不同灌溉方式下制種玉米葉面積指數(shù)、干物質(zhì)累積與產(chǎn)量研究

王增麗，欒元利，溫廣貴，董平國

(1.甘肅省武威市中心灌溉試驗(yàn)站， 甘肅 武威 733000；2.武威職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系， 甘肅 武威 733000)

自20世紀(jì)90年代以來，西北地區(qū)逐漸成為我國60多個玉米高產(chǎn)品種的制種基地。河西走廊地區(qū)由于具有良好的天然隔離條件，日照長、晝夜溫差大、干燥多風(fēng)的高產(chǎn)氣候條件，以及病蟲害輕、產(chǎn)品品質(zhì)高等特點(diǎn)具有發(fā)展制種玉米的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。目前已形成以武威市、張掖市為主產(chǎn)區(qū)的河西走廊制種基地[1]。然而該區(qū)屬典型的大陸性溫帶干旱氣候區(qū)，降水稀少、氣候干燥、蒸發(fā)強(qiáng)烈，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴灌溉，是一個典型的“非灌不殖，以水定豐欠”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。因此，對該流域主要農(nóng)作物進(jìn)行產(chǎn)量及節(jié)水效益研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。

葉面積指數(shù)(leaf area index，簡稱LAI)是群體結(jié)構(gòu)的重要量化指標(biāo)。適當(dāng)增大作物L(fēng)AI是提高作物產(chǎn)量的主要途徑之一，適宜的LAI有利于提高作物產(chǎn)量[4-6]。干物質(zhì)是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的積累及分配狀況直接影響著作物產(chǎn)量。關(guān)于制種玉米產(chǎn)量方面的研究很多，但這些研究是對相同灌溉方式進(jìn)行了橫向比較[7-8]，而對不同灌溉方式進(jìn)行的縱向比較研究較少。基于此，本試驗(yàn)通過不同灌溉方式下制種玉米葉面積和干物質(zhì)累積動態(tài)的研究，探討制種玉米葉面積與干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量的關(guān)系，旨在為本地區(qū)制種玉米節(jié)水灌溉技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2014年4—10月在甘肅省武威市中心灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)站位于東經(jīng)102°50′50″，北緯37°52′20″，海拔1 580 m，多年平均降水量為164.4 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 000 mm，地下水埋深為48 m，平均土壤密度為1.54 g·cm-3，土壤質(zhì)地為灰鈣質(zhì)粉質(zhì)壤土，田間持水率為30%(體積含水率)。

供試制種玉米品種為富農(nóng)963，于2014年4月22日種植，9月21日收獲，生育期共153 d。父母本種植比例1∶5。壟溝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為壟高20 cm，壟頂寬50 cm，壟底寬80 cm，溝底寬20 cm。每壟種2行玉米，株距20 cm，行距50 cm。基肥量：尿素262.5 kg·hm-2，磷酸二氫銨525 kg·hm-2。小區(qū)面積為100 m2(5 m×20 m)，3次重復(fù)。灌水方式設(shè)置小畦灌(SBI)、常規(guī)溝灌(CFI)、隔溝交替灌(AFI)3種，灌溉水源為地下水，灌溉水量采用水表計量。各種農(nóng)藝措施參照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)。灌溉方式設(shè)置方法見表1。

1.2 測定項目及計算方法

(1) 在制種玉米拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期采用直尺法測定葉面積，采用烘干稱重法測定地上部干物質(zhì)累積量，采用Logistic方程[9]對制種玉米干物質(zhì)累積進(jìn)行回歸分析，Logistic生長方程如下：

Y=Ym/[1+exp(a+bt)]

(1)

式中，Y為玉米某一時期的干物質(zhì)累積量(g)；t為某一時期干物質(zhì)量累積天數(shù)(d)；Ym，a，b為方程待定系數(shù)，具有特定的生物學(xué)意義，其中Ym為干物質(zhì)累積理論最大值。

