李 欢，王忠波，李蔚新，张忠学

(东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030)

黑龙江省玉米播种面积占全国玉米播种总面积的10%[1]，玉米产量所占的比例份额年均在40%以上。而水资源缺乏是影响黑龙江省春玉米种植面积的发展和产量的稳定与提高的主要因素且作物需水量是农业最主要的水分消耗。因此，准确地估算东北寒地半干旱区几种土质即黑土、甘南土、杜蒙土和草甸土条件下玉米需水量尤为重要。目前，国内关于玉米于甘南土、杜蒙土和草甸土几种土质上的相关论述较少。本试验采用水量平衡法(VBM)和试验对比法(ECK)[2]研究不同土质条件下玉米不同生育期的耗水变化及对其产量和水分利用效率的影响。

1 试验概况和方法

1.1 试验概况

试验区位于黑龙江省水利科学研究院综合试验基地(N45°43′09″，E126°36′35″)，属第一积温带中温带大陆季风性气候，全年平均气温在-4～5 ℃之间，无霜期为140～150 d，年平均降水量400～650 mm，7-9月份降雨量占全年的70%。

试验以土壤性质不同即杜蒙土、甘南土、草甸土、黑土为4个处理，每个处理重复3次(见表1)。本试验蒸渗仪规格为1.4 m2×1.5 m。供试玉米品种为“东福1号”，2014年4月30日播种，每个蒸渗仪种植7株，种植密度49 500株/hm2，平作种植，9月25日收获测产。播前每坑沟施'乐索施'高浓度硫酸钾复合肥(总养分≥45%)，尿素0.4 kg，播后覆土并灌水30 mm，其他管理同大田。试验中，采用土壤水吸力传感器定点定位连续测定水势并采用HLJ-2及HLJ-5型蒸渗仪参数测算系统自动并定时采集水势数据。收获时，取样分析玉米主要经济性状，并测产[3]。

表1 供试土壤物理性状

注：表1中数值为50 cm厚土层平均值。

1.2 观测指标及方法

(1)处理开始后，采用HLJ-2及HLJ-5型蒸渗仪参数测算系统自动并定时采集水势、温度、含水量等数据并定时记录蒸渗仪称重数据。

(2)每小区随机选定3株，跟踪测定叶片长、宽、株高及茎粗。

(3)气象数据(降雨量由安装在气象场内的雨量筒测定，降雨强度、辐射、风速、地温、大气温度、湿度和气压等气象数据均采用气象场内的辐射站观测数据)。

(4)玉米耗水量计算。根据水量平衡方程：

ET=I+P+K-ΔW

(1)

式中：ET为耗水量；I为灌水量；P为降雨量；K为地下水补给量；ΔW为土壤计划湿润层储水变化。

本实验中蒸渗仪有底无地下供水或排水，K=0；W在本实验中为阶段初末蒸渗仪读数之差，即ΔW=W2-W1，W1为蒸渗仪阶段初读数，W2为蒸渗仪阶段末读数。则本实验中玉米耗水量可由式(2)算出。

ET=I+P+W1-W2

(2)

(5)产量：玉米完熟(特征：苞叶枯黄，乳线消失，黑层形成) 时，每个测坑随机选取等重复数的玉米，将玉米风干后带回室内进行收获、测产。计算各测坑的产量及百粒重，计算水分利用效率WUE。

WUE=0.1Y/ET

(3)

式中：Y为作物产量，kg/hm2；ET为作物耗水量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同土质对玉米生育期进程的影响

