玉米调亏灌溉技术的研究现状及展望

杨倩 罗万琦

摘要 针对现代调亏灌溉技术的研究进展，本文系统地阐述了调亏灌溉的发展现状、作用机理、调亏时间及调亏程度，同时对调亏灌溉对玉米的生长发育指标、生理生化特性及产量品质的影响进行了讨论，发现在一定的时期对玉米进行合适的水分胁迫不仅能保证产量甚至增产，还能有效提高水分利用率。最后，在客观的基础上提出了玉米调亏灌溉在进一步的研究中需要解决的问题，分析了调亏灌溉技术在未来全球的应用趋势，并对玉米调亏灌溉技术的应用前景进行了展望。

关键词 玉米；调亏灌溉技术；水分利用率；研究现状；展望

中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）17-0019-03

调亏灌溉（regulated deficit irrigation，DRI）是一种有效利用作物对干旱的适应性产生的生理变化功能来达到节水目的的灌溉技术，由澳大利亚的持续灌溉农业研究所（Tatura中心）于20世纪70年代研究并命名[1]。调亏灌溉理念提出初期，研究多集中在果树方面[2-5]，较少涉及到粮食作物领域。直到20世纪90年代后期国内外的研究学者才开始对粮食作物的调亏灌溉进行研究[6-7]，近年来对玉米、小麦调亏灌溉的大量尝试性研究也基本证明了调亏灌溉能提高粮食作物水分利用率，同时达到保产或者增产的目的[8-9]。当前全球水资源短缺，农业用水量约占全球用水量的80%，需水量得不到满足，现代农业面临巨大挑战。伴随着全球范围内畜牧业以及农业的持续稳步发展，对玉米的需求同步激增，过大的需求量以及消耗量使得玉米在全球的库存低至联合国粮农组织确定的全球粮食安全警戒线。如何以有效的水资源获取高产量的玉米产品，已成为目前国内外众多学者的研究热点，并在大量尝试性研究之下取得众多成果。现就玉米调亏灌溉的研究现状及未来发展趋势展开综述。

1 调亏灌溉的作用机理

调亏灌溉全称为调控亏水度灌溉技术，是基于非充分灌溉发展起来的新型灌溉理念，但其不同于非充分灌溉。非充分灌溉重点在于结合作物整个生长发育期的水分利用效率与作物最终产量，力求灌溉区总效益最高[6-7]；而调亏灌溉基于作物的生理生化特征，人为作用在适当的发育期进行亏水處理，通过影响作物部分的生理生化特性，实现在保产、增产及保证作物质量的条件下，节约一定的用水量。调亏灌溉与非充分灌溉的不同之处在于选择合适的发育期对作物进行水分胁迫，迫使作物改变自身的生理生化特性来适应此阶段的水分亏缺，在不影响产量的基础上，使作物因发育期不同的水分供给而产生不同的光合作用产物，并进行分配，促使光合作物更多地流向人类可利用部位（果实、种子等）而减少向使用价值较低的部位（根、茎等）输送营养物质及有机物含量，从而在提高水分利用率的同时保证产量[1]。调亏灌溉能够维持甚至提高作物产量的关键作用机理是在后期补充灌溉后作物能产生一定的补偿效应[1，6-7]。