設(shè)t0為生長速度最大的時間；t1，t2分別為植株進(jìn)入、結(jié)束旺盛累積的時間。當(dāng)t0=-a/b時，有d2y/d2t=0，此時干物質(zhì)累積量為最大值(vmax)，即vmax=dy/dt=-bYm/4，t0時的干物質(zhì)累積速率vmax亦稱為“累積速度特征值”。當(dāng)t1=[ln(2+1.732)-a]/b，t2=[ln(2-1.732)-a]/b時，有d3y/d3t=0，即t1時刻d2y/d2t達(dá)到最大值，t2時刻d2y/d2t達(dá)到最小值。

t1，t2將Logistic函數(shù)“S”型曲線軌跡分為3個累積階段：即在0～t1時段內(nèi)，干物質(zhì)累積率呈緩慢增長趨勢；在t1～t2時段內(nèi)，干物質(zhì)累積率加快，幾乎呈直線增加趨勢；t2時刻后，干物質(zhì)累積率逐漸緩慢。Δt=t2-t1一般被稱為植株的“時間特征值”，表示干物質(zhì)快速累積期時間的長短。

表1 制種玉米不同灌溉方式設(shè)置表

注：表中“—”表示為該時段無灌水措施。 Note：“—”in the table means no irrigation during this period.

(2) 采用農(nóng)田土壤水量平衡公式進(jìn)行耗水量計算。灌水量采用水表進(jìn)行計量。由于該試驗(yàn)田地下水埋深在40 m以下，視地下水補(bǔ)給量為0，降水入滲深度不超過1 m，視深層滲漏為0。作物生長所需水分主要由灌溉水和降雨供應(yīng)。因此，水量平衡方程可簡化為：

ETc=P+I+ΔW

(2)

式中，ETc為作物生育期耗水量(mm)；P為生育期降水量(mm)；I為生育期內(nèi)灌溉量(mm)；ΔW為作物生育期土壤蓄水變化量(mm)。

(3) 收獲后，測產(chǎn)采取小區(qū)單打單收方法測定。并按照下列公式計算出籽率、WUE。

Rs=Wg/We×100%

(3)

WUE=Y/ETc

(4)

式中，Rs為出籽率(%)；Wg為籽粒重(g)；We為穗重(g)；WUE為水分利用效率(kg·m-3)；Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg·hm-2)。

制種玉米各性狀數(shù)據(jù)取平均值，采用SPSS16.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式下制種玉米LAI變化

各處理制種玉米LAI消長動態(tài)見圖1。由圖可知，隨著葉片陸續(xù)出現(xiàn)和營養(yǎng)體增大，各處理制種玉米LAI均逐漸增大，在播后87 d左右到達(dá)峰值，之后開始下降。在苗期各處理LAI變化曲線交叉重疊，表明在苗期，作物對水分要求較低，灌水定額對LAI的影響基本一致。在播后52 d，作物進(jìn)入拔節(jié)后期，處理間LAI差異明顯，其中，T1處理LAI較T2處理、CK分別增加22.73%和20.45%，分析原因?yàn)門1較T2具有較高的灌水定額，作物根系未受水分脅迫。與CK相比較，溝灌方式較畦灌過水面積小，對作物供水較為集中，有利于水分的深層入滲、貯存。播后87 d以后，各處理LAI開始下降，但下降幅度不同。在播后95 d，CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6處理較其峰值分別降低5.80%、5.60%、5.02%、5.52%、4.13%、5.15%和4.93%。結(jié)果表明，畦灌、溝灌方式較隔溝交替降幅較高，分析原因可能為隔溝交替方式下，制種玉米根部濕潤與干燥區(qū)域的交替出現(xiàn)誘導(dǎo)了作物的補(bǔ)償生長效應(yīng)，較大地刺激了根系生長，LAI表現(xiàn)為生長衰老進(jìn)程減緩[10-11]。

圖1不同處理制種玉米葉面積指數(shù)動態(tài)

