灌水對引黃地區(qū)不同品種玉米產(chǎn)量形成和水分利用的影響

賀 瑋，郭群善

(1.新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)市水利勘測設(shè)計院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

引黃地區(qū)是我國最重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，目前主導(dǎo)的種植制度是冬小麥-夏玉米一年兩熟制，小麥和玉米的產(chǎn)量分別占全國總產(chǎn)的58%和33%[1]。2013年全國玉米播種面積3 600 萬hm2，總產(chǎn)達2.2 億t[2]。玉米的糧食增產(chǎn)的貢獻率達70%，已成為我國第一大糧食作物，是實現(xiàn)糧食“九連增”的主力軍[3]。玉米的增產(chǎn)很大程度源于品種和栽培模式的創(chuàng)新[4]。例如，2008年以來，國家積極推行冬小麥-夏玉米“雙遲”高產(chǎn)栽培模式，即推遲玉米收獲期，推遲小麥播種期的種植模式，為“中熟”型品種玉米充分完成灌漿，獲得最終高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[5]。選用玉米高產(chǎn)品種，結(jié)合良好的栽培措施，將是未來玉米進一步增產(chǎn)的重要途徑[6]。另外，不同灌溉制度對玉米生育時長，尤其是灌漿時長有著顯著的影響，較高的灌水量有可能延長玉米的灌漿期[7]。目前，地下水資源短缺已成為限制該地區(qū)糧食增產(chǎn)的巨大瓶頸。因此，對灌溉農(nóng)業(yè)來說，如何提高單位水產(chǎn)出已成為灌溉制度研究的重要課題[8]。雖然引黃地區(qū)玉米生長季節(jié)與雨季基本吻合，但生育期內(nèi)降雨不均使得夏玉米在某一生育時期，尤其是苗期，仍需補充灌溉。且有研究表明玉米的產(chǎn)量與生育期降雨總量沒有顯著相關(guān)性，而與降雨的合理分配關(guān)系密切[8]。為緩解該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水與地下水短缺的矛盾，保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)，很有必要開展限量灌溉條件下如何優(yōu)化灌溉制度，從而提高灌溉水利用效率的研究。已有研究表明，不同灌水模式對夏玉米土壤含水量、水分利用效率、產(chǎn)量等有顯著影響[9]，且在玉米關(guān)鍵生育期得不到有效灌溉或降雨，玉米會出現(xiàn)明顯減產(chǎn)。目前，引黃地區(qū)針對不同的夏玉米品種實施著相同的灌溉制度或灌溉量，沒有考慮到品種間抗旱特性差異及其對灌溉制度或灌溉量的響應(yīng)程度不同。因此，有必要針對當前引黃地區(qū)主推的幾個高產(chǎn)玉米品種開展相應(yīng)的灌溉制度研究，以期為該地區(qū)有針對地根據(jù)玉米品種特性制定或優(yōu)化灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗基地位于豫北新鄉(xiāng)市人民勝利渠引黃灌區(qū)(35°19′ N、113°53′ E，海拔高程73.2 m)。該區(qū)多年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d，日照時數(shù)2 400 h，光熱資源豐富，以一年兩熟耕作制度為主；多年平均降雨量為582 mm，7-9 月占全年降水量的 65%～75%，其他月份降水偏少；多年平均蒸發(fā)量2 000 mm。試驗地土質(zhì)為砂壤土，0～100 cm土壤密度為1.45 g/cm3，田間持水率為25.6%，飽和含水量為29.8%(重量含水率)，地下水埋深大于5 m (表1)。

表1 試驗基地0～100 cm土層的密度，飽和含水量和田間持水量

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用二因素隨機區(qū)組設(shè)計，以灌水處理為主區(qū)因素，主區(qū)區(qū)組重復(fù)三次；以品種處理為副區(qū)因素，在同一主區(qū)內(nèi)，不同品種處理在副區(qū)內(nèi)隨機設(shè)計，3次重復(fù)。小區(qū)面積為10 m × 2 m，為避免灌水側(cè)滲，不同灌水處理區(qū)組間設(shè)立1. 5 m寬走道，不同灌水處理區(qū)組間起0.3 m高土埂，土埂基部寬度0.4 m。

灌水制度分為：只灌蒙頭水(低灌水)、灌蒙頭水+拔節(jié)水(中灌水)、灌蒙頭水+拔節(jié)水+灌漿水(高灌水)。每次灌水定額為75 mm，用精量水表控制小區(qū)灌水量。受2013年7月至8月初降雨量(240 mm)影響，拔節(jié)期未對玉米進行灌溉，僅在8月25日對高灌水處理進行了灌溉。玉米品種選用黃淮海地區(qū)6個主推品種，分別為鄭單958、浚單20、先玉335、農(nóng)華101、登海605及中單909。

