沟垄集雨种植技术是西北旱区改善旱地作物水分状况,维持作物产量稳定的有效方法之一。为进一步完善集雨技术模式,并以此为基础,研究开发一种可有效提高灌溉农田水分生产效率,缓解灌溉水资源高耗低效问题的北方灌溉农田节水补灌技术模式,本研究在干旱半干旱典型区(宁夏彭阳县),设置沟垄集雨(R)与传统平作(B)两种种植方式,结合玉米关键生育期补灌,形成8个处理(大喇叭口期1次灌水:R1/B1;大喇叭口期和扬花期均灌水:R2/B2;扬花期1次灌水:R3/B3;全程不灌溉:R0/B0),通过连续3年(2012~2014)大田试验,分析不同集雨限量补灌模式对农田土壤水温状况、养分状况、玉米生理生态特性、产量和水分利用效率的影响,结果如下:1、集雨限量补灌对农田土壤水温状况的影响(1)在3年试验期间,集雨补灌各处理(RI:R1、R2和R3)较对应畦灌处理(BI:B1、B2和B3)均可显著提高玉米生育前期(苗期~大喇叭口期)0~200 cm土层土壤含水量和贮水量(P<0.05),尤其是土壤上层(0~60 cm),平均增幅达10.40%和6.91%,且随着降雨增多增幅变大;由于灌水量较对应畦灌处理减少50%,各集雨补灌处理在灌水后(扬花期~收获期)0~200 cm土层土壤含水量和贮水量均略低于对应畦灌处理,但均无显著差异。(2)不论是平水年还是丰水年,各集雨补灌处理较对应畦灌处理可显著增加耕层0~25 cm各土层土壤温度(P<0.05),且随着作物生育期降雨量的增加地温增幅逐渐减小;由于补灌提高了土壤水分含量,各集雨补灌处理和畦灌处理均低于对应的不灌水处理,且一次灌水处理(R1/B1和R3/B3)增温效果均高于两次灌水处理(R2/B2)。2、集雨限量补灌对农田土壤及植株养分的影响(1)各集雨补灌处理较对应畦灌处理可显著提高土壤养分利用率,从而使0~40 cm各土层土壤全氮、有机质和碱解氮含量均低于对应畦灌处理,且随着生育期降雨量的增多降幅减小;各补灌处理较对应不灌水处理均可显著提高0~40 cm土层土壤速磷和速钾含量(P<0.05),且随着土层的加深增幅减小,各补灌处理间大喇叭口期一次灌水处理(R1/B1)对速磷利用效率较好,而两次灌水处理(R2/B2)对速钾利用效率较好;在各年份,各补灌处理对0~40 cm土层土壤全磷和全钾含量影响较小,且随着土层的加深基本无差异。(2)在各试验年份,各集雨补灌处理较对应畦灌处理均可显著(P<0.05)增加各部位养分含量,籽粒全氮、全磷和全钾含量分别提高9.74%、12.18%和24.83%,叶片全氮、全磷和全钾含量分别提高14.26%、37.07%和29.61%,茎秆全氮、全磷和全钾含量分别提高16.07%、22.88%和20.94%;各补灌处理较不灌水处理均可显著(p<0.05)提高玉米植株的养分含量,对比各集雨补灌处理可看出,大喇叭口期一次灌水处理(r1)和两次灌水处理(r2)对植物养分吸收效果显著高于扬花期一次灌水处理(r3);而各畦灌处理间,两次灌水处理(b2)均好于大喇叭口期一次灌水处理(b1)和扬花期一次灌水处理(b3)。(3)在各试验年份,集雨补灌和畦灌较不灌水处理均可显著提高玉米秸秆和籽粒养分吸收量(p<0.05),各集雨补灌处理养分吸收量大小顺序为大喇叭口期一次灌水>两次灌水>扬花期一次灌水,而各畦灌处理大小顺序为两次灌水>大喇叭口期一次灌水>扬花期一次灌水。3、集雨限量补灌对玉米耗水特性的影响(1)在2012~2014各年份,玉米生育期耗水量均随降雨量的增多呈增加趋势,与对应畦灌处理相比,各集雨补灌处理在丰水年(2012和2013)耗水量显著降低(p<0.05),分别低6.79%和8.44%;在平水年(2014)显著提高,平均高9.51%(p<0.05),各集雨补灌处理中大喇叭口期补灌处理(r1和r2)耗水量均显著(p<0.05)高于扬花期一次灌水处理(r3);各畦灌处理中两次灌水处理(b2)均高于一次灌水处理(b1和b3)。(2)与对应畦灌处理相比,各集雨补灌处理通过垄覆地膜均可显著降低玉米各生育时期的耗水量,各集雨补灌和畦灌处理在各阶段均高于对应不灌水处理,其中大喇叭口期补灌处理(r1/b1和r2/b2)在各时期耗水量均高于对应扬花期一次灌水处理(r3/b3)。(3)在丰水年(2012和2013),各处理间耗水强度无显著差异,而在平水年(2014),各集雨补灌处理耗水强度均显著(p<0.05)高于对应畦灌处理,且大喇叭口期补灌处理(r1/b1和r2/b2)均显著(p<0.05)大于对应扬花期一次灌水处理(r3/b3)。(4)在各降雨年型下,与不灌水处理相比,各集雨补灌和畦灌处理均显著提高了玉米田耗水模系数,且增幅大小顺序为:大喇叭口期一次灌水(r1/b1)>两次灌水(r2/b2)>扬花期一次灌水(r3/b3);4、集雨限量补灌对玉米光合生理生态特性的影响(1)在各试验年份,集雨补灌处理均较对应畦灌处理均可显著提高玉米叶片叶绿素相对含量(spad)值,各集雨补灌处理大小顺序为两次灌水>大喇叭口期一次灌水>扬花期一次灌水,平均较不灌水处理显著提高11.94%(p<0.05),各畦灌处理大小顺序为两次灌水>大喇叭口期一次灌水>扬花期一次灌水,较不灌水处理平均显著提高12.72%(p<0.05)。