深松耕作下不同灌水次數對春玉米根層土壤特性及耗水規(guī)律的影響

朱文新 ，高聚林 ，，孫繼穎 ，胡樹平 ，于曉芳 ，王志剛 ，于 博

（1.內蒙古農業(yè)大學，內蒙古呼和浩特 010019；2.內蒙古農業(yè)大學職業(yè)技術學院，內蒙古薩拉齊 014100）

內蒙古西部平原灌區(qū)是我國春玉米主產區(qū)之一，在我國玉米生產中具有舉足輕重的作用。該區(qū)長期的小動力農機耕作和有機肥投入不足、化肥不合理施用，導致耕層淺、犁底層堅硬、土壤通透性差、蓄水保肥能力偏低等問題[1]，造成土壤生產能力持續(xù)下降；另外，該區(qū)屬干旱區(qū)，頻發(fā)“春旱”“伏旱”“秋旱”，而春玉米一生的需水量平均為560 mm，與該區(qū)降水量相差甚遠[2]。因此，提高玉米產量的同時提高水分利用效率已成為玉米高產生理研究的熱點之一。

前人研究表明，深松能打破犁底層，有效改善土壤結構，提高土壤蓄水抗旱能力和作物水分利用效率[3]。水分對作物的生長發(fā)育起著至關重要的作用[4-5]，不同的灌水處理可以影響土壤水分和作物生長發(fā)育及產量[6]。因此，根據作物各生育時期對水分的需求，適當調整灌水次數和灌水量，力求在節(jié)水的前提下達到相對較高的產量是我國今后發(fā)展節(jié)水農業(yè)技術的主要方向[7]。本研究以機械化深松改土為研究內容，配合膜下滴灌和不同灌水次數調控措施，揭示超高產春玉米耗水特性與產量對深松和灌水次數的響應，以其為機械化深松的新型耕作制度創(chuàng)新提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年在內蒙古包頭市土默特右旗吳壩村朱爾圪岱（北緯 40°35′18.63″，東經 110°34′30.78″）進行，屬典型大陸性半干旱季風氣候，年平均氣溫7.5℃，無霜期135 d左右，年日照平均3095 h，年平均降水量400 mm。試驗田的犁底層為17～40 cm土層，土質為沙壤土，土壤有機質含量為26.92 g/kg，堿解氮含量為62.47 mg/kg，速效磷含量13.96 mg/kg，速效鉀含量105.43 mg/kg，pH值為8.31，生育期降水256 mm。

1.2 材料與設計

供試玉米品種為先玉335，試驗于春季播種前進行深松處理，深度為40 cm。灌水方式為膜下滴灌，用膜寬為70 cm的地膜覆蓋，膜內播種，覆膜、鋪管、播種、施肥一次性完成。施肥量為純N 31 kg/667m2，P2O514 kg/667m2，K2O 13.5 kg/667m2，磷肥和鉀肥作為基肥在播種時一次性施入，尿素在拔節(jié)期和大喇叭口期以3∶7隨滴灌管滴水施入。

試驗共設4個處理，分別為深松灌水1次（SI1）、深松灌水 2次（SI2）、深松灌水 3次（SI3）和深松灌水4次（SI4）。小區(qū)面積為600 m2，密度為6000株/667m2。試驗地周圍布置有保護行，每個處理均有單獨水表，以計量灌水量，各處理灌水時間及灌水定額見表1。試驗于2015年5月3日播種，10月4日收獲。

表1 不同處理膜下滴灌春玉米灌溉量 m3/hm2

1.3 測定指標與方法

1.3.1 播前耕層土壤養(yǎng)分狀況的測定 土壤有機質：重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法；土壤速效氮：堿解擴散法；土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度計比色法；土壤速效鉀：火焰光度計法；土壤pH值：pH電位計法。

1.3.2 土壤容重測定 采用環(huán)刀取原狀土測定。測定時期為：播前、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、完熟期和收獲期；測定土壤層次：0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm。

1.3.3 土壤緊實度測定 各處理5點取樣，利用土壤緊實度儀（SC900 Soil Compaction Meter）測定。測定時期：播前、乳熟期、完熟期和收獲期；測定 土 壤 層 次 ：0，2.5，5.0，7.5，10.0，12.5，15.0，17.5，20.0，22.5，25.0，27.5，30.0，32.5，35.0，37.5，40.0，42.5，45.0 cm。

1.3.4 土壤含水量測定 采用每處理5點取樣，利用烘干法測定。測定時期：播前、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、完熟期和收獲期；測定土壤層次：0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm，水分利用效率：WUE［kg/（hm2·mm）］=籽粒產量/耗水量，其中，耗水量

