基于穩定碳同位素的寒地黑土區玉米水分利用效率研究

張忠學 陳帥宏 陳 鵬 鄭恩楠 劉 明

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

黑龍江省是全國重要的玉米生產基地之一，玉米總種植面積占全省糧食作物種植總面積的53.9%，總產量占全省糧食產量的56%，但目前該地區玉米生產仍以漫灌為主[1]，通過田面蒸發和土壤滲漏損失的水量較大，水分利用效率偏低。因此，提出一種滿足該地區玉米高產節水生產要求的灌溉方案，使玉米達到高產目的的同時，獲得更高水平的水分利用效率，顯得尤為重要。為實現上述目標，需要研究不同灌溉方案下玉米水分利用效率的變化規律，前人對水分利用效率的研究多集中在葉片水分利用效率(WUEl)[3]和產量水分利用效率(WUEy)[4]上。由于WUEl是基于氣體交換原理計算出來的，只能用來解釋植株瞬時生理狀態，無法對作物生產力以及相當長一段時期內的作物水分利用效率作出綜合反映[5]。而WUEy的測算需要大量復雜繁瑣的工作，且在測量干物質和作物蒸發蒸騰量的過程中存在較大誤差，所計算出來的WUEy準確程度不高。因此如何快速、有效、準確地評價不同灌溉方案下的玉米水分利用效率(WUE)，成為該地區節水灌溉的研究重點之一[6]。

自然界的穩定碳同位素有2種，其中12C約占98.89%，13C約占1.11%。植株葉片在光合作用的過程中會對碳同位素進行判別，對重碳同位素(13C)有排斥作用，因此，植株在固定CO2積累生物量的過程中會發生碳同位素的分餾[7-8]，使得作物組織CO2中13C與12C的比值小于空氣中13C與12C的比值。Δ13C反映出細胞間CO2濃度與空氣中CO2濃度的比值(Ci/Ca)在一段時間范圍內的變化，間接地傳遞出干物質中13C和12C的比值相對于空氣中13C和12C比值的偏離程度[9-10]。前人的研究發現，Δ13C能夠很好地反映作物生育期WUEy的變化情況，同時可以對葉片瞬時水分利用效率(WUEi)和潛在水分利用效率(WUEn)做出推斷[11]。目前，針對Δ13C與長期WUE之間指示關系的研究主要集中在水稻、大豆、小麥等C3作物以及一些木本植物上[12-15]，對于玉米等C4作物的研究相對較少。相較于C3作物，C4作物通過光合作用同化CO2的過程更加復雜，因此環境條件的變化會使C4作物的光合作用以及碳同位素分餾作用產生不同于C3作物的變化規律[16-17]。

本文通過理論分析和田間試驗相結合的方法，研究不同灌溉方案下玉米不同水平水分利用效率變化規律，分析不同灌溉方案下的玉米拔節和成熟2個時期葉片碳同位素分辨率(ΔL)以及成熟期果實碳同位素分辨率(ΔF)分別與不同水平WUE之間的相關關系，旨在進一步解釋不同灌溉制度條件下玉米水分利用規律，找出適合東北地區玉米生產的最優灌溉制度，同時為寒地黑土區玉米WUE的研究提供一種準確、有效、快速的評價方法，為該地區玉米生產提供理論支撐及數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在黑龍江省大慶市肇州縣農業技術推廣中心進行。該中心地處125°17′57.70″E，45°42′57.50″N，黑龍江省西南部，松嫩平原腹地，屬于大陸性溫寒帶氣候，大于10℃活動積溫2 845℃，無霜期138 d，多年的平均降水量為463 mm，本試驗各時期期降雨量見圖1。年風向多屬于西南風和西北風，多風少雨，十年九春旱。試驗供試農田土壤類型為碳酸鹽黑鈣土，基礎理化性質：pH值6.4，耕層土壤(0～20 cm)基礎肥力如下(均為質量比)：全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全鉀19.86 g/kg、有機質28.73 g/kg、堿解氮110.17 mg/kg、速效磷44.71 mg/kg、速效鉀220.16 mg/kg。

