高 蕓，呂海英，齊學(xué)斌，李 平，梁志杰，張 彥

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科技教育服務(wù)站，河南 新鄉(xiāng) 453000）

受全球氣候變化、下墊面改變和劇烈人類活動(dòng)等因素影響，我國(guó)由干旱災(zāi)害向洪澇災(zāi)害快速轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象（旱澇急轉(zhuǎn)）呈明顯增多趨勢(shì)［1－4］。 旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象已從長(zhǎng)江中下游地區(qū)逐漸北移至黃河、淮河流域多地［5－7］，2019 年山東“利奇馬”旱澇急轉(zhuǎn)事件造成農(nóng)作物受災(zāi)面積4.63 萬(wàn)hm2，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失4.04 億元，同年“旱澇急轉(zhuǎn)、旱澇交替事件”被黃河水利委員會(huì)列為近期黃河流域?yàn)?zāi)害的防御工作重點(diǎn)。 2021 年7 月河南省在持續(xù)性高溫干旱天氣后出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的極端特大暴雨（旱澇急轉(zhuǎn)），災(zāi)情造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)139 億元，農(nóng)作物受災(zāi)面積7.5 萬(wàn)hm2，成災(zāi)面積2.52萬(wàn)hm2，絕收面積0.47 萬(wàn)hm2，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失5.42 億元。 旱澇急轉(zhuǎn)已成為我國(guó)夏季水旱災(zāi)害異常的新特點(diǎn)和新趨勢(shì)，嚴(yán)重威脅著我國(guó)的糧食安全。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻種植區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)已經(jīng)開(kāi)展了較多研究，取得了一定成果，但對(duì)黃河流域的旱作物則關(guān)注較少，并且已有研究較多關(guān)注旱澇急轉(zhuǎn)下作物的減產(chǎn)現(xiàn)象描述［8－9］，對(duì)前旱、后澇之間的交互作用討論較少［10－11］。 有根系生長(zhǎng)的調(diào)控［12］、根系遺傳［13］、根系對(duì)環(huán)境的響應(yīng)［14］等方面的研究，但這些研究大多集中于單旱、單澇的致災(zāi)性研究，或只關(guān)注土壤表層淺層積水的干濕交替、間歇灌溉、控制灌溉等節(jié)水灌溉技術(shù)［15－17］，對(duì)旱澇急轉(zhuǎn)極端氣象災(zāi)害下作物根系生長(zhǎng)的變化規(guī)律研究較少，關(guān)于旱澇急轉(zhuǎn)前旱、后澇交互作用對(duì)作物根系吸水量的影響是否為單一旱澇損害的簡(jiǎn)單疊加并沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論［18－19］。 北方以旱作物為主，旱澇急轉(zhuǎn)下承載體與南方不同，應(yīng)對(duì)新的水旱災(zāi)害作物的響應(yīng)特征與機(jī)理以及防災(zāi)減災(zāi)措施的研究尚處空白，因此亟須探索北方旱作物對(duì)旱澇急轉(zhuǎn)的響應(yīng)機(jī)制。

本研究以夏玉米為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)測(cè)桶試驗(yàn)，研究旱澇急轉(zhuǎn)前期干旱與后期淹澇對(duì)夏玉米產(chǎn)量的補(bǔ)償或削減作用，探討旱澇急轉(zhuǎn)下夏玉米根系生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以期為應(yīng)對(duì)旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害、制定合理減災(zāi)措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020 年6—10 月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地（N35°9°，E113°47°）開(kāi)展。 試驗(yàn)區(qū)位于河南省新鄉(xiāng)縣七里營(yíng)鎮(zhèn)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14 ℃，降水量548 mm，日照2 399 h，平均海拔78.7 m。 試驗(yàn)品種為夏玉米登海605（生育期100 d左右），播種日期為2020 年6 月18 日。

研究采用測(cè)桶試驗(yàn)方法，測(cè)桶內(nèi)徑37 cm、高60 cm，為大型有底鐵桶，試驗(yàn)測(cè)桶埋設(shè)于土中，上有防雨棚隔雨（見(jiàn)圖1）。 采用稱重法控制測(cè)桶土壤水分（見(jiàn)圖2）。 種植密度為1 株／桶。 試驗(yàn)區(qū)土壤為壤土，0～60 cm 土壤層平均容重為1.49 g／cm3，田間持水率（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）為21%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

