周 齡

(赤峰學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

1 研究背景

北京市位于我國華北平原的西北部，是嚴(yán)重缺水的特大城市，北京市人均水資源僅有133 m3，遠(yuǎn)低于國際規(guī)定的人均水資源500 m3的極度缺水線[1-2]。嚴(yán)重缺水的現(xiàn)狀制約著北京地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。農(nóng)業(yè)用水是水資源利用的重要組成部分，農(nóng)業(yè)一直是用水大戶，2013年農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的24.97%。近年來北京地區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)已經(jīng)取得了顯著效果，今后北京地區(qū)依然還需要大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。壟溝耕作方式是一種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的節(jié)水節(jié)肥栽培模式，廣泛用于我國北方地區(qū)，它通過改變地形，攔蓄部分徑流，促進(jìn)溝中水分向壟上位置側(cè)向流動，減小溝內(nèi)水流下滲，具有較高的增產(chǎn)、節(jié)水、保墑、節(jié)肥和增溫的效益[5-8]。馬麗等[9]研究表明，在河南省俊縣，夏玉米采用壟作栽培方式與平作方式相比，能夠促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累及籽粒的轉(zhuǎn)移，玉米籽粒充實，千粒重顯著提高，產(chǎn)量提高9.6%。趙有彪等[10]研究表明，在甘肅地區(qū)種植玉米采用全膜壟作溝灌方式，其產(chǎn)量和水分利用效率分別提高了38.3%和39.0%。師學(xué)珍等[11]研究表明，壟作溝灌條件下，合理減少水量有利于提高玉米水分利用效率。謝文等[12]研究表明，壟作方式能明顯提高土壤含水量，土壤容重比平作減少0.05～0.08 g/m3，孔隙度增加，土壤有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分含量增加。馬麗[13]研究表明，壟作方式增加土壤孔隙度，土壤容重比平作降低4.38%～7.95%，提高土壤溫度，改善土壤環(huán)境和田間小氣候環(huán)境，對夏玉米產(chǎn)量增產(chǎn)有幫助。前人研究大多是針對壟作與平作方式對土壤理化性質(zhì)、作物生理生長指標(biāo)及產(chǎn)量和作物水分利用效率的影響，而較少將作物耕作方式與灌溉施肥方式組合進(jìn)行研究。華北地區(qū)夏玉米的種植面積占全國玉米生產(chǎn)的34.7%，總產(chǎn)量占全國玉米總產(chǎn)量的36.8%，是我國玉米的主產(chǎn)區(qū)之一[14]。為了確定北京地區(qū)夏玉米合理的耕作與灌溉施肥方式，本文通過開展夏玉米田間試驗，研究不同耕作與灌溉施肥方式對夏玉米水分利用效率的影響，以期為北京地區(qū)水資源高效利用和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年6月-10月在北京市灌溉試驗中心站永樂店試驗基地進(jìn)行。該試驗基地位于北京市通州區(qū)永樂店鎮(zhèn)境內(nèi)，東經(jīng)114°，北緯39°，平均海拔為20 m。該試驗區(qū)屬于溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為11.5℃，年平均日照時數(shù)為22 750 h，多年平均降雨量為622 mm，全年降水主要集中在6-9月份，占全年總降水量的75%。試驗基地地下水埋深達(dá)10～20 m。土壤基本物理性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本物理性質(zhì)

2.2 試驗設(shè)計

本次試驗在試驗基地的大田進(jìn)行，準(zhǔn)備12個試驗小區(qū)，每個試驗小區(qū)的長度為3.5 m，寬度為4 m，面積為14 m2，每個試驗小區(qū)之間用田埂隔開，田埂的寬度和高度均為0.3 m，兩排試驗小區(qū)之間設(shè)有玉米保護(hù)區(qū)。本次試驗根據(jù)耕作方式、灌溉和施肥因素，設(shè)置4個處理，每個處理均重復(fù)3次，12個試驗小區(qū)采用隨機(jī)排列的方式布置。試驗小區(qū)布置圖見圖1。

