徐晨,閆偉平,孫寧,劉曉龍,趙洪祥,譚國波,武志海,張治安,張麗華,邊少鋒*
不同灌水處理對春玉米生理特性的影響
徐晨1, 2,閆偉平1,孫寧1,劉曉龍3,趙洪祥1,譚國波1,武志海2,張治安2,張麗華1,邊少鋒1*
(1.吉林省農業科學院,長春 130124;2.吉林農業大學,長春 130118;3.宜春學院,江西 宜春 336000)
【】探究半干旱區玉米在不同灌溉定額條件下的生理響應機制。以華農887為試驗材料,采用大田試驗,全生育期設定4個灌溉定額:500(CK)、900(Q1)、1 700(Q2)和2 500 m3/hm2(Q3),開展了灌溉定額對玉米氮素積累、籽粒灌漿特性、葉片氮代謝酶活性、根系傷流強度和產量的研究。①玉米籽粒的平均灌漿速率和各階段的百粒質量均隨灌溉定額的增加而增加,Q2與Q3處理的平均灌漿速率和百粒質量均顯著高于Q1處理與CK。②灌溉定額的增加使玉米根系傷流強度增加,Q2與Q3處理的傷流強度要顯著高于Q1處理與CK。③含氮量呈籽粒>葉片>莖稈的變化趨勢,Q2與Q3處理的籽粒、莖稈、葉片和植株總的含氮量要顯著高于Q1處理與CK。④隨著灌溉定額的增加,葉片谷氨酰胺合成酶(GS)的活性增加,谷氨酸脫氫酶(GDH)的活性下降,Q2與Q3處理的GS活性在灌漿期顯著高于Q1處理與CK,GDH活性顯著低于Q1處理與CK。⑤玉米的產量隨灌溉定額的增加而增加,Q2與Q3處理的產量顯著高于Q1處理與CK。上述指標在Q2與Q3處理間均無顯著性差異。灌溉定額為1 700 m3/hm2時,玉米籽粒的灌漿特性、根系傷流強度、植株氮素積累特性、葉片氮代謝酶活性和產量均表現較佳,該灌溉定額可作為吉林省半干旱區玉米全生育期灌溉的參考定額。
玉米;灌溉定額;灌漿特性;傷流液;氮積累;氮代謝酶
【研究意義】玉米在吉林省的糧食生產中具有舉足輕重的地位[1]。在吉林省西部的干旱與半干旱地區,玉米生長期降水無法滿足要求,需要補充灌溉以保證玉米正常的生長發育[2]。【研究進展】玉米是需水較多的作物之一,玉米在遭受土壤水分虧缺時,生長發育速度緩慢[3]、葉片與根系正常的生理活動受到影響[4-5],最終會影響到玉米的產量形成[6-7]。研究灌溉條件下玉米生理特性的變化,對半干旱區玉米的生產具有一定的理論和實踐意義。
灌溉影響玉米的籽粒灌漿程度。張俊鵬等[8]研究發現,增加灌溉量,提高土壤的田間持水率可提高玉米籽粒的平均灌漿速率和最大粒質量,最終會促進玉米產量形成。當玉米生育期內的總灌溉量過大時,玉米籽粒的灌漿速率會受到影響,Liu等[9]研究發現,當灌溉總量由270 mm增加到320 mm時,使用地膜覆蓋的玉米籽粒也難以增加灌漿速率。半干旱區作物的根系能否正常發揮轉運養分和水分的作用與根系的形態變化和生理特性有關,也與灌溉量級關系密切。潘菊梅等[10]認為,與充分灌溉對比,采用3 600 m3/hm2的灌溉定額時,有利于玉米根系的生長發育、生物量增加。譚軍利等[11]研究認為,灌水量較低時的玉米根系活力和根系傷流液強度均表現較佳,可促進玉米生理代謝活動的正常進行,達到節水增產的目的。氮素影響玉米物質和能量的代謝,觀察氮的積累程度是判斷作物生長發育的重要指標。郭丙玉等[12]研究發現,隨著灌水量的增加,玉米植株氮的積累在增加,但灌水量達到一定數值后,土壤水分便不再是限制玉米植株氮積累的主要因素。了解玉米氮代謝酶活性關系到玉米產量的形成,由硝態氮和銨態氮組成的氮源對玉米的各項生理活動和代謝活動起到關鍵作用[13]。趙鵬等[14]研究認為,隨著田間持水率的增加,小麥葉片的谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶活性逐漸增加,在田間持水率達到60%時達到峰值,繼續增加土壤水分上述2種酶的活性將不再增加。這間接地說明了,氮代謝酶活性可作為判斷作物體內是否缺水的指標。
