基于EC喷施时期调控实现玉米产量与水分生产率协同提升的机理研究

本研究由河北农业大学农学院的Yanhua Jiang、Jianhong Ren*、Lingxin Shi、Zhiyi Tang、Wenwen Han、Yarong Zhang、Xinru Zhang、Guangzhou Liu、Xiong Du*、Yanhong Cui和Zhen Gao*共同完成。该研究发表于农业水资源管理领域的知名期刊*Agricultural Water Management*，具体为第323卷（2026年），文章编号110096，已于2025年12月修订并于2026年1月在线发表。

学术背景 本研究主要属于作物生理学与农田水管理交叉领域。华北平原是中国重要的粮食生产基地，广泛实行冬小麦-夏玉米轮作制。该体系，尤其是冬小麦，长期依赖地下水超采，对农业可持续发展构成威胁。尽管夏玉米生长季与集中降雨期重合，但仍需补充灌溉以应对降雨不均。水分生产率是反映作物产量与耗水量关系的关键指标，提高夏玉米的水分生产率对于区域粮食生产的稳定性和可持续性至关重要。植物生长延缓剂（Plant Growth Retardants， PGRs），如乙烯利和矮壮素的混合物（EC），常被用于抑制玉米茎秆伸长、增强抗倒伏能力。然而，传统上在营养生长早期（如V7时期，即第7片叶叶枕可见）施用PGRs虽然能有效控制株高和抗倒伏，但同时也会抑制功能叶片的生长，最终可能导致减产。为平衡抗倒伏与产量之间的矛盾，研究团队前期的研究发现，将EC的施用时间从V7推迟到V14，可以在增强抗倒伏的同时提高产量。然而，推迟施用EC对玉米水分生产率的影响尚不清楚。因此，本研究旨在通过为期三年的田间试验，阐明不同时期喷施EC对玉米植株形态、根系构型、耗水特性及产量的影响，揭示其对水分生产率的作用机制，并最终探明一种能够同时提升玉米产量和水分生产率的农艺措施。

详细研究流程 本研究为一项为期三年的田间定位试验（2022-2024年），在河北省深州试验站进行。试验采用完全随机区组设计，设三个处理：1) CK：对照，不喷施EC；2) TV7：在玉米V7时期叶面喷施EC；3) TV14：在玉米V14时期叶面喷施EC。每个处理设三个重复。供试玉米品种为“郑单958”，种植密度为75，000株/公顷。EC的喷施浓度为4 mL/L，用量为225 L/ha。所有处理在播种后均进行一次灌溉以保证出苗，整个生育期内进行有效的杂草和病虫害管理。

试验的数据采集和分析主要包括以下几个部分： 1. 植株形态指标测定：在吐丝期（R1）和成熟期（R6），每小区选取代表性植株，测量株高、穗位高，并利用长宽法计算单叶叶面积和群体叶面积指数。特别关注了穗位叶及其上下相邻叶片（统称为“功能叶片”）的总叶面积。 2. 根系形态指标测定：于吐丝期，使用半径15 cm、高度30 cm的根钻采集植株根系样本。将洗净的根系样本进行扫描，利用WinRHIZO软件分析根长、根表面积，并烘干称重获取根干重。进一步计算了根长密度、根表面积密度和比根长。 3. 土壤水分与耗水量计算：在播种期、吐丝期和成熟期，使用土钻法按20 cm间隔分层（0-200 cm）采集土壤样品，测定土壤含水量。基于农田水量平衡法计算玉米全生育期的实际蒸散量（ETc）。计算中考虑了有效降雨、灌溉量、土壤水储量变化、毛管上升水、径流和深层渗漏等因素，并结合当地地下水位深度（>3米）和田间设置（有田埂）对部分参数进行了合理简化。水分生产率（WP）定义为玉米籽粒产量与生育期总耗水量的比值。 4. 干物质积累与分配测定：在吐丝期和成熟期，分器官（茎、叶、籽粒、穗轴）取样并烘干称重，测定干物质积累量。计算了收获指数，并分析了干物质在各器官中的分配比例。 5. 产量及产量构成因素测定：在成熟期进行测产，计算单位面积产量。同时测定穗粒数和千粒重，并统计单位面积穗数（尤其在2024年倒伏年份，分析了倒伏对穗数的影响）。 6. 数据分析：采用SPSS 24.0软件进行方差分析，并用最小显著差异法在0.05水平上进行多重比较。利用偏最小二乘分析和相关性分析，评估根系、叶片、耗水量与产量之间的相互关系。使用Origin 24软件进行图表绘制。

