土壤水分时间变异对玉米生长及水分效率的影响

王转, 朱国龙, 龙怀玉, 张认连, 申哲, 曲潇琳, 喻科凡

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081)

玉米是全世界总产量最高的粮食作物，也是重要的饲料来源，在满足人类粮食需求方面发挥了重要作用。玉米也是一种耗水量较大的作物，当夏玉米产量为10 500～12 000 kg·hm-2时，需水量为3 500～4 000 m3[1-2]。水资源短缺是当今世界性问题[3-4]。因此，研究土壤水分与作物关系对于玉米水分高效利用至关重要。

Oliverira等[5]研究表明，与-40 kPa相比，-10 kPa的土壤水势有利于玉米对营养的吸收；Zhu等[6]通过设置3种灌水处理(干旱、干旱后复水、充分灌溉)研究发现，在玉米播种后48～90 d，地上部生物量与土壤含水量呈正相关；Zhao等[7]研究表明，在玉米拔节期、喇叭口期和灌浆期，叶片气孔密度分别随土壤水分干旱程度[田间持水量(field capacity，FC)的75%、60%、45%]的增加而增加，但气孔长度和宽度则随土壤水分干旱程度的增加而减小；Liu等[8]利用膜下滴灌技术在内蒙古河套灌区两年的田间试验结果显示，充分灌溉(100% ETC)时玉米的产量最高，当水分亏缺20%～30%(70%～80% ETC)时，玉米的水分利用效率最高。Ma等[9]在河北省保定市定兴县的试验结果表明，玉米茎、叶含水量和叶面积在苗期的临界相对土壤水分(0～30 cm)阈值分别为72% FC、65% FC和46% FC，拔节期分别为64% FC、64% FC和46% FC；王忠任等[10]在新疆的大田试验结果表明，复播玉米生育期内适宜的土壤水分下限为60% FC；傅丰贝等[11]在广西大学网室的试验表明，用根区局部灌溉在玉米拔节末期控水24 d及抽雄期控水36 d，可使玉米水分利用效率分别提高24.4%和16.3%；Branka等[12]在前南斯拉夫的试验表明，在喷灌下综合考虑产量和水分利用效率，认为75%充分灌溉(FI)优于100% FI、50% FI及雨养农业。从以上研究可看出，土壤水分对玉米生长发育、水分利用效率等有着显著影响，但是目前绝大多数玉米与土壤水分关系是在传统灌溉技术上的研究，以灌溉指标(灌水量、灌水时间、土壤水分上下限等指标)作为土壤水分的间接表征，而灌溉使得土壤水分含量不断经历着逐渐由“高”到“低”、跳跃由“低”到“高”的过程，土壤水分时间变异很大，难以准确描述土壤水分与玉米生长关系。而且，灌溉水在土壤中的运动受土壤性质、气候条件、地下水、植物等因素的综合影响，是极其复杂的，即使采用相同的灌溉指标，也因为时间、地点的不同，土壤水分变化历程相差巨大，致使研究结果很难具有普遍指导性。

负压灌溉是一项新型的节水灌溉技术，靠土壤基质吸力供水，能够形成稳定的土壤水分条件。研究显示，当供试土壤为粘壤土和砂壤质潮土时，-5～-10 kPa的供水压力可将土壤含水量分别控制在18.13%～22.45%和15.83%～21.63%，适宜小油菜和黄瓜的生长[13-14]。Li等[15]研究认为，供水压力稳定控制在-5 kPa，有利于辣椒生长发育和产量品质的提高；Zhao等[16]研究表明，与常规灌溉和滴灌相比，负压灌溉(-5 kPa)能够保持土壤含水量相对稳定，显著提高油菜的产量、品质和水分利用效率。学者们在菠菜[17]、黄瓜[18]、番茄[19]上的研究也表明，负压供水压力能形成比传统灌溉稳定的土壤水分条件，更有利于作物生长发育、水分利用效率和产量的提高。以上研究似乎说明稳定性的土壤水分条件有利于作物生长发育，却几乎没有文献将土壤水分时间变异性与作物联系起来。

