0 引言
当前，水资源已经成为限制农业可持续发展的瓶颈。在华北平原，农业灌溉用水量占该地区总用水量的60%以上[1]。2007—2016年，华北平原农业灌溉用水使地下水资源长期处于超采状态[2]。目前，过度开采地下水资源已经造成了华北平原的地下漏斗面积达2×104km2，浅层地下水位最大埋深已达65 m，埋深大于10 m的区域面积占全区总面积的44.4%[3]。因此，在华北地区推广和使用节水灌溉技术势在必行。近年来，随着土地流转和农业合作社的快速发展，在华北地区逐渐发展了以移动式喷灌和微喷灌为主的灌溉方式[4]。传统的地面灌溉技术耗时费工，且灌溉量较喷灌大，已然不能适应规模化、高效节水农业的需求。
玉米是世界上最重要的粮食作物之一，中国是世界第二大玉米生产国。玉米也是华北平原地区冬小麦-夏玉米一年二熟制中重要的复种作物，华北平原夏玉米产量占全国玉米总产量的20%[5]。尽管夏玉米生长季降水量充足，但降水分布很不均匀，尤其是在玉米播种期，土壤水分经过小麦的吸收已经降到田间持水率的50%以下，也有研究表明华北地区玉米播种至出苗期发生春旱的频率达80%以上[6]，在拔节期至大喇叭口期、灌浆期发生干旱胁迫的频率达50%、20%[6]。因此，华北地区湿润年仅需灌蒙头水保证玉米出苗即可，平水年一般需要灌蒙头水和拔节水保证玉米产量，而在干旱年需要在开花期或灌浆期补充灌溉才能保证玉米产量。在灌水方式方面，随着农业生产方式的进步，移动式喷灌和微喷灌技术[4]得到了极大的推广和应用。
研究认为，喷灌较传统地面灌溉技术可以节水25%，增产15%，水分利用效率提高20%[8]。微喷灌玉米较传统地面灌技术节水20%，增产10%，水分利用效率提高15%[9]。但并没有充分考虑夏玉米不同品种间的抗旱特性差异，同一节水灌溉技术在耐旱性不同的品种间的增产幅度和节水程度也不尽相同。而在华北平原同时开展比较地面灌溉、喷灌和微喷灌技术下不同品种间夏玉米的产量和水分利用的效果的研究还鲜有报道。为此，选择华北平原地区主栽的6种品种，结合不同灌溉技术（地面灌溉、喷灌和微喷灌）与灌水量，以期为不同夏玉米品种产量和水分利用对节水灌溉技术的响应提供一定数据参考和理论支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2015年6—9月在焦作市广利灌区管理局试验基地进行。该区多年平均气温14.1℃，无霜期210 d，日照时间2 400 h，光热资源丰富，以1年2熟耕作制度为主；多年平均降水量为582 mm，7—9月降水量占全年的65%～75%，其他月份降水量偏少；多年平均蒸发量2 000 mm。试验地土质为砂壤土，0～100 cm土壤体积质量为1.45 g/cm3，田间质量持水率为25.6%，饱和质量含水率为29.8%，地下水埋深大于5 m，详见表1。
表1 试验基地0～100 cm土体各层体积质量和水分指标
1.2 试验设置
试验设置3种灌溉方式，分别是传统地面灌溉、滴灌和微喷灌。根据不同灌水技术的节水程度和灌溉需求，各灌溉技术处理分别设置3种灌水量，每个灌水处理设置5～6个玉米品种。以灌溉技术处理为主区，灌溉量为副区，6个玉米品种为裂区，采用不完全随机裂区设计排列，每个处理设3次重复。玉米种植密度为67 500株/hm2。
1.2.1 地面灌溉
1）灌水处理：灌水处理为全生育期只灌蒙头水（低灌水）、蒙头水+拔节水（中灌水）、蒙头水+拔节水+灌浆水(高灌水)；每次灌水75 mm，用水表控制灌水量；灌水时间：蒙头水、拔节水和灌浆水日期分别为6月15日、7月25日和8月20日。
2）供试品种：品种选用黄淮海地区生产上应用的6个主推品种，分别为郑单958、浚单20、先玉335、农华101、登海605及中单909（图1）。小区面积为33 m2，随机区组排列，3次重复，小区间设1.5 m的隔离区。
图1 小区示意图
1.2.2 滴灌
1）灌水处理：每次灌水量设置3个灌水梯度，分别为45 mm（高灌水）、30 mm（中灌水）、15 mm（低灌水），用水表控制灌水量，在玉米拔节和抽雄期灌水2次。
