不同滴灌模式對(duì)干熱河谷甜玉米生物量分配、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

李建查，李 坤，方海東①，張 雷，潘志賢，岳學(xué)文，何光熊，段琪彩，史亮濤（.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀 65300；.云南省水利水電科學(xué)研究院，云南 昆明 6508）

甜玉米是我國(guó)南方重要優(yōu)勢(shì)高效作物，種植面積占全世界的22.75%［1］。隨著我國(guó)居民對(duì)飲食多樣性要求的提高，甜玉米作為糧菜兩用的新型作物，需求量逐漸提高。在元謀干熱河谷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，甜玉米種植面積逐年擴(kuò)大，并獲得較高經(jīng)濟(jì)效益。水資源的日益緊缺使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水矛盾日益突出，干熱河谷農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉模式優(yōu)化設(shè)計(jì)越來越受重視［2-3］。但大部分農(nóng)戶為追求高產(chǎn)，仍然沿用傳統(tǒng)大水灌溉方式，導(dǎo)致灌溉水利用率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

物質(zhì)生產(chǎn)是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，作物產(chǎn)量與植株生物量生產(chǎn)及分配過程密切相關(guān)。作物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，同化物在植株各器官的轉(zhuǎn)化與分配形成了產(chǎn)量。灌溉量對(duì)作物產(chǎn)量和生物量分配產(chǎn)生影響［4］，地膜覆蓋可以提高春玉米干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和水分利用效率［5］。目前，干熱河谷灌溉模式研究主要集中在林果類［6-7］，而甜玉米滴灌模式優(yōu)化研究鮮有報(bào)道。因此，研究滴灌模式對(duì)干熱河谷甜玉米生物量積累、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，可為干熱河谷地區(qū)篩選更為合理的甜玉米滴灌模式，在不降低產(chǎn)量的前提下實(shí)現(xiàn)高效用水提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在位于元謀干熱河谷的云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所灌溉試驗(yàn)基地進(jìn)行。元謀干熱河谷地處滇中高原北部，位于25°23′～26°06′N，101°35′～102°06′E，平均海拔為1 350 m。年平均氣溫為21.9℃，無霜期為305～331 d，年降雨量為611.3 mm，蒸發(fā)量是降雨量的5～6倍。光熱資源充足，年平均日照時(shí)數(shù)為7.3 h·d-1。試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土，土壤容重為1.44 g·cm-3，田間持水量w為19.42%，pH值為6.4，土壤w（有機(jī)碳）為6.10 g·kg-1，w（全氮）為0.50 g·kg-1，w（堿解氮）為 39 mg·kg-1，w（全磷）為0.188 g·kg-1，w（有效磷）為 30.38 mg·kg-1，w（全鉀）為7.44 g·kg-1，w（速效鉀）為129 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試甜玉米品種為正甜68，于2018年1月26日移栽，5月9日收獲。采用大壟雙行種植方式，壟寬為100 cm，溝距為60 cm，行距為60 cm，種植密度為55 000株·hm-2。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：不覆膜充分滴灌（T1）處理灌溉量約為10 450 m3·hm-2；覆膜充分滴灌（T2）處理灌溉量約為7 740 m3·hm-2；膜下控墑滴灌（T3）處理，當(dāng)土壤含水率達(dá)田間持水量的70%時(shí)，開始灌水至土壤含水率達(dá)田間持水量的90%，灌溉量約為5 860 m3·hm-2（表1）。采用土壤墑情監(jiān)測(cè)儀（insentek智墑）定位連續(xù)監(jiān)測(cè)0～60 cm土層土壤含水率，每隔1 h自動(dòng)采集1次土壤含水率數(shù)據(jù)。采用完全區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為60 m2（12 m×5 m）。甜玉米生育期純氮施用量為 232 kg·hm-2，以 w 為 60% 純氮、128 kg·hm-2P2O5和128 kg·hm-2K2O為底肥（復(fù)合肥N：P2O5：K2O質(zhì)量比為15：15：15），拔節(jié)期和抽穗期均隨水滴施純氮20%為追肥（尿素N質(zhì)量含量為46%）。各小區(qū)化肥和農(nóng)藥等田間管理措施均一致。

