滴灌模式和水分调控对夏玉米干物质和氮素积累与分配及水分利用的影响

杨明达 关小康 刘 影 崔静宇 丁超明 王静丽 韩静丽 王怀苹 康海平 王同朝,*



滴灌模式和水分调控对夏玉米干物质和氮素积累与分配及水分利用的影响

杨明达1关小康1刘 影1崔静宇1丁超明1王静丽1韩静丽1王怀苹2康海平3王同朝1,*

1河南农业大学农学院 / 河南粮食作物协同创新中心, 河南郑州 450046;2浚县丰黎种业有限公司, 河南浚县 456250;3社旗县农业局植保植检站, 河南社旗 473300

采用裂区试验设计探究了地下滴灌和地表滴灌(drip underground, DU; drip surface, DS)模式下土壤水分调控(分别为田间持水量的40%~50%、60%~70%和80%~90%, 记为W40、W60和W80)对夏玉米干物质和氮素积累与分配及水分利用效率的影响。结果表明, DU处理的吐丝后氮素积累量及水分利用效率分别较DS显著提高了6.18%和4.85%~8.61%。夏玉米的干物质、氮素指标及产量对滴灌模式的响应依赖于土壤水分调控水平, 在W40和W60处理条件下, DU处理显著增加夏玉米的净光合速率, 提高了吐丝后干物质和氮素的积累量及向籽粒的转运, 最终DU处理的干物质积累量、籽粒氮素积累量、产量及氮肥偏生产力分别提高了3.29%~19.94%、-1.10%~20.65%、3.29%~19.94%和3.31%~23.64%。而在W80处理条件下, DS处理的干物质积累量、吐丝后氮素积累量、产量及蒸散量比DU处理分别提高了6.80%~12.24%、5.93%、8.39%~14.91%和9.73%~14.57%。综上所述, 在限水灌溉条件下, 地下滴灌能够增加吐丝后干物质积累量、氮素积累量及其对籽粒氮素的贡献率, 最终增加产量。在充分供水条件下, 地表滴灌更有利于干物质及氮素的积累, 但由于消耗过多的水分, 因此水分利用效率未显著增加。

地下滴灌; 地表滴灌; 干物质; 氮素; 水分利用效率

冬小麦-夏玉米复种轮作是华北平原主要的种植制度。夏玉米生育期间虽然降雨量较多, 但时空分布不均, 在播种至拔节期极易缺水, 影响玉米的出苗及营养生长。2014年6月至7月, 河南省降雨量少且出现持续高温天气, 遭遇了63年来最严重旱情, 据统计, 河南全省秋粮受旱面积1.81×106hm2, 其中重旱5.75×105hm2, 导致驻马店、周口等多地夏玉米绝收[1]。季节性干旱严重影响玉米产量的稳定性[2], 保证夏玉米的产量水平主要依靠灌溉。但华北平原水资源匮乏, 严重制约本区域的粮食生产[3]。如何充分利用有限的水资源, 提高水分利用效率, 使“每滴水生产更多的粮食”, 是解决华北平原农业用水危机的必然选择。滴灌(地表滴灌和地下滴灌)可以实时将水、肥、药等精确、定量地输送于作物根区附近, 减少养分的淋失, 既能保证作物出苗和苗期较好的水分和养分条件, 又能避免生育中后期因植株较高造成施肥困难等问题, 有利于作物生长, 能够提高作物的产量和品质[4-6], 被认为是最高效的节水灌溉技术之一[4]。但对于滴灌系统来说, 合适的水分管理是作物产量和水分利用效率最大化的关键, 特别是对于地下滴灌系统。因为得当的水分管理不仅可以使地下滴灌系统根区水分分布均匀, 而且也能保持土壤表面干燥, 减少土面水分蒸发及抑制杂草的生长, 同时能够消除深层渗漏[7]。因此, 优化不同滴灌模式下的水分管理是推广应用滴灌技术, 解决华北平原农业用水危机的前提。

作物生产实质上就是光合生产及同化产物在植株体内的运输和分配过程。干物质积累是籽粒产量形成的物质基础, 获得高产的基本途径就是增加干物质积累量, 并使之尽可能多地分配到籽粒当中。地下滴灌和地表滴灌虽同属于局部灌溉, 但滴灌带位置的不同必然会引起土壤水分分布的差异[8-10]。杨明达等[8]对滴灌夏玉米的研究表明, 在滴灌量相同的条件下(450 m3hm–2), 地下滴灌的垂直湿润土体范围(0~90 cm)远大于地表滴灌(0~60 cm)。田霄鸿等[9]采用模拟滴灌方法对夏玉米的研究认为, 深层供水使植株深层根系发达, 而地表供水根系主要集中在上层。不同的土壤水分分布状况影响根系在土壤中的空间构型[9], 影响根系对土壤水分及氮素营养的吸收, 进而影响干物质和氮素的积累与分配及最终产量。李凤民等[11]对小麦的研究认为, 深层供水(上干下湿的土壤水分状况)能够使小麦具有发达的根系, 特别是1 m以下, 提高旗叶和穗干重, 具有更高的产量潜力。深层供水及施肥提高玉米各器官及整株氮的含量及积累量[9]。前人对滴灌的研究, 大多集中在作物产量及水分利用对不同滴灌模式的响应[8,10,12-14], 而对不同滴灌模式下作物干物质及氮素积累与分配特征的研究还较少[9,11], 并且这些研究多以模拟滴灌法和柱栽相结合的方法为主, 在田间开放式环境下进行的研究还不多见。为此, 本研究采用小区控水试验(更接近生产实际状况), 探究了不同水分条件下滴灌模式对夏玉米干物质及氮素积累与分配的影响, 并将其产量和水分利用效率对比分析, 以求得到本区域较为适宜的节水灌溉策略。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年6月至2015年9月在河南农业大学科教园区(113°38¢3¢¢N, 34°47¢51¢¢E)旱作棚下测坑内进行。测坑上口面积6.6 m2(2.2 m × 3.0 m), 深1.6 m, 四周用13.5 cm的墙砖隔离防止水分侧渗, 底部用防水层隔离以防止水分上下移动。试验地(0~40 cm)含有机质12.82 g kg–1、速效氮53.48 mg kg–1、速效磷89.87 mg kg–1、速效钾91.13 mg kg–1。试验地0~100 cm土壤物理特性及夏玉米生育期内的气象数据如表1和图1所示。

