干旱灌区制种玉米水肥耦合效应的研究

分类号密级UDC单位代码10733甘肃农业大学硕士学位论文干旱灌区制种玉米水肥耦合效应的研究StudiesontheCouplingEffectsofWater-FertilizerofSeedMaizeintheAridIrrigationArea指导教师姓名（学位名称专业方向作物论文答辩日期学位授予日期答辩委员会主席评阅人2015年10月目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 文献综述引言干旱作为一个世界性难题，严重制约着干旱半干旱地区的农业生产和发展。利用有限的水资源发展农业生产，是目前人类社会必须要面临的一个严峻的问题。因此，发展科学灌溉技术，不断提高灌区单产水平成为各国旱作农业研究领域的重点。全球淡水资源总量仅占地球水资源总量的2.5%，而人类可利用的淡水资源约占地球总水量的0.26%。淡水资源不仅总量少，而且在地区间分布极不平衡。巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9个国家拥有的淡水资源占世界淡水资源的60%，相对应的是全球至少有80个国家属于干旱半干旱国家，约40％的世界人口严重缺水，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态（石虹，2002）。我国水资源整体上短缺，属于资源性缺水国家。多年平均降水总量约6.188万m3，年水资源总量为2.81万亿m3，居世界第六位，人均水资源量约2200m3，仅为世界平均值的1/4，每公顷土地平均占有水资源19500m3，只有世界平均水平的一半（许迪，2002）。西北地区多年平均水资源量为1635亿m3，仅占全国总量的5.84%。2000年西北地区人均水资源占有量1781m3，为全国当年人均水资源量的80.5%，成为严重的缺水地区。全区总用水量817亿m3，其中农业用水占89.3%，耗水总量547亿m3，农业耗水率为62.8%（刘贤赵，2005）。甘肃河西内陆河灌区是西北干旱灌区的主要组成部分，可利用水资源量为67.36亿m3。其中，石羊河流域17.19亿m3，黑河流域31.82亿m3，疏勒河流域18.35亿m3。这一地区人均水资源1444.6m3，不足全国人均水资源的2/3，仅为世界人均水资源的1/6，其中严重缺水的石羊河流域人均水资源为全国人均水资源的1/3。河西地区每公顷土地平均占有水资源7785m3，为全国的1/3、世界的1/4，其中石羊河流域每公顷平均占有量为全国的1/5（李世明，2002）。2007年，河西地区农业用水占总用水的90%，农业耗水占总耗水的92%，农业年均缺水5.9亿m3。以河西地区的张掖市为例，预计到2020年，农业缺水量将达到6.81亿m3，水资源缺口则会达到22.6%。1.1有限灌溉条件下作物-水分关系有限灌溉即非充分灌溉或亏缺灌溉，通过对限水灌溉的有效性研究后发展形成了调亏灌溉理论和控制性交潜灌溉的概念和方法。充分灌溉是按照传统经验作物要求的灌水定额和灌溉定额进行的，即每次灌水都使作物根系土壤水分充足、灌足，符合“及时足量”的传统要求，其主要目标是获得作物的高产、稳产，并以控制土壤湿度为约束条件。以目前应用最广泛的彭曼公式而言，计算需水量就是在土壤水分充足条件下，讨论各种大气因素与需水量之间的关系，普遍沿用的灌溉制度及灌溉管理软件等也是以充分灌溉为前提。在这种充分灌溉理论的支配下，增加了作物的蒸腾水量，造成了一些不必要的棵间蒸发、地表径流和深层渗漏损失。近代水分生理学的研究认为，适当地干湿交替对于促进群体的高产更为有效。非充分灌溉在国外也叫有限灌溉（LimitedIrrigation）或蒸发蒸腾量亏缺的灌溉（EvapotranspirationDeficitIrrigation，EDI），是作物实际蒸发蒸腾量小于潜在蒸发蒸腾量的灌溉。非充分灌溉正是利用作物本身具有一定的生理节水与抗旱能力的特点，达到既节水，又高产高效，以有限水量的投入获得最大效益的目的（杨静，2008）。其理论基础是作物自身具有一系列对水分亏缺的适应机制和有限缺水效应(TheBenefitsofLimitedWaterDeficits)，在适度的水分亏缺情况下并不一定会显著降低产量，反而能使作物水分利用效率明显提高。这种有限缺水效应将引起同化物从营养器官向生殖器官分配的增加，即作物在遭遇水分胁迫时具有自我保护作用，而在水分胁迫解除后，作物对以前在胁迫条件下生长发育所造成的损失具有“补偿作用”。进一步的研究表明，作物体内有一种内源激素ABA(脱落酸)，它可以作为一种土壤干旱的传递信号，通过由作物根部向茎叶的传递来调节气孔的开闭,土壤越干旱，ABA在作物体内积聚的浓度越大，气孔开度就越小，以此来减小土壤含水量不足条件下叶面的过度蒸腾对作物的进一步伤害（赵永，2004），也就是说作物具有一种有效缺水效应，即作物在适度水分亏缺的逆境下对有限缺水具有一定的适应性和抵抗效应（汤章成，1983）。1.1.1有限灌溉与作物生产和产量形成20世纪60年代中期，Jensen和Sletten发现仅当每次灌水前土壤相对有效含水率下降至25%时，水分亏缺才会对高梁产量产生影响，从而提出了限水灌溉的可行性。通过主要作物充分与非充分灌溉的对比试验，采用“计算减产率”或“旱情相关指数”(IndexofDroughtResistence)表达缺水的平均减产情况，认为作物适度水分亏缺仍可获得较高产量(Jensen，1976；Rao，1992)，依此发展成为调亏灌溉(RegulatedDeficitIrrigation)理论。随后在综合考虑时间上调亏、水量的优化分配和作物根系的功能对提高水分利用率的作用的基础上，提出控制性交替灌溉(ControlledAlternativeIrrigation，简称CAI)的概念和方法(康绍忠，1997)。亏缺灌溉影响作物生长的重要理论之一，是认为作物具有一种有效缺水效应。适度水分亏缺不一定使产量显著降低，反而使作物水分利用效率显著提高(Puchakayala.etal，1994)。根据作物生理功能人为对作物某一阶段进行亏水处理，控制作物生长促进后期籽粒形成，从而提高水分利用率。禾谷类作物早期适度缺水有利于增产，其主要模式是引起作物体内营养物质分配模式的改变，同化物从营养器官向生殖器官分配增加。生长后期适度缺水，促进灌浆进程，灌浆速率加快，作物体内物质运输不降低，经济产量增加（山仑，1980）。开花期受旱，限制“库”的增大，而“源”受水分亏缺的影响较小（徐世昌，1995）。对玉米花期受旱复水后的源库关系研究发现，干旱使单位光合势所对应的穗粒数在轻、中、重三种水分亏缺下均减少，导致亏缺复水后源对库的相对充足，使粒重相对增加，但由于库对源的反馈调节，粒重增加幅度减小。水分亏缺发生在作物生长的不同时期时，对作物生长与产量的影响不同。小麦拔节期水分亏缺对叶片影响最大,抽穗期对茎干影响最大,成熟期对穗部影响最大。而单株绿色叶面积对穗干重的直接效应最大,叶茎鞘干重合计对穗干重的直接效应最大。Acevedo等人发现,玉米营养生长期轻度干旱不会造成最终叶面积的减少,只是使生长延迟。由于水分亏缺后恢复供水具有补偿效应,短期的中度干旱后供水,可补偿部分干旱造成的损失。但长时间中度胁迫或严重胁迫将造成代谢失调和生长下降（康定明，1996）。玉米产量形成的水分临界期是在吐丝前后，此期水分胁迫影响抽穗，导致50%以上的产量损失。花期不遇与胚囊败育导致穗粒数剧减是此期干旱减产的主要原因。