前茬灌溉对夏玉米灌浆特性、土壤呼吸和产量的影响研究

2022-04-14付佳祥柴春岭高惠嫣王晓玲刘宏权李晓爽

节水灌溉 2022年4期

付佳祥，柴春岭，高惠嫣，王晓玲，龙辉，刘宏权，李晓爽

（1.河北农业大学，河北保定 071001；2.衡水学院，河北衡水 053000；3.保定市水利水电勘测设计院，河北保定 071001）

0 引言

夏玉米在我国粮食中占有重要的地位，华北平原夏玉米生长季集中在6-10月，属于雨热同季，生育期内降水量约占全年降水量的70%～80%[1]，自然降水量完全可以满足夏玉米的生长。而冬小麦生育期内多年平均降雨量不足150 mm[2]，但其正常需水量约450 mm[3]，必须进行灌溉才能获得高产。华北平原的农作物的需水量远远不能通过降水来满足，粮食种植需要利用地下水进行灌溉，地下水已经严重超采[4]。冬小麦生育期进行灌水不仅可以保证其生长，还可以影响夏玉米的底墒，尤其夏玉米苗期抗旱能力不强，耗水主要以棵间蒸发为主，受播前土壤底墒影响较大，从而对夏玉米的生长产生影响[5-7]。赵鑫等[8]提出夏玉米前茬冬小麦的灌溉次数对夏玉米耗水和水分利用效率都具有显著的影响。灌浆速率受田间自然环境因素影响[9]，尤其与环境中水分的饱和亏缺程度相关。近年来，国内外许多学者对小麦的灌浆过程及灌浆特性进行了大量研究，主要是在测定小麦籽粒体积、鲜质量以及干质量变化的基础上，选择适当的数学模型进行拟合，并分析一系列的相关参数。目前研究发现，灌浆进程呈“S”形，通常选用Logistic 方程、Richards 方程和多项式回归方程对该曲线进行模拟[10,11]。水分量的变化对土壤呼吸的影响机制在于可溶性有机质、土壤的通透性、微生物与植物根系生命活动等都随土壤水分状况不同而发生相应的改变，因此水分对土壤呼吸的影响是显著的。侯慧晶等[12]研究结果表明：在夏玉米种植过程中亏缺灌溉处理导致土壤CO2排放量显着减少；何海军等[13]研究指出，在土壤水分缺乏的条件下，玉米的穗长、穗粒数、行粒数、行数、千粒质量会显著降低，最终造成玉米减产。目前灌溉对夏玉米和土壤呼吸的研究很多，但冬小麦灌溉制度对夏玉米灌浆特性、产量和土壤呼吸的研究很少。研究前茬灌溉对夏玉米的影响，对于寻找合适的灌溉制度有很大的意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019-2020年在河北省农林科学院旱作节水农业试验站进行(37°44′N，115°47′E)，供试土壤类型黏质壤土，0～20 cm 土层有机质量平均值为20.14 g/kg，全氮量1.205 g/kg，全磷量1.259 g/kg，全钾量19.318 g/kg，碱解氮量86.87 mg/kg，有效磷量14.63 mg/kg，速效钾量143.39 mg/kg，0～200 cm 平均土壤体积质量为1.40 g/m3，。试验地土壤肥力中等，地势平坦，灌溉条件好，多年种植小麦、玉米轮作。玉米供试品种为衡玉321，于2020年6月12日进行播种，底施复合肥（20-8-12）750 kg/hm2，种植行距60 cm，株距24 cm。气象数据由试验站内气象站提供，夏玉米全生育期降雨量和温度见图1。

图1 夏玉米生育期内降雨量和温度动态变化Fig.1 Dynamic changes of rainfall and temperature during the growth period of summer maize

1.2 试验方法

冬小麦季设置5 种灌溉制度，分别为W0(不灌水对照)、W1(拔节水)、W2(拔节水+扬花水)、W3(起身水+抽穗水+灌浆水)和W4(起身水+拔节水+扬花水+灌浆水)，灌水时间见表1；为保证夏玉米正常生长，于2020年6月14日对夏玉米各处理统一灌水80 mm，到收获不再进行灌水。裂区设计，每个处理设3个重复，共15个小区，小区面积67.5 m2，小区之间60 cm宽的隔离带。

表1 冬小麦春季灌水量和灌水时间Tab.1 Irrigation amount and irrigation time of winter wheat in spring

1.3 测定项目及方法

（1）籽粒干质量。玉米吐丝期开始时每小区标记吐丝时间一致的穗40 穗，吐丝后5 天开始测定，每5 d 取样1 次，每次取样取标记一致的穗3 穗，取其中部粒100 粒。先称籽粒的鲜重，然后置烘箱中经105 ℃杀青30 min，再降至80 ℃烘干至恒重，称籽粒干重。