图1所示为4种不同土质玉米生育期的进程。全生育期长短表现为黑土>甘南土>杜蒙土>草甸土，最短的草甸土相比最长的黑土全生育期缩短了11 d。播种到出苗阶段，草甸土时间最短，为14 d，其次为杜蒙土，出苗时间最长的为黑土。出苗到拔节阶段，草甸土较杜蒙土、甘南土和黑土提前了2、4、4 d，黑土和甘南土占据时间仍最长。拔节到抽穗阶段，黑土、甘南土、杜蒙土、草甸土依次递减1 d，草甸土最短为23 d。抽穗到灌浆阶段，草甸土的生育时间出现反转，与黑土和杜蒙土持平，均为25 d，较甘南土延后2 d。灌浆到成熟阶段，各土质生育时间几乎相同，草甸土提前1 d。

图1 各土质玉米生育进程

2.2 不同土质对玉米株高和叶面积的影响

不同土质对株高和叶面积指数(LAI)均有显著影响，由图2(a)看出，各处理生育期内株高的增长均呈现增长----快速增长----基本稳定的趋势。其中，黑土处理的玉米株高明显高于其他土质的株高，其株高变化表现为黑土>杜蒙土>甘南土>草甸土。苗期，草甸土处理的株高与其他处理株高差异显著，其增长速度最快。拔节期，不同土质玉米株高增长速率最快，草甸土处理增长速度减慢且明显慢于其他土质，黑土的玉米株高窜升最快。灌浆及后期，各处理株高基本保持稳定。由图2(b)可以看出，不同土质玉米叶面积指数增长速率大体一致。生育前期和中期，LAI均随时间推移而增大且在抽穗期达到最大值，这是由于这一阶段玉米有效绿叶面积较大。苗期，LAI大小表现为甘南土>草甸土>杜蒙土>黑土。甘南土处理的LAI于拔节初期达到最大。拔节期及抽穗期，甘南土处理的叶面积指数逐渐开始上涨，此后几乎与草甸土持平，叶面积指数最小的为杜蒙土处理。

图2 不同土质玉米株高及LAI变化

2.3 不同土质对玉米N含量及SPAD的影响

试验于7月21日利用植物养分速测仪测定了4种处理玉米叶片的氮元素含量和相对叶绿素含量的日变化过程，如图3所示。由图3可知，不同处理氮素含量和叶绿素含量的日变化趋势基本一致，呈单峰曲线。二者均呈现先增加后降低的变化趋势并在12∶00达到峰值，早晨其值均较低，12∶00左右日照强烈，叶片光合作用旺盛，SPAD达最大值，下午随着温度降低、日照时数减少，光合及蒸腾作用降低[4]，逐渐回落至较低水平。草甸土处理的叶片氮素含量和叶绿素含量均较其他土质大，达到峰值时，N含量值为7.5 mg/g，较其他3种土质处理下的N含量值6.0 mg/g增加了约25.0%；SPAD值为115，较其他3种土质处理下的SPAD值90增加了约27.8%。杜蒙土、甘南土和黑土处理下的氮素含量和相对叶绿素含量变化范围基本一致，无显著差异。

图3 不同处理N及SPAD值变化

2.4 玉米生育期降雨量、耗水量与水分利用效率

2014年玉米全生育期内哈尔滨地区降雨总量为220.8 mm，共计降雨次数34次，降雨主要集中在5-7月，占降雨总量的82%。这一时期呈现出昼夜温差大，雨热同季等利于作物生长的特点。几次较大的降雨分别出现在玉米的播种期(5月3日)、苗期(6月8日)、拔节期(6月27日)和灌浆期(8月27日)，成熟期未发生有效降雨(见图4)。65%的降雨量来源于大于10 mm的降雨。微量及无效降雨次数占73%，主要集中在5、6月。

图4 2014年试验基地降雨分布(5-8月)

图5所示为不同土质的耗水量及水分利用效率的变化，可以看出，相同条件下，耗水量大小表现为黑土>甘南土>草甸土>杜蒙土，杜蒙土、草甸土、甘南土的耗水量较黑土依次降低了29.6%、24.9%、4.2%；水分利用效率的影响程度表现为杜蒙土>黑土>甘南土>草甸土，草甸土的水分利用效率较杜蒙土、黑土、甘南土分别降低了42.1%、28.3%、13.8%。其中，杜蒙土的耗水量和WUE出现了最大反差，水分利用效率最大而耗水量最低，说明杜蒙土的水分利用最充分，甘南土的耗水量和WUE出现次大反差。