Fig.1 The dynamic of LAI of seed maize under different treatments

2.2 不同灌溉方式下制種玉米干物質(zhì)累積變化

不同處理制種玉米干物質(zhì)累積動態(tài)變化特征見表2。由表可知，制種玉米干物質(zhì)累積始于播后77～87 d，止于播后135～160 d。各處理進(jìn)入干物質(zhì)快速累積期(t1)的時間隔溝交替灌(AFI)方式早于傳統(tǒng)溝灌(CFI)方式，小畦灌(SBI)進(jìn)入干物質(zhì)快速累積期最晚。但快速生長周期持續(xù)時間(△t)結(jié)果表明，小畦灌(SBI)方式高于隔溝交替灌(AFI)，傳統(tǒng)溝灌(CFI)方式快速生長周期最短。此外，由AFI灌溉的各處理(T3、T4、T5、T6處理)測定結(jié)果可知，在抽穗期～灌漿期，增加灌水頻率和灌水定額能明顯增加制種玉米干物質(zhì)的累積量，在成熟期進(jìn)行灌溉，對干物質(zhì)累積的促進(jìn)作用不明顯。由于灌水集中，根系受水均勻，傳統(tǒng)溝灌制種玉米能較小畦灌、隔溝灌維持更高的生物量。采用隔溝交替灌溉方式，在抽穗期～灌漿期應(yīng)增加灌水頻率或灌水定額。

表2 不同處理制種玉米干物質(zhì)累積特征值

2.3 葉面積指數(shù)、干物質(zhì)累積與產(chǎn)量的關(guān)系

不同灌溉方式制種玉米生育期葉面積指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系見表3。由表可知，播后35 d(苗期)制種玉米LAI與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.85，表明在作物營養(yǎng)生長期應(yīng)充分供水、施肥以保證滿足作物的營養(yǎng)生長需要。播后87 d(抽穗后期)以后，制種玉米LAI與產(chǎn)量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.95、0.96和0.90。其中，播后87 d、95 d制種玉米LAI與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，在制種玉米生殖生長后期，適當(dāng)采取控水、控肥措施可降低植株的生長冗余。

不同灌溉方式制種玉米干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系如表4所示。由表可知，制種玉米各生育期干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系。其中，拔節(jié)期(播后69 d)、灌漿期(播后125 d)和成熟期(152 d)干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量相關(guān)性不顯著，抽穗期(播后105 d)制種玉米干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.77。表明抽穗期的干物質(zhì)累積對制種玉米產(chǎn)量形成起主要作用，增大抽穗期制種玉米干物質(zhì)累積量可以明顯提高制種玉米產(chǎn)量。

表3 制種玉米不同播后天數(shù)葉面積指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系

注：*, **分別表示在0.05和0.01的顯著水平。下同。

Note：*, ** indicate significant correlation(P<0.05) and extremety significant correlation(P<0.01) respectively. The same as below.

表4 制種玉米不同播后天數(shù)干物質(zhì)累積與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

2.4 制種玉米產(chǎn)量、耗水量與WUE分析

制種玉米生育期耗水量、產(chǎn)量及WUE關(guān)系分析結(jié)果見圖2。由圖可知，各處理產(chǎn)量為5.89～6.93 t·hm-2，T5處理產(chǎn)量最高，CK產(chǎn)量最低。傳統(tǒng)溝灌(CFI)、隔溝交替灌(AFI)產(chǎn)量與小畦灌(SBI)差異達(dá)顯著性水平。結(jié)合WUE分析結(jié)果可知，隔溝交替灌(AFI)較傳統(tǒng)溝灌(CFI)和小畦灌(SBI)具有顯著的節(jié)水效益，且差異顯著。其中，CK耗水量為625 mm，WUE為0.94 kg·m-3，明顯低于其它處理，表明小畦灌產(chǎn)量是以較大耗水量為代價換來的。T5處理產(chǎn)量最高，對應(yīng)灌水次數(shù)為8次，灌溉定額為2 250 m3·hm-2，能滿足制種玉米各生育階段對水分的需求。灌水次數(shù)過少、過多都不利于制種玉米生長發(fā)育，供水過少，制種玉米植株遭受水分脅迫而不能正常生長，也會導(dǎo)致產(chǎn)量降低。結(jié)果表明，隔溝交替灌溉條件下，相同灌溉定額，低灌水定額、高灌水次數(shù)的灌溉效果較優(yōu)；相同灌溉定額，在灌漿初期進(jìn)行灌溉措施灌水效果較優(yōu)。

