孟繁昊，楊恒山，張瑞富，張玉芹，李維敏，張雨珊，張明偉

(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 通遼 028043)

西遼河平原地處世界玉米“黃金帶”，是我國玉米單產(chǎn)最高的地區(qū)之一。受全球氣候變化和人類活動的雙重影響，西遼河徑流量日益減少，當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)用水大量依賴開采地下水，導(dǎo)致漏斗區(qū)面積持續(xù)擴大。水糧矛盾現(xiàn)已成為限制西遼河平原玉米可持續(xù)生產(chǎn)的主要因素。傳統(tǒng)種植方式下，長期高施氮累積效應(yīng)下出現(xiàn)增肥不增產(chǎn)的現(xiàn)象，大水漫灌之下，大量氮肥被淋溶到深層土壤中，不僅導(dǎo)致氮肥利用效率低，還會在地表形成板結(jié)層，嚴重影響耕地質(zhì)量。因此，探索適宜的灌溉方式對提高當(dāng)?shù)赜衩椎乃?、氮利用效率均有重要意義。

滴灌具有節(jié)水增效的特點，在我國干旱半干旱區(qū)應(yīng)用較廣，并取得較好成效。研究表明：滴灌可提高表層(0～40 cm)土壤水、氮含量，有利于作物吸收利用，能夠提高作物產(chǎn)量和水、氮利用效率；膜下滴灌較大水漫灌可顯著提高玉米地上部的干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和水分利用效率；任中生等研究表明，膜下滴灌能夠促進玉米生長和氮素吸收，較傳統(tǒng)畦灌的氮肥利用率提高41.03%。膜下滴灌技術(shù)集種植技術(shù)和灌溉技術(shù)于一體，可降低土壤水分蒸發(fā)，提高土壤溫度，促進作物干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運，從而提高產(chǎn)量和水、氮利用效率，具有節(jié)本增效的作用。但隨著膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用面積擴大，殘膜污染問題日益加重。近年來，淺埋滴灌技術(shù)作為一種新型的節(jié)水灌溉方式得到廣泛應(yīng)用。通過定量分析地表、膜下、淺埋3種滴灌模式下田間水熱環(huán)境、產(chǎn)量的差異發(fā)現(xiàn)，淺埋滴灌可有效降低滴灌帶附近的溫度，較地表滴灌顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率。郭金路等研究表明，與常規(guī)溝灌對照相比，淺埋式滴灌灌溉定額為2 908.0 m·hm時，較常規(guī)溝灌可節(jié)水30%，籽粒產(chǎn)量僅下降3.4%，而水分利用效率和灌溉水利用效率分別提高了22.1%和27.5%。作者團隊前期在通遼市的研究表明，淺埋滴灌的灌溉水利用效率顯著高于膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌，籽粒產(chǎn)量較膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌高分別6.1%～13.9%和1.4%～6.2%。

西遼河平原適宜玉米種植的區(qū)域主要介于興安盟以西、赤峰市以東，通遼市位于二盟市之間。本研究特選擇分別位于興安盟、赤峰市、通遼市的3個春玉米主產(chǎn)區(qū)作為試驗區(qū)，探究淺埋滴灌、膜下滴灌、傳統(tǒng)畦灌3種灌溉方式對春玉米物質(zhì)積累、產(chǎn)量和水、氮利用效率的影響，明確適宜當(dāng)?shù)氐墓喔确绞?，以期為?yōu)化西遼河平原春玉米種植的灌溉方式提供借鑒。同時，研究結(jié)果對于保證西遼河平原玉米的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)亦具有參考意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018—2020年在西遼河平原春玉米主產(chǎn)區(qū)內(nèi)的3個試驗點進行，分別位于通遼市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)(44°13′N，123°28′E)、赤峰市松山區(qū)太平地鎮(zhèn)(41°17′N，118°51′E)、興安盟科右前旗(46°05′N，127°03′E)。這3個試驗點均位于內(nèi)蒙古中東部。