【切入點】如何判斷灌溉條件下農業用水是否被作物高效利用,使作物達到節水與產量的雙豐收,一方面可通過作物對水分的利用情況進行分析,另一方面也可以通過對灌溉條件下作物的生理特性變化進行分析。有學者曾對吉林省半干旱區玉米灌溉條件下的水分利用與產量形成之間的關系進行了研究[15],但關于吉林省半干旱區灌溉條件下玉米生理特性的研究并不多見。【擬解決的關鍵問題】為此,選擇吉林省西部地區常規種植的1個玉米品種,研究4個灌溉定額對玉米氮的積累、籽粒灌漿特性、葉片氮代謝酶活性、根系傷流強度和產量的變化,分析玉米生理特性與產量之間的關系,探討不同灌溉定額條件下玉米的生理響應機制,分析不同灌溉定額條件下玉米生理特性與產量之間的關系,為吉林省的玉米生產及半干旱區的灌溉農業研究提供理論依據。
選用吉林省西部半干旱區大面積種植的玉米雜交種華農887(HN887)作為供試材料。
試驗于2016年和2017年在吉林省洮南市農業推廣中心試驗站進行(東經122.49°,北緯45.20°),該地屬北溫帶大陸性季風氣候,年均日照時間為3 000 h,無霜期136 d,平均海拔156.8 m,2016年和2017年≥10 ℃的有效積溫分別為3 292.4、3 296.8 ℃。試驗站土壤質地為淡黑鈣土,0~40 cm土層土壤的田間持水率為19%,土壤0~10、10~20、20~30、30~40 cm的體積質量分別為1.38、1.42、1.44、1.48 g/cm3,地下水埋深20 m左右。有機質量為12.46 g/kg,速效氮量65.47 mg/kg,速效磷量21.65 mg/kg,速效鉀量為103.56 mg/kg,pH值7.8。
試驗實施前對當地農戶的灌溉水平進行了調研,播種前當地農戶的平均灌溉量為500 m3/hm2,玉米全生育期的平均灌溉量為2 000 m3/hm2,以此為基礎設置了4個灌溉定額水平,各水平在各生育期的具體灌水定額詳見表1,灌溉時間的確定是以所有小區50%以上的植株達到該生育期標準為基準。采用壟上滴灌的方式進行灌溉,使用宏利公司生產的內鑲貼片式滴灌帶,鋪設于壟上,滴頭流量大小為2.3 L/h,滴頭間距為20 cm,滴灌帶壁厚度0.25 mm,通過水表記錄灌水量。采用常規壟作的種植方式,壟頂寬35 cm,壟底寬65 cm,壟高15 cm。小區面積設定為30 m2,小區長度7.7 m,小區寬度3.9 m,每小區6壟。每個處理3次重復,共計12個小區,采用隨機區組排列,各小區周圍設置1 m的保護區。種植密度為65 000株/hm2,行距65 cm,播種前統一灌溉500 m3/hm2。播種日期分別為2016年5月2日和2017年5月4日,收獲日期分別為2016年9月29日和2017年10月2日,全生育期日平均氣溫分別為20.26和20.52 ℃,全生育期降水量分別為273.7和197.7 mm,2016和2017年玉米全生育期的降雨量分布詳見圖1。基施由公主嶺市地富肥業公司生產的復合肥(N、P2O5、K2O質量比為15∶15∶15)750 kg/hm2,在拔節期時補施尿素277.2 kg/hm2,肥料不隨水施入,其他田間管理措施各處理完全一致。

表1 灌溉定額
1.4.1 玉米籽粒的灌漿特性
玉米開花后第5天進行第1次取樣,之后每10天取1次樣,直至玉米完全生理成熟,2016年和2017年均取樣6次,取樣起止時間分別為2016年8月4日—9月22日和2017年8月1日—9月20日。取樣時在各小區中選取5株長勢基本一致的玉米植株,取穗后在80 ℃條件下烘干至恒質量,取穗中部籽粒飽滿的部位上的100個籽粒,使用電子天平稱質量。
1.4.2 玉米根系傷流強度
