李 燕 王志偉 霍治國 陳 辰

1)(山西省氣候中心， 太原 030000)

2)(中國氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

3)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(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%，在中國糧食生產(chǎn)中的地位舉足輕重[1-3]。干旱是影響中國農(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，中國北方地區(qū)增暖顯著，干旱化趨勢明顯，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)民主要且相對穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)來源。因此，研究該區(qū)域玉米對土壤水分的響應(yīng)規(guī)律，探明不同生育時段不同程度干旱對玉米生產(chǎn)的影響，對保障糧食安全、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)干旱對玉米的影響研究主要集中在對長勢特征、光合特征、產(chǎn)量變化等方面。對長勢特征的影響，水分虧缺顯著抑制了玉米植株的生長和葉面積的擴(kuò)展，對株高的抑制作用，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]。對光合特征的影響，各生育時期光飽和點及最大凈光合速率，遭受干旱時下降[12],苗期干旱對光合速率和蒸騰速率的影響為負(fù)效應(yīng)[13]。對產(chǎn)量形成的影響，在土壤相對濕度為55%～60%條件下，各個生育時段干旱均導(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，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-乳熟期土壤相對濕度在40%和60%條件下，抽雄-乳熟期對產(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]。夏玉米生長對土壤干旱過程的響應(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)雜的動態(tài)變化過程，目前的研究成果多是基于田間試驗的某一生育時段土壤水分變化對作物的影響分析，而實際生產(chǎn)中干旱有累積效應(yīng)，其影響程度與土壤水分開始下降時的土壤相對濕度初始值及初始時間，達(dá)到一定干旱水平的土壤相對濕度值、所需時間，達(dá)到該干旱水平后的持續(xù)時間以及干旱所處的生育時段等密切相關(guān)[24]。此外，以往有關(guān)作物干旱試驗研究的土壤相對濕度控制水平相對較單一，試驗時間大多為1～2年，代表試驗點多為單個，單點單年試驗存在水分難以達(dá)到預(yù)期、控制水平少等問題，尤其大田狀態(tài)下，通過多個試驗點經(jīng)過多年連續(xù)試驗，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個代表站點，采用人工控制試驗方法，連續(xù)3年開展夏玉米水分脅迫試驗，研究不同生育時段、不同干旱程度對夏玉米根冠(根指地下部分，冠指地上部分，下同)生長和產(chǎn)量形成的影響，將干旱過程變化劃分為快速失墑、干旱維持兩個階段，分析兩階段干旱影響的差異，厘定干旱影響玉米生長發(fā)育的關(guān)鍵時段及其臨界閾值，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 試驗區(qū)與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

3個試驗區(qū)分別位于山東省夏津氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗基地、山西運(yùn)城市鹽湖區(qū)試驗點和河北固城農(nóng)業(yè)氣象試驗站。各試驗區(qū)土壤類型均為壤土，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 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置于山東夏津的大田、山西運(yùn)城市鹽湖區(qū)和河北固城的試驗場中，大田采用人工遮雨棚、試驗場采用大型電動可控遮雨棚遮擋自然降水，試驗時間為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的完整性，3個試驗點分別在不同生育時段進(jìn)行多個水分脅迫水平處理的控制試驗。每個試驗點控制土壤相對濕度(簡稱土壤濕度，下同)及生育時段如表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個水平，生育時段處理分別為出苗-拔節(jié)、拔節(jié)-抽雄、抽雄-成熟和拔節(jié)-成熟期。每個處理設(shè)3個小區(qū)，每個小區(qū)取3次重復(fù)，每個處理取樣9株，每個控水生育時段結(jié)束后，復(fù)水至對照水平。

此外，因3個試驗點的條件不同，為消除不同試驗條件的影響，采用不同處理與對照組生物量對比的相對量表征每種處理的變化，以變化率Ti′表示其對玉米生長發(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)和相對應(yīng)對照組的生物量之差與對照組生物量的比值(單位：%)。

1.2.2 測定方法

1.2.2.1 土壤濕度測定及變化

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

表2及表3給出了不同處理開始控制、實際達(dá)到控制水平的土壤濕度及所處的生育期，以實際達(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，對照已進(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)。需說明的是T10和T11處理的下限值分別為55%和50%，因土壤濕度測定時間間隔是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設(shè)計方案

