不同灌溉方式氢、氧同位素分布与夏玉米水分利用特征

杨永辉，邬佳宾，武继承，杨先明，高翠民，潘晓莹，何 方

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南原阳 453514；3.河南省黄河流域节水农业野外科学观测研究站，河南原阳 453514；4.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020；5.河南邦友科技有限公司，郑州 450001）

0 引言

水分是决定作物产量的最活跃因素，适宜的水分和养分供应促进玉米增产[1,2]。滴灌因其供水均匀适宜，可实现作物节水增产[3]。作物水分利用一直是农业研究的热门话题，稳定氢、氧同位素可作为天然的示踪剂来追踪水在土壤中的运移信息[4,5]。利用稳定氢、氧同位素技术可确定作物不同生育期吸水利用土壤水分的深度[6]。有研究发现，不同作物对于土壤水分吸收利用的深度存在一定差异，如：滴灌条件下，紫花苜蓿主要利用了30 cm上下土层的土壤水[7]。冬小麦以利用0～20 cm[8]或0～40 cm[9]土层土壤水分为主，但不同时期，其利用不同土层水分存在一定差异[10]。在玉米前、中和后期的根系吸水深度分别为20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm[11]。前人研究结果主要因地区或灌溉方式不同而存在差异。夏玉米的生育期处在雨热充足的夏秋季，全年60%左右的降水均在夏玉米生长季，因此，在夏玉米生长过程中，定量分析其对土壤水分利用情况，以减少夏玉米的奢侈耗水和土壤水分的无效蒸发具有重要的科学意义。本研究在防雨棚人工控制灌水的条件下，利用氢、氧同位素示踪技术，开展了常规灌溉和滴灌条件下水分在土壤和作物体内的分布特征及不同土层水分对玉米产量及水分利用的贡献研究，以确定不同灌溉方式条件下灌水在土壤中的运移信息，及作物根层剖面水分的利用比例，从而进一步阐明不同灌溉方式下夏玉米的节水、增产与水分利用机理，促进农业水资源的高效利用和持续稳定发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究设置在农业部原阳科学观测试验站，其地处黄河北岸新乡市原阳县南部的河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地内，位于107国道与郑焦高速公路的夹角地带，平均海拔85 m，年均气温14.3℃，年均降水量556 mm，全年无霜期227 d。试验地土壤为壤质潮土，肥力均匀，地势平坦，耕层有机质12.6 g/kg、全氮1.08 g/kg、速效氮80.1 mg/kg、速效磷18.2 mg/kg、速效钾120.9 mg/kg。该区种植方式为小麦、玉米轮作。

1.2 研究方案

本试验在防雨棚中进行，设置灌水量为15 mm/次、30 mm/次、45 mm/次，设置灌水方式为：小白龙（常规）和滴灌，即各处理分别为：X1、X2、X3和D1、D2、D3。根据土壤水分及作物生长情况，在玉米播种前（6月12日）进行40 mm的统一灌水以确保防雨棚中玉米正常出苗与生长。根据设置的灌水定额分别在玉米拔节期（7月16日）和灌浆期（9月10日）进行灌水。玉米全生育期均采用人工灌水，没有降雨进入观测小区，全生育期灌水3次，即播种前、拔节期和灌浆期。玉米氮肥（N）用量为240 kg/hm2，磷肥（P2O）为135 kg/hm2，钾肥（K2O）为150 kg/hm2。氮肥60%与全部磷钾肥底施。分别于拔节期（氮肥25%）和灌浆期（氮肥15%）进行追肥与灌水。灌水3～4 d后分层（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）采集土样放于铝盒中测定土壤水分。同时，将分层采集的0～100 cm土层的部分土壤和地下植物根系分别放入10 mL的采集瓶中并密封，带回室内分析植株根系稳定氢、氧同位素丰度。在实验室内利用低温真空抽提系统抽提土壤和根系中的水样，将抽提的水样密封于玻璃瓶中冷藏待测氢、氧同位素丰度。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 净光合速率测定

在玉米灌浆期（2021年9月13日）选择晴朗无风的天气于9∶30-11∶00采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合仪测定玉米穗位叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，并计算叶片水分利用效率LWUE[13]：

