不同灌水定額對魯西北夏玉米植株性狀、產量及水分利用效率的影響

摘要：為明確不同灌水定額對魯西北平原夏玉米植株性狀、產量及水分利用效率的影響，本試驗以‘鄭單958’為供試品種，于2023年利用遮雨有底測坑，設置全生育期灌水80、160、240、280、320、360、400、480 mm共8個灌水定額處理，分別記為M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8，研究不同處理對玉米植株性狀、生理生化特性、干物質積累、產量構成及水分利用效率的影響。結果表明，灌水定額為320 mm（M5處理）時，夏玉米株高、穗下節數、穗下長度及葉面積指數均最大，株高較M1處理顯著增加21.8%，葉面積指數顯著增加；M5處理的葉片SPAD值最大，過氧化氫酶（CAT）活性、丙二醛（MDA）含量均最低，抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性略高于M6但差異不顯著；M5處理玉米穗干重顯著高于其他處理，其中較M1處理增加129. 5%，根干重顯著高于除M6外的其余處理：M5處理產量顯著高于除M6外的其余處理，較M1處理增產382.3%；M5處理的水分利用效率和灌溉水利用效率均顯著高于其他處理，分別較M1處理提高131.9%和20.6%。本試驗條件下，灌水定額為320 mm不僅能實現魯西北平原地區夏玉米高產，亦可顯著優化植株生長，提升干物質積累和水分利用效率水平，促進高產高效。

關鍵詞：灌水定額：夏玉米；植株性狀；水分利用效率：產量

中圖分類號：S513.071 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025） 03-0057-07

隨著全球氣候問題的加劇，環境因素對農作物生長及產量的影響越來越大，甚至威脅到農業的可持續發展。其中，水分短缺是限制作物生長的主要環境因素，干旱會顯著影響作物的代謝、發育和形態，導致生長減緩。據研究，全球約三分之一的作物產量受到干旱的影響。玉米（Zea mays L．）是全球種植面積最廣的作物之一，既是重要的糧食作物，又是飼料和工業原料。玉米高產依賴于相對穩定的環境條件，而干旱是導致玉米減產的主要因素之一。當前農田實踐中，為緩解干旱，通常通過抽取地下水進行灌溉。然而，地下水資源的過度開采已導致水位下降和資源枯竭，因此，在有限水分供應下實現高產對于農業的可持續發展和糧食安全至關重要。

灌水定額指作物整個生育期內歷次灌水量之和，合理的灌水定額對實現作物高產和節水具有重要意義。已有研究表明，作物的產量和水分利用效率并不重合，合理的灌水定額有助于促進作物生長和產量提高，而過度灌溉則可能導致產量下降并降低水分利用效率。灌水定額不僅影響作物的水分利用效率，還對土壤水分的滲透、蒸發和儲存具有顯著影響。研究發現，灌水定額顯著影響土壤含水量及剖面水分分布，且土壤含水量隨灌水定額的增加呈現先升后降趨勢。此外，灌水定額還能改善作物的光合特性、提高酶活性等。

有研究表明，灌水定額在節水方面表現突出，但對產量的提升效果有限。因此，確定水分利用效率和產量均最優的灌水定額尤為重要。本研究利用遮雨有底測坑，設置8個灌水定額處理，分別在玉米拔節期、抽雄期和灌漿期進行灌溉，研究不同灌水定額對夏玉米植株性狀、生理生化特性、產量、耗水量和水分利用效率的影響，以期為節水高產農業的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及概況

供試玉米品種為‘鄭單958’。

本研究于2023年6月23日-2023年10月8日在聊城市位山灌區灌溉試驗站（36°38'44＂N，116°13＇80＂E）開展遮雨有底測坑試驗。該地氣候類型為半干旱半濕潤大陸性氣候，多年平均氣溫13.1℃，多年平均日照時長2 514.7～2 740.7 h，年平均水面蒸發量927.0 mm，年平均降水量554.1mm，降水主要集中在汛期且年際變化較大。夏玉米生育期內逐日氣象數據見圖1。試驗土壤類型為砂壤土，0～100 cm土層田間持水率為22％，土壤體積質量為1.45 g.cm-3。

