崔婷茹　孫小諾　陳宗培　王貴彥

摘要：為研究河北省中南部平原土壤水分布及水分利用效率對不同密度和行株距配置的響應(yīng)機制，為該地區(qū)玉米合理種植提供參考依據(jù)。以鄭單958為材料，在密度D1（6.75萬株/hm2，常規(guī)密度）和D2（8.25萬株/hm2）條件下，設(shè)置3個行株距配置，分別為H1（60cm等行距，常規(guī)行距）、H2（80cm+40cm大小行）和H3（38cm或34.5cm勻播，行距與株距相等），共D1H1（當?shù)爻Ｒ?guī)種植）、D1H2、D1H3、D2H1、D2H2、D2H36個處理，對各關(guān)鍵生育期的土壤體積含水量動態(tài)分布、有效貯水量的變化、階段性耗水量及水分利用效率進行分析。結(jié)果表明：各處理土壤體積含水量隨著剖面的加深而提高，D2H1在灌漿中期和成熟期0～200cm具有最高土壤有效貯水量;各處理階段性耗水量均為拔節(jié)期—抽雄期最高，其次是抽雄期-灌漿中期;D2H1處理在全生育期耗水量最低，成熟期實際產(chǎn)量達9612.86kg/hm2，最高水分利用效率30.49kg/（hm2·mm）。因此，從經(jīng)濟效益和生態(tài)效益來看，在等行距種植基礎(chǔ)上，可將密度提高至8.25萬株/hm2。

關(guān)鍵詞：夏玉米;密度;行株距配置;土壤水分布;階段性耗水量;水分利用效率

中圖分類號：S513.04文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0032-06

作者簡介：崔婷茹（1988—），女，河北沽源人，碩士，工程師，研究方向為集約持續(xù)農(nóng)作制度。E-mail：fengmengkes@163.com。

通信作者：王貴彥，博士，教授，研究方向為集約持續(xù)農(nóng)作制度。E-mail：wanggy@hebau.edu.cn。

冬小麥—夏玉米1年2熟在華北平原糧食安全中具有重要作用，夏玉米種植面積和產(chǎn)量分別占該區(qū)域玉米種植的37%和35%[1-2]。糧食高產(chǎn)的同時，該區(qū)域資源性缺水一直是限制糧食增產(chǎn)的主要因素，較高的糧食產(chǎn)量需要開采地下水進行灌溉，尤其是河北低平原地區(qū)，深層地下水是灌溉水的主要來源，如果持續(xù)開采會導(dǎo)致嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[3-4]。

河北平原夏玉米6月中旬播種，10月上旬收獲，該區(qū)域降水主要集中在7—9月，雖然處于雨季，但小麥收獲后，土壤基本處于水分虧缺狀態(tài)，大多數(shù)年份夏玉米播種后仍需要灌溉保證玉米出苗。多種措施節(jié)水研究表明，化肥和有機肥等氮配施不僅能夠改善作物耗水特性，增加關(guān)鍵生育期水分供應(yīng)，增加高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高水氮利用效率[5];夏玉米播種前施加生物炭可有效降低生育期耗水，提高水分利用效率[6];改變?nèi)A北平原傳統(tǒng)的冬小麥—夏玉米種植結(jié)構(gòu)，引入馬鈴薯、花生等經(jīng)濟作物，可以有效地緩解水資源匱乏的現(xiàn)狀[7];周年秸稈還田可以提高土壤養(yǎng)分含量，提高作物的生物量和產(chǎn)量，進而提高水分利用效率[8];地膜覆蓋也是有效節(jié)水措施，但研究發(fā)現(xiàn)長期地膜覆蓋會給土壤可持續(xù)發(fā)展帶來危害，同時壟溝地膜覆蓋栽培同樣會對土壤水分的補給和作物的高產(chǎn)形成負面影響[9-10];改變玉米行距與株距配置可以構(gòu)建良好的冠層結(jié)構(gòu)，促進群體產(chǎn)量的提高[11]，黃土旱塬區(qū)隨著種植密度的增加，75cm等行距春玉米產(chǎn)量和水分利用效率均高于55cm等行距，并且同時通過多年的定位試驗發(fā)現(xiàn)不同行株距下土壤剖面水分垂直動態(tài)變化顯著，但相同密度下55cm種植與75cm種植對生育期耗水量和耗水強度差異不顯著，但通過株行距的合理調(diào)整，玉米多年平均產(chǎn)量和水分利用效率隨著種植密度的增加而提升[12-13]。河北低平原邯鄲旱作玉米播種期-出苗期常年降水量為18.37mm，此階段玉米出苗所需18～23mm[14]，同時采用播前浸種、壟作覆膜大小行種植、采用保水劑均可以提高雨養(yǎng)旱作區(qū)玉米的出苗率，改善冠層環(huán)境，提高凈光合速率，促進根系的生長和干物質(zhì)積累，提高土壤的貯水能力[15]。河北低平原區(qū)地下水資源日益嚴峻的形勢下，通過各種有效措施提高玉米光合效率，減少水分無效蒸發(fā)，提高水分利用效率是該區(qū)域玉米可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

