不同灌水水平對(duì)河西綠洲玉米干物質(zhì)積累過程及產(chǎn)量影響

吳 婕

(甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000)

玉米是我國重要的糧食作物，在國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中占據(jù)重要地位。甘肅省河西內(nèi)陸區(qū)是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，玉米是主栽作物，種植面積達(dá)到92.4 萬hm2，占播種面積的22.4%。玉米生育期長，耗水量大，而甘肅河西屬內(nèi)陸干旱地區(qū)，水資源嚴(yán)重短缺，因此，在有限的自然資源條件下，不斷深入研究和探討玉米高產(chǎn)理論與技術(shù)體系，對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米持續(xù)增產(chǎn)、挖掘玉米的區(qū)域生產(chǎn)潛力、保證糧食安全具有重要作用。

作物產(chǎn)量是作物與環(huán)境條件緊密聯(lián)系中所進(jìn)行的各種生命活動(dòng)的結(jié)果，其在生理學(xué)上則是由光合作用、呼吸作用和物質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)分配三大基礎(chǔ)過程所決定。作物產(chǎn)量形成是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，因此從作物生長的整個(gè)過程來分析產(chǎn)量形成過程[1]。干物質(zhì)的積累量與作物產(chǎn)量呈密切正相關(guān)[2]，植株干物質(zhì)的積累是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[3]，其積累、轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)程直接影響到產(chǎn)量形成[4]，因此探求干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)移規(guī)律對(duì)作物產(chǎn)量至關(guān)重要[5]，許多學(xué)者研究了關(guān)鍵時(shí)期干物質(zhì)積累對(duì)作物產(chǎn)量的影響。蘇培璽等[6,7]研究表明，不同灌水量會(huì)影響作物的生長發(fā)育過程，進(jìn)而影響作物干物質(zhì)的累積量和產(chǎn)量形成。基于此，以河西綠洲玉米為例，研究不同灌水時(shí)機(jī)和灌水量對(duì)膜下滴灌玉米干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)影響，探明干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律，解析干物質(zhì)積累的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素相關(guān)性與回歸分析，為當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于甘肅省水利科學(xué)研究院民勤試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行，該站位于民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶的民勤縣大灘鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)東經(jīng)130°05′，北緯38°37′，屬于典型大陸性荒漠氣候，年日照時(shí)數(shù)3 028 h。多年平均降水110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm，是年降雨量的24倍。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45%，光照資源豐富，晝夜溫差大。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，肥力中等，0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄葜貫?.54 g/cm3。2017年試驗(yàn)區(qū)玉米生育期內(nèi)分月降雨量見圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)2017年玉米生育期內(nèi)降雨量圖

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，其中膜下滴灌區(qū)設(shè)置4個(gè)處理，對(duì)照區(qū)(即CK)1個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，即3個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積90 m2(3.0 m×30 m)，在試驗(yàn)地四周按地形和小區(qū)布置留有保護(hù)行。供試玉米品種為甘肅敦煌種業(yè)公司生產(chǎn)的“敦玉13”，于2017年4月21號(hào)玉米穴播機(jī)進(jìn)行播種，9月25號(hào)收獲，全生育期總共157 d。玉米播種行距40 cm，株距20～25 cm，每穴2～3粒種植。玉米出苗后兩星期左右人工間苗，拔節(jié)和孕穗期分別追施一次尿素，在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期和灌漿期進(jìn)行灌水，灌水時(shí)間分別4月下旬、6月上旬、6月下旬、7月中旬、7月下旬、8月上旬、8月中下旬。田間試驗(yàn)灌溉方案見表1。

表1 田間試驗(yàn)灌溉方案表

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

各處理按玉米的苗期(5月下旬)、拔節(jié)期(6月上旬)、大喇叭口期(6月下旬)、抽穗期(7月中旬)、灌漿期(8月中上旬)、成熟期(8月下旬)6個(gè)主要生育期進(jìn)行采樣，每個(gè)小區(qū)取樣9株，每個(gè)處理取樣27株，每株按葉片、莖稈、籽粒等器官分開，樣品自然風(fēng)干后測(cè)定各部分干物質(zhì)重量。

