淮北平原夏玉米生长与土壤含水量和地下水的关系

张豪强 朱永华 吕海深

摘要：为了研究淮北平原夏玉米生长与土壤含水量和地下水埋深的关系，在蚌埠市五道沟试验站设置2组试验：一组大田试验，用来观测夏玉米生长与土壤含水量的关系;一组蒸渗仪试验，用于研究夏玉米最适宜的地下水埋深。研究结果表明，生育期极端降雨引起土壤含水量增加，会严重影响夏玉米的生长，使得产量下降;其中，2018年出苗期及抽雄期和灌浆期发生的极端降雨使得20、40、70 cm土层含水量分别比田间持水量高18.6%、42.8%、24.0%，与3年平均产量相比，2018年减产28.5%。在蒸渗仪试验中，地下水埋深对株高、穗长影响不大，对产量、单穗粒数、百粒质量、穗数影响较大。在地下水埋深为0～3 m时，适宜夏玉米生长的最佳地下水埋深为0.6～0.8 m。与自然水位下的大田产量相比，埋深为0.6 m时，2017年、2018年的产量分别增加7.5%、18.7%;埋深为0.8 m时，2017年、2018年的产量分别增加187%、5.0%。

关键词：土壤含水量;地下水埋深;夏玉米;产量;淮北平原

中图分类号： S152.7+5;S513.07文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）05-0079-06

淮北平原位于黄淮海平原南侧，夏玉米是其最重要的旱作物，砂姜黑土为该区域的主要土壤类型[1]，其保水能力很差，容易发生旱涝渍灾害且肥力较低，这成为制约当地夏玉米产量的主要因子之一。夏玉米生长季（6—10月）正是汛期，土壤含水量常常超过夏玉米生长的适宜水分需求，且淮北平原地下水埋深较浅，会影响夏玉米的生长态势以及对水分的吸收利用效率。适宜的土壤含水量和地下水埋深能够改善夏玉米的土壤环境，提高根系活力，增加作物产量。目前，国内有关夏玉米生长与土壤含水量之间关系的研究较多，例如夏玉米某一阶段生长指标的土壤含水量臨界点[2]、生长季各层土壤含水量的变化[3]等，但多在东北[3]、华北[4]、华中地区[5]。关于不同地下水埋深与夏玉米生长之间的关系已有广泛的研究，但地下水埋深大多控制在2 m范围内，土壤类型多为黏土、壤土、潮土[13]，试验结果多为地下水埋深对玉米外部形态[9]、根系生长以及玉米需水量的影响。关于玉米生长与土壤含水量和地下水埋深针对砂姜黑土、淮北平原地区的研究较少。本研究在了解淮北平原的气候特点、土壤类型以及夏玉米的生产模式后，设置2组试验，一组设在试验田，用来探究夏玉米生长与土壤含水量之间的关系;另一个组利用地中蒸渗仪，设置不同的地下水埋深，研究夏玉米生长与地下水埋深的关系，明确夏玉米生长最适宜的地下水埋深，以期为研究区夏玉米的灌排措施制定以及农田水利建设提供科学依据。

1 研究材料与方法

1.1 试验区概况

试验选在淮北平原南部的五道沟试验站，该试验站位于安徽省蚌埠市境内，地处117°21′ E，33°09′ N，属北亚热带和暖温带气候，冬季干旱少雨，夏季炎热多雨，多年平均降水量为927 mm，多年平均气温为14 ℃，多年平均日照时数为2 085 h，无霜期为212 d[15]。土壤类型为砂姜黑土，土壤属性参数见表1。

1.2 试验设计及观测方法

试验选用的夏玉米品种为登海808，试验播种前施底肥1次，将肥料均匀撒在试验区表面，用犁和耙将其翻入土中。具体施肥量：尿素35 kg/667 m2、氮磷钾复合肥60 kg/667 m2。播种方式采用点播，在播行上每隔20 cm开穴播种，行距为50 cm。

