不同滴灌模式對干熱河谷甜玉米生物量分配、產量和水分利用效率的影響

李建查，李 坤，方海東①，張 雷，潘志賢，岳學文，何光熊，段琪彩，史亮濤（.云南省農業科學院熱區生態農業研究所，云南 元謀 65300；.云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 6508）

甜玉米是我國南方重要優勢高效作物，種植面積占全世界的22.75%［1］。隨著我國居民對飲食多樣性要求的提高，甜玉米作為糧菜兩用的新型作物，需求量逐漸提高。在元謀干熱河谷農業生產結構中，甜玉米種植面積逐年擴大，并獲得較高經濟效益。水資源的日益緊缺使得農業生產用水矛盾日益突出，干熱河谷農業節水灌溉模式優化設計越來越受重視［2-3］。但大部分農戶為追求高產，仍然沿用傳統大水灌溉方式，導致灌溉水利用率低，水資源浪費嚴重。

物質生產是產量形成的基礎，作物產量與植株生物量生產及分配過程密切相關。作物在生長發育過程中，同化物在植株各器官的轉化與分配形成了產量。灌溉量對作物產量和生物量分配產生影響［4］，地膜覆蓋可以提高春玉米干物質積累量、產量和水分利用效率［5］。目前，干熱河谷灌溉模式研究主要集中在林果類［6-7］，而甜玉米滴灌模式優化研究鮮有報道。因此，研究滴灌模式對干熱河谷甜玉米生物量積累、產量和水分利用效率的影響，可為干熱河谷地區篩選更為合理的甜玉米滴灌模式，在不降低產量的前提下實現高效用水提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在位于元謀干熱河谷的云南省農業科學院熱區生態農業研究所灌溉試驗基地進行。元謀干熱河谷地處滇中高原北部，位于25°23′～26°06′N，101°35′～102°06′E，平均海拔為1 350 m。年平均氣溫為21.9℃，無霜期為305～331 d，年降雨量為611.3 mm，蒸發量是降雨量的5～6倍。光熱資源充足，年平均日照時數為7.3 h·d-1。試驗區土壤為砂壤土，土壤容重為1.44 g·cm-3，田間持水量w為19.42%，pH值為6.4，土壤w（有機碳）為6.10 g·kg-1，w（全氮）為0.50 g·kg-1，w（堿解氮）為 39 mg·kg-1，w（全磷）為0.188 g·kg-1，w（有效磷）為 30.38 mg·kg-1，w（全鉀）為7.44 g·kg-1，w（速效鉀）為129 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

供試甜玉米品種為正甜68，于2018年1月26日移栽，5月9日收獲。采用大壟雙行種植方式，壟寬為100 cm，溝距為60 cm，行距為60 cm，種植密度為55 000株·hm-2。試驗設3個處理：不覆膜充分滴灌（T1）處理灌溉量約為10 450 m3·hm-2；覆膜充分滴灌（T2）處理灌溉量約為7 740 m3·hm-2；膜下控墑滴灌（T3）處理，當土壤含水率達田間持水量的70%時，開始灌水至土壤含水率達田間持水量的90%，灌溉量約為5 860 m3·hm-2（表1）。采用土壤墑情監測儀（insentek智墑）定位連續監測0～60 cm土層土壤含水率，每隔1 h自動采集1次土壤含水率數據。采用完全區組設計，每個處理3個重復，共9個小區，小區面積為60 m2（12 m×5 m）。甜玉米生育期純氮施用量為 232 kg·hm-2，以 w 為 60% 純氮、128 kg·hm-2P2O5和128 kg·hm-2K2O為底肥（復合肥N：P2O5：K2O質量比為15：15：15），拔節期和抽穗期均隨水滴施純氮20%為追肥（尿素N質量含量為46%）。各小區化肥和農藥等田間管理措施均一致。

表1 滴灌模式Table 1 Irrigation regimes

1.3 分析方法

在拔節期、抽穗期和乳熟期，每個小區隨機選取10株代表性植株，按照根、莖（葉鞘部分并入莖）、葉和穗分類裝入紙袋，放入105℃條件下烘箱殺青30 min后，在75℃條件下恒溫烘干至恒量后測定生物量（精確到0.01 g）。于乳熟期測定鮮果穗質量，計算經濟產量。

1.4 數據處理

根生物量分配比例（RMR）、莖生物量分配比例（SMR）、葉生物量分配比例（LMR）和穗生物量分配比例（CMR）分別為根、莖、葉和穗生物量占總生物量的比例，根冠比（R/S）為根生物量與地上生物量的比值。灌溉水利用效率（kg·m-3）為甜玉米鮮果穗產量（kg·hm-2）與單位面積灌水量（m3·hm-2）的比值。