2 玉米调亏灌溉的研究进展

2.1 玉米调亏时期的确定

研究表明，玉米对水分的敏感系数因发育期的不同而随之变化[6]，因而明确调亏灌溉的作用时期是其能成功发挥作用的关键因素之一[7]。从现有研究来看[10-15]，玉米的发育期普遍分为苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期。王密侠等[11]对玉米苗期与拔节期进行水分亏缺研究发现，适当的水分亏缺能增强玉米的抗旱能力，在改善作物品质的同时提高水分利用率。邹兵兵等[10]研究发现，玉米对水分亏缺的敏感指数在抽雄期达到最大值0.672 7，拔节期敏感指数为0.394 7，次于抽雄期。因此，在拔节期和抽雄期进行水分亏缺会造成玉米产量的大量减少，应进行充分灌溉满足此阶段水分需求，以确保后期玉米的果实等部位干物质的积累。王柏[12]在研究不同发育期水分亏缺对寒地黑土区玉米生长影响时发现，在拔节期减少供水量影响玉米的株高，而在苗期和拔节期则对茎粗影响较大。陈其鲜等[13]研究发现，在对土壤水分变化较为敏感的沙地，玉米在拔节期进行水分亏缺处理将会使玉米光合能力显著下降，有机物积累量减少。吕凤华等[14]研究发现，玉米在拔节期或灌浆期进行中度、重度水分亏缺处理将降低叶片的生长发育能力，即使在复水处理后存在明显的光合补偿作用，也会使玉米产量减少。白向历等[15]则指出，玉米减产是对不同发育期进行亏水处理的必然结果，其中在抽雄期作用减产最多，拔节期次之，而苗期较轻。以上研究大多证明了玉米在苗期抗旱性较强，在此发育期进行适当的水分亏缺处理能增强抗旱能力，提高水分利用率。这是由于苗期亏缺能使水分和营养物质分配倾向植物根系，从而为后期水分输送、营养物质合成提供条件。而拔节期和抽雄期植株大量合成有机质，是玉米需水需肥的生长阶段，在此阶段不建议进行调亏灌溉。同时郭相平等[16]也指出，在苗期调亏不宜过早，否则水分胁迫将对幼苗根系的生长产生伤害，影响复水后补偿效应，导致干物质积累减少。

2.2 玉米调亏灌溉亏缺度的确定

除要确定适当的调亏时期之外，水分亏缺程度也将对作物的生长发育、干物质积累产生较大的影响，适宜的亏缺度将使作物的产量及水分利用率等得到改善[17]。但由于作物的生理生化特性在各个生长阶段存在差异，加之种植区域条件和气候条件的不同，水分亏缺度的确定并没有一个明确的选择标准，而是应该因地制宜[18]。

康绍忠等[8]考虑产量和水分利用率，提出玉米苗期土壤含水率为田间持水量的50%～60%、拔节期为60%～70%能得到最高的效益。邹兵兵等[19]采用PPC模型，基于RAGA分析不同的水分亏缺模型，结果表明，对于玉米苗期最佳亏缺度为田间持水量的60%。孙继鹏等[20]对调亏灌溉中根、冠的整体功能进行试验发现，在进行苗期中度水分亏缺（即控制含水量在田间持水量的60%以下）能够节水、增产。而谭国波等[21]指出，在苗期蹲苗以及促进根生长的土壤含水量最低为田间持水量的50%，在拔节期作物正常生长及有机质充分积累的土壤含水量不应低于田间持水量的70%。张 群等[22]则在研究膜上调亏灌溉对制种玉米的效应时发现，在抽雄期轻度水分亏缺（维持灌水下限为田间持水量的70%）最有利于提高水分生产效率及提高籽粒产量。熊 健等[23]则发现，在保墒措施基础上于灌浆期进行适宜的调亏灌溉（维持含水量在田间持水量的70%）能使玉米产量及水分利用率最大化。从众多研究来看，亏缺度较难有一个统一的标准，由于气候、种植区域、种植条件等的差异，试验结果仍有多种不同方案。大量分析研究发现，大多数结论倾向于在玉米的苗期进行轻度到中度的水分亏缺能有效提高其水分利用率，维持产量。这是因为在此阶段进行水分亏缺虽然在量上抑制根系生长，但能提高根系活力，在后期复水后的生长具有较强的补偿效应[16]；另外，采取恰当的保墒措施和施肥方案将使后期补偿作用增强，助力调亏灌溉效益[12，22-26]。而过度的水分胁迫将对玉米产生不可恢复的伤害，在任何生长条件下都将对玉米的生长发育、产量及水分利用率造成不利影响[15]。这一结论对于任何地区、任何品种以及任何发育阶段的玉米调亏灌溉都有重要指导意义。

2.3 调亏灌溉对玉米生长发育指标及产量和品质的影响

玉米产量高、品质好是玉米进行调亏灌溉的最重要目的，基于不同的土壤水分含量将对玉米的生长发育、生理生化特性以及产量、品质等产生影响的结论，调亏灌溉技术适用于玉米种植，并可提高玉米产量和品质的事实已经得到验证[11，27-29]。

