河西綠洲膜下滴灌調虧對制種玉米籽粒發育及幼苗生長的影響

梁 超，張恒嘉，肖 讓，鄧浩亮，王澤義，李 珍，陳 濤，周三利

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.河西學院土木工程學院/河西走廊水資 源保護利用研究所，甘肅 張掖 734000；3.蘭州新區農業科技開發有限責任公司，甘肅 蘭州 730314)

玉米是我國主要的糧食作物之一，2020年全國玉米播種面積約3 846.67萬hm2， 商品種子價格達到36.75元·kg-1[1]。河西走廊得天獨厚的氣候資源和優越的灌溉條件，使其成為我國最主要的制種玉米生產基地[2]。隨著現代農業技術與農業機械化的發展，玉米種子單粒精播成為必然的發展趨勢，同時對種子質量提出了更高的要求。王密俠等[3]研究發現適宜的水分調虧可增加玉米抵御干旱的能力，提高水分利用效率，改善作物品質。陸文娟等[4]灌溉試驗中發現拔節前期至中期中度虧水降低了玉米葉綠素含量和總干物質量，提高了可溶性糖和脯氨酸含量。農夢玲等[5]在對玉米灌溉方式和肥料運籌中發現相同施肥方式時，與常規灌溉相比，隔溝灌溉提高籽粒中可溶性糖和淀粉量。研究發現，科學的虧水灌溉制度對洋蔥、板藍根、向日葵、冬小麥等作物具有較好的增產調質效應[6-9]。1976年，國際種子檢驗協會提出種子活力是種子或者種子批在發芽和出苗期間的活性強度及特性的綜合表現，它在種子發育中形成[10]。種子活力是決定種子質量的關鍵因素之一[10]，是衡量種子在廣泛條件下迅速、整齊發芽的潛力和影響作物高產穩產的因素[11-12]。制種玉米品質的好壞最主要體現于籽粒活性方面，高活力種子在生產和加工過程中能夠抵抗各種環境條件的不利影響，發芽快，成苗率高，幼苗生長整齊，抗逆性強，有利于提高糧食產量和農民的經濟效益[13]。目前關于調虧灌溉對制種玉米的研究多集中于提高水分利用率與增產方面，而對于制種玉米籽粒品質及幼苗抗氧化酶活性鮮有報道。因此，本試驗以充分灌溉為對照(CK)，設置8種不同生育期及虧水條件的水分調虧處理，通過測定調虧灌溉后制種玉米籽粒萌發生長和生理指標，以及運用數學評價模型的理論知識，綜合種子活力生理、生化[14]等方面對調虧灌溉制種玉米籽粒進行綜合評價，構建較為合理的評價體系，篩選最優制種玉米虧水處理，以期為河西灌區制種玉米節水灌溉增產增質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年4—9月在甘肅省張掖市黨寨鎮制種玉米試驗基地(100°27′E，38°51′N)進行，該地區屬于溫帶大陸性干旱氣候，平均海拔1 474 m左右，多年平均氣溫7.25℃，極端最高氣溫和最低氣溫分別為36.6℃和-10.1℃，年均日照時數3 000～3 600 h，平均無霜期128 d，耕層土壤最大田間持水量為26.8%，作物萎蔫系數為7.3%。據近20年氣象數據資料顯示，該試驗區年平均降水128.7 mm左右，蒸發量1 639～2 341 mm，晝夜溫差大，光能資源充沛，夏季短而炎熱,冬季長而嚴寒，干燥少雨。試驗地為沙壤土，地勢平坦、土壤肥力中等。

