滴灌量对高产春玉米冠层结构特征及产量的影响

沈东萍，张国强，王克如，肖春华， 徐文娟,刘广周 ,张小伟，陈永生，陈江鲁，刘朝巍，李少昆

(1.石河子大学 农学院,绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003；2.中国农业科学院 作物科学研究所，农业部作物生理生态重点实验室，北京 100081；3.新疆生产建设兵团第六师农业科学研究所，新疆五家渠 831300；4.新疆生产建设兵团第六师奇台农场农业技术推广站，新疆昌吉 831100)

提高作物群体的光合作用效率和物质生产能力主要在于改善冠层的通风透光、增强群体的光合性能[1]。玉米冠层结构、功能及产量受到诸如品种[2]、栽培措施[3-6]等多种因素的影响。其中，水分是重要因素之一[7-8]。目前，覆膜滴灌作为干旱区高效节水技术，其将薄膜覆盖栽培技术与滴灌技术有效的集成，可以根据作物各生育阶段生长所需要的灌水量对作物根系范围进行局部灌溉，从而提高作物的水分利用效率和产量[9-11]。前人研究表明，膜下滴灌玉米的株高、茎节数与灌溉定额基本呈正比关系，合理的滴灌量有利于改善玉米光合性能、提高水分生产效率[12-13]。王宁珍等[14]研究认为群体叶面积指数受降水影响，尤其是拔节至抽雄期降水与叶面积指数变化显著相关。鉴于以往关于新疆高产(≥15 000 kg/hm2)春玉米区滴灌量对其冠层特征与生长发育影响的研究鲜见报道，本试验在新疆干旱区生态条件下研究滴灌量对高产(≥15 000 kg/hm2)春玉米的冠层特征及产量影响，探讨玉米冠层光合有效辐射分布对滴灌量的响应，为新疆高产区及其他相似地区玉米冠层的合理调控及其水分高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014-2015年在新疆奇台总场开展。该地区属大陆性干旱气候区，降雨稀少，蒸发量大，气候干燥。奇台农场(89°46′01″E， 43°50′41″N)，海拔946.2 m，年日照时数2 841 h，年≥10 ℃积温3 025.8 ℃，无霜期158 d，玉米生育期内(2000-2015年)年平均降雨量148.0 mm。试验田土质为轻壤土，0～60 cm土壤体积质量为1.5 g/cm3，田间持水量为0.239 g/g，有机质为15.0 g/kg，碱解氮为46.3 mg/kg，速效磷为16.4 mg/kg，速效钾为297.6 mg/kg，前茬为玉米。

1.2 试验设计

采用裂区设计，品种为主处理，滴灌量为副处理，滴灌量以当地高产田常规滴灌量为对照(CK，600 mm)，按降低常规滴灌量的10%，20%和30%设置灌溉水平，灌溉处理依次为：600 mm(I100，对照)、540 mm(I90)、480 mm(I80)、420 mm(I70)。供试品种2014年为‘中单909(ZD909)’、‘辽单565(LD565)’和‘宁玉721(NY721)’；2015年为‘先玉335(XY335)’‘郑单958(ZD958)’和‘KWS3564’。2014-04-19和2015-04-14播种；收获日期分别为2014-10-20和2015-10-19。宽窄行种植(70 cm+40 cm)，密度为12万株/hm2，小区面积设为48 m2，3次重复。采用覆膜滴灌以及干播湿出技术提高玉米的出苗率和整齐度，在播种后1 d，根据播前测定的0～20 cm表层土壤含水量(14.2%～14.5%)，各处理灌溉出苗水60 mm，苗期进行蹲苗锻炼。滴灌量处理从播种后55～60 d开始实施，共9次灌水，灌溉频率为9～10 d，每次滴灌量分别为I100(60 mm)、I90(53.33 mm)、I80(46.67 mm)和I70(40 mm)。滴灌系统采用迷宫式滴灌带(新疆天业)，滴头间距为30 cm，水压在0.1 MPa时滴头设计流速为3.2 L/h，滴灌量用水表控制。其他管理同大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 株高、叶面积及叶面积指数 于玉米6展叶(V6)、12展叶(V12)、吐丝期(R1)、籽粒建成期(R2)、乳熟期(R3)、蜡熟期(R5)和成熟期(R6)，每个处理选取长势一致具有代表的植株5株，利用长宽系数法测定叶面积(LA)并计算其叶面积指数(LAI)。吐丝期测定玉米株高和穗位。

