應(yīng)用缺次灌溉和半產(chǎn)需水量模型鑒定玉米雜交種的抗旱性

唐懷君，謝小清，張 磊，孫寶成，周芳芝，劉 成

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院墨玉試驗站，新疆墨玉 848100)

0 引 言

【研究意義】干旱是影響作物生長發(fā)育，造成作物減產(chǎn)的主要非生物脅迫因子之一[1-2]，每年因旱災(zāi)給我國玉米產(chǎn)量造成了巨大損失[3]。抗旱性也是品種穩(wěn)產(chǎn)的重要體現(xiàn)。玉米的抗旱性具有階段性，在不同生育期抗旱性不同；玉米抗旱性也具有自我調(diào)整性，早期輕度干旱脅迫能夠促進(jìn)玉米根系的生長，有利于增強(qiáng)后續(xù)生育階段的抗旱性。充分灌水條件下玉米雜交種的最大產(chǎn)量(Ym，maximum yield )反映品種的豐產(chǎn)性。半產(chǎn)需水量(Wh, Water needed for half-yield)是維持玉米產(chǎn)量一半所需的灌水總量，反映品種的抗旱性。Wh數(shù)值越小，抗旱性越強(qiáng)。在以往的抗旱性研究中，抗旱性鑒定結(jié)果因脅迫時期、脅迫強(qiáng)度、持續(xù)時間及品種不同而不同[4]。玉米全生育期的抗旱性取決于各階段抗旱性，階段抗旱性的研究對于玉米灌溉決策至關(guān)重要；研究玉米不同時期缺水對玉米產(chǎn)量的影響規(guī)律十分必要。鑒定和評價玉米抗旱性，對我國玉米生產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)性具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】作物模型作為大田試驗研究方法的補充,是農(nóng)業(yè)研究中的重要工具[5-6]。胡玉昆等[7]探討了利用作物模型估算農(nóng)業(yè)需水量的方法，在對DSSAT模型進(jìn)行充分校正和驗證的基礎(chǔ)上估算了農(nóng)業(yè)需水量在不同降雨典型年份的變異性。馬波等[8]在分析已有作物生長模擬模型研究存在問題的基礎(chǔ)上，提出了作物生長模擬模型研究的發(fā)展趨勢。近年來，灌溉決策研究中采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，但更廣泛的是采用簡便的加法和乘法模型，如Blank、Stewart、Singh、Jensen、Minhas、Hanks等經(jīng)典模型[9]。【本研究切入點】因為擬合數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)為負(fù)的情況，劉成等[9]在分析玉米產(chǎn)量和水分關(guān)系的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出產(chǎn)量和水分的非線性冪指數(shù)飽和理論模型(半產(chǎn)需水量模型)，在梯度缺次灌水條件下能夠精細(xì)評價玉米的抗旱性，對模型的實際應(yīng)用介紹不足。研究玉米雜交種產(chǎn)量數(shù)據(jù)與累計灌水量關(guān)系，驗證半產(chǎn)需水量模型的有效性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】試驗以6個新疆主推的玉米雜交品種為試驗材料，在缺次灌水條件下，采用梯度缺次灌水試驗方法，介紹和計算半產(chǎn)需水量參數(shù)，為玉米雜交種的抗旱性精細(xì)鑒定提供方法案例。

1 材料與方法

1.1 材 料

2017年應(yīng)用梯度缺次灌溉試驗方法鑒定玉米雜交種的抗旱性。材料為新疆主栽的玉米雜交種6個，分別為：鄭單958、先玉335、新玉33號、新玉54號、新玉67號和新玉69號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院安寧渠試驗場進(jìn)行。灌水時期分別為播種后1 d、拔節(jié)初、抽雄、吐絲、灌漿初、灌漿中期和灌漿末期。梯度缺次灌水方案中，處理T1共灌水1次，只在播種后第2 d灌水1次；處理T2共灌水2次，是在T1的基礎(chǔ)上拔節(jié)期增加1次灌水；處理T3共灌水3次，是在T2的基礎(chǔ)上抽雄期增加1次灌水；處理T4共灌水4次,是在T3的基礎(chǔ)上散粉期增加1次灌水；處理T5共灌水5次，是在T4的基礎(chǔ)上灌漿初期增加1次灌水；處理T6共灌水6次,是在T5的基礎(chǔ)上灌漿中期增加1次灌水；T7(CK)共灌水7次，是在T6的基礎(chǔ)上灌漿末期增加1次灌水。表1

