不同发育阶段干旱胁迫对春玉米土壤温湿度及产量形成的影响

任丽雯，王兴涛，丁文魁，杨 华，王润元

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730020；2．甘肃省武威市气象局，甘肃 武威 733000)



不同发育阶段干旱胁迫对春玉米土壤温湿度及产量形成的影响

任丽雯1,2，王兴涛2，丁文魁2，杨 华2，王润元1

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730020；2．甘肃省武威市气象局，甘肃 武威 733000)

本试验设CK(整个生育期供水充足的对照处理)、DT1(从拔节期限制供水的干旱处理，即持续不灌水直至生育期结束)、DT2(从抽雄期限制供水的处理，即持续不灌水直至生育期结束)3种处理，讨论水分胁迫对地温、土壤水分含量和春玉米产量形成的影响。结果表明：土壤温度的变化与控水密切相关，20 cm深度DT1和DT2处理的地温平均值分别较CK高1.6 ℃和1.3 ℃；40 cm深度DT1和DT2处理的地温平均值分别较CK高1.7 ℃和0.5 ℃。土壤水分贮存量和地温在20 cm深度呈负相关，40 cm深度呈正相关，土壤水分贮存量对作物生长造成影响的下限指标是18 mm，地温对作物生长造成影响的上限指标是19.2 ℃。DT1和DT2处理均对作物的生长因子和产量结构造成一定影响，DT1处理下的减产幅度更为剧烈。

干旱胁迫；地温；水分含量；产量

引 言

玉米是我国主要粮食和最重要的饲料作物，随着我国人口增加，对农产品需求日益增加，而提高玉米产量已成为亟待解决的问题。然而，我国特别是北方地区水资源严重不足，这已日渐成为限制农业可持续发展的瓶颈，而以气候变暖为标志的全球变化，亦将可能加剧水资源的短缺。玉米是需水较多的作物，随着气候变暖和降水条件的改变，玉米种植区的气候生态发生较明显的变化，高温干燥气候易造成作物生育期水热配置出现较大差异，对玉米生产产生有利或不利的影响[1-2]。玉米是河西走廊地区的第二大粮食作物，是饲料和淀粉加工业的主要原料。因此，研究干旱胁迫对河西走廊地区主要作物玉米在不同生育阶段的生长发育指标以及其产量的影响有重要意义，可以为制订适应与减缓干旱化不良影响的对策与措施提供依据。

近年来，许多学者针对干旱胁迫对玉米的影响从不同角度、不同层次进行了许多研究工作[3-13]，如白莉萍等[3]研究了土壤水分胁迫对玉米形态发育和产量的影响；施关正等[4]研究了干旱胁迫下玉米杂交组合的抗旱性以及水分利用效率；远红伟等[5]研究了玉米的生理特征对水分胁迫的感应；谭国波等[7]研究了玉米拔节期的水分胁迫对植株性状、光和生理及产量的影响。

土壤温度作为土壤热状况的综合表征指标，受到诸多因素影响，而土壤温度的变化与作物根系功能和光合作用等生长发育指标有规律性的对应关系，直接或间接影响植物生长和发育，较高的土壤温度，可以改变根系的生长、呼吸作用和养分吸收[14-18]。本文通过对玉米拔节期、抽雄期进行干旱胁迫，从土壤温度、水分变化和产量分析的角度讨论胁迫效应对作物的影响，以期为提高干旱地区玉米的抗旱能力、合理进行田间管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2015年在甘肃武威荒漠生态与农业气象试验站进行，地点位于甘肃省河西走廊东端的武威市凉州区清源镇发展村(37°53′ N，102°53′ E)，海拔1 534.8 m，年均气温8.5 ℃，年降水量171.0 mm左右。气候特点为：太阳辐射强、日照充足、温差大、降水少、蒸发强烈、空气干燥。土壤质地为砂壤土，呈微碱性，有机质含量0.7%，pH值8.3，地下水位约25 m，10～50 cm 土壤容重为1.50～1.67 g·cm-3，田间持水量为19.2%～23.4%，永久萎蔫点为5.98%。试验年2015年平均气温8.1 ℃，较历年略偏低，年降水总量165.6 mm，与历年基本持平。

1.2 试验设计

试验品种为春玉米“科河28号”，4月14日播种，采用点种。试验设CK(整个生育期供水充足的对照处理)、DT1(从拔节期限制供水的干旱处理，持续不灌水直至生育期结束)、DT2(从抽雄期限制供水的处理，持续不灌水直至生育期结束)3种处理，每种处理设6个重复。试验田各处理总面积分别为CK：129.4 m2，DT1：94.2 m2，DT2：117.0 m2。播种前施尿素225 kg·hm-2，磷二铵187.5 kg·hm-2，6月2日灌水时追施尿素225 kg·hm-2。4月3日浇底墒水，试验期间各个处理的具体灌溉记录如表1所示。试验处理期间(2015年4月14日—2015年9月21日)共降雨36次，累积降雨量为124.8 mm。