表1 滴灌模式Table 1 Irrigation regimes

1.3 分析方法

在拔節(jié)期、抽穗期和乳熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株代表性植株，按照根、莖（葉鞘部分并入莖）、葉和穗分類裝入紙袋，放入105℃條件下烘箱殺青30 min后，在75℃條件下恒溫烘干至恒量后測(cè)定生物量（精確到0.01 g）。于乳熟期測(cè)定鮮果穗質(zhì)量，計(jì)算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根生物量分配比例（RMR）、莖生物量分配比例（SMR）、葉生物量分配比例（LMR）和穗生物量分配比例（CMR）分別為根、莖、葉和穗生物量占總生物量的比例，根冠比（R/S）為根生物量與地上生物量的比值。灌溉水利用效率（kg·m-3）為甜玉米鮮果穗產(chǎn)量（kg·hm-2）與單位面積灌水量（m3·hm-2）的比值。

甜玉米各器官相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR，RRG）計(jì)算公式［8］為

式（1）中，W1為甜玉米某器官第1次測(cè)定時(shí)生物量，g；W2為甜玉米某器官第2次測(cè)定時(shí)生物量，g；Δt為2次測(cè)定時(shí)間間隔，d。

采用異速生長(zhǎng)指數(shù)比較乳熟期甜玉米根與植株、莖與植株、葉與植株、苞葉與植株、穗與植株、營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官以及地下部分與地上部分等部分間異速生長(zhǎng)關(guān)系，其計(jì)算公式為

式（2）中，x和y分別為比較的2個(gè)甜玉米部分生物量；b為性狀關(guān)系的截距；a為斜率，即異速生長(zhǎng)指數(shù)［9］。當(dāng)a=1時(shí)，表示x和y為等速生長(zhǎng)；當(dāng)a＞1時(shí)，表示y生長(zhǎng)程度大于x；當(dāng)a＜1時(shí)，表示y生長(zhǎng)程度小于x。

采用SPSS 19.0軟件對(duì)甜玉米產(chǎn)量與株高、莖粗、根生物量、莖生物量、葉生物量和苞葉生物量結(jié)果作逐步回歸分析，得到甜玉米產(chǎn)量模型。采用SPSS 19.0軟件中單因素方差分析法分別比較不同滴灌模式下甜玉米產(chǎn)量、灌溉水利用效率、生物量分配比例和生長(zhǎng)特征參數(shù)的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌模式對(duì)甜玉米生物量分配的影響

隨著生育期延續(xù)，甜玉米各器官生物量均逐漸增加（表2）。不同時(shí)期不同器官生物量變化有差異，根和莖生物量增加均主要發(fā)生在抽穗前，葉生物量增加主要發(fā)生在拔節(jié)期。從生物量分配來看，不同時(shí)期甜玉米生物量分配比例也不同，拔節(jié)期生物量分配比例由大到小依次為葉＞莖＞根，抽穗期為莖＞葉＞根，乳熟期為穗＞莖＞葉＞根。對(duì)甜玉米產(chǎn)量結(jié)果作逐步回歸分析，得到甜玉米棒產(chǎn)量（Y）與株高（X1）、莖粗（X2）、根生物量（X3）、莖生物量（X4）、葉生物量（X5）和苞葉生物量（X6）6個(gè)因素間的回歸模型：Y=13.41-0.22X1+0.6X2+0.21X4+0.16X6，模型在α=0.05水平上顯著。

表2 甜玉米不同生育期生物量及其分配比例Table 2 Biomass and allocation rate of sweet corn in different growing stages

不同滴灌模式處理下，甜玉米在不同生育期各器官生物量分配有差異（表2）。在拔節(jié)期，除T3處理莖生物量顯著小于T1和T2處理，T3處理葉生物量顯著小于T1處理外（P＜0.05），其他處理甜玉米根、莖、葉和總生物量間差異均不顯著（P＞0.05）。在拔節(jié)期和抽穗期，T3處理甜玉米株高均顯著小于T1和T2處理（P＜0.05）。在乳熟期，T3處理甜玉米苞葉生物量顯著大于T1和T2處理，分別高42%和29%；T3處理玉米棒生物量顯著大于T1處理，高20%（P＜0.05）。乳熟期不同處理間莖、根生物量差異不顯著（P＞0.05）。從各器官生物量分配比例來看，拔節(jié)期T2和T3處理甜玉米莖生物量分配比例顯著小于T1處理，而T3處理葉生物量分配比例顯著大于T1處理（P＜0.05）。

