华北地区地下滴灌春玉米出苗及生长对沟播开沟深度的响应

郭山强，莫彦，吴忠东，王建东，张彦群，龚时宏，徐明明，郭彬，沈新磊

华北地区地下滴灌春玉米出苗及生长对沟播开沟深度的响应

郭山强1,2，莫彦2，吴忠东1*，王建东3，张彦群2，龚时宏2，徐明明1,2，郭彬1,2，沈新磊4

（1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；2.中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；3.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；4.漯河市农业信息中心，河南 漯河 462000）

【】优化开沟播种技术模式，提高地下滴灌玉米出苗率及产量。在华北地区开展了春玉米田间地下滴灌试验，研究了不同开沟深度（H0处理：不开沟的平地播种；H10处理：沟深10 cm；H15处理：沟深15 cm）对土壤含水率、玉米出苗、生长和产量的影响。①种子埋设处土壤含水率随沟深增加而增大，灌35 mm的出苗水后，H10处理与H15处理种子埋设处土壤含水率分别比H0处理增大18.2%和25.7%；②H10处理和H15处理的种子出苗率均达到88%以上，分别比H0处理提高了14.6%和16.3%，差异达到显著水平（<0.05），但H10处理和H15处理间的差异不显著；③玉米株高随沟深增加而增大，茎粗随沟深的增加而减小，H10处理和H15处理的叶面积指数显著高于H0处理；④H0处理的穗长、穗直径和穗粒数比H10处理和H15处理分别平均增大1.3%、1.6%、2.5%和7.6%、2.7%、11.1%，其中穗粒数和穗长显著高于H15处理；⑤综合穗数和百粒质量，H10处理产量最高，达到12 980.0 kg/hm2，较H0处理和H15处理分别显著提高13.4%和7.5%。开沟播种技术适宜华北地区地下滴灌春玉米种植，适宜的开沟深度是10 cm。

地下滴灌；开沟播种；开沟深度；玉米出苗率；产量

0 引言

【研究意义】华北地区是我国最主要的玉米产地之一，2017年该地区玉米总产量占全国总产量的21.9%，同时也是我国水资源严重短缺的区域之一，地下水超采导致水位逐年下降，形成世界上最大的地下漏斗区，2017年农业用水量325.5亿m³，占总用水量的63.6%，占全国农业用水量的8.6%[1-3]。水资源短缺问题已极大限制了该区域经济发展的可持续性。针对华北地区农业生产用水量大、效率低的问题，响应国家在华北地区推行节水增效的战略布局，推广节水灌溉势在必行[4-6]。

目前，地下滴灌技术被认为是最节水的灌溉技术之一，滴灌带一般埋设在土壤耕作层以下，可以将水分和养分直接输送到作物根区[7]，具有提高水分利用效率、减少水分蒸发和地表径流等优点[8-10]。在地下滴灌条件下，由于重力作用，土壤水分向上运移速度低于向下的速度，加上播种前的旋耕使地表土壤变得干松，水分很难运移到种子周围[11]。在春季多风少雨的地区，表层土壤更容易失墒干燥，使地下滴灌作物出苗难上加难[12-14]。2003年，通过对新疆农六师芳草胡和新湖农场地下滴灌棉田出苗情况调查发现，地下滴灌棉田保苗株数为120 000～180 000株/hm2，而采用膜下滴灌和软管灌的棉田保苗株数为240 000～270 000株/hm2，地下滴灌棉花出苗率下降了31.3%～55.6%[15]。新疆生产建设兵团地下滴灌技术应用面积从2005年的8 000 hm2锐减至2014年的66.67 hm2[16]，地下滴灌作物出苗率低、出苗不均匀是主要因素之一。作物出苗难是阻碍地下滴灌技术大面积推广使用的科学难题之一。