1.3.2 干物质 玉米吐丝期和成熟期各处理选取5株长势一致、有代表性的植株，从基部节间割下分器官分解装于牛皮纸袋，在105 ℃条件下杀青30 min，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒质量后称量。

1.3.3 光合有效辐射和透光率 光合有效辐射(PAR)采用SunScan(Delta，英国)冠层分析系统在吐丝期进行测定。分底层(B)、穗下第三叶层(TLBE)、穗位叶层(E)、穗上第三叶层(TLAE)、顶层(T)共5层，分别在宽行和窄行的中间平行于地面进行测量，并计算各处理玉米群体的消光系数，其中：

透光率(Tr)=测定层光强(μmol·m-2·s-1)/冠层顶层光强(μmol·m-2·s-1)×100%

消光系数(K)= - lnTr/LAI；Tr为冠层PAR透光率，LAI为群体叶面积指数。

1.3.4 产 量 在玉米生理成熟后各处理去除边行，收获全部玉米果穗，称取鲜果穗质量，统计果穗数，按平均穗质量法取20个果穗作为标准样本，脱粒称质量，计算出籽率，用国家认定并经校准的谷物水分测定仪(PM-8188)测定籽粒含水量。按国家粮食水分标准14.0%计算出实际产量。公顷穗数、单穗质量、穗粒数、千粒质量、穗长、穗粗等产量构成相关指标通过田间调查和室内考种获取。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2013对数据进行整理，SPSS Statistics 18.0进行数据分析，采用 LSD (P<0.05) 检验法进行多重比较及差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 滴灌量对玉米株高和穗位高的影响

各品种株高和穗位高随着滴灌量的减小呈降低趋势(图1)。多数品种当滴灌量较对照降低10%(I90)时株高和穗位高无显著差异；当滴灌量降低至常规灌溉量的80%(I80)时株高和穗位高显著降低。

2.2 滴灌量对玉米叶面积指数的影响

滴灌量影响玉米叶片的生长，进而影响群体LAI(图2)。吐丝期(R1)，I90处理较I100处理的LAI无显著降低，而I80处理和I70处理分别比I100处理减少7.1%和12.1%；成熟期(R6)，滴灌量降低至当地滴灌量的90%(I90)，玉米LAI无显著降低，而滴灌量降低至I80处理和I70处理时，LAI显著降低，分别比I100处理降低8.9%和18.9%。吐丝期(R1)，各品种I90处理的LAI为7.5～8.7；成熟期(R6)LAI为4.0～5.4。滴灌量主要影响玉米吐丝至成熟期叶面积及LAI，较高的滴灌量有利于提高玉米叶片的持绿性，延缓中后期的衰老，增加群体光合面积，提高籽粒产量。

图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展叶 6 spreading leaf；V12.12展叶 12 spreading leaf；R1.吐丝期 Silking；R2.籽粒建成期 Blister；R3.乳熟期 Milk；R5.蜡熟期 Dent；R6.生理成熟期 Physiological maturity

