遼西半干旱區(qū)淺埋滴灌對春玉米生長的影響

谷 健,孫占祥,尹光華,馬寧寧,王子豪,3,郭金路,3,劉泳圻

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所,遼寧 沈陽 110161; 2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽 110016; 3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 4.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽 110866)

水資源是人類求得自身生存和從事生產(chǎn)活動所倚仗的基礎(chǔ)性資源,同時亦是維持生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要自然資源之一(王浩等,2002)。但水資源的有限性和無可替代性,加之全球人口的急劇增加和經(jīng)濟全球化趨勢的無可避免,水資源對人類來說就更為彌足珍貴,迫在眉睫的水資源短缺問題已備受世界各國的高度重視(姜文來,2001)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水是人類消耗水資源的主體,占到了淡水使用量的70%(王西琴等,2016),在滿足當(dāng)前用水需求和不威脅后代生存的前提下,受經(jīng)濟、社會、人口和環(huán)境等多種因素的共同影響,農(nóng)業(yè)用水量無可避免地會呈平穩(wěn)變化甚至削減之勢。因此,如何對有限的水資源實現(xiàn)高效利用,減少農(nóng)業(yè)用水的進(jìn)一步消耗已成為國際性的研究問題,多數(shù)國家已相繼開展了大量的農(nóng)業(yè)高效用水研究,并取得了一系列卓有成效的進(jìn)展(康紹忠等,1997;史文娟等,1998)。針對傳統(tǒng)膜下滴灌、地表滴管的滴灌帶易老化、灌溉水蒸發(fā)嚴(yán)重、不便于田間操作等缺點,有學(xué)者提出了淺埋滴灌這一概念,將滴灌帶埋設(shè)深度設(shè)為3～5 cm,可起到減少水分蒸發(fā)、薄膜污染等作用,具有實施簡便、環(huán)境友好等有點(孫仕軍等,2021)。

玉米作為遼西地區(qū)主要糧食作物之一,種植面積約占該區(qū)域總耕地面積的60%以上,頻發(fā)的干旱致使該區(qū)玉米產(chǎn)量長期低而不穩(wěn),嚴(yán)重威脅著該區(qū)農(nóng)民的經(jīng)濟收入和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展(郭金路等, 2016)。為此,本論文通過在遼西半干旱區(qū)開展移動式遮雨棚微區(qū)控水試驗和田間模擬試驗,分析不同灌溉制度條件下,淺埋滴灌對春玉米生長發(fā)育的影響,探求淺埋滴灌對春玉米的作用機制,推動該技術(shù)在半干旱區(qū)大面積應(yīng)用,實現(xiàn)半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)高效用水及玉米的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和決策支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年5～10月在遼寧省阜新蒙古族自治縣阜新鎮(zhèn)(121°01′～122°56′E、41°41′～42°56′N)進(jìn)行。該平均海拔235 m,屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫7.2℃,年日照時數(shù)2 865.5 h,≥10 ℃積溫日數(shù)169 d,有效積溫3 298.3 ℃,無霜期144 d,年均降雨量493.1 mm,年際和季節(jié)降雨變幅大且分配不均,7、8月份為降雨集中時段,該時段降雨占全年總降雨的60%以上,年均蒸發(fā)劇烈,為1 900 mm以上。年均風(fēng)速3.4 m/s,春季風(fēng)速最大,春季干旱多風(fēng)是該地區(qū)氣候的主要特征。土壤類型以發(fā)育在黃土母質(zhì)上的褐土為主,兼有少量的棕壤和栗鈣土,土層淺薄,有機質(zhì)含量較低,耕作層土壤平均容重1.44 g/cm3,田間持水量23%,地下水平均埋深大于3 m。

