張忠學(xué) 陳帥宏 陳 鵬 鄭恩楠 劉 明

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

黑龍江省是全國(guó)重要的玉米生產(chǎn)基地之一，玉米總種植面積占全省糧食作物種植總面積的53.9%，總產(chǎn)量占全省糧食產(chǎn)量的56%，但目前該地區(qū)玉米生產(chǎn)仍以漫灌為主[1]，通過田面蒸發(fā)和土壤滲漏損失的水量較大，水分利用效率偏低。因此，提出一種滿足該地區(qū)玉米高產(chǎn)節(jié)水生產(chǎn)要求的灌溉方案，使玉米達(dá)到高產(chǎn)目的的同時(shí)，獲得更高水平的水分利用效率，顯得尤為重要。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要研究不同灌溉方案下玉米水分利用效率的變化規(guī)律，前人對(duì)水分利用效率的研究多集中在葉片水分利用效率(WUEl)[3]和產(chǎn)量水分利用效率(WUEy)[4]上。由于WUEl是基于氣體交換原理計(jì)算出來的，只能用來解釋植株瞬時(shí)生理狀態(tài)，無法對(duì)作物生產(chǎn)力以及相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的作物水分利用效率作出綜合反映[5]。而WUEy的測(cè)算需要大量復(fù)雜繁瑣的工作，且在測(cè)量干物質(zhì)和作物蒸發(fā)蒸騰量的過程中存在較大誤差，所計(jì)算出來的WUEy準(zhǔn)確程度不高。因此如何快速、有效、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)不同灌溉方案下的玉米水分利用效率(WUE)，成為該地區(qū)節(jié)水灌溉的研究重點(diǎn)之一[6]。

自然界的穩(wěn)定碳同位素有2種，其中12C約占98.89%，13C約占1.11%。植株葉片在光合作用的過程中會(huì)對(duì)碳同位素進(jìn)行判別，對(duì)重碳同位素(13C)有排斥作用，因此，植株在固定CO2積累生物量的過程中會(huì)發(fā)生碳同位素的分餾[7-8]，使得作物組織CO2中13C與12C的比值小于空氣中13C與12C的比值。Δ13C反映出細(xì)胞間CO2濃度與空氣中CO2濃度的比值(Ci/Ca)在一段時(shí)間范圍內(nèi)的變化，間接地傳遞出干物質(zhì)中13C和12C的比值相對(duì)于空氣中13C和12C比值的偏離程度[9-10]。前人的研究發(fā)現(xiàn)，Δ13C能夠很好地反映作物生育期WUEy的變化情況，同時(shí)可以對(duì)葉片瞬時(shí)水分利用效率(WUEi)和潛在水分利用效率(WUEn)做出推斷[11]。目前，針對(duì)Δ13C與長(zhǎng)期WUE之間指示關(guān)系的研究主要集中在水稻、大豆、小麥等C3作物以及一些木本植物上[12-15]，對(duì)于玉米等C4作物的研究相對(duì)較少。相較于C3作物，C4作物通過光合作用同化CO2的過程更加復(fù)雜，因此環(huán)境條件的變化會(huì)使C4作物的光合作用以及碳同位素分餾作用產(chǎn)生不同于C3作物的變化規(guī)律[16-17]。

本文通過理論分析和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究不同灌溉方案下玉米不同水平水分利用效率變化規(guī)律，分析不同灌溉方案下的玉米拔節(jié)和成熟2個(gè)時(shí)期葉片碳同位素分辨率(ΔL)以及成熟期果實(shí)碳同位素分辨率(ΔF)分別與不同水平WUE之間的相關(guān)關(guān)系，旨在進(jìn)一步解釋不同灌溉制度條件下玉米水分利用規(guī)律，找出適合東北地區(qū)玉米生產(chǎn)的最優(yōu)灌溉制度，同時(shí)為寒地黑土區(qū)玉米WUE的研究提供一種準(zhǔn)確、有效、快速的評(píng)價(jià)方法，為該地區(qū)玉米生產(chǎn)提供理論支撐及數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在黑龍江省大慶市肇州縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心進(jìn)行。該中心地處125°17′57.70″E，45°42′57.50″N，黑龍江省西南部，松嫩平原腹地，屬于大陸性溫寒帶氣候，大于10℃活動(dòng)積溫2 845℃，無霜期138 d，多年的平均降水量為463 mm，本試驗(yàn)各時(shí)期期降雨量見圖1。年風(fēng)向多屬于西南風(fēng)和西北風(fēng)，多風(fēng)少雨，十年九春旱。試驗(yàn)供試農(nóng)田土壤類型為碳酸鹽黑鈣土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH值6.4，耕層土壤(0～20 cm)基礎(chǔ)肥力如下(均為質(zhì)量比)：全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全鉀19.86 g/kg、有機(jī)質(zhì)28.73 g/kg、堿解氮110.17 mg/kg、速效磷44.71 mg/kg、速效鉀220.16 mg/kg。