吐丝和灌浆初期水分亏缺导致穗粒数降低，授粉后的水分亏缺降低穗粒重，而对穗粒数影响不大（梁宗锁，1995）。从亏缺程度而言，轻度和中度干旱下只有粒重受到影响，而严重干旱下粒重和粒数均受到影响。而且作物水分亏缺临界期与最佳供水期并非同一时期，而存在时间上的错位。因而，作物某些生长阶段的适度水分亏缺对促进作物群体高产具有积极作用，但也存在较大的风险性（Ouatter，1987）。叶水势是反应土壤水分亏缺程度的理想指标，主张以叶水势来指示土壤水分亏缺。用叶水势指导玉米制种田的灌溉，较以土壤水势为灌溉指标提高了水分利用效率（康绍忠，1997）。通过多元分析，建立叶水势与气温、蒸发势、土壤可利用水等因子之间的函数关系，以此指示土壤水分亏缺，进行灌溉决策，可降低亏缺灌溉的风险性，并可取得明显效益。1.1.2有限灌溉与作物吸水、光合和蒸腾自Philip(1966)提出较完整的土壤-植物-大气连续体(SPAC)概念后，作物水分关系的研究开始建立在了一定的生理和物理基础上。美国CERCES系统将土壤水运动规律和作物耗水规律结合起来，建立了土壤水分与灌溉管理子系统(曹永华，1991)。国内也进行了SPAC水流动态模拟研究，建立了SPAC水流运动模拟模型，用于土壤和作物水分状况的动态模拟(康绍忠，1992)，使土壤、作物、大气水分关系的研究进入新的阶段。根系吸水与土壤水分的关系是SPAC动态模拟研究的基础(Kirkova，1994)。根系生长与吸水之间具有复杂的非线性关系，单位土体根系吸水速率(WU)与根长密度(RLD)的关系为：WU=RLDa，a∈[0.5，2.2]，表明根系愈庞大，吸水能力愈强，吸水量愈大。土壤水分亏缺时，作物吸水量与根系密度关系不大，而受根系长度的影响较大，深根系较浅根系更利于抗御土壤干旱(Ehlers，1991)。浅根系即使是土壤水分不亏缺，短期干旱也会限制作物生长，降低作物产量。根系吸水除受根量、根长的影响外，还与根本身吸水活力有关。总根量中活性根数量多，吸水能力强(张喜英，1995)。作物根系的大小、数量和分布可对土壤水分状况和氮素营养的变化做出适应性反应(Carefoot，1994；冯广龙，1996)。灌水愈早，根系愈大，充分供水下作物根量大于有限供水，但扎根深度浅于有限灌溉。随着土壤水分亏缺量的增加，降低氮肥施用量有利于根干重的提高，而对根长的影响不大。严重水分亏缺下，氮素营养对根系生长，尤其对根量有增效作用(粱银丽，1995)。作物根系对土壤水分和氮素营养的适应性变化是水分亏缺条件下作物抗旱高产的基础。根系生长与吸水之间具有复杂的非线性关系，根系愈庞大，吸水能力愈强，吸水量愈大。土壤水分亏缺时，作物吸水量与根系密度关系不大，而受根系长度的影响较大，深根系较浅根系更利于抗御土壤干旱。作物根系对土壤水分和氮素营养的适应性变化是水分亏缺条件下作物抗旱高产的基础。在作物生长过程中，经过短期的有限灌溉，然后进行充分灌溉后引起的生长反应称为补偿生长（Wenkert，1978）。在玉米开花期进行干旱与复水处理，穗粗、穗长及干物质含量均存在明显的补偿效应，复水后对产量的补偿生长表现为百粒重有所增加（关义新，1997）。石培泽等(1998)对在春小麦分蘖前期，进行适度的水分亏缺灌溉,有利于结实小穗数、穗粒数的增加，在拔节前期适度水分亏缺可提高结实小穗数和千粒重，与充分灌溉相比较，作物显著增产5%-12%（石培泽，1998）。研究表明,在冬小麦拔节期限量灌水，明显表现出对水分亏缺的补偿效应，显著增加了产量（夏国军，2001）。对小麦进行前期干旱处理，开花期复水处理，小麦茎秆伸长，单株叶面和单叶增大，干物质积累量增加，中度水分亏缺后充分复水，其生物量和产量均超过对照,补偿效应得以充分体现（陈晓远，2001）。对于作物在特定时期进行适度的有限灌溉，并不一定会降低作物的产量，反而会提高其产量和水分利用效率，这是因为作物受旱复水后，其体内生理代谢与功能超过一直充足供水，体内存在对作物生长和产量的补偿或超补偿效应。但由于作物在不同生育阶段对干旱影响的后效性不同,也存在一些相反的结果（Yang，2001）。亏缺灌溉引起的作物光合作用减弱是干旱条件下作物减产的一个主要原因，而且不同亏缺强度和亏缺时间引起光合作用下降的主要原因不同。轻度水分亏缺条件下，光合作用下降的主要原因是气孔性限制。气孔关闭，气孔导度下降，扩散阻力增加，导致光合作用下降。严重水分胁迫条件下，光合作用下降的主要因是非气孔性限制引起的。叶绿体结构和功能的损伤以及由此引起的一系列生理生化变化均引起中度以上水分亏缺条件下作物光合作用的下降（史吉平，1995）。不同的研究结果认为，植物在轻度水分亏缺下，光合作用没有下降甚至高于供水充足条件。相关研究结果表明：在小麦灌浆期轻度干旱对叶片光合速率有促进作；中度以下干旱有促使穗光合作用提高的作用（山仑，1980）。许多研究证明有限灌溉下，作物整体光合作用并未降低，干旱复水后光合作用反而增强。增加灌水量,光合速率并未增加（居辉，2000；康绍忠，2002）。作物蒸腾速率受多种因素制约。在水分为限制因素时，其变化较为复杂，一般随供水量减少，蒸腾速率下降。但根据气孔的最优化调控理论，作物可蒸腾水量一定时，气孔对其张度的调节，使作物叶片光合作用保持在一定的水平，光合与蒸腾的比值达最高（山仑，1991）。研究表明，在拔节期恢复充分供水,可使苗期不同程度干旱的玉米的株高和地上部干重恢复或接近一直充分供水的水平,复水后叶片水势在短期内可以接近对照水平,并在较长时间内保持较低的渗透势及较高的渗透调节能力，拔节期复水可降低叶片气孔阻力和蒸腾速率，提高叶片水分利用效率,表现出一定的补偿效应（苏佩，1995）。1.1.3有限灌溉与作物蒸散量、产量和水分利用率缺水地区建立合理的蒸散量与产量的关系，是指导有限灌溉的理论依据之一（陈亚新，1995）。如何提高水分利用率，建立合理的蒸散量与产量关系，是缺水地区利用有限水分提高作物产量的理论和实践的重点内容（Fereres，1993）。水分不足时，作物蒸散量与产量之间呈显著的直线关系，产量随蒸散量的增加而增加。蒸散量超过一定值后，与产量的关系由线性转向抛物线，此时增加灌水量导致水分利用率下降。由于不同生长阶段作物对缺水敏感性的差异，作物不同时期实行有限灌水，即使蒸散量相近，对作物产量和水分利用率也会造成明显的差异。作物—水模型是水分供应时间和数量对作物产量影响的数学模拟描述，反映了作物产量与蒸散量的定量关系。在初级线性模型和作物因子、管理措施对产量影响等比关系的基础上建立的线性模型反映了不同生育阶段缺水的同等减产效应和全生育期内水分亏缺的平均敏感性（Hillel，1983）。阶段缺水模型的建立，反映了时间效应和灌水的滞后效应。作物对水分敏感系数的大小代表不同阶段缺水对作物产量的影响程度，且因环境条件的变化而改变。作物阶段水分生产函数的建立和缺水敏感系数的确认，是指导有限灌溉的理论基础。作物—水分关系的研究取得了显著进展。但国内的研究起步较晚，特别是对有限供水条件下作物蒸散特征、产量效应及其影响机制和调控原理的研究较少，有限灌溉研究成果应用于生产还存在较大的风险性和较小的人为调控性。有关这方面的研究将成为今后节水灌溉的重点，是研究节水栽培技术、有限灌溉技术、种植结构调整及水资源优化分配技术和建立节水优产型灌溉制度的重要理论，也是未来节水调控机理、水—肥—产量综合模式和农业技术措施最优配置等研究的基础（马忠明，1998）。1.2垄膜沟灌栽培对制种玉米产量和水分利用效率的影响1.2.1垄膜栽培的增温效应垄膜栽培可显著提高土壤温度，加快作物生育进程。研究表明，地膜覆盖种植小麦，可提高土壤耕层的温度，增温效应与生育期有关，在小麦生育期温度的增加作用呈“U”型的变化趋势（王俊，2003）。