1.2 試驗設計

制種玉米品種為新大弓農化有限公司提供品種NC242，采用覆膜種植方式，于2020年4月20日播種，9月11日收獲。小區面積35 m2(長7.0 m×寬5.0 m)，采用底寬25 cm，高20 cm的地埂分隔，小區周圍設保護區，寬度1 m。2020年4月8日播種母本，4月15日和4月22日分別第一期和第二期播種父本，9月10日收獲。父母本種植行比為1∶4，即1行父本，4行母本，東西行向種植，母本寬窄行種植，行距0.45 m，株距0.2 m，父本在2行母本中間播種，行距1.35 m，株距0.2 m，每小區鋪設5行膜，每膜種植2行。基施化肥N 105 kg·hm-2、P2O5138 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2。氮肥追施用量345 kg·hm-2，水肥耦合滴灌施入，追肥施用時間分別為拔節期、吐絲期、灌漿期，追施比例分別為3∶4∶3。試驗依據《灌溉試驗規范》[15]并結合當地制種玉米的實際生長進程，將其整個生育期劃分為5個階段：苗期、拔節期、吐絲期、灌漿期和成熟期。土壤水分設置3個梯度分別為：充分灌水處理(土壤含水量為田間持水量的85%～90%)、輕度水分調虧處理(土壤含水量為田間持水量的70%～75%)、中度水分調虧處理(土壤含水量為田間持水量的60%～65%)；4個控水時期為：苗期、拔節期、吐絲期、灌漿期。本試驗采用隨機區組設計，設8個水分調虧處理和1個對照，每個處理3次重復，共27個小區，灌水方式為膜下滴灌，用水表控制水量。土壤水分控制到設計范圍內，當計劃濕潤層的土壤水分降低到設計下限時，灌水到土壤水分上限。具體試驗設計見表1。

表1 試驗設計Table 1 Experimental design

1.3 測定內容與方法

1.3.1 土壤含水量 生育期內，每隔15 d在長勢一致的兩株玉米中間位置取土，測深100 cm，20 cm為一土層深度，利用烘干法測定土壤含水量。

土壤貯水量計算：

SWS(mm)=h×ρ×ω×10

式中,h為土層深度(cm)，ρ為土壤容重(g·cm-3)，ω為土壤含水量(%)。

1.3.2 產量及農藝性狀 玉米成熟后按小區單獨收獲，自然風干后脫粒并計產。收獲前3～5 d，各小區選取長勢均勻的玉米20株，測定果穗直徑、果穗長度、穗粒數、單株穗粒重、百粒重等指標。產值=產量×種子價格，種子價格選取當地當年收購價格(3.77元·kg-1)。

1.3.3 籽粒水分利用效率 采用土壤水分平衡方程計算制種玉米耗水量。

耗水量ET(mm) =播前100 cm土層土壤貯水量-收獲時100 cm土層土壤貯水量+生育期降水量+生育期灌水量

水分利用效率WUE(kg·m-3)=籽粒產量/生育期耗水量

1.3.4 種子萌發測定指標 將收獲后的制種玉米自然風干后，收集籽粒自然老化2個月。對參試種子進行預處理(冷浸脅迫4℃,1 d)，發芽方法參考杜清福等[16]的標準發芽試驗方法。將處理后的玉米籽粒放入發芽盒中，每盒20粒種子，3次重復，在25℃條件下進行發芽試驗。每天定時補充水分并記錄發芽種子數，第4天統計種子的發芽勢(GE)，第7天結束時統計發芽率(GP)并計算發芽指數(GI)、活力指數(VI)、根系活力等指標。

GE=(Gt/T)×100%

GP=(Gt/T)×100%

VI=GI×S

式中,Gt為發芽開始后第t天的累計發芽數，Dt為相應的發芽天數(d)，S為幼苗鮮重(g)，T為每個發芽盒內的供試種子數。

1.3.5 生長指標測定 從種子萌發試驗中各處理發芽盒內隨機抽取6株生長7 d的玉米幼苗，用蒸餾水沖洗干凈后，分別測定并統計不同處理下各重復的芽長和根長。用吸水紙吸干表面水分，分別稱量并統計不同處理下各重復的鮮重。再將稱量過的玉米幼苗置于105℃烘箱中殺青30 min后置70℃烘箱烘干至恒重，稱量并統計玉米芽長、根長干重。

1.3.6 生理指標測定 取第7天結束各處理組幼苗相同部位葉片進行下列生理指標的測定：超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原抑制法測定[17]，過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用紫外吸收法[17]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法測定[16]，可溶性糖含量采用蒽酮-硫酸法測定[16]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定[17]，根系活力采用TTC法測定[17]。

