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作者简介:

鄂继芳(1983-),工程师,博士研究生,主要从事农业水土资源利用与水土环境调控研究。E-mail:esan2007@163.com。

通讯作者:

杨树青,E-mail:nmndysq@126.com。

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目录contents

    摘要

    为探究不同地下水埋深与灌水量对玉米生长效应调控及产量的影响,在河套灌区开展了 2 年的田间试验。试验通过设置地下埋深 1.4 m(S1)、1.8 m(S2)、2.2 m(S3)和灌水量 90 mm(W1)、110 mm(W2)、 135 mm(W3)2 个因素,共 9 种处理,对玉米生长指标、产量及水分利用效率等进行分析。结果表明,玉米株高和茎粗在生育期前期增速最快,拔节期株高较苗期平均提高近 3 倍,茎粗增加 31.5% ~ 46.8%;叶面积指数在整个生育期呈快速增长到相对平缓、再到衰减的趋势,各处理间差异显著(P<0.05);S2W2 处理整体效果较好,水分利用效率提高 8.9% ~ 34.4%,增产 7.8% ~ 26.4%;通径分析表明,百粒质量是玉米产量的主要决策因子,茎粗是限制因子,地下水埋深与灌水量通过增加叶面积指数、促进光合作用从而提高百粒质量促使玉米增产,并基于地下水埋深与灌水量对水分利用效率和玉米产量影响的分析,建议河套灌区玉米生育期平均地下水埋深控制在 1.75 ~ 1.85 m 之间,灌水量为 107.3 ~ 116.5 mm。研究成果可为河套灌区及类似地区不同地下水埋深条件下节水灌溉和提高作物产量提供科学依据。

    Abstract

    To explore the effects of different groundwater depth and irrigation amount on maize growth effect and yield,the 2-year field experiments were carried out in Hetao irrigation district.Two factors, including underground depth of 1.4 m (S1), 1.8 m (S2) and 2.2 m (S3),and irrigation amount of 90 mm (W1),110 mm (W2) and 135 mm (W3),were set up,and there were nine treatments totally.The maize grouth index,yield index and water use efficiency were analyzed.The results showed that the plant height and stem diameter of maize increased the fastest in the early growth stage.The plant height at jointing stage increased nearly 3 times on average,and the stem diameter increased by 31.5% ~ 46.8%,compared with those of the seedling stage.In the whole growth period of maize,the leaf area index showed from a rapid increase to relatively flat,and then to the trend of attenuation.The differences among different treatments were significant(P<0.05).The overall effect of S2W2 treatment were better,and S2W2 treatment significantly increased water use efficiency by 8.9% ~ 34.4% and increased yield by 7.8% ~ 26.4%(P<0.05).Path analysis showed that 100-grain weight was the main decision-making factor,and stem diameter was the limiting factor.Groundwater depth and irrigation amount increased leaf area index, promoted photosynthesis,and improved 100-grain weight to increase maize yield.Based on the analysis of the influence of groundwater depth and irrigation amount on water use efficiency and maize yield,it is suggested that the average groundwater depth in Hetao irrigation district should be controlled between 1.75 ~ 1.85 m and the irrigation amount should be 107.3 ~ 116.5 mm.The research results could provide scientific basis for water-saving irrigation and improving crop yield under different groundwater depths in Hetao irrigation district and similar areas.

    关键词

    地下水埋深灌水量玉米生长效应产量

  • 河套灌区是一个典型的次生盐渍化程度较高的灌区,引黄灌溉是灌区农业生产发展的根基和命脉。但灌区水资源利用率低,严重阻碍了当地农业的健康发展[1]。玉米(Zea mays L.)是河套灌区的主要粮食作物,政策性引黄水量锐减,进一步加剧了农业用水的供需矛盾。如何高效利用水资源,建设高效节水型农业,缓解次生盐渍化,是河套灌区农业生产发展亟需解决的问题。