潘渝等对大田地温与气温进行了连续4年的观测,结果表明，地膜覆盖在不同时刻和不同深度上对地温的影响明显区别于不覆膜的情况。地膜覆盖在不同时刻对土壤增温的效果不同，通过对土壤进行地膜覆盖能显著提高地温的平均值与最大值（潘渝，2002）。在相同土层，苗期日均地温均高于条膜，垄面5-25土层的日均地温较条膜高0.92℃。两种栽培方式下的日均温差呈规律性变化，其中15cm土层最大，日均地温垄膜比条膜高1.45℃，5cm土层温差最小，日均地温垄膜比条膜高0.27℃。垄膜栽培的增温效应，增加了制种玉米生长期内的有效积温，提高了耕层土壤温度，恰好弱化了当地此时期气温低、玉米幼苗生长缓慢和壮苗早发之间的矛盾，改善了土壤和近地耐勺环境条件对制种玉米的前期发育创造了有利的生长条件，为丰产打下了良好的基础（张振华，2003）。垄膜栽培的增温效应随着作物群体的变化而变化，前期作物覆盖度低，增温效果显著，后期作物覆盖度增高，增温作用下降（胡明芳，2003）。1.2.2不同栽培方式对制种玉米生育进程的影响玉米植株体内的养分随生育进程而增加。不同栽培措施及氮肥运筹方式下玉米植株氮、磷、钾等营养元素的累积存在显著差异。研究结果表明，高产栽培措施使玉米子粒和秸秆中的氮同步增加，但过量的氮肥施用仍然会造成作物的减产，高产栽培方式下(氮肥用作基肥、种肥、拔节肥、抽雄肥的量分别为110、20、110、80kg/hm2)虽然比习惯栽培方式(氮肥用作基肥、拔节肥的量分别为60、120kg/hm2)高78%，但通过合理的栽培措施及氮肥运筹方式仍然使氮肥利用率达到37.5%，显著高于同类施氮水平下的氮素利用率，且吸收的氮素在增加产量上充分发挥作用（蔡红光，2013）。垄膜栽培方式下制种玉米早出苗1-2d，拔节期提前3-4d，吐丝期提前4-5d，但成熟期相同，吐丝—成熟期延长4-5d。吐丝—成熟期延长，有利于玉米灌浆和籽粒形成，对玉米增产具有积极影响（方锋，2003）。不同的栽培方式对玉米生育进程有着重要的影响,育苗移栽和地膜覆盖能延长玉米的生育期,能较多利用光温进行生产。相关研究表明,育苗移栽和地膜覆盖栽培物候期较比空栽培和常规栽培玉米物候期提前,尤以玉米生育前期物候期提早天数较多,中期次之,后期甚微（周岚，2007）。1.2.3栽培方式和灌溉定额对制种玉米产量构成要素的影响栽培方式和灌溉定额对制种玉米千粒重和穗粒数有重要的影响。当灌溉定额从375mm增加到525mm时，垄膜栽培方式下制种玉米千粒重和穗粒数均高于条膜，千粒重比条膜高9.94-46.01g，穗粒数比条膜高6.10-46.78粒，垄膜栽培有利于制种玉米千粒重和穗粒数的提高，灌溉定额对制种玉米千粒重的增减起到决定性的作用。相关性分析表明，在不同的栽培方式下，制种玉米的千粒重与灌溉定额成绩显著的正相关。在相同的灌溉定额下，垄膜栽培方式的制种玉米产量与普通栽培方式相比，增产127.93-2243.53kg/hm2，增幅达1.63-40.44%，说明灌溉定额对制种玉米产量的影响因栽培方式的不同而不同。（张立勤，2007）。1.2.4不同栽培方式对水分利用效率的影响垄膜栽培条件下，当灌溉定额相同时，制种玉米生育期耗水量虽然略高于对照条膜栽培，但无明显差异。与此同时，制种玉米的产量水平却有大幅度提高。因此，不能单纯据耗水量评价水分利用效果，应注重水分对作物产量的实际贡献率。与条膜栽培相比，垄膜栽培可使制种玉米水分利用效幅4.17%-34.16%，具有较好的节水效应。对垄膜和条膜两种栽培方式下制种玉米产量与灌溉定额之间的关系用二次抛物线进行拟合时拟合度较好，但两种栽培方式下的回归方程不同，当产量达最大值时，垄膜栽培所需灌溉定额低于条膜栽培。制种玉米在垄膜栽培下的适宜灌溉定额为450mm，该灌溉定额与对照相比，可节约灌溉用水1500m3/hm2，与当地大田灌溉定额7200m3/hm2相比，可节约灌溉用水2700m3/hm2，节水效果显著（张立勤，2007）。王晓凌等用模拟人工降雨试验证明，起垄覆膜(垄宽66cm，沟66cm)和平作分别进行人工降雨45mm，1天后平作处理下渗30cm，起垄覆膜沟内下渗50cm，起垄覆膜沟内较平作下渗深达20cm，且垄作覆膜处理水分除向下部入渗外，还向两旁侧渗。因此，垄作覆膜处理具有聚水效应，能促进雨水在土壤中的入渗。由于垄沟集雨可使降水入渗较平作深，因此蒸发损失会显著下降，同时在起垄覆膜集水的垄沟栽培体系中，地膜覆盖面也起到了一定的减少土壤水分蒸发的作用，保证了土壤有较高的含水量（王晓凌，2002）。在干旱半干旱地区的降雨强度小且多是无效降水的情况下，垄沟集雨显著增加了其有效性。通过垄沟覆膜集雨保墒，使干旱半干旱地区小麦的降水有效性从32%增到52%，一般有效降水从6%增到61%。在有效降水较少的情况下，试验区用弧形垄覆盖技术5～6月份土壤平均含水量为8.93%，较常规提高32.4%，由于试验区土壤水分含量高，能满足作物生长发育的需要，生育期较常规提前15天左右（山西省水土保持科学研究所，2000）。大田试验表明：在春玉米的各个生育阶段，垄沟覆膜集雨保墒处理的土壤蓄水量都比常规多，蓄水保墒效果明显，0-200cm土层的蓄水量，在玉米苗期微集水处理比常规增多50.5%；在玉米需水关键期比常规多13.7mm～58.6mm，在玉米成熟收获时，比常规多24.7mm，这对防御春旱和夏旱均具有非常重要的意义（赵聚宝，1996）。1.3水肥藕合对作物产量和水肥利用率的影响水是植物生长发育的必备条件，肥是作物生长所需的矿质元素的重要来源之一。合理灌溉、施肥与作物产量之间有密切的关系。研究表明，N肥施用量过低、过高，作物产量均受到影响；施用量过高还可能导致作物减产，甚至危害环境。P肥能促使作物根系发达，增强抗寒抗旱抗病能力，促进作物早熟。作物缺P时，各种代谢过程受到抑制，植株矮小，生长缓慢，延迟成熟。K是生物体内很多酶的活化剂，可促进作物茎杆健壮,增强抗倒伏能力（徐振剑，2007）。对作物生长过程中水肥藕合作用的研究，就是要研究其对作物生长发育的影响及其原因，包括形态方面、生理方面、产量方面、资源利用等方面的研究。通过对上述各方面的研究，揭示水肥藕合作用对作物生长发育的影响机制，以便进行适宜的水肥调控，优化水肥结构，达到农业生产过程中的节水节肥和高产高效的目的（谢小婷，2008）。在农业生产中，水、肥两因素直接影响着作物的产量、品质和效益，同时两因素之间也存在着密切的相互关联、相互制约关系，科学施肥是提高农田水分利用效率的重要途径之一。大量的试验表明，作物的气孔调节、作物的保水能力和膜透性、作物的光合作用等都与氮、磷、钾营养有紧密关系。在水分胁迫下，施用氮、磷、钾肥能够补偿水分胁迫下作物表现出的生长缓慢、叶面积减小、叶片伸展缓慢和产量下降等不良效应。在旱地条件下，适量施用氮、磷肥，可增加单株次生根条数，还可增加根系生物总量和深层根系数量，并能提高根系活力。与单一施用氮肥或磷肥相比，氮、磷配合施用促进根系发育的效果更为显著。增施有机肥可提高土壤有机质含量，促进土壤团聚体的形成，增加土壤孔隙度，起到蓄水保墒的作用。据测定，有机质从1%提高到1.5%，雨水渗入速度增加l/3，早春土壤蒸发减少16%~60%。合理施肥可促进根系发育，提高根系吸水功能，改善叶片的光合能力，增加同化物含量，最终提高了作物的水分利用效率。另外，通过施肥可改变植物脱落酸(ABA)代谢，对改善植物对干旱信号的感应能力以及提高耐旱性有实际意义。