高密度栽培條件下灌水量對河西灌區玉米群體質量及水分利用效率的影響

唐文雪 馬忠明 連彩云

收稿日期：2024 - 01 - 25；修訂日期：2024 - 03 - 12

基金項目：甘肅省科技計劃（21ZD4NF044-4）；國家重點研發計劃項目（2023YFD2301105）。

作者簡介：唐文雪（1967 —），女，甘肅臨夏人，研究員，主要從事農業節水高產栽培理論與技術的研究工作。Email：gstwx@163.com。

通信作者：馬忠明（1963 —），男，甘肅民勤人，研究員，主要從事農業節水高產栽培理論與技術研究工作。Email：mazhming@163.com。

摘要：提高種植密度是玉米產量持續增長的重要措施，探討高密度栽培下的合理灌溉定額對保障玉米高產及水資源可持續利用具有重要意義。2023年4 — 10月在河西灌區張掖節水農業試驗站開展田間試驗，研究高密度栽培條件下不同灌水量（270.0、390.0、510.0、630.0 mm）對玉米群體質量、產量和水分利用效率的影響。結果表明，隨著灌水量的增加，玉米的干物質量、產量呈增加趨勢，高灌水量（630.0 mm）下的干物質量和產量均最高，中等灌水量（510.0 mm）下干物質量、產量分別高達32 013.36、16 000.31 kg/hm2，僅比高灌水量處理分別低2.89%、3.13%，而在390.0、270.0 mm灌水量下顯著降低。各處理的光合勢、生長速率隨生育進程的推進先增加后降低，其中吐絲期后20 d達到最大，且隨灌水量增加而增大；吐絲期后20 d至灌漿中期，510.0、390.0 mm灌水量下的光合勢下降幅度為0.38%、2.40%，生長速率下降幅度為26.16%、30.19%，均低于高灌水量處理和低灌水量（270.0 mm）處理。玉米水分利用效率隨灌水量、耗水量增加先上升后下降，390.0、510.0 mm灌水量處理下水分利用效率分別為26.21、25.14 kg/（hm2·mm），差異不顯著；而產量最高的高灌水量處理及耗水量最低的低灌水量處理僅為22.77、23.98 kg/（hm2·mm），均低于390.0、510.0 mm灌水量處理。綜合考慮玉米產量與水分利用效率等指標，在種植密度為11.70萬株/hm2 條件下，510.0 mm為玉米生育期適宜灌水量，可實現增產節水目標。

關鍵詞：玉米；高密度栽培；灌水量；產量；水分利用效率；群體質量

中圖分類號：S663.1? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2024）04-0330-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.04.006

Effects of Irrigation Volume on the Quality of Maize Population and Water Use Efficiency Under High-density Cultivation in Hexi Irrigation Area

TANGWenxue 1， MA Zhongming 2， LIAN Caiyun 1

（1. Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： Increasing planting density is a crucial measure for the sustained growth of maize yield. Exploring reasonable irrigation quotas under high-density cultivation is significant for ensuring high maize yields and sustainable water resource utilization. From April to October 2023， field experiments were conducted at the Zhangye Water-saving Agriculture Experimental Station in the Hexi Irrigation District to study the effects of different irrigation capacities（270.0， 390.0， 510.0， 630.0 mm） on the quality of the maize population， yield， and water use efficiency under high-density cultivation conditions. Results showed that as irrigation volume increased， both dry matter and yield of maize tended to increase. The highest dry matter and yield were observed under high irrigation（630.0 mm）， with medium irrigation（510.0 mm） achieving dry matter and yield of 32 013.36 and 16 000.31 kg/ha， respectively， only 2.89% and 3.13% lower than those of high irrigation， while data were significantly decreased under 390.0 and 270.0 mm irrigation. The photosynthetic potential and growth rate of each treatment increased and then decreased as the growth progressed， peaking 20 days after silking， and increased with irrigation volume; from 20 days post-silking to the middle of grain filling， the decline in photosynthetic potential was 0.38% and 2.40% under 510.0 and 390.0 mm irrigation， respectively， with growth rate declines of 26.16% and 30.19%， both lower than those under high and low irrigation（270.0 mm）. Water use efficiency of maize first increased and then decreased with rising irrigation and water consumption， with 26.21 and 25.14 kg/（ha·mm） under 390.0 and 510.0 mm irrigation， respectively， no significant differences were detected， whereas the highest yield under high irrigation and the lowest water consumption under low irrigation were only 22.77 and 23.98 kg/（ha·mm）， respectively which were significantly lower than those under 390.0 and 510.0 mm irrigation. Considering both maize yield and water use efficiency， an irrigation volume of 510.0 mm during the growth period is suitable under a planting density of 117 000 plants/ha， achieving goals of increasing yield and saving water.