2）供试品种：品种选用黄淮海地区生产上应用的5个主推品种，分别为郑单958、浚单20、先玉335、登海605及中单909。小区面积为33 m2，随机区组排列，3次重复，小区间设1.5 m的隔离区。
1.2.3 微喷
1）灌水处理：每次灌水量设置3个灌水梯度，分别为60 mm（高灌水）、45 mm（中灌水）、30 mm（低灌水），用水表控制灌水量，在玉米拔节、抽雄期和灌浆期灌水3次。
2）供试品种：品种选用黄淮海地区生产上应用的6个主推品种，分别为郑单958、浚单20、先玉335、农华101、登海605及中单909。小区面积为33 m2，随机区组排列，3次重复，小区间设1.5 m的隔离区。
1.3 测定项目
1）土壤含水率：每隔10 d，采用烘干法测定0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层土壤含水率，用以确定作物不同生育阶段的耗水量。
2）灌水量：用水表控制。
3）生育进程：包括播种期、出苗期、抽雄期、吐丝期、成熟期及收获期，调查标准各小区内植株75%以上达到为记载期。
4）产量构成因素：包括果穗长、果穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、千粒质量等，每小区取10个样穗考种。产量为小区的实测产量。
5）气象因子及降雨量：由雨量筒和自动气象站测定。
采用SPSS 19.0数据统计软件对试验数据进行方差分析，分析各处理均值的显著性差异（P＜0.05）或极显著性差异（P＜0.01），计算灌水与品种变量及交互作用的F值。
2 结果与分析
2.1 地面灌条件下不同处理对夏玉米产量、耗水量和水分利用效率的影响
由表2可知，地面灌溉时，不同玉米品种处理间耗水量、产量和水分利用效率差异显著。不同品种夏玉米耗水量表现为郑单958（387.8 mm）＞登海 605（380.8 mm）≥浚单 20（380.6 mm）＞中单909（377.4 mm）＞先玉335（369.9 mm）≥农华101（368.5 mm），在P＜0.05水平下差异显著。不同品种处理以农华101的产量最高，为9.0 t/hm2，显著高于其他处理，浚单20次之（10.6 t/hm2），且与和郑单 958（8.0 t/hm2）差异不显著，先玉335（7.6 t/hm2）与郑单958差异不显著，登海 605（6.5 t/hm2）和中单 909（6.6 t/hm2）产量最低，且二者差异不显著。水分利用效率以农华 101（2.47 kg/m3）和浚单 20（2.33 kg/m3）的最高，二者都显著高于登海605（1.79 kg/m3）和中单909（1.78 kg/m3）的，其他处理间差异均不显著。
灌水×品种的交互作用极显著影响产量。这表明夏玉米耗水量、产量和水分利用效率是由灌水和品种二因素共同作用的结果。农华101（8.5、9.4、9.1 t/hm2，低、中、高水处理产量，下同）和浚单20（8.2、8.9、9.1 t/hm2）的产量在3个不同灌水处理间差异不显著，说明2个品种抗旱性及水分利用效率较高，玉米生长后期降雨充足，已经可以满足其生长发育需要，后期灌水处理报酬递减，水分利用效率显著降低。先玉335（6.8、7.6、8.4 t/hm2）、登海605（5.2、5.9、8.5 t/hm2）与郑单958（7.4、8.0、8.6 t/hm2）产量随着灌水次数的增加而呈增加趋势，高灌水处理都显著高于低灌水处理。说明这3个品种抗旱能力较差，对水分需求量高，后期补充灌水才能满足其生长发育的需要。中单909（6.2、7.8、5.6 t/hm2）产量随着灌水次数的增加，表现为先增加后降低，说明拔节期灌水可以促进其生长发育，而灌浆期灌水对其生长不利。
表2 地面灌条件下玉米产量及耗水特征
注 同列不同字母表示P＜0.05水平差异显著；*表示处理间达P＜0.05水平差异显著；**表示处理间达P＜0.01水平差异极显著；下同。
2.2 微喷条件下不同处理对夏玉米产量、耗水量和水分利用效率的影响
