滴灌量對高產春玉米冠層結構特征及產量的影響

沈東萍，張國強，王克如，肖春華， 徐文娟,劉廣周 ,張小偉，陳永生，陳江魯，劉朝巍，李少昆

(1.石河子大學 農學院,綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003；2.中國農業科學院 作物科學研究所，農業部作物生理生態重點實驗室，北京 100081；3.新疆生產建設兵團第六師農業科學研究所，新疆五家渠 831300；4.新疆生產建設兵團第六師奇臺農場農業技術推廣站，新疆昌吉 831100)

提高作物群體的光合作用效率和物質生產能力主要在于改善冠層的通風透光、增強群體的光合性能[1]。玉米冠層結構、功能及產量受到諸如品種[2]、栽培措施[3-6]等多種因素的影響。其中，水分是重要因素之一[7-8]。目前，覆膜滴灌作為干旱區高效節水技術，其將薄膜覆蓋栽培技術與滴灌技術有效的集成，可以根據作物各生育階段生長所需要的灌水量對作物根系范圍進行局部灌溉，從而提高作物的水分利用效率和產量[9-11]。前人研究表明，膜下滴灌玉米的株高、莖節數與灌溉定額基本呈正比關系，合理的滴灌量有利于改善玉米光合性能、提高水分生產效率[12-13]。王寧珍等[14]研究認為群體葉面積指數受降水影響，尤其是拔節至抽雄期降水與葉面積指數變化顯著相關。鑒于以往關于新疆高產(≥15 000 kg/hm2)春玉米區滴灌量對其冠層特征與生長發育影響的研究鮮見報道，本試驗在新疆干旱區生態條件下研究滴灌量對高產(≥15 000 kg/hm2)春玉米的冠層特征及產量影響，探討玉米冠層光合有效輻射分布對滴灌量的響應，為新疆高產區及其他相似地區玉米冠層的合理調控及其水分高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014-2015年在新疆奇臺總場開展。該地區屬大陸性干旱氣候區，降雨稀少，蒸發量大，氣候干燥。奇臺農場(89°46′01″E， 43°50′41″N)，海拔946.2 m，年日照時數2 841 h，年≥10 ℃積溫3 025.8 ℃，無霜期158 d，玉米生育期內(2000-2015年)年平均降雨量148.0 mm。試驗田土質為輕壤土，0～60 cm土壤體積質量為1.5 g/cm3，田間持水量為0.239 g/g，有機質為15.0 g/kg，堿解氮為46.3 mg/kg，速效磷為16.4 mg/kg，速效鉀為297.6 mg/kg，前茬為玉米。

1.2 試驗設計

采用裂區設計，品種為主處理，滴灌量為副處理，滴灌量以當地高產田常規滴灌量為對照(CK，600 mm)，按降低常規滴灌量的10%，20%和30%設置灌溉水平，灌溉處理依次為：600 mm(I100，對照)、540 mm(I90)、480 mm(I80)、420 mm(I70)。供試品種2014年為‘中單909(ZD909)’、‘遼單565(LD565)’和‘寧玉721(NY721)’；2015年為‘先玉335(XY335)’‘鄭單958(ZD958)’和‘KWS3564’。2014-04-19和2015-04-14播種；收獲日期分別為2014-10-20和2015-10-19。寬窄行種植(70 cm+40 cm)，密度為12萬株/hm2，小區面積設為48 m2，3次重復。采用覆膜滴灌以及干播濕出技術提高玉米的出苗率和整齊度，在播種后1 d，根據播前測定的0～20 cm表層土壤含水量(14.2%～14.5%)，各處理灌溉出苗水60 mm，苗期進行蹲苗鍛煉。滴灌量處理從播種后55～60 d開始實施，共9次灌水，灌溉頻率為9～10 d，每次滴灌量分別為I100(60 mm)、I90(53.33 mm)、I80(46.67 mm)和I70(40 mm)。滴灌系統采用迷宮式滴灌帶(新疆天業)，滴頭間距為30 cm，水壓在0.1 MPa時滴頭設計流速為3.2 L/h，滴灌量用水表控制。其他管理同大田生產。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 株高、葉面積及葉面積指數 于玉米6展葉(V6)、12展葉(V12)、吐絲期(R1)、籽粒建成期(R2)、乳熟期(R3)、蠟熟期(R5)和成熟期(R6)，每個處理選取長勢一致具有代表的植株5株，利用長寬系數法測定葉面積(LA)并計算其葉面積指數(LAI)。吐絲期測定玉米株高和穗位。