因此，根据作物生长特点、需肥规律和需水规律，研究水肥耦合原理，建立以肥、水、作物产量为核心的耦合模型和技术，做到合理施肥，培肥地力，以肥调水、以水促肥，充分发挥水肥协同效应和激励机制，提高抗旱能力和水分利用效率，对提高作物的产量和品质起着非常关键的作用。1.3.1水分与养分的互作效应水分与养分之间相互作用、相互影响和相互依赖，形成一个整体，共同影响植物的发育。一方面，水分作为土壤养分的载体对养分的迁移和吸收有着至关重要的作用。土壤水分亏缺不仅影响有效养分的数量，而且影响到养分通过扩散和质流向根系迁移的速率。适宜的水分增强质流和扩散，有利于土壤养分离子向作物根系的迁移。水分能促进氮素向籽粒中转移，增加玉米的经济学产量。灌水处理，茎叶穗轴与籽粒重量之比为1.41，而两者氮素含量之比为0.4:0.6；灌水后，两个比值分别变为0.94:1和0.67:0.33。灌水能够促进有机氮的矿化，矿化速率常数与水分含量符合直线关系，矿化氮量随水分含量的升高而增加（杜建军，1998；巨晓棠，1998）。肥料中NH4+-N的硝化速率与水分含量存在密切的线性关系，当土壤含水量为田间持水量的50%-70％时，土壤硝化作用最强。另一方面，施肥促进作物对水分的吸收、转运和利用，因为作物生长健壮、茎叶增加时，扩大了光合作用场地；而原料充分则形成更多的光合产物。干物质和经济产量的形成都需要一定的蒸腾量为基础，蒸发却是一种水分的无效损失。施肥能增加植物的叶面积，一方面增加了蒸腾量，另一方面减小了裸露的地面，从而减少了蒸发量，提高了蒸腾／蒸发比，进一步提高了水分利用效率。施肥后根系生长量明显大于未施肥的，蒸腾强度、伤流液明显增加，叶片中糖分含量增加，叶水势有所降低（李生秀，1994）。1.3.2水肥藕合效应对作物生长的影响半干旱区灌溉农业中，水肥具有明显的藕合关系，肥料的增产作用不仅在于肥料本身，更重要的还在于与土壤水分的互作。协调水肥的目的就是要达到水肥的协同作用，共同促进植物的生长发育，以获得高产。不同的水肥藕合处理中，冬小麦的光合速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度有所不同，三者之间有很好的平衡关系；深层施肥处理其小麦在生长后期能够维持较高的光合速率，但气孔导度却有所降低，有效地减少了水分散失，表现出很好的节水潜力；深施肥20cm处灌水处理，在开花后小麦叶片光合作用最强，气孔导度小，细胞间隙CO2浓度高，具有更好的节水潜力（张依章，2006）。培肥土壤和增施肥料可明显改善叶片光合速率和水分状况，延缓叶片衰老，有利于冬小麦后期维持较大的光合叶面积和作用时间，有利于改善子粒灌浆特性和增加每穗粒数。小麦分孽的施肥效应高于水分效应，株高的水分效应高于施肥效应。适当的干旱（60%-65%）有利于根系的下扎，而严重干旱（30%-35%）大大地降低了带田小麦和玉米的根量和产量，并增加了作物根系和叶片的质膜透性，同时根系活力也降低。供磷提高作物产量，增加下层根量，提高根系活力，供磷与不供磷相比，0-30cm土层小麦根系活力提高65.9%，玉米提高65.0%；小麦根系总量平均增加94.66%，玉米增加67.67%（张礼军，2005）。1.3.3水肥藕合对产量的影响水肥藕合对作物产量的影响主要反映在水肥供应水平上，不同水分条件下施肥的效果存在很大差别，表现出产量的差异（Bray，1997）。对小麦和玉米的水肥耦合研究结果表明，高水、高氮不利于小麦对N的吸收，而玉米的吸氮量随施肥量的增加而增加。在低灌水条件下，玉米的籽粒吸氮量很低，并且不受施氮量的影响，而此施肥水平下，小麦的吸氮量高于玉米（赵炳梓，2000）。张凤翔等同过盆栽试验对冬小麦生物学特性及产量影响进行了试验研究，探讨了水肥藕合对冬小麦生理性状及产量的影响和机制，得出水、N存在显著藕合效应，只有在适宜的土壤水分与养分条件下才能获得较高的产量。在该试验范围内，土壤水分占田间持水量的75%时，纯氮施用量360kg/hm2为最合适用量（张凤翔，2005）。在旱作农田冬小麦水肥耦合增产效应研究中，相关研究证实：肥料减缓了土壤水分对产量的影响，提高了冬小麦产量和水分利用率（上官周平，1999）。盆栽试验结果表明，肥水对小麦产量均有显著影响，且随水分含量的增加而显著增高。小麦对氮、磷的吸收随土壤含水量的增加而增加，产量亦随之提高（吕殿青，1995）。通过研究水肥藕合对玉米光合特性及产量的影响，产量结果表明：自然降水＋无机肥＋有机肥处理玉米产量最高，且籽粒含水量最低。而充足水＋无机肥＋有机肥的处理虽然实测产量最高，但籽粒的含水量也最高。不施肥条件下，充足灌水一定程度上可以补偿水分胁迫而导致的产量损失。充足灌水条件下，对肥料的投人量要求也相对增加，否则表现为产量下降（张秋英，2001）。有研究表明，影响玉米产量的主要因素是氮肥用量，其次是灌水量和磷肥用量。各因素交互作用对玉米产量的影响都表现为正效应，其效应由大到小的顺序为N＋水、P+水、N+P；从产量角度评价，以较高氮肥用量、高磷肥用量和丰富灌水量为水肥调控的最佳组合。水肥调控的最佳组合为较高氮肥用量243.270kg/hm2、高磷肥用量137.431kg/hm2、灌水下限为田间持水量的65.6%。仅从产量角度评价，以较高氮肥用量、高磷肥用量和丰富灌水量为水肥调控的最佳组合（孙文涛，2006）。1.3.4水肥藕合对水分利用效率和肥料利用率的影响水分和肥料是一对相互作用，相互影响的整体。水肥藕合作用对土壤水分动态变化具有极为明显的影响。在小麦生育前期，施用N肥促进了小麦的生长发育，可明显减少土壤表面水分的无效蒸发量，提高土壤水分的含量。N、P肥配施可促进小麦对深层土壤水分的利用（李法云，2001）。水肥配合存在阂值反应，当P2O5用量为33.860kg/hm2,K2O用量为200.790kg/hm2时，N、水配合的阂值范围是氮肥147.768--182.232kg/hm2时，坐水39-96m3/hm2，在此范围内N与水互作增产效应显著；N用量为167330kg/hm2、K2O用量为200.790kg/hm2时，Ｐ、水配合的阂值范围是磷肥157.056-169344kg/hm2，坐水81-123m3/hm2，在此范围内P与水互作增产效应显著；N用量为16733kg/hm2、P2O5用量为133.860kg/hm2时，K、水配合的阂值范围是钾肥156.624-175.056kg/hm2，坐水60-97.5m3/hm2，在此范围内K与水互作增产效应显著（滕云，2005）。水肥藕合对玉米田间土壤水分运移也有很大的影响，高肥力在一定程度上可增强根系的吸水能力，高灌水可增强玉米根系对养分的吸收利用，但对于提高水肥利用率来说，理想的处理为中肥中水（盛钰，2005）。冬小麦、夏玉米水肥藕合的田间试验成果的分析研究表明，氮肥效益的发挥与农田水分状况密切相关，低供水水平时（冬小麦仅灌拔节水的节水灌溉处理），肥料的增产效益十分显著，但氮肥贡献率随施肥量的增加而呈递减的趋势（沈荣开，2001）。1.3.5水肥藕合对作物品质的影响水肥藕合效应对作物品质也有相应的影响。土壤水分和氮肥水平可促进冬小麦植株对氮、磷、钾的平衡吸收，这与提高小麦的产量和品质有着一定关系。适宜的土壤水分和施氮量不仅有利于植株含氮量的提高，而且还能提高磷、钾的含量。植株体内氮、磷、钾的含量与主要品质性状均存在不同程度的相关性，尤其氮、钾的含量和积累量，与大多数品质性状均呈极显著正相关，说明通过适宜的水肥藕合，在提高植株氮素营养水平的同时，维持生育中后期较高的磷钾水平，可显著改善子粒营养品质和加工品质（张凤翔，2005a）。干旱条件下，无机和有机肥配合有利于蛋白质的积累，而充足水分条件下，无机和有机肥配合不利于蛋白质的积累，有利于脂肪的积累（张秋英，2003）。