地下水浅埋条件下夏玉米渍害指标及蒸腾耗水规律试验研究

胡 军，梅海鹏，赵家祥，王向阳，张乃丰，董国强

（1.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，合肥230031；2.水资源安徽省重点实验室，安徽蚌埠233000；3.安徽农业大学工学院，合肥230036）

0 引言

受全球气候变暖影响，近年来极端气候加剧，洪涝灾害频发[1,2]。1998-2017年，洪涝灾害占我国自然灾害发生比例三成以上，我国6.46%以上的播种面积受到洪涝灾害影响[3,4]。在短时强降水或连续降水条件下，当农田内涝水不能及时排出或者地下水位不能迅速降低，地下水位长时间处于高水平，作物长期在无氧条件下进行呼吸，加上厌氧型微生物的共同作用，有毒物质（乙醇、甲烷等）在作物根系附近累积，作物会因中毒减产而形成渍害[5]。而玉米作为我国主要的粮食作物，易受涝渍灾害影响造成减产[6,7]。

为量化渍害指标，制定排水标准，20世纪60年代国外学者Sieben、Hiler[8]分别提出了基于作物生育期内地下水埋深小于30 cm 累计值的抑制天数因子SEW30（Sum of Excess soil Water）和考虑作物不同生育期受渍敏感性的抑制天数指标SDI（Stress Day Index）作为排渍指标。之后国内许多学者基于SEW和SDI对多种作物的排渍指标进行了研究，并建立了相应的排水标准。邵光成[9]等根据小麦根系分布情况，以地下水埋深小于50 cm 的累计值SEW50作为受渍指标，分析冬小麦相对产量与SEW50关系，认为选择合理的地下水埋深基准值对建立产量与抑制天数关系模型具有重要作用；杨京平[10]等通过研究玉米不同生育期渍水对产量的影响，得出SEW和SDI与相对产量之间存在显著负相关关系，可用来作为受渍程度指标；王矿等[11]通过测坑原位受淹法研究夏玉米的水分产量关系，得出涝渍排水指标SDI50相比于SDI30、SDI80与玉米相对产量间具有更好的线性关系。前人对作物受渍的研究多集中在作物单一生育期受渍情况下的渍害指标与产量之间的关系，对作物多生育期连续受渍少有研究，对作物受渍胁迫情况下的耗水规律更是少有探讨。本文通过研究夏玉米全生育期连续受渍下渍害指标与相对产量的关系，并分析受渍胁迫下夏玉米生育期耗水规律，以期解析夏玉米全生育期受渍的渍害指标，揭示受渍胁迫对夏玉米耗水规律的影响，为地下水浅埋区的田间水分管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年10月-2021年9月在位于淮河流域中游、淮北平原区南部的安徽省（淮委）水利科学研究院五道沟水文水资源实验站（东经117°20′、北纬33°09′）地中蒸渗仪试验场内进行。该区域属于暖温带半湿润气候区，试验期间年均降水985.0 mm，年均蒸发914.2 mm，年均日照时数1 658.3 h/a，平均日气温16.3 ℃，当地主要种植作物为玉米、小麦。

1.2 试验材料

试验利用地中蒸渗仪装置控制测筒内地下水埋深，地中蒸渗仪结构如图1所示。试验测筒为有底测筒，面积为0.3 和0.5 m2，测筒最深1.4 m，底部滤层厚0.3 m，滤层由不同规格砂石组合而成，滤层底部设有连通管连接控制室内平衡器及马氏瓶，可对测筒内地下水埋深进行控制。测筒内为原状砂姜黑土，可种植试验作物。砂姜黑土质地黏重，0～30 cm 土层容重为1.36 g/cm3，田间持水率为28.3%，吸湿系数7.4%。

图1 地中蒸渗仪结构图Fig.1 Structure diagram of evaporation infiltration instrument

供试夏玉米品种为“登海”系列，种植方式为点播，平均种植密度为8 株/m2，种植前每个测筒内施氮磷钾玉米专用肥（750 kg/hm2）、尿素（450 kg/hm2）。测筒周围大田种植同种玉米，各种植玉米测筒内除地下水埋深不同外，其他管理方式均与大田相同。根据试验期间玉米生长记录，将夏玉米生育期划分为4个阶段，见表1。