2.5 制種玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素通徑分析

制種玉米產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素通徑分析結(jié)果見表5，由表可知，穗長、行粒數(shù)、出籽率3個自變量的通徑系數(shù)均為正值，表明三者對產(chǎn)量的凈效應(yīng)均為正值，對產(chǎn)量表現(xiàn)為促進(jìn)作用。禿尖長對產(chǎn)量的凈效應(yīng)為負(fù)值，說明穗型過長，籽粒干癟影響產(chǎn)量。行粒數(shù)、出籽率、穗長、禿尖長4因素的直接通徑系數(shù)分別為0.6103、0.3560、0.0761和-0.1056。在間接通徑系數(shù)中，穗長通過其它因素對產(chǎn)量的影響為負(fù)效應(yīng)，出籽率通過行粒數(shù)、禿尖長對產(chǎn)量的影響為正效應(yīng)(X4→X3→Y=0.5721，X4→X2→Y=0.0519)，行粒數(shù)通過出籽率、禿尖長對產(chǎn)量產(chǎn)生正效應(yīng)(X3→X4→Y=0.3337，X3→X2→Y=0.0475)。結(jié)果表明，穗長、禿尖長對產(chǎn)量的影響雖然沒有行粒數(shù)、出籽率明顯，但各因素之間仍存在相互協(xié)調(diào)作用。

圖2 各處理制種玉米產(chǎn)量、WUE關(guān)系分析

注：表中X1、X2、X3、X4分別為穗長、禿尖長、行粒數(shù)和出籽率；決定系數(shù)R2=0.9998，剩余通徑系數(shù)Pe=0.0111。

Note:X1,X2,X3andX4mean ear length, bald tip length, row grain numbers and kernel rate respectively,R2=0.9998,Pe=0.0111.

3 結(jié)論與討論

土壤水分是影響作物生長發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用效率的主要環(huán)境因子之一[12]，綜合考慮土壤水分狀況，避免土壤長期處于水分虧缺狀態(tài)有利于實(shí)現(xiàn)作物可持續(xù)高產(chǎn)高效[13]。

葉面積是植物截獲光能的物質(zhì)載體，葉面積指數(shù)(LAI)是反映作物群體光合能力的重要指標(biāo)[14]。適宜的葉面積指數(shù)能夠保證光熱資源的有效利用，提高光合效率，促進(jìn)有機(jī)產(chǎn)物的合成與積累，進(jìn)而獲得作物高產(chǎn)[15-16]。本研究結(jié)果表明，不同灌溉方式下，各處理制種玉米LAI消長動態(tài)曲線基本一致，呈先增大后降低的趨勢，峰值出現(xiàn)在播后87 d左右。隔溝交替灌溉能提高作物對水分脅迫的適應(yīng)性，延緩作物L(fēng)AI的衰老進(jìn)程。制種玉米苗期LAI與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.85)，抽穗期后，制種玉米LAI與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

張立勤[17]研究表明，在相同灌溉定額條件下，溝灌方式較小畦灌方式能增加作物穗粒數(shù)和千粒重，增加產(chǎn)量。在作物灌漿期進(jìn)行適度的水分虧缺處理，能提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)。采用分根交替灌溉方式能明顯改善作物品質(zhì)，提高水分和氮肥利用效率[18-20]。吳燕[21]研究結(jié)果表明，在櫻桃番茄結(jié)果期采用溝灌方式，可有效提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，且節(jié)水效果明顯。曾愛國[22]研究結(jié)果表明，全膜壟作溝灌條件下，在作物抽穗中后期應(yīng)考慮適當(dāng)降低灌溉水量，這與本研究結(jié)果相一致。

干物質(zhì)累積是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，較高的干物質(zhì)累積是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的必要保證[23]，本研究結(jié)果表明，制種玉米生育期總干物質(zhì)快速累積期始于播后77～87 d，止于播后135～160 d。干物質(zhì)累積速率與產(chǎn)量呈正相關(guān)，其中抽穗期干物質(zhì)累積量對產(chǎn)量形成起主要作用，累積量越大，產(chǎn)量越高，這與劉偉[24]的研究結(jié)果相一致。

不同灌溉方式下，隔溝交替灌水效果優(yōu)于常規(guī)溝灌，常規(guī)溝灌又優(yōu)于小畦灌。綜合考慮產(chǎn)量、WUE等因素，制種玉米采取隔溝交替灌溉方式，全生育期灌水8次，灌溉定額為2 250 m3·hm-2的灌溉制度節(jié)水與增產(chǎn)效益最優(yōu)，但應(yīng)適當(dāng)考慮增加抽穗期～灌漿期的灌水頻率或灌水定額。

[1] 張立勤，馬忠明，王智琦，等.不同栽培模式下制種玉米的產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效應(yīng)[J].節(jié)水灌溉，2012(12):43-45,50.

