干旱脅迫下玉米耐旱性響應(yīng)機(jī)制及節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用研究

玉米作為我國(guó)三大糧食作物之一，種植歷史悠久、面積廣泛。玉米為水分敏感型作物，水分供應(yīng)對(duì)產(chǎn)量及品質(zhì)影響較大。玉米耐旱性的鑒定及節(jié)水灌溉技術(shù)的探索研究，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有玉米品種遺傳基礎(chǔ)及培育、玉米栽培高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等方面具有重要意義。干旱脅迫對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)影響較大，在我國(guó)地區(qū)，干旱及半干旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)占全國(guó)總耕地面積的 43% 。并且近年來(lái)受不良環(huán)境氣候的影響，我國(guó)多個(gè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)均存在降雨分布不均、降雨量偏少等情況，出現(xiàn)階段性或長(zhǎng)期干旱氣候，影響農(nóng)作物的正常生產(chǎn)。玉米生長(zhǎng)期間，對(duì)水分敏感度較高，在玉米品種選育期間，增強(qiáng)其對(duì)干旱環(huán)境條件的適應(yīng)力及植株抗逆性十分關(guān)鍵。在玉米品種選育與培養(yǎng)期間，需注重對(duì)耐旱性指標(biāo)的鑒定及評(píng)價(jià)，以提升玉米的適應(yīng)性，提升玉米產(chǎn)量及品質(zhì)。同時(shí)，在玉米生產(chǎn)期間，應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)可以有效改善干旱條件對(duì)玉米植株生長(zhǎng)的影響，規(guī)避干旱脅迫所帶來(lái)的不良影響。

一、玉米耐旱性鑒定方法

玉米品種耐旱性鑒定方法主要可分為四種，分別為盆栽法、旱棚旱池法、模擬環(huán)境法及田間直接鑒定法。其中，盆栽法依據(jù)植株根系載體的不同可分為土培、沙培、水培等。使用盆栽法開(kāi)展玉米耐旱性鑒定時(shí)，先在盆栽中培育出玉米幼苗，再對(duì)玉米幼苗進(jìn)行脫水、復(fù)水處理，觀察玉米幼苗脫水萎蔫時(shí)間、植株性狀等特征，記錄其變化規(guī)律，并對(duì)復(fù)水管理下幼苗的恢復(fù)能力觀察，評(píng)價(jià)各品種幼苗耐旱性，完成玉米品種的耐旱性鑒定。此方法多應(yīng)用在玉米品種大批量的耐旱性鑒定中，主要鑒定玉來(lái)苗期耐旱性，對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育中后期耐旱性鑒定效果不佳。盆栽法鑒定時(shí)，還可通過(guò)對(duì)盆栽內(nèi)根系載體的含水量進(jìn)行調(diào)控，從而完成對(duì)玉米幼苗干旱脅迫觀察，此方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但鑒定結(jié)果數(shù)據(jù)通常與大田實(shí)際生產(chǎn)表現(xiàn)具有一定的差異性。

旱棚旱池法及模擬環(huán)境法是指在玉米品種耐旱性鑒定時(shí)，通過(guò)人工調(diào)控旱棚旱池或室內(nèi)環(huán)境溫濕度、光照等氣候條件進(jìn)行模擬，促使環(huán)境表現(xiàn)出不同程度的干旱脅迫特征，觀察玉米植株變化，分析玉米各耐旱性指標(biāo)鑒定，完成耐旱性評(píng)價(jià)。此種操作方式重復(fù)性強(qiáng)、評(píng)價(jià)可靠、比較性強(qiáng)，可以克服田間直接鑒定法中存在的缺陷，但是成本高、資源消耗大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量、大規(guī)模的品種鑒定。

田間直接鑒定法通常在自然生態(tài)環(huán)境條件下進(jìn)行玉米植株的栽培生產(chǎn)，并依照栽培區(qū)域的地形地理特征、自然降水量、水分灌溉等多因素影響所造成的水分供給條件差異，模擬出各種干旱脅迫條件，對(duì)各條件下玉米品種耐旱性進(jìn)行記錄、評(píng)價(jià)。該鑒定方法相對(duì)簡(jiǎn)單，且接近田間玉米生產(chǎn)實(shí)際情況，鑒定效果顯著。但在實(shí)施期間，自然環(huán)境條件對(duì)耐旱性鑒定影響較大，對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境氣候要求嚴(yán)格。適宜應(yīng)用在環(huán)境氣候干旱且降雨量少，需通過(guò)灌水完成水分脅迫的地帶。但該鑒定方法耗費(fèi)時(shí)長(zhǎng)大、工作量大、可重復(fù)性低。

