土壤水分時間變異對玉米生長及水分效率的影響

王轉(zhuǎn), 朱國龍, 龍懷玉, 張認連, 申哲, 曲瀟琳, 喻科凡

(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081)

玉米是全世界總產(chǎn)量最高的糧食作物，也是重要的飼料來源，在滿足人類糧食需求方面發(fā)揮了重要作用。玉米也是一種耗水量較大的作物，當夏玉米產(chǎn)量為10 500～12 000 kg·hm-2時，需水量為3 500～4 000 m3[1-2]。水資源短缺是當今世界性問題[3-4]。因此，研究土壤水分與作物關系對于玉米水分高效利用至關重要。

Oliverira等[5]研究表明，與-40 kPa相比，-10 kPa的土壤水勢有利于玉米對營養(yǎng)的吸收；Zhu等[6]通過設置3種灌水處理(干旱、干旱后復水、充分灌溉)研究發(fā)現(xiàn)，在玉米播種后48～90 d，地上部生物量與土壤含水量呈正相關；Zhao等[7]研究表明，在玉米拔節(jié)期、喇叭口期和灌漿期，葉片氣孔密度分別隨土壤水分干旱程度[田間持水量(field capacity，F(xiàn)C)的75%、60%、45%]的增加而增加，但氣孔長度和寬度則隨土壤水分干旱程度的增加而減?。籐iu等[8]利用膜下滴灌技術(shù)在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)兩年的田間試驗結(jié)果顯示，充分灌溉(100% ETC)時玉米的產(chǎn)量最高，當水分虧缺20%～30%(70%～80% ETC)時，玉米的水分利用效率最高。Ma等[9]在河北省保定市定興縣的試驗結(jié)果表明，玉米莖、葉含水量和葉面積在苗期的臨界相對土壤水分(0～30 cm)閾值分別為72% FC、65% FC和46% FC，拔節(jié)期分別為64% FC、64% FC和46% FC；王忠任等[10]在新疆的大田試驗結(jié)果表明，復播玉米生育期內(nèi)適宜的土壤水分下限為60% FC；傅豐貝等[11]在廣西大學網(wǎng)室的試驗表明，用根區(qū)局部灌溉在玉米拔節(jié)末期控水24 d及抽雄期控水36 d，可使玉米水分利用效率分別提高24.4%和16.3%；Branka等[12]在前南斯拉夫的試驗表明，在噴灌下綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率，認為75%充分灌溉(FI)優(yōu)于100% FI、50% FI及雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。從以上研究可看出，土壤水分對玉米生長發(fā)育、水分利用效率等有著顯著影響，但是目前絕大多數(shù)玉米與土壤水分關系是在傳統(tǒng)灌溉技術(shù)上的研究，以灌溉指標(灌水量、灌水時間、土壤水分上下限等指標)作為土壤水分的間接表征，而灌溉使得土壤水分含量不斷經(jīng)歷著逐漸由“高”到“低”、跳躍由“低”到“高”的過程，土壤水分時間變異很大，難以準確描述土壤水分與玉米生長關系。而且，灌溉水在土壤中的運動受土壤性質(zhì)、氣候條件、地下水、植物等因素的綜合影響，是極其復雜的，即使采用相同的灌溉指標，也因為時間、地點的不同，土壤水分變化歷程相差巨大，致使研究結(jié)果很難具有普遍指導性。

負壓灌溉是一項新型的節(jié)水灌溉技術(shù)，靠土壤基質(zhì)吸力供水，能夠形成穩(wěn)定的土壤水分條件。研究顯示，當供試土壤為粘壤土和砂壤質(zhì)潮土時，-5～-10 kPa的供水壓力可將土壤含水量分別控制在18.13%～22.45%和15.83%～21.63%，適宜小油菜和黃瓜的生長[13-14]。Li等[15]研究認為，供水壓力穩(wěn)定控制在-5 kPa，有利于辣椒生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的提高；Zhao等[16]研究表明，與常規(guī)灌溉和滴灌相比，負壓灌溉(-5 kPa)能夠保持土壤含水量相對穩(wěn)定，顯著提高油菜的產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率。學者們在菠菜[17]、黃瓜[18]、番茄[19]上的研究也表明，負壓供水壓力能形成比傳統(tǒng)灌溉穩(wěn)定的土壤水分條件，更有利于作物生長發(fā)育、水分利用效率和產(chǎn)量的提高。以上研究似乎說明穩(wěn)定性的土壤水分條件有利于作物生長發(fā)育，卻幾乎沒有文獻將土壤水分時間變異性與作物聯(lián)系起來。

