玉米生长指标的土壤水分上下限调控机理

胡燕哲，吴明泽，李涛龙，田国明，张亚奇，雷乾震，胡笑涛

（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）

玉米生长指标的土壤水分上下限调控机理

胡燕哲，吴明泽，李涛龙，田国明，张亚奇，雷乾震，胡笑涛

（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）

采用桶栽试验，开展了土壤水分不同上下限组合处理对夏玉米生长指标调控效应的研究。结果表明：不同灌水上下限处理夏玉米株高、茎粗、叶面积等生长指标及产量和水分利用效率（WUE）均存在显著差异；苗期55%θF（拔节期以后60%θF，下同）灌水下限的中度水分胁迫和85%θF（90%θF）灌水上限的中水复水有利于提高水分利用效率（2.93）和产量（113.70 g·株－1），相比于苗期65%θF（70%θF）灌水下限的充分灌溉，灌水上限为苗期75% θF（80%θF）的高频次低定额灌溉有利于提高产量（115.44 g·株－1）；苗期～拔节期，（根重／干物质重）×全株干重（2.604）较小，拔节～灌浆期，茎粗／根重（5.010）和（茎粗／株高）×干物质量（7.860）较小，灌浆～成熟期，干物质重／株高（0.914）、（茎粗／株高）×干物质重（17.434）或穗重／叶面积（0.044）较大。叶干重／茎干重（0.930）较大的夏玉米为试验条件下节水高产的合理生长株型，对应的水分处理为：苗期～拔节期灌水上下限分别为85%θF和55%θF；拔节～灌浆期，灌水上下限分别为80%θF和70%θF；灌浆～成熟期，灌水上下限分别为100%θF和50%θF。

夏玉米；生长指标；土壤水分上下限；调控

作物产量和水分利用效率的同步提高是当今节水农业所追求的主要目标，土壤水分则是影响作物生长发育及水分利用效率（WUE）最主要的环境因子［1－2］。夏玉米作为我国北方的主要粮食作物之一，合理的生长特征是获取高产的基础。水分是夏玉米生物量、产量形成和光合产物分配的重要影响因素，也是最易进行调控的因素。在土壤水分亏缺条件下，作物通过形态的改变，适应少水环境，达到结构与功能的平衡［3］。夏玉米的生长指标包括株高、茎粗、叶面积、根干物质重等。不同灌水上下限一方面影响次灌水定额和灌水时间，另一方面不同下限引起的一定时段土壤水分亏缺和上限形成的复水过程也会影响作物生长、产量与水分利用效率；作物产量和水分利用效率与特定的生长指标有关，研究产量和水分利用效率与生长指标的关系，对于采用合理的灌溉土壤水分上下限调控作物生长，实现高产与提高水分利用效率具有重要科学意义。

在作物某些发育时期，减少土壤水分，诱导轻度到重度水分胁迫，可避免植株旺长，改变植株体内养分和水分的分配，使同化物从营养器官向生殖器官转移，当水分胁迫解除后作物通过外部形态的改变和生长速度的调整而对水分变动环境做出响应［4－6］。基于玉米高产的合理株型有较多研究，主要用来指导品种选育。佟屏亚等依据田间植株形态指标，提出了夏玉米优良品种育种应向中大穗、中大粒、矮秆、中高密、中晚熟的方向发展［7］。赵久然等提出理想株型应该是紧凑型＋小雄穗＋坚茎秆＋开叶距＋大根系［8］。Nelson等认为株型增产的主要原因与其群体冠层内光的合理分布有关，特别是夏玉米干物质积累的主要功能叶片——中部叶片，上部叶片上冲，中部叶片可处于较好的光照状态下，有利于干物质的生产［9］。余先驹等研究发现，夏玉米的根总条数与夏玉米的茎粗呈显著正相关［6］。顾慰连认为，夏玉米理想株型设计对根的要求是根层数多、根量大、根吸收水肥能力强、根生长速度快［10］。对于同一品种的玉米生长指标也存在影响产量和水分利用效率的最优组合，目前这一方面还缺乏研究。另外玉米水分亏缺及灌溉制度研究较多，采用土壤水分上下限组合对夏玉米进行调控的研究较少。本文将基于水分对夏玉米生长生理等影响的理论基础，采用土壤水分上下限组合的亏缺复水作物补偿灌溉方式，研究产量和水分利用效率与夏玉米生长指标和组合指标相关性，为亏缺补偿灌溉的夏玉米生长调控，实现高产和提高水分利用效率提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014年6月27日至2014年10月8日在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室进行，使用固定式遮雨棚。供试土壤为大田0～20 cm土层壤土，过筛后经自然风干，田间持水量经测定为24.3%（质量含水率），土壤养分含量一致，肥力均匀。

