不同播種灌溉方式對夏玉米出苗、干物質積累及轉運和產量的影響

楊明達，張素瑜，李 帥，鄭東方，楊慎驕，關小康，王同朝

（1.商丘市農林科學院，河南 商丘 476000；2.河南農業大學農學院∕河南糧食作物協同創新中心，河南 鄭州 450046；3.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南 新鄉 453003）

農業用水是我國經濟社會用水的主要耗水源，其用量占經濟用水量的60%以上[1]，而農業灌溉用水量占農業用水量的90%左右[2]。因此，要實現農業的可持續發展，發展并推廣節水灌溉技術以降低灌溉用水量是必由之路，也是唯一出路。

隨著廣大學者對農業節水灌溉技術的持續探索及推廣應用，生產中應用的節水灌溉方式已由傳統的畦灌、溝灌逐步向噴灌、滴灌等先進的灌溉技術轉變[3-6]。滴灌（地表滴灌和地下滴灌）一方面能有效降低土面蒸發、消除地表徑流，有利于減少灌溉量；另一方面，少量多灌的灌溉方式能夠降低土壤水分波動，維持良好的土壤水分環境，對作物生長有利，其更大的節水增產潛力已被廣泛證實[7-10]。然而，在地下滴灌條件下，其特殊的供水位置（滴灌帶埋設在距地表一定深度）使土壤水分上移有限，很難到達種床層，影響出苗質量，進而對作物后期生長及產量的形成不利[11-12]。滴灌帶淺埋能夠提高種子出苗率、產量及水分利用效率[13]，但淺埋的滴灌帶對土壤耕作不利。一些研究發現，適當增加播種深度可以使種床層與地下滴灌供水充分接觸，對種子出苗有利[11-12，14-15]。一般情況下，增加播種深度會導致地溫上升較慢，延長種子出苗時間[14]。與地面灌溉相比，地下滴灌深播造成出苗的延遲是否會影響植株生長及最終產量的形成？并且，地下滴灌的供水優勢能否彌補因深播造成出苗延遲而對植株產生的負面影響，前人對此研究較少[14-15]。楊庭瑞等[15]在地下滴灌條件下，比較了不同播種深度小麥的出苗及生長狀況，并與地表滴灌進行了對比分析，但由于他們設置的播種深度過深（20 cm），造成缺苗斷壟現象，因此，未對最終產量進行評價。關小康等[14]對地下滴灌播種深度的研究，僅對玉米苗期生長狀況進行了分析，并且也沒有與地面灌溉進行比較，因此，未能評判出地下滴灌深播是否較其他灌溉方式有優勢。

夏玉米是華北平原主要的糧食作物之一，其產量占全國的35%[16]。地下滴灌較大的節水增產潛力使其正廣泛應用于夏玉米生產[3，11]。但是華北平原5、6月份降雨偏少，造成土壤墑情較差，不利于玉米出苗[17]。為了保證地下滴灌夏玉米出苗質量，在不增加額外投入的情況下（播種后采用地面灌溉或增加滴灌量來保證出苗），適當深播不失為一種經濟有效的辦法。前人的研究多集中在地下滴灌深播對作物出苗質量及苗期生長等的影響方面[14-15]，缺少對作物整個生長季（作物生長、產量、水分利用效率等）的系統評價，并且也缺乏與常規播種灌溉方式間的橫向對比。為此，以夏玉米為試驗材料，研究地下滴灌深播對夏玉米出苗、干物質積累量及產量的影響，并與地面灌溉常規播種及地表滴灌常規播種進行對比分析，評估不同播種灌溉方式的優劣，以期為華北平原夏玉米大田生產選用適宜的播種灌溉方式提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2018—2019 年在河南農業大學教科園區（113°38'3''E、34°47'51''N）大田內進行。試驗地0～140 cm 土層平均田間持水量和土壤容重分別為0.307 cm3∕cm3和1.35 g∕cm3，耕層（0～30 cm）有機質含量為1.05 g∕kg，全氮含量為7.50 g∕kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為69.80、75.90、208.95 mg∕kg。夏玉米生長季的氣象數據如圖1所示。

