不同灌水量對綠洲玉米生長動態(tài)及子粒灌漿特征的影響研究

黃彩霞，張恒嘉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學 工學院農(nóng)業(yè)水利工程系，蘭州 730070)

作物不同生長階段對水分脅迫的敏感程度不一樣，因而不同灌水量下作物生活史對策也有所差異[1]。有限灌水不但能滿足作物代謝需水，提高植物的抗逆性，還能誘導(dǎo)其補償吸水特性，進而顯著提高作物水分利用效率[1,2]。旱后復(fù)水可使苗期受旱的玉米株高、地上(下)部分干物重和根系生長發(fā)育都恢復(fù)到或接近充分供水的植株生長水平[3]。因此，干旱條件下作物生長受到抑制，株高降低，在玉米需水關(guān)鍵期限量灌水可促進作物株高增加[4]，干物質(zhì)積累加快，光合同化能力提高[5]。因此，基于作物生長發(fā)育與水的關(guān)系，通過有限灌水量在作物生育期內(nèi)的最優(yōu)分配，可促進根系對有限水分的吸收利用和強化作物同化能力，提高光合產(chǎn)物向經(jīng)濟產(chǎn)量轉(zhuǎn)化的效率[6,7]。然而有限灌水能夠在多大程度上影響綠洲玉米的生活史對策和促進補償生長以及形成的產(chǎn)量差異仍值得進行探討。本研究系統(tǒng)測定和比較分析了河西綠洲不同灌水量對春玉米不同生育期生長動態(tài)及子粒灌漿特征的影響，旨在為該區(qū)玉米有限灌溉制度制定提供參考。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅河西走廊中段臨澤縣北部(39°21′N，100°07′E，1 367 m海拔)，為典型的沙漠綠洲，屬大陸性干旱荒漠氣候類型，全年日照時數(shù)3 021 h，年太陽總輻射量143 KJ/cm2。年均降水量117 mm，年蒸發(fā)量2 390 mm，為降水量的20多倍。年均氣溫7.6 ℃，最高和最低氣溫為39.1 ℃和-27 ℃，≥10 ℃的年積溫為3 088 ℃，無霜期105 d，年均日照時數(shù)3 045 h。試區(qū)常年平均地下水位4.2 m，毛管水上升高度65 cm，地下水不能補給到作物根系分布層。土壤類型為灰棕荒漠土，不同土層容重0～20、20～40、40～60 cm及60 cm以下分別為1.46、1.48、1.56和1.53 g/cm3。2014年玉米不同生長季降雨量見圖1。

圖1 試驗?zāi)甓却河衩咨趦?nèi)降雨量

2 試驗設(shè)計與分析方法2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)5個處理，1個對照，分別在春玉米拔節(jié)、大喇叭口、孕穗、抽雄、吐絲、灌漿期限量灌水。各處理不同生育期灌水量依據(jù)當?shù)赜衩坠嗨畬嶋H確定，傳統(tǒng)灌水處理各生育期灌水量按當?shù)赜衩坠嗨康纳舷薮_定，作為充分灌水對照。灌水方式為畦灌，水表嚴格控制水量。玉米不同處理及對照全生育期灌水量見表1。試驗處理及對照均重復(fù)3次，小區(qū)面積70 m2(12.5 m×5.6 m)，完全隨機區(qū)組設(shè)計。試驗玉米為當?shù)刂髟云贩N沈單16號，于2013年10月進行勻地，2014年3月30日覆膜，4月5日播種，膜內(nèi)種植，播種密度為8 萬株/hm2。播前底肥施純氮48 kg/hm2、純磷63 kg/hm2、純鉀28 kg/hm2作為基肥。玉米出苗后兩周人工間苗，分別在拔節(jié)和孕穗期追施純氮48和32 kg/hm2。玉米足墑播種，播前清除雜草，作物生長過程中進行中耕，人工除草，并及時防治病蟲害。

表1 不同處理玉米灌水量

2.2 測定項目

2.2.1 土壤水分

作物生育期內(nèi)每隔7 d左右測定一次0～160 cm土壤含水率，用中子儀結(jié)合烘干稱重法測定，每個重復(fù)取3個樣。0～20 cm土層用烘干稱重法測定，最后換算成體積含水量；20 cm以下土層用中子儀測定。

2.2.2 株高、干物質(zhì)

分別在六葉、拔節(jié)、抽雄、吐絲、灌漿和成熟期測定玉米株高、干物質(zhì)，其中生育期內(nèi)株高用鋼卷尺測量，干物質(zhì)用烘干稱重法測定。取樣樣方大小為1 m長3行，每小區(qū)3個樣，取其平均值。

2.2.3 灌漿速率

灌漿開始后，每隔5 d測定1次子粒干物重(取50粒)，測定子粒灌漿速率。

2.3 分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007作圖，用SPSS18.0軟件進行相關(guān)性分析，并用LSD多重比較法比較分析數(shù)據(jù)差異的顯著性(p<0.05)，各圖表中的數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

