前茬灌溉對夏玉米灌漿特性、土壤呼吸和產(chǎn)量的影響研究

付佳祥，柴春嶺，高惠嫣，王曉玲，龍 輝，劉宏權(quán)，李曉爽

（1.河北農(nóng)業(yè)大學，河北保定 071001；2.衡水學院，河北衡水 053000；3.保定市水利水電勘測設計院，河北保定 071001）

0 引 言

夏玉米在我國糧食中占有重要的地位，華北平原夏玉米生長季集中在6-10月，屬于雨熱同季，生育期內(nèi)降水量約占全年降水量的70%～80%[1]，自然降水量完全可以滿足夏玉米的生長。而冬小麥生育期內(nèi)多年平均降雨量不足150 mm[2]，但其正常需水量約450 mm[3]，必須進行灌溉才能獲得高產(chǎn)。華北平原的農(nóng)作物的需水量遠遠不能通過降水來滿足，糧食種植需要利用地下水進行灌溉，地下水已經(jīng)嚴重超采[4]。冬小麥生育期進行灌水不僅可以保證其生長，還可以影響夏玉米的底墑，尤其夏玉米苗期抗旱能力不強，耗水主要以棵間蒸發(fā)為主，受播前土壤底墑影響較大，從而對夏玉米的生長產(chǎn)生影響[5-7]。趙鑫等[8]提出夏玉米前茬冬小麥的灌溉次數(shù)對夏玉米耗水和水分利用效率都具有顯著的影響。灌漿速率受田間自然環(huán)境因素影響[9]，尤其與環(huán)境中水分的飽和虧缺程度相關(guān)。近年來，國內(nèi)外許多學者對小麥的灌漿過程及灌漿特性進行了大量研究，主要是在測定小麥籽粒體積、鮮質(zhì)量以及干質(zhì)量變化的基礎上，選擇適當?shù)臄?shù)學模型進行擬合，并分析一系列的相關(guān)參數(shù)。目前研究發(fā)現(xiàn)，灌漿進程呈“S”形，通常選用Logistic 方程、Richards 方程和多項式回歸方程對該曲線進行模擬[10,11]。水分量的變化對土壤呼吸的影響機制在于可溶性有機質(zhì)、土壤的通透性、微生物與植物根系生命活動等都隨土壤水分狀況不同而發(fā)生相應的改變，因此水分對土壤呼吸的影響是顯著的。侯慧晶等[12]研究結(jié)果表明：在夏玉米種植過程中虧缺灌溉處理導致土壤CO2排放量顯著減少；何海軍等[13]研究指出，在土壤水分缺乏的條件下，玉米的穗長、穗粒數(shù)、行粒數(shù)、行數(shù)、千粒質(zhì)量會顯著降低，最終造成玉米減產(chǎn)。目前灌溉對夏玉米和土壤呼吸的研究很多，但冬小麥灌溉制度對夏玉米灌漿特性、產(chǎn)量和土壤呼吸的研究很少。研究前茬灌溉對夏玉米的影響，對于尋找合適的灌溉制度有很大的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019-2020年在河北省農(nóng)林科學院旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗站進行(37°44′N，115°47′E)，供試土壤類型黏質(zhì)壤土，0～20 cm 土層有機質(zhì)量平均值為20.14 g/kg，全氮量1.205 g/kg，全磷量1.259 g/kg，全鉀量19.318 g/kg，堿解氮量86.87 mg/kg，有效磷量14.63 mg/kg，速效鉀量143.39 mg/kg，0～200 cm 平均土壤體積質(zhì)量為1.40 g/m3，。試驗地土壤肥力中等，地勢平坦，灌溉條件好，多年種植小麥、玉米輪作。玉米供試品種為衡玉321，于2020年6月12日進行播種，底施復合肥（20-8-12）750 kg/hm2，種植行距60 cm，株距24 cm。氣象數(shù)據(jù)由試驗站內(nèi)氣象站提供，夏玉米全生育期降雨量和溫度見圖1。

圖1 夏玉米生育期內(nèi)降雨量和溫度動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of rainfall and temperature during the growth period of summer maize