试验用夏玉米品种为当地金农118号，采用桶栽的种植方法。试验用桶为底部内径23 cm、顶部内径30 cm、高30 cm的塑料桶，放置于遮雨棚下砖砌沟槽的盆栽试验区内。播前每桶加入生物有机肥50 g，蛭石200 g，将肥料和土壤混合均匀后装桶，每桶干土的质量为16 kg。拔节初期施加少量氮肥，夏玉米生长期间不再施加其他肥料。桶底部打孔并铺一层纱网，以防止土粒渗出及根系盘绕桶底；表面均匀铺撒蛭石200 g以防止土壤板结。

1.2 试验设计

试验共设置9个水分处理，每个处理重复3次。将夏玉米的生长阶段划分为苗期、拔节期～灌浆期、灌浆期～成熟期3个生育时期。试验中，重度亏缺根据其上限的不同标记为M1、M2、M3，中度和充分灌溉依次标记为M4、M5、M6和M7、M8、M9，上下限指标在拔节期及以后均上浮5%。除水分外，其他种植方法、栽培环境等均保持一致。每桶中定苗1株，按照取样要求，试验共设置81桶夏玉米。具体试验处理见表1。

表1 夏玉米不同土壤水分上下限处理（%θF）Table 1 Soilmoisture upper and lower limit of summermaize

1.3 测定指标

叶面积、茎粗、株高等指标每周测定1次；生物量和根系利用破坏性取样测定，每次每个处理破坏3个重复，分别在玉米拔节初期（07－27）、灌浆中期（08－21）和收获期（09－05）进行，不同器官进行分类装袋，75℃烘干至恒定质量，称取质量。

叶面积测定（LA）：用卷尺量取夏玉米植株每片完全展开时完整的绿色叶片的长度和最大宽度，在夏玉米生长中后期叶片出现弯曲后，测量时将叶片展平后测量。LA＝Li×Wi×k，L为叶片长度，W为叶片最宽处的宽度，k叶面积系数，取0.75，i为叶片数，单株叶面积为该株绿叶叶面积之和。

株高：利用卷尺测量，以作物地上部分茎基部到顶端为准。

茎粗：用游标卡尺量取夏玉米基部茎秆直径，用十字交叉的方法分别量取后取平均值。

根系指标：采用挖土冲洗法，利用Epson根系扫描系统分析根系构成。

产量测定：玉米收获后将籽粒剥下并进行晾晒至恒重，称取籽粒总质量。

WUE：单个盆栽的籽粒产量／全生育期的耗水量。

试验期间土壤含水率采用量程50 kg、精度为0.02 kg的吊秤每日8∶00和19∶00称重，达到灌水下限桶重即进行灌水，用量杯严格控制每次的灌水量。

1.4 数据分析

数据处理及显著性分析采用SPSS 17.0软件，多重比较基于最小显著差数法（LSD）。相关性分析采用Pearson相关系数（R）描述两个变量间线性关系强弱程度和方向，检验两变量相关程度采用t检验。

2 结果与分析

2.1 不同灌水上下限对夏玉米生长指标的影响

表2为9组不同灌水处理的桶栽夏玉米收获时产量、WUE与各单指标的对比关系。经显著性分析可得，不同灌水上下限处理间产量、WUE与指标均有显著性差异。从各生长指标对不同灌水处理的反映可以看出，灌水下限过低且复水不足时会影响作物的正常生长以及补偿效应的效果，处理M1、M2、M4的干物质重明显减少，分别为平均值的85.5%、91.0%和83.9%，但处理M3在复水50%的情况下各生长指标仍可恢复到较高水平。不同灌水下限随着复水上限的增加，根干重呈现增加的趋势，M1＜M2＜M3，M4＜M5＜M6，M7＜M9。表明较大的灌水上下限区间有利于促进根系生长，能更充分激发植株的根系生长潜能与亏缺补偿效应。在中度亏缺和重度亏缺的情况下，叶面积大小与复水水量呈正相关的关系，即M1＜M2＜M3，M4＜M5＜M6；但在充分灌水下限的情况下，叶面积M7＞M8＞M9，灌水区间减小造成高频次低定额灌溉有利于叶面积形成。株高与水分胁迫程度无一致性，反映出株高对于水分变动的不稳定性和不敏感性，其原因可能与茎秆生长的特点有关［11］。

表2 不同灌水处理下玉米的产量、水分利用效率与生长指标Table 2 Yield，water use efficiency and growth indicators under different irrigation treatments

