秦海霞,張玉順,邱新強,路振廣,張明智,4,王艷平
(1.河南省水利科學(xué)研究院,鄭州 450000;2.河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心,鄭州 450000; 3.河南省灌溉試驗中心站,鄭州 450000;4.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室,西安 710048)
采用先進(jìn)的灌水技術(shù)和理論體系,制定合理的夏玉米灌溉制度,對于解決水資源危機,提高作物產(chǎn)量具有非常重要的意義[1]。灌水定額對灌溉系統(tǒng)灌水質(zhì)量的高低起到?jīng)Q定性作用[2]。研究表明相同生育期內(nèi)隨灌水定額的增加,土壤含水率增加,土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量減小,作物產(chǎn)量、水分利用效率基本呈先增加后減小趨勢[3]。膜下滴灌灌水量由傳統(tǒng)灌溉定額的40%增加到100%時,玉米株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)累積量增加[4]。冬小麥圓形噴灌機下,在返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗、抽穗-灌漿期分別灌水45、55.5、54 mm,均分2次且時間間隔9 d灌水,有利于節(jié)水高產(chǎn)[5]。調(diào)虧灌溉時拔節(jié)期后75、90、105 mm灌水定額也具有較高的水分利用效率[6]。滴灌條件下灌水定額3 000 m3/hm2可淋洗鹽分至耕層下,亦可獲得6 107.75 kg/hm2的較高產(chǎn)量[7]。對于夏玉米而言灌水定額105 mm處理WUE顯著大于其他處理,是兼顧產(chǎn)量與節(jié)水效益的最佳處理[8]。國內(nèi)外有關(guān)灌水定額研究逐漸增多,可見,此研究對于高效節(jié)水灌溉具有重要的理論價值。
目前,評價最優(yōu)灌水定額以產(chǎn)量、水分利用效率評價法為主。隨數(shù)學(xué)學(xué)科的不斷發(fā)展,數(shù)學(xué)模型評判法也逐步引入節(jié)水灌溉領(lǐng)域,如模糊綜合評判法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、主成分分析法等。其中模糊綜合評判法應(yīng)用范圍較廣,例如汪順生等采用模糊綜合評判法對不同溝灌方式夏玉米耗水特性及產(chǎn)量進(jìn)行評價,獲得最優(yōu)溝灌方式,確認(rèn)該方法具有可行性[9];張伶鳦等結(jié)合模糊控制與調(diào)虧理論設(shè)計與評價,最終獲得寒地水稻智能灌溉最優(yōu)策略[10];龔雪文等基于模糊算法在溫室番茄的調(diào)虧滴灌制度綜合評判中進(jìn)行驗證與應(yīng)用,獲得較好的效果[11]。
因此,本研究首先通過3 a 試驗數(shù)據(jù)分析河南豫中地區(qū)灌水定額對夏玉米生長及產(chǎn)量的影響;再次利用改進(jìn)的模糊綜合評判法對夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量及水分利用效率指標(biāo)進(jìn)行評判,并與產(chǎn)量、水分利用效率評價法進(jìn)行對比;最終獲得該地區(qū)最優(yōu)灌水定額。旨在為本地區(qū)夏玉米灌水定額指標(biāo)優(yōu)化以及高效節(jié)水提供理論借鑒。
