楊永輝，鄔佳賓，武繼承，楊先明，高翠民，潘曉瑩，何 方

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州 450002；2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，河南原陽(yáng) 453514；3.河南省黃河流域節(jié)水農(nóng)業(yè)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南原陽(yáng) 453514；4.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020；5.河南邦友科技有限公司，鄭州 450001）

0 引言

水分是決定作物產(chǎn)量的最活躍因素，適宜的水分和養(yǎng)分供應(yīng)促進(jìn)玉米增產(chǎn)[1,2]。滴灌因其供水均勻適宜，可實(shí)現(xiàn)作物節(jié)水增產(chǎn)[3]。作物水分利用一直是農(nóng)業(yè)研究的熱門話題，穩(wěn)定氫、氧同位素可作為天然的示蹤劑來(lái)追蹤水在土壤中的運(yùn)移信息[4,5]。利用穩(wěn)定氫、氧同位素技術(shù)可確定作物不同生育期吸水利用土壤水分的深度[6]。有研究發(fā)現(xiàn)，不同作物對(duì)于土壤水分吸收利用的深度存在一定差異，如：滴灌條件下，紫花苜蓿主要利用了30 cm上下土層的土壤水[7]。冬小麥以利用0～20 cm[8]或0～40 cm[9]土層土壤水分為主，但不同時(shí)期，其利用不同土層水分存在一定差異[10]。在玉米前、中和后期的根系吸水深度分別為20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm[11]。前人研究結(jié)果主要因地區(qū)或灌溉方式不同而存在差異。夏玉米的生育期處在雨熱充足的夏秋季，全年60%左右的降水均在夏玉米生長(zhǎng)季，因此，在夏玉米生長(zhǎng)過程中，定量分析其對(duì)土壤水分利用情況，以減少夏玉米的奢侈耗水和土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)具有重要的科學(xué)意義。本研究在防雨棚人工控制灌水的條件下，利用氫、氧同位素示蹤技術(shù)，開展了常規(guī)灌溉和滴灌條件下水分在土壤和作物體內(nèi)的分布特征及不同土層水分對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用的貢獻(xiàn)研究，以確定不同灌溉方式條件下灌水在土壤中的運(yùn)移信息，及作物根層剖面水分的利用比例，從而進(jìn)一步闡明不同灌溉方式下夏玉米的節(jié)水、增產(chǎn)與水分利用機(jī)理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用和持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究設(shè)置在農(nóng)業(yè)部原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，其地處黃河北岸新鄉(xiāng)市原陽(yáng)縣南部的河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地內(nèi)，位于107國(guó)道與鄭焦高速公路的夾角地帶，平均海拔85 m，年均氣溫14.3℃，年均降水量556 mm，全年無(wú)霜期227 d。試驗(yàn)地土壤為壤質(zhì)潮土，肥力均勻，地勢(shì)平坦，耕層有機(jī)質(zhì)12.6 g/kg、全氮1.08 g/kg、速效氮80.1 mg/kg、速效磷18.2 mg/kg、速效鉀120.9 mg/kg。該區(qū)種植方式為小麥、玉米輪作。

1.2 研究方案

本試驗(yàn)在防雨棚中進(jìn)行，設(shè)置灌水量為15 mm/次、30 mm/次、45 mm/次，設(shè)置灌水方式為：小白龍（常規(guī)）和滴灌，即各處理分別為：X1、X2、X3和D1、D2、D3。根據(jù)土壤水分及作物生長(zhǎng)情況，在玉米播種前（6月12日）進(jìn)行40 mm的統(tǒng)一灌水以確保防雨棚中玉米正常出苗與生長(zhǎng)。根據(jù)設(shè)置的灌水定額分別在玉米拔節(jié)期（7月16日）和灌漿期（9月10日）進(jìn)行灌水。玉米全生育期均采用人工灌水，沒有降雨進(jìn)入觀測(cè)小區(qū)，全生育期灌水3次，即播種前、拔節(jié)期和灌漿期。玉米氮肥（N）用量為240 kg/hm2，磷肥（P2O）為135 kg/hm2，鉀肥（K2O）為150 kg/hm2。氮肥60%與全部磷鉀肥底施。分別于拔節(jié)期（氮肥25%）和灌漿期（氮肥15%）進(jìn)行追肥與灌水。灌水3～4 d后分層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）采集土樣放于鋁盒中測(cè)定土壤水分。同時(shí)，將分層采集的0～100 cm土層的部分土壤和地下植物根系分別放入10 mL的采集瓶中并密封，帶回室內(nèi)分析植株根系穩(wěn)定氫、氧同位素豐度。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用低溫真空抽提系統(tǒng)抽提土壤和根系中的水樣，將抽提的水樣密封于玻璃瓶中冷藏待測(cè)氫、氧同位素豐度。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 凈光合速率測(cè)定

