補(bǔ)充灌溉對(duì)玉米生理指標(biāo)及水分利用效率的影響

宮 亮，孫文濤，雋英華，尹同波，劉玉軍

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，沈陽 110161；2.瓦房店市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，遼寧 大連 116300)

0 引 言

“有收無收在于水，多收少收在于肥”，水分是影響旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最主要因素。保持作物體內(nèi)的水分平衡，創(chuàng)造適于各種生理活動(dòng)的水分環(huán)境，是獲得作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)[1,2]。我國是一個(gè)水資源短缺的國家，農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占全國總用水量的 70﹪，總水分生產(chǎn)率全國平均僅為 0.61 kg/m3，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的平均水平[3]。因此，水資源有效利用研究已成為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究重點(diǎn)之一。但目前大多研究集中在作物對(duì)水分脅迫的響應(yīng)機(jī)制方面[4-7]，在補(bǔ)充灌溉對(duì)作物植株生理活動(dòng)及增產(chǎn)作用等方面的研究則較少。玉米是我國的主要糧食作物，具有需水較多、對(duì)水分比較敏感等特點(diǎn)，因此，研究補(bǔ)充灌溉對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及增產(chǎn)的作用，對(duì)保障我國糧食安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瓦房店市位于遼寧省南部，地處東經(jīng)121°13′～122°17′，北緯39°20′～40°07′。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫9.3 ℃，無霜期165～185 d，平均降水量615 mm。土壤類型為棕壤，理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在瓦房店市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)處理面積 9.6 m2，小區(qū)之間地下100 cm 深度為水泥墻，防止處理間水分互滲。灌水方式采用壟溝溝灌的方式。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)排列。玉米品種為良玉 88，種植密度及田間管理按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。施肥量N，P2O5，K2O分別為210，97.5，108 kg/hm2，全部磷鉀肥和 50% 氮肥做基肥一次性施入，剩余 50% 氮肥在玉米大喇叭口期追施。不同處理灌水量見表 2。

表2 各處理不同生育時(shí)期灌水量 m3/hm2

1.3 調(diào)查測(cè)定項(xiàng)目

(1)在玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期，用 SPAD502 型葉綠素儀測(cè)定各處理葉片葉綠素含量，每次測(cè)定10株，計(jì)算平均值。

(2)在玉米灌漿期、乳熟期和蠟熟期分別測(cè)定各處理玉米穗位葉超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)和可溶性蛋白酶活性。SOD 采用氯化硝基四氮唑藍(lán)光化還原法，POD 采用愈創(chuàng)木酚法，MDA用硫代巴比妥酸比色法，可溶性蛋白用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定。

(3)玉米成熟后每個(gè)處理隨機(jī)取 5 穗考種。測(cè)定小區(qū)產(chǎn)量，按籽粒含水量為 14% 折算公頃產(chǎn)量。灌溉水利用效率=籽粒產(chǎn)量/灌溉水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理使用 EXCEL2007 和 SPSS19.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理對(duì)玉米葉綠素含量的影響

為了直觀形象地表述灌水量對(duì)葉片SPAD值的影響，將各處理在玉米不同生育時(shí)期測(cè)定的葉片SPAD值繪于圖1。葉片是進(jìn)行光合作用的主要器官，葉綠素是光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，所以葉片葉綠素含量是反映葉片生理活性變化的重要指標(biāo)。SPAD值代表葉片葉綠素含量的相對(duì)值, 數(shù)值越大, 葉綠素含量越高。不同處理玉米各生育時(shí)期葉片SPAD值見圖 1。從圖 1 可見，玉米葉片葉綠素含量變化呈單峰趨勢(shì)，當(dāng)玉米進(jìn)入抽雄期后，葉綠素含量隨葉片衰老的進(jìn)程而逐步下降。各處理相比較，葉綠素含量H3>H2>H1>H0，說明灌水能夠保持玉米葉片葉綠素含量，從而延長(zhǎng)光合作用時(shí)間，促進(jìn)玉米干物質(zhì)積累。

圖1 玉米葉片葉綠素含量(SPAD)