甜玉米各器官相對生長速率（RGR，RRG）計算公式［8］為

式（1）中，W1為甜玉米某器官第1次測定時生物量，g；W2為甜玉米某器官第2次測定時生物量，g；Δt為2次測定時間間隔，d。

采用異速生長指數比較乳熟期甜玉米根與植株、莖與植株、葉與植株、苞葉與植株、穗與植株、營養器官與生殖器官以及地下部分與地上部分等部分間異速生長關系，其計算公式為

式（2）中，x和y分別為比較的2個甜玉米部分生物量；b為性狀關系的截距；a為斜率，即異速生長指數［9］。當a=1時，表示x和y為等速生長；當a＞1時，表示y生長程度大于x；當a＜1時，表示y生長程度小于x。

采用SPSS 19.0軟件對甜玉米產量與株高、莖粗、根生物量、莖生物量、葉生物量和苞葉生物量結果作逐步回歸分析，得到甜玉米產量模型。采用SPSS 19.0軟件中單因素方差分析法分別比較不同滴灌模式下甜玉米產量、灌溉水利用效率、生物量分配比例和生長特征參數的差異。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌模式對甜玉米生物量分配的影響

隨著生育期延續，甜玉米各器官生物量均逐漸增加（表2）。不同時期不同器官生物量變化有差異，根和莖生物量增加均主要發生在抽穗前，葉生物量增加主要發生在拔節期。從生物量分配來看，不同時期甜玉米生物量分配比例也不同，拔節期生物量分配比例由大到小依次為葉＞莖＞根，抽穗期為莖＞葉＞根，乳熟期為穗＞莖＞葉＞根。對甜玉米產量結果作逐步回歸分析，得到甜玉米棒產量（Y）與株高（X1）、莖粗（X2）、根生物量（X3）、莖生物量（X4）、葉生物量（X5）和苞葉生物量（X6）6個因素間的回歸模型：Y=13.41-0.22X1+0.6X2+0.21X4+0.16X6，模型在α=0.05水平上顯著。

表2 甜玉米不同生育期生物量及其分配比例Table 2 Biomass and allocation rate of sweet corn in different growing stages

不同滴灌模式處理下，甜玉米在不同生育期各器官生物量分配有差異（表2）。在拔節期，除T3處理莖生物量顯著小于T1和T2處理，T3處理葉生物量顯著小于T1處理外（P＜0.05），其他處理甜玉米根、莖、葉和總生物量間差異均不顯著（P＞0.05）。在拔節期和抽穗期，T3處理甜玉米株高均顯著小于T1和T2處理（P＜0.05）。在乳熟期，T3處理甜玉米苞葉生物量顯著大于T1和T2處理，分別高42%和29%；T3處理玉米棒生物量顯著大于T1處理，高20%（P＜0.05）。乳熟期不同處理間莖、根生物量差異不顯著（P＞0.05）。從各器官生物量分配比例來看，拔節期T2和T3處理甜玉米莖生物量分配比例顯著小于T1處理，而T3處理葉生物量分配比例顯著大于T1處理（P＜0.05）。

2.2 不同滴灌模式對甜玉米生育期生長特征和各器官生長關系的影響

隨著生育期延續，甜玉米各器官相對生長速率逐漸降低（表3）。與抽穗前相比，抽穗后各器官生長速率明顯降低，但不同滴灌處理間各器官相對生長速率差異不顯著（P＞0.05）。

由表4可知，甜玉米各部分與植株的異速生長指數均小于1，這表明各部分與植株呈異速生長關系。T1處理根-植株異速生長指數小于T2和T3處理。T3處理莖-植株和葉-植株異速生長指數均小于T2和T1處理。T2和T3處理營養器官-生殖器官異速生長指數均為1，呈等速增長。而T1處理營養器官-生殖器官異速生長指數小于1。不同滴灌處理間甜玉米地下部分-地上部分異速生長系數均小于1，呈異速生長。T1處理地下部分-地上部分異速生長指數小于T2和T3處理。

2.3 不同滴灌模式對甜玉米產量和灌溉水利用效率的影響

甜玉米產量及水分利用效率見表5。

表3 甜玉米各器官相對生長速率Table 3 The relative growth rate of organs

表4 甜玉米各部分生物量的異速生長指數Table 4 The allometric scaling relationship exponent among organ biomass

表5 甜玉米產量及水分利用效率Table 5 The yield and water use efficiency of sweet corn

由表5可知，單因素方差分析結果表明，3種處理甜玉米產量差異不顯著（P＞0.05）。T2和T3處理比T1處理分別節水24%和44%，T3處理比T2處理節水25%。膜下充分滴灌有利于甜玉米水分利用效率的提高，與T1處理相比，T2和T3處理水分利用效率分別提高0.65和1.43 kg·m-3。