玉米在不同發(fā)育時(shí)期干物質(zhì)積累發(fā)育過程經(jīng)過“慢-快-慢”的增長變化，生長過程符合Logistic 曲線，其基本模型為：

(1)

式中：y為玉米單株干物質(zhì)積累量，g/株；t為相對(duì)生育天數(shù)，d；a、b均為方程具有特定的生物學(xué)意義待定系數(shù)；Km為干物質(zhì)積累潛力。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，并用SPSS22.0軟件對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行相關(guān)性分析和逐步回歸分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玉米各器官干物質(zhì)分配與運(yùn)轉(zhuǎn)變化分析

圖2為玉米地上部分各器官在生育期內(nèi)干物質(zhì)積累變化情況圖，從圖2可看出玉米干物質(zhì)在各器官中的分配，隨生長中心的轉(zhuǎn)移而發(fā)生變化。玉米拔節(jié)期前干物質(zhì)主要分配中心是葉片，葉片占整株總干重的比例最大，占整株干物質(zhì)的51.06%～60.88%；進(jìn)入拔節(jié)期后，植株生長迅速，這一時(shí)期光合產(chǎn)物的主要分配中心是莖稈，莖稈干物質(zhì)量占整株干物質(zhì)比例不斷提高，而葉片占整株干物質(zhì)中的比例逐漸減小；在玉米抽穗以后，玉米進(jìn)入營養(yǎng)生長和生殖生長兩旺時(shí)期，干物質(zhì)開始向穗部積累，此時(shí)莖稈干物質(zhì)迅速積累到最大，此階段莖稈干物質(zhì)占整株干物質(zhì)的63.70%～69.21%；從抽穗期到成熟期，器官存儲(chǔ)的營養(yǎng)成分逐漸向玉米籽粒移動(dòng)，棒的干重在灌漿期急劇上升，棒干重所占比例呈線性增加，到成熟期棒的干重達(dá)到最大，占整株干物質(zhì)的44.92%～52.94%，葉片干物質(zhì)所占比例降至最低。從膜下滴灌各處理之間比較看出，玉米的葉片、莖稈和棒都隨著灌水量的增大而增大，這是因?yàn)楣嗨吭蕉啵梢允勾龠M(jìn)植株的增長，植株葉片數(shù)量和大小隨之增長，節(jié)間伸長，使玉米葉片、莖和棒干物質(zhì)積累量增加，灌水量與干物質(zhì)積累呈正相關(guān)關(guān)系；從DT處理和CK比較看，全生育期以及最終干物質(zhì)在各器官中的分配比例差異不顯著，說明膜下滴灌處理和CK對(duì)干物質(zhì)的分配影響不大。

圖2 玉米各器官干物質(zhì)量積累變化情況

2.2 玉米干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)變化分析

不同灌水處理玉米干物質(zhì)積累整體顯出“慢-快-慢”的增長趨勢(shì)，拔節(jié)期前干物質(zhì)增長較慢，拔節(jié)期后，干物質(zhì)增加迅速，到抽穗期增長速率達(dá)到高峰，灌漿期初增長減緩(圖3)。膜下滴灌及CK相對(duì)生長速率最大值出現(xiàn)在“大喇叭口期-抽穗期”，約為5.12～7.58 g/d，其次是“拔節(jié)期-大喇叭口期”，“苗期-拔節(jié)期”相對(duì)生長速率最小。由表2可知，拔節(jié)期前DT各處理干物質(zhì)積累量均高于CK處理，DT各處理干物質(zhì)積累量較CK高出123.0%～292.2%，差異顯著(p<0.05)，此結(jié)果說明膜下滴灌有利于玉米初期生長發(fā)育。拔節(jié)期后，CK受氣溫持續(xù)升高影響相比DT處理較大，其干物質(zhì)積累速率和積累量迅速增大，進(jìn)而彌補(bǔ)了前期由于氣溫較低導(dǎo)致的差距，直至抽穗期各處理差異不顯著(p>0.05)。進(jìn)入抽穗期后，各處理增長速率隨著生育進(jìn)程而差異明顯，因而灌漿期、成熟期各處理又有了顯著差異(p<0.05)。總的來看，覆膜能增加玉米干物質(zhì)積累量，其中抽穗期干物質(zhì)積累量的大小直接影響后期干物質(zhì)積累量的大小，也影響到作物最終產(chǎn)量。