由表3可知，微喷模式下，农华101、浚单20、先玉335与登海605品种间耗水量差异不显著，但都显著高于中单909和郑单958品种的，后二者差异也不显著。农华101品种的产量显著高于其他品种，其次为先玉335和郑单958品种，显著高于浚单20、登海605和中单909品种的，前二者差异不显著，后三者差异亦不显著。农华101品种的水分利用效率最高(2.41 kg/m3)，显著高于登海605、中单909、浚单20品种的水分利用效率，但与其他品种间差异不显著。
灌水×品种的交互作用极显著影响产量。低、中、高水处理下，农华101产量分别为7.6、9.8、10.8 t/hm2，浚单20产量分别为4.0、5.5、8.8 t/hm2，先玉335产量分别为7.4、9.7、7.3 t/hm2，登海605产量分别为3.8、4.2、8.2 t/hm2，中单909产量分别为5.3、5.5、6.3 t/hm2，郑单958产量分别为7.4、8.5、8.5 t/hm2。除先玉335品种外，其他品种产量都随着灌水次数的增加而呈增加趋势。先玉335品种产量随着灌水次数的增加而呈增加趋势，高灌水处理的显著低于中灌水处理的。
表3 微喷时不同处理下夏玉米玉米产量及耗水特征
表4 滴灌时不同处理下夏玉米玉米产量及耗水特征
2.3 滴灌条件下不同处理对夏玉米产量、耗水量和水分利用效率的影响
由表4可知，在滴灌模式下，灌水处理极显著影响夏玉米耗水量(P＜0.01)，耗水量表现为高灌水处理＞中灌水处理＞低灌水处理，而对玉米产量影响则不显著。灌水处理对水分利用效率影响显著，低灌水处理显著高于高灌水处理。浚单20品种的耗水量显著高于郑单958品种的，其他处理间差异不显著；浚单20、先玉335和登海605品种夏玉米产量显著高于中单909和郑单958品种的，前三者差异不显著，后二者差异亦不显著。各品种间水分利用效率差异不显著。灌水×品种的交互作用极显著影响产量。低中高水处理下，浚单20的产量分别为8.5、8.7、8.7 t/hm2，先玉335的产量分别为7.8、8.5、9.3 t/hm2，登海605产量分别为5.1、5.1、5.6 t/hm2，中单909的产量分别为5.6、5.8、5.9 t/hm2，郑单958的产量分别为7.6、8.0、9.1 t/hm2。所有品种产量都随灌水次数的增加而呈增加趋势，高灌水处理显著低于中灌水处理。整体趋势与微喷处理相同。
3 讨论
近年来，华北地区形成了稳定的冬小麦-夏玉米一年两熟制种植模式，小麦收获后留给玉米播种的墒情往往较差。因此，蒙头水是保证玉米出苗的关键，是玉米高产的基础[13]。另外，玉米灌浆期灌水能够使玉米后期叶片保持光合功能，是提高玉米百粒质量的关键[14]。本研究中，由于7月至8月初降雨充足，满足了玉米拔节、开花的水分需求，在仅灌蒙头水条件下，郑单958和浚单20品种保持稳产，而先玉335和登海605品种在蒙头水+灌浆水条件下，产量明显提高。农华101和中单909在灌浆水条件下产量亦有提高，但增产幅度低于登海605和先玉335品种的。这表明不同品种对灌溉制度的响应亦不相同，在雨量充沛年份，郑单958和浚单20品种仅灌蒙头水即可，而登海605和先玉335品种则仍需在灌浆期补充灌溉才能获得高产。因此，有必要对不同品种玉米的最优灌溉制度开展进一步研究。
通过研究黄淮海平原不同品种夏玉米农田耗水特性发现，无论何种灌溉方式，不同品种耗水量对灌水量的反应相似，随着灌水量的增加，耗水量均在增加。在相同生长条件下不同玉米品种的水分利用效率存在着明显差异。高产的品种往往水分利用效率也较高，比如农华101、先玉335，即选择一个高产品种不但提高产量，同时提高作物的水分利用效率[14-15]；另外，在低灌水下产量表现好的品种水分利用效率也会表现更佳，这与品种抗旱性密切相关，耐旱品种受灌水量影响较小[16]。从不同灌溉方式的结果可以看出，相同的灌水条件下，采用滴灌后水分利用效率整体提升明显。选用节水高产品种及优化灌溉制度，一直是黄淮海地区农业作物生产关注的主要方面[17]。因此，该区域选择良种加上适宜的灌溉方式和合理灌溉制度，是提高水分利用效率和产量的关键。
4 结论