表1 试验地土壤的主要物理特性

图1 试验地夏玉米生育期间内的气象数据

1.2 试验设计与管理

采用双因素裂区设计, 主处理为地下滴灌(drip underground, DU)与地表滴灌(drip surface, DS); 副处理为3种土壤水分, 即40%~50% FWC (field water capacity)、60%~70% FWC和80%~90% FWC, 记为W40、W60和W80。共6个处理, 每个处理重复4次, 共24个试验小区。使用以色列Netafirm公司生产的滴灌带(毛管内径15.9 mm, 滴孔直径0.31 mm, 滴头距离30 cm, 滴头流量1.1 L h–1, 承压0.14 MPa)。地下滴灌带埋在距地表30 cm处, 地表滴灌带置于夏玉米行边, 滴灌带间距均为60 cm (每个池子放置4条)。为了防止外界雨水的干扰, 在可移动式旱作棚下进行试验(下雨时将棚关闭, 雨后打开)。

用时域反射仪[time domain reflectometry, TDR (TRIME-PICO IPH, Germany)] 定期测定土壤水分, 确定滴灌量。

式中,为滴灌量(mm);h为第层土厚(cm);d为层土层容重(g cm–3);w、0分别为设定的目标含水量和灌溉前实际的土壤体积含水量(%); 当土壤水分含水量低于灌水下限, 灌溉至灌水上限。灌水计划湿润层深度: 拔节前为0.4 m, 拔节至抽雄期间为0.6 m, 抽雄以后为0.8 m。各处理的灌溉时间相同, 2014年和2015年分别滴灌了11次(2014年6月11日、7月2日、7月12日、7月17日、7月22日、8月1日、8月6日、8月16日、8月22日、9月4日、9月14日)和10次(2015年7月1日、7月7日、7月17日、7月22日、7月26日、8月6日、8月13日、8月20日、8月26日、9月7日), 用水表记录各个小区的滴灌量。夏玉米生育期不同处理的滴灌量如表2所示。

表2 不同处理夏玉米生育期的滴灌量

DU: 地下滴灌; DS: 地表滴灌; W40: 土壤水分维持在40%~50% FWC; W60: 土壤水分维持在60%~70% FWC; W80: 土壤水分维持在80%~90% FWC。

DU: drip underground; DS: drip surface; W40: keep soil water content in 40%-50% FWC; W60: keep soil water content in 60%-70% FWC; W80: keep soil water content in 80%-90% FWC.

供试夏玉米品种为郑单958, 种植密度为75,000株 hm–2(行距60 cm; 株距22 cm; 每个小区4行玉米, 每行13株), 前茬作物为冬小麦, 小麦收获后, 根据TDR测定的土壤水分, 用漫灌将各处理水分调至一致水平, 然后用点播器(新星牌2BD-11Y型多功能播种器, 辽宁省东港市新星电子播种器厂)分别于2014年6月7日和2015年6月4日直接播种夏玉米。采用压力差施肥器于夏玉米拔节期、大喇叭口期和水分同步施肥, 肥料为可溶解的尿素(含氮量为46.4%), 总施肥量为纯氮360 kg hm–2, 拔节期和大喇叭口期的追氮比例为3∶7。杂草和病虫害防治同一般大田管理。于2014年9月23日和2015年9月26日收获。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分 用时域反射仪分别于播种前、收获后、灌溉前及灌溉后测定不同土层的体积含水量(试验开始控水后测定时间间隔为5~7 d)。测定深度为160 cm, 间隔20 cm, 并以此为依据计算所需的滴灌量。

1.3.2 净光合速率 分别在夏玉米的拔节期(2014-07-15)、吐丝期(2014-08-01)、吐丝后10 d (2015-08-14)、吐丝后20 d (2015-08-24)和吐丝后30 d (2015-09-03)上午9:00—11:00, 用LI-6400便携式光合测定系统(LI-COR, Lincolon, USA)测定穗位叶(拔节期测自上而下第1片全展叶)的净光合速率, 设固定光源, 光强为1500 μmol m–2s–1, 于每小区测定3片叶。

1.3.3 干物质积累 在苗期、拔节期、吐丝期、灌浆中期和成熟期每个小区边行(由于中间两行用于测产)随机选取一株样品, 105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重, 测定其干重。