圖1 玉米各生育階段降雨量 Fig.1 Rainfall during maize growth stages

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用灌水定額和灌水次數(shù)2因素試驗(yàn)，試驗(yàn)處理方案見表1。灌溉量設(shè)置4個(gè)水平，依次為800、700、600、500 m3/hm2。灌水次數(shù)設(shè)置3個(gè)水平，分別為灌水4次(苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期)、灌水3次(苗期、拔節(jié)期、抽雄期)和灌水2次(苗期、拔節(jié)期)。試驗(yàn)共計(jì)13個(gè)處理，以不灌水作為空白對(duì)照，3次重復(fù)，共計(jì)39個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組布置，每個(gè)小區(qū)面積為104 m2(10 m×10.4 m)，試驗(yàn)區(qū)總面積為0.41 hm2。試驗(yàn)區(qū)每公頃保苗67 500株，每小區(qū)16條壟，壟寬65 cm，植株間距23 cm，保護(hù)區(qū)寬度5 m，保護(hù)行寬1 m。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì) Tab.1 Design of experimental treatments

試驗(yàn)玉米品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種“大龍568”，于2017年4月21日施基肥，4月28日播種，6月13日進(jìn)行苗期灌水，7月5日進(jìn)行拔節(jié)期追肥和灌水，7月24日進(jìn)行抽雄期灌水，8月25日進(jìn)行灌漿期灌水，到9月25日成熟期結(jié)束，全生育期共150 d。4次灌水均在各生育階段開始10～15 d進(jìn)行，若該時(shí)段出現(xiàn)降雨，則灌水延后數(shù)天進(jìn)行。試驗(yàn)所用的肥料為尿素(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)，磷酸二銨(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%、含磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)和硫酸鉀(含鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)58%)。各處理的施肥量相同，折算成元素量為施純氮225 kg/hm2，施純磷90 kg/hm2，施純鉀90 kg/hm2，氮肥按照基肥∶拔節(jié)肥為2∶1的比例分施。

試驗(yàn)灌水方式為噴灌，采用5983型搖臂式噴頭(噴灑半徑 9.0～14.0 m、流量0.74～1.02 m3/h)，噴頭安裝在長(zhǎng)1.5 m的支管上。灌水時(shí)將4個(gè)噴頭分別布置在小區(qū)四角上，逐一對(duì)各小區(qū)進(jìn)行灌水。為防止各小區(qū)之間發(fā)生水分交換，調(diào)節(jié)噴頭射程略微小于小區(qū)長(zhǎng)度，且在各個(gè)小區(qū)之間設(shè)置30 cm寬的緩沖區(qū)。灌溉所用水源為當(dāng)?shù)氐叵滤?，用管道末端的水表控制灌水量?/p>

1.3 觀測(cè)內(nèi)容與方法

1.3.1土壤水分

從苗期開始(2017年5月16日)，利用土鉆每隔10 d取一次土樣，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距大于1 m。取土深度80 cm，分為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，共5層。取出的土樣在105℃干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定，測(cè)算每個(gè)小區(qū)的土壤含水率。各時(shí)期玉米耗水量計(jì)算公式為

(1)

式中ET1-2——玉米階段耗水量，mm

n——土層總數(shù)目

γi——第i層土壤干容重，g/cm3

Hi——第i層土壤厚度，cm

Wi1——第i層土壤在時(shí)段初質(zhì)量含水率，%

Wi2——第i層土壤在時(shí)段末質(zhì)量含水率，%

M——時(shí)段內(nèi)灌水量，mm

P——時(shí)段內(nèi)降水量，mm

試驗(yàn)地地下水埋深較大(超過6 m)，且地勢(shì)平坦，不計(jì)地下水補(bǔ)給、深層滲漏以及地表徑流。

玉米產(chǎn)量水平水分利用效率(WUEy)計(jì)算公式為

WUEy=Y/ET

(2)