总之，水可促肥、肥可调水，不同的作物，在相应的环境下配以适合的水、肥比例，才能获得较好的品质。在旱作条件下，水分是影响作物光合作用和子粒产量的主要因素，黄土高原地区土壤蓄水性强，旱源小麦水分供需的时空矛盾多发生在生育后期和土壤浅层，解决矛盾的关键则在于生育前期和土壤浅层，因墒施肥、以肥壮苗、以苗促根、以根调水，强化土壤水库效应是旱作农业最有效的抗旱增产措施之一。不同肥水措施能显著地影响到群体光能利用和蒸腾耗水特性，冠层叶面积参数的优劣主要取决于氮肥的多少，维持较高绿叶面积和功能期对提高产量具有重要意义。同时说明肥料不足是限制产量的主要因素，培肥土壤和增施肥料可明显改善叶片光合速率和水分状况，延缓叶片衰老，有利于作物维持较大的光合面积和作用时间，有利于改善子粒特性和增加穗粒数，同时，肥料减缓了土壤水分对产量的影响，提高了产量和水分利用率。旱作农业中，水肥具有明显的藕合关系，肥料的增产作用不仅在于肥料本身，更重要的还在于与土壤水分的互作（王智琦，2012）。1.4本研究的目的及意义河西灌区作为国家级玉米制种基地，水资源短缺、施肥量过高和肥料利用率低、玉米杂交制种产量达到制约“瓶茎”等现状，以进一步提高水肥资源利用率和杂交制种水平为目标，以国家级杂交玉米制种基地膜下滴灌玉米杂交制种作为研究对象，以水肥资源高效利用、制种田高产稳产、生态安全为总原则，从玉米—水—产量关系、水肥耦合及水盐运动等机理研究入手，开展玉米制种田水肥高效调控理论的研究，并在此基础上集成提出调控模式。玉米是世界第三大粮食作物，种植面积仅次于水稻和小麦，是主要的粮食和饲料作物（李少昆，2009），也是制药、淀粉、糖精和酒精工业的重要原料，在国民生产中占有重要地位。随着农业在中国的快速发展，玉米单产不断提高，玉米杂交种子的需求量也随之增加。近年来，我国玉米杂交制种面积不断扩大，数量和质量安全直接影响全国的玉米生产和粮食安全以及农业生产的可持续发展发展（农业部规划设计院，2011）。干旱缺水是我国干旱和半干旱地区面临的主要问题，也是影响该区农业持续稳定发展的主要制约因素（胡铁民，2014）。如何充分利用有限的水资源，提高水资源的利用率及利用效率是提高农业生产水平和发展节水农业的关键因素（叶优良，2004）。河西地区作为我国重要的杂交玉米种子生产基地，有着得天独厚的自然条件，属于典型的干旱、半干旱区。该地区的普遍特点是降水量少而蒸发量大，水资源成为玉米制种产业发展的主要制约因素之一，如何发展高效节水农业是该地区亟待解决的一个重要问题。甘肃省是我国最大的玉米种子生产基地，也是国家级玉米杂交种子生产基地之一，年种子供应量占全国年用种量的60%以上，甘肃玉米种子生产供应情况已成为确保全国玉米安全生产的“晴雨表”，在全国有举足轻重的地位。与此同时，国家也高度重视甘肃杂交玉米制种基地建设。2009年国务院办公厅印发了《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划（2009-2020年）》，提出建设甘肃国家级杂交玉米制种基地。2011年《国务院关于加快推进现代农作物种业发展的意见》（国发[2011]8号，以下简称《意见》），明确提出加强西北等优势种子繁育基地的规划建设与用地保护。2012年中央一号文件，要求加强西北等优势种子繁育基地建设，鼓励种子企业与农民专业合作社联合建立相对集中稳定的种子生产基地。然而，在此大好发展前景下，甘肃省杂交玉米种子的生产仍然存在一些制约因素：一是玉米种子生产标准化程度不高，单产低；二是基地生产灌溉量大、施肥量过高；三是缺乏科学的水肥管理技术，导致水肥料利用率低。这些因素不但会对基地种子综合生产能力产生影响，而且还会在甘肃玉米制种基地水资源匮乏的现状下，造成水资源浪费、农田养分大量流失和生产成本增加，并还严重限制肥料资源和水资源的高效利用，进一步加剧耕地质量退化，制约玉米制种安全生产和对全国的供种安全，从而严重影响国家粮食安全。结合甘肃省干旱缺水的实际，着眼于我省种业的长远发展，开展干旱地区玉米制种水肥高效利用的研究,充分地利用干旱地区有限的水肥资源,努力实现干旱地区农业的可持续发展。本研究在膜下滴灌条件下，以生产规模较大的先玉335作为研究材料，以灌水和肥料等因子为研究对象，设置不同因子、不同处理水平，通过田间试验，探究在膜下滴灌条件下，制种玉米的耗水规律和适宜的灌水时期、制种玉米耗水量和水分利用效率影响规律、不同水肥条件下制种玉米土壤硝态氮分布及氮吸收和氮肥利用规律、水肥协同对制种玉米生育期干物质积累的影响规律、水肥对玉米制种产量的影响规律，集成制定利用水肥一体化的膜下滴灌制种玉米高产高效栽培技术体系。第二章材料与方法立足河西灌区国家级玉米制种基地水资源短缺、施肥量过高和肥料利用率低、玉米杂交制种产量达到制约“瓶茎”等现状，以进一步提高水肥资源利用率和杂交制种水平为目标，以国家级杂交玉米制种基地膜下滴灌玉米杂交制种作为研究对象，以水肥资源高效利用、制种田高产稳产、生态安全为总原则，从玉米—水—产量关系、水肥耦合及水盐运动等机理研究入手，开展玉米制种田水肥高效调控理论的研究，并在此基础上集成提出调控模式。通过示范辐射带动作用，推动和促进项目技术在国家级玉米制种基地大面积的应用，全面提高我省玉米杂交种子生产水平。本研究在膜下滴灌条件下，以生产规模较大的先玉335作为研究材料，以灌水和肥料等因子为研究对象，设置不同因子、不同处理水平，通过田间试验，探究在膜下滴灌条件下，制种玉米的耗水规律和适宜的灌水时期、制种玉米耗水量和水分利用效率影响规律、不同水肥条件下制种玉米土壤硝态氮分布及氮吸收和氮肥利用规律、水肥协同对制种玉米生育期干物质积累的影响规律、水肥对玉米制种产量的影响规律，集成制定利用水肥一体化的膜下滴灌制种玉米高产高效栽培技术体系。2.1试验区概况试验在甘肃省农科院张掖市节水农业试验站进行，该试验站位于位于张掖市九公里园艺试验场，距离张掖市13公里，地理位置为东经100°26′，北纬38°56′，海拔1570m，地下水位100m。全年日照时数3085h，平均气温7℃，≥0℃的积温为3380℃，≥10℃的积温为2896℃，无霜期153d，具有较好的光热条件和较高的光温生产力，是甘肃的高产地区之一。试验田土质为轻壤土，0～200cm平均土壤容重为1.376g/cm3，田间最大体积含水量为31.68%，有机质含量为0.79%，速效磷24.7mg/kg，速效钾82mg/kg，年蒸发量2075mm，年降水量不足130mm，干旱指数高达10以上，该区域是大陆性干旱气候地带，属于典型的无灌溉就无农业的干旱灌溉地区，具有西北绿洲灌溉农业区的典型特征。2.2技术路线在已有的工作基础上，采用创新技术与推广应用相结合、试验与示范相结合、玉米制种高产高效与肥水高效协同相结合、经济效益与生态效益相结合的方法，开展研究工作。在单项技术理论创新的基础上，集成制定膜下滴灌玉米制种田水肥资源高效调控的技术体系。同时，选择已建成膜下滴灌基础设施的玉米制种基地，开展技术成果的试验示范，以推动国家级玉米制种基地水资源的合理配置和高效利用，保障玉米制种产量的稳步提高。详细技术路线见图2-1。国家级玉米制种基地膜下滴灌模式作物-水分-产量水肥耦合产量效应土壤水分动态耗水量与产量关系养分吸收规律土壤养分变化动态水肥耦合效应养分利用效率灌水量与产量关系水肥协同效应水肥高效调控技术作物耗水规律施肥量与产量关系图2-1详细技术路线Fig2-1The