1.2 試驗方法

冬小麥季設置5 種灌溉制度，分別為W0(不灌水對照)、W1(拔節(jié)水)、W2(拔節(jié)水+揚花水)、W3(起身水+抽穗水+灌漿水)和W4(起身水+拔節(jié)水+揚花水+灌漿水)，灌水時間見表1；為保證夏玉米正常生長，于2020年6月14日對夏玉米各處理統(tǒng)一灌水80 mm，到收獲不再進行灌水。裂區(qū)設計，每個處理設3個重復，共15個小區(qū)，小區(qū)面積67.5 m2，小區(qū)之間60 cm寬的隔離帶。

表1 冬小麥春季灌水量和灌水時間Tab.1 Irrigation amount and irrigation time of winter wheat in spring

1.3 測定項目及方法

（1）籽粒干質(zhì)量。玉米吐絲期開始時每小區(qū)標記吐絲時間一致的穗40 穗，吐絲后5 天開始測定，每5 d 取樣1 次，每次取樣取標記一致的穗3 穗，取其中部粒100 粒。先稱籽粒的鮮重，然后置烘箱中經(jīng)105 ℃殺青30 min，再降至80 ℃烘干至恒重，稱籽粒干重。

（2）產(chǎn)量及構(gòu)成要素。在成熟期后每小區(qū)選取中間兩行40 穗進行收獲，紗網(wǎng)袋風干，稱取收獲穗粒質(zhì)量。數(shù)取40 穗行數(shù)、行粒數(shù)取千粒質(zhì)量，并對這兩行的穗數(shù)、株數(shù)、空桿數(shù)進行統(tǒng)計計算密度。用PM8188-A谷物水分測定儀測定籽粒含水量，折算14%安全含水量的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。

（3）農(nóng)藝性狀。在夏玉米收獲前每個小區(qū)取10 株，調(diào)查兩行粒數(shù)，禿尖長，行數(shù)，穗長和穗粗。

（4）灌漿模型及參數(shù)。吐絲后的天數(shù)（t）為自變量，每次千粒重量（Y）為因變量，用Logistic 方程Y=k/（1+ea+bt）對冬小麥-夏玉米籽粒生長過程進行擬合，其中，k為灌漿結(jié)束所能達到的最大百粒重，a、b為方程的參數(shù)，通過R2表示模型擬合的優(yōu)度[17]。

灌漿總天數(shù)：

最大灌漿速率：

平均灌漿速率：

（5）土壤呼吸速率及影響因子測量。土壤呼吸速率的測量采LI-8100A 便攜式紅外氣體分析儀，配合短期氣室，對夏玉米的土壤呼吸進行觀測。在田行間隨機選取3個樣點，每個樣點用PVC 環(huán)打入土層8 cm，露出地面2 cm 與短期氣室緊密接觸，待7 d 后PVC 環(huán)已與土壤接觸緊密再開始測量。夏玉米從播種開始測量到收獲，測量時間為上午9∶00-11∶00，每隔3 d采集一次數(shù)據(jù)，降雨和灌水后加測。

使用與LI-8100A 便攜式紅外氣體分析儀配套的6000-09TC 電阻型土壤溫度探針測量0～10 cm 土壤溫度，土壤水分使用配套的GS-1 土壤濕度傳感器和傳統(tǒng)取土法相結(jié)合測量0～10 cm 土壤含水率，測量位置在PVC 環(huán)旁邊，測量頻率每隔3 d一次，每次測量時間與土壤呼吸同步。

土壤累積碳排放量計算公式如下:

式中：C為土壤累積碳排放量，g/m2，以CO2計；F為土壤碳排放速率第i次測定，μmol/（m2·s）；（Ti+1-Ti）為連續(xù)2 次測量間隔時間；n為測定的總次數(shù)，44為CO2的相對分子質(zhì)量。

（6）土壤含水量在夏玉米播種前、收獲后及關(guān)鍵生育期后期以10 cm 為一土層采集土樣,采用傳統(tǒng)取土法測定每小區(qū)0～200 cm土層(共20個土層)的土壤干重和濕重。

土壤含水量和耗水量的計算公式如下[18]：

耗水量計算：

式中：ET為作物耗水量，mm；P為有效降水量，mm；I為灌水量，mm；S為地下水補給量，mm；△W為0～200 cm 土壤水的變化量，mm；R為地表徑流量，mm；D為深層滲漏量，mm。試驗地點地下水埋深大于10 m，S=0；試驗地點地勢平坦，各小區(qū)之間有隔離，R=0；土壤水分的測定深度為2 m，在試驗期間沒有暴雨或特大暴雨，D=0。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 進行數(shù)據(jù)處理，Spss.25 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行方差分析、回歸分析和模型擬合，作圖軟件采用Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 前茬灌溉對夏玉米不同生育階段土壤貯水量的影響

