高密度栽培条件下灌水量对河西灌区玉米群体质量及水分利用效率的影响

唐文雪 马忠明 连彩云

收稿日期：2024 - 01 - 25；修订日期：2024 - 03 - 12

基金项目：甘肃省科技计划（21ZD4NF044-4）；国家重点研发计划项目（2023YFD2301105）。

作者简介：唐文雪（1967 —），女，甘肃临夏人，研究员，主要从事农业节水高产栽培理论与技术的研究工作。Email：gstwx@163.com。

通信作者：马忠明（1963 —），男，甘肃民勤人，研究员，主要从事农业节水高产栽培理论与技术研究工作。Email：mazhming@163.com。

摘要：提高种植密度是玉米产量持续增长的重要措施，探讨高密度栽培下的合理灌溉定额对保障玉米高产及水资源可持续利用具有重要意义。2023年4 — 10月在河西灌区张掖节水农业试验站开展田间试验，研究高密度栽培条件下不同灌水量（270.0、390.0、510.0、630.0 mm）对玉米群体质量、产量和水分利用效率的影响。结果表明，随着灌水量的增加，玉米的干物质量、产量呈增加趋势，高灌水量（630.0 mm）下的干物质量和产量均最高，中等灌水量（510.0 mm）下干物质量、产量分别高达32 013.36、16 000.31 kg/hm2，仅比高灌水量处理分别低2.89%、3.13%，而在390.0、270.0 mm灌水量下显著降低。各處理的光合势、生长速率随生育进程的推进先增加后降低，其中吐丝期后20 d达到最大，且随灌水量增加而增大；吐丝期后20 d至灌浆中期，510.0、390.0 mm灌水量下的光合势下降幅度为0.38%、2.40%，生长速率下降幅度为26.16%、30.19%，均低于高灌水量处理和低灌水量（270.0 mm）处理。玉米水分利用效率随灌水量、耗水量增加先上升后下降，390.0、510.0 mm灌水量处理下水分利用效率分别为26.21、25.14 kg/（hm2·mm），差异不显著；而产量最高的高灌水量处理及耗水量最低的低灌水量处理仅为22.77、23.98 kg/（hm2·mm），均低于390.0、510.0 mm灌水量处理。综合考虑玉米产量与水分利用效率等指标，在种植密度为11.70万株/hm2 条件下，510.0 mm为玉米生育期适宜灌水量，可实现增产节水目标。

关键词：玉米；高密度栽培；灌水量；产量；水分利用效率；群体质量

中图分类号：S663.1               文献标志码：A              文章编号：2097-2172（2024）04-0330-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.04.006

Effects of Irrigation Volume on the Quality of Maize Population and Water Use Efficiency Under High-density Cultivation in Hexi Irrigation Area

TANGWenxue 1， MA Zhongming 2， LIAN Caiyun 1

（1. Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： Increasing planting density is a crucial measure for the sustained growth of maize yield. Exploring reasonable irrigation quotas under high-density cultivation is significant for ensuring high maize yields and sustainable water resource utilization. From April to October 2023， field experiments were conducted at the Zhangye Water-saving Agriculture Experimental Station in the Hexi Irrigation District to study the effects of different irrigation capacities（270.0， 390.0， 510.0， 630.0 mm） on the quality of the maize population， yield， and water use efficiency under high-density cultivation conditions. Results showed that as irrigation volume increased， both dry matter and yield of maize tended to increase. The highest dry matter and yield were observed under high irrigation（630.0 mm）， with medium irrigation（510.0 mm） achieving dry matter and yield of 32 013.36 and 16 000.31 kg/ha， respectively， only 2.89% and 3.13% lower than those of high irrigation， while data were significantly decreased under 390.0 and 270.0 mm irrigation. The photosynthetic potential and growth rate of each treatment increased and then decreased as the growth progressed， peaking 20 days after silking， and increased with irrigation volume; from 20 days post-silking to the middle of grain filling， the decline in photosynthetic potential was 0.38% and 2.40% under 510.0 and 390.0 mm irrigation， respectively， with growth rate declines of 26.16% and 30.19%， both lower than those under high and low irrigation（270.0 mm）. Water use efficiency of maize first increased and then decreased with rising irrigation and water consumption， with 26.21 and 25.14 kg/（ha·mm） under 390.0 and 510.0 mm irrigation， respectively， no significant differences were detected， whereas the highest yield under high irrigation and the lowest water consumption under low irrigation were only 22.77 and 23.98 kg/（ha·mm）， respectively which were significantly lower than those under 390.0 and 510.0 mm irrigation. Considering both maize yield and water use efficiency， an irrigation volume of 510.0 mm during the growth period is suitable under a planting density of 117 000 plants/ha， achieving goals of increasing yield and saving water.