試驗于2011、2012與2013年河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心(N34°16′,E112°42′,河南省灌溉試驗中心站)毛莊試驗基地內(nèi)的有底測坑(LWH=3.3×2×2 m3)中進(jìn)行。試驗地屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季交替明顯,春季干旱少雨,夏季炎熱多雨,秋季晴朗日照長,冬季寒冷少雨,海拔85.0 m。年平均氣溫14.0~14.3 ℃,年平均降雨量640.9 mm,無霜期220 d,全年日照時間約2 400 h。試驗區(qū)土壤為中壤土,1 m土層的平均田間持水量為23%,容重為1.42 g/cm3。耕層有機質(zhì)含量為5.62 g/kg,全磷為0.44 g/kg,全鉀為15.12 g/kg,全氮為0.37 g/kg,堿解氮為24.91 mg/kg,速效磷為23.89 mg/kg,速效鉀為75 mg/kg。
試驗材料“鄭單538”,前茬作物為冬小麥。2011年生長季于6月9日播種,9月27日收獲;2012年生長季于6月12日播種,9月29日收獲;2013年生長季于6月8日播種,9月28日收獲。采用開溝點種的方式進(jìn)行播種,各測坑均開4溝,每溝10穴,每穴播2~3粒,每穴定苗1株。播前溝施底肥,2011-2013年溝施玉米專用復(fù)合肥(N∶P∶K=22∶8∶11)75.8 g/m2,尿素45.5 g/m2,施肥深度15~20 cm。播后覆土并灌水,水量由自動流量計控制。其余農(nóng)事管理管理(施肥、除草、防病蟲等)均保持一致。
灌水定額為本試驗主要研究內(nèi)容,共6個水平(45、60、75、90、105、120 mm),見表1。2011年小區(qū)隨機分布(圖1),試驗選擇土壤含水率占田間持水量的百分比作為土壤灌水下限控制指標(biāo),播種~拔節(jié)、拔節(jié)~抽雄、抽雄~灌漿、灌漿~成熟的灌水控制下限指標(biāo)分別為60%(占田持%)、60%、65%、60%;在2011年小區(qū)隨機布置基礎(chǔ)上,2012年和2013年試驗將苗期灌水控制下限指標(biāo)降低為田間持水量的50%,其他生育期均不做調(diào)整,其布置方式同2011年。當(dāng)各處理達(dá)灌水控制下限時進(jìn)行灌水,灌水量用超聲波流量計計量。
表1試驗方案 mm
圖1 試驗小區(qū)Fig.1 Test plot
(1)生長指標(biāo)。
株高:測定夏玉米株高(地面量至雄穗頂端的高度),各小區(qū)隨機選取6株測定。
葉面積指數(shù):各小區(qū)隨機選取6株測定,用直尺量測葉片長度和寬度,然后以長×寬的乘積再乘以折算系數(shù)確定單株葉面積為:
(1)
式中:A為單株葉面積,cm2;α為折算系數(shù),取0.75;Li為第i片葉長;Wi為第i片葉寬;i為第i片葉;n為葉片數(shù)。
(2)產(chǎn)量構(gòu)成因素。每個重復(fù)小區(qū)取5~10個果穗考種,包括穗長、穗粗、穗行數(shù)、百粒重等,采用常規(guī)方法調(diào)查及測量。
(3)耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率。全生育期均采用TRIME-IPH土壤水分測量系統(tǒng)和取土烘干法來測定。測量0~100 cm土層含水率,垂直方向每20 cm測一個點,每7~10 d測一次,灌前、灌后均加測。
產(chǎn)量:在收獲期分區(qū)收割,進(jìn)行脫粒獲得所有籽粒,待風(fēng)干后測其產(chǎn)量,單位為kg/hm2。
作物水分利用效率(WUE):指作物單位耗水量產(chǎn)出的籽粒產(chǎn)量,用下式計算:
WUE=Y/ETa
(2)
式中:WUE為作物水分利用效率,kg/(hm2·mm);Y為作物籽粒產(chǎn)量,kg/hm2;ETa為作物生育期耗水量,mm。
借助試驗站內(nèi)自動氣象站,收集氣溫、相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射強度和降水量等氣象參數(shù)。
利用SPSS 22.0進(jìn)行均值誤差分析,EXCEL進(jìn)行模糊計算分析,圖表中數(shù)據(jù)除特殊標(biāo)注外均為所有重復(fù)的平均值。在此基礎(chǔ)上參考龔雪文[11]、殷常青[12]等模糊綜合評價法,利用CRITIC法獲得各項指標(biāo)權(quán)重,并對夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量及水分利用效率進(jìn)行模糊綜合評判,獲得夏玉米最優(yōu)灌水定額。