遮雨棚內有底測坑尺寸為3.3 m（長）×2.0 m（寬）×2.0 m（高），東西向排列，共兩排。每排12個測坑，合計24個測坑。

1.2 試驗設計

測坑內玉米南北向種植，行距50 cm，株距27.7 cm，每測坑株數4×12=48株。施肥按1：1的比例在三葉期和大喇叭口期進行，三葉期采用開溝條施，大喇叭口期采用撒施，總施肥（復合肥，N-P-K= 26- 14- 10）量為750 kg·hm-2。設置8個灌水定額處理：80、160、240、280、320、360、400、480 mm，分別記為M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8，每處理重復3次，每測坑為1個重復。夏玉米生育期內共灌水3次，分別在拔節期、抽雄期和灌漿期進行，具體見表1。玉米生育期內使用遮雨棚防雨。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 夏玉米植株性狀調查及各營養器官干物質積累量測定

于玉米成熟期在每個測坑選取有代表性的玉米3株，測定株高、穗下節數、穗下長度、穗上長度、穗上葉片數，隨后將玉米植株按葉、穗、雄穗、莖鞘、根五部分進行分裝，120℃殺青30min，80℃烘干至恒重，測定各部分干重。

1.3.2 玉米葉面積指數、葉片SPAD值以及生理指標測定

每處理每次灌水后10 d分別隨機選取3株健康玉米，測定葉面積（葉面積=k×長×寬，k=0.75），計算葉面積指數（LAI）。

拔節期、抽雄期灌水后10 d，分別使用SPAD -502葉綠素儀（Konica Minolta，日本）測量穗位葉上部1/3處的葉綠素含量（SPAD值）。

灌漿期，采集不同處理葉片樣本，測定抗旱性相關生理參數，包括丙二醛（MDA）含量、過氧化氫酶（CAT）活性和抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性。MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定，CAT、APX活性按照任艷芳等的方法測定。

1.3.3 夏玉米產量及產量構成要素

每測坑選取3株有代表性玉米，取穗調查穗粒數、穗行數，脫粒后120 ℃下殺青30 min，再80 ℃下烘干至恒重稱重，計算穗粒重和百粒重。收獲整個測坑的玉米，計算實際產量后折算為公頃產量。

1.3.4 農田耗水量和水分利用效率計算

根據農田水分平衡方程計算夏玉米整個生育期的耗水量：ET=I+P+F-R-D+△w。式中：ET為作物耗水量（mm）；I為灌水量（mm）；P為降水量（mm）；F為地下水補給量（mm）；R為地表徑流量（mm）；D為深層滲漏量（mm）；△W為土壤儲水消耗量（玉米播種前0～190 cm土層土壤儲水量減去玉米成熟期0～190 cm土層土壤儲水量）。本試驗采取有底測坑，在可移動防雨棚內進行，因此P、F、R和D均為零，方程可簡化為ET =I+△W。

水分利用效率WUE=Y/ET；

灌溉水利用效率IWUE=Y/I。

式中，Y為籽粒產量，ET。為作物耗水量，工為灌水總量。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel進行數據整理計算，用SPSS統計分析軟件進行顯著性檢驗（LSD法），用GraphPad Prism軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量對玉米植株性狀及各營養器官干物質積累的影響

由表2可知，不同灌水量對玉米植株性狀有顯著影響。M5處理玉米株高最高，顯著高于除M6外的其余處理，相較于M1、M8處理分別增加21.8%、4.6%。M5處理玉米穗下節數最多，顯著多于M1、M2處理，與其他處理均無顯著差異，其中較M1處理增加17.6%。M5處理玉米穗下長度值最大，顯著高于除M6外的其余處理，較M1處理增加34.1%，表明該處理植株對水分的響應能力較強。M6處理玉米穗上長度值最大，M5處理次之，二者差異不顯著，且均顯著大于M1、M2處理，M6較M1處理增加11.1%。M5、M6處理玉米的穗上葉片數顯著高于M1、M3處理，表明充足適宜灌水量對玉米葉片發育有顯著促進作用。