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

1.3 试验处理

根据相关研究[12-14]，计算作物渍害指标的地下水埋深基值准常选取0.3、0.5、0.7 m，因此本研究通过将地下水埋深分别控制在0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 m 5 个梯度，来确定地下水浅埋条件下夏玉米受渍时地下水埋深阈值以及探究基于不同地下水基准值的渍害指标，作为反映夏玉米渍害程度的适用性。试验共设置5个处理，其中每个处理分为种植玉米测筒和同期无作物测筒，其它条件相同，用于分析在不同渍害条件下作物近似蒸腾量（有、无作物测筒潜水蒸发差值）差异性，各处理设计如表2所示。试验共进行6 个年度（2016-2021年），同一处理下夏玉米整个生育期内地下水埋深始终保持不变，因试验条件限制，0.4 m 埋深下仅有面积为0.3 m2测筒用于试验，其余处理均有面积为0.3、0.5 m2两种规格测筒用于作为同一年内的2次重复。作物收获后进行考种，以测筒内玉米平均单株产量作为产量指标。

表2 2016-2021年夏玉米受渍试验处理设计Tab.2 Treatment design of summer corn waterlogging test from 2016 to 2021

1.4 分析方法

1.4.1 渍水抑制天数因子SEWx

以作物生育期内，地下水埋深小于某个深度x的累计值SEWx作为受渍抑制天数因子，本文根据控制的地下水埋深为0.2、0.4、0.6 m 的3 种处理来探究30、50、70 cm 3 种基准值下，相应的SEW30、SEW50、SEW70与作物产量之间的关系。

式中：SEWx为夏玉米生长阶段地下水埋深小于基准深度x的累计值；i为作物生育阶段；n为生育期总数；hi为作物在第i个生育阶段的地下水埋深。

1.4.2 渍水抑制天数指标SDIx

作物不同生长阶段对渍害敏感程度不同，相同的渍水抑制天数在作物不同的生育阶段，对作物造成的影响不同，在排水控制指标中考虑作物不同生长阶段的受渍敏感因子得到抑制天数指标SDIx。

式中：i、n、SEWx同上，NCSi为消除外界环境，如作物品种、土壤类型、气候等对作物产量造成影响的概化敏感因子[15]。可由下式得到。

式中：Ym为作物生育期未到渍水抑制情况下的产量；Yi为作物生育期中，仅在i阶段受渍情况下的产量，其余参数同上。

本试验中玉米全生育期地下水埋深不变因此无法得到Yi，具体参数利用本地区开展的玉米涝渍胁迫下水分产量关系试验研究中得到的概化敏感因子结果作为计算依据，具体结果为：苗期0.445、拔节期0.302、抽雄吐丝期0.189、成熟期0.065。

2 试验结果及分析

2.1 夏玉米受渍地下水埋深阈值

为统一不同面积测筒内玉米产量，以测筒内平均单株产量作为产量指标来观测各年度不同处理下玉米产量变化情况，通过对各年度不同处理下玉米产量进行方差分析，并利用字母标记法[16]对各处理间的显著性差异性进行标记。2016-2019年度各处理下玉米产量差异不显著（P>0.05），2020和2021年T1 处理下玉米产量与T3、T4、T5 处理下玉米产量有显著差异（P<0.05），如图2所示。在试验期内有4个年度T3处理下玉米产量均最高，与相关研究结果[17,18]类似，随着地下水埋深的增加，玉米产量总体表现为先增高后降低的趋势，当地下水埋深小于0.4 m 时，土壤通气率不足，玉米根系无法正常呼吸，因受到渍害导致减产；当地下水埋深大于0.8 m 时，玉米根系因不能正常获取水分而减产。

图2 2016-2021年度不同地下水埋深下玉米单株产量Fig.2 Corn yield per plant under different groundwater depths from 2016 to 2021

