玉米是我国广泛种植的重要粮食、饲料和经济兼用作物,其稳产、丰产对保障国家粮食安全具有重要意义^[1,2]。在全球变暖背景下,干旱发生频次增多、强度增强^[3],干旱已成为限制玉米稳产、丰产的主要因素。拔节-开花期是夏玉米生长的需水临界期,适宜田间持水量为80%左右^[4]。山东省位于黄淮海东部,雨热同季,但夏季气温高、降水时空分布不均、蒸散量大,季节性干旱时有发生^[5],对夏玉米安全生产不利^[6]。因此,开展夏玉米水分临界期持续干旱胁迫的模拟研究,探究持续干旱胁迫对水分临界期夏玉米光合生理与产量形成的影响,对夏玉米干旱监测、灾害影响评估及防灾减灾意义重大。

关于干旱胁迫对作物光合生理、植株形态、干物质积累与分配等方面的影响研究成果较多^[7,8,9]。研究表明:干旱胁迫下,植株株高降低,单叶叶面积和叶片数减少,总叶面积减小^[10,11,12],叶绿素生物合成受阻,促进叶绿素分解,导致叶片发黄,进而影响叶片光合作用及干物质积累^[13],还会造成雌穗吐丝延迟,雌雄发育间隔延长,进而影响受精,败育籽粒数增加^[14,15]。此外,干旱胁迫还造成玉米叶片SOD、POD和CAT酶活性降低,进而导致活性氧累积,膜脂过氧化产物MDA及叶绿素降解增加,造成叶片光合能力下降,叶片向植株转运的干物质减少,叶干物质分配比例增加,穗、茎干物质分配比例减少,从而加速叶片衰老,不利于籽粒灌浆,最终导致产量下降^[16,17,18]。然而,以往干旱胁迫对夏玉米影响的试验研究大多在盆栽条件下进行,限制了玉米根系的生长空间,其研究成果难以推广至大田。为此,本文综合前人研究成果,利用自动控制遮雨棚在夏玉米水分临界期设计水分控制试验,模拟不同水分处理下土壤水分变化规律及干旱发生发展过程,系统研究夏玉米光合生理特性、干物质生产及产量形成对水分临界期持续干旱胁迫的响应,以期为定量评估水分临界期持续干旱胁迫对夏玉米光合生理与产量形成的影响提供一定理论依据。

本研究于2018年在临沂设施农业气象试验站的自动控制遮雨棚内水分控制场进行。水分控制场(118°14'54″E、35°28'30″N)共包括15个试验小区,间距0.2 m,小区的长、宽、深均为4 m×4 m×2 m,内壁及底部采用防水材料进行防渗处理,土壤均为砂壤;自动移动式遮雨棚的长、宽、高分别为23 m×14 m×5 m,可东西方向平移,降雨时可自动关闭遮雨棚;为保证遮雨棚遮蔽时夏玉米最大限度接受散射光,遮雨棚顶部及四周安装了85%透光率的阳光板。选用郑单958(ZD958)为玉米试验材料,小区采用完全随机设计。试验地前茬作物为冬小麦,播种前精细整地、造墒,夏玉米于6月11日播种,采用人工点播方式,播种密度60 000株·hm^-2,播种期基施复合肥(N:P₂O₅:K₂O=15:15:15)统一为300 kg·hm^-2,播种后水分供应充足,确保苗齐苗壮,各处理田间管理措施一致。

在夏玉米水分临界期设计5个水分梯度处理,分别标记为T1、T2、T3、T4、T5,每个处理重复3次,各处理随机分布,具体设计见图1。各处理20 cm土壤相对湿度在拔节前控制在60%左右,进入拔节期后参照临沂夏玉米常年水分临界期(7月20日至8月10日)降水量(143.1 mm)进行水分控制。其中,T1处理10~20 cm土壤相对湿度保持在80%左右,T2、T3、T4、T5处理分别按照常年水分临界期降水量的80%、50%、25%、0%以喷灌形式进行一次性补水处理,此后至开花期不再补水,开花期后按照正常农事复水,并进行正常农事管理至夏玉米成熟收获。

(1)发育期观测

参照《农业气象观测规范》^[19],在夏玉米播种后隔日开展发育期观测。

(2)土壤相对湿度测定

土壤相对湿度,即土壤含水量与田间最大持水量的百分比。夏玉米播种-成熟期,采用烘干称重法,在每月8日、18日、28日测定0~10、10~20、20~30、30~40 cm及40~50 cm土壤相对湿度,每个试验小区重复3次;水分临界期内3日、13日、23日加密测定。