2.2 不同灌水處理對(duì)玉米穗位葉SOD、POD活性及MDA、可溶性蛋白含量的影響

為了直觀形象地表述灌水量對(duì)穗位葉生理特性的影響，將各處理穗位葉SOD、POD活性及MDA和可溶性蛋白含量測(cè)定結(jié)果繪于圖2～圖5。從圖 2 可見，不同處理SOD酶活性在玉米生育后期表現(xiàn)出了先降低后升高的變化趨勢(shì)。處理H0三個(gè)需水關(guān)鍵時(shí)期SOD酶活性均最低，處理 H3 次之，處理 H2 最高。從圖 3 可見，穗位葉中POD的活性隨著玉米生育期的推進(jìn)逐漸降低。處理H0在乳熟期POD活性就降到最低。處理H3和H1 POD活性呈直線下降趨勢(shì)，且兩者相差不大，處理H2下降趨勢(shì)較為緩慢，且POD活性始終高于其他3個(gè)處理。從圖 4 可見，穗位葉中MDA含量呈逐漸上升趨勢(shì)，表明在玉米生育后期，隨著衰老程度的加劇，葉片中MDA含量也隨之增加。而其中以處理H0增加最快，處理H3最慢。從圖 5 可見，可溶性蛋白含量變化趨勢(shì)為先降低再升高。處理 H0 可溶性蛋白含量下降迅速且恢復(fù)緩慢，處理 H3 和 H2 在乳熟期可溶性蛋白含量相差不明顯，H1、H2和 H3三個(gè)處理可溶性蛋白含量在蠟熟期相差不明顯。

圖2 不同處理穗位葉SOD酶活性變化

圖3 不同處理穗位葉POD酶活性變化

圖4 不同處理穗位葉MDA含量變化

圖5 不同處理穗位葉可溶性蛋白含量變化

2.3 不同灌水處理對(duì)玉米根系生長(zhǎng)的影響

從表3可見，各處理在拔節(jié)期根長(zhǎng)、根重相差不大。抽雄期H0根長(zhǎng)、根重最低， H2根長(zhǎng)根重最大，H3次之，成熟期也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。因此，玉米拔節(jié)期前適當(dāng)?shù)母珊得{迫，抽雄期后適當(dāng)灌水有利于玉米根系生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)了玉米抗旱、抗倒伏能力，為玉米高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

表3 不同灌水處理玉米根系生長(zhǎng)發(fā)育狀況

2.4 不同灌水處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

從表4可見，H0百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素均最差，H3最優(yōu)。

表4 不同灌水處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

注：不同處理間不同字母表示差異顯著。

產(chǎn)量也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)， H3產(chǎn)量最高，比H2增產(chǎn)0.74%，但差異未達(dá)到顯著水平。H0產(chǎn)量最低，較H3減產(chǎn) 6.36%。 H1也有顯著的增產(chǎn)效果，比H0增產(chǎn)3.49%。灌水利用率隨著灌水量的增加而逐漸降低。因此，在玉米需水關(guān)鍵時(shí)期補(bǔ)灌有利于增加玉米產(chǎn)量，但灌水的利用效率較低。

3 結(jié) 語

(1)玉米葉片的葉綠素含量對(duì)水分感應(yīng)較為敏感，長(zhǎng)期或重度干旱脅迫可以導(dǎo)致葉綠素含量減少[8]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在玉米不同生育時(shí)期補(bǔ)充灌溉可有效增加葉片葉綠素含量，且在玉米抽雄期后減緩葉綠素減少。這與王艷[9]等研究結(jié)果一致。

(2)植物對(duì)水分的利用具有高度的可塑性，少量水灌溉既能滿足作物代謝需水[10-12]。玉米在水分逆境情況下，內(nèi)源保護(hù)性物質(zhì)和保護(hù)性酶會(huì)呈現(xiàn)出減輕或分散水分脅迫對(duì)細(xì)胞代謝過程的傷害的變化趨勢(shì)[13-15]。本文的研究結(jié)果表明，玉米抽雄期和灌漿期進(jìn)行補(bǔ)灌，有利于提高葉片內(nèi)保護(hù)性酶活性，減緩葉片衰老，增強(qiáng)葉片光合作用，促進(jìn)干物質(zhì)積累。這與張淑勇[5]等研究結(jié)果一致。

(3)根系對(duì)水分的吸收是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)和獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。大量研究表明，植物根系的分布受土壤含水量的影響。表層土壤水分虧缺有利于作物根系向深土層生長(zhǎng)，從而提高對(duì)深層土壤水分的利用[16，17]。不同的灌溉制度也會(huì)影響根系的發(fā)育。本試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米拔節(jié)期不灌溉更有利于促進(jìn)玉米根系生長(zhǎng)發(fā)育，抽雄期后灌水則延緩了根系衰老，這與大多學(xué)者研究結(jié)果一致[18-20]。

(4)在保證肥料供應(yīng)的前提下，玉米3個(gè)需水關(guān)鍵時(shí)期都補(bǔ)充灌溉，無疑是增加玉米產(chǎn)量最直接有效的措施。目前國內(nèi)以見報(bào)道的超高產(chǎn)農(nóng)田都具備灌溉條件。但這只適合于有充足水源的情況。實(shí)際生產(chǎn)中大多數(shù)情況為灌溉水資源不足，因此，要求精確的灌溉時(shí)間和灌溉量進(jìn)行補(bǔ)灌。本試驗(yàn)條件下，在玉米灌漿期補(bǔ)灌450 m3/hm2，即有良好的增產(chǎn)效果。在玉米抽雄期和灌漿期分別補(bǔ)灌450 m3/hm2，增產(chǎn)作用則更為顯著。這與邢維芹等[21]研究結(jié)果一致。但陳靜靜[22]等研究認(rèn)為，在玉米苗期、拔節(jié)期適當(dāng)灌溉更有利于提高產(chǎn)量和水分利用效率。這可能是受自然氣候條件影響。本試驗(yàn)區(qū)玉米生育前期降雨量充沛，干旱多發(fā)生在8月末至9月，因此在玉米生育后期補(bǔ)灌就顯得尤為重要。

