河西绿洲膜下滴灌调亏对制种玉米籽粒发育及幼苗生长的影响

梁 超，张恒嘉，肖 让，邓浩亮，王泽义，李 珍，陈 涛，周三利

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.河西学院土木工程学院/河西走廊水资 源保护利用研究所，甘肃 张掖 734000；3.兰州新区农业科技开发有限责任公司，甘肃 兰州 730314)

玉米是我国主要的粮食作物之一，2020年全国玉米播种面积约3 846.67万hm2， 商品种子价格达到36.75元·kg-1[1]。河西走廊得天独厚的气候资源和优越的灌溉条件，使其成为我国最主要的制种玉米生产基地[2]。随着现代农业技术与农业机械化的发展，玉米种子单粒精播成为必然的发展趋势，同时对种子质量提出了更高的要求。王密侠等[3]研究发现适宜的水分调亏可增加玉米抵御干旱的能力，提高水分利用效率，改善作物品质。陆文娟等[4]灌溉试验中发现拔节前期至中期中度亏水降低了玉米叶绿素含量和总干物质量，提高了可溶性糖和脯氨酸含量。农梦玲等[5]在对玉米灌溉方式和肥料运筹中发现相同施肥方式时，与常规灌溉相比，隔沟灌溉提高籽粒中可溶性糖和淀粉量。研究发现，科学的亏水灌溉制度对洋葱、板蓝根、向日葵、冬小麦等作物具有较好的增产调质效应[6-9]。1976年，国际种子检验协会提出种子活力是种子或者种子批在发芽和出苗期间的活性强度及特性的综合表现，它在种子发育中形成[10]。种子活力是决定种子质量的关键因素之一[10]，是衡量种子在广泛条件下迅速、整齐发芽的潜力和影响作物高产稳产的因素[11-12]。制种玉米品质的好坏最主要体现于籽粒活性方面，高活力种子在生产和加工过程中能够抵抗各种环境条件的不利影响，发芽快，成苗率高，幼苗生长整齐，抗逆性强，有利于提高粮食产量和农民的经济效益[13]。目前关于调亏灌溉对制种玉米的研究多集中于提高水分利用率与增产方面，而对于制种玉米籽粒品质及幼苗抗氧化酶活性鲜有报道。因此，本试验以充分灌溉为对照(CK)，设置8种不同生育期及亏水条件的水分调亏处理，通过测定调亏灌溉后制种玉米籽粒萌发生长和生理指标，以及运用数学评价模型的理论知识，综合种子活力生理、生化[14]等方面对调亏灌溉制种玉米籽粒进行综合评价，构建较为合理的评价体系，筛选最优制种玉米亏水处理，以期为河西灌区制种玉米节水灌溉增产增质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4—9月在甘肃省张掖市党寨镇制种玉米试验基地(100°27′E，38°51′N)进行，该地区属于温带大陆性干旱气候，平均海拔1 474 m左右，多年平均气温7.25℃，极端最高气温和最低气温分别为36.6℃和-10.1℃，年均日照时数3 000～3 600 h，平均无霜期128 d，耕层土壤最大田间持水量为26.8%，作物萎蔫系数为7.3%。据近20年气象数据资料显示，该试验区年平均降水128.7 mm左右，蒸发量1 639～2 341 mm，昼夜温差大，光能资源充沛，夏季短而炎热,冬季长而严寒，干燥少雨。试验地为沙壤土，地势平坦、土壤肥力中等。

