錦州市不同程度干旱對玉米生長發育和產量的影響

呂 曉， 戰莘曄， 高莉莉， 張兵兵， 吳 航， 梁 濤， 高 全， 金 晨

（1. 中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧 沈陽 110166； 2. 錦州市生態與農業氣象中心，遼寧 錦州 121000；3. 鞍山市氣象局，遼寧 鞍山 114004）

0 引言

近年來，全球干旱頻繁發生而且有日趨嚴重的態勢，同時因受到特定的自然條件和氣候條件的影響，我國也極容易受到干旱災害的影響[1]。作為我國重要的農業生產區，遼寧省自然也不例外，特別是遼寧錦州地區，降水主要發生在春夏，降水強度時空分布不均，使得錦州地區農作物生長極易受春旱和夏旱的影響。

玉米是我國重要的比較耐旱的糧食作物，適合在干旱貧瘠地區種植，但由于玉米對干旱敏感且需水量較大，因此干旱是限制玉米高產穩產的最主要氣象災害。種植玉米的最終目的是收獲籽粒產量，干旱對玉米生長發育的影響最終也體現在產量上[2]。在錦州地區，其干旱災害發生頻繁，水分早已成為影響玉米生長發育及產量的主要非生物限制因素[3-4]。如何提高玉米高產穩產已成為錦州地區亟待解決的問題，并且對穩定玉米產量具有十分重要的現實意義。

目前，國內外諸多學者研究了干旱對作物生長發育、產量形成等方面的影響[5-9]。甘雅文等[10]分析了干旱對作物生長機理的影響。任慶成等[11]總結了植物抗旱性研究進展。崔秀妹等[12]、溫翠平等[13]和DAI Y J 等[14]通過試驗研究發現，作物經受短期或輕度干旱脅迫，其外部形態、內部機理、光合作用會受到負面影響，而如若遭受長期而嚴重的干旱脅迫，則可通過抑制作物生長引起其外觀形態和生物量的變化，進而影響其產量，導致減產甚至死亡。近年來，很多學者開拓了基于作物水分虧缺指數對作物的影響的研究領域[15-19]。

已有的研究多利用盆栽進行試驗，較少在大田進行試驗。本文基于中國氣象局東北地區生態與農業氣象野外科學試驗站暨遼寧錦州玉米農田生態系統野外觀測站，利用大型農田土壤水分控制試驗場，應用國內先進的大型移動式遮雨系統和人工模擬降水系統平臺，在大田條件下定量控制土壤相對濕度，以解決大田作物水分控制這一難點，模擬錦州地區玉米關鍵發育期自然漸進干旱的動態變化，擬探究氣候變暖背景下干旱對錦州地區玉米生長發育和產量的影響，以期為錦州地區玉米的抗旱栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2020 年在遼寧省錦州市玉米試驗田進行（41°49' N，121°12' E），以錦州地區主栽玉米丹玉大田試驗為基礎，利用國內先進的大型活動遮雨棚在降雨時隔絕雨水，其余時間自然光照。試驗設對照（CK）和干旱脅迫（T1、T2、T3、T4）共5 個處理，每個處理設置4 次重復。對照CK 在整個生育期內不進行土壤水分控制，不覆蓋遮雨棚，自然降水同大田；T1、T2在拔節期進行土壤水分控制，使其分別達到中旱、重旱的程度后移開遮雨棚；T3、T4 在抽雄期進行土壤水分控制，使其分別達到中旱、重旱的程度后移開遮雨棚[20]。

1.2 測定項目

2020 年6 月15 日至8 月24 日每隔7 d 在每個小區內隨機取3 個植株樣本，取回實驗室測定其株高、總葉數；玉米成熟收獲后，待其風干進行室內考種，分別測量玉米的穗部性狀并計算玉米的籽粒理論產量。