二、玉米耐旱性鑒定指標(biāo)研究

1、形態(tài)指標(biāo)

玉米植株耐旱形態(tài)指標(biāo)通常可分為地上部分、地下部分兩種。地上部分主要為玉米各生長(zhǎng)發(fā)育期進(jìn)程、株高、莖粗、葉片面積、葉片氣孔數(shù)、葉片厚度、葉片細(xì)胞狀態(tài)、籽粒發(fā)育特征、穗粒大小等。地下部分主要包含根系數(shù)量、根系長(zhǎng)度、根系粗度、根冠比、根系發(fā)育基本情況、根系內(nèi)維管束量、根導(dǎo)管等。

以玉米地上部分株高為例，同一玉米品種在不同干旱脅迫下株高具有一定差異性，一般來(lái)說(shuō)，株高與品種的耐旱性為正比。在干旱脅迫的影響下，玉米植株整體養(yǎng)分的吸收與利用受到影響，植株體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化效果差，株高的生長(zhǎng)受到抑制，植株矮化。除此之外，玉米植株中水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸通常依靠維管束的作用，維管束多存在于玉米莖稈組織內(nèi)。當(dāng)玉米莖稈組織吸水阻力變小時(shí)，維管束對(duì)水分的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力提升，植株耐旱性越強(qiáng)。同時(shí)，葉片形態(tài)指標(biāo)是指玉米葉片的厚度、絨毛分布、蠟質(zhì)層、小葉等特征，通常來(lái)說(shuō)，玉米葉片較厚、絨毛分布密集、葉片蠟質(zhì)層多、葉面積小且直立的品種耐旱性更強(qiáng)。

根系作為玉米吸收利用水分的重要器官，發(fā)達(dá)的根系可以提升玉米對(duì)水分的利用率，從而減緩或降低干旱脅迫造成的失水萎蔫程度。通常來(lái)說(shuō)，玉米根系的質(zhì)量及作用會(huì)對(duì)玉米的產(chǎn)量造成一定的影響，但是與根系伸長(zhǎng)的深度影響不大，耐旱性更強(qiáng)的玉米品種其根系及干物質(zhì)質(zhì)量相對(duì)常規(guī)品種來(lái)說(shuō)更高。同時(shí)，玉米初生根數(shù)量較多的品種耐旱性更強(qiáng)。

2、生理生化指標(biāo)

在受干旱脅迫影響下，玉米植株結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)干旱脅迫的變化會(huì)出現(xiàn)一些特征，例如葉片萎蔫、失水等，同時(shí)在內(nèi)部生理及生化代謝中也會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整。玉米耐旱性生理鑒定指標(biāo)包含葉片相對(duì)含水量、葉片水勢(shì)、氣孔擴(kuò)散阻力、相對(duì)電導(dǎo)率、水分參數(shù)、根系活力、葉綠素、水分利用率、熒光參數(shù)等。葉片水勢(shì)數(shù)據(jù)可以反映出玉米葉片的水分含量情況及對(duì)水分的需求量特征。葉片細(xì)胞水分吸收利用率通常與玉米品種耐旱性成正比，吸收利用率越高，耐旱性越強(qiáng)。而葉片水勢(shì)的穩(wěn)定及大小可以用于衡量玉米植株耐旱性水平，玉米植株在干旱脅迫的影響下，隨著干旱強(qiáng)度及時(shí)間的提升，葉片水勢(shì)會(huì)逐漸下降，當(dāng)葉片水勢(shì)下降至較低的水平后，植株水分運(yùn)輸停止，整株干枯、死亡。