式中：LWUE为叶片光合速率；Pn为净光合速率；Tr为蒸腾速率。

1.3.2 不同土层土壤水分贡献率

采用IsoSource软件[12]进行不同土层土壤和植物根系中的同位素分析，从而获得玉米对不同土层土壤水分的利用特征。利用IsoSource软件进行计算，计算原理基于稳定同位素的质量守恒，按照指定的增量叠加运算出所有可能的百分比组合，那些处于给定的容差范围内的可能组合被认为是可行解，在所有可行解中，对不同土层水分贡献百分比出现的频率进行分析，从而得到各个土层水分贡献率与频率的曲线，从而最终确定各个土层水分对玉米根系吸水的贡献率。

该模型原理是按照指定的增量范围叠加运算出所有可能的百分比组合，组合数量为：

式中：N为组合数量；i为增量；s为水分来源数量。

1.3.3 土壤水分测定与水分利用效率

在玉米拔节期（7月16日）、灌浆期（9月13日）和收获期（9月30日），采用土钻获取0～100 cm土层（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）土壤，放入烘箱中105℃烘24 h，测定含水量，进而得知0～100 cm土层土壤储水量。并计算作物生育期耗水量与水分利用效率。

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为作物籽粒产量，kg/hm2；ET为作物生育期内耗水量，mm；W为播种前土壤储水量，mm；I为生育期内灌水量；H为收获时土壤储水量，mm。

1.4 数据处理

光合参数为9次重复（在每处理3个重复内分别测定3次样品）的平均值，其他结果为3次重复的平均值，且所得的数据应用SPSS 19.0进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式作物不同生育期氢氧同位素土壤剖面分布特征

当作物根系中水分稳定δ18O、δD同位素组成与土壤的某一层中水分稳定δ18O、δD同位素组成相同时，可认为作物根系吸收的水分主要来于此层土壤[14,15]。从图1可知，在玉米拔节期，常规灌溉条件下中、高灌水量土壤δ18O、δD同位素含量随土层的加深逐渐较低，且无论灌水多寡，土壤δ18O、δD同位素含量曲线与根系δ18O、δD同位素曲线均交于10 cm左右，说明在常规灌溉条件下，在玉米拔节期根系主要吸水层为0～10 cm土层。

图1 玉米拔节期常规灌溉灌水后氢氧同位素分布特征Fig.1 Characteristics of hydroxide isotopic distribution after conventional irrigation during jointing stage of maize

在滴灌条件下（图2），随灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量逐渐增加。土壤δ18O、δD同位素含量曲线与根系δ18O、δD同位素曲线交于10 cm、18 cm和13 cm左右，说明在滴灌条件下，在玉米拔节期随灌水量的增加，其根系主要吸水层表现为先增加再降低的趋势，中等灌水条件（D2）其根系吸水层最深，达到18 cm左右。

图2 玉米拔节期滴灌灌水后氢氧同位素分布特征Fig.2 Characteristics of hydroxide isotopic distribution after drip irrigation during jointing stage of maize

从图3可知，到玉米灌浆期，在常规灌溉条件下，随灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量均呈降低趋势。在中、低灌水条件下，根系δ18O、δD同位素含量曲线与土壤中的含量曲线交于25 cm、50 cm和85 cm；在高条件下，二者曲线交于45 cm、65 cm和80 cm。说明到玉米生长的后期，根系下扎较深，这更利于其吸收利用深层土壤的水分。

图3 玉米灌浆期常规灌溉灌水后氢氧同位素分布特征Fig.3 Characteristics of hydroxide isotope distribution after conventional irrigation during filling period of maize

从图4可知，在滴灌条件下，随灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量呈增加趋势。在低灌水条件下，根系δ18O同位素含量曲线与土壤中的含量曲线交于35 cm和55 cm之间；在中水条件下，二者曲线交于50 cm和75 cm；在高水条件下，二者δ18O同位素含量曲线交于10 cm、45 cm和55 cm。而δD同位素含量与δ18O同位素含量在土壤剖面中的变化并不一致。说明到玉米生长的后期，根系逐渐吸收利用深层水分，中等灌水量处理的根系吸收利用了更深土层的水分。

图4 玉米灌浆期滴灌灌水后氢氧同位素分布特征Fig.4 Characteristics of hydroxide isotope distribution after drip irrigation during filling period of maize

2.2 不同灌溉方式玉米不同生育期土壤储水量变化特征

从图5可知，拔节期的土壤储水量明显高于其他时期，且随灌水量的增加土壤储水量呈增加趋势。整体来看，除收获期低水处理外，滴灌处理的土壤储水量均高于传统灌溉，这与其减少了地面无效蒸发和促进了作物对水分的有效利用有关。

图5 玉米不同生育期土壤储水量变化特征Fig.5 Characteristics of soil water storage in different growth sages of maize