(3)叶绿素含量测定

夏玉米开花期,采用丙酮乙醇法^[20],在每个试验小区选择10株长势一致的玉米叶片进行叶绿素含量测定。

(4)叶片光响应曲线测定

夏玉米开花期,利用Li-6400(Li-cor,USA)便携式光合作用测定系统红蓝光叶室(02B),在晴天09:00—12:00(北京时,下同)测定各处理下3株最新完全展开的叶片,并取平均值。通过开放式气路,将光合有效辐射(photosynthetically active radiation, PAR)梯度设定为2000、1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、350、300、200、150、100、50、20、0 μmol·m^-2·s^-1,叶室CO₂浓度设定为400 μmol·mol^-1,测定光合有效辐射梯度下夏玉米功能叶片净光合速率。

采用直角双曲线模型^[21],进行光响应曲线拟合,得到最大光合速率及表观量子效率。计算公式如下:

式中:P_n、P_max(μmol·m^-2·s^-1)分别为净光合速率、最大光合速率;I(μmol·m^-2·s^-1)为光合有效辐射;A_q为表观量子效率。将拟合得到的P_max、A_q回代,得到不同水分处理下夏玉米叶片的光补偿点和光饱和点。

(5)叶片光合参数的测定

夏玉米开花期,利用便携式光合作用测定系统Li-6400(Li-cor, USA)红蓝光叶室(02B),在晴天09:00—12:00测定各处理下3株最新完全展开的叶片,并取平均。通过开放式气路,设定叶室CO₂浓度为400 μmol·mol^-1、PAR为1500 μmol·m^-2·s^-1,测定开花期夏玉米功能叶片净光合速率、蒸腾速率Tr(mmol·m^-2·s^-1)和气孔导度Cond(mol·m^-2·s^-1),计算水分利用效率(WUE, μmol·mmol^-1),表达式如下:

(6)植株特性的测定

① 株高和叶面积:每个试验小区选取长势一致、有代表性的10株夏玉米,在开花期测定其株高和叶面积。叶面积的计算公式如下:

式中:A₁(cm²)为叶面积;L₁、W₁(cm)分别为叶长和叶宽。

②地上部干物质积累与分配:在开花期选取长势一致、有代表性的10株夏玉米,按照茎秆、叶片、叶鞘、雌穗器官分开,用烘箱105 ℃杀青30 min,然后80 ℃烘至恒重,称量各器官干重,计算单株干物质积累量。

③根系干重:在开花期进行夏玉米根系取样,以植株为中心将长15 cm、宽(株距,按密度计算)、深20 cm的土体挖出,装入40目尼龙网袋。然后,低压水冲洗根系,剔除杂质后用烘箱105 ℃杀青30 min,再80 ℃烘至恒重,称量根系干重。

(7)产量结构测定

夏玉米成熟后,各试验小区随机收获30株玉米,晾晒后进行室内考种,包括:秃尖比、双穗率、株籽粒重、百粒重,计算各处理的理论产量。

2018年夏玉米全生育期降水量为509.0 mm,较常年略偏少,其中7月20日至8月10日(水分临界期)降水量为114.8 mm,较常年水分临界期降水量偏少19.7%;平均气温26.1 ℃,较常年偏高1.5 ℃[图2(a)],降水和热量条件能够满足水分控制试验需求。

根据夏玉米发育期观测资料,各处理夏玉米于7月10日陆续进入拔节期,由于干旱胁迫导致部分处理发育期推迟,至8月10日全部试验小区夏玉米均进入开花期。从图2(b)看出,7月10日进行补水,7月13日(补水后)T1、T2、T3、T4处理下10~20 cm土壤相对湿度较7月8日(补水前)明显升高,T1、T2、T3处理下10~20 cm土壤相对湿度在80%以上,T4处理下10~20 cm土壤相对湿度约70%,T5处理因未补水土壤相对湿度未发生明显变化;此后至开花期,除了T1处理下10~20 cm土壤相对湿度变化不大外,其他处理的土壤相对湿度均持续降低,8月13日T2、T3、T4、T5处理下10~20 cm土壤相对湿度分别较7月13日降低36.8%、33.0%、28.3%和17.5%。参照土壤水分的干旱判别标准^[22](表1),夏玉米进入开花期时,T2、T3、T4处理下20 cm土壤相对湿度分别为53.7%、49.7%和43.7%,达到轻旱水平,T5处理下20 cm土壤相对湿度为39.2%,达到重旱水平。