耕作方式設(shè)置2種耕作方式，分別為起壟和不起壟，起壟耕作的壟深度為0.2 m，壟寬度為0.4 m。灌溉施肥方式設(shè)置4種方式，具有3種灌水水平和3種施肥水平。灌水水平分為高、低、不灌3種水平，其中高水灌溉與當(dāng)?shù)貙嶋H灌溉情況一致，玉米生育期內(nèi)每畝地灌溉40 m3，即每個試驗小區(qū)灌溉60 mm，低水灌溉為高水灌溉的50%，即每個試驗小區(qū)灌溉30 mm，高水灌溉和低水灌溉分別在玉米拔節(jié)期各灌溉一次。施肥水平分為高肥、中肥和低肥3個水平，玉米在拔節(jié)期需要施尿素促進(jìn)玉米生長發(fā)育，高肥水平施肥量為600 kg/hm2，中肥水平施肥量為450 kg/hm2，低肥水平施肥量為330 kg/hm2。這4種灌溉施肥方式組合分別為高灌中肥(AE)、低灌高肥(BF)、低灌中肥(BE)和不灌低肥(CD)。4種灌溉施肥方式在夏玉米播種前均需要灌溉，播前灌溉水量均為30 mm，目的是為了土壤儲水保墑和苗期玉米的生長；同時也需要在夏玉米播種前進(jìn)行施肥，各處理均施復(fù)合肥450 kg/hm2，其中包括氮肥108 kg/hm2、磷肥81 kg/hm2、鉀肥63 kg/hm2。各處理灌溉施肥方案見表2。

圖1 試驗小區(qū)布置圖

表2 各處理灌溉施肥方案

本試驗供試作物為夏玉米，品種為“鄭單958”，2013年7月1日播種，10月24號收獲，生育期116 d，采用人工播種和施肥，玉米行距為0.6 m，株距為0.3 m，每個試驗小區(qū)布置7行11列，總共77株玉米。試驗基地有管道供水到試驗地，其中不起壟的處理采用畦灌灌水方式，起壟處理采用溝灌灌水方式，供水管道的末端安裝有水表，可以用來控制灌溉水量。試驗期間所有的農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)貙嶋H情況保持一致。

2.3 測定項目與方法

在夏玉米每個生育期內(nèi)采用土鉆分層獲取土樣，每個取樣點都分為4層，分別為 0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm。在播種前和收獲后兩次取樣，每個取樣點深度為0～100 cm。采用烘干法(土樣在105 ℃烘箱內(nèi)烘8 h)測定土壤的含水率。在9月30日玉米進(jìn)入成熟期采用卷尺測定每個處理玉米的株高和葉面積的長(L)與寬(B)，采用下列計算公式得到葉面積指數(shù)：

(1)

式中：LAI表示葉面積指數(shù);K為葉片的擬合系數(shù)，夏玉米取為0.735[15];A為一株玉米葉片所占地面的面積。

夏玉米收獲時進(jìn)行考種和測產(chǎn)，分別測定夏玉米的穗長、穗粗、百粒重、穗粒重，每個處理5次重復(fù)；每個處理取10株玉米進(jìn)行脫粒并曬干后進(jìn)行測產(chǎn)，換算成每公頃的產(chǎn)量。夏玉米全生育期內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)由試驗站的自動氣象站下載獲得，夏玉米全生育期內(nèi)的降雨量為367.8 mm。

采用水量平衡公式計算夏玉米全生育期的耗水量，水量平衡公式如下：

Q=P0+I+ΔW-R-D

(2)

ΔW=10rH(W1-W0)

(3)

式中：Q為夏玉米全生育的耗水量，mm；P0為全生育的降雨量，mm；I為全生育的灌溉量，mm；ΔW為土壤水分變化量，mm；W0、W1分別為播前和收獲時土壤質(zhì)量含水率；R為徑流量，mm，由于本試驗每個試驗小區(qū)之間由田埂隔開，徑流量為0；r為每層土壤的容重，g/cm3；H為土壤水的計算深度，mm，本次試驗取為100 cm；D為計算土體與下界面處的水分交換量，mm，由于試驗地地下水埋深在10 m以上，地下水上升對夏玉米生長的影響不大，夏玉米生長的水分主要由降雨和灌溉供給，進(jìn)入作物根系層下邊界的滲漏量可忽略不計，故D取為0。

夏玉米全生育期的水分利用效率采用如下公式計算：

(4)

式中：WUE為夏玉米全生育期的水分利用效率，kg/m3；Y表示夏玉米產(chǎn)量，kg/hm2；Q為夏玉米全生育期的耗水量，m3/hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分分布規(guī)律