2.2 不同生长指标对玉米产量和WUE的影响

由表2可以看出，灌水下限过低且复水不足时会影响夏玉米的正常生长以及亏缺补偿效应的发生，处理M1、M2、M4的产量明显低于其他灌水处理，分别为最大值的84.9%、84.0%和71.0%，但处理M3在复水量为50%θF的情况下产量仍可恢复到较高水平。处理M8的产量也明显偏低，为最大值的75.8%，原因可能为未能达到刺激作物亏缺补偿的水分水平，同时复水额度亦未达到最大，其具体原因有待进一步探索。处理M3、M5、M6、M7的产量超过了其他处理，其中充分灌溉处理的小定额高频次灌溉处理M7产量最高，达到各处理平均值的113%。

不同灌水处理产量与WUE并非呈正相关关系（表2）。适度的水分胁迫有利于WUE的提高，轻度缺水中度复水的处理WUE最低。在各灌水处理中，中度亏缺中度复水处理M5的WUE最大，达到各处理平均值的118.7%；充分灌溉处理组M7、M8和M9的WUE均较低，与之前研究适度水分可以提高作物水分利用效率的结论一致。重度亏缺复水时，WUE普遍增大，但产量显著降低，只有高水复水时才能适当恢复。因此水分亏缺的程度应控制在适宜的范围，夏玉米控制水分下限应为中度亏缺水平（55%），到达含水量下限时进行中水或高水复水，有利于提高产量和水分利用效率。

不同生育期单生长指标间及与产量和WUE的相关关系见表3、表4和表5。由表3可知，在苗期～拔节期水分利用效率与根干重呈显著负相关，说明这一时期根干重过大会影响作物水分利用效率，可能与根系发育增加了后期耗水量有关；拔节～灌浆期，玉米穗重、地上干物质重和全株干物质重与产量均呈显著正相关，籽粒在生物量中比重增加；其他单生长指标与产量和WUE的相关性较差，其中株高和茎粗具有不稳定和不敏感的特点（表4）。以单一指标作为衡量作物产量的标准，容易造成较大的偏差，所以有必要进一步研究由多个数量指标组成的基于产量与水分利用效率最佳的夏玉米合理生长的复合判别方法。

表3 苗期～拔节期单指标与产量及水分利用效率的相关关系（r）Table 3 Correlation of single indicator and yield，WUE between seedling and jointing stage（r）

表4 拔节～灌浆期单指标与产量及水分利用效率的相关关系（r）Table 4 Correlation of single indicator and yield，WUE between jointing and filling stage（r）

表5 灌浆～成熟期单指标与产量及水分利用效率的相关关系（r）Table 5 Correlation of single indicator and yield，WUE between filling and ripening stage（r）

2.3 复合指标与产量和WUE的关系

由表3、表4和表5可知，除个别性状不够稳定（如株高、茎粗）外，不同生育时期植株各数量性状之间的相关关系普遍存在，表明植株在生育过程中各器官间相互依存和制约的关系［12－13］。借鉴果蔬壮苗指标的研究，可以根据它们之间的相关程度筛选出更为可靠的复合指示指标，同时简化计算公式［14］。

表6为玉米不同生育时期复合指标与产量及WUE的相关关系。根冠比经常作为判别植株生长情况的标准，处理M2、M3、M9具有较高的根冠比，但由试验数据可得，较高的根冠比在整个生育时期来看未必有利于植株的生长和产量的提高，故仅依靠根冠比作为判别植株的标准并非十分准确。在苗期～拔节期，（根重／干物质重）×全株干重与WUE相关系数为－0.813**，可作为判别指标，与仅用根重指标类似，茎粗／根重与WUE呈显著正相关，说明苗期茎粗较大、根量较小的中度水分亏缺提高水分利用效率的结果是一致的。拔节～灌浆期的生长复合指标并不能反映产量和WUE的变化，与这一时期快速生长、指标不稳定有关。灌浆～成熟期生长指标较为稳定，在这一时期，干物质重／株高、（茎粗／株高）×干物质重、穗重／叶面积可作为产量的判别指标，相关系数分别为0.853**、0.738*、0.695*，叶干重／茎干重可作为WUE的判别指标，相关系数为0.639*，均呈正相关，说明株高降低、茎粗增加有利于提高产量，叶量与茎秆相比增加叶量，有利于提高水分利用效率。

在各灌水处理中，充分灌水的高频次小定额处理M7产量最高，中度亏缺中水复水处理M5的WUE最大，对照这个时期的复合生长评价指标，也证实了高产和高WUE的生长特征。

表6 不同时期复合指标与产量及水分利用效率的相关关系（r）Table 6 The correlation between composite indicators and yield and WUE in different periods（r）

3 讨论与结论

3.1 不同灌水上下限对夏玉米产量和生长的影响

试验结果表明，在夏玉米的生长过程中，不同的灌水上下限处理对夏玉米植株生长指标的影响存在显著性差异。除处理M9外，叶面积与产量间存在较为密切的相关关系，相关系数为0.639。复水度提高可以促进叶面积的增加，而较大的叶面积有助于产量的提高。McCree［14］认为，叶片生长对缺水敏感的主要原因是光合产物用于渗透调节所消耗的能量要比转化为新的生物量小得多，因而轻微的水分胁迫即使叶片扩展受到明显的抑制，复水后补偿生长效应也更明显［15］。