式中Y——玉米產(chǎn)量，kg

ET——玉米全生育期耗水量，mm

1.3.2葉片水分利用效率和氣體交換參數(shù)

于各個(gè)生育期內(nèi)晴朗無云的09:00—11:00，利用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400型便攜式光合作用測(cè)定儀(LI-6400XT，LI-COR Corporation，USA)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取5株生長(zhǎng)狀態(tài)良好的玉米，測(cè)量其從上至下第3片葉的光合速率、呼吸速率以及氣孔導(dǎo)度，每片葉片連續(xù)測(cè)量3次，取平均值。測(cè)定時(shí)設(shè)置葉室內(nèi)光照強(qiáng)度1 500 μmol/(m2·s)、CO2濃度400 μmol/(m2·s)，待葉片適應(yīng)葉室內(nèi)環(huán)境后進(jìn)行測(cè)定。

葉片瞬時(shí)水分利用效率(WUEi)用作物通過蒸騰作用消耗一定量水所同化的CO2量表示，計(jì)算公式為

WUEi=Pn/Tr

(3)

式中Pn——凈光合速率，μmol/(m2·s)

Tr——蒸騰速率，mmol/(m2·s)

葉片內(nèi)在水分利用效率(WUEn)用作物通過蒸騰作用消耗一定量水所同化的水量表示，計(jì)算公式為

WUEn=Pn/Gs

(4)

式中Gs——?dú)饪讓?dǎo)度，mol/(m2·s)

1.3.3δ13C和Δ13C

于拔節(jié)期和成熟期在各個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3株玉米，將葉片從植株上分離，置于105℃干燥箱中殺青30 min，然后在70℃條件下干燥48 h，在干燥器中冷卻至質(zhì)量恒定。將干燥后的葉片進(jìn)行研磨，過80目篩后裝入樣品袋中密封保存?zhèn)錅y(cè)。同時(shí)將成熟期測(cè)產(chǎn)后的干燥玉米粒研磨，過80目篩后裝入樣品袋中密封保存。穩(wěn)定同位素參數(shù)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，采用元素分析儀(Flash 2000 HT型)和同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，USA)聯(lián)用的方法測(cè)定葉片和果實(shí)的穩(wěn)定碳同位素比率(δ13C)和穩(wěn)定碳同位素分辨率(Δ13C)。

碳同位素參數(shù)值的計(jì)算采用國(guó)際V-PDB標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)FARQUHAR等[8]的公式計(jì)算δ13C值，即

(5)

式中 (13C/12C)sample——葉片或籽粒樣品中的13C/12C比率

(13C/12C)standard——標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)尿素中的13C/12C比率

樣品的Δ13C計(jì)算公式為

(6)

式中δair——空氣中CO2的Δ13C值(-0.8%)

δsample——測(cè)量得到的樣品中Δ13C值

1.3.4產(chǎn)量

2017年9月25日進(jìn)行玉米產(chǎn)量測(cè)算，按照對(duì)角線原則從每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)選取5株玉米分別測(cè)量單株穗長(zhǎng)、穗粗、單株穗質(zhì)量、禿尖長(zhǎng)度和百粒鮮質(zhì)量。然后將玉米鮮粒放入70℃的干燥箱中干燥48 h，在干燥器中冷卻到質(zhì)量恒定，用精度為0.01 g的電子天平稱量百粒干質(zhì)量，裝入樣品袋中備用。各小區(qū)產(chǎn)量計(jì)算公式為

Y=W1/W2W3N

(7)

式中W1——玉米百粒干質(zhì)量，g

W2——玉米百粒鮮質(zhì)量，g

W3——玉米單株平均穗質(zhì)量，g

N——每公頃玉米株數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用EXCEL 2013對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與整理，運(yùn)用SPSS 19.0(SPSS，Chicago，IL，USA)對(duì)玉米產(chǎn)量、葉片水平水分利用效率以及葉片和果實(shí)的Δ13C等進(jìn)行方差分析(Analysis of variance，ANOVA)，采用Duncan多重比較方法進(jìn)行各處理的顯著差異性分析，最后利用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉制度條件下玉米各生育期日均耗水規(guī)律

