要家威, 齊永青, 李懷輝, 沈彥俊**

(1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心/中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農業(yè)重點實驗室石家莊 050022; 2.中國科學院大學 北京 100049; 3.甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院 蘭州 730070)

作為我國重要的糧食主產區(qū)之一, 華北平原水土資源高度不匹配, 耕地數量占全國的16.96%, 水資源量僅占全國的2.25%, 灌溉用水量占全國的10.74%[1]。冬小麥(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)一年兩熟制是本區(qū)域主要種植制度, 其年均耗水量高, 作物耗水需通過農業(yè)灌溉進行補給, 但該區(qū)域常規(guī)灌溉方式為地面灌溉, 水資源利用效率低下,致使地下水位快速下降, 水資源緊缺狀況日益嚴峻[2-3]。華北平原玉米季降水集中, 但僅通過不穩(wěn)定降水供給玉米生長易導致減產, 仍需對玉米進行灌溉, 而地面灌溉補給方式易與降水補給重疊, 導致水分無效利用, 因此少量多次的灌溉方式更適用于玉米種植。在此背景下使用高效灌溉技術替代地面灌溉方式,提高灌溉水利用效率, 已成為確保我國糧食、水資源安全和社會穩(wěn)定的必然要求[4]。

地下滴灌技術是現(xiàn)階段節(jié)水效率最高的灌溉方式之一, 在國內外得到了廣泛應用[5]。相關研究表明,地面灌溉、噴灌、地表滴灌和地下滴灌等多種灌溉方式[6-9]對作物生長發(fā)育及耗水特征的影響顯著, 地下滴灌技術可有效降低灌溉量, 提高作物產量與水分利用效率, 其用水效率比傳統(tǒng)農業(yè)灌溉方式提高了近30%。地下滴灌技術灌水完成后地表土壤含水量較低, 可以有效減少土壤蒸發(fā)量與深層滲漏量[10],將灌溉水留存于植物根區(qū)[11]。Valentin等[12]指出玉米地下滴灌的蒸散量相對地表滴灌降低39%, 灌溉水生產力提高25%, 土壤蒸發(fā)量在整個生育期內減少約40 mm。近年來, 諸多學者對不同作物的合理灌溉制度[13-14]、滴灌帶布設方式[15-17]等關鍵技術參數進行了大量研究討論。研究表明合理的灌溉制度在可以實現(xiàn)維持作物高產的同時達到節(jié)水目的[18], 適宜的滴灌帶布設方式可以減少地下滴灌的成本[19-20]。廉喜旺[15]認為滴灌帶間距80 cm、埋深30 cm、灌溉定額375 mm的設計方案苜蓿(Medicago sativa)產量和水分利用效率最高, 同時指出滴灌帶埋深對產量的影響大于布設間距。

目前, 地下滴灌技術可在作物產量不顯著降低的前提下, 有效減少灌溉量, 該結論仍需通過田間試驗對華北典型農田區(qū)進行驗證。且地下滴灌節(jié)水研究大多僅停留在蒸散量層面, 對土壤蒸發(fā)進行定量監(jiān)測及分析的研究鮮有報道?；诖? 本研究采用不同灌溉定額和滴灌帶間距的田間組合試驗, 研究了地下滴灌對華北典型農田夏玉米生長發(fā)育、蒸散量、土壤蒸發(fā)以及土壤水分變化的影響, 旨在查明地下滴灌對田間尺度水平衡的影響特征, 并為地下滴灌技術在華北平原的生產應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2020年6月至10月在中國科學院欒城農業(yè)生態(tài) 系統(tǒng)試驗站(37°50N, 114°40E)進行。該地屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候, 多年平均降水量約470 mm, 玉米季多年平均降水量約為340 mm。土壤質地以壤土為主, 全氮含量0.7～0.8 g?kg?1, 堿解氮60～80 mg?kg?1, 速效磷15～20 mg?kg?1, 速效鉀150～170 mg?kg?1。土壤平均容重1.45 g?cm?3, 飽和體積含水量為44%, 田間體積持水量為34%, 凋萎體積含水量為12%。