夏玉米生長(zhǎng)期分為苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期。研究表明，拔節(jié)至雄穗開(kāi)花階段對(duì)外界環(huán)境最敏感，統(tǒng)計(jì)資料顯示旱澇急轉(zhuǎn)氣象災(zāi)害多發(fā)生于7 月中下旬至8 月中下旬，正好與該時(shí)期重合，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)自拔節(jié)期開(kāi)始進(jìn)行旱澇急轉(zhuǎn)控水處理，其他生育期進(jìn)行適宜灌溉和排水。 旱澇程度及持續(xù)時(shí)間按照豫北地區(qū)玉米種植區(qū)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害天氣的實(shí)際情況及有關(guān)文獻(xiàn)中前人研究成果設(shè)定［20－21］。 輕旱設(shè)置為自然落干至含水率下限55%田間持水率，重旱為45%田間持水率；輕澇設(shè)置為保持10 cm 淹水深度2 d，重澇為4 d。其中，重旱輕澇組（DFAA3）和重旱重澇組（DFAA4）受旱時(shí)間為7 月20 日，輕旱輕澇組（DFAA1）和輕旱重澇組（DFAA2）受旱時(shí)間為7 月24 日，所有處理組在7月29 日發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)。 每個(gè)處理組的取樣時(shí)間為旱期開(kāi)始，旱期結(jié)束，澇期結(jié)束，旱澇急轉(zhuǎn)后復(fù)水15 d、復(fù)水21 d。 旱澇因素及水平設(shè)置見(jiàn)表1；試驗(yàn)各階段破壞植株數(shù)見(jiàn)表2；不同處理夏玉米生育期見(jiàn)表3。

表1 旱澇因素及水平設(shè)置

表2 試驗(yàn)各階段破壞植株數(shù) 株

表3 不同處理夏玉米生育期

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

測(cè)定項(xiàng)目包括3 個(gè)部分：①測(cè)量根、冠干重。 將破壞分離后的根、冠放入烘箱設(shè)置105 ℃殺青30 min后，調(diào)至80 ℃烘干至恒重，隨后用電子天平進(jìn)行稱重，精確到0.01 g。 ②根系形態(tài)指標(biāo)。 通過(guò)洗根后掃描圖片，采用根系分析系統(tǒng)WinRHIZO 對(duì)根長(zhǎng)密度、平均直徑、根表面積、根體積等進(jìn)行分析測(cè)算。 ③產(chǎn)量及構(gòu)成指標(biāo)。 收獲期測(cè)量每個(gè)處理組單株產(chǎn)量、百粒重、穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、禿尖長(zhǎng)度、穗重、穗粒重、出籽率。

1.4 控水方法

測(cè)桶控水處理分4 個(gè)階段：①第一次澆水至開(kāi)始受旱期間，每3～5 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，觀測(cè)測(cè)桶所有處理組含水率的平均值，保證含水率下限不低于70%田間持水率。 ②受旱期間，每3～5 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，觀測(cè)測(cè)桶DFAA 組含水率的平均值，保證含水率下限不低于45%、55%田間持水率。 ③受澇階段處理的淹水深度10 cm，每1 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，保證測(cè)桶地表水深不低于10 cm。 ④旱澇急轉(zhuǎn)排澇結(jié)束后排出地表水分自然落干，每3～5 d 讀取1 次數(shù)據(jù)，觀測(cè)測(cè)桶所有處理組含水率的平均值，保證含水率下限不低于70%田間持水率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 26 軟件One－Way ANOVA 以及LSD 法進(jìn)行單因素方差分析、多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇急轉(zhuǎn)下產(chǎn)量的變化規(guī)律

從表4 可知，DFAA 各組產(chǎn)量均低于CK 組，平均減產(chǎn)率為63.04%。 DFAA1 減產(chǎn)32.20%，DFAA2 減產(chǎn)77.02%，DFAA3 減產(chǎn)59.05%，DFAA4 減產(chǎn)83.90%，重澇組（DFAA2 和DFAA4）與CK 組差異顯著。 說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)后期淹澇對(duì)前期干旱存在一定的疊加減產(chǎn)效應(yīng)。