1.3.4 全氮 将待测的植株样品粉碎过100目筛, 采用半微量凯氏定氮法测定氮含量。

1.3.5 测产及考种 夏玉米生理成熟后, 将试验小区内中间2行全部收获, 首先在收获的穗中随机选取15穗考种，随后将收获的全部穗脱粒晒干并折算为公顷产量(kg hm–2)(籽粒含水率折算为14%)。

1.4 指标计算

1.4.1 运转率 参照赵斌等[15]的取样方法, 于吐丝期和成熟期按叶、茎(除叶和籽粒外的地上部分植株)和籽粒取样, 80℃烘至恒重, 称干重。

营养器官干物质转运量(kg hm–2) = 开花期营养器官干重-成熟期营养器官干重;

花后干物质积累量(kg hm–2) = 成熟期植株干重-开花期植株干重

营养器官干物质转运量对籽粒贡献率(%) = 营养器官干物质转运量/成熟期籽粒干重×100;

花后干物质积累量对籽粒的贡献率(%) = 花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100。

1.4.2 氮素转运效率 营养器官氮素运转量(kg hm–2) = 开花期营养器官氮素积累量成熟期营养器官氮素积累量;

花后氮素积累量(kg hm–2) = 成熟期植株氮素总量开花期植株氮素总量;

营养器官氮素贡献率(%) = 营养器官氮素运转量/成熟期籽粒氮素积累量×100;

花后氮素积累量对籽粒贡献率(%) = 花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100;

植株总氮素积累量(kg hm–2) = 成熟期干物质量×成熟期植株含氮量;

氮素收获指数(%) = 籽粒氮素积累量/植株总氮素积累量×100;

氮肥偏生产力(kg kg–1) = 施氮区产量/施氮量。

水分利用效率(WUE, kg hm–2mm–1) = 籽粒产量(kg hm–2)/蒸散量(mm)

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 2010处理数据, SigmaPlot 12.5和Surfer 10作图, SAS V8.0软件统计分析。首先对不同处理间的指标进行方差分析, 若差异显著, 再通过最小显著极差法(least significant difference, LSD)进行多重比较(0.05)。

2 结果与分析

2.1 夏玉米生育期间的气象数据

2014年和2015年夏玉米生育期间日均气温的变化范围分别为14.4~35.3℃和18.8~33.0℃, 2014年夏玉米生育期间日均气温的波动范围要高于2015年。从图1可以看出, 生育前期, 2014年夏玉米的日均气温高于2015年, 特别是在拔节至大喇叭口期间(7月1日至7月22日), 2014年日均气温达29.4℃, 比2015年(27.2℃)高2.2℃, 最高日均气温35.3℃, 加之期间降雨较少, 导致蒸发量较大, 因此2014年苗期、拔节期和大喇叭口期各处理的滴灌量较2015年高(表2)。而在灌浆期, 2014年日均气温低于2015年, 特别是在灌浆中后期(9月12日至9月18日), 日均气温为16.6℃, 比2015年(21.5℃)降低了4.9℃, 最低气温为14.4℃。另外, 2014年灌浆期降雨量较大, 低温高湿导致蒸发量较小, 因此, 灌浆期各处理的滴灌量小于2015年(表2)。2014年夏玉米生育前期的阶段性高温及灌浆期的低温可能对夏玉米营养生长及最终产量的形成不利。

2.2 滴灌模式和水分调控对夏玉米产量及水分利用效率的影响

滴灌模式对两年夏玉米的水分利用效率影响显著; 水分调控和两者的交互作用对百粒重、产量、蒸散量和水分利用效率影响显著(表3)。不考虑水分效应, DU处理2014的穗粒数和2015年百粒重显著高于DS处理, 但两年滴灌模式间产量的差异未达显著水平。DU处理的水分利用效率比DS处理显著提高了4.85%~8.61%。不考虑滴灌模式效应, 夏玉米的穗粒数、产量和蒸散量基本表现为随滴灌量的增加而增加, 而水分利用效率则呈相反趋势。对于DU处理, W60处理的穗粒数和产量与W80处理间差异未达显著水平, 但比W40处理分别提高了3.92%~ 8.11%和22.52%~33.54%。对于DS处理, 夏玉米的穗粒数、百粒重和产量随滴灌量的增加而增加。不同水分条件下, 产量和水分利用效率对滴灌模式的响应不同。在W40处理条件下, DU处理的产量和水分利用效率较DS处理分别显著提高了9.26%~ 19.94%和6.06%~22.75%; 在W60处理条件下, DU处理的产量比DS提高了3.29%~7.50%, 但处理间水分利用效率两年的变化趋势不一致; 在W80处理条件下, DS处理的产量及蒸散量则比DU处理分别显著提高了8.39%~14.91%和9.73%~14.57%, 但滴灌模式间水分利用效率的差异未达显著水平。与2015年相比, 2014年夏玉米的减产幅度为15.93%~ 29.09%, 主要是因为其百粒重显著降低, 这可能与2014年生育前期高温和灌浆后期低温高湿(图1)有关, 影响夏玉米营养生长及籽粒的灌浆。

因此, 在限水灌溉条件下(W40和W60), 与地表滴灌相比, 地下滴灌能够提高夏玉米的穗粒数、产量和水分利用效率, 并且干旱程度越重表现越显著。在充分供水条件下(W80), 地表滴灌能够获得更高的产量。