1.2 材料與方法

移動式遮雨棚內(nèi)開展微區(qū)控水試驗,微區(qū)面積1.3 m×2 m,其周圍深80 cm用防水透氣樹脂薄膜相隔,以避免土壤水分的相互側(cè)滲。供試玉米品種為“秋樂126”,每微區(qū)種植2壟,一壟雙行,壟底寬100 cm,寬窄行種植,寬行距60 cm,窄行距40 cm,每行種植4株,株距30 cm,理論種植密度60 000株/hm2。采用由新疆天業(yè)公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲式薄壁滴灌帶,滴灌帶管徑16 mm,滴頭設(shè)計流量1.38 L/h,滴頭間距30 cm,滴灌帶鋪設(shè)于玉米種植行窄行間,表層覆土3～5 cm。采用重力式灌水方式,滴灌貯水箱高于地表1.5 m。人工播種,播種時于種植行兩側(cè)開溝施用緩釋肥,用量為750 kg/hm2,生育期內(nèi)不再追肥。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,設(shè)灌溉定額1個因素,6個水平,分別為:727(T1)、1 454(T2)、2 181(T3)、2 908(T4)、3 635(T5)和4 362(T6)m3/hm2,以全生育期無灌溉(T0)和常規(guī)溝灌(CK)灌溉定額4 154 m3/hm2為對照,共計8個處理,各處理重復(fù)3次。常規(guī)溝灌灌溉定額為該區(qū)作物生育期豐水年有效降雨量。試驗于5月5日播種,5月20日開始第一次滴灌,灌溉周期為7 d(Hansonetal.,2003;Howelletal.,1997),整個生育期共滴灌17次,收獲前7 d停止灌溉,9月23日收獲,各處理不同生育時期灌水次數(shù)及灌水定額見表1。

表1 各灌水處理作物生育期灌溉實施方案Table 1 Implementation plan of irrigation treatments throughout the crop growth period

1.4 觀測指標(biāo)及方法

株高、莖粗和葉面積指數(shù):采用量測法測定植株株高、莖粗和葉面積指數(shù)。每微區(qū)選取長勢均勻的4株植株,使用卷尺測量株高和葉片的長度及最大寬度,游標(biāo)卡尺測量莖粗,每14 d測量1次。株高在抽穗前為地表至植株最高完全展開葉葉枕的高度,抽穗后為地表至穂基部的高度(Jordan-Meille and Pellerin,2004;Traoreetal.,2000)。莖粗為植株地上部分第二莖節(jié)最大扁圓處的直徑(趙曉燕,2011)。采用長寬系數(shù)法計算單株葉面積,之后乘以種植密度求算出葉面積指數(shù)(LAI)(段愛旺,1996;麻雪艷等,2013),公式為:

式中:0.75為玉米葉面積校正系數(shù);ρ為植株密度;m為測量株數(shù);n為所測植株的葉片數(shù)量;Lij和Wij分別為第i株玉米的第j片葉片的長度和最大寬度。

干物質(zhì)積累:成熟期每微區(qū)選取3株植株,收獲其地上部分,擦凈植株表面浮塵和雜物后,將其剪碎放于牛皮紙袋中,置于烘箱105 ℃下殺青30 min,60～70 ℃下烘干至恒重(24～48 h),使用0.01 g天平稱量其干物質(zhì)重(Lietal.,2007)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對葉面積指數(shù)的影響

玉米葉片是其進(jìn)行光合作用、呼吸作用及與外界進(jìn)行水汽交換的重要營養(yǎng)器官,葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能期長短是決定玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵要素(譚鳳梧,1989),同時葉片也與其他器官存在著相關(guān)生長關(guān)系,在一定程度上能反映其他器官的生長發(fā)育狀況(Liedgensetal.,2001)。葉面積指數(shù)(LAI)作為描述作物冠層表面能量與物質(zhì)交換基本的生理參數(shù),是評估作物冠層結(jié)構(gòu)特征和功能的重要結(jié)構(gòu)指標(biāo)(王希群等,2005;吳偉斌等,2007)。不同灌溉定額處理生育期葉面積指數(shù)動態(tài)變化見圖1。從圖1可看出,不同灌溉定額葉面積指數(shù)變化趨勢均呈拋物線形,且最大值均出現(xiàn)在抽穗期,這是由于相同品系玉米葉面積變化具有相對遺傳穩(wěn)定性,雖受外界環(huán)境條件的限制,但并不是影響其變化的主要因素(譚鳳梧,1989)。玉米苗期植株生長遲緩,冠層郁閉度相對不高,耗水以地表裸土蒸發(fā)為主,因而苗期葉面積指數(shù)增長緩慢;拔節(jié)期為玉米營養(yǎng)生長最為旺盛的時期,植株生長速度開始逐步增加,葉面積指數(shù)亦處于明顯增長的態(tài)勢,至抽穗期達(dá)到峰值,此期葉面積指數(shù)增長最為迅速,呈線性增長;隨著生育時期的推進(jìn),玉米轉(zhuǎn)入以生殖生長為主的階段,植株高度不再變化,葉片亦完全展開,冠層郁閉度達(dá)到最大值并維持穩(wěn)定,葉面積指數(shù)變化相對穩(wěn)定;進(jìn)入成熟期后植株葉片各項生理代謝活動均處于衰退狀態(tài),下部葉片首先開始枯黃萎蔫,進(jìn)而引起此期葉面積指數(shù)的緩慢降低。