采用質量法進行測定[16],于玉米的拔節期(V8)、大喇叭口期(V12)和吐絲期(R1)在各小區內選取長勢基本一致的5株玉米,從根部離地面約4~5 cm處切斷,迅速將裝有固定質量脫脂棉的塑料薄膜套套在切口上,套口處用棉線扎好,待2 h后取下塑料薄膜套,對脫脂棉采用電子天平進行稱質量。

圖1 2016年和2017年玉米全生育期降雨量
1.4.3 玉米植株氮的積累
于玉米成熟期(R6),在各小區選取長勢基本一致的5株玉米,分為莖稈、葉片和籽粒3個部分,在80 ℃條件下烘干至恒質量,測定干物質質量,后將其粉碎,采用凱氏定氮法[17]測定植株各部位的含氮量。
1.4.4 玉米葉片的氮代謝酶活性
于玉米吐絲期(R1)和灌漿期(R3),灌溉后第5天上午在各小區選取長勢基本一致的5株玉米,取其穗位葉,使用液氮冷凍保存后在室內測定谷氨酸脫氫酶(GDH)[18]和谷氨酰胺合成酶(GS)[19]的活性。
1.4.5 玉米產量
于2016年9月29日和2017年10月2日進行全小區測產,使用谷物水分測定儀測定籽粒含水率,參照Sun等[20]的方法測定產量。
采用Excel 2013和SAS 9.0處理數據。
玉米籽粒在吐絲后的百粒質量動態變化情況如表2所示。由表2可知,在吐絲后的各階段,Q1、Q2、Q3處理的百粒質量均顯著高于CK,Q2與Q3處理的百粒質量均顯著高于Q1處理,Q2與Q3處理的百粒質量間均無顯著性差異。這說明適宜的進行灌溉有利于玉米籽粒干物質的積累,從籽粒剛形成至玉米生理成熟,灌溉均會顯著地影響籽粒的干物質積累。

表2 不同灌溉定額條件下玉米籽粒百粒質量
注 同一年份同一列數據后帶有不同小寫字母者差異顯著(<0.05),下同。

表3 不同灌溉定額下玉米籽粒平均灌漿速率
從表3可以看出,隨著灌溉定額的增加,各處理玉米的籽粒平均灌漿速率均呈增加趨勢,與CK相比,Q1、Q2、Q3處理在2016年和2017年玉米籽粒的平均灌漿速率均顯著增加,Q1處理在2016年和2017年分別增加了20.05%和21.36%,Q2處理分別增加了32.27%和40.45%,Q3處理分別增加了34.47%和41.46%,Q2與Q3處理的平均灌漿速率顯著高于Q1處理,Q2與Q3處理的平均灌漿速率間沒有顯著性差異。灌溉促進了籽粒積累干物質的速率,但灌溉定額增加到一定程度后,平均灌漿速率增加的速率在減少,2016年和2017年,與Q2處理相比,Q3處理的平均灌漿速率僅增加了1.64%和0.71%。
由圖2可以看出,不同灌溉定額條件下玉米籽粒的灌漿速率均呈單峰曲線狀變化,不同灌溉定額處理的玉米籽粒灌漿速率達到最大時的天數基本是一致的,在灌漿速率達到最大值時,與CK相比,Q2與Q3處理的灌漿速率均顯著增加,2016年增加了47.65%和48.15%,2017年增加了46.15%和45.69%。

圖2 不同灌溉定額下玉米籽粒灌漿速率
圖3是不同灌溉定額條件下玉米根系傷流強度的變化情況。由圖3可知,隨著灌溉定額的增加,玉米根系的傷流強度在3個生育時期均增加,與CK相比,Q1、Q2與Q3處理的根系傷流強度均呈顯著增加的變化趨勢,Q2與Q3處理的根系傷流強度均顯著高于Q1處理,與Q1處理相比,Q2處理在2016年的3個生育時期分別增加了12.25%、9.03%和9.12%,在2017年分別增加了12.19%、7.32%和8.83%,Q3處理在2016年的3個生育時期分別增加了13.13%、9.80%和11.94%,在2017年分別增加了12.98%、11.32%和10.04%,Q2與Q3處理的傷流強度間沒有顯著性差異。

圖3 不同灌溉定額下玉米根系傷流強度
