楊庭瑞，趙經(jīng)華，楊 磊，彭艷平，周和平

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計院有限公司，烏魯木齊 830000；3.新疆水利管理總站,烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】新疆地處我國西北邊陲，水資源極為短缺[1-3]。新疆降水少，蒸發(fā)大，屬于依靠灌溉的荒漠綠洲農(nóng)業(yè)[4]。膜下滴灌長期使用地膜殘留率達(dá)到20%以上[5,6]。滲灌是將作物用水直接輸入田間埋于地下的灌水毛管，借助毛細(xì)管作用浸潤土壤的灌水措施[7,8]。滲灌水分運(yùn)移方式與其他灌水方式有明顯的不同[9]。滲灌灌水土壤表層水分少，深層土壤貯水多，形成土壤水資源儲存、調(diào)蓄的空間[10,11]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究發(fā)現(xiàn)[12-14]，若表層土壤干旱而中下部土壤水分適宜，可以促進(jìn)作物的根系吸收下部土壤的水分，從而提高水分利用效率。Mishra H.S等[15]研究認(rèn)為，在土壤表層濕潤環(huán)境中，根系主要集中在淺層，并且集中在水平發(fā)展；在土壤表層干旱處理中，由于水分的虧缺，根系主要集中在深層，并且集中在垂直發(fā)展。劉洪光等[16,17]研究表明，滲灌可以減少地表水分蒸發(fā)，耕作層以下土壤水分與作物的根系生長相互作用有利于節(jié)水增產(chǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤深層水分的利用與根系的生長發(fā)育狀況密切相關(guān)，目前國內(nèi)對膜下滴灌的作物耗水規(guī)律和機(jī)理等已有研究，但關(guān)于滲灌作物這方面研究較少，也缺乏滲灌作物根系生長分布及深層土壤水分的利用研究，滲灌還需進(jìn)行更多深入且細(xì)致的研究。研究不同作物滲灌土壤水分狀況與產(chǎn)量效應(yīng)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用正交試驗設(shè)計，以滲灌玉米產(chǎn)量為敏感性分析指標(biāo)，研究玉米滲灌多因素組合下土壤水分分布以及滲灌玉米產(chǎn)量效應(yīng)，分析玉米滲灌與膜下滴灌土壤水分分布差異及滲灌玉米適宜的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施和灌溉制度，為滲灌應(yīng)用于玉米大田種植提供技術(shù)與管理理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于新疆昌吉州昌吉市濱湖鎮(zhèn)13戶村的新疆灌溉中心試驗站(44°01'N，87°18'E，海拔600 m)進(jìn)行，為天山北坡、洪積平原地帶，氣候類型屬于典型內(nèi)陸干旱性氣候，晝夜溫差較大，日照時數(shù)約為7.8 h，年均氣溫約13.1℃。該區(qū)降水量少，年降水量約為181.7 mm；蒸發(fā)強(qiáng)烈，年蒸發(fā)量可達(dá)1 730 mm以上。地下水位在3 m以下。該區(qū)土壤為中壤土的棕漠土，0～100 cm土層土壤干容重1.38～1.54 g/cm3，耕作層平均土壤干容重1.46 g/cm3，0～100 cm土層田間持水量為18%～24%，耕作層田間持水量為20%～23%。表1

表1 2019年試驗站氣象因素Table 1 Basic meteorological data of the test station in 2019

2019年供試玉米品種為華西146，采用甘肅省大禹節(jié)水灌溉公司生產(chǎn)的地埋內(nèi)鑲式滴灌帶，滴灌帶間距0.7 m，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.8 L/h，管道埋深20～30 cm。對照CK采用迷宮式出流滴灌帶，毛管間距1 m，相比滲灌略長，滴頭間距20 cm，相比滲灌間距略短。對照CK滴頭流量2.8 L/h，各田間灌溉工作壓力150 kPa。玉米株距25 cm，行距35 cm，滲灌與對照CK種植密度相同。玉米的栽培、管理措施均按試區(qū)當(dāng)?shù)卮筇镒魑锷a(chǎn)管理。在蟲害多發(fā)時期噴藥防除病蟲害。

1.2 方 法

1.2.1 多因素正交試驗

影響玉米生長發(fā)育的因素主要包括：灌水方式、灌溉制度、種植方式、肥料施用、病蟲害防治、田間管理、氣候環(huán)境等[18-23]。選取滲灌埋深、播種深度、灌水頻次、灌水定額4個因素，設(shè)膜下滴灌CK對照，研究滲灌玉米土壤水分分布及產(chǎn)量狀況。各因素各取3個水平試驗，選取L9(34)正交試驗因素水平。表2，表3