采用Duncan新复极差^[23]分析方法,对持续干旱胁迫下开花期夏玉米叶片叶绿素(chlorophy, Chl)含量的变化进行差异检验。从表2看出,开花期夏玉米叶片Chla含量随干旱胁迫的加剧显著降低,干旱胁迫越重,降幅越大,T2、T3、T4、T5处理下Chla含量分别较T1处理低0.47、0.69、0.78、1.01 mg·g^-1,且T3、T4处理差异不显著,但均显著低于T2处理、高于T5处理;不同水分处理下Chlb含量差异不大。另外,T1处理下Chla含量、Chl(a+b)含量及Chl(a/b)均最高,分别为2.37、2.85 mg·g^-1和4.91,显著高于T2处理,而T5处理下Chla含量、Chl(a+b)含量和Chl(a/b)均最低,分别为1.36、1.70 mg·g^-1和4.0,除Chla含量与T4处理差异不显著外,Chl(a+b)含量和Chl(a/b)均显著低于T4处理,且T3、T4处理间Chl(a+b)含量、Chl(a/b)差异均不显著。

由图3可知,随着干旱胁迫的加剧,开花期夏玉米叶片P_n、Tr和Cond均呈显著降低趋势,T2、T3处理下P_n、Tr和Cond分别较T1处理降低34.0%、47.4%、57.7%和40.1%、50.2%、56.9%,差异显著;T5处理下P_n、Tr和Cond均最低,分别较T1处理降低29.84 μmol·m^-2·s^-1、6.62 mmol·m^-2·s^-1、0.32 mol·m^-2·s^-1,且与T4处理差异不显著,但显著低于T1、T2、T3处理。另外,随着干旱胁迫的加剧,开花期夏玉米叶片WUE先升后降,即WUE自T3、T2、T1、T4、T5依次降低,轻度干旱胁迫的T3处理下WUE最高,为5.15 μmol·mmol^-1,分别较T1、T2、T4、T5处理高32.7%、16.4%、56.8%和89.3%,T5处理下WUE最低,仅2.72 μmol·mmol^-1,表明轻度干旱胁迫有利于夏玉米叶片WUE的显著提高,而干旱胁迫过重时,WUE显著降低。

图4是持续干旱胁迫对开花期夏玉米叶片光响应曲线的影响。可以看出,在一定光合有效辐射范围内,随着光合有效辐射的增强,叶片光合速率升高,并在光饱和点达到最大;当光合有效辐射进一步增强时,各处理的光合速率均出现不同程度降低,T5处理降幅最大为14.7%,T1处理降幅最小为0.3%,T2、T3、T4处理降幅分别为8.8%、3.8%和2.2%。此外,干旱胁迫条件下叶片光饱和点显著降低,T1处理下光饱和点在1800 μmol·m^-2·s^-1左右,T2、T3、T4、T5处理下光饱和点分别较T1处理降低11.1%、11.1%、22.2%和33.3%。可见,干旱胁迫下夏玉米叶片遭受“光抑制”现象,且随干旱胁迫的加剧,光抑制现象越明显,叶片光合能力不断减弱。

图5是开花期夏玉米株高和叶面积对持续干旱胁迫的响应。可以看出,开花期夏玉米株高随着干旱胁迫加剧而降低,T1处理的株高最高,分别较T2、T3、T4、T5处理高14.7%、19.9%、26.5%和27.5%,且T5处理的株高显著低于T2和T3处理,但与T4处理无显著差异,表明干旱胁迫可以显著抑制夏玉米株高的生长;随着干旱胁迫的加剧,开花期夏玉米叶面积呈降低趋势,T1处理的叶面积最大,T5处理的叶面积最小,T2、T3、T4、T5处理分别较T1处理降低7.6%、10.6%、13.1%和18.2%,差异水平均显著。

图6是持续干旱胁迫对开花期夏玉米干物质积累与分配的影响。可以看出,随着干旱胁迫的加剧,各处理夏玉米叶、叶鞘、根、茎、果实等干重均显著降低。其中,T1处理下开花期夏玉米总干重最高,T2处理的总干重较T1处理偏低13.4%,且差异显著,而T4、T5处理总干重差异不显著,分别较T1处理偏低41.2%和44.9%。另外,随着干旱胁迫的加剧,开花期夏玉米叶、叶鞘干重占地上部干物重的百分比逐渐增加,即干旱胁迫越重,增加越多;茎、果实、根干重占地上部干物重的百分比有所减少,且干旱胁迫越重,减少越多。这表明干旱胁迫下,夏玉米植株养分分配产生变化,叶、叶鞘获得的养分分配增多,茎、果实、根获得的养分供给减少,营养供给与分配的改变对玉米植株的健壮生长不利,倒伏风险增加,影响产量形成。