1.2 试验设计

制种玉米品种为新大弓农化有限公司提供品种NC242，采用覆膜种植方式，于2020年4月20日播种，9月11日收获。小区面积35 m2(长7.0 m×宽5.0 m)，采用底宽25 cm，高20 cm的地埂分隔，小区周围设保护区，宽度1 m。2020年4月8日播种母本，4月15日和4月22日分别第一期和第二期播种父本，9月10日收获。父母本种植行比为1∶4，即1行父本，4行母本，东西行向种植，母本宽窄行种植，行距0.45 m，株距0.2 m，父本在2行母本中间播种，行距1.35 m，株距0.2 m，每小区铺设5行膜，每膜种植2行。基施化肥N 105 kg·hm-2、P2O5138 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2。氮肥追施用量345 kg·hm-2，水肥耦合滴灌施入，追肥施用时间分别为拔节期、吐丝期、灌浆期，追施比例分别为3∶4∶3。试验依据《灌溉试验规范》[15]并结合当地制种玉米的实际生长进程，将其整个生育期划分为5个阶段：苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期和成熟期。土壤水分设置3个梯度分别为：充分灌水处理(土壤含水量为田间持水量的85%～90%)、轻度水分调亏处理(土壤含水量为田间持水量的70%～75%)、中度水分调亏处理(土壤含水量为田间持水量的60%～65%)；4个控水时期为：苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期。本试验采用随机区组设计，设8个水分调亏处理和1个对照，每个处理3次重复，共27个小区，灌水方式为膜下滴灌，用水表控制水量。土壤水分控制到设计范围内，当计划湿润层的土壤水分降低到设计下限时，灌水到土壤水分上限。具体试验设计见表1。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤含水量 生育期内，每隔15 d在长势一致的两株玉米中间位置取土，测深100 cm，20 cm为一土层深度，利用烘干法测定土壤含水量。

土壤贮水量计算：

SWS(mm)=h×ρ×ω×10

式中,h为土层深度(cm)，ρ为土壤容重(g·cm-3)，ω为土壤含水量(%)。

1.3.2 产量及农艺性状 玉米成熟后按小区单独收获，自然风干后脱粒并计产。收获前3～5 d，各小区选取长势均匀的玉米20株，测定果穗直径、果穗长度、穗粒数、单株穗粒重、百粒重等指标。产值=产量×种子价格，种子价格选取当地当年收购价格(3.77元·kg-1)。

1.3.3 籽粒水分利用效率 采用土壤水分平衡方程计算制种玉米耗水量。

耗水量ET(mm) =播前100 cm土层土壤贮水量-收获时100 cm土层土壤贮水量+生育期降水量+生育期灌水量

水分利用效率WUE(kg·m-3)=籽粒产量/生育期耗水量

1.3.4 种子萌发测定指标 将收获后的制种玉米自然风干后，收集籽粒自然老化2个月。对参试种子进行预处理(冷浸胁迫4℃,1 d)，发芽方法参考杜清福等[16]的标准发芽试验方法。将处理后的玉米籽粒放入发芽盒中，每盒20粒种子，3次重复，在25℃条件下进行发芽试验。每天定时补充水分并记录发芽种子数，第4天统计种子的发芽势(GE)，第7天结束时统计发芽率(GP)并计算发芽指数(GI)、活力指数(VI)、根系活力等指标。

GE=(Gt/T)×100%

GP=(Gt/T)×100%

VI=GI×S

式中,Gt为发芽开始后第t天的累计发芽数，Dt为相应的发芽天数(d)，S为幼苗鲜重(g)，T为每个发芽盒内的供试种子数。

1.3.5 生长指标测定 从种子萌发试验中各处理发芽盒内随机抽取6株生长7 d的玉米幼苗，用蒸馏水冲洗干净后，分别测定并统计不同处理下各重复的芽长和根长。用吸水纸吸干表面水分，分别称量并统计不同处理下各重复的鲜重。再将称量过的玉米幼苗置于105℃烘箱中杀青30 min后置70℃烘箱烘干至恒重，称量并统计玉米芽长、根长干重。

1.3.6 生理指标测定 取第7天结束各处理组幼苗相同部位叶片进行下列生理指标的测定：超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原抑制法测定[17]，过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用紫外吸收法[17]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定[16]，可溶性糖含量采用蒽酮-硫酸法测定[16]，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定[17]，根系活力采用TTC法测定[17]。