Key words： Maize; High-density cultivation; Irrigation volume; Yield; Water use efficiency; Population quality

玉米是我國主要糧食作物，近年來玉米產量持續增長貢獻最大的是種植密度的提高［1 ］。為實現玉米高產穩產目標，高密度栽培（大于10萬株/hm2）已成為新疆玉米栽培的主推模式［2 - 3 ］。新疆奇臺農場玉米收獲穗數達到12.96萬穗/hm2，產量高達2.49萬 kg/hm2，較全國紀錄產量提高了8 504 kg/ hm2［3 ］。唐誠等［2 ］在新疆烏蘭烏蘇氣象站的研究結果表明，在種植密度為 11.20萬株/hm2的條件下，灌水量為6 750 m3/hm2時可以保證玉米高產。玉米產量一般與灌水量呈拋物線變化關系［4 - 5 ］。一定種植密度下，隨灌水量的增加，穗粒數、千粒重亦呈增加趨勢［6 ］。玉米生育期長，高密度栽培下耗水量顯著增大［7 ］。雖然在高密度下玉米可以獲得優良的群體結構和最大程度利用太陽輻射［8 ］，但高密度種植增加了個體之間對于水分、肥料和光照的競爭，導致單個植株的產量下降［9 ］。在高密度種植條件下，適當增加土壤含水率能有效降低由于高密度種植帶來的不利影響，使玉米穩定增產［10 - 11 ］。因此，高密度栽培下優化灌溉定額對保障玉米高產及水資源可持續利用具有重要意義。

河西走廊位于我國西北干旱區東部地帶，是我國玉米高產區之一。該區光熱資源豐富，但水資源嚴重短缺，水分是影響作物生產的關鍵限制因子［12 ］。李菊等［13 ］的研究認為，在甘肅省武威市涼州區種植密度6.7萬株/hm2條件下，生育期適宜灌水量為3 871 m3/hm2。前人在不同區域中低密度條件下，灌水量對玉米產量、干物質積累量、單位面積穗數等的影響進行了大量研究，且受氣候、土壤等多種因素的影響，玉米不同種植地區的灌水量差異較大。中國農業科學院在甘肅省武威市涼州區、張掖市肅州區進行了種植密度研究，提出玉米最高產對應種植密度為10.78萬株/hm2［3 ］。河西灌區高密度條件下灌水量與玉米產量、生長發育效應尚鮮見報道。本研究旨在探討該區域不同灌溉定額對高密度玉米群體質量、產量、水分利用效率的影響，以期為河西灌區玉米高密度栽培合理灌水量制定提供依據。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗區概況

試驗于2023年4月至10月在甘肅省農業科學院張掖節水農業試驗站（N 38° 56′，E 100° 26′）進行。試驗站地處甘肅省河西走廊中段，黑河中上游，海拔1 570 m，屬于典型的大陸性草原荒漠氣候，干旱少雨，年降水量不足130 mm，年平均蒸發量2 075 mm，干旱指數為15.96。年均氣溫7.38 ℃，≥10 ℃的積溫2 140～2 870 ℃，日照時數2 932～3 085 h，無霜期153 d。試驗地土壤屬輕壤土，播前0～20 cm土層含有機質7.9 g/kg、全氮0.77、全磷0.14、全鉀13.97g/kg、全鹽1.74g/kg，pH 8.22。

1.2? ?試驗材料

指示玉米品種為先玉335，為河西灌區主栽品種。

1.3? ?試驗設計

試驗設共4個灌水量，分別為270.0 mm（W1）、390.0 mm（W2）、510.0 mm（W3）、630.0 mm（W4）。隨機區組排列，重復3次，小區面積35 m2（5 m×7 m）。玉米種植密度均為11.70萬株/hm2，施肥量為尿素（N 46.4%）300 kg/hm2、磷酸二銨（N 18%、P2O5 46%）150 kg/hm2。播前結合旋地施入磷酸二銨及40%尿素作為基肥，隨灌水分別于大喇叭口期及吐絲期各追施尿素30%。采用小型水肥一體機，將肥料完全溶解于施肥罐中，在滴水30 min后及滴水結束前30 min內完成施肥。玉米全生育期灌溉8次，拔節期灌溉頭水，分別在拔節期、抽雄吐絲期、灌漿期、蠟熟期各滴2次，收獲前20 d停水。不同生育期灌水量設計見表1。玉米采用膜下滴灌栽培，寬窄行種植，寬行60 cm， 窄行40 cm。窄行覆膜（膜寬70 cm）鋪滴灌帶播種，行距40 cm，株距17 cm。播深4 cm（圖1）。4月28日播種，9月23日收獲。

