李 燕 王志偉 霍治國(guó) 陳 辰

1)(山西省氣候中心， 太原 030000)

2)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

3)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044)

4)(山東省氣候中心， 濟(jì)南 250031)

引 言

玉米位居中國(guó)糧食作物種植面積及產(chǎn)量之首，播種面積和產(chǎn)量約占糧食作物總面積和總產(chǎn)量的33%和36%，在中國(guó)糧食生產(chǎn)中的地位舉足輕重[1-3]。干旱是影響中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，導(dǎo)致的損失占?xì)庀鬄?zāi)害損失的53%[4-5]。近幾十年來(lái)，中國(guó)北方地區(qū)增暖顯著，干旱化趨勢(shì)明顯，水分條件成為制約玉米生產(chǎn)的最主要因子[6-8]。山東和河北大部、山西南部為夏玉米最適宜種植區(qū)[9-10]之一，其種植收入也是農(nóng)民主要且相對(duì)穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)來(lái)源。因此，研究該區(qū)域玉米對(duì)土壤水分的響應(yīng)規(guī)律，探明不同生育時(shí)段不同程度干旱對(duì)玉米生產(chǎn)的影響，對(duì)保障糧食安全、助力農(nóng)民增產(chǎn)增收、進(jìn)行合理灌溉等意義重大。

有關(guān)干旱對(duì)玉米的影響研究主要集中在對(duì)長(zhǎng)勢(shì)特征、光合特征、產(chǎn)量變化等方面。對(duì)長(zhǎng)勢(shì)特征的影響，水分虧缺顯著抑制了玉米植株的生長(zhǎng)和葉面積的擴(kuò)展，對(duì)株高的抑制作用，不同生育期表現(xiàn)為拔節(jié)孕穗期影響最大，抽雄期大于苗期[11]。對(duì)光合特征的影響，各生育時(shí)期光飽和點(diǎn)及最大凈光合速率，遭受干旱時(shí)下降[12],苗期干旱對(duì)光合速率和蒸騰速率的影響為負(fù)效應(yīng)[13]。對(duì)產(chǎn)量形成的影響，在土壤相對(duì)濕度為55%～60%條件下，各個(gè)生育時(shí)段干旱均導(dǎo)致玉米產(chǎn)量下降，程度由重到輕依次為抽雄期、拔節(jié)期和苗期[14]。玉米受到水分脅迫時(shí)，細(xì)胞膨壓發(fā)生改變，產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)，降低收獲指數(shù)，造成減產(chǎn)[15]。拔節(jié)-抽雄期、抽雄-乳熟期土壤相對(duì)濕度在40%和60%條件下，抽雄-乳熟期對(duì)產(chǎn)量的影響更大[16-17]，在拔節(jié)、抽雄后分別控水20 d，27 d，抽雄期持續(xù)干旱對(duì)產(chǎn)量的影響大于拔節(jié)期[18]，連續(xù)干旱持續(xù)21～33 d后，玉米的株高、莖粗等發(fā)生顯著變化，產(chǎn)量顯著降低[19]。夏玉米生長(zhǎng)對(duì)土壤干旱過(guò)程的響應(yīng)敏感性表現(xiàn)為生理特征最大，生物量積累次之，形態(tài)特征最小[20]。

關(guān)于表征作物干旱的指標(biāo)研究，主要有作物水分虧缺指數(shù)、降水量指標(biāo)、氣象干旱指數(shù)及土壤水分改進(jìn)作物發(fā)育進(jìn)程模式等[21-23]。土壤水分是作物生長(zhǎng)最直接的影響因素，是表征干旱程度的重要指標(biāo)。但土壤水分是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，目前的研究成果多是基于田間試驗(yàn)的某一生育時(shí)段土壤水分變化對(duì)作物的影響分析，而實(shí)際生產(chǎn)中干旱有累積效應(yīng)，其影響程度與土壤水分開(kāi)始下降時(shí)的土壤相對(duì)濕度初始值及初始時(shí)間，達(dá)到一定干旱水平的土壤相對(duì)濕度值、所需時(shí)間，達(dá)到該干旱水平后的持續(xù)時(shí)間以及干旱所處的生育時(shí)段等密切相關(guān)[24]。此外，以往有關(guān)作物干旱試驗(yàn)研究的土壤相對(duì)濕度控制水平相對(duì)較單一，試驗(yàn)時(shí)間大多為1～2年，代表試驗(yàn)點(diǎn)多為單個(gè)，單點(diǎn)單年試驗(yàn)存在水分難以達(dá)到預(yù)期、控制水平少等問(wèn)題，尤其大田狀態(tài)下，通過(guò)多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多年連續(xù)試驗(yàn)，且在大田條件下得到較豐富控制水平的研究成果較少。