不同灌水定額對夏玉米株高、葉面積指數(shù)的影響,分別見圖2和圖3。
圖2 不同灌水定額處理條件下夏玉米的株高Fig.2 Plant height of summer maize under different irrigation conditions
由圖2可知,隨生育期的推進(jìn),株高呈增加趨勢;與其他處理相比,生育期內(nèi)T1較低;隨灌水定額的增加,株高均呈先增加后減小趨勢。生育期內(nèi)T1處理的株高增速隨生育進(jìn)程的推進(jìn)而持續(xù)降低,其他處理則表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。苗期時各處理間差異較小;拔節(jié)期夏玉米的株高增速基本上表現(xiàn)出隨灌水定額的增加而增加,T1處理的增速最小,為3.26 cm/d,T6處理的增速最大,為7.64 cm/d,T2處理的增速大于T3處理,為5.70 cm/d;抽雄期T1和T6處理的株高增速均較小,低于2 cm/d,其他處理均保持在2.9 cm/d以上;灌漿成熟期夏玉米各處理的株高增速均顯著降低,其中T6處理的降幅最大,達(dá)77.25%。T5各階段株高均值基本高于其他處理,其中最高達(dá)16.73%(2011年)、16.06%(2012年)、12.08%(2013年)。
由圖3可知,不同灌水定額處理條件下,夏玉米生長期內(nèi)LAI的動態(tài)變化規(guī)律基本保持同步,抽雄前夏玉米各處理的LAI均隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)而不斷增加,抽雄后夏玉米的下部葉片逐漸開始枯萎變黃,有效綠葉面積持續(xù)減少,LAI也逐漸減?。浑S灌水定額的增加,LAI基本呈先增加趨勢。對比可知,T1處理LAI值均較低,2011、2012、2013年LAI整體表現(xiàn)最優(yōu)的處理分別為T6、T4、T5。3 a試驗結(jié)果顯示,T1處理的LAI年度均值約為2.38,T2處理較T1處理高約0.43,T5處理LAI顯著高于T1、T2、T3。
不同灌水定額處理條件下夏玉米的耗水量變化見表2。2011年和2012年T6處理的總耗水量均較高,T3處理最小??偤乃刻幚黹g極差分別約為114.8(2011年)、121.0 (2012年) mm,其中2011年T4和T5處理總耗水量的降幅約12.37%~17.98%,T1、T2和T3降幅約27.13%~30.75%,2012年T5處理降幅約18.69%,T1、T2、T3和T4處理的降幅約23.22%~31.38%;2013年T2處理的總耗水量最大,T6處理次之,T1處理最小,處理間極差為85.01 mm。同時,結(jié)合夏玉米灌溉定額發(fā)現(xiàn),夏玉米的總耗水量和灌溉定額基本上呈協(xié)同增加(或降低)的變化。
圖3 不同灌水定額處理條件下夏玉米葉面積指數(shù)的變化Fig.3 Changes of leaf area index of summer maize under different irrigation conditions
表2 不同灌水定額處理下夏玉米耗水量的影響Tab.2 Effect of summer maize consumption under different irrigation quota