圖1 不同灌溉定額處理玉米葉面積指數(shù)動態(tài)變化Figure 1 Dynamics of leaf area index (LAI) of maize under different irrigation quota

由表2可知,淺埋滴灌不同灌溉定額處理各生育時期葉面積指數(shù)均存在顯著差異。通過將葉面積指數(shù)和灌溉定額之間進(jìn)行擬合,得出葉面積指數(shù)與灌溉定額之間呈二次型拋物線關(guān)系,關(guān)系式為y=-0.001x2-7.028E-8x+2.792,擬合優(yōu)度R2=0.986,P=0.002。苗期各處理間差異較小,同時表現(xiàn)出隨灌溉定額增加而增大的趨勢,T6、T5和T4處理葉面積指數(shù)較常規(guī)溝灌CK分別提高了9.6%、2.2%和1.1%,而T3、T2和T1處理較常規(guī)溝灌CK分別降低了4.3%、12.8%和13.8%,但均未達(dá)到顯著差異水平;拔節(jié)期T5和T6處理葉面積指數(shù)近乎相等,顯著高于其他處理,而較常規(guī)溝灌CK無顯著性差異,T2、T3和T4處理較常規(guī)溝灌CK分別降低了11.4%、3.5%和4.3%,差異亦均未達(dá)到顯著水平,無灌溉處理T0和低灌溉處理T1顯著低于常規(guī)溝灌CK;抽穗期T5處理葉面積指數(shù)最大,其次為T6處理,分別較常規(guī)溝灌CK提高4.3%和1.1%,T1至T4處理較常規(guī)溝灌CK有所降低,降低幅度為1.0%～16.8%,但差異均未達(dá)到顯著水平,無灌溉處理T0較低灌溉處理T1表現(xiàn)為差異不顯著,而顯著低于其他處理;灌漿期T5與T6和T4處理間無顯著差異,而顯著高于其他處理,T2至T6處理與常規(guī)溝灌CK相比差異均不顯著,而T0和T1處理要顯著低于常規(guī)溝灌CK。就整個生育期而言,T2至T6處理葉面積指數(shù)較常規(guī)溝灌CK均無顯著差異,T5和T6處理在拔節(jié)期葉面積指數(shù)增長迅速,顯著高于其他處理。

表2 不同灌溉定額處理玉米生育期葉面積指數(shù)Table 2 Leaf area index (LAI) of maize under different irrigation quotas in the growth period

2.2 對株高的影響

植株高度作為衡量玉米生長發(fā)育狀況重要的農(nóng)藝性狀之一,同時也是評價干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量潛力的重要指標(biāo),受品種基因型和環(huán)境效應(yīng)的共同制約(Zhangetal.,2006)。適宜的植株高度能有效地改善植株冠層光照條件,致使冠層光能截獲量有所增加,促進(jìn)光能利用率的顯著提高,進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)(李利利等,2012)。

從圖2可知,玉米生育期內(nèi)株高變化表現(xiàn)為苗期生長緩慢,拔節(jié)期后快速增長,灌漿期后趨于平穩(wěn)。苗期植株以根系生長發(fā)育為主,地上部分生長相對遲緩,因而各處理間株高生長緩慢的同時均較為矮小(郭金路等,2016);拔節(jié)期至灌漿期為營養(yǎng)生長向生殖生長過渡的時期,植株對水分的需求量急劇增加,植株莖節(jié)延伸速度加快(張正,2012);進(jìn)入灌漿期后營養(yǎng)生長基本結(jié)束,完全進(jìn)入以籽粒灌漿和產(chǎn)量形成為主的生殖生長時期(甘萬祥,2015),因而各處理間株高在灌漿期后雖仍有所升高,但變化趨勢較為平緩。

圖2 不同灌溉定額處理玉米株高動態(tài)變化Figure 2 Dynamics of plant height of maize under different irrigation quota