2.3 玉米Logistic生長模型

玉米干物質(zhì)積累Logistic生長方程及方程特征值見表3，Logistic擬合曲線的相關(guān)系數(shù)介于0.954～0.990之間，說明達(dá)到顯著相關(guān)的水平。

圖3 玉米干物質(zhì)積累生長速率變化圖

表2 玉米不同灌水處理下干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)變化 g/株

注：5%水平下顯著性標(biāo)注。

由表3可知，膜下滴灌干物質(zhì)積累在播種后65 d左右進(jìn)入旺長期，在播種后91 d左右結(jié)束旺長期，旺長期持續(xù)時(shí)間26 d左右，最大旺長期在播種后78 d，其中DT1在播種后進(jìn)入旺長期、結(jié)束旺長期分別為63.5、89.4 d，最大積累速率僅為5.09 g/d，較DT2、DT3、DT4處理提前2.2～2.5 d進(jìn)入旺長期，提前2.3～2.6 d結(jié)束旺長期，較DT2、DT3、DT4處理最大積累速率減小2.13～3.74 g/d，說明生育期灌水量大小對(duì)作物營養(yǎng)生長周期影響顯著，小定額灌水明顯縮短作物營養(yǎng)生長周期，較大定額灌水可延長作物生長周期，促進(jìn)作物干物質(zhì)積累。CK干物質(zhì)積累在播種后68 d左右進(jìn)入旺長期，在播種后91 d左右結(jié)束旺長期，旺長期持續(xù)時(shí)間22 d左右，最大旺長期在播種后80 d左右，CK較相同灌水定額DT4處理延遲3 d左右進(jìn)入旺長期，最大積累速率較DT4小1.24 g/d，旺長期持續(xù)時(shí)間較DT4短3.86 d，說明膜下滴灌因地膜增溫效應(yīng)，可促使作物提前進(jìn)入旺長期。

表3 玉米干物質(zhì)積累Logisitic方程

2.4 膜下滴灌對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成的影響

玉米不同處理產(chǎn)量構(gòu)成因素方差分析見表4(p<0.05)，由表知除灌水量最小的DT1以外，其他處理與CK相比，穗長、穗行數(shù)、出籽率差異均不顯著，尤其是DT3、DT4與CK所有產(chǎn)量構(gòu)成因素均無顯著差異，說明灌水量達(dá)到一定量的時(shí)候，灌水對(duì)穗長、穗行數(shù)、出籽率沒有影響,但對(duì)穗粗、禿尖長、穗粒數(shù)、百粒重均有一定影響。與對(duì)照CK相比，DT4穗粗、穗粒數(shù)、百粒重分別顯著增加8.0%、12.3%、13.0%，而禿尖長減小了56.3%；DT2穗粗、穗粒數(shù)、百粒重分別顯著減少1.6%、9.1%、3.08%，而禿尖長增加了49.1%，可見隨著灌水量的增大，各處理間的穗粗、禿尖長、穗粒數(shù)、百粒重差異性減小，說明合理的灌水會(huì)促進(jìn)玉米穗粗、穗粒數(shù)、百粒重增加，且減小玉米禿尖長度。