從表4可以看出,玉米在成熟期后籽粒均積累了更多的氮素,植株中含氮量均呈籽粒>葉片>莖稈的變化趨勢,與CK相比,Q1、Q2與Q3處理的籽粒、莖稈和葉片中的含氮量均顯著增加,Q2與Q3處理的籽粒、莖稈和葉片含氮量要顯著高于Q1處理,Q2與Q3處理的上述指標間均無顯著性差異。氮的積累總量變化趨勢與植株各部位基本一致,灌溉定額的增加顯著地增加了玉米氮素的積累量,與CK相比,Q2和Q3處理的氮素積累總量在2016年分別增加了47.88%和50.19%,在2017年分別增加了29.26%和29.63%。

表4 不同灌溉定額下玉米成熟期氮素積累
圖4是不同灌溉定額下玉米葉片GS活性。由圖4可知,隨著灌溉定額的增加,GS活性在吐絲和灌漿期均呈增加的變化趨勢,Q1、Q2和Q3處理均顯著高于CK。Q2與Q3處理的GS在灌漿期均顯著高于Q1處理,其中,2016年,與Q1處理相比,Q2與Q3處理分別增加了15.68%和16.03%,2017年分別增加了14.81%和16.50%。Q2與Q3處理的GS活性沒有顯著性差異(<0.05)。
由圖5可以看出,隨著灌溉定額的增加,玉米葉片的GDH活性在吐絲和灌漿期均呈下降的變化趨勢,與CK相比,Q1、Q2與Q3處理的GDH活性均顯著降低,Q2與Q3處理的GDH活性顯著低于Q1處理,Q2與Q3處理的GDH活性沒有顯著性差異。

圖4 不同灌溉定額下玉米葉片谷氨酰胺合成酶活性

圖5 不同灌溉定額下玉米葉片谷氨酸脫氫酶活性
表5是不同灌溉定額條件下玉米產量的變化,4個處理玉米的產量均隨著灌溉定額的增加而提高,與CK相比,Q1、Q2與Q3處理的產量均顯著增加,Q2與Q3處理間無顯著性差異,且均顯著高于Q1處理,與CK相比,Q2與Q3處理的產量在2016年增加了44.59%和45.37%,在2017年增加了47.36%和51.87%。灌溉可使這一地區的玉米增產,但灌溉量增加到一定數值后,玉米產量將不再顯著增加。

表5 不同灌溉定額條件下玉米的產量
由表6可以看出,產量、平均灌漿速率、氮積累總量、吐絲期時GS活性和傷流液強度與灌溉定額間均顯著相關,這說明灌溉定額與玉米產量、籽粒的灌漿特性、氮的積累、葉片與根系的一些生理特性之間密切相關。平均灌漿速率與產量、吐絲期時傷流液強度、氮積累總量和GS活性顯著正相關。氮積累總量與產量、平均灌漿速率、吐絲期時傷流液強度和GS活性顯著正相關。吐絲期時GDH活性與其余5個指標均顯著負相關。吐絲期時GS活性與產量、平均灌漿速率、氮積累總量和吐絲期時傷流液強度顯著正相關。吐絲期時傷流液強度與產量、平均灌漿速率、氮積累總量和GS活性均顯著正相關。

表6 灌溉定額條件下玉米各指標的相關性
作物籽粒灌漿特性的變化反映了作物群體的生長發育狀況,灌溉會對作物籽粒的灌漿特性造成影響[21]。本研究表明,不同灌溉定額條件下玉米籽粒的灌漿速率呈單峰曲線狀變化,在吐絲后25~35 d時達到峰值,各處理的灌漿速率達到最大時的時間基本是一致的,Q2與Q3處理的灌漿速率顯著高于CK與Q1處理,Q2與Q3處理的灌漿速率間沒有顯著差異,這與張作為等[21]研究結果基本一致,即小麥籽粒的灌漿速率在不同灌溉量級下呈拋物線狀變化,在開花后25~30 d達到籽粒干物質積累的峰值,在小麥灌漿速率最高的時期,灌溉量較少的處理可以延長灌漿的時間和活躍度。本研究表明,籽粒的平均灌漿速率和百粒質量會隨著灌溉定額的增加而增加,Q2與Q3處理顯著高于CK和Q1處理,但Q2與Q3處理間沒有顯著性差異,這說明灌溉定額的增加會影響到玉米籽粒的灌漿程度和干物質積累,但灌溉定額達到一定數值后玉米的平均灌漿速率和干物質積累量將不再增加,這與黃彩霞等[22]的研究結果基本一致,適當地減少灌溉定額不但可以節約水資源,還可以使玉米擁有更充分灌漿時間,有利于莖稈與葉片的干物質向穗部轉運。