综上所述，前人关于玉米与土壤水分关系的研究结果是在土壤水分强时间变异下取得的，难以准确反映土壤水分对玉米的影响，不利于指导形成高效的玉米灌溉技术。而负压灌溉能够形成相对稳定的土壤水分条件，前人研究结果也表明，与常规灌溉相比，负压灌溉更有利于作物生长发育和水分利用效率的提高。但至今还鲜有报道研究土壤水分时间变异性对玉米的影响。因此，本研究采用负压灌溉技术和浇灌分别形成不同时间变异的土壤水分，通过在不同时间变异土壤含水量条件下观测玉米的生长发育、水分利用效率等，探究土壤水分时间变异性对玉米生长发育、水分利用效率的影响，丰富土壤水分与作物的关系理论。

1 材料与方法

1.1 试验材料及装置

①负压灌溉装置。整个负压灌溉装置[20-21]由控压装置(重液式负压阀)[22]、储水桶(内半径17.5 cm)、灌水器(陶土管)三部分组成。其中灌水器长250 mm，外径18 mm，内径11 mm。

②盆栽盆钵规格及供试土壤。基于灌水器规格，为了精准控制玉米盆栽试验的土壤水分并且使土壤水分在整个盆中的空间分布较均匀，选用长、宽、高分别为42、26和25 cm的盆钵进行盆栽试验[23]，在盆钵一侧中部打一圆孔，将灌水器经圆孔水平偏下(5～10°)插入土体中部。供试土壤为壤质黏土(砂粒52.9%、粉粒22.5%、黏粒24.5%)，田间持水量(FC)为22.36%(体积分数)，有机质含量为16.04 g·kg-1，pH为6.66，全氮含量为1.35 g·kg-1，全磷含量为0.59 g·kg-1，碱解氮、速效钾、有效磷含量分别为93.53、194.02、34.26 mg·kg-1。土壤风干后过2 mm筛(质量含水量为2.2%)，每盆填装土壤25 kg，装土容重为1.1 g·cm-3。

1.2 试验设计

试验为单因素随机设计，稳定性土壤水分设置-5、-10、-15 kPa 三个负压灌溉处理，波动性土壤水分设置一个处理(手工浇灌，artificial irrigation，AI)，共4个处理，每处理重复4次，共16盆。据肖俊夫等[1]的研究显示，华北夏玉米日耗水量最高可达5.0～7.0 mm·d-1。本试验为盆栽试验，没有水分渗漏，耗水量应该要少很多，因此设计浇灌量3.0～4.0 mm·d-1，具体为每隔2 d每盆浇灌1 L。

玉米盆栽试验于2018年6—9月在中国农业科学院内遮雨网室(116.3° E，39.9° N)进行。供试玉米品种为‘郑单958’，于2018年6月25日播种。播种前每盆均施入2.3 g尿素、8.5 g过磷酸钙、2.8 g硫酸钾，用小钉耙将肥料与土壤充分混匀，每盆土壤浇水3 L使之充分渗透土壤。每盆播种6穴，每穴播种一粒种子，于5叶期定苗，留下1株各盆之间长势均匀的壮苗。玉米全生育期共施尿素7.0 g·盆-1，于大喇叭口期追施尿素4.7 g·盆-1。苗期采用浇灌，每隔2 d灌溉1 L，8月13日玉米刚进入拔节期开始启动负压灌溉装置控水直至玉米成熟，控水开始时各处理之间玉米的长势大致相同。

1.3 测定项目及方法

1.3.1灌水量测定 玉米拔节期至成熟期每天17:00根据储水桶的水位刻度(表征体积)读取水位管的水位，计算水位差，即为灌水量(L)。

1.3.2土壤含水量的测定 在玉米控水两周后每隔4 d测定一次，测定时间为17:00—18:00，每次测定均在玉米植株周围均匀取三点，求平均值，测量深度为0～6 cm，测定仪器为SU-LB型土壤水分速测仪(北京盟创伟业科技有限公司)。

1.3.3土壤含水量稳定性评价参数 土壤含水量随时间变化的变异系数(CV)计算公式[24]如下。

CV=不同时间土壤含水量观测值的标准差/不同时间土壤含水量观测值的平均值

当CV≤0.1时，属于弱变异；当0.1

土壤含水量随时间变化的波动系数(δ)计算公式如下。

δ=∑[|θi-θi-1|/(θi+θi-1)/2]/(n-1)