綜上所述，前人關于玉米與土壤水分關系的研究結(jié)果是在土壤水分強時間變異下取得的，難以準確反映土壤水分對玉米的影響，不利于指導形成高效的玉米灌溉技術(shù)。而負壓灌溉能夠形成相對穩(wěn)定的土壤水分條件，前人研究結(jié)果也表明，與常規(guī)灌溉相比，負壓灌溉更有利于作物生長發(fā)育和水分利用效率的提高。但至今還鮮有報道研究土壤水分時間變異性對玉米的影響。因此，本研究采用負壓灌溉技術(shù)和澆灌分別形成不同時間變異的土壤水分，通過在不同時間變異土壤含水量條件下觀測玉米的生長發(fā)育、水分利用效率等，探究土壤水分時間變異性對玉米生長發(fā)育、水分利用效率的影響，豐富土壤水分與作物的關系理論。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及裝置

①負壓灌溉裝置。整個負壓灌溉裝置[20-21]由控壓裝置(重液式負壓閥)[22]、儲水桶(內(nèi)半徑17.5 cm)、灌水器(陶土管)三部分組成。其中灌水器長250 mm，外徑18 mm，內(nèi)徑11 mm。

②盆栽盆缽規(guī)格及供試土壤?；诠嗨饕?guī)格，為了精準控制玉米盆栽試驗的土壤水分并且使土壤水分在整個盆中的空間分布較均勻，選用長、寬、高分別為42、26和25 cm的盆缽進行盆栽試驗[23]，在盆缽一側(cè)中部打一圓孔，將灌水器經(jīng)圓孔水平偏下(5～10°)插入土體中部。供試土壤為壤質(zhì)黏土(砂粒52.9%、粉粒22.5%、黏粒24.5%)，田間持水量(FC)為22.36%(體積分數(shù))，有機質(zhì)含量為16.04 g·kg-1，pH為6.66，全氮含量為1.35 g·kg-1，全磷含量為0.59 g·kg-1，堿解氮、速效鉀、有效磷含量分別為93.53、194.02、34.26 mg·kg-1。土壤風干后過2 mm篩(質(zhì)量含水量為2.2%)，每盆填裝土壤25 kg，裝土容重為1.1 g·cm-3。

1.2 試驗設計

試驗為單因素隨機設計，穩(wěn)定性土壤水分設置-5、-10、-15 kPa 三個負壓灌溉處理，波動性土壤水分設置一個處理(手工澆灌，artificial irrigation，AI)，共4個處理，每處理重復4次，共16盆。據(jù)肖俊夫等[1]的研究顯示，華北夏玉米日耗水量最高可達5.0～7.0 mm·d-1。本試驗為盆栽試驗，沒有水分滲漏，耗水量應該要少很多，因此設計澆灌量3.0～4.0 mm·d-1，具體為每隔2 d每盆澆灌1 L。

玉米盆栽試驗于2018年6—9月在中國農(nóng)業(yè)科學院內(nèi)遮雨網(wǎng)室(116.3° E，39.9° N)進行。供試玉米品種為‘鄭單958’，于2018年6月25日播種。播種前每盆均施入2.3 g尿素、8.5 g過磷酸鈣、2.8 g硫酸鉀，用小釘耙將肥料與土壤充分混勻，每盆土壤澆水3 L使之充分滲透土壤。每盆播種6穴，每穴播種一粒種子，于5葉期定苗，留下1株各盆之間長勢均勻的壯苗。玉米全生育期共施尿素7.0 g·盆-1，于大喇叭口期追施尿素4.7 g·盆-1。苗期采用澆灌，每隔2 d灌溉1 L，8月13日玉米剛進入拔節(jié)期開始啟動負壓灌溉裝置控水直至玉米成熟，控水開始時各處理之間玉米的長勢大致相同。

1.3 測定項目及方法

1.3.1灌水量測定 玉米拔節(jié)期至成熟期每天17:00根據(jù)儲水桶的水位刻度(表征體積)讀取水位管的水位，計算水位差，即為灌水量(L)。

1.3.2土壤含水量的測定 在玉米控水兩周后每隔4 d測定一次，測定時間為17:00—18:00，每次測定均在玉米植株周圍均勻取三點，求平均值，測量深度為0～6 cm，測定儀器為SU-LB型土壤水分速測儀(北京盟創(chuàng)偉業(yè)科技有限公司)。