3 討論

生長速率假說認為，生物體相對生長速率的變化是由體內不同元素組成改變引起［10］。生態學代謝理論認為生物體代謝速率受個體大小、環境溫度和生物體化學元素組成等影響［11］，特別是氮元素含量能夠調控植物代謝速率［12］。有研究表明，玉米增產的氮肥效應大于水分效應，氮素充足能降低玉米生育期內土壤干旱脅迫導致的減產效應［13］。筆者研究中，甜玉米種植密度為55 000株·hm-2，純氮施用量為232 kg·hm-2，已經達到甜玉米充足施氮水平［13］，因此不同處理間甜玉米生物量差異不顯著，各器官相對生長速率差異也不顯著。這表明氮素養分充足可降低不同滴灌模式對玉米生物量及各器官相對生長速率的影響。

玉米干物質積累量是產量形成的物質基礎，尤其是吐絲后干物質積累量對產量的貢獻最大［14］，而在適宜種植密度條件下乳熟期后玉米莖稈對籽粒干物質積累量貢獻率大［15］。筆者研究發現甜玉米果穗產量主要取決于株高、莖粗、莖生物量和苞葉生物量。由回歸系數可知，甜玉米植株莖對甜玉米棒產量貢獻率較大。乳熟期不同處理間莖生物量由大到小為T1＜T3＜T2，可見膜下滴灌技術能增加甜玉米莖生物量，促進甜玉米棒產量的形成。不同生長期甜玉米各器官生物量分配比例發生變化，拔節期為葉＞莖＞根，抽穗期為莖＞葉＞根，乳熟期為穗＞莖＞葉＞根。這是因為玉米干物質在各器官的分配隨生長中心的轉移而發生變化，抽穗前干物質主要分配在葉片，抽穗后轉為莖和葉，增加其對籽粒干物質積累量貢獻率；授粉后，各器官干物質開始向籽粒轉移［16］。這表明抽穗期是甜玉米增產關鍵期。

植物性狀與環境的響應關系是植物在特定環境下生存策略的重要表現［17］。異速生長是生物體不同性狀對環境選擇壓力采取的生態對策［18］，是權衡各功能部分間資源分配的結果［19］。根據最優分配理論和功能平衡假說，植物會將資源最優先配置給能夠使受脅迫條件下植物生長最受限制的那部分資源獲得增加的功能或器官［20］。不同土壤水分條件下植物通過調整生物量分配方式，使其能夠更好地平衡植物資源獲取和利用間的關系，維持正常生理活動，如干旱條件使生物量更多地流向根部［21］。筆者研究發現T1處理根-植株異速生長指數小于T2和T3處理，這表明不同滴灌模式能改變根對植株的異速生長軌跡，不覆膜模式下植株對根系生物量分配增加。T3處理莖-植株和葉-植株異速生長指數均小于T2和T1處理，這表明不同滴灌模式能改變莖和葉對植株的異速生長軌跡，T3處理植株對莖和葉生物量分配增加。T2和T3處理營養器官-生殖器官異速生長指數接近1，呈等速增長，而T1處理營養器官-生殖器官異速生長指數小于1，T1處理植株對營養器官生物量分配增加。這表明滴灌模式能對甜玉米營養器官與生殖器官間異速生長軌跡產生影響，且覆膜滴灌模式有利于甜玉米生殖器官生長。不同滴灌模式間甜玉米地下部分-地上部分異速生長系數均小于1，呈異速生長。T1處理地下部分-地上部分異速生長指數小于T2和T3處理，這表明滴灌模式能改變地上部分-地下部分異速生長軌跡，覆膜模式下植株對地上部分生物量分配增加。總體上，覆膜滴灌模式有利于甜玉米莖、葉、地上部分和生殖器官生物量的增加。

在甜玉米產量差異不顯著前提下，與T1處理相比，T2和T3處理節水效果顯著，其中T3處理節水效果最佳。T2和T3處理能明顯提高甜玉米水分利用效率，T3處理水分利用效率提高更明顯。這與姬景紅等［5］研究結果一致。T3處理條件下，土壤水分含量適宜，玉米光合作用等生理指標均處于較優狀態，玉米生長物質供應充足。這表明覆膜控墑滴灌技術能明顯節約灌溉用水量，提高水分利用效率。

4 結論

覆膜滴灌技術能促進甜玉米莖、葉、地上部分和生殖器官生物量增加，提高玉米棒產量和水分利率效率，減少灌溉用水量。在確保氮肥供應充足的條件下（甜玉米種植密度55 000株·hm-2，純氮施用量為232 kg·hm-2），膜下控墑滴灌技術（土壤相對含水量下限為70%，上限為90%）是元謀干熱河谷甜玉米生產中值得推廣的高效節水灌溉模式。