半干旱区集雨补灌与种植密度对玉米生长及光合生理特性的影响

摘要

在中国西北半干旱区，集雨种植系统正在被逐步推行，以用于改善农田水分状况，提高水分利用效率。为进一步完善集雨种植技术，本研究在半干旱区（宁夏彭阳县）集雨种植下，设置了3个玉米种植密度（L：5.25万株ha-1；M：7.50万株ha-1；H：9.75万株ha-1）和4种补灌方式（NI：全程不灌溉；IV：11叶期补灌375 m3ha-1；IS：吐丝期补灌375 m3ha-1；IVS：11叶期和吐丝期均补灌375 m3ha-1）。通过连续两年（2015~2016）大田试验，分析了不同补灌方式和种植密度对农田土壤水分、耗水特征、玉米生长、光合生理特性、产量及水分利用效率的影响，取得如下主要研究结果： 1、集雨补灌和种植密度对农田土壤水分及耗水特征的影响 （1）集雨补灌主要增加了玉米吐丝后0-200 cm土层的土壤含水量，尤其在灌浆期增幅明显；在灌浆期IV、IS和IVS处理两年平均土壤含水量较NI分别增加了7.2%、9.4%和 13.6%。种植密度对玉米 11 叶期之前的土壤含水量影响较小，而在吐丝期、灌浆期和成熟期土壤含水量随种植密度的增加显著降低。集雨补灌和种植密度主要影响了0-60和60-120 cm土层的土壤贮水量，而对120-200 cm土层土壤贮水量影响较小。 （2）在玉米 11 叶期之前，随着种植密度的增加耗水量及耗水强度增高，且在降水较多时种植密度对其影响较小。在玉米吐丝后的阶段，耗水量及耗水强度随种植密度的增加而降低，尤其在吐丝至灌浆阶段降幅较大。在吐丝至灌浆阶段，中、高密度下两年平均耗水量较低密度分别降低了9.8%和20.3%。在11叶期补灌主要提高了玉米11叶至吐丝阶段的耗水量和耗水强度，而在吐丝期补灌显著提高了吐丝至灌浆阶段的耗水量及耗水强度。在玉米11叶至吐丝阶段，IV和IVS处理两年平均耗水量较NI分别增加了12.3%和13.5%，在吐丝至灌浆阶段IS和IVS处理较NI分别增加了37.6%和54.3%。 2、集雨补灌和种植密度对玉米生长及抗倒伏性的影响 （1）2015和2016年在11叶期补灌提高了吐丝期0-20 cm土层土壤中的根长密度和根表面积密度，有利于根系在表层土壤中的生长，而 11 叶期不灌溉促进了根系向深层土壤延伸。集雨补灌可延缓玉米生育后期根系的衰退，与NI相比，在蜡熟期IV、IS和IVS处理下0-100 cm土层两年平均根长密度分别增加了28.7%、48.8%和55.2%，根表面积密度分别增加了40.4%、64.9%和80.5%。集雨补灌较不灌溉也显著提高了玉米蜡熟期的单株叶面积、地上干物质、根干重和根冠比，且在IS补灌方式下的增幅高于IV。虽然IVS的灌水量是IS的两倍，但较IS并没有显著提高单株叶面积和地上干物质，并且降低了根冠比，提高了植株的穗位高和重心高度，加大了玉米倒伏的风险。 （2）在吐丝期和蜡熟期，中、高密度种植较低密度显著增加了0-100 cm土层平均 根长密度和根表面积密度。然而，高密度较低密度显著降低了根干重和茎粗，显著提高了穗位高和穗高系数，较中密度显著降低了根冠比，这都增大了高密度种植下玉米的倒伏率。在中、高密度下两年平均根倒伏率分别是低密度的4.1和10.1倍，茎倒伏率分别是低密度的6.8和36.3倍。 3、集雨补灌和种植密度对玉米叶片及光合生理特性的影响 （1）两年在 11 叶期、吐丝期和灌浆期，低密度下各补灌方式的叶片相对叶绿素含量差异不显著，而在灌浆期中、高密度下IS和IVS高于NI。在蜡熟期同一补灌方式下，随着密度的增加叶片相对叶绿素含量显著降低。两年在 11 叶期或吐丝期灌水后，进行补灌的处理较 NI显著提高了叶片相对含水量，且在干旱年（2016）的增幅高于平水年（2015）。与NI相比，IV提高了吐丝期灌水前的叶片相对含水量，而IS显著提高了灌浆期的叶片相对含水量。在吐丝期和灌浆期，高密度种植较低、中密度显著降低了叶片相对含水量。 （2）两年在11叶期补灌后，IV和IVS较NI明显提高了叶片的气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr），但降低了叶片水分利用效率（WUEL）。干旱年在吐丝期补灌前，IV和IVS较NI显著提高了Gs、Ci、Pn和Tr，而在平水年差异不显著。两年在吐丝期补灌后及灌浆期，IS和IVS较NI提高了Gs、Tr和Pn，且在灌浆期显著提高了WUEL。在灌浆期IV、IS和IVS较NI两年平均Pn分别增加了17.0%、27.2%和30.3%。灌浆期同一补灌方式下，随着密度的增加Ci升高，而Gs、Tr、Pn和WUEL降低；中、高密度较低密度两年平均Pn分别降低了8.1%和27.6%，高密度种植明显降低了叶片的光合能力。 （3）在11叶期补灌后和吐丝期补灌前，IV和IVS较NI降低了叶片初始荧光（Fo），增加了暗反应最大荧光（Fm）和可变荧光（Fv），从而显著提高叶片光系统Ⅱ潜在活性（Fv/Fo）和光系统Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm），且在干旱年高密度下差异较大。两年在吐丝期补灌后及灌浆期，同一密度下IS和IVS较NI显著降低了Fo，明显提高了Fm、Fv、Fv/Fo和Fv/Fm。在灌浆期IV、IS和IVS较NI两年平均Fv/Fo分别增加了17.8%、27.6%和35.1%，平均Fv/Fm分别增加了8.4%、11.4%和12.6%，这说明在吐丝期补灌明显提高了玉米灌浆期叶片的光合性能。在灌浆期同一补灌方式下，随着密度的增加Fo升高，而Fm、Fv、Fv/Fo和Fv/Fm降低，且在干旱年高密度与低密度差异显著。在灌浆期高密度种植下的叶片受损严重，较低密度两年平均 Fv/Fo和Fv/Fm 分别降低了19.3%和5.9%。 4、集雨补灌和种植密度对玉米干物质积累及光能利用的影响 （1）2015和2016年玉米在吐丝后严重受到干旱胁迫的影响，致使叶面积指数大幅度降低，而IS和IVS处理恰好为玉米生殖生长提供水分，较NI显著提高了玉米蜡熟期的叶面积指数和生物量。在平水年补灌方式对吐丝前总干物质积累量影响不显著，而在干旱年IV、IS和IVS较NI显著提高了吐丝前总干物质积累量。无论平水年还是干旱年， IS和IVS较NI显著提高了吐丝后总干物质积累量，且IS与IVS差异不显著。两年在11叶期、吐丝期、灌浆期和蜡熟期，中、高密度较低密度显著提高了叶面积指数，有利于干物质的积累。 （2）两年试验结果表明，中、高密度种植较低密度显著提高了玉米 11 叶期、吐丝期和灌浆期的光能截获率，从而使全生育期的光能截获量显著增高。虽然高密度种植较低密度显著提高了玉米吐丝前的光能利用效率，但吐丝后光能利用效率显著降低，导致全生育期光能利用效率差异不显著。在干旱年IV、IS和IVS较NI显著提高了玉米吐丝前及全生育期的光能利用效率，而在平水年差异不显著。无论平水年还是干旱年，IV、IS和IVS较NI显著提高了玉米吐丝后光能利用效率，且IS显著高于IV。然而，IV和IS较NI并没有显著提高吐丝后及全生育期的光能截获量，这说明集雨补灌主要通过增加干物质积累量来提高光能利用效率，而对光能截获量的影响较小。两年数据平均值表明，中密度下吐丝期补灌处理（M-IS）获得了最高的全生育期光能利用效率（1.56 g MJ-1）。 5、集雨补灌和种植密度对玉米产量及水分利用的影响 （1）两年随着种植密度的增加秃尖长显著升高，百粒重显著降低，中密度种植下的行粒数和穗粒数显著高于高密度，而穗行数无显著差异，这说明种植密度主要通过影响行粒数来改变穗粒数，而穗行数受密度的影响较小。两年中、高密度下的籽粒产量显著高于低密度，较低密度两年平均分别提高了8.8%和9.7%。中、高密度种植较低密度也显著提高了产量及生物量的水分利用效率（WUEG和WUEB）、灌水利用效率（IWUEG和 IWUEB）、以及产量灌水生产效率（IWPG）。然而，与中密度相比，高密度种植并不能显著提高籽粒产量、WUEG、IWUEG和IWPG，并且显著降低了收获指数。 （2）集雨补灌较不灌溉显著降低了秃尖长，增加了穗长、穗粗、穗粒数和百粒重，从而显著提高籽粒产量。与NI相比，IV、IS和IVS处理的两年平均籽粒产量分别增加了13.2%、21.3%和22.6%。虽然IVS的灌水量是IS的2倍，但在同一密度下，IVS较IS并没有显著提高籽粒产量、WUEG和WUEB，并且显著降低了IWUEG、IWUEB和IWPG。我们还发现，在干旱年中、高密度下，IS处理下的WUEG、IWUEG和IWPG显著高于IV。两年数据平均值显示，在所有处理中，虽然在中密度下 11 叶期和吐丝期均补灌处理（M-IVS）获得了最高的籽粒产量（13.3t ha-1），但与M-IS处理（13.2t ha-1）差异不显著；在M-IS处理下获得了最高的WUEG（30.8kg ha-1mm-1）、IWUEG（35.3 kg ha-1m-3）和IWPG（6.9 kg ha-1m-3），较M-IVS分别增加了5.7%，98.5%和92.6%。 综上所述，在集雨种植系统下中密度种植（7.50万株ha-1）结合吐丝期补灌（375 m3 ha-1）处理可促进玉米生长，提高叶片光合性能，最终提高籽粒产量以及水分和光能的利用效率。两年平均净收益也表明，该处理获得了最高的净收入（1.54 万元 ha-1）。因此，在中国西北半干旱地区，中密度种植结合吐丝期集雨补灌是一种有效提升玉米产量、水分及光能利用效率的适宜种植模式。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 沟垄集雨种植技术

