不同滴灌模式对干热河谷甜玉米生物量分配、产量和水分利用效率的影响

引用本文

李建查, 李坤, 方海东, 等. 不同滴灌模式对干热河谷甜玉米生物量分配、产量和水分利用效率的影响[J]. 生态与农村环境学报, 2019, 35(7): 947-952.

LI Jian-cha, LI Kun, FANG Hai-dong, et al. Effects of Drip Irrigation Modes on Biomass Allocation, Yield and Water Use Efficiency of Sweet Corn in a Dry Hot Valley[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2019, 35(7): 947-952.

不同滴灌模式对干热河谷甜玉米生物量分配、产量和水分利用效率的影响

李建查 ¹, 李坤 ¹, 方海东 ¹, 张雷 ², 潘志贤 ¹, 岳学文 ¹, 何光熊 ¹, 段琪彩 ², 史亮涛 ¹

1. 云南省农业科学院热区生态农业研究所, 云南元谋 651300;
2. 云南省水利水电科学研究院, 云南昆明 650228

收稿日期：2018-08-03

基金项目：云南省基础研究计划（2017FD207）

作者简介：李建查(1988-), 女, 云南宣威人, 助理研究员, 硕士生, 主要研究方向为农田生态学。E-mail:921271713@qq.Com.

通信作者：方海东, E-mail：rqsfhd@163.com.

摘要：为了解滴灌模式对玉米生长的影响，以甜玉米（正甜68）为试验材料，采用大田试验研究不覆膜充分滴灌（T1）、膜下充分滴灌（T2）和膜下控墒滴灌（T3）3种模式对甜玉米生物量及分配、产量和水分利用效率的影响。结果表明：（1）不同滴灌模式对甜玉米生物量没有显著影响。T3处理甜玉米茎-植株和叶-植株异速生长指数均小于T1和T2处理；而T1处理根-植株异速生长指数小于T2和T3处理；（2）T2和T3处理甜玉米营养器官-生殖器官异速生长指数为1，呈等速生长关系，而T1处理营养器官-生殖器官异速生长指数小于1，呈异速生长关系；（3）T1处理甜玉米地下部分-地上部分异速生长指数小于T2和T3处理。这表明不同滴灌模式能改变甜玉米异速生长轨迹，覆膜滴灌可能促进甜玉米茎、叶、地上部分和生殖器官的生物量分配。与T1处理相比，在甜玉米产量差异不显著的前提下，T2和T3处理分别节水26%和44%，灌溉水利用效率分别提高0.65和1.43 kg·m^-3。可见，膜下控墒滴灌（土壤相对含水量下限为70%，上限为90%）是适用于元谋干热河谷甜玉米种植的高效节水灌溉模式。

关键词：滴灌模式干热河谷生物量分配水分利用效率

Effects of Drip Irrigation Modes on Biomass Allocation, Yield and Water Use Efficiency of Sweet Corn in a Dry Hot Valley

LI Jian-cha ¹, LI Kun ¹, FANG Hai-dong ¹, ZHANG Lei ², PAN Zhi-xian ¹, YUE Xue-wen ¹, HE Guang-xiong ¹, DUAN Qi-cai ², SHI Liang-tao ¹

1. Institute of Tropical Eco-agricultural Sciences, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Yuanmou 651300, China;
2. Yunnan Institute of Water Resource and Hydropower Research, Kunming 650228, China

Abstract: To investigate the effects of irrigation modes on biomass, biomass allocation, corn yield and water use efficiency of sweet corn, a field experiment including full drip irrigation without plastic film (T1), full drip irrigation under plastic film (T2) and drip irrigation with limited soil moisture under plastic film (T3) was conducted. The results show that irrigation modes had no significant effects on the biomass of sweet corn, but affected the allometric scaling relationships between different organs. The scaling exponents of stem mass vs total plant mass and leaf mass vs total plant mass for T3 were lower than those for T2 and T1. The scaling exponents of root mass vs total plant mass for T1 were lower than those for T2 and T3. The vegetative organ were isometric with the reproductive organ for T2 and T3, indicating that the growth rate of reproductive organs was proportional to the growth rate of vegetative organs. The scaling exponents of vegetative organ vs. reproductive organ for T1 was lower than 1, indicating that the growth rate of reproductive organs scaled allometrically with the growth rate of vegetative organs. The scaling exponents of underground vs. aboveground biomass for T1 were lower than for T2 and T3. Drip irrigation under plastic film increased the allocation biomass toward stem, leaf, aboveground and reproductive organ compared to the other treatments. Under the equivalent production, T2 and T3 saved water by 26% and 44%, and improved water use efficiency by 0.65 and 1.43 kg·m^-3 compared to T1, respectively. Drip irrigation with limited soil moisture under plastic film (the lower limit of relative soil water content is 70%, the upper limit is 90%) is a water-saving and efficient irrigation mode of sweet corn in Yuanmou dry hot valley.

