夏玉米產(chǎn)量及根系生長對旱澇急轉(zhuǎn)的響應特征

高 蕓，呂海英，齊學斌，李 平，梁志杰，張 彥

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科技教育服務站，河南 新鄉(xiāng) 453000）

受全球氣候變化、下墊面改變和劇烈人類活動等因素影響，我國由干旱災害向洪澇災害快速轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象（旱澇急轉(zhuǎn)）呈明顯增多趨勢［1－4］。 旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象已從長江中下游地區(qū)逐漸北移至黃河、淮河流域多地［5－7］，2019 年山東“利奇馬”旱澇急轉(zhuǎn)事件造成農(nóng)作物受災面積4.63 萬hm2，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失4.04 億元，同年“旱澇急轉(zhuǎn)、旱澇交替事件”被黃河水利委員會列為近期黃河流域災害的防御工作重點。 2021 年7 月河南省在持續(xù)性高溫干旱天氣后出現(xiàn)了歷史罕見的極端特大暴雨（旱澇急轉(zhuǎn)），災情造成直接經(jīng)濟損失超過139 億元，農(nóng)作物受災面積7.5 萬hm2，成災面積2.52萬hm2，絕收面積0.47 萬hm2，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失5.42 億元。 旱澇急轉(zhuǎn)已成為我國夏季水旱災害異常的新特點和新趨勢，嚴重威脅著我國的糧食安全。

目前，國內(nèi)針對長江中下游地區(qū)水稻種植區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)已經(jīng)開展了較多研究，取得了一定成果，但對黃河流域的旱作物則關(guān)注較少，并且已有研究較多關(guān)注旱澇急轉(zhuǎn)下作物的減產(chǎn)現(xiàn)象描述［8－9］，對前旱、后澇之間的交互作用討論較少［10－11］。 有根系生長的調(diào)控［12］、根系遺傳［13］、根系對環(huán)境的響應［14］等方面的研究，但這些研究大多集中于單旱、單澇的致災性研究，或只關(guān)注土壤表層淺層積水的干濕交替、間歇灌溉、控制灌溉等節(jié)水灌溉技術(shù)［15－17］，對旱澇急轉(zhuǎn)極端氣象災害下作物根系生長的變化規(guī)律研究較少，關(guān)于旱澇急轉(zhuǎn)前旱、后澇交互作用對作物根系吸水量的影響是否為單一旱澇損害的簡單疊加并沒有統(tǒng)一的結(jié)論［18－19］。 北方以旱作物為主，旱澇急轉(zhuǎn)下承載體與南方不同，應對新的水旱災害作物的響應特征與機理以及防災減災措施的研究尚處空白，因此亟須探索北方旱作物對旱澇急轉(zhuǎn)的響應機制。

本研究以夏玉米為試驗對象，通過測桶試驗，研究旱澇急轉(zhuǎn)前期干旱與后期淹澇對夏玉米產(chǎn)量的補償或削減作用，探討旱澇急轉(zhuǎn)下夏玉米根系生長的動態(tài)變化規(guī)律，以期為應對旱澇急轉(zhuǎn)災害、制定合理減災措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020 年6—10 月在中國農(nóng)業(yè)科學院新鄉(xiāng)綜合試驗基地（N35°9°，E113°47°）開展。 試驗區(qū)位于河南省新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)，屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫14 ℃，降水量548 mm，日照2 399 h，平均海拔78.7 m。 試驗品種為夏玉米登海605（生育期100 d左右），播種日期為2020 年6 月18 日。

研究采用測桶試驗方法，測桶內(nèi)徑37 cm、高60 cm，為大型有底鐵桶，試驗測桶埋設于土中，上有防雨棚隔雨（見圖1）。 采用稱重法控制測桶土壤水分（見圖2）。 種植密度為1 株／桶。 試驗區(qū)土壤為壤土，0～60 cm 土壤層平均容重為1.49 g／cm3，田間持水率（質(zhì)量百分數(shù)）為21%。

