徐 晨，趙洪祥，閆偉平，李 前，劉曉龍，王俊鵬，歷艷璐，張治安，邊少鋒

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長(zhǎng)春 130033；3.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西 宜春 336000)

土壤水分是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵因子之一，對(duì)作物的產(chǎn)量及產(chǎn)量的形成具有關(guān)鍵作用[1-3]。對(duì)缺水地區(qū)來(lái)說(shuō)，灌溉已成為農(nóng)作物生長(zhǎng)不可或缺的關(guān)鍵因素。灌溉的多少顯著影響玉米的產(chǎn)量，玉米的產(chǎn)量隨著灌水量的增加呈線性增加[4]。Adamu等[5]研究發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期灌水與僅在生育早、中期灌溉，所得到的玉米產(chǎn)量基本一致，但后者的經(jīng)濟(jì)效益更高。Sampathjymar等[6]研究表明，采用補(bǔ)虧灌溉的方式替代普通灌溉，玉米的產(chǎn)量和凈收益均較高。王艷等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含水量降至田間持水量的50%后，灌溉至土壤水分達(dá)到田間持水量的75%時(shí)，盆栽玉米植株在產(chǎn)量和形態(tài)指標(biāo)上均有較好的表現(xiàn)。不同灌溉量級(jí)和灌溉次數(shù)也對(duì)玉米的產(chǎn)量有著顯著的影響，劉玉潔等[8]研究表明，玉米全生育期灌水次數(shù)達(dá)到5次時(shí)，對(duì)玉米產(chǎn)量的影響最大。

Hybrid-Maize模型主要利用長(zhǎng)期的氣象數(shù)據(jù)和短期的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)特定地區(qū)玉米的產(chǎn)量潛力和生長(zhǎng)發(fā)育情況[9,10]，通過(guò)對(duì)不同栽培因素的相互組合，預(yù)測(cè)一個(gè)地區(qū)玉米的產(chǎn)量和合理的栽培措施，也可用于了解該地區(qū)玉米高產(chǎn)的因素及限制玉米產(chǎn)量提高的因素[11-13]。Gibson等[9]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉量的多少可以通過(guò)模型的模擬進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而減少灌水量，可以盡可能地節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，以獲取更大的效益。Hybrid-Maize模型在我國(guó)北方地區(qū)多有應(yīng)用，侯鵬等[14]認(rèn)為，黑龍江省第1積溫帶灌溉增產(chǎn)潛力較大，第3、4、5積溫帶由于氣候因素，灌溉增產(chǎn)潛力小，該模型在黑龍江的模擬較為成功，為當(dāng)?shù)氐墓喔忍峁┝藚⒖肌２苡褴姷萚15]研究表明，吉林省東部地區(qū)播種應(yīng)在4月20日前完成，中部和西部地區(qū)應(yīng)在5月中旬完成；東部、中部和西部的種植密度應(yīng)為9、8和7.5 萬(wàn)株/hm2；選擇生育期較長(zhǎng)的品種進(jìn)行播種，能夠獲得更好的增產(chǎn)潛力。在吉林省西部半干旱區(qū)，水分是限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的重要因素，在這一地區(qū)已有學(xué)者對(duì)灌溉條件下玉米的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行了相關(guān)研究[16]，但不同灌溉定額條件下這一地區(qū)的產(chǎn)量潛力研究并不多見，有關(guān)灌溉定額對(duì)吉林省半干旱區(qū)玉米產(chǎn)量形成的影響也尚不明確。本文研究了不同灌溉定額條件對(duì)玉米產(chǎn)量形成的影響及不同灌溉定額條件下這一地區(qū)的灌溉增產(chǎn)潛力，明確灌溉定額對(duì)玉米產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀的影響和這一地區(qū)的灌溉增產(chǎn)潛力范圍，以期為吉林省西部半干旱區(qū)玉米灌溉定額的確定和建立吉林省西部半干旱區(qū)玉米灌溉栽培措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016和2017年在吉林省洮南市的農(nóng)業(yè)推廣中心試驗(yàn)站實(shí)施(東經(jīng)122.49°，北緯45.20°)，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均日照時(shí)數(shù)為3 000 h，無(wú)霜期132～136 d，平均海拔156.8 m，≥10 ℃的有效積溫在2016和2017年分別為3 292.4和3 296.8 ℃。試驗(yàn)站土壤質(zhì)地為沙壤土，土壤密度為1.49 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為12.46 g/kg，速效氮含量為65.47 mg/kg，速效磷含量為21.65 mg/kg，速效鉀含量為103.56 mg/kg，pH值為7.8。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種選用吉林省西部地區(qū)廣泛推廣種植的華農(nóng)887(HN887)和先玉335(XY335)，采用常規(guī)壟作的種植方式，種植密度為6.5 萬(wàn)株/hm2，播種前統(tǒng)一灌溉50 mm。播種日期分別為2016年5月2日和2017年5月4日，收獲日期分別為2016年9月29日和2017年10月2日，全生育期日平均氣溫分別為20.26和20.52 ℃，全生育期降水量分別為273.7和197.7 mm。基施復(fù)合肥750 kg/hm2，在拔節(jié)期時(shí)補(bǔ)施尿素277.2 kg/hm2。