作物根系的生理活動與該地域氣溫、地溫和水分之間關系密切,利用根系傷流強度這項指標可以判斷植物根系吸收水分、養分能力的強弱[23]。本研究表明,Q2與Q3處理的傷流強度顯著高于CK與Q1處理,Q2與Q3處理的傷流強度間無顯著差異。陸大克等[24]研究認為,改善灌溉方式,增加灌溉量的同時要增施一定比例的氮肥才能促進灌溉后水稻根系的生長,這是由于單位面積內土壤可供作物吸收的養分和水分是有限的,過高的灌溉定額并不利于根系的生長發育,這與本研究結果基本一致,增加灌溉定額的同時會影響作物的養分吸收,但關于玉米根系在灌溉定額與肥料施用比例之間的關系仍有待于進一步深入研究。
成熟期后玉米籽粒積累的氮素隨灌溉量增加呈增加的變化趨勢,與CK相比,Q1、Q2和Q3處理的籽粒、莖稈和葉片中的含氮量均顯著增加,籽粒中氮素積累反映了作物的產量形成,氮素積累量與灌溉量、產量之間關系密切,這與張鴻等[25]研究結果一致。本研究表明,Q2與Q3處理間無顯著性差異,灌溉定額的增加并沒有顯著增加玉米各部位的氮素積累,這可能由于過多的水分改變了已施入土壤中的肥料,使其在土壤中的含量受到了影響,灌溉定額的變化與土壤肥力之間的關系仍然待進一步研究。
谷氨酰胺合成酶(GS)在作物的生長發育過程中常被認為是氮素代謝的重要產物,它可作為判斷作物是否遭受脅迫的重要指標[26],谷氨酸脫氫酶(GDH)也是判斷作物是否遭受逆境的一項指標。不同的灌溉定額可對GS和GDH的活性造成一定影響,本研究結果表明,與CK相比,Q1、Q2與Q3處理的GS均顯著增加,GDH均顯著下降,Q2與Q3處理的GS在灌漿期顯著高于Q1處理,Q2與Q3處理的GDH在吐絲和灌漿期均顯著低于Q1處理,灌溉定額的增加促進了玉米氮代謝的反應過程,加速了玉米葉片氮的同化,同時也加速了玉米氮素的積累和轉運[27],當灌溉定額達到一定數值后,GS活性便不再顯著增加,氮代謝酶的活性與土壤肥力之間關系密切,灌溉定額過大不但會造成水資源的浪費,還會使土壤肥力下降,導致氮代謝酶活性也受到影響,這與徐國偉等[28]研究結果基本一致。
土壤水分虧缺影響著作物的產量形成[29],本研究結果表明,與CK相比,Q1、Q2與Q3處理的玉米產量均顯著增加,且產量隨著灌溉定額的增加而增大,但Q2與Q3處理的產量間無顯著性差異,2016和2017年的全生育期降雨量和降雨分布不完全相同,這說明通過灌溉定額的增加可增加該地區玉米的產量,緩解因土壤水分虧缺對玉米造成的影響,當灌溉定額達到一定數值時,玉米的產量不再增加,土壤水分過多同樣會影響玉米的生長發育,進而影響到玉米的產量形成,這與Farre[30]等研究結果基本一致。從本研究各指標的相關性分析中可以看出,產量、平均灌漿速率、氮素積累總量、吐絲期時傷流液強度和GS活性均會隨著灌溉定額的增加而增加,GDH活性隨著灌溉定額的增加而下降,它們均與灌溉定額之間密切相關,這說明通過合理灌溉能夠增強根系活力,促進礦質吸收、同化物合成與運輸積累,為其產量形成奠定物質基礎。
半干旱區玉米受缺水的影響較大,隨著灌溉定額的增加,玉米產量、籽粒平均灌漿速率和百粒質量、玉米根系傷流強度、玉米植株氮素積累量和葉片GS活性均會增加,葉片GDH活性下降。在吉林省西部半干旱區,玉米全生育期采用1 700 m3/hm2的灌溉定額時,玉米的灌漿特性、根系傷流強度、氮素積累特性、葉片氮代謝酶活性和產量均表現較佳,上述生理指標與產量間呈顯著相關變化。從高效節水的角度分析,1 700 m3/hm2可作為吉林省西部半干旱區玉米全生育期的最適灌溉定額。
[1] LU X J, LI Z Z, SUN Z H, et al. Straw mulching reduces maize yield, water, and nitrogen use in northeastern China[J]. Agronomy Journal, 2015, 107(1): 406-414.
