灌溉施肥对河套灌区垄膜沟灌春玉米土壤水热运移的影响

李 成，冯 浩，董勤各

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

内蒙古河套灌区是我国重要的粮油生产基地，但该区干旱少雨，蒸发强烈，气温变化幅度大，极易造成作物减产，严重影响灌区农业的可持续发展[1-2]。近年来，随着灌溉面积的增加和引黄配额的减少[3]，当地水资源日益短缺，水污染状况日益加剧。因此，探索怎样缓解河套灌区农业亩均用水减少与气温变幅大所造成作物减产的问题，建立适宜河套灌区作物生长的良好水热环境具有重要实践意义。

土壤水热特性与农田耕作方式有直接关系。合理的耕作措施可以为作物生长发育创造适宜的水热环境，是保证作物持续高产、稳产的关键措施之一。有研究表明，地膜覆盖能够改善土壤的水热环境，降低土壤水分的无效蒸发和热量散失，提高作物产量[4-7]。由于覆膜的保温保墒抑盐特性[5,7-9]，河套灌区春玉米广泛采用覆膜种植。沟灌是一种低成本高产出的资源节约型灌溉模式[10]，由于其开沟培土以及前期不灌溉的特点，使得玉米根系更发达。此外，沟灌入渗效果好，灌水量相对较少且基本无深层渗漏，肥料被培土掩埋利于作物吸收，不易流失[11-12]。集覆膜与沟灌优点于一体的垄膜沟灌种植技术具有增温保墒、提高作物水分利用效率、促进作物生长发育的作用[4,9,13-17]，具有良好的应用前景。马树庆等[18]研究表明，地膜覆盖可以提高田间土壤温度，使玉米生育期提前，提高光合产物积累量。马忠明等[19]研究表明，起垄覆膜较无膜对照处理0～25 cm土层土壤日平均温度提高2.0℃，起垄覆膜种植模式具有明显的增温保墒作用。李波等[20]研究表明，河套灌区垄膜沟灌种植模式有利于番茄根区形成良好的水热环境，促进番茄生长发育，获得较高的产量。然而，鲜有针对河套灌区垄膜沟灌条件下土壤水热运移规律及春玉米产量特征的研究成果。

本研究采用垄膜沟灌种植技术，通过设置不同灌溉和施肥水平，分析不同处理对垄膜沟灌土壤水热运移特征的影响，研究土壤水热变化规律，明确河套灌区垄膜沟灌条件下春玉米产量特征，为提高河套灌区灌溉水利用效率、改善农田土壤水热环境、保障春玉米产量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验田位于内蒙古巴彦淖尔市水利科学研究所曙光试验站(40°46″N，107°24″E)，地面高程1 039 m，属干旱半干旱气候区，全年日照充足，降水量集中，蒸发强烈，空气干燥，昼夜温差较大。试验站多年平均气温7.8℃，降雨量105 mm，蒸发量2 306.5 mm。无霜期160 d，年日照时数3 156 h。试验区土壤属于黄河灌淤土，质地主要为沙壤土，耕层平均土壤容重1.43 g·cm-3，土壤有机质质量分数7.26 g·kg-1，全氮质量分数105.36 mg·kg-1，速效磷质量分数55.82 mg·kg-1，速效钾质量分数120.49 mg·kg-1，土壤盐分质量分数1.19 g·kg-1。地下水埋深2.5 m左右，0～100 cm土层土壤田间持水量26.96%。

1.2 试验设计

垄膜沟灌试验种植时间为2017年4-9月，供试作物为春玉米。垄沟规格：垄顶宽50 cm，垄底宽70 cm,垄高20 cm，沟底宽50 cm，垄长13 m。设置3种灌水水平：400 mm(I1)、300 mm(I2)、200 mm(I3);2种施肥水平(高肥、低肥)，高肥为600 kg·hm-2磷酸二铵+300 kg·hm-2尿素(F1)，低肥(F2)施肥量减半。共6个处理，分别为高水高肥(I1F1)、高水低肥(I1F2)、中水高肥(I2F1)、中水低肥(I2F2)、低水高肥(I3F1)、低水低肥(I3F2)。每个处理3个重复，共计18个小区，每个小区3条垄沟。每列重复间留2 m宽小路，方便灌水与操作。播前取土，测定初始土壤含水率、土壤容重等指标。

供试玉米品种为西蒙6号，地膜为高压聚乙烯膜，厚度8 μm。每垄种植2行玉米，行距40 cm，株距30 cm。2017年4月25日播种，播前施肥、起垄、覆膜，采用人工穴播，播种深度5 cm。灌浆期追肥，高肥追尿素150 kg·hm-2，低肥施肥量减半。灌水时间分别为5月31日、7月2日、7月29日、8月17日。