本文選取夏玉米主產(chǎn)區(qū)的3個(gè)代表站點(diǎn)，采用人工控制試驗(yàn)方法，連續(xù)3年開(kāi)展夏玉米水分脅迫試驗(yàn)，研究不同生育時(shí)段、不同干旱程度對(duì)夏玉米根冠(根指地下部分，冠指地上部分，下同)生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的影響，將干旱過(guò)程變化劃分為快速失墑、干旱維持兩個(gè)階段，分析兩階段干旱影響的差異，厘定干旱影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)段及其臨界閾值，為合理灌溉，充分利用水資源，保障玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

3個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別位于山東省夏津氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)基地、山西運(yùn)城市鹽湖區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)和河北固城農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站。各試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型均為壤土，屬大陸性季風(fēng)氣候。夏津年降水量為493.2 mm，平均氣溫為13.2 ℃；運(yùn)城市鹽湖區(qū)年降水量為518.4 mm，平均氣溫為14.2 ℃；河北固城年降水量為528 mm，平均氣溫為12.2 ℃。各地播種、施肥等按照當(dāng)?shù)赜衩坠芾矸绞浇y(tǒng)一進(jìn)行，每年6月上旬開(kāi)始播種，9月中下旬收獲，種植方式為小麥-玉米輪作。播種密度行距為50 cm，株距為35 cm，密度約為60000株/hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置于山東夏津的大田、山西運(yùn)城市鹽湖區(qū)和河北固城的試驗(yàn)場(chǎng)中，大田采用人工遮雨棚、試驗(yàn)場(chǎng)采用大型電動(dòng)可控遮雨棚遮擋自然降水，試驗(yàn)時(shí)間為2013—2015年，供試夏玉米品種為鄭單958，考慮到每年全生育期試驗(yàn)的完整性，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別在不同生育時(shí)段進(jìn)行多個(gè)水分脅迫水平處理的控制試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)控制土壤相對(duì)濕度(簡(jiǎn)稱(chēng)土壤濕度，下同)及生育時(shí)段如表1所示，土壤濕度處理分別為31%～40%，41%～50%，51%～60%，61%～70%和CK(71%～100%)5個(gè)水平，生育時(shí)段處理分別為出苗-拔節(jié)、拔節(jié)-抽雄、抽雄-成熟和拔節(jié)-成熟期。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)取3次重復(fù)，每個(gè)處理取樣9株，每個(gè)控水生育時(shí)段結(jié)束后，復(fù)水至對(duì)照水平。

此外，因3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的條件不同，為消除不同試驗(yàn)條件的影響，采用不同處理與對(duì)照組生物量對(duì)比的相對(duì)量表征每種處理的變化，以變化率Ti′表示其對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響，即Ti′為不同處理的各生物量(地上干物重、根干重和根冠比)和相對(duì)應(yīng)對(duì)照組的生物量之差與對(duì)照組生物量的比值(單位：%)。

1.2.2 測(cè)定方法

1.2.2.1 土壤濕度測(cè)定及變化

土壤濕度測(cè)定采用人工取土烘干法，播種前1 d開(kāi)始測(cè)定，每7 d取土測(cè)定1次，取土深度為拔節(jié)前測(cè)深30 cm，拔節(jié)后測(cè)深50 cm，取土每10 cm為一層，如0～10 cm，10～20 cm。

表2及表3給出了不同處理開(kāi)始控制、實(shí)際達(dá)到控制水平的土壤濕度及所處的生育期，以實(shí)際達(dá)到控制水平所處的生育期表示各處理。土壤濕度31%～40%，拔節(jié)期處理(T1)；抽雄期處理(T2)，T2處理玉米實(shí)際并未進(jìn)入抽雄期，因在該處理土壤濕度達(dá)到小于40%控制水平時(shí)，對(duì)照已進(jìn)入抽雄期，故表示其為抽雄期處理。土壤濕度41%～50%，七葉期處理(T3)，抽雄期處理(T4)，乳熟期處理(T5)。土壤濕度51%～60%，出苗-拔節(jié)期處理(T6)，拔節(jié)-抽雄期處理(T7)，乳熟期處理(T8)。土壤濕度61%～70%，出苗-拔節(jié)期處理(T9)，抽雄期處理(T10)，拔節(jié)-乳熟期處理(T11)。需說(shuō)明的是T10和T11處理的下限值分別為55%和50%，因土壤濕度測(cè)定時(shí)間間隔是7 d，T10處理抽雄期由68%經(jīng)8 d下降至55%，即刻補(bǔ)水至69%；T11處理有兩次短暫的劇烈變化，一次是拔節(jié)期土壤濕度為66%，7 d后降至54%，然后補(bǔ)水至79%，另一次是乳熟期由69%經(jīng)歷7 d降至50%，再次補(bǔ)水至74%。

