应用缺次灌溉和半产需水量模型鉴定玉米杂交种的抗旱性

唐怀君，谢小清，张 磊，孙宝成，周芳芝，刘 成

(1.新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院墨玉试验站，新疆墨玉 848100)

0 引 言

【研究意义】干旱是影响作物生长发育，造成作物减产的主要非生物胁迫因子之一[1-2]，每年因旱灾给我国玉米产量造成了巨大损失[3]。抗旱性也是品种稳产的重要体现。玉米的抗旱性具有阶段性，在不同生育期抗旱性不同；玉米抗旱性也具有自我调整性，早期轻度干旱胁迫能够促进玉米根系的生长，有利于增强后续生育阶段的抗旱性。充分灌水条件下玉米杂交种的最大产量(Ym，maximum yield )反映品种的丰产性。半产需水量(Wh, Water needed for half-yield)是维持玉米产量一半所需的灌水总量，反映品种的抗旱性。Wh数值越小，抗旱性越强。在以往的抗旱性研究中，抗旱性鉴定结果因胁迫时期、胁迫强度、持续时间及品种不同而不同[4]。玉米全生育期的抗旱性取决于各阶段抗旱性，阶段抗旱性的研究对于玉米灌溉决策至关重要；研究玉米不同时期缺水对玉米产量的影响规律十分必要。鉴定和评价玉米抗旱性，对我国玉米生产的稳产性具有重要意义。【前人研究进展】作物模型作为大田试验研究方法的补充,是农业研究中的重要工具[5-6]。胡玉昆等[7]探讨了利用作物模型估算农业需水量的方法，在对DSSAT模型进行充分校正和验证的基础上估算了农业需水量在不同降雨典型年份的变异性。马波等[8]在分析已有作物生长模拟模型研究存在问题的基础上，提出了作物生长模拟模型研究的发展趋势。近年来，灌溉决策研究中采用了神经网络等复杂的数学模型，但更广泛的是采用简便的加法和乘法模型，如Blank、Stewart、Singh、Jensen、Minhas、Hanks等经典模型[9]。【本研究切入点】因为拟合数据经常出现参数为负的情况，刘成等[9]在分析玉米产量和水分关系的基础上，推导出产量和水分的非线性幂指数饱和理论模型(半产需水量模型)，在梯度缺次灌水条件下能够精细评价玉米的抗旱性，对模型的实际应用介绍不足。研究玉米杂交种产量数据与累计灌水量关系，验证半产需水量模型的有效性。【拟解决的关键问题】试验以6个新疆主推的玉米杂交品种为试验材料，在缺次灌水条件下，采用梯度缺次灌水试验方法，介绍和计算半产需水量参数，为玉米杂交种的抗旱性精细鉴定提供方法案例。

1 材料与方法

1.1 材 料

2017年应用梯度缺次灌溉试验方法鉴定玉米杂交种的抗旱性。材料为新疆主栽的玉米杂交种6个，分别为：郑单958、先玉335、新玉33号、新玉54号、新玉67号和新玉69号。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验在新疆农业科学院安宁渠试验场进行。灌水时期分别为播种后1 d、拔节初、抽雄、吐丝、灌浆初、灌浆中期和灌浆末期。梯度缺次灌水方案中，处理T1共灌水1次，只在播种后第2 d灌水1次；处理T2共灌水2次，是在T1的基础上拔节期增加1次灌水；处理T3共灌水3次，是在T2的基础上抽雄期增加1次灌水；处理T4共灌水4次,是在T3的基础上散粉期增加1次灌水；处理T5共灌水5次，是在T4的基础上灌浆初期增加1次灌水；处理T6共灌水6次,是在T5的基础上灌浆中期增加1次灌水；T7(CK)共灌水7次，是在T6的基础上灌浆末期增加1次灌水。表1

表1 抗旱性鉴定梯度灌水方案

Table 1 Gradient Irrigation scheme for the test of drought resistance identification (m3/hm2)

每个材料在T1～T7处理区中分别种植6行，3次重复，重复间随机排列，每个处理共种植18行。行长3 m，行距0.55 m，株距0.3 m，种植密度60 600株/hm2，不同水分处理区之间及四周均设置5 m以上水分隔离带。

1.2.2 测定指标

收获后测定小区产量和籽粒含水量，除以株数并折算成14%含水量的标准单株产量。折算公式：14%含水量的单株产量=实测单株产量×(100-实际含水量)/(100-14)。计算3次重复平均值，折算成不同灌水量处理的公顷产量。