1.3 测定指标与方法

土壤含水率与地温：采用TRIME-TDR时域反射仪测定含水率，测定深度分别为：0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm；每7 d测定1次，灌溉前后加测1次。地温计埋设在各小区垄背5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，25 cm处，分别于08∶00、14∶00、20∶00读取地温计读数，每3 d读取1次。

植株生长状况及产量构成：株高、叶面积、茎粗、地上部干物质量、鲜重，分别在玉米出苗、拔节、抽雄、灌浆、成熟期测量。收获时每个小区随机取10个果穗，测定其产量、千粒重、穗粒数、穗长、直径、鲜重等。

采用水量平衡法计算全生育期春玉米耗水量，即蒸散量(evapotranspiration,ET，mm)

ET=ΔW+P+I+G-R-F

(1)

式中，ΔW为播种期与收获期土壤储水量之差(mm)；P为生育期有效降水量(mm)，如果降雨量小于当日参考蒸发蒸腾量的0.2倍，视为无效降雨；I为玉米生育期的灌水量(mm)；G为生育期地下水对作物根系的补给量(mm)；R为生育期地表径流量(mm)，如试验区地势平坦则无地表径流产生；F为生育期根区深层渗漏量(mm)，假定降雨或灌溉先补给根系层土壤水分至田间持水量，多余的水分即为深层渗漏损失量，计算方法为：

灌水(或降水)前100 cm土层内有效土壤含水率+灌水量(或降水量)-田间持水量。

玉米水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)计算公式为：

WUE=Y/ET

(2)

式中，Y为单位面积玉米产量,kg·hm-2。

1.4 统计分析方法

试验数据采用Excel 2016进行数据整理，采用Sigmaplot 12.0绘图，并用SPSS对数据进行单因素方差分析，采用最小显著差异法(LSD)进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉与施肥水平对垄膜沟灌土壤水分的影响

2.1.1 土壤水分垂向空间分布特征 图1为播种前与收获后各处理土壤体积含水率的垂向空间分布特征。由图1可知播前及收获后各处理土壤体积含水率由表层到深层逐渐增加。除I1灌水处理80～100 cm土层外，其它处理收获后各土层土壤体积含水率较播前均有所减少，I1处理土壤体积含水率高于其它灌水处理，I3处理最低。相同灌水不同施肥处理间土壤含水率相差较小。对比播前及收获后不同处理0～100 cm土层土壤贮水量可知，I1F1和I1F2处理平均土壤含水率较播前分别增加1.1%和4.0% ，而I2F1、I2F2、I3F1、I3F2处理分别减少19.1%、17.8%、30.9%、24.2%，相差较大。

2.1.2 土壤水分时间变化特征 图2为2017年春玉米生育期内各土层不同处理土壤体积含水率随时间的变化过程。由图2可以看出，各土层土壤体积含水率的变化趋势较为一致，第1次灌水后含水率达到最大，之后变化较平缓。每次灌水后，不同处理间各土层土壤体积含水率先变大，之后逐渐减小。0～20 cm土层全生育期内I1灌水处理土壤体积含水率较大，平均土壤含水率较I2、I3分别高6.52%、12.39%，各灌水处理间F2施肥处理土壤体积含水率较F1大，各处理间相差较小。20～60 cm土层全生育期内I1灌水处理土壤体积含水率最大，I3最小，各灌水处理间F2施肥处理土壤体积含水率较F1大，不同处理间相差较大。60～100 cm土层全生育期内I1灌水处理土壤体积含水率最大，平均土壤含水率较I2、I3分别高13.57%、29.32%，I3最小；各灌水处理间F2施肥处理土壤体积含水率较F1大，不同灌水处理间相差较大。春玉米出苗-拔节期0～100 cm土层平均土壤体积含水率I1F2处理最大，且各灌水处理间差异较大，I1F2较I1F1、I2F1、I2F2、I3F1、I3F2分别高1.23%、9.58%、7.27%、19.65%、17.27%。灌浆成熟期0～100 cm土层各处理间土壤体积含水率相差不大，各灌水处理间F2施肥处理较F1大。全生育期0～100 cm土层I2F2处理土壤含水率比I1F1、I1F2处理分别低8.3%、9.2%，比I2F1、I3F1、I3F2处理分别高1.6%、11.1%、14.1%。

图1 播前及各处理收获后不同土层土壤体积含水率的变化Fig.1 Change of soil volume water content before sowind and after harvesting of each treatment in different soil layers

注：折线表示土壤体积含水率，柱状图表示灌水量。Note: The dash lines are soil volume water content and the bars are the amount of irrigation.图2 春玉米生育期内各土层不同处理土壤体积含水率随时间的变化Fig.2 Variation of soil volume water content with time in different soil layers under different treatments during spring maize growth season