[2] 張陽, 王連喜, 李琪, 等. 基于WOFOST模型的吉林省中西部春玉米灌溉模擬[J]. 中國農業氣象, 2018, 39(6): 411-420.ZHANG Yang, WANG Lianxi, LI Qi, et al. Irrigation simulation of spring maize in central and western of Jilin Province based on WOFOST model[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2018, 39(6): 411-420.
[3] 方彥杰, 秦安振, 雍蓓蓓. 種植模式和補灌對玉米生長發育及產量的影響[J]. 節水灌溉, 2019(6): 30-34, 42.
FANG Yanjie, QIN Anzhen, YONG Beibei. Effects of planting pattern and supplemental irrigation on dryland maize growth and yield[J]. Water Saving Irrigation, 2019(6): 30-34, 42.
[4] BERARD R G, THURTELL G W. The interactive effects of increased evaporative demand and soil water on photosynthesis in maize[J]. Canadian Journal of Plant Science, 1991, 71(1): 31-39.
[5] GRZESIAK S, HURA T, GRZESIAK M T, et al. The impact of limited soil moisture and waterlogging stress conditions on morphological and anatomical root traits in maize (L.) hybrids of different drought tolerance[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 1999, 21(3): 305-315.
[6] THEIVASIGAMANI P, KOOTHAN V, G. VELU G. Impact of soil moisture and plant population on yield components and yield of maize ()[J]. Indian Journal of Agricultural Sciences, 2014, 84(6): 711-713.
[7] 張俊鵬, 劉祖貴, 孫景生, 等. 不同水分和覆蓋處理對土壤水熱和夏玉米生長的影響[J]. 灌溉排水學報, 2015, 34(2): 25-28, 60. ZHANG Junpeng, LIU Zugui, SUN Jingsheng, et al. Effects of different moisture hydrothermal regimes and mulching treatments on soil and summer maize growth[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(2): 25-28, 60.
[8] 張俊鵬, 孫景生, 劉祖貴, 等. 不同水分條件和覆蓋處理對夏玉米籽粒灌漿特性和產量的影響[J]. 中國生態農業學報, 2010, 18(3): 501-506.
ZHANG Junpeng, SUN Jingsheng, LIU Zugui, et al. Effect of moisture and mulching on filling characteristics and yield of summer maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(3): 501-506.
[9] LIU Y, HAN J, LIU D D, et al. Effect of plastic film mulching on the grain filling and hormonal changes of maize under different irrigation conditions[J]. Plos One, 2015, 10(4): e0122791.
[10] 潘菊梅, 李辛村, 李濤, 等. 灌溉對糧飼兼用玉米根系分布及產量影響[J]. 干旱區資源與環境, 2012, 26(11): 200-203.
PAN Jumei, LI Xincun, LI Tao, et al. The effect of irrigation amounts on root distribution and yield of forage maize[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2012, 26(11): 200-203.
[11] 譚軍利, 王林權, 王西娜, 等. 水肥異區交替灌溉對夏玉米生理指標的影響[J]. 西北植物學報, 2010, 30(2): 344-349.
TAN Junli, WANG Linquan, WANG Xina, et al. Effect of alternate irrigation with water and fertilizer in different furrows on physiological indexes of summer maize[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2010, 30(2): 344-349.
[12] 郭丙玉, 高慧, 唐誠, 等. 水肥互作對滴灌玉米氮素吸收、水氮利用效率及產量的影響[J]. 應用生態學報, 2015, 26(12): 3 679-3 686.
GUO Bingyu, GAO Hui, TANG Cheng, et al. Response of water coupling with N supply on maize nitrogen uptake, water and N use efficiency, and yield in drip irrigation condition[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(12): 3 679-3 686.
[13] XU H W, LU Y, XIE Z M, et al. Changes in nitrogen metabolism and antioxidant enzyme activities of maize tassel in black soils region of northeast China[J]. Frontiers in Plant Science, 2014, 5: 515.
[14] 趙鵬, 熊淑萍, 李琳, 等. 土壤水分對不同筋力型小麥花后旗葉氮素同化酶活性和籽粒蛋白質含量的影響[J]. 麥類作物學報, 2009, 29(3): 447-452.
ZHAO Peng, XIONG Shuping, LI Lin, et al. Effect of soil moisture levels on activity of nitrogen assimilation enzymes in Post-anthesis flag leaves and grain protein content of different gluten content of wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2009, 29(3): 447-452.