圖1 夏玉米生長季的氣溫和降水量Fig.1 The temperature and precipitation during the growth season of summer maize

1.2 試驗設計

2018 年試驗設置2 個處理，地下滴灌深播（SDI）處理：播種深度為7～9 cm，播種后地下滴灌40 mm；地面灌溉常規播種（CK）處理：播種深度約為3 cm，播種后使用小白龍水管灌溉40 mm。每個處理4次重復。小區面積為3 m×4 m=12 m2，小區之間間距1.0 m。采用水表控制灌溉量。SDI 處理采用以色列Netafirm 公司生產的滴灌帶，毛管內徑為15.9 mm，滴孔直徑為0.31 mm，滴頭距離為0.3 m，滴頭流量為1.38 L∕h，滴灌帶間距為60 cm（每行玉米一條滴灌帶），滴灌帶埋深為30 cm。2018年夏玉米生育期間降雨較多，因此，各處理在播種后未再進行灌溉。2019 年，在2018 年試驗基礎上增添了地表滴灌常規播種（DI）處理：播種深度與CK 一致，滴灌帶參數與SDI 處理一致，每行玉米鋪設一條滴灌帶，播種后地表滴灌40 mm。2019年，CK在7月6日和8 月16 日分別灌溉70 mm 和60 mm，DI 和SDI 處理分別在7月6日、7月16日、8月16日、8月26日灌溉35、35、30、30 mm。2018年和2019年夏玉米生育期間有效降雨量分別為338.7 mm和279.8 mm。

供試夏玉米品種為鄭單958。分別于2018 年6月20 日和2019 年6 月15 日人工點播，密度為75 000 穴∕hm2。為了測定不同處理夏玉米的出苗率，各試驗小區每穴播種2 粒，在三葉期進行定苗。適時控制雜草和病蟲害。分別于2018 年9 月30 日和2019年10月10日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水量 在2019 年夏玉米播種前和灌溉后24 h用烘干法分層測定0～100 cm 土層（劃分為7 層：0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm）的土壤含水量。并在拔節后期（2019 年7 月20 日）、灌漿初期（2019 年8 月30 日）、降雨后及收獲后用烘干法測定0～140 cm土層的土壤含水量，測量深度間隔為20 cm。

1.3.2 出苗率和出苗時間 參考關小康等[14]的方法測定夏玉米的出苗率和出苗時間。

1.3.3 株高和株高變異系數 夏玉米出苗后20 d，每個小區選取連續10 株夏玉米，使用卷尺測量株高，計算株高變異系數。

1.3.4 葉面積及葉面積指數 分別于苗期（播種后20 d）、拔節后期（2019 年7 月20 日）、大喇叭口期（2019年8月10日）、開花期（2019年8月20日）和灌漿期（2019 年9 月15 日），每個小區隨機選取1 株夏玉米帶回實驗室測定葉長和葉寬（由于小區中間2行測產，因此取樣為次邊行），計算葉面積指數（苗期計算植株葉面積）。

1.3.5 干物質積累及轉運 分別于苗期（播種后20 d）、拔節后期（2019 年7 月20 日）、大喇叭口期（2019 年8 月10 日）、開花期（2019 年8 月20 日）、灌漿期（2019 年9 月15 日）和成熟期（2019 年10 月10日），每個小區隨機選取1 株夏玉米（與測葉面積的植株為同一株），105 ℃殺青0.5 h，然后80 ℃烘干至恒質量，稱干質量。其中，開花期和成熟期的取樣植株按莖、葉、苞葉、穗軸和籽粒分開。計算花前干物質轉運量、花后干物質積累量、花前干物質轉運量對籽粒的貢獻率、花后干物質積累量對籽粒的貢獻率[3]。

花前干物質轉運量=開花期植株營養器官干質量-成熟期植株營養器官干質量；

花后干物質積累量=成熟期植株干質量-開花期植株干質量；

花前干物質轉運量對籽粒的貢獻率=花前干物質轉運量∕成熟期籽粒干質量×100%；

花后干物質積累量對籽粒的貢獻率=花后干物質積累量∕成熟期籽粒干質量×100%。

1.3.6 測產和考種 在成熟期，將小區中間2 行全部收獲，首先在收獲的果穗中隨機選取10穗測定穗粒數；然后將全部果穗脫粒記產，并折算產量（折算的籽粒含水量為14%）；最后在脫粒的籽粒中隨機選取籽粒測定百粒質量。

