深松耕作下不同灌水次数对春玉米根层土壤特性及耗水规律的影响

2016-04-25朱文新高聚林孙继颖胡树平于晓芳王志刚

北方农业学报 2016年5期

朱文新，高聚林，，孙继颖，胡树平，于晓芳，王志刚，于博

（1.内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010019；2.内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古萨拉齐 014100）

内蒙古西部平原灌区是我国春玉米主产区之一，在我国玉米生产中具有举足轻重的作用。该区长期的小动力农机耕作和有机肥投入不足、化肥不合理施用，导致耕层浅、犁底层坚硬、土壤通透性差、蓄水保肥能力偏低等问题[1]，造成土壤生产能力持续下降；另外，该区属干旱区，频发“春旱”“伏旱”“秋旱”，而春玉米一生的需水量平均为560 mm，与该区降水量相差甚远[2]。因此，提高玉米产量的同时提高水分利用效率已成为玉米高产生理研究的热点之一。

前人研究表明，深松能打破犁底层，有效改善土壤结构，提高土壤蓄水抗旱能力和作物水分利用效率[3]。水分对作物的生长发育起着至关重要的作用[4-5]，不同的灌水处理可以影响土壤水分和作物生长发育及产量[6]。因此，根据作物各生育时期对水分的需求，适当调整灌水次数和灌水量，力求在节水的前提下达到相对较高的产量是我国今后发展节水农业技术的主要方向[7]。本研究以机械化深松改土为研究内容，配合膜下滴灌和不同灌水次数调控措施，揭示超高产春玉米耗水特性与产量对深松和灌水次数的响应，以其为机械化深松的新型耕作制度创新提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2015年在内蒙古包头市土默特右旗吴坝村朱尔圪岱（北纬 40°35′18.63″，东经 110°34′30.78″）进行，属典型大陆性半干旱季风气候，年平均气温7.5℃，无霜期135 d左右，年日照平均3095 h，年平均降水量400 mm。试验田的犁底层为17～40 cm土层，土质为沙壤土，土壤有机质含量为26.92 g/kg，碱解氮含量为62.47 mg/kg，速效磷含量13.96 mg/kg，速效钾含量105.43 mg/kg，pH值为8.31，生育期降水256 mm。

1.2 材料与设计

供试玉米品种为先玉335，试验于春季播种前进行深松处理，深度为40 cm。灌水方式为膜下滴灌，用膜宽为70 cm的地膜覆盖，膜内播种，覆膜、铺管、播种、施肥一次性完成。施肥量为纯N 31 kg/667m2，P2O514 kg/667m2，K2O 13.5 kg/667m2，磷肥和钾肥作为基肥在播种时一次性施入，尿素在拔节期和大喇叭口期以3∶7随滴灌管滴水施入。

试验共设4个处理，分别为深松灌水1次（SI1）、深松灌水 2次（SI2）、深松灌水 3次（SI3）和深松灌水4次（SI4）。小区面积为600 m2，密度为6000株/667m2。试验地周围布置有保护行，每个处理均有单独水表，以计量灌水量，各处理灌水时间及灌水定额见表1。试验于2015年5月3日播种，10月4日收获。

表1 不同处理膜下滴灌春玉米灌溉量 m3/hm2

1.3 测定指标与方法

1.3.1 播前耕层土壤养分状况的测定土壤有机质：重铬酸钾容量法-稀释热法；土壤速效氮：碱解扩散法；土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度计比色法；土壤速效钾：火焰光度计法；土壤pH值：pH电位计法。

1.3.2 土壤容重测定采用环刀取原状土测定。测定时期为：播前、大喇叭口期、吐丝期、乳熟期、完熟期和收获期；测定土壤层次：0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm。

1.3.3 土壤紧实度测定各处理5点取样，利用土壤紧实度仪（SC900 Soil Compaction Meter）测定。测定时期：播前、乳熟期、完熟期和收获期；测定土壤层次：0，2.5，5.0，7.5，10.0，12.5，15.0，17.5，20.0，22.5，25.0，27.5，30.0，32.5，35.0，37.5，40.0，42.5，45.0 cm。

1.3.4 土壤含水量测定采用每处理5点取样，利用烘干法测定。测定时期：播前、大喇叭口期、吐丝期、乳熟期、完熟期和收获期；测定土壤层次：0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm，水分利用效率：WUE［kg/（hm2·mm）］=籽粒产量/耗水量，其中，耗水量

