不同灌溉方式氫、氧同位素分布與夏玉米水分利用特征

楊永輝，鄔佳賓，武繼承，楊先明，高翠民，潘曉瑩，何 方

（1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，鄭州 450002；2.農業部作物高效用水原陽科學觀測實驗站，河南原陽 453514；3.河南省黃河流域節水農業野外科學觀測研究站，河南原陽 453514；4.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 010020；5.河南邦友科技有限公司，鄭州 450001）

0 引言

水分是決定作物產量的最活躍因素，適宜的水分和養分供應促進玉米增產[1,2]。滴灌因其供水均勻適宜，可實現作物節水增產[3]。作物水分利用一直是農業研究的熱門話題，穩定氫、氧同位素可作為天然的示蹤劑來追蹤水在土壤中的運移信息[4,5]。利用穩定氫、氧同位素技術可確定作物不同生育期吸水利用土壤水分的深度[6]。有研究發現，不同作物對于土壤水分吸收利用的深度存在一定差異，如：滴灌條件下，紫花苜蓿主要利用了30 cm上下土層的土壤水[7]。冬小麥以利用0～20 cm[8]或0～40 cm[9]土層土壤水分為主，但不同時期，其利用不同土層水分存在一定差異[10]。在玉米前、中和后期的根系吸水深度分別為20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm[11]。前人研究結果主要因地區或灌溉方式不同而存在差異。夏玉米的生育期處在雨熱充足的夏秋季，全年60%左右的降水均在夏玉米生長季，因此，在夏玉米生長過程中，定量分析其對土壤水分利用情況，以減少夏玉米的奢侈耗水和土壤水分的無效蒸發具有重要的科學意義。本研究在防雨棚人工控制灌水的條件下，利用氫、氧同位素示蹤技術，開展了常規灌溉和滴灌條件下水分在土壤和作物體內的分布特征及不同土層水分對玉米產量及水分利用的貢獻研究，以確定不同灌溉方式條件下灌水在土壤中的運移信息，及作物根層剖面水分的利用比例，從而進一步闡明不同灌溉方式下夏玉米的節水、增產與水分利用機理，促進農業水資源的高效利用和持續穩定發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究設置在農業部原陽科學觀測試驗站，其地處黃河北岸新鄉市原陽縣南部的河南省農業科學院現代農業科技試驗示范基地內，位于107國道與鄭焦高速公路的夾角地帶，平均海拔85 m，年均氣溫14.3℃，年均降水量556 mm，全年無霜期227 d。試驗地土壤為壤質潮土，肥力均勻，地勢平坦，耕層有機質12.6 g/kg、全氮1.08 g/kg、速效氮80.1 mg/kg、速效磷18.2 mg/kg、速效鉀120.9 mg/kg。該區種植方式為小麥、玉米輪作。

1.2 研究方案

本試驗在防雨棚中進行，設置灌水量為15 mm/次、30 mm/次、45 mm/次，設置灌水方式為：小白龍（常規）和滴灌，即各處理分別為：X1、X2、X3和D1、D2、D3。根據土壤水分及作物生長情況，在玉米播種前（6月12日）進行40 mm的統一灌水以確保防雨棚中玉米正常出苗與生長。根據設置的灌水定額分別在玉米拔節期（7月16日）和灌漿期（9月10日）進行灌水。玉米全生育期均采用人工灌水，沒有降雨進入觀測小區，全生育期灌水3次，即播種前、拔節期和灌漿期。玉米氮肥（N）用量為240 kg/hm2，磷肥（P2O）為135 kg/hm2，鉀肥（K2O）為150 kg/hm2。氮肥60%與全部磷鉀肥底施。分別于拔節期（氮肥25%）和灌漿期（氮肥15%）進行追肥與灌水。灌水3～4 d后分層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）采集土樣放于鋁盒中測定土壤水分。同時，將分層采集的0～100 cm土層的部分土壤和地下植物根系分別放入10 mL的采集瓶中并密封，帶回室內分析植株根系穩定氫、氧同位素豐度。在實驗室內利用低溫真空抽提系統抽提土壤和根系中的水樣，將抽提的水樣密封于玻璃瓶中冷藏待測氫、氧同位素豐度。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 凈光合速率測定

在玉米灌漿期（2021年9月13日）選擇晴朗無風的天氣于9∶30-11∶00采用美國Li-Cor公司生產的Li-6400光合儀測定玉米穗位葉的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率，并計算葉片水分利用效率LWUE[13]：

