應用缺次灌溉和半產需水量模型鑒定玉米雜交種的抗旱性

唐懷君，謝小清，張 磊，孫寶成，周芳芝，劉 成

(1.新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農業科學院墨玉試驗站，新疆墨玉 848100)

0 引 言

【研究意義】干旱是影響作物生長發育，造成作物減產的主要非生物脅迫因子之一[1-2]，每年因旱災給我國玉米產量造成了巨大損失[3]。抗旱性也是品種穩產的重要體現。玉米的抗旱性具有階段性，在不同生育期抗旱性不同；玉米抗旱性也具有自我調整性，早期輕度干旱脅迫能夠促進玉米根系的生長，有利于增強后續生育階段的抗旱性。充分灌水條件下玉米雜交種的最大產量(Ym，maximum yield )反映品種的豐產性。半產需水量(Wh, Water needed for half-yield)是維持玉米產量一半所需的灌水總量，反映品種的抗旱性。Wh數值越小，抗旱性越強。在以往的抗旱性研究中，抗旱性鑒定結果因脅迫時期、脅迫強度、持續時間及品種不同而不同[4]。玉米全生育期的抗旱性取決于各階段抗旱性，階段抗旱性的研究對于玉米灌溉決策至關重要；研究玉米不同時期缺水對玉米產量的影響規律十分必要。鑒定和評價玉米抗旱性，對我國玉米生產的穩產性具有重要意義。【前人研究進展】作物模型作為大田試驗研究方法的補充,是農業研究中的重要工具[5-6]。胡玉昆等[7]探討了利用作物模型估算農業需水量的方法，在對DSSAT模型進行充分校正和驗證的基礎上估算了農業需水量在不同降雨典型年份的變異性。馬波等[8]在分析已有作物生長模擬模型研究存在問題的基礎上，提出了作物生長模擬模型研究的發展趨勢。近年來，灌溉決策研究中采用了神經網絡等復雜的數學模型，但更廣泛的是采用簡便的加法和乘法模型，如Blank、Stewart、Singh、Jensen、Minhas、Hanks等經典模型[9]。【本研究切入點】因為擬合數據經常出現參數為負的情況，劉成等[9]在分析玉米產量和水分關系的基礎上，推導出產量和水分的非線性冪指數飽和理論模型(半產需水量模型)，在梯度缺次灌水條件下能夠精細評價玉米的抗旱性，對模型的實際應用介紹不足。研究玉米雜交種產量數據與累計灌水量關系，驗證半產需水量模型的有效性。【擬解決的關鍵問題】試驗以6個新疆主推的玉米雜交品種為試驗材料，在缺次灌水條件下，采用梯度缺次灌水試驗方法，介紹和計算半產需水量參數，為玉米雜交種的抗旱性精細鑒定提供方法案例。

1 材料與方法

1.1 材 料

2017年應用梯度缺次灌溉試驗方法鑒定玉米雜交種的抗旱性。材料為新疆主栽的玉米雜交種6個，分別為：鄭單958、先玉335、新玉33號、新玉54號、新玉67號和新玉69號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗在新疆農業科學院安寧渠試驗場進行。灌水時期分別為播種后1 d、拔節初、抽雄、吐絲、灌漿初、灌漿中期和灌漿末期。梯度缺次灌水方案中，處理T1共灌水1次，只在播種后第2 d灌水1次；處理T2共灌水2次，是在T1的基礎上拔節期增加1次灌水；處理T3共灌水3次，是在T2的基礎上抽雄期增加1次灌水；處理T4共灌水4次,是在T3的基礎上散粉期增加1次灌水；處理T5共灌水5次，是在T4的基礎上灌漿初期增加1次灌水；處理T6共灌水6次,是在T5的基礎上灌漿中期增加1次灌水；T7(CK)共灌水7次，是在T6的基礎上灌漿末期增加1次灌水。表1