本研究對河北省中南部平原玉米土壤水分分布和水分利用效率對行株距配置和密度響應(yīng)進行分析，為該區(qū)域高產(chǎn)水平下夏玉米種植方式提供科學(xué)決策依據(jù)，同時為當?shù)剞r(nóng)業(yè)水資源的高效利用提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地點概況

試驗于2018年6—9月在河北省邯鄲市曲周縣第四疃鎮(zhèn)李莊村（115°02′E、36°86′N）進行，平均海拔39.6m，屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，近20年年平均降水量480.56mm。試驗地土壤為壤土，0～20cm耕層土壤養(yǎng)分狀況為：pH值7.78，有機質(zhì)含量9.60g/kg、全氮含量1.25g/kg、無機態(tài)氮含量24.09mg/kg、[JP2]速效磷含量11.61mg/kg、速效鉀含量137.6mg/kg。前茬小麥，秸稈全部還田。玉米全生育期降水量為257.3mm（圖1），>10℃以上有效積溫為2838.35℃，太陽輻射量為1696.96MJ/m2。容重、田間持水量、凋萎含水量見表1。

1.2試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為密度，副區(qū)為行株距配置。設(shè)置2個密度水平：6.75萬株/hm2（D1）、8.25萬株/hm2（D2）;行株距配置：60cm+60cm等行距（H1）、80cm+40cm寬窄行（H2）、34.5cm或38cm+34.5cm勻播（H3，株行距相同），共6個處理，重復(fù)3次，18個小區(qū)，小區(qū)面積為8m×10m=80m2，南北種植。玉米品種為鄭單958，6月15日播種，10月1日收獲。施純N240kg/hm2、P2O5189kg/hm2、K2O90kg/hm2，氮肥分底肥、大喇叭口期追肥，比例為1∶2，磷肥、鉀肥作為底肥一次性施入，為保證出苗，播種后進行灌溉75mm，其他田間管理同高產(chǎn)田。

1.3測定指標與方法

于拔節(jié)期（7月15日）、抽雄期（8月5日）、灌漿中期（9月10日）、成熟期（9月30日）進行土壤含水量測定，收獲時進行產(chǎn)量測定。

（1）土壤體積含水量測定。采用烘干法測定土壤0～200cm土層含水量，0～20cm每10cm作為1個土層，20～200cm每20cm作為1個土層，最終計算土壤體積含水量：體積含水量=（濕土質(zhì)量-干土質(zhì)量）/干土質(zhì)量×容重×100%。

（2）產(chǎn)量測定。成熟期選取長勢均勻的玉米10m4行進行實地測產(chǎn)，從中選取具有代表性的20穗帶回實驗室測定穗粒數(shù)、烘干測定籽粒含水量和百粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成要素。實際產(chǎn)量按籽粒標準含水量14%計算。

（3）生育期耗水量。生育期耗水量=降水量+灌溉量+[JP2]土壤耗水量-土壤深層滲漏-地表徑流-側(cè)滲，土壤耗水量=播種前土壤貯水量-收獲后土壤貯水量，其中降雨量由當?shù)貧庀蟛块T提供，灌溉時記錄灌溉量，平原地區(qū)的深層滲漏、地表徑流和側(cè)滲一般忽略不計。土壤有效貯水量=貯水總量-凋萎含水量。

