滴灌土壤水分下限對春玉米生長發育及水分利用效率的影響

鄭國玉，朱新萍，周建偉，馬軍勇，何帥

（1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 8300052；2.新疆農墾科學院，農業部作物高效用水石河子觀測實驗站，新疆 石河子 832000）

新疆是典型的綠洲灌溉農業，其發展基本依靠灌溉，2016年新疆農業用水量占全區水資源供水總量的94%以上，但灌溉用水的利用系數僅為0.53，水資源短缺和灌溉水利用效率低是制約綠洲農業健康可持續發展的主要因素。土壤水分下限是制定灌溉制度的重要指標之一，確定合理的土壤水分下限對提高作物水分利用效率、解決水資源短缺問題具有重要意義。前人就土壤水分對玉米生長、產量及水分利用效率的影響進行了大量研究。國外學者認為，水分脅迫會增加玉米葉片氣孔阻力，降低玉米的水分生產效率[1]；并確定了最好水分利用效率的土壤水分下限[2，3]。國內學者研究表明，遼寧省春玉米苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期適宜的水分下限分別為田間持水量（FC） 的65%、70%、70%、70%和65%[4]；我國干旱、半干旱地區玉米苗期65%FC處理的株高、莖粗以及干物質積累量均高于其他處理[5]；內蒙古地區春玉米播種—三葉期、三葉—葉期、七葉—拔節期、拔節—抽雄期、抽雄—抽雄后20 d、抽雄后20 d—乳熟期、乳熟—成熟期適宜的土壤水分下限分別為70%FC、55%FC、60%FC、70%FC、75%FC、65%FC、60%FC[6]；夏玉米節水高產全生育期適宜的土壤水分控制下限為70%FC[7]。國內學者在不同水分下限和灌水定額對玉米水分利用效率方面也開展了相關研究[8～15]，但是由于試驗條件、地理位置、灌溉方式等因素的影響，研究結論略有不同。截至目前，針對新疆膜下滴灌玉米高密度栽培條件下土壤水分下限對玉米產量及水分利用效率影響的相關研究尚不多見。在新疆滴灌春玉米上開展主要生育期不同土壤水分下限對玉米生長發育和水分利用效率的影響研究，確定滴灌玉米不同生育期的適宜水分下限，旨為建立該地區滴灌春玉米高產高效生產制度提供技術依據，以解決新疆膜下滴灌玉米高密度種植灌溉制度不完善、灌溉水利用效率低的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年4～10月在新疆石河子市西郊的新疆農墾科學院試驗基地 （北緯 45°38′，東經 86°09′）進行。研究區域位于天山北麓的瑪納斯河流域，氣候類型屬典型的干旱半干旱大陸性氣候，年平均氣溫6.5～7.2℃，年日照時數2 700～2 780 h，年≥10℃活動積溫3640～3 700℃，年降水量150～200 mm，年蒸發量1850～2100mm；基礎土壤養分含量為有機質7.20g/kg、堿解氮 33.10 mg/kg、速效磷 17.54 mg/kg、速效鉀130.46 mg/kg，耕層土壤pH值8.52，0～20 cm土層土壤容重為1.49 g/cm3、田間持水量為17.45%，20～40 cm土層土壤容重為1.58 g/cm3、田間持水量為18.87%。試驗區2018年4～10月降水累計153.7 mm。

1.2 試驗材料

試驗玉米品種為鄭單958。4月25日采用寬窄行覆膜種植，寬行行距80 cm，窄行行距30 cm，株距0.15 m，種植密度12.1萬株/hm2；采用井水滴灌方式灌溉，滴灌帶鋪設在覆膜的窄行玉米行間，間距1.1 cm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.4 L/h。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 將玉米生育期劃分為拔節—抽雄、開花—灌漿、乳熟—完熟期3個階段，每階段均分別設置3個灌水下限水平（水分控制下限占FC的比例），采用正交試驗設計，共9個處理（表1）；對照處理為當地常規滴灌水平，每次灌水450 m3/hm2，全生育期共滴灌12次，總灌水量為5 400 m3/hm2。每處理均3次重復。小區面積39.6 m2（3.3 m×12.0 m），采取隨機排列，小區與小區之間均設1.0 m的隔離帶。當土壤含水量達到設置的土壤水分控制下限時，補充灌溉水至灌水上限（田間持水量）。玉米生育期內，各處理的栽培管理措施和施肥水平均相同。

表1 正交試驗設計的各階段土壤水分下限占田間持水量的比例Table 1 The proportion of lower limit of soil moisture to field capacity in each stage of orthogonal design（%）