2.3 不同灌溉方式玉米不同生育期不同土层耗水贡献率与耗水特征

玉米不同生育期不同土层耗水贡献率如表1所示。在玉米拔节期，均以0～20 cm土层的水分贡献比例最大，达60%以上。在D1条件下，60～80 cm土层的贡献比例为21.4%，在D2条件下，20～40 cm土层的贡献比例为23.8%。到灌浆期，不同土层对玉米耗水的贡献比例差异显著。在X1、X2、X3、D1、D2和D3、条件下，分别以20～40 cm、0～20 cm、40～60 cm、40～60 cm、60～80 cm和40～60 cm土层贡献率最大，达35.3%、49.2%、59.5%、52.8%、69.3%和66.9%。与常规灌溉相比，滴灌条件下更利于促进根系对40 cm以下土层水分的利用，从而减少水分的无效蒸发。

表1 玉米不同育期不同土层耗水量贡献比例 %Tab.1 Contribution proportion of water consumption of different soil layers in different growth stages of maize

从表2可知，随生育期的推进，玉米的日耗水量明显增加，灌浆-收获期的日耗水量明显高于其他生育阶段，且随灌水量的增加而增加，而滴灌低于传统灌溉。说明，滴灌更利于降低作物耗水量，提供作物有效的水分以供其正常生长。

表2 不同灌溉方式不同灌水量对玉米日耗水量的影响Tab.2 Effect of different irrigation methods on the daily water consumption of maize

2.4 不同灌溉方式玉米灌浆期光合生理特征

从表3可知，在两种灌水条件下，随灌水量的增加，玉米的光合速率和叶片水分利用效率均表现为先增加而后降低的趋势。而其气孔导度没有明显差异。常规灌溉条件下，玉米叶片蒸腾速率没有明显差异，而滴灌条件下，随灌水量的增加，其蒸腾速率表现为先增加再降低的趋势。整体来看，不同处理中，均以滴灌条件下，中等灌水量的光合速率、蒸腾速率、气孔导度及叶片水分利用效率最高。与常规灌溉相比，滴灌更利于提高玉米的光合速率和叶片水分利用效率。

表3 不同灌溉方式不同灌水量对玉米灌浆期光合生理特征的影响Tab.3 Effects of different irrigation volume under differentirrigation methods on photosynthetic physiological characteristics in filling stage of maize

2.5 不同灌溉方式对玉米不同生育期生物量的影响

从图6可知，随生育期的推进，玉米地上生物量均呈明显增加趋势。随灌水量的增加，玉米的地上生物量明显增加。在拔节期，中、高灌水量的地上生物量明显高于低灌水量处理。在灌浆期，除高水处理，常规灌溉的中、低灌水处理的生物量均高于滴灌。但到收获期，滴灌各灌水处理的生物量均高于常规灌溉。

图6 玉米不同生育阶段生物量Fig.6 Maize biomass at different growth stages

2.6 不同灌溉方式对玉米成产要素及水分利用的影响

从表4可知，随灌水量的增加，玉米穗长、穗粗、双行粒数及产量和水分利用效率均表现为先增加再降低的趋势，以中等灌水量（X2和D2）的结果最优，且滴灌优于常规灌溉。但玉米全生育的耗水量随灌水量的增加而增加，常规灌溉条件下玉米耗水量高于滴灌。说明，滴灌可有效减少土壤水分的消耗，从而提高作物的水分利用效率，实现节水增产。

表4 不同灌溉方式不同灌水量对玉米生长、产量及水分利用的影响Tab.4 Effects of different irrigation volume under different irrigation methods on the growth,yield and water use of maize

2.7 玉米不同生育期不同土层水分贡献率与其产量及水分利用效率的相关性分析

从表5可知，玉米不同生育期不同土层水分贡献率与其产量及水分利用效率存在一定的相关关系。在玉米生长过程中，拔节期20～40 cm土层的水分对产量的贡献率最高，与其产量呈显著正相关；而该时期60～80 cm和80～100 cm土层的水分贡献率与玉米水分利用效率呈显著正相关。到灌浆期，60～80 cm土层的水分对产量的贡献率最大，与其产量呈显著正相关；而40～60 cm和80～100 cm土层的水分贡献率与玉米产量呈显著负相关；40～60 cm土层的水分贡献率与玉米水分利用效率呈显著负相关。

表5 玉米不同生育期不同土层水分贡献率与其产量及水分利用效率的相关性Tab.5 Correlation between water contribution rate of different soil layers and its yield and water use efficiency

