不同灌水定额对景电灌区春玉米光合生理特征及经济效益的影响

朱 琪

(甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃 景泰 730400)

水资源短缺是制约我国农业快速发展的主要因素之一[1]。高效节水农业快速发展是有效解决我国农业缺水、水资源浪费问题的关键，其中节水灌溉技术是解决我国农业水资源短缺问题的主要举措[2]，主要是根据作物耗水特性，将有限水资源合理分配，使作物需水与供水匹配，达到增产提质的目的[3- 4]。白银市景泰县地处黄土高原与腾格里沙漠过渡地带，为河西走廊东端门户，境内有被誉为“亚洲之最”的景泰川电力提灌工程。降水稀少，年降水量约为185mm左右，平均蒸发量3038mm，日照时间较长，全年日照可达2726h左右，光照资源非常丰富，有利于农作物生长发育。景泰县具备种植灌溉作物得天独厚的地理资源优势，素有“塞上小江南”之称，是甘肃省枸杞、沙漠蜜瓜、大枣等经济作物种植面积最大的地区之一，更是粮食作物玉米的主要产地。玉米亩产收益较高，不仅可以制作成各种食品，同时也是高产的饲料作物，种植面积得到大规模推广。2018年随着农村产业结构的调整，玉米产业在确保全县脱贫致富过程中发挥了举足轻重的作用。目前，膜下滴灌技术已在小麦、马铃薯、玉米[5- 7]等大宗作物中大面积推广，而且在油葵、菘蓝、西红柿、棉花、酿酒葡萄[8- 12]等经济作物中得到了成功的应用。但有关以膜下滴灌为灌溉条件，春玉米光合特性、产量及水分利用效率对最佳灌水定额和灌溉定额的响应鲜有报道。为此，本研究以春玉米“沈单10号”为研究对象，对不同灌水定额和灌溉定额条件下春玉米光合生理特征、产量、水分利用效率和经济效益的影响开展系统研究，旨在为景电灌区春玉米高效节水产业高产、优质、可持续发展提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4月14日—10月8日在甘肃省中部沿黄灌区的白银市景泰县景电灌区条山农场内进行。该地区位于甘肃省中部，试验区内地势平缓，属大陆性温带干旱气候，冬春干燥少雨，风沙严重，夏季干燥蒸发大，秋季降水集中，霜冻天气早，一年四季昼夜温差大。年平均气温为8.25℃，年平均降水量183.1mm，年平均蒸发量3038mm，景电灌区作为全省重要的黄河灌溉农业区，水源充足，具有良好的农业灌溉条件。试验地主要土壤类型为灰钙土，易于耕作，土壤平均容重为1.54g·cm-3。试验地土壤养分含量分别为有机质5.02g·kg-1、全氮0.46g·kg-1、全磷1.48g·kg-1、全钾13.15g·kg-1、pH值为8.77、全盐1.31g·kg-1、灌溉水矿化度0.74g·L-1，生育期内降雨量为156.3mm，主要集中在6—9月份。

1.2 供试材料

供试春玉米品种为“沈单10号”，由辽宁省沈阳市农业科学院玉米所提供。该品种属新一代杂交种，果粒饱满，穗长，具有产量高、品质佳、生长健壮、高抗大斑病和茎腐病等优势。

1.3 实验设计

实验于2018年4—10月在景电灌区条山农场内进行，于4月22日播种，10月1日收获开始统计产量。试验地休闲期深耕、冬灌，灌水量为1800m3·hm-2，种植模式为1膜3行(膜宽145cm，行距45cm，株距30cm)，种植密度均为5.04×104株·hm-2。每小区面积50m2(5.0m×10m)，共15个试验小区。播种前施底尿素(N含量≥46%)600kg·hm-2，过磷酸钙(P2O5含量≥12%)600kg·hm-2，硫酸钾(K2O含量≥52.0%、S含量≥18.0%)300kg·hm-2。水源是引黄水经过30万m3大型蓄水池首次沉淀，经低压管道从大型蓄水池引至温室蓄水池，利用微型潜水泵或自吸泵加压，通过滴灌管将水运输到春玉米根部。春玉米生育期灌水10次，采用不同的灌水梯度。试验共设5个处理，3次重复，不同处理春玉米灌水方案见表1。每小区之间用油毡隔断，深100cm，以防止水分之间侧渗。