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 氣象數據。利用農業部作物高效用水石河子觀測實驗站內的自動氣象站，觀測溫度、濕度、降水等氣象數據。每10 min測量1次。

1.3.2.2 土壤水分測定。利用TRIME-IPH水分測定儀（德國生產），測定土壤體積含水率。測定深度為60cm，每10 cm土層測定1次。灌水前、后測定，有降雨時加測。

1.3.2.3 玉米生長發育指標及產量。分別在玉米拔節—抽雄期（7月9日）、揚花—灌漿期（7月26日）、乳熟—完熟期（8月26日），每小區均選取代表性植株5株，測定株高、單株葉面積和地上部分干物質積累量。收獲時，每小區均選取植株20株，室內脫粒后測定穗長、穗徑、穗粒重等；單穗子粒烘干至恒重后稱重，折算成含水量14%時的子粒產量。

1.3.2.4 耗水量。利用農田水量平衡公式，計算玉米田間耗水量（ETai）：

式中，ETai為階段耗水量（mm）；i為土層編號；n為土層數；γi為第i層土壤容重（kg/m3）；Hi為厚度（cm）；θi1、θi2為第i層土壤時段初、時段末重量含水量（%）；M為時段內灌水量（mm）；P為時段內有效降水量（mm）；K時段內地下水補給量（mm）；試區地下水埋深大于2.5 m，取K=0。

1.3.2.5 水分利用效率。根據公式，計算水分利用效率 （WUE）：

式中，Ya為子粒產量（kg/hm2）；ETa為生育期耗水量（mm）。

1.3.3 數據統計分析 利用SPSS軟件進行數據分析，采用單因素方差分析，比較方法采用S-N-K法；利用Origin Pro軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水分下限處理對玉米株高、單株葉面積及地上部分干物質積累的影響

利用相同生育期下同一水分下限3個處理的指標平均值，采用單因素方差，分析不同土壤水分下限水平對玉米各生育期生長指標的影響。結果（圖1～3）顯示，不同水分下限處理除對乳熟—完熟期玉米指標影響均不顯著外，對其他2個時期的生長指標均有顯著影響。

拔節—抽雄期，不同水分下限處理的株高、葉面積和干物質積累量順序均為60%FC＞75%FC＞90%FC，其中60%FC與75%FC處理的指標值差異均不顯著，但二者除葉面積外，其他2個指標均與90%FC處理差異達到了顯著水平。與90%FC處理相比，60%FC、75%FC處理的株高分別增加了13.58%和11.30%，葉面積分別增加了7.63%和5.61%，干物質積累量分別增加了14.19%和0.68%。說明該階段適度降低灌水下限值、增大單次灌水量有利于玉米生長，適宜的土壤水分下限為60%FC。

揚花—灌漿期，不同水分下限處理的株高、葉面積和干物質積累量順序均為90%FC＞75%FC＞60%FC，其中90%FC與75%FC處理的指標值差異均不顯著，但二者除葉面積外，其他2個指標均與60%FC處理差異達到了顯著水平。與60%FC處理相比，90%FC、75%FC的株高分別增加了9.7%和6.9%，葉面積分別增加了3.24%和2.69%，干物質積累量分別增加了16.30%和15.99%。揚花—灌漿期是玉米營養生長和生殖生長的關鍵期，也是需水量最大的時期，高土壤水分含量對促進玉米生長發育更為有利，該階段土壤水分下限保持在90%FC較好。

圖1 不同水分處理對玉米株高的影響Fig.1 Effects of different soil water treatments on plant height of maize

圖2 不同水分處理對玉米葉面積的影響Fig.2 Effects of different soil water treatment on leaf area of maize

圖3 不同水分處理對玉米干物質積累量的影響Fig.3 Effects of different soil water treatments on dry matter accumulation of maize

乳熟—完熟期，不同水分下限處理的株高和葉面積順序均為70%FC＞60%FC＞50%FC，干物質積累量順序為70%FC＞50%FC＞60%FC，但指標值差異均不顯著。其中，70%FC處理的3個玉米生長指標均為最大，表明對減緩葉片衰老速度、增加干物質積累效果最好。玉米進入成熟期后耗水量逐漸降低，可以適當降低土壤水分，該階段土壤水分下限保持在70%FC較好。

