辽西半干旱区浅埋滴灌对春玉米生长的影响

谷 健,孙占祥,尹光华,马宁宁,王子豪,3,郭金路,3,刘泳圻

(1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所,辽宁 沈阳 110161; 2.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016; 3.中国科学院大学,北京 100049; 4.沈阳农业大学,辽宁 沈阳 110866)

水资源是人类求得自身生存和从事生产活动所倚仗的基础性资源,同时亦是维持生态系统健康稳定和社会经济可持续发展的重要自然资源之一(王浩等,2002)。但水资源的有限性和无可替代性,加之全球人口的急剧增加和经济全球化趋势的无可避免,水资源对人类来说就更为弥足珍贵,迫在眉睫的水资源短缺问题已备受世界各国的高度重视(姜文来,2001)。

农业生产用水是人类消耗水资源的主体,占到了淡水使用量的70%(王西琴等,2016),在满足当前用水需求和不威胁后代生存的前提下,受经济、社会、人口和环境等多种因素的共同影响,农业用水量无可避免地会呈平稳变化甚至削减之势。因此,如何对有限的水资源实现高效利用,减少农业用水的进一步消耗已成为国际性的研究问题,多数国家已相继开展了大量的农业高效用水研究,并取得了一系列卓有成效的进展(康绍忠等,1997;史文娟等,1998)。针对传统膜下滴灌、地表滴管的滴灌带易老化、灌溉水蒸发严重、不便于田间操作等缺点,有学者提出了浅埋滴灌这一概念,将滴灌带埋设深度设为3～5 cm,可起到减少水分蒸发、薄膜污染等作用,具有实施简便、环境友好等有点(孙仕军等,2021)。

玉米作为辽西地区主要粮食作物之一,种植面积约占该区域总耕地面积的60%以上,频发的干旱致使该区玉米产量长期低而不稳,严重威胁着该区农民的经济收入和农业的可持续发展(郭金路等, 2016)。为此,本论文通过在辽西半干旱区开展移动式遮雨棚微区控水试验和田间模拟试验,分析不同灌溉制度条件下,浅埋滴灌对春玉米生长发育的影响,探求浅埋滴灌对春玉米的作用机制,推动该技术在半干旱区大面积应用,实现半干旱区农业高效用水及玉米的增产稳产提供一定的理论依据和决策支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年5～10月在辽宁省阜新蒙古族自治县阜新镇(121°01′～122°56′E、41°41′～42°56′N)进行。该平均海拔235 m,属半干旱大陆性季风气候,年均气温7.2℃,年日照时数2 865.5 h,≥10 ℃积温日数169 d,有效积温3 298.3 ℃,无霜期144 d,年均降雨量493.1 mm,年际和季节降雨变幅大且分配不均,7、8月份为降雨集中时段,该时段降雨占全年总降雨的60%以上,年均蒸发剧烈,为1 900 mm以上。年均风速3.4 m/s,春季风速最大,春季干旱多风是该地区气候的主要特征。土壤类型以发育在黄土母质上的褐土为主,兼有少量的棕壤和栗钙土,土层浅薄,有机质含量较低,耕作层土壤平均容重1.44 g/cm3,田间持水量23%,地下水平均埋深大于3 m。