表4 不同處理產(chǎn)量及構(gòu)成指標(biāo)

DFAA 各組處理的穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、穗重、穗粒重以及出籽率的差異特征與單株產(chǎn)量基本一致，即重澇組（DFAA2 和DFAA4）與CK 組相比下降最多，旱澇表現(xiàn)為疊加削減。 DFAA 組穗長(zhǎng)的平均減少率為26.30%，穗行數(shù)的平均減少率為28.64%，行粒數(shù)的平均減少率為50.12%，穗粗的平均減少率為29.28%，穗重的平均減少率為64.26%，穗粒重的平均減少率為70.41%，出籽率的平均減少率為37.81%，其中DFAA4 各指標(biāo)與CK 組差異均顯著。 旱澇急轉(zhuǎn)使夏玉米禿尖長(zhǎng)度變大，并且干旱轉(zhuǎn)輕澇條件下百粒重略有增加，DFAA1 增加15.79%，DFAA3 增加16.62%。綜上，粒數(shù)（穗行數(shù)和行粒數(shù)）與粒重（穗重和穗粒重）的減少是旱澇急轉(zhuǎn)各處理組減產(chǎn)的主要原因。

2.2 旱澇急轉(zhuǎn)下根干重、冠干重、根冠比的變化特征

根據(jù)圖3 計(jì)算DFAA 各處理組相對(duì)CK 組的損傷程度。 DFAA 各組根干物質(zhì)在不同旱、澇處理階段均少于CK 組，旱期平均減少22.64%，澇期平均減少41.41%，復(fù)水前期（15 d）平均減少30.89%，復(fù)水后期（21 d）平均減少29.25%。 說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)抑制根干物質(zhì)增長(zhǎng)，后期淹澇對(duì)根干物質(zhì)的損害更加嚴(yán)重。DFAA1～DFAA3 根干物質(zhì)在澇期減少最為嚴(yán)重，減少率分別為49.91%、42.29%、42.54%；DFAA4 在復(fù)水前期減少最為嚴(yán)重，減少率為43.95%，說(shuō)明前期輕旱以及旱轉(zhuǎn)輕澇根干物質(zhì)的減少主要集中在澇期、重旱轉(zhuǎn)重澇根干物質(zhì)的減少在復(fù)水前期。

DFAA 各組冠干物質(zhì)在不同旱、澇處理階段均少于CK 組，旱期平均減少17.28%、澇期平均減少7.76%，復(fù)水前期平均減少19.09%、復(fù)水后期平均減少33.02%。 說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)抑制冠干物質(zhì)增長(zhǎng)，旱澇對(duì)冠干物質(zhì)的損傷存在滯后性，旱澇急轉(zhuǎn)復(fù)水后期對(duì)冠干物質(zhì)的損害更加嚴(yán)重。 DFAA1 ～DFAA4 冠干物質(zhì)在復(fù)水后期減少最為嚴(yán)重，減少率分別為35.11%、27.27%、33.88%、35.81%，說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)冠干重有后效性影響。

DFAA 各組根冠比在不同旱、澇處理階段均低于CK 組，旱期平均降低5.48%，澇期平均降低37.12%，復(fù)水前期平均降低16.52%，復(fù)水后期平均降低4.92%。結(jié)合根、冠干重變化，說(shuō)明后期淹澇脅迫下根干物質(zhì)減少量大、而冠干物質(zhì)減少不多是澇期根冠比下降最嚴(yán)重的主要原因。 DFAA1 ～DFAA4 根冠比在澇期降幅最大，降幅分別為36.23%、38.00%、35.90%、38.35%，說(shuō)明重旱轉(zhuǎn)重澇對(duì)根冠比影響最大。

2.3 旱澇急轉(zhuǎn)下根長(zhǎng)密度、根表面積、平均直徑、根體積的變化特征

根據(jù)圖4 計(jì)算DFAA 各組相對(duì)CK 組的損傷程度。 DFAA 各組根長(zhǎng)密度在不同旱、澇處理階段均低于CK 組，旱期平均降低17.79%，澇期平均降低37.65%，復(fù)水前期平均降低44.35%，復(fù)水后期平均降低35.43%。 說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)根長(zhǎng)密度有后效性影響，復(fù)水前期對(duì)根長(zhǎng)密度的損害更加嚴(yán)重。 DFAA2、DFAA4（重澇組）在復(fù)水前期降幅最大，降幅分別為56.76%、53.91%，DFAA1、DFAA3（輕澇組）根長(zhǎng)密度在復(fù)水后期降幅最大，降幅分別為47.48%、43.88%，說(shuō)明后期重澇對(duì)根長(zhǎng)密度的削減作用強(qiáng)于后期輕澇并且體現(xiàn)在復(fù)水前期，后期輕澇的削減作用則主要體現(xiàn)在復(fù)水后期。