在玉米灌漿期（2021年9月13日）選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣于9∶30-11∶00采用美國(guó)Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400光合儀測(cè)定玉米穗位葉的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，并計(jì)算葉片水分利用效率LWUE[13]：

式中：LWUE為葉片光合速率；Pn為凈光合速率；Tr為蒸騰速率。

1.3.2 不同土層土壤水分貢獻(xiàn)率

采用IsoSource軟件[12]進(jìn)行不同土層土壤和植物根系中的同位素分析，從而獲得玉米對(duì)不同土層土壤水分的利用特征。利用IsoSource軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算原理基于穩(wěn)定同位素的質(zhì)量守恒，按照指定的增量疊加運(yùn)算出所有可能的百分比組合，那些處于給定的容差范圍內(nèi)的可能組合被認(rèn)為是可行解，在所有可行解中，對(duì)不同土層水分貢獻(xiàn)百分比出現(xiàn)的頻率進(jìn)行分析，從而得到各個(gè)土層水分貢獻(xiàn)率與頻率的曲線，從而最終確定各個(gè)土層水分對(duì)玉米根系吸水的貢獻(xiàn)率。

該模型原理是按照指定的增量范圍疊加運(yùn)算出所有可能的百分比組合，組合數(shù)量為：

式中：N為組合數(shù)量；i為增量；s為水分來(lái)源數(shù)量。

1.3.3 土壤水分測(cè)定與水分利用效率

在玉米拔節(jié)期（7月16日）、灌漿期（9月13日）和收獲期（9月30日），采用土鉆獲取0～100 cm土層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）土壤，放入烘箱中105℃烘24 h，測(cè)定含水量，進(jìn)而得知0～100 cm土層土壤儲(chǔ)水量。并計(jì)算作物生育期耗水量與水分利用效率。

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ET為作物生育期內(nèi)耗水量，mm；W為播種前土壤儲(chǔ)水量，mm；I為生育期內(nèi)灌水量；H為收獲時(shí)土壤儲(chǔ)水量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

光合參數(shù)為9次重復(fù)（在每處理3個(gè)重復(fù)內(nèi)分別測(cè)定3次樣品）的平均值，其他結(jié)果為3次重復(fù)的平均值，且所得的數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 19.0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式作物不同生育期氫氧同位素土壤剖面分布特征

當(dāng)作物根系中水分穩(wěn)定δ18O、δD同位素組成與土壤的某一層中水分穩(wěn)定δ18O、δD同位素組成相同時(shí)，可認(rèn)為作物根系吸收的水分主要來(lái)于此層土壤[14,15]。從圖1可知，在玉米拔節(jié)期，常規(guī)灌溉條件下中、高灌水量土壤δ18O、δD同位素含量隨土層的加深逐漸較低，且無(wú)論灌水多寡，土壤δ18O、δD同位素含量曲線與根系δ18O、δD同位素曲線均交于10 cm左右，說(shuō)明在常規(guī)灌溉條件下，在玉米拔節(jié)期根系主要吸水層為0～10 cm土層。

圖1 玉米拔節(jié)期常規(guī)灌溉灌水后氫氧同位素分布特征Fig.1 Characteristics of hydroxide isotopic distribution after conventional irrigation during jointing stage of maize

在滴灌條件下（圖2），隨灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量逐漸增加。土壤δ18O、δD同位素含量曲線與根系δ18O、δD同位素曲線交于10 cm、18 cm和13 cm左右，說(shuō)明在滴灌條件下，在玉米拔節(jié)期隨灌水量的增加，其根系主要吸水層表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)，中等灌水條件（D2）其根系吸水層最深，達(dá)到18 cm左右。

圖2 玉米拔節(jié)期滴灌灌水后氫氧同位素分布特征Fig.2 Characteristics of hydroxide isotopic distribution after drip irrigation during jointing stage of maize