表1 各个处理的灌溉记录

1.3 土壤温度测定方法

播种当天分别在每个重复20 cm、40 cm土层深度玉米行间埋设以色列Fourtec公司生产的MicroLiet-U盘型温度记录仪，测量范围为-40～80 ℃，测量精度为0.3 ℃，数据采样频率置为次·(15 min)-1，每小时4次连续观测，每天96次连续记录，日平均气温取96次的算术平均，逐小时温度取每小时的4次平均值，以15 min最高和最低记录作为最高温度和最低温度，全生育连续观测，直至成熟收获为止。

1.4 土壤湿度测定方法

本试验于浇底墒水、播种、成熟及每周三采用土钻法取得土样，每区取2 个重复，每个重复取50 cm，每10 cm为一土层，土壤含水率利用烘干称重法测定。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理下20 cm土壤温度日变化特征

图1给出作物进入生殖生长阶段后20 cm的土壤温度变化。可以看出，实施控水以前，3种灌溉模式下的土壤温度曲线基本吻合。自6月下旬拔节期实施控水以后，DT1处理下20 cm地温开始逐渐高于另外2种处理，但是相对于控水时间存在一定的滞后现象，此时DT2与CK处理曲线依然无大的差别。接着，自7月中旬抽雄期实施控水以后，DT2处理下的地温在一段时间后也开始逐渐高于CK处理。8月上旬左右，DT1与 DT2处理下的地温逐渐缩小差别，并且均高于CK处理。这种现象持续到9月上旬作物接近成熟后，3种处理模式下20 cm的地温差值缩小，曲线接近吻合。自6月下旬拔节期实施控水后，DT1地温平均值较CK高出2.1 ℃；自7月中旬抽雄期实施控水后，DT2地温平均值较CK高出2.0 ℃；整个生殖生长期20 cm地温平均值表现为DT1(19.6 ℃)> DT2(19.3 ℃)>CK(18.0 ℃)。

2.2 不同水分处理下40 cm土壤温度日变化特征

从图2可以看出，进入生殖生长期后，40 cm土壤温度变化相对20 cm深度相对缓和，3种处理间的差异也较20 cm深度土壤温度小。实施控水以前，3种处理的曲线基本吻合；拔节期实施控水以后，DT2与CK处理基本无差异，DT1处理的地温开始高于另外2种处理，曲线变化时间与20 cm深度土壤温度基本一致，相对于控水时间其变化也存在一定的滞后现象；抽雄期实施控水后，DT2处理的地温也开始高于CK，但这种差异明显低于20 cm深度土壤温度。直到9月接近成熟后，3种处理低温曲线的差异逐渐缩小。自6月下旬拔节期实施控水后，DT1地温平均值较CK高出2.0 ℃；自7月中旬抽雄期实施控水后，DT2地温平均值较CK高出1.8 ℃；整个生殖生长期40 cm地温平均值表现为DT1(19.4 ℃)> DT2(18.2 ℃)>CK(17.7 ℃)。

图1 不同水分处理下玉米生殖生长期20 cm土壤温度日变化

图2 不同水分处理下玉米生殖生长期40 cm土壤温度日变化

2.3 不同水分处理下土壤水分变化

图3给出玉米进入生殖生长期后土壤20 cm和40 cm的水分贮存量。可以看出，控水以前，由于3种处理水分条件均一，曲线差异不大。拔节期控水处理后，CK和DT2的土壤水分含量大致相同，并明显高于DT1处理，成熟末期3种处理下的土壤水分含量差异逐渐缩小；抽雄期控水处理后，CK的土壤水分贮存量明显高于DT1和DT2处理，且DT1和DT2处理的曲线逐渐缩小差异，趋于吻合。在作物生殖生长期至第一次控水处理后，0～50 cm层DT1土壤水分贮存量为8～26 mm，DT2为10～34 mm，CK为9～35 mm；第一次控水处理至第二次控水处理后，0～50 cm层DT1土壤水分贮存量为6～18 mm，DT2为7～20 mm，CK为7～33 mm，干旱胁迫效应明显。