1.2 材料与方法

移动式遮雨棚内开展微区控水试验,微区面积1.3 m×2 m,其周围深80 cm用防水透气树脂薄膜相隔,以避免土壤水分的相互侧渗。供试玉米品种为“秋乐126”,每微区种植2垄,一垄双行,垄底宽100 cm,宽窄行种植,宽行距60 cm,窄行距40 cm,每行种植4株,株距30 cm,理论种植密度60 000株/hm2。采用由新疆天业公司生产的内镶式薄壁滴灌带,滴灌带管径16 mm,滴头设计流量1.38 L/h,滴头间距30 cm,滴灌带铺设于玉米种植行窄行间,表层覆土3～5 cm。采用重力式灌水方式,滴灌贮水箱高于地表1.5 m。人工播种,播种时于种植行两侧开沟施用缓释肥,用量为750 kg/hm2,生育期内不再追肥。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计,设灌溉定额1个因素,6个水平,分别为:727(T1)、1 454(T2)、2 181(T3)、2 908(T4)、3 635(T5)和4 362(T6)m3/hm2,以全生育期无灌溉(T0)和常规沟灌(CK)灌溉定额4 154 m3/hm2为对照,共计8个处理,各处理重复3次。常规沟灌灌溉定额为该区作物生育期丰水年有效降雨量。试验于5月5日播种,5月20日开始第一次滴灌,灌溉周期为7 d(Hansonetal.,2003;Howelletal.,1997),整个生育期共滴灌17次,收获前7 d停止灌溉,9月23日收获,各处理不同生育时期灌水次数及灌水定额见表1。

表1 各灌水处理作物生育期灌溉实施方案Table 1 Implementation plan of irrigation treatments throughout the crop growth period

1.4 观测指标及方法

株高、茎粗和叶面积指数:采用量测法测定植株株高、茎粗和叶面积指数。每微区选取长势均匀的4株植株,使用卷尺测量株高和叶片的长度及最大宽度,游标卡尺测量茎粗,每14 d测量1次。株高在抽穗前为地表至植株最高完全展开叶叶枕的高度,抽穗后为地表至穂基部的高度(Jordan-Meille and Pellerin,2004;Traoreetal.,2000)。茎粗为植株地上部分第二茎节最大扁圆处的直径(赵晓燕,2011)。采用长宽系数法计算单株叶面积,之后乘以种植密度求算出叶面积指数(LAI)(段爱旺,1996;麻雪艳等,2013),公式为:

式中:0.75为玉米叶面积校正系数;ρ为植株密度;m为测量株数;n为所测植株的叶片数量;Lij和Wij分别为第i株玉米的第j片叶片的长度和最大宽度。

干物质积累:成熟期每微区选取3株植株,收获其地上部分,擦净植株表面浮尘和杂物后,将其剪碎放于牛皮纸袋中,置于烘箱105 ℃下杀青30 min,60～70 ℃下烘干至恒重(24～48 h),使用0.01 g天平称量其干物质重(Lietal.,2007)。

2 结果与分析

2.1 对叶面积指数的影响

玉米叶片是其进行光合作用、呼吸作用及与外界进行水汽交换的重要营养器官,叶片的形态结构与功能期长短是决定玉米干物质积累和产量形成的关键要素(谭凤梧,1989),同时叶片也与其他器官存在着相关生长关系,在一定程度上能反映其他器官的生长发育状况(Liedgensetal.,2001)。叶面积指数(LAI)作为描述作物冠层表面能量与物质交换基本的生理参数,是评估作物冠层结构特征和功能的重要结构指标(王希群等,2005;吴伟斌等,2007)。不同灌溉定额处理生育期叶面积指数动态变化见图1。从图1可看出,不同灌溉定额叶面积指数变化趋势均呈抛物线形,且最大值均出现在抽穗期,这是由于相同品系玉米叶面积变化具有相对遗传稳定性,虽受外界环境条件的限制,但并不是影响其变化的主要因素(谭凤梧,1989)。玉米苗期植株生长迟缓,冠层郁闭度相对不高,耗水以地表裸土蒸发为主,因而苗期叶面积指数增长缓慢;拔节期为玉米营养生长最为旺盛的时期,植株生长速度开始逐步增加,叶面积指数亦处于明显增长的态势,至抽穗期达到峰值,此期叶面积指数增长最为迅速,呈线性增长;随着生育时期的推进,玉米转入以生殖生长为主的阶段,植株高度不再变化,叶片亦完全展开,冠层郁闭度达到最大值并维持稳定,叶面积指数变化相对稳定;进入成熟期后植株叶片各项生理代谢活动均处于衰退状态,下部叶片首先开始枯黄萎蔫,进而引起此期叶面积指数的缓慢降低。

