试验区位于内蒙古巴彦淖尔市临河区城关镇河套学院灌排试验基地,该地区多年平均降雨量140 mm,蒸发量2 306.5 mm,平均气温6.8℃,平均日照时数3 229.9 h,无霜期130 d左右,属典型的中温带干旱大陆性气候。试验区以粉砂壤土为主,0—100 cm土壤平均容重1.51 g/cm³,土壤田间持水量为0.239 cm³/cm³,灌溉水源为黄河水,平均矿化度0.6～0.8 g/L。

试验设置传统漫灌(灌溉定额358 mm)、滴灌DP₁(180 mm)、DP₂(200 mm)、DP₃(220 mm)、DP₄(240 mm)和DP₅(260 mm)共5个处理,试验采用小区试验,随机区组排列,小区面积100 m²(20 m×5 m),3次重复。

春播期,平耙地后采用机械覆膜铺滴灌带及施肥,膜下滴灌采用一膜一带一行的种植模式。播种时施底肥尿素(46%N)300 kg/hm²,磷酸二铵(16%P₂O₅)150 kg/hm²; 试验地膜选用内蒙古华丰商贸有限责任公司生产聚乙烯普通农用地膜,膜厚0.008 mm,膜宽70 cm; 滴灌带为内镶贴片式,内径16 mm,滴头间距30 cm,流量为1.8 L/h; 玉米品种为当地常规品种西蒙6号。人工点种玉米,玉米种植行距50 cm,株距28 cm,每垄2行。传统漫灌根据当地配水时间,采用传统畦灌的灌水方式进行灌溉,灌第一水时施尿素(46%N)450 kg/hm²; 灌第二水时施尿素(46%N)300 kg/hm²; 灌第三水时不施肥。滴灌灌第三水时施尿素(46%N)450 kg/hm²,灌第五水时施尿素(46%N)300 kg/hm²,为提高肥料利用率采用鸭嘴器人工进行施肥。各处理灌溉制度见表1。

表1 不同处理灌溉制度mm

田间微气象站采集玉米生育期气象数据; 准确记录玉米各生育期时间,玉米苗期开始,各处理小区选取长势一致的6株玉米挂牌标记,每隔7 d采用钢尺测量玉米株高,同时测量每株各叶片最长、最宽处,利用公式计算叶面积指数^[11]; 各生育期选一天利用SPAD-502叶绿素仪测定叶片SPAD值; 各生育期内,各处理选取长势均匀一致的3株植物样,分割后自然晾干,然后放入纸袋在80℃恒温烘箱中烘干至恒重,利用度万分之一精度的电子天平称重,测量地上部生物质量累积量; 玉米成收获后,每个处理选取15株植物样测量穗长、穗粗、穗粒数、百粒重和产量。

由图1可知,不同处理条件下玉米全生育期株高变化趋势一致,整体表现为前期生长速率较快,生育后期玉米逐渐由营养生长转向生殖生长,生长速率趋于平缓。整个生育期,各滴灌处理条件下玉米株高整体表现为DP₅>DP₄>DP₃>DP₂>DP₁,且均明显高于传统漫灌CK处理(p<0.05),这是由于滴灌较传统漫灌更好的调节了土壤的水肥气热条件,为玉米的生长提供了良好的土壤环境,全生育期处理DP₁,DP₂,DP₃,DP₄和DP₅平均较CK高18.12%,27.71%,34.91%,40.52%和45.1%。苗期至抽雄吐丝期是玉米营养生长旺盛期,此时植株壮苗生长有利于产量的形成,研究发现,处理DP₄和DP₅间差异性不显著(p>0.05),但均显著高于其他各处理(p<0.05),该生育阶段,两处理平均较处理CK,DP₁,DP₂和DP₃高68.13%,30.81%,15.26%,6.21%和76.24%,36.95%,20.68%,11.27%,这也说明,在一定的灌溉量范围内,随灌溉量增加,可显著促进玉米植株的生长发育,当灌溉量达到一定值时,该效应减弱。玉米进入灌浆期以后,植株进入营养生长,植株间株高差异减弱,各滴灌处理间差异性不显著(p>0.05),但均明显高于常规灌溉处理CK。