表1 抗旱性鑒定梯度灌水方案

Table 1 Gradient Irrigation scheme for the test of drought resistance identification (m3/hm2)

每個材料在T1～T7處理區(qū)中分別種植6行，3次重復(fù)，重復(fù)間隨機(jī)排列，每個處理共種植18行。行長3 m，行距0.55 m，株距0.3 m，種植密度60 600株/hm2，不同水分處理區(qū)之間及四周均設(shè)置5 m以上水分隔離帶。

1.2.2 測定指標(biāo)

收獲后測定小區(qū)產(chǎn)量和籽粒含水量，除以株數(shù)并折算成14%含水量的標(biāo)準(zhǔn)單株產(chǎn)量。折算公式：14%含水量的單株產(chǎn)量=實測單株產(chǎn)量×(100-實際含水量)/(100-14)。計算3次重復(fù)平均值，折算成不同灌水量處理的公頃產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010中的規(guī)劃求解，確定非線性冪指數(shù)飽和模型[9]Y=Ym×Wk/(Wk+Whk) 中的Ym(充分灌水的產(chǎn)量)、Wh(半產(chǎn)需水量)和K(水分敏感系數(shù))的參數(shù)值。采用STATISTICA10.28統(tǒng)計軟件對模型的計算值和實際測定值進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 缺次灌溉下玉米雜交種的平均產(chǎn)量和模型擬合

將6個玉米雜交種在不同水分處理條件下的小區(qū)產(chǎn)量計算出3次重復(fù)的平均值，并折算成14 %含水量的每公頃產(chǎn)量。結(jié)果表明，鄭單958在T1～T7處理的平均產(chǎn)量分別為5 356.9、8 584.9、9 361.9、11 603.8、11 860.0、12 966.5、11 595.8 kg/hm2；先玉335在T1～T7處理的平均產(chǎn)量分別為7 272.0、9 700.2、11 797.7、12 284.5、14 015.4、13 490.1、14 218.4 kg/hm2；新玉33號在T1～T7處理的平均產(chǎn)量分別為5 151.0、7 684.2、9 884.2、10 517.7、12 014.5、12 561.6、12 666.7 kg/hm2；新玉54號在T1～T7處理的平均產(chǎn)量分別為5 454.0、7 831.8、7 969.2、9 231.7、9 963.6、9 336.2、9 224.2 kg/hm2；新玉67號在T1～T7處理的平均產(chǎn)量分別為6 060.0、9 213.2、10 605.0、11 053.4、13 259.7、13 257.7、12 976.8 kg/hm2；新玉69號在T1～T7處理的平均產(chǎn)量分別為5 454.0、8 352.1、9 024.5、10 642.5、11 681.6、11 715.1、12 370.6 kg/hm2。表2

表2 供試玉米雜交種平均產(chǎn)量
Table 2 Average yield of the tested hybrid species

處理Treat灌水量Irrigation Water(m3/hm2)平均產(chǎn)量 Average Yield(kg/hm2)鄭單958zhengdan958先玉335xianyu335新玉33號xinyu33新玉54號xinyu54新玉67號xinyu67新玉69號xinyu69T11 050.75 356.97 272.05 151.05 454.06 060.05 454.0T21725.78 584.99 700.27 684.27 831.89 213.28 352.1T32 400.69 361.911 797.79 884.27 969.210 605.09 024.5T43 451.311 603.812 284.510 517.79 231.711 053.410 642.5T54 351.311 860.014 015.412 014.59 963.613 259.711 681.6T65 251.212 966.513 490.112 561.69 336.213 257.711 715.1T76 000.411 595.814 218.412 666.79 224.212 976.812 370.6