1.3.7 蒸散量和水分利用效率 夏玉米的蒸散量由農田水分平衡方程計算，公式如下。

式中，ET為作物蒸散量（mm）；P為整個生長季有效降水量（mm）；I為整個生長季灌溉總量（mm）；G為整個生長季地下水補給量；R為整個生長季地表徑流量（mm）；D為整個生長季地下滲漏量（mm），計算公式為D=θi-FC，其中，θi為第i階段根區（100～140 cm）的土壤含水量，FC為田間持水量，當θi＜FC時，D為0[6]；ΔW為播種至收獲土壤剖面貯水量的變化量（0～140 cm）。試驗地平坦，地下水位較深，且夏玉米生育期間沒有發生單次較大降雨量，因此，R和G為0。

水分利用效率通過以下公式計算。

式中，WUE為水分利用效率，Y為籽粒產量。

1.4 數據分析

使用Excel 2010 統計數據，并用SigmaPlot 14.0繪圖。采用SPSS 22.0 軟件進行方差分析，采用LSD法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同播種灌溉方式對夏玉米土壤含水量的影響

2.1.1 播種前和灌溉后土壤含水量 由圖2可以看出，播種前各處理0～5、5～10、10～20 cm 土層的土壤含水量均較低，分別為田間持水量的11.15%～18.89%、35.48%～44.54%、41.46%～53.17%。 灌溉后，CK 和DI 處理0～20 cm 土層的土壤含水量顯著增加，達到了田間持水量的81.46%～89.34%；SDI 處理0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤含水量增幅也較大，分別達到田間持水量的46.83%、68.69%、75.35%。另外，從灌溉后不同處理土壤水分再分布來看，CK和DI處理主要的濕潤土體為60 cm以上土層，上層的土壤含水量更高；SDI處理土壤水分可以下滲到距地表80 cm 處，并且中層土壤（20～60 cm）含水量較高?？梢?，SDI 條件下，播種后灌溉40 mm，土壤水分可以到達種床層（播深為7～9 cm），能夠保證種子萌發。

圖2 不同播種灌溉方式下播種前和灌溉后不同土層土壤含水量變化（2019）Fig.2 Variation of soil water content in different soil layers before sowing and after irrigation under different sowing and irrigation methods in 2019

2.1.2 夏玉米不同生育時期土壤含水量 由圖3可以看出，不同播種灌溉方式對夏玉米拔節后期和灌漿初期土壤含水量的影響存在明顯差異。在拔節后期，對于0～20、20～40 cm土層，各處理土壤含水量表現為DI＞CK＞SDI。對于40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm 土層，各處理土壤含水量表現為SDI＞DI＞CK，SDI處理60～80、80～100、100～120 cm土層土壤含水量分別較CK 和DI 處理增加13.80%、21.22%、12.64%和8.25%、20.87%、11.22%。到了灌漿初期，各處理不同土層土壤含水量的變化趨勢與拔節后期相似。與CK 相比，SDI 處理提高了除0～20 cm 土層外其他土層的土壤含水量；DI 處理提高了0～140 cm 土層土壤含水量。與DI 處理相比，SDI處理降低0～20 和20～40 cm 土層的土壤含水量，但提高40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm土層的土壤含水量?？梢?，與CK 相比，SDI 處理雖然降低了表層土壤含水量，但能提高中下層（40～120 cm）土壤含水量；DI 處理能夠提高拔節后期中上層土壤（0～80 cm）和灌漿初期土壤含水量。

圖3 不同播種灌溉方式對夏玉米拔節后期（a）和灌漿初期（b）土壤含水量的影響（2019）Fig.3 Effects of different sowing and irrigation methods on soil water content in late jointing stage and early filling stage of summer maize in 2019

