夏玉米土壤水分布及水分利用效率对密度和行株距配置的响应
2021-05-06崔婷茹孙小诺陈宗培王贵彦
崔婷茹 孙小诺 陈宗培 王贵彦
摘要：为研究河北省中南部平原土壤水分布及水分利用效率对不同密度和行株距配置的响应机制，为该地区玉米合理种植提供参考依据。以郑单958为材料，在密度D1（6.75万株/hm2，常规密度）和D2（8.25万株/hm2）条件下，设置3个行株距配置，分别为H1（60cm等行距，常规行距）、H2（80cm+40cm大小行）和H3（38cm或34.5cm匀播，行距与株距相等），共D1H1（当地常规种植）、D1H2、D1H3、D2H1、D2H2、D2H36個处理，对各关键生育期的土壤体积含水量动态分布、有效贮水量的变化、阶段性耗水量及水分利用效率进行分析。结果表明：各处理土壤体积含水量随着剖面的加深而提高，D2H1在灌浆中期和成熟期0～200cm具有最高土壤有效贮水量;各处理阶段性耗水量均为拔节期—抽雄期最高，其次是抽雄期-灌浆中期;D2H1处理在全生育期耗水量最低，成熟期实际产量达9612.86kg/hm2，最高水分利用效率30.49kg/（hm2·mm）。因此，从经济效益和生态效益来看，在等行距种植基础上，可将密度提高至8.25万株/hm2。
关键词：夏玉米;密度;行株距配置;土壤水分布;阶段性耗水量;水分利用效率
中图分类号：S513.04文献标志码：A
文章编号：1002-1302（2021）04-0032-06
作者简介：崔婷茹（1988—），女，河北沽源人，硕士，工程师，研究方向为集约持续农作制度。E-mail：fengmengkes@163.com。
通信作者：王贵彦，博士，教授，研究方向为集约持续农作制度。E-mail：wanggy@hebau.edu.cn。
冬小麦—夏玉米1年2熟在华北平原粮食安全中具有重要作用，夏玉米种植面积和产量分别占该区域玉米种植的37%和35%[1-2]。粮食高产的同时，该区域资源性缺水一直是限制粮食增产的主要因素，较高的粮食产量需要开采地下水进行灌溉，尤其是河北低平原地区，深层地下水是灌溉水的主要来源，如果持续开采会导致严重的生态环境问题[3-4]。
河北平原夏玉米6月中旬播种，10月上旬收获，该区域降水主要集中在7—9月，虽然处于雨季，但小麦收获后，土壤基本处于水分亏缺状态，大多数年份夏玉米播种后仍需要灌溉保证玉米出苗。多种措施节水研究表明，化肥和有机肥等氮配施不仅能够改善作物耗水特性，增加关键生育期水分供应，增加高产稳产，提高水氮利用效率[5];夏玉米播种前施加生物炭可有效降低生育期耗水，提高水分利用效率[6];改变华北平原传统的冬小麦—夏玉米种植结构，引入马铃薯、花生等经济作物，可以有效地缓解水资源匮乏的现状[7];周年秸秆还田可以提高土壤养分含量，提高作物的生物量和产量，进而提高水分利用效率[8];地膜覆盖也是有效节水措施，但研究发现长期地膜覆盖会给土壤可持续发展带来危害，同时垄沟地膜覆盖栽培同样会对土壤水分的补给和作物的高产形成负面影响[9-10];改变玉米行距与株距配置可以构建良好的冠层结构，促进群体产量的提高[11]，黄土旱塬区随着种植密度的增加，75cm等行距春玉米产量和水分利用效率均高于55cm等行距，并且同时通过多年的定位试验发现不同行株距下土壤剖面水分垂直动态变化显著，但相同密度下55cm种植与75cm种植对生育期耗水量和耗水强度差异不显著，但通过株行距的合理调整，玉米多年平均产量和水分利用效率随着种植密度的增加而提升[12-13]。河北低平原邯郸旱作玉米播种期-出苗期常年降水量为18.37mm，此阶段玉米出苗所需18～23mm[14]，同时采用播前浸种、垄作覆膜大小行种植、采用保水剂均可以提高雨养旱作区玉米的出苗率，改善冠层环境，提高净光合速率，促进根系的生长和干物质积累，提高土壤的贮水能力[15]。河北低平原区地下水资源日益严峻的形势下，通过各种有效措施提高玉米光合效率，减少水分无效蒸发，提高水分利用效率是该区域玉米可持续发展的重要措施。
本研究对河北省中南部平原玉米土壤水分分布和水分利用效率对行株距配置和密度响应进行分析，为该区域高产水平下夏玉米种植方式提供科学决策依据，同时为当地农业水资源的高效利用提供参考依据。
1材料与方法
1.1试验地点概况