1.3.3土壤含水量穩(wěn)定性評價參數(shù) 土壤含水量隨時間變化的變異系數(shù)(CV)計算公式[24]如下。

CV=不同時間土壤含水量觀測值的標準差/不同時間土壤含水量觀測值的平均值

當CV≤0.1時，屬于弱變異；當0.1

土壤含水量隨時間變化的波動系數(shù)(δ)計算公式如下。

δ=∑[|θi-θi-1|/(θi+θi-1)/2]/(n-1)

式中，θi為第i時刻土壤含水量的觀測值，θi-1為第i上一時刻土壤含水量的觀測值，n為土壤含水量的觀測次數(shù)。波動系數(shù)的大小反映土壤含水量的穩(wěn)定程度，值越小代表土壤含水量越穩(wěn)定。

1.3.4植株耗水量的計算 本研究中，玉米的耗水量計算公式[25]如下。

ETk=Mk-ΔW=Mk-(θmk-θmk-1)×ms/ρw

式中，ETk為第k時間段玉米的耗水量(L)，Mk為第k時間段的灌水量(L)，ΔW為土壤儲水量變化量(L)，θmk為第k時刻土壤的質(zhì)量含水量，θmk-1為第k上一時刻土壤的質(zhì)量含水量，ms為盆缽中土體質(zhì)量(kg)，ρw為水的密度(1 g·cm-3)。

1.3.5玉米株高、莖粗、葉面積的測定 于控水一周后起，每隔10 d測量一次。用米尺測量土表至玉米旗葉的高度，記為株高(cm)；使用游標卡尺測定玉米的莖粗(cm)；玉米的葉面積用長寬系數(shù)法計算,公式如下。

單葉面積(cm2)=長(cm)×寬(cm)×0.75，

單株葉面積等于各單葉面積之和。

1.3.6玉米葉片SPAD值和凈光合速率的測定

玉米葉片SPAD值在控水后24 d起每隔8 d測定一次，共測定4次，玉米葉片凈光合速率在控水后32 d起每隔8 d測定一次，共測定3次，測定部位均為玉米的穗位葉；葉片SPAD值用便攜式葉綠素儀(SPAD-502，Konica Minolta Sensing, INC.)測定，測定時間為上午8:00—8:30；使用LI-6400型便攜式光合儀(北京力高泰科技有限公司)測定凈光合速率，測定時間為上午8:30—11:30，測試過程中統(tǒng)一把光強設定為1 500 μmol·m-2·s-1[26]。

1.3.7玉米干物質(zhì)量的測定 控水后49 d將玉米整株取出，擦去表面泥土，將地上部和地下部分別稱重，獲得鮮重后，放入105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在75 ℃條件下烘干至恒重，分別稱取地上部、地下部和籽粒干重，計算根冠比。

1.3.8玉米水分利用效率的計算 玉米生物量水分利用效率(biomass water use efficiency，WUEB)和玉米產(chǎn)量水分利用效率(yield water use efficiency，WUEY)計算公式[27]如下。

玉米生物量水分利用效率(WUEB，g·kg-1)=玉米干物質(zhì)量/總耗水量

玉米產(chǎn)量水分利用效率(WUEY，g·kg-1)=玉米籽粒干重/總耗水量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，Sigmaplot 12.5軟件進行繪圖。單因素方差分析采用SPSS 21.0軟件處理，LSD法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下的灌水量和土壤含水量

2.1.1不同處理下的累計灌水量 負壓灌溉裝置系統(tǒng)在玉米剛進入拔節(jié)期開始運行，圖1顯示了控水后隨著時間的推移不同處理下的累計灌水量。從圖1可以看出，負壓灌溉處理中-5 kPa的供水速率最快、-10 kPa次之、-15 kPa最慢；AI處理下的累計灌水量呈直線增長，這是由于AI處理采用澆灌，每隔2 d灌水1 L。負壓灌水系統(tǒng)在控水后26 d時進行了儲水桶重新注水，壓力短暫升高，因此控水后27 d各負壓灌溉處理下的累計灌水量突然大幅度增加?？厮蟮?7 d，-5 kPa 與AI的累計灌水量大致相同，而-10、-15 kPa處理的累計灌水量較AI分別降低了12.3%、27.7%，表明負壓控水處理中壓力越大累計灌水量越高。

2.1.2不同處理下的日灌水量 從圖1日灌水量可以看出，控水后負壓灌溉處理每天的灌水量隨著時間的推移呈波動性變化且后期有降低的趨勢，表明在控水后期玉米隨著其生長發(fā)育需水量降低。整體來看，-5 kPa的日灌水量最高，-10 kPa次之，-15 kPa最低，且負壓控水處理中壓力越大日灌水量越高。此外，負壓灌溉處理在控水后第1和第28 d的灌水量出現(xiàn)了2個最高峰，這可能是因為灌水系統(tǒng)的儲水桶剛注完水，尚未形成穩(wěn)定的灌水負壓所致。AI處理采用人工澆灌，每隔2 d灌水1 L，所以日灌水量為一個穩(wěn)定的常量。