1.4? ?測定項目與方法

1.4.1? ? 土壤含水量測定? ? 玉米播種前及成熟期，用土鉆采集 0～100 cm土層土壤樣品，測定層次為每20 cm為1層，共5層。每小區在滴灌帶下、種植行株間、寬行中間取樣，相同土層3個點土樣混合后用烘干法測定土壤水分。

1.4.2? ? 地上部干物質量及植株葉面積測定? ? 分別于玉米苗期、拔節期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲期后20 d、灌漿中期、收獲期，每小區選取具有代表性的植株6株，采用LI-3100C型葉面積儀（英國生產）測定葉面積。之后將植株樣品放入烘箱，105 ℃高溫下殺青30 min，再將溫度調至80 ℃烘干至恒重，測定干物重。

1.4.3? ? 考種及測產? ? 玉米成熟期調查每小區實際穗數，去除邊行，收獲中間3帶6行測產。根據重量均值法取有代表性的樣穗10穗進行室內考種，測量穗長、穗粗、禿尖長、穗粒數、千粒重等指標。

1.5? ?計算方法

1.5.1? ? 作物耗水量和水分利用效率? ? 作物耗水量采用農田土壤水量平衡方程式進行耗水量計算，作物生長所需水分主要由灌溉水和降水供應，因此，水量平衡方程可簡化為作物耗水量，期計算公式如下：

ET=P+I-ΔW

式中，ET為作物耗水量；P為降水量；I為灌水量；ΔW為試驗初期和試驗末期土壤水分的變化量。

水分利用效率=作物產量/作物耗水量

1.5.2? ? 葉面積、光合勢和作物生長速率? ? 玉米葉面積采用型號LI-3100C的葉面積儀（英國生產）測定。

葉面積指數=（單株葉面積×種植密度）/單位面積

光合勢=（L1×10 000+L2×10 000）×（t2-t1）/2

作物生長速率=（W2-W1）/［A×（t2-t1）］

式中，L1、L2分別為t1、t2時的群體葉面積指數，W2、W1分別為t1、t2時的干物質量，A 為土地面積［14 ］。

2? ?結果與分析

2.1? ?灌水量對玉米地上部干物質量累積的影響

干物質量累積是作物產量形成的物質基礎。從圖2可以看出，玉米地上部干物質累積量隨生育期推進不斷增加，不同灌水量處理間的差異在拔節期后開始顯現，除吐絲期后20 d外，總體表現為W4 > W3 > W2 > W1。玉米苗期、拔節期生育前期需水量少，不同灌水量處理均能滿足玉米對水分需求，灌水量對干物質積累量影響不明顯。拔節期后玉米需水量增加，干物質累積量隨灌水量的增加顯著增大，大喇叭口期、吐絲期W4處理干物質量與W3差異不顯著，但均顯著高于W2、W1。玉米吐絲期后20 d，W4處理累積量最大，達22 063.52 kg/hm2，比W3、W2、W1分別顯著提高6.38%、26.33%、24.27%。進入灌漿中期至成熟期，由于高灌水量W4處理的植株相互遮陰形成郁閉，導致植株下部葉片變黃枯萎，影響光合作用，干物質積累變緩，W3處理干物質積累量32 013.36 kg/hm2，較W4降低2.89%，但仍顯著高于W2、W1處理。

2.2? ?灌水量對玉米葉面積增長的影響

由表2可知，苗期玉米葉面積最小，至拔節期增加迅速，各處理的增幅171.60%～189.84%，但差異不顯著。拔節期至大喇叭口期、大喇叭口期至吐絲期是玉米葉面積快速增長階段，大喇叭口期各處理葉面積比拔節期增加245.74%～287.00%，吐絲期比大喇叭口期增加39.99%～59.96%。并且在吐絲期W4處理過量灌溉導致玉米營養生長旺盛，葉面積顯著高于W3、W2、W1處理。吐絲期后20 d各處理的葉面積達到最大，各處理比吐絲期增加6.12%～32.15%，且處理間差異顯著。由于W4處理下底部葉片遮陰早衰，葉面積增幅顯著低于W3處理。吐絲期后20 d到灌漿中期，各處理葉面積開始下降。以上結果說明，水分供應充足促使葉面積偏大，生育中后期田間郁閉嚴重，而水分供應不足時葉面積增加慢且后期衰退加快。可見，適宜的水分供應既可提高葉面積，還可延緩葉面積下降速率，為后期的物質積累和籽粒灌漿保證了足夠的光合葉面積。