2.3 滴灌模式和水分调控对夏玉米干物质积累和转运的影响

2.3.1 夏玉米的地上部干物质积累量 两年夏玉米地上部干物质积累量如图2所示。除苗期外, 水分调控对夏玉米各生育期干物质积累影响显著; 两者交互作用对拔节期、灌浆期和成熟期夏玉米干物质积累影响显著。

不考虑滴灌模式效应, 除了苗期, 夏玉米的干物质积累量在各个生育时期均随着控水梯度的升高而显著增加。不考虑水分效应, 滴灌模式间干物质积累量的差异未达显著水平。在W40和W60处理条件下, 吐丝期、灌浆期和成熟期DU处理的干物质积累量比DS处理分别提高了16.44%~24.97%及8.24%~24.71%、12.31%~19.53%及9.50%~10.81%和8.03%~13.99%及7.11%~7.45%。在W80处理条件下, 吐丝期、灌浆期和成熟期DS处理比DU分别提高了1.90%~24.15%、8.21%~8.48%和6.80%~12.24%。可见, 在限水灌溉条件下(W40和W60), 地下滴灌能够增加干物质的积累, 而在充分供水条件下(W80), 地表滴灌获得较高的干物质积累量。

图2 滴灌模式和水分调控对夏玉米干物质积累量的影响

缩写同表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.3.2 夏玉米营养器官干物质积累及转运 水分调控和两者的交互作用对吐丝前贮藏干物质转运量及其对籽粒贡献率和吐丝后干物质积累量及其对籽粒贡献率影响显著(表4)。

不考虑滴灌模式效应, 随着控水梯度的升高, 吐丝后干物质积累量及对籽粒的贡献率显著增加, 而吐丝前贮藏干物质转运量及其对籽粒的贡献率表现为降低趋势。不考虑水分效应, DU处理吐丝后干物质积累量对籽粒的贡献率显著高于DS处理, 而DU处理吐丝前贮藏干物质转运量对籽粒的贡献率则显著低于DS处理。W40和W60处理条件下, DU处理花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率比DS处理分别显著提高8.43%~14.14%及2.90%~4.46%。W80处理条件下, DU处理吐丝后干物质积累量则显著低于DS处理。可见, 干旱促进了吐丝前营养器官干物质向籽粒的转运, 但降低吐丝后干物质积累。在限水灌溉条件下(W40和W60), 地下滴灌能够增加夏玉米吐丝后干物质积累量, 提高吐丝后干物质积累量对籽粒的贡献率。

表4 滴灌模式和水分调控对夏玉米花后营养器官干物质再分配量及干物质积累量的影响(2015)

(续表4)

处理Treatment吐丝前贮藏干物质转运量DMR (kg hm–2)吐丝前贮藏干物质转运量对籽粒的贡献率CDMR (%)吐丝后干物质积累量ADM (kg hm–2)吐丝后干物质积累量对籽粒贡献率CADM (%) DSW401450.75 a25.57 a4221.81 e74.43 d W601355.37 ab17.25 c6499.70 c82.75 b W801328.63 b14.52 c7824.87 a85.55 a 平均值Mean1344.9219.116182.1380.89 F值F-value滴灌模式Drip irrigation pattern2.1210.50*4.7310.50* 水分调控Water regulation11.37**133.03**876.78**133.03** 交互作用Interaction17.86**44.81**106.89**44.81**

DU: 地下滴灌; DS: 地表滴灌。同列标以不同小写字母的值在不同处理间差异显著(< 0.05)。*表示< 0.05,**表示< 0.01。其他缩写同表2。

DU: drip underground; DS: drip surface; DMR: pre-silking dry matter remobilization during grain filling; CDMR: contribution of pre-silking dry matter remobilized to grain; ADM: accumulated dry matter after silking; CADM: contribution of post-silking dry matter to grain. Values within a column followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level among different treatments.*Significant at< 0.05.**Significant at< 0.01. Other abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.4 滴灌模式和水分调控对夏玉米光合速率的影响

图3-a所示, 在2014年夏玉米生长季, 相同滴灌模式下, 夏玉米在拔节期和吐丝期各水分处理净光合速率的变化趋势基本相同, W40处理的净光合速率显著低于W60和W80处理。与拔节期相比, DU和DS处理吐丝期净光合速率的下降幅度分别为6.02%~15.15%和16.63%~20.54%。

图3-b所示, 在2015年夏玉米生长季, 与吐丝后10 d相比, 各处理吐丝后20 d的净光合速率下降幅度为8.67%~31.00%; 与吐丝后20 d相比, 各处理吐丝后30 d的净光合速率下降幅度为40.6%~63.54%; W40处理的下降幅度最大, 说明干旱胁迫显著降低夏玉米的净光合速率, 加速叶片衰老。相同滴灌模式下, W40处理的净光合速率显著低于W60和W80处理。对于DU处理, 吐丝后30 d, W60处理的净光合速率显著高于W80处理; 吐丝后10 d及20 d, W60和W80处理间的差异未达显著水平。对于DS处理, 除吐丝后30 d, W60处理的净光合速率显著低于W80处理。在W40和W60处理条件下, DU在整个灌浆期的净光合速率高于DS处理。在W80处理条件下, 滴灌模式间净光合速率的差异未达显著水平。两者的交互作用对吐丝后夏玉米的净光合速率影响显著。可见, 在限水灌溉条件下(W40和W60), 地下滴灌有利于提高夏玉米的净光合速率。