2.2 不同滴灌模式對(duì)甜玉米生育期生長(zhǎng)特征和各器官生長(zhǎng)關(guān)系的影響

隨著生育期延續(xù)，甜玉米各器官相對(duì)生長(zhǎng)速率逐漸降低（表3）。與抽穗前相比，抽穗后各器官生長(zhǎng)速率明顯降低，但不同滴灌處理間各器官相對(duì)生長(zhǎng)速率差異不顯著（P＞0.05）。

由表4可知，甜玉米各部分與植株的異速生長(zhǎng)指數(shù)均小于1，這表明各部分與植株呈異速生長(zhǎng)關(guān)系。T1處理根-植株異速生長(zhǎng)指數(shù)小于T2和T3處理。T3處理莖-植株和葉-植株異速生長(zhǎng)指數(shù)均小于T2和T1處理。T2和T3處理營(yíng)養(yǎng)器官-生殖器官異速生長(zhǎng)指數(shù)均為1，呈等速增長(zhǎng)。而T1處理營(yíng)養(yǎng)器官-生殖器官異速生長(zhǎng)指數(shù)小于1。不同滴灌處理間甜玉米地下部分-地上部分異速生長(zhǎng)系數(shù)均小于1，呈異速生長(zhǎng)。T1處理地下部分-地上部分異速生長(zhǎng)指數(shù)小于T2和T3處理。

2.3 不同滴灌模式對(duì)甜玉米產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響

甜玉米產(chǎn)量及水分利用效率見表5。

表3 甜玉米各器官相對(duì)生長(zhǎng)速率Table 3 The relative growth rate of organs

表4 甜玉米各部分生物量的異速生長(zhǎng)指數(shù)Table 4 The allometric scaling relationship exponent among organ biomass

表5 甜玉米產(chǎn)量及水分利用效率Table 5 The yield and water use efficiency of sweet corn

由表5可知，單因素方差分析結(jié)果表明，3種處理甜玉米產(chǎn)量差異不顯著（P＞0.05）。T2和T3處理比T1處理分別節(jié)水24%和44%，T3處理比T2處理節(jié)水25%。膜下充分滴灌有利于甜玉米水分利用效率的提高，與T1處理相比，T2和T3處理水分利用效率分別提高0.65和1.43 kg·m-3。

3 討論

生長(zhǎng)速率假說認(rèn)為，生物體相對(duì)生長(zhǎng)速率的變化是由體內(nèi)不同元素組成改變引起［10］。生態(tài)學(xué)代謝理論認(rèn)為生物體代謝速率受個(gè)體大小、環(huán)境溫度和生物體化學(xué)元素組成等影響［11］，特別是氮元素含量能夠調(diào)控植物代謝速率［12］。有研究表明，玉米增產(chǎn)的氮肥效應(yīng)大于水分效應(yīng)，氮素充足能降低玉米生育期內(nèi)土壤干旱脅迫導(dǎo)致的減產(chǎn)效應(yīng)［13］。筆者研究中，甜玉米種植密度為55 000株·hm-2，純氮施用量為232 kg·hm-2，已經(jīng)達(dá)到甜玉米充足施氮水平［13］，因此不同處理間甜玉米生物量差異不顯著，各器官相對(duì)生長(zhǎng)速率差異也不顯著。這表明氮素養(yǎng)分充足可降低不同滴灌模式對(duì)玉米生物量及各器官相對(duì)生長(zhǎng)速率的影響。

玉米干物質(zhì)積累量是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，尤其是吐絲后干物質(zhì)積累量對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大［14］，而在適宜種植密度條件下乳熟期后玉米莖稈對(duì)籽粒干物質(zhì)積累量貢獻(xiàn)率大［15］。筆者研究發(fā)現(xiàn)甜玉米果穗產(chǎn)量主要取決于株高、莖粗、莖生物量和苞葉生物量。由回歸系數(shù)可知，甜玉米植株莖對(duì)甜玉米棒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率較大。乳熟期不同處理間莖生物量由大到小為T1＜T3＜T2，可見膜下滴灌技術(shù)能增加甜玉米莖生物量，促進(jìn)甜玉米棒產(chǎn)量的形成。不同生長(zhǎng)期甜玉米各器官生物量分配比例發(fā)生變化，拔節(jié)期為葉＞莖＞根，抽穗期為莖＞葉＞根，乳熟期為穗＞莖＞葉＞根。這是因?yàn)橛衩赘晌镔|(zhì)在各器官的分配隨生長(zhǎng)中心的轉(zhuǎn)移而發(fā)生變化，抽穗前干物質(zhì)主要分配在葉片，抽穗后轉(zhuǎn)為莖和葉，增加其對(duì)籽粒干物質(zhì)積累量貢獻(xiàn)率；授粉后，各器官干物質(zhì)開始向籽粒轉(zhuǎn)移［16］。這表明抽穗期是甜玉米增產(chǎn)關(guān)鍵期。