1.4 主要测定指标与方法

采用传统烘干称重法测定。在播种前和收获后以及每个生育期内用土钻取土，在灌水前、灌水后和降水前后进行加测，取样深度为0～80cm，0～20cm每10cm为一层，20～80cm每20cm为一层，取样后装入铝盒中称鲜土重，然后放置在预热至110℃烘箱内烘干至恒重称重，计算土壤含水率。计算公式如下：

W=(W1—W2)/(W2—W3)×100%

(1)

式中，W—土壤含水量，%；W1—土壤鲜样和铝盒的总质量，g；W2—烘干土样和铝盒的总质量，g；W3—空铝盒的质量，g。

1.4.2生理指标

每个处理选3株玉米，使用LI- 6400型光合测定仪在玉米拔节期、吐丝期和灌浆期选取晴天8∶00am-18∶00pm测定叶片光合日动态，每隔2h观测1次。测定参数包括净光合速率、蒸腾速率和气孔导度。

1.4.3产量

待春玉米成熟后，每个小区单独收获测产计算，3个重复的平均值为各处理的实际产量。同时各小区随机取20株进行穗粗、穗长、无效穗长、穗行数、行粒数、单株成穗数、穗粒数、百粒重等指标测定。

1.4.4水分利用效率

采购人员参考和依据读者、专家学者或是书商提供的图书荐购单，将书单发给书商，然后书商根据订购单来安排图书的运送工作。这种方式的好处就是方便，节约人力和经费，缺点是不能从纸张、印刷质量等方面对书籍有直观全面的了解。

水分利用效率WUE按如下公式计算：

(2)

式中，WUE—水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y—作物产量，kg·hm-2，ETa—农田耗水量，mm。

1.5 数据统计分析

利用EXCEL 2019对所测数据进行计算，用SPSS 16.0数据处理系统进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同灌水定额对春玉米光合特性的影响

2.1.1拔节期

光合作用对作物产量的形成起关键作用。作物光合作用特性包括净光合速率、蒸腾速率和气孔导度。光合速率是指作物单位时间和面积吸收或者释放二氧化碳的量，即作物单位时间内制造有机物的量，由作物自身积累和呼吸所消耗的两部分构成。春玉米拔节期叶片净光合速率日动态变化见表2。在玉米拔节期8∶00am- 18∶00pm时段内，所有处理呈现波动性变化，在8∶00am和12∶00am时各处理之间峰值差异较明显。其中灌水量最低的T1处理峰值最低，而T4全天净光合速率最大，表明T4处理能提升净光合速率，全天均值达27.135μmol·m-2·s-1，较对照CK提高1.830μmol·m-2·s-1。

表1 不同处理春玉米灌水方案 单位：m3·hm-2

表2 不同灌溉定额对春玉米拔节期光合特性的影响

注：表中不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05),下同。

蒸腾速率是作物单位时间内在单位叶面积上的蒸腾水量，蒸腾速率的大小直接反映作物叶片耗水的快慢程度。不同灌水处理对春玉米不同生育期蒸腾速率的影响见表2。在8∶00am- 18∶00pm时段内，叶片净光合速率与蒸腾速率的变化趋势基本一致，呈现先升高后降低的单峰变化趋势，峰值也出现在12∶00am- 16∶00pm时段内，随后逐渐下降。其中CK蒸腾速率最大，达6.408mmol·m-2·s-1，其次为T4和T3，分别为6.004、5.574mmol·m-2·s-1，T1蒸腾速率最小，仅为3.327mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道。通过气孔扩散的气体有O2、CO2和水蒸汽，是体现作物叶片CO2与外界进行水汽与交换能力的重要指标。不同灌水处理对春玉米拔节期全天气孔导度的影响见表2。气孔导度从8∶00am到12∶00am为增加阶段，此后很快进入降低阶段，仅在12∶00am短暂出现一个峰值。灌水T1和T2显著低于T3、T4和CK(P<0.05)，其中T1和T2的均值仅为0.156和0.195mol·m-2·s-1，显著低于T3、T4和CK。

2.1.2吐丝期

吐丝期是玉米的重要生长阶段之一，该阶段生长对玉米籽粒的形成极其关键。春玉米吐丝期叶片净光合速率日动态变化见表3。在玉米吐丝期8∶00am- 18∶00pm时段内，各处理均呈现降低趋势。其中T1处理降低幅度最显著，表明土壤水分降低抑制了光合速率，而T4全天净光合速率最大，表明T4灌水处理能显著提升净光合速率，均值达24.236μmol·m-2.s-1，较对照CK提高8.045μmol·m-2·s-1，而T1仅仅为7.199μmol·m-2·s-1(P<0.05)。