2.3? ?灌水量對玉米光合勢變化的影響

不同灌水處理下光合勢從苗期至吐絲期后20 d呈直線增加趨勢（圖 3），該時段的光合勢表現為W4 > W3 > W2? > W1。吐絲期后20 d至灌漿中期呈降低趨勢，W4、W1處理的降幅分別為6.82%、6.95%；W2處理降幅2.40%；而W3處理保持穩定，降幅僅為0.38%。說明適宜灌水量可提高吐絲期后20 d以前的光合勢，延緩吐絲期后20 d的降低態勢，增強了作物光合作用，進而為玉米高產打好了基礎。

2.4? ?灌水量對玉米生長速率的影響

由圖4可知，各處理的玉米生長速率表現為出苗至吐絲期后20 d逐漸升高，在吐絲期后20 d達到最大，而后呈下降的趨勢。其中苗期至拔節期、大喇叭口期至吐絲期上升速度快，拔節期至大喇叭口期上升速度較慢，但均表現為W4 > W3 > W2? >? W1，說明灌水量可以提高作物生長速率。吐絲期后20 d至灌漿中期，不同灌水量下玉米生長速率均下降，且以灌水量最大的W4處理和灌水量最小的W1處理下降幅較大，分別為32.41%、37.80%。W3、W2處理下降幅度分別為26.16%、30.19%。灌漿中期至成熟期下降規律與前一時期相似。以上結果說明適宜灌水量可延緩玉米生長速率的下降。

2.5? ?灌水量對玉米產量和產量構成因子的影響

玉米產量由單位面積收獲株數、穗粒數、粒重等因子共同決定，玉米高產要求產量構成因子在較高水平上達到協調統一。從表3可以看出，灌水能顯著提高玉米產量，W4處理玉米產量最高，為16 517.31 kg/hm2；W3處理次之，為16 000.31 kg/hm2，比W4處理低3.13%，W3與W4處理差異不顯著；分別比W1處理顯著提高57.01%、52.09%。從產量構成因子對產量貢獻分析，灌水量對玉米穗粒數、百粒重這兩個重要因子有顯著影響。W4處理穗粒數最多，為562.43粒，與W3、W2處理差異不顯著，但比W1處理顯著提高11.82%；W3處理百粒重最高為34.02 g，與W4處理差異不顯著，但比W2、W1處理顯著提高了12.28%、14.58%。灌水量對玉米收獲株數影響不明顯，不同處理的收獲株數為11.37萬～11.39萬株/hm2，處理間差異不顯著。可見，灌水量能顯著影響玉米產量，主要原因是灌水量顯著影響了玉米穗粒數和百粒重。

2.6? ?灌水量對玉米耗水量和水分利用效率的影響

2.6.1? ? 不同處理下土壤水分的垂直變化? ? 從播前和玉米收獲后不同處理 0～100 cm 土層水分的變化見圖5，從垂直層面看，各處理0～20 cm土層含水量最大，隨土層加深，各處理含水量呈降低趨勢，80～100 cm土層含水量最低。從水平層面看，20 cm以下各土層的含水量均低于播前。0～20 cm土層含水量表現為W4 > W3 > W2 > W1，40 cm以下土層表現為W4 > W3 > W2 > W1，這與W3處理玉米生長旺盛、干物質積累多、耗水量大有關。

2.6.2? ? 對玉米耗水量及水分利用效率的影響? ? 由表4可知，灌水量對玉米耗水量及水分利用效率有顯著影響。灌水量增加一方面會造成收獲后土壤儲水量增加，使休閑季土壤水分的無效蒸發增大，另一方面使生育期耗水量增加。不同處理下的生育期總耗水量差異顯著，其中W4 耗水量最高，為725.48 mm，比W3、W2、W1顯著提高13.99%、34.16%、65.39%；W1處理最低，為438.64 mm，顯著低于其他處理。水分利用效率是一個復合指標，其高低由玉米產量及耗水量決定。W2處理水分利用效率最高，為26.21 kg/（hm2·mm），與W3處理差異不顯著，但比高灌水量（W4）、低灌水量（W1）處理分別顯著提高15.11%、9.30%。說明高灌水量及低灌水量均顯著降低玉米水分利用效率。