2.2 不同灌溉水平对垄膜沟灌土壤温度的影响

2.2.1 土壤温度的时空分布特征 土壤温度是影响作物生长发育的重要因素之一[21]。图3为2017年春玉米生育期内不同灌水处理平均土壤温度随时间的变化过程，经过单因素方差分析，各灌水处理间均无显著性差异。可以看出，不同灌水处理下土壤温度随时间变化趋势大致相同。玉米生长前期各处理土壤温度均较低，这与当地气温有关。春季多风且气温较低，之后土壤温度逐渐升高，拔节期、抽雄期土壤温度均处于较高状态，I2处理高于其它处理，I1处理最低。随着生育期的推进，各处理玉米叶面积逐渐增大，到达地面的太阳辐射减少，土壤温度逐渐降低，但I2处理仍处于最高，I1处理低于其它处理。每次灌水后，各处理平均土壤温度明显降低。全生育期内， I2灌水处理平均土壤温度最高，较I3、I1处理分别高0.1℃、0.6℃，I1处理最低。

图4为春玉米整个生育期内不同灌水处理间不同土层的平均土壤温度，经过单因素方差分析，各灌水处理间均无显著性差异。表层土壤(0～5 cm) I2和I3灌水处理间差异不大，均高于I1灌水处理，分别高0.3℃、0.4℃。5～20 cm土层I2处理土壤温度均高于其他处理，较I3、I1处理分别高0.3℃、0.7℃，I1处理最低。20～25 cm土层I3处理平均土壤温度最高，较I2、I1处理分别高0.3℃、0.6℃，I1处理最低。随着土层深度的增加，各灌水处理间平均土壤温度逐渐降低。由土壤温度的时空分布特征可知，土壤温度在时空上均为I2处理最高，I1处理最低，这可能与灌溉水量及灌溉水的温度有关。

图3 春玉米生育期内不同灌水处理平均土壤温度随时间的变化Fig.3 Variation of soil average temperature with time under different irrigation treatments during spring maize growth season

图4 春玉米生育期内不同灌水处理平均土壤温度随深度的变化Fig.4 Variation of soil average temperature with depth under different irrigation treatments during spring maize growth season

2.2.2 土层积温的时间变化特征 玉米0～25 cm深度土壤温度在适宜的范围内有利于作物的生长发育，土壤积温按0～25 cm土层中大于10℃的有效积温计算。不同灌水处理下春玉米各生育期0～25 cm土壤积温和总积温的变化如表1所示。由表1可以看出不同灌水处理间不同生育期积温及总积温均表现出显著性差异。除苗期外，I2处理积温显著高于其他处理，I1处理积温最低。I2、I3处理土壤积温较I1处理拔节期分别高1.04%、0.70%，抽雄期分别高3.83%、2.44%，灌浆期分别高5.58%、3.98%，成熟期分别高4.61%、4.15%，总积温分别高2.63%、2.11%。

2.3 垄膜沟灌土壤水热耦合效应

整个生长季各处理0～100 cm土层土壤体积含水率随时间动态变化趋势基本相同(图2d),I1灌水处理最高，同一灌水处理间F2施肥处理较F1高。由图3可知各处理土壤温度随时间的动态变化趋势相同。土壤温度和土壤含水率均随时间的变化呈现一定的波动，灌溉对其影响较大，每次灌溉后都出现较大波动。全生育期4次灌水，每次灌水后各处理土壤含水率都逐渐变大，然后又逐渐减小，无论是灌水前还是灌水后I1处理含水率都高于其他处理。每次灌溉后各处理土壤温度均下降，之后逐渐升高，无论是灌水前还是灌水后I1处理土壤温度都低于其他处理。

表1 春玉米生育期内不同灌水处理土壤0～25 cm土层积温的变化/℃

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)， the same below.

表2 不同处理对春玉米产量、耗水量(ET)及水分利用效率(WUE)的影响

2.4 垄膜沟灌春玉米产量及水分利用效率分析

不同水肥处理下玉米产量性状如表2所示。穗行数I2F1处理最高，各处理间无显著差异。行粒数I1F1处理最高，不同灌水处理间差异显著，同一灌水量下不同施肥处理间无显著性差异。千粒重I1灌水处理最大，I1F1处理较I2F1、I3F1分别高13.66%、21.00%，不同灌水处理间差异显著，同一灌水量下不同施肥处理间无显著性差异。I1灌水处理产量最高，与I2灌水处理无显著性差异，均显著高于I3灌水处理，I1、I2灌水处理间不同施肥处理无显著性差异，而I3F1处理产量则显著高于I3F2处理，其中I1F2、I2F2处理较I3F2处理分别增产56.9%、33.8%。

