不同灌水水平对河西绿洲玉米干物质积累过程及产量影响

吴 婕

(甘肃省水利科学研究院，兰州 730000)

玉米是我国重要的粮食作物，在国民经济和人民生活中占据重要地位。甘肃省河西内陆区是我国粮食主产区，玉米是主栽作物，种植面积达到92.4 万hm2，占播种面积的22.4%。玉米生育期长，耗水量大，而甘肃河西属内陆干旱地区，水资源严重短缺，因此，在有限的自然资源条件下，不断深入研究和探讨玉米高产理论与技术体系，对实现玉米持续增产、挖掘玉米的区域生产潜力、保证粮食安全具有重要作用。

作物产量是作物与环境条件紧密联系中所进行的各种生命活动的结果，其在生理学上则是由光合作用、呼吸作用和物质的运转分配三大基础过程所决定。作物产量形成是一个复杂的生理过程，因此从作物生长的整个过程来分析产量形成过程[1]。干物质的积累量与作物产量呈密切正相关[2]，植株干物质的积累是作物产量形成的基础[3]，其积累、转运进程直接影响到产量形成[4]，因此探求干物质积累转移规律对作物产量至关重要[5]，许多学者研究了关键时期干物质积累对作物产量的影响。苏培玺等[6,7]研究表明，不同灌水量会影响作物的生长发育过程，进而影响作物干物质的累积量和产量形成。基于此，以河西绿洲玉米为例，研究不同灌水时机和灌水量对膜下滴灌玉米干物质积累动态影响，探明干物质积累转运规律，解析干物质积累的关键时间节点，通过玉米产量及其构成要素相关性与回归分析，为当地玉米生产提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于甘肃省水利科学研究院民勤试验站内进行，该站位于民勤绿洲和腾格里沙漠交界地带的民勤县大滩乡，地理坐标东经130°05′，北纬38°37′，属于典型大陆性荒漠气候，年日照时数3 028 h。多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，是年降雨量的24倍。多年平均气温7.8 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均湿度45%，光照资源丰富，昼夜温差大。试验区地势平坦，肥力中等，0～60 cm为黏壤土，60 cm以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54 g/cm3。2017年试验区玉米生育期内分月降雨量见图1。

图1 试验区2017年玉米生育期内降雨量图

1.2 试验材料与设计

试验设5个处理，其中膜下滴灌区设置4个处理，对照区(即CK)1个处理，每个处理3个重复，即3个小区，小区面积90 m2(3.0 m×30 m)，在试验地四周按地形和小区布置留有保护行。供试玉米品种为甘肃敦煌种业公司生产的“敦玉13”，于2017年4月21号玉米穴播机进行播种，9月25号收获，全生育期总共157 d。玉米播种行距40 cm，株距20～25 cm，每穴2～3粒种植。玉米出苗后两星期左右人工间苗，拔节和孕穗期分别追施一次尿素，在苗期、拔节期、大喇叭口期、开花期和灌浆期进行灌水，灌水时间分别4月下旬、6月上旬、6月下旬、7月中旬、7月下旬、8月上旬、8月中下旬。田间试验灌溉方案见表1。

表1 田间试验灌溉方案表

1.3 测定项目与方法

各处理按玉米的苗期(5月下旬)、拔节期(6月上旬)、大喇叭口期(6月下旬)、抽穗期(7月中旬)、灌浆期(8月中上旬)、成熟期(8月下旬)6个主要生育期进行采样，每个小区取样9株，每个处理取样27株，每株按叶片、茎秆、籽粒等器官分开，样品自然风干后测定各部分干物质重量。

玉米在不同发育时期干物质积累发育过程经过“慢-快-慢”的增长变化，生长过程符合Logistic 曲线，其基本模型为：

(1)

式中：y为玉米单株干物质积累量，g/株；t为相对生育天数，d；a、b均为方程具有特定的生物学意义待定系数；Km为干物质积累潜力。

1.4 数据处理分析

试验数据采用SPSS22.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan新复极差法进行显著性检验(p<0.05)，并用SPSS22.0软件对产量构成因素进行相关性分析和逐步回归分析。