不同灌水处理对春玉米吐丝期全天蒸腾速率的影响见表3。在8∶00am- 18∶00pm时段内，叶片净光合速率与蒸腾速率的变化趋势基本一致，总体表现出先升高后降低的单峰变化趋势，峰值出现在12∶00am。随后各处理蒸腾速率均开始下降，其中CK蒸腾速率最大，达4.803mmol·m-2·s-1，0其次为T4，为4.386mmol·m-2·s-1，T1蒸腾速率最小，仅为1.484mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

表3 不同灌溉定额对春玉米吐丝期光合特性的影响

由于吐丝期是籽粒产量发育的重要生育期，所以该育期内较高的气孔导度有益于降低高温对作物灼伤，减小水分损失。不同灌水处理对春玉米吐丝期全天气孔导度的影响见表3。高灌水定额T4和CK气孔导度从8∶00am到10∶00am呈先增加后减小趋势，随后进入降低阶段，仅在10∶00am出现短暂峰值。而低灌水定额T1和T2处理并没有显著变化，且T1和T2处理的均值仅为0.058和0.074mol·m-2·s-1，显著低于T3、T4和CK(P<0.05)。

2.1.3灌浆期

灌浆期是玉米后期生长关键阶段，即通过光合作用产生的淀粉、蛋白质和积累的有机物通过同化作用储存在籽粒中。该阶段生长对玉米干物质积累和籽粒形成最为关键。吐丝期叶片净光合速率日动态变化见表4。在玉米灌浆期8∶00am- 18∶00pm时段内，所有处理呈现明显峰值变化，即从8∶00am- 18∶00pm各处理之间均呈现先增加后降低趋势，且峰值维持较长一段时间，12∶00am后呈降低趋势。其中T1处理降低幅度显著，而T4处理净光合速率全天最大，达15.830μmol·m-2·s-1，而对照CK为15.183μmol·m-2·s-1，而T1仅为4.680μmol·m-2·s-1(P<0.05)。

不同灌水处理对春玉米灌浆期全天蒸腾速率的影响见表4。在春玉米8∶00am- 18∶00pm时段内，叶片净光合速率与蒸腾速率的变化趋势差异较大，总体表现出从高到低然后在高的趋势。而随着时间的推进，呈先升高后降低的单峰变化趋势，极低值出现在8∶00am，随后开始上升，10∶00pm又开始下降。其中，CK蒸腾速率最大，达4.193mmol·m-2·s-1，其次为T4和T3，为3.463和3.257mmol·m-2·s-1，T1蒸腾速率最小，仅为1.344mmol·m-2·s-1(P<0.05)。

由于灌浆期是籽粒形成的重要生育期，较吐丝期相比，该生育期部分叶片凋落，气孔导度关闭，导致气孔导度值减小。不同灌水处理对春玉米灌浆期全天气孔导度的影响见表4。气孔导度变化幅度从8∶00am到18∶00pm呈现持续降低的趋势。T1和T2处理降低显著，均值仅为0.030和0.074mol·m-2·s-1，显著低于T3、T4和CK(P<0.05)。

2.2 不同灌水定额对春玉米产量构成因素的影响

玉米产量构成因子主要包括：果穗长度、行粒数、穗行数、穗粗、单穗粒数、穗重和穗轴重。较高灌溉定额CK相比，T1果穗长度、行粒数、穗行数、穗粗、单穗粒数、穗重和穗轴重分别较CK降低了8.74%、7.68%、2.44%、9.52%、9.93%、13.66%和17.28%；T2果穗长度、行粒数、穗行数、穗粗、单穗粒数、穗重和穗轴重分别较CK降低了6.00%、2.25%、1.83%、2.75%、4.04%、9.98%和9.96%；T3果穗长度、行粒数、穗行数、穗粗、单穗粒数、穗重和穗轴重分别较CK降低了5.96%、0.76%、1.44%、0.27%、2.19%、6.98%和6.98%；T4果穗长度、行粒数、穗重和穗轴重分别降低了1.63%、0.45%、4.70%和1.02%，而穗行数、穗粗、单穗粒数分别较CK增加2.66%、0.88%、2.20%；可以发现除了穗行数、穗粗、单穗粒数增加外，其余均降低，降低的灌溉定额显著地抑制了作物的生长和最终的灌浆，进而产量构成因子的降低，这说明对于玉米产量来说，灌水定额降低对产量影响较为敏感。另外，不同处理之间相比，单穗粒数、穗重和穗轴重存在显著差异(P<0.05)，而果穗长度、行粒数、穗行数、穗粗并不在显著差异(P>0.05)，也间接地反映出单穗粒数、穗重和穗轴重视决定产量构成因子的决定性因素。详见表5。

