限额补灌对黄淮平原夏玉米水分利用及产量的影响

邱新强，张明智，2，张玉顺，王 敏，秦海霞，路振广

（1.河南省水利科学研究院河南省节水灌溉工程技术研究中心，郑州450003；2.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室，西安710048）

0 引言

黄淮平原是全国重要的夏玉米主产区和高产区。受季风性气候影响，该地区夏玉米生育期内恰逢雨季，正常年份基本不需要灌溉，但由于特定生育期内雨热不同步，需求不协调，导致阶段性干旱时有发生[1]。自20世纪60年代以来的近50年间，该地区夏玉米各等级干旱频率以轻旱最为明显，发生频率多为5年一遇至3年一遇[2]，夏玉米灌溉用水仍占农业用水的30%～40%[3,4]。因此，以高产兼顾高水分生产率为目标，寻求具体可操作的夏玉米节水高效灌溉控制指标，不仅有助于降低干旱及农业水资源短缺所造成的粮食减产风险，且能够实现农业水资源的高效利用，促进当地农业用水可持续发展。

作物生长离不开水分，为了满足作物生长的要求，需要用人为的方法来适时适量地补充天然降水的不足[5]。目前已有相关研究多基于作物水分生产函数，寻求有限水量对作物产量贡献最大的生育时段，以确保获得总产量和效益最佳，或者追求有限水量条件下的产量损失最小。灌水定额优化是实现作物非充分灌溉的基础，旱后恰当的灌水量有助于加快植物恢复速度[6]，而特定生育阶段的灌水定额增加不仅对增产无益，而且浪费水量[7]。在特定范围内，灌溉定额的增加对夏玉米的籽粒产量形成具有正效应，但灌溉定额的增加与其水分利用效率的提高并不完全同步，在低灌溉定额时仍能获得较高的水分利用效率[8-10]。正常生产条件下，苗期灌水定额增加对夏玉米生长发育及产量的影响不大，但会明显增加苗期耗水[7]，而拔节期受轻旱后及时复水仍可保证夏玉米正常生长[10,11]。总之，较大灌水定额造成深层渗漏损失加大，田间水利用系数较小，而减小灌水定额是提高灌溉水利用率的有效途径之一。基于此，拟通过测坑控制试验，对低定额补灌的可行性，以及节水高产目标下合理灌水定额的合理选择进行分析，以期为该地区夏玉米节水高效灌溉制度的制定提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于许昌市灌溉试验站基地（113°24'E，34°76'N）内带有电动防雨棚的有底测坑（长×宽×高=3.6 m×2.4 m×2 m）中进行。试验区属北温带大陆性季风气候，海拔85.0 m；多年平均气温14.7 ℃，年平均降雨量698 mm，8-10月降水量占全年降水量的65%以上，无霜期216.4 d，全年日照时间约2 183 h。土壤为中壤土，1 m土层平均干容重为1.53 g/cm3，田间持水量为25.40%（重量含水率），浅层地下水埋深30～40 m。

供试品种为“宇玉30”，人工点播，每穴点2～3 粒，每个测坑种5行，每行10株，行距48 cm，株距36 cm，密度5.8 万株/hm2。两季夏玉米分别于2016年6月13日、2017年6月7日播种，均于当年9月21日收获，全生育期分别为101、106 d。播前人工沟施底肥750 kg/hm2（N-P-K=28-6-6），施肥深度15～20 cm，并分别于当年7月16日、7月10日追施尿素300 kg/hm2；播后灌蒙头水60 mm，灌溉水源为井水，由自计加水机计量。间苗、定苗、除草、病虫害防治等农事管理均保持一致。

1.2 试验方案

本试验主要考虑土壤水分胁迫和灌水定额二因素，胁迫程度通过控制灌水下限来实现（由相对含水量表征），随机区组试验设计。试验共设置5个灌水定额水平（30、45、60、75和90 mm）和4 个灌水控制下限水平（适宜/CK1、轻旱/LD、中旱/MD 和重旱/CK2）。受限于试验条件，CK1、CK2 两处理各设置3 个灌水定额水平（30、75 和90 mm），共16 个处理，2次重复，合计32个处理小区。各处理苗期、拔节期、抽雄期和灌浆成熟期的土壤水分控制下限见表1。当计划湿润层的土壤水分低于灌水控制下限时，按照既定的灌水定额进行灌溉，各处理实际灌水情况见表1。