植物性狀與環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系是植物在特定環(huán)境下生存策略的重要表現(xiàn)［17］。異速生長(zhǎng)是生物體不同性狀對(duì)環(huán)境選擇壓力采取的生態(tài)對(duì)策［18］，是權(quán)衡各功能部分間資源分配的結(jié)果［19］。根據(jù)最優(yōu)分配理論和功能平衡假說，植物會(huì)將資源最優(yōu)先配置給能夠使受脅迫條件下植物生長(zhǎng)最受限制的那部分資源獲得增加的功能或器官［20］。不同土壤水分條件下植物通過調(diào)整生物量分配方式，使其能夠更好地平衡植物資源獲取和利用間的關(guān)系，維持正常生理活動(dòng)，如干旱條件使生物量更多地流向根部［21］。筆者研究發(fā)現(xiàn)T1處理根-植株異速生長(zhǎng)指數(shù)小于T2和T3處理，這表明不同滴灌模式能改變根對(duì)植株的異速生長(zhǎng)軌跡，不覆膜模式下植株對(duì)根系生物量分配增加。T3處理莖-植株和葉-植株異速生長(zhǎng)指數(shù)均小于T2和T1處理，這表明不同滴灌模式能改變莖和葉對(duì)植株的異速生長(zhǎng)軌跡，T3處理植株對(duì)莖和葉生物量分配增加。T2和T3處理營(yíng)養(yǎng)器官-生殖器官異速生長(zhǎng)指數(shù)接近1，呈等速增長(zhǎng)，而T1處理營(yíng)養(yǎng)器官-生殖器官異速生長(zhǎng)指數(shù)小于1，T1處理植株對(duì)營(yíng)養(yǎng)器官生物量分配增加。這表明滴灌模式能對(duì)甜玉米營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官間異速生長(zhǎng)軌跡產(chǎn)生影響，且覆膜滴灌模式有利于甜玉米生殖器官生長(zhǎng)。不同滴灌模式間甜玉米地下部分-地上部分異速生長(zhǎng)系數(shù)均小于1，呈異速生長(zhǎng)。T1處理地下部分-地上部分異速生長(zhǎng)指數(shù)小于T2和T3處理，這表明滴灌模式能改變地上部分-地下部分異速生長(zhǎng)軌跡，覆膜模式下植株對(duì)地上部分生物量分配增加?？傮w上，覆膜滴灌模式有利于甜玉米莖、葉、地上部分和生殖器官生物量的增加。

在甜玉米產(chǎn)量差異不顯著前提下，與T1處理相比，T2和T3處理節(jié)水效果顯著，其中T3處理節(jié)水效果最佳。T2和T3處理能明顯提高甜玉米水分利用效率，T3處理水分利用效率提高更明顯。這與姬景紅等［5］研究結(jié)果一致。T3處理?xiàng)l件下，土壤水分含量適宜，玉米光合作用等生理指標(biāo)均處于較優(yōu)狀態(tài)，玉米生長(zhǎng)物質(zhì)供應(yīng)充足。這表明覆膜控墑滴灌技術(shù)能明顯節(jié)約灌溉用水量，提高水分利用效率。

4 結(jié)論

覆膜滴灌技術(shù)能促進(jìn)甜玉米莖、葉、地上部分和生殖器官生物量增加，提高玉米棒產(chǎn)量和水分利率效率，減少灌溉用水量。在確保氮肥供應(yīng)充足的條件下（甜玉米種植密度55 000株·hm-2，純氮施用量為232 kg·hm-2），膜下控墑滴灌技術(shù)（土壤相對(duì)含水量下限為70%，上限為90%）是元謀干熱河谷甜玉米生產(chǎn)中值得推廣的高效節(jié)水灌溉模式。