（1）式中，P為玉米生長季節(jié)的降雨量，I為灌溉量，ΔSWS為玉米播種時土壤貯水量與收獲時土壤貯水量之差。其中，土壤貯水量

（2）式中，d為土層厚度（cm），w 為土壤含水量（%），r為土壤容重（g/cm3）。

生產單位玉米的節(jié)水量和節(jié)水率：對照處理的耗水量為W1，產量為Y1，深松處理的耗水量為W2，產量為Y2，則生產單位玉米產量，深松處理比對照處理的節(jié)水量（ΔW）近似為 ΔW=W1/Y1-W2/Y2，單位玉米生產下深松處理比對照處理節(jié)水率為βw=ΔW×Y1/W1×100%。

單位耗水量時的增產量和增產率：單位耗水量下，深松處理較對照處理的增產量（△Y）近似為ΔY=Y2/W2-Y1/W1，單位耗水量下深松處理比對照處理的增產率為 βy=ΔY×W1/Y1×100%。

（4）式中，Pn為玉米凈光合速率［μmol/（s·m2）］，Tr為玉米蒸騰速率［mmol/（s·m2）］。在春玉米乳熟期，選擇晴朗無云的天氣，于 9：00—11：00，采用美國Li-COR公司生產的 Li-6400XT光合測定系統(tǒng)測定玉米穗位葉的凈光合速率和蒸騰速率。

1.3.5 測產及考種 成熟期，剔除邊際效應后采用5點取樣測產。即：每小區(qū)在2行中連續(xù)測10 m，并準確量取4個邊和2個中心線的長度，計算實際面積，調查株數、穗數、倒伏率、空稈數，隨機留20個果穗風干后考種，折算成標準含水量（14%）的產量，測定穗粒數、出籽率、含水率、千粒重等指標。

1.4 數據處理及統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS Statistics 17.0進行數據處理、作圖和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水次數對土壤容重的影響

由表2可知，0～20 cm土層土壤容重表現(xiàn)為各處理間無顯著差異；20～40 cm土層土壤容重也表現(xiàn)為各處理間無顯著差異；40～60 cm土層土壤容重表現(xiàn)為SI1極顯著低于其他處理；60～80 cm土層土壤容重表現(xiàn)為SI1顯著低于其他處理；80～100 cm土層土壤容重表現(xiàn)為SI1顯著低于其他處理，SI4顯著高于其他處理。

表2 不同灌水次數對各土層土壤容重的影響g/cm3

2.2 不同灌水次數對土壤緊實度的影響

深松前提下，不同灌水次數處理的土壤緊實度見圖1～圖3。播前各處理在各土層間沒有差異。灌漿期 0～15 cm 和 27.5～45.0 cm 表現(xiàn)為 SI1＞SI2＞SI3＞SI4，在 15.0～27.5 cm 表現(xiàn)為 SI1＞SI3＞SI2＞SI4，且15～40 cm差異顯著。收獲期土壤緊實度在25～40 cm 土層差異顯著，表現(xiàn)為 SI1＞SI2＞SI3＞SI4。說明灌水可以顯著減低25～40 cm土層的土壤緊實度。

2.3 不同灌水次數春玉米耗水規(guī)律

2.3.1 不同灌水次數0～100 cm土層土壤水分動態(tài)變化 由圖4可知，大喇叭口期到完熟期，不同灌水次數處理0～100 cm土層土壤含水量呈“先速升，后緩降”的趨勢，且隨灌水次數的增加而增大。大喇叭口期土壤含水量各處理間沒有差異，從吐絲期到完熟期差異顯著，表現(xiàn)為 SI1＜SI2＜SI3＜SI4，其中大喇叭口期SI4土壤含水量較SI1、SI2和SI3分別提高19.31%、13.52%和3.12%；吐絲期SI4土壤含水量較SI1、SI2和SI3分別提高61.21、27.45和7.98個百分點；乳熟期SI4土壤含水量較SI1、SI2和SI3分別提高56.53、27.91和11.63個百分點；完熟期SI4土壤含水量較 SI1、SI2和 SI3分別提高 38.11、21.64和6.60個百分點。

2.3.2 不同灌水次數處理玉米不同土層土壤水分動態(tài)變化 如圖5所示，不同處理播前土壤含水量在0～100 cm土層無顯著差異；大喇叭口期0～20 cm土層土壤含水量無差異，20～40 cm土層各處理土壤含水量表現(xiàn)為 SI3＞SI4＞SI2＞SI1，40～100 cm 土層土壤含水量表現(xiàn)為SI4＞SI3＞SI2＞SI1，各處理間無顯著差異；吐絲期由于降雨量增加，各處理土壤含水量均有所升高，表現(xiàn)為 SI4＞SI3＞SI2＞SI1，且 SI1 各土層土壤含水量顯著低于其他處理；乳熟期和完熟期各處理耗水層均分布在60～80 cm土層，乳熟期各處理在各土層土壤含水量均表現(xiàn)為SI4＞SI3＞SI2＞SI1，且在80～100 cm土層差異顯著；完熟期0～20 cm土層土壤含水量無顯著差異，80～100 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為SI4＞SI3＞SI2＞SI1，說明灌水量的增加可以增大深松后深層土壤的土壤含水量。