（1）式中，P为玉米生长季节的降雨量，I为灌溉量，ΔSWS为玉米播种时土壤贮水量与收获时土壤贮水量之差。其中，土壤贮水量

（2）式中，d为土层厚度（cm），w 为土壤含水量（%），r为土壤容重（g/cm3）。

生产单位玉米的节水量和节水率：对照处理的耗水量为W1，产量为Y1，深松处理的耗水量为W2，产量为Y2，则生产单位玉米产量，深松处理比对照处理的节水量（ΔW）近似为 ΔW=W1/Y1-W2/Y2，单位玉米生产下深松处理比对照处理节水率为βw=ΔW×Y1/W1×100%。

单位耗水量时的增产量和增产率：单位耗水量下，深松处理较对照处理的增产量（△Y）近似为ΔY=Y2/W2-Y1/W1，单位耗水量下深松处理比对照处理的增产率为 βy=ΔY×W1/Y1×100%。

（4）式中，Pn为玉米净光合速率［μmol/（s·m2）］，Tr为玉米蒸腾速率［mmol/（s·m2）］。在春玉米乳熟期，选择晴朗无云的天气，于 9：00—11：00，采用美国Li-COR公司生产的 Li-6400XT光合测定系统测定玉米穗位叶的净光合速率和蒸腾速率。

1.3.5 测产及考种成熟期，剔除边际效应后采用5点取样测产。即：每小区在2行中连续测10 m，并准确量取4个边和2个中心线的长度，计算实际面积，调查株数、穗数、倒伏率、空秆数，随机留20个果穗风干后考种，折算成标准含水量（14%）的产量，测定穗粒数、出籽率、含水率、千粒重等指标。

1.4 数据处理及统计分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS Statistics 17.0进行数据处理、作图和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水次数对土壤容重的影响

由表2可知，0～20 cm土层土壤容重表现为各处理间无显著差异；20～40 cm土层土壤容重也表现为各处理间无显著差异；40～60 cm土层土壤容重表现为SI1极显著低于其他处理；60～80 cm土层土壤容重表现为SI1显著低于其他处理；80～100 cm土层土壤容重表现为SI1显著低于其他处理，SI4显著高于其他处理。

表2 不同灌水次数对各土层土壤容重的影响g/cm3

2.2 不同灌水次数对土壤紧实度的影响

深松前提下，不同灌水次数处理的土壤紧实度见图1～图3。播前各处理在各土层间没有差异。灌浆期 0～15 cm 和 27.5～45.0 cm 表现为 SI1＞SI2＞SI3＞SI4，在 15.0～27.5 cm 表现为 SI1＞SI3＞SI2＞SI4，且15～40 cm差异显著。收获期土壤紧实度在25～40 cm 土层差异显著，表现为 SI1＞SI2＞SI3＞SI4。说明灌水可以显著减低25～40 cm土层的土壤紧实度。

2.3 不同灌水次数春玉米耗水规律

2.3.1 不同灌水次数0～100 cm土层土壤水分动态变化由图4可知，大喇叭口期到完熟期，不同灌水次数处理0～100 cm土层土壤含水量呈“先速升，后缓降”的趋势，且随灌水次数的增加而增大。大喇叭口期土壤含水量各处理间没有差异，从吐丝期到完熟期差异显著，表现为 SI1＜SI2＜SI3＜SI4，其中大喇叭口期SI4土壤含水量较SI1、SI2和SI3分别提高19.31%、13.52%和3.12%；吐丝期SI4土壤含水量较SI1、SI2和SI3分别提高61.21、27.45和7.98个百分点；乳熟期SI4土壤含水量较SI1、SI2和SI3分别提高56.53、27.91和11.63个百分点；完熟期SI4土壤含水量较 SI1、SI2和 SI3分别提高 38.11、21.64和6.60个百分点。

2.3.2 不同灌水次数处理玉米不同土层土壤水分动态变化如图5所示，不同处理播前土壤含水量在0～100 cm土层无显著差异；大喇叭口期0～20 cm土层土壤含水量无差异，20～40 cm土层各处理土壤含水量表现为 SI3＞SI4＞SI2＞SI1，40～100 cm 土层土壤含水量表现为SI4＞SI3＞SI2＞SI1，各处理间无显著差异；吐丝期由于降雨量增加，各处理土壤含水量均有所升高，表现为 SI4＞SI3＞SI2＞SI1，且 SI1 各土层土壤含水量显著低于其他处理；乳熟期和完熟期各处理耗水层均分布在60～80 cm土层，乳熟期各处理在各土层土壤含水量均表现为SI4＞SI3＞SI2＞SI1，且在80～100 cm土层差异显著；完熟期0～20 cm土层土壤含水量无显著差异，80～100 cm土层土壤含水量表现为SI4＞SI3＞SI2＞SI1，说明灌水量的增加可以增大深松后深层土壤的土壤含水量。