(2)在2012~2014各年份下,各集雨补灌处理较对应畦灌处理均可显著(p<0.05)提高各项光合指标值,各集雨补灌处理较不灌水处理可显著(p<0.05)提高玉米叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,分别平均提高11.79%、24.23%和22.94%,其中大喇叭口期补灌处理(r1和r2)显著高于仅在扬花期补灌处理(r3);各畦灌处理在雨水充沛的2013年较不灌水处理无显著差异,在2012和2014年玉米叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别显著(p<0.05)提高10.08%、15.95%和22.94%,两次灌水处理的增幅明显大于其余灌水处理。(3)叶绿素荧光参数对水分胁迫反应敏感,随着降雨的增多各项指标均呈下降趋势。与对应畦灌处理相比,各集雨补灌处理在各年份均可显著提高叶绿素荧光参数值,其中最大荧光(fm)、可变荧光(fv)、psⅡ光化学效率(fv/fm)及psⅡ潜在活性(fv/fo),分别平均显著提高7.66%、12.19%、5.47%和14.53%,各灌水处理的大小顺序为:大喇叭口期一次灌水处理(r1/b1)>两次灌水处理(r2/b2)>扬花期一次灌水处理(r3/b3)。5、集雨限量补灌对玉米产量、水分利用效率的影响(1)在2012~2014各年份,与对应畦灌处理相比,各集雨补灌处理均可显著提高玉米产量,且随着降雨量的增多增幅逐渐减小,穗长、穗粗、穗行数、百粒重、行粒数和穗粒数分别提高3.53%、6.23%、4.74%、10.01%、1.40%和6.19%,突尖长平均降低9.30%,其中大喇叭口期补灌处理(r1/b1和r2/b2)对产量性状的提高效果显著高于仅在扬花期补灌处理(r3/b3)。(2)相比各畦灌处理,在2012~2014各年份,各集雨补灌处理均可显著提高玉米经济产量,增幅随着生育期降雨量的增多逐渐变小,三年分别提高29.51%、7.49%和34.15%;各集雨补灌处理较不灌水处理可平均提高12.61%(p<0.05),大喇叭口期补灌处理(r1和r2)经济产量增幅较扬花期一次补灌处理(r3)显著,尤其是大喇叭口期一次灌水处理;各畦灌处理在丰水年(2012和2013)较不灌水处理无明显增幅,而在平水年(2014)平均提高16.12%(p<0.05),扬花期一次灌水处理增幅显著(p<0.05)高于其余补灌处理。(3)在各年份,各集雨补灌处理较对应畦灌处理可显著(p<0.05)提高玉米水分利用效率(wue)和降雨利用效率(pue),分别平均提高27.09%和24.74%。各集雨补灌处理在各年型下较不灌水处理可显著(p<0.05)提高玉米wue和pue,平均分别提高10.46%和10.65%,各畦灌处理较不灌水处理仅在平水年(2014)分别提高2.23%和16.12%(p<0.05);各补灌处理间增幅效应为:大喇叭口期一次灌水(r1/b1)>大喇叭口期和扬花期均灌水(r2/b2)>扬花期一次灌水(r3/b3)。(4)在2012~2014各年份,与对应畦灌处理相比,各集雨补灌处理均可显著(p<0.05)提高玉米灌水利用效率(iwue),且随着生育期降雨量的增多增幅逐渐变小,三年分别提高1.6、1.3和1.7倍,各补灌处理效应为大喇叭口期一次灌水(r1/b1)>扬花期一次灌水(r3/b3)>大喇叭口期和扬花期均灌水(r2/b2)。(5)在各降雨年份下,各集雨补灌处理均可显著(p<0.05)提高玉米灌水生产效率(iwp),且随着生育期降雨量的增多增幅逐渐变小,各集雨补灌处理间大喇叭口期一次灌水(r1)增幅显著大于其余处理;各畦灌处理在丰水年(2012和2013)iwp均呈负值,但在各年份两次灌水处理(b2)效果较好。6、集雨限量补灌对玉米田经济收益的影响(1)在各降雨年份下,各集雨补灌处理较对应畦灌处理可显著提高玉米田总收入,且增幅随着玉米生育期降雨量的增多呈下降趋势,2012~2014年分别平均提高26.09%(P<0.05)、9.61%和31.52%(P<0.05),在平水年(2014)补灌效应尤其明显,各补灌处理增收大小顺序为:大喇叭口期一次灌水(R1/B1)>两次灌水(R2/B2)>扬花期一次灌水(R3/B3)。(2)在2012~2014各年份,与对应畦灌处理相比,各集雨补灌处理均可显著(P<0.05)提高玉米田净收益,三年分别提高39.81%、3.94%和59.92%,其中大喇叭口期一次灌水处理(R1/B1)增幅最为明显。