郭山強,莫彥,吳忠東,王建東,張彥群,龔時宏,徐明明,郭彬,沈新磊
華北地區地下滴灌春玉米出苗及生長對溝播開溝深度的響應
郭山強1,2,莫彥2,吳忠東1*,王建東3,張彥群2,龔時宏2,徐明明1,2,郭彬1,2,沈新磊4
(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255049;2.中國水利水電科學研究院 水利研究所,北京 100048;3.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所,北京 100081;4.漯河市農業信息中心,河南 漯河 462000)
【】優化開溝播種技術模式,提高地下滴灌玉米出苗率及產量。在華北地區開展了春玉米田間地下滴灌試驗,研究了不同開溝深度(H0處理:不開溝的平地播種;H10處理:溝深10 cm;H15處理:溝深15 cm)對土壤含水率、玉米出苗、生長和產量的影響。①種子埋設處土壤含水率隨溝深增加而增大,灌35 mm的出苗水后,H10處理與H15處理種子埋設處土壤含水率分別比H0處理增大18.2%和25.7%;②H10處理和H15處理的種子出苗率均達到88%以上,分別比H0處理提高了14.6%和16.3%,差異達到顯著水平(<0.05),但H10處理和H15處理間的差異不顯著;③玉米株高隨溝深增加而增大,莖粗隨溝深的增加而減小,H10處理和H15處理的葉面積指數顯著高于H0處理;④H0處理的穗長、穗直徑和穗粒數比H10處理和H15處理分別平均增大1.3%、1.6%、2.5%和7.6%、2.7%、11.1%,其中穗粒數和穗長顯著高于H15處理;⑤綜合穗數和百粒質量,H10處理產量最高,達到12 980.0 kg/hm2,較H0處理和H15處理分別顯著提高13.4%和7.5%。開溝播種技術適宜華北地區地下滴灌春玉米種植,適宜的開溝深度是10 cm。
地下滴灌;開溝播種;開溝深度;玉米出苗率;產量
【研究意義】華北地區是我國最主要的玉米產地之一,2017年該地區玉米總產量占全國總產量的21.9%,同時也是我國水資源嚴重短缺的區域之一,地下水超采導致水位逐年下降,形成世界上最大的地下漏斗區,2017年農業用水量325.5億m3,占總用水量的63.6%,占全國農業用水量的8.6%[1-3]。水資源短缺問題已極大限制了該區域經濟發展的可持續性。針對華北地區農業生產用水量大、效率低的問題,響應國家在華北地區推行節水增效的戰略布局,推廣節水灌溉勢在必行[4-6]。
目前,地下滴灌技術被認為是最節水的灌溉技術之一,滴灌帶一般埋設在土壤耕作層以下,可以將水分和養分直接輸送到作物根區[7],具有提高水分利用效率、減少水分蒸發和地表徑流等優點[8-10]。在地下滴灌條件下,由于重力作用,土壤水分向上運移速度低于向下的速度,加上播種前的旋耕使地表土壤變得干松,水分很難運移到種子周圍[11]。在春季多風少雨的地區,表層土壤更容易失墑干燥,使地下滴灌作物出苗難上加難[12-14]。2003年,通過對新疆農六師芳草胡和新湖農場地下滴灌棉田出苗情況調查發現,地下滴灌棉田保苗株數為120 000~180 000株/hm2,而采用膜下滴灌和軟管灌的棉田保苗株數為240 000~270 000株/hm2,地下滴灌棉花出苗率下降了31.3%~55.6%[15]。新疆生產建設兵團地下滴灌技術應用面積從2005年的8 000 hm2銳減至2014年的66.67 hm2[16],地下滴灌作物出苗率低、出苗不均勻是主要因素之一。作物出苗難是阻礙地下滴灌技術大面積推廣使用的科學難題之一。
【研究進展】玉米播種后,充足的土壤水分是玉米種子萌芽過程中一系列的生化反應的決定因素。在春旱嚴重地區,經常通過灌大量的出苗水或者在種子萌發期及幼苗期增設一套噴灌或者地面灌系統來保障作物出苗的需水需求,但灌水過量會導致水分的深層滲漏,而增設其他灌溉系統則會增加系統投入,使玉米、小麥等大田糧食作物經濟回報率低[17-18]。有學者認為深播可以幫助種子避開表層干土,改善種子萌發時周圍土壤的水分環境,但播種深度的增加會加大種子萌發破土所需要的能量[19-21],加快自身貯藏物質的消耗,雖然能出土,但幼苗活力弱,經不起惡劣環境的影響,反而造成減產,更嚴重的會造成幼苗無力頂出土面而死亡。若采用滴灌帶淺埋的辦法可以解決作物出苗期灌水難的問題,但該方法適用于免耕系統[22]或者諸如苜蓿等多年生作物[23],對于玉米、棉花等作物仍然需要每年更換滴灌帶。一些學者建議將地下滴灌帶放置在不透水材料上來促進水分上移,但此方式使用效果褒貶不一,且施工難、成本高[24-25]。