随着干旱胁迫的加剧,夏玉米株籽粒重、百粒重及理论产量均显著降低,而秃尖比和双穗率显著升高(表3)。T1处理的秃尖比和双穗率均最低,分别为0.9%和3.0%,显著低于其他处理;T2、T3处理的秃尖比均为6.0%,双穗率分别为33.0%和37.0%,而T4、T5处理秃尖比和双穗率均超过50%,分别为50.0%、70.0%和60.0%、90.0%。T1处理的株籽粒重为157.7 g,较T2、T3、T4和T5处理高49.8%、51.0%、58.4%和61.8%,差异显著,T2、T3处理株籽粒重显著高于T4、T5处理,且T2、T3处理和T4、T5处理株籽粒重分别差异不显著;由于灌浆不充分,T2、T3、T4、T5处理的百粒重显著低于T1处理,且T2、T3、T4处理差异不显著,分别较T1处理低13.5%、11.6%和13.2%,T5处理的百粒重最低,较T1处理低25.8%;干旱胁迫对夏玉米理论产量造成不可逆的影响,T1处理的理论产量最高为1100 g·m^-2,T2、T3、T4、T5处理均显著偏低,分别较T1处理低45.5%、54.5%、64.8%、72.7%。

光合作用是绿植物(包括光合细菌)将光能转化为可用于生命过程中的化学能,并进行有机物合成的生物过程,是物质生产基础,其强弱决定了作物生长及最终产量。水分作为光合作用的必备原料之一,其变化对植株光合生理过程产生重要影响,同时水分是植株叶绿素合成的必要条件,叶片缺水会抑制植株叶绿素的生成,促进叶绿素的分解,导致叶片发黄,光合作用降低。干旱胁迫发生时,夏玉米叶片气孔因缺水而闭合,使得蒸腾速率和气孔导度降低、水分和CO₂运输受阻,进而导致叶片光合速率降低,且随干旱胁迫的加剧降低幅度增大。然而,光合速率降低的原因不同,干旱胁迫下气孔因素和非气孔因素是造成夏玉米叶片光合速率降低的主要原因,胞间CO₂浓度和气孔限制值对干旱胁迫的响应是判断夏玉米叶片光合速率降低原因的主要依据^[24]。

光合产物在各器官之间的积累和转运是籽粒产量形成的重要物质基础。玉米籽粒产量很大程度上取决于生育后期光合产物的生产能力,而营养器官的干物质转移也是重要的影响因素。干旱胁迫发生时,夏玉米株高和叶面积不同程度降低,地上部干物重减少,植株养分向叶、鞘转移增多以及向茎、果实、根的供给减少,进而导致植株茎秆瘦弱、倒伏风险增加、产量形成困难,这与贾双杰等的研究结论一致^[25]。

理论产量是夏玉米实际产量预估的有效手段,夏玉米秃尖比和双穗率随干旱胁迫加剧显著升高,而株籽粒重和百粒重则有所降低。干旱胁迫发生时,夏玉米理论产量显著降低,轻度干旱胁迫导致理论产量较T1处理降低45%~65%,重度干旱胁迫则降低70%左右,这可能是持续干旱胁迫下玉米雌雄穗发育进程延缓,雄穗抽出困难、雌穗吐丝延迟,进而导致玉米穗部秃尖和穗粒数减少,产量降低,这与米娜等^[26]的研究结论基本一致。

本研究基于夏玉米水分临界期水分控制试验,模拟研究不同水分处理下土壤水分变化规律及干旱发生发展过程,系统研究水分临界期持续干旱胁迫对夏玉米叶片光合生理及产量形成的影响,为明确干旱胁迫致灾机理及干旱灾害监测、影响评估提供理论依据。由于夏季干旱的发生往往伴随高温,今后还应加强高温、干旱复合灾害对夏玉米生长发育及物质形成的影响研究。

(1)拔节-开花期是夏玉米的水分临界期,持续干旱胁迫造成开花期夏玉米叶片Chla含量降低,导致光合能力显著下降,且干旱胁迫越重,降幅越大;轻度干旱胁迫促进开花期夏玉米叶片WUE升高,而重度干旱胁迫则导致夏玉米叶片WUE显著降低。

(2)持续干旱胁迫导致开花期夏玉米植株矮化、叶面积降低,地上部干物质减少;干旱胁迫迫使植株养分在不同器官间进行再次分配,减少对茎、果实、根的养分供给,造成植株产量形成困难。

(3)持续干旱胁迫造成夏玉米秃尖比和双穗率显著升高、株籽粒重和百粒重降低,进而导致产量降低,且胁迫越重,产量降幅越大。