  • 地下水埋深是土壤水盐运移的主要影响因素[2],显著影响土壤次生盐渍化程度[3-4],地下水埋深越浅,土壤水盐交换越频繁,土壤盐渍化有加重的趋势[5]。灌溉提升了作物生育期地下水埋深,增加了耕作层次生盐渍化的风险,影响作物的生长发育,引发较严重的生态平衡问题[6]。因此,应遵循作物生长与土壤盐分间的规律,合理地将地下水埋深调控在适宜范围,有效改善农田水土环境。在作物生育期,地下水起着关键作用,是作物生长的限制因子,尤其在干旱半干旱地区。不同埋深地下水对作物产量、水分利用效率等有着不同程度的影响[7-8]。关于地下水埋深与作物生长效应的关系,学者们发现地下水埋深通过动态调控土壤水盐分布影响着作物的生长发育、生育期耗水、根系结构与分布等[9]。田间灌溉引起地下水埋深动态变化,导致作物根系层分布差异显著,影响作物蒸腾量及根冠关系,最终影响产量[10]。研究表明,作物生长效应与地下水埋深间存在一个较适宜的地下水埋深,它是作物、土壤和气候的函数[9]。当地下水埋深较浅时,土壤盐分因蒸发作用沿毛管上升,出现表层聚积的现象,产生次生盐渍化,造成作物根系吸收水分、养分受阻,不利于作物正常生长[11];根系活力随地下水埋深降低而呈先增后降的趋势,因此,适宜的地下水埋深对于作物生长至关重要。通过调控地下水水位至适宜深度,对于维持根区水分和促进根系吸水具有重要作用[12],能够协调作物根冠关系,减少作物生长冗余,优化干物质分配,提高水分利用效率及有效促进作物生长[13-14],而地下水埋深继续增大,水流沿毛管不能到达作物根系层,作物受到水分胁迫,对作物生长产生不利影响[15],此时作物株高和叶面积指数(LAI)等指标均开始减小,导致减产。

  • 关于不同生育期[16]、不同灌水量[17]、不同地下水埋深[18]等单一变量对作物生长效应的影响,前人已开展了大量研究,但同时考虑地下水埋深与灌水量影响的研究相对较少,有待进一步深入研究。本研究以此切入,在河套灌区开展 2 年不同地下水埋深与灌水量的田间试验,探究玉米生育期二者耦合对玉米生长综合效应的影响,并基于玉米产量与水分利用效率,提出适宜河套灌区的地下水埋和灌水量,旨在为河套灌区节约水资源,实现提效增产的目的。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验区概况

  • 试验区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区双河镇进步村农业试验示范区基地(40°42′N、107°24′E,海拔 1040 m),隶属永济灌域,属典型的干旱半干旱大陆性气候。示范区地下水埋深受气象和灌水影响较大,表现出季节性的周期变化,年内变化在 1.1~2.5 m 之间,年均降水量 158 mm 左右,年均蒸发量 2330 mm,玉米生育期多年平均地下水埋深 1.36 m 左右。试验于 2018 年 5 月~2019 年 10 月开展,试验灌溉用水取自引黄渠水。供试土壤偏中度盐渍化,按照土壤质地三角图划分,0~100 cm 深度供试土壤为粉砂壤土,容重为 1.42~1.53 g·cm-3,平均田间持水量为 22.57%,有机质含量为 12.69 g·kg-1, 2018 和 2019 年研究期试验区的气温及降雨量变化情况如图1 所示。