1.2 玉米种植密度研究进展

1.3 玉米灌溉研究进展

1.4 研究目的及意义

1.5 研究内容

1.6 技术路线

第二章 试验设计与方法

2.1 试验区概况

2.2 试验设计与田间管理

2.3 测定项目及方法

2.4 数据处理与分析方法

第三章 集雨补灌与种植密度对农田土壤水分及耗水特征的影响

3.1 土壤水分动态变化

3.2 农田耗水特征

第四章 集雨补灌与种植密度对玉米生长及抗倒伏性的影响

4.1 植株性状

4.2 根系特征

4.3 倒伏率

第五章 集雨补灌与种植密度对玉米叶片及光合生理特性的影响

5.1 玉米叶片特征

5.2 玉米叶片光合指标

5.3 玉米叶片叶绿素荧光参数

5.4 相关性分析

第六章 集雨补灌与种植密度对玉米干物质积累和光能利用的影响

6.1 叶面积指数和生物量动态变化

6.2 总干物质积累量

6.3 光能截获率

6.4 光能截获量

6.5 光能利用效率

第七章 集雨补灌与种植密度对玉米产量及水分利用的影响

7.1 产量及相关性状

7.2 水分利用状况

7.3 经济效益

7.4 相关性分析

第八章 讨论

8.1 集雨补灌与种植密度对农田土壤水分及耗水特征的影响

8.2 集雨补灌与种植密度对玉米生长及抗倒伏性的影响

8.3 集雨补灌与种植密度对玉米叶片及光合生理特性的影响

8.4 集雨补灌与种植密度对玉米干物质积累及光能利用的影响

8.5 集雨补灌与种植密度对玉米产量及水分利用的影响

第九章 结论与展望

9.1 主要结论

9.2 主要创新点

9.3 存在的问题及展望

参考文献

致谢

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