2.4 不同水分处理对玉米生长因子和产量结构影响

从表2表现作物生长状况的各项因子可以看出，玉米的受旱特征随控水时间同步表现。生长前期，由于各处理水分条件均一，高度、叶面积指数(LAI)和生长率差异不大。自6月下旬进行第一次控水处理后，DT1处理的LAI和生长率略低于DT2和CK处理，说明拔节期水分供应不足，势必会导致作物叶片早衰，光合作用和养分运输能力下降，败育粒增加，粒重下降，生长率较慢。吐丝前后是水分敏感期，严重干旱将造成卡脖旱，难以抽雄，授粉结实不良，导致空秆，造成严重减产，甚至绝产。7月9—29日的控水处理正是导致DT1处理出现空杆的原因，缺水使得作物叶片短小、生长缓慢，正常灌浆受到影响，同时也造成成熟期籽粒干瘪，百粒重偏低。DT1和DT2处理的高度在抽雄期较CK处理减少幅度最大，分别为31.6%和10.2%；LAI在乳熟期减少幅度最大，分别为67.5%和40.1%；生长率较CK处理，DT1处理在抽雄期减少幅度最大，达到52.4%，DT2处理在乳熟期减少幅度最大，达到36.1%。

图3 不同水分处理下玉米生殖生长期20 cm(a)、40 cm(b)土壤水分变化

高度/cmDT1DT2CKLAIDT1DT2CK生长率/g·(m2·d)-1DT1DT2CK三叶10109000．1///七叶2325260．20．40．50．440．610．61拔节1301331435．18．514．11011．414．31抽雄1672192447．31117．928．2243．1759．31乳熟2002282495．19．415．720．2324．5238．38成熟204233254///-9．93-13．11-5．51

注：成熟期叶面积不进行测量，故为/

成熟后的产量分析结果如表3所示，不同时期的水分胁迫处理对玉米的产量结构造成不同程度的影响。DT1和DT2处理下的果穗长、果穗粗和百粒重分别较CK处理低19.7%和12.9%、24.0%和16.0、17.8%和15.2%，秃尖较CK处理高44.0%和28.0%，DT1和DT2处理下的果穗长、果穗粗和秃尖与CK处理下的差异达到显著性水平，DT1和DT2处理之间不存在显著性差异。果穗及籽粒所表现的特征说明前期干旱胁迫效应使干物质积累受到影响，养分不能正常输送到籽粒中。DT1处理下的玉米空杆率达到35%。水分胁迫造成的减产程度DT1下降62.8%，DT2下降37.8%。可见，玉米的减产幅度很大程度取决于干旱胁迫时玉米所处的生育时期。

表3 不同水分处理下玉米产量结构

注：A、B 表示差异达到0.05显著性水平

2.5 土壤水分与地温的定量分析

从上述试验数据分析来看，作物的土壤水分含量与地温存在定量关系。随着土壤水分贮存量的变化，地温也随之发生变化，两者互相影响并形成特有规律。图4给出不同水分处理下玉米生殖生长期20 cm、40 cm土壤水分与地温的关系，可以看出，20 cm深度二者呈负相关，相关系数为-0.42～-0.59；40 cm深度DT1处理两者相关性不大，另外2种处理呈正相关，相关系数为0.44～0.55。这可能是因为20 cm接近地表，受外界因素干扰较为明显，含水量的变化直接影响地温变化，较高的土壤含水量可以直接降低地温，干旱的土壤水分条件下地温保持在较高水平。但随着深度加深，通过土壤对外界环境的过滤，外界因素干扰作用逐渐变小。深层土壤由于其相对稳定的环境，较高的土壤水分反而使其具有一定的增温作用，利于喜温作物的生长。分析DT1和DT2处理下受旱时玉米的外部特征以及当时的土壤水分，20 cm、40 cm土壤水分贮存量的下限指标均为18 mm，当土壤水分贮存量低于该阈值时，作物的生长因子如高度、叶面积、生长率等都会受到影响。20 cm、40 cm地温的上限指标为19.2 ℃，当地温继续高于该阈值时，作物的受旱特征开始逐渐表现出来。

图4 不同水分处理下玉米生殖生长期20 cm(上)及40 cm(下)土壤水分与地温的关系

3 结论与讨论

不同时期的控水会对玉米的生长发育造成不同程度的影响，从地温的角度来看，干旱胁迫会导致土壤温度明显高于正常灌水处理的土壤温度，最终对产量造成影响。土壤温度的变化与控水密切相关，整个控水处理期间，20 cm深度DT1和DT2处理的地温平均值分别较CK高1.6 ℃和1.3 ℃；40 cm深度DT1和DT2处理的地温平均值分别较CK高1.7 ℃和0.5 ℃。