式中：LWUE為葉片光合速率；Pn為凈光合速率；Tr為蒸騰速率。

1.3.2 不同土層土壤水分貢獻率

采用IsoSource軟件[12]進行不同土層土壤和植物根系中的同位素分析，從而獲得玉米對不同土層土壤水分的利用特征。利用IsoSource軟件進行計算，計算原理基于穩定同位素的質量守恒，按照指定的增量疊加運算出所有可能的百分比組合，那些處于給定的容差范圍內的可能組合被認為是可行解，在所有可行解中，對不同土層水分貢獻百分比出現的頻率進行分析，從而得到各個土層水分貢獻率與頻率的曲線，從而最終確定各個土層水分對玉米根系吸水的貢獻率。

該模型原理是按照指定的增量范圍疊加運算出所有可能的百分比組合，組合數量為：

式中：N為組合數量；i為增量；s為水分來源數量。

1.3.3 土壤水分測定與水分利用效率

在玉米拔節期（7月16日）、灌漿期（9月13日）和收獲期（9月30日），采用土鉆獲取0～100 cm土層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）土壤，放入烘箱中105℃烘24 h，測定含水量，進而得知0～100 cm土層土壤儲水量。并計算作物生育期耗水量與水分利用效率。

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物籽粒產量，kg/hm2；ET為作物生育期內耗水量，mm；W為播種前土壤儲水量，mm；I為生育期內灌水量；H為收獲時土壤儲水量，mm。

1.4 數據處理

光合參數為9次重復（在每處理3個重復內分別測定3次樣品）的平均值，其他結果為3次重復的平均值，且所得的數據應用SPSS 19.0進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式作物不同生育期氫氧同位素土壤剖面分布特征

當作物根系中水分穩定δ18O、δD同位素組成與土壤的某一層中水分穩定δ18O、δD同位素組成相同時，可認為作物根系吸收的水分主要來于此層土壤[14,15]。從圖1可知，在玉米拔節期，常規灌溉條件下中、高灌水量土壤δ18O、δD同位素含量隨土層的加深逐漸較低，且無論灌水多寡，土壤δ18O、δD同位素含量曲線與根系δ18O、δD同位素曲線均交于10 cm左右，說明在常規灌溉條件下，在玉米拔節期根系主要吸水層為0～10 cm土層。

圖1 玉米拔節期常規灌溉灌水后氫氧同位素分布特征Fig.1 Characteristics of hydroxide isotopic distribution after conventional irrigation during jointing stage of maize

在滴灌條件下（圖2），隨灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量逐漸增加。土壤δ18O、δD同位素含量曲線與根系δ18O、δD同位素曲線交于10 cm、18 cm和13 cm左右，說明在滴灌條件下，在玉米拔節期隨灌水量的增加，其根系主要吸水層表現為先增加再降低的趨勢，中等灌水條件（D2）其根系吸水層最深，達到18 cm左右。

圖2 玉米拔節期滴灌灌水后氫氧同位素分布特征Fig.2 Characteristics of hydroxide isotopic distribution after drip irrigation during jointing stage of maize

從圖3可知，到玉米灌漿期，在常規灌溉條件下，隨灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量均呈降低趨勢。在中、低灌水條件下，根系δ18O、δD同位素含量曲線與土壤中的含量曲線交于25 cm、50 cm和85 cm；在高條件下，二者曲線交于45 cm、65 cm和80 cm。說明到玉米生長的后期，根系下扎較深，這更利于其吸收利用深層土壤的水分。

圖3 玉米灌漿期常規灌溉灌水后氫氧同位素分布特征Fig.3 Characteristics of hydroxide isotope distribution after conventional irrigation during filling period of maize

從圖4可知，在滴灌條件下，隨灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量呈增加趨勢。在低灌水條件下，根系δ18O同位素含量曲線與土壤中的含量曲線交于35 cm和55 cm之間；在中水條件下，二者曲線交于50 cm和75 cm；在高水條件下，二者δ18O同位素含量曲線交于10 cm、45 cm和55 cm。而δD同位素含量與δ18O同位素含量在土壤剖面中的變化并不一致。說明到玉米生長的后期，根系逐漸吸收利用深層水分，中等灌水量處理的根系吸收利用了更深土層的水分。

圖4 玉米灌漿期滴灌灌水后氫氧同位素分布特征Fig.4 Characteristics of hydroxide isotope distribution after drip irrigation during filling period of maize

2.2 不同灌溉方式玉米不同生育期土壤儲水量變化特征

從圖5可知，拔節期的土壤儲水量明顯高于其他時期，且隨灌水量的增加土壤儲水量呈增加趨勢。整體來看，除收獲期低水處理外，滴灌處理的土壤儲水量均高于傳統灌溉，這與其減少了地面無效蒸發和促進了作物對水分的有效利用有關。