以實際測定的產(chǎn)量數(shù)據(jù)為因變量(Y)，以累計灌水量(W)數(shù)據(jù)為自變量，用非線性冪指數(shù)飽和模型Y=Ym×Wk/(Wk+Whk) 進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)擬合，利用Excel的規(guī)劃求解功能，求出模型參數(shù)Ym、Wh、k的值。圖1

研究表明，非線性冪指數(shù)飽和模型對產(chǎn)量-水分的關(guān)系能很好地擬合試驗數(shù)據(jù)，模型計算值和產(chǎn)量實際值的相關(guān)系數(shù)為0.968～0.994，平均值為0.984，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。表3

表3 供試雜交種的模型參數(shù)相關(guān)系數(shù)
Table 3 Model parameters and correlation coefficients of the tested hybrid species

品種Varieties模型參數(shù) Model ParametersYm (kg/hm2)Wh (m3/hm2)K 擬合相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient鄭單958 Zhengdan95813 080.81 277.41.840.978**先玉335 Xianyu33515 460.21 150.81.420.988**新玉33號 Xinyu3314 417.41 550.61.490.994**新玉54號 Xinyu549 760.9928.42.010.968**新玉67號 Xinyu6714 434.51 264.71.550.982**新玉69號 Xinyu6914 024.01 423.71.340.993**平均 Average13 529.61 265.91.610.984**

2.2 缺次灌溉下玉米雜交種產(chǎn)量與累計灌水量關(guān)系

研究表明，6個玉米雜交種在缺次灌溉試驗中，隨著累計灌水量的增加，產(chǎn)量依次提高。累計灌水量在0～2 600 m3/hm2水平時增加幅度較大；高于2 600 m3/hm2水平時，產(chǎn)量的增加幅度較小，且在累計灌水量達(dá)到5 200 m3/hm2時產(chǎn)量趨于最大化。產(chǎn)量隨水分的增加呈現(xiàn)飽和曲線趨勢。圖1

圖1 玉米雜交種的產(chǎn)量與累計供水量關(guān)系
Fig.1 Relationship between maize yield and accumulative water amount

2.3 缺次灌溉下玉米雜交種的產(chǎn)量和抗旱性變化

研究表明，在充分灌水條件下Ym從大到小的品種順序是：先玉335(15 460.2)、新玉67號(14 434.5)、新玉33號(14 417.4)、新玉69號(14 024.0)、鄭單958(13 080.8)和新玉54號(9 760.9 kg/hm2)。其中，新玉54號生育期95 d，為早熟玉米，產(chǎn)量最低；其它5個中晚熟品種中先玉335產(chǎn)量最高。圖2

圖2 充分灌水的最大產(chǎn)量Ym (kg/hm2)

Fig.2 Maximum yield if saturated irrigation

研究表明，Wh從小到大的品種排列順序是：新玉54號(928.4)、先玉335(1 150.8)、新玉67號(1 264.7)、鄭單958(1 277.4)、新玉69號(1 423.7)和新玉33號(1 550.6)，除了新玉54號早熟品種需水少外，其它5個中晚熟品種中，先玉335的半產(chǎn)需水量最少，表現(xiàn)出較高的抗旱性和水分利用效率。圖3

圖3 半產(chǎn)需水量Wh (m3/ hm2)

Fig.3 Water needed for Half-yield

2.4 缺次灌溉下玉米雜交種抗旱豐產(chǎn)性的篩選

以Ym和Wh的平均值為界劃分為4個象限。第I象限是產(chǎn)量較高但用水較多的品種(新玉33號、新玉69號、新玉67號)，第Ⅱ象限是產(chǎn)量較低且用水較多的品種(鄭單958)，第Ⅲ象限是產(chǎn)量較低但抗旱的品種(新玉54號)，第Ⅳ象限是高產(chǎn)且抗旱性強(qiáng)的品種(先玉335)。其中，早熟品種新玉54號在7月高溫干旱之前完成授粉，具有最小的半產(chǎn)需水量，因為早熟產(chǎn)量也較低。