1.3 數據分析

利用SPSS 和Excel 進行數據處理分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 株高

利用SPSS 對5 組不同干旱脅迫處理玉米的株高進行單變量單因子方差分析，發現玉米遭受干旱影響后其株高均比未遭受干旱影響的株高變矮，受到負面影響。由圖1 可知，T2 在拔節期遭受重度干旱影響后株高較CK 極顯著變矮（P=0.007，R2=0.339，R=0.582 2**），T1 在拔節期遭受中度干旱影響后株高較CK 顯著變矮（P=0.018，R2=0.274，R=0.523 5*），可見重度干旱對玉米株高的影響大于中度干旱對玉米株高的影響。T3和T4 在抽雄期遭受中度和重度干旱影響后，株高較CK 變矮但是未達到顯著性差異（P=0.212，R2=0.085，R=0.291 5；P=0.147，R2=0.113，R=0.336 2），可見玉米在抽雄期遭受干旱影響后玉米株高雖然變矮，但與未遭受干旱影響的玉米株高相比未達到顯著性差異，即玉米在抽雄期遭受干旱影響后對株高的負面影響比玉米在拔節期遭受干旱影響后對株高的負面影響要小很多，且干旱程度越嚴重對玉米株高的負面影響越大，這與前人的研究結果一致。由此可見，玉米植株的生長受干旱影響較大，玉米遭受干旱影響后其植株的生長均受到抑制作用，這可能是因為在生育期間內，干旱使玉米植株日生長量減少，且不同生育期不同程度干旱對玉米植株日生長量減少的程度不同。

圖1 拔節期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理對玉米株高的影響Fig. 1 Effects of moderate and severe drought stress on maize plant height at jointing stage and heading stage

2.2 總葉數

利用SPSS 對5 組不同干旱脅迫處理玉米的總葉數進行單變量單因子方差分析，發現玉米遭受干旱影響后其總葉數均比未遭受干旱影響的總葉數顯著減少。由圖2 可知，T2 在拔節期遭受重度干旱影響后總葉數較CK 極顯著變少（P=0.006，R2=0.352，R=0.593 3**），T1 在拔節期遭受中度干旱影響后總葉數較CK 顯著變少（P=0.022，R2=0.258，R=0.507 9*），可見重度干旱對玉米總葉數的影響大于中度干旱對玉米總葉數的影響；T3 和T4 在抽雄期遭受中度和重度干旱影響后總葉數較CK 也顯著變少（P=0.047，R2=0.201，R=0.448 3*；P=0.012，R2=0.305，R=0.552 3*），可見玉米在抽雄期遭受干旱影響后對總葉數的負面影響比玉米在拔節期遭受干旱影響后對總葉數的負面影響要小很多，且干旱程度越嚴重對玉米總葉數的負面影響越大。由于玉米葉片是合成光合產物的重要場所，而干旱使得玉米總葉片數減少，對玉米葉片進行光合作用產生負面影響，影響玉米的生長發育，最終的負面影響會體現在玉米產量的減少。

圖2 拔節期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理對玉米總葉數的影響Fig. 2 Effects of moderate and severe drought stress on total leaf number of maize at jointing stage and heading stage

2.3 穗部性狀

由于玉米不同生育期在其生長過程中所起的作用不同，玉米在生長發育過程中的任何發育期遭受干旱，均會對其穗部性狀產生不同程度的影響，從而影響產量[20]。利用SPSS 對5 組不同干旱脅迫處理玉米的穗部性狀進行單變量單因子方差分析，發現玉米遭受干旱影響后其穗部性狀均比未遭受干旱影響的穗部性狀受到顯著的負面影響。由表1 可知，果穗長除T1 外，T2、T3、T4 均比CK 極顯著減少，T2、T3、T4 與T1 差異顯著，T1 與CK、T2 與T3、T4 差異不顯著；禿尖比均比CK 極顯著增加；果穗粗5 組處理均差異不顯著，即玉米在拔節期和抽雄期遭受重度和中度干旱影響后對其果穗粗影響不大；百粒質量除T4 較CK 顯著減少外，其余干旱脅迫處理組的玉米百粒質量所受影響均不顯著；穗粒質量T1、T2、T3、T4 均較CK 極顯著減少。即玉米在拔節期和抽雄期遭受中度和重度干旱影響后對其果穗長、禿尖比、百粒質量、穗粒質量均有不同程度的顯著或者是極顯著的負面影響。

表1 拔節期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理下平均單株玉米穗部性狀比較Tab. 1 Comparison of ear traits of average maize per plant under moderate and severe drought stress at jointing stage and heading stage