表2為夏玉米試驗期間不同生育階段降水量和土壤貯水量情況。從表2可以得出，在夏玉米播種前W4 處理的土壤貯水量較W0、W1、W2 和W3 處理分別增加21.96%、12.89%、10.64%和10.59%。在夏玉米生育期內(nèi)總降水量達到383.24 mm，在抽雄期之前降水112.55 mm，僅占全生育期的29.35%；拔節(jié)期-抽雄期降水14.60 mm，遠遠不能滿足玉米在拔節(jié)期的需水量，前茬灌溉影響夏玉米土壤貯水量從而對夏玉米的生長產(chǎn)生影響。

表2 夏玉米生育階段降雨量和階段末200 cm土壤貯水量變化mmTab.2 Changes in rainfall and soil water content at the end of the growth stage of summer maize

在抽雄期-灌漿期降水92.37 mm，對夏玉米及土壤水的影響開始逐漸消失。夏玉米整個生育期W0、W1、W2、W3、W4 處理土壤水消耗分別為：-128.10、-113.49、-103.89、-87.72、-53.71 mm；總耗水量分別為：335.14、349.75、359.35、375.52、409.53 mm，夏玉米對土壤水的消耗和總耗水量隨冬小麥灌溉次數(shù)的增加而增加。

2.2 冬小麥灌溉制度對夏玉米籽粒灌漿特性的影響

由圖2可以看出，夏玉米季在吐絲后10 d內(nèi)灌漿速率很緩慢，在15～20 d 左右先達到一個峰值，在25～35 d 達到最大峰值后逐漸降低至灌漿結(jié)束。W0 處理在25～30 d 左右達到最大峰值1.1 g/d，W1、W2、W3、W4 處理均在30～35 d 左右達到最大峰值，分別為：1.15、1.19、1.15、1.09 g/d。

圖2 冬小麥灌溉制度下夏玉米吐絲后籽粒的灌漿速率變化Fig.2 Changes in grain filling rate of summer corn after silking under winter wheat irrigation system

由表3可以看出，夏玉米季各個處理的決定系數(shù)在0.991～0.995，灌漿方程的決定系數(shù)R2均達到了極顯著水平，擬合度高，說明Logistic 模型能極好的模擬夏玉米的灌漿過程。分析夏玉米灌漿特征參數(shù)可以看出，灌漿總天數(shù)表現(xiàn)為W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)0，夏玉米達到最大灌漿的天數(shù)隨著冬小麥季灌溉次數(shù)的增加而增加，W1、W2、W3、W4 處理較W0 處理分別延長0.01、1.33、2.07、4 d。不同處理的最大灌漿速率（Vm）和平均灌漿速率（Va）規(guī)律一致，表現(xiàn)為W4＜W0=W1=W3＜W2。

表3 冬小麥灌溉制度下夏玉米籽粒灌漿Logistic模型及特征參數(shù)Tab.3 Logistic model and characteristic parameters of summer maize grain filling under winter wheat irrigation system

2.3 土壤呼吸和0～10 cm土壤水熱因子的動態(tài)變化及相關(guān)性分析

2.3.1 前茬灌溉下夏玉米土壤水熱因子和土壤呼吸速率的變化

從圖3可以看出每個處理的土壤溫度變化基本一致，總體呈先上升后下降的趨勢。在夏玉米的整個生育期內(nèi)最高土壤溫度出現(xiàn)在W0處理，為27.01 ℃，最低土壤溫度出現(xiàn)在W4處理，為24.7 ℃；土壤溫度的平均值隨冬小麥季灌溉制度的增加而降低，W0、W1、W2、W3、W4 處理平均土壤溫度依次為21.62、21.53、21.16、21.34、20.64 ℃。夏玉米生育期內(nèi)未進行灌水，土壤含水量的差異主要體現(xiàn)在冬小麥季的土壤墑情，夏玉米播種時土壤水分如表所示，表現(xiàn)為W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)0。在夏玉米整個生育期內(nèi)W4 處理土壤含水量變化范圍最大，為8.75%～44.65%，W3 處理變化范圍最小，為11.5%～42.9%；整個生育期土壤含水量平均值W4 處理最大（31.06%）。因在夏玉米生育期未進行水分處理，土壤含水量的變化主要受降雨量的影響，所以土壤含水率的動態(tài)變化與降雨量較為一致。