1.2 試驗設計

夏玉米生長期分為苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期。研究表明，拔節(jié)至雄穗開花階段對外界環(huán)境最敏感，統(tǒng)計資料顯示旱澇急轉(zhuǎn)氣象災害多發(fā)生于7 月中下旬至8 月中下旬，正好與該時期重合，因此試驗設計自拔節(jié)期開始進行旱澇急轉(zhuǎn)控水處理，其他生育期進行適宜灌溉和排水。 旱澇程度及持續(xù)時間按照豫北地區(qū)玉米種植區(qū)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)災害天氣的實際情況及有關(guān)文獻中前人研究成果設定［20－21］。 輕旱設置為自然落干至含水率下限55%田間持水率，重旱為45%田間持水率；輕澇設置為保持10 cm 淹水深度2 d，重澇為4 d。其中，重旱輕澇組（DFAA3）和重旱重澇組（DFAA4）受旱時間為7 月20 日，輕旱輕澇組（DFAA1）和輕旱重澇組（DFAA2）受旱時間為7 月24 日，所有處理組在7月29 日發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)。 每個處理組的取樣時間為旱期開始，旱期結(jié)束，澇期結(jié)束，旱澇急轉(zhuǎn)后復水15 d、復水21 d。 旱澇因素及水平設置見表1；試驗各階段破壞植株數(shù)見表2；不同處理夏玉米生育期見表3。

表1 旱澇因素及水平設置

表2 試驗各階段破壞植株數(shù) 株

表3 不同處理夏玉米生育期

1.3 測定項目

測定項目包括3 個部分：①測量根、冠干重。 將破壞分離后的根、冠放入烘箱設置105 ℃殺青30 min后，調(diào)至80 ℃烘干至恒重，隨后用電子天平進行稱重，精確到0.01 g。 ②根系形態(tài)指標。 通過洗根后掃描圖片，采用根系分析系統(tǒng)WinRHIZO 對根長密度、平均直徑、根表面積、根體積等進行分析測算。 ③產(chǎn)量及構(gòu)成指標。 收獲期測量每個處理組單株產(chǎn)量、百粒重、穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、禿尖長度、穗重、穗粒重、出籽率。

1.4 控水方法

測桶控水處理分4 個階段：①第一次澆水至開始受旱期間，每3～5 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，觀測測桶所有處理組含水率的平均值，保證含水率下限不低于70%田間持水率。 ②受旱期間，每3～5 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，觀測測桶DFAA 組含水率的平均值，保證含水率下限不低于45%、55%田間持水率。 ③受澇階段處理的淹水深度10 cm，每1 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，保證測桶地表水深不低于10 cm。 ④旱澇急轉(zhuǎn)排澇結(jié)束后排出地表水分自然落干，每3～5 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，觀測測桶所有處理組含水率的平均值，保證含水率下限不低于70%田間持水率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 26 軟件One－Way ANOVA 以及LSD 法進行單因素方差分析、多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇急轉(zhuǎn)下產(chǎn)量的變化規(guī)律

從表4 可知，DFAA 各組產(chǎn)量均低于CK 組，平均減產(chǎn)率為63.04%。 DFAA1 減產(chǎn)32.20%，DFAA2 減產(chǎn)77.02%，DFAA3 減產(chǎn)59.05%，DFAA4 減產(chǎn)83.90%，重澇組（DFAA2 和DFAA4）與CK 組差異顯著。 說明旱澇急轉(zhuǎn)后期淹澇對前期干旱存在一定的疊加減產(chǎn)效應。

表4 不同處理產(chǎn)量及構(gòu)成指標

DFAA 各組處理的穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、穗重、穗粒重以及出籽率的差異特征與單株產(chǎn)量基本一致，即重澇組（DFAA2 和DFAA4）與CK 組相比下降最多，旱澇表現(xiàn)為疊加削減。 DFAA 組穗長的平均減少率為26.30%，穗行數(shù)的平均減少率為28.64%，行粒數(shù)的平均減少率為50.12%，穗粗的平均減少率為29.28%，穗重的平均減少率為64.26%，穗粒重的平均減少率為70.41%，出籽率的平均減少率為37.81%，其中DFAA4 各指標與CK 組差異均顯著。 旱澇急轉(zhuǎn)使夏玉米禿尖長度變大，并且干旱轉(zhuǎn)輕澇條件下百粒重略有增加，DFAA1 增加15.79%，DFAA3 增加16.62%。綜上，粒數(shù)（穗行數(shù)和行粒數(shù)）與粒重（穗重和穗粒重）的減少是旱澇急轉(zhuǎn)各處理組減產(chǎn)的主要原因。

2.2 旱澇急轉(zhuǎn)下根干重、冠干重、根冠比的變化特征

根據(jù)圖3 計算DFAA 各處理組相對CK 組的損傷程度。 DFAA 各組根干物質(zhì)在不同旱、澇處理階段均少于CK 組，旱期平均減少22.64%，澇期平均減少41.41%，復水前期（15 d）平均減少30.89%，復水后期（21 d）平均減少29.25%。 說明旱澇急轉(zhuǎn)抑制根干物質(zhì)增長，后期淹澇對根干物質(zhì)的損害更加嚴重。DFAA1～DFAA3 根干物質(zhì)在澇期減少最為嚴重，減少率分別為49.91%、42.29%、42.54%；DFAA4 在復水前期減少最為嚴重，減少率為43.95%，說明前期輕旱以及旱轉(zhuǎn)輕澇根干物質(zhì)的減少主要集中在澇期、重旱轉(zhuǎn)重澇根干物質(zhì)的減少在復水前期。