1.3 数据处理

采用Excel 2010中的规划求解，确定非线性幂指数饱和模型[9]Y=Ym×Wk/(Wk+Whk) 中的Ym(充分灌水的产量)、Wh(半产需水量)和K(水分敏感系数)的参数值。采用STATISTICA10.28统计软件对模型的计算值和实际测定值进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 缺次灌溉下玉米杂交种的平均产量和模型拟合

将6个玉米杂交种在不同水分处理条件下的小区产量计算出3次重复的平均值，并折算成14 %含水量的每公顷产量。结果表明，郑单958在T1～T7处理的平均产量分别为5 356.9、8 584.9、9 361.9、11 603.8、11 860.0、12 966.5、11 595.8 kg/hm2；先玉335在T1～T7处理的平均产量分别为7 272.0、9 700.2、11 797.7、12 284.5、14 015.4、13 490.1、14 218.4 kg/hm2；新玉33号在T1～T7处理的平均产量分别为5 151.0、7 684.2、9 884.2、10 517.7、12 014.5、12 561.6、12 666.7 kg/hm2；新玉54号在T1～T7处理的平均产量分别为5 454.0、7 831.8、7 969.2、9 231.7、9 963.6、9 336.2、9 224.2 kg/hm2；新玉67号在T1～T7处理的平均产量分别为6 060.0、9 213.2、10 605.0、11 053.4、13 259.7、13 257.7、12 976.8 kg/hm2；新玉69号在T1～T7处理的平均产量分别为5 454.0、8 352.1、9 024.5、10 642.5、11 681.6、11 715.1、12 370.6 kg/hm2。表2

表2 供试玉米杂交种平均产量
Table 2 Average yield of the tested hybrid species

处理Treat灌水量Irrigation Water(m3/hm2)平均产量 Average Yield(kg/hm2)郑单958zhengdan958先玉335xianyu335新玉33号xinyu33新玉54号xinyu54新玉67号xinyu67新玉69号xinyu69T11 050.75 356.97 272.05 151.05 454.06 060.05 454.0T21725.78 584.99 700.27 684.27 831.89 213.28 352.1T32 400.69 361.911 797.79 884.27 969.210 605.09 024.5T43 451.311 603.812 284.510 517.79 231.711 053.410 642.5T54 351.311 860.014 015.412 014.59 963.613 259.711 681.6T65 251.212 966.513 490.112 561.69 336.213 257.711 715.1T76 000.411 595.814 218.412 666.79 224.212 976.812 370.6

以实际测定的产量数据为因变量(Y)，以累计灌水量(W)数据为自变量，用非线性幂指数饱和模型Y=Ym×Wk/(Wk+Whk) 进行试验数据拟合，利用Excel的规划求解功能，求出模型参数Ym、Wh、k的值。图1

研究表明，非线性幂指数饱和模型对产量-水分的关系能很好地拟合试验数据，模型计算值和产量实际值的相关系数为0.968～0.994，平均值为0.984，相关性均达到极显著水平。表3

表3 供试杂交种的模型参数相关系数
Table 3 Model parameters and correlation coefficients of the tested hybrid species

品种Varieties模型参数 Model ParametersYm (kg/hm2)Wh (m3/hm2)K 拟合相关系数Correlation coefficient郑单958 Zhengdan95813 080.81 277.41.840.978**先玉335 Xianyu33515 460.21 150.81.420.988**新玉33号 Xinyu3314 417.41 550.61.490.994**新玉54号 Xinyu549 760.9928.42.010.968**新玉67号 Xinyu6714 434.51 264.71.550.982**新玉69号 Xinyu6914 024.01 423.71.340.993**平均 Average13 529.61 265.91.610.984**

2.2 缺次灌溉下玉米杂交种产量与累计灌水量关系

研究表明，6个玉米杂交种在缺次灌溉试验中，随着累计灌水量的增加，产量依次提高。累计灌水量在0～2 600 m3/hm2水平时增加幅度较大；高于2 600 m3/hm2水平时，产量的增加幅度较小，且在累计灌水量达到5 200 m3/hm2时产量趋于最大化。产量随水分的增加呈现饱和曲线趋势。图1

图1 玉米杂交种的产量与累计供水量关系
Fig.1 Relationship between maize yield and accumulative water amount