2.2 不同播種灌溉方式對夏玉米苗期生長的影響

2.2.1 出苗率及出苗時間 夏玉米的出苗率以DI處理最高，CK 次之，SDI 處理最低，但不同處理間出苗率的差異均未達到顯著水平，且各處理的出苗率均＞90%（表1）。夏玉米的出苗時間以SDI 處理最長，比CK 和DI 處理延長1.0 d，CK 和DI 處理間出苗時間的差異不顯著?？梢?，SDI 處理雖然由于深播延長了出苗時間，但并未顯著影響夏玉米的出苗率。

表1 不同播種灌溉方式下夏玉米的出苗率及出苗時間Tab.1 Seedling emergence rate and time of summer maize under different sowing and irrigation methods

2.2.2 苗期形態特征 由表2 可以看出，不同處理間夏玉米株高及其變異系數無顯著差異；SDI 處理夏玉米葉面積分別較DI 和CK 處理顯著降低12.58%和6.29%～21.20%；干質量以SDI 處理最低，分別較DI 和CK 處理顯著降低15.13%和9.76%～13.13%?？梢?，SDI 處理顯著降低苗期夏玉米單株的葉面積及干質量，但未對夏玉米株高及株高變異系數產生顯著影響。

表2 不同播種灌溉方式下夏玉米苗期的形態特征Tab.2 Morphological characteristics of summer maize at seedling stage under different sowing and irrigation methods

2.3 不同播種灌溉方式對夏玉米葉面積指數的影響

由圖4 可知，不同播種灌溉方式對夏玉米各生育時期葉面積指數有顯著影響。在拔節后期，DI處理葉面積指數最高，顯著高于SDI 處理，CK 與DI、SDI處理間的差異均未達到顯著水平。在大喇叭口期，夏玉米的葉面積指數仍以DI 處理最高，但各處理間的差異未達到顯著水平。開花期和灌漿期，不同處理夏玉米的葉面積指數表現為SDI＞DI＞CK。與CK 相比，SDI處理開花期和灌漿期葉面積指數分別顯著提高19.57%和17.58%；DI 處理開花期葉面積指數顯著增加14.78%。SDI 與DI 處理間開花期和灌漿期葉面積指數的差異均未達到顯著水平?？梢?，SDI處理雖然降低了生育前期的葉面積指數，但提高了生育后期（開花期和灌漿期）的葉面積指數。

圖4 不同播種灌溉方式對夏玉米葉面積指數的影響（2019）Fig.4 Effects of different sowing and irrigation methods on leaf area index of summer maize in 2019

2.4 不同播種灌溉方式對夏玉米地上部干物質積累及轉運的影響

2.4.1 地上部干物質積累量 由圖5 可以看出，不同播種灌溉方式顯著影響夏玉米各生育時期的地上部干物質積累量。在拔節后期，SDI 處理的地上部干物質積累量最低，分別比DI 和CK 處理顯著降低27.36%和21.09%，DI 處理與CK 間的差異不顯著。大喇叭口期，夏玉米地上部干物質積累量仍以DI 處理最高，但各處理間的差異未達到顯著水平。開花期和灌漿期，夏玉米地上部干物質積累量以SDI 處理最高，顯著高于CK，但與DI 處理間的差異不顯著。成熟期，夏玉米地上部干物質積累量仍以SDI 處理最高，CK 最低，SDI 和DI 處理地上部干物質積累量分別比CK 顯著增加8.51%和6.18%?？梢?，與CK 相比，SDI 和DI 處理均有利于花后干物質的積累，SDI處理表現最優。

圖5 不同播種灌溉方式對夏玉米地上部干物質積累量的影響（2019）Fig.5 Effects of different sowing and irrigation methods on aboveground dry matter accumulation of summer maize in 2019

2.4.2 地上部干物質轉運量及對籽粒的貢獻率

由表3 可以看出，SDI 和DI 處理夏玉米花前干物質轉運量及其對籽粒的貢獻率均較CK 提高。其中，SDI處理花前干物質轉運量顯著提高83.53%；DI與CK、SDI 處理間花前干物質轉運量及其對籽粒的貢獻率的差異均未達到顯著水平?；ê蟾晌镔|積累量以SDI 處理最高，但各處理間的差異不顯著。CK 的花后干物質積累量對籽粒的貢獻率最高，顯著高于SDI 處理，但與DI 處理間的差異不顯著。綜上，與CK 相比，SDI 處理有利于促進花前干物質的轉運，并能維持較高的花后干物質積累量，為夏玉米高產奠定基礎。