玉米生育期內(nèi)，除灌水次數(shù)不同外，其他各項田間管理措施嚴格控制在相同條件下進行。2013年玉米播種期為6月9日，收獲期為9月17日。試驗區(qū)前茬作物為冬小麥，玉米播種前噴施玉米田專用除草劑(乙草胺)，用量為1 500 mL/hm2，兌水900 kg/hm2，進行土壤封閉。玉米播種量為37.5 kg/hm2，行距50 cm，苗期通過間苗，使玉米種植密度保持在75 000 株/hm2。受灌溉次數(shù)處理影響，無法對小區(qū)進行統(tǒng)一追肥，本試驗采用“沃夫特”控釋肥(N∶P2O5∶K2O=22∶8∶12)，該肥可以玉米全生育期持續(xù)不斷地釋放養(yǎng)分，釋放模式主要受氣溫影響，可與玉米生長同步，肥料利用率達85%以上[10]。在玉米機械播種時一次性施入距玉米行5 cm處，施肥深度10 cm，施肥量為1 125 kg/hm2。

1.3 測定指標

土壤含水量采用烘干法測定，每隔10 d測定一次，取樣層次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm，每處理選取3個樣點，最后取其平均值；灌溉、降雨前后加測。

降雨量為玉米整個生育期降雨情況，包括降雨時間及降雨量，采用布置在試驗田的雨量筒記錄。

耗水量為玉米整個生育期耗水量采用土壤水量平衡方程進行估算[11]，即：

ET=WSs-WSh+I+P

(1)

式中：ET為耗水量，mm；WSs和WSh分別為播種前和收獲后0～100 cm土壤貯水量，mm；I和P分別為全生育期灌水量和降雨量，mm。

本試驗區(qū)地下水位大于5 m，因此不考慮地下滲漏損失和地下水毛細給水量[12]。

產(chǎn)量為玉米收獲時按小區(qū)單獨測產(chǎn)，實打?qū)嵤?，分別計各小區(qū)地上部分產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量，籽粒風(fēng)干至13 %含水量后測定產(chǎn)量。

考種為玉米成熟后，在各小區(qū)隨機取10株玉米進行考種，包括穗長、禿尖長、穗粗、百粒重等指標。

水分利用效率采用如下公式計算：

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為玉米籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ET為玉米全生育期的耗水量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0計算平均值和標準誤，通過ANOVA表計算處理間LSD值。用Duncan法進行處理間的顯著性差異分析(P< 0.05)。灌水與品種處理間的交互作用運用Univariate Analysis of Variance分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分空間變化

在玉米拔節(jié)期(6月28日)，先玉335和鄭單958的0～100 cm平均土壤水分均為24.2 %，分別較中單909，登海605和農(nóng)華101高7.4 %，12.7 %和11.7 %，但與浚單20差異不顯著[圖1(a)]。在玉米大喇叭口期(7月20日)，受降雨影響，不同品種玉米在各土層之間的土壤水分差異減小，0～100 cm平均土壤水分在23.8%(登海605)～26.1%(鄭單958)[圖1(b)]。在灌漿期(8月21日)和成熟期(9月17日)，不同品種玉米的土壤水分均在20～40 cm土層達到最低，為12.8%～17.3%，之后隨著土層加深，水分含量逐漸增加，到60～80 cm處達到最大，為19.6%～26.5%[圖1(c)，圖1(d)]。這表明，灌漿期至成熟期，該地區(qū)玉米的水分吸收土層主要分布在20～40 cm。以灌漿期為例，隨著土層加深，不同品種處理在40～60 cm土層水分差異顯著(P<0.05)，其中，中單909和登海605的40～60 cm土層土壤水分為17.5%和16.7%，分別較先玉335低23.1%和26.2%，較鄭單958低21.3%和25.8%。將玉米四個主要生育時期0～100 cm土壤水分平均發(fā)現(xiàn)，鄭單958的土壤水分最高，為22.8%；先玉335次之，為22.4%；登海605和農(nóng)華101的最低，均為21.1%，分別較鄭單958和先玉335低8.4%和6.4%。這表明，鄭單958和先玉335在全生育期的土壤水分保持較高，為玉米植株抗旱和生長，提供了更多的水分支持。