2.1.3不同處理下的土壤體積含水量 控水后14 d至玉米成熟負壓灌溉下的土壤體積含水量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)(圖1)，而AI處理的土壤體積含水量波動較大。控水后14～26和30～42 d，負壓灌溉處理的土壤體積含水量都有下降的趨勢，表明隨著玉米植株的逐漸長大，負壓裝置的供水量稍微不能滿足玉米的生長需要，此時玉米需要吸收一定數(shù)量的土壤水分來滿足蒸騰耗水；26～30 d負壓灌溉處理的土壤體積含水量都有上升的趨勢，這是由于儲水桶在控水后26 d時補充水分，有了一個短時間的高供水壓力；42～46 d，-5和-10 kPa處理下的土壤體積含水量有上升趨勢，-15 kPa處理下的土壤體積含水量有下降趨勢，表明此時-5和-10 kPa的供水速率略大于蒸散耗水速率，而-15 kPa的供水量稍微不能滿足蒸散耗水需要。整個控水期間，AI的土壤體積含水量為13.98%(62.5% FC)～19.96%(89.3% FC)，-5、-10、-15 kPa的土壤體積含水量分別為10.55%(47.2% FC)～12.89%(57.6% FC)、9.12%(40.8% FC)～12.23%(54.7% FC)、6.83%(30.5% FC)～9.88%(44.2% FC)，且整個控水期各負壓處理的平均土壤體積含水量比AI低32.1%、39.4%、50.6%，表明常規(guī)灌溉的土壤體積含水量大于負壓控水處理，負壓控水處理中壓力越大土壤體積含水量越高；-5、-10、-15 kPa、AI土壤體積含水量隨時間變化的變異系數(shù)分別為0.068、0.093、0.121、0.113，波動系數(shù)分別為0.041、0.074、0.066、0.120。綜合土壤體積含水量隨時間變化的變異系數(shù)和波動系數(shù)，負壓灌溉處理為弱時間變異的穩(wěn)定性土壤含水量，AI為中等時間變異的波動性土壤含水量。

圖1 不同處理下累計灌水量、日灌水量和土壤體積含水量的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of cumulative irrigation, daily irrigation and soil volumetric moisture content under different treatments

2.2 控水后不同階段各處理下玉米的農(nóng)藝性狀

玉米的株高、莖粗、葉面積等形態(tài)指標可以反映其生長發(fā)育狀況，與玉米的地上部生物量密切相關。由圖2可知，隨著時間的推移，玉米株高和葉面積在第7～17 d之間快速增長，之后基本上趨向平穩(wěn)，莖粗在控水7 d以后幾乎不再增長?？厮蟮?～17 d，玉米處于拔節(jié)期至抽雄吐絲期，營養(yǎng)生長與生殖生長并進，此時期玉米生長發(fā)育較快且對水分的需求較多，因此，玉米的株高和葉面積增長較快，且控水僅7 d時玉米的株高、莖粗和葉面積在處理間就表現(xiàn)出明顯的差異。控水后第17～47 d是玉米的抽雄吐絲期至成熟期，此時玉米以生殖生長為主，因此株高和葉面積增長緩慢。綜上所述，在本研究的盆栽試驗條件下，采收前30 d(抽雄吐絲期)玉米的農(nóng)藝性狀基本上發(fā)育完全，莖粗較株高、葉面積更早地發(fā)育完全。

2.2.1控水后不同階段各處理下玉米的株高

玉米株高在控水后各階段都隨著供水壓力的減小逐漸減小(圖2)。在控水后第7 d，-5 kPa處理顯著高于-15 kPa和AI處理；第17 d及以后均為-5、-10 kPa處理顯著高于-15 kPa和AI處理，成熟期(控水后47 d)，-5、-10 kPa株高較AI分別顯著提高32.6%和24.0%，-15 kPa與AI大致相同。以上說明土壤水分對玉米株高有顯著影響，弱時間變異的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)比弱時間變異的38% FC(-15 kPa)、中等時間變異的78% FC(AI)更有利于玉米株高的增長，在這樣的水分差異下，7 d就足以使得拔節(jié)期玉米株高產(chǎn)生顯著差異。