試驗期內降雨量、水面蒸發(fā)量、日均溫度與日均相對濕度均呈波動狀態(tài)(圖1)。其中, 日降水大于5 mm的有效降水量共298.5 mm, 8月5?6日降雨量共計85.8 mm。試驗期當年降雨量接近多年平均降雨量。玉米播種后臨近幾日內日均溫較高, 相對濕度較低, 日水面蒸發(fā)量大于10 mm。

圖1 試驗地試驗期內降雨量、水面蒸發(fā)量、平均溫度與平均相對濕度Fig.1 Rainfall, water evaporation, average temperature and average relative humidity during the test period in the experiment site

1.2 試驗設計

試驗設計地下滴灌(SSDI)灌溉量與滴灌帶間距2個變量。灌溉量2個處理, 分別為62 mm (W1)和35 mm (W2); 滴灌帶間距3個處理, 分別為60 cm (D1)、80 cm (D2)與100 cm (D3); 同時設置灌溉量為80 mm的地面灌溉(FI)作為對照。試驗采用隨機區(qū)組設計,每個處理3組重復, 試驗方案如表1所示。試驗小區(qū)長15 m, 寬10 m, 小區(qū)間設80 cm保護行, 各小區(qū)配備獨立管道及水表, 以確保各小區(qū)單獨灌水和施肥。采用以色列Metzerplas公司生產的壓力補償式滴灌管, 滴頭間距40 cm, 統(tǒng)一埋深25 cm, 滴頭流速2 L?h?1。地下滴灌處理播種后使用自走式噴灌機于6月22日進行出苗水灌溉, 灌溉量為15 mm。當W1處理0～100 cm土層的土壤體積含水量降低至田間持水量的60%時進行灌溉, 所有處理同時灌溉, 以保證灌溉頻率相同。單次灌水定額通過濕潤比、計劃濕潤深度等因素確定, 其中拔節(jié)期計劃濕潤深度為40 cm, 抽雄期為60 cm, 灌漿期為80 cm。該試驗地前一季種植作物為冬小麥, 灌溉制度和試驗設計與本試驗完全相同。

表1 試驗處理設計方案Table 1 Design scheme of test treatments

玉米供試品種為‘鄭單958’, 2020年6月20日貼茬播種, 行間距60 cm, 株間距25 cm。2020年9月29日收獲。玉米底肥隨播種施入, 底肥施N量為156 kg?hm?2, 施P量為29 kg?hm?2, 施K量為58 kg?hm?2;于7月27日隨水追肥, 施N量共為40 kg?hm?2。地面灌溉處理的施肥量與地下滴灌處理的施肥量相同。田間管理水平保持一致。

1.3 測定項目與方法

氣象數據來自中國科學院欒城農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站自動氣象站, 包括試驗期內日降雨量、日均溫、相對空氣濕度等。

土壤含水量采用便攜式土壤水分廓線儀(Diviner 2000)觀測, 在6月20日玉米播種前開始, 每間隔7 d觀測1次0～100 cm土層的土壤體積含水量,灌水前后1 d及降雨后各加測土壤含水量1次。每個小區(qū)隨機設定3個樣點。

棵間土壤蒸發(fā)采用微型蒸滲儀(Micro-lysimeter)觀測, 桶體高度15 cm, 內徑10 cm, 壁厚5 mm, PVC材質, 桶外使用內徑為12 cm的PVC管固定。每日傍晚18:00開始稱重, 兩天之間重量差值為當日土壤蒸發(fā)量, 每次降雨后更換土壤。每個小區(qū)隨機設定3個樣點。作物蒸騰量為蒸散量與土壤蒸發(fā)的差值。

農田耗水(ET)根據水量平衡公式計算:

式中: ET為作物實際耗水量(mm),E為土壤蒸發(fā)量(mm),T為作物蒸騰量(mm),P為降雨量(mm),I為灌水量(mm),R為地表徑流量(mm),D為深層滲漏量(mm), ΔS為生育期內土壤水分消耗量(mm)。試驗期內無地表徑流產生,R忽略不計; 本試驗深層滲漏量通過降雨入滲系數計算[21]。