表4 不同灌溉定额对春玉米灌浆期光合特性的影响

表5 不同灌水定额对玉米产量构成要素的影响

2.3 不同灌水定额对春玉米产量和水分利用效率的影响

产量和水分利用效率是反映玉米生产最主要的两个关键指标，随着T1、T2、T3、T4和CK灌水定额增加，玉米全生育的耗水量也随之增大，CK耗水最大，与T1、T2、T3、T4相比较，分别增加了42.28%、38.98%、32.20%和24.07%。但水分利用效率差异较大，T1、T2、T3、T4处理均值达到了3.21kg·m-3，较CK相比，分别增加了53.18%、50.91%、43.18%和37.27%，并且发现，最低灌溉定额的T1处理水分利用效率最高。但其产量最低，因为其全生育消耗的水分最少。同时，可以看出，较CK相比较，T1的节水效率最高，其次是T2、T3、T4。这是产量提高和降低耗水之间面临和要解决的矛盾。如何寻求他们之间平衡对灌溉定额的制定非常重要。详见表6。

表6 不同灌溉定额对春玉米产量和水分利用效率的影响

2.4 不同灌水定额对春玉米经济效益的影响

不同灌水定额对春玉米经济效益的影响见表7。结果表明T1、T2、T3、T4和CK之间的投入无显著差异(P>0.05)。与CK相比，T1、T2、T3籽粒产出和秸秆产出分别降低了11.70%、8.03%、3.25%和6.66%、4.80%、3.31%，导致总产出的降低。此外，尽管T1、T2、T3、T4和CK之间的产投比无显著差异(P>0.05)，但是净产值确存在差异，因为较低灌溉定额其节水效益较为明显，与CK相比较，T1、T2、T3、T4的净产值分别提高了1.68%、3.42%、6.24%、9.63%。可以看出，在春玉米生产中，较高的灌溉定额可以获得预期的经济收益。同时发现，当灌溉定额超出一定的范围后，反而会导致净产值的降低，不利于春玉米的生产。因此，探索灌溉定额与经济效益之间的最优耦合关系对提升玉米产量和农民收入非常重要。

3 结论

(1)灌水定额减小影响了玉米叶片的正常光合作用，导致叶片光合速率、蒸腾速率和气孔导度下降的同时还促使了光合速率日变化的峰值提前。从全生育期来看，玉米叶片光合速率和蒸腾速率在拔节期受到水分的影响最大，在吐丝期灌水定额减少后气孔导度下降最显著。

(2)膜下滴灌春玉米产量随灌水量呈正态分布，当灌水量小于3600m3·hm-2时，春玉米产量随灌水量增加而增加，当灌水量大于3600m3·hm-2时，春玉米产量随灌水量增加而减小，处理T4产量最大，为15020.2kg·hm-2，处理T1产量最小，仅为12750.5kg·hm-2。果穗长度、行粒数、穗行数、穗粗、单穗粒数、穗重等产量构成因素同样随灌水定额增加呈递增趋势，CK较T1、T2和T3增幅分别为2.44%～17.28%、1.83%～9.96%、0.27%～6.98%。

(3)膜下滴灌春玉米水分利用效率随灌水定额的增加而减小，处理T1水分利用效率最大、节水效率最高，分别为3.37kg·m-3和42.28%，处理CK水分利用效率最小，仅分别为2.20kg·m-3。

综合考虑春玉米产量、水分利用效率、经济效益等指标，景电灌区最佳春玉米灌水定额为360m3·hm-2，灌水10次，灌溉定额为3600m3·hm-2。由此可见，适度的灌水定额既能显著提高春玉米水分生产效率，实现节水、高效用水的目的，又能提高春玉米产量和经济效益，对景电灌区春玉米种植具有重要的意义。本试验只对春玉米进行了相同生育期不同灌水定额分析研究，而不同生育期调亏灌溉对春玉米产量、水分利用效率和品质的影响是否更具有优势还有待进一步研究。

表7 不同灌溉定额对春玉米经济效益的影响