玉米耐旱性生化鑒定指標(biāo)包含過(guò)氧生物酶、超氧化物歧化酶、丙二醇、可溶性糖、脯氨酸、吲哚乙酸、赤霉素、脫落酸、代謝過(guò)程期間糖酶的變化特征等。以丙二醇為例，丙二醇存在植株體內(nèi)可以調(diào)節(jié)器官滲透壓，促使植株適應(yīng)不同環(huán)境條件，例如低溫、干旱等。同時(shí)，丙二醇的存在可以促進(jìn)玉米的光合作用效果，提升植株的長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量，促進(jìn)植物根系的發(fā)育與水分吸收利用能力。在玉米干旱脅迫下，丙二醇可以減少由于干旱所引發(fā)的葉片脫水、損傷，增強(qiáng)玉米耐旱性。

三、玉米節(jié)水灌溉技術(shù)

1、節(jié)水灌溉技術(shù)概述

節(jié)水灌溉技術(shù)是一種通過(guò)高效的節(jié)約用水管理措施，借助設(shè)施設(shè)備等實(shí)現(xiàn)以最低灌溉水量滿足玉米最大產(chǎn)量需水量方式，具有節(jié)水、高效的特征。此技術(shù)應(yīng)用在玉米生產(chǎn)中，能夠在不影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的基礎(chǔ)下，最大限度地控制灌溉水的施入。在玉米種植期間，應(yīng)用玉米耐旱性品種鑒定及節(jié)水灌溉技術(shù)，優(yōu)選抗旱性強(qiáng)的玉米品種，同時(shí)采用節(jié)水灌溉管理技術(shù)生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)低灌溉量下玉米增產(chǎn)增收的目標(biāo)，節(jié)約水資源的并提升品種對(duì)環(huán)境適應(yīng)性，降低不良自然條件對(duì)玉米產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水灌溉技術(shù)形式較多，包含噴灌、滴灌、渠道防滲、低壓管道輸水等，此種灌溉技術(shù)在不同農(nóng)作物品種、地勢(shì)環(huán)境條件下均有應(yīng)用。節(jié)水灌溉技術(shù)除了具有提升水資源的利用率特征，還能夠達(dá)到降低農(nóng)作物病蟲(chóng)害發(fā)生與危害、節(jié)約施肥量等效果，增加農(nóng)戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合效益。隨著近年來(lái)水資源需求量的增多及氣候條件不斷變化，節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用重要性逐步提升，其對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)增收、農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。

2、節(jié)水灌溉技術(shù)分類（1）噴灌技術(shù)

噴灌技術(shù)是指將水通過(guò)加壓處理經(jīng)由噴頭噴射至空中為細(xì)小水滴，模擬自然降雨場(chǎng)景均勻灌溉農(nóng)田，灌溉效率高。噴灌應(yīng)用在玉米種植期間主要分為四種，分別為固定噴灌、搖擺噴灌、中心樞軸噴灌及線形噴灌。其中，固定滴灌在規(guī)劃之初，需要依據(jù)灌溉的面積、田塊形狀等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。通常來(lái)說(shuō)，單個(gè)噴灌頭可以覆蓋 10～15m 直徑，因此，兩個(gè)噴灌頭間距控制在10～15m 之間。管道材質(zhì)以PVC、PE為主，主管道水壓、水量大，直徑選擇 75～150mm 為宜，支管道略低， 50～100mm 為宜，均選用耐壓等級(jí)PN10材質(zhì)。單個(gè)噴頭流量 1～5m³/h ，安裝高度距地面 30～ 50cm_? ，固定噴灌在玉米苗期應(yīng)用較多，玉米中后期株高較高，噴灌旋轉(zhuǎn)噴施效果差。

搖擺噴灌對(duì)比固定噴灌所噴施范圍更廣泛，可進(jìn)行 360^° 灌水，擺動(dòng)、噴灑半徑為 10～15m ，流量范圍 2～10m³/h ，管道材質(zhì)以PE為主。搖擺噴灌在運(yùn)行前，需對(duì)單個(gè)噴頭的擺動(dòng)角度、噴灑范圍等進(jìn)行檢查，減少噴灑盲區(qū)。

中心樞軸噴灌在應(yīng)用時(shí)，需依據(jù)玉米種植田面積、形狀確定中心樞軸的長(zhǎng)度，將其控制在 200m 以上，高度控制在 2～4m 為宜。線性噴灌管道材料以鋁合金管材最佳，需建設(shè)移動(dòng)噴灌系統(tǒng)軌道，寬度 2～3m ，移動(dòng)速度 5～10m/h。該技術(shù)在玉米節(jié)水灌溉栽培中應(yīng)用相對(duì)較少，造價(jià)成本高。