表1 夏玉米水分脅迫試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

注：CKi代表處理T1～T11相對(duì)應(yīng)的對(duì)照CK1～CK11，i為處理編號(hào)，下同。

表2 不同處理開(kāi)始控制及實(shí)際達(dá)到控制水平初始時(shí)土壤濕度動(dòng)態(tài)變化

表3 不同處理實(shí)際達(dá)到控制水平時(shí)土壤濕度動(dòng)態(tài)變化及所處生育期

注：出現(xiàn)時(shí)間、結(jié)束時(shí)間均以距出苗的日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，記為出苗日數(shù)， 0 d代表出苗當(dāng)天，下同。

由表2及表3可以看到，干旱影響隨土壤濕度變化可分為開(kāi)始控制至達(dá)到控制水平的快速失墑、達(dá)到控制水平并持續(xù)的干旱維持2個(gè)階段。將表2及表3中土壤水分開(kāi)始控制、達(dá)到控制水平的土壤濕度初始值(亦是快速失墑階段的結(jié)束值)、達(dá)到控制水平維持階段的土壤濕度下限值分別與氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《北方夏玉米干旱等級(jí)》中基于土壤濕度的各階段的干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25]進(jìn)行對(duì)比，表4及表5是3個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)段的干旱等級(jí)。綜合采用達(dá)到水分控制水平所處的生育時(shí)段、處理編號(hào)與處理開(kāi)始、快速失墑階段、干旱維持階段的干旱等級(jí)變化進(jìn)行表述，如抽雄期處理，T2由無(wú)旱經(jīng)28 d降至特旱，并特旱維持28 d；T4由無(wú)旱經(jīng)26 d降至重旱，并重旱維持11 d；T10由無(wú)旱降至輕旱，輕旱經(jīng)8 d再降至中旱，即刻補(bǔ)水維持在輕旱61%～70%為21 d。

表4 夏玉米快速失墑階段土壤濕度變化及其干旱等級(jí)

表5 夏玉米干旱維持階段土壤濕度變化及其干旱等級(jí)

1.2.2.2 干物重測(cè)定

按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》，在不同生育期分別取樣，固定觀測(cè)時(shí)間有七葉期、拔節(jié)期、拔節(jié)后10 d、抽雄期、抽雄后10 d、抽雄后20 d、乳熟期、成熟期。每次取樣將根、莖、葉分別稱(chēng)量鮮重，然后進(jìn)行105℃殺青處理，再進(jìn)行烘箱烘干處理至恒重，分別測(cè)定玉米根、地上干物重。成熟期測(cè)定產(chǎn)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法

以玉米根冠及產(chǎn)量變化最顯著時(shí)所處的生育期作為水分脅迫的敏感期，將造成玉米水分脅迫轉(zhuǎn)折點(diǎn)或絕收、死亡的土壤濕度、持續(xù)時(shí)間、所處生育期等，作為臨界指標(biāo)。基于不同處理的玉米減產(chǎn)率與快速失墑階段、干旱維持階段以及全階段的土壤濕度，建立回歸模型，定量研究產(chǎn)量與土壤濕度指標(biāo)的關(guān)系，評(píng)估干旱對(duì)產(chǎn)量的影響。

利用SPSS軟件對(duì)3年數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、顯著性檢驗(yàn)，使用Excel繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對(duì)地上干物重的影響

2.1.1 同一干旱水平對(duì)不同生育時(shí)段地上干物重變化的影響

土壤濕度31%～40%有拔節(jié)期(T1)和抽雄期(T2)處理，土壤濕度41%～50%有七葉期(T3)、抽雄期(T4)和乳熟期(T5)處理，不同處理的地上干物重變化率隨土壤濕度的變化如圖1所示。與CK1，CK2相比，T1，T2處理變化率均呈下降趨勢(shì)。對(duì)比不同處理實(shí)際達(dá)到控制水平的初始與結(jié)束時(shí)段的地上干物重變化率發(fā)現(xiàn)，T1′(T1處理的地上干物重變化率，下同)，七葉期、拔節(jié)期分別降低29%，63.8%，七葉-拔節(jié)期降低速率為1.4%/d；T2′，拔節(jié)后10 d、拔節(jié)后20 d分別降低67.8%，89.7%，降低速率為2.2%/d，降低速率T2′明顯高于T1′。T3，T4，T5處理地上干物重變化率亦呈下降趨勢(shì)。T3′，出苗期無(wú)差異，七葉期降低20.6%，降低速率為0.9%/d；T4′，拔節(jié)后10 d、抽雄期分別降低24%，62.6%，降低速率為2.3%/d； T5′，乳熟期、成熟期分別降低24.6%，40.1%，降低速率為0.6%/d，降低速率T4′明顯高于T3′和T5′。綜上所述，同一干旱程度對(duì)不同生育時(shí)段地上干物重變化的影響，抽雄期大于拔節(jié)期、七葉期和乳熟期。與抽雄期是需水臨界期的結(jié)論一致[26-27]，也與米娜等[18]持續(xù)干旱對(duì)地上生物量的影響抽雄期大于拔節(jié)期的試驗(yàn)結(jié)果吻合。