试验于2018年6—9月在河北省邯郸市曲周县第四疃镇李庄村（115°02′E、36°86′N）进行，平均海拔39.6m，属温带半湿润大陆性季风气候，近20年年平均降水量480.56mm。试验地土壤为壤土，0～20cm耕层土壤养分状况为：pH值7.78，有机质含量9.60g/kg、全氮含量1.25g/kg、无机态氮含量24.09mg/kg、[JP2]速效磷含量11.61mg/kg、速效钾含量137.6mg/kg。前茬小麦，秸秆全部还田。玉米全生育期降水量为257.3mm（图1），>10℃以上有效积温为2838.35℃，太阳辐射量为1696.96MJ/m2。容重、田间持水量、凋萎含水量见表1。
1.2试验设计
试验采用裂区设计，主区为密度，副区为行株距配置。设置2个密度水平：6.75万株/hm2（D1）、8.25万株/hm2（D2）;行株距配置：60cm+60cm等行距（H1）、80cm+40cm宽窄行（H2）、34.5cm或38cm+34.5cm匀播（H3，株行距相同），共6个处理，重复3次，18个小区，小区面积为8m×10m=80m2，南北种植。玉米品种为郑单958，6月15日播种，10月1日收获。施纯N240kg/hm2、P2O5189kg/hm2、K2O90kg/hm2，氮肥分底肥、大喇叭口期追肥，比例为1∶2，磷肥、钾肥作为底肥一次性施入，为保证出苗，播种后进行灌溉75mm，其他田间管理同高产田。
1.3测定指标与方法
于拔节期（7月15日）、抽雄期（8月5日）、灌浆中期（9月10日）、成熟期（9月30日）进行土壤含水量测定，收获时进行产量测定。
（1）土壤体积含水量测定。采用烘干法测定土壤0～200cm土层含水量，0～20cm每10cm作为1个土层，20～200cm每20cm作为1个土层，最终计算土壤体积含水量：体积含水量=（湿土质量-干土质量）/干土质量×容重×100%。
（2）产量测定。成熟期选取长势均匀的玉米10m4行进行实地测产，从中选取具有代表性的20穗带回实验室测定穗粒数、烘干测定籽粒含水量和百粒质量等产量构成要素。实际产量按籽粒标准含水量14%计算。
（3）生育期耗水量。生育期耗水量=降水量+灌溉量+[JP2]土壤耗水量-土壤深层渗漏-地表径流-侧渗，土壤耗水量=播种前土壤贮水量-收获后土壤贮水量，其中降雨量由当地气象部门提供，灌溉时记录灌溉量，平原地区的深层渗漏、地表径流和侧渗一般忽略不计。土壤有效贮水量=贮水总量-凋萎含水量。
（4）水分利用效率。水分利用效率=作物籽粒产量/耗水量。
1.4数据分析
采用Excel2010进行数据整理，SPSS17.0进行数据分析，Origin9.1作图。
2结果与分析
2.1多年夏玉米生育期降水与需水量分析
从表2可以看出，近10年来玉米季降水主要集中在7月中下旬至9月上旬，约占全生育期降水量的90.62%，同时除抽雄期-灌浆中期外，其他生长阶段均可以满足生长发育需求。2018年夏玉米全生育期降水量为257.20mm，仅为全生育期需水量的68.59%～85.73%。从玉米各阶段需水量来看，该玉米生长季播种期-拔节期、拔节期-抽雄期、灌浆中期-成熟期3个阶段，降水量基本可以满足需求，但抽雄期-灌浆中期阶段降水量低于10年平均值，仅为需水量的18.27%～22.07%，远不能满足需求，同时该生長阶段遭遇8d35℃以上高温（图1），影响了玉米正常授粉和结实。
2.2各处理0～200cm土壤体积含水量动态变化
如图2所示，随着土壤剖面的下降，土壤体积含水量均呈上升趋势，大喇叭口期之前主要消耗了0～60cm土层的水分，后期由于几次有效降水补充，抽雄后下层土壤水分变化不大。拔节期D2H3处理0～40cm土壤平均体积含水量最高，这是由于出苗期—拔节期阶段，降水量远远大于需水量，大部分存储在土壤中;抽雄期，D2H1在60～200cm土壤含水量高于其他处理;灌浆中期，D2H1在40～140cm与抽雄期保持相同趋势，但各处理含水量均有所降低;成熟期，各处理土壤含水量有所回升，D2H1处理0～200cm含水量显著高于其他处理，由此可见，D2H1处理所形成的田间冠层结构可有效减少水分在土壤中的无效蒸发，从而降低生育期耗水量。
2.3各处理0～200cm有效贮水量动态变化