（2）滴灌技術(shù)

滴灌技術(shù)對(duì)比噴灌技術(shù)，其管道分枝少，應(yīng)用相對(duì)便捷。滴灌技術(shù)應(yīng)用在玉米種植生產(chǎn)期間，在滴灌鋪設(shè)設(shè)計(jì)方面，依照玉來(lái)的種植密度、土壤特性，確定灌溉的需求及周期，規(guī)劃相應(yīng)的主管道、支管、滴灌帶等布局，并調(diào)整滴頭的間距、流量、壓力等。滴灌滴頭較小，對(duì)水源的潔凈度 ??pH 值有所要求，盡量選擇懸浮物含量低于 10mg/L，pH 值在6.0～7.5的水源，避免堵塞、腐蝕滴灌帶。

玉米滴灌技術(shù)應(yīng)用期間，管道材料以PE、PVC為主，流量1～4L/h ，管道配置過(guò)濾器120～200目，及可以調(diào)試施肥量的施肥器。主管道直徑在 50～100mm 之間，鋪設(shè)深度為 30～50cm ，支管直徑 20～50mm ，鋪設(shè)深度 20～40cm ，滴灌帶之間間距 1～2m ，滴頭間距 20～50cm ，結(jié)合玉米種植株行距進(jìn)行調(diào)整。在部分干旱地區(qū)，可采取膜下滴灌方式，將滴灌鋪設(shè)至地膜下方，節(jié)水效果更佳。

（3）渠道防滲技術(shù)

渠道防滲技術(shù)在玉米種植中應(yīng)用可以減少渠道灌水期間造成水分滲漏的現(xiàn)象。該技術(shù)核心在于采取特定的材料及結(jié)構(gòu)，對(duì)往農(nóng)田中輸送的渠道進(jìn)行優(yōu)化，降低其對(duì)水分的消耗與浪費(fèi)。渠道防滲技術(shù)應(yīng)用具有減少水分滲漏損失、提升輸水量、節(jié)約能源及成本等優(yōu)勢(shì)。渠道防滲技術(shù)應(yīng)用時(shí)，可以采取黏土、水泥混凝土、塑料膜及復(fù)合材料作為襯砌，降低渠道中水分的下滲量。

① 黏土襯砌

在進(jìn)行田間水利渠道挖建時(shí)，為保障排灌水通暢，床面平整度不可低于 95% ，渠道寬度、深度依照排灌用水地塊的大小、灌溉量進(jìn)行確定。常規(guī)大田農(nóng)作物生產(chǎn)期間，建議水利渠道寬控制在 1.5～2m 之間、渠深 0.8～1.2m 使用黏土為防滲材料時(shí)，黏土含砂量低于 20% 。黏土鋪設(shè)至渠道底部，厚 25～30cm 為宜，運(yùn)用壓土機(jī)將黏土壓至密度 90% 以上，提升防滲率。完成渠道黏土襯砌后，將水渠床面平整處理，避免床面出現(xiàn)裂縫，影響防滲效果。

② 混凝土襯砌

在水渠內(nèi)先墊入混凝土澆筑模板，以木質(zhì)或鋼質(zhì)為宜，確定混凝土成型后符合襯砌要求。混凝土建議選用C30標(biāo)號(hào)水泥混凝土，澆筑厚度在 15～20cm 之間。澆筑結(jié)束后定期灑水養(yǎng)護(hù)，避免水泥開(kāi)裂、下沉等。

③ 塑料膜襯砌

塑料膜襯砌時(shí)，選擇厚 0.75mm 的聚乙烯材質(zhì)塑料薄膜，此種材質(zhì)密度大，作為防滲材料時(shí)，滲漏率低于 2% 。塑料薄膜平鋪在整理好的水渠內(nèi)，薄膜之間接縫處使用專用膠帶或熱熔焊連接，避免接縫處有滲漏。在鋪設(shè)塑料薄膜時(shí)，注意避免被尖銳物刺破。平鋪后在塑料薄膜上方覆蓋 10cm 厚的細(xì)砂或黏土，避免風(fēng)化、刮破。