Key words: irrigation pattern dry hot valley biomass allocation water use efficiency

甜玉米是我国南方重要优势高效作物, 种植面积占全世界的22.75%^[1]。随着我国居民对饮食多样性要求的提高, 甜玉米作为粮菜两用的新型作物, 需求量逐渐提高。在元谋干热河谷农业生产结构中, 甜玉米种植面积逐年扩大, 并获得较高经济效益。水资源的日益紧缺使得农业生产用水矛盾日益突出, 干热河谷农业节水灌溉模式优化设计越来越受重视^[2-3]。但大部分农户为追求高产, 仍然沿用传统大水灌溉方式, 导致灌溉水利用率低, 水资源浪费严重。

物质生产是产量形成的基础, 作物产量与植株生物量生产及分配过程密切相关。作物在生长发育过程中, 同化物在植株各器官的转化与分配形成了产量。灌溉量对作物产量和生物量分配产生影响^[4], 地膜覆盖可以提高春玉米干物质积累量、产量和水分利用效率^[5]。目前, 干热河谷灌溉模式研究主要集中在林果类^[6-7], 而甜玉米滴灌模式优化研究鲜有报道。因此, 研究滴灌模式对干热河谷甜玉米生物量积累、产量和水分利用效率的影响, 可为干热河谷地区筛选更为合理的甜玉米滴灌模式, 在不降低产量的前提下实现高效用水提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验在位于元谋干热河谷的云南省农业科学院热区生态农业研究所灌溉试验基地进行。元谋干热河谷地处滇中高原北部, 位于25°23′~26°06′ N, 101° 35′~102°06′ E, 平均海拔为1 350 m。年平均气温为21.9 ℃, 无霜期为305~331 d, 年降雨量为611.3 mm, 蒸发量是降雨量的5~6倍。光热资源充足, 年平均日照时数为7.3 h∙d^-1。试验区土壤为砂壤土, 土壤容重为1.44 g∙cm^-3, 田间持水量w为19.42%, pH值为6.4, 土壤w (有机碳)为6.10 g∙kg^-1, w (全氮)为0.50 g∙kg^-1, w(碱解氮)为39 mg∙kg^-1, w(全磷)为0.188 g∙kg^-1, w(有效磷)为30.38 mg∙kg^-1, w(全钾)为7.44 g∙kg^-1, w (速效钾)为129 mg∙kg^-1。

1.2 试验设计

供试甜玉米品种为正甜68, 于2018年1月26日移栽, 5月9日收获。采用大垄双行种植方式, 垄宽为100 cm, 沟距为60 cm, 行距为60 cm, 种植密度为55 000株∙hm^-2。试验设3个处理:不覆膜充分滴灌(T1)处理灌溉量约为10 450 m³∙hm^-2; 覆膜充分滴灌(T2)处理灌溉量约为7 740 m³∙hm^-2; 膜下控墒滴灌(T3)处理, 当土壤含水率达田间持水量的70%时, 开始灌水至土壤含水率达田间持水量的90%, 灌溉量约为5 860 m³∙hm^-2(表 1)。采用土壤墒情监测仪(insentek智墒)定位连续监测0~60 cm土层土壤含水率, 每隔1 h自动采集1次土壤含水率数据。采用完全区组设计, 每个处理3个重复, 共9个小区, 小区面积为60 m²(12 m×5 m)。甜玉米生育期纯氮施用量为232 kg·hm^-2, 以w为60%纯氮、128 kg·hm^-2 P₂O₅和128 kg·hm^-2 K₂O为底肥(复合肥N: P₂O₅: K₂O质量比为15: 15: 15), 拔节期和抽穗期均随水滴施纯氮20%为追肥(尿素N质量含量为46%)。各小区化肥和农药等田间管理措施均一致。

表 1 滴灌模式 Table 1 Irrigation regimes

1.3 分析方法

在拔节期、抽穗期和乳熟期, 每个小区随机选取10株代表性植株, 按照根、茎(叶鞘部分并入茎)、叶和穗分类装入纸袋, 放入105 ℃条件下烘箱杀青30 min后, 在75 ℃条件下恒温烘干至恒量后测定生物量(精确到0.01 g)。于乳熟期测定鲜果穗质量, 计算经济产量。