夏玉米全生育期土壤呼吸速率的動態(tài)變化從圖3可以看出受土壤溫度和含水率的綜合影響，在灌漿期之前隨著土壤含水率的下降和土壤溫度的增加土壤呼吸速率呈降低的趨勢，7月11日出現(xiàn)短暫性降低主要是因為在足夠高的土壤含水率狀態(tài)下7月9日降水11.8 mm 使土壤含水率達到37%～41%，抑制了土壤呼吸。在八月上旬出現(xiàn)降水后的瞬時增加因為降水前土壤含水率較低（11.0%～14.7%）產(chǎn)生“Birch”效應[19]，灌漿期—成熟期（8月15日-10月5日）土壤呼吸速率隨著根系的衰老緩慢下降。不同處理平均值表現(xiàn)為：W0＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2；W0、W1、W2、W3、W4 處理的土壤呼吸變化范圍分別為： 2.78～10.79、 2.62～10.09、 3.1～9.66、 2.86～9.03、 2.34～9.51 μmol/（m2·s），W0處理峰值最高，W3最低。

圖3 夏玉米生育期0～10 cm土壤水熱因子及土壤呼吸速率動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of soil hydrothermal factors and soil respiration rate in 0～10 cm soil layer of summer maize

2.3.2 土壤呼吸速率與土壤水熱因子的相關(guān)性分析

如表4所示，在夏玉米全生育期內(nèi)土壤溫度和土壤體積含水率均會對土壤呼吸速率造成顯著的影響，土壤體積含水率較土壤溫度對土壤呼吸速率的影響更大?？梢钥闯鐾寥篮粑俾逝c土壤體積含水率和土壤溫度的相關(guān)系數(shù)均表現(xiàn)為：W0＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2，均呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；每個處理土壤呼吸速率與土壤體積含水率的相關(guān)性都達到顯著狀態(tài)（P＜0.05），W0、W1、W3 和W4 處理達到極顯著狀態(tài)（P＜0.01）；土壤呼吸與土壤溫度在W0 和W1 處理相關(guān)性顯著（P＜0.05），W2、W3和W4處理相關(guān)性不顯著（P＞0.05）。

表4 0～10 cm土壤水熱因子與土壤呼吸速率的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between soil hydrothermal factor and soil respiration rate in 0～10 cm soil layer

2.4 前茬灌溉對夏玉米全生育期土壤累積碳排放的影響

從圖4可以看出，夏玉米全生育期各個處理土壤累積碳排放量表現(xiàn)為：W0＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2，W1、W2、W3 和W4 處理較W0 處理碳排放總量分別降低0.58%、2.10%、0.92%和0.94%。夏玉米整個生育期內(nèi)土壤累積碳排放量W2處理最少，為2 260.74 g/m2；W0處理最多，為2 309.02 g/m2。

圖4 前茬灌溉下夏玉米全生育期土壤累積碳排放量Fig.4 Soil Cumulative carbon emission during thewhole growth period of summer maize under previous irrigation

2.5 前茬灌溉對夏玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響

從表5可以看出，前茬灌溉對夏玉米的禿尖、行粒數(shù)、穗長和穗粗影響不顯著，對夏玉米的行數(shù)有影響。隨著冬小麥季灌溉次數(shù)的增加，夏玉米的行數(shù)呈增加的趨勢，W1、W2、W3 和W4 處理分別較W0 處理增加1.7%、2.0%、3.2% 和3.7%。

表5 前茬灌溉對夏玉米農(nóng)藝性狀的影響Tab.5 Effects of previous irrigation on agronomic traits of summer maize

玉米的產(chǎn)量由穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重3個因素確定。由表6可以得出，夏玉米有效穗數(shù)，穗粒數(shù)，千粒重，產(chǎn)量各處理之間無顯著性差異，除有效穗數(shù)沒有明顯的規(guī)律外，穗粒數(shù)，千粒重，產(chǎn)量均隨著冬小麥季灌水次數(shù)的增加產(chǎn)量呈增加趨勢。夏玉米的籽粒產(chǎn)量在W1、W2、W3 和W4 處理分別較W0處理增加2.5%、2.6%、2.7%和6.4%。