Detailedtechicalroute2.3试验设计试验采用随机区组设计，选择地块平整，地力均一，茬口一致的耕地作为试验地。试验小区宽5m，长6.5m，面积为32.5m2，设１ｍ宽的保护区。灌溉水平分别设置三个不同的梯度：低水（2400m3/hm2）、中水（4800m3/hm2）、高水（6000m3/hm2）。氮肥用量分别设置三个水平：低氮（120kg/hm2）、中氮（240kg/hm2）、高水（360kg/hm2）。试验共9个处理，每个处理3次重复，共27个小区。磷肥和钾肥按当地习惯用量做为基肥一次性施入。各小区水肥处理处理见表2-1。表2-1水肥处理组合表Table2-1Methodofwaterandnitrogencompose处理代码处理类型灌水定额（m3/hm2）施肥定额（kg/hm2）W1N1低水低氮2400120W1N2低水中氮2400240W1N3低水高氮2400360W2N1中水低氮4800120W2N2中水中氮4800240W2N3中水高氮4800360W3N1高水低氮6000120W3N2高水中氮6000240W3N3高水高氮6000360注：W为灌溉水平：W12400m3/hm2、W24800m3/hm2、W36000m3/hm2；N为氮肥水平：N1120kg/hm2、N2240kg/hm2、N3360kg/hm2。供试材料为“先玉335”，从敦煌种业先锋良种有限公司购得，该品种具有耐旱、抗病虫害能力强，种植密度较高等优点。于2014年4月1日覆膜，4月13日播种玉米母本，父本分两次播种，先后于4月17日和4月20日分别播种。玉米母本采用大小行种植法，小行行距为40cm，大行为60cm，株距为25cm，父本点种在母本大行之间，采取插花式点种，父本株距约为30cm，播种深度6-7cm，总种植密度约为5800株/亩。2.4主要研究内容2.4.1水肥调控下制种玉米生育期水分利用规律的研究通过探索在不同灌溉定额下制种玉米的耗水规律，研究制种玉米在苗期、拔节期、抽雄期及成熟期等不同生育阶段由于灌溉定额的不同造成制种玉米耗水规律的变化，根据耗水规律的变化确定制种玉米在生育期内的适宜灌水时期。2.4.2水肥调控下制种玉米生育期养分利用规律的研究在膜下滴灌条件下，研究不同水肥条件下制种玉米土壤硝态氮分布及氮吸收和氮肥利用规律，指导合理施肥。2.4.3水肥调控下制种玉米生育期干物质含量的研究研究膜下滴灌条件下，水肥协同对制种玉米生育期干物质积累的影响规律，确定最适合的水肥控制措施。2.4.4水肥调控下制种玉米生育期生理指标的研究研究在膜下滴灌条件下，不同水肥处理对制种玉米叶片光合生产和叶片瞬时水分利用效率的影响。2.4.5水肥调控下制种玉米产量的研究研究在膜下滴灌条件下，水肥对玉米制种产量的影响规律，集成制定利用水肥一体化的膜下滴灌制种玉米高产高效栽培技术体系，提高玉米制种生产整体水平。2.5测定项目与方法土壤含水量测定方法用烘干称重法测定，每个小区取2个样，每隔20cm测一次含水量，分别测定0～100cm土壤含水量。制种玉米耗水量用水量平衡法计算，依据相临两次土壤水分的测定结果，计算该时段内作物耗水量。土壤硝态氮测定方法：参照文献中所述的双波长分光光度法测定0～100cm土壤中硝态氮的含量（黄玉芳，2009）。干物质测定：各生育期每小区取样玉米10株，洗净，剪去植株的根部，将植株的茎、叶分开于105℃下杀青30min，然后在80℃烘干，称干重，然后放入样品袋中保存。在制种玉米的不同生育时期，选取有代表性的植株测定玉米叶片(包括棒三叶)的光合速率、蒸腾速率、气孔导度。每株取5片叶子，每叶测3次取平均值，每次处理5株，交叉测量。每个时期测3次，每次在8点到17点之间测量，在天气晴朗无云无风时测定。光合作用相关参数使用便携式光合测定仪LI-6400XT获得。收获时取玉米15株/小区，测定穗长（第一果穗的长度cm），穗粗（干果穗中部直径cm），单株有效穗数（小区总穗数／小区总株数）,秃尖度（cm），一穗行数（穗中部行数），一行粒数（果穗中代表性行内的籽粒数）及千粒重。产量计算，产量（Kg/hm2）=每hm2穗数×每穗粒数×千粒重Kg/1000。2.6数据处理与分析运用SPSS19.0软件对试验数据进行统计分析，图表中数据均为3次重复所得的平均值，采用originv9.0作图软件对数据进行分析处理。第三章试验结果与分析3.1水肥耦合对制种玉米耗水量及耗水规律的影响3.1.1不同生育阶段土壤含水量的变化制种玉米在不同生育阶段0～100cm土壤含水率的变化如图3-1所示。有图3-1可知：在播种—拔节期，0～60cm土壤含水率介于10%～15%之间，之后随土壤深度的增加，土壤含水量逐渐增高；在拔节—抽穗期，土壤含水量大小依次为W3N3＞W3N2＞W3N1＞W2N3＞W2N2＞W2N1＞W1N3＞W1N2＞W1N1,表明高定额灌水明显促进土壤水分向深层土壤移动，有利于提高土壤深层水分储藏能力；在抽穗—灌浆期，60～100cm土壤含水量大小依次为W3N1＞W3N3＞W3N2＞W2N2＞W1N3＞W2N1＞W1N1＞W2N3＞W1N2，表明制种玉米在此期间灌水定额较大时，适当降低灌水次数不会影响土壤含水能力；在灌浆—成熟期，各处理土壤水分含量明显减少，60～80cm土壤含水量依次为W3N1＞W3N2＞W1N1＞W1N3＞W3N3＞W2N2＞W2N1＞W2N3＞W1N2，这表明高水中氮（W3N2）处理对作物成熟期土壤深层水分没有明显的促进作用。图3-1不同生育阶段0～100cm土壤含水率的变化Fig3-1Varietyofsoilmoisturecontentfrom0to100cmindifferentgrowthstages.3.1.2不同生育阶段耗水量的变化表3-1为制种玉米在不同生育阶段耗水规律的变化。结果表明：在不同的灌溉定额条件下，制种玉米的耗水规律表现出生育前期少、中期多、后期略少的变化趋势（表3-1）。阶段耗水量以灌浆—成熟期所占的比重最大，约占到整个生育期总耗水量的40%左右，阶段日均耗水量随着玉米生育期的完成呈现出先增加后降低的趋势。播种—拔节期间，制种玉米耗水量和耗水强度较小，日均耗水量基本维持在1.8～2.65mm之间变化，进行适度干旱，有利于制种玉米蹲苗促壮，增强后期的抗倒伏能力。在拔节—抽穗期间，制种玉米日均耗水量增加至4.9～6mm，说明在进入营养生长和生殖生长阶段，要及时灌水，及时有效的促进营养生长到生殖生长的转变。抽穗—灌浆期间，制种玉米进入需水高峰期。日均耗水量高达5.13～7.88mm,干旱和缺水对这一时期制种玉米的生长影响非常大，容易造成卡脖旱，使得制种玉米抽雄吐丝困难，严重影响产量的形成，要在此期间及时灌溉二水，并适度加大灌溉定额。灌浆—成熟期间，尽管制种玉米的日均耗水量降低了，但是该生长阶段持续时间较长，期间气温较高，干旱容易造成籽粒营养不良，千粒重下降，影响产量和种子的商品性。因此，根据制种玉米的耗水规律，确定了制种玉米在生育期适宜的灌水次数为四次，各灌水时期分别为：拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆中后期。表3-1制种玉米在不同生育阶段耗水量及耗水特征Table3-1thewaterconsumption

contentandcharacteristicsofSeedcornindifferentgrowth

