不同灌水量對(duì)大興安嶺東麓東北春玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

張德健，路戰(zhàn)遠(yuǎn)，程玉臣，李 福，王玉芬，鄭海春，王 瑞，徐潤(rùn)邑，孟 德

（1.內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.牧草與特色作物生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；4.內(nèi)蒙古土壤肥料和節(jié)水農(nóng)業(yè)工作站，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；5.山西省土壤肥料工作站，山西 太原 030002；6.寧夏回族自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，寧夏 銀川 750001；7.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

內(nèi)蒙古阿榮旗地處大興安嶺東麓，為典型黑土地區(qū)，由于風(fēng)害頻發(fā)，該地區(qū)黑土受到嚴(yán)重風(fēng)蝕，土壤蓄水能力下降[1]，加之，受溫帶大陸季風(fēng)氣候影響，春旱時(shí)有發(fā)生[2]，導(dǎo)致土壤含水量逐年降低。阿榮旗以東北春玉米為主栽品種，而玉米全生育期需水較多，但該地區(qū)常采用傳統(tǒng)大水漫灌方式灌水，地表水分蒸散量大，因此，玉米作物產(chǎn)量不穩(wěn)定、水分利用效率低[3]，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙。為此，研究玉米種植水分利用效率，能夠?yàn)榻鉀Q干旱導(dǎo)致的作物減產(chǎn)問(wèn)題提供理論依據(jù)[4]。

為明確不同灌水量對(duì)大興安嶺東麓地區(qū)東北春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，本試驗(yàn)以阿榮旗為代表地區(qū)，以東北春玉米為試驗(yàn)材料，并對(duì)人工給水和自然降水進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，同時(shí)結(jié)合玉米產(chǎn)量進(jìn)行水分利用效率計(jì)算，旨在為提高大興安嶺東麓地區(qū)玉米產(chǎn)量提供技術(shù)支持，為東北春玉米需水規(guī)律的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在內(nèi)蒙古阿榮旗那吉鎮(zhèn)進(jìn)行，供試土壤為黑土，土壤平均有機(jī)質(zhì)含量為47.20g/kg、平均全氮含量為2.36g/kg、平均有效磷含量為23.18mg/kg、平均速效鉀含量為163.8mg/kg。該地區(qū)屬于溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫1.7℃；年平均降水量458.4 mm，主要集中在6—8月，約占全年降水量的70%；年均蒸發(fā)量1 455.3 mm。2018年阿榮旗5—10月平均降水量見(jiàn)圖1。

圖1 2018年阿榮旗5—10月平均降水量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為東北春玉米，供試品種為豐單三號(hào)，種植密度為60 000株/hm2，行距0.6 m，小區(qū)間距1.0 m，設(shè)置5個(gè)不同灌水梯度（表1），分別為：灌水量1 000 m3/hm（2W1）、灌水量1 500 m3/hm（2W2）、灌水量2 000 m3/hm2（W3）、灌水量2 500 m3/hm2（W4）、灌水量3 000 m3/hm2（W5）。3次重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為28 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。玉米全生育期有效降水量為337.3 mm。播種前施磷酸二銨20 kg、尿素4 kg 做基肥，拔節(jié)期追肥尿素450kg/hm2。

表1 灌水時(shí)間和灌水量

1.3 測(cè)量指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤含水量測(cè)定 采用鋁盒烘干法分別測(cè)定玉米拔節(jié)期、灌漿期和成熟期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層的土壤含水量。

1.3.2 土壤容重測(cè)定 采用環(huán)刀法測(cè)定玉米拔節(jié)期、灌漿期和成熟期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層的土壤容重。

1.3.3 產(chǎn)量測(cè)定 于成熟期時(shí)，各處理均收取20 穗長(zhǎng)勢(shì)均勻且大小相當(dāng)?shù)挠衩?，進(jìn)行鮮重測(cè)量，測(cè)得鮮重后采用脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，然后測(cè)定籽粒產(chǎn)量。

式（2）中，WUE為作物水分利用效率[kg/（m3·mm）]；y為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為作物耗水量（m3/hm2）。

其中，ET 計(jì)算公式如下：

式（3）中，P為玉米全生育期內(nèi)有效降水量（mm），I為灌溉水量（mm）；ΔS為土壤貯水消耗量（mm），土壤貯水消耗量為灌水前土壤貯水量和灌水后土壤貯水量的差值。