表1 抗旱性鑒定梯度灌水方案

Table 1 Gradient Irrigation scheme for the test of drought resistance identification (m3/hm2)

每個材料在T1～T7處理區中分別種植6行，3次重復，重復間隨機排列，每個處理共種植18行。行長3 m，行距0.55 m，株距0.3 m，種植密度60 600株/hm2，不同水分處理區之間及四周均設置5 m以上水分隔離帶。

1.2.2 測定指標

收獲后測定小區產量和籽粒含水量，除以株數并折算成14%含水量的標準單株產量。折算公式：14%含水量的單株產量=實測單株產量×(100-實際含水量)/(100-14)。計算3次重復平均值，折算成不同灌水量處理的公頃產量。

1.3 數據處理

采用Excel 2010中的規劃求解，確定非線性冪指數飽和模型[9]Y=Ym×Wk/(Wk+Whk) 中的Ym(充分灌水的產量)、Wh(半產需水量)和K(水分敏感系數)的參數值。采用STATISTICA10.28統計軟件對模型的計算值和實際測定值進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 缺次灌溉下玉米雜交種的平均產量和模型擬合

將6個玉米雜交種在不同水分處理條件下的小區產量計算出3次重復的平均值，并折算成14 %含水量的每公頃產量。結果表明，鄭單958在T1～T7處理的平均產量分別為5 356.9、8 584.9、9 361.9、11 603.8、11 860.0、12 966.5、11 595.8 kg/hm2；先玉335在T1～T7處理的平均產量分別為7 272.0、9 700.2、11 797.7、12 284.5、14 015.4、13 490.1、14 218.4 kg/hm2；新玉33號在T1～T7處理的平均產量分別為5 151.0、7 684.2、9 884.2、10 517.7、12 014.5、12 561.6、12 666.7 kg/hm2；新玉54號在T1～T7處理的平均產量分別為5 454.0、7 831.8、7 969.2、9 231.7、9 963.6、9 336.2、9 224.2 kg/hm2；新玉67號在T1～T7處理的平均產量分別為6 060.0、9 213.2、10 605.0、11 053.4、13 259.7、13 257.7、12 976.8 kg/hm2；新玉69號在T1～T7處理的平均產量分別為5 454.0、8 352.1、9 024.5、10 642.5、11 681.6、11 715.1、12 370.6 kg/hm2。表2

表2 供試玉米雜交種平均產量
Table 2 Average yield of the tested hybrid species

處理Treat灌水量Irrigation Water(m3/hm2)平均產量 Average Yield(kg/hm2)鄭單958zhengdan958先玉335xianyu335新玉33號xinyu33新玉54號xinyu54新玉67號xinyu67新玉69號xinyu69T11 050.75 356.97 272.05 151.05 454.06 060.05 454.0T21725.78 584.99 700.27 684.27 831.89 213.28 352.1T32 400.69 361.911 797.79 884.27 969.210 605.09 024.5T43 451.311 603.812 284.510 517.79 231.711 053.410 642.5T54 351.311 860.014 015.412 014.59 963.613 259.711 681.6T65 251.212 966.513 490.112 561.69 336.213 257.711 715.1T76 000.411 595.814 218.412 666.79 224.212 976.812 370.6

以實際測定的產量數據為因變量(Y)，以累計灌水量(W)數據為自變量，用非線性冪指數飽和模型Y=Ym×Wk/(Wk+Whk) 進行試驗數據擬合，利用Excel的規劃求解功能，求出模型參數Ym、Wh、k的值。圖1

研究表明，非線性冪指數飽和模型對產量-水分的關系能很好地擬合試驗數據，模型計算值和產量實際值的相關系數為0.968～0.994，平均值為0.984，相關性均達到極顯著水平。表3

表3 供試雜交種的模型參數相關系數
Table 3 Model parameters and correlation coefficients of the tested hybrid species