式中，θi为第i时刻土壤含水量的观测值，θi-1为第i上一时刻土壤含水量的观测值，n为土壤含水量的观测次数。波动系数的大小反映土壤含水量的稳定程度，值越小代表土壤含水量越稳定。

1.3.4植株耗水量的计算 本研究中，玉米的耗水量计算公式[25]如下。

ETk=Mk-ΔW=Mk-(θmk-θmk-1)×ms/ρw

式中，ETk为第k时间段玉米的耗水量(L)，Mk为第k时间段的灌水量(L)，ΔW为土壤储水量变化量(L)，θmk为第k时刻土壤的质量含水量，θmk-1为第k上一时刻土壤的质量含水量，ms为盆钵中土体质量(kg)，ρw为水的密度(1 g·cm-3)。

1.3.5玉米株高、茎粗、叶面积的测定 于控水一周后起，每隔10 d测量一次。用米尺测量土表至玉米旗叶的高度，记为株高(cm)；使用游标卡尺测定玉米的茎粗(cm)；玉米的叶面积用长宽系数法计算,公式如下。

单叶面积(cm2)=长(cm)×宽(cm)×0.75，

单株叶面积等于各单叶面积之和。

1.3.6玉米叶片SPAD值和净光合速率的测定

玉米叶片SPAD值在控水后24 d起每隔8 d测定一次，共测定4次，玉米叶片净光合速率在控水后32 d起每隔8 d测定一次，共测定3次，测定部位均为玉米的穗位叶；叶片SPAD值用便携式叶绿素仪(SPAD-502，Konica Minolta Sensing, INC.)测定，测定时间为上午8:00—8:30；使用LI-6400型便携式光合仪(北京力高泰科技有限公司)测定净光合速率，测定时间为上午8:30—11:30，测试过程中统一把光强设定为1 500 μmol·m-2·s-1[26]。

1.3.7玉米干物质量的测定 控水后49 d将玉米整株取出，擦去表面泥土，将地上部和地下部分别称重，获得鲜重后，放入105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在75 ℃条件下烘干至恒重，分别称取地上部、地下部和籽粒干重，计算根冠比。

1.3.8玉米水分利用效率的计算 玉米生物量水分利用效率(biomass water use efficiency，WUEB)和玉米产量水分利用效率(yield water use efficiency，WUEY)计算公式[27]如下。

玉米生物量水分利用效率(WUEB，g·kg-1)=玉米干物质量/总耗水量

玉米产量水分利用效率(WUEY，g·kg-1)=玉米籽粒干重/总耗水量

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理，Sigmaplot 12.5软件进行绘图。单因素方差分析采用SPSS 21.0软件处理，LSD法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理下的灌水量和土壤含水量

2.1.1不同处理下的累计灌水量 负压灌溉装置系统在玉米刚进入拔节期开始运行，图1显示了控水后随着时间的推移不同处理下的累计灌水量。从图1可以看出，负压灌溉处理中-5 kPa的供水速率最快、-10 kPa次之、-15 kPa最慢；AI处理下的累计灌水量呈直线增长，这是由于AI处理采用浇灌，每隔2 d灌水1 L。负压灌水系统在控水后26 d时进行了储水桶重新注水，压力短暂升高，因此控水后27 d各负压灌溉处理下的累计灌水量突然大幅度增加。控水后第47 d，-5 kPa 与AI的累计灌水量大致相同，而-10、-15 kPa处理的累计灌水量较AI分别降低了12.3%、27.7%，表明负压控水处理中压力越大累计灌水量越高。

2.1.2不同处理下的日灌水量 从图1日灌水量可以看出，控水后负压灌溉处理每天的灌水量随着时间的推移呈波动性变化且后期有降低的趋势，表明在控水后期玉米随着其生长发育需水量降低。整体来看，-5 kPa的日灌水量最高，-10 kPa次之，-15 kPa最低，且负压控水处理中压力越大日灌水量越高。此外，负压灌溉处理在控水后第1和第28 d的灌水量出现了2个最高峰，这可能是因为灌水系统的储水桶刚注完水，尚未形成稳定的灌水负压所致。AI处理采用人工浇灌，每隔2 d灌水1 L，所以日灌水量为一个稳定的常量。