  • 图1 玉米生育期气温及日降雨量

  • 1.2 试验设计

  • 在示范区选定 4 km×3 km 范围为试验区。根据示范区附近 3 眼地下水位长观井的数值,2017 年开展了前期选址及布置 9眼地下水观测井工作,按照作物生育期地下水埋深将试验区划分 3 个区,近 5 年地下水埋深均值分别为 2.21、1.79 和 1.42 m。试验设计时,地下水埋深处理分别为 1.4 m(S1)、1.8 m(S2) 和 2.2 m(S3),且在每个分区设 3 个灌水量处理,即 90 mm(当地灌水水平的 65%,W1 处理)、110 mm(当地灌水水平的 80%,W2 处理)和 135 mm(当地灌水水平,W3 处理),其中以 W3 处理为对照。生育期灌溉 3 次,分别在 6 月初、7 月中旬和 8 月初进行等额灌溉,10 月末进行秋浇,灌水量约 300 mm。试验共设计 9 个处理,3 次重复。田间试验以灌区主要作物玉米(钧凯 918)为供试材料,5 月初(5 月 10 日左右)机械覆膜播种,各小区均采用普通地膜,膜厚 0.01 mm,宽幅80 cm,9 月下旬(9 月 20 日左右)收获,行距 45 cm,株距 35 cm。各处理均采用当地施肥水平:氮肥为尿素,施氮量为 225 kg·hm-2(以 N 计);磷肥为磷酸二铵,施磷量为 150 kg·hm-2(以 P2O5 计); 钾肥为氯化钾,施钾量为 45 kg·hm-2(以 K2O 计)。 50% 氮肥与全部钾肥、磷肥作为基肥一次施入,剩余氮肥在一水和二水前各追施 25%。研究期,在试验分区四周布置水位观测井,试验分区的田间管理参照当地农业生产管理,具体试验设计见表1。

  • 1.3 样品采集与分析

  • 1.3.1 土壤含水率测定

  • 在玉米播种前和每次灌水前、后(降水后 2~3 d 加测一次)采用土钻在试验区取样,取样深度为 100 cm,分别为 0~20、20~40、40~60、 60~80 和 80~100 cm 共 5 层,相同深度取 3 个样,均匀混合,采用干燥(105℃)称重法测定每层土壤质量含水率。

  • 表1 试验处理

  • 1.3.2 玉米生长指标测定

  • 玉米进入苗期后,在各小区选取 5 株长势均匀、具有代表性的玉米植株进行标记,分别在苗期、拔节期、抽雄起、灌浆期、成熟期用卷尺测株高、茎粗、LAI。

  • LAI 测定:先测定植株所有有效最大叶长和叶宽,将长宽相乘后,再乘以不同作物叶面积折减系数,然后将单株作物叶面积进行累加求和,并推算出 LAI。

  • 测定地上部生物量:在各试验小区采集 3 株玉米地上部植株,在烘箱中 105℃杀青 30 min 后,调至 80℃烘干至恒重,称量地上部生物量。

  • 1.3.3 玉米产量及其构成和水分利用效率

  • 收获后,每个区域随机选取 10 株玉米,测量玉米穗长、穗粗、穗粒数等指标,对收获的籽粒进行称量,随机选取 100 粒,3 个重复,各自称量,取平均值计算百粒质量;玉米籽粒干燥后,称总质量并计算单位面积的玉米产量。

  • 作物耗水量(ET,mm)计算如式(1)所示:

  • ET=P+I+Wg-D-R-W
    (1)
  • 式中,ET 为作物耗水量,mm;P 为玉米生育期的降水量,mm;I 为生育期内玉米的灌水量,mm;Wg 为生育期内地下水的补给量,mm;D 为深层渗漏量 (研究区域地下水位较高,深层渗漏量远小于地下水补给,故可忽略不计);R 为地表径流量,研究区属干旱地区,降水或地面灌溉未形成地表径流,故可忽略不计;ΔW 为研究期末与研究期初土壤储水量(详见式 2)的变化量,mm。

  • 土壤储水量计算如式(2)所示:

  • W=10i=1n ρihiθi
    (2)
  • 式中,W 为土壤储水量,mm;ρi 为第 i 层土壤容重,g·cm-3hi 为第 i 层土壤厚度,cm;θi 为第 i 层土壤质量含水率,%。

  • 水分利用效率(WUE,kg·m-3)的计算如式(3)所示:

  • WUE=Y/10ET
    (3)
  • 式中,Y 为玉米产量,kg·hm-2ET 为玉米生育期耗水量,mm。

  • 1.4 数据统计分析

  • 试验数据采用 Excel2010 进行处理,采用 Origin 2017 制作等值线图,应用 SPSS 20.0 进行数据方差分析和通径分析,采用最小显著差异法 (LSD)进行显著性检验(P<0.05)。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同地下水埋深与灌水量对玉米生长指标的影响

