膜下滴灌调亏对制种玉米植株生长、产量和水分利用的影响

雷 联

(民乐县洪水河管理处,甘肃 民乐 734500)

河西走廊是我国最大的杂交玉米种子生产基地。大力发展制种玉米产业对该地区的经济发展与农民收入来说均具有重要意义[1]。同时,该区也是典型的内陆灌溉农业区,年降水量稀少,多数地方年降水量不足200 mm[2-3]。严重水分亏缺的现实与玉米高耗水需求之间的矛盾十分突出[1,4]。因此,在该区深入研究适用于制种玉米产业的高效节水灌溉技术具有非常重要的现实意义[5]。

合理的灌溉能够改善作物的干物质分配,促进作物生长发育并提高产量。近年来,涉及调亏灌溉对作物影响的研究较多[6-8]。张纪圆等[9]在干旱区利用滴灌技术对核桃开展调亏试验,结果表明,水分调亏可以调节土壤温度,并提高核桃叶片的SPAD值(表征相对叶绿素含量)、水分利用效率和产量。高佳等[10]研究发现,在河西绿洲灌区对辣椒进行调亏灌溉可以改善辣椒的品质并提高其产量。张树振等[11]利用地下滴灌调亏技术开展试验,对紫花苜蓿的生长动态及其产量进行监测,结果表明,轻度调亏灌溉(田间持水量的60%)下紫花苜蓿的干草产量未显著降低,可以实现节水丰产。上述研究说明,高效节水灌溉技术能够在耗水量较低的情况下保证作物的正常生长发育,甚至提高产量,或在最大限度地避免减产的前提下减少水分消耗,提高作物的水分利用效率与灌溉水利用效率。

目前,在河西绿洲灌区开展的大多数调亏灌溉研究主要集中在经济作物上[12-14],关于制种玉米调亏灌溉技术的研究鲜见报道。为此,特选择位于河西走廊中段的张掖市甘州区开展研究,立足于该地区的制种玉米特色产业,分别在苗期和拔节期进行不同水分梯度的膜下滴灌调亏试验,研究水分调亏对制种玉米生长动态、产量和水分利用效率的影响,旨在为高效节水灌溉技术在制种玉米上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年4—10月在甘肃省张掖市党寨镇田家闸村制种玉米水肥一体化综合示范基地(38°86′N、100°48′E)进行。试验区海拔1 474 m,属温带大陆性气候,年降水量仅148.3 mm,年蒸发量达2 093.8 mm,年均气温7.3 ℃,年无霜期120～140 d。试验地土壤为砂壤土,耕层(0～20 cm)土壤的田间持水量为27.3%,作物萎蔫系数为7.8%,土壤容重为1.38 g·cm-3,0～40 cm土层的有机质含量为15.91 g·kg-1,速效磷、碱解氮、速效钾含量分别为16.02、44.91、128.55 mg·kg-1,地下水埋深大于10 m。

1.2 试验设计

试验为大田试验,以制种玉米NC236为供试材料,种子由中种国际种子有限公司提供。

采取单因素试验设计,设苗期轻度(C1),苗期中度(C2),拔节期轻度(C3),拔节期中度(C4),苗期中度、拔节期轻度(C5),对照(CK)共6个处理。每处理设置3次重复,每个小区的面积50 m2(10 m×5 m)。

地表铺设滴灌带与地膜,地膜宽度1.2 m,膜与膜相互重叠5 cm,重叠处用土压盖严实,每膜种植2行。采用播种机穴播方式种植,种植密度为7.5×104株·hm-2,行距0.40 m,株距0.35 m。先种植母本,后分期种植父本。具体地,于2021年4月17日种植母本,4月24日和4月30日播种父本。2021年10月1日收获。基肥用量(折纯)统一为:N 120 kg·hm-2,P2O5145 kg·hm-2,K2O 80 kg·hm-2。此外,N肥追施(折纯)340 kg·hm-2,分别在拔节期、吐丝期、灌浆期按3∶4∶3的比例施入。

1.3 田间管理

基肥全部一次性施入,之后铺盖地膜保墒。测算计划湿润层(0～100 cm)土壤含水率占田间持水率的比例(θ),当其值低于各处理所设置的下限时进行灌水,使其维持在设定的区间(表1)。

表1 试验设计

1.4 测定项目与方法

1.4.1 叶面积指数与干物质积累量

按照制种玉米的生育特性,划分苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期、成熟期5个生育期。分别于5个生育期在每个小区取3株长势均匀的玉米带回室内,将玉米叶片剪下,测定长和宽,计算叶面积和叶面积指数(LAI)。将制种玉米样品于105 ℃杀青40 min,80 ℃下烘至恒重。

1.4.2 干物质积累量的拟合

参照李玉英等[15]的方法,使用逻辑斯谛(Logistic)方程对各生育期内制种玉米的干物质积累量进行拟合:

Y=k/(1+ea-rt)。

(1)