2.1.3不同处理下的土壤体积含水量 控水后14 d至玉米成熟负压灌溉下的土壤体积含水量基本处于稳定状态(图1)，而AI处理的土壤体积含水量波动较大。控水后14～26和30～42 d，负压灌溉处理的土壤体积含水量都有下降的趋势，表明随着玉米植株的逐渐长大，负压装置的供水量稍微不能满足玉米的生长需要，此时玉米需要吸收一定数量的土壤水分来满足蒸腾耗水；26～30 d负压灌溉处理的土壤体积含水量都有上升的趋势，这是由于储水桶在控水后26 d时补充水分，有了一个短时间的高供水压力；42～46 d，-5和-10 kPa处理下的土壤体积含水量有上升趋势，-15 kPa处理下的土壤体积含水量有下降趋势，表明此时-5和-10 kPa的供水速率略大于蒸散耗水速率，而-15 kPa的供水量稍微不能满足蒸散耗水需要。整个控水期间，AI的土壤体积含水量为13.98%(62.5% FC)～19.96%(89.3% FC)，-5、-10、-15 kPa的土壤体积含水量分别为10.55%(47.2% FC)～12.89%(57.6% FC)、9.12%(40.8% FC)～12.23%(54.7% FC)、6.83%(30.5% FC)～9.88%(44.2% FC)，且整个控水期各负压处理的平均土壤体积含水量比AI低32.1%、39.4%、50.6%，表明常规灌溉的土壤体积含水量大于负压控水处理，负压控水处理中压力越大土壤体积含水量越高；-5、-10、-15 kPa、AI土壤体积含水量随时间变化的变异系数分别为0.068、0.093、0.121、0.113，波动系数分别为0.041、0.074、0.066、0.120。综合土壤体积含水量随时间变化的变异系数和波动系数，负压灌溉处理为弱时间变异的稳定性土壤含水量，AI为中等时间变异的波动性土壤含水量。

图1 不同处理下累计灌水量、日灌水量和土壤体积含水量的动态变化Fig.1 Dynamic changes of cumulative irrigation, daily irrigation and soil volumetric moisture content under different treatments

2.2 控水后不同阶段各处理下玉米的农艺性状

玉米的株高、茎粗、叶面积等形态指标可以反映其生长发育状况，与玉米的地上部生物量密切相关。由图2可知，随着时间的推移，玉米株高和叶面积在第7～17 d之间快速增长，之后基本上趋向平稳，茎粗在控水7 d以后几乎不再增长。控水后第7～17 d，玉米处于拔节期至抽雄吐丝期，营养生长与生殖生长并进，此时期玉米生长发育较快且对水分的需求较多，因此，玉米的株高和叶面积增长较快，且控水仅7 d时玉米的株高、茎粗和叶面积在处理间就表现出明显的差异。控水后第17～47 d是玉米的抽雄吐丝期至成熟期，此时玉米以生殖生长为主，因此株高和叶面积增长缓慢。综上所述，在本研究的盆栽试验条件下，采收前30 d(抽雄吐丝期)玉米的农艺性状基本上发育完全，茎粗较株高、叶面积更早地发育完全。

2.2.1控水后不同阶段各处理下玉米的株高

玉米株高在控水后各阶段都随着供水压力的减小逐渐减小(图2)。在控水后第7 d，-5 kPa处理显著高于-15 kPa和AI处理；第17 d及以后均为-5、-10 kPa处理显著高于-15 kPa和AI处理，成熟期(控水后47 d)，-5、-10 kPa株高较AI分别显著提高32.6%和24.0%，-15 kPa与AI大致相同。以上说明土壤水分对玉米株高有显著影响，弱时间变异的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)比弱时间变异的38% FC(-15 kPa)、中等时间变异的78% FC(AI)更有利于玉米株高的增长，在这样的水分差异下，7 d就足以使得拔节期玉米株高产生显著差异。