1.3.7 不同生育期水分调亏综合指标隶属函数值 当籽粒品质与所测指标正相关时，其综合隶属函数计算公式为：

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2,3，…,n

当籽粒品质与所测指标负相关时，其综合隶属函数计算公式为：

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)j=1,2,3,…,n

式中,Xj表示第j个综合指标，Xmix表示第j个综合指标最小值，Xmax表示第j个综合指标最大值。

1.3.8 不同生育期水分调亏综合指标权重

式中，Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中重要程度即权重，Pj为各处理的第j个综合指标贡献率。

1.3.9 不同生育期水分调亏综合评价

式中,D值为各处理的水分调亏综合评价值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行计算处理，SPSS 26.0软件对试验数据进行差异显著性分析、相关性分析以及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同调亏灌溉下制种玉米产量和水分利用效率

调亏灌溉显著降低了制种玉米全生育期耗水量(表2)，其中T4、T6和T8全生育期耗水量降幅较大，较CK降低14.23%、15.88%和21.03%(P<0.05)，苗期轻度调亏处理T1降幅最小，为9.07%。不同亏水处理均会使制种玉米减产，其中T1与T3较CK减产3.07%和7.17%，T8处理降幅最大，较CK减产26.84%(P<0.05)。各处理产值变化与产量一致,轻度亏水处理T1、T3单方水产值较CK显著增加，增幅6.24%～7.05%，而中度亏水处理T6、T8显著降低，降幅为6.35%、6.47%。T1处理的水分利用效率最高，达1.61 kg·m-3，较CK显著增加6.62%， T3、T5处理次之，较CK分别增加5.30%、0.66%,而T4、T6、T8处理水分利用效率均较CK显著降低，降幅5.30%～7.28%。T8处理灌溉水利用效率最低，较CK降低5.64%(P<0.05)，其次为T4、T6，较CK降低3.59%、4.62%，T1、T3处理分别较CK提高灌溉水利用效率9.74%、6.67%(P<0.05)。

表2 不同调亏灌溉下制种玉米产量和全生育期水分利用状况Table 2 Yield and water use in whole growth period of seed maize under different regulated deficit irrigation

2.2 不同调亏灌溉下制种玉米籽粒萌发状况

由表3可知，不同生育期膜下滴灌亏水灌溉对籽粒萌发状况影响不同。处理间，除T1外，其他处理的发芽势均低于CK。与CK相比，T1处理发芽势提高6.00%。各亏水处理对籽粒发芽率与发芽指数的影响一致， T1处理发芽率、发芽指数均为最高，分别较CK增长5.56%、2.03%，其余各处理发芽率与发芽指数均低于CK，降幅2.22%～30.39%。此外，不同生育期调亏灌溉对制种玉米籽粒活力指数影响不同，其中T1处理影响最显著，其次为T3和T5，较CK分别增长41.99%、6.57%和3.04%，其他处理较CK均有不同程度降低，降幅6.41%～30.07%，其中T8降幅最显著，为30.07%。表明苗期、拔节期和吐丝期轻度水分调亏有利于玉米籽粒活力指数的增长。

表3 不同调亏灌溉对制种玉米籽粒萌发的影响Table 3 Effects of different regulated deficit irrigation on seed germination of maize

2.3 不同调亏灌溉下制种玉米幼苗生长与根系活力

不同生育期水分调亏对制种玉米幼苗生长的影响不同 (表4)。综合2020年平均数据分析发现，与CK相比，T1处理的玉米幼苗根长最长，较CK提高8.30%，而其他处理均低于CK，降幅1.16%～25.72%，其中T8的根长最短，较CK降低25.72%(P<0.05)。T1芽长最长，达18.06 mm，高于CK(P>0.05)，其余处理的芽长值均低于CK，其中T6、T8分别降低32.18%、37.63%(P<0.05)。不同生育期调亏灌溉对幼苗的干、鲜重影响存在差异，其中T1处理的幼苗干、鲜重较CK分别提高7.69%、2.00%(P>0.05)，而T8处理分别较CK降低30.76%、26.00%(P<0.05)。其余处理干重、鲜重均较CK降低，降幅7.69%～23.07%、8.00%～22.00%。制种玉米生育前期轻度亏水对根系活力影响不显著，而生育中后期中度亏水降低了幼苗根系活力，T1、T2、T3和T5处理较CK根系活力无显著性差异，其中T1最高，为552.65 mg·g-1·h-1，较CK增长8.56%。