2 试验结果与分析

2.1 玉米各器官干物质分配与运转变化分析

图2为玉米地上部分各器官在生育期内干物质积累变化情况图，从图2可看出玉米干物质在各器官中的分配，随生长中心的转移而发生变化。玉米拔节期前干物质主要分配中心是叶片，叶片占整株总干重的比例最大，占整株干物质的51.06%～60.88%；进入拔节期后，植株生长迅速，这一时期光合产物的主要分配中心是茎秆，茎秆干物质量占整株干物质比例不断提高，而叶片占整株干物质中的比例逐渐减小；在玉米抽穗以后，玉米进入营养生长和生殖生长两旺时期，干物质开始向穗部积累，此时茎秆干物质迅速积累到最大，此阶段茎秆干物质占整株干物质的63.70%～69.21%；从抽穗期到成熟期，器官存储的营养成分逐渐向玉米籽粒移动，棒的干重在灌浆期急剧上升，棒干重所占比例呈线性增加，到成熟期棒的干重达到最大，占整株干物质的44.92%～52.94%，叶片干物质所占比例降至最低。从膜下滴灌各处理之间比较看出，玉米的叶片、茎秆和棒都随着灌水量的增大而增大，这是因为灌水量越多，可以使促进植株的增长，植株叶片数量和大小随之增长，节间伸长，使玉米叶片、茎和棒干物质积累量增加，灌水量与干物质积累呈正相关关系；从DT处理和CK比较看，全生育期以及最终干物质在各器官中的分配比例差异不显著，说明膜下滴灌处理和CK对干物质的分配影响不大。

图2 玉米各器官干物质量积累变化情况

2.2 玉米干物质积累动态变化分析

不同灌水处理玉米干物质积累整体显出“慢-快-慢”的增长趋势，拔节期前干物质增长较慢，拔节期后，干物质增加迅速，到抽穗期增长速率达到高峰，灌浆期初增长减缓(图3)。膜下滴灌及CK相对生长速率最大值出现在“大喇叭口期-抽穗期”，约为5.12～7.58 g/d，其次是“拔节期-大喇叭口期”，“苗期-拔节期”相对生长速率最小。由表2可知，拔节期前DT各处理干物质积累量均高于CK处理，DT各处理干物质积累量较CK高出123.0%～292.2%，差异显著(p<0.05)，此结果说明膜下滴灌有利于玉米初期生长发育。拔节期后，CK受气温持续升高影响相比DT处理较大，其干物质积累速率和积累量迅速增大，进而弥补了前期由于气温较低导致的差距，直至抽穗期各处理差异不显著(p>0.05)。进入抽穗期后，各处理增长速率随着生育进程而差异明显，因而灌浆期、成熟期各处理又有了显著差异(p<0.05)。总的来看，覆膜能增加玉米干物质积累量，其中抽穗期干物质积累量的大小直接影响后期干物质积累量的大小，也影响到作物最终产量。

2.3 玉米Logistic生长模型

玉米干物质积累Logistic生长方程及方程特征值见表3，Logistic拟合曲线的相关系数介于0.954～0.990之间，说明达到显著相关的水平。

图3 玉米干物质积累生长速率变化图

表2 玉米不同灌水处理下干物质积累动态变化 g/株

注：5%水平下显著性标注。

由表3可知，膜下滴灌干物质积累在播种后65 d左右进入旺长期，在播种后91 d左右结束旺长期，旺长期持续时间26 d左右，最大旺长期在播种后78 d，其中DT1在播种后进入旺长期、结束旺长期分别为63.5、89.4 d，最大积累速率仅为5.09 g/d，较DT2、DT3、DT4处理提前2.2～2.5 d进入旺长期，提前2.3～2.6 d结束旺长期，较DT2、DT3、DT4处理最大积累速率减小2.13～3.74 g/d，说明生育期灌水量大小对作物营养生长周期影响显著，小定额灌水明显缩短作物营养生长周期，较大定额灌水可延长作物生长周期，促进作物干物质积累。CK干物质积累在播种后68 d左右进入旺长期，在播种后91 d左右结束旺长期，旺长期持续时间22 d左右，最大旺长期在播种后80 d左右，CK较相同灌水定额DT4处理延迟3 d左右进入旺长期，最大积累速率较DT4小1.24 g/d，旺长期持续时间较DT4短3.86 d，说明膜下滴灌因地膜增温效应，可促使作物提前进入旺长期。

