錦州市不同程度干旱對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響

呂 曉， 戰(zhàn)莘曄， 高莉莉， 張兵兵， 吳 航， 梁 濤， 高 全， 金 晨

（1. 中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110166； 2. 錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧 錦州 121000；3. 鞍山市氣象局，遼寧 鞍山 114004）

0 引言

近年來，全球干旱頻繁發(fā)生而且有日趨嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)，同時(shí)因受到特定的自然條件和氣候條件的影響，我國(guó)也極容易受到干旱災(zāi)害的影響[1]。作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，遼寧省自然也不例外，特別是遼寧錦州地區(qū)，降水主要發(fā)生在春夏，降水強(qiáng)度時(shí)空分布不均，使得錦州地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)極易受春旱和夏旱的影響。

玉米是我國(guó)重要的比較耐旱的糧食作物，適合在干旱貧瘠地區(qū)種植，但由于玉米對(duì)干旱敏感且需水量較大，因此干旱是限制玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的最主要?dú)庀鬄?zāi)害。種植玉米的最終目的是收獲籽粒產(chǎn)量，干旱對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響最終也體現(xiàn)在產(chǎn)量上[2]。在錦州地區(qū)，其干旱災(zāi)害發(fā)生頻繁，水分早已成為影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的主要非生物限制因素[3-4]。如何提高玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)已成為錦州地區(qū)亟待解決的問題，并且對(duì)穩(wěn)定玉米產(chǎn)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者研究了干旱對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成等方面的影響[5-9]。甘雅文等[10]分析了干旱對(duì)作物生長(zhǎng)機(jī)理的影響。任慶成等[11]總結(jié)了植物抗旱性研究進(jìn)展。崔秀妹等[12]、溫翠平等[13]和DAI Y J 等[14]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，作物經(jīng)受短期或輕度干旱脅迫，其外部形態(tài)、內(nèi)部機(jī)理、光合作用會(huì)受到負(fù)面影響，而如若遭受長(zhǎng)期而嚴(yán)重的干旱脅迫，則可通過抑制作物生長(zhǎng)引起其外觀形態(tài)和生物量的變化，進(jìn)而影響其產(chǎn)量，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至死亡。近年來，很多學(xué)者開拓了基于作物水分虧缺指數(shù)對(duì)作物的影響的研究領(lǐng)域[15-19]。

已有的研究多利用盆栽進(jìn)行試驗(yàn)，較少在大田進(jìn)行試驗(yàn)。本文基于中國(guó)氣象局東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)站暨遼寧錦州玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站，利用大型農(nóng)田土壤水分控制試驗(yàn)場(chǎng)，應(yīng)用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的大型移動(dòng)式遮雨系統(tǒng)和人工模擬降水系統(tǒng)平臺(tái)，在大田條件下定量控制土壤相對(duì)濕度，以解決大田作物水分控制這一難點(diǎn)，模擬錦州地區(qū)玉米關(guān)鍵發(fā)育期自然漸進(jìn)干旱的動(dòng)態(tài)變化，擬探究氣候變暖背景下干旱對(duì)錦州地區(qū)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響，以期為錦州地區(qū)玉米的抗旱栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020 年在遼寧省錦州市玉米試驗(yàn)田進(jìn)行（41°49' N，121°12' E），以錦州地區(qū)主栽玉米丹玉大田試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的大型活動(dòng)遮雨棚在降雨時(shí)隔絕雨水，其余時(shí)間自然光照。試驗(yàn)設(shè)對(duì)照（CK）和干旱脅迫（T1、T2、T3、T4）共5 個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置4 次重復(fù)。對(duì)照CK 在整個(gè)生育期內(nèi)不進(jìn)行土壤水分控制，不覆蓋遮雨棚，自然降水同大田；T1、T2在拔節(jié)期進(jìn)行土壤水分控制，使其分別達(dá)到中旱、重旱的程度后移開遮雨棚；T3、T4 在抽雄期進(jìn)行土壤水分控制，使其分別達(dá)到中旱、重旱的程度后移開遮雨棚[20]。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目