（2）产量及构成要素。在成熟期后每小区选取中间两行40 穗进行收获，纱网袋风干，称取收获穗粒质量。数取40 穗行数、行粒数取千粒质量，并对这两行的穗数、株数、空杆数进行统计计算密度。用PM8188-A谷物水分测定仪测定籽粒含水量，折算14%安全含水量的千粒质量和产量。

（3）农艺性状。在夏玉米收获前每个小区取10 株，调查两行粒数，秃尖长，行数，穗长和穗粗。

（4）灌浆模型及参数。吐丝后的天数（t）为自变量，每次千粒重量（Y）为因变量，用Logistic 方程Y=k/（1+ea+bt）对冬小麦-夏玉米籽粒生长过程进行拟合，其中，k为灌浆结束所能达到的最大百粒重，a、b为方程的参数，通过R2表示模型拟合的优度[17]。

灌浆总天数：

最大灌浆速率：

平均灌浆速率：

（5）土壤呼吸速率及影响因子测量。土壤呼吸速率的测量采LI-8100A 便携式红外气体分析仪，配合短期气室，对夏玉米的土壤呼吸进行观测。在田行间随机选取3个样点，每个样点用PVC 环打入土层8 cm，露出地面2 cm 与短期气室紧密接触，待7 d 后PVC 环已与土壤接触紧密再开始测量。夏玉米从播种开始测量到收获，测量时间为上午9∶00-11∶00，每隔3 d采集一次数据，降雨和灌水后加测。

使用与LI-8100A 便携式红外气体分析仪配套的6000-09TC 电阻型土壤温度探针测量0～10 cm 土壤温度，土壤水分使用配套的GS-1 土壤湿度传感器和传统取土法相结合测量0～10 cm 土壤含水率，测量位置在PVC 环旁边，测量频率每隔3 d一次，每次测量时间与土壤呼吸同步。

土壤累积碳排放量计算公式如下:

式中：C为土壤累积碳排放量，g/m2，以CO2计；F为土壤碳排放速率第i次测定，μmol/（m2·s）；（Ti+1-Ti）为连续2 次测量间隔时间；n为测定的总次数，44为CO2的相对分子质量。

（6）土壤含水量在夏玉米播种前、收获后及关键生育期后期以10 cm 为一土层采集土样,采用传统取土法测定每小区0～200 cm土层(共20个土层)的土壤干重和湿重。

土壤含水量和耗水量的计算公式如下[18]：

耗水量计算：

式中：ET为作物耗水量，mm；P为有效降水量，mm；I为灌水量，mm；S为地下水补给量，mm；△W为0～200 cm 土壤水的变化量，mm；R为地表径流量，mm；D为深层渗漏量，mm。试验地点地下水埋深大于10 m，S=0；试验地点地势平坦，各小区之间有隔离，R=0；土壤水分的测定深度为2 m，在试验期间没有暴雨或特大暴雨，D=0。

1.4 数据处理

采用Excel 进行数据处理，Spss.25 数据处理系统进行方差分析、回归分析和模型拟合，作图软件采用Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 前茬灌溉对夏玉米不同生育阶段土壤贮水量的影响

表2为夏玉米试验期间不同生育阶段降水量和土壤贮水量情况。从表2可以得出，在夏玉米播种前W4 处理的土壤贮水量较W0、W1、W2 和W3 处理分别增加21.96%、12.89%、10.64%和10.59%。在夏玉米生育期内总降水量达到383.24 mm，在抽雄期之前降水112.55 mm，仅占全生育期的29.35%；拔节期-抽雄期降水14.60 mm，远远不能满足玉米在拔节期的需水量，前茬灌溉影响夏玉米土壤贮水量从而对夏玉米的生长产生影响。

表2 夏玉米生育阶段降雨量和阶段末200 cm土壤贮水量变化mmTab.2 Changes in rainfall and soil water content at the end of the growth stage of summer maize

在抽雄期-灌浆期降水92.37 mm，对夏玉米及土壤水的影响开始逐渐消失。夏玉米整个生育期W0、W1、W2、W3、W4 处理土壤水消耗分别为：-128.10、-113.49、-103.89、-87.72、-53.71 mm；总耗水量分别为：335.14、349.75、359.35、375.52、409.53 mm，夏玉米对土壤水的消耗和总耗水量随冬小麦灌溉次数的增加而增加。

