不同播种灌溉方式对夏玉米出苗、干物质积累及转运和产量的影响

杨明达，张素瑜，李 帅，郑东方，杨慎骄，关小康，王同朝

（1.商丘市农林科学院，河南 商丘 476000；2.河南农业大学农学院∕河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450046；3.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453003）

农业用水是我国经济社会用水的主要耗水源，其用量占经济用水量的60%以上[1]，而农业灌溉用水量占农业用水量的90%左右[2]。因此，要实现农业的可持续发展，发展并推广节水灌溉技术以降低灌溉用水量是必由之路，也是唯一出路。

随着广大学者对农业节水灌溉技术的持续探索及推广应用，生产中应用的节水灌溉方式已由传统的畦灌、沟灌逐步向喷灌、滴灌等先进的灌溉技术转变[3-6]。滴灌（地表滴灌和地下滴灌）一方面能有效降低土面蒸发、消除地表径流，有利于减少灌溉量；另一方面，少量多灌的灌溉方式能够降低土壤水分波动，维持良好的土壤水分环境，对作物生长有利，其更大的节水增产潜力已被广泛证实[7-10]。然而，在地下滴灌条件下，其特殊的供水位置（滴灌带埋设在距地表一定深度）使土壤水分上移有限，很难到达种床层，影响出苗质量，进而对作物后期生长及产量的形成不利[11-12]。滴灌带浅埋能够提高种子出苗率、产量及水分利用效率[13]，但浅埋的滴灌带对土壤耕作不利。一些研究发现，适当增加播种深度可以使种床层与地下滴灌供水充分接触，对种子出苗有利[11-12，14-15]。一般情况下，增加播种深度会导致地温上升较慢，延长种子出苗时间[14]。与地面灌溉相比，地下滴灌深播造成出苗的延迟是否会影响植株生长及最终产量的形成？并且，地下滴灌的供水优势能否弥补因深播造成出苗延迟而对植株产生的负面影响，前人对此研究较少[14-15]。杨庭瑞等[15]在地下滴灌条件下，比较了不同播种深度小麦的出苗及生长状况，并与地表滴灌进行了对比分析，但由于他们设置的播种深度过深（20 cm），造成缺苗断垄现象，因此，未对最终产量进行评价。关小康等[14]对地下滴灌播种深度的研究，仅对玉米苗期生长状况进行了分析，并且也没有与地面灌溉进行比较，因此，未能评判出地下滴灌深播是否较其他灌溉方式有优势。

夏玉米是华北平原主要的粮食作物之一，其产量占全国的35%[16]。地下滴灌较大的节水增产潜力使其正广泛应用于夏玉米生产[3，11]。但是华北平原5、6月份降雨偏少，造成土壤墒情较差，不利于玉米出苗[17]。为了保证地下滴灌夏玉米出苗质量，在不增加额外投入的情况下（播种后采用地面灌溉或增加滴灌量来保证出苗），适当深播不失为一种经济有效的办法。前人的研究多集中在地下滴灌深播对作物出苗质量及苗期生长等的影响方面[14-15]，缺少对作物整个生长季（作物生长、产量、水分利用效率等）的系统评价，并且也缺乏与常规播种灌溉方式间的横向对比。为此，以夏玉米为试验材料，研究地下滴灌深播对夏玉米出苗、干物质积累量及产量的影响，并与地面灌溉常规播种及地表滴灌常规播种进行对比分析，评估不同播种灌溉方式的优劣，以期为华北平原夏玉米大田生产选用适宜的播种灌溉方式提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2018—2019 年在河南农业大学教科园区（113°38'3''E、34°47'51''N）大田内进行。试验地0～140 cm 土层平均田间持水量和土壤容重分别为0.307 cm3∕cm3和1.35 g∕cm3，耕层（0～30 cm）有机质含量为1.05 g∕kg，全氮含量为7.50 g∕kg，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为69.80、75.90、208.95 mg∕kg。夏玉米生长季的气象数据如图1所示。