DFAA 各組根表面積在不同旱、澇處理階段均小于CK 組，旱期平均降低19.14%，澇期平均降低46.21%，復(fù)水前期平均降低50.41%，復(fù)水后期平均降低48.55%。 說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)根表面積有后效性影響，復(fù)水前期對(duì)根表面積的損害更加嚴(yán)重。 DFAA2、DFAA4（重澇組）在復(fù)水前期降幅最大，降幅分別為58.04%、59.48%，DFAA1、DFAA3（輕澇組）根表面積在復(fù)水后期降幅最大，降幅分別為55.55%、55.03%。 說(shuō)明后期重澇對(duì)根表面積的削減作用主要體現(xiàn)在復(fù)水前期，后期輕澇的削減作用體現(xiàn)在復(fù)水后期。

DFAA 各組平均直徑在不同旱、澇處理階段均小于CK 組，旱期平均降低8.64%，澇期平均降低51.93%，復(fù)水前期平均降低54.51%，復(fù)水后期平均降低52.21%。 說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)根系平均直徑有后效性影響，復(fù)水前期對(duì)根系直徑的損害更加嚴(yán)重。 DFAA1、DFAA2（輕旱組） 在澇期降幅最大，降幅分別為57.46%、61.88%；DFAA3 平均直徑在復(fù)水后期降幅最大，降幅為54.96%，DFAA4 平均直徑在復(fù)水前期降幅最大，降幅為56.23%。 說(shuō)明輕旱轉(zhuǎn)澇后根系平均直徑減??；重旱轉(zhuǎn)輕澇對(duì)根系平均直徑的削減作用主要體現(xiàn)在復(fù)水后期，重旱轉(zhuǎn)重澇的削減作用體現(xiàn)在復(fù)水前期。

DFAA 各組根體積在不同旱、澇處理階段均小于CK 組，旱期平均減少20.88%、澇期平均減少53.83%、復(fù)水前期平均減少55.72%、復(fù)水后期平均減少58.84%，說(shuō)明旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)根體積有后效性影響、復(fù)水后期對(duì)根體積的損害更加嚴(yán)重。 DFAA1、DFAA3（輕澇組）在復(fù)水后期根體積減少最為嚴(yán)重，減少率分別為62.18%、63.99%；DFAA2 根體積在澇期減少最為嚴(yán)重，減少率為59.40%；DFAA4 根體積在復(fù)水前期減少最為嚴(yán)重，減少率為64.40%。 說(shuō)明后期輕澇對(duì)根體積的削減作用主要體現(xiàn)在復(fù)水后期，輕旱轉(zhuǎn)重澇對(duì)根體積的削減作用主要體現(xiàn)在澇期，重旱轉(zhuǎn)重澇的削減作用體現(xiàn)在復(fù)水前期。

2.4 旱澇急轉(zhuǎn)下比根長(zhǎng)、比表面積的變化特征

根據(jù)圖5 計(jì)算DFAA 各組相對(duì)CK 組的損傷程度。 DFAA 各組比根長(zhǎng)在旱澇處理當(dāng)期平均值高于CK 組，復(fù)水階段低于CK 組，旱期平均提高3.19%、澇期平均提高3.69%、復(fù)水前期平均降低18.62%、復(fù)水后期平均降低9.32%。 結(jié)合根長(zhǎng)、根干重?cái)?shù)據(jù)，根干重在澇期減少最多、而根長(zhǎng)在復(fù)水前期降幅最大，說(shuō)明根系長(zhǎng)度的削減滯后于質(zhì)量的削減導(dǎo)致比根長(zhǎng)下降最嚴(yán)重的時(shí)期發(fā)生在復(fù)水前期。 DFAA2、DFAA4（重澇組）比根長(zhǎng)在復(fù)水前期降幅最大，降幅分別為35.70%、16.24%；DFAA1 比根長(zhǎng)在復(fù)水后期降幅最大，降幅為22.86%；DFAA3 比根長(zhǎng)在澇期降幅最大，降幅為13.52%。 說(shuō)明后期重澇對(duì)比根長(zhǎng)的削減作用主要體現(xiàn)在復(fù)水前期；輕旱轉(zhuǎn)輕澇對(duì)比根長(zhǎng)的削減作用主要體現(xiàn)在復(fù)水后期，重旱轉(zhuǎn)輕澇的削減作用體現(xiàn)在澇期。