圖1 玉米各生育階段降雨量 Fig.1 Rainfall during maize growth stages

1.2 試驗設計

試驗采用灌水定額和灌水次數2因素試驗，試驗處理方案見表1。灌溉量設置4個水平，依次為800、700、600、500 m3/hm2。灌水次數設置3個水平，分別為灌水4次(苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期)、灌水3次(苗期、拔節期、抽雄期)和灌水2次(苗期、拔節期)。試驗共計13個處理，以不灌水作為空白對照，3次重復，共計39個試驗小區。小區采用隨機區組布置，每個小區面積為104 m2(10 m×10.4 m)，試驗區總面積為0.41 hm2。試驗區每公頃保苗67 500株，每小區16條壟，壟寬65 cm，植株間距23 cm，保護區寬度5 m，保護行寬1 m。

表1 試驗處理設計 Tab.1 Design of experimental treatments

試驗玉米品種為當地高產品種“大龍568”，于2017年4月21日施基肥，4月28日播種，6月13日進行苗期灌水，7月5日進行拔節期追肥和灌水，7月24日進行抽雄期灌水，8月25日進行灌漿期灌水，到9月25日成熟期結束，全生育期共150 d。4次灌水均在各生育階段開始10～15 d進行，若該時段出現降雨，則灌水延后數天進行。試驗所用的肥料為尿素(含氮質量分數46%)，磷酸二銨(含氮質量分數18%、含磷質量分數46%)和硫酸鉀(含鉀質量分數58%)。各處理的施肥量相同，折算成元素量為施純氮225 kg/hm2，施純磷90 kg/hm2，施純鉀90 kg/hm2，氮肥按照基肥∶拔節肥為2∶1的比例分施。

試驗灌水方式為噴灌，采用5983型搖臂式噴頭(噴灑半徑 9.0～14.0 m、流量0.74～1.02 m3/h)，噴頭安裝在長1.5 m的支管上。灌水時將4個噴頭分別布置在小區四角上，逐一對各小區進行灌水。為防止各小區之間發生水分交換，調節噴頭射程略微小于小區長度，且在各個小區之間設置30 cm寬的緩沖區。灌溉所用水源為當地地下水，用管道末端的水表控制灌水量。

1.3 觀測內容與方法

1.3.1土壤水分

從苗期開始(2017年5月16日)，利用土鉆每隔10 d取一次土樣，每個試驗小區取2個測點，測點間距大于1 m。取土深度80 cm，分為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，共5層。取出的土樣在105℃干燥箱中干燥至質量恒定，測算每個小區的土壤含水率。各時期玉米耗水量計算公式為

(1)

式中ET1-2——玉米階段耗水量，mm

n——土層總數目

γi——第i層土壤干容重，g/cm3

Hi——第i層土壤厚度，cm

Wi1——第i層土壤在時段初質量含水率，%

Wi2——第i層土壤在時段末質量含水率，%

M——時段內灌水量，mm

P——時段內降水量，mm

試驗地地下水埋深較大(超過6 m)，且地勢平坦，不計地下水補給、深層滲漏以及地表徑流。

玉米產量水平水分利用效率(WUEy)計算公式為

WUEy=Y/ET

(2)

式中Y——玉米產量，kg

ET——玉米全生育期耗水量，mm

1.3.2葉片水分利用效率和氣體交換參數

于各個生育期內晴朗無云的09:00—11:00，利用美國LI-COR公司生產的LI-6400型便攜式光合作用測定儀(LI-6400XT，LI-COR Corporation，USA)，在每個小區內選取5株生長狀態良好的玉米，測量其從上至下第3片葉的光合速率、呼吸速率以及氣孔導度，每片葉片連續測量3次，取平均值。測定時設置葉室內光照強度1 500 μmol/(m2·s)、CO2濃度400 μmol/(m2·s)，待葉片適應葉室內環境后進行測定。

葉片瞬時水分利用效率(WUEi)用作物通過蒸騰作用消耗一定量水所同化的CO2量表示，計算公式為

WUEi=Pn/Tr

(3)

式中Pn——凈光合速率，μmol/(m2·s)

Tr——蒸騰速率，mmol/(m2·s)

葉片內在水分利用效率(WUEn)用作物通過蒸騰作用消耗一定量水所同化的水量表示，計算公式為

WUEn=Pn/Gs

(4)

