滴灌量對(duì)高產(chǎn)春玉米冠層結(jié)構(gòu)特征及產(chǎn)量的影響

沈東萍，張國強(qiáng)，王克如，肖春華， 徐文娟,劉廣周 ,張小偉，陳永生，陳江魯，劉朝巍，李少昆

(1.石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆五家渠 831300；4.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師奇臺(tái)農(nóng)場農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，新疆昌吉 831100)

提高作物群體的光合作用效率和物質(zhì)生產(chǎn)能力主要在于改善冠層的通風(fēng)透光、增強(qiáng)群體的光合性能[1]。玉米冠層結(jié)構(gòu)、功能及產(chǎn)量受到諸如品種[2]、栽培措施[3-6]等多種因素的影響。其中，水分是重要因素之一[7-8]。目前，覆膜滴灌作為干旱區(qū)高效節(jié)水技術(shù)，其將薄膜覆蓋栽培技術(shù)與滴灌技術(shù)有效的集成，可以根據(jù)作物各生育階段生長所需要的灌水量對(duì)作物根系范圍進(jìn)行局部灌溉，從而提高作物的水分利用效率和產(chǎn)量[9-11]。前人研究表明，膜下滴灌玉米的株高、莖節(jié)數(shù)與灌溉定額基本呈正比關(guān)系，合理的滴灌量有利于改善玉米光合性能、提高水分生產(chǎn)效率[12-13]。王寧珍等[14]研究認(rèn)為群體葉面積指數(shù)受降水影響，尤其是拔節(jié)至抽雄期降水與葉面積指數(shù)變化顯著相關(guān)。鑒于以往關(guān)于新疆高產(chǎn)(≥15 000 kg/hm2)春玉米區(qū)滴灌量對(duì)其冠層特征與生長發(fā)育影響的研究鮮見報(bào)道，本試驗(yàn)在新疆干旱區(qū)生態(tài)條件下研究滴灌量對(duì)高產(chǎn)(≥15 000 kg/hm2)春玉米的冠層特征及產(chǎn)量影響，探討玉米冠層光合有效輻射分布對(duì)滴灌量的響應(yīng)，為新疆高產(chǎn)區(qū)及其他相似地區(qū)玉米冠層的合理調(diào)控及其水分高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014-2015年在新疆奇臺(tái)總場開展。該地區(qū)屬大陸性干旱氣候區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥。奇臺(tái)農(nóng)場(89°46′01″E， 43°50′41″N)，海拔946.2 m，年日照時(shí)數(shù)2 841 h，年≥10 ℃積溫3 025.8 ℃，無霜期158 d，玉米生育期內(nèi)(2000-2015年)年平均降雨量148.0 mm。試驗(yàn)田土質(zhì)為輕壤土，0～60 cm土壤體積質(zhì)量為1.5 g/cm3，田間持水量為0.239 g/g，有機(jī)質(zhì)為15.0 g/kg，堿解氮為46.3 mg/kg，速效磷為16.4 mg/kg，速效鉀為297.6 mg/kg，前茬為玉米。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，品種為主處理，滴灌量為副處理，滴灌量以當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田常規(guī)滴灌量為對(duì)照(CK，600 mm)，按降低常規(guī)滴灌量的10%，20%和30%設(shè)置灌溉水平，灌溉處理依次為：600 mm(I100，對(duì)照)、540 mm(I90)、480 mm(I80)、420 mm(I70)。供試品種2014年為‘中單909(ZD909)’、‘遼單565(LD565)’和‘寧玉721(NY721)’；2015年為‘先玉335(XY335)’‘鄭單958(ZD958)’和‘KWS3564’。2014-04-19和2015-04-14播種；收獲日期分別為2014-10-20和2015-10-19。寬窄行種植(70 cm+40 cm)，密度為12萬株/hm2，小區(qū)面積設(shè)為48 m2，3次重復(fù)。采用覆膜滴灌以及干播濕出技術(shù)提高玉米的出苗率和整齊度，在播種后1 d，根據(jù)播前測定的0～20 cm表層土壤含水量(14.2%～14.5%)，各處理灌溉出苗水60 mm，苗期進(jìn)行蹲苗鍛煉。滴灌量處理從播種后55～60 d開始實(shí)施，共9次灌水，灌溉頻率為9～10 d，每次滴灌量分別為I100(60 mm)、I90(53.33 mm)、I80(46.67 mm)和I70(40 mm)。滴灌系統(tǒng)采用迷宮式滴灌帶(新疆天業(yè))，滴頭間距為30 cm，水壓在0.1 MPa時(shí)滴頭設(shè)計(jì)流速為3.2 L/h，滴灌量用水表控制。其他管理同大田生產(chǎn)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 株高、葉面積及葉面積指數(shù) 于玉米6展葉(V6)、12展葉(V12)、吐絲期(R1)、籽粒建成期(R2)、乳熟期(R3)、蠟熟期(R5)和成熟期(R6)，每個(gè)處理選取長勢一致具有代表的植株5株，利用長寬系數(shù)法測定葉面積(LA)并計(jì)算其葉面積指數(shù)(LAI)。吐絲期測定玉米株高和穗位。

