胡 軍，梅海鵬，趙家祥，王向陽，張乃豐，董國強

（1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院，合肥230031；2.水資源安徽省重點實驗室，安徽蚌埠233000；3.安徽農業(yè)大學工學院，合肥230036）

0 引言

受全球氣候變暖影響，近年來極端氣候加劇，洪澇災害頻發(fā)[1,2]。1998-2017年，洪澇災害占我國自然災害發(fā)生比例三成以上，我國6.46%以上的播種面積受到洪澇災害影響[3,4]。在短時強降水或連續(xù)降水條件下，當農田內澇水不能及時排出或者地下水位不能迅速降低，地下水位長時間處于高水平，作物長期在無氧條件下進行呼吸，加上厭氧型微生物的共同作用，有毒物質（乙醇、甲烷等）在作物根系附近累積，作物會因中毒減產而形成漬害[5]。而玉米作為我國主要的糧食作物，易受澇漬災害影響造成減產[6,7]。

為量化漬害指標，制定排水標準，20世紀60年代國外學者Sieben、Hiler[8]分別提出了基于作物生育期內地下水埋深小于30 cm 累計值的抑制天數(shù)因子SEW30（Sum of Excess soil Water）和考慮作物不同生育期受漬敏感性的抑制天數(shù)指標SDI（Stress Day Index）作為排漬指標。之后國內許多學者基于SEW和SDI對多種作物的排漬指標進行了研究，并建立了相應的排水標準。邵光成[9]等根據小麥根系分布情況，以地下水埋深小于50 cm 的累計值SEW50作為受漬指標，分析冬小麥相對產量與SEW50關系，認為選擇合理的地下水埋深基準值對建立產量與抑制天數(shù)關系模型具有重要作用；楊京平[10]等通過研究玉米不同生育期漬水對產量的影響，得出SEW和SDI與相對產量之間存在顯著負相關關系，可用來作為受漬程度指標；王礦等[11]通過測坑原位受淹法研究夏玉米的水分產量關系，得出澇漬排水指標SDI50相比于SDI30、SDI80與玉米相對產量間具有更好的線性關系。前人對作物受漬的研究多集中在作物單一生育期受漬情況下的漬害指標與產量之間的關系，對作物多生育期連續(xù)受漬少有研究，對作物受漬脅迫情況下的耗水規(guī)律更是少有探討。本文通過研究夏玉米全生育期連續(xù)受漬下漬害指標與相對產量的關系，并分析受漬脅迫下夏玉米生育期耗水規(guī)律，以期解析夏玉米全生育期受漬的漬害指標，揭示受漬脅迫對夏玉米耗水規(guī)律的影響，為地下水淺埋區(qū)的田間水分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年10月-2021年9月在位于淮河流域中游、淮北平原區(qū)南部的安徽?。ɑ次┧茖W研究院五道溝水文水資源實驗站（東經117°20′、北緯33°09′）地中蒸滲儀試驗場內進行。該區(qū)域屬于暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，試驗期間年均降水985.0 mm，年均蒸發(fā)914.2 mm，年均日照時數(shù)1 658.3 h/a，平均日氣溫16.3 ℃，當?shù)刂饕N植作物為玉米、小麥。

1.2 試驗材料

試驗利用地中蒸滲儀裝置控制測筒內地下水埋深，地中蒸滲儀結構如圖1所示。試驗測筒為有底測筒，面積為0.3 和0.5 m2，測筒最深1.4 m，底部濾層厚0.3 m，濾層由不同規(guī)格砂石組合而成，濾層底部設有連通管連接控制室內平衡器及馬氏瓶，可對測筒內地下水埋深進行控制。測筒內為原狀砂姜黑土，可種植試驗作物。砂姜黑土質地黏重，0～30 cm 土層容重為1.36 g/cm3，田間持水率為28.3%，吸濕系數(shù)7.4%。

圖1 地中蒸滲儀結構圖Fig.1 Structure diagram of evaporation infiltration instrument

供試夏玉米品種為“登海”系列，種植方式為點播，平均種植密度為8 株/m2，種植前每個測筒內施氮磷鉀玉米專用肥（750 kg/hm2）、尿素（450 kg/hm2）。測筒周圍大田種植同種玉米，各種植玉米測筒內除地下水埋深不同外，其他管理方式均與大田相同。根據試驗期間玉米生長記錄，將夏玉米生育期劃分為4個階段，見表1。