表2 正交試驗因素水平Table 2 Orthogonal factor level table

表3 正交試驗設(shè)計表L9(34)Table 3 Orthogonal experiment design L9(34)

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 試驗區(qū)氣象數(shù)據(jù)由自動氣象站采集，試驗各處理灌溉水量使用水表測量控制，采用烘干法與TRIME-IPH水分儀兩者結(jié)合觀測0～100 cm土層(每20 cm為一層)土壤含水率，觀測后取均值。每個試驗處理以灌水器為中心等距20 cm固定埋設(shè)2處土壤含水率TRIME管，灌水或降水前后加測土壤含水率。

1.2.2.2 產(chǎn)量測定在每個處理小區(qū)取15株玉米考種測量，主要測量每株穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重，分別數(shù)穗、脫粒、數(shù)粒，將籽粒烘干后稱重，計算小區(qū)籽粒產(chǎn)量，根據(jù)小區(qū)面積折算為公頃產(chǎn)量。同時，對每個處理小區(qū)實打?qū)嵤詹⑴c考種產(chǎn)量結(jié)果對比使用。

1.3 數(shù)據(jù)處理

正交試驗采用直觀分析法如下：

ki=Ki/s.

式中：Ki：任意列上水平號為i所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和；

ki：為任意列上因素取水平i時所得試驗結(jié)果的算術(shù)平均值；

s：為任意一列上各個水平出現(xiàn)的次數(shù)，本次試驗取3。

R=max{k1，k2，k3}-min{k1，k2，k3}.

式中：R為極差。

若各試驗因素對試驗指標(biāo)無影響，各因素下ki應(yīng)該相等；相反，則該試驗因素對試驗指標(biāo)有影響。用ki的數(shù)值大小判斷各試驗因素水平對試驗指標(biāo)的影響，R值的大小是判斷試驗因素對試驗指標(biāo)影響程度的依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理土壤水分變化

研究表明，滲灌各處理在各生育時期土壤含水率從耕作層向下至100 cm處都有一個逐漸增長的趨勢，在生長中后期抽穗期～開花期之間中部土壤含水率變化較明顯。膜下滴灌灌水器鋪設(shè)在土壤表面，地膜的鋪設(shè)為土壤增溫保墑，耕作層土壤含水率較高，在20～60 cm土壤含水率降低，60～100 cm土壤含水率有所回升，且總體變化明顯。滲灌各處理在耕作層20 cm處的土壤含水率均低于對照試驗CK，膜下滴灌CK耕作層20 cm處土壤含水率同比滲灌總體平均土壤含水率高出了97.6%，差異顯著。在40 cm處，各處理土壤含水率分布均勻，滲灌總體平均土壤含水率為11.73%，膜下滴灌CK為11.4%。在60～80 cm處，滲灌土壤含水率相比上層土壤含水率有所增加，滲灌總體平均土壤含水率維持在13.6%～15.7%，而處理7在多個生育時期內(nèi)土壤深度80 cm處相比其他處理均為最高，其抽穗期土壤深度80 cm處土壤含水率達(dá)到了20.4%。在土壤深度100 cm處土壤含水率相比上層的土壤有明顯升高，滲灌處理1達(dá)到了峰值28.2%，滲灌各處理土壤含水率總體平均為21.3%，膜下滴灌CK為21.6%，滲灌與膜下滴灌差異不顯著。

耕作層土壤含水率滲灌低于膜下滴灌；在中部土壤滲灌高于膜下滴灌，在100 cm處滲灌與膜下滴灌表現(xiàn)相同。滲灌的土壤水分分布表現(xiàn)為上部耕作層少，中下層逐漸增多。膜下滴灌的土壤水分分布則是耕作層多，中層水分降低，下層增大。圖1

2.2 玉米產(chǎn)量效應(yīng)