1.4 数据处理

根生物量分配比例(RMR)、茎生物量分配比例(SMR)、叶生物量分配比例(LMR)和穗生物量分配比例(CMR)分别为根、茎、叶和穗生物量占总生物量的比例, 根冠比(R/S)为根生物量与地上生物量的比值。灌溉水利用效率(kg∙m^-3)为甜玉米鲜果穗产量(kg∙hm^-2)与单位面积灌水量(m³∙hm^-2)的比值。

甜玉米各器官相对生长速率(RGR, R_RG)计算公式^[8]为

$ {R_{{\rm{RG}}}} = \left( {\ln {W_2}-\ln {W_1}} \right)/{\Delta _t}。$

(1)

式(1)中, W₁为甜玉米某器官第1次测定时生物量, g; W₂为甜玉米某器官第2次测定时生物量, g; ∆_t为2次测定时间间隔, d。

采用异速生长指数比较乳熟期甜玉米根与植株、茎与植株、叶与植株、苞叶与植株、穗与植株、营养器官与生殖器官以及地下部分与地上部分等部分间异速生长关系, 其计算公式为

$ \lg y = \lg b + a\lg x。$

(2)

式(2)中, x和y分别为比较的2个甜玉米部分生物量; b为性状关系的截距; a为斜率, 即异速生长指数^[9]。当a=1时, 表示x和y为等速生长; 当a>1时, 表示y生长程度大于x; 当a < 1时, 表示y生长程度小于x。

采用SPSS 19.0软件对甜玉米产量与株高、茎粗、根生物量、茎生物量、叶生物量和苞叶生物量结果作逐步回归分析, 得到甜玉米产量模型。采用SPSS 19.0软件中单因素方差分析法分别比较不同滴灌模式下甜玉米产量、灌溉水利用效率、生物量分配比例和生长特征参数的差异。

2 结果与分析 2.1 不同滴灌模式对甜玉米生物量分配的影响

随着生育期延续, 甜玉米各器官生物量均逐渐增加(表 2)。不同时期不同器官生物量变化有差异, 根和茎生物量增加均主要发生在抽穗前, 叶生物量增加主要发生在拔节期。从生物量分配来看, 不同时期甜玉米生物量分配比例也不同, 拔节期生物量分配比例由大到小依次为叶>茎>根, 抽穗期为茎>叶>根, 乳熟期为穗>茎>叶>根。对甜玉米产量结果作逐步回归分析, 得到甜玉米棒产量(Y)与株高(X₁)、茎粗(X₂)、根生物量(X₃)、茎生物量(X₄)、叶生物量(X₅)和苞叶生物量(X₆) 6个因素间的回归模型: Y=13.41-0.22X₁+0.6X₂+0.21X₄+0.16X₆, 模型在α=0.05水平上显著。

表 2 甜玉米不同生育期生物量及其分配比例 Table 2 Biomass and allocation rate of sweet corn in different growing stages

生育期	处理	茎粗/mm	株高/cm	根生物量/g	茎生物量/g	叶生物量/g	苞叶生物量/g	玉米棒生物量/g	总生物量/g	RMR	SMR	LMR	CMR	R/S
拔节期	T1	24.02±1.01^a	104.40±2.99^a	6.71±0.86^a	20.42±1.62^a	22.03±1.24^a	—	—	49.16±3.50^a	0.14±0.01^a	0.41±0.01^a	0.45±0.01^b	—	0.16±0.01^a
	T2	25.93±0.82^a	102.00±2.44^a	7.14±0.70^a	18.01±1.32^a	21.34±1.01^ab	—	—	46.48±2.86^a	0.15±0.01^a	0.38±0.01^b	0.47±0.01^ab	—	0.17±0.01^a
	T3	25.95±0.82^a	88.04±2.44^b	5.07±0.70^ab	13.78±1.32^b	18.50±1.01^b	—	—	37.35±2.86^b	0.13±0.01^a	0.37±0.01^b	0.50±0.01^a	—	0.16±0.01^a
抽穗期	T1	22.66±1.33^a	195.09±9.62^ab	13.85±1.09^a	61.15±2.37^a	27.14±1.79^a	—	—	139.41±5.89^a	0.10±0.01^a	0.44±0.01^a	0.19±0.01^a	—	0.11±0.01^a
	T2	21.75±1.09^a	199.77±7.85^a	14.48±0.89^a	61.00±1.94^a	31.03±1.46^a	—	—	143.66±4.81^a	0.10±0.01^a	0.43±0.01^a	0.22±0.01^a	—	0.11±0.01^a
	T3	20.85±1.09^a	170.61±7.85^b	14.67±0.89^a	56.39±1.94^a	28.82±1.46^a	—	—	134.43±4.81^a	0.11±0.01^a	0.42±0.01^a	0.22±0.01^a	—	0.12±0.01^a
乳熟期	T1	23.72±0.92^a	193.80±4.42^a	15.96±1.64^a	67.88±6.22^a	31.38±3.02^a	38.09±4.52^b	5.83±0.43^b	230.03±15.48^a	0.07±0.01^a	0.29±0.02^a	0.14±0.01^a	0.50±0.01^a	0.08±0.01^a
	T2	25.99±0.75^a	191.73±3.61^a	17.39±1.34^a	75.31±5.08^a	34.80±2.46^a	41.84±3.69^b	6.33±0.36^ab	256.54±12.64^a	0.07±0.01^a	0.29±0.01^a	0.14±0.01^a	0.50±0.01^a	0.07±0.01^a
	T3	24.59±0.75^a	185.10±3.61^a	19.56±1.34^a	68.18±5.08^a	30.97±2.46^a	54.10±3.69^a	6.98±0.36^a	252.51±12.64^a	0.08±0.01^a	0.26±0.01^a	0.13±0.01^a	0.53±0.01^a	0.08±0.01^a
T1、T2和T3分别为不覆膜充分滴灌、膜下充分滴灌和膜下控墒滴灌处理。RMR为根生物量分配比例，SMR为茎生物量分配比例，LMR为叶生物量分配比例，CMR为穗生物量分配比例，R/S为根冠比。同一列数据后英文小写字母不同表示同一生育期不同处理甜玉米某生理参数值间差异显著（P < 0.05）。