表1 各年度夏玉米生育期劃分Tab.1 Growth period division of summer corn in each year

1.3 試驗處理

根據相關研究[12-14]，計算作物漬害指標的地下水埋深基值準常選取0.3、0.5、0.7 m，因此本研究通過將地下水埋深分別控制在0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 m 5 個梯度，來確定地下水淺埋條件下夏玉米受漬時地下水埋深閾值以及探究基于不同地下水基準值的漬害指標，作為反映夏玉米漬害程度的適用性。試驗共設置5個處理，其中每個處理分為種植玉米測筒和同期無作物測筒，其它條件相同，用于分析在不同漬害條件下作物近似蒸騰量（有、無作物測筒潛水蒸發(fā)差值）差異性，各處理設計如表2所示。試驗共進行6 個年度（2016-2021年），同一處理下夏玉米整個生育期內地下水埋深始終保持不變，因試驗條件限制，0.4 m 埋深下僅有面積為0.3 m2測筒用于試驗，其余處理均有面積為0.3、0.5 m2兩種規(guī)格測筒用于作為同一年內的2次重復。作物收獲后進行考種，以測筒內玉米平均單株產量作為產量指標。

表2 2016-2021年夏玉米受漬試驗處理設計Tab.2 Treatment design of summer corn waterlogging test from 2016 to 2021

1.4 分析方法

1.4.1 漬水抑制天數(shù)因子SEWx

以作物生育期內，地下水埋深小于某個深度x的累計值SEWx作為受漬抑制天數(shù)因子，本文根據控制的地下水埋深為0.2、0.4、0.6 m 的3 種處理來探究30、50、70 cm 3 種基準值下，相應的SEW30、SEW50、SEW70與作物產量之間的關系。

式中：SEWx為夏玉米生長階段地下水埋深小于基準深度x的累計值；i為作物生育階段；n為生育期總數(shù)；hi為作物在第i個生育階段的地下水埋深。

1.4.2 漬水抑制天數(shù)指標SDIx

作物不同生長階段對漬害敏感程度不同，相同的漬水抑制天數(shù)在作物不同的生育階段，對作物造成的影響不同，在排水控制指標中考慮作物不同生長階段的受漬敏感因子得到抑制天數(shù)指標SDIx。

式中：i、n、SEWx同上，NCSi為消除外界環(huán)境，如作物品種、土壤類型、氣候等對作物產量造成影響的概化敏感因子[15]?？捎上率降玫健?/p>

式中：Ym為作物生育期未到漬水抑制情況下的產量；Yi為作物生育期中，僅在i階段受漬情況下的產量，其余參數(shù)同上。

本試驗中玉米全生育期地下水埋深不變因此無法得到Yi，具體參數(shù)利用本地區(qū)開展的玉米澇漬脅迫下水分產量關系試驗研究中得到的概化敏感因子結果作為計算依據，具體結果為：苗期0.445、拔節(jié)期0.302、抽雄吐絲期0.189、成熟期0.065。

2 試驗結果及分析

2.1 夏玉米受漬地下水埋深閾值

為統(tǒng)一不同面積測筒內玉米產量，以測筒內平均單株產量作為產量指標來觀測各年度不同處理下玉米產量變化情況，通過對各年度不同處理下玉米產量進行方差分析，并利用字母標記法[16]對各處理間的顯著性差異性進行標記。2016-2019年度各處理下玉米產量差異不顯著（P>0.05），2020和2021年T1 處理下玉米產量與T3、T4、T5 處理下玉米產量有顯著差異（P<0.05），如圖2所示。在試驗期內有4個年度T3處理下玉米產量均最高，與相關研究結果[17,18]類似，隨著地下水埋深的增加，玉米產量總體表現(xiàn)為先增高后降低的趨勢，當?shù)叵滤裆钚∮?.4 m 時，土壤通氣率不足，玉米根系無法正常呼吸，因受到漬害導致減產；當?shù)叵滤裆畲笥?.8 m 時，玉米根系因不能正常獲取水分而減產。

圖2 2016-2021年度不同地下水埋深下玉米單株產量Fig.2 Corn yield per plant under different groundwater depths from 2016 to 2021