图1 不同灌溉定额处理玉米叶面积指数动态变化Figure 1 Dynamics of leaf area index (LAI) of maize under different irrigation quota

由表2可知,浅埋滴灌不同灌溉定额处理各生育时期叶面积指数均存在显著差异。通过将叶面积指数和灌溉定额之间进行拟合,得出叶面积指数与灌溉定额之间呈二次型抛物线关系,关系式为y=-0.001x2-7.028E-8x+2.792,拟合优度R2=0.986,P=0.002。苗期各处理间差异较小,同时表现出随灌溉定额增加而增大的趋势,T6、T5和T4处理叶面积指数较常规沟灌CK分别提高了9.6%、2.2%和1.1%,而T3、T2和T1处理较常规沟灌CK分别降低了4.3%、12.8%和13.8%,但均未达到显著差异水平;拔节期T5和T6处理叶面积指数近乎相等,显著高于其他处理,而较常规沟灌CK无显著性差异,T2、T3和T4处理较常规沟灌CK分别降低了11.4%、3.5%和4.3%,差异亦均未达到显著水平,无灌溉处理T0和低灌溉处理T1显著低于常规沟灌CK;抽穗期T5处理叶面积指数最大,其次为T6处理,分别较常规沟灌CK提高4.3%和1.1%,T1至T4处理较常规沟灌CK有所降低,降低幅度为1.0%～16.8%,但差异均未达到显著水平,无灌溉处理T0较低灌溉处理T1表现为差异不显著,而显著低于其他处理;灌浆期T5与T6和T4处理间无显著差异,而显著高于其他处理,T2至T6处理与常规沟灌CK相比差异均不显著,而T0和T1处理要显著低于常规沟灌CK。就整个生育期而言,T2至T6处理叶面积指数较常规沟灌CK均无显著差异,T5和T6处理在拔节期叶面积指数增长迅速,显著高于其他处理。

表2 不同灌溉定额处理玉米生育期叶面积指数Table 2 Leaf area index (LAI) of maize under different irrigation quotas in the growth period

2.2 对株高的影响

植株高度作为衡量玉米生长发育状况重要的农艺性状之一,同时也是评价干物质积累量和产量潜力的重要指标,受品种基因型和环境效应的共同制约(Zhangetal.,2006)。适宜的植株高度能有效地改善植株冠层光照条件,致使冠层光能截获量有所增加,促进光能利用率的显著提高,进而提高籽粒产量和品质(李利利等,2012)。

从图2可知,玉米生育期内株高变化表现为苗期生长缓慢,拔节期后快速增长,灌浆期后趋于平稳。苗期植株以根系生长发育为主,地上部分生长相对迟缓,因而各处理间株高生长缓慢的同时均较为矮小(郭金路等,2016);拔节期至灌浆期为营养生长向生殖生长过渡的时期,植株对水分的需求量急剧增加,植株茎节延伸速度加快(张正,2012);进入灌浆期后营养生长基本结束,完全进入以籽粒灌浆和产量形成为主的生殖生长时期(甘万祥,2015),因而各处理间株高在灌浆期后虽仍有所升高,但变化趋势较为平缓。

图2 不同灌溉定额处理玉米株高动态变化Figure 2 Dynamics of plant height of maize under different irrigation quota