夏玉米各生育期的株高、葉面積指數(LAI)通過在各小區(qū)內選擇長勢、大小相同的3株進行定株觀測, 株高、完全展開葉片的綠葉長度與最大寬度使用精度為1 mm的直尺測量, 葉面積指數使用單株葉面積(葉面積=葉長×葉寬×0.75)與群體密度計算。玉米各生育期地上干物質量測定采用小區(qū)隨機取樣,每次3株, 切割分開后, 在鼓風干燥箱內110 ℃殺青30 min, 然后75 ℃烘干至恒重。穗數、穗粒數、百粒重等產量要素指標通過常規(guī)考株、考種獲得, 產量為各小區(qū)實收結果。采用Logistic方程模擬夏玉米干物質積累量變化[22]:

式中:y為夏玉米干物質積累量(g),T為夏玉米播種后天數(d),K為理論最大干物質積累量(g),a,b為待定系數。夏玉米干物質積累量特征值分別為干物質最大相對生長速率(Vm=?bk/4)、最快生長階段開始時間[T1=(a?1.317)/b]、最快生長階段結束時間[T2=(a+1.317)/b]、最大相對生長速率出現(xiàn)時間(Tm=?a/b)。

水分利用效率(WUE)、灌溉水利用效率(IWUE)與收獲指數[23](HI)計算公式:

式中:Y為經濟產量(kg?hm?2), ET為蒸散量(mm),I為灌水量(mm)。

1.4 數據處理與分析方法

基于Excel 2013處理數據并繪制圖表, 采用SPSS軟件進行數據統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理的土壤含水量變化過程

圖2所示為玉米整個生育期內0～100 cm土層土壤體積含水量隨時間變化過程, 不同處理的0～20 cm土層土壤體積含水量主要受降雨、灌溉與土壤蒸發(fā)影響, 隨時間呈波動變化。地下滴灌處理波動明顯,W2各處理表層20 cm以上土層土壤體積含水量變化較大, 而W1各處理含水量波動變化的位置僅位于土壤表層15 cm以上, 相對于W2處理較淺。20～60 cm土層是地下滴灌處理灌溉水主要存留位置, 該層土壤含水量主要受灌溉及作物根系吸水影響, 土壤含水量波動與灌溉周期同步。W1處理的灌溉水主要停留于根區(qū)20～60 cm土層, W2各處理灌溉水主要停留在20～40 cm土層。W2各處理40～60 cm土壤含水量增加量相對W1處理較小。W2各處理灌溉量較低, 因此根區(qū)土壤含水量也較低, 在8月5日強降雨補給后仍未達到田間持水量, 在生育后期3組處理土壤含水量均下降至20%以下。地下滴灌各處理60～100 cm土層土壤含水量在無大雨影響下, 僅被作物根系吸收消耗。W1D3處理滴灌帶間距較大, 在整個剖面的平均體積含水量相對W1D1與W1D2處理較小, 但3種處理之間土壤含水量變化趨勢基本相同,而W2各處理因灌溉量較小, 各間距處理之間無明顯差異。FI處理經灌溉后, 整個剖面的土壤含水量增至田間持水量, 生育前期表層土壤含水量在降雨影響下長時間處于20%以上, 生育后期無降雨補給, 土壤含水量下降較快。

圖2 玉米生育期內不同處理0～100 cm土壤體積含水量隨時間變化過程Fig.2 Variation process of 0?100 cm soil volumetric water contents with different treatments during the growth period of maize