1）地面灌溉模式下，不同灌水处理的耗水量差异显著表现为高灌水处理＞中灌水处理＞低灌水处理；低灌水的产量显著低于中灌水和高灌水处理，低灌水和中灌水处理水分利用效率显著大于高灌水处理。不同玉米品种处理下，耗水量达到极显著性差异，产量和水分利用效率达到显著性差异，灌水×品种的交互作用对产量有极显著影响。农华101品种夏玉米的产量和水分利用效率最高，其次为浚单20和郑单958品种的。
2）微喷灌溉模式下，灌水处理对夏玉米耗水量有极显著影响(P＜0.01)，耗水量表现为高灌水处理＞中灌水处理＞低灌水处理；对玉米产量亦有显著影响(P＜0.05)，高灌水产量显著高于中灌水和低灌水处理，但后二者差异不显著。灌水处理对水分利用效率影响不显著。不同品种夏玉米产量比较，农华101品种夏玉米产量和水分利用效率显著高于其他品种，其次为先玉335和郑单958品种。灌水×品种的交互作用对产量有极显著影响。
3）在滴灌灌溉模式下，灌水处理对夏玉米耗水量有极显著影响(P＜0.01)，耗水量表现为高灌水处理＞中灌水处理＞低灌水处理；对玉米产量影响不显著。灌水处理对水分利用效率影响显著，低灌水处理显著高于高灌水处理。不同品种夏玉米产量比较，浚单20、先玉335和登海605品种夏玉米产量显著高于中单909和郑单958品种的。各品种间水分利用效率差异不显著。
参考文献：
[1]王西琴,吴若然,李兆捷,等.我国农业用水安全的分区及发展对策[J].中国生态农业学报,2016,24(10):1 428-1 434.
[2]王学,李秀彬,辛良杰,等.华北地下水超采区冬小麦退耕的生态补偿问题探讨[J].地理学报,2016,71(5):829-839.
[3]费宇红,苗晋祥,张兆吉,等.华北平原地下水降落漏斗演变及主导因素分析[J].资源科学,2009,31(3):394-399.
[4]董志强,张丽华,李谦,等.微喷灌模式下冬小麦产量和水分利用特性[J].作物学报,2016,42(5):725-733.
[5]吴喜芳.华北平原主要粮食作物蒸散量和水足迹估算研究[D].石家庄:河北师范大学,2015.
[6]史桂芬.黄淮海平原典型冬小麦农田生态系统水热通量及能量平衡研究[D].开封:河南大学,2016.
[7]胡佳.基于MODIS数据和气象数据的邢台地区夏玉米旱情监测研究[D].石家庄:河北师范大学,2016.
[8]KRESOVIĆ B,TAPANAROVAA,TOMIĆ Z,et al.Grain yield and water use efficiency of maize as influenced by different irrigation regimes through sprinkler irrigation under temperate climate[J].Agricultural Water Management,2016,169:34-43.
[9]刘晓敏,王慧军.河北省农户采用小麦玉米微喷灌节水技术意愿及影响因素分析[J].节水灌溉,2015(12):73-76.
[10]李胜克,牛建彪,张继祖.沃夫特缓控释肥在全膜双垄沟播玉米栽培中的肥效对比分析[J].农业科技与信息,2011(17):38-40.
[11]刘战东,肖俊夫,于景春,等.春玉米品种和种植密度对植株性状和耗水特性的影响[J].农业工程学报,2012,28(11):125-131.
[12]刘战东,肖俊夫,牛豪震,等.地下水埋深对冬小麦和春玉米产量及水分生产效率的影响[J].干旱地区农业研究,2011,29(1):29-33.
[13]邵立威,张喜英,陈素英,等.降水、灌溉和品种对玉米产量和水分利用效率的影响[J].灌溉排水学报,2009,28(1):48-51.
[14]张蕊蕊.品种、配置和灌溉措施对小麦-玉米产量和水分利用效率影响的研究[D].保定:河北农业大学,2012.
[15]董洁.灌溉和种植方式对小麦-玉米两熟农田作物耗水特性和产量形成的影响[D].泰安:山东农业大学,2011.
[16]刘战东,秦安振,刘祖贵,等.深松耕作对夏玉米生长生理指标和水分利用的影响[J].灌溉排水学报,2014,33(4/5):378-381.