[1] 呂麗華，趙 明，趙久然，等.不同施氮量下夏玉米冠層結(jié)構(gòu)及光合特性的變化[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，41(9)：2 624-2 632．

[2] 曹 娜，于海秋，王紹斌，等.高產(chǎn)玉米群體的冠層及光合特性分析[J].玉米科學(xué)，2006，14(5)：94-97．

[3] 王秀芬，陳百明，畢繼業(yè).基于縣域尺度的中國農(nóng)業(yè)水資源利用效率評(píng)價(jià)[J].灌溉排水學(xué)報(bào).2012，31(3)：6-10.

[4] 趙天宏，沈秀瑛，楊德光，等.水分脅迫及復(fù)水對(duì)玉米葉片葉綠素含量和光合作用的影響[J].雜糧作物，2003 ，23(1)：33-35．

[5] 張淑勇，國 靜，劉 煒，等.玉米苗期葉片主要生理生化指標(biāo)對(duì)土壤水分的響應(yīng)[J].玉米科學(xué)，2011，19(5)：68-72，77.

[6] 路貴和，戴景瑞，張書奎，等.不同干旱脅迫條件下我國玉米骨干自交系的抗旱性比較研究[J].作物學(xué)報(bào)，2005，31(10)：1 284-1 288.

[7] 孫彩霞，劉志剛，荊艷東.水分脅迫對(duì)玉米葉片關(guān)鍵防御酶系活性及其同工酶的影響[J].玉米科學(xué)，2003，11(1)：63-66.

[8] 楊德光，沈秀英，趙天宏，等.玉米旱害生理研究進(jìn)展[J].作物雜志，2001，(5)：1-4 .

[9] 王 艷，張佳寶， 張叢志，等.不同灌溉處理對(duì)玉米生長(zhǎng)及水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2008，27(5)：41-44.

[10]ChavesMM,MarocoJP,PereiraJS.Understandingplantresponsestodroughtfromgenestothewholeplant[J].FunctionalPlantBiology,2003,30(3):239-264．

[11]JacksonRB,SperryJS,DawsonTE.Rootwateruptakeandtransport:usingphysiologicalprocessesinglobalpredictions[J].TrendsinPlantScience,2000,5(11):482-488．

[12]EapenD,BarrosoML,PonceG,etal.Hydrotropism:rootgrowthresponsestowater[J].TrendsinPlantScience,2005,10(1):44-50．

[13] 王芳雁，邵世勤，張建華，等.水分脅迫對(duì)玉米保護(hù)酶系活力及膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，1995，10(2)：43-49.

[14] 沈秀瑛，徐世昌，戴俊英.干旱對(duì)玉米SOD、CAT及酸性磷酸酯酶活性的影響[J]. 植物生理學(xué)通訊，1995，31(3)：186-186.

[15] 張玉瓊，張鶴英.淹水逆境下玉米若干生理生化特性的變化[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998， 25 ( 4)：378-381.

[16]PottersG,PasternakTP,GuisezY,etal.Stress-inducedmorphogenicresponses:growingoutoftrouble[J].TrendsinPlantScience,2007,12(3):98-105．

[17]PasternakT,RudasV,PottersG,etal.Morphogeniceffectsofabioticstress:reorientationofgrowthinArabidopsisthalianaseedlings[J].EnvironmentalandExperimentalBotany,2005,53(3):299-314．

[18] 張歲岐，周小平，慕自新，等.不同灌溉制度對(duì)玉米根系生長(zhǎng)及水分利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(10)：1-6.

[19] 馬瑞昆，賈秀領(lǐng)，蹇家利，等.前期控水條件下冬小麥的根系和群體光合作用特點(diǎn)[J]．麥類作物學(xué)報(bào)，2001，21(2)：88-91．

[20] 漆棟良，胡田田，李 瑞，等.局部灌水條件下玉米根系的時(shí)空分布研究[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(3)：160-164，170.

[21] 邢維芹，王林權(quán)，李生秀.半干旱區(qū)玉米的水肥空間耦合效應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(6)：46-49.

[22] 陳靜靜，張富倉，周罕覓，等.不同生育期灌水和施氮對(duì)夏玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011,39(1)：89-95.