表4 玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素分析

注：5%水平下顯著性標(biāo)注。

2.5 玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素相關(guān)性分析

膜下滴灌玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素相關(guān)性分析見表5，表5中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別為穗長、穗粗、禿尖長、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重、出籽率。結(jié)果表明，產(chǎn)量除與禿尖長呈負(fù)相關(guān)，其他構(gòu)成因素均呈正相關(guān)，且產(chǎn)量與穗粗、穗粒數(shù)、出籽率呈顯著正相關(guān)，說明通過提高穗粗、穗粒數(shù)和出籽率，在一定程度上可提高產(chǎn)量。從各構(gòu)成要素之間相關(guān)性分析可知，穗粗、穗粒數(shù)與出籽率之間呈顯著相關(guān)，說明穗粗、穗粒數(shù)的增加可顯著提高出籽率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

表5 膜下滴灌玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素相關(guān)性分析

膜下滴灌玉米產(chǎn)量與其構(gòu)成要素通過逐步回歸分析，玉米產(chǎn)量(Y)與構(gòu)成要素建立了最優(yōu)線性回歸方程為：Y=-20 114.646+5 902.213X2-1 698.734X3+12.885X5，方程判定系數(shù)R2=0.975，F(xiàn)=105.958，回歸系數(shù)的顯著性概率p值均小于0.05，所以回歸方程的線性關(guān)系顯著，可用于預(yù)測(cè)膜下滴灌玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。此方程表明穗粗、禿尖長、穗粒數(shù)是影響膜下滴灌玉米產(chǎn)量的重要因素，判定系數(shù)為0.975，表明玉米產(chǎn)量的97.5%是由穗粗、禿尖長、穗粒數(shù)來決定。

3 結(jié) 論

本研究以河西綠洲玉米為研究對(duì)象，對(duì)各生育時(shí)期玉米植株進(jìn)行取樣分析，分析了不同灌水量對(duì)玉米全生育期干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)以及產(chǎn)量的影響。主要結(jié)論如下：

(1)玉米各器官干物質(zhì)分配變化和相對(duì)生長率分析結(jié)果表明，玉米地上部分干物質(zhì)積累量隨生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)出“慢-快-慢”的增長趨勢(shì)，干物質(zhì)在各器官中的分配，隨生長中心的轉(zhuǎn)移而發(fā)生變化。拔節(jié)期前干物質(zhì)主要分配中心是葉片，“拔節(jié)期-抽穗期”干物質(zhì)主要分配中心是莖稈，“抽穗期-成熟期”主要干物質(zhì)積累最終轉(zhuǎn)移為玉米籽粒。玉米相對(duì)生長速率最大值出現(xiàn)在“大喇叭口期-抽穗期”，約為5.12～7.58 g/d，是干物質(zhì)快速增長期，注意這一時(shí)期灌水，對(duì)玉米的生長具有促進(jìn)作用。

(2)通過Logistic模型分析得出，膜下滴灌干物質(zhì)積累在播種后65 d左右進(jìn)入旺長期，CK干物質(zhì)積累在播種后68 d左右進(jìn)入旺長期，可見膜下滴灌因地膜的保溫作用，可促使作物提前進(jìn)入旺長期。膜下滴灌最小灌水量DT1較DT2、DT3、DT4處理提前2.2～2.5 d進(jìn)入旺長期，提前2.3～2.6 d結(jié)束旺長期，說明生育期灌水量大小對(duì)作物營養(yǎng)生長周期影響顯著，小定額灌水明顯縮短作物營養(yǎng)生長周期，影響作物干物質(zhì)積累。

(3)產(chǎn)量及構(gòu)成要素相關(guān)性分析結(jié)果表明，產(chǎn)量除與禿尖長呈負(fù)相關(guān)，與穗粗、穗粒數(shù)、出籽率呈顯著正相關(guān)，且穗粗、穗粒數(shù)與出籽率之間呈顯著相關(guān)；膜下滴灌玉米產(chǎn)量的97.5%是由穗粗、禿尖長、穗粒數(shù)3個(gè)構(gòu)成因素決定，通過提高玉米穗粗、穗粒數(shù)可提高玉米產(chǎn)量。本研究提出回歸方程判定系數(shù)為0.975，可用于預(yù)測(cè)玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。