表4 不同调亏灌溉对制种玉米籽粒幼苗生长的影响Table 4 Effects of different regulated deficit irrigation on seedling growth of seed production maize

T4、T6、T7和T8处理较CK根系活力显著下降，其中T8处理最低，较CK降低35.31%(P<0.05)。

2.4 不同调亏灌溉下制种玉米幼苗生理活性

由图1可见，不同生育期的膜下滴灌亏水对玉米幼苗生理活性存在显著影响。各调亏处理均导致玉米幼苗MDA含量增加，其中CK含量最低(0.023 μmol·g-1)，其次为T1、T3，达0.025、0.026 μmol·g-1，与CK分别提高8.7%、13.04%，T8处理玉米幼苗MDA含量最高，达0.054 μmol·g-1，与CK差异性显著。不同生育期调亏灌溉对CAT、SOD含量存在影响，在 T1处理下，CAT、SOD含量最高，与 CK相比，分别提高0.10%、3.77%，无显著差异，T6与T8极不利于幼苗CAT、SOD含量的积累，其中T8最显著，其次为T6处理，分别较CK降低21.44%、15.82%和17.19%、9.51%。

图1 不同调亏灌溉对制种玉米幼苗MDA含量及抗氧化酶活性的影响Fig.1 Effects of different regulated deficit irrigation on MDA content and antioxidant enzyme activities of seed production maize seedlings

2.5 不同调亏灌溉下制种玉米幼苗营养物质含量

不同生育期水分调亏对制种玉米幼苗营养物质的影响不同(表5)，其中T1处理的可溶性糖含量最高，达2.19%，较CK提高19.67%(P<0.05)，T2、T3处理较CK分别下降7.65%、0.55%(P>0.05)，其余处理较CK均显著下降，降幅19.67%～40.44%。中度亏水处理严重影响玉米幼苗可溶性蛋白与Vc含量，其中T8处理最低，分别为34.71、5.42 mg·kg-1，较CK下降16.6%、18.98%(P<0.05)。中度处理T2、T4和T6较CK分别下降9.63%～7.32%、7.86%～11.66%、12.97%～14.35%，而轻度亏水处理T3、T5对玉米幼苗可溶性蛋白影响不显著，同时T1、T3对Vc含量影响也不显著，其中T3、T5可溶性蛋白较CK分别下降2.35%、3.05%，T1、T3 Vc含量较CK提高3.89%和-1.35%，其余处理较CK均显著下降。

表5 不同调亏灌溉对制种玉米幼苗营养物质的影响Table 5 Effects of different regulated deficit irrigation on seed production maize seedling nutrients

2.6 不同调亏措施下制种玉米籽粒综合评价

2.6.1 各指标间的相关性分析 对制种玉米的9个单项指标进行相关性分析(表6)，发现VI与SOD、RA呈极显著正相关，相关系数分别为0.885和0.818(P<0.01)。MDA与CAT、MDA和GI极显著负相关，相关系数分别为-0.958、-0.945。Y与VI显著正相关，GI与SP也呈显著正相关关系。因此，仅采用单一或个别几个指标来评价制种玉米籽粒活力不准确，应对其进行综合分析。

表6 各指标间的相关性分析Table 6 Correlation analysis among various indicators

2.6.2 不同调亏处理的综合评价 相关性分析表明，各指标间存在一定的信息重叠，因此分别对9个不同处理的9个指标进行主成成分分析(表7)，前3个综合指标贡献率分别为87.89%、6.432%、3.456%，累计贡献率达97.778%，计算不同调亏处理下3个主成分的隶属函数值，结合3个主成分的贡献率，得3个主成分权重，分别为0.899、0.066、0.035。计算出不同调亏处理综合评价值(D)，根据综合评价(D)值进行综合排序见表8，其中T1苗期轻度调亏处理D值最高，表明其经调亏灌溉处理后所得种子活力最强。

