東北寒地不同土質對玉米生長發育和耗水量的影響研究

李 歡，王忠波，李蔚新，張忠學

(東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030)

黑龍江省玉米播種面積占全國玉米播種總面積的10%[1]，玉米產量所占的比例份額年均在40%以上。而水資源缺乏是影響黑龍江省春玉米種植面積的發展和產量的穩定與提高的主要因素且作物需水量是農業最主要的水分消耗。因此，準確地估算東北寒地半干旱區幾種土質即黑土、甘南土、杜蒙土和草甸土條件下玉米需水量尤為重要。目前，國內關于玉米于甘南土、杜蒙土和草甸土幾種土質上的相關論述較少。本試驗采用水量平衡法(VBM)和試驗對比法(ECK)[2]研究不同土質條件下玉米不同生育期的耗水變化及對其產量和水分利用效率的影響。

1 試驗概況和方法

1.1 試驗概況

試驗區位于黑龍江省水利科學研究院綜合試驗基地(N45°43′09″，E126°36′35″)，屬第一積溫帶中溫帶大陸季風性氣候，全年平均氣溫在-4～5 ℃之間，無霜期為140～150 d，年平均降水量400～650 mm，7-9月份降雨量占全年的70%。

試驗以土壤性質不同即杜蒙土、甘南土、草甸土、黑土為4個處理，每個處理重復3次(見表1)。本試驗蒸滲儀規格為1.4 m2×1.5 m。供試玉米品種為“東福1號”，2014年4月30日播種，每個蒸滲儀種植7株，種植密度49 500株/hm2，平作種植，9月25日收獲測產。播前每坑溝施'樂索施'高濃度硫酸鉀復合肥(總養分≥45%)，尿素0.4 kg，播后覆土并灌水30 mm，其他管理同大田。試驗中，采用土壤水吸力傳感器定點定位連續測定水勢并采用HLJ-2及HLJ-5型蒸滲儀參數測算系統自動并定時采集水勢數據。收獲時，取樣分析玉米主要經濟性狀，并測產[3]。

表1 供試土壤物理性狀

注：表1中數值為50 cm厚土層平均值。

1.2 觀測指標及方法

(1)處理開始后，采用HLJ-2及HLJ-5型蒸滲儀參數測算系統自動并定時采集水勢、溫度、含水量等數據并定時記錄蒸滲儀稱重數據。

(2)每小區隨機選定3株，跟蹤測定葉片長、寬、株高及莖粗。

(3)氣象數據(降雨量由安裝在氣象場內的雨量筒測定，降雨強度、輻射、風速、地溫、大氣溫度、濕度和氣壓等氣象數據均采用氣象場內的輻射站觀測數據)。

(4)玉米耗水量計算。根據水量平衡方程：

ET=I+P+K-ΔW

(1)

式中：ET為耗水量；I為灌水量；P為降雨量；K為地下水補給量；ΔW為土壤計劃濕潤層儲水變化。

本實驗中蒸滲儀有底無地下供水或排水，K=0；W在本實驗中為階段初末蒸滲儀讀數之差，即ΔW=W2-W1，W1為蒸滲儀階段初讀數，W2為蒸滲儀階段末讀數。則本實驗中玉米耗水量可由式(2)算出。

ET=I+P+W1-W2

(2)

(5)產量：玉米完熟(特征：苞葉枯黃，乳線消失，黑層形成) 時，每個測坑隨機選取等重復數的玉米，將玉米風干后帶回室內進行收獲、測產。計算各測坑的產量及百粒重，計算水分利用效率WUE。

WUE=0.1Y/ET

(3)

式中：Y為作物產量，kg/hm2；ET為作物耗水量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同土質對玉米生育期進程的影響

