淮北平原夏玉米生長與土壤含水量和地下水的關(guān)系

張豪強(qiáng) 朱永華 呂海深

摘要：為了研究淮北平原夏玉米生長與土壤含水量和地下水埋深的關(guān)系，在蚌埠市五道溝試驗站設(shè)置2組試驗：一組大田試驗，用來觀測夏玉米生長與土壤含水量的關(guān)系;一組蒸滲儀試驗，用于研究夏玉米最適宜的地下水埋深。研究結(jié)果表明，生育期極端降雨引起土壤含水量增加，會嚴(yán)重影響夏玉米的生長，使得產(chǎn)量下降;其中，2018年出苗期及抽雄期和灌漿期發(fā)生的極端降雨使得20、40、70 cm土層含水量分別比田間持水量高18.6%、42.8%、24.0%，與3年平均產(chǎn)量相比，2018年減產(chǎn)28.5%。在蒸滲儀試驗中，地下水埋深對株高、穗長影響不大，對產(chǎn)量、單穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、穗數(shù)影響較大。在地下水埋深為0～3 m時，適宜夏玉米生長的最佳地下水埋深為0.6～0.8 m。與自然水位下的大田產(chǎn)量相比，埋深為0.6 m時，2017年、2018年的產(chǎn)量分別增加7.5%、18.7%;埋深為0.8 m時，2017年、2018年的產(chǎn)量分別增加187%、5.0%。

關(guān)鍵詞：土壤含水量;地下水埋深;夏玉米;產(chǎn)量;淮北平原

中圖分類號： S152.7+5;S513.07文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）05-0079-06

淮北平原位于黃淮海平原南側(cè)，夏玉米是其最重要的旱作物，砂姜黑土為該區(qū)域的主要土壤類型[1]，其保水能力很差，容易發(fā)生旱澇漬災(zāi)害且肥力較低，這成為制約當(dāng)?shù)叵挠衩桩a(chǎn)量的主要因子之一。夏玉米生長季（6—10月）正是汛期，土壤含水量常常超過夏玉米生長的適宜水分需求，且淮北平原地下水埋深較淺，會影響夏玉米的生長態(tài)勢以及對水分的吸收利用效率。適宜的土壤含水量和地下水埋深能夠改善夏玉米的土壤環(huán)境，提高根系活力，增加作物產(chǎn)量。目前，國內(nèi)有關(guān)夏玉米生長與土壤含水量之間關(guān)系的研究較多，例如夏玉米某一階段生長指標(biāo)的土壤含水量臨界點[2]、生長季各層土壤含水量的變化[3]等，但多在東北[3]、華北[4]、華中地區(qū)[5]。關(guān)于不同地下水埋深與夏玉米生長之間的關(guān)系已有廣泛的研究，但地下水埋深大多控制在2 m范圍內(nèi)，土壤類型多為黏土、壤土、潮土[13]，試驗結(jié)果多為地下水埋深對玉米外部形態(tài)[9]、根系生長以及玉米需水量的影響。關(guān)于玉米生長與土壤含水量和地下水埋深針對砂姜黑土、淮北平原地區(qū)的研究較少。本研究在了解淮北平原的氣候特點、土壤類型以及夏玉米的生產(chǎn)模式后，設(shè)置2組試驗，一組設(shè)在試驗田，用來探究夏玉米生長與土壤含水量之間的關(guān)系;另一個組利用地中蒸滲儀，設(shè)置不同的地下水埋深，研究夏玉米生長與地下水埋深的關(guān)系，明確夏玉米生長最適宜的地下水埋深，以期為研究區(qū)夏玉米的灌排措施制定以及農(nóng)田水利建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗選在淮北平原南部的五道溝試驗站，該試驗站位于安徽省蚌埠市境內(nèi)，地處117°21′ E，33°09′ N，屬北亞熱帶和暖溫帶氣候，冬季干旱少雨，夏季炎熱多雨，多年平均降水量為927 mm，多年平均氣溫為14 ℃，多年平均日照時數(shù)為2 085 h，無霜期為212 d[15]。土壤類型為砂姜黑土，土壤屬性參數(shù)見表1。

