夏玉米土壤水分布及水分利用效率對(duì)密度和行株距配置的響應(yīng)

崔婷茹　孫小諾　陳宗培　王貴彥

摘要：為研究河北省中南部平原土壤水分布及水分利用效率對(duì)不同密度和行株距配置的響應(yīng)機(jī)制，為該地區(qū)玉米合理種植提供參考依據(jù)。以鄭單958為材料，在密度D1（6.75萬(wàn)株/hm2，常規(guī)密度）和D2（8.25萬(wàn)株/hm2）條件下，設(shè)置3個(gè)行株距配置，分別為H1（60cm等行距，常規(guī)行距）、H2（80cm+40cm大小行）和H3（38cm或34.5cm勻播，行距與株距相等），共D1H1（當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植）、D1H2、D1H3、D2H1、D2H2、D2H36個(gè)處理，對(duì)各關(guān)鍵生育期的土壤體積含水量動(dòng)態(tài)分布、有效貯水量的變化、階段性耗水量及水分利用效率進(jìn)行分析。結(jié)果表明：各處理土壤體積含水量隨著剖面的加深而提高，D2H1在灌漿中期和成熟期0～200cm具有最高土壤有效貯水量;各處理階段性耗水量均為拔節(jié)期—抽雄期最高，其次是抽雄期-灌漿中期;D2H1處理在全生育期耗水量最低，成熟期實(shí)際產(chǎn)量達(dá)9612.86kg/hm2，最高水分利用效率30.49kg/（hm2·mm）。因此，從經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益來(lái)看，在等行距種植基礎(chǔ)上，可將密度提高至8.25萬(wàn)株/hm2。

關(guān)鍵詞：夏玉米;密度;行株距配置;土壤水分布;階段性耗水量;水分利用效率

中圖分類號(hào)：S513.04文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）04-0032-06

作者簡(jiǎn)介：崔婷茹（1988—），女，河北沽源人，碩士，工程師，研究方向?yàn)榧s持續(xù)農(nóng)作制度。E-mail：fengmengkes@163.com。

通信作者：王貴彥，博士，教授，研究方向?yàn)榧s持續(xù)農(nóng)作制度。E-mail：wanggy@hebau.edu.cn。

冬小麥—夏玉米1年2熟在華北平原糧食安全中具有重要作用，夏玉米種植面積和產(chǎn)量分別占該區(qū)域玉米種植的37%和35%[1-2]。糧食高產(chǎn)的同時(shí)，該區(qū)域資源性缺水一直是限制糧食增產(chǎn)的主要因素，較高的糧食產(chǎn)量需要開(kāi)采地下水進(jìn)行灌溉，尤其是河北低平原地區(qū)，深層地下水是灌溉水的主要來(lái)源，如果持續(xù)開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[3-4]。

河北平原夏玉米6月中旬播種，10月上旬收獲，該區(qū)域降水主要集中在7—9月，雖然處于雨季，但小麥?zhǔn)斋@后，土壤基本處于水分虧缺狀態(tài)，大多數(shù)年份夏玉米播種后仍需要灌溉保證玉米出苗。多種措施節(jié)水研究表明，化肥和有機(jī)肥等氮配施不僅能夠改善作物耗水特性，增加關(guān)鍵生育期水分供應(yīng)，增加高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高水氮利用效率[5];夏玉米播種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];改變?nèi)A北平原傳統(tǒng)的冬小麥—夏玉米種植結(jié)構(gòu)，引入馬鈴薯、花生等經(jīng)濟(jì)作物，可以有效地緩解水資源匱乏的現(xiàn)狀[7];周年秸稈還田可以提高土壤養(yǎng)分含量，提高作物的生物量和產(chǎn)量，進(jìn)而提高水分利用效率[8];地膜覆蓋也是有效節(jié)水措施，但研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期地膜覆蓋會(huì)給土壤可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)危害，同時(shí)壟溝地膜覆蓋栽培同樣會(huì)對(duì)土壤水分的補(bǔ)給和作物的高產(chǎn)形成負(fù)面影響[9-10];改變玉米行距與株距配置可以構(gòu)建良好的冠層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)群體產(chǎn)量的提高[11]，黃土旱塬區(qū)隨著種植密度的增加，75cm等行距春玉米產(chǎn)量和水分利用效率均高于55cm等行距，并且同時(shí)通過(guò)多年的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同行株距下土壤剖面水分垂直動(dòng)態(tài)變化顯著，但相同密度下55cm種植與75cm種植對(duì)生育期耗水量和耗水強(qiáng)度差異不顯著，但通過(guò)株行距的合理調(diào)整，玉米多年平均產(chǎn)量和水分利用效率隨著種植密度的增加而提升[12-13]。河北低平原邯鄲旱作玉米播種期-出苗期常年降水量為18.37mm，此階段玉米出苗所需18～23mm[14]，同時(shí)采用播前浸種、壟作覆膜大小行種植、采用保水劑均可以提高雨養(yǎng)旱作區(qū)玉米的出苗率，改善冠層環(huán)境，提高凈光合速率，促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累，提高土壤的貯水能力[15]。河北低平原區(qū)地下水資源日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，通過(guò)各種有效措施提高玉米光合效率，減少水分無(wú)效蒸發(fā)，提高水分利用效率是該區(qū)域玉米可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