將2018—2020年玉米生育期內(nèi)各試驗點的降雨和積溫情況整理于表1。

表1 試驗區(qū)玉米生育期內(nèi)的降雨和積溫

通遼市試驗點的土壤類型為灰色草甸土，赤峰市試驗點為壤土，興安盟試驗點為栗鈣土。將各試驗區(qū)0～20 cm土層的土壤基本理化性狀整理于表2。

表2 試驗區(qū)土壤基本理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

各試驗點均設(shè)淺埋滴灌、膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌3種灌溉方式，采用大田對比試驗，各試驗小區(qū)面積為0.33 hm。

供試品種為農(nóng)華101，大小壟(小壟行距40 cm，大壟行距80 cm)種植，種植密度為7.5萬株·hm。各處理統(tǒng)一設(shè)定純氮施用量300 kg·hm，氮素供體為尿素(N含量46%)和磷酸二銨(N含量18%，PO含量46%)。各處理均基施磷酸二銨195 kg·hm、硫酸鉀(KO含量50%)90 kg·hm。結(jié)合滴灌處理，分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3∶6∶1的比例追施尿素，畦灌處理于小喇叭口期一次性追施尿素。

對于淺埋滴灌和膜下滴灌：在播種—出苗期，灌溉1次，灌水量550 m·hm；在拔節(jié)期，灌溉2次，每次灌水量425 m·hm；在抽雄—吐絲期，灌溉1次，灌水量350 m·hm；在吐絲—灌漿期，灌溉2次，每次灌水量275 m·hm；在灌漿—成熟期，灌溉1次，灌水量100 m·hm；全生育期，合計灌溉7次，總灌水量2 400 m·hm。對于傳統(tǒng)畦灌：在播種—出苗期，灌溉1次，灌水量1 000 m·hm；在拔節(jié)期，灌溉1次，灌水量800 m·hm；在抽雄—吐絲期，灌溉1次，灌水量800 m·hm；在吐絲—灌漿期，灌溉1次，灌水量800 m·hm；在灌漿—成熟期，灌溉1次，灌水量600 m·hm；全生育期，合計灌溉5次，總灌水量4 000 m·hm。

各處理的其他田間管理措施一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 地上部生物量

在吐絲期和完熟期分別于各試驗小區(qū)取具有代表性的連續(xù)植株3株，重復(fù)3次，按莖鞘、葉片、穗軸、苞葉和籽粒分開，在烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至質(zhì)量恒定后，測定干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3.2 產(chǎn)量

各試驗小區(qū)測產(chǎn)面積為24 m。于測產(chǎn)小區(qū)內(nèi)調(diào)查各處理的有效穗數(shù)，人工脫粒后，測鮮粒重和含水量，并折算成含水量為14%的產(chǎn)量。同時，各小區(qū)取10穗平均穗用于考種，待自然風(fēng)干后，調(diào)查穗粒數(shù)，測定含水量，并折算成含水量為14%的千粒重。

1.3.3 相關(guān)參數(shù)計算

營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量(kg·hm)=吐絲后營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量；

營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運率(%)=營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/吐絲期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量×100；

營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運貢獻率(%)=營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒干重×100；

灌溉水利用效率(IWUE，kg·m)=產(chǎn)量/灌水量；

氮肥偏生產(chǎn)率(NPEP，kg·kg)=產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)；采用DPS 10.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和多元回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式對春玉米干物質(zhì)積累的影響

吐絲前：除2018年通遼市試驗點淺埋滴灌處理的干物質(zhì)積累量顯著(<0.05)高于膜下滴灌外，這2個處理的干物質(zhì)積累量在各年各試驗點上均無顯著差異；2018年3個試驗點和2019年赤峰市試驗點，膜下滴灌處理的干物質(zhì)積累量顯著(<0.05)低于傳統(tǒng)畦灌，而其他年份各試驗點上這二者并無顯著差異；各年份各試驗點，淺埋滴灌處理與傳統(tǒng)畦灌處理的干物質(zhì)積累量始終無顯著差異(圖1)。

SBDI，淺埋滴灌；MDI，膜下滴灌；TBI，傳統(tǒng)畦灌。下同。同一試驗點，相同年份同一時期柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。SBDI， Shallow buried drip irrigation； MDI， Mulched drip irrigation； TBI， Traditional border irrigation. The same as below. In the same growth period of the same year， bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05 in the same area.圖1 不同灌溉方式下春玉米吐絲前、吐絲后的干物質(zhì)積累量Fig.1 Dry matter accumulation of spring maize before and after silking under different irrigation methods