土壤貯水量計(jì)算公式如下：

式（4）中，d為土層厚度（cm），w為土壤含水量（%），r為土壤容重（g/cm3）。

1.3.5 農(nóng)藝性狀測(cè)定 包括株高、穗粒數(shù)、單株粒重和千粒重等指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 統(tǒng)計(jì)軟件處理，使用SPSS分析軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育時(shí)期下不同灌水量對(duì)土壤含水量的影響

不同灌水條件下各生育時(shí)期灌水前后土層含水量變化動(dòng)態(tài)如表2所示，拔節(jié)期灌水前的土壤含水量為9.97%～17.34%，灌漿期為15.44%～19.98%，其中，灌漿期0～10 cm、20～40 cm土層下各處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05），但10～40 cm土層下W2處理土壤含水量均高于其他灌水處理；通過(guò)對(duì)灌水后土壤含水量比較發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期土壤含水量為17.48%～30.21%，灌漿期為29.87%～40.21%，除灌漿期40～60 cm土層外，拔節(jié)期及灌漿期W1、W2處理各土層土壤含水量均高于W3、W4處理，且在0～20 cm土層內(nèi)，拔節(jié)期及灌漿期W1、W2處理的土壤含水量高于其他處理；通過(guò)對(duì)成熟期各土層土壤含水量比較發(fā)現(xiàn)，0～10 cm和20～40 cm土層下W5處理的土壤含水量顯著高于其他處理（P＜0.05），而10～20 cm土層下W5處理土壤含水量?jī)H小于W2處理，且二者差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 不同灌水量對(duì)各土層土壤容重的影響

不同灌水量對(duì)土壤容重的影響如圖2所示，0～10 cm土層下，各處理土壤容重表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)1≈W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)5，各處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05）；在10～20 cm土層下，各處理土壤容重表現(xiàn)為W2≈W4＞W(wǎng)1≈W3＞W(wǎng)5，各處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05）；在20～40土層下，各處理土壤容重表現(xiàn)為W3＞W(wǎng)1≈W4＞W(wǎng)2＞W(wǎng)5，各處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05）；40～60 cm土層下，各處理土壤容重表現(xiàn)為W3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2≈W5，W2處理的土壤容重顯著低于W1、W3、W4處理（P＜0.05），但與W5處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

2.3 不同灌水量對(duì)東北春玉米產(chǎn)量的影響

由表3可以看出，當(dāng)灌水量為1 500 m3/hm2時(shí)，W2處理的產(chǎn)量最高，為14.55 t/hm2，且顯著高于（P＜0.05）其他處理；當(dāng)灌水量為2 000 m3/hm2，W3處理的產(chǎn)量最低，為12.98 t/hm2，且顯著低于（P＜0.05）其他處理。通過(guò)對(duì)本試驗(yàn)各處理的玉米產(chǎn)量進(jìn)行方差分析可知，不同灌水量對(duì)東北春玉米產(chǎn)量的影響存在顯著差異（P＜0.05）。

2.4 不同灌水量對(duì)東北春玉米水分利用效率的影響

由圖3可以看出，不同灌水量對(duì)水分利用效率的影響表現(xiàn)為：灌水量為1 500 m3/hm2（W2處理）時(shí)，水分利用效率達(dá)到最大，為6.7kg/m3，且W2處理的水分利用效率顯著高于（P＜0.05）其他處理；灌水量為2 000 m3/hm2（W3處理）時(shí)，水分利用效率最低，為3.6kg/m3，且顯著低于（P＜0.05）W1、W2、W5處理。