2.2.2控水后不同阶段各处理下玉米的茎粗

图2中，玉米的茎粗在控水第7 d及以后均为-5、-10 kPa处理显著高于-15 kPa和AI处理，而各处理的茎粗没有明显增长，说明玉米拔节期前7 d，茎粗对土壤水分最为敏感，土壤水分显著影响了玉米茎粗。在成熟期，-15 kPa处理玉米茎粗与AI大致相同，-5、-10 kPa处理较AI处理分别显著提高14.2%和12.7%。以上说明土壤水分对玉米茎粗有显著影响，弱时间变异的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)比弱时间变异的38% FC(-15 kPa)、中等时间变异的78% FC(AI)更有利于玉米茎粗的增长，在这样的水分差异下，7 d就足以使得拔节期的玉米茎粗产生显著差异。

2.2.3控水后不同阶段各处理下玉米的叶面积

控水后各阶段玉米的叶面积均表现为-5、-10 kPa较高，-15 kPa次之，AI最小(图2)。在控水后第7 d，-5和-10 kPa处理显著高于-15 kPa和AI；到17 d，各处理之间差异均达到显著水平；到27 d，-5与-10、-15 kPa与AI之间差异不显著；37 d，仅AI显著低于其他处理；成熟期，-5、-10、-15 kPa处理较AI处理分别提高32.7%、33.4%和14.1%。以上说明，土壤水分对玉米叶面积有显著影响，弱时间变异的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)比弱时间变异的38% FC(-15 kPa)、中等时间变异的78% FC(AI)更有利于玉米叶面积，在这样的水分差异下，7 d就足以使得拔节期的玉米叶面积产生显著差异。

弱时间变异的53% FC、47% FC下玉米的株高、茎粗、叶面积都高于弱时间变异的38% FC、中等时间变异的78% FC，表明弱时间变异的53% FC、47% FC较中等时间变异的78% FC更能满足玉米的生长需求，玉米植株生长发育良好，农艺性状较佳。土壤水分时间变异基本相同时，土壤含水量越高越能满足玉米的生长需求。

注：同一时间不同小写字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different small letters at the same time indicate significant difference at P<0.05 level.图2 不同处理下玉米株高、茎粗、叶面积的动态变化Fig.2 Dynamic changes of plant height, stem diameter and leaf area of maize under different treatments

2.3 控水后不同处理对玉米不同生育期光合作用的影响

玉米叶片是进行光合作用的主要部位，叶片SPAD值可以间接反映叶绿素含量，SPAD值与净光合速率的大小直接影响玉米干物质量的积累。由图3分析可知，在控水后24～48 d(抽雄吐丝期至成熟期)，玉米叶片SPAD值在同一处理下没有明显的变化，但不同水分处理之间有明显差异，始终表现为-5 kPa>AI>-10 kPa>-15 kPa。 -5 kPa与AI总体上没有显著差异，4次不同时间的测定中只有1次差异显著。-5 kPa与-10 kPa之间、-10 kPa与-15 kPa之间总体上差异明显，4次不同时间的测定中有2次差异显著。-5 kPa与-15 kPa始终差异显著。-10 kPa与AI始终差异不显著。AI与-15 kPa总体上差异显著，4次不同时间的测定中只有1次差异不显著。

注：同一时间不同小写字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different small letters at the same time indicate significant difference at P<0.05 level.图3 不同处理下玉米叶片SPAD值和净光合速率的动态变化Fig.3 Dynamic changes of SPAD value and net photosynthetic rate in maize leaves under different treatments

控水后32 d(灌浆期)各水分处理的玉米净光合速率没有明显差异，此后随着时间的推移，不同处理下的净光合速率逐渐显示出差异，其中-5 kPa和AI基本上保持不变，只有轻微的波动，两个处理之间也没有明显差异；而-10、-15 kPa两个处理的净光合速率则产生明显下降，其中-15 kPa的下降尤其明显，并与-5 kPa、AI差异显著；到成熟期时-15 kPa处理较AI和-5 kPa分别显著降低了46.3%、44.6%。

以上结果说明，土壤水分对玉米叶片SPAD值和净光合速率有显著影响，弱时间变异的53% FC(-5 kPa)与时间变异性中等的78% FC(AI)能够维持较高的SPAD值、净光合速率；均为弱时间变异时，本研究盆栽试验条件下，成熟期玉米叶片SPAD值和净光合速率随着含水量的下降而降低。