品種Varieties模型參數 Model ParametersYm (kg/hm2)Wh (m3/hm2)K 擬合相關系數Correlation coefficient鄭單958 Zhengdan95813 080.81 277.41.840.978**先玉335 Xianyu33515 460.21 150.81.420.988**新玉33號 Xinyu3314 417.41 550.61.490.994**新玉54號 Xinyu549 760.9928.42.010.968**新玉67號 Xinyu6714 434.51 264.71.550.982**新玉69號 Xinyu6914 024.01 423.71.340.993**平均 Average13 529.61 265.91.610.984**

2.2 缺次灌溉下玉米雜交種產量與累計灌水量關系

研究表明，6個玉米雜交種在缺次灌溉試驗中，隨著累計灌水量的增加，產量依次提高。累計灌水量在0～2 600 m3/hm2水平時增加幅度較大；高于2 600 m3/hm2水平時，產量的增加幅度較小，且在累計灌水量達到5 200 m3/hm2時產量趨于最大化。產量隨水分的增加呈現飽和曲線趨勢。圖1

圖1 玉米雜交種的產量與累計供水量關系
Fig.1 Relationship between maize yield and accumulative water amount

2.3 缺次灌溉下玉米雜交種的產量和抗旱性變化

研究表明，在充分灌水條件下Ym從大到小的品種順序是：先玉335(15 460.2)、新玉67號(14 434.5)、新玉33號(14 417.4)、新玉69號(14 024.0)、鄭單958(13 080.8)和新玉54號(9 760.9 kg/hm2)。其中，新玉54號生育期95 d，為早熟玉米，產量最低；其它5個中晚熟品種中先玉335產量最高。圖2

圖2 充分灌水的最大產量Ym (kg/hm2)

Fig.2 Maximum yield if saturated irrigation

研究表明，Wh從小到大的品種排列順序是：新玉54號(928.4)、先玉335(1 150.8)、新玉67號(1 264.7)、鄭單958(1 277.4)、新玉69號(1 423.7)和新玉33號(1 550.6)，除了新玉54號早熟品種需水少外，其它5個中晚熟品種中，先玉335的半產需水量最少，表現出較高的抗旱性和水分利用效率。圖3

圖3 半產需水量Wh (m3/ hm2)

Fig.3 Water needed for Half-yield

2.4 缺次灌溉下玉米雜交種抗旱豐產性的篩選

以Ym和Wh的平均值為界劃分為4個象限。第I象限是產量較高但用水較多的品種(新玉33號、新玉69號、新玉67號)，第Ⅱ象限是產量較低且用水較多的品種(鄭單958)，第Ⅲ象限是產量較低但抗旱的品種(新玉54號)，第Ⅳ象限是高產且抗旱性強的品種(先玉335)。其中，早熟品種新玉54號在7月高溫干旱之前完成授粉，具有最小的半產需水量，因為早熟產量也較低。

依據玉米雜交種的豐產性和抗旱性綜合考慮得到品種從大到小的排列順序為先玉335、新玉67號、新玉33號、新玉69號、鄭單958、新玉54號。圖4

圖4 豐產性與抗旱性的Ym-Wh

3 討 論

玉米是農作物中需水較多，在不同生育時期對水分脅迫的反應不同。有研究表明，苗期抗旱性較強，孕穗期至開花期對水分脅迫最敏感，拔節期相對較輕[10]。以往研究大多集中在某一生育時期[11-13]或玉米種植中的水分利用效率、耗水量和耗水規律、農藝節水措施、水分對產量和生理生化特性的影響等方面[12]，鄭利均[13]研究認為玉米產量與灌水定額呈二次函數關系。研究表明，在缺次灌水條件下，6個玉米材料的產量隨著累計灌水總量的增加而提高，呈現典型的飽和曲線趨勢，這與前人的研究結果相似；這個關系能用非線性冪指數飽和模型很好地擬合，模型計算值和產量實際值的相關性在0.968～0.994，均達到了極顯著水平。