莫彥等[26]提出了一種能促進地下滴灌玉米出苗和生長的新型播種方式—開溝播種,通過使用改造后的開溝犁可先形成深10 cm的梯形溝槽,接著將種子播種在溝底向下5 cm處。該播種方式最主要的優勢是能縮短種子和滴灌帶的間距,在較少的出苗水灌水量下(25 mm),玉米出苗率達到了91%。相比于傳統的平地播種,出苗率和產量分別提高了15.2%和14.8%。【切入點】基于考慮機械開溝對土壤質地的要求以及玉米種子萌發對土壤溫度的需求,開溝深度設置為10 cm,而鑒于華北地區的氣候和土壤條件實際情況,開溝播種技術是否適宜華北地區的地下滴灌玉米種植需要研究,而出苗率能否可以通過增加開溝深度來獲得進一步提高值得探索。
【擬解決的關鍵問題】為此,基于地下滴灌大田試驗,探究傳統平地播種條件下不同開溝深度對玉米出苗和生長的影響,以期為地下滴灌開溝播種技術在華北地區春玉米生產中推廣使用提供理論依據。
地下滴灌田間試驗于2018年在國家節水灌溉工程技術研究中心大興試驗基地進行(116°15'E,39°39'N,海拔31.3 m),該地屬于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候區,多年平均溫度11.6 ℃,平均降水量556 mm,年內降水時間分布不均勻,70%~80%的降水量集中在7—9月,而在玉米出苗期和苗期的4—6月降水量很少。在本試驗進程中的玉米出苗期(5月18—31日)無有效降水量。試驗用地土壤為粉壤土,0~100 cm土層平均土壤體積重量為1.41 g/cm3,田間持水率為0.33 cm3/cm3,有機質量為12.17 g/kg,全氮量為1.00 g/kg,有效磷量和有效鉀量分別16.9 mg/kg和123.6 mg/kg。
選取的玉米品種“巡天1101”為密植型品種,適合中等肥力以上地塊種植密度為75 000~82 500株/hm2,株型緊湊,株高2.53 m左右。本試驗使用寬窄行(80 cm×40 cm)種植,滴灌帶布設于窄行中央(圖1)。玉米種植株距為22.5 cm,種植密度為77 558株/hm2。滴灌帶(NATEFIM)直徑為16 mm,壁厚0.38 mm,埋深30 cm,鋪設間距1.2 m,滴頭流量1.35 L/h,滴頭間距30 cm,每個小區共埋設5條滴灌帶。

圖1 玉米種植田間處理
綜合考慮土壤質地、土壤積溫、玉米行距等因素,試驗設置3個開溝深度處理:0 cm(H0處理)、10 cm(H10處理)和15 cm(H15處理),其中,H0處理為傳統不開溝的平地播種處理。每個處理設置3個重復,共9個小區,小區面積5.2 m×17 m,隨機布置。在播種前首先人工撒施底肥,隨后進行深20~25 cm的旋耕并壓實表層土壤,接著按照試驗處理使用開溝犁進行人工開溝,分別形成溝深10 cm和15 cm的溝槽,最后用滾輪播種器將種子埋播于溝底(H10處理和H15處理)或平地(H0處理)以下5 cm處。播種后,H0、H10、H15處理的種子相對于原狀土表的垂直間距分別為5、15 cm和20 cm,相對于滴灌帶的垂直間距分別為25、15 cm和10 cm。在玉米播種后第2天進行出苗水灌溉,參考莫彥等[27]研究成果,各處理的出苗水灌水量均設為35 mm。
各生育期的時間節點以及灌水施肥情況見表1,全生育期124 d。生育期內每次灌水量不超過35 mm,5 mm灌水量為施肥灌水需求,全生育期總灌水量為102 mm,純氮、有效磷(P2O5)和有效鉀(K2O)施用量分別為240.0、67.5 kg/hm2和94.5 kg/hm2,其中,20%的純氮、50%的P2O5和30%的K2O作為底肥施入,其余的作為追肥隨水施入。當作物根層的土壤體積含水率為田間持水率的70%~75%時進行灌溉,以田間持水率的100%作為灌水上限計算灌水量。

表1 玉米生育期及灌溉施肥情況
1)出苗率和出苗時間
自播種之日起每天觀察各個處理玉米的出苗情況,每個小區選取3 m×6 m為調查范圍,記錄其出苗時間和出苗率。出苗率=出苗數/播種數×100%(出苗數:以幼苗出土2 cm左右為出苗標準),出苗天數為出苗率達到50%所需要的時間。
2)土壤含水率
利用剖面土壤水分傳感器(TRIME-PICO-IPH)監測種子相同深度處及下方10、25、45、65 cm和85 cm土壤體積含水率,每5~7 d測定1次;在每次灌水前后和降水前后進行加測。同時,利用土鉆取土,采用烘干法測量土壤含水率對土壤水分傳感器所采集的數據進行校正。TRIME管安裝在沿壟向2株玉米間(圖1)。
3)生長指標