2.4 不同处理对玉米的光合产物分配和水分利用效率的影响

2.4.1各处理下玉米的总耗水量、干物质量和根冠比 表1中，不同水分处理下玉米整个生育期内总耗水量-5 kPa>AI>-10 kPa>-15 kPa，负压灌溉处理中随着压力的增大玉米的耗水量显著增大，与AI相比，-5 kPa的耗水量提高了8.1%，-10和-15 kPa的耗水量分别降低了4.8%、20.2%。

在负压灌溉处理中随着供水压力的减小玉米干物质量逐渐减小。各处理下的干物质量表现为-5 kPa>-10 kPa>AI>-15 kPa。-5 kPa、-10 kPa较AI处理增加 了39.0%和15.7%，-15 kPa较AI降低了18.8%，说明与时间变异性中等的78% FC(AI)相比，时间变异性弱的53% FC(-5 kPa)和47% FC(-10 kPa)的土壤水分条件促进了玉米生物量积累，弱时间变异性的38% FC(-15 kPa)的土壤水分抑制了玉米生物量积累。

作物根冠比的大小反映了光合产物在植物地下部分与地上部分的分配状况。表1中数据表明，-10 kPa的根冠比最大、-5 kPa次之、AI再次之、-15 kPa根冠比最小，与AI相比-5 kPa、-10 kPa处理下玉米的根冠比分别提高了7.2%和16.6%，其中-10 kPa达到了显著水平，而-15 kPa较AI显著降低了17.1%。这主要是因为-10 kPa和-5 kPa处理属于中度水分胁迫，玉米从土壤中吸收的水分首先满足根系生长发育所需，同化物向地下部的分配高于地上部，根系生长更旺盛，导致根冠比较大[28-29]；-15 kPa处理属于重度水分胁迫，此时玉米遭受较强的环境抑制，自适应能力减弱，从土壤中吸收的水分在满足根系活力的前提下，主要供给冠的生长所需，因此根冠比较小[30]。

2.4.2各处理下玉米的水分利用效率 表1显示，-5、-10 kPa处理玉米的生物量水分利用效率(WUEB)显著高于-15 kPa 和AI处理，与AI相比，-5、-10和-15 kPa的WUEB分别提高了28.8%、21.6%、1.9%。表明与时间变异性中等的78% FC(AI)相比，由负压灌溉提供的稳定的土壤水分条件，即弱时间变异的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)、38% FC(-15 kPa)更有利于玉米的生物量水分利用效率的提高；且稳定的弱时间变异下，在38% FC～53% FC范围内，生物量水分利用效率随土壤含水量的提高而提高。

表1 不同处理下玉米的光合产物分配和水分利用效率Table 1 Photosynthetic product distribution and water use efficiency of maize under different treatments

不同处理下玉米籽粒干重和水分利用效率(WUEY)均表现为-5 kPa>AI>-10 kPa>-15 kPa，负压灌溉处理中随着压力的增大玉米的籽粒干重和WUEY分别显著增大。-5 kPa处理的玉米籽粒干重和WUEY分别显著高于AI处理106.6%、87.3%，-15 kPa处理的玉米籽粒干重和WUEY则分别显著低于AI处理99.4%、99.3%。以上结果表明，与时间变异性中等的78% FC(AI)相比，时间变异性弱的53% FC(-5 kPa)玉米生殖生长良好，更有利于玉米籽粒干重的积累及WUEY的提高；而弱时间变异性的38% FC(-15 kPa)已经产生了严重的土壤水分胁迫，严重阻碍了玉米的生殖生长，导致籽粒干重和WUEY几乎为零。