2.2 不同處理對蒸散量及土壤蒸發(fā)量的影響

圖3所示為生育期內不同處理的日土壤蒸發(fā)量與日蒸散量變化。夏玉米進入拔節(jié)期(7月9日)之前FI處理最高日土壤蒸發(fā)量為5.38 mm, 蒸發(fā)總量為44 mm, 顯著高于地下滴灌所有處理17 mm的平均蒸發(fā)總量。玉米拔節(jié)期后, 所有處理的日土壤蒸發(fā)量與日蒸散量變化趨勢基本相同, 隨夏玉米生長發(fā)育至完全覆蓋地表, 日棵間蒸發(fā)量逐漸減小, 日蒸散量在生育后期保持相對穩(wěn)定。降雨后日土壤蒸發(fā)與日蒸散均有明顯上升, 兩者與土壤含水量有密切關系。W1與W2各處理出苗水灌溉量相同, 生育前期表層土壤含水量基本一致, 因而各處理間土壤蒸發(fā)量差異不明顯。W1與W2各處理灌溉定額不同,導致后者生育前中期日蒸散量低于前者。

圖3 不同處理下夏玉米生育期內日土壤蒸發(fā)量和日蒸散量Fig.3 Daily evaporation and evapotranspiration during the growth period of summer corn under different treatments

表2所示為不同處理下夏玉米蒸散量、土壤蒸發(fā)、作物蒸騰與土壤蒸發(fā)占蒸散量比值(E/ET)。W1、W2與FI處理之間蒸散量差異達顯著水平(P<0.05),FI處理ET值最大, 為324.22 mm。W1與W2處理較FI處理分別降低8.1%與15.9%。FI處理與地下滴灌處理之間棵間蒸發(fā)量的差異同樣達顯著水平(P<0.05); 與FI處理相比, 地下滴灌處理的土壤蒸發(fā)量降低30%。相對于W2處理, W1處理土壤蒸發(fā)略有增加, 但差異并不顯著。地下滴灌處理可顯著降低E/ET值, 由FI處理的0.34降低至0.27。

表2 不同處理下夏玉米蒸散量、土壤蒸發(fā)量與作物蒸騰量Table 2 Summer corn evapotranspiration, evaporation and transpiration under different treatments

2.3 不同處理對玉米生物量的影響

夏玉米株高總體變化趨勢相同, 拔節(jié)期與大喇叭口期生長最迅速, 直至吐絲期株高基本定型(圖4)。抽雄期以前地下滴灌各處理間差異不顯著(表3), 與地下滴灌處理相比, FI處理生長較快, 拔節(jié)期增加了約30 cm, 大喇叭口期增加了約50 cm。吐絲期W1各處理與FI處理達到相同植株高度, 比W2各處理顯著提高了10 cm (P<0.05)。

表3 不同處理下夏玉米不同生育期株高、葉面積指數和干物質量顯著性分析表Table 3 Significance analysis of plant height, leaf area index and dry matter quality of summer maize at different growth stages under different treatments

夏玉米葉面積指數總體變化趨勢相同, 拔節(jié)期開始快速增長, 至抽雄期達最大, 隨后緩慢下降, 到成熟期降到最低(圖4)。不同生育時期內各處理差異較大, 苗期、拔節(jié)期及大喇叭口期地下滴灌各處理間LAI差異不顯著, 大喇叭口期FI處理相對于地下滴灌處理顯著提高33% (P<0.05)。在生育中后期,W1處理與W2處理出現(xiàn)顯著差異(P<0.05), 葉面積指數隨灌溉量的增加而增大, 表現(xiàn)為FI>W1>W2。吐絲期各處理間LAI差異最為顯著, W1處理比W2處理提高7%, FI處理的LAI比最小值W2處理提高16.3%(P<0.05)。

玉米地上干物質量隨生長時間增加而增加(圖4),抽雄期、吐絲期及灌漿期的各處理之間差異顯著(P<0.05)。灌漿期W1各處理平均干物質量比W2處理提高21%, FI處理比W2處理提高40%。成熟期干物質量依次為FI>W1>W2?；贚ogistic方程擬合分析夏玉米單株干物質積累量的特征值, 地下滴灌各處理的最大相對生長速率基本相同, FI處理比地下滴灌處理均值提高14% (表4)。W1各處理與FI處理的最快生長階段基本相同, W2各處理最快生長開始時間延后7～8 d, 最大生長速率出現(xiàn)時間延后10 d, 結束時間延后15 d左右。W2各處理生長發(fā)育時期延后主要原因為灌溉量較低, 產生了水分脅迫, 對夏玉米生育進程造成影響, 而兩次大雨補給使夏玉米后期恢復了正常生長。