注：CKi代表處理T1～T11相對應(yīng)的對照CK1～CK11，i為處理編號，下同。

表2 不同處理開始控制及實際達(dá)到控制水平初始時土壤濕度動態(tài)變化

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

注：出現(xiàn)時間、結(jié)束時間均以距出苗的日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一計算，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個階段。將表2及表3中土壤水分開始控制、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》中基于土壤濕度的各階段的干旱等級標(biāo)準(zhǔn)[25]進(jìn)行對比，表4及表5是3個對應(yīng)時段的干旱等級。綜合采用達(dá)到水分控制水平所處的生育時段、處理編號與處理開始、快速失墑階段、干旱維持階段的干旱等級變化進(jìn)行表述，如抽雄期處理，T2由無旱經(jīng)28 d降至特旱，并特旱維持28 d；T4由無旱經(jīng)26 d降至重旱，并重旱維持11 d；T10由無旱降至輕旱，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

表5 夏玉米干旱維持階段土壤濕度變化及其干旱等級

1.2.2.2 干物重測定

按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》，在不同生育期分別取樣，固定觀測時間有七葉期、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，分別測定玉米根、地上干物重。成熟期測定產(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)折點或絕收、死亡的土壤濕度、持續(xù)時間、所處生育期等，作為臨界指標(biāo)?；诓煌幚淼挠衩诇p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，評估干旱對產(chǎn)量的影響。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對地上干物重的影響

2.1.1 同一干旱水平對不同生育時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。對比不同處理實際達(dá)到控制水平的初始與結(jié)束時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。T3′，出苗期無差異，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，同一干旱程度對不同生育時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)干旱對地上生物量的影響抽雄期大于拔節(jié)期的試驗結(jié)果吻合。

土壤濕度51%～60%有T6，T7和T8處理(圖1)，對比實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)-抽雄期干旱對玉米地上部生長的影響大于出苗-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)歷短時間的干旱，玉米地上部在復(fù)水后可以恢復(fù)生長，與CK11無明顯差異。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12 d有利于夏玉米生長等結(jié)論[28-29]吻合?？梢?，干旱對玉米的影響，持續(xù)時間是重要因素。

2.1.2 不同干旱水平對同一生育時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)折點應(yīng)在土壤濕度60%～62%，與北方夏玉米干旱等級的出苗-拔節(jié)期土壤濕度超過60%無旱基本一致[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，表明特旱對玉米地上部造成的影響基本不可逆。試驗結(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)為土壤相對濕度40%吻合，同時也給出了干旱持續(xù)時間的影響。

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%。

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

2.2 干旱對根干重的影響

2.2.1 同一干旱水平對不同生育時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，實際控制時間分別為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；T5′，乳熟期、成熟期分別降低43.8%，45.8%，降低率呈略增加趨勢。同一干旱水平下拔節(jié)期處理根干重減少的最多，對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；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。由此可見，同一干旱水平對不同生育時段根干重的影響，出苗-拔節(jié)期大于拔節(jié)-抽雄期。與出苗-拔節(jié)期是根系快速生長發(fā)育的時段，干旱將影響不同徑級根的生長和分布，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，短時間干旱，根干重變化率基本無差異或略高于對照，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，利于根系生長。這與干旱條件下玉米生長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、不同生育時段夏玉米根干重的變化率

2.2.2 不同干旱水平對同一生育時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。可見，既使玉米遭受特旱，復(fù)水后根系仍具有一定恢復(fù)生長能力。

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)束根干重分別較對照組減少了45.8%,9.7%。這表明，同一生育時段，不同干旱程度，快速失墑階段對根干重的影響均大于干旱維持階段。

由此可知，干旱對根干重的影響，快速失墑階段大于干旱維持階段。表明玉米根系對水分脅迫的響應(yīng)有一個適應(yīng)過程，從開始的自適應(yīng)，根干重變化率為正，隨著持續(xù)時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，根干重可以通過自我調(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 干旱對根冠比的影響