在2017 和2021年度分別為T1、T2 處理下玉米產量最高，但是各處理下的玉米產量變化規(guī)律不明顯，研究表明[19-21]水熱耦合對玉米產量有顯著影響，由圖3 可知2017 和2021年玉米生育期內最高溫度高于30 ℃閾值的天數(shù)均為75 d、高于32 ℃閾值的天數(shù)分別為53 d 和52 d，明顯多于其它年度。結合圖2～圖3 分析，降水量及高溫天氣較少的2016、2019年，玉米產量處于較高水平，水熱耦合脅迫對本試驗造成了一定影響。因此在不考慮2017 和2021年度高溫氣候影響情況時，地下水埋深在0.6 m左右時應為玉米生長適宜地下水埋深。

圖3 試驗期間降水量及高溫天氣情況Fig.3 Precipitation and high temperature weather during the test period

根據上文分析結果，在不考慮極端高溫帶來的水熱耦合對玉米產量影響情況下，以地下水埋深0.6 m 作為玉米受漬閾值，研究玉米受漬情況下產量變化規(guī)律。由表3可知，地下水埋深在0.2、0.4 m 時，均導致玉米不同程度減產，除2020年T1處理導致玉米減產率最高，達74.57%外，其余年份均為T2處理下造成玉米減產率最高，這與一些研究中認為[17,18]的玉米產量隨著漬水嚴重而降低的結果不一致。經分析，該試驗測筒內原狀土取于1988年，并始終控制地下水淺埋狀態(tài)，表層土壤鹽分長期累積形成鹽漬化[22]，相比于地下水埋深0.4 m，在埋深0.2 m 情況下地下水能夠一定程度稀釋土壤鹽分，降低土壤鹽溶液對根系的影響[23]。因此在漬水脅迫和土壤鹽離子脅迫交互作用下，造成二者產量規(guī)律差異。

表3 受漬處理下玉米產量情況Tab.3 Corn yield under waterlogging treatment

2.2 不同漬水處理下的漬害指標及差異性

分別計算不同地下水埋深下基于不同基準值的受漬抑制天數(shù)因子SEW30、SEW50、SEW70及相應的漬水抑制天數(shù)指標SDI30、SDI50、SDI70。由于本試驗未設置單一生育期作物受漬試驗，因而參照王礦等[11]在位于距本試驗區(qū)直線距離1.9 km的新馬橋灌溉試驗中心站進行的玉米澇漬脅迫試驗所得出的夏玉米概化敏感因子NCSi計算漬水抑制天數(shù)指標SDI。根據計算結果，分別分析相對產量與漬水抑制天數(shù)因子、漬水抑制天數(shù)指標間的相關關系，關系式見表4，關系圖如圖4所示。

圖4 相對產量與受漬抑制天數(shù)因子、受漬抑制指標相關關系Fig.4 Correlation between relative yield and waterlogging inhibition days factor and waterlogging inhibition index

表4 受漬處理下玉米產量情況Tab.4 Corn yield under waterlogging treatment

由公式（4）、（7）（10）及公式（11）、（14）（17）可知，T1 處理下基于30、50 和70 cm 基準值建立的相應受漬抑制天數(shù)因子或受漬抑制指標與相對產量之間線性關系相同，且解釋程度較高，R2分別為0.912、0.674。T2 以及T1、T2 處理下的相對產量與基于50 和70 cm 基準值建立的相應受漬抑制天數(shù)因子或受漬抑制之間線性關系不顯著，表明研究區(qū)地下水埋深大于30 cm時玉米受漬不明顯。相比于受漬抑制指標SDI，受漬抑制天數(shù)因子SEW與相對產量間的線性擬合優(yōu)度更高（R2=0.912），表明相比于單一生育期受漬，在全生育期受漬情況下玉米生理特性可能發(fā)生變化，玉米連續(xù)受漬會對后面生育期的漬害脅迫敏感性產生影響。

