不同灌溉方式下制种玉米叶面积指数、干物质累积与产量研究

王增丽，栾元利，温广贵，董平国

(1.甘肃省武威市中心灌溉试验站， 甘肃 武威 733000；2.武威职业学院机械工程系， 甘肃 武威 733000)

自20世纪90年代以来，西北地区逐渐成为我国60多个玉米高产品种的制种基地。河西走廊地区由于具有良好的天然隔离条件，日照长、昼夜温差大、干燥多风的高产气候条件，以及病虫害轻、产品品质高等特点具有发展制种玉米的产业优势。目前已形成以武威市、张掖市为主产区的河西走廊制种基地[1]。然而该区属典型的大陆性温带干旱气候区，降水稀少、气候干燥、蒸发强烈，农业生产完全依赖灌溉，是一个典型的“非灌不殖，以水定丰欠”的农业生产基地。因此，对该流域主要农作物进行产量及节水效益研究具有重要的现实意义[2-3]。

叶面积指数(leaf area index，简称LAI)是群体结构的重要量化指标。适当增大作物LAI是提高作物产量的主要途径之一，适宜的LAI有利于提高作物产量[4-6]。干物质是作物产量形成的物质基础，它的积累及分配状况直接影响着作物产量。关于制种玉米产量方面的研究很多，但这些研究是对相同灌溉方式进行了横向比较[7-8]，而对不同灌溉方式进行的纵向比较研究较少。基于此，本试验通过不同灌溉方式下制种玉米叶面积和干物质累积动态的研究，探讨制种玉米叶面积与干物质累积量和产量的关系，旨在为本地区制种玉米节水灌溉技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014年4—10月在甘肃省武威市中心灌溉试验站进行，试验站位于东经102°50′50″，北纬37°52′20″，海拔1 580 m，多年平均降水量为164.4 mm，多年平均蒸发量为2 000 mm，地下水埋深为48 m，平均土壤密度为1.54 g·cm-3，土壤质地为灰钙质粉质壤土，田间持水率为30%(体积含水率)。

供试制种玉米品种为富农963，于2014年4月22日种植，9月21日收获，生育期共153 d。父母本种植比例1∶5。垄沟设计标准为垄高20 cm，垄顶宽50 cm，垄底宽80 cm，沟底宽20 cm。每垄种2行玉米，株距20 cm，行距50 cm。基肥量：尿素262.5 kg·hm-2，磷酸二氢铵525 kg·hm-2。小区面积为100 m2(5 m×20 m)，3次重复。灌水方式设置小畦灌(SBI)、常规沟灌(CFI)、隔沟交替灌(AFI)3种，灌溉水源为地下水，灌溉水量采用水表计量。各种农艺措施参照当地经验。灌溉方式设置方法见表1。

1.2 测定项目及计算方法

(1) 在制种玉米拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期采用直尺法测定叶面积，采用烘干称重法测定地上部干物质累积量，采用Logistic方程[9]对制种玉米干物质累积进行回归分析，Logistic生长方程如下：

Y=Ym/[1+exp(a+bt)]

(1)

式中，Y为玉米某一时期的干物质累积量(g)；t为某一时期干物质量累积天数(d)；Ym，a，b为方程待定系数，具有特定的生物学意义，其中Ym为干物质累积理论最大值。

设t0为生长速度最大的时间；t1，t2分别为植株进入、结束旺盛累积的时间。当t0=-a/b时，有d2y/d2t=0，此时干物质累积量为最大值(vmax)，即vmax=dy/dt=-bYm/4，t0时的干物质累积速率vmax亦称为“累积速度特征值”。当t1=[ln(2+1.732)-a]/b，t2=[ln(2-1.732)-a]/b时，有d3y/d3t=0，即t1时刻d2y/d2t达到最大值，t2时刻d2y/d2t达到最小值。

t1，t2将Logistic函数“S”型曲线轨迹分为3个累积阶段：即在0～t1时段内，干物质累积率呈缓慢增长趋势；在t1～t2时段内，干物质累积率加快，几乎呈直线增加趋势；t2时刻后，干物质累积率逐渐缓慢。Δt=t2-t1一般被称为植株的“时间特征值”，表示干物质快速累积期时间的长短。

表1 制种玉米不同灌溉方式设置表

注：表中“—”表示为该时段无灌水措施。 Note：“—”in the table means no irrigation during this period.