【研究进展】玉米播种后，充足的土壤水分是玉米种子萌芽过程中一系列的生化反应的决定因素。在春旱严重地区，经常通过灌大量的出苗水或者在种子萌发期及幼苗期增设一套喷灌或者地面灌系统来保障作物出苗的需水需求，但灌水过量会导致水分的深层渗漏，而增设其他灌溉系统则会增加系统投入，使玉米、小麦等大田粮食作物经济回报率低[17-18]。有学者认为深播可以帮助种子避开表层干土，改善种子萌发时周围土壤的水分环境，但播种深度的增加会加大种子萌发破土所需要的能量[19-21]，加快自身贮藏物质的消耗，虽然能出土，但幼苗活力弱，经不起恶劣环境的影响，反而造成减产，更严重的会造成幼苗无力顶出土面而死亡。若采用滴灌带浅埋的办法可以解决作物出苗期灌水难的问题，但该方法适用于免耕系统[22]或者诸如苜蓿等多年生作物[23]，对于玉米、棉花等作物仍然需要每年更换滴灌带。一些学者建议将地下滴灌带放置在不透水材料上来促进水分上移，但此方式使用效果褒贬不一，且施工难、成本高[24-25]。莫彦等[26]提出了一种能促进地下滴灌玉米出苗和生长的新型播种方式—开沟播种，通过使用改造后的开沟犁可先形成深10 cm的梯形沟槽，接着将种子播种在沟底向下5 cm处。该播种方式最主要的优势是能缩短种子和滴灌带的间距，在较少的出苗水灌水量下（25 mm），玉米出苗率达到了91%。相比于传统的平地播种，出苗率和产量分别提高了15.2%和14.8%。【切入点】基于考虑机械开沟对土壤质地的要求以及玉米种子萌发对土壤温度的需求，开沟深度设置为10 cm，而鉴于华北地区的气候和土壤条件实际情况，开沟播种技术是否适宜华北地区的地下滴灌玉米种植需要研究，而出苗率能否可以通过增加开沟深度来获得进一步提高值得探索。

【拟解决的关键问题】为此，基于地下滴灌大田试验，探究传统平地播种条件下不同开沟深度对玉米出苗和生长的影响，以期为地下滴灌开沟播种技术在华北地区春玉米生产中推广使用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

地下滴灌田间试验于2018年在国家节水灌溉工程技术研究中心大兴试验基地进行（116°15'E，39°39'N，海拔31.3 m），该地属于暖温带半湿润大陆季风气候区，多年平均温度11.6 ℃，平均降水量556 mm，年内降水时间分布不均匀，70%～80%的降水量集中在7—9月，而在玉米出苗期和苗期的4—6月降水量很少。在本试验进程中的玉米出苗期（5月18—31日）无有效降水量。试验用地土壤为粉壤土，0~100 cm土层平均土壤体积重量为1.41 g/cm3，田间持水率为0.33 cm3/cm3，有机质量为12.17 g/kg，全氮量为1.00 g/kg，有效磷量和有效钾量分别16.9 mg/kg和123.6 mg/kg。

1.2 试验设计与材料

选取的玉米品种“巡天1101”为密植型品种，适合中等肥力以上地块种植密度为75 000～82 500株/hm2，株型紧凑，株高2.53 m左右。本试验使用宽窄行（80 cm×40 cm）种植，滴灌带布设于窄行中央（图1）。玉米种植株距为22.5 cm，种植密度为77 558株/hm2。滴灌带（NATEFIM）直径为16 mm，壁厚0.38 mm，埋深30 cm，铺设间距1.2 m，滴头流量1.35 L/h，滴头间距30 cm，每个小区共埋设5条滴灌带。

图1 玉米种植田间处理

综合考虑土壤质地、土壤积温、玉米行距等因素，试验设置3个开沟深度处理：0 cm（H0处理）、10 cm（H10处理）和15 cm（H15处理），其中，H0处理为传统不开沟的平地播种处理。每个处理设置3个重复，共9个小区，小区面积5.2 m×17 m，随机布置。在播种前首先人工撒施底肥，随后进行深20~25 cm的旋耕并压实表层土壤，接着按照试验处理使用开沟犁进行人工开沟，分别形成沟深10 cm和15 cm的沟槽，最后用滚轮播种器将种子埋播于沟底（H10处理和H15处理）或平地（H0处理）以下5 cm处。播种后，H0、H10、H15处理的种子相对于原状土表的垂直间距分别为5、15 cm和20 cm，相对于滴灌带的垂直间距分别为25、15 cm和10 cm。在玉米播种后第2天进行出苗水灌溉，参考莫彦等[27]研究成果，各处理的出苗水灌水量均设为35 mm。