由圖2可知，不同灌溉制度條件下各處理玉米生育期日均耗水強(qiáng)度均呈拋物線趨勢(shì)變化，在苗期和收獲期各處理的日均耗水強(qiáng)度較小且趨于一致。這是由于苗期植株葉面積較小，作物需水量主要以棵間蒸發(fā)為主，植株本身蒸騰能力較弱。處理L1～L8的玉米日均耗水強(qiáng)度均在拔節(jié)期到抽雄期達(dá)到峰值，隨后大幅度下降，在灌漿期到成熟期下降速度減緩。在灌水次數(shù)相同條件下，隨著灌溉定額的增加，玉米各生育期日均耗水強(qiáng)度呈逐漸增加的趨勢(shì)，在拔節(jié)期處理L1的日均耗水強(qiáng)度最大，峰值為5.89 mm/d，比L2處理提高7%。處理L12的日均耗水強(qiáng)度最小，峰值為4.21 mm/d，比處理L1降低了30.5%。在灌溉定額相同的條件下，玉米日均耗水強(qiáng)度隨灌水次數(shù)的增加而增大，處理L1的峰值比L5提高了7.2%。結(jié)果表明，玉米在拔節(jié)中期到抽雄末期生長(zhǎng)最為旺盛，此時(shí)植株迅速生長(zhǎng)，葉面積指數(shù)快速增加，植株的生長(zhǎng)由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)逐步向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變，同時(shí)7月氣溫較高，使得作物耗水量顯著增加。在收獲期植株衰老，生理活動(dòng)減弱，呼吸作用大幅降低，因此收獲期各處理日均耗水量降低且逐漸趨于一致。L9、L0、L11、L12、CK 5個(gè)處理的日均耗水強(qiáng)度峰值在拔節(jié)期提前出現(xiàn)，在抽雄期初期開始逐漸下降，并且這些處理的峰值明顯小于L1和L2處理。這是因?yàn)楣嗨?次的處理在苗期和拔節(jié)期灌水量較大，超過了土壤飽和含水率，因此大量水分通過田面蒸發(fā)損失。

圖2 各生育階段各處理玉米日均耗水強(qiáng)度變化曲線 Fig.2 Daily average water consumption intensity curves of maize under different irrigation treatments at different growth stages

2.2 不同灌溉制度對(duì)玉米不同水平水分利用效率以及產(chǎn)量的影響

各處理玉米耗水量(ET)變化范圍為378.06 ～428.73 mm，產(chǎn)量(Y)變化范圍為11 180.43～14 920.62 kg/hm2。處理L9和L1的ET明顯大于其余處理，這是因?yàn)楣嗨砍^了土壤飽和含水率，大部分灌溉水通過田面蒸發(fā)直接損失。3種不同灌水次數(shù)水平下玉米ET、Y均隨著灌溉定額的增加呈增大趨勢(shì)，且各處理值均顯著大于CK處理。在灌水次數(shù)相同的情況下，各處理之間玉米ET、Y均表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，在灌溉定額相同的情況下，不同灌水次數(shù)之間玉米ET、Y差異不顯著，說明玉米ET、Y主要受到灌溉定額影響，而對(duì)灌水次數(shù)的變化不敏感。不同處理玉米WUEy變化范圍為2.90～3.74 kg/m3，L3處理的WUEy最大，L11處理的WUEy最小。在灌水次數(shù)為3次的條件下，各處理間WUEy差異顯著(P<0.05)，且顯著高于CK處理，而灌水次數(shù)為4次和2次的情況下，不同處理(包括對(duì)照處理)間WUEy均未表現(xiàn)出顯著性差異。處理L9、L10、L11、L12的Y、WUEy顯著小于其余各個(gè)處理，說明在苗期和拔節(jié)期大量灌水，抽雄期和灌漿期缺水不利于玉米產(chǎn)量的形成，同時(shí)仍保持較大的耗水量，降低了水分利用效率。相較于產(chǎn)量最高的L1處理，處理L5在產(chǎn)量保持同等水平的情況下WUEy提高了2.0%，表明噴灌玉米在灌溉定額為800 m3/hm2、灌水次數(shù)為3次(苗期、拔節(jié)期、抽雄期)時(shí)節(jié)水高產(chǎn)效果達(dá)到最優(yōu)。

表2 不同灌溉處理下不同時(shí)期玉米WUEi、WUEn、WUEy、ET和Y Tab.2 WUEi, WUEn, ET, Y and WUEy of maize under different irrigation treatments and growth stages