研究表明，玉米產(chǎn)量隨播種深度增加出現(xiàn)先降后增趨勢，播種深度20 cm達(dá)到高產(chǎn)為9 848.62 kg/hm2；播種深度是滲灌玉米產(chǎn)量的重要影響因素，滲灌播種深度較膜下滴灌更深，但玉米產(chǎn)量卻相對較高，隨著滲灌埋深增大玉米產(chǎn)量也在增加，滲灌埋深30 cm時玉米產(chǎn)量達(dá)到9 659.50 kg/hm2；隨著灌水頻次的增多，玉米產(chǎn)量的變化趨勢為拋物線形，在灌水頻次7次時玉米產(chǎn)量達(dá)到峰值9 754.49 kg/hm2；對玉米產(chǎn)量的影響最小的是灌水定額，在600 m3/hm2時達(dá)到玉米高產(chǎn)為9 524.45 kg/hm2。滲灌總體各處理的平均產(chǎn)量為9 485.10 kg/hm2，比膜下滴灌CK產(chǎn)量8 416.78 kg/hm2，增產(chǎn)1 068.32 kg/hm2，漲幅為12.7%。滲灌灌溉定額2 700～6 000 m3/hm2，灌溉定額增大玉米產(chǎn)量也逐漸增大，但在灌溉定額6 000 m3/hm2時玉米產(chǎn)量為9 976.03 kg/hm2，灌溉定額4 200 m3/hm2時產(chǎn)量為9 905.56 kg/hm2，兩者灌溉水量差距較大，產(chǎn)量增幅卻較小，在產(chǎn)量接近的情況下，灌溉定額4 200 m3/hm2更加節(jié)能增效，與膜下滴灌CK相比，單位面積節(jié)水300 m3/hm2，提高產(chǎn)量1 488.78 kg/hm2，漲幅為17.7%；4 200 m3/hm2滲灌定額方案既可以減少灌水頻次節(jié)約水量，也可以增產(chǎn)增效。

(a)4月15日出苗期 (b)5月2日分蘗期

對滲灌玉米產(chǎn)量影響最為顯著的是播種深度，其次為灌水頻次，之后為滲灌埋深，影響最小的是灌水定額。影響玉米產(chǎn)量的最優(yōu)組合為A3B3C2D2。圖2,表4，表5

圖2 因素-指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.2 The curve of the relationship between the results and influencing factors

表4 正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

表5 正交試驗指標(biāo)Table 5 The index analysis of orthogonal test result(kg/hm2)

3 討 論

地膜覆蓋強(qiáng)度多年呈增長趨勢[24]。地膜使用量大，但回收率低，地膜殘留在土壤中會不同程度的影響土壤理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)、土壤水分運(yùn)移、植物根系生長、作物吸收水分及作物生長發(fā)育[25-27]。滲灌的使用不需要鋪設(shè)地膜[28,29]。在研究中玉米播種深度作為重要影響因素，播種的深度影響著作物出苗及前期的生長。研究設(shè)置為10、15、20 cm 3個深播水平，且遠(yuǎn)大于膜下滴灌下的5 cm播種深度，通過試驗發(fā)現(xiàn)滲灌各處理平均出苗率達(dá)到94%，膜下滴灌出苗率達(dá)到97%，滲灌各處理平均產(chǎn)量達(dá)到9 485.10 kg/hm2，相比膜下滴灌增產(chǎn)12.7%。滲灌條件下深播玉米出苗率有所降低，對最終產(chǎn)量的影響不明顯，但仍需繼續(xù)深入研究滲灌玉米適宜的播深及優(yōu)化灌水技術(shù)組合參數(shù)。

4 結(jié) 論

4.1滲灌與膜下滴灌水分運(yùn)移方式不同，滲灌土壤耕作層含水率較膜下滴灌更低，中部土壤含水率比膜下滴灌高，滲灌與膜下滴灌在深層土壤含水率的表現(xiàn)狀況相近，滲灌的水分分布為耕作層較低，中層漸增，而膜下滴灌水分在耕作層與土壤中層分布正好與之相反；深層土壤水分分布兩者相近。滲灌灌水有利于土壤深層儲水，減少土壤表層蒸發(fā)，有良好的水分深儲、土壤保墑性能。

4.2對滲灌玉米產(chǎn)量影響的試驗因素主次順序為播種深度>灌水次數(shù)>滲灌埋深>灌水定額；最優(yōu)因素水平組合為播種深度20 cm，滲灌埋深30 cm，灌水定額600 m3/hm2，灌水頻次7次。生產(chǎn)方案為播種深度10 cm，滲灌埋深25 cm，灌水定額600 m3/hm2，灌水7次，灌溉定額4 200 m3/hm2，產(chǎn)量9 905.56 kg/hm2。