滴灌土壤水分下限对春玉米生长发育及水分利用效率的影响

郑国玉，朱新萍，周建伟，马军勇，何帅

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 8300052；2.新疆农垦科学院，农业部作物高效用水石河子观测实验站，新疆 石河子 832000）

新疆是典型的绿洲灌溉农业，其发展基本依靠灌溉，2016年新疆农业用水量占全区水资源供水总量的94%以上，但灌溉用水的利用系数仅为0.53，水资源短缺和灌溉水利用效率低是制约绿洲农业健康可持续发展的主要因素。土壤水分下限是制定灌溉制度的重要指标之一，确定合理的土壤水分下限对提高作物水分利用效率、解决水资源短缺问题具有重要意义。前人就土壤水分对玉米生长、产量及水分利用效率的影响进行了大量研究。国外学者认为，水分胁迫会增加玉米叶片气孔阻力，降低玉米的水分生产效率[1]；并确定了最好水分利用效率的土壤水分下限[2，3]。国内学者研究表明，辽宁省春玉米苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期适宜的水分下限分别为田间持水量（FC） 的65%、70%、70%、70%和65%[4]；我国干旱、半干旱地区玉米苗期65%FC处理的株高、茎粗以及干物质积累量均高于其他处理[5]；内蒙古地区春玉米播种—三叶期、三叶—叶期、七叶—拔节期、拔节—抽雄期、抽雄—抽雄后20 d、抽雄后20 d—乳熟期、乳熟—成熟期适宜的土壤水分下限分别为70%FC、55%FC、60%FC、70%FC、75%FC、65%FC、60%FC[6]；夏玉米节水高产全生育期适宜的土壤水分控制下限为70%FC[7]。国内学者在不同水分下限和灌水定额对玉米水分利用效率方面也开展了相关研究[8～15]，但是由于试验条件、地理位置、灌溉方式等因素的影响，研究结论略有不同。截至目前，针对新疆膜下滴灌玉米高密度栽培条件下土壤水分下限对玉米产量及水分利用效率影响的相关研究尚不多见。在新疆滴灌春玉米上开展主要生育期不同土壤水分下限对玉米生长发育和水分利用效率的影响研究，确定滴灌玉米不同生育期的适宜水分下限，旨为建立该地区滴灌春玉米高产高效生产制度提供技术依据，以解决新疆膜下滴灌玉米高密度种植灌溉制度不完善、灌溉水利用效率低的问题。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年4～10月在新疆石河子市西郊的新疆农垦科学院试验基地 （北纬 45°38′，东经 86°09′）进行。研究区域位于天山北麓的玛纳斯河流域，气候类型属典型的干旱半干旱大陆性气候，年平均气温6.5～7.2℃，年日照时数2 700～2 780 h，年≥10℃活动积温3640～3 700℃，年降水量150～200 mm，年蒸发量1850～2100mm；基础土壤养分含量为有机质7.20g/kg、碱解氮 33.10 mg/kg、速效磷 17.54 mg/kg、速效钾130.46 mg/kg，耕层土壤pH值8.52，0～20 cm土层土壤容重为1.49 g/cm3、田间持水量为17.45%，20～40 cm土层土壤容重为1.58 g/cm3、田间持水量为18.87%。试验区2018年4～10月降水累计153.7 mm。

1.2 试验材料

试验玉米品种为郑单958。4月25日采用宽窄行覆膜种植，宽行行距80 cm，窄行行距30 cm，株距0.15 m，种植密度12.1万株/hm2；采用井水滴灌方式灌溉，滴灌带铺设在覆膜的窄行玉米行间，间距1.1 cm，滴头间距30 cm，滴头流量2.4 L/h。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 将玉米生育期划分为拔节—抽雄、开花—灌浆、乳熟—完熟期3个阶段，每阶段均分别设置3个灌水下限水平（水分控制下限占FC的比例），采用正交试验设计，共9个处理（表1）；对照处理为当地常规滴灌水平，每次灌水450 m3/hm2，全生育期共滴灌12次，总灌水量为5 400 m3/hm2。每处理均3次重复。小区面积39.6 m2（3.3 m×12.0 m），采取随机排列，小区与小区之间均设1.0 m的隔离带。当土壤含水量达到设置的土壤水分控制下限时，补充灌溉水至灌水上限（田间持水量）。玉米生育期内，各处理的栽培管理措施和施肥水平均相同。