式(1)中:Y表示干物质积累量;t表示时间;k、a、r为待定参数。a/r即为制种玉米最大生长速率的出现时间。

1.4.3 产量及其构成要素

待制种玉米成熟后,于每个小区取10株带回室内测定果穗长度、行粒数、穗行数、穗粗、穗重、穗轴重等指标,自然风干后脱粒并计算产量。

1.4.4 土壤水分

在制种玉米生育期内,每间隔15 d在长势一致的2株玉米的中间位置取土,采用烘干法测定土壤含水量,测深100 cm,梯度为20 cm,共5个层次。基于式(2)计算土壤贮水量。

SWS=h×ρ×ω×10。

(2)

式(2)中:SWS为土壤贮水量,单位为mm;h为土层深度,单位为cm;ρ为土壤容重,单位为g·cm-3;ω为土壤含水量。

1.4.5 水分利用效率

采用田间水量平衡法计算制种玉米的耗水量:

(3)

式(3)中:Ea-b为制种玉米某生育阶段(时间点a～b)的耗水量,单位为mm;i为土层序号,n为土层总数;ri为第i层土壤的容重,单位为g·cm-3;Hi为第i层土壤的厚度,单位为cm;Wa,i、Wb,i分别为第i层土壤在该生育阶段始、末的含水量;M为该生育阶段内的灌水量,单位为mm;P为该生育阶段内的降水量,单位为mm;K为该生育阶段内地下水的补给量,单位为mm,由于试验区地下水埋深大于10 m,故在本研究中K=0;D为该生育阶段内的排水量,单位为mm,由于试验区内无径流排水,故在本研究中D=0。

用籽粒产量与生育期耗水量之比表征水分利用效率(WUE),用籽粒产量与生育期灌水量之比表征灌溉水利用效率,用全生育期耗水量与生育期持续天数之比表征耗水强度。

1.5 数据分析

用Excel 2010软件整理数据。用SPSS 19.0软件进行方差分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用LSD法进行多重比较。用Origin Pro 8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉对制种玉米叶面积指数的影响

随着制种玉米生育期的推移,叶面积指数呈现先增大后减小的趋势(图1)。各处理下,制种玉米的叶面积指数均于吐丝期达到最大值,随后,叶片不断衰老,叶面积指数不断下降。通过分析数据发现,制种玉米各生育期叶面积指数对水分亏缺的响应不同。苗期,处理C3、C4、CK的叶面积指数无显著差异,而C1、C2和C5处理分别较CK显著降低10.34%、16.09%和18.39%;拔节期至成熟期,处理C1的叶面积指数与CK始终无显著差异,而C5处理的叶面积指数始终较CK显著降低,降幅在5.12%～16.86%。

同列的多重比较结果中无相同字母的表示同一生育期处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 调亏灌溉对制种玉米单株干物质积累量的影响

干物质积累是产量形成的基础。制种玉米的单株干物质积累量随着生育期推移呈现持续递增的趋势,于成熟期达到最大值(图2)。各处理相比,整体来看,C1处理更利于促进玉米各生育阶段的干物质积累,且其效果在吐丝期至成熟期表现得最为明显,而其他水分调亏处理(C2～C5)的制种玉米单株干物质积累量在全生育期内均不高于,甚至显著低于CK。在苗期,仅C2处理的干物质积累量显著低于其他处理;而其他处理均无显著差异。之后,随着生育期的推移,各处理的干物质积累量变化较大,其中,C5处理在拔节期至成熟期的干物质积累量始终最小,且显著低于其他处理,与CK相比降幅在3.23%～19.98%,至成熟期其单株干物质积累量也仅有260.28 g。

柱上无相同字母的表示同一生育期处理间差异显著(P<0.05)。

将拟合的各处理下制种玉米干物质积累随天数变化的Logistic回归方程整理于表2,各回归方程的决定系数(R2)均达到0.99以上,说明所拟合的回归方程能够较好地模拟制种玉米干物质积累的动态变化。其中,C5处理的最大生长速率出现时间较其他处理前移1～2 d,而其他处理下制种玉米的最大生长速率出现时间无明显变化。

表2 不同调亏处理下制种玉米干物质积累的Logistic方程回归分析

2.3 调亏灌溉对制种玉米产量及其构成要素的影响

在玉米苗期和拔节期进行不同梯度的水分亏缺,对制种玉米的产量及其构成要素具有显著影响(表3)。不同调亏梯度下,制种玉米的果穗长度较CK显著降低1.42%～8.02%。C1处理的产量及其构成要素(除果穗长度外)与CK均无显著差异;而C2～C5处理的产量及其构成要素,除C3处理的行粒数和穗重外,均较CK显著降低,其中,行粒数降低7.14%～19.64%,穗行数降低10.71%～28.57%,穗粗降低2.63%～7.43%,穗重降低2.26%～5.61%,穗轴重降低9.67%～14.94%,产量降低7.07%～23.90%。