表 2 甜玉米不同生育期生物量及其分配比例 Table 2 Biomass and allocation rate of sweet corn in different growing stages

不同滴灌模式处理下, 甜玉米在不同生育期各器官生物量分配有差异(表 2)。在拔节期, 除T3处理茎生物量显著小于T1和T2处理, T3处理叶生物量显著小于T1处理外(P < 0.05), 其他处理甜玉米根、茎、叶和总生物量间差异均不显著(P>0.05)。在拔节期和抽穗期, T3处理甜玉米株高均显著小于T1和T2处理(P < 0.05)。在乳熟期, T3处理甜玉米苞叶生物量显著大于T1和T2处理, 分别高42%和29%; T3处理玉米棒生物量显著大于T1处理, 高20%(P < 0.05)。乳熟期不同处理间茎、根生物量差异不显著(P>0.05)。从各器官生物量分配比例来看, 拔节期T2和T3处理甜玉米茎生物量分配比例显著小于T1处理, 而T3处理叶生物量分配比例显著大于T1处理(P < 0.05)。

2.2 不同滴灌模式对甜玉米生育期生长特征和各器官生长关系的影响

随着生育期延续, 甜玉米各器官相对生长速率逐渐降低(表 3)。与抽穗前相比, 抽穗后各器官生长速率明显降低, 但不同滴灌处理间各器官相对生长速率差异不显著(P>0.05)。

表 3 甜玉米各器官相对生长速率 Table 3 The relative growth rate of organs

由表 4可知, 甜玉米各部分与植株的异速生长指数均小于1, 这表明各部分与植株呈异速生长关系。T1处理根-植株异速生长指数小于T2和T3处理。T3处理茎-植株和叶-植株异速生长指数均小于T2和T1处理。T2和T3处理营养器官-生殖器官异速生长指数均为1, 呈等速增长。而T1处理营养器官-生殖器官异速生长指数小于1。不同滴灌处理间甜玉米地下部分-地上部分异速生长系数均小于1, 呈异速生长。T1处理地下部分-地上部分异速生长指数小于T2和T3处理。

表 4 甜玉米各部分生物量的异速生长指数 Table 4 The allometric scaling relationship exponent among organ biomass

2.3 不同滴灌模式对甜玉米产量和灌溉水利用效率的影响

甜玉米产量及水分利用效率见表 5。

表 5 甜玉米产量及水分利用效率 Table 5 The yield and water use efficiency of sweet corn

由表 5可知, 单因素方差分析结果表明, 3种处理甜玉米产量差异不显著(P>0.05)。T2和T3处理比T1处理分别节水24%和44%, T3处理比T2处理节水25%。膜下充分滴灌有利于甜玉米水分利用效率的提高, 与T1处理相比, T2和T3处理水分利用效率分别提高0.65和1.43 kg∙m^-3。