2011年夏玉米苗期階段耗水量隨灌水定額的增加而增大(T2處理除外),且此期間的階段耗水量均普遍大于其他生育時期,可能與苗期灌水量大有關(guān),同時結(jié)合夏玉米農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn),苗期大定額灌溉并不會使夏玉米的生長速率或生育進(jìn)程顯著提高或加快,其階段耗水量則顯著增加,不利于水分利用效率(WUE)的提高,相反,低定額灌溉(T1處理)在抑制夏玉米地上部植株的過旺生長方面起到抑制作用;2013年各處理苗期的階段耗水量為44.39~77.12 mm,較2012年同期均出現(xiàn)不同程度的降低。拔節(jié)期是夏玉米地上部營養(yǎng)生長最為旺盛的時期,同時也是夏玉米需水關(guān)鍵時期。本試驗中,夏玉米拔節(jié)期階段耗水量隨灌水定額的增大均未表現(xiàn)出明顯的線性變化趨勢。2011年拔節(jié)期T2處理的階段耗水量較苗期增加,其他處理則降低,夏玉米各處理的階段耗水量隨灌水定額的增加呈“S”型變化,其中T2、T4和T6處理耗水量較大。T3、T5處理的表現(xiàn)可能與一次灌水持續(xù)期較長有關(guān),T1與該階段灌水總量較低有關(guān);2012年T4、T5的階段耗水量明顯大于T2、T6處理,而此階段T2、T6處理灌水量均為120 mm,出現(xiàn)這種情況可能與拔節(jié)前期T2和T6處理的土壤含水率持續(xù)保持低值有關(guān);2013年T6處理的耗水量最大,T1和T3處理次之,T2處理最低。抽雄期夏玉米的階段耗水量和耗水模系數(shù)持續(xù)降低。2011年T1耗水強度較拔節(jié)期顯著提高,T2則顯著降低,其他處理較拔節(jié)期的變化不大,T1、T2的不同表現(xiàn)與該階段的灌水處理不同有關(guān);2012年抽雄期夏玉米的階段耗水量較拔節(jié)期均顯著降低;2013則表現(xiàn)出相反變化。灌漿期夏玉米階段耗水量較抽雄期普遍升高,由于此期已處于夏玉米的生育中后期,營養(yǎng)生長已基本停止,有效綠葉面積持續(xù)降低,且此期間氣溫較抽雄期也發(fā)生變化。
2011-2013年不同灌水定額處理條件對夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量的影響,見表3。由表3可知,夏玉米穗粗受灌水定額影響較大,其中T5穗粗較大,T1、T2穗粗較小。2011年各處理百粒重表現(xiàn)為:T5>T6>T4>T1>T3>T2,其中T5處理的百粒重最高(31.9 g),其他處理較T5分別降低約1.07%(T6)、7.76%(T4)、11.97%(T3)、12.79%(T2)、9.19%(T1)。方差分析結(jié)果顯示,T5和T6處理間差異不顯著,但與其4個處理間差異均達(dá)到顯著水平;與2011年相比,2012年夏玉米百粒重均顯著提高,各處理具體表現(xiàn)為:T3>T5>T4>T6>T1>T2,其中T1、T2處理的百粒重均顯著低于其他四處理;2013年夏玉米各處理(T2除外)的百粒重均表現(xiàn)為隨灌水定額增加而增大的變化。
2011年夏玉米的產(chǎn)量隨灌水定額的增加而增加,T1處理的產(chǎn)量最小,約6 820 kg/hm2,其他處理較T1處理分別增加約1.76%(T2)、5.28%(T3)、18.18%(T4)、37.83%(T5)、45.16%(T6)。其中T5和T6增幅均在35%以上,且顯著高于其他4個處理;2012年T5處理的產(chǎn)量最高,T3處理次之,T1和T2處理的產(chǎn)量最低;2013年T6處理的產(chǎn)量最高,T1處理最低,且與其他處理差異顯著。隨灌水定額的增加,夏玉米產(chǎn)量呈階梯狀增加趨勢,其中T5處理的產(chǎn)量表現(xiàn)最優(yōu)。
作物WUE是其籽粒產(chǎn)量和總耗水量共同作用的結(jié)果,反映了作物節(jié)水效益的大小,不同灌水定額對夏玉米水分利用效率的影響,見表3。由表3可知,夏玉米WUE隨灌水定額的增加呈先增加后降低變化趨勢,其中2011年T2處理的WUE最低,盡管其產(chǎn)量較T1處理有所提高,但總耗水量增幅偏大,不利于WUE的提高。T5處理WUE較T1處理增幅約25.21%,其耗水量提高約10.09%,產(chǎn)量提高37.83%,可見產(chǎn)量水平的提高是WUE大幅提高的關(guān)鍵因素。