图1 夏玉米生长季的气温和降水量Fig.1 The temperature and precipitation during the growth season of summer maize

1.2 试验设计

2018 年试验设置2 个处理，地下滴灌深播（SDI）处理：播种深度为7～9 cm，播种后地下滴灌40 mm；地面灌溉常规播种（CK）处理：播种深度约为3 cm，播种后使用小白龙水管灌溉40 mm。每个处理4次重复。小区面积为3 m×4 m=12 m2，小区之间间距1.0 m。采用水表控制灌溉量。SDI 处理采用以色列Netafirm 公司生产的滴灌带，毛管内径为15.9 mm，滴孔直径为0.31 mm，滴头距离为0.3 m，滴头流量为1.38 L∕h，滴灌带间距为60 cm（每行玉米一条滴灌带），滴灌带埋深为30 cm。2018年夏玉米生育期间降雨较多，因此，各处理在播种后未再进行灌溉。2019 年，在2018 年试验基础上增添了地表滴灌常规播种（DI）处理：播种深度与CK 一致，滴灌带参数与SDI 处理一致，每行玉米铺设一条滴灌带，播种后地表滴灌40 mm。2019年，CK在7月6日和8 月16 日分别灌溉70 mm 和60 mm，DI 和SDI 处理分别在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年夏玉米生育期间有效降雨量分别为338.7 mm和279.8 mm。

供试夏玉米品种为郑单958。分别于2018 年6月20 日和2019 年6 月15 日人工点播，密度为75 000 穴∕hm2。为了测定不同处理夏玉米的出苗率，各试验小区每穴播种2 粒，在三叶期进行定苗。适时控制杂草和病虫害。分别于2018 年9 月30 日和2019年10月10日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量 在2019 年夏玉米播种前和灌溉后24 h用烘干法分层测定0～100 cm 土层（划分为7 层：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。并在拔节后期（2019 年7 月20 日）、灌浆初期（2019 年8 月30 日）、降雨后及收获后用烘干法测定0～140 cm土层的土壤含水量，测量深度间隔为20 cm。

1.3.2 出苗率和出苗时间 参考关小康等[14]的方法测定夏玉米的出苗率和出苗时间。

1.3.3 株高和株高变异系数 夏玉米出苗后20 d，每个小区选取连续10 株夏玉米，使用卷尺测量株高，计算株高变异系数。

1.3.4 叶面积及叶面积指数 分别于苗期（播种后20 d）、拔节后期（2019 年7 月20 日）、大喇叭口期（2019年8月10日）、开花期（2019年8月20日）和灌浆期（2019 年9 月15 日），每个小区随机选取1 株夏玉米带回实验室测定叶长和叶宽（由于小区中间2行测产，因此取样为次边行），计算叶面积指数（苗期计算植株叶面积）。

1.3.5 干物质积累及转运 分别于苗期（播种后20 d）、拔节后期（2019 年7 月20 日）、大喇叭口期（2019 年8 月10 日）、开花期（2019 年8 月20 日）、灌浆期（2019 年9 月15 日）和成熟期（2019 年10 月10日），每个小区随机选取1 株夏玉米（与测叶面积的植株为同一株），105 ℃杀青0.5 h，然后80 ℃烘干至恒质量，称干质量。其中，开花期和成熟期的取样植株按茎、叶、苞叶、穗轴和籽粒分开。计算花前干物质转运量、花后干物质积累量、花前干物质转运量对籽粒的贡献率、花后干物质积累量对籽粒的贡献率[3]。