[2] 張永明，殷雪梅，王嘉翔，等.石羊河流域行業(yè)取耗水總量控制指標(biāo)研究[J].中國水利水電科學(xué)院學(xué)報,2014,12(3):282-286.

[3] 張曉琳，霍再林，佟 玲.石羊河流域主要作物節(jié)水灌溉效益評價[J].中國農(nóng)村水利水電,2014,8:15-17.

[4] 權(quán)麗雙，王振華，鄭旭榮，等.水氮耦合對滴灌復(fù)播油葵生長及產(chǎn)量的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2016,34(1):61-65.

[5] James E. Board soybean cultivar differences on light interception and leaf area index during seed filling[J]. Agron Journal, 2004,96(1):305-310．

[6] 王 強(qiáng)，虢 慧.不同播期下油菜葉面積指數(shù)及干物質(zhì)累積與產(chǎn)量的關(guān)系[J].作物研究，2016,30(1):4-7.

[7] 董平國，王增麗，溫廣貴，等.不同灌溉制度對制種玉米產(chǎn)量和階段耗水量的影響[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報，2014,32(9):822-828.

[8] 韓萬海，王增麗，張 萍.石羊河流域制種玉米全膜壟作溝灌水肥調(diào)控試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報，2014,33(4/5):107-111.

[9] 冉 輝，蔣桂英，徐紅軍，等.灌溉頻率和施氮量對滴灌春小麥干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響[J].麥類作物學(xué)報，2015,35(3):379-386.

[10] 梁宗鎖，康紹忠，邵明安，等.土壤干濕交替對玉米生長速度及其耗水量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000,16(5):38-40.

[11] 郭相平，康紹忠.玉米調(diào)虧灌溉的后效性[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000,16(4):58-60.

[12] 李昊儒，梅旭榮，郝衛(wèi)平，等.不同灌溉施肥制度對土壤水分變化及夏玉米產(chǎn)量的影響[J]．灌溉排水學(xué)報，2012,31(4):72-74,98．

[13] 劉中奇，朱清科，秦 偉，等.半干旱黃土區(qū)典型林地土壤水分消耗與補(bǔ)給動態(tài)研究[J]．灌溉排水學(xué)報，2010,29(3):36-40．

[14] 張吉旺，王空軍，胡昌浩，等.施氮時期對夏玉米飼用營養(yǎng)價值的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002,35(11):1337-1342.

[15] 毛慶文，吳桂麗，閻立波，等.不同密度下玉米鄭單958葉面積及干物質(zhì)積累的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010,38(29):16171-16172，16174.

[16] 王曉梅，崔 坤，宋利潤.不同密度與玉米生長發(fā)育及品質(zhì)相關(guān)性的研究[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006,31(3):3-6.

[17] 張立勤，馬忠明，俄勝哲.壟膜溝灌栽培對制種玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007,16(4):83-86.

[18] Zhang J X, Cheng Z Y, Zhang R. Regulated deficit drip irrigation influences on seed maize growth and yield under film[J]. Procedia Engineering, 2012,28(2):464-468.

[19] Liang H L, Li F S, Nong M L. Effects of alternate partial root-zone irrigation on yield and water use of sticky maize with fertigation[J]. Agricultural Water Management, 2013,116(1):242-247.

[20] 李 瑞，牛曉麗，周振江.分根區(qū)交替灌溉條件下水肥供應(yīng)對番茄可溶性糖含量的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,41(3):124-132.

[21] 吳 燕，梁銀麗，朱娟娟.灌溉方式對櫻桃番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009,37(8):177-181.

[22] 曾愛國.灌水量對全膜壟作溝灌玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2017,35(2):207-212．

[23] 李向嶺，趙 明，李從鋒，等.播期和密度對玉米干物質(zhì)積累動態(tài)的影響及其模型的建立[J].作物學(xué)報，2010,36(12):2143-2153.

[24] 劉 偉，張吉旺，呂 鵬，等.種植密度對高產(chǎn)夏玉米登海661產(chǎn)量及干物質(zhì)積累與分配的影響[J].作物學(xué)報，2011,37(7):1301-1307.