2.3 不同漬水處理夏玉米耗水規(guī)律

由于夏玉米生長影響棵間蒸發(fā)[24]，以各處理中有、無作物測筒的潛水蒸發(fā)差值作為夏玉米近似蒸騰量表征耗水量，為減小不同年度測筒內玉米株數(shù)差異影響，以單株近似蒸騰量進行分析。不同年度夏玉米生育期內單株耗水量和降水量以及減產率關系如圖5所示。各夏玉米耗水量變化趨勢與降水趨勢相反，并且在降水較多的2018和2020年T2、T3 處理玉米耗水量相似，在降水較少的2019年T1、T3 處理玉米耗水量相似，總體上的耗水率規(guī)律為T2>T3>T1，可能由于T2 相比于T3 地下水埋深淺，影響土壤含水量[25]，土壤水更容易得到補充，這在一定程度上與秦海霞[26]等認為的耗水量與灌水量呈協(xié)同增加一致。而T1 處理在各年度耗水量均處于較低水平說明受漬情況下玉米根系受到水分脅迫、鹽漬脅迫，對玉米水分利用產生影響[27]。

圖5 夏玉米生育期影響耗水量與降水量及減產率關系Fig.5 Relationship diagram between water consumption and precipitation and yield reduction of summer corn

以2018年為夏玉米生育期豐水，2019年為生育期少水，分析夏玉米各生育期的生長影響耗水量。由圖6（a）可知，T2、T3 處理在2018年內各生育期耗水規(guī)律相似，成熟期耗水量最高；在苗期～抽雄期T2、T3 處理耗水水平相近，在成熟期T3 的耗水量要高于T2；T1 處理在苗期的耗水量為負值，表明在苗期受漬嚴重情況下耗水量水平低，并且影響土壤蒸散，從拔節(jié)期開始恢復一定的水分利用能力，在成熟期和T2處理趨于一致，但始終低于T3 水平。由圖6 （b）可知，2019年T2、T3 處理仍然表現(xiàn)為成熟期耗水量最高，從抽雄期拔節(jié)期后T2 耗水量要高于T1。T1 處理在苗期耗水量仍為負值，從拔節(jié)期～成熟期耗水水平變化不大，可能是由于雖然地下水埋深為0.2 m 的淺埋條件能夠提供給玉米所需正常水分，但是由于受到漬害及鹽漬脅迫，水分利用能力有限。由2018-2019年夏玉米各生育期耗水量規(guī)律可知，各處理下苗期耗水水平均較低，并且有耗水量為負情況出現(xiàn)，與夏玉米苗期騰發(fā)量小[28]、風速等氣象因素對裸土蒸發(fā)影響較大[29]有關。不同處理間耗水量差異主要表現(xiàn)在苗期和成熟期。

圖6 不同降水條件下作物各生育期耗水規(guī)律Fig.6 Water consumption law of corn at different growth stages under different precipitation conditions

從2018、2019年夏玉米各生育期耗水規(guī)律來看，各處理夏玉米耗水規(guī)律總體表現(xiàn)為成熟期>抽雄期≈拔節(jié)期>苗期，與類似研究[30,31]得到的夏玉米耗水規(guī)律并不一致，主要表現(xiàn)為本研究中成熟期耗水量較高，這是因為本文利用有、無作物測筒的潛水蒸發(fā)差值作為作物近似蒸騰量來表征耗水規(guī)律，一定程度上剔除了土壤蒸發(fā)影響，在拔節(jié)期、抽雄期的七八月份溫度較高，土壤蒸散大導致作物蒸散量變大。由圖6 可知2018年生育期豐水相比于2019年生育期少水各處理的耗水量更低，T2 處理變化尤為明顯，表明漬水脅迫下一定程度影響了夏玉米耗水特征，較多的降水導致漬害加重，抑制作物水分利用。

3 結論

（1）地下水埋深0.6 m 較適宜夏玉米生長，地下水埋深減小會導致玉米受漬減產；地下水埋深0.2 m 時相對產量與漬害指標SEW、SDI相關性較好，R2分別為0.912 和0.674，地下水埋深在0.4 m 時夏玉米相對產量與漬害指標SEW、SDI線性相關性不明顯。

（2）地下水淺埋下夏玉米全生育期耗水量變化趨勢與降水趨勢呈負相關，與減產率變化趨勢呈負相關；生育期降水多會使夏玉米耗水量受到抑制，降水少會促進夏玉米耗水；不同地下水埋深下夏玉米耗水量順序為：埋深0.4 m>0.6 m>0.2 m，耗水量差異體主要表現(xiàn)在抽雄期和成熟期的耗水量差異。

（3）當降水條件改變時，地下淺埋下的夏玉米耗水規(guī)律變化較大，漬水脅迫在一定程度影響了夏玉米耗水特征，根據降水情況合理的控制地下水埋深對夏玉米增產具有重要意義。