花前干物质转运量=开花期植株营养器官干质量-成熟期植株营养器官干质量；

花后干物质积累量=成熟期植株干质量-开花期植株干质量；

花前干物质转运量对籽粒的贡献率=花前干物质转运量∕成熟期籽粒干质量×100%；

花后干物质积累量对籽粒的贡献率=花后干物质积累量∕成熟期籽粒干质量×100%。

1.3.6 测产和考种 在成熟期，将小区中间2 行全部收获，首先在收获的果穗中随机选取10穗测定穗粒数；然后将全部果穗脱粒记产，并折算产量（折算的籽粒含水量为14%）；最后在脱粒的籽粒中随机选取籽粒测定百粒质量。

1.3.7 蒸散量和水分利用效率 夏玉米的蒸散量由农田水分平衡方程计算，公式如下。

式中，ET为作物蒸散量（mm）；P为整个生长季有效降水量（mm）；I为整个生长季灌溉总量（mm）；G为整个生长季地下水补给量；R为整个生长季地表径流量（mm）；D为整个生长季地下渗漏量（mm），计算公式为D=θi-FC，其中，θi为第i阶段根区（100～140 cm）的土壤含水量，FC为田间持水量，当θi＜FC时，D为0[6]；ΔW为播种至收获土壤剖面贮水量的变化量（0～140 cm）。试验地平坦，地下水位较深，且夏玉米生育期间没有发生单次较大降雨量，因此，R和G为0。

水分利用效率通过以下公式计算。

式中，WUE为水分利用效率，Y为籽粒产量。

1.4 数据分析

使用Excel 2010 统计数据，并用SigmaPlot 14.0绘图。采用SPSS 22.0 软件进行方差分析，采用LSD法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同播种灌溉方式对夏玉米土壤含水量的影响

2.1.1 播种前和灌溉后土壤含水量 由图2可以看出，播种前各处理0～5、5～10、10～20 cm 土层的土壤含水量均较低，分别为田间持水量的11.15%～18.89%、35.48%～44.54%、41.46%～53.17%。 灌溉后，CK 和DI 处理0～20 cm 土层的土壤含水量显著增加，达到了田间持水量的81.46%～89.34%；SDI 处理0～5、5～10、10～20 cm土层的土壤含水量增幅也较大，分别达到田间持水量的46.83%、68.69%、75.35%。另外，从灌溉后不同处理土壤水分再分布来看，CK和DI处理主要的湿润土体为60 cm以上土层，上层的土壤含水量更高；SDI处理土壤水分可以下渗到距地表80 cm 处，并且中层土壤（20～60 cm）含水量较高。可见，SDI 条件下，播种后灌溉40 mm，土壤水分可以到达种床层（播深为7～9 cm），能够保证种子萌发。

图2 不同播种灌溉方式下播种前和灌溉后不同土层土壤含水量变化（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 夏玉米不同生育时期土壤含水量 由图3可以看出，不同播种灌溉方式对夏玉米拔节后期和灌浆初期土壤含水量的影响存在明显差异。在拔节后期，对于0～20、20～40 cm土层，各处理土壤含水量表现为DI＞CK＞SDI。对于40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm 土层，各处理土壤含水量表现为SDI＞DI＞CK，SDI处理60～80、80～100、100～120 cm土层土壤含水量分别较CK 和DI 处理增加13.80%、21.22%、12.64%和8.25%、20.87%、11.22%。到了灌浆初期，各处理不同土层土壤含水量的变化趋势与拔节后期相似。与CK 相比，SDI 处理提高了除0～20 cm 土层外其他土层的土壤含水量；DI 处理提高了0～140 cm 土层土壤含水量。与DI 处理相比，SDI处理降低0～20 和20～40 cm 土层的土壤含水量，但提高40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm土层的土壤含水量。可见，与CK 相比，SDI 处理虽然降低了表层土壤含水量，但能提高中下层（40～120 cm）土壤含水量；DI 处理能够提高拔节后期中上层土壤（0～80 cm）和灌浆初期土壤含水量。

图3 不同播种灌溉方式对夏玉米拔节后期（a）和灌浆初期（b）土壤含水量的影响（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 不同播种灌溉方式对夏玉米苗期生长的影响