A方案（大田试验）：选择2块面积均为4 hm2的试验田。每块田分成6个小区，每个小区随机选2个点测定土壤含水量，采用土钻取土、烘干法测定，分别在10、20、40、70 cm等4个深度处垂直取土，每次重复3个土样，每隔5 d记录1次。降水量采用试验站气象站的观测数据。在玉米成熟后随机取样10株/小区带回室内进行考种，测定夏玉米株高、穗长、穗数（667 m2单位面积的穗数）、百粒质量及产量。

B方案（测筒试验）：利用五道沟试验站内的大型紧密式地中蒸渗仪（平面俯视图如图1所示、原理图如图2所示）进行试验。本次试验共设置7个地下水埋深，共19个测筒（表2），为保证试验的可行性，按蒸渗仪各地下水埋深实际测筒个数、面积进行试验，各深度重复2次或3次。各测筒周围等密度种植玉米（图3），从而去除边际效应对试验结果的影响。成熟后将各测筒内的所有玉米带回室内进行考种。同期的大田试验（自然地下水位）作为测筒试验的对照。

A、B方案中的玉米品种、播种方式、施肥情况、光照等条件均相同，试验期间夏玉米按照当地习惯进行统一管理。表3为2016―2018年夏玉米生育期各阶段的时间表。

1.3 数据处理方法

实测的土壤含水量数据采用容重进行换算，得到容积含水量。统计分析时同一地下水埋深下的各产量和产量构成参数取其平均值。以Excel 2016作为数据处理工具，SPSS 19.0作为统计分析工具。利用Origin 2016绘制土壤含水量、日最高气温及降水量的动态曲线图。

2 结果与分析

2.1 夏玉米生育期内土壤含水量的变化

影响夏玉米生长发育的主要因素之一是土壤的水分条件。夏玉米需水量在整个生育期呈现两头小、中间大的特点[16]，因为夏玉米在拔节期快速生长，需要大量水分以供植株、根系生长，加上玉米作物蒸腾耗水强度大，而在抽穗期、灌浆期阶段正处于持续高温的天气，且是夏玉米籽粒形成的关键时期，需要消耗大量水分。为了使植株能够正常发育，出苗期、成熟期的土壤含水量应控制在田间持水量的55%～60%;后期夏玉米的需水要求开始增加，拔节期至灌浆期应控制在70%～80%[17]。

夏玉米根系分布在0～50 cm土层范围内，且大部分集中在0～30 cm，因此0～50 cm土层的水分状况，对玉米的生长发育起着决定性作用，根系的生

长要有适宜的水分和充分的氧气，来保证植株根系呼吸利用。图4至图6为2016―2018年夏玉米生育期内各层土壤的平均含水量。就表层和中层土壤含水量而言，2018年20、40、70 cm土层的平均含水量分别比田间持水量高18.6%、428%、24.0%，这会影响玉米根系的活力，降低农作物的产量。2018年出苗期过涝，这不利于根系生长以及吸肥能力，会降低夏玉米的出苗率;在抽雄期过涝降低了花粉的生命力，使得雌穗、雄穗出现时间的差距拉长，不利于授粉，会降低每穗籽粒的数量，影响谷物的质量;灌浆期过涝会使得籽粒发育不良，不利于养分的运输和积累;成熟期是夏玉米由以生长为主进入以生殖为主的阶段，此时是形成产量的关键阶段，此时过涝会影响产量。

2.2 极端降雨年份土壤含水量的变化

引起2016―2018年大田土壤含水量差异的主要因素是2018年发生极端降雨，包括特大暴雨以及连阴雨。连阴雨指日降水量大于0.1 mm，总降水量大于等于50 mm，连续降雨时间达5 d以上;或者连续降雨天数小于5 d但总降水量很大（或有特大暴雨）的天气。

2018年的连阴雨覆盖面积较大、期间日照时数很短且累积降水量较多：6月27日有场特大暴雨，降水量达225.3 mm，8月12―20日发生了长达9 d（图7）降水量共计347 mm的连阴雨，其中连阴雨期间降水量占整个生育期降水量的44.0%。