從圖3可知，到玉米灌漿期，在常規(guī)灌溉條件下，隨灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量均呈降低趨勢(shì)。在中、低灌水條件下，根系δ18O、δD同位素含量曲線與土壤中的含量曲線交于25 cm、50 cm和85 cm；在高條件下，二者曲線交于45 cm、65 cm和80 cm。說(shuō)明到玉米生長(zhǎng)的后期，根系下扎較深，這更利于其吸收利用深層土壤的水分。

圖3 玉米灌漿期常規(guī)灌溉灌水后氫氧同位素分布特征Fig.3 Characteristics of hydroxide isotope distribution after conventional irrigation during filling period of maize

從圖4可知，在滴灌條件下，隨灌水量的增加，δ18O、δD同位素含量呈增加趨勢(shì)。在低灌水條件下，根系δ18O同位素含量曲線與土壤中的含量曲線交于35 cm和55 cm之間；在中水條件下，二者曲線交于50 cm和75 cm；在高水條件下，二者δ18O同位素含量曲線交于10 cm、45 cm和55 cm。而δD同位素含量與δ18O同位素含量在土壤剖面中的變化并不一致。說(shuō)明到玉米生長(zhǎng)的后期，根系逐漸吸收利用深層水分，中等灌水量處理的根系吸收利用了更深土層的水分。

圖4 玉米灌漿期滴灌灌水后氫氧同位素分布特征Fig.4 Characteristics of hydroxide isotope distribution after drip irrigation during filling period of maize

2.2 不同灌溉方式玉米不同生育期土壤儲(chǔ)水量變化特征

從圖5可知，拔節(jié)期的土壤儲(chǔ)水量明顯高于其他時(shí)期，且隨灌水量的增加土壤儲(chǔ)水量呈增加趨勢(shì)。整體來(lái)看，除收獲期低水處理外，滴灌處理的土壤儲(chǔ)水量均高于傳統(tǒng)灌溉，這與其減少了地面無(wú)效蒸發(fā)和促進(jìn)了作物對(duì)水分的有效利用有關(guān)。

圖5 玉米不同生育期土壤儲(chǔ)水量變化特征Fig.5 Characteristics of soil water storage in different growth sages of maize

2.3 不同灌溉方式玉米不同生育期不同土層耗水貢獻(xiàn)率與耗水特征

玉米不同生育期不同土層耗水貢獻(xiàn)率如表1所示。在玉米拔節(jié)期，均以0～20 cm土層的水分貢獻(xiàn)比例最大，達(dá)60%以上。在D1條件下，60～80 cm土層的貢獻(xiàn)比例為21.4%，在D2條件下，20～40 cm土層的貢獻(xiàn)比例為23.8%。到灌漿期，不同土層對(duì)玉米耗水的貢獻(xiàn)比例差異顯著。在X1、X2、X3、D1、D2和D3、條件下，分別以20～40 cm、0～20 cm、40～60 cm、40～60 cm、60～80 cm和40～60 cm土層貢獻(xiàn)率最大，達(dá)35.3%、49.2%、59.5%、52.8%、69.3%和66.9%。與常規(guī)灌溉相比，滴灌條件下更利于促進(jìn)根系對(duì)40 cm以下土層水分的利用，從而減少水分的無(wú)效蒸發(fā)。

表1 玉米不同育期不同土層耗水量貢獻(xiàn)比例 %Tab.1 Contribution proportion of water consumption of different soil layers in different growth stages of maize

從表2可知，隨生育期的推進(jìn)，玉米的日耗水量明顯增加，灌漿-收獲期的日耗水量明顯高于其他生育階段，且隨灌水量的增加而增加，而滴灌低于傳統(tǒng)灌溉。說(shuō)明，滴灌更利于降低作物耗水量，提供作物有效的水分以供其正常生長(zhǎng)。

表2 不同灌溉方式不同灌水量對(duì)玉米日耗水量的影響Tab.2 Effect of different irrigation methods on the daily water consumption of maize