土壤濕度51%～60%有T6，T7和T8處理(圖1)，對(duì)比實(shí)際土壤濕度水平相當(dāng)?shù)腡6，T7處理的地上干物重變化率發(fā)現(xiàn)，T6′，出苗期、拔節(jié)期分別降低42.4%，49.1%；T7′，拔節(jié)期、抽雄期分別降低33%，50.6%，降低速率T7′大于T6′。表明拔節(jié)-抽雄期干旱對(duì)玉米地上部生長(zhǎng)的影響大于出苗-拔節(jié)期。

圖1 不同水分脅迫條件下、不同生育時(shí)段夏玉米地上干物重的變化率

土壤濕度61%～70%有T9，T10和T11處理(圖1)，發(fā)現(xiàn)抽雄期處理(T10)的地上干物重變化率由抽雄后10 d減少27.2%，復(fù)水后恢復(fù)至抽雄后20 d僅減少2.4%，與CK10差異不大；拔節(jié)-乳熟期處理(T11)，則由拔節(jié)后10 d減少20.7%，復(fù)水后恢復(fù)至乳熟期增加7.1%。表明經(jīng)歷短時(shí)間的干旱，玉米地上部在復(fù)水后可以恢復(fù)生長(zhǎng)，與CK11無(wú)明顯差異。這與輕度干旱4 d后復(fù)水可迅速得到補(bǔ)償及連續(xù)干旱不超過(guò)12 d有利于夏玉米生長(zhǎng)等結(jié)論[28-29]吻合?？梢?jiàn)，干旱對(duì)玉米的影響，持續(xù)時(shí)間是重要因素。

2.1.2 不同干旱水平對(duì)同一生育時(shí)段地上干物重變化的影響

出苗-拔節(jié)期有土壤濕度51%～60%(T6),61%～70%(T9)處理，T6處理七葉期、拔節(jié)期的地上干物重較CK6分別減少42.4%,49.1%(圖1)；T9處理七葉期、拔節(jié)期分別較CK9增加6.9%,8.6%(圖1)；T6處理土壤濕度為51%～60%，T9處理土壤濕度為62%～79%，表明出苗-拔節(jié)期地上干物重變化率由負(fù)變正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)在土壤濕度60%～62%，與北方夏玉米干旱等級(jí)的出苗-拔節(jié)期土壤濕度超過(guò)60%無(wú)旱基本一致[25]。

抽雄期有土壤濕度31%～40%(T2),41%～50%(T4),61%～70%(T10)處理，在快速失墑階段，T2,T4和T10處理分別由無(wú)旱降至特旱、重旱和輕旱，地上干物重分別較CK2,CK4,CK10減少了67.8%,37.2%和11.7%(圖1)，其中T2和T4分別經(jīng)歷28 d和26 d。干旱維持階段，3個(gè)處理分別在各干旱水平上持續(xù)了28 d,11 d和8 d，地上干物重分別較對(duì)照組減少了89.7%,62.6%和27.2%，其中T2處理控水結(jié)束后復(fù)水，玉米雌雄穗始終未能抽出，表明特旱對(duì)玉米地上部造成的影響基本不可逆。試驗(yàn)結(jié)果不僅與薛昌穎等[21]確定的拔節(jié)-抽雄期特旱臨界指標(biāo)為土壤相對(duì)濕度40%吻合，同時(shí)也給出了干旱持續(xù)時(shí)間的影響。

乳熟期有土壤濕度41%～50%(T5),51%～60%(T8)處理，T5處理降至重旱水平，地上干物重較CK5減少24.6%，繼續(xù)控制25 d達(dá)重旱-特旱水平，減少40.1%；T8處理降至中旱水平，地上干物重減少20%，中旱持續(xù)17 d，減少24.3%。

由試驗(yàn)結(jié)果可，同一生育時(shí)段，不同干旱程度，在快速失墑階段和干旱維持階段對(duì)地上干物重的影響具有明顯差異?？焖偈勲A段的影響大于干旱維持階段，兩階段的地上干物重均下降。若快速失墑的時(shí)間相當(dāng)，失墑的程度越大即達(dá)到的土壤濕度越低，對(duì)地上干物重的影響越大。維持階段，干旱強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)地上干物重影響越大。