  • 2.1.1 不同地下水埋深与灌水量对玉米株高的影响

  • 不同地下水埋深与灌水量对玉米株高的影响如图2 所示。2 年各处理玉米株高整体变化趋势基本一致:生育前期以营养生长为主,生长速率较快; 生育后期逐渐转向生殖生长,生长速率趋于平缓。各处理玉米株高在苗期存在不同程度的差异,2 年玉米平均株高以 S2W3 处理最大。拔节期各处理株高为 152~200 cm,较苗期平均提高近 3 倍;从地下水埋深看,玉米株高均值表现为 S1>S2>S3,而不同灌水量处理间差异不显著,说明拔节期地下水埋深是玉米株高差异的主因之一。进入抽雄期,地下水埋深 S2 区的株高均值最大,为 334 cm,且表现为 S2>S1>S3;灌水量 W3 水平的株高均值最大,为 290 cm,且表现为 W3>W2>W1。抽雄期灌区进入全年高温阶段,蒸散发作用加剧,耕作层土壤水分损失较多,通过潜水蒸发补给耕作层,地下水位下降,在一定程度上影响玉米的生长,导致玉米株高增速减缓,尤其地下水埋深较大的 S3 区,株高低于其他处理,株高与灌水量呈正相关。灌浆期灌水量 W3 水平株高均值最大,为 308 cm,且表现为 W3>W2>W1;地下水埋深 S2 区株高均值最大,为 352 cm,且表现为 S2>S1>S3。S1 区的 S1W1、 S1W2、S1W3 处理,地下水埋深较浅,潜水蒸发剧烈,蒸发将盐分带到耕作层,盐分表聚严重,抑制玉米正常生长;而 S2 区处理株高相对较高,玉米生长受影响较小。进入成熟期,玉米生殖生长加快,株高基本不再变化。

  • 图2 不同地下水埋深与灌水量下 2 年玉米株高变化

  • 注:图柱上不同小写字母表示同一生育期处理间差异显著(P<0.05)。图3、4、5 同。

  • 2.1.2 不同地下水埋深与灌水量对玉米茎粗的影响

  • 不同地下水埋深与灌水量对玉米茎粗的影响如图3 所示。玉米茎粗随着生育期的推进呈先增大后稳定再小幅减小的趋势,前期增速最快,增幅达到 31.5%~46.8%,到了抽雄期增速变缓,直到灌浆期增至峰值,随后到了成熟期有小幅减小的趋势。苗期同一地下水埋深不同灌水量的处理间差异不显著。拔节期各处理玉米茎粗迅速增大,较苗期增速 31.5%~46.8%,处理间差异显著;同一灌水量下地下水埋深处理茎粗差异显著(P<0.05),表现为S2>S1>S3。抽雄期各处理玉米茎粗较拔节期增幅下降到 7%~12%,地下水埋深对茎粗影响显著(P<0.05),且表现为 S2>S1>S3,而不同灌水量的玉米茎粗均值在 2.76~2.81 cm 之间,无显著差异(P>0.05)。

  • 灌浆期是玉米生长的分水岭,进入灌浆期玉米开始生殖生长,此间茎粗平均增速不足 2%,茎粗与地下水埋深呈负相关,且表现为 S1>S2>S3。成熟期各处理茎粗较灌浆期下降了 1.8%~4.9%,玉米茎粗基本稳定,此时玉米吸收养分、水分减少,使得玉米叶片从下向上发黄,还导致茎粗小幅度萎缩。