1.3.2 干物質 玉米吐絲期和成熟期各處理選取5株長勢一致、有代表性的植株，從基部節間割下分器官分解裝于牛皮紙袋，在105 ℃條件下殺青30 min，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒質量后稱量。

1.3.3 光合有效輻射和透光率 光合有效輻射(PAR)采用SunScan(Delta，英國)冠層分析系統在吐絲期進行測定。分底層(B)、穗下第三葉層(TLBE)、穗位葉層(E)、穗上第三葉層(TLAE)、頂層(T)共5層，分別在寬行和窄行的中間平行于地面進行測量，并計算各處理玉米群體的消光系數，其中：

透光率(Tr)=測定層光強(μmol·m-2·s-1)/冠層頂層光強(μmol·m-2·s-1)×100%

消光系數(K)= - lnTr/LAI；Tr為冠層PAR透光率，LAI為群體葉面積指數。

1.3.4 產 量 在玉米生理成熟后各處理去除邊行，收獲全部玉米果穗，稱取鮮果穗質量，統計果穗數，按平均穗質量法取20個果穗作為標準樣本，脫粒稱質量，計算出籽率，用國家認定并經校準的谷物水分測定儀(PM-8188)測定籽粒含水量。按國家糧食水分標準14.0%計算出實際產量。公頃穗數、單穗質量、穗粒數、千粒質量、穗長、穗粗等產量構成相關指標通過田間調查和室內考種獲取。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2013對數據進行整理，SPSS Statistics 18.0進行數據分析，采用 LSD (P<0.05) 檢驗法進行多重比較及差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 滴灌量對玉米株高和穗位高的影響

各品種株高和穗位高隨著滴灌量的減小呈降低趨勢(圖1)。多數品種當滴灌量較對照降低10%(I90)時株高和穗位高無顯著差異；當滴灌量降低至常規灌溉量的80%(I80)時株高和穗位高顯著降低。

2.2 滴灌量對玉米葉面積指數的影響

滴灌量影響玉米葉片的生長，進而影響群體LAI(圖2)。吐絲期(R1)，I90處理較I100處理的LAI無顯著降低，而I80處理和I70處理分別比I100處理減少7.1%和12.1%；成熟期(R6)，滴灌量降低至當地滴灌量的90%(I90)，玉米LAI無顯著降低，而滴灌量降低至I80處理和I70處理時，LAI顯著降低，分別比I100處理降低8.9%和18.9%。吐絲期(R1)，各品種I90處理的LAI為7.5～8.7；成熟期(R6)LAI為4.0～5.4。滴灌量主要影響玉米吐絲至成熟期葉面積及LAI，較高的滴灌量有利于提高玉米葉片的持綠性，延緩中后期的衰老，增加群體光合面積，提高籽粒產量。

圖1 不同滴灌量下玉米的株高和穗位高Fig.1 Plant height and ear height of maize under different drip irrigation

VE.出苗 Emergence；V6.6展葉 6 spreading leaf；V12.12展葉 12 spreading leaf；R1.吐絲期 Silking；R2.籽粒建成期 Blister；R3.乳熟期 Milk；R5.蠟熟期 Dent；R6.生理成熟期 Physiological maturity