Key words： Maize; High-density cultivation; Irrigation volume; Yield; Water use efficiency; Population quality

玉米是我国主要粮食作物，近年来玉米产量持续增长贡献最大的是种植密度的提高［1 ］。为实现玉米高产稳产目标，高密度栽培（大于10万株/hm2）已成为新疆玉米栽培的主推模式［2 - 3 ］。新疆奇台农场玉米收获穗数达到12.96万穗/hm2，产量高达2.49万 kg/hm2，较全国纪录产量提高了8 504 kg/ hm2［3 ］。唐诚等［2 ］在新疆乌兰乌苏气象站的研究结果表明，在种植密度为 11.20万株/hm2的条件下，灌水量为6 750 m3/hm2时可以保证玉米高产。玉米产量一般与灌水量呈抛物线变化关系［4 - 5 ］。一定种植密度下，随灌水量的增加，穗粒数、千粒重亦呈增加趋势［6 ］。玉米生育期长，高密度栽培下耗水量显著增大［7 ］。虽然在高密度下玉米可以获得优良的群体结构和最大程度利用太阳辐射［8 ］，但高密度种植增加了个体之间对于水分、肥料和光照的竞争，导致单个植株的产量下降［9 ］。在高密度种植条件下，适当增加土壤含水率能有效降低由于高密度种植带来的不利影响，使玉米稳定增产［10 - 11 ］。因此，高密度栽培下优化灌溉定额对保障玉米高产及水资源可持续利用具有重要意义。

河西走廊位于我国西北干旱区东部地带，是我国玉米高产区之一。该区光热资源丰富，但水资源严重短缺，水分是影响作物生产的关键限制因子［12 ］。李菊等［13 ］的研究认为，在甘肃省武威市凉州区种植密度6.7万株/hm2条件下，生育期适宜灌水量为3 871 m3/hm2。前人在不同区域中低密度条件下，灌水量对玉米产量、干物质积累量、单位面积穗数等的影响进行了大量研究，且受气候、土壤等多种因素的影响，玉米不同种植地区的灌水量差异较大。中国农业科学院在甘肃省武威市凉州区、张掖市肃州区进行了种植密度研究，提出玉米最高产对应种植密度为10.78万株/hm2［3 ］。河西灌区高密度条件下灌水量与玉米产量、生长发育效应尚鲜见报道。本研究旨在探讨该区域不同灌溉定额对高密度玉米群体质量、产量、水分利用效率的影响，以期为河西灌区玉米高密度栽培合理灌水量制定提供依据。

1   材料与方法

1.1   试验区概况

试验于2023年4月至10月在甘肃省农业科学院张掖节水农业试验站（N 38° 56′，E 100° 26′）进行。试验站地处甘肃省河西走廊中段，黑河中上游，海拔1 570 m，属于典型的大陆性草原荒漠气候，干旱少雨，年降水量不足130 mm，年平均蒸发量2 075 mm，干旱指数为15.96。年均气温7.38 ℃，≥10 ℃的积温2 140～2 870 ℃，日照时数2 932～3 085 h，无霜期153 d。试验地土壤属轻壤土，播前0～20 cm土层含有机质7.9 g/kg、全氮0.77、全磷0.14、全钾13.97g/kg、全盐1.74g/kg，pH 8.22。

1.2   试验材料

指示玉米品种为先玉335，为河西灌区主栽品种。

1.3   试验设计

试验设共4个灌水量，分别为270.0 mm（W1）、390.0 mm（W2）、510.0 mm（W3）、630.0 mm（W4）。随机区组排列，重复3次，小区面积35 m2（5 m×7 m）。玉米种植密度均为11.70万株/hm2，施肥量为尿素（N 46.4%）300 kg/hm2、磷酸二铵（N 18%、P2O5 46%）150 kg/hm2。播前结合旋地施入磷酸二铵及40%尿素作为基肥，随灌水分别于大喇叭口期及吐丝期各追施尿素30%。采用小型水肥一体机，将肥料完全溶解于施肥罐中，在滴水30 min后及滴水结束前30 min内完成施肥。玉米全生育期灌溉8次，拔节期灌溉头水，分别在拔节期、抽雄吐丝期、灌浆期、蜡熟期各滴2次，收获前20 d停水。不同生育期灌水量设计见表1。玉米采用膜下滴灌栽培，宽窄行种植，宽行60 cm， 窄行40 cm。窄行覆膜（膜宽70 cm）铺滴灌带播种，行距40 cm，株距17 cm。播深4 cm（图1）。4月28日播种，9月23日收获。