  • 图3 不同地下水埋深与灌水量下 2 年玉米茎粗变化

  • 2.1.3 不同地下水埋深与灌水量对玉米叶面积指数的影响

  • 不同地下水埋深与灌水量对玉米 LAI 的影响如图4 所示。由图可知,2 年玉米 LAI 的变化规律基本一致,随着生育期的推进呈先增大后减小的趋势,即前期快速增长到相对平稳,再到后期衰减。在苗期,玉米 LAI 最小,年度内各处理无显著差异。苗期至拔节期是玉米 LAI 的快速增长阶段,此阶段 LAI 增大幅度约 1.5~3.5 倍,在 2.4~4.6 之间变化。这是因为拔节期玉米处于旺盛的营养生长阶段,吸收大量水肥,促进玉米植株发育,显著提高叶面积,进而提高 LAI。拔节期至抽雄期叶面积增长幅度较快,相对拔节期增幅大幅下降,此阶段 LAI 平均增速为 22.4%。抽雄期,玉米 LAI 与灌水量呈正相关,LAI 最大相差 9.5%,方差分析表明,灌水量对 LAI 影响显著(P<0.05);玉米 LAI 与地下水埋深呈负相关,最大相差 21.9%,方差分析表明,地下水埋深对 LAI 影响显著(P<0.05),且较灌水量的影响大。抽雄期是玉米营养生长的旺盛阶段,此时 LAI 达到峰值。灌浆期玉米 LAI 缓慢减小,在 3.19~4.83 之间变化,较抽雄期平均下降了 15.1%,各处理间差异变小。LAI 均值随着地下水埋深增大而降低,随着灌水量的增大而增大,与抽雄期变化趋势类似。成熟期玉米 LAI 大幅下降,减小到 1.73~2.56。

  • 图4 不同地下水埋深与灌水量下 2 年玉米叶面积指数变化

  • 2.1.4 不同地下水埋深与灌水量对玉米地上部生物量的影响

  • 不同地下水埋深与灌水量对玉米地上部生物量的影响如图5 所示。由图可知,苗期地上部生物量为全年的最小值,约 0.6~1.2 t·hm-2,各处理间存在不同程度的差异,苗期叶片较少,吸收能力弱,光合作用主要用于营养生长。拔节期玉米地上部生物量快速增长,较苗期增加了 6.1~11.6 倍,变化范围为 6.8~11.1 t·hm-2。方差分析表明,地上部生物量与地下水埋深呈负相关,S1 区地上部生物量最大为 10.5 t·hm-2,显著影响玉米地上部生物量(P<0.05);而地上部生物量随灌水量的增大而增大,且呈正相关。

  • 图5 不同地下水埋深与灌水量下 2 年玉米地上部生物量变化

  • 抽雄期各处理地上部生物量为 13.6~19.1 t·hm-2,变化趋势与拔节期类似,但较拔节期增速减缓,增速为 24%~41%。S1区处理地上部生物量均值为 14.2 t·hm-2,S2 区均值为 16.7 t·hm-2,S3 区均值为 15.1 t·hm-2,地上部生物量随地下水埋深的增大呈先增后减的趋势。灌浆期各处理地上部生物量为 19.2~38.1 t·hm-2,较抽雄期增幅有所增大,平均为 44%~105%,这可能是灌浆期向生殖生长转换,植株吸收大量养分、水分为生殖生长储备能量,形成大量的地上物质。其中,S2W1、S2W2、S2W3 增速最大,达 82%~105%。不同地下水埋深玉米地上部生物量均值分别为 20.1、35.6、26.2 t·hm-2,表现为 S2>S3>S1。成熟期各处理地上部生物量增速减缓,增速为 34%~65%,其中 S2W3 处理地上部生物量最大。

  • 2.1.5 不同地下水埋深与灌水量对玉米百粒质量的影响

  • 不同地下水埋深与灌水量对玉米百粒质量的影响如图6 所示。由图可知,玉米百粒质量在年度内存在不同程度的差异,2 年均以 S2W2 处理百粒质量最大,平均为 31.54 g,较其它处理显著提高 5.6%~29.9%(P<0.05),说明相比高水平灌水量或地下水位浅的处理,适宜灌水量与地下水埋深耦合可显著提高玉米百粒质量。方差分析也表明,同一地下水埋深下,不同灌水量处理的百粒质量在年度内存在不同程度的差异,2 年的玉米百粒质量在地下水埋深较浅(S1)的处理间差异均显著(P<0.05),地下水埋深较深(S3)的处理间差异不显著(P>0.05);在同一灌水量下,不同地下水埋深处理的百粒质量在年度内也存在不同程度的差异,随地下水埋深的增大呈先增后缓的变化趋势。说明相比高水平灌水量或地下水埋深浅的处理,适宜灌水量与地下水埋深耦合可显著提高玉米百粒质量。