DFAA 各組比表面積在受旱階段高于CK 組，其他階段均小于CK 組，旱期平均增加1.74%，澇期平均減少9.70%，復(fù)水前期平均減少27.91%，復(fù)水后期平均減少27.51%。 結(jié)合根表面積、根干重?cái)?shù)據(jù)，根干重在澇期減少最多、而根表面積在復(fù)水前期減少最多，說(shuō)明根表面積的削減滯后于質(zhì)量的削減，導(dǎo)致比表面積減少最嚴(yán)重的時(shí)期發(fā)生在復(fù)水前期。 DFAA2 ～DFAA4比表面積在復(fù)水前期減少最為嚴(yán)重，減少率分別為38.19%、20.68%、26.76%；DFAA1 比表面積在復(fù)水后期減少最為嚴(yán)重，減少率為34.62%。 說(shuō)明后期重澇以及重旱轉(zhuǎn)澇，比表面積的減少主要集中在復(fù)水前期，輕旱轉(zhuǎn)輕澇比表面積的減少在復(fù)水后期。

2.5 討 論

已有研究表明，不同程度的旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)產(chǎn)量的影響不同，重旱重澇組的產(chǎn)量下降幅度最大，粒數(shù)與粒重的減少是產(chǎn)量下降的主要影響因素［22－23］。 本研究表明，不同處理下的旱澇急轉(zhuǎn)組產(chǎn)量均低于CK 組。 試驗(yàn)表明澇比旱對(duì)夏玉米產(chǎn)量的形成更加不利，后期淹澇對(duì)前期干旱存在一定的疊加減產(chǎn)效應(yīng)。 已有研究認(rèn)為旱澇脅迫下根系分布、根系活力會(huì)發(fā)生變化，旱脅迫會(huì)降低根系活力，且受旱時(shí)間越久傷流強(qiáng)度越低［24］，但適宜的水分脅迫不會(huì)顯著降低水稻產(chǎn)量，極重度水分脅迫使產(chǎn)量顯著降低，但卻沒(méi)有抑制根系的生長(zhǎng)［25］，作物由旱轉(zhuǎn)澇過(guò)程中，側(cè)根發(fā)育的可塑性增強(qiáng)，根系吸水能力提高［26］，旱后輕澇對(duì)根系活力的恢復(fù)、根系的發(fā)育和通氣組織的較早形成可產(chǎn)生積極影響［27－29］，甚至產(chǎn)生超越補(bǔ)償效應(yīng)，旱后重澇則表現(xiàn)為明顯的抑制效應(yīng)［24，30］。 本研究表明，淹澇會(huì)抑制根系的生長(zhǎng)，地下部分的削減早于地上部分，根長(zhǎng)密度、根表面積、平均直徑、根體積在復(fù)水階段下降（減少）最為嚴(yán)重，此時(shí)期對(duì)應(yīng)夏玉米抽雄—成熟期，是粒重形成關(guān)鍵期，雖然比根長(zhǎng)和比表面積平均值在受旱階段略高于CK 組，但不足以抵抗后續(xù)淹澇對(duì)產(chǎn)量的損傷。據(jù)此推測(cè)旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)根系生長(zhǎng)的抑制直接導(dǎo)致了粒重的減小，從而降低了產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

旱澇急轉(zhuǎn)后期淹澇對(duì)前期干旱下的玉米產(chǎn)量存在一定的疊加減產(chǎn)效應(yīng)，同時(shí)旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)玉米根系生長(zhǎng)有抑制作用，從而導(dǎo)致粒重減小是玉米減產(chǎn)的主要原因。