1.2 試驗設(shè)計及觀測方法

試驗選用的夏玉米品種為登海808，試驗播種前施底肥1次，將肥料均勻撒在試驗區(qū)表面，用犁和耙將其翻入土中。具體施肥量：尿素35 kg/667 m2、氮磷鉀復(fù)合肥60 kg/667 m2。播種方式采用點播，在播行上每隔20 cm開穴播種，行距為50 cm。

A方案（大田試驗）：選擇2塊面積均為4 hm2的試驗田。每塊田分成6個小區(qū)，每個小區(qū)隨機(jī)選2個點測定土壤含水量，采用土鉆取土、烘干法測定，分別在10、20、40、70 cm等4個深度處垂直取土，每次重復(fù)3個土樣，每隔5 d記錄1次。降水量采用試驗站氣象站的觀測數(shù)據(jù)。在玉米成熟后隨機(jī)取樣10株/小區(qū)帶回室內(nèi)進(jìn)行考種，測定夏玉米株高、穗長、穗數(shù)（667 m2單位面積的穗數(shù)）、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量。

B方案（測筒試驗）：利用五道溝試驗站內(nèi)的大型緊密式地中蒸滲儀（平面俯視圖如圖1所示、原理圖如圖2所示）進(jìn)行試驗。本次試驗共設(shè)置7個地下水埋深，共19個測筒（表2），為保證試驗的可行性，按蒸滲儀各地下水埋深實際測筒個數(shù)、面積進(jìn)行試驗，各深度重復(fù)2次或3次。各測筒周圍等密度種植玉米（圖3），從而去除邊際效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響。成熟后將各測筒內(nèi)的所有玉米帶回室內(nèi)進(jìn)行考種。同期的大田試驗（自然地下水位）作為測筒試驗的對照。

A、B方案中的玉米品種、播種方式、施肥情況、光照等條件均相同，試驗期間夏玉米按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行統(tǒng)一管理。表3為2016―2018年夏玉米生育期各階段的時間表。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

實測的土壤含水量數(shù)據(jù)采用容重進(jìn)行換算，得到容積含水量。統(tǒng)計分析時同一地下水埋深下的各產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成參數(shù)取其平均值。以Excel 2016作為數(shù)據(jù)處理工具，SPSS 19.0作為統(tǒng)計分析工具。利用Origin 2016繪制土壤含水量、日最高氣溫及降水量的動態(tài)曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米生育期內(nèi)土壤含水量的變化

影響夏玉米生長發(fā)育的主要因素之一是土壤的水分條件。夏玉米需水量在整個生育期呈現(xiàn)兩頭小、中間大的特點[16]，因為夏玉米在拔節(jié)期快速生長，需要大量水分以供植株、根系生長，加上玉米作物蒸騰耗水強(qiáng)度大，而在抽穗期、灌漿期階段正處于持續(xù)高溫的天氣，且是夏玉米籽粒形成的關(guān)鍵時期，需要消耗大量水分。為了使植株能夠正常發(fā)育，出苗期、成熟期的土壤含水量應(yīng)控制在田間持水量的55%～60%;后期夏玉米的需水要求開始增加，拔節(jié)期至灌漿期應(yīng)控制在70%～80%[17]。

夏玉米根系分布在0～50 cm土層范圍內(nèi)，且大部分集中在0～30 cm，因此0～50 cm土層的水分狀況，對玉米的生長發(fā)育起著決定性作用，根系的生