注：表中同一列不同小寫字母表示處理之間在P<0.05水平差異顯著，下同。

2.3 不同灌溉制度下玉米葉片和籽粒的碳同位素分辨率

由圖3可知，不同灌溉制度下玉米拔節(jié)期葉片碳同位素分辨率(ΔLB)變化范圍為0.451%～0.542%，成熟期葉片和籽粒碳同位素分辨率(ΔLC、ΔF)變化范圍分別為0.505%～0.598%、0.496%～0.526%。拔節(jié)期L11處理玉米ΔLB最大，為0.542%，相比CK處理高出了18.34%。成熟期L10處理ΔLC最大、L7處理ΔF最大，分別為0.598%、0.526%，相比于CK處理分別高出了11.40%和3.47%。成熟期不同灌溉處理不同器官間Δ13C存在顯著差異(P<0.05)，并且ΔL顯著大于ΔF(P<0.01)，這是由于不同器官之間的化學(xué)組成不同(包括脂質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素)，同時(shí)說明碳水化合物由光合器官向營(yíng)養(yǎng)存儲(chǔ)器官轉(zhuǎn)移時(shí)發(fā)生了碳同位素分餾作用，使得不同器官中13C積累量不同。在灌水次數(shù)相同時(shí)，不同時(shí)期玉米ΔL均隨著灌溉定額的增加而增大，說明灌水量的增加提高了玉米葉片對(duì)13C和12C的辨別能力，提高了對(duì)重碳的排斥水平，因此葉片13C積累量減少，13C和12C比值降低，進(jìn)而使ΔL高于灌水量較低的處理。在同一灌溉定額水平下，玉米籽粒ΔF隨著灌水次數(shù)減少呈逐漸增大的趨勢(shì)，說明生育階段內(nèi)增加灌水量會(huì)抑制碳同位素的分餾，使得12C在籽粒中大量富集，13C積累量減少。

通過方差分析可知，玉米ΔLB、ΔLC、ΔF均在不同灌水條件下差異顯著(P<0.05)。這與前人在水稻、葡萄等植物上的研究結(jié)果一致[18-19]。當(dāng)灌水次數(shù)相同時(shí)，不同灌溉定額下ΔLB、ΔLC、ΔF在各處理之間的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。但是在灌溉定額相同時(shí)，只有ΔLB、ΔLC在各處理之間差異顯著(P<0.05)，ΔF未表現(xiàn)出顯著性差異，說明在光合產(chǎn)物由葉片向籽粒遷移的過程中發(fā)生的碳同位素分餾作用主要受到灌水量影響，對(duì)不同灌水次數(shù)的響應(yīng)水平較低。同時(shí)比較成熟期玉米葉片和籽粒Δ13C的均值可知，ΔLC大于ΔF，并且ΔL的離散系數(shù)(5.32%)小于ΔF的離散系數(shù)(8.62%)，說明玉米ΔL對(duì)灌溉定額和灌水次數(shù)變化的響應(yīng)效果優(yōu)于ΔF。

圖3 不同灌溉處理下玉米葉片和果實(shí)的碳同位素分辨率 Fig.3 Change of 13C discrimination (Δ13C) in leaves (ΔL) and fruit (ΔF) of maize under different irrigation treatments

2.4 不同灌水次數(shù)下玉米ΔL、ΔF與不同水平WUE、ET、Y的相關(guān)關(guān)系

為了研究穩(wěn)定碳同位素指標(biāo)與玉米不同水平WUE之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)ΔL、ΔF與WUEi、WUEn、WUEy、ET、Y之間分別進(jìn)行了線性相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)如表3所示。不同灌溉方式下，不同時(shí)期玉米ΔL與WUEi、WUEn、WUEy之間均呈負(fù)相關(guān)，除灌水4次條件下ΔLB與WUEn之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)外，其余條件下ΔLB、ΔLC與WUEi、WUEn的相關(guān)性均不顯著，說明在全生育期進(jìn)行4次灌水使玉米ΔL與葉片WUE更加密切。總體上可以看出，玉米ΔL與WUEn的相關(guān)性要優(yōu)于其與WUEi的相關(guān)性，并且ΔF與WUEy的相關(guān)性優(yōu)于ΔL，說明相較于WUEi而言，玉米ΔL可以更好地反映WUEn的變化，并且ΔF能夠比ΔL更好地指示玉米WUEy。