2.3 滴灌量对玉米群体透光率及消光系数(K)的影响

滴灌量对各层透光率的影响(图3)表现为：随着灌溉量的减小，各层叶片透光率随之增大。I70、I80、I90和I100处理底层(B)透光率分别为0.7%～0.9%、0.6%～0.8%、0.5%～0.8%和0.4%～0.7%；穗下第三叶层(TLBE)透光率分别为2.4%～3.5%、2.0%～2.7%、1.1%～1.9%和0.7%～1.5%，穗位叶层(E)透光率分别为4.4%～5.4%、4.0%～4.7%和3.5%～4.5%、2.2%～4.0%；穗上第三叶层(TLAE)透光率分别为23.9%～27.6%、21.4%～25.9%、20.7%～23.7%和17.5%～20.6%。滴灌量降低到常规灌量的90%时，底层(B)、穗下第三叶层(TLBE)、穗位层(E)、穗上第三叶层(TLAE)透光率分别增加17.3%、41.1%、28.1%和11.7%；当滴灌量降低到常规灌溉量的80%时，分别增加40.4%、128.9%、41.2%和20.1%；当滴灌量降低到常规灌溉量的70%时，分别增加55.7%、178.4%、60.0%和31.9%。依据2 a各品种各层透光率对滴灌量的响应，可以看出滴灌量对玉米群体的穗下第三叶层的透光率影响较大。

玉米群体消光系数随着滴灌量的降低呈增大趋势(表1)。吐丝期不同滴灌量处理的消光系数分别为：I70(0.59～0.78)，I80(0.57～0.74)，I90(0.56～0.72)和I100(0.56～0.71)，各品种I70处理群体消光系数均表现为最大。

B.底层 The bottom layer；TLBE.穗下第三叶层 Third leaf below ear layer；E.穗位叶层 Ear layer；TLAE.穗上第三叶层 Third leaf above ear layer

表1 不同滴灌量下玉米吐丝期群体的消光系数Table 1 Extinction coefficient of maize silking stage under different drip irrigation

2.4 滴灌量对玉米干物质积累及产量的影响

各品种干物质积累均随滴灌量的降低呈下降趋势(图4)。滴灌量处理间的干物质积累表现为I100显著高于I80和I70处理。 吐丝期I100处理的干物质积累比I80、I70分别高出8.8%和12.1%；成熟期分别高出11.6%和26.0%。滴灌量降低至常规滴灌量的90%(I90)时玉米单株干物质积累量的降低没有达到显著水平。

由玉米测产结果(图5)可见，2014年I100处理和I90处理的产量分别为16 625.7 kg/hm2和16 691.6 kg/hm2，显著高于I80处理和I70处理，其中，I100处理比I80和I70处理分别高10.1%和14.6%，I90处理比I80和I70处理分别高10.5%和15.1%，而I100处理与I90处理之间的产量差异不显著。2015年I100处理和I90处理的产量分别达到19 270.7 kg/hm2和19 020.3 kg/hm2，显著高于I80、I70处理，其中，I100处理产量比I80和I70处理高6.6%和14.6%；I90处理产量比I80和I70处理高5.17%和13.1%。由上可见，对于产量 ≥15 000 kg/hm2的春玉米滴灌量减少10%对其产量没有显著影响，并且可以节约灌溉水。

图4 不同滴灌量下玉米吐丝期和成熟期干物质的积累Fig.4 Accumulation of dry matter at silking and maturing of maize under different drip irrigation