在2017 和2021年度分别为T1、T2 处理下玉米产量最高，但是各处理下的玉米产量变化规律不明显，研究表明[19-21]水热耦合对玉米产量有显著影响，由图3 可知2017 和2021年玉米生育期内最高温度高于30 ℃阈值的天数均为75 d、高于32 ℃阈值的天数分别为53 d 和52 d，明显多于其它年度。结合图2～图3 分析，降水量及高温天气较少的2016、2019年，玉米产量处于较高水平，水热耦合胁迫对本试验造成了一定影响。因此在不考虑2017 和2021年度高温气候影响情况时，地下水埋深在0.6 m左右时应为玉米生长适宜地下水埋深。

图3 试验期间降水量及高温天气情况Fig.3 Precipitation and high temperature weather during the test period

根据上文分析结果，在不考虑极端高温带来的水热耦合对玉米产量影响情况下，以地下水埋深0.6 m 作为玉米受渍阈值，研究玉米受渍情况下产量变化规律。由表3可知，地下水埋深在0.2、0.4 m 时，均导致玉米不同程度减产，除2020年T1处理导致玉米减产率最高，达74.57%外，其余年份均为T2处理下造成玉米减产率最高，这与一些研究中认为[17,18]的玉米产量随着渍水严重而降低的结果不一致。经分析，该试验测筒内原状土取于1988年，并始终控制地下水浅埋状态，表层土壤盐分长期累积形成盐渍化[22]，相比于地下水埋深0.4 m，在埋深0.2 m 情况下地下水能够一定程度稀释土壤盐分，降低土壤盐溶液对根系的影响[23]。因此在渍水胁迫和土壤盐离子胁迫交互作用下，造成二者产量规律差异。

表3 受渍处理下玉米产量情况Tab.3 Corn yield under waterlogging treatment

2.2 不同渍水处理下的渍害指标及差异性

分别计算不同地下水埋深下基于不同基准值的受渍抑制天数因子SEW30、SEW50、SEW70及相应的渍水抑制天数指标SDI30、SDI50、SDI70。由于本试验未设置单一生育期作物受渍试验，因而参照王矿等[11]在位于距本试验区直线距离1.9 km的新马桥灌溉试验中心站进行的玉米涝渍胁迫试验所得出的夏玉米概化敏感因子NCSi计算渍水抑制天数指标SDI。根据计算结果，分别分析相对产量与渍水抑制天数因子、渍水抑制天数指标间的相关关系，关系式见表4，关系图如图4所示。

图4 相对产量与受渍抑制天数因子、受渍抑制指标相关关系Fig.4 Correlation between relative yield and waterlogging inhibition days factor and waterlogging inhibition index

表4 受渍处理下玉米产量情况Tab.4 Corn yield under waterlogging treatment

由公式（4）、（7）（10）及公式（11）、（14）（17）可知，T1 处理下基于30、50 和70 cm 基准值建立的相应受渍抑制天数因子或受渍抑制指标与相对产量之间线性关系相同，且解释程度较高，R2分别为0.912、0.674。T2 以及T1、T2 处理下的相对产量与基于50 和70 cm 基准值建立的相应受渍抑制天数因子或受渍抑制之间线性关系不显著，表明研究区地下水埋深大于30 cm时玉米受渍不明显。相比于受渍抑制指标SDI，受渍抑制天数因子SEW与相对产量间的线性拟合优度更高（R2=0.912），表明相比于单一生育期受渍，在全生育期受渍情况下玉米生理特性可能发生变化，玉米连续受渍会对后面生育期的渍害胁迫敏感性产生影响。