2.2.2控水后不同階段各處理下玉米的莖粗

圖2中，玉米的莖粗在控水第7 d及以后均為-5、-10 kPa處理顯著高于-15 kPa和AI處理，而各處理的莖粗沒有明顯增長，說明玉米拔節(jié)期前7 d，莖粗對土壤水分最為敏感，土壤水分顯著影響了玉米莖粗。在成熟期，-15 kPa處理玉米莖粗與AI大致相同，-5、-10 kPa處理較AI處理分別顯著提高14.2%和12.7%。以上說明土壤水分對玉米莖粗有顯著影響，弱時間變異的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)比弱時間變異的38% FC(-15 kPa)、中等時間變異的78% FC(AI)更有利于玉米莖粗的增長，在這樣的水分差異下，7 d就足以使得拔節(jié)期的玉米莖粗產(chǎn)生顯著差異。

2.2.3控水后不同階段各處理下玉米的葉面積

控水后各階段玉米的葉面積均表現(xiàn)為-5、-10 kPa較高，-15 kPa次之，AI最小(圖2)。在控水后第7 d，-5和-10 kPa處理顯著高于-15 kPa和AI；到17 d，各處理之間差異均達到顯著水平；到27 d，-5與-10、-15 kPa與AI之間差異不顯著；37 d，僅AI顯著低于其他處理；成熟期，-5、-10、-15 kPa處理較AI處理分別提高32.7%、33.4%和14.1%。以上說明，土壤水分對玉米葉面積有顯著影響，弱時間變異的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)比弱時間變異的38% FC(-15 kPa)、中等時間變異的78% FC(AI)更有利于玉米葉面積，在這樣的水分差異下，7 d就足以使得拔節(jié)期的玉米葉面積產(chǎn)生顯著差異。

弱時間變異的53% FC、47% FC下玉米的株高、莖粗、葉面積都高于弱時間變異的38% FC、中等時間變異的78% FC，表明弱時間變異的53% FC、47% FC較中等時間變異的78% FC更能滿足玉米的生長需求，玉米植株生長發(fā)育良好，農(nóng)藝性狀較佳。土壤水分時間變異基本相同時，土壤含水量越高越能滿足玉米的生長需求。

注：同一時間不同小寫字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different small letters at the same time indicate significant difference at P<0.05 level.圖2 不同處理下玉米株高、莖粗、葉面積的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of plant height, stem diameter and leaf area of maize under different treatments

2.3 控水后不同處理對玉米不同生育期光合作用的影響

玉米葉片是進行光合作用的主要部位，葉片SPAD值可以間接反映葉綠素含量，SPAD值與凈光合速率的大小直接影響玉米干物質(zhì)量的積累。由圖3分析可知，在控水后24～48 d(抽雄吐絲期至成熟期)，玉米葉片SPAD值在同一處理下沒有明顯的變化，但不同水分處理之間有明顯差異，始終表現(xiàn)為-5 kPa>AI>-10 kPa>-15 kPa。 -5 kPa與AI總體上沒有顯著差異，4次不同時間的測定中只有1次差異顯著。-5 kPa與-10 kPa之間、-10 kPa與-15 kPa之間總體上差異明顯，4次不同時間的測定中有2次差異顯著。-5 kPa與-15 kPa始終差異顯著。-10 kPa與AI始終差異不顯著。AI與-15 kPa總體上差異顯著，4次不同時間的測定中只有1次差異不顯著。

注：同一時間不同小寫字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different small letters at the same time indicate significant difference at P<0.05 level.圖3 不同處理下玉米葉片SPAD值和凈光合速率的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of SPAD value and net photosynthetic rate in maize leaves under different treatments

控水后32 d(灌漿期)各水分處理的玉米凈光合速率沒有明顯差異，此后隨著時間的推移，不同處理下的凈光合速率逐漸顯示出差異，其中-5 kPa和AI基本上保持不變，只有輕微的波動，兩個處理之間也沒有明顯差異；而-10、-15 kPa兩個處理的凈光合速率則產(chǎn)生明顯下降，其中-15 kPa的下降尤其明顯，并與-5 kPa、AI差異顯著；到成熟期時-15 kPa處理較AI和-5 kPa分別顯著降低了46.3%、44.6%。

以上結(jié)果說明，土壤水分對玉米葉片SPAD值和凈光合速率有顯著影響，弱時間變異的53% FC(-5 kPa)與時間變異性中等的78% FC(AI)能夠維持較高的SPAD值、凈光合速率；均為弱時間變異時，本研究盆栽試驗條件下，成熟期玉米葉片SPAD值和凈光合速率隨著含水量的下降而降低。