2.2 冬小麦灌溉制度对夏玉米籽粒灌浆特性的影响

由图2可以看出，夏玉米季在吐丝后10 d内灌浆速率很缓慢，在15～20 d 左右先达到一个峰值，在25～35 d 达到最大峰值后逐渐降低至灌浆结束。W0 处理在25～30 d 左右达到最大峰值1.1 g/d，W1、W2、W3、W4 处理均在30～35 d 左右达到最大峰值，分别为：1.15、1.19、1.15、1.09 g/d。

图2 冬小麦灌溉制度下夏玉米吐丝后籽粒的灌浆速率变化Fig.2 Changes in grain filling rate of summer corn after silking under winter wheat irrigation system

由表3可以看出，夏玉米季各个处理的决定系数在0.991～0.995，灌浆方程的决定系数R2均达到了极显著水平，拟合度高，说明Logistic 模型能极好的模拟夏玉米的灌浆过程。分析夏玉米灌浆特征参数可以看出，灌浆总天数表现为W4＞W3＞W2＞W1＞W0，夏玉米达到最大灌浆的天数随着冬小麦季灌溉次数的增加而增加，W1、W2、W3、W4 处理较W0 处理分别延长0.01、1.33、2.07、4 d。不同处理的最大灌浆速率（Vm）和平均灌浆速率（Va）规律一致，表现为W4＜W0=W1=W3＜W2。

表3 冬小麦灌溉制度下夏玉米籽粒灌浆Logistic模型及特征参数Tab.3 Logistic model and characteristic parameters of summer maize grain filling under winter wheat irrigation system

2.3 土壤呼吸和0～10 cm土壤水热因子的动态变化及相关性分析

2.3.1 前茬灌溉下夏玉米土壤水热因子和土壤呼吸速率的变化

从图3可以看出每个处理的土壤温度变化基本一致，总体呈先上升后下降的趋势。在夏玉米的整个生育期内最高土壤温度出现在W0处理，为27.01 ℃，最低土壤温度出现在W4处理，为24.7 ℃；土壤温度的平均值随冬小麦季灌溉制度的增加而降低，W0、W1、W2、W3、W4 处理平均土壤温度依次为21.62、21.53、21.16、21.34、20.64 ℃。夏玉米生育期内未进行灌水，土壤含水量的差异主要体现在冬小麦季的土壤墒情，夏玉米播种时土壤水分如表所示，表现为W4＞W3＞W2＞W1＞W0。在夏玉米整个生育期内W4 处理土壤含水量变化范围最大，为8.75%～44.65%，W3 处理变化范围最小，为11.5%～42.9%；整个生育期土壤含水量平均值W4 处理最大（31.06%）。因在夏玉米生育期未进行水分处理，土壤含水量的变化主要受降雨量的影响，所以土壤含水率的动态变化与降雨量较为一致。

夏玉米全生育期土壤呼吸速率的动态变化从图3可以看出受土壤温度和含水率的综合影响，在灌浆期之前随着土壤含水率的下降和土壤温度的增加土壤呼吸速率呈降低的趋势，7月11日出现短暂性降低主要是因为在足够高的土壤含水率状态下7月9日降水11.8 mm 使土壤含水率达到37%～41%，抑制了土壤呼吸。在八月上旬出现降水后的瞬时增加因为降水前土壤含水率较低（11.0%～14.7%）产生“Birch”效应[19]，灌浆期—成熟期（8月15日-10月5日）土壤呼吸速率随着根系的衰老缓慢下降。不同处理平均值表现为：W0＞W3＞W1＞W4＞W2；W0、W1、W2、W3、W4 处理的土壤呼吸变化范围分别为： 2.78～10.79、 2.62～10.09、 3.1～9.66、 2.86～9.03、 2.34～9.51 μmol/（m2·s），W0处理峰值最高，W3最低。

图3 夏玉米生育期0～10 cm土壤水热因子及土壤呼吸速率动态变化Fig.3 Dynamic changes of soil hydrothermal factors and soil respiration rate in 0～10 cm soil layer of summer maize

2.3.2 土壤呼吸速率与土壤水热因子的相关性分析

如表4所示，在夏玉米全生育期内土壤温度和土壤体积含水率均会对土壤呼吸速率造成显著的影响，土壤体积含水率较土壤温度对土壤呼吸速率的影响更大。可以看出土壤呼吸速率与土壤体积含水率和土壤温度的相关系数均表现为：W0＞W1＞W3＞W4＞W2，均呈现出正相关关系；每个处理土壤呼吸速率与土壤体积含水率的相关性都达到显著状态（P＜0.05），W0、W1、W3 和W4 处理达到极显著状态（P＜0.01）；土壤呼吸与土壤温度在W0 和W1 处理相关性显著（P＜0.05），W2、W3和W4处理相关性不显著（P＞0.05）。