長要有適宜的水分和充分的氧氣，來保證植株根系呼吸利用。圖4至圖6為2016―2018年夏玉米生育期內(nèi)各層土壤的平均含水量。就表層和中層土壤含水量而言，2018年20、40、70 cm土層的平均含水量分別比田間持水量高18.6%、428%、24.0%，這會影響玉米根系的活力，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。2018年出苗期過澇，這不利于根系生長以及吸肥能力，會降低夏玉米的出苗率;在抽雄期過澇降低了花粉的生命力，使得雌穗、雄穗出現(xiàn)時間的差距拉長，不利于授粉，會降低每穗籽粒的數(shù)量，影響谷物的質(zhì)量;灌漿期過澇會使得籽粒發(fā)育不良，不利于養(yǎng)分的運輸和積累;成熟期是夏玉米由以生長為主進(jìn)入以生殖為主的階段，此時是形成產(chǎn)量的關(guān)鍵階段，此時過澇會影響產(chǎn)量。

2.2 極端降雨年份土壤含水量的變化

引起2016―2018年大田土壤含水量差異的主要因素是2018年發(fā)生極端降雨，包括特大暴雨以及連陰雨。連陰雨指日降水量大于0.1 mm，總降水量大于等于50 mm，連續(xù)降雨時間達(dá)5 d以上;或者連續(xù)降雨天數(shù)小于5 d但總降水量很大（或有特大暴雨）的天氣。

2018年的連陰雨覆蓋面積較大、期間日照時數(shù)很短且累積降水量較多：6月27日有場特大暴雨，降水量達(dá)225.3 mm，8月12―20日發(fā)生了長達(dá)9 d（圖7）降水量共計347 mm的連陰雨，其中連陰雨期間降水量占整個生育期降水量的44.0%。

圖8為2018年4個土層的土壤含水量的動態(tài)變化情況。2018年夏玉米在生育期（6月21日至10月4日）土壤含水量變動最大的為10 cm土層，變化范圍為14.7%～48.4%，波動最小的為40 cm土層， 變化范圍為22.7%～31.5%。這是因為10 cm處的淺層土壤受外界條件例如降雨、風(fēng)速、溫度等因素的影響較大，且響應(yīng)的時間較短，而40 cm及以下變化較小且含水量較大是因為受外界條件影響較小且響應(yīng)的時間較長，并且砂姜黑土在此深度以下為該土壤類型的穩(wěn)定層，開始出現(xiàn)砂姜層，容重隨土層加深而變大，蒙脫石的含量開始增多，其遇水膨脹的速度更快，易形成托水層。連陰雨階段各層土壤含水量出現(xiàn)明顯的上升趨勢，田間水量超高產(chǎn)生洪澇災(zāi)害。這一年夏玉米植株缺少光照條件，無法進(jìn)行光合作用，其生長機(jī)能紊亂，導(dǎo)致其發(fā)育不良從而減產(chǎn)，且時間正處于玉米的灌漿期或成熟期，此時濕度大溫度高容易誘發(fā)病蟲災(zāi)害，田間須要進(jìn)行排水，防止發(fā)生根系長時間缺氧造成玉米減產(chǎn)。其中10 cm土層在拔節(jié)期，20、40、70 cm土層幾乎整個生育階段的土壤含水量皆超過田間持水量，在上述階段要注意進(jìn)行田間排水，合理控制土壤含水量使其保持在田間持水量的70%～80%。玉米抽雄至灌漿期為需水臨界期，此時過澇會影響光合作用以及干物質(zhì)積累和營養(yǎng)物質(zhì)運轉(zhuǎn)。

表4為大田夏玉米3年的產(chǎn)量及構(gòu)成比較，2018年水分積聚發(fā)生洪澇災(zāi)害，田間土壤通氣性不好，降低了夏玉米根系的活性，水分超高使得其生育期缺氧減產(chǎn)，2018年單穗粒數(shù)雖高，但由于受空稈率影響且百粒質(zhì)量較低，與3年的平均產(chǎn)量相比，2018年的產(chǎn)量降低28.5%。