2.4 不同處理對玉米的光合產(chǎn)物分配和水分利用效率的影響

2.4.1各處理下玉米的總耗水量、干物質(zhì)量和根冠比 表1中，不同水分處理下玉米整個生育期內(nèi)總耗水量-5 kPa>AI>-10 kPa>-15 kPa，負壓灌溉處理中隨著壓力的增大玉米的耗水量顯著增大，與AI相比，-5 kPa的耗水量提高了8.1%，-10和-15 kPa的耗水量分別降低了4.8%、20.2%。

在負壓灌溉處理中隨著供水壓力的減小玉米干物質(zhì)量逐漸減小。各處理下的干物質(zhì)量表現(xiàn)為-5 kPa>-10 kPa>AI>-15 kPa。-5 kPa、-10 kPa較AI處理增加 了39.0%和15.7%，-15 kPa較AI降低了18.8%，說明與時間變異性中等的78% FC(AI)相比，時間變異性弱的53% FC(-5 kPa)和47% FC(-10 kPa)的土壤水分條件促進了玉米生物量積累，弱時間變異性的38% FC(-15 kPa)的土壤水分抑制了玉米生物量積累。

作物根冠比的大小反映了光合產(chǎn)物在植物地下部分與地上部分的分配狀況。表1中數(shù)據(jù)表明，-10 kPa的根冠比最大、-5 kPa次之、AI再次之、-15 kPa根冠比最小，與AI相比-5 kPa、-10 kPa處理下玉米的根冠比分別提高了7.2%和16.6%，其中-10 kPa達到了顯著水平，而-15 kPa較AI顯著降低了17.1%。這主要是因為-10 kPa和-5 kPa處理屬于中度水分脅迫，玉米從土壤中吸收的水分首先滿足根系生長發(fā)育所需，同化物向地下部的分配高于地上部，根系生長更旺盛，導致根冠比較大[28-29]；-15 kPa處理屬于重度水分脅迫，此時玉米遭受較強的環(huán)境抑制，自適應能力減弱，從土壤中吸收的水分在滿足根系活力的前提下，主要供給冠的生長所需，因此根冠比較小[30]。

2.4.2各處理下玉米的水分利用效率 表1顯示，-5、-10 kPa處理玉米的生物量水分利用效率(WUEB)顯著高于-15 kPa 和AI處理，與AI相比，-5、-10和-15 kPa的WUEB分別提高了28.8%、21.6%、1.9%。表明與時間變異性中等的78% FC(AI)相比，由負壓灌溉提供的穩(wěn)定的土壤水分條件，即弱時間變異的53% FC(-5 kPa)、47% FC(-10 kPa)、38% FC(-15 kPa)更有利于玉米的生物量水分利用效率的提高；且穩(wěn)定的弱時間變異下，在38% FC～53% FC范圍內(nèi)，生物量水分利用效率隨土壤含水量的提高而提高。

表1 不同處理下玉米的光合產(chǎn)物分配和水分利用效率Table 1 Photosynthetic product distribution and water use efficiency of maize under different treatments

不同處理下玉米籽粒干重和水分利用效率(WUEY)均表現(xiàn)為-5 kPa>AI>-10 kPa>-15 kPa，負壓灌溉處理中隨著壓力的增大玉米的籽粒干重和WUEY分別顯著增大。-5 kPa處理的玉米籽粒干重和WUEY分別顯著高于AI處理106.6%、87.3%，-15 kPa處理的玉米籽粒干重和WUEY則分別顯著低于AI處理99.4%、99.3%。以上結(jié)果表明，與時間變異性中等的78% FC(AI)相比，時間變異性弱的53% FC(-5 kPa)玉米生殖生長良好，更有利于玉米籽粒干重的積累及WUEY的提高；而弱時間變異性的38% FC(-15 kPa)已經(jīng)產(chǎn)生了嚴重的土壤水分脅迫，嚴重阻礙了玉米的生殖生長，導致籽粒干重和WUEY幾乎為零。