2020 年6 月15 日至8 月24 日每隔7 d 在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取3 個(gè)植株樣本，取回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其株高、總?cè)~數(shù)；玉米成熟收獲后，待其風(fēng)干進(jìn)行室內(nèi)考種，分別測(cè)量玉米的穗部性狀并計(jì)算玉米的籽粒理論產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 和Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 株高

利用SPSS 對(duì)5 組不同干旱脅迫處理玉米的株高進(jìn)行單變量單因子方差分析，發(fā)現(xiàn)玉米遭受干旱影響后其株高均比未遭受干旱影響的株高變矮，受到負(fù)面影響。由圖1 可知，T2 在拔節(jié)期遭受重度干旱影響后株高較CK 極顯著變矮（P=0.007，R2=0.339，R=0.582 2**），T1 在拔節(jié)期遭受中度干旱影響后株高較CK 顯著變矮（P=0.018，R2=0.274，R=0.523 5*），可見重度干旱對(duì)玉米株高的影響大于中度干旱對(duì)玉米株高的影響。T3和T4 在抽雄期遭受中度和重度干旱影響后，株高較CK 變矮但是未達(dá)到顯著性差異（P=0.212，R2=0.085，R=0.291 5；P=0.147，R2=0.113，R=0.336 2），可見玉米在抽雄期遭受干旱影響后玉米株高雖然變矮，但與未遭受干旱影響的玉米株高相比未達(dá)到顯著性差異，即玉米在抽雄期遭受干旱影響后對(duì)株高的負(fù)面影響比玉米在拔節(jié)期遭受干旱影響后對(duì)株高的負(fù)面影響要小很多，且干旱程度越嚴(yán)重對(duì)玉米株高的負(fù)面影響越大，這與前人的研究結(jié)果一致。由此可見，玉米植株的生長(zhǎng)受干旱影響較大，玉米遭受干旱影響后其植株的生長(zhǎng)均受到抑制作用，這可能是因?yàn)樵谏陂g內(nèi)，干旱使玉米植株日生長(zhǎng)量減少，且不同生育期不同程度干旱對(duì)玉米植株日生長(zhǎng)量減少的程度不同。

圖1 拔節(jié)期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理對(duì)玉米株高的影響Fig. 1 Effects of moderate and severe drought stress on maize plant height at jointing stage and heading stage

2.2 總?cè)~數(shù)

利用SPSS 對(duì)5 組不同干旱脅迫處理玉米的總?cè)~數(shù)進(jìn)行單變量單因子方差分析，發(fā)現(xiàn)玉米遭受干旱影響后其總?cè)~數(shù)均比未遭受干旱影響的總?cè)~數(shù)顯著減少。由圖2 可知，T2 在拔節(jié)期遭受重度干旱影響后總?cè)~數(shù)較CK 極顯著變少（P=0.006，R2=0.352，R=0.593 3**），T1 在拔節(jié)期遭受中度干旱影響后總?cè)~數(shù)較CK 顯著變少（P=0.022，R2=0.258，R=0.507 9*），可見重度干旱對(duì)玉米總?cè)~數(shù)的影響大于中度干旱對(duì)玉米總?cè)~數(shù)的影響；T3 和T4 在抽雄期遭受中度和重度干旱影響后總?cè)~數(shù)較CK 也顯著變少（P=0.047，R2=0.201，R=0.448 3*；P=0.012，R2=0.305，R=0.552 3*），可見玉米在抽雄期遭受干旱影響后對(duì)總?cè)~數(shù)的負(fù)面影響比玉米在拔節(jié)期遭受干旱影響后對(duì)總?cè)~數(shù)的負(fù)面影響要小很多，且干旱程度越嚴(yán)重對(duì)玉米總?cè)~數(shù)的負(fù)面影響越大。由于玉米葉片是合成光合產(chǎn)物的重要場(chǎng)所，而干旱使得玉米總?cè)~片數(shù)減少，對(duì)玉米葉片進(jìn)行光合作用產(chǎn)生負(fù)面影響，影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，最終的負(fù)面影響會(huì)體現(xiàn)在玉米產(chǎn)量的減少。