表3 不同播種灌溉方式下夏玉米地上部干物質轉運量及對籽粒的貢獻率（2019）Tab.3 Day matter transport amount and its contribution rate to grain of summer maize under different sowing and irrigation methods in 2019

2.5 不同播種灌溉方式對夏玉米產量及水分利用效率的影響

不同播種灌溉方式對夏玉米產量及水分利用效率的影響如表4 所示。在2018 年夏玉米生長季，由于降雨較多，因此，各處理未進行灌溉。SDI處理的穗粒數、百粒質量和產量均低于CK，但處理間的差異未達到顯著水平。SDI 處理與CK 間蒸散量和水分利用效率的差異也未達到顯著水平。說明在生育期間降雨量較多的情況下，地下滴灌深播造成出苗的延遲及苗期形態指標（葉面積和干質量）的降低并未對夏玉米產量的形成及水分利用效率產生顯著影響?？梢?，在生育期間未灌溉情況下，與CK 相比，SDI 處理并未顯著影響夏玉米的產量及水分利用效率。

表4 不同播種灌溉方式下夏玉米產量及水分利用效率Tab.4 Yield and water use efficiency of summer maize under different sowing and irrigation methods

2019 年夏玉米生育期間進行了灌溉，不同播種灌溉方式對夏玉米產量及水分利用效率影響顯著。與CK 相比，SDI 和DI 處理夏玉米的穗粒數、產量分別提高12.27%、11.22%和8.61%、6.38%。SDI 處理較DI處理提高了夏玉米的穗粒數，最終其產量顯著提高4.55%。不同播種灌溉方式未顯著影響夏玉米的蒸散量，SDI和DI處理的水分利用效率分別較CK顯著提高11.41%和9.94%。綜上，在夏玉米生育期間灌溉情況下，SDI 和DI 處理均有利于夏玉米產量和水分利用效率的提高，其中SDI處理表現最好。

3 結論與討論

3.1 不同播種灌溉方式對夏玉米出苗及苗期生長的影響

出苗質量對作物的高產起著關鍵作用[18]。出苗率、出苗整齊度是衡量出苗質量的重要指標。出苗率影響收獲期穗數，較高的出苗率是玉米高產穩產的基礎保障[19]。水分是種子萌發的首要條件，播種后玉米種子萌發出苗所需的水分主要來自0～20 cm土層[20]。研究表明，從播種到出苗，適宜土壤含水量的下限范圍為田間持水量的65%～70%[21]。整齊度通常用于表征個體間的變異程度[22]。株高整齊度與產量呈極顯著正相關，其中苗期和拔節期的整齊度對產量影響較大[23]。地下滴灌由于其特殊的供水位置，導致灌溉后上層土壤含水量較低，這會對作物出苗及苗期生長產生一定影響。然而，本研究結果發現，在播種后地下滴灌40 mm，土壤水分能夠上移至種床層（播種深度為7～9 cm）。灌溉后，SDI 處理5～10、10～20 cm 土層土壤含水量均超過田間持水量的65%，并且SDI 處理較CK、DI 處理未顯著降低夏玉米的出苗率。SDI處理苗期株高的變異系數雖然低于CK和DI處理，但不同處理間的差異均不顯著。說明地下滴灌深播條件下，土壤水分能夠滿足種子的萌發，保證出苗及出苗整齊度。

在低于田間持水量條件下，土壤含水量越高出苗越快[24]。與CK 和DI處理相比，SDI處理顯著延長出苗時間。這一方面是因為SDI 處理0～20 cm 土壤含水量低于其他處理，另一方面，可能也與SDI處理深播導致種床層地溫較低有關[14]。SDI 處理延長了出苗時間，從而導致其苗期單株葉面積及干質量顯著降低。DI 處理出苗狀況及苗期的形態指標均優于CK，這主要是因為DI 處理相對較緩的水分入滲速率可以使土壤水分分布更均勻，并且DI處理降低土面蒸發，有利于提高土壤含水量[4，25]。