3 討論

3.1 負壓灌溉壓力與土壤含水量的關系

本研究利用不同負壓灌溉壓力控制盆栽玉米的土壤含水量，供水壓力設置在-15～-5 kPa，土壤體積含水量可穩(wěn)定控制在6.83%～12.89%之間。而向艷艷等[31]研究認為，設定供水壓力為-15～-5 kPa，小白菜潮菜園土的土壤含水量可控制在20.5%～25%，紅菜園土的土壤含水量可控制在14.4%～19.2%；李生平等[25]研究認為，供水壓力為-15～-5 kPa，黃瓜的土壤含水量可控制在15.6%～22.7%之間。在相同供水壓力下，不同學者所得到的土壤含水量有所不同，這表明負壓灌溉壓力與土壤含水量并不是一一對應的關系。這主要是由于不同類型土壤的土壤水分特征曲線不同，且目前大多數(shù)負壓灌溉的灌水器是線狀管子或者圓形盤，屬于線源或者點源供水，圍繞供水器土壤含水量存在一定的空間梯度[32]，而這個梯度受到供需平衡的影響，因此不同學者的研究結(jié)果不盡相同，這也有可能是由于不同研究的作物類型、土壤含水量的測定深度、灌水器型號及外界環(huán)境因素不同所致[14,17]。另外，本研究中-5、-10、-15 kPa、AI處理土壤體積含水量隨時間變化的變異系數(shù)分別為0.068、0.093、0.121、0.113，波動系數(shù)分別為0.041、0.074、0.066、0.120。雖然從變異系數(shù)來看-5、-10 kPa屬于弱變異，-15 kPa和 AI屬于中等變異，但本研究中土壤體積含水量隨時間變化表現(xiàn)出了一定程度減少趨勢，用變異系數(shù)來描述土壤水分的穩(wěn)定性不夠準確，-5、-10、-15 kPa處理的土壤體積含水量隨時間變化的波動系數(shù)均明顯小于AI，且數(shù)值較小。因此，綜合土壤水分隨時間變化的變異系數(shù)和波動系數(shù)，負壓灌溉處理的土壤含水量較AI穩(wěn)定。

3.2 土壤水分時間變異性對玉米生長發(fā)育和光合特性的影響

玉米的株高、莖粗、葉面積等形態(tài)指標可以反映其生長發(fā)育狀況，與玉米的地上部生物量密切相關。梁烜赫等[33]采用實測土壤含水量計算灌溉補水量的方法控制土壤水分，結(jié)果表明，在同一種植密度下，與無水分脅迫(75% FC)相比，玉米在拔節(jié)期中度(50% FC)和重度(40% FC)水分脅迫顯著降低了玉米的株高、莖粗、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量。本研究中-5、-10、-15 kPa和AI的土壤平均含水量分別為53% FC、47% FC、38% FC、78% FC。從土壤含水量的角度而言[34-36]，本研究的AI處理屬于無脅迫的土壤水分條件，-5和-10 kPa處理屬于中度水分脅迫，-15 kPa處理屬于重度水分脅迫，-5和-10 kPa處理平均土壤含水量遠低于AI，它們的最高含水量12.89%、12.23%也比AI的最低含水量13.98%要小。理論上， AI(78% FC)處理的株高、莖粗、葉面積等形態(tài)指標應該要好于-5 kPa(53% FC)、-10 kPa(47% FC)、-15 kPa(38% FC)處理，而研究結(jié)果卻是-5 kPa(53% FC)、-10 kPa(47% FC)處理比AI(78% FC)處理的玉米生長良好，莖較粗，葉面積較大，干物質(zhì)量積累較多。無論是哪種灌溉方式，最終影響作物的是土壤水分，以上結(jié)果清晰地表明：除了土壤水分的含水量屬性外，應該還有其他土壤水分屬性影響著玉米的生長發(fā)育，-5和-10 kPa處理土壤水分時間變異性明顯小于AI，屬于弱時間變異性土壤水分，而AI屬于中等時間變異性土壤水分，說明穩(wěn)定的弱時間變異性土壤水分條件有利于玉米的生長發(fā)育，無水分脅迫的高含量土壤水分在時間變異性過大的情況下，玉米也會生長不良。

土壤水分狀況通過影響葉綠素的合成進而影響光合速率，最終影響作物的產(chǎn)量；玉米葉片SPAD值可以間接反映其葉綠素含量[37]。劉帆等[38]利用土壤水分傳感器監(jiān)測土壤水分狀況確定灌水量的方法發(fā)現(xiàn)：與無水分脅迫的80% FC相比，水分脅迫(50% FC、65% FC)會導致玉米葉片凈光合速率的降低。高盼等[39]的研究表明，拔節(jié)期水分脅迫(65% FC、55% FC)玉米的產(chǎn)量分別比無水分脅迫的85% FC降低11.5%和27.35%。本研究結(jié)果與以上文獻結(jié)果相反，平均含水量為53% FC的-5 kPa處理的土壤水分條件下，玉米葉片SPAD值和凈光合速率、籽粒干重均高于平均含水量為78% FC的AI處理。傳統(tǒng)文獻一般是以灌溉指標控制土壤水分條件，所有處理都在經(jīng)歷著土壤水分的跳躍性變化，土壤水分都有較大的時間變異性，而本研究中53% FC的土壤水分條件是在-5 kPa供水下形成的，土壤含水量隨時間變化較AI穩(wěn)定。以上說明穩(wěn)定的土壤水分條件更有利于玉米光合作用的提高，土壤水分的穩(wěn)定性在一定程度上可以補償土壤水分含量不足的影響；土壤水分的穩(wěn)定性基本相似、平均含水量80% FC以下時，土壤含水量越高越有利于玉米的光合作用。