3? ?討論與結論

合理的群體結構是實現高產的前提，群體結構特性通過光合有效輻射的截獲、吸收和透射影響作物群體光分布與光合特性，最終影響作物光合作用、干物質積累和產量［15 - 17 ］。光合勢是量化作物群體光合速率的重要指標，同時也是反映作物長勢與預測作物產量的重要農學參數［18 ］。作物生育進程中，后期保持較大的有效葉面積是保證作物高產的基礎［14， 19 ］。本研究發現，隨生育進程推進，光合勢呈先增加后降低趨勢。光合勢在吐絲期后20 d達到最大，隨灌水量增加光合勢增加，表現為灌水量630.0 mm > 灌水量510.0 mm > 灌水量390.0 mm > 灌水量270.0 mm；吐絲期后20 d至灌漿中期，灌水量630.0 mm、灌水量270.0 mm處理光合勢降幅為6.82%、6.95%，而灌水量570.0 mm、灌水量390.0 mm處理降幅僅為0.38%、2.40%，并且灌水量510.0 mm處理光合勢與灌水量630.0 mm處理相近。以上結果表明，灌水量過高或過低均會加快光合勢降低速率，適宜灌水量延緩吐絲期后光合勢降低，提高作物光合作用，進而提高玉米產量。

干物質積累量與玉米產量呈正相關，灌水量影響玉米的生長發育過程，進而影響其干物質的累積及產量形成［20 - 22 ］。單位面積穗數、穗粒數、千粒重為影響玉米產量的關鍵要素，在一定灌水定額范圍內，灌水量增加，穗粒數和千粒重也隨之增加［23 ］。在單位面積穗數不變的情況下，穗粒數和千粒重對玉米產量的貢獻最大，可達99%以上［2 ］。本研究中，拔節期后玉米干物質量隨灌水量增加呈增加趨勢，收獲期干物質累積量由大到小為灌水量630.0 mm、灌水量510.0 mm、灌水量390.0 mm、灌水量270.0 mm，與產量表現一致。灌水量對玉米穗粒數和百粒重有顯著影響，玉米穗粒數和百粒重是影響玉米產量的重要因子。灌水量為270.0～510.0 mm時，玉米產量與灌水量呈顯著正相關關系，但630.0 mm灌水量水平與510.0 mm相比灌水量增加20%，而產量僅增加3.23%，未有顯著提升，說明單純追求高產會造成水資源浪費。灌水量為510.0 mm時，產量可以保證≥16 000 kg/hm2，繼續提高灌水量對產量提升無顯著影響，而灌水量降低1/5則顯著降低產量。

提高作物水分利用效率是干旱灌區實現節水增產的關鍵［24 - 25］。作物水分利用效率高值往往是中等供水條件下實現的［26 - 27 ］，適度缺水在不減產或略有增產的前提下，耗水量大幅減少，水分利用效率明顯提高［28 - 29 ］。本研究發現，灌水量390.0 mm下水分利用效率最大，但與灌水量510.0 mm差異不顯著。灌水量630.0 mm處理產量最高，但耗水量也最大，導致水分利用效率最低，比灌水量510.0 mm、灌水量390.0 mm顯著降低9.30%、12.90%。灌水從630.0 mm 減少到 510.0 mm時，水分利用效率達25.16 kg/（hm2·mm），產量達16 000.31 kg/hm2，與最高值差異均不顯著。本試驗中，水分利用效率最大的處理與產量最高的處理并不一致，產量最高時的耗水量高于水分利用效率最大時的耗水量，這與其他學者的研究結果相同［4， 30 - 31 ］。綜合考慮產量與水分利用效率，在本試驗條件下，玉米灌水量為510.0 mm，比最高產灌水量減少 20% 時可實現玉米高產與節水同步。

通過灌水量對高密度栽培條件下玉米干物質量積累、葉面積與光合勢變化、產量及水分利用效率影響的研究，綜合考慮玉米產量與水分利用效率等指標，認為在河西綠洲灌區玉米種植密度為11.70萬株/hm2條件下，生育期灌水量為510 mm，既可高產還可實現水資源高效利用，可作為河西走廊灌區玉米高密度栽培適宜灌水量。

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