表3 玉米干物质积累Logisitic方程

2.4 膜下滴灌对玉米产量构成的影响

玉米不同处理产量构成因素方差分析见表4(p<0.05)，由表知除灌水量最小的DT1以外，其他处理与CK相比，穗长、穗行数、出籽率差异均不显著，尤其是DT3、DT4与CK所有产量构成因素均无显著差异，说明灌水量达到一定量的时候，灌水对穗长、穗行数、出籽率没有影响,但对穗粗、秃尖长、穗粒数、百粒重均有一定影响。与对照CK相比，DT4穗粗、穗粒数、百粒重分别显著增加8.0%、12.3%、13.0%，而秃尖长减小了56.3%；DT2穗粗、穗粒数、百粒重分别显著减少1.6%、9.1%、3.08%，而秃尖长增加了49.1%，可见随着灌水量的增大，各处理间的穗粗、秃尖长、穗粒数、百粒重差异性减小，说明合理的灌水会促进玉米穗粗、穗粒数、百粒重增加，且减小玉米秃尖长度。

表4 玉米产量及其构成要素分析

注：5%水平下显著性标注。

2.5 玉米产量构成要素相关性分析

膜下滴灌玉米产量构成要素相关性分析见表5，表5中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分别为穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、穗粒数、百粒重、出籽率。结果表明，产量除与秃尖长呈负相关，其他构成因素均呈正相关，且产量与穗粗、穗粒数、出籽率呈显著正相关，说明通过提高穗粗、穗粒数和出籽率，在一定程度上可提高产量。从各构成要素之间相关性分析可知，穗粗、穗粒数与出籽率之间呈显著相关，说明穗粗、穗粒数的增加可显著提高出籽率，进而提高作物产量。

表5 膜下滴灌玉米产量构成要素相关性分析

膜下滴灌玉米产量与其构成要素通过逐步回归分析，玉米产量(Y)与构成要素建立了最优线性回归方程为：Y=-20 114.646+5 902.213X2-1 698.734X3+12.885X5，方程判定系数R2=0.975，F=105.958，回归系数的显著性概率p值均小于0.05，所以回归方程的线性关系显著，可用于预测膜下滴灌玉米的经济产量。此方程表明穗粗、秃尖长、穗粒数是影响膜下滴灌玉米产量的重要因素，判定系数为0.975，表明玉米产量的97.5%是由穗粗、秃尖长、穗粒数来决定。

3 结 论

本研究以河西绿洲玉米为研究对象，对各生育时期玉米植株进行取样分析，分析了不同灌水量对玉米全生育期干物质积累动态以及产量的影响。主要结论如下：

(1)玉米各器官干物质分配变化和相对生长率分析结果表明，玉米地上部分干物质积累量随生育期的推进呈现出“慢-快-慢”的增长趋势，干物质在各器官中的分配，随生长中心的转移而发生变化。拔节期前干物质主要分配中心是叶片，“拔节期-抽穗期”干物质主要分配中心是茎秆，“抽穗期-成熟期”主要干物质积累最终转移为玉米籽粒。玉米相对生长速率最大值出现在“大喇叭口期-抽穗期”，约为5.12～7.58 g/d，是干物质快速增长期，注意这一时期灌水，对玉米的生长具有促进作用。

(2)通过Logistic模型分析得出，膜下滴灌干物质积累在播种后65 d左右进入旺长期，CK干物质积累在播种后68 d左右进入旺长期，可见膜下滴灌因地膜的保温作用，可促使作物提前进入旺长期。膜下滴灌最小灌水量DT1较DT2、DT3、DT4处理提前2.2～2.5 d进入旺长期，提前2.3～2.6 d结束旺长期，说明生育期灌水量大小对作物营养生长周期影响显著，小定额灌水明显缩短作物营养生长周期，影响作物干物质积累。

(3)产量及构成要素相关性分析结果表明，产量除与秃尖长呈负相关，与穗粗、穗粒数、出籽率呈显著正相关，且穗粗、穗粒数与出籽率之间呈显著相关；膜下滴灌玉米产量的97.5%是由穗粗、秃尖长、穗粒数3个构成因素决定，通过提高玉米穗粗、穗粒数可提高玉米产量。本研究提出回归方程判定系数为0.975，可用于预测玉米的经济产量。