表4 不同處理下夏玉米干物質積累的Logistic模擬特征值Table 4 Logistic simulation eigenvalues value of dry matter accumulation of summer maize under different treatments

圖4 不同處理下夏玉米不同生育期株高、葉面積指數和干物質量Fig.4 Plant height, leaf area index and dry matter quality of summer corn at different growth stages under different treatments

2.4 不同處理對玉米產量及水分利用效率的影響

不同處理的玉米產量、水分利用效率及產量構成要素如表5所示。各處理間穗行數無顯著差異。灌溉量對玉米行粒數影響顯著(P<0.05), W1D1處理行粒數最高, W1處理顯著大于W2處理(提高8.2%)。地下滴灌處理與FI處理百粒重差異顯著(P<0.05),FI處理百粒重最高, 相對W1和W2處理顯著提高16.6%和20.8%, 地下滴灌各處理間無顯著性差異。產量隨灌溉量的降低而降低, FI處理產量最高, 大小關系表現(xiàn)為FI>W1>W2; 與FI處理相比, W1各處理產量無顯著下降, W2各處理平均產量顯著降低15% (P<0.05)。各滴灌帶間距處理間產量無顯著差異。各處理間水分利用效率差異未達顯著水平, W2D3處理的水分利用效率最高, 為3.08 kg?m?3, FI處理最低, 為2.97 kg?m?3。顯著性分析表明灌溉量對灌溉水利用效率影響顯著(P<0.05), 減少灌溉量可顯著提高灌溉水利用效率,W2D3處理的灌溉水利用效率最高, 為23.77 kg?m?3,FI處理最低, 為12.05 kg?m?3, W1和W2各處理平均分別比FI處理顯著提高20%和93%。地下滴灌處理可有效提高夏玉米收獲指數, 大小關系依次為W1>W2>FI, W1D1處理的收獲指數最大, 為0.531, W1處理比FI處理提高10.7%, 差異具有統(tǒng)計學意義。

表5 不同處理下夏玉米產量及水分利用效率Table 5 Summer maize yield and water use efficiency under different treatments

3 討論

研究地下滴灌技術中灌溉量、滴灌帶間距布設與夏玉米生長發(fā)育及耗水特征的響應關系, 對緩解華北典型農田區(qū)地下水超采問題具有重要的科學意義。本試驗中地下滴灌出水口埋設在地下25 cm處,能夠將灌溉水直接輸送至作物根區(qū)。W1各處理的土壤濕潤體主要位于地下20～60 cm, 土壤水分再分布過程中受重力勢影響, 向下運移距離遠大于向上運移距離, 濕潤體呈現(xiàn)“上小下大”的形態(tài), 與康銀紅等[24]研究結果一致。滴頭流速相同的情況下, 灌溉量越大、灌溉時間越長、濕潤鋒運移距離越大, 相較于W2處理, W1處理相對濕潤體大小增加20 cm,土壤體積含水量增加量相應提高[25-26]。試驗中特殊的水分分布特征表明, 地下滴灌有效降低了土壤表層的土壤含水量, 形成10 cm左右的干土層, 為減少土壤蒸發(fā)量提供了必要條件, 這是地下滴灌技術在節(jié)水農業(yè)中的一大優(yōu)勢[27]。