  • 图6 不同地下水埋深与灌水量下 2 年玉米百粒质量变化

  • 注:图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

  • 2.2 不同地下水埋深与灌水量对水分利用效率的影响

  • 不同地下水埋深与灌水量对玉米水分利用效率的影响如图7 所示。2 年不同处理的水分利用效率变化趋势基本一致,均以 S2W2 处理最大,平均为 1.99 kg·m-3,较其它处理提高 8.9%~34.4%(P<0.05),说明相比高水平灌水量或地下水位浅的处理,适宜灌水量与地下水埋深耦合可显著提高水分利用效率,有利于实现节水的目的。另外,相同灌水量下,2 年水分利用效率随地下水埋深的增大呈先增后减的趋势,2019 年水分利用效率较 2018 年降低 2.4%,这是 2019 年降水量大于 2018 年所致。

  • 图7 不同地下水埋深与灌水量下 2 年水分利用效率变化

  • 为了进一步分析灌区适宜的灌水量和地下水埋深,采用 Origin 2017 绘图,基于水分利用效率的角度,绘制 2 年玉米生育期地下水埋深、灌水量与水分利用效率的等值分布线图,如图8 所示。从地下水埋深的角度分析,水分利用效率随着地下水埋深的增大呈先增加后降低的趋势,水分利用效率最大可达 2.05 kg·m-3,此时,玉米生育期适宜的平均地下水埋深为 1.75~1.85 m;从灌水量的角度分析,水分利用效率随着灌水量的增大亦呈先增加后降低的趋势,水分利用效率最大可达 2.03 kg·m-3,此时,玉米生育期适宜的灌水量为 107.2~116.5 mm。当考虑二者耦合作用对水分利用效率的影响时,建议河套灌区玉米生育期平均地下水埋深调控在 1.75~1.85 m 之间,灌水量调控在 107.2~116.5 mm 之间,此时水分利用效果较好。

  • 图8 2 年地下水埋深与灌水量下玉米水分利用效率等值线分布

  • 2.3 不同地下水埋深与灌水量对玉米产量的影响

  • 2 年不同地下水埋深与灌水量对玉米产量的影响如图9 所示。2018 年各处理产量高低依次为:S2 W3>S2W2>S1W3>S3W3>S2W1>S1W2>S1W1>S3W2>S 3W1,其中,S2W3 产量最高,为 11576.5 kg·hm-2, S2W2处理产量次之,为 11184 kg·hm-2,二者差异不显著(P>0.05),S3W1处理产量最低,为 7726.5 kg·hm-2。 2019 年产量高低依次为:S2W3>S2W2>S1W3>S1 W2>S3W3>S1W1>S3W2>S2W1>S3W1,S2W3 处理产量最高,达 12994.5 kg·hm-2,S3W1 处理产量最小,为 9422.5 kg·hm-2。2 年玉米产量变化规律一致,其中 S2W2 和 S2W3 处理的产量差异不显著,较其它处理提高 8.8%~26.4%。同一地下水埋深下,产量随灌水量的增大而增加;而同一灌水量水平下,玉米产量随地下水埋深的增大呈先增后减的趋势。2 年产量均值分别为 9405 和 10955 kg·hm-2,2019 年产量均值较 2018 年提高 16.5%(P<0.05)。

  • 为了进一步分析灌区适宜的灌水量和地下水埋深,采用 Origin 2017 绘图,基于玉米产量角度,绘制 2 年玉米生育期地下水埋深、灌水量与产量的等值分布线图,如图10 所示。从地下水埋深的角度分析,玉米产量随地下水埋深的增大呈先增加后降低的趋势,当地下水埋深为 1.40~1.70 m 时,产量随地下水埋深的增大而增大,产量最大可达 12105 kg·hm-2; 当地下水埋深为 1.70~1.88 m 时,产量最大可为 12994 kg·hm-2,此时玉米能够保持较高产量;当生育期平均地下水埋深为 1.88~2.20 m 时,随着地下水埋深的增大,玉米产量逐渐降至 10763 kg·hm-2。从生育期灌水量角度,玉米产量随着灌水量的增大呈持续增大的趋势,当灌水量为 90.0~108.5 mm 时,玉米产量持续增长;灌水量为 107.3~135.0 mm 时,玉米产量可达到最大值 12994 kg·hm-2,此时玉米产量能够保持较高水平。当同时考虑二者对产量的影响时,建议灌区平均地下水埋深调控在 1.70~1.88 m 之间,灌水量调控在 107.3~135.0 mm 之间,此时,玉米产量能够保持较高水平。