各小區選取代表性植株10株掛牌標記,在各生育期用游標卡尺測量每株玉米的莖粗(離地面2 cm處),用直尺測定每株玉米的株高(抽穗前為地面至最高葉尖的垂直距離,抽穗后為地面至植株穗頂的垂直距離)以及所有有效葉片的長和寬,計算葉面積指數(leaf area index,),計算式為:
(,), (1)
式中:為葉面積指數;為單株作物所占地面積(cm2);(,)為由葉長和葉寬計算出的單株葉面積的函數。
4)產量及產量構成
在玉米生理成熟后,每個小區去掉邊行,選取中間6行玉米,測定穗數、穗長、穗直徑和穗粒數,風干后脫粒,測定百粒質量和含水率,產量折算為14%質量含水率的標準質量。
試驗數據用Excel 2010與Origin 2019進行整理和圖表繪制,用SPSS 16.0軟件進行顯著性分析。
表2為各處理玉米出苗率及灌水前后種子埋設處土壤體積含水率。由表2可知,出苗水灌水前,開溝深度越深,種子埋設處的土壤含水率越高。H10處理與H15處理分別比H0處理增大30.5%和50.2%。與灌水前相比,灌出苗水后H0、H10處理和H15處理種子埋設處土壤含水率的增幅分別為29.5%、17.2%和8.4%。H15處理分別比H0處理和H10處理增大25.7%和6.4%,H10處理比H0處理增大18.2%。

表2 不同開溝深度處理玉米出苗率及灌水前后種子埋設處土壤體積含水率
注 同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。
玉米出苗率變化趨勢和種子埋設處土壤含水率變化趨勢一致,隨開溝深度的增加而增大。與H0處理相比,H10處理和H15處理玉米出苗率分別提高14.6%和16.3%,差異達到差異顯著性水平(<0.05)。H15處理比H10處理的玉米出苗率提高1.5%,但差異不顯著。
對于不同開溝深度處理,各層土壤含水率在整個生育期內的變化規律基本一致,從種子埋設處到種子下方45 cm處的土壤含水率變化幅度最大,種子下方65 cm到種子下方85 cm處的土壤含水率變化逐漸平緩(圖2)。
種子下方不同相對位置土層的土壤含水率受開溝深度的影響顯著。從播種期到玉米拔節期(5月18日—6月9日),對于種子埋設處和種子下方10 cm處的土壤含水率,3個開溝深度變化規律為H15處理>H10處理>H0處理,相比于H0處理,H15處理和H10處理在種子埋設處的土壤含水率分別平均增大了28.4%和18.2%,在種子下方10 cm處分別平均增大8.6%和5.0%;對于種子下方25 cm到種子下方85 cm處的土層,3個開溝深度變化規律為H0處理>H10處理>H15處理,相比于H10處理和H15處理,H0處理分別平均增大9.1%和11.3%,且隨著土層深度的增大而增大。
從拔節期到抽雄期(6月10日—7月6日),各處理土壤含水率變化規律與播種期—拔節期相似
從抽雄期到收獲期(7月7日—9月14日),對于種子埋設處和種子下方10 cm的土層,不同開溝深度處理的土壤含水率差異逐漸減小,但對于種子下方25 cm到種子下方85 cm的土層,不同開溝深度處理的土壤含水率的差異逐漸增大,H0處理分別比H10處理和H15處理平均增加10.8%和13.2%。

圖2 不同開溝深度下土壤體積含水率變化
由圖3(a)所示,不同處理玉米株高在VE(出苗期)至V3變化緩慢,在V3—V6增長迅速,在R2(灌漿期)后趨于穩定。除了V6和VT(抽雄期),H15處理的株高均高于H0處理和H10處理,尤其在V3期,H15處理的株高分別比H0處理和H10處理高45.5%和7.9%,差異達到顯著性水平,而在其他生育期,3個處理株高沒有顯著性差異。
由圖3(b)可以看出,各處理的莖粗均在VT期達到最大值,隨著玉米生育期的進行,莖粗開始減小,各處理玉米莖粗的減小幅度變化規律為H15處理>H10處理>H0處理。除了V3期,玉米莖粗隨開溝深度的變化趨勢與株高相反,具體表現為H0處理>H10處理>H15處理。R2期,H15與H10處理的莖粗分別比H0處理顯著減小11.4%和9.3%;在R6期,H15處理的莖粗比H0處理顯著減小15.3%。
圖3(c)顯示玉米在VE—R2期處于持續增長階段,且隨開溝深度增加而增加。其中,在V6和R2期,H10處理和H15處理分別比H0處理顯著增大19.4%、31.9%和22.3%、25.0%。在R2期后,開始下降,其中H15處理下降幅度最大,R6生育期較R2生育期降低了19.0%。

圖3 生育期內玉米的生長特征