2.3.1 同一干旱水平對不同生育時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)生長的重要指標(biāo)。根系供應(yīng)玉米生長所需要的水分，當(dāng)遭受水分脅迫時，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，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%?？梢?，同一干旱程度，不同生育期對根冠比的影響，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，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%。干旱對根冠比的影響出苗-拔節(jié)期大于拔節(jié)-抽雄期。試驗結(jié)果與李彪等[31]通過調(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 不同干旱水平對同一生育時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，但根冠比均較CK6大；T9處理(圖3)實際土壤濕度為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。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，而地上部生長停滯且呈下降趨勢，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，同一生育時段，快速失墑階段，根冠比呈下降趨勢，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，隨生育進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各處理的根冠開始衰老，但玉米地上部分的下降速度大于根，根冠比不斷增大，至成熟期與對照差異不顯著。

2.4 干旱對產(chǎn)量的影響

2.4.1 不同生育時段、同一干旱水平對產(chǎn)量的影響

不同生育時段、同一干旱水平對玉米產(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)時間最短，但對其產(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，可見抽雄期干旱對產(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%，表明抽雄期對水分脅迫敏感性大于拔節(jié)期、乳熟期。從不同生育時段、同一干旱水平的各處理減產(chǎn)程度看，拔節(jié)-抽雄期干旱對產(chǎn)量影響最大，抽雄期最敏感。

2.4.2 同一生育時段、不同干旱水平對產(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)，表明抽雄期短時間干旱對產(chǎn)量仍具有一定的影響；T2和T4處理在快速失墑階段經(jīng)歷的時間無明顯差異，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%?？梢姼珊祵Ξa(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，同一生育時期，干旱強(qiáng)度越大，持續(xù)時間越長，減產(chǎn)率越大。

將干旱對產(chǎn)量的影響分為快速失墑階段、干旱維持階段和全階段，3個階段對應(yīng)減產(chǎn)率與表1中不同處理開始控制、達(dá)到控制水平的所有統(tǒng)計要素進(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為開始控制土壤濕度初始值(單位：%),x2開始控制時間(出苗至開始控制的日數(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)到控制水平所需時間(開始控制至達(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)時間(單位：d),x6為控制生育時段土壤濕度下限值(單位：%),x7為下限值出現(xiàn)時間(出苗至下限值出現(xiàn)時間所用的日數(shù)，單位：d)。

3個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 不同生育時段、不同干旱水平對玉米產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論與討論

本文基于2013—2015年3個試驗點開展的人工控制試驗，研究同一干旱程度對不同生育時段、不同干旱程度對同一生育時段玉米根冠及產(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，厘定對水分脅迫敏感的關(guān)鍵生育時段及土壤濕度臨界閾值，得到以下主要結(jié)論：

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

2) 不同干旱程度對同一生育時段玉米地上干物重、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,分別較對照減少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，較對照減少24.3%～89.7%，根干重、根冠比呈上升趨勢或無明顯差異，分別較對照減少了9.7%～80.8%，9.6%～62%，干旱強(qiáng)度越大，持續(xù)時間越長，對玉米根冠及產(chǎn)量的影響越大。

3) 干旱對產(chǎn)量的影響與干旱的程度、出現(xiàn)時間、持續(xù)時間等密切相關(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。土壤濕度31%～40%，出現(xiàn)在拔節(jié)、抽雄等敏感生育時段，玉米減產(chǎn)七成以上，甚至絕收。土壤濕度50%～60%持續(xù)時間少于8 d，復(fù)水后根冠可迅速恢復(fù)生長，但對產(chǎn)量仍有一定程度的影響，減產(chǎn)率為1.4%～6.6%。

本文通過3年3個試驗點控制試驗，得到不同生育時段、不同干旱程度、不同持續(xù)時間對根冠及產(chǎn)量的影響數(shù)據(jù)。采用土壤濕度實測值、出現(xiàn)時間、持續(xù)時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)行評估及實際應(yīng)用。需要說明的是，試驗有兩個大田站點，雖其試驗條件與雨養(yǎng)狀態(tài)下的結(jié)果接近，但大田試驗可控性有限，使有些生育時段土壤濕度未能低于40%，持續(xù)干旱程度的樣本不足，土壤濕度測定的實時性不足，僅得到了部分生育時段的臨界閾值。此外，實際生產(chǎn)中連續(xù)兩個或多個生育時段的干旱災(zāi)害時有發(fā)生，持續(xù)性干旱對玉米地上干物重、根干重、根冠比和產(chǎn)量的影響，以及對玉米葉、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，通過綜合驗證并完善干旱指標(biāo)體系，更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。