1.3.7 不同生育期水分調虧綜合指標隸屬函數值 當籽粒品質與所測指標正相關時，其綜合隸屬函數計算公式為：

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2,3，…,n

當籽粒品質與所測指標負相關時，其綜合隸屬函數計算公式為：

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2,3,…,n

式中,Xj表示第j個綜合指標，Xmix表示第j個綜合指標最小值，Xmax表示第j個綜合指標最大值。

1.3.8 不同生育期水分調虧綜合指標權重

式中，Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中重要程度即權重，Pj為各處理的第j個綜合指標貢獻率。

1.3.9 不同生育期水分調虧綜合評價

式中,D值為各處理的水分調虧綜合評價值。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數據進行計算處理，SPSS 26.0軟件對試驗數據進行差異顯著性分析、相關性分析以及主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同調虧灌溉下制種玉米產量和水分利用效率

調虧灌溉顯著降低了制種玉米全生育期耗水量(表2)，其中T4、T6和T8全生育期耗水量降幅較大，較CK降低14.23%、15.88%和21.03%(P<0.05)，苗期輕度調虧處理T1降幅最小，為9.07%。不同虧水處理均會使制種玉米減產，其中T1與T3較CK減產3.07%和7.17%，T8處理降幅最大，較CK減產26.84%(P<0.05)。各處理產值變化與產量一致,輕度虧水處理T1、T3單方水產值較CK顯著增加，增幅6.24%～7.05%，而中度虧水處理T6、T8顯著降低，降幅為6.35%、6.47%。T1處理的水分利用效率最高，達1.61 kg·m-3，較CK顯著增加6.62%， T3、T5處理次之，較CK分別增加5.30%、0.66%,而T4、T6、T8處理水分利用效率均較CK顯著降低，降幅5.30%～7.28%。T8處理灌溉水利用效率最低，較CK降低5.64%(P<0.05)，其次為T4、T6，較CK降低3.59%、4.62%，T1、T3處理分別較CK提高灌溉水利用效率9.74%、6.67%(P<0.05)。

表2 不同調虧灌溉下制種玉米產量和全生育期水分利用狀況Table 2 Yield and water use in whole growth period of seed maize under different regulated deficit irrigation

2.2 不同調虧灌溉下制種玉米籽粒萌發狀況

由表3可知，不同生育期膜下滴灌虧水灌溉對籽粒萌發狀況影響不同。處理間，除T1外，其他處理的發芽勢均低于CK。與CK相比，T1處理發芽勢提高6.00%。各虧水處理對籽粒發芽率與發芽指數的影響一致， T1處理發芽率、發芽指數均為最高，分別較CK增長5.56%、2.03%，其余各處理發芽率與發芽指數均低于CK，降幅2.22%～30.39%。此外，不同生育期調虧灌溉對制種玉米籽粒活力指數影響不同，其中T1處理影響最顯著，其次為T3和T5，較CK分別增長41.99%、6.57%和3.04%，其他處理較CK均有不同程度降低，降幅6.41%～30.07%，其中T8降幅最顯著，為30.07%。表明苗期、拔節期和吐絲期輕度水分調虧有利于玉米籽粒活力指數的增長。

表3 不同調虧灌溉對制種玉米籽粒萌發的影響Table 3 Effects of different regulated deficit irrigation on seed germination of maize

2.3 不同調虧灌溉下制種玉米幼苗生長與根系活力

不同生育期水分調虧對制種玉米幼苗生長的影響不同 (表4)。綜合2020年平均數據分析發現，與CK相比，T1處理的玉米幼苗根長最長，較CK提高8.30%，而其他處理均低于CK，降幅1.16%～25.72%，其中T8的根長最短，較CK降低25.72%(P<0.05)。T1芽長最長，達18.06 mm，高于CK(P>0.05)，其余處理的芽長值均低于CK，其中T6、T8分別降低32.18%、37.63%(P<0.05)。不同生育期調虧灌溉對幼苗的干、鮮重影響存在差異，其中T1處理的幼苗干、鮮重較CK分別提高7.69%、2.00%(P>0.05)，而T8處理分別較CK降低30.76%、26.00%(P<0.05)。其余處理干重、鮮重均較CK降低，降幅7.69%～23.07%、8.00%～22.00%。制種玉米生育前期輕度虧水對根系活力影響不顯著，而生育中后期中度虧水降低了幼苗根系活力，T1、T2、T3和T5處理較CK根系活力無顯著性差異，其中T1最高，為552.65 mg·g-1·h-1，較CK增長8.56%。