1.3 主要观测项目

（1）采用TRIME-IPH 土壤水分测量系统和取土烘干法测定土壤含水率，深度100 cm，每20 cm 为一层，7～10 d 测一次，灌前、灌后均加测。采用水量平衡法计算作物耗水量。

（2）人工收获，并考种、测产。考种取样10 株（10 次重复），观测百粒重、穗长、穗粗、穗行数、禿尖长等，脱粒后风干观测产量和百粒重。

（3）利用SPSS 22.0进行均值误差分析，采用OriginPro 9.0作图，差异显著分析采用F检验，显著水平设置为P＜0.05，图表中数据除特殊标注外均为所有重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同处理下夏玉米的耗水特性分析

不同水分处理条件下夏玉米的阶段耗水量见表2。由表2可知，夏玉米全生育期总耗水量分别为142.29～349.08 mm（2016年）、168.88～407.43 mm（2017年），其中CK1 处理的总耗水量均值较CK2 处理分别提高了约77.9%、63.4%。同一水分胁迫水平下，夏玉米的总耗水量基本呈先增加后减小变化；同一灌水定额下，轻旱处理的总耗水量总体较大。

夏玉米的阶段耗水量在生育期内总体呈“升高→降低→升高”的波状变化，其耗水强度则呈单峰曲线变化，其中拔节期和灌浆成熟期的阶段耗水量较高，耗水强度的峰值集中于抽雄期。随着水分胁迫程度的加剧，夏玉米各阶段耗水量普遍呈下降变化，其中灌浆成熟期的降幅最大，苗期变幅总体较小。轻旱条件下，拔节期、抽雄期与灌浆成熟期的耗水量随着灌水定额的增加呈单峰曲线变化，其中LD60 和LD75两处理的耗水量总体较高；中旱条件下，各阶段耗水量并未随灌水定额增加呈现出明显的趋势性变化，可能与处理间的灌溉周期差异较大有关。

2.2 不同处理下夏玉米的穗部性状及产量构成因子变化

由表3和表4可知，夏玉米的果穗长度和直径分别在15.12～21.36 cm 和3.93～4.90 cm 之间，其穗行数集中于13～15行，秃尖长度则普遍小于2 cm；两季夏玉米穗粒重、百粒重和出籽率的均值分别为102.3 g（变异系数CV≈19.14%）、31.56 g（CV≈8.80%）和82.25%（CV≈2.05%）。对比可知，随着水分胁迫程度的加剧，夏玉米果穗长度、直径、穗行数、穗粒重和百粒重总体呈下降趋势变化，秃尖长度增加，出籽率变幅则较小。方差分析结果显示，水分亏缺和灌水定额对两季夏玉米果穗的长度、直径、穗粒重以及百粒重均产生显著影响，秃尖长和出籽率的处理间差异均不显著。

表3 不同处理下夏玉米的穗部性状及产量构成因子（2016年）

表4 不同处理下夏玉米的穗部性状及产量构成因子（2017年）

随着灌水定额增加，轻旱各处理的果穗长度、直径、穗粒重和百粒重等指标表现出一定的趋势线变化，但存在年际间差异，这一现象在中旱各处理间同样有所体现，而两季夏玉米穗行数、秃尖长和出籽率的处理间差异普遍不显著。综合比较，轻旱水平下LD60 和LD75 两处理的表现较好，且年际间变异不大；中旱水平下MD45 和MD90 处理的穗部性状表现较好，但存在一定的年际间差异。