2.3 滴灌量對玉米群體透光率及消光系數(K)的影響

滴灌量對各層透光率的影響(圖3)表現為：隨著灌溉量的減小，各層葉片透光率隨之增大。I70、I80、I90和I100處理底層(B)透光率分別為0.7%～0.9%、0.6%～0.8%、0.5%～0.8%和0.4%～0.7%；穗下第三葉層(TLBE)透光率分別為2.4%～3.5%、2.0%～2.7%、1.1%～1.9%和0.7%～1.5%，穗位葉層(E)透光率分別為4.4%～5.4%、4.0%～4.7%和3.5%～4.5%、2.2%～4.0%；穗上第三葉層(TLAE)透光率分別為23.9%～27.6%、21.4%～25.9%、20.7%～23.7%和17.5%～20.6%。滴灌量降低到常規灌量的90%時，底層(B)、穗下第三葉層(TLBE)、穗位層(E)、穗上第三葉層(TLAE)透光率分別增加17.3%、41.1%、28.1%和11.7%；當滴灌量降低到常規灌溉量的80%時，分別增加40.4%、128.9%、41.2%和20.1%；當滴灌量降低到常規灌溉量的70%時，分別增加55.7%、178.4%、60.0%和31.9%。依據2 a各品種各層透光率對滴灌量的響應，可以看出滴灌量對玉米群體的穗下第三葉層的透光率影響較大。

玉米群體消光系數隨著滴灌量的降低呈增大趨勢(表1)。吐絲期不同滴灌量處理的消光系數分別為：I70(0.59～0.78)，I80(0.57～0.74)，I90(0.56～0.72)和I100(0.56～0.71)，各品種I70處理群體消光系數均表現為最大。

B.底層 The bottom layer；TLBE.穗下第三葉層 Third leaf below ear layer；E.穗位葉層 Ear layer；TLAE.穗上第三葉層 Third leaf above ear layer

表1 不同滴灌量下玉米吐絲期群體的消光系數Table 1 Extinction coefficient of maize silking stage under different drip irrigation

2.4 滴灌量對玉米干物質積累及產量的影響

各品種干物質積累均隨滴灌量的降低呈下降趨勢(圖4)。滴灌量處理間的干物質積累表現為I100顯著高于I80和I70處理。 吐絲期I100處理的干物質積累比I80、I70分別高出8.8%和12.1%；成熟期分別高出11.6%和26.0%。滴灌量降低至常規滴灌量的90%(I90)時玉米單株干物質積累量的降低沒有達到顯著水平。

由玉米測產結果(圖5)可見，2014年I100處理和I90處理的產量分別為16 625.7 kg/hm2和16 691.6 kg/hm2，顯著高于I80處理和I70處理，其中，I100處理比I80和I70處理分別高10.1%和14.6%，I90處理比I80和I70處理分別高10.5%和15.1%，而I100處理與I90處理之間的產量差異不顯著。2015年I100處理和I90處理的產量分別達到19 270.7 kg/hm2和19 020.3 kg/hm2，顯著高于I80、I70處理，其中，I100處理產量比I80和I70處理高6.6%和14.6%；I90處理產量比I80和I70處理高5.17%和13.1%。由上可見，對于產量 ≥15 000 kg/hm2的春玉米滴灌量減少10%對其產量沒有顯著影響，并且可以節約灌溉水。

圖4 不同滴灌量下玉米吐絲期和成熟期干物質的積累Fig.4 Accumulation of dry matter at silking and maturing of maize under different drip irrigation