图8为2018年4个土层的土壤含水量的动态变化情况。2018年夏玉米在生育期（6月21日至10月4日）土壤含水量变动最大的为10 cm土层，变化范围为14.7%～48.4%，波动最小的为40 cm土层， 变化范围为22.7%～31.5%。这是因为10 cm处的浅层土壤受外界条件例如降雨、风速、温度等因素的影响较大，且响应的时间较短，而40 cm及以下变化较小且含水量较大是因为受外界条件影响较小且响应的时间较长，并且砂姜黑土在此深度以下为该土壤类型的稳定层，开始出现砂姜层，容重随土层加深而变大，蒙脱石的含量开始增多，其遇水膨胀的速度更快，易形成托水层。连阴雨阶段各层土壤含水量出现明显的上升趋势，田间水量超高产生洪涝灾害。这一年夏玉米植株缺少光照条件，无法进行光合作用，其生长机能紊乱，导致其发育不良从而减产，且时间正处于玉米的灌浆期或成熟期，此时湿度大温度高容易诱发病虫灾害，田间须要进行排水，防止发生根系长时间缺氧造成玉米减产。其中10 cm土层在拔节期，20、40、70 cm土层几乎整个生育阶段的土壤含水量皆超过田间持水量，在上述阶段要注意进行田间排水，合理控制土壤含水量使其保持在田间持水量的70%～80%。玉米抽雄至灌浆期为需水临界期，此时过涝会影响光合作用以及干物质积累和营养物质运转。

表4为大田夏玉米3年的产量及构成比较，2018年水分积聚发生洪涝灾害，田间土壤通气性不好，降低了夏玉米根系的活性，水分超高使得其生育期缺氧减产，2018年单穗粒数虽高，但由于受空秆率影响且百粒质量较低，与3年的平均产量相比，2018年的产量降低28.5%。

2.3 地下水埋深对夏玉米生长的影响

地下水埋深会改变夏玉米根系处的土壤水分状况，影响夏玉米对水分的吸收效率，从而影响产量。地下水埋深太高或太低都不利于其根系的发育，君珊指出合适的地下水埋深能有效优化土壤环境，提高土壤的通气状况，增强植株的根系活力，提高农作物产量[18]。本试验中的地中蒸渗仪主要是利用马里奥特瓶和水位计， 马里奥特瓶中的水可以

通过平衡器供给蒸散发，以此来维持地下水处于设计要求的深度。

表5和表6为2017年和2018年测筒各地下水埋深处理与自然水位下产量及构成。可以看出，同一年内各个深度株高变化不明显，但2017年比2018年低。株高在2018年较高是因为这一年玉米拔节时间比2017年长且生长势态更旺，因此会导致茎秆部分发育嫩弱。由株高和产量对比发现，株高处于高值时产量不高，是因为株高过高容易倒伏从而减产。从整体上看埋深对穗长的影响较小。产量的差异主要表现为百粒质量、穗数和单穗粒数这3个指标，虽然这2年在1.5 m处百粒质量皆是高值，但是此深度的单穗粒數较少从而导致产量水平较差。由表6可见，2018年各水埋深下的产量都处于低水平，一方面是因为2018年在玉米拔节期有场降水量为225.3 mm的特大暴雨，此时大水猛攻，导致玉米倒伏减产;另一方面是因为2018年在8月中旬有长达9 d的连阴雨，此时处于灌浆期，是夏玉米籽粒的形成阶段，连阴雨导致土壤含水量严重超过田间持水量，田间排水工作不到位，玉米根系长时间缺氧造成玉米减产。

由每年产量构成表以及与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处产量较高。与自然水位相比，2017年埋深为0.6 m时增产7.5%，埋深为0.8 m时增产10.6%;2018年埋深为0.6 m时增产18.7%，埋深为0.8 m时增产5.0%。

3 结论

由于砂姜黑土的特性， 五道沟地区玉米地土壤变动水位自然地下水位19915.94 66934.5413.4520.7

含水量变化最大的土层深度为10 cm，变化最小的土层深度为40 cm;生育期极端降雨引起土壤含水量增加，会严重影响夏玉米的生长，使得产量下降：2018年出苗期及抽雄期和灌浆期发生的极端降雨使得20、40、70 cm土层含水量分别比田间持水量高18.6%、42.8%、24.0%，与多年平均产量相比，2018年减产28.5%，为满足夏玉米出苗期土壤含水量控制在田间持水量的55%～60%，其余阶段控制在70%～80%，要及时进行田间排水。