圖2為不同處理的土壤水分分布規(guī)律，其中0～60 cm為夏玉米的主根系層土壤，是作物吸收水分的主要土層。由圖2可以看出，在表層土壤(0～20 cm)，各處理的土壤含水率變化范圍為0.12～0.20 cm3/cm3，其中不起壟的AE、BF和BE處理土壤水分變化基本一致，起壟的CD處理土壤水分變化略有差異；8月5日進(jìn)行灌溉后，不起壟的AE、BF和BE處理的土壤含水率明顯上升，沒有灌溉的CD處理的土壤含水率則下降；隨著夏玉米生育期的推進(jìn)，不起壟的AE、BF和BE處理的土壤水分快速消耗，而起壟的CD處理與不起壟處理之間的水分差異逐漸減小；8月27日之后，在降雨和土壤蒸發(fā)作用下，不起壟的AE、BF和BE處理的土壤含水率較低且變化緩慢，而CD處理由于起壟的作用，可以減少土壤水分蒸發(fā)，土壤含水率較高且減小的較緩慢；至夏玉米收獲時，各處理的土壤含水率差異并不明顯。在中層土壤(20～40 cm)，各處理土壤水分隨時間變化趨勢與表層土壤水分變化趨勢類似，中層土壤各處理土壤含水率變化更加劇烈，土壤含水率的變化范圍為0.18～0.32cm3/cm3，在夏玉米生育后期土壤含水率基本表現(xiàn)出CD處理﹥AE處理﹥BF處理﹥BE處理的規(guī)律。在下層土壤(40～60 cm)，各處理土壤水分隨時間變化趨勢與表層土壤水分變化趨勢基本類似，各處理土壤含水率的變化范圍為0.14～0.28 cm3/cm3，在夏玉米生育后期，AE處理和CD處理的土壤含水率基本接近，略大于BF處理和BE處理。在夏玉米主根系層土壤(0～60 cm)，土壤水分變化趨勢與表層土壤水分變化趨勢類似，各處理土壤含水率的變化范圍為0.15～0.27 cm3/cm3，在夏玉米生育后期，土壤含水率呈現(xiàn)出CD處理﹥AE處理﹥BF處理﹥BE處理的規(guī)律。由此可見，起壟耕作與不起壟耕作方式相比，土壤含水率變化幅度小，變化趨勢更平緩，保水保肥能力更強(qiáng)。

3.2 夏玉米生長及產(chǎn)量指標(biāo)

表3為不同處理夏玉米的生長及產(chǎn)量指標(biāo)。由表3可知，BE處理的株高和葉面積指數(shù)在4個處理中表現(xiàn)出最大。BE處理株高為254.67 cm，AE、BF和CD處理分別比BE處理降低了5.81%、5.98%和8.05%；BE處理葉面積指數(shù)為3.79 cm2/cm2，AE、BF和CD處理分別比BE處理降低了14.25%、8.83%和12.98%，說明在夏玉米生育后期，夏玉米植株停止生長，夏玉米的株高和葉面積指數(shù)差異性較小。但在產(chǎn)量指標(biāo)中，AE處理的產(chǎn)量最大，為10 768 kg/hm2，BF、BE和CD處理分別比AE處理降低了8.16%、10.19%和12.86%，說明灌溉水量越大，施肥量越大，夏玉米的產(chǎn)量也越大。在不同耕作方式中，起壟CD處理的夏玉米產(chǎn)量僅僅比不起壟AE處理降低了12.86%，起壟CD處理的夏玉米減產(chǎn)幅度較小。經(jīng)過方差分析可知，本試驗條件下灌溉水量與施肥量對夏玉米各生長及產(chǎn)量指標(biāo)均無顯著性影響(p﹤0.05)，說明氣象因素對夏玉米生長的影響大于灌溉因素、施肥因素和耕作方式對夏玉米生長的影響。

3.3 夏玉米耗水規(guī)律及水分利用效率

表4為不同處理夏玉米各生育階段的耗水量。由表4可以看出，在夏玉米播種期-出苗期，由于作物植株較小，作物根系吸水不旺盛，在播種前期的灌溉量和降雨量條件下，土壤起蓄水作用，土壤水分存儲在0～100 cm土層中；在出苗期-拔節(jié)期，這一生育期，夏玉米幼苗生長不迅速，需水量比較小，這一時期降雨量比較大，降雨量達(dá)166.8 mm，這時期土壤繼續(xù)蓄水；在拔節(jié)期-抽雄期，這一時期夏玉米生殖生長迅速，作物根系吸水旺盛，雖然這一時期降雨量達(dá)到1 10.2 mm，各處理也進(jìn)行了灌溉，但仍然滿足不了夏玉米的需水需求，這時期土壤水分被消耗；在抽雄期-灌漿期，這時期夏玉米以營養(yǎng)生長為主，作物根系吸水也比較劇烈，這時期降雨量只有39.4 mm，不能滿足夏玉米營養(yǎng)生長的要求，此時期土壤水分也是被消耗；在灌漿期-成熟期，夏玉米營養(yǎng)生長減弱，作物根系吸水量減小，此時期降雨量為39.1 mm，夏玉米繼續(xù)消耗存儲在土體中的水分。在夏玉米各生育期階段，降雨量加灌溉量之和與土壤水消耗量之間均具有明顯的互補(bǔ)關(guān)系，降雨加灌溉量之和越大，土壤水消耗量越少，甚至出現(xiàn)蓄水；反之，降雨量加灌溉量之和越小，土壤水消耗量越大。因此，在進(jìn)行灌溉的時候，充分考慮作物生長季節(jié)內(nèi)的降雨時間和降雨量在作物不同生育期內(nèi)的分配，選擇適宜的時間進(jìn)行灌溉，形成作物生長季節(jié)內(nèi)的土壤水分干濕交替，充分開發(fā)土體的蓄供水能力，是節(jié)水灌溉的有效途徑之一。