3 讨论

3.1 负压灌溉压力与土壤含水量的关系

本研究利用不同负压灌溉压力控制盆栽玉米的土壤含水量，供水压力设置在-15～-5 kPa，土壤体积含水量可稳定控制在6.83%～12.89%之间。而向艳艳等[31]研究认为，设定供水压力为-15～-5 kPa，小白菜潮菜园土的土壤含水量可控制在20.5%～25%，红菜园土的土壤含水量可控制在14.4%～19.2%；李生平等[25]研究认为，供水压力为-15～-5 kPa，黄瓜的土壤含水量可控制在15.6%～22.7%之间。在相同供水压力下，不同学者所得到的土壤含水量有所不同，这表明负压灌溉压力与土壤含水量并不是一一对应的关系。这主要是由于不同类型土壤的土壤水分特征曲线不同，且目前大多数负压灌溉的灌水器是线状管子或者圆形盘，属于线源或者点源供水，围绕供水器土壤含水量存在一定的空间梯度[32]，而这个梯度受到供需平衡的影响，因此不同学者的研究结果不尽相同，这也有可能是由于不同研究的作物类型、土壤含水量的测定深度、灌水器型号及外界环境因素不同所致[14,17]。另外，本研究中-5、-10、-15 kPa、AI处理土壤体积含水量随时间变化的变异系数分别为0.068、0.093、0.121、0.113，波动系数分别为0.041、0.074、0.066、0.120。虽然从变异系数来看-5、-10 kPa属于弱变异，-15 kPa和 AI属于中等变异，但本研究中土壤体积含水量随时间变化表现出了一定程度减少趋势，用变异系数来描述土壤水分的稳定性不够准确，-5、-10、-15 kPa处理的土壤体积含水量随时间变化的波动系数均明显小于AI，且数值较小。因此，综合土壤水分随时间变化的变异系数和波动系数，负压灌溉处理的土壤含水量较AI稳定。

3.2 土壤水分时间变异性对玉米生长发育和光合特性的影响

玉米的株高、茎粗、叶面积等形态指标可以反映其生长发育状况，与玉米的地上部生物量密切相关。梁烜赫等[33]采用实测土壤含水量计算灌溉补水量的方法控制土壤水分，结果表明，在同一种植密度下，与无水分胁迫(75% FC)相比，玉米在拔节期中度(50% FC)和重度(40% FC)水分胁迫显著降低了玉米的株高、茎粗、叶面积指数和干物质积累量。本研究中-5、-10、-15 kPa和AI的土壤平均含水量分别为53% FC、47% FC、38% FC、78% FC。从土壤含水量的角度而言[34-36]，本研究的AI处理属于无胁迫的土壤水分条件，-5和-10 kPa处理属于中度水分胁迫，-15 kPa处理属于重度水分胁迫，-5和-10 kPa处理平均土壤含水量远低于AI，它们的最高含水量12.89%、12.23%也比AI的最低含水量13.98%要小。理论上， AI(78% FC)处理的株高、茎粗、叶面积等形态指标应该要好于-5 kPa(53% FC)、-10 kPa(47% FC)、-15 kPa(38% FC)处理，而研究结果却是-5 kPa(53% FC)、-10 kPa(47% FC)处理比AI(78% FC)处理的玉米生长良好，茎较粗，叶面积较大，干物质量积累较多。无论是哪种灌溉方式，最终影响作物的是土壤水分，以上结果清晰地表明：除了土壤水分的含水量属性外，应该还有其他土壤水分属性影响着玉米的生长发育，-5和-10 kPa处理土壤水分时间变异性明显小于AI，属于弱时间变异性土壤水分，而AI属于中等时间变异性土壤水分，说明稳定的弱时间变异性土壤水分条件有利于玉米的生长发育，无水分胁迫的高含量土壤水分在时间变异性过大的情况下，玉米也会生长不良。

土壤水分状况通过影响叶绿素的合成进而影响光合速率，最终影响作物的产量；玉米叶片SPAD值可以间接反映其叶绿素含量[37]。刘帆等[38]利用土壤水分传感器监测土壤水分状况确定灌水量的方法发现：与无水分胁迫的80% FC相比，水分胁迫(50% FC、65% FC)会导致玉米叶片净光合速率的降低。高盼等[39]的研究表明，拔节期水分胁迫(65% FC、55% FC)玉米的产量分别比无水分胁迫的85% FC降低11.5%和27.35%。本研究结果与以上文献结果相反，平均含水量为53% FC的-5 kPa处理的土壤水分条件下，玉米叶片SPAD值和净光合速率、籽粒干重均高于平均含水量为78% FC的AI处理。传统文献一般是以灌溉指标控制土壤水分条件，所有处理都在经历着土壤水分的跳跃性变化，土壤水分都有较大的时间变异性，而本研究中53% FC的土壤水分条件是在-5 kPa供水下形成的，土壤含水量随时间变化较AI稳定。以上说明稳定的土壤水分条件更有利于玉米光合作用的提高，土壤水分的稳定性在一定程度上可以补偿土壤水分含量不足的影响；土壤水分的稳定性基本相似、平均含水量80% FC以下时，土壤含水量越高越有利于玉米的光合作用。