图5 不同滴灌量下玉米的产量Fig.5 Yield of maize under different drip irrigation

3 讨 论

灌溉量对玉米籽粒产量的影响不尽相同，Bozkurt等[15]在10 370 kg/hm2产量水平下研究认为随着灌溉量的降低，玉米籽粒产量也相应降低。灌溉定额在3 000～6 000 m3/hm2范围内，玉米产量与灌溉量呈正相关关系，但超过一定的灌溉定额6 000 m3/hm2后，灌溉量对产量的增加无显著提高[16]。以上结果多是在常规产量水平下研究获得的，本试验针对新疆干旱区高产春玉米产量≥15 000 kg/hm2的群体进行研究，结果表明，适当降低灌溉量到常规滴灌量的90%时大多数参试品种籽粒产量无明显降低，说明目前玉米高产区的大田灌溉存在灌量过高、水资源浪费的现象。灌溉量对玉米叶面积的大小和叶面积指数有显著的影响，许子清等[17]研究认为在14 824.0～15 423.5 kg/hm2产量水平，玉米的产量、干物质、叶面积及其叶面积指数随灌溉量的降低而减小 ；唐光木等[16]认为玉米的株高与叶面积指数随着灌溉量的降低而减小，本研究也得出与以上研究结果相似的结论，但当灌溉量降低到常规滴灌量的90%时，叶面积指数无明显下降，说明适当降低滴灌量对群体叶面积的生长无显著的影响。

种植密度直接影响植物冠层光分布和光能的截获率。前人报道，在6.75万株/hm2的种植密度下，玉米获得了10 815 kg/hm2的单产，光能截获率达到94.0%～95.0%，冠层中部透光率在15%以上[18]。吕丽华等[19]认为夏玉米在中低密度(6.75～11.25万株/hm2)下群体穗位层透光率在吐丝期达到13.4%～19.5%，并得出高密度易造成群体内光分布不合理，导致光合性能降低的结论。本研究结果是在12万株/hm2的高密度群体获得的，I90处理光能截获率达到99.2%～99.6%，消光系数为0.56～0.72，吐丝期穗位层透光率在3.5%～4.5%，虽然透光率较前人报道值偏低，但产量达到15 686.0～19 135.4 kg/hm2的水平。本研究得出的冠层特征值(Tr、K、LAI)与Liu 等[20]报道的22 500 kg/hm2产量水平高产春玉米最优冠层结构特征值相似。主要原因是高的种植密度具有较高的叶面积指数，增加了玉米群体光能的截获面积和光能利用率，有利于玉米产量的提高，说明在光照资源充沛的新疆采取密植栽培有利于玉米产量的进一步提高，这一结论与Xue等[21]、Zhang等[11]和Liu等[20]观点一致。此外，灌溉量也影响作物冠层光分布。前人认为灌量改变了小麦的株型和受光态势，过量灌溉区降低灌量有利于群体通风透光，有利于提高单株干物质的积累，达到提高穗质量的目的[22]，本研究认为玉米各层透光率随滴灌量的降低呈增加趋势。滴灌量降低至I80处理时，各层透光率增加显著，I70处理时各层透光率表现为最大，群体内部可能存在漏光现象，造成光资源的浪费。滴灌量降低10%产量无显著下降，I100处理和I90处理均能够保持高的产量水平。说明I100处理和I90处理的叶面积指数和透光率在植株空间分布较为合理，继续降低滴灌量则造成玉米受水分胁迫，叶面积及叶面积指数减小，后期玉米叶片早衰，二者均可导致玉米群体光合能力及光合面积减小，影响玉米的空间结构变化以及后期籽粒灌浆的进程，最终影响玉米产量。但是，降低10%滴灌量(I90)对玉米叶面积、冠层光分布、干物质以及产量无显著的影响，对于干旱区农业，这一灌溉制度不仅高产而且节水，提高水分利用效率，达到高产高效的生产目的。

4 结 论

滴灌量影响玉米的株高、穗位高、叶面积指数以及各层光分布，随着滴灌量的降低，玉米群体株高和穗位高降低，各层透光率增大，群体消光系数呈增大趋势，改变了玉米的群体结构。滴灌量对玉米的产量有显著的影响，玉米籽粒产量随滴灌量的降低呈下降趋势，但是滴灌量降低到常规灌溉量(600 mm)的90%(I90，540 mm)时，提高穗下第三叶层的透光率，籽粒产量无显著的降低。因此，在节水的前提下达到高的产量，提高水分利用效率，实现高产与高效的统一，该灌溉制度(540 mm)适宜在当地进行推广。