圖5 玉米不同生育期土壤儲水量變化特征Fig.5 Characteristics of soil water storage in different growth sages of maize

2.3 不同灌溉方式玉米不同生育期不同土層耗水貢獻率與耗水特征

玉米不同生育期不同土層耗水貢獻率如表1所示。在玉米拔節期，均以0～20 cm土層的水分貢獻比例最大，達60%以上。在D1條件下，60～80 cm土層的貢獻比例為21.4%，在D2條件下，20～40 cm土層的貢獻比例為23.8%。到灌漿期，不同土層對玉米耗水的貢獻比例差異顯著。在X1、X2、X3、D1、D2和D3、條件下，分別以20～40 cm、0～20 cm、40～60 cm、40～60 cm、60～80 cm和40～60 cm土層貢獻率最大，達35.3%、49.2%、59.5%、52.8%、69.3%和66.9%。與常規灌溉相比，滴灌條件下更利于促進根系對40 cm以下土層水分的利用，從而減少水分的無效蒸發。

表1 玉米不同育期不同土層耗水量貢獻比例 %Tab.1 Contribution proportion of water consumption of different soil layers in different growth stages of maize

從表2可知，隨生育期的推進，玉米的日耗水量明顯增加，灌漿-收獲期的日耗水量明顯高于其他生育階段，且隨灌水量的增加而增加，而滴灌低于傳統灌溉。說明，滴灌更利于降低作物耗水量，提供作物有效的水分以供其正常生長。

表2 不同灌溉方式不同灌水量對玉米日耗水量的影響Tab.2 Effect of different irrigation methods on the daily water consumption of maize

2.4 不同灌溉方式玉米灌漿期光合生理特征

從表3可知，在兩種灌水條件下，隨灌水量的增加，玉米的光合速率和葉片水分利用效率均表現為先增加而后降低的趨勢。而其氣孔導度沒有明顯差異。常規灌溉條件下，玉米葉片蒸騰速率沒有明顯差異，而滴灌條件下，隨灌水量的增加，其蒸騰速率表現為先增加再降低的趨勢。整體來看，不同處理中，均以滴灌條件下，中等灌水量的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及葉片水分利用效率最高。與常規灌溉相比，滴灌更利于提高玉米的光合速率和葉片水分利用效率。

表3 不同灌溉方式不同灌水量對玉米灌漿期光合生理特征的影響Tab.3 Effects of different irrigation volume under differentirrigation methods on photosynthetic physiological characteristics in filling stage of maize

2.5 不同灌溉方式對玉米不同生育期生物量的影響

從圖6可知，隨生育期的推進，玉米地上生物量均呈明顯增加趨勢。隨灌水量的增加，玉米的地上生物量明顯增加。在拔節期，中、高灌水量的地上生物量明顯高于低灌水量處理。在灌漿期，除高水處理，常規灌溉的中、低灌水處理的生物量均高于滴灌。但到收獲期，滴灌各灌水處理的生物量均高于常規灌溉。

圖6 玉米不同生育階段生物量Fig.6 Maize biomass at different growth stages

2.6 不同灌溉方式對玉米成產要素及水分利用的影響

從表4可知，隨灌水量的增加，玉米穗長、穗粗、雙行粒數及產量和水分利用效率均表現為先增加再降低的趨勢，以中等灌水量（X2和D2）的結果最優，且滴灌優于常規灌溉。但玉米全生育的耗水量隨灌水量的增加而增加，常規灌溉條件下玉米耗水量高于滴灌。說明，滴灌可有效減少土壤水分的消耗，從而提高作物的水分利用效率，實現節水增產。

表4 不同灌溉方式不同灌水量對玉米生長、產量及水分利用的影響Tab.4 Effects of different irrigation volume under different irrigation methods on the growth,yield and water use of maize

2.7 玉米不同生育期不同土層水分貢獻率與其產量及水分利用效率的相關性分析

從表5可知，玉米不同生育期不同土層水分貢獻率與其產量及水分利用效率存在一定的相關關系。在玉米生長過程中，拔節期20～40 cm土層的水分對產量的貢獻率最高，與其產量呈顯著正相關；而該時期60～80 cm和80～100 cm土層的水分貢獻率與玉米水分利用效率呈顯著正相關。到灌漿期，60～80 cm土層的水分對產量的貢獻率最大，與其產量呈顯著正相關；而40～60 cm和80～100 cm土層的水分貢獻率與玉米產量呈顯著負相關；40～60 cm土層的水分貢獻率與玉米水分利用效率呈顯著負相關。