由表3可知，不同灌水量對玉米各器官干重有顯著影響。M5處理玉米穗干重顯著高于其他處理，相較于M1、M2處理分別增加129.5%、96.8%。表明灌水對玉米穗部干物質積累具有顯著的調控作用。M4、M5、M6處理玉米雄穗干重顯著高于M1、M2處理。M5、M6處理玉米莖鞘干重顯著高于M1、M2、M3處理。M5處理玉米根干重顯著高于除M6處理外的其他處理，其中較M1處理增加124.3%。M1、M2處理玉米葉干重均顯著低于其他處理，M5處理的葉干重最高，較M1、M2處理分別顯著增加52.1%、51.1%。

2.2 不同灌水量對玉米葉面積指數、SPAD值以及生理指標的影響

由圖2A可以看出，M5處理玉米拔節期、抽雄期和灌漿期的葉面積指數（LAI）均高于其他處理，特別是抽穗期，顯著高于除M4、M6外的其余處理。表明M5對玉米葉面積指數的提升效果最好，從而提供更優的光合作用條件。

由圖2B可知，M5處理玉米拔節期、抽雄期的葉片SPAD值均最大，其中拔節期顯著大于除M6、M7外的其余處理，抽雄期顯著大于除M6、M7、M8外的其余處理。表明M5處理玉米葉片葉綠素含量最高，光合能力強。

MDA含量能夠反映膜脂過氧化程度及細胞膜損傷情況。由圖2C可知，M1、M2、M8處理玉米葉片MDA含量均較高，表明這些處理玉米葉片膜脂過氧化損傷程度高于其余處理：M3-M7處理玉米葉片MDA含量均相對較低，尤其M4、M5處理，顯著低于除M6外的其余處理。表明M5處理玉米植株的氧化損傷程度最小。

由圖2D、E可以看出，M1、M2處理玉米葉片CAT、APX活性均較高，其中CAT活性顯著高于其余處理，APX活性顯著高于除M8外的其余處理；M4、M5、M6處理玉米葉片CAT、APX活性均較低，顯著低于M1、M2、M8處理。M7、M8處理玉米葉片CAT、APX活性也較高，表明過高灌水定額處理玉米植株同樣面臨較嚴重的氧化脅迫。

2.3 不同灌水量對玉米產量及產量構成要素的影響

由表4可知，不同灌水量對玉米產量有顯著影響。M5處理玉米產量顯著高于除M6外的其他處理，較M1處理提高382.3%，增產效果最好：M7處理玉米產量顯著高于除M5、M6外的其他處理；M1處理玉米產量最低。不同灌水量處理玉米穗粒數間存在顯著差異，以M5處理最高，顯著高于其他處理，M1處理最低，顯著低于除M2、M3、M4外的其他處理。M5、M6、M7處理間玉米穗粒重無顯著差異，均顯著高于其他處理，M1處理玉米穗粒重最低。M5處理玉米穗行數最多，顯著高于M1、M3處理。M5、M6、M7處理間玉米百粒重無顯著差異，均顯著高于M1、M2、M3處理，M1處理玉米百粒重最低。

綜合來看，M5處理玉米在穗粒數、穗粒重、穗行數和百粒重方面均表現出顯著優勢，這些指標的提升有利于產量顯著增加。相反，M1處理玉米各指標均表現較弱，導致其產量顯著降低。表明穗粒數、穗粒重、穗行數和百粒重的增加對玉米產量提升具有重要作用。

2.4 不同灌水量對玉米水分利用效率和灌溉水利用效率的影響

由表5可以看出，各處理間玉米耗水量、水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）存在顯著差異。M5處理玉米的WUE最高，較M1、M8處理分別提高131.9%、65.9%，表明該處理下灌溉水與玉米產量之間的轉化效率最佳，水資源得到充分利用。相較之下，M1處理玉米的WUE最低，表明低灌水量處理下，水分轉化為產量的效率較低。盡管M8處理玉米的耗水量最大，但其WUE相對較低，顯著低于M4、M5、M6、M7處理，表明過量灌溉并未起到有效提升產量的作用，反而造成水資源的浪費。M5處理玉米的IWUE也最高，顯著高于其他處理，而M8處理的IWUE最低，表明灌溉水的實際利用效果不佳。值得注意的是，M1處理玉米的IWUE相對較高，僅顯著低于M5處理，略低于M6處理，但差異不顯著，表明在低灌水量處理下，灌溉水的利用效率較高。其中，M5處理的WUE、IWUE分別較M1顯著提高131.9%、20.6%。