图3 滴灌模式和水分调控对夏玉米净光合速率的影响

标以不同小写字母的柱值在同一生育时期不同处理间差异显著(< 0.05)。缩写同表2。

Bars represented by different lowercase letters in the same growing stage are significantly different at the 0.05 probability level among different treatments. Abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.5 夏玉米生育期内土壤水分的时空变化动态

两年不同处理的土壤水分变化动态趋势一致, 本文以2014年的数据分析和说明。2014年夏玉米生育期内不同处理的土壤水分变化动态如图4所示。从拔节期到抽雄期和从抽雄期到灌浆期, 对于地下滴灌, 在W40、W60和W80处理条件下, 土壤水分波动范围分别为45.1%~50.8% FWC、57.4%~ 63.2% FWC和75.3%~82.0% FWC及40.9%~52.0% FWC、59.8%~69.4% FWC和76.2%~88.1% FWC; 对于地表滴灌, 不同水分处理条件下, 土壤水分波动范围分别为45.6%~48.6% FWC、57.1%~64.1% FWC和74.8%~80.5% FWC及42.2%~52.9% FWC、58.8%~69.4% FWC和78.3%~88.8% FWC。拔节期到抽雄期, 不同水分处理的土壤水分波动范围低于其设计水平, 主要与期间出现阶段性高温(图1)导致蒸发量较大有关。相同控水条件下, 不同滴灌模式下土壤水分状况存在显著差异。在W40处理条件下, 拔节期以后(播种后30 d), DU处理＜40 cm土层土壤含水量(变化范围为9.42%~12.95% cm3cm–3)显著低于DS处理(土壤含水量变化范围为11.62%~15.23% cm3cm–3), 而在40~80 cm土层, DU处理的土壤水分含量高于DS。在W60处理条件下, 播种50 d以后, DU处理>40 cm土层的土壤含水量均高于DS处理。在W80处理条件下, 播种50 d以后, 两种滴灌模式在40~80 cm土层均具有较高的土壤含水量, 但DU处理在>80 cm土层的土壤含水量仍较高, DU处理80~160 cm土层的平均土壤含水量比DS处理提高了3.10%~22.02%。

图4 不同处理夏玉米生育期内土壤水分的时空变化动态(2014)

缩写同表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.6 滴灌模式和水分调控对夏玉米氮素积累及转运的影响

2.6.1 夏玉米吐丝期和成熟期各器官氮素积累量、氮素转运量及其对籽粒的贡献率 在吐丝期和成熟期, 茎的氮素积累均高于叶片(表5)。不考虑滴灌模式效应, 吐丝期和成熟期各器官氮素积累量、吐丝后植株氮素积累量及其对籽粒氮素积累的贡献率随滴灌量的增加而增加, W40处理显著低于W60和W80处理, 说明干旱显著影响植株对氮素的吸收。不考虑水分效应, 与DS处理相比, DU处理吐丝期茎及成熟期叶和茎的氮素积累量、吐丝后植株氮素积累量显著增加。在W40和W60处理条件下, DU处理吐丝期和成熟期各器官氮素积累量、吐丝后植株氮素积累量及其对籽粒氮素积累的贡献率均高于DS处理, 且干旱程度越重表现越显著。在W80处理条件下, DS处理吐丝后氮素积累量则比DU处理显著提高了5.93%。从吐丝期到成熟期, 叶片的氮素转运量及其对籽粒氮素积累的贡献率高于茎(表6)。水分调控对叶和茎氮素转运量对籽粒氮素贡献率影响显著, 表现为W40处理显著高于W60和W80处理, 而W60和W80处理间的差异未达显著水平。而滴灌模式对叶和茎器官氮素转运量及其对籽粒氮素贡献率的影响均不显著。可见, 滴灌模式对夏玉米氮素积累与转运的影响主要体现在吐丝后, 并且在限水灌溉条件下(W40和W60), 地下滴灌增加各器官的氮素积累和吐丝后氮素积累对籽粒的贡献率。

2.6.2 夏玉米植株氮素积累量及氮肥偏生产力

水分调控及其与滴灌模式的交互效应均对两年夏玉米的植株及籽粒氮素积累量和氮肥偏生产力影响显著(表7)。

夏玉米各处理氮肥偏生产力的变化范围为13.61~29.57 kg kg–1, 由于各处理总施氮量相同, 因此, 各处理氮肥偏生产力的变化趋势与产量的变化趋势相同。收获指数基本表现为随滴灌量的增加而降低, 各处理的氮素收获指数以DU+W40和DS+W40处理最高(2014年的DS+W40处理除外), 其他各处理间的差异未达显著水平。植株氮素积累量和籽粒氮素积累量均随滴灌量的增加而增加, W40处理显著低于W60和W80。W40处理条件下, DU处理夏玉米的植株及籽粒氮素积累量分别比DS处理显著提高了10.54%~11.53%和9.57%~20.65%, 而在W80处理条件下则表现相反。可见, 在限水灌溉条件下(W40和W60), 地下滴灌能够提高夏玉米植株及籽粒氮素积累量, 而在充分供水条件下(W80), 地表滴灌获得更高的植株及籽粒氮素积累量, 这主要与地表滴灌获得较高的干物质积累量有关。

