調(diào)虧灌溉不同灌水量對玉米生長和產(chǎn)量的影響

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

調(diào)虧灌溉是在作物的某些生育期進(jìn)行水分脅迫處理，使作物干物質(zhì)的積累傾斜于人類需求，使得作物增產(chǎn)的一種節(jié)水灌溉技術(shù)。國內(nèi)大多數(shù)研究主要集中在盆栽條件下，不同水分虧缺下作物對土壤養(yǎng)分的吸收和利用，以及水分虧缺條件下養(yǎng)分對作物生理生態(tài)的影響。本文對晉中地區(qū)大田作物調(diào)虧灌溉條件下對玉米生長及產(chǎn)量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，探究了不同生育期進(jìn)行調(diào)虧灌溉對玉米生長及產(chǎn)量的影響，為尋找作物節(jié)水、高產(chǎn)的技術(shù)方法打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年5—10月在太原市西溫莊村的節(jié)水試驗(yàn)基地的大田進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粘壤土，容重1.42g/cm3，田間持水量0.31cm3/cm3，飽和含水量為0.50cm3/cm3，有效積溫為2400～3000℃，無霜期170d，平均降雨量430mm[1]。

1.2 試驗(yàn)方案

采取小區(qū)試驗(yàn)，小區(qū)東西走向，尺寸為5.5m×3.5m。試驗(yàn)的目標(biāo)是研究不同生育期調(diào)虧灌溉對玉米的生長及產(chǎn)量的影響，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)處理：三葉—拔節(jié)期虧水處理(I1)、拔節(jié)—孕穗期虧水處理(I2)、孕穗—灌漿期虧水處理(I3)、灌漿—成熟期虧水處理(I4)，并以全生育期灌水(ICK)作為對照試驗(yàn)。試驗(yàn)采取隨機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)都設(shè)有灌水計(jì)量裝置，小區(qū)上覆蓋有活動遮雨棚。

種植的玉米品種為屯玉46號(生育期125d)，種植密度為4500株/畝，行距和株距均為50cm和30cm。玉米6月2日播種，播種后采用薄膜覆蓋；6月10日出苗；6月17日進(jìn)入三葉期，并間苗；10月5日收獲[2]。根據(jù)多年試驗(yàn)資料，每個(gè)處理施肥量為1200kg/hm2，灌水定額為1000m3/hm2。播種到三葉期，小區(qū)土壤含水量維持在田間持水量的90%，不同生育期灌水處理方案見表1。

表1 灌水日期和灌水量 單位：kg/hm2

1.3 測定項(xiàng)目與方法

株高測量：株高使用量程為5m的鋼尺測量，精度為1mm，試驗(yàn)小區(qū)選3棵掛牌，從6月10日至9月12日，每隔20天測量一次，灌水前后增加測量3次，每個(gè)小區(qū)測定3株，取平均值。

根系特征觀測：采用根鉆法，根鉆口徑為10cm，高20cm，取0～60cm的玉米主根系層，沖洗挑根，平鋪在玻璃皿中，掃描成圖片后，使用根系分析軟件進(jìn)行分析，得到根系特征，最后將根系烘干，測定根系干重。

土壤含水率：灌水后1天、5天、9天用土鉆取土。取樣位置選在緊挨灌溉帶旁。取樣步長為垂向0～10cm、10～20cm、20～40cm，取土后同層混合均勻再用烘干法測土壤含水率。

產(chǎn)量組成：玉米進(jìn)入完熟期，在小區(qū)內(nèi)選取1m×1m作為樣本，室內(nèi)考種，并測定果穗長、果穗行數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重等。

水分利用效率[kg/(hm2·mm)]=籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)/耗水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉下不同生育期玉米株高變化規(guī)律

玉米株高的變化是反映玉米生長速度的重要標(biāo)志，圖1為玉米的株高隨時(shí)間的動態(tài)變化，總的來看，玉米株高從出苗后到孕穗期末期日趨增加，拔節(jié)—孕穗期玉米株高增速達(dá)到最大，增加的平均速率可達(dá)到4.5cm/d，孕穗期以后，株高基本無變化[1]。

對處理I1三葉—拔節(jié)期進(jìn)行了虧水處理，株高相對于對照組ICK下降了8.6%，但是拔節(jié)—孕穗期復(fù)水處理后，I1處理玉米的株高增長速度達(dá)到了5cm/d，株高相對對照組僅減少了4.8%，說明在苗期的虧水處理對玉米株高的增長起到了擬制作用，但三葉—拔節(jié)期虧水處理迫使根系向下生長，造成復(fù)水后的拔節(jié)—孕穗期玉米株高的快速增加[2]。從孕穗期直到玉米成熟，處理I1的株高稍稍低于參照處理ICK。顯然，處理I1所表現(xiàn)出來的是玉米株高的一種顯著的補(bǔ)償效應(yīng)。對拔節(jié)—孕穗期I2進(jìn)行虧水處理，測得其株高顯著低于其他4個(gè)處理，相對ICK、I1、I3、I4四個(gè)處理分別降低17.2%、13.0%、16.7%、17.2%，這說明玉米對拔節(jié)—孕穗期的虧水處理的反應(yīng)更加敏感。孕穗—灌漿期和灌漿—成熟期進(jìn)行虧水試驗(yàn)測得的株高相對于參照處理ICK變化不大。