1.3.2 干物質(zhì) 玉米吐絲期和成熟期各處理選取5株長勢一致、有代表性的植株，從基部節(jié)間割下分器官分解裝于牛皮紙袋，在105 ℃條件下殺青30 min，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量后稱量。

1.3.3 光合有效輻射和透光率 光合有效輻射(PAR)采用SunScan(Delta，英國)冠層分析系統(tǒng)在吐絲期進(jìn)行測定。分底層(B)、穗下第三葉層(TLBE)、穗位葉層(E)、穗上第三葉層(TLAE)、頂層(T)共5層，分別在寬行和窄行的中間平行于地面進(jìn)行測量，并計(jì)算各處理玉米群體的消光系數(shù)，其中：

透光率(Tr)=測定層光強(qiáng)(μmol·m-2·s-1)/冠層頂層光強(qiáng)(μmol·m-2·s-1)×100%

消光系數(shù)(K)= - lnTr/LAI；Tr為冠層PAR透光率，LAI為群體葉面積指數(shù)。

1.3.4 產(chǎn) 量 在玉米生理成熟后各處理去除邊行，收獲全部玉米果穗，稱取鮮果穗質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)果穗數(shù)，按平均穗質(zhì)量法取20個(gè)果穗作為標(biāo)準(zhǔn)樣本，脫粒稱質(zhì)量，計(jì)算出籽率，用國家認(rèn)定并經(jīng)校準(zhǔn)的谷物水分測定儀(PM-8188)測定籽粒含水量。按國家糧食水分標(biāo)準(zhǔn)14.0%計(jì)算出實(shí)際產(chǎn)量。公頃穗數(shù)、單穗質(zhì)量、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、穗長、穗粗等產(chǎn)量構(gòu)成相關(guān)指標(biāo)通過田間調(diào)查和室內(nèi)考種獲取。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS Statistics 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用 LSD (P<0.05) 檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較及差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌量對(duì)玉米株高和穗位高的影響

各品種株高和穗位高隨著滴灌量的減小呈降低趨勢(圖1)。多數(shù)品種當(dāng)?shù)喂嗔枯^對(duì)照降低10%(I90)時(shí)株高和穗位高無顯著差異；當(dāng)?shù)喂嗔拷档椭脸Ｒ?guī)灌溉量的80%(I80)時(shí)株高和穗位高顯著降低。

2.2 滴灌量對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

滴灌量影響玉米葉片的生長，進(jìn)而影響群體LAI(圖2)。吐絲期(R1)，I90處理較I100處理的LAI無顯著降低，而I80處理和I70處理分別比I100處理減少7.1%和12.1%；成熟期(R6)，滴灌量降低至當(dāng)?shù)氐喂嗔康?0%(I90)，玉米LAI無顯著降低，而滴灌量降低至I80處理和I70處理時(shí)，LAI顯著降低，分別比I100處理降低8.9%和18.9%。吐絲期(R1)，各品種I90處理的LAI為7.5～8.7；成熟期(R6)LAI為4.0～5.4。滴灌量主要影響玉米吐絲至成熟期葉面積及LAI，較高的滴灌量有利于提高玉米葉片的持綠性，延緩中后期的衰老，增加群體光合面積，提高籽粒產(chǎn)量。

圖1 不同滴灌量下玉米的株高和穗位高Fig.1 Plant height and ear height of maize under different drip irrigation

VE.出苗 Emergence；V6.6展葉 6 spreading leaf；V12.12展葉 12 spreading leaf；R1.吐絲期 Silking；R2.籽粒建成期 Blister；R3.乳熟期 Milk；R5.蠟熟期 Dent；R6.生理成熟期 Physiological maturity

