淮北平原夏玉米生長與土壤含水量和地下水的關系

張豪強 朱永華 呂海深

摘要：為了研究淮北平原夏玉米生長與土壤含水量和地下水埋深的關系，在蚌埠市五道溝試驗站設置2組試驗：一組大田試驗，用來觀測夏玉米生長與土壤含水量的關系;一組蒸滲儀試驗，用于研究夏玉米最適宜的地下水埋深。研究結果表明，生育期極端降雨引起土壤含水量增加，會嚴重影響夏玉米的生長，使得產量下降;其中，2018年出苗期及抽雄期和灌漿期發生的極端降雨使得20、40、70 cm土層含水量分別比田間持水量高18.6%、42.8%、24.0%，與3年平均產量相比，2018年減產28.5%。在蒸滲儀試驗中，地下水埋深對株高、穗長影響不大，對產量、單穗粒數、百粒質量、穗數影響較大。在地下水埋深為0～3 m時，適宜夏玉米生長的最佳地下水埋深為0.6～0.8 m。與自然水位下的大田產量相比，埋深為0.6 m時，2017年、2018年的產量分別增加7.5%、18.7%;埋深為0.8 m時，2017年、2018年的產量分別增加187%、5.0%。

關鍵詞：土壤含水量;地下水埋深;夏玉米;產量;淮北平原

中圖分類號： S152.7+5;S513.07文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）05-0079-06

淮北平原位于黃淮海平原南側，夏玉米是其最重要的旱作物，砂姜黑土為該區域的主要土壤類型[1]，其保水能力很差，容易發生旱澇漬災害且肥力較低，這成為制約當地夏玉米產量的主要因子之一。夏玉米生長季（6—10月）正是汛期，土壤含水量常常超過夏玉米生長的適宜水分需求，且淮北平原地下水埋深較淺，會影響夏玉米的生長態勢以及對水分的吸收利用效率。適宜的土壤含水量和地下水埋深能夠改善夏玉米的土壤環境，提高根系活力，增加作物產量。目前，國內有關夏玉米生長與土壤含水量之間關系的研究較多，例如夏玉米某一階段生長指標的土壤含水量臨界點[2]、生長季各層土壤含水量的變化[3]等，但多在東北[3]、華北[4]、華中地區[5]。關于不同地下水埋深與夏玉米生長之間的關系已有廣泛的研究，但地下水埋深大多控制在2 m范圍內，土壤類型多為黏土、壤土、潮土[13]，試驗結果多為地下水埋深對玉米外部形態[9]、根系生長以及玉米需水量的影響。關于玉米生長與土壤含水量和地下水埋深針對砂姜黑土、淮北平原地區的研究較少。本研究在了解淮北平原的氣候特點、土壤類型以及夏玉米的生產模式后，設置2組試驗，一組設在試驗田，用來探究夏玉米生長與土壤含水量之間的關系;另一個組利用地中蒸滲儀，設置不同的地下水埋深，研究夏玉米生長與地下水埋深的關系，明確夏玉米生長最適宜的地下水埋深，以期為研究區夏玉米的灌排措施制定以及農田水利建設提供科學依據。

1 研究材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗選在淮北平原南部的五道溝試驗站，該試驗站位于安徽省蚌埠市境內，地處117°21′ E，33°09′ N，屬北亞熱帶和暖溫帶氣候，冬季干旱少雨，夏季炎熱多雨，多年平均降水量為927 mm，多年平均氣溫為14 ℃，多年平均日照時數為2 085 h，無霜期為212 d[15]。土壤類型為砂姜黑土，土壤屬性參數見表1。

1.2 試驗設計及觀測方法

試驗選用的夏玉米品種為登海808，試驗播種前施底肥1次，將肥料均勻撒在試驗區表面，用犁和耙將其翻入土中。具體施肥量：尿素35 kg/667 m2、氮磷鉀復合肥60 kg/667 m2。播種方式采用點播，在播行上每隔20 cm開穴播種，行距為50 cm。

A方案（大田試驗）：選擇2塊面積均為4 hm2的試驗田。每塊田分成6個小區，每個小區隨機選2個點測定土壤含水量，采用土鉆取土、烘干法測定，分別在10、20、40、70 cm等4個深度處垂直取土，每次重復3個土樣，每隔5 d記錄1次。降水量采用試驗站氣象站的觀測數據。在玉米成熟后隨機取樣10株/小區帶回室內進行考種，測定夏玉米株高、穗長、穗數（667 m2單位面積的穗數）、百粒質量及產量。