玉米產量與百粒質量隨開溝深度的變化規律表現一致,均為H10處理>H15處理>H0處理(表4)。H10處理最高產量達到12 980.0 kg/hm2,較H0處理顯著提高了13.4%,與H15處理相比提高了7.5%,其百粒質量分別比H0處理和H15處理高6.0%和4.2%,但差異沒有達到顯著水平。對于穗數指標,和出苗率一致,隨著開溝深度的增加而增加,H10處理和H15處理的穗數均顯著高于H0處理。對于穗粒數、穗長和穗直徑,均隨著開溝深度的增加而減小。H10處理的穗粒數、穗長和穗直徑分別比H0處理減少了2.5%、1.3%和1.6%,H15處理與H0處理相比分別減少了10.0%、7.1%和2.6%,與H10處理相比分別減少了7.8%、5.9%和1.1%。其中,H15處理分別與H0處理和H10處理在穗粒數和穗長上的差距均達到顯著水平(<0.05),但H0處理和H10處理之間沒有顯著性差異。3個開溝深度處理對穗直徑的影響均沒有達到顯著性差異。

表4 不同開溝深度處理下玉米產量、產量構成要素及穗性狀
注 同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。
開溝播種技術可以改善種子播種埋深處土壤水分狀況,提高地下滴灌玉米出苗率,達到增產的效果。開溝深度是開溝播種方式的重要技術參數,從試驗結果看,開溝深度對土壤含水率、玉米出苗率和生長狀況、產量及穗性狀均有影響。
開溝播種能將表層干松土壤移開,形成了濕潤的梯形溝槽,溝深越大,由于距地下滴灌供水位更近,溝底土壤含水率越高,故在播種后,H10處理和H15處理分別比H0處理高30.5%和50.1%。開溝深度越大,種子與滴灌帶之間的距離越小,水分越容易運移到種子埋播位置,H10處理和H15處理的種子與滴灌帶間距分別比H0處理處理減小10 cm和15 cm,因此在相同的出苗水灌水量條件下,種子埋設處土壤含水率隨溝深增加而增大。此外,在種子下方10 cm處的土層中,土壤含水率隨開溝深度增大而增加;但在種子下方25~85 cm的土層中,土壤含水率則隨開溝深度增加而減小,尤其是種子下方25 cm的土壤含水率,在整個生育期中,H0處理的土壤含水率分別比H10處理和H15處理增大8.8%和12.8%。對于H0處理,在種子下方25 cm處土層的水分監測點正好處于滴灌帶置,而該土壤水分監測點在H10處理與H15處理中與滴灌帶的垂直距離分別為10 cm和15 cm,故對于種子下方25~85 cm的土壤含水率會隨著開溝深度的增加而減小,但隨著土層深度的增加,水分向下運移量減小,3個處理間的差距逐漸減小。
在玉米整個生育期,每次灌水結束后,種子埋設處到種子下方45 cm處的土壤含水率增加幅度較大,從種子下方45 cm處開始,土壤含水率變化幅度減小。這說明在粉壤土質條件下,當滴灌帶埋深30 cm,灌水量小于35 mm時,可以將土壤濕潤范圍控制在玉米根系生長活躍區內,即10~60 cm[19],能提高水肥利用效率。在本研究中,玉米出苗率隨開溝深度的增加而增大,其變化趨勢與種子相同深度處的土壤含水率相同。與馬樹慶等[28-29]研究結果一致。
莖粗減小的主要原因有種子質量、群體密度、營養元素缺乏以及生長環境困難等,在嚴峻的環境下,植物會縮小自身個體,減少資源攝取以盡量完成生活史。葉面積指數()是衡量玉米群體光合能力的重要指標之一,合理的能改善玉米群體結構,優化農田小氣候,增強透光性和透氣性,從而促進光合作用和提高產量[30-31]。李娜等[30]研究發現,在適宜的種植密度下(60 000~80 000株/hm2),會隨著密度的增加而不斷增大。本試驗中,玉米株高和隨開溝深度的增加而增大,莖粗卻隨開溝深度的增加而減小的結果與其結論一致。
當玉米種植密度超過一定值時,會造成穗變短變細、穗粒數減少。如Schlegel等[32]研究表明,當種植密度由56 000株/hm2增加到80 000株/hm2時,穗粒數由545降低到440。在本試驗中,雖然玉米穗粒數隨開溝深度增大而減小,但H10處理和H15處理玉米產量分別比H0處理高13.4%和5.3%,這可能是由于較高的出苗率帶來的群體優勢彌補了穗粒數下降帶來的影響。本試驗中雖然H15處理出苗率最高,但H10處理穗粒數和百粒質量均高于H15處理,其中穗粒數的差異達到顯著性水平,因此H10處理獲得了最高產量。此外,開溝深度過大可能會帶來較低的土壤積溫和較大的土壤體積質量,進而阻礙植株和根系的生長發育,也會造成H15處理產量下降,同時較大的開溝深度還會增加機械作業耗能和難度[24]。綜合上述因素,在華北地區粉壤土中,當滴灌帶埋深為30 cm,地下滴灌開溝播種的開溝深度為10 cm是較為適宜的。
