灌水對引黃地區不同品種玉米產量形成和水分利用的影響

賀 瑋，郭群善

(1.新鄉學院，河南 新鄉 453003；2.新鄉市水利勘測設計院，河南 新鄉 453000)

引黃地區是我國最重要的糧食主產區之一，目前主導的種植制度是冬小麥-夏玉米一年兩熟制，小麥和玉米的產量分別占全國總產的58%和33%[1]。2013年全國玉米播種面積3 600 萬hm2，總產達2.2 億t[2]。玉米的糧食增產的貢獻率達70%，已成為我國第一大糧食作物，是實現糧食“九連增”的主力軍[3]。玉米的增產很大程度源于品種和栽培模式的創新[4]。例如，2008年以來，國家積極推行冬小麥-夏玉米“雙遲”高產栽培模式，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，獲得最終高產奠定了基礎[5]。選用玉米高產品種，結合良好的栽培措施，將是未來玉米進一步增產的重要途徑[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糧食增產的巨大瓶頸。因此，對灌溉農業來說，如何提高單位水產出已成為灌溉制度研究的重要課題[8]。雖然引黃地區玉米生長季節與雨季基本吻合，但生育期內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量與生育期降雨總量沒有顯著相關性，而與降雨的合理分配關系密切[8]。為緩解該地區農業用水與地下水短缺的矛盾，保障農業可持續生產，很有必要開展限量灌溉條件下如何優化灌溉制度，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、產量等有顯著影響[9]，且在玉米關鍵生育期得不到有效灌溉或降雨，玉米會出現明顯減產。目前，引黃地區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程度不同。因此，有必要針對當前引黃地區主推的幾個高產玉米品種開展相應的灌溉制度研究，以期為該地區有針對地根據玉米品種特性制定或優化灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗基地位于豫北新鄉市人民勝利渠引黃灌區(35°19′ N、113°53′ E，海拔高程73.2 m)。該區多年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d，日照時數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；多年平均蒸發量2 000 mm。試驗地土質為砂壤土，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 試驗設計

試驗采用二因素隨機區組設計，以灌水處理為主區因素，主區區組重復三次；以品種處理為副區因素，在同一主區內，不同品種處理在副區內隨機設計，3次重復。小區面積為10 m × 2 m，為避免灌水側滲，不同灌水處理區組間設立1. 5 m寬走道，不同灌水處理區組間起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+拔節水(中灌水)、灌蒙頭水+拔節水+灌漿水(高灌水)。每次灌水定額為75 mm，用精量水表控制小區灌水量。受2013年7月至8月初降雨量(240 mm)影響，拔節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6個主推品種，分別為鄭單958、浚單20、先玉335、農華101、登海605及中單909。

玉米生育期內，除灌水次數不同外，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。受灌溉次數處理影響，無法對小區進行統一追肥，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不斷地釋放養分，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]。

產量為玉米收獲時按小區單獨測產，實打實收，分別計各小區地上部分產量和籽粒產量，籽粒風干至13 %含水量后測定產量。

考種為玉米成熟后，在各小區隨機取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為玉米籽粒產量，kg/hm2；ET為玉米全生育期的耗水量，mm。

1.4 數據分析

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 結果與分析

2.1 土壤水分空間變化

在玉米拔節期(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土壤水分平均發現，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 土壤水分季節變化

如圖2所示，7月-8月初有四次較強降雨，分別發生在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，產量和水分利用效率

玉米耗水量，產量和水分利用效率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量最高，中灌水和低灌水處理產量差異不顯著。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，表現為中單909(434 mm)>登海605(411 mm)>農華101(389 mm)>先玉335(376 mm)= 浚單20(371 mm)>鄭單958(352 mm)。登海605的產量最高，為11.2 t/hm2，先玉335次之，為10.6 t/hm2；農華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的產量分別為12.0和11.4 t/hm2，較低灌水處理的增產13.0%和14.2%；而鄭單958和浚單20在高灌水處理的產量分別為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，且產量和WUE在不同灌水條件下較穩定。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，產量和水利利用效率的方差分析結果

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 結論與討論

近年來，引黃地區形成了穩定的冬小麥-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鍵，是玉米高產的基礎[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、開花的水分需求，在僅灌蒙頭水條件下，鄭單958和浚單20保持穩產，而先玉335和登海605在蒙頭水+灌漿水條件下，產量明顯提高。農華101和中單909在灌漿水條件下產量亦有提高，但增產幅度低于登海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。因此，有必須對不同品種玉米的最優灌溉制度開展進一步的研究。

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

董潔[17]通過研究黃淮海平原玉米農田耗水特性發現，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。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，也有可能與前期充沛的降雨使玉米根系下扎較淺有關。

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量。這與李瑞霞[16]的研究結果一致。

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