3 结论与讨论

通过研究不同灌溉方式对土壤水分稳定δ18O、δD同位素在土体和根系中的丰度含量分布，可确定水分进入土体不同土层与作物根系吸收利用的关系[14]。同时分析作物生长过程中的干物质积累量，耗水量与耗水强度及作物光合生理特征，从而探明基于稳定δ18O、δD同位素示踪的作物增产与水分高效利用的机理。

通过研究发现，在拔节期，在常规灌溉条件下，无论灌水量多寡，土壤稳定δ18O、δD同位素含量曲线与根系稳定δ18O、δD同位素曲线交于10 cm左右，说明在玉米拔节期，根系主要吸水层为0～10 cm土层。而滴灌条件下，随灌水量的增加，其根系主要吸水层表现为先增加再降低的趋势，中等灌水条件其根系吸水层最深，达到18 cm左右。到灌浆期，在中低灌水条件下，根系稳定δ18O、δD同位素含量与土壤中的含量交于25 cm、50 cm和85 cm；在高水条件下，二者曲线交于45 cm、65 cm和80 cm。在滴灌条件下，在低灌水条件下，根系δ18O同位素含量曲线与土壤中的含量曲线交于35 cm和55 cm之间；在中水条件下，二者曲线交于50 cm和80 cm；在高水条件下，二者曲线交于10 cm、45 cm和55 cm。说明到玉米生长的后期，根系吸水层进一步加深，根系下扎较深，从而更利于其吸收利用深层土壤的水分。

利用IsoSource模型研究发现，在玉米拔节期，均以0～20 cm土层的水分贡献比例最大，达60%以上，这与王鹏等[16]和Wu等[17]研究结果一致。在滴灌15 mm/次和30 mm/次条件下，60～80 cm和20～40 cm土层的贡献比例分别占21.4%和23.8%。到灌浆期，在滴灌和常规灌溉处理中，分别以40～60 cm、60～80 cm、40～60 cm、20～60 cm、0～20 cm和40～60 cm土层贡献率最大，达52.8%、69.3%、66.9%、35.3%、49.2%和59.5%。这与朱元浩等[18]研究的灌浆期主要利用了0～20 cm土层水分的结果有所差异，这可能因土壤类型或灌溉方式不同所致，需要进一步研究。

在玉米关键生育期，其土壤储水量均随灌水量的增加而增加，且滴灌高于常规灌溉。随生育期的推进，玉米的日耗水量明显增加，灌浆-收获期的日耗水量明显高于其他生育阶段，且随灌水量的增加而增加，而滴灌低于常规灌溉。说明，滴灌湿润土壤过程中减少了水分灌溉面积，湿润了根际土壤，减少了土面水分的无效蒸发，且降低了作物奢侈耗水，改善了农田小环境，从而有利于提高作物的光合作用和灌溉水利用率[19]。光合作用是干物质生产的基础[20]，灌浆期较高光合能力是提高作物产量的重要途径[21]。本研究发现，与常规灌溉相比，滴灌更利于提高灌浆期玉米的光合速率和叶片水分利用效率，从而促进了玉米的干物质积累[22]，提高了玉米行粒数和百粒重，而对穗粗和行数无显著影响，而行粒数和百粒重的增加，是导致产量提高的主要因素。说明，在作物的关键生长期，合理灌溉可有效改善作物生长的土壤环境[23,24]和成产要素，从而促进增产。

与常规灌溉相比，随灌水量的增加，滴灌玉米产量分别较常规灌溉对应灌水量处理提高了21.7%，5.3%、14.9%，水分利用效率提高了26.8%、9.2%和20.0%。低灌水量（4 809.8 kg/hm2）的产量虽然低于中、高灌水量的产量（6 781.3 kg/hm2和4 964.5 kg/hm2），但其水分利用效率却较高，为38.3 kg/（mm·hm2），说明玉米产量与水分利用效率不具有同步性，较高产量需要消耗更多的水分[25]，相对干旱可获得较高水分利用效率[26]。但综合来看，滴灌条件下适量灌水在显著提高了玉米产量的同时，其水分利用效率也相应提高，不同灌水模式中，以滴灌30 mm/次的效果最优。相关性分析表明：玉米拔节期20～40 cm土层水分和60～80 cm土层水分对提高玉米的产量的提高更为有利，而拔节期60～80 cm和80～100 cm土层的水分对于玉米水分利用效率的提高作用更为显著。