表5 玉米不同生育期不同土層水分貢獻率與其產量及水分利用效率的相關性Tab.5 Correlation between water contribution rate of different soil layers and its yield and water use efficiency

3 結論與討論

通過研究不同灌溉方式對土壤水分穩定δ18O、δD同位素在土體和根系中的豐度含量分布，可確定水分進入土體不同土層與作物根系吸收利用的關系[14]。同時分析作物生長過程中的干物質積累量，耗水量與耗水強度及作物光合生理特征，從而探明基于穩定δ18O、δD同位素示蹤的作物增產與水分高效利用的機理。

通過研究發現，在拔節期，在常規灌溉條件下，無論灌水量多寡，土壤穩定δ18O、δD同位素含量曲線與根系穩定δ18O、δD同位素曲線交于10 cm左右，說明在玉米拔節期，根系主要吸水層為0～10 cm土層。而滴灌條件下，隨灌水量的增加，其根系主要吸水層表現為先增加再降低的趨勢，中等灌水條件其根系吸水層最深，達到18 cm左右。到灌漿期，在中低灌水條件下，根系穩定δ18O、δD同位素含量與土壤中的含量交于25 cm、50 cm和85 cm；在高水條件下，二者曲線交于45 cm、65 cm和80 cm。在滴灌條件下，在低灌水條件下，根系δ18O同位素含量曲線與土壤中的含量曲線交于35 cm和55 cm之間；在中水條件下，二者曲線交于50 cm和80 cm；在高水條件下，二者曲線交于10 cm、45 cm和55 cm。說明到玉米生長的后期，根系吸水層進一步加深，根系下扎較深，從而更利于其吸收利用深層土壤的水分。

利用IsoSource模型研究發現，在玉米拔節期，均以0～20 cm土層的水分貢獻比例最大，達60%以上，這與王鵬等[16]和Wu等[17]研究結果一致。在滴灌15 mm/次和30 mm/次條件下，60～80 cm和20～40 cm土層的貢獻比例分別占21.4%和23.8%。到灌漿期，在滴灌和常規灌溉處理中，分別以40～60 cm、60～80 cm、40～60 cm、20～60 cm、0～20 cm和40～60 cm土層貢獻率最大，達52.8%、69.3%、66.9%、35.3%、49.2%和59.5%。這與朱元浩等[18]研究的灌漿期主要利用了0～20 cm土層水分的結果有所差異，這可能因土壤類型或灌溉方式不同所致，需要進一步研究。

在玉米關鍵生育期，其土壤儲水量均隨灌水量的增加而增加，且滴灌高于常規灌溉。隨生育期的推進，玉米的日耗水量明顯增加，灌漿-收獲期的日耗水量明顯高于其他生育階段，且隨灌水量的增加而增加，而滴灌低于常規灌溉。說明，滴灌濕潤土壤過程中減少了水分灌溉面積，濕潤了根際土壤，減少了土面水分的無效蒸發，且降低了作物奢侈耗水，改善了農田小環境，從而有利于提高作物的光合作用和灌溉水利用率[19]。光合作用是干物質生產的基礎[20]，灌漿期較高光合能力是提高作物產量的重要途徑[21]。本研究發現，與常規灌溉相比，滴灌更利于提高灌漿期玉米的光合速率和葉片水分利用效率，從而促進了玉米的干物質積累[22]，提高了玉米行粒數和百粒重，而對穗粗和行數無顯著影響，而行粒數和百粒重的增加，是導致產量提高的主要因素。說明，在作物的關鍵生長期，合理灌溉可有效改善作物生長的土壤環境[23,24]和成產要素，從而促進增產。

與常規灌溉相比，隨灌水量的增加，滴灌玉米產量分別較常規灌溉對應灌水量處理提高了21.7%，5.3%、14.9%，水分利用效率提高了26.8%、9.2%和20.0%。低灌水量（4 809.8 kg/hm2）的產量雖然低于中、高灌水量的產量（6 781.3 kg/hm2和4 964.5 kg/hm2），但其水分利用效率卻較高，為38.3 kg/（mm·hm2），說明玉米產量與水分利用效率不具有同步性，較高產量需要消耗更多的水分[25]，相對干旱可獲得較高水分利用效率[26]。但綜合來看，滴灌條件下適量灌水在顯著提高了玉米產量的同時，其水分利用效率也相應提高，不同灌水模式中，以滴灌30 mm/次的效果最優。相關性分析表明：玉米拔節期20～40 cm土層水分和60～80 cm土層水分對提高玉米的產量的提高更為有利，而拔節期60～80 cm和80～100 cm土層的水分對于玉米水分利用效率的提高作用更為顯著。