2.3 缺次灌溉下玉米杂交种的产量和抗旱性变化

研究表明，在充分灌水条件下Ym从大到小的品种顺序是：先玉335(15 460.2)、新玉67号(14 434.5)、新玉33号(14 417.4)、新玉69号(14 024.0)、郑单958(13 080.8)和新玉54号(9 760.9 kg/hm2)。其中，新玉54号生育期95 d，为早熟玉米，产量最低；其它5个中晚熟品种中先玉335产量最高。图2

图2 充分灌水的最大产量Ym (kg/hm2)

Fig.2 Maximum yield if saturated irrigation

研究表明，Wh从小到大的品种排列顺序是：新玉54号(928.4)、先玉335(1 150.8)、新玉67号(1 264.7)、郑单958(1 277.4)、新玉69号(1 423.7)和新玉33号(1 550.6)，除了新玉54号早熟品种需水少外，其它5个中晚熟品种中，先玉335的半产需水量最少，表现出较高的抗旱性和水分利用效率。图3

图3 半产需水量Wh (m3/ hm2)

Fig.3 Water needed for Half-yield

2.4 缺次灌溉下玉米杂交种抗旱丰产性的筛选

以Ym和Wh的平均值为界划分为4个象限。第I象限是产量较高但用水较多的品种(新玉33号、新玉69号、新玉67号)，第Ⅱ象限是产量较低且用水较多的品种(郑单958)，第Ⅲ象限是产量较低但抗旱的品种(新玉54号)，第Ⅳ象限是高产且抗旱性强的品种(先玉335)。其中，早熟品种新玉54号在7月高温干旱之前完成授粉，具有最小的半产需水量，因为早熟产量也较低。

依据玉米杂交种的丰产性和抗旱性综合考虑得到品种从大到小的排列顺序为先玉335、新玉67号、新玉33号、新玉69号、郑单958、新玉54号。图4

图4 丰产性与抗旱性的Ym-Wh

3 讨 论

玉米是农作物中需水较多，在不同生育时期对水分胁迫的反应不同。有研究表明，苗期抗旱性较强，孕穗期至开花期对水分胁迫最敏感，拔节期相对较轻[10]。以往研究大多集中在某一生育时期[11-13]或玉米种植中的水分利用效率、耗水量和耗水规律、农艺节水措施、水分对产量和生理生化特性的影响等方面[12]，郑利均[13]研究认为玉米产量与灌水定额呈二次函数关系。研究表明，在缺次灌水条件下，6个玉米材料的产量随着累计灌水总量的增加而提高，呈现典型的饱和曲线趋势，这与前人的研究结果相似；这个关系能用非线性幂指数饱和模型很好地拟合，模型计算值和产量实际值的相关性在0.968～0.994，均达到了极显著水平。

干旱是造成中国北方玉米产量低而不稳的重要原因[14]，干旱胁迫可导致玉米生长发育缓慢，随着干旱程度增大，作物生长受抑加重，减产加剧[15]，减产程度因胁迫时期、胁迫强度、持续时间及品种不同而不同[4]。以往玉米抗旱材料的鉴定和评价多集中在开花期干旱胁迫[11]，但不同材料的生育期相差很大，开花期不一致，很难确定胁迫处理的时间；开花期胁迫鉴定结果无法代表其它生育期的抗旱性，即便获得了不同生育期的抗旱性，因为阶段抗旱性系数大小不同，也无法对品种全生育期抗旱性做定论，材料在全生育期和不同生育期的抗旱性鉴定研究力度仍然不足。为确保玉米抗旱性鉴定和评价的准确性，该文以实例介绍了缺次灌水和非线性幂指数饱和模型分析法。当灌水量减少时，产量随之下降；当灌水量增加时，产量随之增加。但半产需水量参数是品种抗旱性的一个综合指标，不会随着灌水量的变化有大的变化，因此，这一参数能够反映玉米杂交种的全生育期抗旱性，可用于鉴定和对比品种的产量潜力和抗旱性。

4 结 论

缺次灌水条件下，玉米杂交种的产量随着累积灌水量的增加而提高，但灌水量在5 200 m3/hm2时产量趋于最大；非线性幂指数饱和模型对产量-水分的关系有较好的拟合度；模型计算值和产量实际值的相关系数为0.968～0.994，相关性均达到了极显著水平；依据玉米杂交种的丰产性和抗旱性综合考虑得到品种从大到小的排列顺序为先玉335、新玉67号、新玉33号、新玉69号、郑单958、新玉54号。非线性幂指数饱和模型有较好的拟合度，符合玉米杂交种产量水分关系。其中，半产需水量是一个重要的抗旱性指标，结合梯度缺次灌溉方法，可用于玉米杂交种的精细鉴定评价中。

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