2.3.1 生长发育指标。王密侠等[30]发现，与不进行水分亏缺处理的玉米植株相比，在苗期进行中度亏水处理（土壤含水量为田间持水量的50%～60%）时的根冠增大了23.14%，而在拔节期进行轻度亏水处理（土壤含水量为田间持水量的60%～70%）时的根冠比增大了43.00%。郭相平等[16]研究结果表明，调亏灌溉能够在减少根系干物质积累的同时提高根冠比、增加平均根长及减少单株作物的根系来保证根系活力，确保补偿效应对最终产量产生积极影响。杨德光等[31]指出，水分胁迫后降低了杂交玉米品种的产量，抽雄期水分胁迫造成花期吐丝困难，水分亏缺处理使穗粒发育受到明显的影响，而此期光合作用受到抑制减少了同化产物的供应，从而加重了这种影响。邹兵兵等[10]研究发现，植株生长前期中度或轻度的水分调控可以通过提高茎粗来增强抗倒伏能力，而苗期、拔节期连续重度水分亏缺会使复水正常灌溉后的抽雄期茎粗减小，减弱玉米植株的抗倒伏能力。

2.3.2 生理生化特性。玉米的生理生化活性是影响玉米生长和干物质积累的重要指标。胡笑涛等[32]等通过模拟调亏灌溉试验发现，在适宜的水分范围内调亏处理有利于刺激玉米根系的生长，同时减小叶片蒸腾速率，因而可以减少水量的供应。孟兆江等[33]采用子母盆栽培法对夏玉米进行试验发现，适时、适度的调亏处理能够在降低蒸腾速率的同时维持正常的光合速率，并且在复水后提高光合速率，对果实籽粒部位的干物质产生补偿积累，达到增产的效果。而刘小刚等[34]进行玉米盆栽试验发现，某一生长阶段水分亏缺导致玉米叶绿素含量降低，降低光合作用，从而限制了干物质的积累，但叶片内的游离脯氨酸含量升高，说明作物对干旱的适应能力增强。张立新等[35]通过玉米盆栽试验发现，抗旱与不抗旱品种在长期的水分胁迫下会引起叶绿素含量的降低，在抽雄期叶绿素含量降低最为显著，且不抗旱品种较抗旱品种降低的更多，导致后期光合作用干物质积累减少；为缓解叶绿素含量减少引起的减产，可适当增施氮肥和钾肥以增强作物抗旱性、改善光合特性。

2.3.3 玉米产量及品质。水分亏缺是影响玉米籽粒产量的重要因素之一[36-37]。充分灌水处理的产量不一定是最佳的，通常在水分供给较充足的年代，玉米产量随需水量的变化成线性相关，而在较差年代则多成抛物线关系。在不同发育时期水量对玉米产量的影响效应不同，拔节期至灌浆期为作物生长旺盛大量需水时期，应保证充分的田间含水量来增加玉米产量[38]。张 群等[22]在基本满足玉米的水分需求基础上进行调亏灌溉发现，在苗期、拔节期进行适当水分亏缺处理可提高籽粒产量。王密侠等[30]指出，玉米苗期调亏节水效益显著且对产量影响不大，拔节期实行中轻度调亏处理可达到节水、效益显著、减产很少或基本不减产的目的。曲祥民等[39]研究发现，在苗期进行轻度亏水外加中度氮肥处理会增加玉米百粒重（高达37.84 g），使玉米颗粒更加饱满，在此基础上获得同比于其他条件下最高的玉米产量（12 338 kg/hm2）。杨德光等[31]在抽雄期对杂交玉米品种进行中度水分胁迫发现，多个品种玉米叶绿素相对含量相应下降，其下降程度在50%～60%之间，直接导致干物质的积累减少，玉米的产量降低。王 平等[40]通过研究不同灌水模式对夏玉米水分利用效率和产量的影响发现，丰水处理的模式能够积累大量的干物质，但干物质储存固定，难以向籽粒中再运转，水分利用率较低；最佳的灌溉模式应该是在调亏灌溉的基础上维持田间相对含水量为80%，才能够获得较高的產量（9 747.29 kg/hm2）。从以上研究成果来看，玉米在苗期进行不同程度的调亏灌溉能够获得不同的保产或者增产效应；结合不同试验，考虑此阶段的调亏下限为40%的相对田间含水量，而拔节期的调亏效应次之，在维持最低为60%的田间含水量时能够基本达到不减产的程度。而由于抽雄期对水分缺失的敏感系数最高，在此阶段不宜进行调亏灌溉；否则，将导致较大幅度减产。