圖2 拔節(jié)期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理對(duì)玉米總?cè)~數(shù)的影響Fig. 2 Effects of moderate and severe drought stress on total leaf number of maize at jointing stage and heading stage

2.3 穗部性狀

由于玉米不同生育期在其生長(zhǎng)過程中所起的作用不同，玉米在生長(zhǎng)發(fā)育過程中的任何發(fā)育期遭受干旱，均會(huì)對(duì)其穗部性狀產(chǎn)生不同程度的影響，從而影響產(chǎn)量[20]。利用SPSS 對(duì)5 組不同干旱脅迫處理玉米的穗部性狀進(jìn)行單變量單因子方差分析，發(fā)現(xiàn)玉米遭受干旱影響后其穗部性狀均比未遭受干旱影響的穗部性狀受到顯著的負(fù)面影響。由表1 可知，果穗長(zhǎng)除T1 外，T2、T3、T4 均比CK 極顯著減少，T2、T3、T4 與T1 差異顯著，T1 與CK、T2 與T3、T4 差異不顯著；禿尖比均比CK 極顯著增加；果穗粗5 組處理均差異不顯著，即玉米在拔節(jié)期和抽雄期遭受重度和中度干旱影響后對(duì)其果穗粗影響不大；百粒質(zhì)量除T4 較CK 顯著減少外，其余干旱脅迫處理組的玉米百粒質(zhì)量所受影響均不顯著；穗粒質(zhì)量T1、T2、T3、T4 均較CK 極顯著減少。即玉米在拔節(jié)期和抽雄期遭受中度和重度干旱影響后對(duì)其果穗長(zhǎng)、禿尖比、百粒質(zhì)量、穗粒質(zhì)量均有不同程度的顯著或者是極顯著的負(fù)面影響。

表1 拔節(jié)期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理下平均單株玉米穗部性狀比較Tab. 1 Comparison of ear traits of average maize per plant under moderate and severe drought stress at jointing stage and heading stage

2.4 產(chǎn)量

利用SPSS 對(duì)5 組不同干旱脅迫處理的玉米籽粒理論產(chǎn)量進(jìn)行單變量單因子方差分析，發(fā)現(xiàn)玉米遭受干旱影響后其籽粒理論產(chǎn)量均比未遭受干旱影響的籽粒理論產(chǎn)量受到極顯著的負(fù)面影響。由圖3 可知，玉米在拔節(jié)期和抽雄期遭受中度和重度干旱影響后，玉米籽粒理論產(chǎn)量均較CK 呈現(xiàn)不同程度的極顯著減少，且玉米在抽雄期遭受干旱影響后極顯著減少的程度較拔節(jié)期遭受干旱影響后極顯著減少的程度更嚴(yán)重，而且玉米遭受干旱影響的程度越嚴(yán)重玉米籽粒理論產(chǎn)量減少的程度越嚴(yán)重。

圖3 拔節(jié)期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理對(duì)玉米籽粒理論產(chǎn)量的影響Fig. 3 Effects of moderate and severe drought stress on theoretical grain yield of maize at jointing stage and heading stage

3 討論

玉米在拔節(jié)期和抽雄期遭受中度和重度干旱，主要影響玉米株高、總?cè)~片數(shù)等植株形態(tài)方面的生長(zhǎng)發(fā)育，以及玉米穗部性狀（果穗長(zhǎng)、果穗粗、禿尖比、百粒質(zhì)量、穗粒質(zhì)量）和籽粒理論產(chǎn)量等玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成。