表4 不同調虧灌溉對制種玉米籽粒幼苗生長的影響Table 4 Effects of different regulated deficit irrigation on seedling growth of seed production maize

T4、T6、T7和T8處理較CK根系活力顯著下降，其中T8處理最低，較CK降低35.31%(P<0.05)。

2.4 不同調虧灌溉下制種玉米幼苗生理活性

由圖1可見，不同生育期的膜下滴灌虧水對玉米幼苗生理活性存在顯著影響。各調虧處理均導致玉米幼苗MDA含量增加，其中CK含量最低(0.023 μmol·g-1)，其次為T1、T3，達0.025、0.026 μmol·g-1，與CK分別提高8.7%、13.04%，T8處理玉米幼苗MDA含量最高，達0.054 μmol·g-1，與CK差異性顯著。不同生育期調虧灌溉對CAT、SOD含量存在影響，在 T1處理下，CAT、SOD含量最高，與 CK相比，分別提高0.10%、3.77%，無顯著差異，T6與T8極不利于幼苗CAT、SOD含量的積累，其中T8最顯著，其次為T6處理，分別較CK降低21.44%、15.82%和17.19%、9.51%。

圖1 不同調虧灌溉對制種玉米幼苗MDA含量及抗氧化酶活性的影響Fig.1 Effects of different regulated deficit irrigation on MDA content and antioxidant enzyme activities of seed production maize seedlings

2.5 不同調虧灌溉下制種玉米幼苗營養物質含量

不同生育期水分調虧對制種玉米幼苗營養物質的影響不同(表5)，其中T1處理的可溶性糖含量最高，達2.19%，較CK提高19.67%(P<0.05)，T2、T3處理較CK分別下降7.65%、0.55%(P>0.05)，其余處理較CK均顯著下降，降幅19.67%～40.44%。中度虧水處理嚴重影響玉米幼苗可溶性蛋白與Vc含量，其中T8處理最低，分別為34.71、5.42 mg·kg-1，較CK下降16.6%、18.98%(P<0.05)。中度處理T2、T4和T6較CK分別下降9.63%～7.32%、7.86%～11.66%、12.97%～14.35%，而輕度虧水處理T3、T5對玉米幼苗可溶性蛋白影響不顯著，同時T1、T3對Vc含量影響也不顯著，其中T3、T5可溶性蛋白較CK分別下降2.35%、3.05%，T1、T3 Vc含量較CK提高3.89%和-1.35%，其余處理較CK均顯著下降。

表5 不同調虧灌溉對制種玉米幼苗營養物質的影響Table 5 Effects of different regulated deficit irrigation on seed production maize seedling nutrients

2.6 不同調虧措施下制種玉米籽粒綜合評價

2.6.1 各指標間的相關性分析 對制種玉米的9個單項指標進行相關性分析(表6)，發現VI與SOD、RA呈極顯著正相關，相關系數分別為0.885和0.818(P<0.01)。MDA與CAT、MDA和GI極顯著負相關，相關系數分別為-0.958、-0.945。Y與VI顯著正相關，GI與SP也呈顯著正相關關系。因此，僅采用單一或個別幾個指標來評價制種玉米籽粒活力不準確，應對其進行綜合分析。