2.4 调亏灌溉对玉米水分利用率的影响

水分利用效率（water use efficiency，WUE）用以描述植株耗水量与干物质积累之间的关系，是指植物在生长发育的过程中每消耗单位水分所积累干物质的量。提高水分利用效率是调亏灌溉的重要目的之一，并且多从单叶、植株及群体3个方面来反映耗水量与干物质积累的比重[41-43]，在现代灌溉评价中通常采用前2种。熊 健等[23]研究结果表明，采用M-W4保墒调亏处理的产量和水分利用效率均最大，分别为17 555.02 kg/hm2和3.77 kg/m2；该处理能够较显著地减少玉米全生育期内的耗水量来提高水分利用效率，从而提高玉米的经济产量。王 艳等[26]在对比不同灌溉处理对玉米生长状况的影响中发现，采用75%相对田间含水量进行调亏处理的植株绝对产量较充分灌溉下降6%，且降低用水量25%，水分利用效率较高。孟兆江等[33]研究指出，在拔节期进行60%～65%的调亏处理时，水分利用效率相比于土壤相对含水量为75%能提高45.05%，而产量增加25.24%，达到节水增产的效果。张正[44]在研究制种玉米的调亏灌溉时同样发现，在拔节期进行适度的调亏灌溉能够显著提高水分利用率。不同区域、不同生长阶段、不同品种的玉米对水分亏缺的适应程度不同，整体上认为在苗期与拔节期进行相应程度的亏水处理能够提高水分利用率，结合不同区域的地理位置及玉米自身特性，能够实现最高的经济效益。

3 玉米调亏灌溉需进一步研究的问题

我国玉米种植大面积分布在北方地区，而水量不足是我国北方干旱半干旱地区农业发展的主要限制因素。研究不同调亏灌溉条件下玉米生理生化特征的变化，能够人为增强玉米抗旱与抗倒伏能力、增加籽粒产量以及改善生态环境，同时对科学合理地利用水资源、发展节水灌溉等发挥重要的生态作用。从众多研究得出的调亏灌溉能够实现玉米及其他农作物节水增产的效果来看，调亏灌溉技术在未来的发展中将得到广泛的应用。但由于调亏技术在我国应用的较晚，而近年来的研究也多倾向于小麦的调亏研究，对于玉米调亏灌溉还存在一些有待进一步研究的问题。

3.1 完善的玉米调亏灌溉体系

系统的调亏灌溉应该是一个基于不同的灌溉方式，正确计算水分亏缺时间、亏水程度，合理设计历时并对玉米水分状态进行监控等的完备技术体系。而从目前的大量研究来看，国内的大田作物尤其是玉米调亏灌溉研究还处于不成熟的阶段，在大多试验中都存在未对玉米需水信息和玉米各阶段体内水分变化进行监测分析等问题。应进一步建立完善的玉米调亏灌溉体系，同时对于区域的差异，也应建立不同的体系。

3.2 玉米调亏灌溉与养分利用的关系

调亏灌溉技术中的水分利用率与养分利用间关系紧密且复杂，水能养肥的同时，养分也能促进作物对水分的吸收调节。近年来，国内外已开始研究玉米调亏灌溉与养分利用之间的关系，但研究成果较少。目前较多研究局限于氮肥与调亏灌溉之间的联系，而对钾肥、磷肥等对玉米调亏效果的影响则较少涉及。应进一步扩大范围研究玉米养分高效利用与调亏灌溉的关系，进一步发挥出调亏灌溉的效益。

3.3 调亏灌溉对玉米营养物质的影响

众多研究成果已经表明，适当的调亏灌溉能够增加玉米的产量并提高品质；也有研究[44]发现，控水对制种玉米的蛋白质和淀粉含量并无显著影响，关于水分亏缺影响玉米质量的内在机制尚存谜团，目前也较少有研究涉及该方面。而深入研究调亏灌溉与玉米营养物质之间的关系对于明确玉米生长发育的具体情况、进一步深化研究具有重要的意义。