表3 调亏灌溉对制种玉米产量构成要素的影响

2.4 调亏灌溉对制种玉米水分利用的影响

2.4.1 全生育期耗水量

不同水分亏缺处理对制种玉米全生育期耗水量的影响不同(图3)。其中,C5处理的全生育期耗水量最低,较CK显著降低11.63%,其次为C4,较CK显著降低5.01%,而C1、C2、C3处理的全生育期耗水量与CK并无显著差异。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.4.2 水分利用效率与灌溉水利用效率

调亏灌溉对制种玉米的水分利用效率、灌溉水利用效率和耗水强度的影响不同(表4)。各处理相比,以C1处理的水分利用效率、灌溉水利用效率最高,但与CK差异不显著;C5处理的水分利用效率较CK显著降低13.33%;其他处理的水分利用效率和灌溉水利用效率与CK无显著差异。调亏处理下,C4、C5处理的耗水强度分别较CK显著降低4.98%、11.63%,其他处理与CK差异不显著。综上所述,调亏灌溉虽有助于降低制种玉米的耗水量,但过度的水分亏缺反而不利于制种玉米的产量形成,且会降低制种玉米的水分利用效率与灌溉水利用效率。

表4 调亏灌溉对制种玉米水分利用效率的影响

3 讨论

3.1 制种玉米叶面积指数和干物质积累对调亏灌溉的响应

水资源紧缺是制约北方旱区农业生产高效发展的瓶颈之一,如何在提高水分利用效率的同时增加作物产量,实现“水分-产量”最佳效应,是确保农业可持续发展的重中之重。膜下滴灌可根据作物不同阶段的需水耗水特性,将水分以小流量、高频率、缓慢均匀、定时定量的方式浸润土壤表层,降低农田蒸散发,改善作物生长环境[16]。研究表明,水分亏缺会影响作物生长,降低叶面积指数和干物质积累[17]。本研究表明,苗期轻度水分亏缺处理(C1)下,苗期至成熟期制种玉米的叶面积指数与CK始终差异不显著,单株干物质积累量在吐丝期和灌浆期显著高于CK,在其他时期与CK无显著差异。与之对比,苗期中度水分亏缺处理(C2)、拔节期轻度水分亏缺处理(C3)、拔节期中度水分亏缺处理(C4)、苗期中度+拔节期轻度水分亏缺处理(C5)的叶面积指数和单株干物质积累量在各生育期均不高于,甚至多数时候显著低于CK。邱新强等[18]研究表明,随着水分亏缺的加剧,夏玉米叶面积指数表现出下降趋势。冯惠玲[19]研究表明,苗期调亏处理和拔节期调亏处理的叶面积指数较对照分别降低3.6%～20.2%、6.6%～16.2%。王艳等[20]研究表明,苗期调亏处理对玉米叶面积指数和干物质积累的影响不显著,随着生育期推进,水分亏缺处理的叶面积指数和干物质积累低于对照。上述研究结果与本研究的结论相似,说明水分亏缺会影响制种玉米生长,且调亏程度愈大,对叶面积指数和干物质积累的影响越大,但不同试验的降幅各有差异。这可能与试验区气候、作物品种和水分亏缺程度有关。因此,调亏灌溉应结合作物品种、需水规律,及试验地的气候环境来确定最佳的调亏生育期和调亏程度。

3.2 制种玉米产量和水分利用对调亏灌溉的响应

水分是限制干旱区玉米生产的关键因素,对玉米的产量和水分利用效率均会产生影响[21-23]。本研究表明,苗期轻度水分亏缺处理的制种玉米产量、水分利用效率、灌溉水利用效率与CK均无显著差异。丁林等[24]研究表明,相较于常规膜下滴灌,调亏灌溉下制种玉米的产量提高9.0%,节水率提高5.6%,水分利用效率提高15.06%,证实调亏灌溉能够提高制种玉米的产量和水分利用效率,降低耗水量,达到节水增产的目的。本研究虽然也发现了类似的趋势,但差异未达到显著水平。这可能与作物品种和调亏梯度等因素有关。同时,本研究发现,苗期中度水分亏缺、拔节期轻度水分亏缺、拔节期中度水分亏缺、苗期中度+拔节期轻度水分亏缺处理下,制种玉米的产量及其构成要素较CK降低,其中,穗行数降低10.71%～28.57%,产量降低7.07%～23.90%。魏永霞等[25]研究表明,拔节期中度水分亏缺、苗期中度与拔节期轻度水分亏缺处理的玉米产量分别较CK降低23.47%、28.13%。孙继鹏等[26]研究表明,苗期中度、拔节期轻度、拔节期中度调亏处理的玉米产量较充分灌溉分别降低0.36%、16.60%、21.70%,水分利用效率降低2.06%～2.94%。这些研究的结果和本研究结论一致。综上,适时适度的水分亏缺在降低玉米耗水量的同时还能提高产量,但增幅有所差异,应结合试验区环境、作物和调亏程度来确定作物的最佳调亏时期。

4 结论

制种玉米苗期轻度水分亏缺,即苗期土壤含水量保持在田间持水量的60%～70%,其他生育期保持在田间持水量的70%～80%,既有助于提高产量,又有调高灌溉水利用效率和水分利用效率的潜力。