（4）水分利用效率。水分利用效率=作物籽粒產(chǎn)量/耗水量。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel2010進行數(shù)據(jù)整理，SPSS17.0進行數(shù)據(jù)分析，Origin9.1作圖。

2結(jié)果與分析

2.1多年夏玉米生育期降水與需水量分析

從表2可以看出，近10年來玉米季降水主要集中在7月中下旬至9月上旬，約占全生育期降水量的90.62%，同時除抽雄期-灌漿中期外，其他生長階段均可以滿足生長發(fā)育需求。2018年夏玉米全生育期降水量為257.20mm，僅為全生育期需水量的68.59%～85.73%。從玉米各階段需水量來看，該玉米生長季播種期-拔節(jié)期、拔節(jié)期-抽雄期、灌漿中期-成熟期3個階段，降水量基本可以滿足需求，但抽雄期-灌漿中期階段降水量低于10年平均值，僅為需水量的18.27%～22.07%，遠不能滿足需求，同時該生長階段遭遇8d35℃以上高溫（圖1），影響了玉米正常授粉和結(jié)實。

2.2各處理0～200cm土壤體積含水量動態(tài)變化

如圖2所示，隨著土壤剖面的下降，土壤體積含水量均呈上升趨勢，大喇叭口期之前主要消耗了0～60cm土層的水分，后期由于幾次有效降水補充，抽雄后下層土壤水分變化不大。拔節(jié)期D2H3處理0～40cm土壤平均體積含水量最高，這是由于出苗期—拔節(jié)期階段，降水量遠遠大于需水量，大部分存儲在土壤中;抽雄期，D2H1在60～200cm土壤含水量高于其他處理;灌漿中期，D2H1在40～140cm與抽雄期保持相同趨勢，但各處理含水量均有所降低;成熟期，各處理土壤含水量有所回升，D2H1處理0～200cm含水量顯著高于其他處理，由此可見，D2H1處理所形成的田間冠層結(jié)構(gòu)可有效減少水分在土壤中的無效蒸發(fā)，從而降低生育期耗水量。

2.3各處理0～200cm有效貯水量動態(tài)變化

由表3可知，隨著生育期的推進，各處理在0～120cm土層中的土壤有效貯水量呈先下降后上升趨勢，灌漿期最低。除D2H1和D1H2外，各處理120～200cm，有效貯水量在全生育期呈下降趨勢。抽雄期，D2H1有效貯水量在40～120cm最高，比D2H2、D2H3、D1H1、D1H2、D1H3分別高47.51、44.11、42.66、58.19、48.73mm;灌漿中期，0～40、40～120、120～200cm剖面土壤的有效貯水量均為D2H1最高，0～200cm總貯水量比D2H2、D2H3、D1H1、D1H2、D1H3分別高91.48、72.82、71.57、81.69、86.85mm;成熟期D2H1處理在0～200cm剖面顯著高于其他處理，但在120～200cm與D1H3差異不顯著。

2.4各處理階段耗水量動態(tài)變化

由表4可知，從總耗水量來看，各處理差異不顯著;從各階段耗水量來看，拔節(jié)期到灌漿中期是主要耗水階段，各處理占全生育期的71.36%～79.95%;拔節(jié)期—抽雄期各處理耗水量占全生育期的36.29%～41.76%，而抽雄期—灌漿中期占全生育期的29.85%～39.00%，各處理階段性耗水量均為拔節(jié)期—抽雄期>抽雄期—灌漿中期>播種期—拔節(jié)期>灌漿中期—成熟期，由此可見，拔節(jié)期—抽雄期是夏玉米對水分反應(yīng)最敏感的階段，種植年份灌漿中期—成熟期降水量遠遠大于生長發(fā)育的需水量，多余降水儲存在土壤中，可為下季作物種植提供部分底墑。