通過干旱脅迫試驗(yàn)研究干旱條件對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響是一種較為直觀的方法，但在已有的研究中多采用盆栽或池栽的方式進(jìn)行試驗(yàn)，較少在大田進(jìn)行試驗(yàn)。本文在玉米試驗(yàn)大田條件下進(jìn)行，定量控制土壤相對(duì)濕度，利用大型農(nóng)田土壤水分控制試驗(yàn)場(chǎng)，應(yīng)用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的大型移動(dòng)式遮雨系統(tǒng)，以此解決大田作物水分控制這一難點(diǎn)，模擬錦州地區(qū)玉米關(guān)鍵發(fā)育期自然漸進(jìn)干旱的動(dòng)態(tài)變化。

本試驗(yàn)再次證實(shí)了前人的研究結(jié)論，即玉米在生長(zhǎng)發(fā)育過程中遭受干旱會(huì)使其生長(zhǎng)發(fā)育受阻，而使其穗部性狀惡化，最終體現(xiàn)在產(chǎn)量上減產(chǎn)；不同生育期進(jìn)行不同程度干旱脅迫處理對(duì)產(chǎn)量的影響也不盡相同：玉米的株高和總?cè)~片數(shù)在拔節(jié)期遭受干旱所產(chǎn)生的影響大于在抽雄期遭受干旱所產(chǎn)生的影響，穗部性狀和籽粒理論產(chǎn)量在抽雄期遭受干旱所產(chǎn)生的影響大于在拔節(jié)期所產(chǎn)生的影響，且干旱程度越嚴(yán)重對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量產(chǎn)生的影響越大。

錦州地區(qū)易受干旱災(zāi)害的影響，在日常工作業(yè)務(wù)中需要對(duì)遭受干旱的玉米產(chǎn)量進(jìn)行定量評(píng)估。本文淺析了干旱對(duì)錦州地區(qū)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響，但由于本試驗(yàn)是在大田取樣測(cè)量數(shù)據(jù)而非定株測(cè)量，因此測(cè)量的數(shù)據(jù)較定株測(cè)量會(huì)稍有誤差，今后的深入研究中可以考慮改進(jìn)測(cè)量技術(shù)。我國(guó)目前有關(guān)應(yīng)用作物模型與玉米干旱脅迫影響指標(biāo)相結(jié)合的研究比較少見，今后應(yīng)繼續(xù)深入開展基于作物模型的玉米干旱脅迫影響指標(biāo)的研究，為玉米產(chǎn)量干旱影響評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

利用SPSS 對(duì)5 組不同干旱脅迫處理玉米的株高、總?cè)~片數(shù)、穗部性狀和籽粒理論產(chǎn)量進(jìn)行單變量單因子方差分析，發(fā)現(xiàn)玉米遭受中度或者是重度干旱影響后在同一時(shí)期其株高、總?cè)~片數(shù)、穗部性狀和籽粒理論產(chǎn)量均比未遭受干旱影響的玉米受到不同程度的負(fù)面影響。玉米在拔節(jié)期遭受干旱影響后對(duì)株高和總?cè)~數(shù)的負(fù)面影響更大，且這種影響隨著干旱程度的加深而加大。玉米在拔節(jié)期遭受干旱影響后對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的影響大于在抽雄期遭受干旱影響。玉米在拔節(jié)期和抽雄期遭受中度和重度干旱影響后對(duì)其穗部性狀和籽粒理論產(chǎn)量均有不同程度的顯著或者是極顯著的負(fù)面影響，且玉米在抽雄期遭受干旱影響后減少的程度較拔節(jié)期遭受干旱影響后減少的程度更嚴(yán)重，玉米遭受干旱影響的程度越嚴(yán)重，玉米籽粒理論產(chǎn)量減少的程度越嚴(yán)重。干旱最終會(huì)使玉米產(chǎn)量下降，而且重度干旱對(duì)玉米穗部性狀的負(fù)面影響更嚴(yán)重，玉米減產(chǎn)也更嚴(yán)重；玉米在抽雄期遭受干旱后對(duì)玉米穗部性狀產(chǎn)生的負(fù)面影響更大，即玉米在抽雄期遭受干旱減產(chǎn)程度大于在拔節(jié)期遭受干旱的減產(chǎn)程度。