表7 制种玉米各综合指标系数与贡献率Table 7 Comprehensive index coefficient and contribution rate for maize seed production

表8 不同调亏灌溉制种玉米籽粒隶属函数综合评价Table 8 Comprehensive evaluation of the membership functions of maize grains in seed production with different regulated deficit irrigation

3 讨 论

对制种玉米不同生育期进行调亏灌溉可有效利用作物补偿或超补偿作用调节作物生长形态，营养物质积累速率与分配，最终影响作物的经济产量与品质。范志超等[18]研究发现调亏灌溉可以改变土层水分垂直分布特征，轻度水分亏缺较CK可提高产量5%。袁淑芬等[19]研究发现适当减小灌水量可以有效增加地上部生物量积累量，提高水分利用效率。这与本试验结论有所差异，这可能与亏水梯度、试验环境和制种玉米品种等有关。本研究发现，不同生育期水分调亏均会导致制种玉米产量下降，降幅3.07%～26.84%，其中，T1与T3较CK降低3.07%和7.17%，而水分利用效率与灌溉水利用效率分别提高6.62%、5.3%与9.74%、6.67%(P<0.05)。这可能是由于在苗期与拔节期，茎叶增长迅速，玉米主要进行营养生长，而到吐丝期与灌浆期，玉米从营养生长进入到生殖生长阶段，水分亏缺导致玉米光合活动与营养积累等速率降低，复水后难以补偿，最终影响产量与水分利用状况，这与薛冯定等[20]研究结果一致。

作物长时间在逆境生长会造成严重的损害，而适当的逆境刺激(抗性锻炼)有利于作物激发形态与生理上的正效益变化。连彩云等[21]对制种玉米进行不同灌溉定额研究发现，玉米种子同一施肥情况下发芽率、发芽指数、活力指数随灌水量变化呈现先增加后减少的趋势，适当的灌水量可以有效增加种子活力。陈蕾太等[22]研究得出不同逆境条件下小麦种子活力与种子萌发相关酶活性存在不同差异。本研究发现， T1处理发芽势、发芽率和发芽指数分别较CK增长6.02%、5.55%和2.03%(P>0.05)，而活力指数较CK增长41.99%(P<0.05)。植物种子萌发初期的根长是评价种子品级的综合指标之一，通常认为它们与种子品级呈正相关[23]。本研究发现，不同调亏处理对籽粒萌发生长影响各异，其中T1较CK根长提高8.30%， T2、T3处理与CK无明显差异，其余处理均有所下降，降幅13.33%～25.73%，同时T1处理的芽长与干物质量均达到最高，较CK提高4.4%和7.69%，原因可能为生育前期进行水分亏缺，作物生物量分配优先倾斜于根部生长，提高根系吸水能力，缓解干旱胁迫[24]。即导致其籽粒生长进化过程中可能同样优先加速根部生长，增强营养物质吸收能力。