1)播種后灌出苗水前以及灌相同量的出苗水后,溝深對種子埋設處土壤含水率均有顯著影響,變化規律均表現為H15處理>H10處理>H0處理,H10處理與H15處理種子埋設處土壤含水率分別比H0處理增大18.2%和25.7%。
2)玉米出苗率、株高和葉面積指數等生長指標隨溝深的增加而增加,莖粗隨溝深的增加而減小。
3)H10處理和H15處理的穗粒數、穗長、穗直徑均顯著低于H0處理,但綜合考慮穗數和百粒質量,H10處理的玉米產量表現最高,達到12 980 kg/hm2。
4)對于華北地區玉米地下滴灌,開溝播種技術可以提高玉米出苗率和產量,在土壤質地為粉壤土、滴灌帶埋深為30 cm時,綜合考慮土壤積溫和機械作業等因素,適宜的開溝深度為10 cm。
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The Effects of Furrow Depth in Alternate Row Planting on Germination and Yield of Spring Maize under Subsurface Drip Irrigation in North China Plain
GUO Shanqiang1,2, MO Yan2, WU Zhongdong1*, WANG Jiandong3, ZHANG Yanqun2, GONG Shihong2, XU Mingming1,2, GUO Bin1,2, SHEN Xinlei4
(1. School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China; 2. Institute of Water Resources, China Academy of Water Resources and Hydropower, Beijing 100048, China;3.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081, China; 4. Luohe Agricultural Information Center, Luohe 462000, China)
【】Subsurface drip irrigation (SD1) is a water-saving technique but difficult to keep the surface soil moist to ensure seed germination in drought-prone areas. Alternate row planting (AP) combined with the raised bed has been developed as an effective cultivation to moisten the surface soil. The purpose of this paper is to experimentally investigate the suitable furrow depth to improve seedling emergence and sustain crop yield.【】We took spring maize as an example and used the variety Xuntian 1102 as the model plant. The field experiment was conducted from May 2018 to September 2018 in the National Water-saving Irrigation Engineering Technology Research Center at Daxing, Beijing. The depth of the furrows was 0 (CK), 10 cm (H10) or 15cm (H15). In all treatments, the seeds were drilled to 5 cm deep from the soil surface and the irrigation amount prior to seedling emergence was 30mm, same in all treatments. During the experiment, we measured the changes in soil moisture, seedling emergence and the ultimate yield in each treatment.