夏玉米产量及根系生长对旱涝急转的响应特征

2022-08-09吕海英齐学斌梁志杰

人民黄河 2022年8期

高芸，吕海英，齐学斌，李平，梁志杰，张彦

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453002；2.新乡市农业科技教育服务站，河南新乡 453000）

受全球气候变化、下垫面改变和剧烈人类活动等因素影响，我国由干旱灾害向洪涝灾害快速转换的现象（旱涝急转）呈明显增多趋势［1－4］。旱涝急转现象已从长江中下游地区逐渐北移至黄河、淮河流域多地［5－7］，2019 年山东“利奇马”旱涝急转事件造成农作物受灾面积4.63 万hm2，农业经济损失4.04 亿元，同年“旱涝急转、旱涝交替事件”被黄河水利委员会列为近期黄河流域灾害的防御工作重点。 2021 年7 月河南省在持续性高温干旱天气后出现了历史罕见的极端特大暴雨（旱涝急转），灾情造成直接经济损失超过139 亿元，农作物受灾面积7.5 万hm2，成灾面积2.52万hm2，绝收面积0.47 万hm2，农业经济损失5.42 亿元。旱涝急转已成为我国夏季水旱灾害异常的新特点和新趋势，严重威胁着我国的粮食安全。

目前，国内针对长江中下游地区水稻种植区旱涝急转已经开展了较多研究，取得了一定成果，但对黄河流域的旱作物则关注较少，并且已有研究较多关注旱涝急转下作物的减产现象描述［8－9］，对前旱、后涝之间的交互作用讨论较少［10－11］。有根系生长的调控［12］、根系遗传［13］、根系对环境的响应［14］等方面的研究，但这些研究大多集中于单旱、单涝的致灾性研究，或只关注土壤表层浅层积水的干湿交替、间歇灌溉、控制灌溉等节水灌溉技术［15－17］，对旱涝急转极端气象灾害下作物根系生长的变化规律研究较少，关于旱涝急转前旱、后涝交互作用对作物根系吸水量的影响是否为单一旱涝损害的简单叠加并没有统一的结论［18－19］。北方以旱作物为主，旱涝急转下承载体与南方不同，应对新的水旱灾害作物的响应特征与机理以及防灾减灾措施的研究尚处空白，因此亟须探索北方旱作物对旱涝急转的响应机制。

本研究以夏玉米为试验对象，通过测桶试验，研究旱涝急转前期干旱与后期淹涝对夏玉米产量的补偿或削减作用，探讨旱涝急转下夏玉米根系生长的动态变化规律，以期为应对旱涝急转灾害、制定合理减灾措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020 年6—10 月在中国农业科学院新乡综合试验基地（N35°9°，E113°47°）开展。试验区位于河南省新乡县七里营镇，属暖温带大陆性季风气候区，年平均气温14 ℃，降水量548 mm，日照2 399 h，平均海拔78.7 m。试验品种为夏玉米登海605（生育期100 d左右），播种日期为2020 年6 月18 日。

研究采用测桶试验方法，测桶内径37 cm、高60 cm，为大型有底铁桶，试验测桶埋设于土中，上有防雨棚隔雨（见图1）。采用称重法控制测桶土壤水分（见图2）。种植密度为1 株／桶。试验区土壤为壤土，0～60 cm 土壤层平均容重为1.49 g／cm3，田间持水率（质量百分数）为21%。