2.3 滴灌量對(duì)玉米群體透光率及消光系數(shù)(K)的影響

滴灌量對(duì)各層透光率的影響(圖3)表現(xiàn)為：隨著灌溉量的減小，各層葉片透光率隨之增大。I70、I80、I90和I100處理底層(B)透光率分別為0.7%～0.9%、0.6%～0.8%、0.5%～0.8%和0.4%～0.7%；穗下第三葉層(TLBE)透光率分別為2.4%～3.5%、2.0%～2.7%、1.1%～1.9%和0.7%～1.5%，穗位葉層(E)透光率分別為4.4%～5.4%、4.0%～4.7%和3.5%～4.5%、2.2%～4.0%；穗上第三葉層(TLAE)透光率分別為23.9%～27.6%、21.4%～25.9%、20.7%～23.7%和17.5%～20.6%。滴灌量降低到常規(guī)灌量的90%時(shí)，底層(B)、穗下第三葉層(TLBE)、穗位層(E)、穗上第三葉層(TLAE)透光率分別增加17.3%、41.1%、28.1%和11.7%；當(dāng)?shù)喂嗔拷档偷匠Ｒ?guī)灌溉量的80%時(shí)，分別增加40.4%、128.9%、41.2%和20.1%；當(dāng)?shù)喂嗔拷档偷匠Ｒ?guī)灌溉量的70%時(shí)，分別增加55.7%、178.4%、60.0%和31.9%。依據(jù)2 a各品種各層透光率對(duì)滴灌量的響應(yīng)，可以看出滴灌量對(duì)玉米群體的穗下第三葉層的透光率影響較大。

玉米群體消光系數(shù)隨著滴灌量的降低呈增大趨勢(表1)。吐絲期不同滴灌量處理的消光系數(shù)分別為：I70(0.59～0.78)，I80(0.57～0.74)，I90(0.56～0.72)和I100(0.56～0.71)，各品種I70處理群體消光系數(shù)均表現(xiàn)為最大。

B.底層 The bottom layer；TLBE.穗下第三葉層 Third leaf below ear layer；E.穗位葉層 Ear layer；TLAE.穗上第三葉層 Third leaf above ear layer

表1 不同滴灌量下玉米吐絲期群體的消光系數(shù)Table 1 Extinction coefficient of maize silking stage under different drip irrigation

2.4 滴灌量對(duì)玉米干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

各品種干物質(zhì)積累均隨滴灌量的降低呈下降趨勢(圖4)。滴灌量處理間的干物質(zhì)積累表現(xiàn)為I100顯著高于I80和I70處理。 吐絲期I100處理的干物質(zhì)積累比I80、I70分別高出8.8%和12.1%；成熟期分別高出11.6%和26.0%。滴灌量降低至常規(guī)滴灌量的90%(I90)時(shí)玉米單株干物質(zhì)積累量的降低沒有達(dá)到顯著水平。

由玉米測產(chǎn)結(jié)果(圖5)可見，2014年I100處理和I90處理的產(chǎn)量分別為16 625.7 kg/hm2和16 691.6 kg/hm2，顯著高于I80處理和I70處理，其中，I100處理比I80和I70處理分別高10.1%和14.6%，I90處理比I80和I70處理分別高10.5%和15.1%，而I100處理與I90處理之間的產(chǎn)量差異不顯著。2015年I100處理和I90處理的產(chǎn)量分別達(dá)到19 270.7 kg/hm2和19 020.3 kg/hm2，顯著高于I80、I70處理，其中，I100處理產(chǎn)量比I80和I70處理高6.6%和14.6%；I90處理產(chǎn)量比I80和I70處理高5.17%和13.1%。由上可見，對(duì)于產(chǎn)量 ≥15 000 kg/hm2的春玉米滴灌量減少10%對(duì)其產(chǎn)量沒有顯著影響，并且可以節(jié)約灌溉水。

圖4 不同滴灌量下玉米吐絲期和成熟期干物質(zhì)的積累Fig.4 Accumulation of dry matter at silking and maturing of maize under different drip irrigation

圖5 不同滴灌量下玉米的產(chǎn)量Fig.5 Yield of maize under different drip irrigation

3 討 論

灌溉量對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響不盡相同，Bozkurt等[15]在10 370 kg/hm2產(chǎn)量水平下研究認(rèn)為隨著灌溉量的降低，玉米籽粒產(chǎn)量也相應(yīng)降低。灌溉定額在3 000～6 000 m3/hm2范圍內(nèi)，玉米產(chǎn)量與灌溉量呈正相關(guān)關(guān)系，但超過一定的灌溉定額6 000 m3/hm2后，灌溉量對(duì)產(chǎn)量的增加無顯著提高[16]。以上結(jié)果多是在常規(guī)產(chǎn)量水平下研究獲得的，本試驗(yàn)針對(duì)新疆干旱區(qū)高產(chǎn)春玉米產(chǎn)量≥15 000 kg/hm2的群體進(jìn)行研究，結(jié)果表明，適當(dāng)降低灌溉量到常規(guī)滴灌量的90%時(shí)大多數(shù)參試品種籽粒產(chǎn)量無明顯降低，說明目前玉米高產(chǎn)區(qū)的大田灌溉存在灌量過高、水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。灌溉量對(duì)玉米葉面積的大小和葉面積指數(shù)有顯著的影響，許子清等[17]研究認(rèn)為在14 824.0～15 423.5 kg/hm2產(chǎn)量水平，玉米的產(chǎn)量、干物質(zhì)、葉面積及其葉面積指數(shù)隨灌溉量的降低而減小 ；唐光木等[16]認(rèn)為玉米的株高與葉面積指數(shù)隨著灌溉量的降低而減小，本研究也得出與以上研究結(jié)果相似的結(jié)論，但當(dāng)灌溉量降低到常規(guī)滴灌量的90%時(shí)，葉面積指數(shù)無明顯下降，說明適當(dāng)降低滴灌量對(duì)群體葉面積的生長無顯著的影響。