T6處理的產(chǎn)量最大,但耗水量也最大,較T1增幅達(dá)40.80%,其WUE則提高約3.31%。2012年T3和T5處理產(chǎn)量均高出T1處理29.07%以上,其耗水量分別增加約-4.37%和25.61%,其中WUE也較高。2013年T4、T5、T6處理產(chǎn)量分別高出T1處理約34.53%、38.14%和39.34%,其耗水量相應(yīng)地增加約1.11%、4.22%和19.88%,其中T4和T5處理的WUE最高,T1、T2和T6處理的WUE均較低。T1和T2處理的WUE較低主要是因為其產(chǎn)量較低,而T6處理的WUE較低則與其總耗水量較大有關(guān)。參照產(chǎn)量、水分利用效率綜合評價法發(fā)現(xiàn),2011年T5處理是兼顧產(chǎn)量和節(jié)水效益的最佳處理,2012年T3處理表現(xiàn)較優(yōu),2013年T4和T5處理表現(xiàn)較優(yōu)。綜合3 a數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),T5處理表現(xiàn)較優(yōu),即灌水定額105 mm時夏玉米均可在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)水。
表3 夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量及水分利用效率試驗值及的模糊綜合評判指數(shù)Tab.3 Fuzzy comprehensive evaluation for summer maize yield index
采用模糊綜合評判法對夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量及水分利用效率進(jìn)行綜合評判,其中產(chǎn)量構(gòu)成因素選用穗長、穗粗、行數(shù)、百粒重。采用CRITIC法獲得各項指標(biāo)權(quán)重,指標(biāo)隸屬度分別為W2011=(0.170,0.170,0.170,0.169,0.159,0.163)、W2012=(0.170,0.170,0.170,0.170,0.163,0.156)與W2013=(0.168,0.168,0.169,0.168,0.165,0.162),將數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊綜合評判,見表3。
由表3可知,產(chǎn)量、水分利用效率評價法獲得結(jié)果與模糊綜合評判法獲得結(jié)果具有一致性,水分利用效率值越高,其對應(yīng)的模糊綜合評價指數(shù)越大。從綜合評判指數(shù)看,各處理的綜合評判指數(shù)由大到小依次為:T5、T6、T3、T4、T1、T2(2011年),T3、T4、T5、T1、T2、T6(2012年),T4、T5、T3、T6、T1、T2(2013年,其中T4≈T5)。綜合上述3 a數(shù)據(jù)分析,可知T5處理表現(xiàn)最優(yōu),分別為0.627(2011年)、0.506(2012年)、0.574(2013年);其次為T3處理。
灌溉是保證夏玉米正常生長發(fā)育并獲得高產(chǎn)所需水的重要來源,科學(xué)合理的灌溉定額是制定夏玉米節(jié)水高效灌溉制度的重要科學(xué)依據(jù)之一。研究表明,在適度的灌溉定額范圍內(nèi),夏玉米的籽粒產(chǎn)量隨灌水量的增大而線性增加[13],一定時期的水分虧缺可實現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)效果[14]。本試驗中夏玉米穗長和穗行數(shù)幾乎不受灌水定額的影響,穗粗和禿尖長受影響則較大,其中以灌水定額105 mm處理的穗最粗,禿尖最短,而灌水定額45和60 mm處理的穗最細(xì),禿尖最長,與已有研究結(jié)果相近[8]。