DFAA 各組冠干物質(zhì)在不同旱、澇處理階段均少于CK 組，旱期平均減少17.28%、澇期平均減少7.76%，復水前期平均減少19.09%、復水后期平均減少33.02%。 說明旱澇急轉(zhuǎn)抑制冠干物質(zhì)增長，旱澇對冠干物質(zhì)的損傷存在滯后性，旱澇急轉(zhuǎn)復水后期對冠干物質(zhì)的損害更加嚴重。 DFAA1 ～DFAA4 冠干物質(zhì)在復水后期減少最為嚴重，減少率分別為35.11%、27.27%、33.88%、35.81%，說明旱澇急轉(zhuǎn)對冠干重有后效性影響。

DFAA 各組根冠比在不同旱、澇處理階段均低于CK 組，旱期平均降低5.48%，澇期平均降低37.12%，復水前期平均降低16.52%，復水后期平均降低4.92%。結(jié)合根、冠干重變化，說明后期淹澇脅迫下根干物質(zhì)減少量大、而冠干物質(zhì)減少不多是澇期根冠比下降最嚴重的主要原因。 DFAA1 ～DFAA4 根冠比在澇期降幅最大，降幅分別為36.23%、38.00%、35.90%、38.35%，說明重旱轉(zhuǎn)重澇對根冠比影響最大。

2.3 旱澇急轉(zhuǎn)下根長密度、根表面積、平均直徑、根體積的變化特征

根據(jù)圖4 計算DFAA 各組相對CK 組的損傷程度。 DFAA 各組根長密度在不同旱、澇處理階段均低于CK 組，旱期平均降低17.79%，澇期平均降低37.65%，復水前期平均降低44.35%，復水后期平均降低35.43%。 說明旱澇急轉(zhuǎn)對根長密度有后效性影響，復水前期對根長密度的損害更加嚴重。 DFAA2、DFAA4（重澇組）在復水前期降幅最大，降幅分別為56.76%、53.91%，DFAA1、DFAA3（輕澇組）根長密度在復水后期降幅最大，降幅分別為47.48%、43.88%，說明后期重澇對根長密度的削減作用強于后期輕澇并且體現(xiàn)在復水前期，后期輕澇的削減作用則主要體現(xiàn)在復水后期。

DFAA 各組根表面積在不同旱、澇處理階段均小于CK 組，旱期平均降低19.14%，澇期平均降低46.21%，復水前期平均降低50.41%，復水后期平均降低48.55%。 說明旱澇急轉(zhuǎn)對根表面積有后效性影響，復水前期對根表面積的損害更加嚴重。 DFAA2、DFAA4（重澇組）在復水前期降幅最大，降幅分別為58.04%、59.48%，DFAA1、DFAA3（輕澇組）根表面積在復水后期降幅最大，降幅分別為55.55%、55.03%。 說明后期重澇對根表面積的削減作用主要體現(xiàn)在復水前期，后期輕澇的削減作用體現(xiàn)在復水后期。

DFAA 各組平均直徑在不同旱、澇處理階段均小于CK 組，旱期平均降低8.64%，澇期平均降低51.93%，復水前期平均降低54.51%，復水后期平均降低52.21%。 說明旱澇急轉(zhuǎn)對根系平均直徑有后效性影響，復水前期對根系直徑的損害更加嚴重。 DFAA1、DFAA2（輕旱組） 在澇期降幅最大，降幅分別為57.46%、61.88%；DFAA3 平均直徑在復水后期降幅最大，降幅為54.96%，DFAA4 平均直徑在復水前期降幅最大，降幅為56.23%。 說明輕旱轉(zhuǎn)澇后根系平均直徑減?。恢睾缔D(zhuǎn)輕澇對根系平均直徑的削減作用主要體現(xiàn)在復水后期，重旱轉(zhuǎn)重澇的削減作用體現(xiàn)在復水前期。

DFAA 各組根體積在不同旱、澇處理階段均小于CK 組，旱期平均減少20.88%、澇期平均減少53.83%、復水前期平均減少55.72%、復水后期平均減少58.84%，說明旱澇急轉(zhuǎn)對根體積有后效性影響、復水后期對根體積的損害更加嚴重。 DFAA1、DFAA3（輕澇組）在復水后期根體積減少最為嚴重，減少率分別為62.18%、63.99%；DFAA2 根體積在澇期減少最為嚴重，減少率為59.40%；DFAA4 根體積在復水前期減少最為嚴重，減少率為64.40%。 說明后期輕澇對根體積的削減作用主要體現(xiàn)在復水后期，輕旱轉(zhuǎn)重澇對根體積的削減作用主要體現(xiàn)在澇期，重旱轉(zhuǎn)重澇的削減作用體現(xiàn)在復水前期。