2.3.3 不同灌水处理春玉米耗水规律由表3可知，各处理春玉米耗水量和耗水强度，在各处理间无显著差异；WUE和 LWUE均表现为SI4＞SI3＞SI2＞SI1，且SI3、SI4极显著高于SI1和SI2，SI4的WUE较 SI1、SI2和 SI3分别增加 25.90%、14.95%和2.69%，SI4的 LWUE较 SI1、SI2和 SI3分别增加41.85%、29.82%和4.62%；IWUE随灌水量的增大而降低，表现为 SI4＜SI3＜SI2＜SI1，各处理间差异显著。

表3 不同灌水次数处理春玉米水分利用效率

2.3.4 不同灌水次数处理玉米增产节水效果由表4可知，春玉米籽粒产量随灌水次数的增加而增大，从产量结果来看，SI4较SI1、SI2和SI3增加4364.11 kg/hm2、3114.52 kg/hm2和 1297.69 kg/hm2，各处理之间差异显著。经相关公式计算，生产单位玉米，SI4较SI1、SI2和SI3节水量分别为0.532 m3/kg、0.309 m3/kg和0.058 m3/kg，节水率分别是20.71%、13.18%和2.79%。单位耗水量下，SI4较SI1、SI2和SI3 增产了 1.017 kg/m3、0.648 kg/m3和0.137 kg/m3，增产率分别是26.11%、15.19%和2.87%。

2.4 不同灌水次数对玉米产量及其构成因素的影响

由表5可以看出，不同灌水次数处理的穗粒数、千粒重和产量都随灌水次数的增加而增大，表现为 SI4＞SI3＞SI2＞SI1。穗粒数，SI4 较 SI1、SI2 和SI3增加14.23%、10.00%和1.37%，其中SI1与SI2，SI3与 SI4之间无显著差异，SI1、SI2与 SI3、SI4差异显著；千粒重SI4较SI1、SI2和SI3增加17.23%、11.28%和6.26%，各处理间差异显著。

表4 不同灌水次数处理春玉米产量kg/hm2

表5 不同灌水次数对春玉米产量及其构成因素的影响

3 讨论与结论

土壤容重是反映土壤紧实程度、孔隙状况等结构性特征的重要指标，容重的变化直接或间接地影响土壤的水、肥、气、热状况，进而影响作物的生长[8]，作物生长发育离不开水分，而土壤水是作物吸收水分的主要来源。深松可以明显降低土壤容重[9]，增加土壤孔隙度[10]，增加土壤蓄水保墒能力[11]，创造出适宜作物生长发育的土壤环境。而灌水是为了保证土壤具有可以满足作物正常生长需要的含水率。不同的灌水方式不仅决定土壤水分的分布状况，对土壤表面及以下的微气候环境如湿度、温度等都有很大影响[12]。有研究表明，随着灌水量的增加，不同处理不同层次土壤含水量均呈增加趋势，同一处理不同土层间的土壤含水量随着土层深度的增加也呈增加趋势[13]，且与传统沟灌相比，有效控制灌水定额可降低土壤容重[14]。本试验将深松耕作和灌水次数相结合，对深松后不同灌水次数下土壤特性变化进行研究发现，深松耕作下灌水次数可降低土壤紧实度246～489 kpa，对0～40 cm土层土壤容重下降有显著作用，但40～100 cm土层土壤容重会随灌水次数的增加而增大，这是由于灌水增加土壤的密实程度，降低稳定入渗速率，土壤小颗粒下移的原因[15]。另有研究表明，玉米株高、叶面积指数、穗长、穗粗、穗粒数等有随灌水次数的增大而增加的趋势，玉米的阶段耗水量、全期耗水量以及水分利用效率（WUE）也随灌水次数的增大而升高[16-17]，但也有研究指出[18]，随着灌水量和灌水次数增加，开花前籽粒干物质转运率、转运量和籽粒产量贡献率均降低。本试验研究结果表明，深松耕作下，整个生育期0～100 cm土层土壤含水量表现为SI1＜SI2＜SI3＜SI4，说明土壤含水量随灌水次数的增加而增加。WUE与LWUE也随灌水次数的增加而增加，但SI3与SI4之间的差异不显著。大多数研究[19]表明，灌水可以提高产量性状，本试验结果证明深松耕作下，灌水可以显著提高穗粒数、千粒重以及产量。

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