2.3 夏玉米耗水量与产量的关系

2.3.1 夏玉米产量与耗水量之间的关系

不同水分处理条件下夏玉米产量与耗水量的关系见图1。由图1 可知，两季夏玉米产量与耗水量呈显著的二次函数关系，公式如下：

图1 夏玉米产量与耗水量关系

式中：Y为夏玉米产量，kg/hm2；ET为夏玉米的总耗水量，mm。

对公式两边求导，并令dY/dET=0，可知夏玉米的耗水量为449.0 mm时，其籽粒产量达到峰值，约为7 671.7 kg/hm2。

2.3.2 夏玉米产量与水分利用效率

由表5可知，同一水分亏缺水平下，两季夏玉米的籽粒产量和耗水量均值分别约为7 384.6 kg/hm2和354.93 mm（CK1）、6 457 kg/hm2和266.13 mm（LD）、5 140.3 kg/hm2和205.58 mm（MD）、4 631.6 kg/hm2和208.75 mm（CK2），可见夏玉米的籽粒产量和耗水量随着水分胁迫程度的加剧明显呈下降趋势变化；此外，灌水定额45～75 mm 处理的籽粒产量总体表现较好，其中灌水定额60 mm 处理的总体表现最优且年际间变异最小（CV值低于5.05%）。方差分析结果显示，水分亏缺和灌水定额对两季夏玉米籽粒产量和耗水量的影响均已达到显著水平，二者交互作用对其籽粒产量产生了极显著影响。值得注意的是，MD90处理的籽粒产量与MD60处理间差异不显著，且年际间表现稳定（CV≈0.64%），可见适度提高灌水定额有助于保证产量，这也为夏玉米在水分亏缺条件下获得较高WUE奠定了基础。

本试验中，两季夏玉米的WUE分别为2.08～3.14 kg/m3（2016年）和1.68～2.70 kg/m3（2017年）。对比可知，CK1各处理的WUE值总体较低；轻旱处理的WUE均值较CK1处理有所提高，其中LD60 和LD90 两处理的WUE值总是较高，但二者均存在一定的年际间差异，这主要与其耗水量的年际间差异较大有关；中旱各处理的WUE值总体较高且年际间差异不大，处理间差异均不显著。随着灌水定额增加，2016年度各处理的WUE值均呈上升趋势变化，2017年度则呈波动变化。总之，从获得较高的产量兼顾高WUE角度考虑，本试验中LD60处理的表现最优。

3 讨论和结论

水分是保证夏玉米正常生长发育并获得产量的关键因子，适时适量地灌溉有助于夏玉米实现节水高产。灌水控制下限作为土壤供给作物可利用水分的临界值，决定着作物灌水的开始时间和灌水次数，也影响灌水量的确定[12]。根据我国北方各地经验，作物对土壤水分降低的适应性有相当宽的伸缩幅度，适宜土壤水分下限值可以从65%～70%田间持水率降低到50%～55%田间持水率，作物仍能正常生长，并获得相当理想的产量，而且使田间耗水减少30%～40%，灌水次数和灌水定额减少一半或者更多。已有研究也证实，苗期适度干旱有利于壮苗和促进根系的深扎[13,14]，当灌水控制下限控制在50%以上水平时，可保证夏玉米获得较高的产量，WUE也显著提高[10,15]。本试验也得到了相同的变化趋势，但以轻旱各处理的产量和WUE表现最优，出现这种差异可能与深松耕的扩容增墒（增加孔隙度、田间持水量和饱和含水量）[16]效果显著有关。相反，较高的灌水下限使得土壤水分无效消耗增加，降低了作物水分利用效率[16]。

适宜的灌水定额，应以作物需水要求为主，并适当考虑实际灌水的可能性。地面灌溉是当前黄淮平原农田普遍采用的补水措施，孙景生等[17]采用动态规划技术优化得出了夏玉米的最优灌水时间和灌水定额，提出夏玉米拔节后的灌水定额为60 mm。本试验中，LD60 处理可以获得稳定的产量和较高的WUE，且年际间变异不大。也有研究认为，生长后期采用较大的灌水定额，同样有利于产量形成和水分利用效率提高[10,18,19]，前提是足够低的灌水控制下限的应用，该思路与黄淮平原地区夏玉米大田灌溉管理现状基本吻合。本试验中，不同灌水定额下夏玉米各处理的WUE在数值上不尽相同，且存在一定的年际间差异，其中灌水定额60 和90 mm 处理的WUE普遍较高。穗粒重是影响产量的关键因素，高产玉米品种的单穗粒重为201～300 g 的穗数占群体穗数的比例高达83.05%[20]，本试验的平均单穗粒重仅为102.3 g，这也是最终籽粒产量总体不高的原因所在，此种情况应与品种特性有较大关系，也从另一方面反映了该品种抗旱性的某些特点。总之，综合考虑生产现状及夏玉米生育期恰逢雨季这一事实，夏玉米低定额补灌是可行的，但灌水定额不宜小于60 mm；拔节后遭受轻度水分胁迫时灌水60 mm 可满足需求，中度以上干旱时建议适当增加灌水量，更有利于夏玉米抗旱稳产。