整个生长季内各灌水处理间作物耗水量差异显著，I1处理最高，I3处理最低，同一灌水处理不同施肥处理间差异不显著。水分利用效率各处理间均无显著性差异。

3 讨 论

水热条件是影响作物生长发育，提高作物产量和水分利用效率的重要因素[22]。起垄能够增加土层的厚度，改善土壤通气条件，改变地表热量平衡，易于提高表层土壤温度。覆膜可以蓄水保墒，抑制蒸发，改善作物水分状况[9,23-27]。农田起垄覆膜后，地表接收太阳辐射面积增大，利于表层土壤温度提高及热量向深层土壤传递[24,28-33]，且能明显增加地表温度，防止热量扩散，促进作物生长发育，提高作物产量[6,16,24,34-36]。

各处理0～100 cm土层土壤体积含水率均为收获后低于播种前。I1灌水处理含水率高于其他处理，I3灌水处理含水率最低，而不同施肥处理间相差较小。可见，灌水量是影响土壤体积含水率的主要因素，这与张忠学等研究结果类似[37]。由于河套灌区降雨量小，因此土壤含水率的时空分布主要受灌溉水量的影响[38]。各处理不同土层土壤水分动态变化规律整体相似。其中，0～20 cm、20～60 cm土层土壤体积含水率随灌水呈现明显的变化，表层起伏更明显，而60～100 cm土层变化幅度较小，此结论与Dong等前期研究结果类似[39]。受灌水量影响，I1灌水处理条件下，0～100 cm土层体积含水率一直较高。由于后期作物耗水量增大，因此玉米生长后期I3灌水处理土壤体积含水率低于其他灌水处理。另外，各处理浅层土壤水分生育期内变化明显，深层土壤含水率基本不受灌溉的影响。

由土壤温度时空分布特征可知，整个生育期内土壤温度在时空上均为I2灌水处理最高，I1灌水处理最低。同时，不同处理不同生育期的积温及总积温具有相同规律。随着土层深度增加，各处理土壤温度逐渐降低。各处理土壤温度和含水率受灌溉影响较大，每次灌溉后土壤温度逐渐降低，而土壤含水率逐渐升高。土壤温度的变化是太阳辐射平衡、土壤热量平衡和土壤热学性质相互作用共同影响的结果，灌水引起的土壤水分变化直接影响土壤热力学性质[21,28,36,40]。当土壤含水率增加时，其导热率变小，不利于土壤温度上升，土壤温度变化小[41-42]，加之灌溉水为地下水，所以导致土壤温度降低。

春玉米I1、I2灌水处理间产量无显著差异，均显著高于I3灌水处理，各灌水处理间F1、F2施肥处理无显著差异，而I3F1产量显著高于I3F2处理。作物耗水量I3灌水处理最低，I1灌水处理最高，同一灌水处理下不同施肥处理对作物耗水量无显著影响。I1灌水处理条件下，千粒重显著高于其他灌水处理，I1、I2灌水处理间不同施肥处理对其无显著影响，而I3F1处理显著高于I3F2处理。可见水分对春玉米产量性状的影响高于施肥，这与王鹏勃等[43]的研究结果一致。然而，当灌水量不足时，施肥量对作物产量影响显著。

有研究表明，灌溉增加了土壤体积含水率从而增加土壤热容量，进而影响土壤热传导和温度变化[44]，导致土壤温度和土壤含水率呈负相关关系。本研究采用地膜覆盖技术，在增加土壤体积含水率的同时实现土壤温度的同步提高，减缓了其负相关性。综合土壤温度、土壤含水率及其对春玉米产量性状的影响，I2F2处理在节水节肥的前提下既保证了适宜作物生长的水分和温度又保证了最终的水分利用效率和产量，对春玉米垄膜沟灌种植模式在河套灌区的推广具有一定的指导意义。

4 结 论

垄膜沟灌种植模式下各灌溉施肥处理的浅层土壤水分在春玉米生育期内变化明显，深层土壤水分基本不受灌溉的影响。整个生育期0～100 cm土层I2F2处理土壤含水率比I1F1、I1F2处理分别低8.3%、9.2%，比I2F1、I3F1、I3F2处理分别高1.6%、11.1%、14.1%。整个生长季内不同深度、不同生育期土壤温度均为I2灌水处理最高，I1处理最低。随着土层深度增加，土壤温度逐渐降低。整个生育期内各处理土壤温度和含水率受灌溉影响较大，每次灌溉后土壤温度显著降低，而土壤含水率显著升高。灌溉对土壤含水率及春玉米产量性状的影响高于施肥，垄膜沟灌种植模式减缓了土壤水分和温度的负相关性。

综上，垄膜沟灌种植模式下I2F2处理土壤含水率在整个生育期内都保持较高水平，土壤保温效果明显，为玉米生长提供了适宜的土壤水热环境。同时，I2F2处理显著提高了玉米产量，与I3F2相比提高33.80%，与I3F1相比提高21.95%，与I1处理无显著差异。本研究为春玉米垄膜沟灌种植模式在河套灌区的推广提供了一定的理论依据。