夏玉米的穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量隨灌水定額的增大呈波動上升變化,其中灌水定額105 mm處理的穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量均較大,由于拔節(jié)期至成熟期為作物需水關(guān)鍵期,大定額灌溉時能夠滿足作物需水要求,同時過多的水分可存儲于土壤中,供作物后續(xù)生育期使用,與張明智、李興等研究結(jié)果基本一致[15, 16]。本研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌水定額達(dá)120 mm時,產(chǎn)量與105 mm差距不大,甚至個別年份出現(xiàn)產(chǎn)量低于105 mm處理,說明120 mm為本研究中夏玉米的灌水定額上限。但在本研究中不建議采用120 mm灌水定額,由于其耗水量較大,作物水分利用效率低。
在防雨棚測坑試驗中,作物耗水在很大程度上取決灌溉定額。隨灌溉定額的增大,夏玉米的總耗水量也呈上升變化。夏玉米苗期耗水以棵間蒸發(fā)為主,且受播前土壤底墑和灌水影響較大[17, 18]。拔節(jié)期和抽雄期是夏玉米日耗水強度較大的時期,其中2012年夏玉米拔節(jié)期的日耗水強度最大,2013年則表現(xiàn)為抽雄期最大,由于2012年拔節(jié)期內(nèi)晴天日數(shù)多于2013年同期,而2012年抽雄期晴天日數(shù)則小于2013年同期,這種現(xiàn)象在河北吳橋夏玉米試驗上也有體現(xiàn)[19]。
本文以夏玉米為研究對象,采用改進(jìn)模糊綜合評判模型對夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量與水分利用效率進(jìn)行綜合評判,從各指標(biāo)的評判結(jié)果來看,改進(jìn)的模糊綜合評判模型與產(chǎn)量、水分利用效率綜合評判法具有一致性,可實現(xiàn)對夏玉米灌水定額的優(yōu)化選擇,該方法為合理選擇夏玉米灌水定額提供科學(xué)依據(jù)。與路振廣分析作物生長指標(biāo)獲得結(jié)論具有一致性[8]。龔雪文、汪順生采用專家預(yù)測加權(quán)改進(jìn)模糊綜合評判法,在溫室番茄與夏玉米灌溉制度優(yōu)選中應(yīng)用獲得較好的效果[9, 11]。與專家法相比,本論文采用CRITIC法確定模糊權(quán)重,不受人為因素影響最終評判結(jié)果,且能夠客觀確定權(quán)數(shù)。然而,CRITIC法服從單純數(shù)據(jù),主觀性較差,缺少科學(xué)知識背景[20-22]。可見CRITIC法在模糊綜合評判模型中具有一定的優(yōu)越性,但該方法在權(quán)重確定方面仍然存在諸多不確定性,例如指標(biāo)測量代表性、風(fēng)速、溫度、蒸發(fā)等因素的變化,且作物自身生理特性的影響也占主要部分。因此,若能結(jié)合指標(biāo)測量的廣泛性、環(huán)境因素以及作物自身生理特性建立適用性更廣,機理性更全面的預(yù)測模型,將增加模糊綜合評判法應(yīng)用范圍,提高模糊綜合評判在節(jié)水灌溉中的重要性。
(1)隨灌水定額的增加,株高呈先增加后減小趨勢,葉面積指數(shù)基本呈增加趨勢;夏玉米的穗粗受影響較大,灌水定額105 mm處理最優(yōu);夏玉米穗粒數(shù)隨灌水定額的增加而增加。
(2)夏玉米總耗水量和灌溉定額基本上呈協(xié)同增加(或降低)的變化,夏玉米產(chǎn)量隨灌水定額的增加,呈波動上升趨勢。灌水定額75、90和105 mm處理的WUE普遍較高。
(3)采用改進(jìn)綜合模糊評判法與產(chǎn)量、水分利用效率評價方法對夏玉米最優(yōu)灌水定額的篩選具有一致性,該方法對夏玉米灌水定額綜合評判具有可行性;通過產(chǎn)量、水分利用效率評價法與模糊綜合評判法分別對3 a數(shù)據(jù)分析,獲得T5處理最優(yōu),即苗期灌水定額60 mm,拔節(jié)后灌水定額105 mm時可實現(xiàn)河南豫中地區(qū)夏玉米節(jié)水高產(chǎn)。