  • 图9 不同地下水埋深与灌水量下 2 年玉米产量变化

  • 图10 2 年地下水埋深与灌水量下玉米产量等值线分布

  • 2.4 不同地下水埋深与灌水量下玉米产量性状因子与产量的相关性

  • 采用 SPSS 20.0 进行玉米主要性状因子间的相关性分析(表2)发现,产量与株高、百粒质量和 LAI 呈极显著正相关(P<0.01),与地上部生物量呈显著相关(P<0.05),与茎粗相关性未达到显著水平(P>0.05);玉米不同性状因子间呈不同程度的相关性,除 LAI 与株高、茎粗,地上部生物量与百粒质量未达显著水平,其他性状间呈显著或极显著相关,说明玉米各性状因子间也相互影响,且间接影响着玉米的产量。

  • 表2 玉米产量与各性状因子的相关系数

  • 注:*** 分别表示显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)相关。

  • 为进一步厘清玉米各性状因子对产量间接或直接影响的重要程度,采用通径分析的方法对其进行分析。定义玉米各性状因子为自变量:株高(X1)、茎粗(X2)、百粒质量(X3)、LAI(X4)、地上部生物量(X5);玉米产量为因变量(Y)。经正态性检验,显著水平为 0.027(P<0.05),因变量服从正态分布,可进行回归分析。玉米产量与各性状因子间的通径分析结果见表3。由表3 可知,通过决策系数可得到玉米各性状因子对产量影响的综合排序依次为:百粒质量> LAI >株高>地上部生物量>茎粗。百粒质量、株高、LAI、地上部生物量对玉米产量的贡献起显著促进作用,百粒质量 X3 直接决定作用最大(0.480),百粒质量为主要决策因子,且通过株高 X1(0.255)和 LAI X4(0.500) 帮助百粒质量 X3 间接提高玉米产量,起积极的促进作用;地上部生物量 X5 对玉米产量 Y 影响较小; 茎粗 X2 对玉米产量 Y 抑制作用显著(-0.219),为产量限制因子。因此,地下水埋深与灌水量对玉米产量的影响主要是提高玉米百粒质量 X3 和增加玉米 LAI X4,提高灌浆期玉米叶片的光合作用,促进成熟期玉米籽粒成籽率,限制茎粗 X2,基本保障株高 X1,地上部生物量 X5 可不必过多考虑。

  • 表3 玉米产量与主要生长指标的相关系数

  • 3 讨论

  • 3.1 不同地下水埋深与灌水量对玉米生长指标的影响

  • 农业灌溉不仅要考虑作物本身的需水规律,还需考虑地下水埋深的影响。不同地下水埋深影响作物的生长,动态调节作物耗水在作物生长发育过程中起着重要的作用,尤其在干旱半干旱地区。刘战东等[9]指出,地下水埋深对 LAI、茎粗影响显著,而对株高影响不显著,而本研究发现,地下水埋深与灌水量条件对玉米株高、LAI、茎粗影响均显著,这与孙仕军等[19]的结果类似。叶片是作物光合作用、呼吸作用和蒸腾作用的重要器官,是作物吸收转化能量的关键因素,LAI 直接影响作物光合产物的形成,产量是其最终的体现。本研究发现,地下水埋深与灌水量对 LAI 影响显著,整个生育期呈先快速增大后平稳增加再逐渐减小的趋势;且 LAI 随灌水量的增大而增大,而随地下水埋深增大而减小。这是因为一方面玉米到了生育期后期主要进行生殖生长,水分、养分主要用于玉米果实生长发育,且在 8、9 月份气温较高,玉米叶片生长较密,通风不畅,植株蒸腾与地面蒸发作用强烈,逐渐出现叶片枯萎;另一方面在成熟期,玉米分泌叶黄素、脱落酸等物质促进玉米成熟,也会促进玉米叶片脱水、凋零,且此时距离上一次灌溉时间较长,叶片无法得到充足的水分,枯萎、衰老的玉米叶片数量上升,导致 LAI 下降。