圖1 玉米主要生育期不同品種處理0～100 cm土壤水分動態(tài)注：ns.指P<0.05水平差異不顯著；每一土層誤差線長度代表P<0.05水平LSD值

2.2 土壤水分季節(jié)變化

如圖2所示，7月-8月初有四次較強降雨，分別發(fā)生在7月2日(降雨量48 mm)，7月18日(49 mm)，7月23日(34 mm)和8月1日(46 mm)，降雨量使得前期玉米的灌水效果不明顯，至8月25日灌水前，10 cm和50 cm土層土壤水分差異不顯著。不同品種玉米的土壤水分在降雨或灌水后均明顯升高，3～5 d后又有明顯回落，但50 cm土層土壤水分升高和回落的幅度小于10 cm土層，表明表層水分更易受降雨和蒸發(fā)的影響。不同灌水處理間10 cm和50 cm土層土壤水分，前期波動較大，且維持在較高水平，平均土壤水分保持在20.2%～27.3%[圖2(a)，圖2(c)]。在8月1日之后，土壤水分出現(xiàn)明顯下降，至8月21日，平均土壤水分降至20.4 %左右，下降幅度達25.3 %；8月25日之后，除對高灌水處理進行補充灌溉外，土壤水分在16.4%～20.2%。高灌水處理土壤水分在灌水3 d后亦明顯下降，至成熟期土壤水分亦降至較低水平，這對玉米后期籽粒脫水是非常有利的。

不同品種玉米10 cm土層土壤水分差異不顯著，但總體上以鄭單958的最高，全生育期平均為23.7%；先玉335次之，為23.2%；農(nóng)華101最低，為21.7%[圖2(b)]。不同品種玉米50 cm土層土壤水分含量差異顯著，尤其是在8月15日灌漿期之后[圖2(d)]。6月20日至8月1日，不同品種玉米50 cm土壤水分含量較高，不同品種玉米平均保持在24.1%～27.1%，而8月1日至8月25日50 cm土層土壤水分出現(xiàn)明顯下降，至8月25日，平均土壤水分維持在20.6%～23.5%，下降幅度為13.3%～17.0%；8月25日至9月16日平均土壤水分維持在較低水平，為19.3 %～21.7 %，但不同品種處理間差異增大。從全生育期平均值來看，鄭單958和浚單20的50 cm土壤水分最高，均為24.8%，先玉335次之，為24.2%；中單909最低，為21.4%。

2.3 耗水量，產(chǎn)量和水分利用效率

玉米耗水量，產(chǎn)量和水分利用效率WUE是受灌水和品種二因素交互作用影響(表2)。高灌水處理的耗水量和產(chǎn)量最高，中灌水和低灌水處理產(chǎn)量差異不顯著。灌水處理對WUE影響不顯著，灌水×品種交互作用對耗水量，產(chǎn)量和WUE存在顯著影響(P<0.05)。不同品種玉米耗水量差異顯著，表現(xiàn)為中單909(434 mm)>登海605(411 mm)>農(nóng)華101(389 mm)>先玉335(376 mm)= 浚單20(371 mm)>鄭單958(352 mm)。登海605的產(chǎn)量最高，為11.2 t/hm2，先玉335次之，為10.6 t/hm2；農(nóng)華101的最低，為9.5 t/hm2。先玉335的WUE最高，為28.1 kg/(hm2·mm)；鄭單958、登海605和浚單20的次之，分別為27.6、27.3、27.3 kg/(hm2·mm)；中單909的最低，為22.7 kg/(hm2·mm)。灌水×品種交互作用下，高灌水先玉335和低灌水浚單20的WUE最高，均為28.9 kg/(hm2·mm)，中灌水鄭單958次之，為28.3 kg/(hm2·mm)。高灌水處理登海605和先玉335的產(chǎn)量分別為12.0和11.4 t/hm2，較低灌水處理的增產(chǎn)13.0%和14.2%；而鄭單958和浚單20在高灌水處理的產(chǎn)量分別為10.1和10.2 t/hm2，與低灌水處理的差異不顯著。這表明先玉335在高灌水條件下能維持較高的產(chǎn)量和WUE，鄭單958和浚單20在低灌水水平下的耗水量最低，且產(chǎn)量和WUE在不同灌水條件下較穩(wěn)定。因此，在7月份雨量充沛條件下，先玉335建議灌蒙頭水+灌漿水，而鄭單958和浚單20建議僅灌蒙頭水。