表4 0～10 cm土壤水热因子与土壤呼吸速率的相关性分析Tab.4 Correlation analysis between soil hydrothermal factor and soil respiration rate in 0～10 cm soil layer

2.4 前茬灌溉对夏玉米全生育期土壤累积碳排放的影响

从图4可以看出，夏玉米全生育期各个处理土壤累积碳排放量表现为：W0＞W1＞W3＞W4＞W2，W1、W2、W3 和W4 处理较W0 处理碳排放总量分别降低0.58%、2.10%、0.92%和0.94%。夏玉米整个生育期内土壤累积碳排放量W2处理最少，为2 260.74 g/m2；W0处理最多，为2 309.02 g/m2。

图4 前茬灌溉下夏玉米全生育期土壤累积碳排放量Fig.4 Soil Cumulative carbon emission during thewhole growth period of summer maize under previous irrigation

2.5 前茬灌溉对夏玉米农艺性状和产量的影响

从表5可以看出，前茬灌溉对夏玉米的秃尖、行粒数、穗长和穗粗影响不显著，对夏玉米的行数有影响。随着冬小麦季灌溉次数的增加，夏玉米的行数呈增加的趋势，W1、W2、W3 和W4 处理分别较W0 处理增加1.7%、2.0%、3.2% 和3.7%。

表5 前茬灌溉对夏玉米农艺性状的影响Tab.5 Effects of previous irrigation on agronomic traits of summer maize

玉米的产量由穗数、穗粒数和千粒重3个因素确定。由表6可以得出，夏玉米有效穗数，穗粒数，千粒重，产量各处理之间无显著性差异，除有效穗数没有明显的规律外，穗粒数，千粒重，产量均随着冬小麦季灌水次数的增加产量呈增加趋势。夏玉米的籽粒产量在W1、W2、W3 和W4 处理分别较W0处理增加2.5%、2.6%、2.7%和6.4%。

表6 前茬灌溉对夏玉米产量及构成因素的影响Tab.6 Effects of previous irrigation on yield and components of summer maize

3 讨论

在夏玉米生育前期，土壤的底墒对于夏玉米的生长有着重要的影响。侯玉虹等[14]研究得出玉米的出苗率受土壤底墒的显著影响。赵鑫等[6]研究表明由于冬小麦灌水模式不同，夏玉米播前所有农艺措施的土壤贮水量都呈现出W1＜W2＜W3＜W4的趋势；由于生育前期的降雨降水量较高，夏玉米拔节期冬小麦灌水造成的土壤贮水差异逐渐缩小，龚雨田等[15]发现在拔节期进行干旱处理的株高、穗位高、叶面积受影响较大，有明显的抑制作用。本研究表明，夏玉米播种前土壤贮水量随着冬小麦春季灌水次数的增加而增加，W4 处理较其他处理增加10.59%～21.96%；由于播种期—抽雄期降水较少，夏玉米的土壤贮水量仍表现为：W4＞W3＞W2＞W1＞W0，在抽雄期—灌浆期降水量较大，夏玉米灌浆期之后由于前茬灌溉造成土壤贮水差异消失，与前人研究结果一致。

夏玉米在W0 处理下先达到最大灌浆速率，在25～30 d 左右达到最大灌浆速率1.1 g/d；其他处理在30～35 d 左右达到最大灌浆速率，本研究结果与信志红等[16]和曾广飞[17]研究结果一致。研究表明，土壤呼吸会随灌溉量的增加而增强，当土壤含水量达到一定范围时，土壤呼吸速率会在最适含水量下达到最高值，最适含水量与田间持水量比较接近[18,19]。张语馨等[20]研究表明土壤呼吸速率与10 cm 土壤温度呈显著正相关关系；熊浩[21]和王风姣[22]等研究表明CO2排放通量与土壤充水孔隙度相关关系不明显，与土壤温度间存在一定正相关关系。研究表明[23]，灌溉可以显著增加土壤呼吸对土壤温度敏感性，但是当土壤含水量超过某个阈值，土壤呼吸对温度敏感性则会降低，本研究得出在W0 处理和W1 处理下土壤呼吸速率与土壤温度呈显著正相关，在W2、W3 和W4 处理无显著相关性。杨凡等[24]得出夏玉米地土壤CO2排放通量与土壤充水孔隙率呈指数正相关关系，相关性达显著水平，本试验得出土壤呼吸速率与土壤含水率呈极显著正相关。研究表明[25,26]，适当提高底墒水含量可显著提高夏玉米产量；本研究得出本研究得出冬小麦季灌溉制度对夏玉米千粒重影响不显著，随着冬小麦季灌溉次数的增加而增加[27],夏玉米的籽粒产量随冬小麦春季灌溉次数的增加而增加，但无显著性差异。