表1 正交试验设计的各阶段土壤水分下限占田间持水量的比例Table 1 The proportion of lower limit of soil moisture to field capacity in each stage of orthogonal design（%）

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 气象数据。利用农业部作物高效用水石河子观测实验站内的自动气象站，观测温度、湿度、降水等气象数据。每10 min测量1次。

1.3.2.2 土壤水分测定。利用TRIME-IPH水分测定仪（德国生产），测定土壤体积含水率。测定深度为60cm，每10 cm土层测定1次。灌水前、后测定，有降雨时加测。

1.3.2.3 玉米生长发育指标及产量。分别在玉米拔节—抽雄期（7月9日）、扬花—灌浆期（7月26日）、乳熟—完熟期（8月26日），每小区均选取代表性植株5株，测定株高、单株叶面积和地上部分干物质积累量。收获时，每小区均选取植株20株，室内脱粒后测定穗长、穗径、穗粒重等；单穗子粒烘干至恒重后称重，折算成含水量14%时的子粒产量。

1.3.2.4 耗水量。利用农田水量平衡公式，计算玉米田间耗水量（ETai）：

式中，ETai为阶段耗水量（mm）；i为土层编号；n为土层数；γi为第i层土壤容重（kg/m3）；Hi为厚度（cm）；θi1、θi2为第i层土壤时段初、时段末重量含水量（%）；M为时段内灌水量（mm）；P为时段内有效降水量（mm）；K时段内地下水补给量（mm）；试区地下水埋深大于2.5 m，取K=0。

1.3.2.5 水分利用效率。根据公式，计算水分利用效率 （WUE）：

式中，Ya为子粒产量（kg/hm2）；ETa为生育期耗水量（mm）。

1.3.3 数据统计分析 利用SPSS软件进行数据分析，采用单因素方差分析，比较方法采用S-N-K法；利用Origin Pro软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水分下限处理对玉米株高、单株叶面积及地上部分干物质积累的影响

利用相同生育期下同一水分下限3个处理的指标平均值，采用单因素方差，分析不同土壤水分下限水平对玉米各生育期生长指标的影响。结果（图1～3）显示，不同水分下限处理除对乳熟—完熟期玉米指标影响均不显著外，对其他2个时期的生长指标均有显著影响。

拔节—抽雄期，不同水分下限处理的株高、叶面积和干物质积累量顺序均为60%FC＞75%FC＞90%FC，其中60%FC与75%FC处理的指标值差异均不显著，但二者除叶面积外，其他2个指标均与90%FC处理差异达到了显著水平。与90%FC处理相比，60%FC、75%FC处理的株高分别增加了13.58%和11.30%，叶面积分别增加了7.63%和5.61%，干物质积累量分别增加了14.19%和0.68%。说明该阶段适度降低灌水下限值、增大单次灌水量有利于玉米生长，适宜的土壤水分下限为60%FC。

扬花—灌浆期，不同水分下限处理的株高、叶面积和干物质积累量顺序均为90%FC＞75%FC＞60%FC，其中90%FC与75%FC处理的指标值差异均不显著，但二者除叶面积外，其他2个指标均与60%FC处理差异达到了显著水平。与60%FC处理相比，90%FC、75%FC的株高分别增加了9.7%和6.9%，叶面积分别增加了3.24%和2.69%，干物质积累量分别增加了16.30%和15.99%。扬花—灌浆期是玉米营养生长和生殖生长的关键期，也是需水量最大的时期，高土壤水分含量对促进玉米生长发育更为有利，该阶段土壤水分下限保持在90%FC较好。

图1 不同水分处理对玉米株高的影响Fig.1 Effects of different soil water treatments on plant height of maize

图2 不同水分处理对玉米叶面积的影响Fig.2 Effects of different soil water treatment on leaf area of maize

图3 不同水分处理对玉米干物质积累量的影响Fig.3 Effects of different soil water treatments on dry matter accumulation of maize

乳熟—完熟期，不同水分下限处理的株高和叶面积顺序均为70%FC＞60%FC＞50%FC，干物质积累量顺序为70%FC＞50%FC＞60%FC，但指标值差异均不显著。其中，70%FC处理的3个玉米生长指标均为最大，表明对减缓叶片衰老速度、增加干物质积累效果最好。玉米进入成熟期后耗水量逐渐降低，可以适当降低土壤水分，该阶段土壤水分下限保持在70%FC较好。