1.4   测定项目与方法

1.4.1    土壤含水量测定    玉米播种前及成熟期，用土钻采集 0～100 cm土层土壤样品，测定层次为每20 cm为1层，共5层。每小区在滴灌带下、种植行株间、宽行中间取样，相同土层3个点土样混合后用烘干法测定土壤水分。

1.4.2    地上部干物质量及植株叶面积测定    分别于玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、吐丝期后20 d、灌浆中期、收获期，每小区选取具有代表性的植株6株，采用LI-3100C型叶面积仪（英国生产）测定叶面积。之后将植株样品放入烘箱，105 ℃高温下杀青30 min，再将温度调至80 ℃烘干至恒重，测定干物重。

1.4.3    考种及测产    玉米成熟期调查每小区实际穗数，去除边行，收获中间3带6行测产。根据重量均值法取有代表性的样穗10穗进行室内考种，测量穗长、穗粗、秃尖长、穗粒数、千粒重等指标。

1.5   计算方法

1.5.1    作物耗水量和水分利用效率    作物耗水量采用农田土壤水量平衡方程式进行耗水量计算，作物生长所需水分主要由灌溉水和降水供应，因此，水量平衡方程可簡化为作物耗水量，期计算公式如下：

ET=P+I-ΔW

式中，ET为作物耗水量；P为降水量；I为灌水量；ΔW为试验初期和试验末期土壤水分的变化量。

水分利用效率=作物产量/作物耗水量

1.5.2    叶面积、光合势和作物生长速率    玉米叶面积采用型号LI-3100C的叶面积仪（英国生产）测定。

叶面积指数=（单株叶面积×种植密度）/单位面积

光合势=（L1×10 000+L2×10 000）×（t2-t1）/2

作物生长速率=（W2-W1）/［A×（t2-t1）］

式中，L1、L2分别为t1、t2时的群体叶面积指数，W2、W1分别为t1、t2时的干物质量，A 为土地面积［14 ］。

2   结果与分析

2.1   灌水量对玉米地上部干物质量累积的影响

干物质量累积是作物产量形成的物质基础。从图2可以看出，玉米地上部干物质累积量随生育期推进不断增加，不同灌水量处理间的差异在拔节期后开始显现，除吐丝期后20 d外，总体表现为W4 > W3 > W2 > W1。玉米苗期、拔节期生育前期需水量少，不同灌水量处理均能满足玉米对水分需求，灌水量对干物质积累量影响不明显。拔节期后玉米需水量增加，干物质累积量随灌水量的增加显著增大，大喇叭口期、吐丝期W4处理干物质量与W3差异不显著，但均显著高于W2、W1。玉米吐丝期后20 d，W4处理累积量最大，达22 063.52 kg/hm2，比W3、W2、W1分别显著提高6.38%、26.33%、24.27%。进入灌浆中期至成熟期，由于高灌水量W4处理的植株相互遮阴形成郁闭，导致植株下部叶片变黄枯萎，影响光合作用，干物质积累变缓，W3处理干物质积累量32 013.36 kg/hm2，较W4降低2.89%，但仍显著高于W2、W1处理。

2.2   灌水量对玉米叶面积增长的影响

由表2可知，苗期玉米叶面积最小，至拔节期增加迅速，各处理的增幅171.60%～189.84%，但差異不显著。拔节期至大喇叭口期、大喇叭口期至吐丝期是玉米叶面积快速增长阶段，大喇叭口期各处理叶面积比拔节期增加245.74%～287.00%，吐丝期比大喇叭口期增加39.99%～59.96%。并且在吐丝期W4处理过量灌溉导致玉米营养生长旺盛，叶面积显著高于W3、W2、W1处理。吐丝期后20 d各处理的叶面积达到最大，各处理比吐丝期增加6.12%～32.15%，且处理间差异显著。由于W4处理下底部叶片遮阴早衰，叶面积增幅显著低于W3处理。吐丝期后20 d到灌浆中期，各处理叶面积开始下降。以上结果说明，水分供应充足促使叶面积偏大，生育中后期田间郁闭严重，而水分供应不足时叶面积增加慢且后期衰退加快。可见，适宜的水分供应既可提高叶面积，还可延缓叶面积下降速率，为后期的物质积累和籽粒灌浆保证了足够的光合叶面积。

