不同灌水量對(duì)綠洲玉米生長動(dòng)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(xué) 工學(xué)院農(nóng)業(yè)水利工程系，蘭州 730070)

作物不同生長階段對(duì)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(duì)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(bǔ)償吸水特性，進(jìn)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(jìn)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(jìn)根系對(duì)有限水分的吸收利用和強(qiáng)化作物同化能力，提高光合產(chǎn)物向經(jīng)濟(jì)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(duì)策和促進(jìn)補(bǔ)償生長以及形成的產(chǎn)量差異仍值得進(jìn)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(duì)春玉米不同生育期生長動(dòng)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(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(bǔ)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(yàn)?zāi)甓却河衩咨趦?nèi)降雨量

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，1個(gè)對(duì)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(dāng)?shù)赜衩坠嗨畬?shí)際確定，傳統(tǒng)灌水處理各生育期灌水量按當(dāng)?shù)赜衩坠嗨康纳舷薮_定，作為充分灌水對(duì)照。灌水方式為畦灌，水表嚴(yán)格控制水量。玉米不同處理及對(duì)照全生育期灌水量見表1。試驗(yàn)處理及對(duì)照均重復(fù)3次，小區(qū)面積70 m2(12.5 m×5.6 m)，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)玉米為當(dāng)?shù)刂髟云贩N沈單16號(hào)，于2013年10月進(jìn)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(jìn)行中耕，人工除草，并及時(shí)防治病蟲害。

表1 不同處理玉米灌水量

2.2 測定項(xiàng)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(gè)重復(fù)取3個(gè)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(gè)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(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007作圖，用SPSS18.0軟件進(jìn)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(yán)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(yàn)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(jìn)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)a

注：a數(shù)值為每個(gè)處理三次重復(fù)的平均值。同列字母不同表示試驗(yàn)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(jì)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(huì)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(dá)51.2%和35.9%，但這兩個(gè)時(shí)期其他處理及對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài) kg/hm2

作物生長規(guī)律與整個(gè)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(gè)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(xué)模型，其決定系數(shù)均高達(dá)0.99以上(P<0.001)，可預(yù)測試驗(yàn)條件下不同灌水處理任一時(shí)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(xué)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(duì)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(duì)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(dá)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(duì)照10.7%～122.9%；對(duì)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(dá)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(dòng)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(dòng)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(jìn)經(jīng)濟(jì)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(yàn)結(jié)果有一定差異，這可能是因?yàn)橐延醒芯繛榇笮头烙昱锵挠衩壮卦栽囼?yàn)，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(duì)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(duì)照16.1%外，其他時(shí)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(dá)9.25 mg/(粒·d)，其次為處理MI2，平均灌漿速率亦高達(dá)9.16 mg/(粒·d)(圖2)，表明有限灌水條件下作物子粒平均灌漿時(shí)間相對(duì)縮短，平均灌漿速率相應(yīng)增加[14]，這是因?yàn)樽魑锷L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(duì)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/(粒·d)。

圖2 不同灌溉處理玉米平均灌漿速率

有研究認(rèn)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(jìn)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(dāng)，有限灌水可促進(jìn)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(huì)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(shí)間相對(duì)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(jìn)作物對(duì)水分的充分利用和干物質(zhì)積累，同時(shí)通過前期有限水分虧缺產(chǎn)生的后補(bǔ)償效應(yīng)促進(jìn)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(shí)提高其運(yùn)轉(zhuǎn)和分配效率。

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