基于生长阶段亏缺灌溉的西南季节性干旱区夏玉米响应机制与水分生产力提升策略研究

《Archives of Agronomy and Soil Science》：Response of summer maize growth, water use and yield to staged deficit irrigation in the seasonally arid regions of Southwest China

本文通过为期两年的田间试验，在西南季节性干旱区研究了基于不同生长阶段（营养生长VG和生殖生长RG时期）的单阶段与多阶段亏缺灌溉（DI）对夏玉米生长、产量、品质及水分利用的调控效应。研究发现，VG期（特别是苗期）的适度亏水（D25%）能激发玉米的补偿性生理恢复，优化干物质（DM）向籽粒的分配，在保持产量稳定（减产4.52%，p>0.05）的同时显著提升水分利用效率（WUEy），是兼顾节水与稳产的优化策略。相反，RG期的水分胁迫则导致产量与品质显著下降。本研究为区域节水农业与适应性管理提供了科学依据。

　　

材料与方法

研究在中国四川省德阳市都江堰灌溉试验站（典型季节性干旱亚热带气候区）进行，于2022-2023年开展田间试验。试验采用随机区组设计，选用“中玉3号”夏玉米品种，设定全灌溉（CK）为对照。亏缺灌溉（DI）设置两个水平：灌溉量为CK的75%（D25%）和50%（D50%）。水分胁迫分别施加于五个生长阶段：苗期（I）、拔节期（II）、抽雄期（III）、灌浆期（IV），以及VG期（I+II）、RG期（III+IV）和多阶段（I+II或III+IV）。通过大型称重式蒸渗仪和测坑控制灌溉，利用雨棚隔绝自然降水。测定指标包括株高、茎粗、叶面积指数（LAI）、光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、气孔导度（G_s）、瞬时水分利用效率（WUE_i）、地上部与根系干物质（AGDM, RDM）、根冠比（R/S）、产量及其构成（百粒重100-GW、穗粒数GN）、收获指数（HI）、籽粒蛋白质与淀粉含量、蒸发蒸腾量（ET）及水分利用效率（WUE_y）。采用方差分析、熵权TOPSIS法和主成分分析（PCA）进行数据处理与综合评价。

生长与生理性状的阶段特异性响应

营养生长期：生长抑制与可塑性恢复

DI在VG期（特别是I、II期）显著抑制了玉米的株高、茎粗和LAI（p<0.05）。水分胁迫导致气孔关闭，降低了P_n、T_r和G_s。但复水后，植株表现出显著的补偿性恢复，P_n、T_r和G_s迅速回升，与CK的差距缩小。这种恢复在D25%处理中更为明显。值得注意的是，尽管VG期DI抑制了生长，但WUE_i在胁迫期间及复水后均得到提升，尤其是在D50%处理下，表明植株通过优化气孔行为，在单位水分消耗下获得了更多碳同化物。

生殖生长期：发育不同步与补偿受限

与VG期不同，DI在RG期对株高影响甚微，但显著加速了叶片衰老，导致LAI峰值提前并迅速下降。RG期（特别是III期）的DI对光合系统的抑制更为严重，且复水后的恢复能力有限，尤其在D50%处理下几乎无恢复迹象。这表明RG期是玉米对水分胁迫高度敏感的“关键窗口期”，胁迫会造成难以逆转的生理损伤。

干物质积累与分配的重构

DI通过改变光合产物（干物质，DM）的积累与分配，深刻影响了最终的产量与品质形成。

地上部干物质分配策略

在VG期（如I期）实施DI，虽然降低了叶片和茎秆的DM积累，但显著提高了籽粒DM所占的比例（较CK增加7.75%–12.52%）。这表明在早期经历适度水分胁迫后复水，植株能将更多的同化物从营养器官向生殖器官（籽粒）转移，体现了基于功能平衡理论的生存策略。相反，在RG期（特别是IV期）实施DI，则直接严重抑制了籽粒的DM积累。

根系干物质与根冠比

DI，特别是VG期轻度亏水（D25%），倾向于提高根冠比（R/S），意味着在水分有限时，植株会将更多资源分配给根系以增强水分吸收能力。而在RG期或多阶段持续胁迫下，根冠比的提高往往是由于地上部生长受抑制比根系更严重所致。

产量、品质与水分利用的权衡

产量及其构成

在所有处理中，苗期轻度亏水（I-D25%）处理的产量减产幅度最小（平均4.52%），且与CK差异不显著（p>0.05），表现出最强的稳产性。穗粒数（GN）对水分胁迫比百粒重（100-GW）更为敏感，RG期（尤其是抽雄期III）的DI会严重干扰授粉受精过程，导致穗粒数大幅下降，成为减产主因。而灌浆期（IV）的胁迫则更直接影响籽粒灌浆，降低百粒重。

籽粒品质

VG期（I-III期）的DI可有效提高籽粒淀粉含量（增幅2.38%–15.78%），这可能与胁迫诱导的碳同化物向籽粒高效转运及淀粉合成酶活性变化有关。相反，各阶段的DI均降低了籽粒蛋白质含量（降幅1.59%–15.38%），可能与氮素吸收转运受阻及碳骨架供应不足有关。

水分消耗与利用效率

DI显著降低了全生育期蒸发蒸腾量（ET），且亏缺程度越大、持续时间越长，ET降低越多。水分利用效率（WUE_y）在VG期轻度或中度亏水下得到提升，其中VG期持续中度亏水（I+II-D50%）处理的WUE_y最高，但这是以较大幅度减产为代价的。而RG期，特别是灌浆期重度亏水，则会降低WUE_y。

综合评价与最优策略

熵权TOPSIS综合评价结合产量、品质、WUE_y等多指标进行分析。结果显示，CK的综合评价指数（CEI）最高，其次便是苗期轻度亏水（I-D25%）处理。PCA分析进一步揭示了产量、ET、蛋白质含量之间的正相关关系，以及WUE_y/WUE_i与部分生长指标的负相关关系。

研究表明，亏缺程度与阶段对夏玉米生长及产量形成存在极显著的交互作用（p<0.001）。RG期的水分胁迫导致显著的产量与品质损失。而VG期，特别是苗期（I期），展现出显著的耐受性与可塑性。在该阶段实施轻度亏缺（D25%）能激发植株的形态生理适应性。综合来看，I-D25%处理（单阶段）或I+II-D25%处理（多阶段）是在西南季节性干旱区实现夏玉米节水、稳产、优质协同提升的优化灌溉策略。该研究为区域农业水资源高效利用与气候变化适应提供了重要的技术依据与理论支撑。