式中Gs——氣孔導度，mol/(m2·s)

1.3.3δ13C和Δ13C

于拔節期和成熟期在各個小區隨機取3株玉米，將葉片從植株上分離，置于105℃干燥箱中殺青30 min，然后在70℃條件下干燥48 h，在干燥器中冷卻至質量恒定。將干燥后的葉片進行研磨，過80目篩后裝入樣品袋中密封保存備測。同時將成熟期測產后的干燥玉米粒研磨，過80目篩后裝入樣品袋中密封保存。穩定同位素參數在東北農業大學農業部農業水資源高效利用重點實驗室內進行測量，采用元素分析儀(Flash 2000 HT型)和同位素質譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，USA)聯用的方法測定葉片和果實的穩定碳同位素比率(δ13C)和穩定碳同位素分辨率(Δ13C)。

碳同位素參數值的計算采用國際V-PDB標準，根據FARQUHAR等[8]的公式計算δ13C值，即

(5)

式中 (13C/12C)sample——葉片或籽粒樣品中的13C/12C比率

(13C/12C)standard——標準物質尿素中的13C/12C比率

樣品的Δ13C計算公式為

(6)

式中δair——空氣中CO2的Δ13C值(-0.8%)

δsample——測量得到的樣品中Δ13C值

1.3.4產量

2017年9月25日進行玉米產量測算，按照對角線原則從每個小區中隨機選取5個測點，每個測點連續選取5株玉米分別測量單株穗長、穗粗、單株穗質量、禿尖長度和百粒鮮質量。然后將玉米鮮粒放入70℃的干燥箱中干燥48 h，在干燥器中冷卻到質量恒定，用精度為0.01 g的電子天平稱量百粒干質量，裝入樣品袋中備用。各小區產量計算公式為

Y=W1/W2W3N

(7)

式中W1——玉米百粒干質量，g

W2——玉米百粒鮮質量，g

W3——玉米單株平均穗質量，g

N——每公頃玉米株數

1.4 數據統計分析

采用EXCEL 2013對試驗數據進行收集與整理，運用SPSS 19.0(SPSS，Chicago，IL，USA)對玉米產量、葉片水平水分利用效率以及葉片和果實的Δ13C等進行方差分析(Analysis of variance，ANOVA)，采用Duncan多重比較方法進行各處理的顯著差異性分析，最后利用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉制度條件下玉米各生育期日均耗水規律

由圖2可知，不同灌溉制度條件下各處理玉米生育期日均耗水強度均呈拋物線趨勢變化，在苗期和收獲期各處理的日均耗水強度較小且趨于一致。這是由于苗期植株葉面積較小，作物需水量主要以棵間蒸發為主，植株本身蒸騰能力較弱。處理L1～L8的玉米日均耗水強度均在拔節期到抽雄期達到峰值，隨后大幅度下降，在灌漿期到成熟期下降速度減緩。在灌水次數相同條件下，隨著灌溉定額的增加，玉米各生育期日均耗水強度呈逐漸增加的趨勢，在拔節期處理L1的日均耗水強度最大，峰值為5.89 mm/d，比L2處理提高7%。處理L12的日均耗水強度最小，峰值為4.21 mm/d，比處理L1降低了30.5%。在灌溉定額相同的條件下，玉米日均耗水強度隨灌水次數的增加而增大，處理L1的峰值比L5提高了7.2%。結果表明，玉米在拔節中期到抽雄末期生長最為旺盛，此時植株迅速生長，葉面積指數快速增加，植株的生長由營養生長逐步向生殖生長轉變，同時7月氣溫較高，使得作物耗水量顯著增加。在收獲期植株衰老，生理活動減弱，呼吸作用大幅降低，因此收獲期各處理日均耗水量降低且逐漸趨于一致。L9、L0、L11、L12、CK 5個處理的日均耗水強度峰值在拔節期提前出現，在抽雄期初期開始逐漸下降，并且這些處理的峰值明顯小于L1和L2處理。這是因為灌水2次的處理在苗期和拔節期灌水量較大，超過了土壤飽和含水率，因此大量水分通過田面蒸發損失。

圖2 各生育階段各處理玉米日均耗水強度變化曲線 Fig.2 Daily average water consumption intensity curves of maize under different irrigation treatments at different growth stages