本研究對(duì)河北省中南部平原玉米土壤水分分布和水分利用效率對(duì)行株距配置和密度響應(yīng)進(jìn)行分析，為該區(qū)域高產(chǎn)水平下夏玉米種植方式提供科學(xué)決策依據(jù)，同時(shí)為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水資源的高效利用提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2018年6—9月在河北省邯鄲市曲周縣第四疃鎮(zhèn)李莊村（115°02′E、36°86′N）進(jìn)行，平均海拔39.6m，屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，近20年年平均降水量480.56mm。試驗(yàn)地土壤為壤土，0～20cm耕層土壤養(yǎng)分狀況為：pH值7.78，有機(jī)質(zhì)含量9.60g/kg、全氮含量1.25g/kg、無(wú)機(jī)態(tài)氮含量24.09mg/kg、[JP2]速效磷含量11.61mg/kg、速效鉀含量137.6mg/kg。前茬小麥，秸稈全部還田。玉米全生育期降水量為257.3mm（圖1），>10℃以上有效積溫為2838.35℃，太陽(yáng)輻射量為1696.96MJ/m2。容重、田間持水量、凋萎含水量見(jiàn)表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為密度，副區(qū)為行株距配置。設(shè)置2個(gè)密度水平：6.75萬(wàn)株/hm2（D1）、8.25萬(wàn)株/hm2（D2）;行株距配置：60cm+60cm等行距（H1）、80cm+40cm寬窄行（H2）、34.5cm或38cm+34.5cm勻播（H3，株行距相同），共6個(gè)處理，重復(fù)3次，18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為8m×10m=80m2，南北種植。玉米品種為鄭單958，6月15日播種，10月1日收獲。施純N240kg/hm2、P2O5189kg/hm2、K2O90kg/hm2，氮肥分底肥、大喇叭口期追肥，比例為1∶2，磷肥、鉀肥作為底肥一次性施入，為保證出苗，播種后進(jìn)行灌溉75mm，其他田間管理同高產(chǎn)田。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

于拔節(jié)期（7月15日）、抽雄期（8月5日）、灌漿中期（9月10日）、成熟期（9月30日）進(jìn)行土壤含水量測(cè)定，收獲時(shí)進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定。

（1）土壤體積含水量測(cè)定。采用烘干法測(cè)定土壤0～200cm土層含水量，0～20cm每10cm作為1個(gè)土層，20～200cm每20cm作為1個(gè)土層，最終計(jì)算土壤體積含水量：體積含水量=（濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量）/干土質(zhì)量×容重×100%。

（2）產(chǎn)量測(cè)定。成熟期選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的玉米10m4行進(jìn)行實(shí)地測(cè)產(chǎn)，從中選取具有代表性的20穗帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定穗粒數(shù)、烘干測(cè)定籽粒含水量和百粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成要素。實(shí)際產(chǎn)量按籽粒標(biāo)準(zhǔn)含水量14%計(jì)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-土壤深層滲漏-地表徑流-側(cè)滲，土壤耗水量=播種前土壤貯水量-收獲后土壤貯水量，其中降雨量由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)提供，灌溉時(shí)記錄灌溉量，平原地區(qū)的深層滲漏、地表徑流和側(cè)滲一般忽略不計(jì)。土壤有效貯水量=貯水總量-凋萎含水量。

（4）水分利用效率。水分利用效率=作物籽粒產(chǎn)量/耗水量。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin9.1作圖。