2.2.1 出苗率及出苗时间 夏玉米的出苗率以DI处理最高，CK 次之，SDI 处理最低，但不同处理间出苗率的差异均未达到显著水平，且各处理的出苗率均＞90%（表1）。夏玉米的出苗时间以SDI 处理最长，比CK 和DI 处理延长1.0 d，CK 和DI 处理间出苗时间的差异不显著。可见，SDI 处理虽然由于深播延长了出苗时间，但并未显著影响夏玉米的出苗率。

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

2.2.2 苗期形态特征 由表2 可以看出，不同处理间夏玉米株高及其变异系数无显著差异；SDI 处理夏玉米叶面积分别较DI 和CK 处理显著降低12.58%和6.29%～21.20%；干质量以SDI 处理最低，分别较DI 和CK 处理显著降低15.13%和9.76%～13.13%。可见，SDI 处理显著降低苗期夏玉米单株的叶面积及干质量，但未对夏玉米株高及株高变异系数产生显著影响。

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

2.3 不同播种灌溉方式对夏玉米叶面积指数的影响

由图4 可知，不同播种灌溉方式对夏玉米各生育时期叶面积指数有显著影响。在拔节后期，DI处理叶面积指数最高，显著高于SDI 处理，CK 与DI、SDI处理间的差异均未达到显著水平。在大喇叭口期，夏玉米的叶面积指数仍以DI 处理最高，但各处理间的差异未达到显著水平。开花期和灌浆期，不同处理夏玉米的叶面积指数表现为SDI＞DI＞CK。与CK 相比，SDI处理开花期和灌浆期叶面积指数分别显著提高19.57%和17.58%；DI 处理开花期叶面积指数显著增加14.78%。SDI 与DI 处理间开花期和灌浆期叶面积指数的差异均未达到显著水平。可见，SDI处理虽然降低了生育前期的叶面积指数，但提高了生育后期（开花期和灌浆期）的叶面积指数。

图4 不同播种灌溉方式对夏玉米叶面积指数的影响（2019）Fig.4 Effects of different sowing and irrigation methods on leaf area index of summer maize in 2019

2.4 不同播种灌溉方式对夏玉米地上部干物质积累及转运的影响

2.4.1 地上部干物质积累量 由图5 可以看出，不同播种灌溉方式显著影响夏玉米各生育时期的地上部干物质积累量。在拔节后期，SDI 处理的地上部干物质积累量最低，分别比DI 和CK 处理显著降低27.36%和21.09%，DI 处理与CK 间的差异不显著。大喇叭口期，夏玉米地上部干物质积累量仍以DI 处理最高，但各处理间的差异未达到显著水平。开花期和灌浆期，夏玉米地上部干物质积累量以SDI 处理最高，显著高于CK，但与DI 处理间的差异不显著。成熟期，夏玉米地上部干物质积累量仍以SDI 处理最高，CK 最低，SDI 和DI 处理地上部干物质积累量分别比CK 显著增加8.51%和6.18%。可见，与CK 相比，SDI 和DI 处理均有利于花后干物质的积累，SDI处理表现最优。

图5 不同播种灌溉方式对夏玉米地上部干物质积累量的影响（2019）Fig.5 Effects of different sowing and irrigation methods on aboveground dry matter accumulation of summer maize in 2019

2.4.2 地上部干物质转运量及对籽粒的贡献率

由表3 可以看出，SDI 和DI 处理夏玉米花前干物质转运量及其对籽粒的贡献率均较CK 提高。其中，SDI处理花前干物质转运量显著提高83.53%；DI与CK、SDI 处理间花前干物质转运量及其对籽粒的贡献率的差异均未达到显著水平。花后干物质积累量以SDI 处理最高，但各处理间的差异不显著。CK 的花后干物质积累量对籽粒的贡献率最高，显著高于SDI 处理，但与DI 处理间的差异不显著。综上，与CK 相比，SDI 处理有利于促进花前干物质的转运，并能维持较高的花后干物质积累量，为夏玉米高产奠定基础。