  • 玉米地上部生物量是产量形成的基础条件,也是作物光合作物积累的产物,地上部生物量的积累、分配、转运、储存与玉米产量密切相关。到了灌浆期无地面灌溉补充水分,作物耗水主要来源于地下水补给,地下水埋深较浅的处理水盐运输路径短,存在盐分胁迫的潜在风险[20-21],此时再进行高水平灌溉会产生次生盐渍化;而地下水埋深较大的处理增加了水分运移路径,毛管作用减弱[22],地下水对土壤水分的补给不够充分,此时再进行低水平灌溉,降低玉米生长速率,同时玉米叶片也会从底部开始向上凋零,影响光合作用物质的积累,对地上部生物量的积累影响较大。

  • 3.2 不同地下水埋深与灌水量对玉米产量及水分利用效率的影响

  • 河套灌区灌溉水入渗与强烈的蒸腾、蒸发作用会造成土壤水盐运移活跃,交替频繁[23]。地下水埋深应根据作物根系活动层深度与毛管水饱和区厚度之和进行调控[24]。地下水埋深过大削弱地下水对作物耗水的补给[13],地下水埋深过浅,盐分随毛管水不断迁移到作物根层和地表,增大土壤次生盐渍化的风险[25-26],对作物生长造成负面影响。郝远远等[22]研究表明,为保障玉米产量并调控根区土壤盐渍化的程度,应该进行适量灌溉,灌水量不宜低于 90 mm,地下水埋深宜控制在 140~155 cm 之间。因此,应根据地下水埋深及土壤水与地下水的相互作用程度差异,确定作物所需的适宜灌溉水量[17]。本研究分别基于地下水埋深与灌水量同时作用对水分利用效率和产量的影响,通过分析得到河套灌区生育期适宜地下水埋深为 1.75~1.85 m,灌水量在 107.3~116.5 mm 之间,此区间地下水埋深和灌水量可有效地提高水分利用效率和玉米产量。

  • 地下水埋深与灌水量通过影响玉米生长指标,进而影响作物产量的形成[19]。本研究的通径分析结果表明,地下水埋深和灌水量通过增加百粒质量和 LAI 提高叶片光合作用能力,促进灌浆期玉米籽粒的形成,增加穗粒数使玉米增产。玉米产量和水分利用效率并非在同一灌水量与同一地下水埋深条件下达到最大值[10],因此,在实际农业生产实践中,应充分发挥地下水的补给作用,控制灌水量,以地下水补给为主,寻求二者的最佳结合点,积极运用有利措施,调控地下水埋深与灌水量,在满足玉米正常需水的同时,达到合理高效利用水资源的目标。

  • 4 结论

  • 本研究揭示了不同地下水埋深与灌水量对河套灌区玉米生长综合效应调控及产量影响的变化规律。相比其他调控地下水埋深与灌水量的处理, S2W2 处理整体效果较好,显著提高水分利用效率 8.9%~34.4%,增产 7.8%~26.4%,实现了提高水分利用效率及增产的目的。另外,地下水埋深与灌水量主要是通过增加玉米 LAI,提高灌浆期玉米叶片光合作用,促进籽粒的形成,进而增加玉米百粒质量,使玉米增产。基于地下水埋深与灌水量对水分利用效率和玉米产量的影响分析,建议河套灌区生育期平均地下水埋深控制在 1.75~1.85 m 之间,灌水量为 107.3~116.5 mm,此时既保证玉米产量,又能提高水分利用效率。但关于地下水埋深与灌水量对作物综合调控效应仍需进一步开展长期的定位试验,更好地从水土环境变化、土壤水盐运移、作物光合作用、根系生长等方面揭示二者耦合与作物生长效应间的依存关系与机理。

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