圖1所示為4種不同土質玉米生育期的進程。全生育期長短表現為黑土>甘南土>杜蒙土>草甸土，最短的草甸土相比最長的黑土全生育期縮短了11 d。播種到出苗階段，草甸土時間最短，為14 d，其次為杜蒙土，出苗時間最長的為黑土。出苗到拔節階段，草甸土較杜蒙土、甘南土和黑土提前了2、4、4 d，黑土和甘南土占據時間仍最長。拔節到抽穗階段，黑土、甘南土、杜蒙土、草甸土依次遞減1 d，草甸土最短為23 d。抽穗到灌漿階段，草甸土的生育時間出現反轉，與黑土和杜蒙土持平，均為25 d，較甘南土延后2 d。灌漿到成熟階段，各土質生育時間幾乎相同，草甸土提前1 d。

圖1 各土質玉米生育進程

2.2 不同土質對玉米株高和葉面積的影響

不同土質對株高和葉面積指數(LAI)均有顯著影響，由圖2(a)看出，各處理生育期內株高的增長均呈現增長----快速增長----基本穩定的趨勢。其中，黑土處理的玉米株高明顯高于其他土質的株高，其株高變化表現為黑土>杜蒙土>甘南土>草甸土。苗期，草甸土處理的株高與其他處理株高差異顯著，其增長速度最快。拔節期，不同土質玉米株高增長速率最快，草甸土處理增長速度減慢且明顯慢于其他土質，黑土的玉米株高竄升最快。灌漿及后期，各處理株高基本保持穩定。由圖2(b)可以看出，不同土質玉米葉面積指數增長速率大體一致。生育前期和中期，LAI均隨時間推移而增大且在抽穗期達到最大值，這是由于這一階段玉米有效綠葉面積較大。苗期，LAI大小表現為甘南土>草甸土>杜蒙土>黑土。甘南土處理的LAI于拔節初期達到最大。拔節期及抽穗期，甘南土處理的葉面積指數逐漸開始上漲，此后幾乎與草甸土持平，葉面積指數最小的為杜蒙土處理。

圖2 不同土質玉米株高及LAI變化

2.3 不同土質對玉米N含量及SPAD的影響

試驗于7月21日利用植物養分速測儀測定了4種處理玉米葉片的氮元素含量和相對葉綠素含量的日變化過程，如圖3所示。由圖3可知，不同處理氮素含量和葉綠素含量的日變化趨勢基本一致，呈單峰曲線。二者均呈現先增加后降低的變化趨勢并在12∶00達到峰值，早晨其值均較低，12∶00左右日照強烈，葉片光合作用旺盛，SPAD達最大值，下午隨著溫度降低、日照時數減少，光合及蒸騰作用降低[4]，逐漸回落至較低水平。草甸土處理的葉片氮素含量和葉綠素含量均較其他土質大，達到峰值時，N含量值為7.5 mg/g，較其他3種土質處理下的N含量值6.0 mg/g增加了約25.0%；SPAD值為115，較其他3種土質處理下的SPAD值90增加了約27.8%。杜蒙土、甘南土和黑土處理下的氮素含量和相對葉綠素含量變化范圍基本一致，無顯著差異。

圖3 不同處理N及SPAD值變化

2.4 玉米生育期降雨量、耗水量與水分利用效率

2014年玉米全生育期內哈爾濱地區降雨總量為220.8 mm，共計降雨次數34次，降雨主要集中在5-7月，占降雨總量的82%。這一時期呈現出晝夜溫差大，雨熱同季等利于作物生長的特點。幾次較大的降雨分別出現在玉米的播種期(5月3日)、苗期(6月8日)、拔節期(6月27日)和灌漿期(8月27日)，成熟期未發生有效降雨(見圖4)。65%的降雨量來源于大于10 mm的降雨。微量及無效降雨次數占73%，主要集中在5、6月。

圖4 2014年試驗基地降雨分布(5-8月)

圖5所示為不同土質的耗水量及水分利用效率的變化，可以看出，相同條件下，耗水量大小表現為黑土>甘南土>草甸土>杜蒙土，杜蒙土、草甸土、甘南土的耗水量較黑土依次降低了29.6%、24.9%、4.2%；水分利用效率的影響程度表現為杜蒙土>黑土>甘南土>草甸土，草甸土的水分利用效率較杜蒙土、黑土、甘南土分別降低了42.1%、28.3%、13.8%。其中，杜蒙土的耗水量和WUE出現了最大反差，水分利用效率最大而耗水量最低，說明杜蒙土的水分利用最充分，甘南土的耗水量和WUE出現次大反差。