綜上可知，合理的灌水量對于實現玉米高產和節水增效具有重要意義，過量灌溉會導致水資源浪費，但對產量提升的效果欠佳。

3 討論

玉米產量形成與水分供給密切相關，水分供給充足是玉米高產穩產的關鍵。然而，當前灌溉水資源短缺的現狀加劇了玉米高水分需求與灌溉水不足之間的矛盾。葉面積和葉片葉綠素含量是光合作用的基礎，光合產物則直接決定了玉米的干物質積累與籽粒灌漿。本研究表明，M5處理玉米拔節期、抽雄期和灌漿期的葉面積指數均明顯高于其他處理，尤其抽雄期表現更明顯。拔節期，M5、M6、M7處理玉米葉片葉綠素含量（SPAD值）也顯著高于較低灌水量處理（M1、M2、M3）；抽雄期，M5-M8處理玉米葉片葉綠素含量顯著高于M1、M2處理，表明中高灌水量有助于提高玉米葉片光合能力。

干旱和過量灌水脅迫均可導致植物細胞中活性氧積累。MDA是活性氧自由基的過氧化產物，是反映細胞膜損傷的重要指標，而CAT、APX是用于清除活性氧的關鍵酶。本研究中，灌水較少的M1、M2處理玉米葉片MDA含量均較高，表明干旱脅迫較明顯：而灌水適中的M3-M6處理玉米葉片則表現出較好的抗氧化水平，MDA含量和CAT、APX活性均較低。過量灌水的M7、M8處理也表現出一定程度的氧化脅迫，但與M1、M2處理相比損傷程度較輕，這表明缺水脅迫下的氧化損傷更明顯。

水分是玉米從土壤中吸收養分和礦物質的介質，水分不足會導致根系吸收功能減弱，影響葉片氣孔開閉，進而限制光合作用和蒸騰作用：灌水過量則可能導致根部缺氧，損害根系及作物整體生長。本研究表明，M5、M6處理在玉米植株性狀和干物質積累方面表現較佳，尤其穗干重均顯著高于M1、M2處理。灌水量較大的M7、M8處理玉米的干物質積累和植株性狀均低于M5、M6處理，表明過度灌水會一定程度上抑制玉米生長。這與前人研究結論一致，干旱對玉米的減產影響大于漬水。干物質積累對產量影響顯著，本試驗也有相似結論，M5處理玉米在干物質積累中表現最優，其穗重、莖鞘重和根重大多顯著高于其他處理：M5處理通過協調營養器官的生長，增強了植株整體的同化能力并最終促進籽粒產量的提升，這進一步驗證了干物質積累對產量的關鍵影響。水分利用效率（WUE）是作物產量與耗水量之間的比值，反映植物生產過程中的能量轉化效率，是衡量作物產量與用水量關系的重要指標，也是評價水分虧缺下植物生長適宜度的綜合指標之一。本研究中，隨著灌水量的增加，玉米WUE呈先升后降的趨勢，M5處理的最高。灌水量最低的M1處理玉米雖耗水量少，但其灌溉水利用效率（IWUE）僅次于M5、M6處理：M8處理玉米的IWUE最低，表明過度灌溉并未有效轉化為產量，這與黃玲等的研究結果一致。

4 結論

本試驗條件下，320 mm灌水量（M5）處理玉米的葉面積指數和葉片葉綠素含量均最高，植株性狀、干物質積累量和產量整體表現最優，其中產量較M1處理高出382.3％；水分利用效率（WUE）最高，相較于M1、M8處理分別提高131. 9%、65.9%。M5處理玉米的灌溉水利用效率（IWUE）最高，M6處理次之，M1處理略低于M6處理。中度灌水量（M4、M5、M6）處理玉米葉片細胞質膜的氧化損傷程度均較低，MDA含量和CAT、APX活性明顯低于其他處理。隨著灌水量的增加，玉米的葉面積指數、葉片葉綠素含量、干物質積累量和產量均呈先升后降趨勢。綜上可知，灌水定額為320 mm時可實現魯西北平原夏玉米的高產和最佳水分利用效率。

基金項目：山東省農業科學院農業科技創新工程項目（CXGC2024805）；國家重點研發計劃項目（2018YFD0300601）；智慧農業關鍵工 程技術研究項目（K23LD90）；大學生創新創業訓練計劃項目（CXCY2023254）