[15] 閆偉平, 譚國波, 趙洪祥, 等. 吉林半干旱區不同灌溉方式對土壤水分變化及玉米產量的影響[J]. 玉米科學, 2012, 20(5): 111-114, 120. YAN Weiping, TAN Guobo, ZHAO Hongxiang, et al. Effect of the different irrigation methods on the soil moisture variation and yield of corn in semiarid area of Jilin[J]. Journal of Maize Sciences, 2012, 20(5): 111-114, 120.
[16] 張治安, 陳展宇. 植物生理學實驗技術[M]. 長春: 吉林大學出版社, 2008: 44-45.
ZHANG Zhi’an, CHEN Zhanyu. Experimental techniques of Plant Physiology [M]. Changchun: Jilin University Press, 2008: 44-45.
[17] 李前, 秦裕波, 孔麗麗, 等. 不同類型的緩/控釋肥對玉米氮素吸收及土壤速效氮的影響[J]. 玉米科學, 2017, 25(4): 123-128.
LI Qian, QIN Yubo, KONG Lili, et al. Effects on maize nitrogen uptake and soil available nitrogen of different kinds of slow/controlled release fertilizers[J]. Journal of Maize Sciences, 2017, 25(4): 123-128.
[18] 邱旭華. 水稻氮代謝基礎研究:谷氨酸脫氫酶作用的分子機理[D]. 武漢: 華中農業大學, 2009.
QIU Xuhua. Molecular mechanism of glutamine dehydrogenase genes for primary study of the rice nitrogen metabolite[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2009.
[19] WANG H, YANG Z Z, YU Y N, et al. Drought enhances nitrogen uptake and assimilation in maize roots[J]. Agronomy Journal, 2017, 109(1): 39-46.
[20] SUN H Y, LIU C M, ZHANG X Y, et al. Effects of irrigation on water balance, yield andof winter wheat in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2006, 85(1): 211-218.
[21] 張作為, 史海濱, 李仙岳, 等. 限量灌溉對河套灌區間作小麥干物質轉移與灌漿特征的影響[J]. 生態學雜志, 2016, 35(2): 415-422.
ZHANG Zuowei, SHI Halbin, LI Xianyue, et al. Effects of limited irrigation on dry matter translocation and filling characteristics of intercropping wheat in Hetao irrigated region[J]. Chinese Journal of Ecology, 2016, 35(2): 415-422.
[22] 黃彩霞, 張恒嘉. 不同灌水量對綠洲玉米生長動態及子粒灌漿特征的影響研究[J]. 節水灌溉, 2016(12): 59-63.
HUANG Caixia, ZHANG Hengjia. Effect of different irrigation amounts on crop growth dynamics and grain filling characteristics of spring maize (zea mays) in oasis field[J]. Water Saving Irrigation, 2016(12): 59-63.
[23] 李鑫,崔菁菁,徐克章,等. 不同生育期人參根系傷流液質量與葉片光合的關系[J]. 華南農業大學學報, 2013, 34(3): 362-365.
LI Xin, CUI Jingjing, XU Kezhang, et al. Relationships between mass of root bleeding sap and photosynthesis in leaves of panax ginseng[J]. Journal of South China Agricultural University, 2013, 34(3): 362-365.
[24] 陸大克, 段驊, 王維維, 等. 不同干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下水稻根系生長及功能差異[J]. 植物營養與肥料學報, 2019, 25(8): 1 362-1 372.
LU Dake, DUAN Hua, WANG Weiwei, et al. Comparison of rice root development and function among different degrees of dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(8): 1 362-1 372.
[25] 張鴻, 朱從樺, 李其勇, 等. 灌溉方式和施氮量對直播稻氮素和水分利用的影響[J]. 中國生態農業學報, 2017, 25(12): 1 802-1 814.
ZHANG Hong, ZHU Conghua, LI Qiyong, et al. Effect of irrigation management and nitrogen rate on nitrogen and water utilization of direct-seeded rice[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(12): 1 802-1 814.
[26] MEDICI L O, MACHADO A T, AZEVEDO R A, et al. Glutamine synthetase activity, relative water content and water potential in maize submitted to drought[J]. Biologia Plantarum, 2004, 47(2): 301-304.
[27] ARTOLA E, CRUCHAGA S, ARIZ I, et al. Effect of N-(n-butyl) thiophosphoric triamide on urea metabolism and the assimilation of ammonium byL[J]. Plant Growth Regulation, 2011, 63(1): 73-79.