2.2 不同灌溉制度對玉米不同水平水分利用效率以及產量的影響

各處理玉米耗水量(ET)變化范圍為378.06 ～428.73 mm，產量(Y)變化范圍為11 180.43～14 920.62 kg/hm2。處理L9和L1的ET明顯大于其余處理，這是因為灌水量超過了土壤飽和含水率，大部分灌溉水通過田面蒸發直接損失。3種不同灌水次數水平下玉米ET、Y均隨著灌溉定額的增加呈增大趨勢，且各處理值均顯著大于CK處理。在灌水次數相同的情況下，各處理之間玉米ET、Y均表現出顯著性差異(P<0.05)，在灌溉定額相同的情況下，不同灌水次數之間玉米ET、Y差異不顯著，說明玉米ET、Y主要受到灌溉定額影響，而對灌水次數的變化不敏感。不同處理玉米WUEy變化范圍為2.90～3.74 kg/m3，L3處理的WUEy最大，L11處理的WUEy最小。在灌水次數為3次的條件下，各處理間WUEy差異顯著(P<0.05)，且顯著高于CK處理，而灌水次數為4次和2次的情況下，不同處理(包括對照處理)間WUEy均未表現出顯著性差異。處理L9、L10、L11、L12的Y、WUEy顯著小于其余各個處理，說明在苗期和拔節期大量灌水，抽雄期和灌漿期缺水不利于玉米產量的形成，同時仍保持較大的耗水量，降低了水分利用效率。相較于產量最高的L1處理，處理L5在產量保持同等水平的情況下WUEy提高了2.0%，表明噴灌玉米在灌溉定額為800 m3/hm2、灌水次數為3次(苗期、拔節期、抽雄期)時節水高產效果達到最優。

表2 不同灌溉處理下不同時期玉米WUEi、WUEn、WUEy、ET和Y Tab.2 WUEi, WUEn, ET, Y and WUEy of maize under different irrigation treatments and growth stages

注：表中同一列不同小寫字母表示處理之間在P<0.05水平差異顯著，下同。

2.3 不同灌溉制度下玉米葉片和籽粒的碳同位素分辨率

由圖3可知，不同灌溉制度下玉米拔節期葉片碳同位素分辨率(ΔLB)變化范圍為0.451%～0.542%，成熟期葉片和籽粒碳同位素分辨率(ΔLC、ΔF)變化范圍分別為0.505%～0.598%、0.496%～0.526%。拔節期L11處理玉米ΔLB最大，為0.542%，相比CK處理高出了18.34%。成熟期L10處理ΔLC最大、L7處理ΔF最大，分別為0.598%、0.526%，相比于CK處理分別高出了11.40%和3.47%。成熟期不同灌溉處理不同器官間Δ13C存在顯著差異(P<0.05)，并且ΔL顯著大于ΔF(P<0.01)，這是由于不同器官之間的化學組成不同(包括脂質、木質素、纖維素)，同時說明碳水化合物由光合器官向營養存儲器官轉移時發生了碳同位素分餾作用，使得不同器官中13C積累量不同。在灌水次數相同時，不同時期玉米ΔL均隨著灌溉定額的增加而增大，說明灌水量的增加提高了玉米葉片對13C和12C的辨別能力，提高了對重碳的排斥水平，因此葉片13C積累量減少，13C和12C比值降低，進而使ΔL高于灌水量較低的處理。在同一灌溉定額水平下，玉米籽粒ΔF隨著灌水次數減少呈逐漸增大的趨勢，說明生育階段內增加灌水量會抑制碳同位素的分餾，使得12C在籽粒中大量富集，13C積累量減少。

通過方差分析可知，玉米ΔLB、ΔLC、ΔF均在不同灌水條件下差異顯著(P<0.05)。這與前人在水稻、葡萄等植物上的研究結果一致[18-19]。當灌水次數相同時，不同灌溉定額下ΔLB、ΔLC、ΔF在各處理之間的差異均達到顯著水平(P<0.05)。但是在灌溉定額相同時，只有ΔLB、ΔLC在各處理之間差異顯著(P<0.05)，ΔF未表現出顯著性差異，說明在光合產物由葉片向籽粒遷移的過程中發生的碳同位素分餾作用主要受到灌水量影響，對不同灌水次數的響應水平較低。同時比較成熟期玉米葉片和籽粒Δ13C的均值可知，ΔLC大于ΔF，并且ΔL的離散系數(5.32%)小于ΔF的離散系數(8.62%)，說明玉米ΔL對灌溉定額和灌水次數變化的響應效果優于ΔF。