3.2 不同播種灌溉方式對夏玉米干物質積累量及產量的影響

葉面積是植物截獲光能的物質載體，其大小直接影響玉米對光能的截獲，是植株進行光合生產的重要物質基礎。與溝灌相比，滴灌能夠增加生育后期夏玉米的葉面積指數，并且生育后期葉面積的衰亡速度更慢[26]。與傳統畦灌相比，淺埋滴灌和地表滴灌能夠增加玉米的葉面積指數和地上部干物質積累量，特別是花后[5]。這些均與本研究結果類似。灌溉后，與傳統地面灌溉處理相比，滴灌處理土壤水分下滲緩慢，能夠向更深層土壤移動，并且在作物蒸騰和土壤蒸發過程中，深層土壤水分對上層土壤供給速率慢，導致深層土壤水分下降速率較慢，進而提高土壤貯水保墑能力[25]。因此，當階段性降雨較少或植株遭受干旱時，滴灌處理下層較好的土壤水分狀況可以及時滿足植株所需。本研究中，2019 年，夏玉米在拔節期至小喇叭口期和灌漿初期降雨量較少，因此，不同處理在這2個階段進行了灌溉。SDI 和DI 處理采用少量多次的灌溉方法改善了土壤的水分狀況，特別是中下層土壤，有利于后期植株生長和干物質積累。SDI 和DI 處理較高的地上部干物質積累量為高產奠定了物質基礎。作物在生長發育過程中，同化物在植株各器官的轉化與分配形成了產量[7]。促進花前同化物向籽粒轉運的同時維持較高的花后干物質積累對玉米增產意義重大[27]。與傳統地面灌溉相比，覆膜滴灌和淺埋式滴灌能夠增加葉片和莖鞘的干物質轉運量及對籽粒的貢獻率[9]。本研究結果與之相似，與CK 相比，SDI 和DI 處理在增加花前干物質轉運量的同時維持了較高的花后干物質積累量，最終顯著增加了產量。孟繁昊等[10]對滴灌的研究認為，與傳統地面灌溉相比，淺埋式滴灌顯著增加花后干物質積累量，這與本研究結果有異。這可能與本試驗研究年度（2019）夏玉米灌漿中后期降雨量較大有關，較高的降雨量使各灌溉處理的土壤水分條件均較好，致使灌漿階段各處理的干物質積累速率相似，從而不同播種灌溉處理間花后干物質積累量的差異未達到顯著水平。

玉米產量與穗粒數顯著相關[28]，而小花分化期和灌漿前期是穗粒數形成的關鍵時期[29]。因此，確保該時期較好的土壤水分條件有利于穗粒數的確立及最終產量的提高。諸多研究發現，無論花前、花后還是開花期干旱脅迫，穗粒數的降低是導致籽粒產量下降的主要原因[30-31]。本研究中，SDI處理較其他處理提高了穗粒數，顯著增加了產量。分析其原因，SDI 處理在拔節后期和灌漿前期中下層較好的土壤水分條件對抽雄吐絲前后植株生長及干物質生產有利，有利于小花分化和降低敗育率，對穗粒數形成有利。

較優的出苗質量固然可為作物高產奠定基礎，但是后期植株的生長能夠補償前期的不足[32]。本研究亦得出相似的結論，在生育期間灌溉條件下，SDI處理雖然由于深播延長出苗時間導致苗期單株葉面積及干質量顯著降低，但其在后期表現出生長優勢（較高的葉面積指數和地上部干物質積累量），并促進了花前干物質向籽粒的轉運，最終表現為增產。這主要是因為地下滴灌優化了根區土壤水分分布，促進植株生育后期的生長[6]。

綜上，播種后灌溉40 mm 條件下，地下滴灌深播可以使土壤水分上移至種床層，有效改善種床層土壤水分狀況，保證夏玉米出苗率和出苗整齊度。在生育期間灌溉條件下，地下滴灌深播有利于增加中下層土壤水分含量，使夏玉米生育后期表現出生長優勢（更高的葉面積指數和地上部干物質積累量），增加花前干物質轉運量的同時維持較高的花后干物質積累量，最終獲得最高的產量和水分利用效率。