2.3.3 不同灌水處理春玉米耗水規(guī)律 由表3可知，各處理春玉米耗水量和耗水強度，在各處理間無顯著差異；WUE和 LWUE均表現(xiàn)為SI4＞SI3＞SI2＞SI1，且SI3、SI4極顯著高于SI1和SI2，SI4的WUE較 SI1、SI2和 SI3分別增加 25.90%、14.95%和2.69%，SI4的 LWUE較 SI1、SI2和 SI3分別增加41.85%、29.82%和4.62%；IWUE隨灌水量的增大而降低，表現(xiàn)為 SI4＜SI3＜SI2＜SI1，各處理間差異顯著。

表3 不同灌水次數處理春玉米水分利用效率

2.3.4 不同灌水次數處理玉米增產節(jié)水效果 由表4可知，春玉米籽粒產量隨灌水次數的增加而增大，從產量結果來看，SI4較SI1、SI2和SI3增加4364.11 kg/hm2、3114.52 kg/hm2和 1297.69 kg/hm2，各處理之間差異顯著。經相關公式計算，生產單位玉米，SI4較SI1、SI2和SI3節(jié)水量分別為0.532 m3/kg、0.309 m3/kg和0.058 m3/kg，節(jié)水率分別是20.71%、13.18%和2.79%。單位耗水量下，SI4較SI1、SI2和SI3 增產了 1.017 kg/m3、0.648 kg/m3和0.137 kg/m3，增產率分別是26.11%、15.19%和2.87%。

2.4 不同灌水次數對玉米產量及其構成因素的影響

由表5可以看出，不同灌水次數處理的穗粒數、千粒重和產量都隨灌水次數的增加而增大，表現(xiàn)為 SI4＞SI3＞SI2＞SI1。穗粒數，SI4 較 SI1、SI2 和SI3增加14.23%、10.00%和1.37%，其中SI1與SI2，SI3與 SI4之間無顯著差異，SI1、SI2與 SI3、SI4差異顯著；千粒重SI4較SI1、SI2和SI3增加17.23%、11.28%和6.26%，各處理間差異顯著。

表4 不同灌水次數處理春玉米產量kg/hm2

表5 不同灌水次數對春玉米產量及其構成因素的影響

3 討論與結論

土壤容重是反映土壤緊實程度、孔隙狀況等結構性特征的重要指標，容重的變化直接或間接地影響土壤的水、肥、氣、熱狀況，進而影響作物的生長[8]，作物生長發(fā)育離不開水分，而土壤水是作物吸收水分的主要來源。深松可以明顯降低土壤容重[9]，增加土壤孔隙度[10]，增加土壤蓄水保墑能力[11]，創(chuàng)造出適宜作物生長發(fā)育的土壤環(huán)境。而灌水是為了保證土壤具有可以滿足作物正常生長需要的含水率。不同的灌水方式不僅決定土壤水分的分布狀況，對土壤表面及以下的微氣候環(huán)境如濕度、溫度等都有很大影響[12]。有研究表明，隨著灌水量的增加，不同處理不同層次土壤含水量均呈增加趨勢，同一處理不同土層間的土壤含水量隨著土層深度的增加也呈增加趨勢[13]，且與傳統(tǒng)溝灌相比，有效控制灌水定額可降低土壤容重[14]。本試驗將深松耕作和灌水次數相結合，對深松后不同灌水次數下土壤特性變化進行研究發(fā)現(xiàn)，深松耕作下灌水次數可降低土壤緊實度246～489 kpa，對0～40 cm土層土壤容重下降有顯著作用，但40～100 cm土層土壤容重會隨灌水次數的增加而增大，這是由于灌水增加土壤的密實程度，降低穩(wěn)定入滲速率，土壤小顆粒下移的原因[15]。另有研究表明，玉米株高、葉面積指數、穗長、穗粗、穗粒數等有隨灌水次數的增大而增加的趨勢，玉米的階段耗水量、全期耗水量以及水分利用效率（WUE）也隨灌水次數的增大而升高[16-17]，但也有研究指出[18]，隨著灌水量和灌水次數增加，開花前籽粒干物質轉運率、轉運量和籽粒產量貢獻率均降低。本試驗研究結果表明，深松耕作下，整個生育期0～100 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為SI1＜SI2＜SI3＜SI4，說明土壤含水量隨灌水次數的增加而增加。WUE與LWUE也隨灌水次數的增加而增加，但SI3與SI4之間的差異不顯著。大多數研究[19]表明，灌水可以提高產量性狀，本試驗結果證明深松耕作下，灌水可以顯著提高穗粒數、千粒重以及產量。

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