本試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)灌溉定額，具體的實(shí)施方案詳見表1，采用滴灌的方式進(jìn)行灌溉，小區(qū)面積設(shè)定為30 m2，壟寬65 cm，小區(qū)長(zhǎng)度7.7 m，每個(gè)處理3次重復(fù)，共24個(gè)小區(qū)。

表1 灌溉定額方案明細(xì) mm

1.3 測(cè)定的項(xiàng)目與方法

(1)產(chǎn)量。收獲期時(shí)進(jìn)行全小區(qū)測(cè)產(chǎn)，使用谷物水分測(cè)定儀測(cè)定玉米籽粒的水分，按照[17]的方法計(jì)算產(chǎn)量。

(2)農(nóng)藝性狀及田間生長(zhǎng)發(fā)育觀測(cè)記錄。于玉米的拔節(jié)期、大口期、吐絲期、灌漿期和成熟期，在各小區(qū)內(nèi)選取5株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的玉米植株，使用直尺測(cè)量株高和所有展開葉的葉面積。記錄各小區(qū)玉米的出苗日期、達(dá)到吐絲的日期和玉米達(dá)到生理成熟的日期，時(shí)期的確定是以全小區(qū)50%以上的植株達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為限。

(3)Hybrid-Maize模型預(yù)測(cè)計(jì)算。模型使用吉林省洮南地區(qū)近10 a的日太陽(yáng)輻射量、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量，以上氣象數(shù)據(jù)均由吉林省氣象局提供，輸入2016和2017年試驗(yàn)品種的有效積溫、播種日期、施肥量、種植密度、前茬作物，對(duì)不同灌溉定額條件下玉米的增產(chǎn)潛力和生長(zhǎng)發(fā)育狀況進(jìn)行研究。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以上數(shù)據(jù)均采用Excel 2013和SAS 9.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理；基于Hybrid-Maize模型的灌溉增產(chǎn)潛力評(píng)估，采用Hybrid-Maize 2016軟件進(jìn)行模擬分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉定額條件下玉米的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益分析

半干旱地區(qū)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成與農(nóng)業(yè)灌溉之間關(guān)系密切[18]，灌溉不足或灌溉不及時(shí)易造成作物產(chǎn)量降低[19]，而過(guò)多的灌溉量和不合理的灌溉方式也會(huì)影響到作物產(chǎn)量的穩(wěn)定提升[20]。表2是不同灌溉定額條件下玉米產(chǎn)量的變化，與Q0處理相比，2個(gè)品種的產(chǎn)量均隨灌溉定額的增加而顯著提高。Q2與Q3處理的產(chǎn)量間均無(wú)顯著性差異，且均顯著高于Q1處理。這說(shuō)明灌溉是保證這一地區(qū)玉米增產(chǎn)的重要方式。年份、品種和灌溉定額分別對(duì)玉米的產(chǎn)量影響顯著(見表3)，年份和品種的互作對(duì)產(chǎn)量影響不顯著，說(shuō)明不同年份的灌溉定額對(duì)產(chǎn)量的影響趨勢(shì)相同。不同品種對(duì)灌溉定額的調(diào)節(jié)反應(yīng)是一致的。

表2 不同灌溉定額條件下玉米的產(chǎn)量變化 kg/hm2

注：同一品種中同一行數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母者表示在5%水平上差異顯著(P<0.05)，下同。

表3 不同灌溉定額條件下玉米產(chǎn)量的方差分析結(jié)果

注：Y代表年份；I代表灌溉定額；V代表品種；NS代表無(wú)差異顯著性(P>0.05)；*代表在P< 0.05水平下差異顯著；**代表在P< 0.01水平下差異顯著；下同。

