、CK。成熟期的地上部分干物質(zhì)積累量，UF、FS、NF分別比CK增加了9.7%、6.8%、4.2%。覆膜處理對地上部分干物質(zhì)積累量的影響較大，淺埋滴灌處理相對地表滴灌也有一定影響，灌漿期以果實的灌漿與物質(zhì)積累為主，水分需求量大，此時期缺水會造成減產(chǎn)。

(4)各處理玉米需水量從高到低依次為CK>NF>FS>UF，實際產(chǎn)量比較為UF>FS>NF>Ck，且UF、FS、NF比CK分別高出12.9%、8.2%、2.6%；膜內(nèi)處理比膜側(cè)處理、無膜處理分別高出4.7%、10.3%；淺埋式處理比地表處理高出2.6%；灌溉水分生產(chǎn)效率從高到低依次是UF>FS>NF>CK。覆膜方式對群體WUE影響明顯，是否采取潛埋處理對群體WUE影響不大。

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