2.2 干旱對(duì)根干重的影響

2.2.1 同一干旱水平對(duì)不同生育時(shí)段根干重變化的影響

如圖2所示，土壤濕度31%～40%的拔節(jié)期(T1)、抽雄期(T2)處理，實(shí)際控制時(shí)間分別為22 d和28 d，控制期間根干重變化率分別降低28.9%和12.2%，降低率拔節(jié)期大于抽雄期，表明同一干旱水平對(duì)根干重的影響拔節(jié)期大于抽雄期。

土壤濕度41%～50%的七葉期(T3)、拔節(jié)期(T4)、乳熟期(T5)處理(圖2)，控制期間根干重變化率T3′，七葉期和拔節(jié)期分別降低20.6%和72.2%，降低率拔節(jié)期明顯大于七葉期；T4′，拔節(jié)期、抽雄期分別降低78.3%,67.2%，降低率呈略減少趨勢(shì)；T5′，乳熟期、成熟期分別降低43.8%，45.8%，降低率呈略增加趨勢(shì)。同一干旱水平下拔節(jié)期處理根干重減少的最多，對(duì)根干重影響明顯大于乳熟期和抽雄期。

土壤濕度51%～60%的出苗-拔節(jié)期(T6)、拔節(jié)-抽雄期(T7)處理(圖2)，控制期間根干重變化率T6′，由出苗期增加45.9%至拔節(jié)期減少57.9%，呈顯著下降趨勢(shì)；T7′，拔節(jié)期、抽雄期分別降低75.2%,74.1%，降低率呈略減少趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，同一干旱水平對(duì)不同生育時(shí)段根干重的影響，出苗-拔節(jié)期大于拔節(jié)-抽雄期。與出苗-拔節(jié)期是根系快速生長(zhǎng)發(fā)育的時(shí)段，干旱將影響不同徑級(jí)根的生長(zhǎng)和分布，降低根干重的研究結(jié)果吻合[30]。

土壤濕度61%～70%的抽雄期(T10)和拔節(jié)-乳熟期(T11)處理(圖2)，為遭受短時(shí)間干旱，根干重變化率T10′，抽雄期、抽雄后20 d分別降低24%,0.4%，抽雄后20 d基本接近對(duì)照的根干重；T11′，由乳熟期降低26.5%至成熟期增加5.2%。與CK11相比，短時(shí)間干旱，根干重變化率基本無(wú)差異或略高于對(duì)照，影響不顯著。

出苗-拔節(jié)期土壤濕度51%～60%(T6)、61%～70%(T9)處理，T6處理(圖2)出苗-七葉期土壤濕度由60%降至51%，至七葉期根干重較CK6增加了45.9%；T9處理(圖2)七葉-拔節(jié)期土壤濕度由出苗后23 d的63%上升至拔節(jié)期的70%，根干重較CK9由減少21%上升至增加3%。表明出苗-七葉期土壤濕度51%～60%，七葉-拔節(jié)期土壤濕度63%～70%，根干重呈明顯增加趨勢(shì)，利于根系生長(zhǎng)。這與干旱條件下玉米生長(zhǎng)前期較后期更能促進(jìn)根系下扎的結(jié)論吻合[29]。

圖2 不同水分脅迫條件下、不同生育時(shí)段夏玉米根干重的變化率

2.2.2 不同干旱水平對(duì)同一生育時(shí)段根干重變化的影響

抽雄期土壤濕度31%～40%(T2),41%～50%(T4),61%～70%(T10)處理，在快速失墑階段，T2(圖2),T4處理，根干重分別較CK2,CK4減少82.8%,75.4%；干旱維持階段，根干重分別較對(duì)照組減少了95%,70.4%，但T2處理復(fù)水后，至成熟期根干重較CK2減少80.8%；T10處理(圖2)，達(dá)到輕旱、中旱水平，根干重分別較CK10減少16%,24%，為維持控制水平進(jìn)行補(bǔ)水后，根干重則呈增加趨勢(shì)。可見(jiàn)，既使玉米遭受特旱，復(fù)水后根系仍具有一定恢復(fù)生長(zhǎng)能力。

乳熟期土壤濕度41%～50%(T5),51%～60%(T8)處理(圖2)，在快速失墑階段，根干重分別較對(duì)照組減少了43.8%,35.2%；干旱維持階段，至干旱結(jié)束根干重分別較對(duì)照組減少了45.8%,9.7%。這表明，同一生育時(shí)段，不同干旱程度，快速失墑階段對(duì)根干重的影響均大于干旱維持階段。

由此可知，干旱對(duì)根干重的影響，快速失墑階段大于干旱維持階段。表明玉米根系對(duì)水分脅迫的響應(yīng)有一個(gè)適應(yīng)過(guò)程，從開(kāi)始的自適應(yīng)，根干重變化率為正，隨著持續(xù)時(shí)間的累積和水分脅迫的加劇，根干重變化率由正轉(zhuǎn)負(fù)且降低率顯著增加，當(dāng)土壤濕度下降到某一水平并維持時(shí)，根干重可以通過(guò)自我調(diào)節(jié)維持在一定水平，且可隨著補(bǔ)水根系有一定的補(bǔ)償效應(yīng)。