3.4 玉米调亏灌溉与现代信息技术的结合

为顺应时代及科技的发展，结合现代互联网信息技术、3S技术、热脉冲技术等现代科技来发展玉米调亏灌溉技术，将高效推动现代节水灌溉技术发展，促进玉米调亏灌溉的高效节水、提高水分利用率。也将在玉米灌溉管理中节约人力、物力和自然资源，推动现代社会可持续发展。

4 展望

随着地球生态环境日渐恶化、水资源短缺等问题日益突出，全球大多数的玉米种植地区存在供水不足、产量低下的问题。不仅人口的增长提高了对玉米的需求，农业、畜牧业的发展也严重依赖于玉米产量，而作为目前可持续发展能源的重要原料之一，玉米秸秆对生态改善、土壤保墒等也起着重要作用。在整个社会对玉米高需求的背景下，将调亏灌溉广泛应用到玉米种植中意义重大，并随着科技进步，玉米调亏灌溉体系将不断与现代高科技技术结合，进一步系统化、高效化、智能化，这将为精准控制玉米产量与品质、推动社会可持续发展提供有力支撑。

5 参考文献

[1] 庞秀明，康绍忠，王密侠.作物调亏灌溉理论与技术研究动态及其展望[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2005（6）：141-146.

[2] 马福生，康绍忠，王密侠.果树调亏灌溉技术的研究现状与展望[J].干旱地区农业研究，2005，23（4）：225-228.

[3] 孙宏勇，张喜英，邵立威.调亏灌溉在果树上应用的研究进展[J].中国生态农业学报，2009，17（6）：1288-1291.

[4] MITCHELL P D，JERIE P H，CHALMERS D J.The effects of regulated water deficits on pear tree growth，flower，fruit growth and yield[J].J Amer Soc Hort Sci，1984，109：604-606.

[5] PETER D，MITCHELL，IAN G.Irrigation of vine sand fruit trees[M].Mad-urai：AG Media，1996.

[6] 李雅善，趙现华，王华，等.葡萄调亏灌溉技术的研究现状与展望[J].干旱地区农业研究，2013，31（1）：236-241.

[7] 郭松年，丁林，王福霞.作物调亏灌溉理论与技术研究进展及发展趋势[J].中国农村水利水电，2009（8）：12-16.

[8] 康绍忠，史文娟，胡笑涛，等.调亏灌溉对于玉米生理指标及水分利用效率的影响[J].农业工程学报，1998（4）：88-93.

[9] 张喜英，由懋正，王新元.冬小麦调亏灌溉制度田间试验研究初报[J].生态农业研究，1998（3）：35-38.

[10] 邹兵兵，魏永霞，王存国，等.寒地黑土区玉米调亏灌溉耗水规律的试验研究[J].中国农村水利水电，2014（5）：53-56.

[11] 王密侠，康绍忠，蔡焕杰，等.玉米调亏灌溉节水调控机理研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2004（12）：87-90.

[12] 王柏.寒地黑土玉米调亏灌溉和水氮耦合效应研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2013.

[13] 陈其鲜，杨琴，任书生.拔节期水分亏缺对沙地农田玉米光合特性及物质积累的影响[J].水土保持通报，2015，35（4）：91-96.

[14] 吕凤华，谭国波.玉米不同时期水分胁迫对产量和光合生理的影响[J].吉林农业科学，2011，36（3）：7-8.

[15] 白向历，孙世贤，杨国航，等.不同发育时期水分胁迫对玉米产量及生长发育的影响[J].玉米科学，2009，17（2）：60-63.

[16] 郭相平，康绍忠，索丽生.苗期调亏处理对玉米根系生长影响的试验研究[J].灌溉排水，2001（1）：25-27.

[17] 蔡大鑫，沈能展，崔振才.调亏灌溉对作物生理生态特征影响的研究进展[J].东北农业大学学报，2004（2）：239-243.

[18] 蔡焕杰，康绍忠，张振华，等.作物调亏灌溉的适宜时间与调亏程度的研究[J].农业工程学报，2000（3）：24-27.