從表4中可以看出，水費(fèi)、電費(fèi)和機(jī)械人工是影響玉米凈收入的主要因素，與Q0處理相比，Q1、Q2和Q3處理的凈收入均呈增加的變化趨勢(shì)，其中，華農(nóng)887分別增加了34.48%、53.87%和51.54%，先玉335分別增加了22.63%、54.45%和54.57%。根據(jù)Q3處理和Q2處理的投入計(jì)算發(fā)現(xiàn)，種植HN887的Q3處理和Q2處理分別比Q0處理增加收入3 762和3 932 元/hm2，種植XY335分別增加收入3 648和3 640 元/hm2，這說(shuō)明有效的灌溉可以增加吉林省西部半干旱區(qū)的農(nóng)民收入。與Q2處理相比，Q3處理在全生育期灌溉定額增加了80 mm的情況下，2個(gè)品種的產(chǎn)量沒(méi)有顯著性增加，種植HN887，Q3處理比Q2處理凈收入低170 元/hm2；種植XY335，Q3比Q2處理的凈收入高8 元/hm2，但卻要增加灌溉用水80 mm，這浪費(fèi)了水資源，也花費(fèi)了更多的電能和機(jī)械人工費(fèi)用。從節(jié)約資源、增加經(jīng)濟(jì)效益角度分析，灌溉170 mm更適合在吉林省西部地區(qū)推廣應(yīng)用。

表4 經(jīng)濟(jì)效益分析 元/hm2

注：玉米的賣出價(jià)為1.6 元/kg；水費(fèi)為0.13 元/t；電費(fèi)為0.5 元/kWh；利用水泵向滴灌帶輸送水的速度為40 m3/h；復(fù)合肥的價(jià)格為2 800 元/t；尿素的價(jià)格為2 500 元/t。

2.2 灌溉定額條件下玉米的生長(zhǎng)發(fā)育變化

灌溉定額影響玉米植株的生長(zhǎng)發(fā)育。由表5可以看出，與Q0處理相比，Q2與Q3處理的玉米植株均提前達(dá)到吐絲期，且更晚生理成熟。這說(shuō)明適宜的灌溉促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)發(fā)育，增加了生殖生長(zhǎng)期，生殖生長(zhǎng)天數(shù)的增加有利于玉米籽粒產(chǎn)量的形成，未經(jīng)灌溉的Q0處理和灌溉較少的Q1處理因過(guò)早的生理成熟，導(dǎo)致籽粒難有足夠的時(shí)間積累養(yǎng)分，這也是產(chǎn)量下降的原因之一。

表5 不同灌溉定額條件下玉米田間觀測(cè)記錄

玉米植株的葉面積和株高是決定玉米籽粒產(chǎn)量形成的重要因素，玉米會(huì)通過(guò)外部形態(tài)的變化來(lái)適應(yīng)灌溉所帶來(lái)的不同影響[21]。已有研究結(jié)果表明，灌溉可以使處于干旱少雨地區(qū)的農(nóng)作物維持穩(wěn)定的葉面積[22]。葉面積指數(shù)(LAI)是反映玉米群體葉片生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，其值的高低顯著影響著玉米的產(chǎn)量。表6是不同灌溉定額條件下玉米葉面積指數(shù)的變化?？梢钥闯觯喊喂?jié)期2個(gè)玉米品種各處理的LAI間均無(wú)顯著性差異；與Q0處理相比，大口期與吐絲期的Q2和Q3處理均顯著增加，Q2與Q3處理間無(wú)顯著性差異；與Q0相比，灌漿期與成熟期的Q1、Q2和Q3處理均顯著增加，Q2與Q3處理均顯著高于Q1處理，Q2與Q3處理間無(wú)顯著性差異。隨著生育期的推進(jìn)，LAI均呈拋物線狀變化趨勢(shì)，均在吐絲期時(shí)達(dá)到最高，吐絲期后各處理的LAI均呈下降的變化趨勢(shì)。成熟期時(shí)，與Q2和Q3處理相比，未經(jīng)灌溉的Q0處理的LAI下降的百分率最大，2016年，HN887的Q0處理分別下降了23.58%和23.35%，XY335的Q0處理分別下降了21.57%和20.65%；2017年，HN887的Q0處理分別下降了22.03%和21.59%，XY335的Q0處理分別下降了26.41%和26.19%。這說(shuō)明到了玉米的生育后期，有效的灌溉是維持玉米群體葉面積的重要措施。