土壤水分時間變異性均比較小的-5、-10、-15 kPa處理的土壤含水量分別為53% FC、47% FC、38% FC，株高、莖粗、葉面積、光合速率、葉片SPAD值均隨著土壤含水量的降低而降低，說明當土壤水分比較穩(wěn)定時，在38%～53% FC范圍內(nèi)，土壤含水量越高越有利于玉米生長發(fā)育和光合作用的提高。

需要指出的是，本研究各處理的玉米干物質(zhì)量和籽粒干重與玉米鄭單958實際生產(chǎn)水平差距較大。這主要是因為在常規(guī)田間種植條件下成熟期玉米的根系深度可達1.6 m左右[40]，行距和株距一般分別為60和25 cm左右[41]，而本試驗為了精準控制土壤水分條件，不得不采用盆栽試驗，其生長空間僅僅有42 cm×26 cm×25 cm，遠遠小于大田實際生產(chǎn)的生長空間，在成熟期采收樣品時發(fā)現(xiàn)各處理下的玉米根系盤結(jié)在盆缽底部，因此生長空間的狹小極有可能是造成其產(chǎn)量小于大田的主要原因。另外，也可能是由于本試驗的播種時間(2018年6月25號)稍晚于傳統(tǒng)田間的播種時間，且該試驗為防雨棚條件下的盆栽試驗，種植量較少，沒有田間種植的群體效應，環(huán)境因素(風、光照)與田間相差較大，自然授粉等生物活動過程受到了較大的影響。

3.3 土壤水分時間變異性對玉米水分利用效率的影響

陳杰等[42]用稱重法控制土壤水分，研究發(fā)現(xiàn)，玉米的水分利用效率分別隨水分脅迫程度的增加(75% FC、55% FC、45% FC)而降低。而本研究中平均含水量為53% FC的-5 kPa處理的玉米WUEY和WUEB大于平均含水量為78% FC的AI，說明穩(wěn)定的土壤水分條件能夠顯著提高作物的水分利用效率。土壤水分時間變異性均比較小的-5、-10、-15 kPa處理的土壤含水量分別為53% FC、47% FC、38% FC，玉米WUEY和WUEB大小均隨著土壤含水量的降低而降低，說明當土壤水分比較穩(wěn)定時，在38%～53% FC范圍內(nèi)，土壤含水量越高越有利于玉米水分利用效率的提高，這與現(xiàn)有文獻中土壤水分變異性大時土壤含水量對水分利用效率的影響規(guī)律是基本相同的。其中38% FC已經(jīng)產(chǎn)生了嚴重的土壤水分脅迫，嚴重阻礙了玉米的生殖生長，導致籽粒干重幾乎為零。

綜上所述，本試驗中-5、-10和-15 kPa處理的土壤含水量隨時間變化均較穩(wěn)定。土壤含水量中等脅迫(53% FC)、土壤水分時間變異性弱的土壤水分下的玉米生長發(fā)育、凈光合速率、SPAD值、水分利用效率等均好于土壤含水量無脅迫(78% FC)、土壤水分時間變異性中等的土壤水分，說明土壤水分時間上的穩(wěn)定可以在一定程度上彌補土壤水分含量上的脅迫，過大的土壤水分時間變異性也能讓沒有土壤含水量脅迫的玉米生長發(fā)育變差、水分利用效率下降。在土壤水分時間變異性均比較弱的條件下，玉米生長發(fā)育、凈光合速率、SPAD值、水分利用效率等均隨著土壤含水量的提高而提高或改善。

傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉技術(shù)土壤水分時間變異較大，干濕交替，符合缺水補償效應理論[43]，而在負壓灌溉下，土壤水分比較穩(wěn)定，缺水補償效應理論沒有了發(fā)揮的條件。但很多研究表明，負壓灌溉技術(shù)優(yōu)于普通的節(jié)水灌溉技術(shù)，其機理還不明確。此外，傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉技術(shù)符合根冠通訊理論[43]，但負壓灌溉是否存在信號物質(zhì)，存在的部位、含量、時期等都不明確。因此，未來應該展開更多的研究，以期明確負壓灌溉下水分高效的機理。