stage灌水定额播种-拔节拔节-抽穗抽穗-灌浆灌浆-成熟耗水量耗水强度耗水量耗水强度耗水量耗水强度耗水量耗水强度m3/hm2mmmm/dmmmm/dmmmm/dmmmm/dW171.881.8078.64.91117.985.13237.243.30W289.762.2485.085.32139.346.06239.243.80W3105.842.6596.846.05181.227.88302.044.79注：平：W12400m3/hm2、W24800m3/hm2、W36000m3/hm2。3.1.3水肥耦合条件下水分利用效率的变化图3-2是制种玉米在水肥耦合条件下其水分利用效率的变化。结果表明：当灌水增加时，水分利用效率逐渐下降。相同灌水水平下，作物的水分利用效率随着施氮量的增加而逐渐增加。当灌水量大于4800m3/hm2时，随着施氮量的增加，水分利用效率反而下降。图3-2不同处理下水分利用率的变化Fig3-2Varietyofwater

use

efficiencyindifferenttreatments3.2水肥耦合对制种玉米土壤养分的影响3.2.1水肥耦合条件下土壤硝态氮含量的变化图3-3为不同水肥条件下制种玉米土壤剖面残留硝态氮含量分布变化趋势。结果表明：在相同的施肥条件下，随着灌水量的增加，0-100cm土层土壤硝态氮的含量呈现逐渐减小的趋势；在100-200cm土层中，土壤硝态氮的含量呈现增加趋势。在相同灌水条件下，随着施氮量的增加，土壤中硝态氮含量明显增加，随着施氮量的增加，土壤剖面残留的硝态氮含量显著增加。图3-30～200cm土层收获后硝态氮含量的变化Fig3-3Thecontentofnitratenitrogenfrom0to200cmafterharvest3.2.2水肥耦合条件下氮肥利用率的变化图3-4是制种玉米在水肥耦合条件下其氮肥利用率的变化。结果表明：当灌水量低于4800m3/hm2时，随着施氮量的增加，氮肥利用率逐渐提高；当灌水量达到4800m3/hm2时，随着施氮量的增加，氮肥利用率先提高后略微下降；当灌水量大于4800m3/hm2时，随着施氮量的增加，氮肥利用率逐渐下降。在相同的施氮水平下，氮肥利用率随着灌水量的增加呈现出先增加后降低的趋势。图3-4不同处理下氮肥利用率的变化Fig3-4Varietyofnitrogenfertilizer

use

efficiencyindifferenttreatments3.3水肥耦合对制种玉米生长和产量的影响3.3.1水肥耦合条件下制种玉米叶片光合速率的变化图3-5为水肥耦合条件下制种玉米主要生育期叶片光合速率的变化。有图可以看出，在拔节期制种玉米的功能叶片的净光合速率相对较低，不同处理下叶片的净光合速率均值为18.87μmol/m2·s；在抽雄期高水高氮处理（W3N3）达到最大值35.08μmol/m2·s，各处理间差异明显，随着生育期的继续推进，功能叶片的净光合速率开始迅速下降，至成熟期下降至最低，各处理间平均值为7.6μmol/m2·s，处理间差异不显著。图3-5水肥耦合对于制种玉米主要生育期叶片光合速率的影响Fig3-5Effectofwaterandnitrogencouplingonmaizephotosynthesisrateduringthemaingrowthperiod3.3.2水肥耦合条件下制种玉米叶片蒸腾速率的变化图3-6为水肥耦合条件下制种玉米主要生育期叶片蒸腾速率的变化。有图可知，在不同水肥处理下，制种玉米功能叶片的蒸腾速率同样也随着生育期的逐渐完成呈现处先升高后下降的趋势。在拔节期，各处理间叶片的蒸腾速率均未随着水肥条件的不同而出现显著的差异，各处理间制种玉米叶片的蒸腾速率基本维持在4～6μmol/m2·s左右；在抽雄期，随着植株的生长和叶面积的扩大，叶片的蒸腾速率迅速升高，在中水中氮（W2N2）处理下，叶片的蒸腾速率达到最大值13.84μmol/m2·s，之后开始迅速下降，在成熟期达到最低，处理间差异不显著，蒸腾速率基本维持在1.9μmol/m2·s左右。图3-6水肥耦合对于制种玉米主要生育期叶片蒸腾速率的影响Fig3-6Effectofwaterandnitrogencouplingonmaizeleaftranspirationrateduringthemaingrowthperiod3.3.3水肥耦合条件下制种玉米叶片气孔导度的变化图3-7为水肥耦合条件下制种玉米主要生育期叶片气孔导度的变化。结果表明：不同水肥处理间制种玉米叶片的气孔导度随着生育期的逐渐完成，呈现出先增加后降低的趋势，并且在抽雄期间达到最大值，处理间差异显著。与之相比，在拔节期叶片气孔导度在不同处理间差异较小，在抽雄期和灌浆期显著增加，在成熟期迅速降低并且处理间不存在差异。尤其是在抽雄期到灌浆期，气孔导度的平均降幅小于10%，并且中高水分和氮素水平处理下叶片的气孔导度明显高于其他处理。图3-7水肥耦合对于制种玉米主要生育期叶片气孔导度的影响Fig3-7Effectofwaterandnitrogencouplingonmaizeleafstomataconductancerateduringthemaingrowthperiod3.3.4水肥调控下干物质的变化图3-8是制种玉米在水肥耦合条件下其干物质含量的变化。结果表明：制种玉米在各处理条件下生物量均随着生育期的后延而增加，在拔节期以前不同施肥和灌水量对干物质积累量的影响不显著，在进入抽雄期以后，随着施肥量和灌水量的增加，干物质含量明显增加，尤其是灌浆期表现更加明显。通过相关性分析表明，拔节期增施氮肥不利于干物质的积累，抽雄期随着氮肥的增加干物质含量递增，直到灌浆期植株对氮肥的需求急剧增加，此阶段干物质含量积累与施氮量呈显著的正相关。此时，由于氮肥的增施植株地上部分生长增快，以至对水分的需求剧增，至成熟期灌水量与干物质积累量呈显著正相关。3.3.5水肥调控下制种玉米产量的变化图3-9为水肥耦合条件下制种玉米产量的变化。结果表明：在同一施氮水平下，制种玉米的产量随着灌水量的增加而增加，产量与灌水量呈极显著的正相关，当施氮量为240kg/hm2，随着灌水量的增加产量的增加幅度最大，当灌水量达到6000m3/hm2时，制种玉米的产量达到最大值17000kg/hm2，当施氮量增加至360kg/hm2时，随着灌水量的增加产量的增加幅度相对较小；在同一灌水条件下，制种玉米的产量随着施氮量的增加而增加，当灌水量为6000m3/hm2时，高氮（360kg/hm2）条件下制种玉米的产量反而比中氮（240kg/hm2）条件下的产量低，这说明在水分充足的条件下，过多的氮肥施用量不一定能明显提高制种玉米的产量，同时也说明说明氮肥对于制种玉米产量的影响需要在一定的水分条件下才能最大限度的发挥增产效应。图3-8不同水肥处理下干物质含量的变化Fig3-8Varietyofdrymatterindifferentwaterandfertilizertreatments图3-9水肥耦合对制种玉米产量的影响Fig3-9Effectofwaterandnitrogencouplingonyield第四章讨论与结论4.1讨论4.1.1水肥耦合对水肥利用率的影响水是肥效发挥的关键，肥是打开水土系统生产效能的钥匙，水肥协调配合是作物生产的关键。水肥关系失调意味着植物生长过程的衰退甚至停止，因此确定合理的施肥量必须与水分状况紧密结合（张秋英，2003）。我国长期以来把“早地农田水肥交互作用及耦合模式研究”作为攻关重点专题，取得了前所未有的成绩，在一些领域获得了突破性进展。利用水肥耦合作用原理，根据不同作物需水、需肥特性，将灌溉与施肥有机地协调起来，提高水肥利用效率（Bronstert，2000）。半干旱区灌溉农业中，水肥具有明显的藕合关系，肥料的增产作用不仅在于肥料本身，更重要的还在于与土壤水分的互作。水分和肥料是一对相互作用，相互影响的整体。