吐絲后：除2018、2019年興安盟試驗點淺埋滴灌處理與傳統(tǒng)畦灌處理的干物質(zhì)積累量無顯著差異外，淺埋滴灌處理的干物質(zhì)積累量均顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌；除2018年通遼市試驗點和2020年赤峰市試驗點淺埋滴灌處理的干物質(zhì)積累量顯著(<0.05)高于膜下滴灌處理外，這2個處理的干物質(zhì)積累量并無顯著差異；除2019年通遼市試驗點和2020年赤峰市試驗點膜下滴灌處理的干物質(zhì)積累量顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌處理外，這2個處理的干物質(zhì)積累量亦無顯著差異。

2.2 不同灌溉方式對春玉米干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響

在莖鞘轉(zhuǎn)運量上：除2019年赤峰市試驗點和2018—2020年的興安盟試驗點外，淺埋滴灌處理均顯著(<0.05)高于膜下滴灌；2019年通遼市和興安盟試驗點，以及2018—2020年的赤峰市試驗點，淺埋滴灌處理顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌處理，在其他年份各試驗點上，二者無顯著差異；除2019年赤峰市、興安盟試驗點外，各年各試驗點膜下滴灌處理與傳統(tǒng)畦灌處理均無顯著(<0.05)差異(表3)。

表3 不同灌溉方式下春玉米各器官的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率及對籽粒的轉(zhuǎn)運貢獻率

在葉片轉(zhuǎn)運量上：除2019、2020年赤峰市試驗點和2018年的興安盟試驗點外，淺埋滴灌處理與膜下滴灌處理無顯著差異；除2018年赤峰市試驗點和2019、2020年興安盟試驗點外，淺埋滴灌處理均顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌；除2020年通遼市試驗點、2019年赤峰市試驗點和2018—2020年興安盟試驗點外，膜下滴灌處理均顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌。

綜合通遼市、赤峰市、興安盟3個試驗點3年數(shù)據(jù)：在莖鞘轉(zhuǎn)運率上，淺埋滴灌較膜下滴灌、傳統(tǒng)畦灌分別高9.31%、15.25%，膜下滴灌較傳統(tǒng)畦灌高5.43%；在莖鞘轉(zhuǎn)運貢獻率上，淺埋滴灌較膜下滴灌、傳統(tǒng)畦灌分別高13.45%、29.07%，膜下滴灌較傳統(tǒng)畦灌高13.77%；在葉片轉(zhuǎn)運率上，淺埋滴灌較膜下滴灌、傳統(tǒng)畦灌分別高15.17%、32.38%，膜下滴灌較傳統(tǒng)畦灌高14.95%；在葉片轉(zhuǎn)運貢獻率上，淺埋滴灌較膜下滴灌、傳統(tǒng)畦灌分別高6.93%、47.82%，膜下滴灌較傳統(tǒng)畦灌高38.23%。

2.3 不同灌溉方式對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

在有效穗數(shù)上，通遼市、赤峰市、興安盟試驗點各年3種灌溉方式下均無顯著差異(表4)。在穗粒數(shù)上：通遼市試驗點3種灌溉方式下無顯著差異；赤峰市和興安盟試驗點，淺埋滴灌處理顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌，膜下滴灌與其他2種灌溉方式無顯著差異。在千粒重上，各試驗點各年淺埋滴灌處理的均顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌；除2019年赤峰市試驗點和2020年興安盟試驗點外，膜下滴灌與傳統(tǒng)畦灌并無顯著差異；除通遼市試驗點淺膜滴灌顯著(<0.05)高于膜下滴灌外，其他試驗點這二者間均無差異。在產(chǎn)量上：除2018年赤峰市試驗點和2020年通遼市試驗點外，淺埋滴灌與膜下滴灌的并無顯著差異；在各年份各試驗點，淺膜滴灌的均顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌；2018年通遼市試驗點、2018—2020年赤峰市試驗點，以及2019—2020年興安盟試驗點上，膜下滴灌與傳統(tǒng)畦灌并無顯著差異，但在其他年份各試驗點上，膜下滴灌的要顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌。綜合2018—2020年各試驗點玉米產(chǎn)量表現(xiàn)，淺埋滴灌較膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌平均增產(chǎn)3.43%和7.43%，膜下滴灌較傳統(tǒng)畦灌平均增產(chǎn)3.87%。