主要研究结果 1. 产量及产量构成因素：三年平均结果显示，与CK相比，TV14处理显著增加了玉米籽粒产量（平均增产20.92%）和穗粒数，而TV7处理则平均减产4.81%，主要归因于穗粒数的显著降低。尤其在2024年（极端多水且发生强风倒伏的年份），TV7和TV14处理因其抗倒伏优势，单位面积穗数显著高于CK（分别高9.09%和35.27%），这在一定程度上补偿了TV7对穗粒数的负面影响，使其在当年产量高于CK但低于TV14。此外，TV7和TV14均显著提高了收获指数，表明EC处理促进了同化物向籽粒的分配。 2. 水分消耗与水分生产率：两个EC处理均能显著降低玉米全生育期的蒸散量。与CK相比，TV7处理的ETc平均降低约8.84%，TV14处理平均降低约4.73%。在水分生产率方面，TV14处理在三年中均表现优异，WP相比CK分别提高了17.75%、4.84%和87.39%，平均提高了24.88%。TV7处理则表现不稳定，在2022和2023年WP略有下降，但在2024年因显著减轻倒伏、保住产量，WP比CK提高了38.74%。 3. 根系形态：在吐丝期，无论是TV7还是TV14处理，均显著促进了玉米根系的生长，表现为根长、根表面积和根干重的增加。其中，TV7处理对根系的促进作用更强。但偏最小二乘分析表明，影响耗水量的核心因素是叶面积指数而非根系性状。 4. 植株形态与叶面积：TV7处理显著降低了株高、穗位高和叶面积指数，尤其是在吐丝期和成熟期均显著减少了功能叶片的总面积。TV14处理虽然同样显著降低了株高，但对穗位高和叶面积指数（包括功能叶面积）几乎无显著负面影响。 5. 干物质积累与分配：三年平均数据显示，TV14处理提高了成熟期总干物质积累量（+5.78%），而TV7处理则降低了总干物质积累量（-11.83%）。更重要的是，EC处理改变了干物质的分配格局。与CK相比，TV7和TV14处理均显著降低了干物质向茎秆的分配比例（分别降低19.15%和17.93%），同时显著提高了向籽粒的分配比例（分别增加14.70%和15.76%）。TV14处理在总干物质增加的基础上，实现了更高比例的同化物向籽粒输送，是其增产的关键生理基础。 6. 关键关系分析： * 耗水量与LAI：偏最小二乘分析和相关性分析均表明，LAI是影响ETc的最核心因素，两者呈显著正相关。这意味着叶面积越大，蒸腾耗水越多。TV7通过显著降低LAI来减少ETc；TV14虽然对LAI影响不大，但通过其他途径（如可能影响气孔行为或缩短上部叶片与穗部的距离）也实现了ETc的适度降低。 * 产量与各因素关系：影响产量的最重要因素是功能叶面积（LAI-m）和干物质向籽粒的分配比例（DMA-g），两者均与产量呈极显著正相关。TV14处理在保持功能叶面积不减的同时，大幅提高了DMA-g，因而实现了增产。而TV7处理虽然也提高了DMA-g，但由于功能叶面积大幅减少导致“源”供应不足，总干物质下降，最终限制了产量。

研究结论与意义 本研究得出明确结论：将植物生长延缓剂EC的施用时期从传统的V7推迟至V14，可以在华北平原夏玉米生产中实现产量与水分生产率的协同提升。其机理在于：V14期施用EC，在玉米叶片快速扩增期结束后进行调控，因而对叶面积指数和功能叶片生长影响甚微，保证了充足的光合“源”。同时，它通过缩短上部叶片与果穗的距离、优化同化物运输与分配，将更多的干物质导向籽粒（“库”），从而显著提高产量。此外，该处理也能适度降低蒸散耗水。最终，在产量显著增加而耗水有所减少的双重作用下，水分生产率得到大幅提高。相比之下，V7期施用EC虽能更强地促进根系生长并显著降低耗水，但由于严重抑制了叶面积和干物质总积累量，导致产量下降，未能稳定提高水分生产率。

本研究的科学价值在于，系统揭示了喷施时期如何通过调控“源-库”关系和耗水过程来影响PGRs对玉米产量和水分生产率的综合效应，明确了叶面积指数是连接栽培措施、耗水量与产量的关键枢纽。其应用价值在于为华北平原玉米生产提供了一项具体、可操作的农艺技术措施——推迟施用植物生长延缓剂至V14期，这为实现作物高产与水资源高效利用的“双赢”目标提供了有效途径，对保障区域粮食安全和农业水资源可持续利用具有重要实践意义。

研究亮点 1. 重要的发现：明确了“推迟施用”这一关键农艺操作（从V7到V14）是决定PGRs能否实现产量与水分生产率协同提升的核心。挑战了早期施用PGRs虽能节水但可能减产的固有认知，找到了一个平衡点。 2. 机理阐释深入：不仅观测了表型结果（产量、耗水），还深入探究了其背后的生理生态机制，包括对根系构型、叶面积动态、干物质分配格局的定量分析，并运用偏最小二乘分析等方法厘清了各因素的主次关系（如LAI对ETc的影响大于根系）。 3. 长期定位试验：通过连续三年的田间试验，涵盖了正常、多水和极端多水（伴随倒伏）等不同年型，验证了技术措施的稳定性和可靠性，特别是在极端气候事件（如强风倒伏）下的优势表现，增强了结论的说服力。 4. 研究设计巧妙：通过设置V7和V14两个喷施时期处理，与对照形成鲜明对比，清晰地剥离了施用“时期”效应与施用“物质”效应，精准定位了技术关键。

其他有价值内容 本研究还指出了年际间气候条件（特别是降雨分布）对玉米叶面积发育、耗水规律及最终水分生产率的显著影响。例如，2024年虽然总降雨量最高，但由于前期降雨少影响了叶面积建成，而后期降雨多导致ETc很高，加之倒伏发生，使得对照的WP极低。这进一步凸显了在多变气候背景下，通过栽培措施（如本研究的推迟施用EC）稳定作物性能的重要性。同时，研究也暗示，在发生倒伏风险的年份，即使是早期（V7）施用EC，也能通过保产作用显著提高水分生产率，这为PGRs在不同生产情境下的应用提供了更灵活的决策依据。