圖5 不同滴灌量下玉米的產量Fig.5 Yield of maize under different drip irrigation

3 討 論

灌溉量對玉米籽粒產量的影響不盡相同，Bozkurt等[15]在10 370 kg/hm2產量水平下研究認為隨著灌溉量的降低，玉米籽粒產量也相應降低。灌溉定額在3 000～6 000 m3/hm2范圍內，玉米產量與灌溉量呈正相關關系，但超過一定的灌溉定額6 000 m3/hm2后，灌溉量對產量的增加無顯著提高[16]。以上結果多是在常規產量水平下研究獲得的，本試驗針對新疆干旱區高產春玉米產量≥15 000 kg/hm2的群體進行研究，結果表明，適當降低灌溉量到常規滴灌量的90%時大多數參試品種籽粒產量無明顯降低，說明目前玉米高產區的大田灌溉存在灌量過高、水資源浪費的現象。灌溉量對玉米葉面積的大小和葉面積指數有顯著的影響，許子清等[17]研究認為在14 824.0～15 423.5 kg/hm2產量水平，玉米的產量、干物質、葉面積及其葉面積指數隨灌溉量的降低而減小 ；唐光木等[16]認為玉米的株高與葉面積指數隨著灌溉量的降低而減小，本研究也得出與以上研究結果相似的結論，但當灌溉量降低到常規滴灌量的90%時，葉面積指數無明顯下降，說明適當降低滴灌量對群體葉面積的生長無顯著的影響。

種植密度直接影響植物冠層光分布和光能的截獲率。前人報道，在6.75萬株/hm2的種植密度下，玉米獲得了10 815 kg/hm2的單產，光能截獲率達到94.0%～95.0%，冠層中部透光率在15%以上[18]。呂麗華等[19]認為夏玉米在中低密度(6.75～11.25萬株/hm2)下群體穗位層透光率在吐絲期達到13.4%～19.5%，并得出高密度易造成群體內光分布不合理，導致光合性能降低的結論。本研究結果是在12萬株/hm2的高密度群體獲得的，I90處理光能截獲率達到99.2%～99.6%，消光系數為0.56～0.72，吐絲期穗位層透光率在3.5%～4.5%，雖然透光率較前人報道值偏低，但產量達到15 686.0～19 135.4 kg/hm2的水平。本研究得出的冠層特征值(Tr、K、LAI)與Liu 等[20]報道的22 500 kg/hm2產量水平高產春玉米最優冠層結構特征值相似。主要原因是高的種植密度具有較高的葉面積指數，增加了玉米群體光能的截獲面積和光能利用率，有利于玉米產量的提高，說明在光照資源充沛的新疆采取密植栽培有利于玉米產量的進一步提高，這一結論與Xue等[21]、Zhang等[11]和Liu等[20]觀點一致。此外，灌溉量也影響作物冠層光分布。前人認為灌量改變了小麥的株型和受光態勢，過量灌溉區降低灌量有利于群體通風透光，有利于提高單株干物質的積累，達到提高穗質量的目的[22]，本研究認為玉米各層透光率隨滴灌量的降低呈增加趨勢。滴灌量降低至I80處理時，各層透光率增加顯著，I70處理時各層透光率表現為最大，群體內部可能存在漏光現象，造成光資源的浪費。滴灌量降低10%產量無顯著下降，I100處理和I90處理均能夠保持高的產量水平。說明I100處理和I90處理的葉面積指數和透光率在植株空間分布較為合理，繼續降低滴灌量則造成玉米受水分脅迫，葉面積及葉面積指數減小，后期玉米葉片早衰，二者均可導致玉米群體光合能力及光合面積減小，影響玉米的空間結構變化以及后期籽粒灌漿的進程，最終影響玉米產量。但是，降低10%滴灌量(I90)對玉米葉面積、冠層光分布、干物質以及產量無顯著的影響，對于干旱區農業，這一灌溉制度不僅高產而且節水，提高水分利用效率，達到高產高效的生產目的。

4 結 論

滴灌量影響玉米的株高、穗位高、葉面積指數以及各層光分布，隨著滴灌量的降低，玉米群體株高和穗位高降低，各層透光率增大，群體消光系數呈增大趨勢，改變了玉米的群體結構。滴灌量對玉米的產量有顯著的影響，玉米籽粒產量隨滴灌量的降低呈下降趨勢，但是滴灌量降低到常規灌溉量(600 mm)的90%(I90，540 mm)時，提高穗下第三葉層的透光率，籽粒產量無顯著的降低。因此，在節水的前提下達到高的產量，提高水分利用效率，實現高產與高效的統一，該灌溉制度(540 mm)適宜在當地進行推廣。