目前地下滴灌研究中, 土壤蒸發(fā)及作物蒸騰量多通過軟件計算所得[28], 而本研究通過微型蒸滲儀的手段對土壤蒸發(fā)進行了定量實測, 發(fā)現(xiàn)地下滴灌處理棵間土壤蒸發(fā)量顯著低于FI處理, 降低了30%, 可能是由于玉米生育前期土壤處于無葉片覆蓋的裸露狀態(tài), 田間蒸散以棵間蒸發(fā)為主, 且FI處理的灌溉量較大, 地表土壤含水量較高, 相對地下滴灌處理可供土壤蒸發(fā)使用的水分更多, 從而導致了非生產性耗水增加[29]。本研究表明灌溉量對蒸散量的影響達顯著水平, 而地下滴灌不同定額灌溉量下土壤蒸發(fā)量差異不顯著, 蒸散量間差異主要由作物蒸騰量的不同導致, 低灌溉量使玉米產量出現(xiàn)顯著降低, 同時作物生長發(fā)育指標均有不同程度的衰減, 結果與目前大多數研究相同[30]。

FI處理苗期灌溉量相對地下滴灌處理高, 致使株高與葉面積指數在生育前期增加更快, 有利于提高作物產量。玉米各生育期內株高、葉面積指數與干物質積累量隨灌溉量的增加而增加[31], 苗期不同的土壤含水量和全生育期內不同的灌溉總量導致了各處理間生長發(fā)育指標的差異。相對于地面灌溉方式,地下滴灌可在作物產量相同的前提下減少灌溉量,從而提高灌溉水利用效率[8-9]?，F(xiàn)階段研究多以提高生物產量[32]或作物品種遺傳潛力[33]的方式提高作物收獲指數, 而本研究發(fā)現(xiàn)地下滴灌處理收獲指數相較于FI處理顯著提高10%, 表明地下滴灌技術同樣可以有效促進生物產量向經濟產量轉化。

同一灌溉定額下, 60 cm、80 cm和100 cm的滴灌帶間距處理的蒸散量、生長發(fā)育指標與產量均無顯著差異。這可能因為農田水分輸入項主要由降雨和灌溉兩部分構成, 而華北平原季節(jié)性降雨集中, 本研究中玉米關鍵生育期受強降雨影響, 掩蓋了不同間距下的灌溉處理引起的水分分布空間差異, 使各處理的土壤水分分布更為均勻, 各項數據無顯著差異?，F(xiàn)階段多數研究結果也表明, 相對于滴灌帶布設間距, 灌溉量與氣候條件對作物生長發(fā)育與產量的影響更大[34]。滴灌帶布設參數對地下滴灌技術的應用成本及工程量影響較大, 滴灌帶間距的增加可以減少成本與施工量[19-20,35]。本研究中, 在考慮布設成本與施工量的前提下, 100 cm間距處理優(yōu)于60 cm和80 cm處理。而在該區(qū)域滴灌帶間距布設方案研究中, 應針對冬小麥-夏玉米輪作制度進行考量, 通過更多的田間試驗探究寬間距對密植作物冬小麥的產量及生長發(fā)育指標是否有顯著影響。

4 結論

1)地下滴灌水分直接灌入作物根區(qū), 主要停留在20～60 cm土層, 灌溉量越高, 濕潤范圍越大, 土壤含水量也越大。相對地面灌溉處理, 地下滴灌有效降低地表0～20 cm和60～100 cm的土壤含水量。

2)玉米株高、葉面積指數與干物質積累量隨灌溉量的增加而增加。地面灌溉處理玉米株高增長速率較快, 作物最大干物質量積累速率提高。地下低灌溉量滴灌(35 mm)對玉米造成水分脅迫, 其生育期相對地表灌溉滯后。

3)與地面灌溉方式相比, 地下滴灌能顯著降低蒸散量與土壤蒸發(fā)量, 土壤蒸發(fā)降低30%,E/ET值從0.34降低到0.27。地下滴灌可在減少22%灌溉量的條件下保證作物產量無明顯下降, 其中, 蒸散量降低8%, 灌溉水利用效率提高20%, 收獲指數提高10%。

4) 60 cm、80 cm及100 cm 3種滴灌帶間距對玉米生長發(fā)育及耗水特征無顯著影響, 同一灌溉量下土壤含水量變化趨勢差異不明顯, 但較大的滴灌帶間距可減少地下滴灌系統(tǒng)成本。