[28] 徐國偉, 陸大克, 劉聰杰, 等. 干濕交替灌溉和施氮量對水稻內源激素及氮素利用的影響[J]. 農業工程學報, 2018, 34(7): 137-146.
XU Guowei, LU Dake, LIU Congjie, et al. Effect of alternate wetting and drying irrigation and nitrogen coupling on endogenous hormones, nitrogen utilization[J]. Transactions of the CSAE, 2018, 34(7): 137-146.
[29] 邴昊陽, 張艷, 賈志寬, 等. 溝壟集雨節灌種植技術對土壤水分和玉米產量的影響[J]. 灌溉排水學報, 2013, 32(5): 30-33.
BING Haoyang, ZHANG Yan, JIA Zhikuan, et al. Effects of rainfall harvesting planting combined with water-saving irrigation on soil moisture and yield of spring corn[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2013, 32(5): 30-33.
[30] FARRE I, VAN OIJEN M, LEFFELAAR P, et al. Analysis of maize growth for different irrigation strategies in northeastern Spain[J]. European Journal of Agronomy, 2000, 12(3): 225-238.
The Impacts of Irrigation Amount on Physiological Characteristics and Yield of Spring Maize
XU Chen1, 2, YAN Weiping1, SUN Ning1, LIU Xiaolong3, ZHAO Hongxiang1, TAN Guobo1, WU Zhihai2, ZHANG Zhian2, ZHANG Lihua1, BIAN Shaofeng1*
(1. Jilin Academy of Agriculture Sciences, Changchun 130124, China;2. Jilin Agriculture University, Changchun 130118, China; 3. Yichun University, Yichun 336000, China)
【】Maize production in Jilin province of China needs irrigation because precipitation and antecedent soil water in its growth season cannot meet its demand. Although the impact of water stress in maize growth has been well documented, how its physiological characteristics respond to irrigation amount is an issue remaining obscure for maize production in Jilin province.【】This paper aims to elucidate irrigation-water use efficiency of the maize under different irrigation amounts, with a view to improve water use efficiency without compromising yield in the semi-arid areas in the west of the province.【】A two-year field experiment was conducted with the variety Huanong 887 as the model plant. We compared four irrigation amounts: 500 (CK), 900 (Q1), 1 700 (Q2) and 2 500 m3/hm2(Q3), and in each treatment we measured the accumulation of nitrogen, grain filling, activities of nitrogen metabolizing enzymes in leaves, as well as root injury level.【】①The average grain-filling rate, 100-grain weight and root injury level all increased with the irrigation amount, but their values in Q2 and Q3 were significantly higher than those in Q1 and CK. ②Compared to Q1 and CK, Q2 and Q3 significantly increased nitrogen content in grains, stems and leaves. ③With the increase in irrigation amount, the activities of glutamine synthetase (GS) in the leaves increased, while the activities of glutamate dehydrogenase (GDH) in the leaves decreased. ④The yield increased with irrigation amount, especially in Q2 and Q3. ⑤No significant difference in yield and physiological traits was found between Q2 and Q3.【】Soil moisture is an important factor limiting growth and development of maize in the semi-arid areas in the western Jilin province. With the increase in irrigation amount, the yield, average grain-filling rate, 100-grain weight, root injury level, nitrogen accumulation and GS activity in the leaves all increased, while the activity of GDH in the leaves decreased. The physiological traits were significantly correlated with the yield. When the irrigation amount was 1 700 m3/hm2, the grain-filling rate, root injury level, nitrogen accumulation, nitrogen metabolizing enzyme activity in the leaves were optimal, giving the highest yield. It thus can be used as the reference irrigation strategy for maize production for the studied areas.
maize; irrigation quota; grouting characteristics; bleeding sap; nitrogen accumulation; nitrogen metabolism enzyme
1672 - 3317(2021)01 - 0007 - 08
S311
A
10.13522/j.cnki.ggps.2020227
2020-04-24
國家重點研發計劃項目(2018YFD0300205;2017YFD0300605)
徐晨(1987-),男。博士,主要從事作物生理生態研究。E-mail: 497836232@qq.com
邊少鋒(1963-),男。研究員,主要從事作物旱作節水研究。E-mail: bsf8257888@sina.com
徐晨,閆偉平, 孫寧,等. 不同灌水處理對春玉米生理特性的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(1): 7-14.
XU Chen, YAN Weiping, SUN Ning, et al. The Impacts of Irrigation Amount on Physiological Characteristics and Yield of Spring Maize[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021,40(1): 7-14.
責任編輯:趙宇龍