2.3 干旱對(duì)根冠比的影響

2.3.1 同一干旱水平對(duì)不同生育時(shí)段根冠比變化的影響

根冠比(地下干物重與地上干物重的比值，下同)是根冠協(xié)調(diào)生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。根系供應(yīng)玉米生長(zhǎng)所需要的水分，當(dāng)遭受水分脅迫時(shí)，水分分配方式發(fā)生變化，水分優(yōu)先分配給根系，促其快速生長(zhǎng)，根冠比增大。土壤濕度31%～40%，如圖3所示，拔節(jié)期處理(T1)，根冠比變化率由七葉期減少10%至拔節(jié)期增加50%，增加60%；抽雄期處理(T2)，根冠比變化率拔節(jié)期、抽雄期分別減少23%，50%，減少27%。可見(jiàn)，同一干旱程度，不同生育期對(duì)根冠比的影響，拔節(jié)期大于抽雄期。

土壤濕度41%～50%的七葉期(T3)、抽雄期(T4)、乳熟期(T5)處理，如圖3所示。不同處理的根冠比變化率如下：T3處理變化率由七葉期減少23%至拔節(jié)期增加56%，拔節(jié)期的根冠比明顯大于七葉期；T4處理呈下降趨勢(shì)，變化率由拔節(jié)后10 d減少13.1%至抽雄期減少31.6%；T5處理由乳熟期減少11%至成熟期減少9.6%。這表明，干旱對(duì)根冠比的影響拔節(jié)期大于七葉期、抽雄期和乳熟期。

土壤濕度51%～60%的出苗-拔節(jié)期(T6)、拔節(jié)-抽雄期(T7)處理(圖3)，其中T6土壤濕度51%～60%，根冠比均較CK6大，至拔節(jié)期根冠比增加了38%；T7土壤濕度為50%～58%，根冠比變化率由拔節(jié)期減少43.7%至抽雄期減少13.1%。干旱對(duì)根冠比的影響出苗-拔節(jié)期大于拔節(jié)-抽雄期。試驗(yàn)結(jié)果與李彪等[31]通過(guò)調(diào)虧灌溉得出了玉米根冠比受水分影響最大的階段是三葉-拔節(jié)期的研究結(jié)論相似。

2.3.2 不同干旱水平對(duì)同一生育時(shí)段根冠比變化的影響

出苗-拔節(jié)期，土壤濕度51%～60%(T6)、61%～70%(T9)處理，T6處理(圖3)的實(shí)際土壤濕度為51%～60%，根冠比變化率由七葉期增加128%至拔節(jié)期增加38%，呈減少趨勢(shì)，但根冠比均較CK6大；T9處理(圖3)實(shí)際土壤濕度為62%～70%，根冠比變化率由七葉期減少25.7%至拔節(jié)期減少5.4%，呈增加趨勢(shì)。這表明，土壤濕度60%～62%可促使玉米趨于形成合理根冠比。

圖3 不同水分脅迫條件下、不同生育時(shí)段夏玉米根冠比的變化率

抽雄期，土壤濕度31%～40%(T2)、41%～50%(T4)、61%～70%(T10)處理，在快速失墑階段，T2(圖3)、T4處理的根冠比變化率分別減少47%，46.7%；T10處理(圖3)由無(wú)旱至輕旱再至中旱，根冠比變化率分別減少5.7%，26.1%。干旱維持階段，T2，T4和T10處理根冠比變化率分別減少62%，31.6%和2.2%。T2處理控水結(jié)束后復(fù)水，至成熟期根冠比達(dá)CK2的1.75倍,主要原因是經(jīng)歷特旱復(fù)水后，地上部、地下部表現(xiàn)不一致，地下部有一定的恢復(fù)性，而地上部生長(zhǎng)停滯且呈下降趨勢(shì)，因而造成其變化極顯著。

乳熟期，土壤濕度41%～50%(T5)，51%～60%(T8)處理(圖3)，快速失墑階段的根冠比變化率，分別較對(duì)照組減少25.5%，15%。干旱維持階段，至干旱結(jié)束根冠比變化率較對(duì)照組分別減少9.6%，12%，其中T8處理復(fù)水后至成熟期為增加4%。

由此可知，同一生育時(shí)段，快速失墑階段，根冠比呈下降趨勢(shì)，且失墑程度越大，根冠比減少越多；干旱維持階段，根冠比呈先下降后上升趨勢(shì)，隨生育進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各處理的根冠開(kāi)始衰老，但玉米地上部分的下降速度大于根，根冠比不斷增大，至成熟期與對(duì)照差異不顯著。