(2) 采用农田土壤水量平衡公式进行耗水量计算。灌水量采用水表进行计量。由于该试验田地下水埋深在40 m以下，视地下水补给量为0，降水入渗深度不超过1 m，视深层渗漏为0。作物生长所需水分主要由灌溉水和降雨供应。因此，水量平衡方程可简化为：

ETc=P+I+ΔW

(2)

式中，ETc为作物生育期耗水量(mm)；P为生育期降水量(mm)；I为生育期内灌溉量(mm)；ΔW为作物生育期土壤蓄水变化量(mm)。

(3) 收获后，测产采取小区单打单收方法测定。并按照下列公式计算出籽率、WUE。

Rs=Wg/We×100%

(3)

WUE=Y/ETc

(4)

式中，Rs为出籽率(%)；Wg为籽粒重(g)；We为穗重(g)；WUE为水分利用效率(kg·m-3)；Y为经济产量(kg·hm-2)。

制种玉米各性状数据取平均值，采用SPSS16.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下制种玉米LAI变化

各处理制种玉米LAI消长动态见图1。由图可知，随着叶片陆续出现和营养体增大，各处理制种玉米LAI均逐渐增大，在播后87 d左右到达峰值，之后开始下降。在苗期各处理LAI变化曲线交叉重叠，表明在苗期，作物对水分要求较低，灌水定额对LAI的影响基本一致。在播后52 d，作物进入拔节后期，处理间LAI差异明显，其中，T1处理LAI较T2处理、CK分别增加22.73%和20.45%，分析原因为T1较T2具有较高的灌水定额，作物根系未受水分胁迫。与CK相比较，沟灌方式较畦灌过水面积小，对作物供水较为集中，有利于水分的深层入渗、贮存。播后87 d以后，各处理LAI开始下降，但下降幅度不同。在播后95 d，CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6处理较其峰值分别降低5.80%、5.60%、5.02%、5.52%、4.13%、5.15%和4.93%。结果表明，畦灌、沟灌方式较隔沟交替降幅较高，分析原因可能为隔沟交替方式下，制种玉米根部湿润与干燥区域的交替出现诱导了作物的补偿生长效应，较大地刺激了根系生长，LAI表现为生长衰老进程减缓[10-11]。

图1不同处理制种玉米叶面积指数动态

Fig.1 The dynamic of LAI of seed maize under different treatments

2.2 不同灌溉方式下制种玉米干物质累积变化

不同处理制种玉米干物质累积动态变化特征见表2。由表可知，制种玉米干物质累积始于播后77～87 d，止于播后135～160 d。各处理进入干物质快速累积期(t1)的时间隔沟交替灌(AFI)方式早于传统沟灌(CFI)方式，小畦灌(SBI)进入干物质快速累积期最晚。但快速生长周期持续时间(△t)结果表明，小畦灌(SBI)方式高于隔沟交替灌(AFI)，传统沟灌(CFI)方式快速生长周期最短。此外，由AFI灌溉的各处理(T3、T4、T5、T6处理)测定结果可知，在抽穗期～灌浆期，增加灌水频率和灌水定额能明显增加制种玉米干物质的累积量，在成熟期进行灌溉，对干物质累积的促进作用不明显。由于灌水集中，根系受水均匀，传统沟灌制种玉米能较小畦灌、隔沟灌维持更高的生物量。采用隔沟交替灌溉方式，在抽穗期～灌浆期应增加灌水频率或灌水定额。

表2 不同处理制种玉米干物质累积特征值

2.3 叶面积指数、干物质累积与产量的关系

不同灌溉方式制种玉米生育期叶面积指数与产量相关关系见表3。由表可知，播后35 d(苗期)制种玉米LAI与产量呈显著正相关关系，相关系数达0.85，表明在作物营养生长期应充分供水、施肥以保证满足作物的营养生长需要。播后87 d(抽穗后期)以后，制种玉米LAI与产量均呈负相关关系，相关系数分别为0.95、0.96和0.90。其中，播后87 d、95 d制种玉米LAI与产量呈极显著负相关关系。结果表明，在制种玉米生殖生长后期，适当采取控水、控肥措施可降低植株的生长冗余。

不同灌溉方式制种玉米干物质累积量与产量相关关系如表4所示。由表可知，制种玉米各生育期干物质累积量与产量均呈正相关关系。其中，拔节期(播后69 d)、灌浆期(播后125 d)和成熟期(152 d)干物质累积量与产量相关性不显著，抽穗期(播后105 d)制种玉米干物质累积量与产量呈显著正相关关系，相关系数达0.77。表明抽穗期的干物质累积对制种玉米产量形成起主要作用，增大抽穗期制种玉米干物质累积量可以明显提高制种玉米产量。

表3 制种玉米不同播后天数叶面积指数与产量相关关系

注：*, **分别表示在0.05和0.01的显著水平。下同。

Note：*, ** indicate significant correlation(P<0.05) and extremety significant correlation(P<0.01) respectively. The same as below.

