风沙土玉米地下滴灌毛管适宜埋深试验研究

窦超银 孟维忠 佟威 陈伟 延玮辰

摘要：为了探索风沙土地下滴灌毛管布置的适宜埋设深度，以雨养无灌溉作为对照处理，通过田间试验研究了不同毛管埋深（20、30、40cm）对土壤水分分布、玉米生长和产量以及水分利用效率的影响。结果表明：与无灌溉相比，地下滴灌改善了土壤水分条件，玉米长势良好，WUE、产量及其构成均显著提高；与毛管埋深20cm和40cm相比，毛管埋深30cm有利于土壤水分的合理分布，并获得最高产量和WUE，分别为8.1t/hm2和2.1kg/m3，但不同毛管埋深处理之间，玉米长势接近，产量构成、产量和WUE的差异均未达到显著水平，因此毛管埋深在20～40cm范围内均是可行的，但综合考虑农业生产实际和经济性，在风沙土地区，玉米地下滴灌毛管适宜埋深建议为30cm左右。

关键词：地下滴灌；毛管埋深；水分利用效率；玉米；产量；风沙土

中图分类号：S274.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.033

在地下滴灌系统中，毛管埋深的确定是影响系统运行效果的关键。毛管埋深直接影响水分、养分在土壤中的运移和分布，如研究表明尽管不同毛管埋深条件下土壤水分在中下部土层均呈连续的层状聚集分布，但多次滴灌后，埋深越浅层状聚集分布范围和表层土壤含水量越大[1]。水分入渗宽度和深度随毛管埋深减小分别增大和减小[2]，在距滴头一定距离内，土壤含水率随着滴灌带埋深增大而增大等[3]。表层土壤氮素含量随着毛管埋深增大而增大，在土壤剖面上，毛管埋深将增大氮素含量随土层深度增加而减小的幅度[4]；磷的空间分布与氮素相似，但从滴灌带的铺设位置以下土壤速效磷含量会急剧下降[5]。毛管埋深对水分养分分布的影响进一步作用于作物根系对水肥的吸收，从而影响到作物生长和产量等，如：毛管适宜埋深有利于增加春玉米籽粒和鲜穗产量提高[1]；在小麦生育早期抑制地上部分营养生长，促进蹲苗，中后期促进生殖生长，提高产量和水分利用效率[6]；促进草地生长速度和地上生物量[3]；提高番茄品质，产量和水分利用效率[7]；增加马铃薯产量和块茎质量等[8]。

根据大量试验结果，毛管埋深总的来说应满足两个条件：足够深，以避免耕作或其他设备破坏；或足够浅，能够湿润根区，但又避免表土湿润[9]。作物种类是确定毛管埋深的主要因素，根系越深，毛管埋设越深，如：草地和马铃薯毛管埋深以20cm为宜[3，8]，玉米、番茄和豌豆毛管埋深以30cm为宜[1，7，10]，果树和小麦毛管埋深以40cm为宜[2，6]。随着研究的深入，发现土壤特性对地下滴灌毛管埋深同样影响显著，如：层状土壤增加了土壤水分的横向扩散[11]，沙质土地下灌水器流量对土壤容重和土壤含水率变化敏感等[12]。而目前在地下滴灌技术应用时，不同类型土壤地下滴灌的毛管适宜埋深缺乏参考依据，需要通过试验确定。本研究以风沙土为研究对象，通过研究不同毛管埋深对作物生长和产量的影响，确定风沙土地下滴灌毛管适宜埋深，从而为地下滴灌的应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验在辽宁省水科院阿尔乡沙漠生态园内进行，该生态园位于辽宁省彰武县北甸子村（东经122°23′，北纬42°50′），地处科尔沁沙地南缘，属于温带半干旱季风气候区，其主要特征是干燥、风沙大。多年平均降水量412mm，降水量年内分布不均，夏季降水量占全年降水量的60%～70%；多年平均蒸发能力1781mm；年平均气温6.1℃，平均风速3.7～4.2m/s，最大瞬時风速达24m/s，沙尘暴天气10～15d；植物生长期145～150d，无霜期154d。试验区土壤主要为流动风沙土，干容重1.69g/cm3，田间持水量为6.3%，凋萎含水量为1.7%。0～20cm土层土壤颗粒粒径主要分布在0.075～2mm之间，其中：<0.075mm占1.8%，0.075～0.25mm占69.7%，0.25～0.5mm占28.3%，0.5～2mm占0.2%。有机质含量为0.66g/kg。