表6 各指標間的相關性分析Table 6 Correlation analysis among various indicators

2.6.2 不同調虧處理的綜合評價 相關性分析表明，各指標間存在一定的信息重疊，因此分別對9個不同處理的9個指標進行主成成分分析(表7)，前3個綜合指標貢獻率分別為87.89%、6.432%、3.456%，累計貢獻率達97.778%，計算不同調虧處理下3個主成分的隸屬函數值，結合3個主成分的貢獻率，得3個主成分權重，分別為0.899、0.066、0.035。計算出不同調虧處理綜合評價值(D)，根據綜合評價(D)值進行綜合排序見表8，其中T1苗期輕度調虧處理D值最高，表明其經調虧灌溉處理后所得種子活力最強。

表7 制種玉米各綜合指標系數與貢獻率Table 7 Comprehensive index coefficient and contribution rate for maize seed production

表8 不同調虧灌溉制種玉米籽粒隸屬函數綜合評價Table 8 Comprehensive evaluation of the membership functions of maize grains in seed production with different regulated deficit irrigation

3 討 論

對制種玉米不同生育期進行調虧灌溉可有效利用作物補償或超補償作用調節作物生長形態，營養物質積累速率與分配，最終影響作物的經濟產量與品質。范志超等[18]研究發現調虧灌溉可以改變土層水分垂直分布特征，輕度水分虧缺較CK可提高產量5%。袁淑芬等[19]研究發現適當減小灌水量可以有效增加地上部生物量積累量，提高水分利用效率。這與本試驗結論有所差異，這可能與虧水梯度、試驗環境和制種玉米品種等有關。本研究發現，不同生育期水分調虧均會導致制種玉米產量下降，降幅3.07%～26.84%，其中，T1與T3較CK降低3.07%和7.17%，而水分利用效率與灌溉水利用效率分別提高6.62%、5.3%與9.74%、6.67%(P<0.05)。這可能是由于在苗期與拔節期，莖葉增長迅速，玉米主要進行營養生長，而到吐絲期與灌漿期，玉米從營養生長進入到生殖生長階段，水分虧缺導致玉米光合活動與營養積累等速率降低，復水后難以補償，最終影響產量與水分利用狀況，這與薛馮定等[20]研究結果一致。

作物長時間在逆境生長會造成嚴重的損害，而適當的逆境刺激(抗性鍛煉)有利于作物激發形態與生理上的正效益變化。連彩云等[21]對制種玉米進行不同灌溉定額研究發現，玉米種子同一施肥情況下發芽率、發芽指數、活力指數隨灌水量變化呈現先增加后減少的趨勢，適當的灌水量可以有效增加種子活力。陳蕾太等[22]研究得出不同逆境條件下小麥種子活力與種子萌發相關酶活性存在不同差異。本研究發現， T1處理發芽勢、發芽率和發芽指數分別較CK增長6.02%、5.55%和2.03%(P>0.05)，而活力指數較CK增長41.99%(P<0.05)。植物種子萌發初期的根長是評價種子品級的綜合指標之一，通常認為它們與種子品級呈正相關[23]。本研究發現，不同調虧處理對籽粒萌發生長影響各異，其中T1較CK根長提高8.30%， T2、T3處理與CK無明顯差異，其余處理均有所下降，降幅13.33%～25.73%，同時T1處理的芽長與干物質量均達到最高，較CK提高4.4%和7.69%，原因可能為生育前期進行水分虧缺，作物生物量分配優先傾斜于根部生長，提高根系吸水能力，緩解干旱脅迫[24]。即導致其籽粒生長進化過程中可能同樣優先加速根部生長，增強營養物質吸收能力。