各生育期的时间节点以及灌水施肥情况见表1，全生育期124 d。生育期内每次灌水量不超过35 mm，5 mm灌水量为施肥灌水需求，全生育期总灌水量为102 mm，纯氮、有效磷（P2O5）和有效钾（K2O）施用量分别为240.0、67.5 kg/hm2和94.5 kg/hm2，其中，20%的纯氮、50%的P2O5和30%的K2O作为底肥施入，其余的作为追肥随水施入。当作物根层的土壤体积含水率为田间持水率的70%～75%时进行灌溉，以田间持水率的100%作为灌水上限计算灌水量。

表1 玉米生育期及灌溉施肥情况

1.3 测定项目及计算方法

1）出苗率和出苗时间

自播种之日起每天观察各个处理玉米的出苗情况，每个小区选取3 m×6 m为调查范围，记录其出苗时间和出苗率。出苗率=出苗数/播种数×100%（出苗数：以幼苗出土2 cm左右为出苗标准），出苗天数为出苗率达到50%所需要的时间。

2）土壤含水率

利用剖面土壤水分传感器（TRIME-PICO-IPH）监测种子相同深度处及下方10、25、45、65 cm和85 cm土壤体积含水率，每5~7 d测定1次；在每次灌水前后和降水前后进行加测。同时，利用土钻取土，采用烘干法测量土壤含水率对土壤水分传感器所采集的数据进行校正。TRIME管安装在沿垄向2株玉米间（图1）。

3）生长指标

各小区选取代表性植株10株挂牌标记，在各生育期用游标卡尺测量每株玉米的茎粗（离地面2 cm处），用直尺测定每株玉米的株高（抽穗前为地面至最高叶尖的垂直距离，抽穗后为地面至植株穗顶的垂直距离）以及所有有效叶片的长和宽，计算叶面积指数（leaf area index，），计算式为：

(,)， （1）

式中：为叶面积指数；为单株作物所占地面积（cm2）；(,)为由叶长和叶宽计算出的单株叶面积的函数。

4）产量及产量构成

在玉米生理成熟后，每个小区去掉边行，选取中间6行玉米，测定穗数、穗长、穗直径和穗粒数，风干后脱粒，测定百粒质量和含水率，产量折算为14%质量含水率的标准质量。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据用Excel 2010与Origin 2019进行整理和图表绘制，用SPSS 16.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤水分和玉米出苗率

表2为各处理玉米出苗率及灌水前后种子埋设处土壤体积含水率。由表2可知，出苗水灌水前，开沟深度越深，种子埋设处的土壤含水率越高。H10处理与H15处理分别比H0处理增大30.5%和50.2%。与灌水前相比，灌出苗水后H0、H10处理和H15处理种子埋设处土壤含水率的增幅分别为29.5%、17.2%和8.4%。H15处理分别比H0处理和H10处理增大25.7%和6.4%，H10处理比H0处理增大18.2%。

表2 不同开沟深度处理玉米出苗率及灌水前后种子埋设处土壤体积含水率

注 同列不同小写字母表示不同处理间差异显著（<0.05）。

玉米出苗率变化趋势和种子埋设处土壤含水率变化趋势一致，随开沟深度的增加而增大。与H0处理相比，H10处理和H15处理玉米出苗率分别提高14.6%和16.3%，差异达到差异显著性水平（<0.05）。H15处理比H10处理的玉米出苗率提高1.5%，但差异不显著。

对于不同开沟深度处理，各层土壤含水率在整个生育期内的变化规律基本一致，从种子埋设处到种子下方45 cm处的土壤含水率变化幅度最大，种子下方65 cm到种子下方85 cm处的土壤含水率变化逐渐平缓（图2）。