2.4 不同灌溉方式玉米灌漿期光合生理特征

從表3可知，在兩種灌水條件下，隨灌水量的增加，玉米的光合速率和葉片水分利用效率均表現(xiàn)為先增加而后降低的趨勢(shì)。而其氣孔導(dǎo)度沒有明顯差異。常規(guī)灌溉條件下，玉米葉片蒸騰速率沒有明顯差異，而滴灌條件下，隨灌水量的增加，其蒸騰速率表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)。整體來(lái)看，不同處理中，均以滴灌條件下，中等灌水量的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及葉片水分利用效率最高。與常規(guī)灌溉相比，滴灌更利于提高玉米的光合速率和葉片水分利用效率。

表3 不同灌溉方式不同灌水量對(duì)玉米灌漿期光合生理特征的影響Tab.3 Effects of different irrigation volume under differentirrigation methods on photosynthetic physiological characteristics in filling stage of maize

2.5 不同灌溉方式對(duì)玉米不同生育期生物量的影響

從圖6可知，隨生育期的推進(jìn)，玉米地上生物量均呈明顯增加趨勢(shì)。隨灌水量的增加，玉米的地上生物量明顯增加。在拔節(jié)期，中、高灌水量的地上生物量明顯高于低灌水量處理。在灌漿期，除高水處理，常規(guī)灌溉的中、低灌水處理的生物量均高于滴灌。但到收獲期，滴灌各灌水處理的生物量均高于常規(guī)灌溉。

圖6 玉米不同生育階段生物量Fig.6 Maize biomass at different growth stages

2.6 不同灌溉方式對(duì)玉米成產(chǎn)要素及水分利用的影響

從表4可知，隨灌水量的增加，玉米穗長(zhǎng)、穗粗、雙行粒數(shù)及產(chǎn)量和水分利用效率均表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)，以中等灌水量（X2和D2）的結(jié)果最優(yōu)，且滴灌優(yōu)于常規(guī)灌溉。但玉米全生育的耗水量隨灌水量的增加而增加，常規(guī)灌溉條件下玉米耗水量高于滴灌。說(shuō)明，滴灌可有效減少土壤水分的消耗，從而提高作物的水分利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)。

表4 不同灌溉方式不同灌水量對(duì)玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用的影響Tab.4 Effects of different irrigation volume under different irrigation methods on the growth,yield and water use of maize

2.7 玉米不同生育期不同土層水分貢獻(xiàn)率與其產(chǎn)量及水分利用效率的相關(guān)性分析

從表5可知，玉米不同生育期不同土層水分貢獻(xiàn)率與其產(chǎn)量及水分利用效率存在一定的相關(guān)關(guān)系。在玉米生長(zhǎng)過程中，拔節(jié)期20～40 cm土層的水分對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最高，與其產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；而該時(shí)期60～80 cm和80～100 cm土層的水分貢獻(xiàn)率與玉米水分利用效率呈顯著正相關(guān)。到灌漿期，60～80 cm土層的水分對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大，與其產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；而40～60 cm和80～100 cm土層的水分貢獻(xiàn)率與玉米產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)；40～60 cm土層的水分貢獻(xiàn)率與玉米水分利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)。

表5 玉米不同生育期不同土層水分貢獻(xiàn)率與其產(chǎn)量及水分利用效率的相關(guān)性Tab.5 Correlation between water contribution rate of different soil layers and its yield and water use efficiency

3 結(jié)論與討論

通過研究不同灌溉方式對(duì)土壤水分穩(wěn)定δ18O、δD同位素在土體和根系中的豐度含量分布，可確定水分進(jìn)入土體不同土層與作物根系吸收利用的關(guān)系[14]。同時(shí)分析作物生長(zhǎng)過程中的干物質(zhì)積累量，耗水量與耗水強(qiáng)度及作物光合生理特征，從而探明基于穩(wěn)定δ18O、δD同位素示蹤的作物增產(chǎn)與水分高效利用的機(jī)理。