④ 復(fù)合襯砌

復(fù)合襯砌時(shí)，渠道寬度在 2～3m 深度在 1～1.5m 之間，使用水泥混凝土為底部材質(zhì)，混凝土鋪設(shè)厚度 15cm 。混凝土上方覆蓋厚度 0.75mm 的塑料薄膜或?yàn)r青層，并覆蓋一層 10cm 的細(xì)沙或黏土。復(fù)合襯砌方式下渠道防滲效果較好，但是操作難度較大、成本高。

（4）低壓管道輸水技術(shù)

低壓管道輸水技術(shù)為一種高效的灌溉技術(shù)，應(yīng)用在玉米種植期間，以低壓輸水管道直接將水分輸送至田間，減少水分在運(yùn)輸期間造成的下滲或蒸發(fā)損失。低壓管道輸水技術(shù)在我國(guó)北方干旱地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，特別是有機(jī)電井灌溉條件的區(qū)域。低壓管道輸水技術(shù)以水源、水泵、動(dòng)力機(jī)械、連接保護(hù)裝置、輸水管道、配水設(shè)施及設(shè)備等組成，對(duì)比傳統(tǒng)的渠道灌水技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，其輸水過(guò)程中水分損失量少，且大部分水分可以直接輸送至田間，占地面積小。其次，該技術(shù)受氣候、地形等因素影響少，輸水速度快、灌水周期較短。最后，低壓管道輸水技術(shù)成本低、操作簡(jiǎn)便，為一種高效、節(jié)水、節(jié)能的節(jié)水灌溉技術(shù)。

低壓管道輸水技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)作物生產(chǎn)期間，為保障管道使用安全性，材質(zhì)選擇高密度聚乙烯或PVC材質(zhì)為宜。規(guī)劃初期，依照需要灌水的面積、農(nóng)作物需水量等確定流量大小，并選定準(zhǔn)確管徑范圍，通常在 75～315mm 之間，耐壓等級(jí)PN10～16之間。管道之間連接接頭與管道材質(zhì)相同，使用熱熔或電焊相連，避免壓力過(guò)大造成接頭水分滲漏。主管道鋪設(shè)至地下 50cm ，避免影響機(jī)械旋耕、過(guò)路等。管道坡度范圍控制在 0.5%～1% 之間，管道每間隔 2～3m 使用地錨或管夾固定。遠(yuǎn)距離灌水時(shí)，每間隔 50m 安裝支撐，避免管道下沉影響使用壽命。

短期或長(zhǎng)期干旱、水資源的短缺、氣候環(huán)境條件的突變已成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，對(duì)農(nóng)作物的種植、糧食生產(chǎn)安全等造成嚴(yán)重威脅。玉米作為我國(guó)主要糧食作物之一，如何采取科學(xué)的方式對(duì)玉米品種耐旱性的鑒定與評(píng)價(jià)為現(xiàn)代玉米種質(zhì)資源研究重要方向。強(qiáng)化玉米耐旱品種的培育以及節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)玉米產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有至關(guān)重要的促進(jìn)作用。同時(shí)，玉來(lái)耐旱性是基于干旱脅迫條件下所表現(xiàn)出的一種復(fù)雜、綜合特性，植株多細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理指標(biāo)等為適應(yīng)干旱條件表現(xiàn)出一系列的變化，在玉米的不同生長(zhǎng)發(fā)育期均可發(fā)生。

目前，我國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)期間常見(jiàn)的節(jié)水灌溉技術(shù)包含滴灌、噴灌、渠道防滲及低壓管道輸水技術(shù)，此四項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)均有其優(yōu)勢(shì)，綜合可應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用在玉米生產(chǎn)期間，在滿足玉米各生育期需水基礎(chǔ)下，實(shí)現(xiàn)最大限度的水資源節(jié)約利用，實(shí)現(xiàn)玉米的增產(chǎn)增收。在未來(lái)，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)、育種研究、基因工程、智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)灌溉等技術(shù)的快速發(fā)展，玉米耐旱品種的選育及節(jié)水灌溉技術(shù)將會(huì)成為糧食作物耐旱研究的重要方向，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)條件。

（作者單位：236300安徽省阜陽(yáng)市阜南縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心）