圖1 不同處理?xiàng)l件下玉米株高動態(tài)變化

三葉—拔節(jié)期灌水前(6月24日—7月1日)，株高增速放緩，見圖2，其主要原因是水分供給不足，玉米生長被抑制；復(fù)水后(7月1—15日)，玉米株高生長迅速，增速最高可達(dá)到灌水前株高增速的2倍，達(dá)到3cm/d。由圖2還可以看出，灌水前由于沒有進(jìn)行水分調(diào)虧處理，各個(gè)處理株高基本一致；灌水后處理I1的株高增速為3cm/d，顯著高于其他處理，是因?yàn)镮1在三葉—拔節(jié)期的虧水處理使玉米根系深扎。

圖2 三葉—拔節(jié)期玉米株高灌水前后的變化

圖3 拔節(jié)—孕穗期玉米株高灌水前后的變化

由圖3可以看出，拔節(jié)—孕穗期灌水前后玉米株高都在逐日增加，而且灌水后株高增速要大于灌水前，甚至達(dá)到7cm/d，與玉米其他生育期相比株高增速最快。調(diào)虧灌溉的幾個(gè)處理中，處理I1的株高增速達(dá)到8cm/d左右，增速最快，是因?yàn)镮1在三葉—拔節(jié)期進(jìn)行了不灌水處理，而后在拔節(jié)—孕穗期對其進(jìn)行復(fù)水，玉米顯示出一種明顯的補(bǔ)償效應(yīng)[3]。

在孕穗—灌漿期，灌水前(8月11—16日)玉米株高都在增加；灌水后(8月16—30日)，處理I1、I2的株高有部分增高，是因?yàn)樵谌~—拔節(jié)期對處理I1進(jìn)行了不灌水處理，在拔節(jié)—孕穗期對處理I2進(jìn)行了不灌水處理所致，這表明在適宜水分供應(yīng)條件下，玉米株高在孕穗—灌漿期已經(jīng)完全形成，如果水分在之前有虧缺，此時(shí)期復(fù)水后，株高還有部分增長，但增長并不顯著。同樣可以看出，無論灌水前后處理I2的株高均顯著低于其他處理，在孕穗—灌漿期進(jìn)行虧水處理對株高的影響最大(見圖4)。

圖4 孕穗—灌漿期玉米株高灌水前后的變化

不同生育期對玉米進(jìn)行虧水處理，灌水后玉米生長表現(xiàn)出明顯的補(bǔ)償效應(yīng)，拔節(jié)—孕穗期進(jìn)行虧水處理使得玉米在復(fù)水處理后生長速度達(dá)到7cm/d，顯著高于其他生育期的虧水處理，而孕穗—灌漿期進(jìn)行虧水處理的株高顯著低于其他處理，復(fù)水處理后株高增長不顯著。綜合上述分析，水分虧缺對玉米株高的影響程度排序?yàn)椋喊喂?jié)—孕穗期>三葉—拔節(jié)期>孕穗—灌漿期>灌漿—成熟期[4]。

2.2 調(diào)虧灌溉對玉米根系特征的影響

玉米根系為作物地上部分提供水分和養(yǎng)分，其生長分布特征對植株生長及產(chǎn)量有至關(guān)重要的影響。描述根系生長和分布狀況的兩個(gè)重要指標(biāo)為：?根長密度，指單位土體內(nèi)根系的長度；?根系干重，指作物根系在80℃恒溫條件下烘干至恒重的重量。不同處理不同土層中玉米根長分布比例見表2。

表2 調(diào)虧灌溉條件下玉米根長在土層中的分布比例

注數(shù)據(jù)在同一行中，如果標(biāo)注的字母不相同則表示該參數(shù)在0.05水平上差異顯著；*表示在0.05的水平上差異顯著；**表示在0.01的水平上差異極顯著，以下表格相同。

從表2可以看出，在0～10cm土層I1根長所占的比例顯著低于其他處理，這是由于在三葉—拔節(jié)期對I1進(jìn)行了虧水處理，淺層水不能滿足玉米根系生長的水分需求，迫使玉米根向深層生長；玉米的根長均主要分布在0～20cm土層，ICK在該土層的根長占到玉米總根長的84.00%；30～50cm土層，ICK僅為5.41%，比I1、I2、I3、I4處理分別低了42.70%、38.80%、35.10%和35.10%[3]。因?yàn)楫?dāng)土壤中水分相對充足時(shí)，玉米根系主要分布在0～20cm土層，而I1、I2水分虧缺處理使上層土壤水分不能滿足玉米生長需求，迫使根系深扎，滿足根系吸水的要求，從而表現(xiàn)為低水分處理下層土壤中玉米根系分布比例相對較高。