2.2 不同水分下限处理对玉米产量的影响

不同土壤水分下限处理之间及其与CK之间的玉米穗长、穗径、穗行数、行粒数、穗粒重和产量差异均不显著（表2）。表明不同土壤水分下限处理对玉米穗长、穗径、穗行数、行粒数、穗粒重和产量影响均不显著。

表2 不同水分处理对玉米穗部性状和产量的影响Table 2 Effects of different water treatments on ear characters and yield of maize

随着灌水量的增加，玉米穗粒重和产量均呈先增加后降低的单峰曲线变化。其中，T3处理（灌水量464.2 mm）的穗粒重和产量均为最大，分别为157.50 g和15.61 t/hm2；T9处理（灌水量582.6 mm） 的穗粒重和产量均为最小，分别为126.33 g和12.59 t/hm2。

2.3 不同水分下限处理对玉米水分利用率的影响

不同土壤水分下限处理的玉米全生育期总耗水量为505.9～647.2 mm，指标值随着灌水量的增加呈逐渐增大趋势，其中T1处理的指标值最小、T9处理最大；水分利用效率为 19.45～29.14 kg/（hm2·mm），指标值随着灌水量的增加呈先增加后降低的变化，其中T3处理的指标值最大、T9处理最小（表3），最大值较最小值提高了49.82%。

利用产量、耗水量和水分利用效率结果，分别拟合出产量（Y）与耗水量（ETa）和水分利用效率（WUE） 的关系曲线（图4），得到产量与生育期耗水量、水分利用效率与生育期耗水量的关系方程：

表3 不同水分处理对玉米耗水量和水分利用效率的影响Table 3 Effects of different soil water treatments on water consumption and water use efficiency of maize

图4 产量与耗水量和水分利用效率的关系曲线Fig.4 Relationship curve of yield，water consumption and water use efficiency of maize

当耗水量为570.68 mm时玉米产量最高，为15.58 t/hm2；当耗水量为540.27 mm时水分利用效率最高，为 27.97 kg/（hm·2mm）。本试验中，T3处理的产量 （15.61t/hm）2和水分利用效率 〔29.14kg（/hm·2mm）〕均接近于最高值。

3 结论与讨论

本研究结果表明，滴灌春玉米不同生育阶段的适宜灌水下限不同，拔节—抽雄期、扬花—灌浆期、乳熟—完熟期的适宜灌水下限分别为60%FC、90%FC和70%FC。在地面灌溉条件下，玉米苗期至拔节期的适宜水分下限值为70%FC[16]；但有研究者认为，苗期进行土壤水分亏缺的地块在拔节期再进行轻度土壤水分亏缺（不低于田间持水量的55%） 不会导致玉米产量显著降低[17]，这是因为苗期干旱的玉米在复水后具有明显的补偿效应[18，19]；玉米花期土壤不能缺水，土壤水分充足是实现玉米高产的保障[20]；而玉米成熟期的土壤水分下限研究结果多为65%FC以下[4，21，22]。由于滴灌是局部灌溉，因此玉米不同生育阶段的适宜土壤水分下限与地面灌溉略有不同。本研究条件下，滴灌玉米在拔节—抽雄期适当降低土壤水分下限至60%FC、增加单次灌水量有利于根系向深层土壤生长，为后期玉米生长发育奠定基础；扬花—灌浆期是玉米营养生长与生殖生长的叠加时期，耗水量最大，土壤水分下限为90%FC时更能充分保证耗水需求，促进玉米的生长发育；进入成熟期后玉米耗水量降低，乳熟—完熟期土壤水分下限为70%FC时既可为玉米子粒成熟提供物质积累所需的水分，又可减缓玉米生育后期植株衰老速度，更有利于果穗子粒形成。

通过建立产量与耗水量和水分利用效率的关系方程，得到水分利用效率、产量分别达到最高时的耗水量为540.27 mm和570.68 mm，水分利用效率先于产量达到最大。本研究结果与张岁岐等[23]和梁宗锁等[24]的研究结果相同；但与王国栋等[25]得出的“最高经济产量和最大水分利用效率的耗水量为601.6 mm”结论不同，原因可能是试验灌水处理不同造成的，其试验处理为玉米全生育期灌水下限采用相同水平。

通过研究不同土壤水分下限对滴灌玉米生长发育的影响，明确了滴灌玉米不同生育阶段的土壤水分下限。在拔节—抽雄期采用低的水分下限、增大灌水定额，扬花—灌浆期采用高水分下限、增加灌水频次小灌水定额，乳熟—完熟期采用适度水分亏缺下限，有利于提高滴灌玉米产量水平和水分利用效率。