由表3可知,不同灌溉定額處理各生育時期株高變化均有顯著差異。相關(guān)分析表明,植株高度與灌溉定額之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.992(p=0.000)。T6處理較T5處理苗期株高差異不顯著,而較其他處理差異顯著,與常規(guī)溝灌CK相比,除T6處理株高差異顯著外,其他處理均無顯著差異;拔節(jié)期植株生長迅速,生長量最大的為T5和T6處理,分別較常規(guī)溝灌CK提高了3.7%和3.1%,其次為T4處理,較常規(guī)溝灌CK降低了3.9%,均未達(dá)到顯著差異水平,其他處理與常規(guī)溝灌CK相比均表現(xiàn)為差異顯著,其中無灌溉處理T0株高顯著低于其他處理;抽穗期株高生長速度減緩,株高增長量在20～30 cm之間,T6處理株高較常規(guī)溝灌CK提高5.4%,T5處理與常規(guī)溝灌CK相當(dāng),均無顯著性差異,其他處理較常規(guī)溝灌CK顯著降低,降低幅度為4%～21.4%,無灌溉處理T0顯著低于其他處理;灌漿期植株生長趨于平穩(wěn),因而株高增長量不大,T5和T6處理與常規(guī)溝灌CK相比無顯著差異,T2至T4處理較常規(guī)溝灌CK有所降低,降低幅度為2.8%～9.1%,但降低差異不顯著,無灌溉處理T0顯著低于其他處理。就整個生育期而言,T5處理株高較常規(guī)溝灌CK無顯著差異,T4處理在抽穗期顯著低于常規(guī)溝灌CK,其它生育時期均無顯著差異,而T6處理在整個生育期內(nèi)株高均高于CK處理,其中在苗期差異達(dá)到顯著水平。

表3 不同灌溉定額處理玉米生育期株高Table 3 Plant height of maize under different irrigation quota in the growth period

2.3 對莖粗的影響

玉米倒伏一直都是影響籽粒減產(chǎn)和品質(zhì)降低的主要原因之一,發(fā)生輕微倒伏時對作物產(chǎn)量影響不大,而當(dāng)?shù)狗瘦^高時則可能導(dǎo)致作物減產(chǎn)30%～50%,極特殊條件下甚至可能引發(fā)絕產(chǎn)(宋朝玉等,2016)。在眾多玉米形態(tài)指標(biāo)中,莖粗是對植株抗倒伏能力影響最為重要的因素,莖基部節(jié)間越是短小而粗壯的植株,其抗倒伏能力和倒伏后的恢復(fù)能力越強,同時莖粗生長情況也能在一定程度上反映植株經(jīng)濟性狀生長發(fā)育狀況,整齊度越高的植株,其穂粗、穂長和籽粒產(chǎn)量越高(李杰等,2011)。

由圖3可知,不同灌溉定額處理玉米莖粗在苗期增長迅速,呈直線型增長,拔節(jié)期增長緩慢,至抽穗期達(dá)到最大值后逐漸降低。苗期是玉米營養(yǎng)生長的主要時期,水分的消耗主要用于植株根系生長,促進(jìn)根系生根和扎入土壤,因而各處理苗期莖粗增長迅速,增長幅度較大;拔節(jié)期后營養(yǎng)生長不斷向生殖生長過渡,植株莖葉在此期生長最為旺盛,雌穗和雄穗分化需要消耗大量營養(yǎng)和水分,是營養(yǎng)生長和生殖生長相互爭奪水分和營養(yǎng)物質(zhì)極為重要的時期,此期莖粗雖仍有所增加,然而增幅不大;至抽穗期時營養(yǎng)生長已完成對生殖生長的全面轉(zhuǎn)化,植株地下部分生長趨緩,莖粗在此時最大;進(jìn)入灌漿期后植株各項形態(tài)指標(biāo)開始逐步衰竭,水分的需求主要用于滿足作物產(chǎn)量的形成,植株生長活動代謝功能減弱,莖粗有回縮的趨勢。

圖3 不同灌溉定額處理玉米莖粗動態(tài)變化Figure 3 Dynamics of stem diameter of maize under different irrigation quota

從表4可看出,淺埋滴灌玉米莖粗與灌溉定額之間呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.93(p=0.007),T5和T6處理苗期莖粗要略高于常規(guī)溝灌CK,但差異未達(dá)到顯著水平,T2至T4處理莖粗與常規(guī)溝灌CK相當(dāng),均未達(dá)到顯著差異水平,無灌溉處理T0和低灌溉處理T1顯著低于其他處理;拔節(jié)期莖粗最大的為T5處理,為26.17 mm,較T4和T6處理分別增加了5%和4.3%,處理間無顯著差異,而較其他處理差異顯著,與常規(guī)溝灌CK相比,除無灌溉處理T0降低差異顯著外,其他處理差異均不顯著;抽穗期各處理間莖粗差異較小,T5和T6處理較T2、T3和T4處理均無顯著差異,而顯著高于T0和T1處理,各處理與常規(guī)溝灌CK相比,差異均未達(dá)到顯著水平;灌漿期莖粗開始回縮,高灌水定額處理回縮幅度較大,回縮幅度介于4.1%～6.2%之間,T5處理較T6處理相比雖增加了4.4%,但無顯著差異,而顯著高于其他處理,T6處理較T2、T3和T4處理相比無顯著差異,而要顯著高于T0和T1處理,與常規(guī)溝灌CK相比,T0和T1處理莖粗顯著降低,T5處理莖粗顯著提高,其余處理均未達(dá)到顯著差異水平。 就整個生育期而言,T4和T6處理與常規(guī)溝灌CK相比差異均不顯著,而T5處理莖粗在整個生育期均要高于常規(guī)溝灌CK,其中在灌漿期達(dá)到顯著差異水平。