B方案（測筒試驗）：利用五道溝試驗站內的大型緊密式地中蒸滲儀（平面俯視圖如圖1所示、原理圖如圖2所示）進行試驗。本次試驗共設置7個地下水埋深，共19個測筒（表2），為保證試驗的可行性，按蒸滲儀各地下水埋深實際測筒個數、面積進行試驗，各深度重復2次或3次。各測筒周圍等密度種植玉米（圖3），從而去除邊際效應對試驗結果的影響。成熟后將各測筒內的所有玉米帶回室內進行考種。同期的大田試驗（自然地下水位）作為測筒試驗的對照。

A、B方案中的玉米品種、播種方式、施肥情況、光照等條件均相同，試驗期間夏玉米按照當地習慣進行統一管理。表3為2016―2018年夏玉米生育期各階段的時間表。

1.3 數據處理方法

實測的土壤含水量數據采用容重進行換算，得到容積含水量。統計分析時同一地下水埋深下的各產量和產量構成參數取其平均值。以Excel 2016作為數據處理工具，SPSS 19.0作為統計分析工具。利用Origin 2016繪制土壤含水量、日最高氣溫及降水量的動態曲線圖。

2 結果與分析

2.1 夏玉米生育期內土壤含水量的變化

影響夏玉米生長發育的主要因素之一是土壤的水分條件。夏玉米需水量在整個生育期呈現兩頭小、中間大的特點[16]，因為夏玉米在拔節期快速生長，需要大量水分以供植株、根系生長，加上玉米作物蒸騰耗水強度大，而在抽穗期、灌漿期階段正處于持續高溫的天氣，且是夏玉米籽粒形成的關鍵時期，需要消耗大量水分。為了使植株能夠正常發育，出苗期、成熟期的土壤含水量應控制在田間持水量的55%～60%;后期夏玉米的需水要求開始增加，拔節期至灌漿期應控制在70%～80%[17]。

夏玉米根系分布在0～50 cm土層范圍內，且大部分集中在0～30 cm，因此0～50 cm土層的水分狀況，對玉米的生長發育起著決定性作用，根系的生

長要有適宜的水分和充分的氧氣，來保證植株根系呼吸利用。圖4至圖6為2016―2018年夏玉米生育期內各層土壤的平均含水量。就表層和中層土壤含水量而言，2018年20、40、70 cm土層的平均含水量分別比田間持水量高18.6%、428%、24.0%，這會影響玉米根系的活力，降低農作物的產量。2018年出苗期過澇，這不利于根系生長以及吸肥能力，會降低夏玉米的出苗率;在抽雄期過澇降低了花粉的生命力，使得雌穗、雄穗出現時間的差距拉長，不利于授粉，會降低每穗籽粒的數量，影響谷物的質量;灌漿期過澇會使得籽粒發育不良，不利于養分的運輸和積累;成熟期是夏玉米由以生長為主進入以生殖為主的階段，此時是形成產量的關鍵階段，此時過澇會影響產量。

2.2 極端降雨年份土壤含水量的變化

引起2016―2018年大田土壤含水量差異的主要因素是2018年發生極端降雨，包括特大暴雨以及連陰雨。連陰雨指日降水量大于0.1 mm，總降水量大于等于50 mm，連續降雨時間達5 d以上;或者連續降雨天數小于5 d但總降水量很大（或有特大暴雨）的天氣。

2018年的連陰雨覆蓋面積較大、期間日照時數很短且累積降水量較多：6月27日有場特大暴雨，降水量達225.3 mm，8月12―20日發生了長達9 d（圖7）降水量共計347 mm的連陰雨，其中連陰雨期間降水量占整個生育期降水量的44.0%。

圖8為2018年4個土層的土壤含水量的動態變化情況。2018年夏玉米在生育期（6月21日至10月4日）土壤含水量變動最大的為10 cm土層，變化范圍為14.7%～48.4%，波動最小的為40 cm土層， 變化范圍為22.7%～31.5%。這是因為10 cm處的淺層土壤受外界條件例如降雨、風速、溫度等因素的影響較大，且響應的時間較短，而40 cm及以下變化較小且含水量較大是因為受外界條件影響較小且響應的時間較長，并且砂姜黑土在此深度以下為該土壤類型的穩定層，開始出現砂姜層，容重隨土層加深而變大，蒙脫石的含量開始增多，其遇水膨脹的速度更快，易形成托水層。連陰雨階段各層土壤含水量出現明顯的上升趨勢，田間水量超高產生洪澇災害。這一年夏玉米植株缺少光照條件，無法進行光合作用，其生長機能紊亂，導致其發育不良從而減產，且時間正處于玉米的灌漿期或成熟期，此時濕度大溫度高容易誘發病蟲災害，田間須要進行排水，防止發生根系長時間缺氧造成玉米減產。其中10 cm土層在拔節期，20、40、70 cm土層幾乎整個生育階段的土壤含水量皆超過田間持水量，在上述階段要注意進行田間排水，合理控制土壤含水量使其保持在田間持水量的70%～80%。玉米抽雄至灌漿期為需水臨界期，此時過澇會影響光合作用以及干物質積累和營養物質運轉。