种子下方不同相对位置土层的土壤含水率受开沟深度的影响显著。从播种期到玉米拔节期（5月18日—6月9日），对于种子埋设处和种子下方10 cm处的土壤含水率，3个开沟深度变化规律为H15处理>H10处理>H0处理，相比于H0处理，H15处理和H10处理在种子埋设处的土壤含水率分别平均增大了28.4%和18.2%，在种子下方10 cm处分别平均增大8.6%和5.0%；对于种子下方25 cm到种子下方85 cm处的土层，3个开沟深度变化规律为H0处理>H10处理>H15处理，相比于H10处理和H15处理，H0处理分别平均增大9.1%和11.3%，且随着土层深度的增大而增大。

从拔节期到抽雄期（6月10日—7月6日），各处理土壤含水率变化规律与播种期—拔节期相似

从抽雄期到收获期（7月7日—9月14日），对于种子埋设处和种子下方10 cm的土层，不同开沟深度处理的土壤含水率差异逐渐减小，但对于种子下方25 cm到种子下方85 cm的土层，不同开沟深度处理的土壤含水率的差异逐渐增大，H0处理分别比H10处理和H15处理平均增加10.8%和13.2%。

图2 不同开沟深度下土壤体积含水率变化

2.2 玉米株高、茎粗和叶面积指数

由图3（a）所示，不同处理玉米株高在VE（出苗期）至V3变化缓慢，在V3—V6增长迅速，在R2（灌浆期）后趋于稳定。除了V6和VT（抽雄期），H15处理的株高均高于H0处理和H10处理，尤其在V3期，H15处理的株高分别比H0处理和H10处理高45.5%和7.9%，差异达到显著性水平，而在其他生育期，3个处理株高没有显著性差异。

由图3（b）可以看出，各处理的茎粗均在VT期达到最大值，随着玉米生育期的进行，茎粗开始减小，各处理玉米茎粗的减小幅度变化规律为H15处理>H10处理>H0处理。除了V3期，玉米茎粗随开沟深度的变化趋势与株高相反，具体表现为H0处理>H10处理>H15处理。R2期，H15与H10处理的茎粗分别比H0处理显著减小11.4%和9.3%；在R6期，H15处理的茎粗比H0处理显著减小15.3%。

图3（c）显示玉米在VE—R2期处于持续增长阶段，且随开沟深度增加而增加。其中，在V6和R2期，H10处理和H15处理分别比H0处理显著增大19.4%、31.9%和22.3%、25.0%。在R2期后，开始下降，其中H15处理下降幅度最大，R6生育期较R2生育期降低了19.0%。

图3 生育期内玉米的生长特征

2.3 玉米产量、产量构成要素及穗性状

玉米产量与百粒质量随开沟深度的变化规律表现一致，均为H10处理＞H15处理＞H0处理（表4）。H10处理最高产量达到12 980.0 kg/hm2，较H0处理显著提高了13.4%，与H15处理相比提高了7.5%，其百粒质量分别比H0处理和H15处理高6.0%和4.2%，但差异没有达到显著水平。对于穗数指标，和出苗率一致，随着开沟深度的增加而增加，H10处理和H15处理的穗数均显著高于H0处理。对于穗粒数、穗长和穗直径，均随着开沟深度的增加而减小。H10处理的穗粒数、穗长和穗直径分别比H0处理减少了2.5%、1.3%和1.6%，H15处理与H0处理相比分别减少了10.0%、7.1%和2.6%，与H10处理相比分别减少了7.8%、5.9%和1.1%。其中，H15处理分别与H0处理和H10处理在穗粒数和穗长上的差距均达到显著水平（<0.05），但H0处理和H10处理之间没有显著性差异。3个开沟深度处理对穗直径的影响均没有达到显著性差异。

表4 不同开沟深度处理下玉米产量、产量构成要素及穗性状

注 同列不同小写字母表示不同处理间差异显著（<0.05）。

3 讨论

开沟播种技术可以改善种子播种埋深处土壤水分状况，提高地下滴灌玉米出苗率，达到增产的效果。开沟深度是开沟播种方式的重要技术参数，从试验结果看，开沟深度对土壤含水率、玉米出苗率和生长状况、产量及穗性状均有影响。