3 讨论

3.1 滴灌模式和水分调控对夏玉米干物质积累与分配的影响

光合作用是干物质生产的基础[16], 灌浆期较高光合能力和较长的叶功能期是提高作物产量的重要途径[17]。W40处理在各生育期净光合速率最低, 花后净光合速率下降幅度最大(图3), 导致最低的干物质积累量(图2)。与地表滴灌相比, 地下滴灌较小净光合速率下降幅可能是其获得较高干物质积累量的主要原因。特别是在限水灌溉条件下, 地下滴灌显著提高了净光合速率, 获得更高的干物质积累量(图2和图3)。地下滴灌条件下, W60和W80处理均获得较高的净光合速率。对地下滴灌夏玉米的研究表明, 轻旱处理(灌水下限为60% FWC)的叶面积指数最高[18], 而较高的有效光合面积是获得较高光合同化物的前提条件。花前干物质积累主要用于茎叶等营养器官的建立, 为产量奠定基础, 而花后的光合生产则是产量的关键[19]。本研究中, W40处理显著降低了吐丝后干物质积累量及其对籽粒的贡献率, 这可能是因为在营养生长阶段, 干旱影响光合器官叶片的生长, 到了生殖阶段, 干旱加速叶片衰老, 显著降低叶片的光合能力, 进而显著降低吐丝后干物质积累量。马玉平等[20]研究认为, 干旱在营养生长阶段使干物质更多地分配向茎秆, 导致叶面积扩展乏力, 在生殖生长阶段减少向贮存器官的分配。Liu和Li[21]对小麦的研究表明, 花前储藏干物质转运量不能弥补因光合下降造成的产量损失。本研究对夏玉米的研究得出相似的结论, 干旱提高了吐丝前贮藏干物质转运量, 但与轻旱和充分供水处理相比, 吐丝后干物质积累量的降低幅度更大。滴灌模式显著影响吐丝后干物质积累量及其对籽粒的贡献率, 这可能主要是因为灌溉方式影响土壤水分分布[22-23], 从而影响植株对水分的吸收。地下滴灌的土壤水分主要集中在30~70 cm, 地表滴灌的土壤水分主要集中在表层[22], 它们由于少量多次的灌溉方法可以使土壤水分波动较小[23], 但地表滴灌受大气蒸发的影响更大, 特别是在夏玉米生育中后期, 植株需水量大, 气温较高时, 地下滴灌较地表滴灌有较高及稳定的土壤水分环境(图4), 更有利于中后期作物的生长。本研究中, 在限水灌溉条件下(W40和W60), 与地表滴灌相比, 地下滴灌提高了吐丝后干物质的积累量及其向籽粒的分配比例(表4), 而较高花后干物质积累能力及其对籽粒的贡献率是作物获得高产的生理基础[24]。然而, 充分供水条件下(W80), 地下滴灌的花后干物质积累量和成熟期干物质积累量低于地表滴灌, 这可能是由于较大的滴灌量导致地下滴灌中下层土壤较高的土壤水分, 特别是在生育中后期(图4), 并且根区较高的土壤水分使其通透性变差, 降低根区氧气扩散率, 抑制根系及植株的生长[25]。因此, 适宜的水分管理是最大程度发挥地下滴灌优势的关键。

表6 滴灌模式和水分调控对夏玉米叶茎器官氮素转运量及其对籽粒氮素贡献率的影响(2015)

同列标以不同小写字母的值在不同处理间差异显著(< 0.05)。DU: 地下滴灌; DS: 地表滴灌。*表示< 0.05,**表示< 0.01。字母缩写同表2。

Values within a column followed by different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level among different treatments. DU: drip underground; DS: drip surface.*Significant at< 0.05.**Significant at< 0.01. Abbreviations are the same as those given in Table 2.