1.2 供试材料与试验设计

试验于2015年5-9月进行，采用大田小区试验，设20、30、40cm三个地下滴灌毛管埋深处理（分别记为SD20、SD30、SD40），同时以当地传统种植方式，即雨养不灌溉为对照（CK），每个处理设3个重复，共12个小区，采用随机布置方式。小区南北方向长40m，东西方向以林带为隔断，宽8.4m，面积336m2。玉米品种选用“辽单1211”，宽窄行种植，宽行距0.8m，窄行距0.4m，株距 0.3m。地下滴灌处理中，先犁出浅沟，然后人工整修沟底，铺设滴灌带，然后回填，滴灌带间距为1.2m，玉米种植在滴灌带两侧。滴灌带滴头流量为1.38L/h，滴头间距为0.3m，系统工作压力为0.1MPa。

1.3 田间管理

播种前种子进行晾晒处理，各处理均在春播前翻地，平整土地，施农家肥（鸡粪）1.5t/hm2、底肥磷酸二铵225kg/hm2、玉米复合肥225kg/hm2。5～6叶期定苗，拔节期中耕除草，喷施农药甲胺磷一次，防治虫害。灌溉管理结合气象条件和试验站前期试验结果而定[13]，在无降雨时，灌溉频率为9d一次，单次灌水定额为30mm。

1.4 测定指标

降雨量和蒸发量利用试验站内的小型气象站测定，每天8：00测量记录一次。灌溉水量通过水表控制。土壤含水量用管式TDR测量，TDR测管埋设在小区中部同一行相邻两株玉米中间位置，埋深1m，每7d测一次，测深1m，每0.2m为一测定深度。玉米株高、茎粗和单株全部展开叶的叶面积等每2周测1次；按长×宽×系数法测量叶面积，叶面积指数（LAI）通过叶面积与单位土地面积折算求得；收获时在各小区随机取样10株，收获后室内考种，成熟时各小区单独收获考种、脱粒、晒干并计产，每个处理的玉米产量为处理各小区的实际产量；生育期耗水量采用土壤水量平衡法进行计算，水分生产效率（WUE）为玉米产量与耗水量的比值。

常规数据整理利用Excel 2010完成，单因素方差分析利用SPSS 20.0完成。

2 试验结果与分析

2.1 降水和蒸发

2015年玉米生育期内蒸发、降雨量见图1，降雨21次，累计降雨量295.7mm。玉米播种后，即开始降雨，苗期和拔节期累计降雨191.1mm，约占全生育期降雨量的2/3；进入抽雄期后，玉米需水量增加，这一阶段缺少降雨，仅在抽雄后期出现一次集中降雨，不利于玉米生长；灌浆期虽然历时较短，但降雨4次，累计降雨31.6mm，基本满足玉米需水要求；乳熟期后，降雨3次，累计降雨 31.7mm。玉米生育期内累计蒸发量898.8mm，苗期一拔节期多风，蒸发较强，平均日蒸发6.9mm；7-8月，受高温影响，日蒸发约6.5mm，成熟期蒸发减弱，日均3.9mm。根据降雨分布特点，2015年玉米主要受伏旱影响，因此地下滴灌处理进行了补充灌溉，灌溉3次，分别在7月17日、7月24日和8月11日，单次灌水30mm，累计灌水90mm。

2.2 土壤含水量

不同处理土壤含水量在玉米生育期内的时空变化见图2和图3。CK处理无灌溉，进入7月中旬后，玉米生长期内土壤含水量一直低于5%，抽雄期土壤含水量甚至低于2%，而地下滴灌处理土壤含水量保持在6%以上，毛管不同埋深引起的差异较小，SD30处理均值略高于SD20和SD40处理的。在空间分布上，CK处理土壤含水量随着土层深度增加而增大，均值在2%～4%之间，远低于地下滴灌处理；灌溉处理土壤含水量随土层深度增加先增大后减小，SD20和SD30处理最大值出现在30cm附近，SD40处理最大值在50cm附近。在0～40cm土层，土壤含水量均值大小顺序为SD30>SD20>SD40；40cm以下土层，SD20和SD30均值相近，均小于SD40处理的。即在风沙土土壤中，当毛管铺设接近地表时，毛管上层土壤水分容易蒸发散失；当铺设较深时，水分主要分布在毛管下方，不利于土壤水分上行；毛管埋深在 30cm时有利于水分在土壤中蓄持和合理分布。