水肥藕合作用对土壤水分动态变化具有极为明显的影响。协调水肥的目的就是要达到水肥的协同作用，共同促进植物的生长发育，以获得高产。在干旱地区，干旱和瘠薄是作物产量的两个限制因素，干旱对植物的主要影响是生理脱水，原因是干旱导致的组织和细胞水势下降，从而影响到植物对土壤水分的利用效率。施肥能提高植物渗透调节能力，尤其是增施氮肥可以显著抑制蒸腾失水提高水分利用率（王德水，1995）。适度并且缓慢的水分亏缺在玉米的拔节进行时对产量的影响较小，是由于拔节期的温度比较高、因此耗水量也大，在这个时候进行水分亏缺，会对地上部分的旺长受到抑制，如果进行合理密植，就会提高作物产量（康绍忠，1998）。本研究认为在拔节—抽穗期间，制种玉米日均耗水量增加至4.9～6mm，说明在进入营养生长和生殖生长阶段，要及时灌水，及时有效的促进营养生长到生殖生长的转变。抽穗—灌浆期间，制种玉米进入需水高峰期。日均耗水量高达5.13～7.88mm，干旱和缺水对这一时期制种玉米的生长影响非常大，容易造成卡脖旱，使得制种玉米抽雄吐丝困难，严重影响产量的形成，要在此期间及时灌水，并适度加大灌溉定额。灌浆—成熟期间，尽管制种玉米的日均耗水量降低了，但是该生长阶段持续时间较长，期间气温较高，干旱容易造成籽粒营养不良，千粒重下降，影响产量和种子的商品性。因此，确定适宜的灌溉量（4800m3/hm2）和合理的灌溉时间，能显著改善产量构成因素，提高半干旱地区制种玉米的产量。4.1.2水肥耦合对氮肥利用率的影响土壤水分状况影响土壤中不同位点的可给态养分的转化速率。旱地中植物主要以吸收NO3-N为主，施入的尿素和铵态氮肥会通过硝化作用转化为NO3-N，土壤水分的增加能加速转化，从而有利于植物吸收和减少NH4-N肥的挥发性损失，提高肥料利用效率（Cameira，2003）。另外，水分也能促进氮素向籽粒中转移，增加玉米的经济学产量，不灌水处理下，茎叶穗轴与籽粒重量之比为1.4:1，而两者氮素含量之比为0.4:0.6，灌水处理后，两个比值分别变为0.94:1和0.67:0.33。水分不足，肥料的作用不能充分发挥，在严重缺水时，施氮不但不能增产，反而会有减产的效果(Liu，2007)。水分对肥料的增效作用取决于土壤肥力水平，旱薄田块，灌水和施肥都有增产作用，但氮肥的效果更突出，无论灌水与否，氮肥的投入均起着举足轻重的作用，水分与氮肥之间的交互作用明显。高肥田块，灌水效果特别突出，而氮肥作用相对不明显，水氮之间交互作用不明显。中等肥力的田块，丰水年灌水无效，歉水年作用明显，氮肥效应随水分而变更（Dai，2011）。有研究结果表明，玉米需氮规律呈现为S型曲线，不同时期追施氮肥对玉米产量及其构成因素影响较大，中后期追施氮肥能显著提高玉米产量及其构成因素，株高、穗粗、穗行数随着追氮量的逐渐增加而有增加的趋势（王斌功，2009）。同一密度下随着追氮量的增加秃尖长有所降低，行粒数、千粒重、出籽率有增加的趋势。随着追氮量的增加而产量逐渐增加，继续增加追肥量产量反而降低。追氮量大的处理，同一时期灌浆速度大，其整个有效灌浆期平均灌浆速度也大。追氮量大的处理可以有效提高籽粒灌浆进程，最终促进千粒重增大,穗粒数随着追氮量的增加呈先增后减的趋势，产量也呈先增后减的趋势（张洪全，1994）。本研究结果表明，施氮量为240kg/hm2，能显著的提高制种玉米的肥料利用效率，在灌水量较低的情况下，氮肥的利用效率较低，但随着灌水量的增加，过量的增施氮肥，并没有显著提高氮肥的利用率，这说明氮素的有效利用需要充足的水分供应，水分的充分利用也需要有适宜的氮素供应，二者只有在一个适宜的范围内相互作用，才会有效提高氮肥的利用效率，最大限度的发挥水肥耦合的增产作用。4.1.3水肥耦合对制种玉米生长发育和产量的影响水分既是作物生长发育必需的要素之一，又是营养元素吸收、合成及运转的媒介，也是植株体内生理生化活动的参与者和介质。所以，土壤和作物的水分状况对作物的生长发育有着重要的影响（Davies，1990）。作物地上部生长发育对水分的反应研究表明，水分亏缺引起作物生长发育出现异常反应，轻度土壤干旱引起小麦叶片出现萎蔫、平行于太阳辐射、卷曲等形态反应，这些形态反应的发生可预防植外体过热和水分的过分蒸腾对植株产生的危害。当水分胁迫解除时，以上形态反应可得到部分或全部恢复。但是，因过分干旱引起的形态反应则难以恢复，会对作物生长产生严重危害（Trouverie，2003）。也有研究认为，旱后复水对小麦生长有补偿或激发效应，但到目前，国际生物学界对作物旱后复水的补偿作用尚未达成共识。尽管旱后复水是对干旱胁迫的一种补偿措施，可完全或部分补偿因水分胁迫对植株造成的不利影响，但其补偿的程度取决于水分胁迫程度和胁迫持续时间（Zhao，2003）。养分对作物的生长发育起着极为重要的作用，而不同的营养元素对作物的影响作用不同。其中，氮素营养可促进作物根、茎、叶等营养器官的生长。氮素对作物地上部营养生长的促进作用明显，氮素缺乏使作物茎叶细弱，植株矮小，叶面积减小，叶色淡黄。氮素过多会引起茎叶徒长，抗倒伏能力降低，贪青、晚熟，易染病虫害（Morgan，1986）。玉米拔节期复水后，植株生长、干物质累积和分配、气孔导度、光合速率、蒸腾速率以及根系活力等均表现出不同程度的补偿生长效应（丁端峰，2006）.光合作用是作物产量形成的基础，土壤水分和氮素水平通过气孔导度和叶片含氮量影响作物的光能利用和CO2同化效率，正常灌水条件下，玉米叶片净光合速率随着施氮量的增加而升高。在干旱胁迫下，玉米叶片气孔导度降低，CO2扩散阻力变大，光合速率降低。干旱条件下适量施氮可有效缓解气孔导度下降，维持较高的光合作用水平，并减少强光对光合机构的破坏（张仁和，2012）。本研究结果表明，玉米叶片净光合速率在充分灌溉条件下与施氮量正相关、在中度亏水条件下与氮素水平不相关、在轻度水分胁迫下配合中等氮素水平时最高，表明土壤水分和氮素水平对玉米叶片净光合速率的影响具有明显的耦合作用。在玉米的不同生长时期，抽穗-灌浆期是营养生长最旺盛的时期，功能叶生理活性最高，但水分用效率最低，是应用调亏灌溉原理控制营养生长、诱导补偿效应、提高水分利用效率的关键时期。通过盆栽和田间试验，研究不同供肥条件下不同生育期水分状况对玉米产量的影响，结果表明：玉米任何生育期的土壤干旱胁迫都会导致玉米的减产，但是肥料供应充足的情况下相对减产的幅度较小；若干旱胁迫越严重时，肥料的这一作用就越显著。在土壤相对含水量在45%~90%的范围内，玉米的产量随着土壤含水量的增加而增加，但增加的幅度与肥料的施用量和生育期有关（高亚军，2006；Kayser，2011）。本研究结果表明，在相同的施氮水平下，制种玉米的产量随着灌水量的增加而增大，但是在水分充足的条件下，过多的氮肥施用量不一定能明显提高制种玉米的产量，同时也说明说明氮肥对于制种玉米产量的影响需要在一定的水分条件下才能最大限度的发挥其增产效应。4.2结论本研究主要针对河西灌区玉米制种基地水资源短缺、肥料使用过度和水肥利用效率较低的现状，通过研究该地区制种玉米在不同水肥组合下各主要生育期的水肥利用效率、生理指标、干物质含量和产量等方面的影响，得出如下结论：1、制种玉米在主要生育期耗水量以灌浆-成熟期最高，当灌水量增加时，作物耗水量随之增加，而水分利用效率逐渐降低，在相同灌水水平下，水分利用效率随着施氮量的增加而增加。耗水强度在整个生育期表现出先增后减的趋势，在抽穗-灌浆期耗水量最大。根据制种玉米的耗水规律，确定了适宜的灌水时期，分别为拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