【】Alternate row planting combined with the raised bed significantly increased soil moisture at the drilling points to facilitate seed germination. Compared to CK, irrigating 35 mm of water prior to seedling emergence in H10 and H15 increased soil moisture in the region proximal to the seeds by 18.2% and 25.7%, respectively. The improved soil moisture increased the seedling emergence rate to more than 88% in both treatments, equivalent to a14.6% (H10) or 16.3% (H15) increase over the CK (<0.05). The plant height and stem diameter both increased with the furrow depth, and the leaf area index in H10 and H15 was significantly higher than that in H0 (<0.05). The ear length, ear diameter and ear number in H10 were 6.8%, 4.5% and 2.2% lower than those in CK, while the associated traits in H15 were 7.6%, 2.7% and 11.1% lower than that in CK. Apart from ear length, no significant difference was identified between H0 and H15. H10 gave the highest ear number and 100-kernel weight, the highest yield -12.98 kg/hm2m which was13.4% and 7.5% increase compared to that in H0 and H15 respectively (<0.05).【】AP combined with SDI with the furrow depth being 10 cm was suitable cultivation for spring maize production in north China.
subsurface drip irrigation;alternate row planting;furrow depth; maize germination; yield
S275
A
10.13522/j.cnki.ggps.2019443
1672 – 3317(2021)08 - 0027 - 08
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GUO Shanqiang, MO Yan, WU Zhongdong, et al. The Effects of Furrow Depth in Alternate Row Planting on Germination and Yield of Spring Maize under Subsurface Drip Irrigation in North China Plain[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(8): 27-34.
2019-12-17
流域水循環模擬與調控國家重點實驗室自由探索研究項目(SKL2018TS05);國家自然科學基金面上項目(51879277);中國水科院基本科研業務費項目(ID0145B062020)
郭山強(1993-),男,河北滄州人。碩士研究生,主要從事節水灌溉理論與新技術研究。E-mail: guoqiangsdut@163.com
吳忠東(1968-),女,山東淄博人。副教授,博士,主要從事劣質水灌溉及環境效應研究。E-mail: wuzhongdong@126.com
責任編輯:白芳芳