通過研究發(fā)現(xiàn)，在拔節(jié)期，在常規(guī)灌溉條件下，無(wú)論灌水量多寡，土壤穩(wěn)定δ18O、δD同位素含量曲線與根系穩(wěn)定δ18O、δD同位素曲線交于10 cm左右，說(shuō)明在玉米拔節(jié)期，根系主要吸水層為0～10 cm土層。而滴灌條件下，隨灌水量的增加，其根系主要吸水層表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢(shì)，中等灌水條件其根系吸水層最深，達(dá)到18 cm左右。到灌漿期，在中低灌水條件下，根系穩(wěn)定δ18O、δD同位素含量與土壤中的含量交于25 cm、50 cm和85 cm；在高水條件下，二者曲線交于45 cm、65 cm和80 cm。在滴灌條件下，在低灌水條件下，根系δ18O同位素含量曲線與土壤中的含量曲線交于35 cm和55 cm之間；在中水條件下，二者曲線交于50 cm和80 cm；在高水條件下，二者曲線交于10 cm、45 cm和55 cm。說(shuō)明到玉米生長(zhǎng)的后期，根系吸水層進(jìn)一步加深，根系下扎較深，從而更利于其吸收利用深層土壤的水分。

利用IsoSource模型研究發(fā)現(xiàn)，在玉米拔節(jié)期，均以0～20 cm土層的水分貢獻(xiàn)比例最大，達(dá)60%以上，這與王鵬等[16]和Wu等[17]研究結(jié)果一致。在滴灌15 mm/次和30 mm/次條件下，60～80 cm和20～40 cm土層的貢獻(xiàn)比例分別占21.4%和23.8%。到灌漿期，在滴灌和常規(guī)灌溉處理中，分別以40～60 cm、60～80 cm、40～60 cm、20～60 cm、0～20 cm和40～60 cm土層貢獻(xiàn)率最大，達(dá)52.8%、69.3%、66.9%、35.3%、49.2%和59.5%。這與朱元浩等[18]研究的灌漿期主要利用了0～20 cm土層水分的結(jié)果有所差異，這可能因土壤類型或灌溉方式不同所致，需要進(jìn)一步研究。

在玉米關(guān)鍵生育期，其土壤儲(chǔ)水量均隨灌水量的增加而增加，且滴灌高于常規(guī)灌溉。隨生育期的推進(jìn)，玉米的日耗水量明顯增加，灌漿-收獲期的日耗水量明顯高于其他生育階段，且隨灌水量的增加而增加，而滴灌低于常規(guī)灌溉。說(shuō)明，滴灌濕潤(rùn)土壤過程中減少了水分灌溉面積，濕潤(rùn)了根際土壤，減少了土面水分的無(wú)效蒸發(fā)，且降低了作物奢侈耗水，改善了農(nóng)田小環(huán)境，從而有利于提高作物的光合作用和灌溉水利用率[19]。光合作用是干物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)[20]，灌漿期較高光合能力是提高作物產(chǎn)量的重要途徑[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)灌溉相比，滴灌更利于提高灌漿期玉米的光合速率和葉片水分利用效率，從而促進(jìn)了玉米的干物質(zhì)積累[22]，提高了玉米行粒數(shù)和百粒重，而對(duì)穗粗和行數(shù)無(wú)顯著影響，而行粒數(shù)和百粒重的增加，是導(dǎo)致產(chǎn)量提高的主要因素。說(shuō)明，在作物的關(guān)鍵生長(zhǎng)期，合理灌溉可有效改善作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境[23,24]和成產(chǎn)要素，從而促進(jìn)增產(chǎn)。

與常規(guī)灌溉相比，隨灌水量的增加，滴灌玉米產(chǎn)量分別較常規(guī)灌溉對(duì)應(yīng)灌水量處理提高了21.7%，5.3%、14.9%，水分利用效率提高了26.8%、9.2%和20.0%。低灌水量（4 809.8 kg/hm2）的產(chǎn)量雖然低于中、高灌水量的產(chǎn)量（6 781.3 kg/hm2和4 964.5 kg/hm2），但其水分利用效率卻較高，為38.3 kg/（mm·hm2），說(shuō)明玉米產(chǎn)量與水分利用效率不具有同步性，較高產(chǎn)量需要消耗更多的水分[25]，相對(duì)干旱可獲得較高水分利用效率[26]。但綜合來(lái)看，滴灌條件下適量灌水在顯著提高了玉米產(chǎn)量的同時(shí)，其水分利用效率也相應(yīng)提高，不同灌水模式中，以滴灌30 mm/次的效果最優(yōu)。相關(guān)性分析表明：玉米拔節(jié)期20～40 cm土層水分和60～80 cm土層水分對(duì)提高玉米的產(chǎn)量的提高更為有利，而拔節(jié)期60～80 cm和80～100 cm土層的水分對(duì)于玉米水分利用效率的提高作用更為顯著。