2.5不同處理耗水量、耗水構(gòu)成和水分利用效率

由表5可知，2個密度土壤耗水量和總耗水量均為H1H2>H3。由于生長期間降水較多，土壤耗水較少或為負值，較多的降水使得土壤下層貯水較多，收獲后土壤貯水量大于播種前。2個密度下水分利用效率均為H1>H2>H3，表現(xiàn)出和產(chǎn)量相同、耗水量相反的變化趨勢。H2種植在D2密度下較H1種植具有一定的產(chǎn)量優(yōu)勢，H1種植在D1密度下具有較高的產(chǎn)量和水分利用效率，顯著高于H2和H3種植;當種植密度增大到D2時，產(chǎn)量和水分利用效率都增加，相比于傳統(tǒng)的60cm等行距種植和常規(guī)6.25萬株/hm2密度水平（D1H1），D2H1、D2H2處理產(chǎn)量分別提高7.34%、8.91%，水分利用效率分別提高8.74%、3.28%。

3討論

種植方式不僅可以提高各器官干物質(zhì)積累，調(diào)節(jié)各器官的分配比例，提高產(chǎn)量和水分利用效率[16]，還可以改變?nèi)后w的冠層結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，對土壤水分變化也具有顯著作用，合理的行株距配置對夏玉米的生長發(fā)育具有積極作用[17-18]。土壤體積含水量的動態(tài)變化反映的是土壤實時所貯存的土壤水分，對植物的生長狀況具有顯著影響。河北低平原區(qū)夏玉米季滿足生長發(fā)育需水量為300～375mm，主要需水階段為抽雄期—灌漿中期階段，大概占全生育期需水量的37.58%～56.73%[14]，李銀坤等研究發(fā)現(xiàn)，播種期—抽雄期耗水量占全生育期耗水量的55.1%～66.0%，由此可見，拔節(jié)期—抽雄期是夏玉米對水分需求量最大的時期，而本研究各處理在拔節(jié)期—抽雄期耗水量均高于其他生長階段，同時除D1H2在抽雄期—灌漿中期耗水量所占比例為29.85%外，其他處理變化范圍為34.68%～39.00%，同時各處理耗水量范圍為315.27～344.22mm，這與上述研究一致。夏玉米期間的0～160cm土壤貯水量受降雨和灌水的影響大，而在拔節(jié)期—成熟期生長耗水是引起土壤貯水變化的重要原因[19];隨著行距的擴大，冠層通風(fēng)透光能力增強，土壤水分蒸發(fā)加快，土壤含水量均呈下降趨勢，相同土層60cm等行距與80cm+40cm大小行土壤貯水量差異不顯著[20]，這與本研究拔節(jié)期—抽雄期0～40cm土壤貯水量研究結(jié)果一致。地面漫灌條件下，土壤水分主要分布在剖面0～80cm處，而且漫灌后土壤淺層水分高于深層[22]，本研究在拔節(jié)期土壤水分分布變化與上述研究結(jié)果相同。王兵等研究發(fā)現(xiàn)，土壤水雖然在雨季得到降雨補充，但是播種期的土壤貯水量仍然處于虧缺狀態(tài)[21]，與本研究結(jié)果一致。本試驗玉米播前0～40cm土壤有效貯水量僅為37mm，為田間有效持水量的32.26%。拔節(jié)期、成熟期土壤水分測定結(jié)果表明，降雨增加了土壤表層的土壤含水量，而深層含水量變化幅度較小，與樊曉波等的研究結(jié)果[22]一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，造成較低的水分利用效率的原因是D2H2產(chǎn)量的增加與水分對產(chǎn)量的積極作用無顯著的線性正相關(guān)性，這可能是因為80cm的大行行距造成土壤表面的無效蒸發(fā)增加，從而增加了土壤水分的無效消耗，進而導(dǎo)致水分利用效率降低。

4結(jié)論

土壤水分分布和水分利用效率對不同密度和行株距配置的響應(yīng)具有差異性。D1、D2密度水平H1處理均具有最大的水分利用效率，分別是28.04、30.49kg/（hm2·mm），且兩者差異不顯著;2個密度水平水分利用效率均為H1>H2>H3。D2密度下，H2在產(chǎn)量上較H1高，差異不顯著;而D1密度下，H1具有顯著的產(chǎn)量和水分利用效率優(yōu)勢。因此，在采用等行距種植的前提下，將密度進一步提高到8.25萬株/hm2，將會有較高的產(chǎn)量和水分利用效率，對農(nóng)戶的經(jīng)濟效益和社會生態(tài)效益具有重大意義。

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