2.3   灌水量对玉米光合势变化的影响

不同灌水处理下光合势从苗期至吐丝期后20 d呈直线增加趋势（图 3），该时段的光合势表现为W4 > W3 > W2  > W1。吐丝期后20 d至灌浆中期呈降低趋势，W4、W1处理的降幅分别为6.82%、6.95%；W2处理降幅2.40%；而W3处理保持稳定，降幅仅为0.38%。说明适宜灌水量可提高吐丝期后20 d以前的光合势，延缓吐丝期后20 d的降低态势，增强了作物光合作用，进而为玉米高产打好了基础。

2.4   灌水量对玉米生长速率的影响

由图4可知，各处理的玉米生长速率表现为出苗至吐丝期后20 d逐渐升高，在吐丝期后20 d达到最大，而后呈下降的趋势。其中苗期至拔节期、大喇叭口期至吐丝期上升速度快，拔节期至大喇叭口期上升速度较慢，但均表现为W4 > W3 > W2  >  W1，说明灌水量可以提高作物生长速率。吐丝期后20 d至灌浆中期，不同灌水量下玉米生长速率均下降，且以灌水量最大的W4处理和灌水量最小的W1处理下降幅较大，分别为32.41%、37.80%。W3、W2处理下降幅度分别为26.16%、30.19%。灌浆中期至成熟期下降规律与前一时期相似。以上结果说明适宜灌水量可延缓玉米生长速率的下降。

2.5   灌水量对玉米产量和产量构成因子的影响

玉米产量由单位面积收获株数、穗粒数、粒重等因子共同决定，玉米高产要求产量构成因子在较高水平上达到协调统一。从表3可以看出，灌水能显著提高玉米产量，W4处理玉米产量最高，为16 517.31 kg/hm2；W3处理次之，为16 000.31 kg/hm2，比W4处理低3.13%，W3与W4处理差异不显著；分别比W1处理显著提高57.01%、52.09%。从产量构成因子对产量贡献分析，灌水量对玉米穗粒数、百粒重这两个重要因子有显著影响。W4处理穗粒数最多，为562.43粒，与W3、W2处理差异不显著，但比W1处理显著提高11.82%；W3处理百粒重最高为34.02 g，与W4处理差异不显著，但比W2、W1处理显著提高了12.28%、14.58%。灌水量对玉米收获株数影响不明显，不同处理的收获株数为11.37万～11.39万株/hm2，处理间差异不显著。可见，灌水量能显著影响玉米产量，主要原因是灌水量显著影响了玉米穗粒数和百粒重。

2.6   灌水量对玉米耗水量和水分利用效率的影响

2.6.1    不同处理下土壤水分的垂直变化    从播前和玉米收获后不同处理 0～100 cm 土层水分的变化见图5，从垂直层面看，各处理0～20 cm土层含水量最大，随土层加深，各处理含水量呈降低趋势，80～100 cm土层含水量最低。从水平层面看，20 cm以下各土层的含水量均低于播前。0～20 cm土层含水量表现为W4 > W3 > W2 > W1，40 cm以下土层表现为W4 > W3 > W2 > W1，这与W3处理玉米生长旺盛、干物质积累多、耗水量大有关。

2.6.2    对玉米耗水量及水分利用效率的影响    由表4可知，灌水量对玉米耗水量及水分利用效率有显著影响。灌水量增加一方面会造成收获后土壤储水量增加，使休闲季土壤水分的无效蒸发增大，另一方面使生育期耗水量增加。不同处理下的生育期总耗水量差异显著，其中W4 耗水量最高，为725.48 mm，比W3、W2、W1显著提高13.99%、34.16%、65.39%；W1处理最低，为438.64 mm，显著低于其他处理。水分利用效率是一个复合指标，其高低由玉米产量及耗水量决定。W2处理水分利用效率最高，为26.21 kg/（hm2·mm），与W3处理差异不显著，但比高灌水量（W4）、低灌水量（W1）处理分别显著提高15.11%、9.30%。说明高灌水量及低灌水量均显著降低玉米水分利用效率。