1.2 试验设计

夏玉米生长期分为苗期、拔节期、抽雄期、成熟期。研究表明，拔节至雄穗开花阶段对外界环境最敏感，统计资料显示旱涝急转气象灾害多发生于7 月中下旬至8 月中下旬，正好与该时期重合，因此试验设计自拔节期开始进行旱涝急转控水处理，其他生育期进行适宜灌溉和排水。旱涝程度及持续时间按照豫北地区玉米种植区发生旱涝急转灾害天气的实际情况及有关文献中前人研究成果设定［20－21］。轻旱设置为自然落干至含水率下限55%田间持水率，重旱为45%田间持水率；轻涝设置为保持10 cm 淹水深度2 d，重涝为4 d。其中，重旱轻涝组（DFAA3）和重旱重涝组（DFAA4）受旱时间为7 月20 日，轻旱轻涝组（DFAA1）和轻旱重涝组（DFAA2）受旱时间为7 月24 日，所有处理组在7月29 日发生旱涝急转。每个处理组的取样时间为旱期开始，旱期结束，涝期结束，旱涝急转后复水15 d、复水21 d。旱涝因素及水平设置见表1；试验各阶段破坏植株数见表2；不同处理夏玉米生育期见表3。

表1 旱涝因素及水平设置

表2 试验各阶段破坏植株数株

表3 不同处理夏玉米生育期

1.3 测定项目

测定项目包括3 个部分：①测量根、冠干重。将破坏分离后的根、冠放入烘箱设置105 ℃杀青30 min后，调至80 ℃烘干至恒重，随后用电子天平进行称重，精确到0.01 g。 ②根系形态指标。通过洗根后扫描图片，采用根系分析系统WinRHIZO 对根长密度、平均直径、根表面积、根体积等进行分析测算。 ③产量及构成指标。收获期测量每个处理组单株产量、百粒重、穗长、穗行数、行粒数、穗粗、秃尖长度、穗重、穗粒重、出籽率。

1.4 控水方法

测桶控水处理分4 个阶段：①第一次浇水至开始受旱期间，每3～5 d 读取1 次数据，观测测桶所有处理组含水率的平均值，保证含水率下限不低于70%田间持水率。 ②受旱期间，每3～5 d 读取1 次数据，观测测桶DFAA 组含水率的平均值，保证含水率下限不低于45%、55%田间持水率。 ③受涝阶段处理的淹水深度10 cm，每1 d 读取1 次数据，保证测桶地表水深不低于10 cm。 ④旱涝急转排涝结束后排出地表水分自然落干，每3～5 d 读取1 次数据，观测测桶所有处理组含水率的平均值，保证含水率下限不低于70%田间持水率。

1.5 数据处理

使用SPSS 26 软件One－Way ANOVA 以及LSD 法进行单因素方差分析、多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 旱涝急转下产量的变化规律

从表4 可知，DFAA 各组产量均低于CK 组，平均减产率为63.04%。 DFAA1 减产32.20%，DFAA2 减产77.02%，DFAA3 减产59.05%，DFAA4 减产83.90%，重涝组（DFAA2 和DFAA4）与CK 组差异显著。说明旱涝急转后期淹涝对前期干旱存在一定的叠加减产效应。

表4 不同处理产量及构成指标

DFAA 各组处理的穗长、穗行数、行粒数、穗粗、穗重、穗粒重以及出籽率的差异特征与单株产量基本一致，即重涝组（DFAA2 和DFAA4）与CK 组相比下降最多，旱涝表现为叠加削减。 DFAA 组穗长的平均减少率为26.30%，穗行数的平均减少率为28.64%，行粒数的平均减少率为50.12%，穗粗的平均减少率为29.28%，穗重的平均减少率为64.26%，穗粒重的平均减少率为70.41%，出籽率的平均减少率为37.81%，其中DFAA4 各指标与CK 组差异均显著。旱涝急转使夏玉米秃尖长度变大，并且干旱转轻涝条件下百粒重略有增加，DFAA1 增加15.79%，DFAA3 增加16.62%。综上，粒数（穗行数和行粒数）与粒重（穗重和穗粒重）的减少是旱涝急转各处理组减产的主要原因。