圖5 耗水量與水分利用效率關系

表2是玉米生育期蒸騰蒸發量指標，可見，4種處理下，玉米耗水規律基本一致：抽穗期耗水量最大，其次為灌漿期，苗期耗水量最小；抽穗期耗水強度最大，拔節期耗水強度大幅提升，超越了灌漿期耗水強度，強度最小的是苗期。4種不同土質處理比較，苗期耗水強度最小的是杜蒙土處理，說明在以棵間土壤蒸發為主的苗期，杜蒙土的保墑效果更好。拔節期和抽穗期各處理的耗水強度相差不大。灌漿期，杜蒙土處理的耗水強度仍然最低，而甘南土處理達到了最大的耗水強度。綜上所述，杜蒙土處理，玉米始終保持著相對最少的耗水量和最低的耗水強度。

表2 各處理不同生育期耗水量及耗水強度

2.5 不同土質玉米產量及其構成因素的影響

從表3可以看出，不同土質對玉米穗長和穗粗影響均不顯著，且各處理間差異不顯著；但對玉米禿尖、穗粒重和百粒質量影響顯著，且影響極顯著。其中，禿尖變化范圍最大為0～0.93 cm，杜蒙土處理幾乎無禿尖，黑土處理禿尖最長。穗粒重各不同土質間差異極顯著，黑土穗粒最重，杜蒙土穗重最輕，表現為黑土>甘南土>杜蒙土。百粒重與穗粒重表現出一致的變化趨勢，變化范圍21.93～32.25 g。

表3 各處理產量構成因素

注：表3中數據后帶有不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，大寫字母表示在0.01水平差異顯著。

從表3可以看出，不同土質玉米產量差異顯著，甘南土與黑土差異不顯著，變化表現為黑土>甘南土>杜蒙土>草甸土，黑土比草甸土提高60.5%，比杜蒙土提高了33.7%，比甘南土提高了19.7%，與穗粒重、百粒重均呈現出正相關的關系。可見，相同灌溉模式下，黑土的物理化學性狀更有利于玉米增產。

3 結 語

(1)從生育進程來看，草甸土較其他土質有顯著差異，其全生育期及各生育期持續時間最短，黑土最長。

(2)黑土處理的玉米株高明顯高于其他土質的株高，草甸土株高最小。LAI表現為甘南土最大，草甸土略小，杜蒙土最小；葉片SPAD值和N素含量均表現為草甸土相對最大，說明草甸土處理較其他土質玉米的光合速率和蒸騰速率及根系活力更加旺盛。

(3)全生育期內，不同土質玉米的耗水規律基本一致，杜蒙土的耗水量及耗水強度最低，而WUE最大。

(4)不同土質玉米的經濟性狀、產量均表現為黑土>甘南土>杜蒙土>草甸土。其中，產量上，黑土最大，甘南土較黑土差異不顯著，草甸土最小。水分利用效率則表現為杜蒙土最大，黑土次之，草甸土最小。

[1] 王 靜，楊曉光，呂 碩．黑龍江省春玉米產量潛力及產量差的時空分布特征[J]．中國農業科學，2012,45(10)：1 914-1 925．

[2] 朱士江，孫愛華，張忠學，等.節水灌溉條件下水稻生長季降雨利用率的試驗研究[J].灌溉排水學報，2013,32(5)：11-13.

[3] 石斯佳，李芳花，鄭文生.玉米不同覆膜方式對土壤水分和產量的影響[J].灌溉排水學報.2013，32(4):88-91．

[4] Wang Jian,Cai Huanjie,Kang Yanxia,et al.Ratio of soil evaporation to the evapotranspiration for summer maize field[J].Transactions of the CASE,2007,23(4):17-22.