不同灌溉定額條件下玉米的株高變化同LAI變化趨勢(shì)相似。如表7所示：大口期和吐絲期時(shí)，與Q0處理相比，Q2和Q3處理的株高均顯著增加，Q2與Q3處理間均無(wú)顯著性差異；灌漿期和成熟期時(shí)，與Q0處理相比，Q1、Q2和Q3處理均顯著增加，其中，Q2與Q3處理的株高均顯著高于Q1處理，Q2與Q3處理間無(wú)顯著性差異，未經(jīng)灌溉的Q0處理和灌溉較少的Q1處理植株較為矮小，影響了玉米的正常生長(zhǎng)發(fā)育。本研究與沈東萍[23]的研究結(jié)果基本一致。說(shuō)明通過(guò)灌溉定額的實(shí)施，可以有效地維持玉米植株的葉面積，增加玉米的株高，最終促進(jìn)玉米產(chǎn)量的形成。

表6 不同灌溉定額條件下玉米的葉面積指數(shù)

注：同一品種中同一列數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母者表示在5%水平上差異顯著(P<0.05)，下同。

表7 不同灌溉定額條件下玉米的株高 cm

2.3 玉米的灌溉增產(chǎn)潛力及生育時(shí)期的模擬研究

吉林省西部半干旱地區(qū)的降雨表現(xiàn)為分布不均和雨量不穩(wěn)定[24]，在玉米的關(guān)鍵生育期，降雨量不足將難以保證玉米的正常生長(zhǎng)發(fā)育，如灌溉用水使用得當(dāng)，這一地區(qū)玉米的灌溉增產(chǎn)潛力將十分巨大。氣候生產(chǎn)潛力是按照試驗(yàn)設(shè)置處理的方式進(jìn)行模擬，播種時(shí)間、播種密度、施肥用量及灌溉定額與本文材料與方法中提到的數(shù)據(jù)相一致。光溫生產(chǎn)潛力是排除一切不利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育的因素時(shí)該地區(qū)可達(dá)到的最大產(chǎn)量。洮南地區(qū)玉米可以達(dá)到的光溫生產(chǎn)潛力為14 000 kg/hm2(見表8)，Q0處理的氣候生產(chǎn)潛力僅為8 400 kg/hm2，這說(shuō)明半干旱區(qū)需要通過(guò)適量的灌溉來(lái)增加產(chǎn)量，未經(jīng)灌溉的玉米產(chǎn)量與該地區(qū)可達(dá)到的最大產(chǎn)量差值較大，通過(guò)適宜的灌溉(Q2、Q3處理)可減少與光溫生產(chǎn)潛力之間的差值。從表9可以看出，2016和2017年的試驗(yàn)所測(cè)得的產(chǎn)量與Hybrid-Maize模型所模擬出的氣候生產(chǎn)潛力趨勢(shì)基本吻合，產(chǎn)量差極小，但所有處理均與光溫生產(chǎn)潛力存在較大的產(chǎn)量差，說(shuō)明吉林省西部的半干旱地區(qū)仍然有著巨大的增產(chǎn)潛力，可通過(guò)其他耕作方式或栽培模式加以改進(jìn)，達(dá)到產(chǎn)量的最大化。

表8 玉米產(chǎn)量的模擬結(jié)果 kg/hm2

表9 玉米實(shí)測(cè)產(chǎn)量與增產(chǎn)潛力的對(duì)比分析

3 結(jié) 論

有效灌溉(Q2、Q3處理)提高了玉米的產(chǎn)量，增加了玉米的葉面積指數(shù)和株高，并有效地增加了農(nóng)民的收入。玉米采用170 mm的灌溉定額時(shí)，其產(chǎn)量形成和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入均表現(xiàn)較佳，170 mm可作為吉林省西部半干旱地區(qū)玉米生產(chǎn)的灌溉參考值，可在吉林省西部半干旱地區(qū)推廣應(yīng)用，對(duì)吉林省西部半干旱區(qū)玉米的高效生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

Hybrid-Maize模型可作為吉林省西部半干旱區(qū)估測(cè)玉米產(chǎn)量變化趨勢(shì)的模型，其模擬值與本研究的田間試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。通過(guò)灌溉定額處理的玉米產(chǎn)量仍然與這一地區(qū)的玉米光溫生產(chǎn)潛力間存在著較大的差值，尋求其他不利于和有利于吉林省西部半干旱區(qū)玉米生產(chǎn)的因素，縮小與光溫生產(chǎn)潛力之間的差值，是未來(lái)我們需要繼續(xù)研究的方向。