2.2 旱涝急转下根干重、冠干重、根冠比的变化特征

根据图3 计算DFAA 各处理组相对CK 组的损伤程度。 DFAA 各组根干物质在不同旱、涝处理阶段均少于CK 组，旱期平均减少22.64%，涝期平均减少41.41%，复水前期（15 d）平均减少30.89%，复水后期（21 d）平均减少29.25%。说明旱涝急转抑制根干物质增长，后期淹涝对根干物质的损害更加严重。DFAA1～DFAA3 根干物质在涝期减少最为严重，减少率分别为49.91%、42.29%、42.54%；DFAA4 在复水前期减少最为严重，减少率为43.95%，说明前期轻旱以及旱转轻涝根干物质的减少主要集中在涝期、重旱转重涝根干物质的减少在复水前期。

DFAA 各组冠干物质在不同旱、涝处理阶段均少于CK 组，旱期平均减少17.28%、涝期平均减少7.76%，复水前期平均减少19.09%、复水后期平均减少33.02%。说明旱涝急转抑制冠干物质增长，旱涝对冠干物质的损伤存在滞后性，旱涝急转复水后期对冠干物质的损害更加严重。 DFAA1 ～DFAA4 冠干物质在复水后期减少最为严重，减少率分别为35.11%、27.27%、33.88%、35.81%，说明旱涝急转对冠干重有后效性影响。

DFAA 各组根冠比在不同旱、涝处理阶段均低于CK 组，旱期平均降低5.48%，涝期平均降低37.12%，复水前期平均降低16.52%，复水后期平均降低4.92%。结合根、冠干重变化，说明后期淹涝胁迫下根干物质减少量大、而冠干物质减少不多是涝期根冠比下降最严重的主要原因。 DFAA1 ～DFAA4 根冠比在涝期降幅最大，降幅分别为36.23%、38.00%、35.90%、38.35%，说明重旱转重涝对根冠比影响最大。

2.3 旱涝急转下根长密度、根表面积、平均直径、根体积的变化特征

根据图4 计算DFAA 各组相对CK 组的损伤程度。 DFAA 各组根长密度在不同旱、涝处理阶段均低于CK 组，旱期平均降低17.79%，涝期平均降低37.65%，复水前期平均降低44.35%，复水后期平均降低35.43%。说明旱涝急转对根长密度有后效性影响，复水前期对根长密度的损害更加严重。 DFAA2、DFAA4（重涝组）在复水前期降幅最大，降幅分别为56.76%、53.91%，DFAA1、DFAA3（轻涝组）根长密度在复水后期降幅最大，降幅分别为47.48%、43.88%，说明后期重涝对根长密度的削减作用强于后期轻涝并且体现在复水前期，后期轻涝的削减作用则主要体现在复水后期。

DFAA 各组根表面积在不同旱、涝处理阶段均小于CK 组，旱期平均降低19.14%，涝期平均降低46.21%，复水前期平均降低50.41%，复水后期平均降低48.55%。说明旱涝急转对根表面积有后效性影响，复水前期对根表面积的损害更加严重。 DFAA2、DFAA4（重涝组）在复水前期降幅最大，降幅分别为58.04%、59.48%，DFAA1、DFAA3（轻涝组）根表面积在复水后期降幅最大，降幅分别为55.55%、55.03%。说明后期重涝对根表面积的削减作用主要体现在复水前期，后期轻涝的削减作用体现在复水后期。

DFAA 各组平均直径在不同旱、涝处理阶段均小于CK 组，旱期平均降低8.64%，涝期平均降低51.93%，复水前期平均降低54.51%，复水后期平均降低52.21%。说明旱涝急转对根系平均直径有后效性影响，复水前期对根系直径的损害更加严重。 DFAA1、DFAA2（轻旱组）在涝期降幅最大，降幅分别为57.46%、61.88%；DFAA3 平均直径在复水后期降幅最大，降幅为54.96%，DFAA4 平均直径在复水前期降幅最大，降幅为56.23%。说明轻旱转涝后根系平均直径减小；重旱转轻涝对根系平均直径的削减作用主要体现在复水后期，重旱转重涝的削减作用体现在复水前期。