圖3 不同灌溉處理下玉米葉片和果實的碳同位素分辨率 Fig.3 Change of 13C discrimination (Δ13C) in leaves (ΔL) and fruit (ΔF) of maize under different irrigation treatments

2.4 不同灌水次數下玉米ΔL、ΔF與不同水平WUE、ET、Y的相關關系

為了研究穩定碳同位素指標與玉米不同水平WUE之間的相關關系，對ΔL、ΔF與WUEi、WUEn、WUEy、ET、Y之間分別進行了線性相關分析，相關系數如表3所示。不同灌溉方式下，不同時期玉米ΔL與WUEi、WUEn、WUEy之間均呈負相關，除灌水4次條件下ΔLB與WUEn之間的相關性達到顯著水平(P<0.05)外，其余條件下ΔLB、ΔLC與WUEi、WUEn的相關性均不顯著，說明在全生育期進行4次灌水使玉米ΔL與葉片WUE更加密切。總體上可以看出，玉米ΔL與WUEn的相關性要優于其與WUEi的相關性，并且ΔF與WUEy的相關性優于ΔL，說明相較于WUEi而言，玉米ΔL可以更好地反映WUEn的變化，并且ΔF能夠比ΔL更好地指示玉米WUEy。

在灌水4次的情況下，ΔLB、ΔF分別與ET呈顯著正相關(P<0.05)，其他情況下相關性未達到顯著水平，ΔLB與Y僅在灌水3次的條件下呈顯著正相關(P<0.05)，說明玉米全生育期進行3次灌水能更有效地調控葉片光合性狀與水分利用的能力，更好地體現ΔL對WUEy的指示作用。在灌水次數為2次時，ΔLB、ΔF分別與ET和Y的相關性均顯著小于其余兩種灌水次數，說明在苗期和拔節期大量灌水，抽雄期和灌漿期缺水的灌水方式影響葉片光合特性以及光合產物向籽粒轉移過程中的碳同位素分餾作用，此時ΔL、ΔF無法準確指示玉米耗水強度和產量。

2.5 不同灌溉制度條件下玉米ΔLC、ΔF與WUE、ET、Y的相關關系

如圖4所示，通過對成熟期玉米ΔLC、ΔF、WUEi、WUEn以及ET、Y的數據進行統計分析可以得出，在不同灌溉處理下，ΔLC與WUEi、WUEn的相關性存在顯著差異，同時ΔLC與WUEn呈顯著負相關(P<0.05)，回歸方程式為

WUEn=-605.81ΔLC+445.4 (R2=0.410 6，P<0.05)

其相關性優于ΔLC與WUEi的相關性。ΔF與WUEy、Y均呈顯著負相關，回歸方程式分別為

表3 不同灌水次數下玉米ΔL、ΔF與WUE、ET、Y的相關系數 Tab.3 Correlation coefficients between ΔL, ΔF and WUE, ET and Y under different irrigation frequencies

注：*表示變量之間在P<0.05水平差異顯著，** 表示變量之間在P<0.01水平差異顯著。

圖4 不同灌溉制度下ΔLC、ΔF與WUE、ET、Y的相關關系 Fig.4 Relationships between ΔLC, ΔF and WUE, ET and Y under different irrigation treatments

ΔLC、ΔF與ET均呈正相關，R2分別為0.061 4、0.14，均未達到顯著水平，但是ΔF與ET的相關性優于ΔLC與ET的相關性。結果表明，ΔLC能夠作為玉米葉片水平水分利用效率的評價指標，可以反映出作物全生育期葉片同化CO2、吸收水分和養分的能力，ΔF能夠作為指示玉米產量水平水分利用效率的重要指標，較好地反映出玉米生育期內灌水量變化對作物耗水規律的影響。