由表3可知,不同灌溉定额处理各生育时期株高变化均有显著差异。相关分析表明,植株高度与灌溉定额之间呈显著正相关关系,相关系数为0.992(p=0.000)。T6处理较T5处理苗期株高差异不显著,而较其他处理差异显著,与常规沟灌CK相比,除T6处理株高差异显著外,其他处理均无显著差异;拔节期植株生长迅速,生长量最大的为T5和T6处理,分别较常规沟灌CK提高了3.7%和3.1%,其次为T4处理,较常规沟灌CK降低了3.9%,均未达到显著差异水平,其他处理与常规沟灌CK相比均表现为差异显著,其中无灌溉处理T0株高显著低于其他处理;抽穗期株高生长速度减缓,株高增长量在20～30 cm之间,T6处理株高较常规沟灌CK提高5.4%,T5处理与常规沟灌CK相当,均无显著性差异,其他处理较常规沟灌CK显著降低,降低幅度为4%～21.4%,无灌溉处理T0显著低于其他处理;灌浆期植株生长趋于平稳,因而株高增长量不大,T5和T6处理与常规沟灌CK相比无显著差异,T2至T4处理较常规沟灌CK有所降低,降低幅度为2.8%～9.1%,但降低差异不显著,无灌溉处理T0显著低于其他处理。就整个生育期而言,T5处理株高较常规沟灌CK无显著差异,T4处理在抽穗期显著低于常规沟灌CK,其它生育时期均无显著差异,而T6处理在整个生育期内株高均高于CK处理,其中在苗期差异达到显著水平。

表3 不同灌溉定额处理玉米生育期株高Table 3 Plant height of maize under different irrigation quota in the growth period

2.3 对茎粗的影响

玉米倒伏一直都是影响籽粒减产和品质降低的主要原因之一,发生轻微倒伏时对作物产量影响不大,而当倒伏率较高时则可能导致作物减产30%～50%,极特殊条件下甚至可能引发绝产(宋朝玉等,2016)。在众多玉米形态指标中,茎粗是对植株抗倒伏能力影响最为重要的因素,茎基部节间越是短小而粗壮的植株,其抗倒伏能力和倒伏后的恢复能力越强,同时茎粗生长情况也能在一定程度上反映植株经济性状生长发育状况,整齐度越高的植株,其穂粗、穂长和籽粒产量越高(李杰等,2011)。

由图3可知,不同灌溉定额处理玉米茎粗在苗期增长迅速,呈直线型增长,拔节期增长缓慢,至抽穗期达到最大值后逐渐降低。苗期是玉米营养生长的主要时期,水分的消耗主要用于植株根系生长,促进根系生根和扎入土壤,因而各处理苗期茎粗增长迅速,增长幅度较大;拔节期后营养生长不断向生殖生长过渡,植株茎叶在此期生长最为旺盛,雌穗和雄穗分化需要消耗大量营养和水分,是营养生长和生殖生长相互争夺水分和营养物质极为重要的时期,此期茎粗虽仍有所增加,然而增幅不大;至抽穗期时营养生长已完成对生殖生长的全面转化,植株地下部分生长趋缓,茎粗在此时最大;进入灌浆期后植株各项形态指标开始逐步衰竭,水分的需求主要用于满足作物产量的形成,植株生长活动代谢功能减弱,茎粗有回缩的趋势。

图3 不同灌溉定额处理玉米茎粗动态变化Figure 3 Dynamics of stem diameter of maize under different irrigation quota

从表4可看出,浅埋滴灌玉米茎粗与灌溉定额之间呈显著正相关,相关系数为0.93(p=0.007),T5和T6处理苗期茎粗要略高于常规沟灌CK,但差异未达到显著水平,T2至T4处理茎粗与常规沟灌CK相当,均未达到显著差异水平,无灌溉处理T0和低灌溉处理T1显著低于其他处理;拔节期茎粗最大的为T5处理,为26.17 mm,较T4和T6处理分别增加了5%和4.3%,处理间无显著差异,而较其他处理差异显著,与常规沟灌CK相比,除无灌溉处理T0降低差异显著外,其他处理差异均不显著;抽穗期各处理间茎粗差异较小,T5和T6处理较T2、T3和T4处理均无显著差异,而显著高于T0和T1处理,各处理与常规沟灌CK相比,差异均未达到显著水平;灌浆期茎粗开始回缩,高灌水定额处理回缩幅度较大,回缩幅度介于4.1%～6.2%之间,T5处理较T6处理相比虽增加了4.4%,但无显著差异,而显著高于其他处理,T6处理较T2、T3和T4处理相比无显著差异,而要显著高于T0和T1处理,与常规沟灌CK相比,T0和T1处理茎粗显著降低,T5处理茎粗显著提高,其余处理均未达到显著差异水平。 就整个生育期而言,T4和T6处理与常规沟灌CK相比差异均不显著,而T5处理茎粗在整个生育期均要高于常规沟灌CK,其中在灌浆期达到显著差异水平。