在灌水4次的情況下，ΔLB、ΔF分別與ET呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其他情況下相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，ΔLB與Y僅在灌水3次的條件下呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明玉米全生育期進(jìn)行3次灌水能更有效地調(diào)控葉片光合性狀與水分利用的能力，更好地體現(xiàn)ΔL對(duì)WUEy的指示作用。在灌水次數(shù)為2次時(shí)，ΔLB、ΔF分別與ET和Y的相關(guān)性均顯著小于其余兩種灌水次數(shù)，說明在苗期和拔節(jié)期大量灌水，抽雄期和灌漿期缺水的灌水方式影響葉片光合特性以及光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移過程中的碳同位素分餾作用，此時(shí)ΔL、ΔF無法準(zhǔn)確指示玉米耗水強(qiáng)度和產(chǎn)量。

2.5 不同灌溉制度條件下玉米ΔLC、ΔF與WUE、ET、Y的相關(guān)關(guān)系

如圖4所示，通過對(duì)成熟期玉米ΔLC、ΔF、WUEi、WUEn以及ET、Y的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得出，在不同灌溉處理下，ΔLC與WUEi、WUEn的相關(guān)性存在顯著差異，同時(shí)ΔLC與WUEn呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，回歸方程式為

WUEn=-605.81ΔLC+445.4 (R2=0.410 6，P<0.05)

其相關(guān)性優(yōu)于ΔLC與WUEi的相關(guān)性。ΔF與WUEy、Y均呈顯著負(fù)相關(guān)，回歸方程式分別為

表3 不同灌水次數(shù)下玉米ΔL、ΔF與WUE、ET、Y的相關(guān)系數(shù) Tab.3 Correlation coefficients between ΔL, ΔF and WUE, ET and Y under different irrigation frequencies

注：*表示變量之間在P<0.05水平差異顯著，** 表示變量之間在P<0.01水平差異顯著。

圖4 不同灌溉制度下ΔLC、ΔF與WUE、ET、Y的相關(guān)關(guān)系 Fig.4 Relationships between ΔLC, ΔF and WUE, ET and Y under different irrigation treatments

ΔLC、ΔF與ET均呈正相關(guān)，R2分別為0.061 4、0.14，均未達(dá)到顯著水平，但是ΔF與ET的相關(guān)性優(yōu)于ΔLC與ET的相關(guān)性。結(jié)果表明，ΔLC能夠作為玉米葉片水平水分利用效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以反映出作物全生育期葉片同化CO2、吸收水分和養(yǎng)分的能力，ΔF能夠作為指示玉米產(chǎn)量水平水分利用效率的重要指標(biāo)，較好地反映出玉米生育期內(nèi)灌水量變化對(duì)作物耗水規(guī)律的影響。

3 討論

玉米在生長(zhǎng)期內(nèi)需要大量水分，但其承受淹水的能力較弱。任伯朝等[20]研究表明，在三葉期淹水對(duì)玉米的影響較為顯著，且淹水過后植株吸收養(yǎng)分能力減弱。本研究中，在全生育期灌水2次的條件下，苗期和拔節(jié)期灌水量超過了土壤飽和含水率，植株處于淹水狀態(tài)，使得玉米日耗水強(qiáng)度在拔節(jié)初期提前出現(xiàn)峰值，但該峰值明顯小于全生育期灌水4次和灌水3次的處理。這是因?yàn)檠退疇顟B(tài)會(huì)降低光合羧化酶(RuBP酶和PEP酶)活性，降低光合同化能力[21]，同時(shí)引起葉片氣孔的關(guān)閉，抑制葉片的呼吸蒸騰作用[22]。這與梁哲軍等[23]對(duì)淹水狀態(tài)下盆栽玉米的研究結(jié)果基本一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在抽雄期和拔節(jié)期不灌水時(shí)，玉米日耗水強(qiáng)度較其他處理提前下降，且在生育后期日耗水強(qiáng)度較小，這是因?yàn)樗痔澣币种屏巳~片中葉綠素的生物合成，提高葉綠素酶活性并加速葉綠素分解，導(dǎo)致葉片光合能力下降[24]，植株吸水能力降低。余衛(wèi)東等[25]發(fā)現(xiàn)，苗期和拔節(jié)期淹水對(duì)玉米的影響較為顯著，連續(xù)淹水3 d，玉米產(chǎn)量顯著下降。本研究中，全生育期灌水2次的條件下，產(chǎn)量同樣出現(xiàn)大幅度下降的現(xiàn)象，4個(gè)處理平均產(chǎn)量較4次灌水和3次灌水分別降低18.67%、14.68%。這是因?yàn)槊缙谘退{迫抑制了植株吸收水分和養(yǎng)分的能力，并且干物質(zhì)過多的向穗部轉(zhuǎn)移，降低了籽粒干質(zhì)量[26]。這與馬玉平等[27]對(duì)黃淮海地區(qū)玉米的研究結(jié)果一致。研究證明，將灌溉水量較為均衡的分配給玉米生長(zhǎng)的各個(gè)時(shí)期內(nèi)，尤其是在抽雄—乳熟期期間進(jìn)行適量的補(bǔ)充灌水有利于玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)產(chǎn)量的形成，達(dá)到高產(chǎn)的目的。本研究還發(fā)現(xiàn)，灌溉次數(shù)相同時(shí)，適當(dāng)減小灌溉定額，產(chǎn)量降低不明顯，而水分利用效率顯著提高，這與孫雪梅等[28]的研究結(jié)果基本一致。