3 討論

玉米在生長期內需要大量水分，但其承受淹水的能力較弱。任伯朝等[20]研究表明，在三葉期淹水對玉米的影響較為顯著，且淹水過后植株吸收養分能力減弱。本研究中，在全生育期灌水2次的條件下，苗期和拔節期灌水量超過了土壤飽和含水率，植株處于淹水狀態，使得玉米日耗水強度在拔節初期提前出現峰值，但該峰值明顯小于全生育期灌水4次和灌水3次的處理。這是因為淹水狀態會降低光合羧化酶(RuBP酶和PEP酶)活性，降低光合同化能力[21]，同時引起葉片氣孔的關閉，抑制葉片的呼吸蒸騰作用[22]。這與梁哲軍等[23]對淹水狀態下盆栽玉米的研究結果基本一致。本研究還發現，在抽雄期和拔節期不灌水時，玉米日耗水強度較其他處理提前下降，且在生育后期日耗水強度較小，這是因為水分虧缺抑制了葉片中葉綠素的生物合成，提高葉綠素酶活性并加速葉綠素分解，導致葉片光合能力下降[24]，植株吸水能力降低。余衛東等[25]發現，苗期和拔節期淹水對玉米的影響較為顯著，連續淹水3 d，玉米產量顯著下降。本研究中，全生育期灌水2次的條件下，產量同樣出現大幅度下降的現象，4個處理平均產量較4次灌水和3次灌水分別降低18.67%、14.68%。這是因為苗期淹水脅迫抑制了植株吸收水分和養分的能力，并且干物質過多的向穗部轉移，降低了籽粒干質量[26]。這與馬玉平等[27]對黃淮海地區玉米的研究結果一致。研究證明，將灌溉水量較為均衡的分配給玉米生長的各個時期內，尤其是在抽雄—乳熟期期間進行適量的補充灌水有利于玉米的生長發育，促進產量的形成，達到高產的目的。本研究還發現，灌溉次數相同時，適當減小灌溉定額，產量降低不明顯，而水分利用效率顯著提高，這與孫雪梅等[28]的研究結果基本一致。

作物通過光合作用吸收的CO2在各組織之間移動時會發生碳同位素分餾作用，這是光合羧化作用中核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)對12CO2和13CO2產生不同的催化反應所導致的結果，使得植株在吸收CO2的過程中，會對13CO2產生排斥作用，導致作物組織中13C和12C比值小于大氣中13C和12C比值。由于C4作物和C3作物的光合羧化酶(RuBP酶和PEP酶)和羧化作用在時空上存在差異，因此兩者對13CO2有不同的識別和排斥作用，使得它們組織內部的Δ13C存在顯著差異。本研究中，玉米葉片Δ13C在不同時期之間差異明顯，這與CHEN等[29]對加拿大4種基因型大麥的研究結果不一致，可能是因為C4作物維管束鞘細胞的存在使得C4作物的碳同位素分餾作用比C3作物更加復雜，維管束鞘細胞會使向內轉移的部分CO2泄漏出來重新進入葉肉細胞之中，CO2泄漏量的不同會引起組織中Δ13C的變化[30]。本研究同時發現，隨著生育期的推進，玉米葉片Δ13C逐漸增大，這與陳平等[31]對盆栽決明子的研究結果基本一致。CABRERABOSQUET 等[32]發現缺水狀態下小麥葉片Δ13C與WUEi呈負相關。CHANDEA等[33]對雨養條件下4種基因型柱花草研究發現葉片Δ13C與WUEn也呈顯著負相關。本研究也表明玉米在噴灌條件下葉片Δ13C與WUEi、WUEn分別呈負相關，這與El-SHERKAWY等[34]對自然條件下木薯的研究結果一致。同時本研究發現，成熟期玉米葉片Δ13C與WUEn的相關性優于WUEi，因為WUEn能夠更加有效地反映出葉片氣孔阻力變化所引起的胞間CO2濃度變化，進而反映在葉片Δ13C的變化上，這與前人對梨棗樹[8]、大麥[35]的研究結果一致。表明葉片Δ13C可以很好地指示作物WUEn，同時說明在不同水分處理條件下，作物Δ13C可以作為評價玉米葉片水分利用效率的一個可靠指標。