2.3 地下水埋深對夏玉米生長的影響

地下水埋深會改變夏玉米根系處的土壤水分狀況，影響夏玉米對水分的吸收效率，從而影響產(chǎn)量。地下水埋深太高或太低都不利于其根系的發(fā)育，君珊指出合適的地下水埋深能有效優(yōu)化土壤環(huán)境，提高土壤的通氣狀況，增強(qiáng)植株的根系活力，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[18]。本試驗中的地中蒸滲儀主要是利用馬里奧特瓶和水位計， 馬里奧特瓶中的水可以

通過平衡器供給蒸散發(fā)，以此來維持地下水處于設(shè)計要求的深度。

表5和表6為2017年和2018年測筒各地下水埋深處理與自然水位下產(chǎn)量及構(gòu)成?？梢钥闯?，同一年內(nèi)各個深度株高變化不明顯，但2017年比2018年低。株高在2018年較高是因為這一年玉米拔節(jié)時間比2017年長且生長勢態(tài)更旺，因此會導(dǎo)致莖稈部分發(fā)育嫩弱。由株高和產(chǎn)量對比發(fā)現(xiàn)，株高處于高值時產(chǎn)量不高，是因為株高過高容易倒伏從而減產(chǎn)。從整體上看埋深對穗長的影響較小。產(chǎn)量的差異主要表現(xiàn)為百粒質(zhì)量、穗數(shù)和單穗粒數(shù)這3個指標(biāo)，雖然這2年在1.5 m處百粒質(zhì)量皆是高值，但是此深度的單穗粒數(shù)較少從而導(dǎo)致產(chǎn)量水平較差。由表6可見，2018年各水埋深下的產(chǎn)量都處于低水平，一方面是因為2018年在玉米拔節(jié)期有場降水量為225.3 mm的特大暴雨，此時大水猛攻，導(dǎo)致玉米倒伏減產(chǎn);另一方面是因為2018年在8月中旬有長達(dá)9 d的連陰雨，此時處于灌漿期，是夏玉米籽粒的形成階段，連陰雨導(dǎo)致土壤含水量嚴(yán)重超過田間持水量，田間排水工作不到位，玉米根系長時間缺氧造成玉米減產(chǎn)。

由每年產(chǎn)量構(gòu)成表以及與大田自然地下水位相比可以得出地下水埋深在0.6～0.8 m處產(chǎn)量較高。與自然水位相比，2017年埋深為0.6 m時增產(chǎn)7.5%，埋深為0.8 m時增產(chǎn)10.6%;2018年埋深為0.6 m時增產(chǎn)18.7%，埋深為0.8 m時增產(chǎn)5.0%。

3 結(jié)論

由于砂姜黑土的特性， 五道溝地區(qū)玉米地土壤變動水位自然地下水位19915.94 66934.5413.4520.7

含水量變化最大的土層深度為10 cm，變化最小的土層深度為40 cm;生育期極端降雨引起土壤含水量增加，會嚴(yán)重影響夏玉米的生長，使得產(chǎn)量下降：2018年出苗期及抽雄期和灌漿期發(fā)生的極端降雨使得20、40、70 cm土層含水量分別比田間持水量高18.6%、42.8%、24.0%，與多年平均產(chǎn)量相比，2018年減產(chǎn)28.5%，為滿足夏玉米出苗期土壤含水量控制在田間持水量的55%～60%，其余階段控制在70%～80%，要及時進(jìn)行田間排水。

夏玉米植株高度受拔節(jié)期生長態(tài)勢和外部氣象條件影響較大，植株過高會使得倒伏減產(chǎn)，株高和穗長受到地下水埋深的影響較小，對產(chǎn)量、單穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、穗數(shù)影響較大。對產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)在地下水4 m埋深范圍內(nèi)，夏玉米最佳地下水埋深應(yīng)為0.6～0.8 m，與自然水位相比，埋深為0.6 m時2017年、2018年分別增產(chǎn)7.5%、187%，埋深為0.8 m時2017年、2018年分別增產(chǎn)10.6%、50%，在進(jìn)行培育時選擇最佳埋深可以有效增加其產(chǎn)量。