3 結(jié)果分析

3.1 株 高

研究表明，玉米開花期之前灌水量不足可導(dǎo)致植株生長不良，嚴重影響玉米株高，比充分灌水平均降低8.1%～17.5%[8]，且自身株高越矮的品種，受干旱影響的程度越小[4]。本試驗發(fā)現(xiàn)，不同灌水處理玉米株高均隨生長而增加，但不同處理植株的生長速度有所不同(表2)，進入灌漿期玉米株高增加明顯減慢，且株高隨灌水量的增加而增加，與李興等[9]研究結(jié)論相同。不同灌水處理及對照間玉米株高在六葉期、拔節(jié)期、抽雄期乃至灌漿初期均無顯著差異(P>0.05)，而灌漿末期MI5處理株高則顯著(P<0.05)高于MI2和MI39.5%和11.9%，MI3處理株高則顯著低于灌水最多的對照CK 8.1%，但MI1、MI2、MI3、MI4間及MI1、MI4、MI5、CK間玉米株高差異均不顯著。

表2 不同灌水處理玉米株高變化動態(tài)a

注：a數(shù)值為每個處理三次重復(fù)的平均值。同列字母不同表示試驗處理間在0.05水平上差異顯著。下同。

3.2 干物質(zhì)積累

干物質(zhì)積累是生物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，而干物質(zhì)分配則直接影響作物經(jīng)濟產(chǎn)量的高低[10]。在一定范圍內(nèi)，玉米干物質(zhì)積累隨灌水量的增加而增加，但充分灌水反而會降低玉米干物質(zhì)積累總量[11]。本研究表明(表3)，玉米六葉期MI4處理、大喇叭口期MI5處理均比灌水最少的MI1處理干物質(zhì)積累量顯著(P<0.05)增加，增幅達51.2%和35.9%，但這兩個時期其他處理及對照間均無顯著差異(P>0.05)。玉米抽雄期、吐絲期、灌漿末期所有處理及對照間干物質(zhì)積累量亦均無顯著差異，而灌漿中期處理MI4和對照CK玉米干物質(zhì)積累量分別比處理MI3顯著增加36.4%和29.4%，但與其他處理間無顯著差異。玉米成熟期充分灌水對照CK干物質(zhì)積累量最大，而灌水最少的MI1處理僅次于CK，干物質(zhì)積累量比CK減少13.9%，處理MI5則比CK顯著減少18.5%，但與MI1間差異不顯著，表明MI1處理有限灌水限制了玉米營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累而增加了生殖器官干物質(zhì)積累[12]，在此基礎(chǔ)上形成了生育后期較大的干物質(zhì)積累量，為高產(chǎn)作物群體的重要特征之一。灌水處理MI2成熟期干物質(zhì)積累量最小，比CK和MI1顯著減少29.3%和17.9%，MI3成熟期干物質(zhì)積累量比CK和MI1也顯著減少26.4%和14.4%。

表3 不同灌水處理玉米干物質(zhì)積累動態(tài) kg/hm2

作物生長規(guī)律與整個活質(zhì)體系的生長規(guī)律一樣，共同遵循從出生、積極生長、繁殖子代、停滯生長直至衰退死亡階段的全過程[13]。若不考慮不同作物生長速率大小和整個生長期間隔不一等具體差異，作物干物質(zhì)積累過程按Logistic曲線即“S型”曲線的生長模式發(fā)展。通過回歸分析，建立了玉米地上部干物質(zhì)(kg/hm2)隨播后日數(shù)(d)增長的數(shù)學模型，其決定系數(shù)均高達0.99以上(P<0.001)，可預(yù)測試驗條件下不同灌水處理任一時間干物質(zhì)積累量(表4)。