表4 不同灌溉方式下春玉米的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2.4 不同灌溉方式下春玉米干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量的相關(guān)性

對不同灌溉方式下春玉米干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量的相關(guān)性進行分析(圖2)。結(jié)果顯示：淺埋滴灌方式下，無論是吐絲前，還是吐絲后，春玉米的干物質(zhì)積累量均與產(chǎn)量呈極顯著(<0.01)正相關(guān)；膜下滴灌方式下，吐絲前，春玉米的干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，而在吐絲后，春玉米的干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量呈顯著(<0.05)正相關(guān)；傳統(tǒng)畦灌方式下，無論是吐絲前，還是吐絲后，春玉米的干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量均呈顯著(<0.05)正相關(guān)。從各回歸方程的決定系數(shù)()來看，同一時期均表現(xiàn)為淺埋滴灌>膜下滴灌>傳統(tǒng)畦灌。

“**”和“*”分別表示回歸方程通過P<0.01和P<0.05的顯著性檢驗。ya、yb、yc分別代表淺埋滴灌(SBDI)、膜下滴灌(MDI)與傳統(tǒng)畦灌(TBI)下的產(chǎn)量?！?*” and “*” indicated that the regression equation passed the significance test at P<0.01 and P<0.05， respectively. ya， yb， yc represented the yield under shallow buried drip irrigation (SBDI)， mulched drip irrigation (MDI)， and traditional border irrigation (TBI)， respectively.圖2 不同灌溉方式下春玉米干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量的相關(guān)性Fig.2 Correlation between dry matter accumulation and yield of spring maize under different irrigation methods

2.5 不同灌溉方式對春玉米水、氮利用效率的影響

在灌溉水利用效率上：各年份各試驗點淺埋滴灌與膜下滴灌的差異均不顯著，且二者均顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌(圖3)。

圖3 不同灌溉方式下春玉米的水、氮利用效率Fig.3 Water and nitrogen use efficiency of spring maize under different irrigation methods

在氮肥偏生產(chǎn)力上：除2018年赤峰市試驗點和2020年通遼試驗點外，淺埋滴灌與膜下滴灌并無顯著差異；除2018年興安盟試驗點外，淺埋滴灌的要顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌；除2020年赤峰市、興安盟試驗點外，膜下滴灌與傳統(tǒng)畦灌并無顯著差異。

3 討論

3.1 灌溉方式對春玉米干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運的影響

干物質(zhì)是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，作物產(chǎn)量直接受到作物干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運的影響。研究表明，玉米籽粒產(chǎn)量主要依賴于光合產(chǎn)物的積累，生育后期干物質(zhì)積累對籽粒的貢獻率可達78.0%～84.0%。劉戈等通過對覆膜淺埋滴灌、淺埋滴灌、覆膜滴灌、地表滴灌和傳統(tǒng)畦灌的對比發(fā)現(xiàn)，滴灌下玉米生育后期葉面積指數(shù)、地上部干物質(zhì)累積量和籽粒產(chǎn)量均顯著(<0.05)高于傳統(tǒng)畦灌。滴灌通過增加玉米吐絲后的干物質(zhì)積累量、氮素積累量及其對籽粒氮素的貢獻率，最終提升產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，相較而言，灌溉方式對興安盟試驗點春玉米生育期內(nèi)干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運的影響不及通遼市、赤峰市試驗點。這可能是因為，降雨是影響灌溉效果的主要因素之一，春玉米生育期內(nèi)興安盟降雨較多，頻繁的降雨弱化了灌溉對玉米生長發(fā)育的影響。