作物通過光合作用吸收的CO2在各組織之間移動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生碳同位素分餾作用，這是光合羧化作用中核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)對(duì)12CO2和13CO2產(chǎn)生不同的催化反應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果，使得植株在吸收CO2的過程中，會(huì)對(duì)13CO2產(chǎn)生排斥作用，導(dǎo)致作物組織中13C和12C比值小于大氣中13C和12C比值。由于C4作物和C3作物的光合羧化酶(RuBP酶和PEP酶)和羧化作用在時(shí)空上存在差異，因此兩者對(duì)13CO2有不同的識(shí)別和排斥作用，使得它們組織內(nèi)部的Δ13C存在顯著差異。本研究中，玉米葉片Δ13C在不同時(shí)期之間差異明顯，這與CHEN等[29]對(duì)加拿大4種基因型大麥的研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)镃4作物維管束鞘細(xì)胞的存在使得C4作物的碳同位素分餾作用比C3作物更加復(fù)雜，維管束鞘細(xì)胞會(huì)使向內(nèi)轉(zhuǎn)移的部分CO2泄漏出來重新進(jìn)入葉肉細(xì)胞之中，CO2泄漏量的不同會(huì)引起組織中Δ13C的變化[30]。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的推進(jìn)，玉米葉片Δ13C逐漸增大，這與陳平等[31]對(duì)盆栽決明子的研究結(jié)果基本一致。CABRERABOSQUET 等[32]發(fā)現(xiàn)缺水狀態(tài)下小麥葉片Δ13C與WUEi呈負(fù)相關(guān)。CHANDEA等[33]對(duì)雨養(yǎng)條件下4種基因型柱花草研究發(fā)現(xiàn)葉片Δ13C與WUEn也呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究也表明玉米在噴灌條件下葉片Δ13C與WUEi、WUEn分別呈負(fù)相關(guān)，這與El-SHERKAWY等[34]對(duì)自然條件下木薯的研究結(jié)果一致。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，成熟期玉米葉片Δ13C與WUEn的相關(guān)性優(yōu)于WUEi，因?yàn)閃UEn能夠更加有效地反映出葉片氣孔阻力變化所引起的胞間CO2濃度變化，進(jìn)而反映在葉片Δ13C的變化上，這與前人對(duì)梨棗樹[8]、大麥[35]的研究結(jié)果一致。表明葉片Δ13C可以很好地指示作物WUEn，同時(shí)說明在不同水分處理?xiàng)l件下，作物Δ13C可以作為評(píng)價(jià)玉米葉片水分利用效率的一個(gè)可靠指標(biāo)。

由于ΔF能夠直接記錄果實(shí)生長(zhǎng)階段光合產(chǎn)物向果實(shí)中轉(zhuǎn)移的信息，因此對(duì)Y有較好的指示作用。本研究發(fā)現(xiàn)，成熟期玉米ΔF與Y之間的負(fù)相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)，說明玉米Δ13C在不同灌溉條件下可以很好地表征其產(chǎn)量，這與MONNEVEUX 等[36]研究結(jié)果基本一致。梁銀麗等[37]研究發(fā)現(xiàn)小麥ΔL與WUEy呈極顯著負(fù)相關(guān)。ANYIAA等[35]發(fā)現(xiàn)，不同水分處理下，大麥的ΔF與WUEy呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)。在本研究中，成熟期玉米ΔL、ΔF與WUEy同樣呈負(fù)相關(guān)性，且ΔF與WUEy相關(guān)性達(dá)到顯著水平，因?yàn)楫a(chǎn)量的形成受到環(huán)境因素的強(qiáng)烈影響，ΔL能夠反映玉米結(jié)實(shí)期對(duì)水分的利用狀況以及全生育期植株光合特性的變化情況，ΔF能夠有效地記錄玉米結(jié)實(shí)期內(nèi)的溫度、濕度、土壤水分等外界環(huán)境因素變化以及果實(shí)成熟期植株對(duì)水分變化的響應(yīng)狀況。這與GRANT等[38]對(duì)草莓的研究結(jié)果一致，說明玉米ΔL、ΔF在一定程度上可以作為快速、準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)量水平水分利用效率的量化指標(biāo)。