作物处于逆境胁迫时，细胞内自由基代谢平衡被破坏，致使作物中丙二醛含量提高[25]，其含量及质膜透性都是膜脂过氧化作用强弱和质膜受破坏程度的评价指标[26]。植物受逆境伤害的程度可用MDA含量来表示[25]。本试验结果表明，不同生育期水分亏缺效果在各处理玉米籽粒幼苗中有明显的差异，随着生育期的推进以及水分亏缺的增加，玉米幼苗中MDA含量均呈显著上升的趋势，而生育前期轻度水分亏缺T1、T3处理MDA含量较CK仅增长8.70%、13.04%。超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)不仅是植物体内酶促系统[27]的主要成分，还是活性氧清除系统[28]的主要依托，可以有效降低自由基水平，保护膜结构，是植物减轻逆境胁迫危害的机理之一。本试验发现，制种玉米苗期轻度亏水T1可以始终保持较高的SOD与CAT含量，较CK分别提高0.10%和3.77%，其次为拔节期轻度亏水(T3)，较CK仅降低4.96%和1.18%，均无显著性差异。而制种玉米生育后期轻中度亏缺与生育前期中度亏缺均使幼苗SOD与CAT含量下降，下降幅度9.08%～21.44%和5.03%～15.82%，其中T8处理SOD与CAT含量均达到最低，降幅分别为21.44%和15.82%。可能原因为作物生育后期受到的逆境胁迫伤害远大于生育前期，过度的水分亏缺致使作物体内活性氧增多，造成膜质过氧化，破坏了细胞膜系统从而使抗氧化酶活性降低。

可溶性糖既是渗透调节剂，也是合成其他有机溶质的碳架和能量的来源，还可在细胞内无机离子浓度高时起保护酶类的作用[29]，植物体内可溶性蛋白持水强度大，可以延缓种子老化，为植物抵抗逆境提供主要的物质和能量，从而增强植物的抗逆性[28]。有研究表明逆境胁迫可以诱导小白菜[29]、玉米[30]体内可溶性糖与可溶性蛋白含量的增加。本试验发现，处理T1可溶性糖含量与维生素C含量均达到最大，较CK提高19.67%、3.89%。而处理T3与CK无显著差异，其余调亏处理均导致可溶性糖与维生素C含量下降，降幅7.65%～40.44%、7.32%～18.98%。处理CK可溶性蛋白含量最高，达41.62 mg·g-1，中度调亏处理幼苗内可溶性蛋白含量显著下降，降幅7.88%～16.60%，其中T8处理降幅最大，达16.60%， T3、T5处理较CK分别下降2.35%、3.05%(P>0.05)，而T1处理较CK显著下降6.90%(P<0.05)，原因可能为，T1根系活力最高，较高的根系活力可以在促进幼苗生长的同时，使较多的种子蛋白质水解产物转化为幼苗生长所需的其他能源物质，进而导致可溶性蛋白含量降低[30]。而其余调亏处理均导致幼苗根系活力低于CK，降幅7.96%～35.31%，其中T6、T8处理降幅最大，分别为29.72%、35.31%。

4 结 论

1)苗期与拔节期轻度水分调亏稳产的同时可显著提高制种玉米水分利用效率与灌溉水利用效率，而吐丝期与灌浆期中度调亏均显著降低制种玉米产量与水分利用效率。

2)不同生育期水分调亏可引起制种玉米籽粒发芽指数与活力指数降低，而苗期轻度水分亏缺籽粒发芽指数与活力指数与CK无显著差异。

3)水分亏缺可显著提高玉米幼苗丙二醛含量，且亏缺程度越高，丙二醛含量就越高，但过氧化氢酶与超氧化物歧化酶含量越低，其中苗期轻度调亏抗氧化酶活性含量最高。

4)不同生育期水分调亏均可降低玉米幼苗可溶性蛋白含量，其中灌浆期中度调亏最低，达34.71 mg·g-1，而拔节期与吐丝期轻度水分调亏无显著影响。苗期与拔节期轻度水分调亏对幼苗可溶性糖、维生素C与根系活力较CK影响不显著，而其余处理均有降低，降幅为7.65%～40.44%、7.32%～18.98%、7.77%～35.31%。

综合考虑产量、水分利用状况、籽粒萌发生长、生理活性与营养物质等指标，运用主成分分析法及隶属函数法进行综合值的计算，并进行综合排序，表明制种玉米最佳水分调亏处理为苗期轻度水分调亏，即在苗期土壤含水率保持在70%～75%，其余生育期相对土壤含水率为85%～90%，可在稳产的同时提高水分利用效率，获得较好的籽粒活性，对河西走廊地区制种玉米高产、节水增质和籽粒活性的提升具有重要意义。