3 讨论

生长速率假说认为, 生物体相对生长速率的变化是由体内不同元素组成改变引起^[10]。生态学代谢理论认为生物体代谢速率受个体大小、环境温度和生物体化学元素组成等影响^[11], 特别是氮元素含量能够调控植物代谢速率^[12]。有研究表明, 玉米增产的氮肥效应大于水分效应, 氮素充足能降低玉米生育期内土壤干旱胁迫导致的减产效应^[13]。笔者研究中, 甜玉米种植密度为55 000株∙hm^-2, 纯氮施用量为232 kg·hm^-2, 已经达到甜玉米充足施氮水平^[13], 因此不同处理间甜玉米生物量差异不显著, 各器官相对生长速率差异也不显著。这表明氮素养分充足可降低不同滴灌模式对玉米生物量及各器官相对生长速率的影响。

玉米干物质积累量是产量形成的物质基础, 尤其是吐丝后干物质积累量对产量的贡献最大^[14], 而在适宜种植密度条件下乳熟期后玉米茎秆对籽粒干物质积累量贡献率大^[15]。笔者研究发现甜玉米果穗产量主要取决于株高、茎粗、茎生物量和苞叶生物量。由回归系数可知, 甜玉米植株茎对甜玉米棒产量贡献率较大。乳熟期不同处理间茎生物量由大到小为T1 < T3 < T2, 可见膜下滴灌技术能增加甜玉米茎生物量, 促进甜玉米棒产量的形成。不同生长期甜玉米各器官生物量分配比例发生变化, 拔节期为叶>茎>根, 抽穗期为茎>叶>根, 乳熟期为穗>茎>叶>根。这是因为玉米干物质在各器官的分配随生长中心的转移而发生变化, 抽穗前干物质主要分配在叶片, 抽穗后转为茎和叶, 增加其对籽粒干物质积累量贡献率; 授粉后, 各器官干物质开始向籽粒转移^[16]。这表明抽穗期是甜玉米增产关键期。

植物性状与环境的响应关系是植物在特定环境下生存策略的重要表现^[17]。异速生长是生物体不同性状对环境选择压力采取的生态对策^[18], 是权衡各功能部分间资源分配的结果^[19]。根据最优分配理论和功能平衡假说, 植物会将资源最优先配置给能够使受胁迫条件下植物生长最受限制的那部分资源获得增加的功能或器官^[20]。不同土壤水分条件下植物通过调整生物量分配方式, 使其能够更好地平衡植物资源获取和利用间的关系, 维持正常生理活动, 如干旱条件使生物量更多地流向根部^[21]。笔者研究发现T1处理根-植株异速生长指数小于T2和T3处理, 这表明不同滴灌模式能改变根对植株的异速生长轨迹, 不覆膜模式下植株对根系生物量分配增加。T3处理茎-植株和叶-植株异速生长指数均小于T2和T1处理, 这表明不同滴灌模式能改变茎和叶对植株的异速生长轨迹, T3处理植株对茎和叶生物量分配增加。T2和T3处理营养器官-生殖器官异速生长指数接近1, 呈等速增长, 而T1处理营养器官-生殖器官异速生长指数小于1, T1处理植株对营养器官生物量分配增加。这表明滴灌模式能对甜玉米营养器官与生殖器官间异速生长轨迹产生影响, 且覆膜滴灌模式有利于甜玉米生殖器官生长。不同滴灌模式间甜玉米地下部分-地上部分异速生长系数均小于1, 呈异速生长。T1处理地下部分-地上部分异速生长指数小于T2和T3处理, 这表明滴灌模式能改变地上部分-地下部分异速生长轨迹, 覆膜模式下植株对地上部分生物量分配增加。总体上, 覆膜滴灌模式有利于甜玉米茎、叶、地上部分和生殖器官生物量的增加。

在甜玉米产量差异不显著前提下, 与T1处理相比, T2和T3处理节水效果显著, 其中T3处理节水效果最佳。T2和T3处理能明显提高甜玉米水分利用效率, T3处理水分利用效率提高更明显。这与姬景红等^[5]研究结果一致。T3处理条件下, 土壤水分含量适宜, 玉米光合作用等生理指标均处于较优状态, 玉米生长物质供应充足。这表明覆膜控墒滴灌技术能明显节约灌溉用水量, 提高水分利用效率。

4 结论

覆膜滴灌技术能促进甜玉米茎、叶、地上部分和生殖器官生物量增加, 提高玉米棒产量和水分利率效率, 减少灌溉用水量。在确保氮肥供应充足的条件下(甜玉米种植密度55 000株∙hm^-2, 纯氮施用量为232 kg·hm^-2), 膜下控墒滴灌技术(土壤相对含水量下限为70%, 上限为90%)是元谋干热河谷甜玉米生产中值得推广的高效节水灌溉模式。

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