干旱是造成中國北方玉米產量低而不穩的重要原因[14]，干旱脅迫可導致玉米生長發育緩慢，隨著干旱程度增大，作物生長受抑加重，減產加劇[15]，減產程度因脅迫時期、脅迫強度、持續時間及品種不同而不同[4]。以往玉米抗旱材料的鑒定和評價多集中在開花期干旱脅迫[11]，但不同材料的生育期相差很大，開花期不一致，很難確定脅迫處理的時間；開花期脅迫鑒定結果無法代表其它生育期的抗旱性，即便獲得了不同生育期的抗旱性，因為階段抗旱性系數大小不同，也無法對品種全生育期抗旱性做定論，材料在全生育期和不同生育期的抗旱性鑒定研究力度仍然不足。為確保玉米抗旱性鑒定和評價的準確性，該文以實例介紹了缺次灌水和非線性冪指數飽和模型分析法。當灌水量減少時，產量隨之下降；當灌水量增加時，產量隨之增加。但半產需水量參數是品種抗旱性的一個綜合指標，不會隨著灌水量的變化有大的變化，因此，這一參數能夠反映玉米雜交種的全生育期抗旱性，可用于鑒定和對比品種的產量潛力和抗旱性。

4 結 論

缺次灌水條件下，玉米雜交種的產量隨著累積灌水量的增加而提高，但灌水量在5 200 m3/hm2時產量趨于最大；非線性冪指數飽和模型對產量-水分的關系有較好的擬合度；模型計算值和產量實際值的相關系數為0.968～0.994，相關性均達到了極顯著水平；依據玉米雜交種的豐產性和抗旱性綜合考慮得到品種從大到小的排列順序為先玉335、新玉67號、新玉33號、新玉69號、鄭單958、新玉54號。非線性冪指數飽和模型有較好的擬合度，符合玉米雜交種產量水分關系。其中，半產需水量是一個重要的抗旱性指標，結合梯度缺次灌溉方法，可用于玉米雜交種的精細鑒定評價中。

參考文獻(References)

[1] 朱婷婷, 王彥霞, 裴麗麗, 等. 植物蛋白激酶與作物非生物脅迫抗旱性的研究[J]. 植物資源遺傳學報, 2017, 18(4): 763-770.

ZHU Ting-ting, WANG Yan-xia, PEI Li-li, et al. (2017). Research progress of plant protein kinase and abiotic stress resistance [J].JournalofPlantGeneticResources, 18(4): 763-770. (in Chinese)

[2] 王德信, 楊曉瑩. 玉米幼苗對干旱脅迫的生理響應[J]. 貴州農業科學, 2018, 46(4): 26-29.

WANG De-xin, YANG Xiao-ying. (2018). Physiological response of maize seedlings under drought stress [J].GuizhouAgriculturalSciences, 46(4): 26-29. (in Chinese)

[3] 韓登旭, 楊杰, 邵紅雨, 等. 玉米耐旱性的配合力分析[J]. 玉米科學, 2013, 21(1): 19-22.

HAN Deng-xu, YANG Jie, SHAO Hong-yu, et al. (2013). Combining ability of drought resistance in maize [J].JournalofMaizeSciences, 21(1): 19-22. (in Chinese)

[4] 田樹云, 文仁來, 何靜丹, 等. 廣西主栽玉米品種苗期干旱脅迫及復水補償效應研究[J]. 西南農業學報, 2016, 29(3): 479-485.

TIAN Shu-yun, WEN Ren-lai, HE Jing-dan, et al. (2016). Effect of Guangxi main cultivated maize varieties under drought stress at seedling stage and its water compensation [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences, 29(3): 479-485. (in Chinese)

[5] 譚君位. 作物模型參數敏感性和不確定性分析方法研究[D]. 武漢, 武漢大學博士學位論文, 2017.