種植密度直接影響植物冠層光分布和光能的截獲率。前人報(bào)道，在6.75萬株/hm2的種植密度下，玉米獲得了10 815 kg/hm2的單產(chǎn)，光能截獲率達(dá)到94.0%～95.0%，冠層中部透光率在15%以上[18]。呂麗華等[19]認(rèn)為夏玉米在中低密度(6.75～11.25萬株/hm2)下群體穗位層透光率在吐絲期達(dá)到13.4%～19.5%，并得出高密度易造成群體內(nèi)光分布不合理，導(dǎo)致光合性能降低的結(jié)論。本研究結(jié)果是在12萬株/hm2的高密度群體獲得的，I90處理光能截獲率達(dá)到99.2%～99.6%，消光系數(shù)為0.56～0.72，吐絲期穗位層透光率在3.5%～4.5%，雖然透光率較前人報(bào)道值偏低，但產(chǎn)量達(dá)到15 686.0～19 135.4 kg/hm2的水平。本研究得出的冠層特征值(Tr、K、LAI)與Liu 等[20]報(bào)道的22 500 kg/hm2產(chǎn)量水平高產(chǎn)春玉米最優(yōu)冠層結(jié)構(gòu)特征值相似。主要原因是高的種植密度具有較高的葉面積指數(shù)，增加了玉米群體光能的截獲面積和光能利用率，有利于玉米產(chǎn)量的提高，說明在光照資源充沛的新疆采取密植栽培有利于玉米產(chǎn)量的進(jìn)一步提高，這一結(jié)論與Xue等[21]、Zhang等[11]和Liu等[20]觀點(diǎn)一致。此外，灌溉量也影響作物冠層光分布。前人認(rèn)為灌量改變了小麥的株型和受光態(tài)勢，過量灌溉區(qū)降低灌量有利于群體通風(fēng)透光，有利于提高單株干物質(zhì)的積累，達(dá)到提高穗質(zhì)量的目的[22]，本研究認(rèn)為玉米各層透光率隨滴灌量的降低呈增加趨勢。滴灌量降低至I80處理時(shí)，各層透光率增加顯著，I70處理時(shí)各層透光率表現(xiàn)為最大，群體內(nèi)部可能存在漏光現(xiàn)象，造成光資源的浪費(fèi)。滴灌量降低10%產(chǎn)量無顯著下降，I100處理和I90處理均能夠保持高的產(chǎn)量水平。說明I100處理和I90處理的葉面積指數(shù)和透光率在植株空間分布較為合理，繼續(xù)降低滴灌量則造成玉米受水分脅迫，葉面積及葉面積指數(shù)減小，后期玉米葉片早衰，二者均可導(dǎo)致玉米群體光合能力及光合面積減小，影響玉米的空間結(jié)構(gòu)變化以及后期籽粒灌漿的進(jìn)程，最終影響玉米產(chǎn)量。但是，降低10%滴灌量(I90)對(duì)玉米葉面積、冠層光分布、干物質(zhì)以及產(chǎn)量無顯著的影響，對(duì)于干旱區(qū)農(nóng)業(yè)，這一灌溉制度不僅高產(chǎn)而且節(jié)水，提高水分利用效率，達(dá)到高產(chǎn)高效的生產(chǎn)目的。

4 結(jié) 論

滴灌量影響玉米的株高、穗位高、葉面積指數(shù)以及各層光分布，隨著滴灌量的降低，玉米群體株高和穗位高降低，各層透光率增大，群體消光系數(shù)呈增大趨勢，改變了玉米的群體結(jié)構(gòu)。滴灌量對(duì)玉米的產(chǎn)量有顯著的影響，玉米籽粒產(chǎn)量隨滴灌量的降低呈下降趨勢，但是滴灌量降低到常規(guī)灌溉量(600 mm)的90%(I90，540 mm)時(shí)，提高穗下第三葉層的透光率，籽粒產(chǎn)量無顯著的降低。因此，在節(jié)水的前提下達(dá)到高的產(chǎn)量，提高水分利用效率，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與高效的統(tǒng)一，該灌溉制度(540 mm)適宜在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行推廣。