2.4 產量

利用SPSS 對5 組不同干旱脅迫處理的玉米籽粒理論產量進行單變量單因子方差分析，發現玉米遭受干旱影響后其籽粒理論產量均比未遭受干旱影響的籽粒理論產量受到極顯著的負面影響。由圖3 可知，玉米在拔節期和抽雄期遭受中度和重度干旱影響后，玉米籽粒理論產量均較CK 呈現不同程度的極顯著減少，且玉米在抽雄期遭受干旱影響后極顯著減少的程度較拔節期遭受干旱影響后極顯著減少的程度更嚴重，而且玉米遭受干旱影響的程度越嚴重玉米籽粒理論產量減少的程度越嚴重。

圖3 拔節期和抽雄期中度和重度干旱脅迫處理對玉米籽粒理論產量的影響Fig. 3 Effects of moderate and severe drought stress on theoretical grain yield of maize at jointing stage and heading stage

3 討論

玉米在拔節期和抽雄期遭受中度和重度干旱，主要影響玉米株高、總葉片數等植株形態方面的生長發育，以及玉米穗部性狀（果穗長、果穗粗、禿尖比、百粒質量、穗粒質量）和籽粒理論產量等玉米產量及其構成。

通過干旱脅迫試驗研究干旱條件對玉米生長發育和產量的影響是一種較為直觀的方法，但在已有的研究中多采用盆栽或池栽的方式進行試驗，較少在大田進行試驗。本文在玉米試驗大田條件下進行，定量控制土壤相對濕度，利用大型農田土壤水分控制試驗場，應用國內先進的大型移動式遮雨系統，以此解決大田作物水分控制這一難點，模擬錦州地區玉米關鍵發育期自然漸進干旱的動態變化。

本試驗再次證實了前人的研究結論，即玉米在生長發育過程中遭受干旱會使其生長發育受阻，而使其穗部性狀惡化，最終體現在產量上減產；不同生育期進行不同程度干旱脅迫處理對產量的影響也不盡相同：玉米的株高和總葉片數在拔節期遭受干旱所產生的影響大于在抽雄期遭受干旱所產生的影響，穗部性狀和籽粒理論產量在抽雄期遭受干旱所產生的影響大于在拔節期所產生的影響，且干旱程度越嚴重對玉米生長發育和產量產生的影響越大。

錦州地區易受干旱災害的影響，在日常工作業務中需要對遭受干旱的玉米產量進行定量評估。本文淺析了干旱對錦州地區玉米生長發育和產量的影響，但由于本試驗是在大田取樣測量數據而非定株測量，因此測量的數據較定株測量會稍有誤差，今后的深入研究中可以考慮改進測量技術。我國目前有關應用作物模型與玉米干旱脅迫影響指標相結合的研究比較少見，今后應繼續深入開展基于作物模型的玉米干旱脅迫影響指標的研究，為玉米產量干旱影響評價提供理論基礎。

4 結論

利用SPSS 對5 組不同干旱脅迫處理玉米的株高、總葉片數、穗部性狀和籽粒理論產量進行單變量單因子方差分析，發現玉米遭受中度或者是重度干旱影響后在同一時期其株高、總葉片數、穗部性狀和籽粒理論產量均比未遭受干旱影響的玉米受到不同程度的負面影響。玉米在拔節期遭受干旱影響后對株高和總葉數的負面影響更大，且這種影響隨著干旱程度的加深而加大。玉米在拔節期遭受干旱影響后對生長發育的影響大于在抽雄期遭受干旱影響。玉米在拔節期和抽雄期遭受中度和重度干旱影響后對其穗部性狀和籽粒理論產量均有不同程度的顯著或者是極顯著的負面影響，且玉米在抽雄期遭受干旱影響后減少的程度較拔節期遭受干旱影響后減少的程度更嚴重，玉米遭受干旱影響的程度越嚴重，玉米籽粒理論產量減少的程度越嚴重。干旱最終會使玉米產量下降，而且重度干旱對玉米穗部性狀的負面影響更嚴重，玉米減產也更嚴重；玉米在抽雄期遭受干旱后對玉米穗部性狀產生的負面影響更大，即玉米在抽雄期遭受干旱減產程度大于在拔節期遭受干旱的減產程度。