TAN Jun-wei. (2017).Studyonparametersensitivityandmodeluncertaintyanalysisofcropmodel[D]. PhD Dissertation. Wuhan University, Wuhan. (in Chinese)

[6] 張紅英, 李世娟, 諸葉平, 等. 小麥作物模型研究進展[J]. 中國農業科技導報, 2017, 19(1): 85-93.

ZHANG Hong-ying, LI Shi-juan, ZHU Ye-ping, et al. (2017).Research progress on wheat crop model [J].JournalofAgriculturalScienceandTechnology, 19(1): 85-93. (in Chinese)

[7] 胡玉昆, 王玉坤, 楊艷敏, 等. 利用作物模型估算農業需水量的探討[J]. 節水灌溉, 2009, (11):18-20.

HU Yu-kun, WANG Yu-kun, YANG Yan-min, et al. (2009). Discussion on using crop model to evaluate agricultural water demand quantity [J].WaterConservationIrrigation, (11): 18-20. (in Chinese)

[8] 馬波, 田軍倉. 作物生長模擬模型研究綜述[J]. 節水灌溉, 2010, (2):1-5.

MA Bo, TIAN Jun-cang. (2010).A review on crop growth simulation model research [J].WaterConservationIrrigation, (2): 1-5. (in Chinese)

[9] Liu, C. , Sun, B. C. , Tang, H. J. , Wang, T. Y. , Li, Y. , & Zhang, D. F. , et al. (2017). Simple nonlinear model for the relationship between maize yield and cumulative water amount.JournalofIntegrativeAgriculture, 16(4): 858-866.

[10] 李秋祝, 趙宏偉, 魏永霞, 等. 春玉米不同生育時期干旱對主要生理參數的影響[J]. 東北農業大學學報, 2006, 37(1): 8-11.

LI Qiu-zhu, ZHAO Hong-wei, WEI Yong-xia, et al. (2006). Effect of the physiological parameters in different growth stages of spring maize by drought [J].JournalofNortheastAgriculturalUniversity, 37(1): 8-11. (in Chinese)

[11] 彭云玲, 趙小強, 任續偉, 等. 開花期干旱脅迫對不同基因型玉米生理特性和產量的影響[J]. 干旱地區農業研究, 2014, 32(3): 9-14.

PENG Yun-ling, ZHAO Xiao-qiang, REN Xu-wei, et al. (2014). Genotypic differences in response of physiological characteristics and grain yield of maize inbred lines to drought stress at flowering stage [J].AgriculturalResearchintheAridAreas, 32(3): 9-14. (in Chinese)

[12] 李全起, 陳雨海, 房全孝. 夏玉米種植中水分問題的研究進展[J]. 玉米科學, 2004, 12(1): 72-75.

LI Quan-qi, CHEN Yu-hai, FANG Qian-xiao. (2004). Study progress on the water problems of summer maize planting [J].JournalofMaizeSciences, 12(1): 72-75. (in Chinese)

[13] 鄭利均. 膜下滴管玉米需水規律的研究[D]. 石河子: 石河子大學碩士學位論文，2014.

ZHENG Li-jun. (2014).Studyonwaterrequirementofcornwithsubmembranedriptube[D]. Master Dissertation. Shihezi University, Shihezi. (in Chinese)

[14] 劉化濤, 黃學芳, 黃明鏡, 等. 穗期干旱脅迫下春玉米產量與抗旱性分析研究[J].中國農學通報,2014,(27):77-81.

LIU Hua-tao, HUANG Xue-fang, HUANG Ming-jing, et al. (2014). Research and analysis of maize yield and drought resistance under drought stress in heading stage [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin, (27):77-81. (in Chinese)

[15] 劉化濤, 黃學芳, 黃明鏡, 等. 拔節期干旱對春玉米產量性狀及抗旱性的影響[J].作物雜志, 2016,(2):89-94.

LIU Hua-tao, HUANG Xue-fang, HUANG Ming-jing, et al. (2016). Effects of drought stress at jointing stage on yield and drought resistance in spring maize [J].Crops, (2): 89-94. (in Chinese)