玉米的受旱特征随着土壤水分贮存量的下降和地温的上升逐渐表现出来，这一现象在20 cm深度表现明显，实施控水以后，水分含量越少，土壤温度越高，这也是造成玉米减产的原因。拔节时段过高的温度，导致玉米穗分化期缩短，分化的小穗和小花数目减少。抽雄时期过高的土壤温度会使玉米雄穗不能抽出，或者花粉迅速干瘪而丧失生命力，造成秃顶、缺粒。如果干旱胁迫持续发生至灌浆至成熟期，则会导致玉米的光合作用降低，淀粉酶的活性受到抑制，影响籽粒淀粉合成、运输与积累，导致千粒重降低，严重影响产量。另外，对土壤水分和地温进行定量分析，发现两者在20 cm深度呈负相关，40 cm深度呈正相关。土壤水分贮存量和地温对作物生长造成影响的下限指标和上限指标分别是18 mm和19.2 ℃，超过该阈值，作物的高度、LAI、生长率都会出现不同程度的下降。

通过对玉米生长因子和产量结构分析来看，拔节期和抽雄期的水分胁迫均对玉米的生长发育造成严重影响。拔节期植株营养生长与生殖生长并进，新陈代谢旺盛，此时正是需水的关键时期，对水分要求迫切，如果土壤相对湿度低于70%会导致植株矮小，器官发育不良，光合作用和养分运输能力下降，DT1处理的高度、生长率和LAI分别在抽雄和乳熟期减少幅度达最大，减产程度也更加剧烈；抽雄期前后，是植株的水分临界期，严重干旱将造成卡脖旱，难以抽雄，授粉结实不良，导致空秆，造成严重减产；这种干旱胁迫效应若一直维持到灌浆至成熟期，则会使粒重减少，产量及品质大幅度降低，DT2处理较DT1处理的生长状况因子受影响的程度略小，但是由于胁迫效应所处的关键时期，产量依然较大程度的下降。从分析结果来看，干旱胁迫导致作物植株矮小，穗小粒少，秃尖增长，百粒重下降，产量大大减少，拔节期的干旱胁迫由于持续时间更长，胁迫程度更大，因此对玉米的减产程度较抽雄期更加严重，说明减产程度既取决于作物的生育时期，也和干旱胁迫的持续时间有关。

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Effects of Drought Stress at Different Growth Stage of Spring Maize on Soil Temperature, Water Content and Yield

REN Liwen1,2, WANG Xingtao2, DING Wenkui2, YANG Hua2, WANG Runyuan1

(1.KeyLaboratoryofAridclimateChangeandDisasterReductionofCMA,KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince,InstituteofAridMeteorological,ChinaMeteorologicalAdministration,Lanzhou730020,China；2.WuweiMeteorologicalBureauofGansuProvince,Wuwei733000,China)

This experiment designed three modes including the normal irrigation treatment (CK), drought stress since maize jointing stage (DT1) and drought stress since tasseling stage (DT2) to discuss the effects of drought stress on soil temperature, water content and spring maize yield. The results show that the change of soil temperature was closely related to water controlling. The average of soil temperature at 20 cm depth under DT1 and DT2 water treatments was 1.6 ℃ and 1.3 ℃ higher than that of CK treatment, and for 40 cm depth, it was 1.7 ℃ and 0.5 ℃ higher than that of CK treatment. The soil water content was negative correlated with soil temperature at 20 cm depth, but for 40 cm depth, it was positive correlated with soil temperature. The lower limit of soil water content index and the maximum index of soil temperature influencing growing status of maize was 18 mm and 19.2 ℃, respectively. Both DT1 and DT2 water treatments could cause some influence on growth factors and yield structure of spring maize, and maize yield under DT1 water treatment declined more obviously.

drought stress; soil temperature; water content; yield

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0860

2016-04-14；改回日期：2016-07-05

国家自然科学基金项目“半干旱区作物干旱致灾过程特征及其若干阈值研究”(41275118)、甘肃省青年科技基金(145RJYA284)、干旱气象科学研究基金(IAM201410)、干旱所基本科研业务费(KYYWF201503)及干旱气象科学研究基金(IAM2015070)共同资助

任丽雯(1989-)，女，甘肃武威人，助理工程师，主要从事农业气象观测和荒漠生态实验研究工作. E-mail:rlw2116@126.com

1006-7639(2016)-05-0860-06 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0860

S16

A

任丽雯，王兴涛，丁文魁，等.不同发育阶段干旱胁迫对春玉米土壤温湿度及产量形成的影响[J].干旱气象，2016，34(5)：860-865, [REN Liwen, WANG Xingtao, DING Wenkui, et al. Effects of Drought Stress at Different Growth Stage of Spring Maize on Soil Temperature, Water Content and Yield[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):860-865],