目前大量的研究集中在利用ΔL、ΔF表征作物不同水平水分利用效率上，但是對(duì)ΔL、ΔF與ET、Y的相關(guān)關(guān)系仍存在爭(zhēng)議，不同部位Δ13C與WUE相關(guān)關(guān)系的穩(wěn)定性仍不明確[39]，尤其與WUEy的關(guān)系仍需要更深入的研究。野外試驗(yàn)過程中Δ13C與WUE的相關(guān)性受到環(huán)境因素綜合的影響，本研究?jī)H考慮不同灌溉制度下水分變化對(duì)Δ13C和WUE的影響，其余不同環(huán)境因素下玉米不同部位Δ13C對(duì)WUE的表征作用尚需要進(jìn)一步驗(yàn)證。此外本研究中設(shè)置的灌水量和灌水次數(shù)梯度均較少，未考慮玉米生長(zhǎng)性狀發(fā)生突變時(shí)的水量臨界值，因此增加梯度以進(jìn)一步研究節(jié)水高產(chǎn)的玉米灌水方案很有必要。

4 結(jié)論

(1)不同灌溉制度下玉米日耗水強(qiáng)度均在拔節(jié)期達(dá)到最大。灌溉定額為800 m3/hm2，灌水4次時(shí)的日耗水強(qiáng)度最大，最大峰值為5.89 mm/d，灌溉定額為500 m3/hm2，灌水2次時(shí)的日耗水強(qiáng)度最小，峰值為4.21 mm/d。灌水2次時(shí)玉米日耗水強(qiáng)度較灌水3次和4次的處理提前達(dá)到峰值。不同處理拔節(jié)期到成熟期玉米WUEi變化范圍為7.56～29.84 μmol/mmol，WUEn變化范圍為73.15～168.19 μmol/mmol，WUEy變化范圍為2.90～3.74 kg/m3。處理L1的產(chǎn)量最高為14 920.62 kg/hm2，但WUEy僅為3.58 kg/m3，處理L3的WUEy最大為3.74 kg/m3，但此時(shí)產(chǎn)量有大幅度下降，綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率，得出符合玉米節(jié)水高產(chǎn)生產(chǎn)要求的灌溉制度為全生育期灌水為800 m3/hm2，分別在苗期、拔節(jié)期、抽雄期灌水3次，該灌溉制度下玉米WUEy為3.65 kg/m3，產(chǎn)量為14 712.47 kg/hm2，此時(shí)成熟期WUEi和WUEn均最大。

(2)拔節(jié)期玉米葉片碳同位素分辨率(ΔLB)、成熟期葉片碳同位素分辨率(ΔLC)和果實(shí)碳同位素分辨率(ΔF)分別為0.451%～0.542%、0.505%～0.598%、0.496%～0.526%，隨著生育期的推進(jìn)，葉片ΔL逐漸增加。此外，玉米ΔL對(duì)灌溉定額和灌水次數(shù)變化的響應(yīng)效果優(yōu)于果實(shí)ΔF。

(3)不同灌溉制度條件下玉米ΔLC與WUEi、WUEn均呈負(fù)相關(guān)，且ΔLC與WUEn的相關(guān)性優(yōu)于其與WUEi的相關(guān)性，成熟期ΔLC與WUEn呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.410 6，P<0.05)，玉米ΔF與WUEy、Y均呈顯著負(fù)相關(guān)。說明在寒地黑土區(qū)不同灌溉制度條件下利用玉米ΔL和ΔF指示不同水平水分利用效率具有一定的可行性，玉米成熟期葉片和籽粒Δ13C可作為量化表征作物葉片和產(chǎn)量水平水分利用效率的重要指標(biāo)。