[19] 邹兵兵，魏永霞，王敏.基于RAGA的PPC模型在黑土区玉米调亏灌溉评价中的应用[J].节水灌溉，2015（3）：81-84.

[20] 孙继鹏，魏永霞，王艳阳.黑龙江西部玉米调亏灌溉的节水增产效应[J].农机化研究，2016，38（4）：180-184.

[21] 谭国波，张丽华，赵洪祥，等.玉米苗期和拔节期调亏灌溉技术研究[J].吉林农业科学，2014，39（6）：6-8.

[22] 张群，成自勇，张芮，等.膜上调亏灌溉对制种玉米产量的影响[J].灌溉排水学报，2012，31（1）：141-142.

[23] 熊建，王忠波，张忠学，等.保墒措施和调亏灌溉对寒区春玉米生长及产量和水分利用效率的影响[J].灌溉排水学报，2018，37（2）：6-15.

[24] 王柏，李芳花，黄彦，等.寒地黑土区玉米高效调亏灌溉制度的试验研究[J].灌溉排水学报，2013，32（1）：113-115.

[25] 韦彩会，李伏生，许春辉，等.调亏灌溉及施肥对玉米干物质积累和相关生理性状的影响[J].干旱地区农业研究，2010，28（4）：76-84.

[26] 王艳，张佳宝，张丛志，等.不同灌溉处理对玉米生长及水分利用效率的影响[J].灌溉排水学报，2008（5）：41-44.

[27] 刘安能，孟兆江.玉米调亏灌溉效应及其优化农艺措施[J].农业工程学报，1999（3）：107-112.

[28] 郭相平，刘才良，邵孝侯，等.调亏灌溉对玉米需水规律和水分生产效率的影响[J].干旱地区农业研究，1999（3）：92-96.

[29] KANG S Z，SHI W J，ZHANG J H.An improved water-use efficiency for maize grown under regulated deficit irrigation[J].Field Crops Reseach，2000，67：207-214.

[30] 王密俠，康绍忠，蔡焕杰，等.调亏对玉米生态特性及产量的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2000（1）：36-41.

[31] 杨德光，沈秀瑛，赵天宏，等.水分胁迫对不同抗旱性玉米杂交种产量和光合作用的影响[J].天津农学院学报，2002（1）：22-25.

[32] 胡笑涛，梁宗锁，康绍忠，等.模拟调亏灌溉对玉米根系生长及水分利用效率的影响[J].灌溉排水，1998（2）：11-15.

[33] 孟兆江，卞新民，刘安能，等.调亏灌溉对夏玉米光合生理特性的影响[J].水土保持学报，2006（3）：182-186.

[34] 刘小刚，张富仓，杨启良，等.玉米叶绿素、脯氨酸、根系活力对调亏灌溉和氮肥处理的响应[J].华北农学报，2009，24（4）：106-111.

[35] 张立新，李生秀.长期水分胁迫下氮、钾对夏玉米叶片光合特性的影响[J].植物营养与肥料学报，2009，15（1）：82-90.

[36] 肖俊夫，刘战东，陈玉民.中国玉米需水量与需水规律研究[J].玉米科学，2008（4）：21-25.

[37] 邹瑜.玉米的需水规律及灌溉[J].科技传播，2011（15）：67.

[38] 王炳英，李援农，谢建波.覆膜种植夏玉米需水规律的试验研究[J].水利与建筑工程学报，2007（3）：16-18.

[39] 曲祥民，司振江，李芳花，等.水分亏缺与施氮耦合对玉米生长和产量的影响[J].灌溉排水学报，2013，32（6）：128-129.

[40] 王平，陈举林，王均华，等.灌水模式对夏玉米耗水特性和干物质积累及分配的影响[J].中国农学通报，2013，29（24）：20-27.

[41] STANHILL G.Water use efficiency[J].Adv Agron，1986，39：53-85.

[42] 山仑.干旱地区植物水分利用效率和农业水的应用[J].植物生理学通讯，1994，30（1）：61-66.

[43] 房全孝，陈雨海，李全起，等.灌溉对冬小麦水分利用效率的影响研究[J].农业工程学报，2004，20（4）：34-39.

[44] 张正.制种玉米调亏灌溉效应研究[D].兰州：甘肃农业大学，2012.