2結(jié)果與分析

2.1多年夏玉米生育期降水與需水量分析

從表2可以看出，近10年來(lái)玉米季降水主要集中在7月中下旬至9月上旬，約占全生育期降水量的90.62%，同時(shí)除抽雄期-灌漿中期外，其他生長(zhǎng)階段均可以滿足生長(zhǎng)發(fā)育需求。2018年夏玉米全生育期降水量為257.20mm，僅為全生育期需水量的68.59%～85.73%。從玉米各階段需水量來(lái)看，該玉米生長(zhǎng)季播種期-拔節(jié)期、拔節(jié)期-抽雄期、灌漿中期-成熟期3個(gè)階段，降水量基本可以滿足需求，但抽雄期-灌漿中期階段降水量低于10年平均值，僅為需水量的18.27%～22.07%，遠(yuǎn)不能滿足需求，同時(shí)該生長(zhǎng)階段遭遇8d35℃以上高溫（圖1），影響了玉米正常授粉和結(jié)實(shí)。

2.2各處理0～200cm土壤體積含水量動(dòng)態(tài)變化

如圖2所示，隨著土壤剖面的下降，土壤體積含水量均呈上升趨勢(shì)，大喇叭口期之前主要消耗了0～60cm土層的水分，后期由于幾次有效降水補(bǔ)充，抽雄后下層土壤水分變化不大。拔節(jié)期D2H3處理0～40cm土壤平均體積含水量最高，這是由于出苗期—拔節(jié)期階段，降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于需水量，大部分存儲(chǔ)在土壤中;抽雄期，D2H1在60～200cm土壤含水量高于其他處理;灌漿中期，D2H1在40～140cm與抽雄期保持相同趨勢(shì)，但各處理含水量均有所降低;成熟期，各處理土壤含水量有所回升，D2H1處理0～200cm含水量顯著高于其他處理，由此可見(jiàn)，D2H1處理所形成的田間冠層結(jié)構(gòu)可有效減少水分在土壤中的無(wú)效蒸發(fā)，從而降低生育期耗水量。

2.3各處理0～200cm有效貯水量動(dòng)態(tài)變化

由表3可知，隨著生育期的推進(jìn)，各處理在0～120cm土層中的土壤有效貯水量呈先下降后上升趨勢(shì)，灌漿期最低。除D2H1和D1H2外，各處理120～200cm，有效貯水量在全生育期呈下降趨勢(shì)。抽雄期，D2H1有效貯水量在40～120cm最高，比D2H2、D2H3、D1H1、D1H2、D1H3分別高47.51、44.11、42.66、58.19、48.73mm;灌漿中期，0～40、40～120、120～200cm剖面土壤的有效貯水量均為D2H1最高，0～200cm總貯水量比D2H2、D2H3、D1H1、D1H2、D1H3分別高91.48、72.82、71.57、81.69、86.85mm;成熟期D2H1處理在0～200cm剖面顯著高于其他處理，但在120～200cm與D1H3差異不顯著。

2.4各處理階段耗水量動(dòng)態(tài)變化

由表4可知，從總耗水量來(lái)看，各處理差異不顯著;從各階段耗水量來(lái)看，拔節(jié)期到灌漿中期是主要耗水階段，各處理占全生育期的71.36%～79.95%;拔節(jié)期—抽雄期各處理耗水量占全生育期的36.29%～41.76%，而抽雄期—灌漿中期占全生育期的29.85%～39.00%，各處理階段性耗水量均為拔節(jié)期—抽雄期>抽雄期—灌漿中期>播種期—拔節(jié)期>灌漿中期—成熟期，由此可見(jiàn)，拔節(jié)期—抽雄期是夏玉米對(duì)水分反應(yīng)最敏感的階段，種植年份灌漿中期—成熟期降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生長(zhǎng)發(fā)育的需水量，多余降水儲(chǔ)存在土壤中，可為下季作物種植提供部分底墑。

2.5不同處理耗水量、耗水構(gòu)成和水分利用效率

由表5可知，2個(gè)密度土壤耗水量和總耗水量均為H1H2>H3。由于生長(zhǎng)期間降水較多，土壤耗水較少或?yàn)樨?fù)值，較多的降水使得土壤下層貯水較多，收獲后土壤貯水量大于播種前。2個(gè)密度下水分利用效率均為H1>H2>H3，表現(xiàn)出和產(chǎn)量相同、耗水量相反的變化趨勢(shì)。H2種植在D2密度下較H1種植具有一定的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，H1種植在D1密度下具有較高的產(chǎn)量和水分利用效率，顯著高于H2和H3種植;當(dāng)種植密度增大到D2時(shí)，產(chǎn)量和水分利用效率都增加，相比于傳統(tǒng)的60cm等行距種植和常規(guī)6.25萬(wàn)株/hm2密度水平（D1H1），D2H1、D2H2處理產(chǎn)量分別提高7.34%、8.91%，水分利用效率分別提高8.74%、3.28%。