表3 調(diào)虧灌溉條件下玉米根系特征

調(diào)虧灌溉之間的差別表現(xiàn)為：三葉—拔節(jié)期不灌水處理的I1的根長密度、總根長和根系干重低于其他處理，但不明顯；拔節(jié)—孕穗期不灌水處理的I2的根長密度、總根長和根系干重相對于對照組ICK分別降低了32.00%、38.60%和42.20%，見表3。是因?yàn)樵诎喂?jié)—孕穗期玉米處于高速生長階段，缺水抑制了根系的生長，需在拔節(jié)—孕穗期補(bǔ)充充足的水分。

2.3 調(diào)虧灌溉對玉米產(chǎn)量性狀的影響

不同生育期的水分虧缺對玉米產(chǎn)量的影響程度不同，三葉—拔節(jié)期對玉米進(jìn)行虧水處理，玉米的果穗長、穗粒重、百粒重和產(chǎn)量相對其他生育期虧水處理差異顯著；孕穗—灌漿期進(jìn)行虧水處理，玉米的行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒重、百粒重及產(chǎn)量是所有處理中最低的，相對于對照組分別降低了11.06%、6.54%、17.51%、0.73%、17.51%，見表4。這是因?yàn)樵兴搿酀{期是玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，這一時(shí)期的缺水嚴(yán)重影響到玉米的產(chǎn)量。不同生育期的水分虧缺，對玉米的產(chǎn)量造成不同的影響，玉米不同生育期產(chǎn)量對水分虧缺的敏感程度排序?yàn)椋涸兴搿酀{期>灌漿—成熟期>拔節(jié)—孕穗期>三葉—拔節(jié)期[5]。

表4 調(diào)虧灌溉對玉米產(chǎn)量性狀的影響

2.4 調(diào)虧灌溉對灌溉水利用率的影響

灌溉水利用率是評價(jià)作物對水分利用水平的一個(gè)重要指標(biāo)，其大小表征作物生長過程中利用水分的經(jīng)濟(jì)程度[6]。不同生育期的虧水處理對玉米灌溉水利用率有顯著的影響，由表5可知，三葉—拔節(jié)期虧水處理I1的水分利用效率最高，為3.65kg/m3，對照組全生育期灌水(ICK)為2.79kg/m3,I2、I4的灌溉水利用率與I1相當(dāng)，它們之間無顯著差異，但均顯著高于ICK(22.6%～30.8%)；孕穗—灌漿期虧水處理I3的水分利用效率最低，為3.07kg/m3。

表5 調(diào)虧灌溉對玉米灌溉水利用率的影響

綜合玉米產(chǎn)量和灌溉水利用率可知，山西晉中南地區(qū)玉米不適宜在孕穗—灌漿期進(jìn)行虧水處理，而在三葉—拔節(jié)期和拔節(jié)—孕穗期進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶澦幚恚梢栽跍p產(chǎn)不顯著的情況下，減少耗水量，增加玉米的灌溉水利用率。玉米在三葉—拔節(jié)期進(jìn)行適宜程度的缺水處理玉米不但不會減產(chǎn)，反而能提高玉米籽粒的品質(zhì)；孕穗—灌漿期為玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，不能做虧水處理，否則減產(chǎn)嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

a.玉米的株高隨時(shí)間動態(tài)變化，不同生育期對玉米進(jìn)行虧水處理，灌水后玉米生長表現(xiàn)出明顯的補(bǔ)償效應(yīng)，拔節(jié)—孕穗期虧水處理后復(fù)水處理玉米株高增長速度最快，顯著高于其他生育期的虧水處理，而孕穗—灌漿期的虧水處理的株高顯著低于其他處理，復(fù)水處理后株高增長不顯著。水分虧缺對玉米株高的影響程度排序?yàn)椋喊喂?jié)—孕穗期>三葉—拔節(jié)期>孕穗—灌漿期>灌漿—成熟期。

b.三葉—拔節(jié)期和拔節(jié)—孕穗期對玉米進(jìn)行虧水灌溉，能促進(jìn)玉米根系深扎，對玉米根系的總根長、根長密度和根系干重等根系特征都起到了抑制作用，表現(xiàn)為低水分處理下層土壤中玉米根系分布比例相對較高。

c.同樣程度的水分虧缺發(fā)生在玉米不同的生育期，對玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)會造成不同的影響，玉米不同生育期產(chǎn)量對水分虧缺的敏感程度排序?yàn)椋涸兴搿酀{期>灌漿—成熟期>拔節(jié)—孕穗期>三葉—拔節(jié)期。玉米在三葉—拔節(jié)期進(jìn)行適宜程度的缺水處理可以明顯提高灌溉水利用率，玉米不但不會減產(chǎn)，反而能提高玉米產(chǎn)量性狀；孕穗—灌漿期為玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，不能做虧水處理，否則減產(chǎn)嚴(yán)重。