由于ΔF能夠直接記錄果實生長階段光合產物向果實中轉移的信息，因此對Y有較好的指示作用。本研究發現，成熟期玉米ΔF與Y之間的負相關性達到顯著水平(P<0.05)，說明玉米Δ13C在不同灌溉條件下可以很好地表征其產量，這與MONNEVEUX 等[36]研究結果基本一致。梁銀麗等[37]研究發現小麥ΔL與WUEy呈極顯著負相關。ANYIAA等[35]發現，不同水分處理下，大麥的ΔF與WUEy呈較強負相關。在本研究中，成熟期玉米ΔL、ΔF與WUEy同樣呈負相關性，且ΔF與WUEy相關性達到顯著水平，因為產量的形成受到環境因素的強烈影響，ΔL能夠反映玉米結實期對水分的利用狀況以及全生育期植株光合特性的變化情況，ΔF能夠有效地記錄玉米結實期內的溫度、濕度、土壤水分等外界環境因素變化以及果實成熟期植株對水分變化的響應狀況。這與GRANT等[38]對草莓的研究結果一致，說明玉米ΔL、ΔF在一定程度上可以作為快速、準確評估產量水平水分利用效率的量化指標。

目前大量的研究集中在利用ΔL、ΔF表征作物不同水平水分利用效率上，但是對ΔL、ΔF與ET、Y的相關關系仍存在爭議，不同部位Δ13C與WUE相關關系的穩定性仍不明確[39]，尤其與WUEy的關系仍需要更深入的研究。野外試驗過程中Δ13C與WUE的相關性受到環境因素綜合的影響，本研究僅考慮不同灌溉制度下水分變化對Δ13C和WUE的影響，其余不同環境因素下玉米不同部位Δ13C對WUE的表征作用尚需要進一步驗證。此外本研究中設置的灌水量和灌水次數梯度均較少，未考慮玉米生長性狀發生突變時的水量臨界值，因此增加梯度以進一步研究節水高產的玉米灌水方案很有必要。

4 結論

(1)不同灌溉制度下玉米日耗水強度均在拔節期達到最大。灌溉定額為800 m3/hm2，灌水4次時的日耗水強度最大，最大峰值為5.89 mm/d，灌溉定額為500 m3/hm2，灌水2次時的日耗水強度最小，峰值為4.21 mm/d。灌水2次時玉米日耗水強度較灌水3次和4次的處理提前達到峰值。不同處理拔節期到成熟期玉米WUEi變化范圍為7.56～29.84 μmol/mmol，WUEn變化范圍為73.15～168.19 μmol/mmol，WUEy變化范圍為2.90～3.74 kg/m3。處理L1的產量最高為14 920.62 kg/hm2，但WUEy僅為3.58 kg/m3，處理L3的WUEy最大為3.74 kg/m3，但此時產量有大幅度下降，綜合考慮產量和水分利用效率，得出符合玉米節水高產生產要求的灌溉制度為全生育期灌水為800 m3/hm2，分別在苗期、拔節期、抽雄期灌水3次，該灌溉制度下玉米WUEy為3.65 kg/m3，產量為14 712.47 kg/hm2，此時成熟期WUEi和WUEn均最大。

(2)拔節期玉米葉片碳同位素分辨率(ΔLB)、成熟期葉片碳同位素分辨率(ΔLC)和果實碳同位素分辨率(ΔF)分別為0.451%～0.542%、0.505%～0.598%、0.496%～0.526%，隨著生育期的推進，葉片ΔL逐漸增加。此外，玉米ΔL對灌溉定額和灌水次數變化的響應效果優于果實ΔF。

(3)不同灌溉制度條件下玉米ΔLC與WUEi、WUEn均呈負相關，且ΔLC與WUEn的相關性優于其與WUEi的相關性，成熟期ΔLC與WUEn呈顯著負相關(R2=0.410 6，P<0.05)，玉米ΔF與WUEy、Y均呈顯著負相關。說明在寒地黑土區不同灌溉制度條件下利用玉米ΔL和ΔF指示不同水平水分利用效率具有一定的可行性，玉米成熟期葉片和籽粒Δ13C可作為量化表征作物葉片和產量水平水分利用效率的重要指標。