2.3 不同渍水处理夏玉米耗水规律

由于夏玉米生长影响棵间蒸发[24]，以各处理中有、无作物测筒的潜水蒸发差值作为夏玉米近似蒸腾量表征耗水量，为减小不同年度测筒内玉米株数差异影响，以单株近似蒸腾量进行分析。不同年度夏玉米生育期内单株耗水量和降水量以及减产率关系如图5所示。各夏玉米耗水量变化趋势与降水趋势相反，并且在降水较多的2018和2020年T2、T3 处理玉米耗水量相似，在降水较少的2019年T1、T3 处理玉米耗水量相似，总体上的耗水率规律为T2>T3>T1，可能由于T2 相比于T3 地下水埋深浅，影响土壤含水量[25]，土壤水更容易得到补充，这在一定程度上与秦海霞[26]等认为的耗水量与灌水量呈协同增加一致。而T1 处理在各年度耗水量均处于较低水平说明受渍情况下玉米根系受到水分胁迫、盐渍胁迫，对玉米水分利用产生影响[27]。

图5 夏玉米生育期影响耗水量与降水量及减产率关系Fig.5 Relationship diagram between water consumption and precipitation and yield reduction of summer corn

以2018年为夏玉米生育期丰水，2019年为生育期少水，分析夏玉米各生育期的生长影响耗水量。由图6（a）可知，T2、T3 处理在2018年内各生育期耗水规律相似，成熟期耗水量最高；在苗期～抽雄期T2、T3 处理耗水水平相近，在成熟期T3 的耗水量要高于T2；T1 处理在苗期的耗水量为负值，表明在苗期受渍严重情况下耗水量水平低，并且影响土壤蒸散，从拔节期开始恢复一定的水分利用能力，在成熟期和T2处理趋于一致，但始终低于T3 水平。由图6 （b）可知，2019年T2、T3 处理仍然表现为成熟期耗水量最高，从抽雄期拔节期后T2 耗水量要高于T1。T1 处理在苗期耗水量仍为负值，从拔节期～成熟期耗水水平变化不大，可能是由于虽然地下水埋深为0.2 m 的浅埋条件能够提供给玉米所需正常水分，但是由于受到渍害及盐渍胁迫，水分利用能力有限。由2018-2019年夏玉米各生育期耗水量规律可知，各处理下苗期耗水水平均较低，并且有耗水量为负情况出现，与夏玉米苗期腾发量小[28]、风速等气象因素对裸土蒸发影响较大[29]有关。不同处理间耗水量差异主要表现在苗期和成熟期。

图6 不同降水条件下作物各生育期耗水规律Fig.6 Water consumption law of corn at different growth stages under different precipitation conditions

从2018、2019年夏玉米各生育期耗水规律来看，各处理夏玉米耗水规律总体表现为成熟期>抽雄期≈拔节期>苗期，与类似研究[30,31]得到的夏玉米耗水规律并不一致，主要表现为本研究中成熟期耗水量较高，这是因为本文利用有、无作物测筒的潜水蒸发差值作为作物近似蒸腾量来表征耗水规律，一定程度上剔除了土壤蒸发影响，在拔节期、抽雄期的七八月份温度较高，土壤蒸散大导致作物蒸散量变大。由图6 可知2018年生育期丰水相比于2019年生育期少水各处理的耗水量更低，T2 处理变化尤为明显，表明渍水胁迫下一定程度影响了夏玉米耗水特征，较多的降水导致渍害加重，抑制作物水分利用。

3 结论

（1）地下水埋深0.6 m 较适宜夏玉米生长，地下水埋深减小会导致玉米受渍减产；地下水埋深0.2 m 时相对产量与渍害指标SEW、SDI相关性较好，R2分别为0.912 和0.674，地下水埋深在0.4 m 时夏玉米相对产量与渍害指标SEW、SDI线性相关性不明显。

（2）地下水浅埋下夏玉米全生育期耗水量变化趋势与降水趋势呈负相关，与减产率变化趋势呈负相关；生育期降水多会使夏玉米耗水量受到抑制，降水少会促进夏玉米耗水；不同地下水埋深下夏玉米耗水量顺序为：埋深0.4 m>0.6 m>0.2 m，耗水量差异体主要表现在抽雄期和成熟期的耗水量差异。

（3）当降水条件改变时，地下浅埋下的夏玉米耗水规律变化较大，渍水胁迫在一定程度影响了夏玉米耗水特征，根据降水情况合理的控制地下水埋深对夏玉米增产具有重要意义。