2.2 不同水分下限處理對玉米產量的影響

不同土壤水分下限處理之間及其與CK之間的玉米穗長、穗徑、穗行數、行粒數、穗粒重和產量差異均不顯著（表2）。表明不同土壤水分下限處理對玉米穗長、穗徑、穗行數、行粒數、穗粒重和產量影響均不顯著。

表2 不同水分處理對玉米穗部性狀和產量的影響Table 2 Effects of different water treatments on ear characters and yield of maize

隨著灌水量的增加，玉米穗粒重和產量均呈先增加后降低的單峰曲線變化。其中，T3處理（灌水量464.2 mm）的穗粒重和產量均為最大，分別為157.50 g和15.61 t/hm2；T9處理（灌水量582.6 mm） 的穗粒重和產量均為最小，分別為126.33 g和12.59 t/hm2。

2.3 不同水分下限處理對玉米水分利用率的影響

不同土壤水分下限處理的玉米全生育期總耗水量為505.9～647.2 mm，指標值隨著灌水量的增加呈逐漸增大趨勢，其中T1處理的指標值最小、T9處理最大；水分利用效率為 19.45～29.14 kg/（hm2·mm），指標值隨著灌水量的增加呈先增加后降低的變化，其中T3處理的指標值最大、T9處理最小（表3），最大值較最小值提高了49.82%。

利用產量、耗水量和水分利用效率結果，分別擬合出產量（Y）與耗水量（ETa）和水分利用效率（WUE） 的關系曲線（圖4），得到產量與生育期耗水量、水分利用效率與生育期耗水量的關系方程：

表3 不同水分處理對玉米耗水量和水分利用效率的影響Table 3 Effects of different soil water treatments on water consumption and water use efficiency of maize

圖4 產量與耗水量和水分利用效率的關系曲線Fig.4 Relationship curve of yield，water consumption and water use efficiency of maize

當耗水量為570.68 mm時玉米產量最高，為15.58 t/hm2；當耗水量為540.27 mm時水分利用效率最高，為 27.97 kg/（hm·2mm）。本試驗中，T3處理的產量 （15.61t/hm）2和水分利用效率 〔29.14kg（/hm·2mm）〕均接近于最高值。

3 結論與討論

本研究結果表明，滴灌春玉米不同生育階段的適宜灌水下限不同，拔節—抽雄期、揚花—灌漿期、乳熟—完熟期的適宜灌水下限分別為60%FC、90%FC和70%FC。在地面灌溉條件下，玉米苗期至拔節期的適宜水分下限值為70%FC[16]；但有研究者認為，苗期進行土壤水分虧缺的地塊在拔節期再進行輕度土壤水分虧缺（不低于田間持水量的55%） 不會導致玉米產量顯著降低[17]，這是因為苗期干旱的玉米在復水后具有明顯的補償效應[18，19]；玉米花期土壤不能缺水，土壤水分充足是實現玉米高產的保障[20]；而玉米成熟期的土壤水分下限研究結果多為65%FC以下[4，21，22]。由于滴灌是局部灌溉，因此玉米不同生育階段的適宜土壤水分下限與地面灌溉略有不同。本研究條件下，滴灌玉米在拔節—抽雄期適當降低土壤水分下限至60%FC、增加單次灌水量有利于根系向深層土壤生長，為后期玉米生長發育奠定基礎；揚花—灌漿期是玉米營養生長與生殖生長的疊加時期，耗水量最大，土壤水分下限為90%FC時更能充分保證耗水需求，促進玉米的生長發育；進入成熟期后玉米耗水量降低，乳熟—完熟期土壤水分下限為70%FC時既可為玉米子粒成熟提供物質積累所需的水分，又可減緩玉米生育后期植株衰老速度，更有利于果穗子粒形成。

通過建立產量與耗水量和水分利用效率的關系方程，得到水分利用效率、產量分別達到最高時的耗水量為540.27 mm和570.68 mm，水分利用效率先于產量達到最大。本研究結果與張歲岐等[23]和梁宗鎖等[24]的研究結果相同；但與王國棟等[25]得出的“最高經濟產量和最大水分利用效率的耗水量為601.6 mm”結論不同，原因可能是試驗灌水處理不同造成的，其試驗處理為玉米全生育期灌水下限采用相同水平。

通過研究不同土壤水分下限對滴灌玉米生長發育的影響，明確了滴灌玉米不同生育階段的土壤水分下限。在拔節—抽雄期采用低的水分下限、增大灌水定額，揚花—灌漿期采用高水分下限、增加灌水頻次小灌水定額，乳熟—完熟期采用適度水分虧缺下限，有利于提高滴灌玉米產量水平和水分利用效率。