2.4 旱澇急轉(zhuǎn)下比根長、比表面積的變化特征

根據(jù)圖5 計算DFAA 各組相對CK 組的損傷程度。 DFAA 各組比根長在旱澇處理當期平均值高于CK 組，復水階段低于CK 組，旱期平均提高3.19%、澇期平均提高3.69%、復水前期平均降低18.62%、復水后期平均降低9.32%。 結(jié)合根長、根干重數(shù)據(jù)，根干重在澇期減少最多、而根長在復水前期降幅最大，說明根系長度的削減滯后于質(zhì)量的削減導致比根長下降最嚴重的時期發(fā)生在復水前期。 DFAA2、DFAA4（重澇組）比根長在復水前期降幅最大，降幅分別為35.70%、16.24%；DFAA1 比根長在復水后期降幅最大，降幅為22.86%；DFAA3 比根長在澇期降幅最大，降幅為13.52%。 說明后期重澇對比根長的削減作用主要體現(xiàn)在復水前期；輕旱轉(zhuǎn)輕澇對比根長的削減作用主要體現(xiàn)在復水后期，重旱轉(zhuǎn)輕澇的削減作用體現(xiàn)在澇期。

DFAA 各組比表面積在受旱階段高于CK 組，其他階段均小于CK 組，旱期平均增加1.74%，澇期平均減少9.70%，復水前期平均減少27.91%，復水后期平均減少27.51%。 結(jié)合根表面積、根干重數(shù)據(jù)，根干重在澇期減少最多、而根表面積在復水前期減少最多，說明根表面積的削減滯后于質(zhì)量的削減，導致比表面積減少最嚴重的時期發(fā)生在復水前期。 DFAA2 ～DFAA4比表面積在復水前期減少最為嚴重，減少率分別為38.19%、20.68%、26.76%；DFAA1 比表面積在復水后期減少最為嚴重，減少率為34.62%。 說明后期重澇以及重旱轉(zhuǎn)澇，比表面積的減少主要集中在復水前期，輕旱轉(zhuǎn)輕澇比表面積的減少在復水后期。

2.5 討 論

已有研究表明，不同程度的旱澇急轉(zhuǎn)對產(chǎn)量的影響不同，重旱重澇組的產(chǎn)量下降幅度最大，粒數(shù)與粒重的減少是產(chǎn)量下降的主要影響因素［22－23］。 本研究表明，不同處理下的旱澇急轉(zhuǎn)組產(chǎn)量均低于CK 組。 試驗表明澇比旱對夏玉米產(chǎn)量的形成更加不利，后期淹澇對前期干旱存在一定的疊加減產(chǎn)效應。 已有研究認為旱澇脅迫下根系分布、根系活力會發(fā)生變化，旱脅迫會降低根系活力，且受旱時間越久傷流強度越低［24］，但適宜的水分脅迫不會顯著降低水稻產(chǎn)量，極重度水分脅迫使產(chǎn)量顯著降低，但卻沒有抑制根系的生長［25］，作物由旱轉(zhuǎn)澇過程中，側(cè)根發(fā)育的可塑性增強，根系吸水能力提高［26］，旱后輕澇對根系活力的恢復、根系的發(fā)育和通氣組織的較早形成可產(chǎn)生積極影響［27－29］，甚至產(chǎn)生超越補償效應，旱后重澇則表現(xiàn)為明顯的抑制效應［24，30］。 本研究表明，淹澇會抑制根系的生長，地下部分的削減早于地上部分，根長密度、根表面積、平均直徑、根體積在復水階段下降（減少）最為嚴重，此時期對應夏玉米抽雄—成熟期，是粒重形成關(guān)鍵期，雖然比根長和比表面積平均值在受旱階段略高于CK 組，但不足以抵抗后續(xù)淹澇對產(chǎn)量的損傷。據(jù)此推測旱澇急轉(zhuǎn)對根系生長的抑制直接導致了粒重的減小，從而降低了產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

旱澇急轉(zhuǎn)后期淹澇對前期干旱下的玉米產(chǎn)量存在一定的疊加減產(chǎn)效應，同時旱澇急轉(zhuǎn)對玉米根系生長有抑制作用，從而導致粒重減小是玉米減產(chǎn)的主要原因。