土壤水分时间变异性均比较小的-5、-10、-15 kPa处理的土壤含水量分别为53% FC、47% FC、38% FC，株高、茎粗、叶面积、光合速率、叶片SPAD值均随着土壤含水量的降低而降低，说明当土壤水分比较稳定时，在38%～53% FC范围内，土壤含水量越高越有利于玉米生长发育和光合作用的提高。

需要指出的是，本研究各处理的玉米干物质量和籽粒干重与玉米郑单958实际生产水平差距较大。这主要是因为在常规田间种植条件下成熟期玉米的根系深度可达1.6 m左右[40]，行距和株距一般分别为60和25 cm左右[41]，而本试验为了精准控制土壤水分条件，不得不采用盆栽试验，其生长空间仅仅有42 cm×26 cm×25 cm，远远小于大田实际生产的生长空间，在成熟期采收样品时发现各处理下的玉米根系盘结在盆钵底部，因此生长空间的狭小极有可能是造成其产量小于大田的主要原因。另外，也可能是由于本试验的播种时间(2018年6月25号)稍晚于传统田间的播种时间，且该试验为防雨棚条件下的盆栽试验，种植量较少，没有田间种植的群体效应，环境因素(风、光照)与田间相差较大，自然授粉等生物活动过程受到了较大的影响。

3.3 土壤水分时间变异性对玉米水分利用效率的影响

陈杰等[42]用称重法控制土壤水分，研究发现，玉米的水分利用效率分别随水分胁迫程度的增加(75% FC、55% FC、45% FC)而降低。而本研究中平均含水量为53% FC的-5 kPa处理的玉米WUEY和WUEB大于平均含水量为78% FC的AI，说明稳定的土壤水分条件能够显著提高作物的水分利用效率。土壤水分时间变异性均比较小的-5、-10、-15 kPa处理的土壤含水量分别为53% FC、47% FC、38% FC，玉米WUEY和WUEB大小均随着土壤含水量的降低而降低，说明当土壤水分比较稳定时，在38%～53% FC范围内，土壤含水量越高越有利于玉米水分利用效率的提高，这与现有文献中土壤水分变异性大时土壤含水量对水分利用效率的影响规律是基本相同的。其中38% FC已经产生了严重的土壤水分胁迫，严重阻碍了玉米的生殖生长，导致籽粒干重几乎为零。

综上所述，本试验中-5、-10和-15 kPa处理的土壤含水量随时间变化均较稳定。土壤含水量中等胁迫(53% FC)、土壤水分时间变异性弱的土壤水分下的玉米生长发育、净光合速率、SPAD值、水分利用效率等均好于土壤含水量无胁迫(78% FC)、土壤水分时间变异性中等的土壤水分，说明土壤水分时间上的稳定可以在一定程度上弥补土壤水分含量上的胁迫，过大的土壤水分时间变异性也能让没有土壤含水量胁迫的玉米生长发育变差、水分利用效率下降。在土壤水分时间变异性均比较弱的条件下，玉米生长发育、净光合速率、SPAD值、水分利用效率等均随着土壤含水量的提高而提高或改善。

传统的节水灌溉技术土壤水分时间变异较大，干湿交替，符合缺水补偿效应理论[43]，而在负压灌溉下，土壤水分比较稳定，缺水补偿效应理论没有了发挥的条件。但很多研究表明，负压灌溉技术优于普通的节水灌溉技术，其机理还不明确。此外，传统的节水灌溉技术符合根冠通讯理论[43]，但负压灌溉是否存在信号物质，存在的部位、含量、时期等都不明确。因此，未来应该展开更多的研究，以期明确负压灌溉下水分高效的机理。