3討論

種植方式不僅可以提高各器官干物質(zhì)積累，調(diào)節(jié)各器官的分配比例，提高產(chǎn)量和水分利用效率[16]，還可以改變?nèi)后w的冠層結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，對(duì)土壤水分變化也具有顯著作用，合理的行株距配置對(duì)夏玉米的生長(zhǎng)發(fā)育具有積極作用[17-18]。土壤體積含水量的動(dòng)態(tài)變化反映的是土壤實(shí)時(shí)所貯存的土壤水分，對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況具有顯著影響。河北低平原區(qū)夏玉米季滿足生長(zhǎng)發(fā)育需水量為300～375mm，主要需水階段為抽雄期—灌漿中期階段，大概占全生育期需水量的37.58%～56.73%[14]，李銀坤等研究發(fā)現(xiàn)，播種期—抽雄期耗水量占全生育期耗水量的55.1%～66.0%，由此可見(jiàn)，拔節(jié)期—抽雄期是夏玉米對(duì)水分需求量最大的時(shí)期，而本研究各處理在拔節(jié)期—抽雄期耗水量均高于其他生長(zhǎng)階段，同時(shí)除D1H2在抽雄期—灌漿中期耗水量所占比例為29.85%外，其他處理變化范圍為34.68%～39.00%，同時(shí)各處理耗水量范圍為315.27～344.22mm，這與上述研究一致。夏玉米期間的0～160cm土壤貯水量受降雨和灌水的影響大，而在拔節(jié)期—成熟期生長(zhǎng)耗水是引起土壤貯水變化的重要原因[19];隨著行距的擴(kuò)大，冠層通風(fēng)透光能力增強(qiáng)，土壤水分蒸發(fā)加快，土壤含水量均呈下降趨勢(shì)，相同土層60cm等行距與80cm+40cm大小行土壤貯水量差異不顯著[20]，這與本研究拔節(jié)期—抽雄期0～40cm土壤貯水量研究結(jié)果一致。地面漫灌條件下，土壤水分主要分布在剖面0～80cm處，而且漫灌后土壤淺層水分高于深層[22]，本研究在拔節(jié)期土壤水分分布變化與上述研究結(jié)果相同。王兵等研究發(fā)現(xiàn)，土壤水雖然在雨季得到降雨補(bǔ)充，但是播種期的土壤貯水量仍然處于虧缺狀態(tài)[21]，與本研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)玉米播前0～40cm土壤有效貯水量?jī)H為37mm，為田間有效持水量的32.26%。拔節(jié)期、成熟期土壤水分測(cè)定結(jié)果表明，降雨增加了土壤表層的土壤含水量，而深層含水量變化幅度較小，與樊曉波等的研究結(jié)果[22]一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，造成較低的水分利用效率的原因是D2H2產(chǎn)量的增加與水分對(duì)產(chǎn)量的積極作用無(wú)顯著的線性正相關(guān)性，這可能是因?yàn)?0cm的大行行距造成土壤表面的無(wú)效蒸發(fā)增加，從而增加了土壤水分的無(wú)效消耗，進(jìn)而導(dǎo)致水分利用效率降低。

4結(jié)論

土壤水分分布和水分利用效率對(duì)不同密度和行株距配置的響應(yīng)具有差異性。D1、D2密度水平H1處理均具有最大的水分利用效率，分別是28.04、30.49kg/（hm2·mm），且兩者差異不顯著;2個(gè)密度水平水分利用效率均為H1>H2>H3。D2密度下，H2在產(chǎn)量上較H1高，差異不顯著;而D1密度下，H1具有顯著的產(chǎn)量和水分利用效率優(yōu)勢(shì)。因此，在采用等行距種植的前提下，將密度進(jìn)一步提高到8.25萬(wàn)株/hm2，將會(huì)有較高的產(chǎn)量和水分利用效率，對(duì)農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)生態(tài)效益具有重大意義。

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