DFAA 各组根体积在不同旱、涝处理阶段均小于CK 组，旱期平均减少20.88%、涝期平均减少53.83%、复水前期平均减少55.72%、复水后期平均减少58.84%，说明旱涝急转对根体积有后效性影响、复水后期对根体积的损害更加严重。 DFAA1、DFAA3（轻涝组）在复水后期根体积减少最为严重，减少率分别为62.18%、63.99%；DFAA2 根体积在涝期减少最为严重，减少率为59.40%；DFAA4 根体积在复水前期减少最为严重，减少率为64.40%。说明后期轻涝对根体积的削减作用主要体现在复水后期，轻旱转重涝对根体积的削减作用主要体现在涝期，重旱转重涝的削减作用体现在复水前期。

2.4 旱涝急转下比根长、比表面积的变化特征

根据图5 计算DFAA 各组相对CK 组的损伤程度。 DFAA 各组比根长在旱涝处理当期平均值高于CK 组，复水阶段低于CK 组，旱期平均提高3.19%、涝期平均提高3.69%、复水前期平均降低18.62%、复水后期平均降低9.32%。结合根长、根干重数据，根干重在涝期减少最多、而根长在复水前期降幅最大，说明根系长度的削减滞后于质量的削减导致比根长下降最严重的时期发生在复水前期。 DFAA2、DFAA4（重涝组）比根长在复水前期降幅最大，降幅分别为35.70%、16.24%；DFAA1 比根长在复水后期降幅最大，降幅为22.86%；DFAA3 比根长在涝期降幅最大，降幅为13.52%。说明后期重涝对比根长的削减作用主要体现在复水前期；轻旱转轻涝对比根长的削减作用主要体现在复水后期，重旱转轻涝的削减作用体现在涝期。

DFAA 各组比表面积在受旱阶段高于CK 组，其他阶段均小于CK 组，旱期平均增加1.74%，涝期平均减少9.70%，复水前期平均减少27.91%，复水后期平均减少27.51%。结合根表面积、根干重数据，根干重在涝期减少最多、而根表面积在复水前期减少最多，说明根表面积的削减滞后于质量的削减，导致比表面积减少最严重的时期发生在复水前期。 DFAA2 ～DFAA4比表面积在复水前期减少最为严重，减少率分别为38.19%、20.68%、26.76%；DFAA1 比表面积在复水后期减少最为严重，减少率为34.62%。说明后期重涝以及重旱转涝，比表面积的减少主要集中在复水前期，轻旱转轻涝比表面积的减少在复水后期。

2.5 讨论

已有研究表明，不同程度的旱涝急转对产量的影响不同，重旱重涝组的产量下降幅度最大，粒数与粒重的减少是产量下降的主要影响因素［22－23］。本研究表明，不同处理下的旱涝急转组产量均低于CK 组。试验表明涝比旱对夏玉米产量的形成更加不利，后期淹涝对前期干旱存在一定的叠加减产效应。已有研究认为旱涝胁迫下根系分布、根系活力会发生变化，旱胁迫会降低根系活力，且受旱时间越久伤流强度越低［24］，但适宜的水分胁迫不会显著降低水稻产量，极重度水分胁迫使产量显著降低，但却没有抑制根系的生长［25］，作物由旱转涝过程中，侧根发育的可塑性增强，根系吸水能力提高［26］，旱后轻涝对根系活力的恢复、根系的发育和通气组织的较早形成可产生积极影响［27－29］，甚至产生超越补偿效应，旱后重涝则表现为明显的抑制效应［24，30］。本研究表明，淹涝会抑制根系的生长，地下部分的削减早于地上部分，根长密度、根表面积、平均直径、根体积在复水阶段下降（减少）最为严重，此时期对应夏玉米抽雄—成熟期，是粒重形成关键期，虽然比根长和比表面积平均值在受旱阶段略高于CK 组，但不足以抵抗后续淹涝对产量的损伤。据此推测旱涝急转对根系生长的抑制直接导致了粒重的减小，从而降低了产量。