开沟播种能将表层干松土壤移开，形成了湿润的梯形沟槽，沟深越大，由于距地下滴灌供水位更近，沟底土壤含水率越高，故在播种后，H10处理和H15处理分别比H0处理高30.5%和50.1%。开沟深度越大，种子与滴灌带之间的距离越小，水分越容易运移到种子埋播位置，H10处理和H15处理的种子与滴灌带间距分别比H0处理处理减小10 cm和15 cm，因此在相同的出苗水灌水量条件下，种子埋设处土壤含水率随沟深增加而增大。此外，在种子下方10 cm处的土层中，土壤含水率随开沟深度增大而增加；但在种子下方25~85 cm的土层中，土壤含水率则随开沟深度增加而减小，尤其是种子下方25 cm的土壤含水率，在整个生育期中，H0处理的土壤含水率分别比H10处理和H15处理增大8.8%和12.8%。对于H0处理，在种子下方25 cm处土层的水分监测点正好处于滴灌带置，而该土壤水分监测点在H10处理与H15处理中与滴灌带的垂直距离分别为10 cm和15 cm，故对于种子下方25~85 cm的土壤含水率会随着开沟深度的增加而减小，但随着土层深度的增加，水分向下运移量减小，3个处理间的差距逐渐减小。

在玉米整个生育期，每次灌水结束后，种子埋设处到种子下方45 cm处的土壤含水率增加幅度较大，从种子下方45 cm处开始，土壤含水率变化幅度减小。这说明在粉壤土质条件下，当滴灌带埋深30 cm，灌水量小于35 mm时，可以将土壤湿润范围控制在玉米根系生长活跃区内，即10~60 cm[19]，能提高水肥利用效率。在本研究中，玉米出苗率随开沟深度的增加而增大，其变化趋势与种子相同深度处的土壤含水率相同。与马树庆等[28-29]研究结果一致。

茎粗减小的主要原因有种子质量、群体密度、营养元素缺乏以及生长环境困难等，在严峻的环境下，植物会缩小自身个体，减少资源摄取以尽量完成生活史。叶面积指数（）是衡量玉米群体光合能力的重要指标之一，合理的能改善玉米群体结构，优化农田小气候，增强透光性和透气性，从而促进光合作用和提高产量[30-31]。李娜等[30]研究发现，在适宜的种植密度下（60 000~80 000株/hm2），会随着密度的增加而不断增大。本试验中，玉米株高和随开沟深度的增加而增大，茎粗却随开沟深度的增加而减小的结果与其结论一致。

当玉米种植密度超过一定值时，会造成穗变短变细、穗粒数减少。如Schlegel等[32]研究表明，当种植密度由56 000株/hm2增加到80 000株/hm2时，穗粒数由545降低到440。在本试验中，虽然玉米穗粒数随开沟深度增大而减小，但H10处理和H15处理玉米产量分别比H0处理高13.4%和5.3%，这可能是由于较高的出苗率带来的群体优势弥补了穗粒数下降带来的影响。本试验中虽然H15处理出苗率最高，但H10处理穗粒数和百粒质量均高于H15处理，其中穗粒数的差异达到显著性水平，因此H10处理获得了最高产量。此外，开沟深度过大可能会带来较低的土壤积温和较大的土壤体积质量，进而阻碍植株和根系的生长发育，也会造成H15处理产量下降，同时较大的开沟深度还会增加机械作业耗能和难度[24]。综合上述因素，在华北地区粉壤土中，当滴灌带埋深为30 cm，地下滴灌开沟播种的开沟深度为10 cm是较为适宜的。

4 结论

1）播种后灌出苗水前以及灌相同量的出苗水后，沟深对种子埋设处土壤含水率均有显著影响，变化规律均表现为H15处理＞H10处理＞H0处理，H10处理与H15处理种子埋设处土壤含水率分别比H0处理增大18.2%和25.7%。