作物處于逆境脅迫時，細胞內自由基代謝平衡被破壞，致使作物中丙二醛含量提高[25]，其含量及質膜透性都是膜脂過氧化作用強弱和質膜受破壞程度的評價指標[26]。植物受逆境傷害的程度可用MDA含量來表示[25]。本試驗結果表明，不同生育期水分虧缺效果在各處理玉米籽粒幼苗中有明顯的差異，隨著生育期的推進以及水分虧缺的增加，玉米幼苗中MDA含量均呈顯著上升的趨勢，而生育前期輕度水分虧缺T1、T3處理MDA含量較CK僅增長8.70%、13.04%。超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)不僅是植物體內酶促系統[27]的主要成分，還是活性氧清除系統[28]的主要依托，可以有效降低自由基水平，保護膜結構，是植物減輕逆境脅迫危害的機理之一。本試驗發現，制種玉米苗期輕度虧水T1可以始終保持較高的SOD與CAT含量，較CK分別提高0.10%和3.77%，其次為拔節期輕度虧水(T3)，較CK僅降低4.96%和1.18%，均無顯著性差異。而制種玉米生育后期輕中度虧缺與生育前期中度虧缺均使幼苗SOD與CAT含量下降，下降幅度9.08%～21.44%和5.03%～15.82%，其中T8處理SOD與CAT含量均達到最低，降幅分別為21.44%和15.82%。可能原因為作物生育后期受到的逆境脅迫傷害遠大于生育前期，過度的水分虧缺致使作物體內活性氧增多，造成膜質過氧化，破壞了細胞膜系統從而使抗氧化酶活性降低。

可溶性糖既是滲透調節劑，也是合成其他有機溶質的碳架和能量的來源，還可在細胞內無機離子濃度高時起保護酶類的作用[29]，植物體內可溶性蛋白持水強度大，可以延緩種子老化，為植物抵抗逆境提供主要的物質和能量，從而增強植物的抗逆性[28]。有研究表明逆境脅迫可以誘導小白菜[29]、玉米[30]體內可溶性糖與可溶性蛋白含量的增加。本試驗發現，處理T1可溶性糖含量與維生素C含量均達到最大，較CK提高19.67%、3.89%。而處理T3與CK無顯著差異，其余調虧處理均導致可溶性糖與維生素C含量下降，降幅7.65%～40.44%、7.32%～18.98%。處理CK可溶性蛋白含量最高，達41.62 mg·g-1，中度調虧處理幼苗內可溶性蛋白含量顯著下降，降幅7.88%～16.60%，其中T8處理降幅最大，達16.60%， T3、T5處理較CK分別下降2.35%、3.05%(P>0.05)，而T1處理較CK顯著下降6.90%(P<0.05)，原因可能為，T1根系活力最高，較高的根系活力可以在促進幼苗生長的同時，使較多的種子蛋白質水解產物轉化為幼苗生長所需的其他能源物質，進而導致可溶性蛋白含量降低[30]。而其余調虧處理均導致幼苗根系活力低于CK，降幅7.96%～35.31%，其中T6、T8處理降幅最大，分別為29.72%、35.31%。

4 結 論

1)苗期與拔節期輕度水分調虧穩產的同時可顯著提高制種玉米水分利用效率與灌溉水利用效率，而吐絲期與灌漿期中度調虧均顯著降低制種玉米產量與水分利用效率。

2)不同生育期水分調虧可引起制種玉米籽粒發芽指數與活力指數降低，而苗期輕度水分虧缺籽粒發芽指數與活力指數與CK無顯著差異。

3)水分虧缺可顯著提高玉米幼苗丙二醛含量，且虧缺程度越高，丙二醛含量就越高，但過氧化氫酶與超氧化物歧化酶含量越低，其中苗期輕度調虧抗氧化酶活性含量最高。

4)不同生育期水分調虧均可降低玉米幼苗可溶性蛋白含量，其中灌漿期中度調虧最低，達34.71 mg·g-1，而拔節期與吐絲期輕度水分調虧無顯著影響。苗期與拔節期輕度水分調虧對幼苗可溶性糖、維生素C與根系活力較CK影響不顯著，而其余處理均有降低，降幅為7.65%～40.44%、7.32%～18.98%、7.77%～35.31%。

綜合考慮產量、水分利用狀況、籽粒萌發生長、生理活性與營養物質等指標，運用主成分分析法及隸屬函數法進行綜合值的計算，并進行綜合排序，表明制種玉米最佳水分調虧處理為苗期輕度水分調虧，即在苗期土壤含水率保持在70%～75%，其余生育期相對土壤含水率為85%～90%，可在穩產的同時提高水分利用效率，獲得較好的籽粒活性，對河西走廊地區制種玉米高產、節水增質和籽粒活性的提升具有重要意義。