圖2 2013年各試驗處理土壤水分分布規(guī)律

表3 不同處理的夏玉米生長及產(chǎn)量指標(biāo)

表4 不同處理的夏玉米各生育階段的土壤水分消耗量 mm

注：土壤消耗量為負(fù)，表示土壤蓄水。

表5為不同處理夏玉米全生育期的耗水量及水分利用效率。由表5可以看出，AE處理耗水量最大，為469.9 mm，BF、BE和CD處理耗水量分別比AE處理降低了6.96%、5.64%和12.90%，可見，灌溉量越大，夏玉米耗水量也越大。作物耗水主要由降雨量、灌溉量和土壤供水三部分構(gòu)成，其中降雨量是夏玉米最主要的耗水部分，降雨量占夏玉米耗水量的78%～89.9%，其中起壟CD處理降雨量占耗水量的比例最大，為89.90%，降雨是該試驗區(qū)夏玉米耗水量的最主要來源。灌溉占耗水量的7.3%～19.2%，AE處理的灌溉量為90 mm，占耗水量的比例最大，為19.2%。在夏玉米全生育期耗水量中，有少量土壤水，各處理土壤水分變化量均為負(fù)值，說明夏玉米全生育期內(nèi)土壤水有所增加，土壤蓄水，土壤蓄水量范圍為9.4 mm～15.6 mm。不起壟AE處理和起壟CD處理的夏玉米水分利用效率最大，為2.29 kg/m3，可見，起壟CD處理與不起壟AE處理夏玉米水分利用效率相同。不起壟的BF、BE處理的水分利用效率分別比AE處理降低了1.3%和4.8%，可見，在不起壟的灌溉方式中，肥力水平相同的情況下，灌溉水量對水分利用效率有一定的影響，在此試驗中，較大的灌溉水量能夠提高水分利用效率。因此，在試驗區(qū)種植夏玉米，為了能夠提高作物的水分利用效率，采用起壟的耕作方式可以提高作物的水分利用效率，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

表5 夏玉米全生育期耗水規(guī)律及水分利用效率

4 結(jié) 論

本試驗通過在北京地區(qū)開展夏玉米田間試驗，設(shè)置不同的耕作和灌溉施肥方式，通過測定夏玉米生育期內(nèi)的土壤含水率、生長及產(chǎn)量指標(biāo)，研究不同耕作和灌溉施肥方式對夏玉米水分利用效率的影響。主要結(jié)論如下：

(1)表層土壤(0～20 cm)、中層土壤(20～40 cm)、下層土壤(40～60 cm)和夏玉米主根系層土壤(0～60cm)，各處理在不同生育階段的土壤含水率變化規(guī)律基本相似，在夏玉米抽雄期之后土壤水分呈現(xiàn)出CD處理﹥AE處理﹥BF處理﹥BE處理的規(guī)律。土壤水分分布規(guī)律表明：在灌溉水平和施肥量相同情況下，起壟耕作方式與不起壟耕作方式相比，土壤含水率變化更平緩，保水保肥能力更強(qiáng)；在相同灌溉和壟作方式下，施肥量也會影響土壤含水率，施肥量越大，夏玉米生育后期的0～60 cm土層的土壤含水量也越大。

(2)壟作方式相同條件下，夏玉米產(chǎn)量隨著灌溉水量和施肥量的增加而增大，AE處理的產(chǎn)量最大，為10 768 kg/hm2，起壟CD處理與不起壟AE處理相比，夏玉米產(chǎn)量減產(chǎn)12.86%。

(3)采用起壟耕作方式可以提高夏玉米的水分利用效率，在灌溉水量較小的情況下，起壟CD處理的夏玉米水分利用效率最大，為2.29 kg/m3；不起壟的耕作方式，在一定范圍內(nèi)，夏玉米水分利用效率隨著灌溉水量的減少而減小。因此，在研究區(qū)種植夏玉米，采用起壟不灌溉低肥的方式可以提高夏玉米的水分利用效率，對夏玉米生長及產(chǎn)量影響較小，可以達(dá)到節(jié)水節(jié)肥的目的。