3.2 滴灌模式和水分调控对夏玉米氮素积累及转运的影响

本研究中, 吐丝后氮素积累量对籽粒氮素贡献率的变化范围为54.23%~69.22%, 这与周培禄等[26]对相同品种研究报道的吐丝后氮素积累量对籽粒氮素贡献率波动范围为40.8%~66.6%的结果相似。水分是影响土壤中的氮素有效性及氮素吸收、运转和同化的重要限制因子。玉米营养生长时期缺水会阻碍硝态氮的吸收, 不利于作物氮素的积累, 从而影响到后期氮素向籽粒的转移[27]。本研究中, 干旱处理显著降低吐丝期和成熟期各器官氮素积累量, 显著影响吐丝后氮素向籽粒的转运, 最终显著降低了植株及籽粒氮素积累量(表5、表6和表7)。灌溉虽然促进植株对氮素的吸收[28], 但灌浆期较高的土壤水分条件会影响穗部氮素的同化吸收[27]。本研究得出相似的结论, 与轻旱处理(W60)相比, 充分供水处理(W80)的花后氮素积累量及其对籽粒氮素贡献率和籽粒氮素积累量未显著增加(表5)。植物利用氮素是阻止氮素向深层迁移、提高其生物有效性的有效途径, 而根系发育直接影响氮素的吸收[29]。因此, 通过优化灌溉方式及水分管理进而优化根系空间构建可以促进对土壤水分和养分的吸收和利用, 提高水分和养分的利用效率。本研究中, 滴灌模式显著影响吐丝后氮素的积累与分配, 这可能是因为随着生育期的推进, 玉米根系不断向纵深发展, 地下滴灌更有利于促进根系在较深土壤中的发育[9], 增强对深层水分和养分的吸收利用, 促进地上部的生长[30], 在生育中后期(吐丝期、灌浆期和成熟期), 地下滴灌的地上部干物质积累量高于地表滴灌也可以间接说明这点(图2), 而较高干物质积累量是获得较高氮素积累的基础。本研究还发现, 不同水分条件下, 氮素积累与分配对滴灌模式的响应不同。在限水灌溉条件下(W40和W60), 地下滴灌吐丝后氮素积累量及其对籽粒氮素的贡献率显著高于地表滴灌, 最终获得更高的籽粒氮素积累量及氮肥偏生产力(表5和表7)。而在充分供水条件下(W80), 与地表滴灌相比, 地下滴灌较大的滴灌量导致大量的氮素淋失到深层土壤, 不利于作物生长及对氮素的吸收, 降低吐丝后氮素积累对籽粒氮素的贡献率及植株氮素积累量, 导致较低的氮肥偏生产力(表5和表7)。因此, 在适当的灌溉条件下, 地下滴灌更有利于较深层根系的生长, 促进根系对氮的吸收利用, 进而有利于地上部植株的生长及氮素的积累。

3.3 滴灌模式和水分调控对夏玉米产量及水分利用效率的影响

本研究中, 地下滴灌夏玉米两年产量的变化范围为6058.42~9819.60 kg hm–2, 产量变异系数为0.19, 地表滴灌夏玉米产量的变化范围为5050.95~ 10,643.60 kg hm–2, 产量变异系数为0.25, 地下滴灌产量的变异系数低于地表滴灌, 说明, 相对于地表滴灌, 地下滴灌更有助于夏玉米的稳产。滴灌模式显著影响作物的产量[8,12-13]。地下滴灌青椒的产量比地表滴灌平均提高了4%~13%, 主要是因为地下滴灌提高对氮的吸收, 促进根系发育[13]。在其他条件相同的条件下(滴灌量和密度), 地下滴灌夏玉米的产量显著高于地表滴灌[8]。但是, 本研究中, 滴灌模式对产量的影响不显著。这主要是因为水分调控对夏玉米的产量影响显著(表3), 并且水分对滴灌模式的响应不同, 这可能削弱了滴灌模式对产量的影响。Hassanli等[31]对玉米的研究也得出相似的结果, 地下滴灌的产量高于地表滴灌, 但处理间的差异未达显著水平。在地下滴灌条件下, W60处理产量最高, 与W80处理间的产量差异未达显著水平, 但两者均显著高于W40处理, 而在地表滴灌条件下, 夏玉米的产量随着滴灌量的增加而显著增加。邹慧等[18]的研究表明, 地下滴灌条件下, 丰水处理(灌水下限为75% FWC)夏玉米的产量与轻度水分亏缺处理(灌水下限为60% FWC)的产量差异不显著, 这与本文的研究结果相似。地表滴灌条件下, 玉米的产量基本上随滴灌量的增加而增加[32-33]。但张明智等[14]对陕西的夏玉米研究得出, 在地表滴灌条件下, 丰水处理(土壤水分含量维持在80%~90% FWC)夏玉米的产量显著低于轻度水分胁迫处理, 这与本研究结果不同, 这可能与当地气候条件及土壤类型结构不同有关, 其内在原因还有待进一步深入研究。另外, 本研究结果还表明, 在限水灌溉条件下, 地下滴灌的穗粒数和产量高于地表滴灌, 其原因是, 地下滴灌在抽雄和灌浆期维持了较好的土壤水分(图4), 促进开花授粉, 提高结实率; 并且提高了叶片的净光合速率(图3), 增加花后干物质向籽粒的分配比例(表4), 获得了更高的花后干物质积累量和地上部干物质积累量(图3和表4)。何华等[30]对管栽夏玉米的研究认为, 与地下供水相比, 地表灌溉蒸发量大, 更容易发生水分胁迫, 并且其较大的根冠比占用较多资源, 抑制了地上部生长及籽粒产量形成。本研究与王建东等[12]对冬小麦的研究结果相似, 在非充分供水条件下, 地下滴灌的产量显著高于地表滴灌。

产量与水分利用效率不具有同步性, 较高的产量往往需要有更多的水分消耗, 干旱可以获得较高的水分利用效率, 但对产量提高不利[34]。这均与本研究的结果一致(表3)。W60处理的水分利用效率显著高于W80处理(表3), 主要是因为W60处理在水分消耗大幅度降低的情况下产量降幅较小(W60处理蒸散量平均降低29.63%, 产量平均降低5.81%)。前人对玉米的研究也表明, 中度水分胁迫(土壤相对湿度60%~70%)能够提高水分利用效率, 因为它能够通过根源信号ABA产生、运输和分配, 优化根系对水分的利用[34]。本研究中, 滴灌模式显著影响夏玉米的水分利用效率, 主要是因为在滴灌模式间产量差异不显著的情况下, 地下滴灌较大幅度减少了滴灌量(表2), 进而降低了蒸散量(表3), 特别是在2015年。在限水灌溉条件下(W40和W60), 地下滴灌处理的水分利用效率显著高于地表滴灌, 这得益于限水灌溉条件下地下滴灌处理夏玉米的产量显著提高, 并且地下滴灌可以有效抑制土壤蒸发[35], 地下滴灌更大的地上部干物质积累量并未造成更多的水分消耗。充分供水时, 地下滴灌相对较多的水分贮存在深层土壤(图4), 而深层相对较少的根系不利于水分的吸收利用, 另外, 较大的滴灌量使土壤水分上移至地表(图4), 增加土面蒸发, 这也不能充分发挥地下滴灌的节水优势。因此, 与地表滴灌相比, 地下滴灌未能增加水分利用效率。