表4 不同灌水處理玉米地上部干物質(zhì)隨播后日數(shù)增長的數(shù)學模型

3.3 干物質(zhì)生產(chǎn)率

玉米出苗-六葉期不同灌水處理及對照間干物質(zhì)生產(chǎn)率無顯著差異(P>0.05，表5)。六葉-大喇叭口期MI2、MI3、MI5處理干物質(zhì)生產(chǎn)率顯著(P<0.05)高于對照CK和MI1處理18.0%、19.5%、21.6%和34.3%、36.0%、38.4%，但處理MI2、MI3、MI5間及MI1、MI4、CK間差異未達顯著水平。大喇叭口-抽雄期MI4處理干物質(zhì)生產(chǎn)率顯著高于其他處理及對照10.7%～122.9%；對照CK與MI5間差異不顯著，但顯著高于其他處理17.1%～101.3%；MI1和MI3間干物質(zhì)生產(chǎn)率無顯著差異，但卻顯著高于MI2，71.8%和71.2%。抽雄-吐絲期MI1、MI2、MI5、CK間及MI3、MI4、MI5、CK間干物質(zhì)生產(chǎn)率差異均不顯著，但MI1、MI2處理顯著高于MI3和MI4處理41.3%、46.1%和29.1%、33.5%。吐絲-灌漿末期MI1、MI3、MI4、CK間干物質(zhì)生產(chǎn)率均不存在差異，但顯著高于MI2和MI5處理15.4%、13.2%、19.9%、16.5%和24.9%、22.6%、29.9%、26.1%，且MI2和MI5間差異也不顯著。灌漿末期-成熟期MI1、MI4、CK間干物質(zhì)生產(chǎn)率差異未達顯著水平，但顯著高于MI2、MI3、MI5處理，且MI5顯著高于MI2，MI2顯著高于MI3。從不同生育期變化動態(tài)來看，玉米抽雄期以后灌水量最小的MI1處理干物質(zhì)生產(chǎn)率始終保持在較高水平，與干物質(zhì)積累量動態(tài)一致，說明有限水分管理有利于玉米生育中后期干物質(zhì)生產(chǎn)率的提高，而生育中后期的高生產(chǎn)率則可促進經(jīng)濟產(chǎn)量的提高。也有研究發(fā)現(xiàn)，低水量處理夏玉米群體干物質(zhì)生產(chǎn)率亦較低[5]，與本試驗結(jié)果有一定差異，這可能是因為已有研究為大型防雨棚夏玉米池栽試驗，而本研究為干旱綠洲區(qū)春玉米灌溉農(nóng)田，立地條件和作物種類與品種的差異是結(jié)果不一致的主要原因。此外，玉米全生育期干物質(zhì)平均生產(chǎn)率以MI1最高，其次為充分灌水對照CK，而以MI3最低。

表5 不同灌水處理玉米干物質(zhì)生產(chǎn)率 kg/(hm2·d)

3.4 子粒灌漿特征

作物子粒灌漿過程中干物質(zhì)增長累積趨勢與植株的累積增長趨勢一樣，都呈現(xiàn)出慢-快-慢的“S型”變化過程。不同灌水處理玉米子粒干物重增長分析表明，除開花后45 d的處理MI2子粒干物重顯著(P<0.05)大于對照16.1%外，其他時期各處理間子粒干物重均無顯著差異(P>0.05，表6)。

表6 不同灌水處理玉米子粒干物重增長過程

不同灌水處理玉米平均灌漿速率以灌水最少的處理MI1最高，達9.25 mg/(?！)，其次為處理MI2，平均灌漿速率亦高達9.16 mg/(?！)(圖2)，表明有限灌水條件下作物子粒平均灌漿時間相對縮短，平均灌漿速率相應(yīng)增加[14]，這是因為作物生長前期的水分脅迫有利于加快其發(fā)育過程，促使提早抽穗灌漿[15]。此外，對照CK平均灌漿速率為8.84 mg/(粒·d)，低于MI2，而以灌水處理MI4平均灌漿速率最低，僅為8.27 mg/(?！)。

圖2 不同灌溉處理玉米平均灌漿速率

有研究認為，子粒鮮重與授粉后天數(shù)呈二次曲線關(guān)系，而子粒干重與授粉后天數(shù)關(guān)系符合Logistic方程[16]。采用朱慶森等[17]等方法，以測得的子粒干物質(zhì)量Y為因變量，開花后天數(shù)t(開花日為0)為自變量，建立了子粒干物質(zhì)隨開花后天數(shù)(DAF)增長的Logistic方程：

(1)

式中：Y為灌漿過程中子粒干物質(zhì)累積增長量，mg/粒；t為灌漿開始后持續(xù)天數(shù)，d；K為累積最大值；a，b為參數(shù)。不同灌水處理Logistic模型見表7。

4 結(jié) 語

(1)不同灌水處理玉米株高均隨生長而增加，但不同處理植株的生長速度有所不同，進入灌漿期玉米株高增加明顯減慢，且株高隨灌水量的增加而增加。

表7 不同灌水處理玉米子粒干重

(2)如果水分管理適當，有限灌水可促進玉米生育中后期(抽雄以后)葉面積的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，有利于干物質(zhì)積累并保持較高的干物質(zhì)生產(chǎn)率，與充分灌水相比不會有顯著降低。

(3)有限灌水條件下作物生長前期的水分脅迫有利于加快其發(fā)育過程，促使提早抽穗灌漿，因而玉米子粒平均灌漿時間相對縮短，平均灌漿速率相應(yīng)增加。

(4)生產(chǎn)中應(yīng)側(cè)重通過玉米生育前期(抽雄以前)合理有限水量控制促進作物對水分的充分利用和干物質(zhì)積累，同時通過前期有限水分虧缺產(chǎn)生的后補償效應(yīng)促進生育中后期保持較高干物質(zhì)積累量及生產(chǎn)率，在穩(wěn)步增加光合同化產(chǎn)物積累量的同時提高其運轉(zhuǎn)和分配效率。

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