2.4 干旱對(duì)產(chǎn)量的影響

2.4.1 不同生育時(shí)段、同一干旱水平對(duì)產(chǎn)量的影響

不同生育時(shí)段、同一干旱水平對(duì)玉米產(chǎn)量的影響(表6)：土壤濕度31%～40%，干旱出現(xiàn)在拔節(jié)期，持續(xù)22 d，減產(chǎn)69.2%；干旱出現(xiàn)在抽雄期，持續(xù)28 d，未形成產(chǎn)量。土壤濕度41%～50%，減產(chǎn)37.6%～53.3%，抽雄期(T4)與七葉期(T3)、乳熟期(T5)兩處理相比，持續(xù)時(shí)間最短，但對(duì)其產(chǎn)量影響最大，減產(chǎn)率分別是七葉期、乳熟期的1.4倍、1.2倍，可見(jiàn)抽雄期干旱對(duì)產(chǎn)量影響大于七葉期、乳熟期。土壤濕度51%～60%，減產(chǎn)19.5%～50.8%，最顯著的是拔節(jié)-抽雄期T7處理，減產(chǎn)50.8%。T10處理在抽雄期、T11處理在拔節(jié)期和乳熟期出現(xiàn)短時(shí)間土壤濕度小于60%，兩處理分別減產(chǎn)6.6%，1.4%，表明抽雄期對(duì)水分脅迫敏感性大于拔節(jié)期、乳熟期。從不同生育時(shí)段、同一干旱水平的各處理減產(chǎn)程度看，拔節(jié)-抽雄期干旱對(duì)產(chǎn)量影響最大，抽雄期最敏感。

2.4.2 同一生育時(shí)段、不同干旱水平對(duì)產(chǎn)量的影響

出苗-拔節(jié)期的T6，T9處理，T6處理土壤濕度為51%～60%，持續(xù)36 d，減產(chǎn)率為37.6%；T9處理土壤濕度62%～70%，持續(xù)38 d，與CK9無(wú)差異。這表明，土壤濕度62%是出苗-拔節(jié)期影響玉米產(chǎn)量的臨界閾值。

抽雄期的土壤濕度31%～40%(T2)，41%～50%(T4)，61%～70%(T10)處理，T2處理玉米無(wú)產(chǎn)量形成；T4和T10處理分別減產(chǎn)53.3%，6.6%。T10處理在中旱后立即補(bǔ)水仍有減產(chǎn)，表明抽雄期短時(shí)間干旱對(duì)產(chǎn)量仍具有一定的影響；T2和T4處理在快速失墑階段經(jīng)歷的時(shí)間無(wú)明顯差異，但T2處理失墑為0.79%/d顯著大于T4處理的0.46%/d。干旱維持階段，T2處理特旱維持28 d，T4處理重旱維持11 d，最終導(dǎo)致T2處理絕收，T4處理減產(chǎn)53.3%。可見(jiàn)干旱對(duì)產(chǎn)量的影響是快速失墑階段和干旱維持階段共同作用的結(jié)果。

乳熟期的土壤濕度41%～50%(T5)，51%～60%(T8)處理， T5處理經(jīng)28 d土壤濕度降至49%，達(dá)重旱，再持續(xù)25 d；T8處理由土壤濕度70%經(jīng)6 d下降至58%，達(dá)中旱，并持續(xù)17 d。T5，T8處理分別減產(chǎn)44.1%，19.5%。這表明，同一生育時(shí)期，干旱強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，減產(chǎn)率越大。

將干旱對(duì)產(chǎn)量的影響分為快速失墑階段、干旱維持階段和全階段，3個(gè)階段對(duì)應(yīng)減產(chǎn)率與表1中不同處理開(kāi)始控制、達(dá)到控制水平的所有統(tǒng)計(jì)要素進(jìn)行相關(guān)分析，分別構(gòu)建減產(chǎn)率與不同土壤濕度處理統(tǒng)計(jì)要素的回歸模型。

快速失墑階段：

y=-0.43838x1+0.00004x2+2.46848x3-1.42912。

(1)

干旱維持階段：

y=-0.0104x4-0.0018x5+1.8937x6+0.0010x7-1.1594。

(2)

全階段：

y=0.0009x2+1.4503x3-0.0133x4-0.0058x5-0.8680。

(3)

式(1)～(3)中，x1為開(kāi)始控制土壤濕度初始值(單位：%),x2開(kāi)始控制時(shí)間(出苗至開(kāi)始控制的日數(shù)，單位：d),x3為達(dá)到控制水平土壤濕度初始值(單位：%),x4為達(dá)到控制水平所需時(shí)間(開(kāi)始控制至達(dá)到控制水平的日數(shù)，單位：d),x5為達(dá)到控制水平持續(xù)時(shí)間(單位：d),x6為控制生育時(shí)段土壤濕度下限值(單位：%),x7為下限值出現(xiàn)時(shí)間(出苗至下限值出現(xiàn)時(shí)間所用的日數(shù)，單位：d)。