表4 制种玉米不同播后天数干物质累积与产量的相关关系

2.4 制种玉米产量、耗水量与WUE分析

制种玉米生育期耗水量、产量及WUE关系分析结果见图2。由图可知，各处理产量为5.89～6.93 t·hm-2，T5处理产量最高，CK产量最低。传统沟灌(CFI)、隔沟交替灌(AFI)产量与小畦灌(SBI)差异达显著性水平。结合WUE分析结果可知，隔沟交替灌(AFI)较传统沟灌(CFI)和小畦灌(SBI)具有显著的节水效益，且差异显著。其中，CK耗水量为625 mm，WUE为0.94 kg·m-3，明显低于其它处理，表明小畦灌产量是以较大耗水量为代价换来的。T5处理产量最高，对应灌水次数为8次，灌溉定额为2 250 m3·hm-2，能满足制种玉米各生育阶段对水分的需求。灌水次数过少、过多都不利于制种玉米生长发育，供水过少，制种玉米植株遭受水分胁迫而不能正常生长，也会导致产量降低。结果表明，隔沟交替灌溉条件下，相同灌溉定额，低灌水定额、高灌水次数的灌溉效果较优；相同灌溉定额，在灌浆初期进行灌溉措施灌水效果较优。

2.5 制种玉米产量及其构成因素通径分析

制种玉米产量与产量构成因素通径分析结果见表5，由表可知，穗长、行粒数、出籽率3个自变量的通径系数均为正值，表明三者对产量的净效应均为正值，对产量表现为促进作用。秃尖长对产量的净效应为负值，说明穗型过长，籽粒干瘪影响产量。行粒数、出籽率、穗长、秃尖长4因素的直接通径系数分别为0.6103、0.3560、0.0761和-0.1056。在间接通径系数中，穗长通过其它因素对产量的影响为负效应，出籽率通过行粒数、秃尖长对产量的影响为正效应(X4→X3→Y=0.5721，X4→X2→Y=0.0519)，行粒数通过出籽率、秃尖长对产量产生正效应(X3→X4→Y=0.3337，X3→X2→Y=0.0475)。结果表明，穗长、秃尖长对产量的影响虽然没有行粒数、出籽率明显，但各因素之间仍存在相互协调作用。

图2 各处理制种玉米产量、WUE关系分析

注：表中X1、X2、X3、X4分别为穗长、秃尖长、行粒数和出籽率；决定系数R2=0.9998，剩余通径系数Pe=0.0111。

Note:X1,X2,X3andX4mean ear length, bald tip length, row grain numbers and kernel rate respectively,R2=0.9998,Pe=0.0111.

3 结论与讨论

土壤水分是影响作物生长发育、产量及水分利用效率的主要环境因子之一[12]，综合考虑土壤水分状况，避免土壤长期处于水分亏缺状态有利于实现作物可持续高产高效[13]。

叶面积是植物截获光能的物质载体，叶面积指数(LAI)是反映作物群体光合能力的重要指标[14]。适宜的叶面积指数能够保证光热资源的有效利用，提高光合效率，促进有机产物的合成与积累，进而获得作物高产[15-16]。本研究结果表明，不同灌溉方式下，各处理制种玉米LAI消长动态曲线基本一致，呈先增大后降低的趋势，峰值出现在播后87 d左右。隔沟交替灌溉能提高作物对水分胁迫的适应性，延缓作物LAI的衰老进程。制种玉米苗期LAI与产量呈显著正相关关系(R2=0.85)，抽穗期后，制种玉米LAI与产量呈负相关关系。

张立勤[17]研究表明，在相同灌溉定额条件下，沟灌方式较小畦灌方式能增加作物穗粒数和千粒重，增加产量。在作物灌浆期进行适度的水分亏缺处理，能提高作物产量与品质。采用分根交替灌溉方式能明显改善作物品质，提高水分和氮肥利用效率[18-20]。吴燕[21]研究结果表明，在樱桃番茄结果期采用沟灌方式，可有效提高作物产量与品质，且节水效果明显。曾爱国[22]研究结果表明，全膜垄作沟灌条件下，在作物抽穗中后期应考虑适当降低灌溉水量，这与本研究结果相一致。

干物质累积是作物产量形成的物质基础，较高的干物质累积是实现作物高产的必要保证[23]，本研究结果表明，制种玉米生育期总干物质快速累积期始于播后77～87 d，止于播后135～160 d。干物质累积速率与产量呈正相关，其中抽穗期干物质累积量对产量形成起主要作用，累积量越大，产量越高，这与刘伟[24]的研究结果相一致。

不同灌溉方式下，隔沟交替灌水效果优于常规沟灌，常规沟灌又优于小畦灌。综合考虑产量、WUE等因素，制种玉米采取隔沟交替灌溉方式，全生育期灌水8次，灌溉定额为2 250 m3·hm-2的灌溉制度节水与增产效益最优，但应适当考虑增加抽穗期～灌浆期的灌水频率或灌水定额。

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