表2 灌水與品種兩個因子對玉米耗水量，產(chǎn)量和水利利用效率的方差分析結(jié)果

注: *和**表示P<0.05和P< 0.01顯著水平, ns.表示不顯著。

2.4 產(chǎn)量性狀

灌水處理對夏玉米穗長和百粒重有極顯著影響，對穗粗沒有影響；高灌水處理主要通過影響玉米的穗長來影響產(chǎn)量(表3)。高灌水處理的穗長最長，為20.5 cm，顯著高于中灌水和低灌水處理。品種之間百粒重的差異是形成品種間產(chǎn)量差異的主要原因，換言之，品種主要是通過增加百粒重來改善玉米產(chǎn)量。灌水×品種交互作用對穗長和百粒重有顯著影響，對禿尖長和穗粗的影響不顯著。登海605的穗長和百粒重最大，分別較鄭單958高12.0%和13.4%；先玉335的穗長和百粒重較鄭單958高12.5 %和6.0 %。這也解釋了同等條件下，登海605和先玉335產(chǎn)量高于鄭單958的原因。

表3 夏玉米不同灌水和品種處理下產(chǎn)量性狀特征及交互作用

注:不同字母表示P< 0.05水平差異顯著; *和**表示P< 0.05和P< 0.01顯著水平, ns.表示不顯著。

3 結(jié)論與討論

近年來，引黃地區(qū)形成了穩(wěn)定的冬小麥-夏玉米一年兩熟制種植模式，小麥收獲后留給玉米播種的墑情往往較差，因此，蒙頭水是保證玉米出苗的關(guān)鍵，是玉米高產(chǎn)的基礎(chǔ)[13]。另外，玉米灌漿期灌水能夠使玉米后期葉片保持光合功能，對提高玉米百粒重很關(guān)鍵[14]。本研究中，由于7月至8月初降雨充足，滿足了玉米拔節(jié)、開花的水分需求，在僅灌蒙頭水條件下，鄭單958和浚單20保持穩(wěn)產(chǎn)，而先玉335和登海605在蒙頭水+灌漿水條件下，產(chǎn)量明顯提高。農(nóng)華101和中單909在灌漿水條件下產(chǎn)量亦有提高，但增產(chǎn)幅度低于登海605和先玉335。這表明，不同品種對灌溉制度的響應(yīng)亦不相同，在雨量充沛年份，鄭單958和浚單20僅灌蒙頭水即可，而登海605和先玉335則仍需補充灌溉灌漿水才能獲得高產(chǎn)。因此，有必須對不同品種玉米的最優(yōu)灌溉制度開展進一步的研究。

不同品種間玉米產(chǎn)量差異顯著，在僅灌蒙頭水條件下，登海605產(chǎn)量最高，達11.1 t/hm2，農(nóng)華101最低，為9.0 t/hm2；在灌蒙頭水+灌漿水條件下，登海605產(chǎn)量最高，達12.0 t/hm2，農(nóng)華101最低，為10.0 t/hm2。由此可見，在低灌水和高灌水條件下，更換高產(chǎn)品種提高產(chǎn)量有幅度分別達20.0% 和23.3%；這與邵立威等[15]的研究結(jié)果一致；而灌漿期補充灌溉對產(chǎn)量的提高幅度達8.1%至 11.1%。灌漿期灌溉增產(chǎn)可能與后期灌溉延長葉片的功能期有關(guān)[16]。

董潔[17]通過研究黃淮海平原玉米農(nóng)田耗水特性發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉量的增加，增加了玉米對中層土壤(40～60 cm)貯水量的消耗，這可能與玉米采用壟作種植模式有關(guān)。本研究采用小麥滅茬平作種植玉米模式，由灌漿期玉米0～100 cm土壤水分空間變化可以看出，玉米的土壤水分消耗主要集中在20～40 cm土層，較壟作種植玉米的土壤水分消耗層要淺20 cm，這可能與不同種植模式的集雨效果不同有關(guān)，也有可能與前期充沛的降雨使玉米根系下扎較淺有關(guān)。

試驗表明，不同品種玉米10和50 cm土壤水分在開花期后(8月1日)出現(xiàn)顯著下降，其中50 cm土層的降幅大于10 cm土層的。但是，開花后不同品種間50 cm土壤水分含量差異顯著。鄭單958和浚單20的50 cm土壤水分最高，均為24.8%；中單909最低，為21.4%。該時期的高水分含量使得鄭單958和浚單20在灌漿期有充足的土壤貯水量應(yīng)對灌漿期干旱。這也解釋了鄭單958和浚單20在灌溉灌漿水條件下增產(chǎn)幅度較小的原因。因此，由于不同品種對干旱脅迫敏感程度不同，其灌溉制度不能一概而論。本研究中，登海605與先玉335較其他品種玉米增產(chǎn)的原因之一是該品種穗長與百粒重顯著高于其他品種，而灌水主要通過增加穗長來提高玉米產(chǎn)量。這與李瑞霞[16]的研究結(jié)果一致。

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