夏玉米植株高度受拔节期生长态势和外部气象条件影响较大，植株过高会使得倒伏减产，株高和穗长受到地下水埋深的影响较小，对产量、单穗粒数、百粒质量、穗数影响较大。对产量进行统计分析后发现在地下水4 m埋深范围内，夏玉米最佳地下水埋深应为0.6～0.8 m，与自然水位相比，埋深为0.6 m时2017年、2018年分别增产7.5%、187%，埋深为0.8 m时2017年、2018年分别增产10.6%、50%，在进行培育时选择最佳埋深可以有效增加其产量。

本研究测定最佳埋深时只是测筒中的结果，后续研究可以在试验田中种植验证准确性。试验进行的年份较短，只能表明临近短期年份的变化特征，要想得出更多具有参考价值的结果，还须要继续进行后续长期的试验。

参考文献：

[1]安徽水科院五道沟水文水资源实验站. 五道沟水文水资源实验站水文地质参数分析报告. （2011-10-23）. https：//wenku.baidu.com/view/ada1eb758e9951e79b8 927d3.html.

[2]麻雪艳，周广胜. 夏玉米苗期主要生长指标的土壤水分临界点确定方法. 生态学杂志，2017，36（6）：1761-1768.

[3]刘景利，史奎桥，梁 涛，等. 锦州玉米地地下水位、降水与土壤含水量的关系分析. 安徽农学通报，2008，14（20）：126-130.

[4]曹大禹，吴鑫淼，郄志红. 华北平原冬小麦—夏玉米作物亏缺水量空间分布研究. 中国农村水利水电，2020（4）：107-111，115.

[5]高殿滑. 土壤水分与覆盖对夏玉米生长的影响. 中国农业信息，2015（16）：105-106.

[6]杨建锋，万书勤. 地下水对作物生长影响研究. 节水灌溉，2002（2）：36-38.

[7]刘战东，刘祖贵，俞建河，等. 地下水埋深对玉米生长发育及水分利用的影响. 排灌机械工程学报，2014，32（7）：617-624.

[8]俞建河，丁必然，陈 静，等. 不同地下水位对玉米生长性状及产量构成的影响. 节水灌溉，2010（11）：43-45.

[9]肖俊夫，南纪琴，刘战东，等. 不同地下水埋深夏玉米产量及产量构成关系研究. 干旱地区农业研究，2010，28（6）：36-39.

[10]孙仕军，隋文华，陈伟，等. 地下水埋深对辽宁中部地区玉米根系和干物质积累的影响. 生态学杂志，2020，39（2）：497-506.

[11]牛豪震，刘战东，贾云茂. 地下水埋深对春玉米需水量及需水系数的影响. 灌溉排水学报，2010，29（4）：110-113.

[12]孙仕军，张 岐，陳 伟，等. 地下水埋深对辽宁中部地区膜下滴灌玉米生长及产量的影响. 水土保持学报，2018，32（5）：170-175，182.

[13]巴比江，郑大玮，贾云茂，等. 地下水埋深对冬麦田土壤水分及产量的影响. 节水灌溉，2004（5）：5-9.

[14]俞建河，丁必然，张广群，等. 夏玉米不同地下水位埋深条件下的耗水量及其与产量的关系. 节水灌溉，2012（1）：31-33.

[15]苟琪琪，朱永华，吕海深，等. 不同耕作方式对夏玉米土壤含水量的影响研究. 中国农村水利水电，2018（6）：12-17.

[16]张爱华. 淮北地区夏玉米需水规律分析. 现代农业科技，2014（18）：60-62.

[17]崔晨韵，朱永华，吕海深. 淮北平原不同耕作措施对土壤水分及夏玉米产量的影响. 水电能源科学，2018，36（12）：129-132.

[18]君 珊. 地下水埋深对作物生长的影响研究//中国环境科学学会会议论文集，2014：353-357.