表3 不同播种灌溉方式下夏玉米地上部干物质转运量及对籽粒的贡献率（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 不同播种灌溉方式对夏玉米产量及水分利用效率的影响

不同播种灌溉方式对夏玉米产量及水分利用效率的影响如表4 所示。在2018 年夏玉米生长季，由于降雨较多，因此，各处理未进行灌溉。SDI处理的穗粒数、百粒质量和产量均低于CK，但处理间的差异未达到显著水平。SDI 处理与CK 间蒸散量和水分利用效率的差异也未达到显著水平。说明在生育期间降雨量较多的情况下，地下滴灌深播造成出苗的延迟及苗期形态指标（叶面积和干质量）的降低并未对夏玉米产量的形成及水分利用效率产生显著影响。可见，在生育期间未灌溉情况下，与CK 相比，SDI 处理并未显著影响夏玉米的产量及水分利用效率。

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

2019 年夏玉米生育期间进行了灌溉，不同播种灌溉方式对夏玉米产量及水分利用效率影响显著。与CK 相比，SDI 和DI 处理夏玉米的穗粒数、产量分别提高12.27%、11.22%和8.61%、6.38%。SDI 处理较DI处理提高了夏玉米的穗粒数，最终其产量显著提高4.55%。不同播种灌溉方式未显著影响夏玉米的蒸散量，SDI和DI处理的水分利用效率分别较CK显著提高11.41%和9.94%。综上，在夏玉米生育期间灌溉情况下，SDI 和DI 处理均有利于夏玉米产量和水分利用效率的提高，其中SDI处理表现最好。

3 结论与讨论

3.1 不同播种灌溉方式对夏玉米出苗及苗期生长的影响

出苗质量对作物的高产起着关键作用[18]。出苗率、出苗整齐度是衡量出苗质量的重要指标。出苗率影响收获期穗数，较高的出苗率是玉米高产稳产的基础保障[19]。水分是种子萌发的首要条件，播种后玉米种子萌发出苗所需的水分主要来自0～20 cm土层[20]。研究表明，从播种到出苗，适宜土壤含水量的下限范围为田间持水量的65%～70%[21]。整齐度通常用于表征个体间的变异程度[22]。株高整齐度与产量呈极显著正相关，其中苗期和拔节期的整齐度对产量影响较大[23]。地下滴灌由于其特殊的供水位置，导致灌溉后上层土壤含水量较低，这会对作物出苗及苗期生长产生一定影响。然而，本研究结果发现，在播种后地下滴灌40 mm，土壤水分能够上移至种床层（播种深度为7～9 cm）。灌溉后，SDI 处理5～10、10～20 cm 土层土壤含水量均超过田间持水量的65%，并且SDI 处理较CK、DI 处理未显著降低夏玉米的出苗率。SDI处理苗期株高的变异系数虽然低于CK和DI处理，但不同处理间的差异均不显著。说明地下滴灌深播条件下，土壤水分能够满足种子的萌发，保证出苗及出苗整齐度。

在低于田间持水量条件下，土壤含水量越高出苗越快[24]。与CK 和DI处理相比，SDI处理显著延长出苗时间。这一方面是因为SDI 处理0～20 cm 土壤含水量低于其他处理，另一方面，可能也与SDI处理深播导致种床层地温较低有关[14]。SDI 处理延长了出苗时间，从而导致其苗期单株叶面积及干质量显著降低。DI 处理出苗状况及苗期的形态指标均优于CK，这主要是因为DI 处理相对较缓的水分入渗速率可以使土壤水分分布更均匀，并且DI处理降低土面蒸发，有利于提高土壤含水量[4，25]。