依據(jù)玉米雜交種的豐產(chǎn)性和抗旱性綜合考慮得到品種從大到小的排列順序為先玉335、新玉67號、新玉33號、新玉69號、鄭單958、新玉54號。圖4

圖4 豐產(chǎn)性與抗旱性的Ym-Wh

3 討 論

玉米是農(nóng)作物中需水較多，在不同生育時期對水分脅迫的反應(yīng)不同。有研究表明，苗期抗旱性較強(qiáng)，孕穗期至開花期對水分脅迫最敏感，拔節(jié)期相對較輕[10]。以往研究大多集中在某一生育時期[11-13]或玉米種植中的水分利用效率、耗水量和耗水規(guī)律、農(nóng)藝節(jié)水措施、水分對產(chǎn)量和生理生化特性的影響等方面[12]，鄭利均[13]研究認(rèn)為玉米產(chǎn)量與灌水定額呈二次函數(shù)關(guān)系。研究表明，在缺次灌水條件下，6個玉米材料的產(chǎn)量隨著累計灌水總量的增加而提高，呈現(xiàn)典型的飽和曲線趨勢，這與前人的研究結(jié)果相似；這個關(guān)系能用非線性冪指數(shù)飽和模型很好地擬合，模型計算值和產(chǎn)量實際值的相關(guān)性在0.968～0.994，均達(dá)到了極顯著水平。

干旱是造成中國北方玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)的重要原因[14]，干旱脅迫可導(dǎo)致玉米生長發(fā)育緩慢，隨著干旱程度增大，作物生長受抑加重，減產(chǎn)加劇[15]，減產(chǎn)程度因脅迫時期、脅迫強(qiáng)度、持續(xù)時間及品種不同而不同[4]。以往玉米抗旱材料的鑒定和評價多集中在開花期干旱脅迫[11]，但不同材料的生育期相差很大，開花期不一致，很難確定脅迫處理的時間；開花期脅迫鑒定結(jié)果無法代表其它生育期的抗旱性，即便獲得了不同生育期的抗旱性，因為階段抗旱性系數(shù)大小不同，也無法對品種全生育期抗旱性做定論，材料在全生育期和不同生育期的抗旱性鑒定研究力度仍然不足。為確保玉米抗旱性鑒定和評價的準(zhǔn)確性，該文以實例介紹了缺次灌水和非線性冪指數(shù)飽和模型分析法。當(dāng)灌水量減少時，產(chǎn)量隨之下降；當(dāng)灌水量增加時，產(chǎn)量隨之增加。但半產(chǎn)需水量參數(shù)是品種抗旱性的一個綜合指標(biāo)，不會隨著灌水量的變化有大的變化，因此，這一參數(shù)能夠反映玉米雜交種的全生育期抗旱性，可用于鑒定和對比品種的產(chǎn)量潛力和抗旱性。

4 結(jié) 論

缺次灌水條件下，玉米雜交種的產(chǎn)量隨著累積灌水量的增加而提高，但灌水量在5 200 m3/hm2時產(chǎn)量趨于最大；非線性冪指數(shù)飽和模型對產(chǎn)量-水分的關(guān)系有較好的擬合度；模型計算值和產(chǎn)量實際值的相關(guān)系數(shù)為0.968～0.994，相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平；依據(jù)玉米雜交種的豐產(chǎn)性和抗旱性綜合考慮得到品種從大到小的排列順序為先玉335、新玉67號、新玉33號、新玉69號、鄭單958、新玉54號。非線性冪指數(shù)飽和模型有較好的擬合度，符合玉米雜交種產(chǎn)量水分關(guān)系。其中，半產(chǎn)需水量是一個重要的抗旱性指標(biāo)，結(jié)合梯度缺次灌溉方法，可用于玉米雜交種的精細(xì)鑒定評價中。

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