表2 不同生育時(shí)期下不同灌水量對(duì)土壤含水量的影響

圖2 不同灌水量對(duì)土壤容重的影響

2.5 不同灌水量對(duì)東北春玉米農(nóng)藝性狀的影響

由表4可以看出，不同灌水量對(duì)株高的影響依次表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)3≈W5＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1，其中，W2處理與W3、W5處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05），與W4、W1處理存在顯著差異（P＜0.05）；不同灌水量對(duì)穗粒數(shù)的影響依次表現(xiàn)為W2≈W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)5，且W2處理與W4處理之間無(wú)顯著差異（P＞0.05），但二者與其他3組處理間均存在顯著差異（P＜0.05）；不同灌水量對(duì)單株粒重的影響依次表現(xiàn)為W1≈W2＞W(wǎng)4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)5，W1處理與W2處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05），W3處理與W4處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05），但兩組處理間存在顯著差異（P＜0.05），且兩組處理均與W5處理存在顯著差異（P＜0.05）；不同灌水量對(duì)千粒重的影響依次表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)5＞W(wǎng)4，其中，W2處理的千粒重最大，且顯著高于（P＜0.05）其他處理，W4處理的千粒重最低，但與W5處理無(wú)顯著差異（P＞0.05），與W1、W2和W3處理間存在顯著差異（P＜0.05）。

表3 不同灌水量對(duì)東北春玉米產(chǎn)量的影響

圖3 不同灌水量對(duì)東北春玉米水分利用效率的影響

表4 不同灌水量對(duì)東北春玉米農(nóng)藝性狀的影響

3 討論

東北春玉米是阿榮旗主栽作物之一，玉米產(chǎn)量對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。玉米水分利用效率是影響玉米高產(chǎn)的重要因素[5-7]，由于地區(qū)差異及氣候因素的不同，至今仍未有學(xué)者對(duì)該地區(qū)最佳灌水量及灌水次數(shù)進(jìn)行明確規(guī)定。有研究表明，灌水處理能夠有效降低土壤容重，且隨著灌水量的增加，土壤容重能夠得到明顯改善[8]。岳絢麗等[9]研究表明，玉米生育時(shí)期灌水量的大小直接影響玉米產(chǎn)量的高低；陳麗君等[10]在玉米膜下滴灌不同補(bǔ)水處理對(duì)其產(chǎn)量影響的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在三葉期、苗后期及拔節(jié)期進(jìn)行3次補(bǔ)灌，補(bǔ)灌總量為621.3 m3/hm2時(shí)，玉米水分利用效率及產(chǎn)量均達(dá)到最佳；陳帥宏[11]在黑龍江肇州試驗(yàn)站對(duì)玉米灌水制度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，玉米全生育時(shí)期灌水量為800 m3/hm2時(shí)，水分利用效率達(dá)到3.65kg/m3，產(chǎn)量達(dá)到14.712 t/hm2；本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，東北春玉米灌水量為1 500 m3/hm2時(shí)，可達(dá)到最佳水分利用效率，同時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最高，該結(jié)果與陳帥宏[11]研究結(jié)果產(chǎn)生差異的原因可能是由于地區(qū)主栽玉米品種不同及氣候因素不同所致[12]；范鳳翠等[13]在覆膜溝灌下灌水量對(duì)日光溫室番茄生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率影響的研究中指出，在一定范圍內(nèi)作物產(chǎn)量會(huì)隨著灌水量的增多而增加；張凱等[14]在河南省新鄉(xiāng)市進(jìn)行灌水處理對(duì)夏玉米水分利用及產(chǎn)量影響的研究中發(fā)現(xiàn)，不同灌水處理對(duì)玉米的水分利用效率和產(chǎn)量的影響十分明顯，即產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加，而水分利用效率則表現(xiàn)為適量灌水會(huì)對(duì)水分利于效率產(chǎn)生最佳影響，該結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果不同，究其原因可能是由于新鄉(xiāng)地區(qū)土壤水分年蒸散量較大，為典型水澆地，玉米種植需水量較大導(dǎo)致。除此之外，另有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，玉米水分利用效率還與光照及土壤性質(zhì)顯著相關(guān)性[15-16]，本文未進(jìn)行報(bào)道，需待進(jìn)行下一步探究。

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明，東北春玉米田灌水量為1 500 m3/hm2時(shí)，阿榮旗玉米水分利用效率最高，為6.7kg/m3；產(chǎn)量最高，為14.55 t/hm2；對(duì)玉米株高、穗粒數(shù)及單株粒重也可產(chǎn)生較佳影響。

本試驗(yàn)初步明確了大興安嶺東麓地區(qū)玉米生長(zhǎng)最適灌水量，基本掌握了東北春玉米生長(zhǎng)的需水規(guī)律，不僅為阿榮旗東北春玉米種植灌水技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為阿榮旗節(jié)水農(nóng)業(yè)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。