本研究測定最佳埋深時只是測筒中的結(jié)果，后續(xù)研究可以在試驗田中種植驗證準(zhǔn)確性。試驗進(jìn)行的年份較短，只能表明臨近短期年份的變化特征，要想得出更多具有參考價值的結(jié)果，還須要繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)長期的試驗。

參考文獻(xiàn)：

[1]安徽水科院五道溝水文水資源實驗站. 五道溝水文水資源實驗站水文地質(zhì)參數(shù)分析報告. （2011-10-23）. https：//wenku.baidu.com/view/ada1eb758e9951e79b8 927d3.html.

[2]麻雪艷，周廣勝. 夏玉米苗期主要生長指標(biāo)的土壤水分臨界點確定方法. 生態(tài)學(xué)雜志，2017，36（6）：1761-1768.

[3]劉景利，史奎橋，梁 濤，等. 錦州玉米地地下水位、降水與土壤含水量的關(guān)系分析. 安徽農(nóng)學(xué)通報，2008，14（20）：126-130.

[4]曹大禹，吳鑫淼，郄志紅. 華北平原冬小麥—夏玉米作物虧缺水量空間分布研究. 中國農(nóng)村水利水電，2020（4）：107-111，115.

[5]高殿滑. 土壤水分與覆蓋對夏玉米生長的影響. 中國農(nóng)業(yè)信息，2015（16）：105-106.

[6]楊建鋒，萬書勤. 地下水對作物生長影響研究. 節(jié)水灌溉，2002（2）：36-38.

[7]劉戰(zhàn)東，劉祖貴，俞建河，等. 地下水埋深對玉米生長發(fā)育及水分利用的影響. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2014，32（7）：617-624.

[8]俞建河，丁必然，陳 靜，等. 不同地下水位對玉米生長性狀及產(chǎn)量構(gòu)成的影響. 節(jié)水灌溉，2010（11）：43-45.

[9]肖俊夫，南紀(jì)琴，劉戰(zhàn)東，等. 不同地下水埋深夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成關(guān)系研究. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28（6）：36-39.

[10]孫仕軍，隋文華，陳偉，等. 地下水埋深對遼寧中部地區(qū)玉米根系和干物質(zhì)積累的影響. 生態(tài)學(xué)雜志，2020，39（2）：497-506.

[11]牛豪震，劉戰(zhàn)東，賈云茂. 地下水埋深對春玉米需水量及需水系數(shù)的影響. 灌溉排水學(xué)報，2010，29（4）：110-113.

[12]孫仕軍，張 岐，陳 偉，等. 地下水埋深對遼寧中部地區(qū)膜下滴灌玉米生長及產(chǎn)量的影響. 水土保持學(xué)報，2018，32（5）：170-175，182.

[13]巴比江，鄭大瑋，賈云茂，等. 地下水埋深對冬麥田土壤水分及產(chǎn)量的影響. 節(jié)水灌溉，2004（5）：5-9.

[14]俞建河，丁必然，張廣群，等. 夏玉米不同地下水位埋深條件下的耗水量及其與產(chǎn)量的關(guān)系. 節(jié)水灌溉，2012（1）：31-33.

[15]茍琪琪，朱永華，呂海深，等. 不同耕作方式對夏玉米土壤含水量的影響研究. 中國農(nóng)村水利水電，2018（6）：12-17.

[16]張愛華. 淮北地區(qū)夏玉米需水規(guī)律分析. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（18）：60-62.

[17]崔晨韻，朱永華，呂海深. 淮北平原不同耕作措施對土壤水分及夏玉米產(chǎn)量的影響. 水電能源科學(xué)，2018，36（12）：129-132.

[18]君 珊. 地下水埋深對作物生長的影響研究//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會會議論文集，2014：353-357.