表4 不同灌溉定額處理玉米生育期莖粗Table 4 Stem diameter of maize under different irrigation quota in the growth period

2.4 對干物質(zhì)積累量的影響

玉米是喜光作物,其生物產(chǎn)量的絕大部分源于光合作用,光合作用產(chǎn)物即干物質(zhì)積累量是關(guān)乎籽粒產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)性物質(zhì)(李向嶺等,2010),籽粒產(chǎn)量的高低一般而言會受到干物質(zhì)積累、分配和運移特性的制約,且表現(xiàn)出與干物質(zhì)積累量呈正相關(guān)關(guān)系,而對籽粒形成和飽滿程度影響最大的為苞葉和莖鞘中光合作用產(chǎn)物的運移情況。植株不同生育時期干物質(zhì)在不同器官中的分配和運移不同,拔節(jié)期之前光合作用產(chǎn)物主要向葉片運移,玉米抽穗吐絲后光合作用產(chǎn)物逐漸向籽粒運移,且此期的光合產(chǎn)物的運移和分配對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大,是產(chǎn)量形成的主要原因(崔海巖等,2013;王小春等,2015)。

由圖4可知,淺埋表滴灌不同灌溉定額處理成熟期干物質(zhì)積累量差異較為明顯,干物質(zhì)積累量與灌溉定額間呈二次型拋物線關(guān)系,擬合關(guān)系式為y=6.58x2-8.065E-4x+8875.97,擬合優(yōu)度R2=0.949,P=0.011。干物質(zhì)積累量最大的為T5處理,達(dá)到了23 808.6 kg/hm2,較T3、T4和T6處理分別增加了23.3%、17.7%和7.9%,且與T6處理差異不顯著,而與T3和T4處理差異顯著。T6處理較T3和T4處理干物質(zhì)積累量分別增加了14.3%和9.1%,處理間無顯著差異。無灌溉處理T0和低灌溉處理T1和T2干物質(zhì)積累量差異顯著,并顯著低于其他處理。T5和T6處理干物質(zhì)積累量較常規(guī)溝灌CK相比分別增加了14.9%和6.5%,與T5處理表現(xiàn)為差異顯著,而與T6處理表現(xiàn)為差異不顯著。T3和T4處理較常規(guī)溝灌CK干物質(zhì)積累量有所降低,分別降低7.2%和2.4%,但未表現(xiàn)出顯著性差異。其余處理較常規(guī)溝灌CK干物質(zhì)積累量均顯著減少,減少幅度為25.2%～131.8%,其中無灌溉T0處理干物質(zhì)積累量最小,為8 934.5 kg/hm2,較其他各處理均表現(xiàn)為顯著減少。

圖4 不同灌溉定額處理玉米成熟期干物質(zhì)積累Figure 4 Dry matter accumulation of maize at maturity under different irrigation quota

3 結(jié)論

淺埋表滴灌玉米生育期葉面積指數(shù)與灌溉定額之間呈二次型拋物線關(guān)系,株高和莖粗與灌溉定額呈顯著正相關(guān)關(guān)系,株高、莖粗和葉面積等指標(biāo)在苗期增長緩慢且差異較小,而在抽穗吐絲期差異較大。淺埋表滴灌較常規(guī)溝灌CK節(jié)水30%的情況下,生育期葉面積指數(shù)、莖粗未表現(xiàn)出顯著降低差異,株高在抽穗期降低顯著。不同灌溉定額處理成熟期干物質(zhì)積累量差異較為明顯,干物質(zhì)積累量與灌溉定額間呈二次型拋物線關(guān)系。灌溉定額3 635 m3/hm2時干物質(zhì)積累量最大,為23 808.6 kg/hm2,顯著高于常規(guī)溝灌CK,灌溉定額為2 181～2 908 m3/hm2時干物質(zhì)積累量與常規(guī)溝灌CK相當(dāng),未表現(xiàn)出顯著差異。