3   讨论与结论

合理的群体结构是实现高产的前提，群体结构特性通过光合有效辐射的截获、吸收和透射影响作物群体光分布与光合特性，最终影响作物光合作用、干物质积累和产量［15 - 17 ］。光合势是量化作物群体光合速率的重要指标，同时也是反映作物长势与预测作物产量的重要农学参数［18 ］。作物生育进程中，后期保持较大的有效叶面积是保证作物高产的基础［14， 19 ］。本研究发现，随生育进程推进，光合势呈先增加后降低趋势。光合势在吐丝期后20 d达到最大，随灌水量增加光合势增加，表现为灌水量630.0 mm > 灌水量510.0 mm > 灌水量390.0 mm > 灌水量270.0 mm；吐丝期后20 d至灌浆中期，灌水量630.0 mm、灌水量270.0 mm处理光合势降幅为6.82%、6.95%，而灌水量570.0 mm、灌水量390.0 mm处理降幅仅为0.38%、2.40%，并且灌水量510.0 mm处理光合势与灌水量630.0 mm处理相近。以上结果表明，灌水量过高或过低均会加快光合势降低速率，适宜灌水量延缓吐丝期后光合势降低，提高作物光合作用，進而提高玉米产量。

干物质积累量与玉米产量呈正相关，灌水量影响玉米的生长发育过程，进而影响其干物质的累积及产量形成［20 - 22 ］。单位面积穗数、穗粒数、千粒重为影响玉米产量的关键要素，在一定灌水定额范围内，灌水量增加，穗粒数和千粒重也随之增加［23 ］。在单位面积穗数不变的情况下，穗粒数和千粒重对玉米产量的贡献最大，可达99%以上［2 ］。本研究中，拔节期后玉米干物质量随灌水量增加呈增加趋势，收获期干物质累积量由大到小为灌水量630.0 mm、灌水量510.0 mm、灌水量390.0 mm、灌水量270.0 mm，与产量表现一致。灌水量对玉米穗粒数和百粒重有显著影响，玉米穗粒数和百粒重是影响玉米产量的重要因子。灌水量为270.0～510.0 mm时，玉米产量与灌水量呈显著正相关关系，但630.0 mm灌水量水平与510.0 mm相比灌水量增加20%，而产量仅增加3.23%，未有显著提升，说明单纯追求高产会造成水资源浪费。灌水量为510.0 mm时，产量可以保证≥16 000 kg/hm2，继续提高灌水量对产量提升无显著影响，而灌水量降低1/5则显著降低产量。

提高作物水分利用效率是干旱灌区实现节水增产的关键［24 - 25］。作物水分利用效率高值往往是中等供水条件下实现的［26 - 27 ］，适度缺水在不减产或略有增产的前提下，耗水量大幅减少，水分利用效率明显提高［28 - 29 ］。本研究发现，灌水量390.0 mm下水分利用效率最大，但与灌水量510.0 mm差异不显著。灌水量630.0 mm处理产量最高，但耗水量也最大，导致水分利用效率最低，比灌水量510.0 mm、灌水量390.0 mm显著降低9.30%、12.90%。灌水从630.0 mm 减少到 510.0 mm时，水分利用效率达25.16 kg/（hm2·mm），产量达16 000.31 kg/hm2，与最高值差异均不显著。本试验中，水分利用效率最大的处理与产量最高的处理并不一致，产量最高时的耗水量高于水分利用效率最大时的耗水量，这与其他学者的研究结果相同［4， 30 - 31 ］。综合考虑产量与水分利用效率，在本试验条件下，玉米灌水量为510.0 mm，比最高产灌水量减少 20% 时可实现玉米高产与节水同步。

通过灌水量对高密度栽培条件下玉米干物质量积累、叶面积与光合势变化、产量及水分利用效率影响的研究，综合考虑玉米产量与水分利用效率等指标，认为在河西绿洲灌区玉米种植密度为11.70万株/hm2条件下，生育期灌水量为510 mm，既可高产还可实现水资源高效利用，可作为河西走廊灌区玉米高密度栽培适宜灌水量。

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