通遼市和赤峰市試驗點的氣候條件比較相似，降雨少，積溫高，生育后期灌溉效果明顯。淺埋滴灌的方式可按照春玉米生長需水需肥的規(guī)律實現(xiàn)水、氮后移，避免生育后期灌水和施氮不便造成的養(yǎng)分匱乏的問題，在生育后期可明顯提高春玉米的干物質(zhì)生產(chǎn)能力，促進干物質(zhì)積累。膜下滴灌方式下，由于覆膜有效地提高了地溫，且土壤晝夜溫差較小，玉米有效生長時間被縮短，因而并不利于碳水化合物的積累和生成。這可能是造成膜下滴灌處理下，春玉米干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量低于淺埋滴灌的原因之一。

3.2 灌溉方式對春玉米產(chǎn)量的影響

不同灌溉方式對春玉米產(chǎn)量的影響存在顯著差異。賈瓊等研究表明：平水偏豐年，膜下滴灌處理的產(chǎn)量較淺埋滴灌處理低6%～19%；平水偏枯年，膜下滴灌處理的產(chǎn)量較淺埋滴灌高7%～15%。本研究發(fā)現(xiàn)，試驗各年各點淺埋滴灌處理的產(chǎn)量均顯著高于傳統(tǒng)畦灌。另外，2020年通遼市試驗點和2018年赤峰市試驗點，淺埋滴灌處理的產(chǎn)量顯著高于膜下滴灌，2019—2020年通遼市試驗點和2018年興安盟試驗點膜下滴灌的產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)畦灌。各種灌溉方式下，無論是吐絲前還是吐絲后，春玉米的干物質(zhì)積累量均與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。由此推測，淺埋滴灌與膜下滴灌吐絲后較高的干物質(zhì)積累量也是導(dǎo)致其較傳統(tǒng)畦灌產(chǎn)量高的因素之一。通遼市2020年和赤峰市2018年降雨較多，淺埋滴灌方式下無地膜截流，自然降水可更好地被春玉米吸收利用，有利于春玉米生長發(fā)育，因而春玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為淺埋滴灌高于膜下滴灌。

3.3 灌溉方式對春玉米水、氮利用效率的影響

不同的灌溉方式下，水分在土壤中的運移路徑不同，會影響到氮素的運移和分布，也會間接影響到作物對肥料的吸收和利用。研究表明，滴灌條件下，隨著灌水量增大，土壤濕潤體的硝態(tài)氮含量增加，而滴頭附近的硝態(tài)氮含量變化不太明顯，在濕潤體邊緣硝態(tài)氮會累積。萬曉菊等研究發(fā)現(xiàn)，在膜下滴灌、露地滴灌、覆膜溝灌和露地溝灌4種灌溉方式中，膜下滴灌更有利于玉米植株對水、氮的高效吸收利用，進而促進干物質(zhì)的積累和高效轉(zhuǎn)運，最終顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量。本研究中，淺埋滴灌、膜下滴灌的灌溉水利用效率顯著高于傳統(tǒng)畦灌，除2018年興安盟試驗點外，淺埋滴灌的氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于傳統(tǒng)畦灌。玉米通過根系吸收土壤養(yǎng)分，滴灌方式下，玉米根系隨土層加深而減少，大部分根系都集中在0～20 cm土層內(nèi)，水、氮和較大比例的根系分布在同一濕潤土體內(nèi)，因此根系與水、氮接觸的機會更大，根系與水、氮空間分布上的耦合效應(yīng)使得滴灌方式下水、氮吸收利用效率提高。2020年通遼市試驗點和2018年赤峰市試驗點，淺埋滴灌的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于膜下滴灌。原因可能是，上述試驗點淺埋滴灌下增產(chǎn)明顯，從而提高了氮肥利用效率。除2020年赤峰市和興安盟試驗點外，膜下滴灌與傳統(tǒng)畦灌的氮肥偏生產(chǎn)力均無顯著差異。其原因可能是：一方面，膜下滴灌方式下地表覆膜，使得土壤表層與地膜之間含水量較高，可刺激玉米第一莖節(jié)次生根的生長，從而減弱對土壤中氮素的吸收；另一方面，覆膜可提高地溫，使玉米生育進程加快，這在一定程度上加劇了生育后期的根系衰老，降低了根系的活性和吸收能力，從而減弱生育后期春玉米對氮素的吸收利用。

綜合產(chǎn)量、水氮高效利用等因素，淺埋滴灌為西遼河平原，以及擬生態(tài)區(qū)適宜的灌溉方式。