3.2 不同播种灌溉方式对夏玉米干物质积累量及产量的影响

叶面积是植物截获光能的物质载体，其大小直接影响玉米对光能的截获，是植株进行光合生产的重要物质基础。与沟灌相比，滴灌能够增加生育后期夏玉米的叶面积指数，并且生育后期叶面积的衰亡速度更慢[26]。与传统畦灌相比，浅埋滴灌和地表滴灌能够增加玉米的叶面积指数和地上部干物质积累量，特别是花后[5]。这些均与本研究结果类似。灌溉后，与传统地面灌溉处理相比，滴灌处理土壤水分下渗缓慢，能够向更深层土壤移动，并且在作物蒸腾和土壤蒸发过程中，深层土壤水分对上层土壤供给速率慢，导致深层土壤水分下降速率较慢，进而提高土壤贮水保墒能力[25]。因此，当阶段性降雨较少或植株遭受干旱时，滴灌处理下层较好的土壤水分状况可以及时满足植株所需。本研究中，2019 年，夏玉米在拔节期至小喇叭口期和灌浆初期降雨量较少，因此，不同处理在这2个阶段进行了灌溉。SDI 和DI 处理采用少量多次的灌溉方法改善了土壤的水分状况，特别是中下层土壤，有利于后期植株生长和干物质积累。SDI 和DI 处理较高的地上部干物质积累量为高产奠定了物质基础。作物在生长发育过程中，同化物在植株各器官的转化与分配形成了产量[7]。促进花前同化物向籽粒转运的同时维持较高的花后干物质积累对玉米增产意义重大[27]。与传统地面灌溉相比，覆膜滴灌和浅埋式滴灌能够增加叶片和茎鞘的干物质转运量及对籽粒的贡献率[9]。本研究结果与之相似，与CK 相比，SDI 和DI 处理在增加花前干物质转运量的同时维持了较高的花后干物质积累量，最终显著增加了产量。孟繁昊等[10]对滴灌的研究认为，与传统地面灌溉相比，浅埋式滴灌显著增加花后干物质积累量，这与本研究结果有异。这可能与本试验研究年度（2019）夏玉米灌浆中后期降雨量较大有关，较高的降雨量使各灌溉处理的土壤水分条件均较好，致使灌浆阶段各处理的干物质积累速率相似，从而不同播种灌溉处理间花后干物质积累量的差异未达到显著水平。

玉米产量与穗粒数显著相关[28]，而小花分化期和灌浆前期是穗粒数形成的关键时期[29]。因此，确保该时期较好的土壤水分条件有利于穗粒数的确立及最终产量的提高。诸多研究发现，无论花前、花后还是开花期干旱胁迫，穗粒数的降低是导致籽粒产量下降的主要原因[30-31]。本研究中，SDI处理较其他处理提高了穗粒数，显著增加了产量。分析其原因，SDI 处理在拔节后期和灌浆前期中下层较好的土壤水分条件对抽雄吐丝前后植株生长及干物质生产有利，有利于小花分化和降低败育率，对穗粒数形成有利。

较优的出苗质量固然可为作物高产奠定基础，但是后期植株的生长能够补偿前期的不足[32]。本研究亦得出相似的结论，在生育期间灌溉条件下，SDI处理虽然由于深播延长出苗时间导致苗期单株叶面积及干质量显著降低，但其在后期表现出生长优势（较高的叶面积指数和地上部干物质积累量），并促进了花前干物质向籽粒的转运，最终表现为增产。这主要是因为地下滴灌优化了根区土壤水分分布，促进植株生育后期的生长[6]。

综上，播种后灌溉40 mm 条件下，地下滴灌深播可以使土壤水分上移至种床层，有效改善种床层土壤水分状况，保证夏玉米出苗率和出苗整齐度。在生育期间灌溉条件下，地下滴灌深播有利于增加中下层土壤水分含量，使夏玉米生育后期表现出生长优势（更高的叶面积指数和地上部干物质积累量），增加花前干物质转运量的同时维持较高的花后干物质积累量，最终获得最高的产量和水分利用效率。