叶面积指数直接影响到作物蒸腾作用及光合产物的形成,并最终表现在作物产量方面。由图2可知,玉米苗期至拔节期,叶面积指数增加迅速,至灌浆期达到全生育期的峰值,而后随玉米灌浆成熟及叶片的枯萎衰老,叶面积指数逐渐减小。整体来看,玉米全生育期内各处理叶面积指数随滴灌定额的增加呈增加趋势,且各处理均显著高于漫灌处理CK。不同处理对玉米叶面积指数的影响主要在玉米苗期至抽雄吐丝期的生育前中期,灌水量越大,叶面积指数越大,且此阶段处理DP₁,DP₂,DP₃,DP₄和DP₅平均较CK高37.94%,50.76%,76.27%,101.43%和105.91%,差异性显著(p<0.05),这也增加了对光照的截留,提高光照利用率,为玉米光合产物的形成及产量的提高奠定了基础^[12]。但对比发现,当灌溉量达到240 mm以后,继续增加灌水量,对叶面积指数的影响减弱。玉米进入灌浆期后,植株转向营养生长,植株吸收的养分主要用于籽粒的灌浆,此阶段各处理间差异性减弱,但各滴灌处理叶面积指数随灌水量增加呈增加趋势,且均明显高于常规灌溉处理CK,但差异性不显著。由此可见,滴灌不同灌溉定额主要影响玉米生育前中期叶面积的生长发育,且在一定灌溉定额范围内,随灌水量增加叶面积指数呈持续增加趋势,生育后期影响变弱。

图1 不同滴灌定额条件下玉米各生育期株高变化

由图3可知,随滴灌灌溉定额的增加,玉米地上部生物量累积量整体表现为DP₅>DP₄>DP₃>DP₂>DP₁,且均显著高于对照处理CK,这主要是由于滴灌更好的调节了土壤的水肥气热条件,促进了植株的生长发育和生育进程,玉米全生育期处理DP₁,DP₂,DP₃,DP₄和DP₅平均较CK高31.37%,42.74%,63.52%,91.22%和98.26%。同时对比发现,各生育期处理DP₄和DP₅间地上部生物量累积量相差在0.03%～2.99%,差异性不显著(p>0.05),但均显著高于其他各处理(p<0.05)。这也说明,并不是灌溉量越多越有利于地上部生物量累积量的增加,当滴灌灌溉定额达到240 mm后,继续增加灌水量,对地上部生物量累积量的影响减弱。

图2 不同滴灌定额条件下玉米各生育期叶面积指数变化

图3 不同滴灌定额条件下玉米各生育期地上部生物量累积量变化

作物叶片SPAD值是反映叶片叶绿素相对含量的指标,从而直接反映作物的生长状况。由图4可知,随滴灌定额的增加,玉米叶片SPAD值在全生育期同样表现为DP₅>DP₄>DP₃>DP₂>DP₁。不同灌溉处理主要影响玉米苗期至灌浆初期叶片SPAD值变化,此阶段除处理DP₄和DP₅间差异性不显著外(p>0.05),其他各处理间差异达到了显著性水平(p<0.05),且各处理均显著高于对照处理CK,此生育阶段处理DP₁,DP₂,DP₃,DP₄和DP₅平均较CK高5.72%,10.65%,15.35%,28.50%和29.57%。这一方面是由于膜下滴灌灌溉过程中,达到了对玉米根系区的精确灌溉,为玉米生长提供了适宜的土壤水分条,另一方面滴灌较常规灌溉可有效提高肥料利用率,此外膜下滴灌土壤增温保墒效果显著,从而为玉米的生长发育提供了更适宜的土壤水肥热条件^[13-15]。玉米成熟期至收获期,植株衰老枯萎,叶片SPAD值显著减小,但此阶段各处理间差异性不显著(p>0.05)。

图4 不同滴灌定额条件下玉米各生育期叶片SPAD值变化

由表2不同处理条件下玉米产量指标对比可知,玉米穗长、穗粗及穗粒数均表现为处理DP₅>DP₄>DP₃>DP₂>DP₁,说明灌水量对各指标影响显著。而百粒重和产量则表现为DP₄>DP₅>DP₃>DP₂>DP₁,处理DP₅和DP₄各指标差异性不显著,但均显著高于其他各处理。说明在一定的灌溉定额条件下,玉米百粒重和产量随灌水量增加呈持续增加趋势,但继续增加灌水量对产量的提升具有一定的抑制作用,且研究发现,各滴灌处理产量指标均显著高于对照处理CK,这主要是由于滴灌在各关键生育期可为玉米的正常生长及时提供水肥供应,增产效果显著,处理DP₁,DP₂,DP₃,DP₄和DP₅平均较CK增产11.18%,16.75%,46.54%,56.06%和47.96%。

对于干旱半干旱地区来说,农业用水日益短缺是制约农业长足发展的关键性因素,因此在这样的背景下实现灌溉水的高效利用是我们亟待解决的技术问题,而作物水分利用效率是衡量水分利用程度的量化指标。研究发现(表3),各滴灌处理水分利用效率均显著高于常规灌溉CK,以处理DP₄最高,平均较处理,差异性均达到显著性水平(p<0.05)。

表2 不同处理条件下玉米产量指标对比

表3 不同处理条件下水分利用效率对比