图5 耗水量与水分利用效率关系

表2是玉米生育期蒸腾蒸发量指标，可见，4种处理下，玉米耗水规律基本一致：抽穗期耗水量最大，其次为灌浆期，苗期耗水量最小；抽穗期耗水强度最大，拔节期耗水强度大幅提升，超越了灌浆期耗水强度，强度最小的是苗期。4种不同土质处理比较，苗期耗水强度最小的是杜蒙土处理，说明在以棵间土壤蒸发为主的苗期，杜蒙土的保墒效果更好。拔节期和抽穗期各处理的耗水强度相差不大。灌浆期，杜蒙土处理的耗水强度仍然最低，而甘南土处理达到了最大的耗水强度。综上所述，杜蒙土处理，玉米始终保持着相对最少的耗水量和最低的耗水强度。

表2 各处理不同生育期耗水量及耗水强度

2.5 不同土质玉米产量及其构成因素的影响

从表3可以看出，不同土质对玉米穗长和穗粗影响均不显著，且各处理间差异不显著；但对玉米秃尖、穗粒重和百粒质量影响显著，且影响极显著。其中，秃尖变化范围最大为0～0.93 cm，杜蒙土处理几乎无秃尖，黑土处理秃尖最长。穗粒重各不同土质间差异极显著，黑土穗粒最重，杜蒙土穗重最轻，表现为黑土>甘南土>杜蒙土。百粒重与穗粒重表现出一致的变化趋势，变化范围21.93～32.25 g。

表3 各处理产量构成因素

注：表3中数据后带有不同小写字母表示在0.05水平差异显著，大写字母表示在0.01水平差异显著。

从表3可以看出，不同土质玉米产量差异显著，甘南土与黑土差异不显著，变化表现为黑土>甘南土>杜蒙土>草甸土，黑土比草甸土提高60.5%，比杜蒙土提高了33.7%，比甘南土提高了19.7%，与穗粒重、百粒重均呈现出正相关的关系。可见，相同灌溉模式下，黑土的物理化学性状更有利于玉米增产。

3 结 语

(1)从生育进程来看，草甸土较其他土质有显著差异，其全生育期及各生育期持续时间最短，黑土最长。

(2)黑土处理的玉米株高明显高于其他土质的株高，草甸土株高最小。LAI表现为甘南土最大，草甸土略小，杜蒙土最小；叶片SPAD值和N素含量均表现为草甸土相对最大，说明草甸土处理较其他土质玉米的光合速率和蒸腾速率及根系活力更加旺盛。

(3)全生育期内，不同土质玉米的耗水规律基本一致，杜蒙土的耗水量及耗水强度最低，而WUE最大。

(4)不同土质玉米的经济性状、产量均表现为黑土>甘南土>杜蒙土>草甸土。其中，产量上，黑土最大，甘南土较黑土差异不显著，草甸土最小。水分利用效率则表现为杜蒙土最大，黑土次之，草甸土最小。

[1] 王 静，杨晓光，吕 硕．黑龙江省春玉米产量潜力及产量差的时空分布特征[J]．中国农业科学，2012,45(10)：1 914-1 925．

[2] 朱士江，孙爱华，张忠学，等.节水灌溉条件下水稻生长季降雨利用率的试验研究[J].灌溉排水学报，2013,32(5)：11-13.

[3] 石斯佳，李芳花，郑文生.玉米不同覆膜方式对土壤水分和产量的影响[J].灌溉排水学报.2013，32(4):88-91．

[4] Wang Jian,Cai Huanjie,Kang Yanxia,et al.Ratio of soil evaporation to the evapotranspiration for summer maize field[J].Transactions of the CASE,2007,23(4):17-22.