表4 不同灌溉定额处理玉米生育期茎粗Table 4 Stem diameter of maize under different irrigation quota in the growth period

2.4 对干物质积累量的影响

玉米是喜光作物,其生物产量的绝大部分源于光合作用,光合作用产物即干物质积累量是关乎籽粒产量形成的基础性物质(李向岭等,2010),籽粒产量的高低一般而言会受到干物质积累、分配和运移特性的制约,且表现出与干物质积累量呈正相关关系,而对籽粒形成和饱满程度影响最大的为苞叶和茎鞘中光合作用产物的运移情况。植株不同生育时期干物质在不同器官中的分配和运移不同,拔节期之前光合作用产物主要向叶片运移,玉米抽穗吐丝后光合作用产物逐渐向籽粒运移,且此期的光合产物的运移和分配对籽粒产量的贡献最大,是产量形成的主要原因(崔海岩等,2013;王小春等,2015)。

由图4可知,浅埋表滴灌不同灌溉定额处理成熟期干物质积累量差异较为明显,干物质积累量与灌溉定额间呈二次型抛物线关系,拟合关系式为y=6.58x2-8.065E-4x+8875.97,拟合优度R2=0.949,P=0.011。干物质积累量最大的为T5处理,达到了23 808.6 kg/hm2,较T3、T4和T6处理分别增加了23.3%、17.7%和7.9%,且与T6处理差异不显著,而与T3和T4处理差异显著。T6处理较T3和T4处理干物质积累量分别增加了14.3%和9.1%,处理间无显著差异。无灌溉处理T0和低灌溉处理T1和T2干物质积累量差异显著,并显著低于其他处理。T5和T6处理干物质积累量较常规沟灌CK相比分别增加了14.9%和6.5%,与T5处理表现为差异显著,而与T6处理表现为差异不显著。T3和T4处理较常规沟灌CK干物质积累量有所降低,分别降低7.2%和2.4%,但未表现出显著性差异。其余处理较常规沟灌CK干物质积累量均显著减少,减少幅度为25.2%～131.8%,其中无灌溉T0处理干物质积累量最小,为8 934.5 kg/hm2,较其他各处理均表现为显著减少。

图4 不同灌溉定额处理玉米成熟期干物质积累Figure 4 Dry matter accumulation of maize at maturity under different irrigation quota

3 结论

浅埋表滴灌玉米生育期叶面积指数与灌溉定额之间呈二次型抛物线关系,株高和茎粗与灌溉定额呈显著正相关关系,株高、茎粗和叶面积等指标在苗期增长缓慢且差异较小,而在抽穗吐丝期差异较大。浅埋表滴灌较常规沟灌CK节水30%的情况下,生育期叶面积指数、茎粗未表现出显著降低差异,株高在抽穗期降低显著。不同灌溉定额处理成熟期干物质积累量差异较为明显,干物质积累量与灌溉定额间呈二次型抛物线关系。灌溉定额3 635 m3/hm2时干物质积累量最大,为23 808.6 kg/hm2,显著高于常规沟灌CK,灌溉定额为2 181～2 908 m3/hm2时干物质积累量与常规沟灌CK相当,未表现出显著差异。