由表3可知，随着生育期的推进，各处理在0～120cm土层中的土壤有效贮水量呈先下降后上升趋势，灌浆期最低。除D2H1和D1H2外，各处理120～200cm，有效贮水量在全生育期呈下降趋势。抽雄期，D2H1有效贮水量在40～120cm最高，比D2H2、D2H3、D1H1、D1H2、D1H3分别高47.51、44.11、42.66、58.19、48.73mm;灌浆中期，0～40、40～120、120～200cm剖面土壤的有效贮水量均为D2H1最高，0～200cm总贮水量比D2H2、D2H3、D1H1、D1H2、D1H3分别高91.48、72.82、71.57、81.69、86.85mm;成熟期D2H1处理在0～200cm剖面显著高于其他处理，但在120～200cm与D1H3差异不显著。
2.4各处理阶段耗水量动态变化
由表4可知，从总耗水量来看，各处理差异不显著;从各阶段耗水量来看，拔节期到灌浆中期是主要耗水阶段，各处理占全生育期的71.36%～79.95%;拔节期—抽雄期各处理耗水量占全生育期的36.29%～41.76%，而抽雄期—灌浆中期占全生育期的29.85%～39.00%，各处理阶段性耗水量均为拔节期—抽雄期>抽雄期—灌浆中期>播种期—拔节期>灌浆中期—成熟期，由此可见，拔节期—抽雄期是夏玉米对水分反应最敏感的阶段，种植年份灌浆中期—成熟期降水量远远大于生长发育的需水量，多余降水储存在土壤中，可为下季作物种植提供部分底墒。
2.5不同处理耗水量、耗水构成和水分利用效率
由表5可知，2个密度土壤耗水量和总耗水量均为H1
3讨论
种植方式不仅可以提高各器官干物质积累，调节各器官的分配比例，提高产量和水分利用效率[16]，还可以改变群体的冠层结构和微环境，对土壤水分变化也具有显著作用，合理的行株距配置对夏玉米的生长发育具有积极作用[17-18]。土壤体积含水量的动态变化反映的是土壤实时所贮存的土壤水分，对植物的生长状况具有显著影响。河北低平原区夏玉米季满足生长发育需水量为300～375mm，主要需水阶段为抽雄期—灌浆中期阶段，大概占全生育期需水量的37.58%～56.73%[14]，李银坤等研究发现，播种期—抽雄期耗水量占全生育期耗水量的55.1%～66.0%，由此可见，拔节期—抽雄期是夏玉米对水分需求量最大的时期，而本研究各处理在拔节期—抽雄期耗水量均高于其他生长阶段，同时除D1H2在抽雄期—灌浆中期耗水量所占比例为29.85%外，其他处理变化范围为34.68%～39.00%，同时各处理耗水量范围为315.27～344.22mm，这与上述研究一致。夏玉米期间的0～160cm土壤贮水量受降雨和灌水的影响大，而在拔节期—成熟期生长耗水是引起土壤贮水变化的重要原因[19];随着行距的扩大，冠层通风透光能力增强，土壤水分蒸发加快，土壤含水量均呈下降趋势，相同土层60cm等行距与80cm+40cm大小行土壤贮水量差异不显著[20]，这与本研究拔节期—抽雄期0～40cm土壤贮水量研究结果一致。地面漫灌条件下，土壤水分主要分布在剖面0～80cm处，而且漫灌后土壤浅层水分高于深层[22]，本研究在拔节期土壤水分分布变化与上述研究结果相同。王兵等研究发现，土壤水虽然在雨季得到降雨补充，但是播种期的土壤贮水量仍然处于亏缺状态[21]，与本研究结果一致。本试验玉米播前0～40cm土壤有效贮水量仅为37mm，为田间有效持水量的32.26%。拔节期、成熟期土壤水分测定结果表明，降雨增加了土壤表层的土壤含水量，而深层含水量变化幅度较小，与樊晓波等的研究结果[22]一致。本研究还发现，造成较低的水分利用效率的原因是D2H2产量的增加与水分对产量的积极作用无显著的线性正相关性，这可能是因为80cm的大行行距造成土壤表面的无效蒸发增加，从而增加了土壤水分的无效消耗，进而导致水分利用效率降低。
4结论
土壤水分分布和水分利用效率对不同密度和行株距配置的响应具有差异性。D1、D2密度水平H1处理均具有最大的水分利用效率，分别是28.04、30.49kg/（hm2·mm），且两者差异不显著;2个密度水平水分利用效率均为H1>H2>H3。D2密度下，H2在产量上较H1高，差异不显著;而D1密度下，H1具有显著的产量和水分利用效率优势。因此，在采用等行距种植的前提下，将密度进一步提高到8.25万株/hm2，将会有较高的产量和水分利用效率，对农户的经济效益和社会生态效益具有重大意义。
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