3個(gè)階段的回歸模型均達(dá)到0.05的顯著性水平，快速失墑階段、干旱維持階段和全階段相關(guān)系數(shù)R分別為0.808，0.871和0.867。表明干旱導(dǎo)致玉米減產(chǎn)是快速失墑階段、干旱維持階段綜合影響的結(jié)果，其中干旱維持階段的影響稍大于快速失墑階段。

表6 不同生育時(shí)段、不同干旱水平對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論與討論

本文基于2013—2015年3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開(kāi)展的人工控制試驗(yàn)，研究同一干旱程度對(duì)不同生育時(shí)段、不同干旱程度對(duì)同一生育時(shí)段玉米根冠及產(chǎn)量變化，基于不同干旱程度下快速失墑階段和干旱維持階段的影響分析，厘定對(duì)水分脅迫敏感的關(guān)鍵生育時(shí)段及土壤濕度臨界閾值，得到以下主要結(jié)論：

1) 同一干旱程度對(duì)不同生育時(shí)段玉米地上干物重、產(chǎn)量影響的關(guān)鍵生育時(shí)段為拔節(jié)-抽雄期，抽雄期最敏感；影響根系、根冠比的關(guān)鍵生育時(shí)段為出苗-拔節(jié)期，拔節(jié)期最敏感。

2) 不同干旱程度對(duì)同一生育時(shí)段玉米地上干物重、根干重、根冠比、產(chǎn)量的影響，在快速失墑階段，地上干物重、根干重、根冠比均呈下降趨勢(shì),分別較對(duì)照減少11.7%～67.8%，35.2%～85.8%和15%～62%，達(dá)到的干旱強(qiáng)度越大，對(duì)玉米根冠及產(chǎn)量的影響越大。干旱維持階段與快速失墑階段相比，地上干物重呈下降趨勢(shì)，較對(duì)照減少24.3%～89.7%，根干重、根冠比呈上升趨勢(shì)或無(wú)明顯差異，分別較對(duì)照減少了9.7%～80.8%，9.6%～62%，干旱強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)玉米根冠及產(chǎn)量的影響越大。

3) 干旱對(duì)產(chǎn)量的影響與干旱的程度、出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等密切相關(guān)。干旱導(dǎo)致玉米減產(chǎn)是快速失墑階段、干旱維持階段綜合影響的結(jié)果，其中干旱維持階段的影響稍大于快速失墑階段。

4) 出苗-拔節(jié)期，土壤濕度60%～62%為玉米地上部生長(zhǎng)及形成合理根冠比的臨界閾值，土壤濕度62%為影響產(chǎn)量的臨界閾值。出苗-七葉期，土壤濕度51%～60%利于根系生長(zhǎng)。土壤濕度31%～40%，出現(xiàn)在拔節(jié)、抽雄等敏感生育時(shí)段，玉米減產(chǎn)七成以上，甚至絕收。土壤濕度50%～60%持續(xù)時(shí)間少于8 d，復(fù)水后根冠可迅速恢復(fù)生長(zhǎng)，但對(duì)產(chǎn)量仍有一定程度的影響，減產(chǎn)率為1.4%～6.6%。

本文通過(guò)3年3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)控制試驗(yàn)，得到不同生育時(shí)段、不同干旱程度、不同持續(xù)時(shí)間對(duì)根冠及產(chǎn)量的影響數(shù)據(jù)。采用土壤濕度實(shí)測(cè)值、出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等表征水分脅迫影響的指標(biāo)，將減產(chǎn)率與快速失墑階段、干旱維持階段和全階段的水分脅迫因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并建立分階段的回歸模型，可較好地進(jìn)行評(píng)估及實(shí)際應(yīng)用。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)有兩個(gè)大田站點(diǎn)，雖其試驗(yàn)條件與雨養(yǎng)狀態(tài)下的結(jié)果接近，但大田試驗(yàn)可控性有限，使有些生育時(shí)段土壤濕度未能低于40%，持續(xù)干旱程度的樣本不足，土壤濕度測(cè)定的實(shí)時(shí)性不足，僅得到了部分生育時(shí)段的臨界閾值。此外，實(shí)際生產(chǎn)中連續(xù)兩個(gè)或多個(gè)生育時(shí)段的干旱災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，持續(xù)性干旱對(duì)玉米地上干物重、根干重、根冠比和產(chǎn)量的影響，以及對(duì)玉米葉、莖、光合等生理和形態(tài)變化的影響，尚有待進(jìn)一步深入研究，通過(guò)綜合驗(yàn)證并完善干旱指標(biāo)體系，更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。