2.3 株高、茎粗和LAI

不同处理玉米株高在生育期内总体变化趋势相同，生育期内株高持续增大，拔节期和抽雄期株高增加最为迅速，灌浆期后，株高相对稳定（见图4）。不同处理玉米进入拔节期后长势均较好，最终稳定在210～230cm，毛管埋深对株高生长无明显影响；CK处理在7月受到长时间干旱胁迫，植株矮小，生长缓慢，后期降雨未能发挥补偿效应，株高稳定在140cm。即灌溉是影响玉米株高的主要因素，地下滴灌使根层土壤长期保持良好的水分条件，为玉米的持续生长创造了有利条件。

玉米生育期内茎粗的变化见图5。随着玉米的生长，玉米茎粗逐渐增大，抽雄一灌浆期茎粗相对稳定。不同处理玉米茎粗在整个生育期内相近，其原因可能是玉米茎粗的增加主要在抽雄期前，伏旱对茎粗影响较小。

玉米生育期内各处理LAI随着玉米的生长，均先增大后减小，在灌浆期LAI达到峰值（见图6）。不同处理之间，在灌溉前LAI相近；进入7月中旬后，CK处理长期受旱产生不可逆的破坏，LAI在7月18日达到2.3后不再增大；地下滴灌处理在补充灌溉后LAI持续增大，各处理间差异较小，进人生长后期，SD40处理LAI增加缓慢，LAI小于SD20和SD40处理的，且成熟期SD40处理LAI减幅较大，在生育期结束时分别较SD30和SD20处理的小19.5%和17.2%。说明灌溉是影响玉米LAI的主要因素，毛管浅埋有利于获得较大的LAI，深埋不利于后期LAI提高，同时易导致叶片衰老。

2.4 玉米产量构成、产量和WUE

各处理考种结果见表1。灌溉处理各考种指标均显著高于CK处理的；灌溉处理中，SD30处理各项指标高于SD20和SD40处理的，SD20处理穗粒数多于SD40处理的，但百粒重低于SD40处理的；方差分析表明不同埋深之间差异均未达到显著水平。即灌溉是影响玉米产量构成的主要因素，灌溉处理各指标均明显优于不灌溉处理；毛管埋深对产量构成影响较小，浅埋有利于增加行粒数和穗行数、获取更多粒数，深埋有利于形成饱满籽粒。

产量受穗粒数和百粒质量交互影响，从表1中可以看出，受伏旱影响，雨养无灌溉的CK处理产量最低，仅为3.3t/hm2；SD30处理产量最高，为8.1t/hm2；SD20和SD40处理产量均为7.5t/hm2，较SD30处理低7.4%，较CK处理高127.3%。方差分析表明，地下滴灌各处理产量均显著高于CK处理的，但埋深差异对产量的影响并不显著。不同处理之间WUE差异与产量相似，CK处理WUE最低，仅为1.1kg/m3；SD30处理最高，为2.1kg/m3，其次为SD40和SD20处理，分别较SD30下降7.4%和8.1%。不同毛管埋深处理之间WUE差异不显著，但均显著高于CK处理的。即灌溉处理虽然增加了玉米耗水量，但通过增产提高了水分生产效率，而毛管埋深对WUE的影响不显著。

3 结论

（1）采用地下滴灌技术灌溉，可有效进行补充灌溉，玉米全生育期根系主要分布层土壤含水量一般为6%～8%，接近风沙土田间持水量，土壤水分有效性高，有利于作物生长。土壤含水量随时间的变化主要受降雨和灌溉影响，毛管埋深对土壤水分空间分布有一定影响，浅埋易产生蒸发散失，深埋不利于水分上行，毛管埋深为30cm时有利于土壤水分的合理分布。

（2）地下滴灌为玉米生长提供了保障。灌溉是影响玉米生长的主要因素，毛管埋深对玉米营养生长和生殖生长的影响相对较小。

（3）地下滴灌玉米產量为7.5～8.1t/hm2，WUE为1.9～2.1kg/m3，毛管埋深为30cm时产量和WUE最大，但不同埋深处理之间产量和WUE的差异均未达到显著水平；与当地传统雨养无灌溉种植相比，地下滴灌显著提高了玉米产量和WUE。

灌溉是风沙土作物种植的基础，而毛管埋深对玉米生长和产量影响较小。根据方差分析结果，毛管埋深在20-40cm范围内均是可行的，在实际农业生产中，如果将地下滴灌与保护性耕作相结合，第二年实施免耕，可将滴灌带浅埋在20cm深处；如果采用旋耕浅翻，滴灌带应埋到30cm深处；地埋深度40cm虽有利于延长使用年限，但灌溉效果下降，且目前地埋深度40cm相对费工，对土壤扰动较大，因此毛管埋深以30cm左右为宜。

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