2）玉米出苗率、株高和叶面积指数等生长指标随沟深的增加而增加，茎粗随沟深的增加而减小。

3）H10处理和H15处理的穗粒数、穗长、穗直径均显著低于H0处理，但综合考虑穗数和百粒质量，H10处理的玉米产量表现最高，达到12 980 kg/hm2。

4）对于华北地区玉米地下滴灌，开沟播种技术可以提高玉米出苗率和产量，在土壤质地为粉壤土、滴灌带埋深为30 cm时，综合考虑土壤积温和机械作业等因素，适宜的开沟深度为10 cm。

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The Effects of Furrow Depth in Alternate Row Planting on Germination and Yield of Spring Maize under Subsurface Drip Irrigation in North China Plain

GUO Shanqiang1,2, MO Yan2, WU Zhongdong1*, WANG Jiandong3, ZHANG Yanqun2, GONG Shihong2, XU Mingming1,2, GUO Bin1,2, SHEN Xinlei4

（1. School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China; 2. Institute of Water Resources, China Academy of Water Resources and Hydropower, Beijing 100048, China;3.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081, China; 4. Luohe Agricultural Information Center, Luohe 462000, China）

【】Subsurface drip irrigation (SD1) is a water-saving technique but difficult to keep the surface soil moist to ensure seed germination in drought-prone areas. Alternate row planting (AP) combined with the raised bed has been developed as an effective cultivation to moisten the surface soil. The purpose of this paper is to experimentally investigate the suitable furrow depth to improve seedling emergence and sustain crop yield.【】We took spring maize as an example and used the variety Xuntian 1102 as the model plant. The field experiment was conducted from May 2018 to September 2018 in the National Water-saving Irrigation Engineering Technology Research Center at Daxing, Beijing. The depth of the furrows was 0 (CK), 10 cm (H10) or 15cm (H15). In all treatments, the seeds were drilled to 5 cm deep from the soil surface and the irrigation amount prior to seedling emergence was 30mm, same in all treatments. During the experiment, we measured the changes in soil moisture, seedling emergence and the ultimate yield in each treatment.【】Alternate row planting combined with the raised bed significantly increased soil moisture at the drilling points to facilitate seed germination. Compared to CK, irrigating 35 mm of water prior to seedling emergence in H10 and H15 increased soil moisture in the region proximal to the seeds by 18.2% and 25.7%, respectively. The improved soil moisture increased the seedling emergence rate to more than 88% in both treatments, equivalent to a14.6% (H10) or 16.3% (H15) increase over the CK (<0.05). The plant height and stem diameter both increased with the furrow depth, and the leaf area index in H10 and H15 was significantly higher than that in H0 (<0.05). The ear length, ear diameter and ear number in H10 were 6.8%, 4.5% and 2.2% lower than those in CK, while the associated traits in H15 were 7.6%, 2.7% and 11.1% lower than that in CK. Apart from ear length, no significant difference was identified between H0 and H15. H10 gave the highest ear number and 100-kernel weight, the highest yield -12.98 kg/hm2m which was13.4% and 7.5% increase compared to that in H0 and H15 respectively (<0.05).【】AP combined with SDI with the furrow depth being 10 cm was suitable cultivation for spring maize production in north China.

subsurface drip irrigation;alternate row planting;furrow depth; maize germination; yield

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019443

1672 – 3317（2021）08 - 0027 - 08

郭山强, 莫彦, 吴忠东, 等. 华北地区地下滴灌春玉米出苗及生长对沟播开沟深度的响应[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(8): 27-34.

GUO Shanqiang, MO Yan, WU Zhongdong, et al. The Effects of Furrow Depth in Alternate Row Planting on Germination and Yield of Spring Maize under Subsurface Drip Irrigation in North China Plain[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(8): 27-34.

2019-12-17

流域水循环模拟与调控国家重点实验室自由探索研究项目（SKL2018TS05）；国家自然科学基金面上项目（51879277）；中国水科院基本科研业务费项目（ID0145B062020）

郭山强（1993-），男，河北沧州人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail: guoqiangsdut@163.com

吴忠东（1968-），女，山东淄博人。副教授，博士，主要从事劣质水灌溉及环境效应研究。E-mail: wuzhongdong@126.com

责任编辑：白芳芳