本试验采用池栽试验, 小区底部密封, 与大田环境还存在一定的差异。从图4可以看出, 充分灌溉时, 虽然地下滴灌80~160 cm土层土壤含水量较高, 但未达到该土层的田间持水量。另一方面, 从整体来看, 整个剖面含水量最高土层为40~80 cm土层, 说明滴灌量较大时, 地下滴灌会存在部分土壤水分向深层移动的风险。邹慧等[18]等通过大田试验对地下滴灌夏玉米的研究认为, 丰水处理显著促进土壤水分向深层运移, 然而, 文中并未探究丰水处理是否存在渗漏。因此, 为了更好地指导生产实践, 在大田开放式环境下, 较大的滴灌量是否会引起深层渗漏以及产生渗漏的灌溉阈值是多少等一系列问题都需要通过大田试验进一步探究及验证。

4 结论

W40和W60处理条件下, 地下滴灌提高吐丝后干物质积累量及其对籽粒的贡献率和吐丝后氮素积累量及其对籽粒氮素的贡献率, 增加夏玉米干物质及植株氮素积累量。W80处理条件下, 地表滴灌显著提高了吐丝后干物质积累量、吐丝后氮素积累量及氮肥偏生产力。与地表滴灌相比, 地下滴灌降低了滴灌量, 水分利用效率显著提高了4.85%~8.61%。产量和水分利用效率对滴灌模式的响应依赖于土壤水分调控水平。限水灌溉条件下, 地下滴灌能够提高夏玉米的产量, 且干旱程度越重, 表现越显著。充分供水条件下, 地下滴灌夏玉米产量与蒸散量显著降低, 但滴灌模式间水分利用效率的差异未达显著水平。大田夏玉米生产应用地下滴灌使土壤保持适度干旱(全生育期滴灌量为250~350 mm)能够获得较高产量及水分利用效率。

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Effects of drip irrigation pattern and water regulation on the accumulation and allocation of dry matter and nitrogen, and water use efficiency in summer maize

YANG Ming-Da1, GUAN Xiao-Kang1, LIU Ying1, CUI Jing-Yu1, DING Chao-Ming1, WANG Jing-Li1, HAN Jing-Li1, WANG Huai-Ping2, KANG Hai-Ping3, and WANG Tong-Chao1,*

1Agronomy College, Henan Agricultural University / Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Zhengzhou 450046, Henan, China;2Xun County Fengli Seed Industry Co., Ltd., Xunxian 456250, Henan, China;3Sheqi County Bureau of Agricultural Plant Protection and Phytosanitary Station, Sheqi 473300, Henan, China

A split-plot experiment was conducted to explore the dry matter and nitrogen accumulation and allocation characteristics, and water use efficiency of maize in response to different drip irrigation regimes. Drip underground (DU) and drip surface (DS) were applied with three levels of water treatment [W40, W60, and W80 referring to 40%-50% field water capacity (FWC), 60%-70% FWC, and 80%-90% FWC, respectively]. The nitrogen accumulation and water use efficiency of DU treatment has been significantly increased by 6.18% and 4.85%-8.61% respectively compared with DS treatment. The response of dry matter and nitrogen characteristics to drip irrigation patterns was depended on soil water regulation levels. Under W40 and W60 conditions, DU significantly increased the net photosynthetic rate of summer maize, improved dry matter and nitrogen accumulation after silking and their contribution to grains. At last, DU increased the dry matter accumulation, nitrogen accumulation in grains, yield and nitrogen partial factor productivity by 3.29% to 19.94%,-1.10% to 20.65%, 3.29% to 19.94%, and 3.31% to 23.64% respectively. While under W80 condition, dry matter and nitrogen accumulations, yield and crop evapotranspiration were 6.80% to 12.24%, 5.93%, 8.39% to 14.91%, and 9.73% to 14.57% respectively higher in DS than in DU. In conclusion, drip underground could improve dry matter and nitrogen translocated to grain, and increase yield under limited irrigated condition (W40 and W60), while under adequate water supply (W80), drip surface could enhance the dry matter and nitrogen accumulation with lower water use efficiency due to excessive water consumption.

drip underground; drip surface; dry matter; nitrogen; water use efficiency

2018-03-29;

2018-10-08;

2018-11-09.

10.3724/SP.J.1006.2019.83026

王同朝, E-mail: wtcwrn@126.com, Tel: 0371-63558122

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本研究由国家重点研发计划项目(2017YFD0301106)和国家自然科学基金项目(31471452, 31601258)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0301106) and the National Natural Science Foundation of China (31471452, 31601258).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20181108.0959.004.html