不同亏缺程度对产量的影响不同。灌水下限过低且复水不足时会影响作物的正常生长以及亏缺补偿效应的发生，造成产量的显著降低，未能达到节水高产的目的。重度亏缺（45%）在高复水（50%）的情况下产量和各数量指标仍可恢复到较高水平，但根系的生长受到显著影响。中度缺水中水复水及中度缺水高水复水的处理获得了较高的产量，故在灌溉时应注意控制灌水的下限和复水的上限，应采用较大的灌水定额。

充分灌溉较大定额灌溉，茎粗和叶面积未能得到提高，原因可能为植株处在较高的水分环境中，未能充分激发作物的补偿机制。除处理M1外，茎粗与产量基本上呈正相关的关系。而株高值则明显具有不稳定性。

不同灌水上下限对玉米地上各部分生物量的影响不同。各部分干重在灌水上限和灌水下限提高时均有增加，但在充分供水情况下，地上部分对植株整体增加的贡献减小，说明根冠间生物量的分配对水分条件较为敏感。

3.2 复合判别指标的选择

单纯依靠两个指标的比值来判别夏玉米植株产量和水分利用效率有可能产生偏差，可能出现具有同样比值而产量和WUE截然不同的情况，故复合指标中一般结合稳定性简单指标，如全株干重、叶面积、根重、花芽级数等［13］。因此，（茎粗／株高）×干物质重、（根重／干物质重）×全株干重作为节水高产株型的判别指标比同时期其他指标具有更高的可靠性。

苗期～拔节期，（根重／干物质重）×全株干重较小，拔节～灌浆期，茎粗／根重和（茎粗／株高）×干物质量较小，灌浆～成熟期，干物质重／株高、（茎粗／株高）×干物质重或穗重／叶面积较大，叶干重／茎干重较大的夏玉米为试验条件下节水高产的合理生长株型。在为获取合理株型的条件下，对应的水分处理为：苗期灌水上下限分别为85%θF和55%θF；拔节～灌浆期，灌水上下限分别为80%θF和70%θF；灌浆～成熟期，灌水上下限分别为100%θF和50%θF。

合理生长株型的研究结果，验证并细化了分阶段水分处理对产量和WUE的影响，玉米苗期适宜采用重度水分亏缺的下限处理，上限也不适宜太高；拔节～灌浆的需水关键期，适宜采用充分灌溉下限和低定额高频次灌溉；生长后期，适宜采用大灌水定额，即重度水分亏缺下限和田间持水量的上限有利于产量形成和水分利用效率提高。

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Grow th indicators of summer corn under irrigation soil moisture upper and lower lim it

HU Yan-zhe，WU Ming-ze，LITao-long，TIAN Guo-ming，ZHANG Ya-qi，LEIQian-zhen，HU Xiao-tao
（Key Lɑborɑtory of Agriculturɑl Soilɑnd Wɑter Engineering in Aridɑnd Semiɑrid Areɑs，Ministry of Educɑtion，Northwest A＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ）

The pot experiment investigated studied the controlling the effect of different combination of soilmoisture upper and lower limit on growth of of summer corn，with the objective of obtaining for getting the optimal growth indicators.There existedmarkedly different responses of plant height，stem diameter，leaf area，yield and WUE，to different soilmoisture upper and lower limitshave significant differences.The treatmentofmoderate rewatered whose irrigation upper limit is 85%θFat seedling stage（90%θFat jointing stage，the same as below）aftermoderate water stress with a whose irrigation lower limit of is 55%θF（60%θF，showing）has a positive effect on improving WUE（2.93）and yield（113.70 g·plant－1）.For full irrigationwith awhose irrigation lower limitof is65%θF（70%θF）and with a upper limitof 75%θF（80%θF），high frequency and low irrigation quota is conducive to had favorable effect on grain yield improving yield（115.44 g·plant－1）.In order to obtain higher grain yield，soilmoisture limit should be between 85%θFand 55% θFduring the seedling stage to jointing stage，80%θFand 70%θFduring the jointing stage tomilking stage，100%θFand 50%θFduring the filling period tomature period.

summer corn；growth indicator；soilmoisture upper and lower limit；regulate and control

S513；S512.7

：A

1000-7601（2017）01-0165-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.25

2016-01-20

国家级大学生创新创业训练项目（201410712083）

胡燕哲（1994—），女，河北邯郸人，学士，研究方向为节水灌溉理论与新技术。E-mail：2602816483＠qq.com。

胡笑涛（1972—），男，博士，教授，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail：Huxiaotao11＠nwsuaf.edu.cn。