表6 前茬灌溉對夏玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Tab.6 Effects of previous irrigation on yield and components of summer maize

3 討 論

在夏玉米生育前期，土壤的底墑對于夏玉米的生長有著重要的影響。侯玉虹等[14]研究得出玉米的出苗率受土壤底墑的顯著影響。趙鑫等[6]研究表明由于冬小麥灌水模式不同，夏玉米播前所有農(nóng)藝措施的土壤貯水量都呈現(xiàn)出W1＜W2＜W3＜W4的趨勢；由于生育前期的降雨降水量較高，夏玉米拔節(jié)期冬小麥灌水造成的土壤貯水差異逐漸縮小，龔雨田等[15]發(fā)現(xiàn)在拔節(jié)期進行干旱處理的株高、穗位高、葉面積受影響較大，有明顯的抑制作用。本研究表明，夏玉米播種前土壤貯水量隨著冬小麥春季灌水次數(shù)的增加而增加，W4 處理較其他處理增加10.59%～21.96%；由于播種期—抽雄期降水較少，夏玉米的土壤貯水量仍表現(xiàn)為：W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)0，在抽雄期—灌漿期降水量較大，夏玉米灌漿期之后由于前茬灌溉造成土壤貯水差異消失，與前人研究結(jié)果一致。

夏玉米在W0 處理下先達到最大灌漿速率，在25～30 d 左右達到最大灌漿速率1.1 g/d；其他處理在30～35 d 左右達到最大灌漿速率，本研究結(jié)果與信志紅等[16]和曾廣飛[17]研究結(jié)果一致。研究表明，土壤呼吸會隨灌溉量的增加而增強，當土壤含水量達到一定范圍時，土壤呼吸速率會在最適含水量下達到最高值，最適含水量與田間持水量比較接近[18,19]。張語馨等[20]研究表明土壤呼吸速率與10 cm 土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；熊浩[21]和王風姣[22]等研究表明CO2排放通量與土壤充水孔隙度相關(guān)關(guān)系不明顯，與土壤溫度間存在一定正相關(guān)關(guān)系。研究表明[23]，灌溉可以顯著增加土壤呼吸對土壤溫度敏感性，但是當土壤含水量超過某個閾值，土壤呼吸對溫度敏感性則會降低，本研究得出在W0 處理和W1 處理下土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，在W2、W3 和W4 處理無顯著相關(guān)性。楊凡等[24]得出夏玉米地土壤CO2排放通量與土壤充水孔隙率呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性達顯著水平，本試驗得出土壤呼吸速率與土壤含水率呈極顯著正相關(guān)。研究表明[25,26]，適當提高底墑水含量可顯著提高夏玉米產(chǎn)量；本研究得出本研究得出冬小麥季灌溉制度對夏玉米千粒重影響不顯著，隨著冬小麥季灌溉次數(shù)的增加而增加[27],夏玉米的籽粒產(chǎn)量隨冬小麥春季灌溉次數(shù)的增加而增加，但無顯著性差異。

4 結(jié) 論

（1）灌漿持續(xù)時間隨灌溉次數(shù)的增加而延長，通過Logistic 模型擬合得出夏玉米的粒重與時間擬合效果良好，最大灌漿速率和平均灌漿速率均在W2處理最大，W4處理最小。

（2）夏玉米農(nóng)田土壤呼吸排放速率受土壤溫度和土壤體積含水率的影響且正相關(guān)，與土壤體積含水率相關(guān)性達到顯著狀態(tài)，與W0 和W1 處理土壤溫度相關(guān)性達到顯著狀態(tài)；全生育期內(nèi)土壤累積碳排放量，W2處理最低，W0處理最高。

（3）前茬冬小麥的灌溉制度對夏玉米季土壤含水量有影響，對夏玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成要素無顯著影響，但夏玉米產(chǎn)量隨冬小麥季灌水次數(shù)的增加而增加。

綜上所述，W2 處理在保證產(chǎn)量和節(jié)水的同時還可以有效降低溫室氣體的排放，冬小麥季春灌2水為最佳的灌溉制度。