表4為大田夏玉米3年的產量及構成比較，2018年水分積聚發生洪澇災害，田間土壤通氣性不好，降低了夏玉米根系的活性，水分超高使得其生育期缺氧減產，2018年單穗粒數雖高，但由于受空稈率影響且百粒質量較低，與3年的平均產量相比，2018年的產量降低28.5%。

2.3 地下水埋深對夏玉米生長的影響

地下水埋深會改變夏玉米根系處的土壤水分狀況，影響夏玉米對水分的吸收效率，從而影響產量。地下水埋深太高或太低都不利于其根系的發育，君珊指出合適的地下水埋深能有效優化土壤環境，提高土壤的通氣狀況，增強植株的根系活力，提高農作物產量[18]。本試驗中的地中蒸滲儀主要是利用馬里奧特瓶和水位計， 馬里奧特瓶中的水可以

通過平衡器供給蒸散發，以此來維持地下水處于設計要求的深度。

表5和表6為2017年和2018年測筒各地下水埋深處理與自然水位下產量及構成。可以看出，同一年內各個深度株高變化不明顯，但2017年比2018年低。株高在2018年較高是因為這一年玉米拔節時間比2017年長且生長勢態更旺，因此會導致莖稈部分發育嫩弱。由株高和產量對比發現，株高處于高值時產量不高，是因為株高過高容易倒伏從而減產。從整體上看埋深對穗長的影響較小。產量的差異主要表現為百粒質量、穗數和單穗粒數這3個指標，雖然這2年在1.5 m處百粒質量皆是高值，但是此深度的單穗粒數較少從而導致產量水平較差。由表6可見，2018年各水埋深下的產量都處于低水平，一方面是因為2018年在玉米拔節期有場降水量為225.3 mm的特大暴雨，此時大水猛攻，導致玉米倒伏減產;另一方面是因為2018年在8月中旬有長達9 d的連陰雨，此時處于灌漿期，是夏玉米籽粒的形成階段，連陰雨導致土壤含水量嚴重超過田間持水量，田間排水工作不到位，玉米根系長時間缺氧造成玉米減產。

由每年產量構成表以及與大田自然地下水位相比可以得出地下水埋深在0.6～0.8 m處產量較高。與自然水位相比，2017年埋深為0.6 m時增產7.5%，埋深為0.8 m時增產10.6%;2018年埋深為0.6 m時增產18.7%，埋深為0.8 m時增產5.0%。

3 結論

由于砂姜黑土的特性， 五道溝地區玉米地土壤變動水位自然地下水位19915.94 66934.5413.4520.7

含水量變化最大的土層深度為10 cm，變化最小的土層深度為40 cm;生育期極端降雨引起土壤含水量增加，會嚴重影響夏玉米的生長，使得產量下降：2018年出苗期及抽雄期和灌漿期發生的極端降雨使得20、40、70 cm土層含水量分別比田間持水量高18.6%、42.8%、24.0%，與多年平均產量相比，2018年減產28.5%，為滿足夏玉米出苗期土壤含水量控制在田間持水量的55%～60%，其余階段控制在70%～80%，要及時進行田間排水。

夏玉米植株高度受拔節期生長態勢和外部氣象條件影響較大，植株過高會使得倒伏減產，株高和穗長受到地下水埋深的影響較小，對產量、單穗粒數、百粒質量、穗數影響較大。對產量進行統計分析后發現在地下水4 m埋深范圍內，夏玉米最佳地下水埋深應為0.6～0.8 m，與自然水位相比，埋深為0.6 m時2017年、2018年分別增產7.5%、187%，埋深為0.8 m時2017年、2018年分別增產10.6%、50%，在進行培育時選擇最佳埋深可以有效增加其產量。

本研究測定最佳埋深時只是測筒中的結果，后續研究可以在試驗田中種植驗證準確性。試驗進行的年份較短，只能表明臨近短期年份的變化特征，要想得出更多具有參考價值的結果，還須要繼續進行后續長期的試驗。

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