化學(xué)聯(lián)合調(diào)控對(duì)玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

朱元浩,楊培嶺,廖人寬,任樹梅

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

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化學(xué)聯(lián)合調(diào)控對(duì)玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

朱元浩,楊培嶺,廖人寬,任樹梅

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

摘要：在水分脅迫條件下，結(jié)合有機(jī)-無機(jī)復(fù)合型土壤保水劑(SAP)與膜反射型抗蒸騰劑黃腐酸(FA)兩種化學(xué)制劑，探究聯(lián)合調(diào)控與單一調(diào)控下春玉米光合作用的響應(yīng)規(guī)律及其產(chǎn)量驅(qū)動(dòng)機(jī)理。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置了CK，SAP，SAP+FA，F(xiàn)A 4個(gè)處理。結(jié)果表明: SAP是調(diào)蓄土壤含水量的控制因素，較CK增加12%以上；化控制劑有其有效作用期，SAP作用于整個(gè)玉米生育期，而FA在拔節(jié)中后期對(duì)光合的促進(jìn)最明顯；SAP+FA處理比CK產(chǎn)量增加21.3%，比FA和SAP分別增加9.3%、11.7%，與光合強(qiáng)度呈現(xiàn)出一致性。

關(guān)鍵詞：SAP；黃腐酸(FA)；光合特性；水分脅迫；玉米；產(chǎn)量

旱地農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)保障我國(guó)的糧食安全具有重大的戰(zhàn)略意義，而水分脅迫和土壤貧瘠等因素卻嚴(yán)重制約其發(fā)展[1]。因此，在利用有限的水資源和肥力條件下，探究旱地農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)水肥利用效率最大化，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，將對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大推動(dòng)作用。

化學(xué)調(diào)控是一項(xiàng)基于水肥因子的重要旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)[2]。它通過化學(xué)制劑作用于土壤與作物本身，實(shí)現(xiàn)保水、保肥、增產(chǎn)等目的，提升旱地農(nóng)業(yè)活力。研究表明[3-5]，通過土壤保水劑、黃腐酸(FA)等化學(xué)制劑的合理應(yīng)用，可以起到有效增加水肥入滲和土壤保蓄能力、降低作物奢侈蒸騰、促進(jìn)作物生理生長(zhǎng)等效用。

然而目前的化控研究主要集中在單一化學(xué)調(diào)控作用效應(yīng)的探究[6-8]，探究化學(xué)聯(lián)合調(diào)控效應(yīng)的研究較少[9-10]。而光合作用作為決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子[11-13]，二者的關(guān)系也一直是研究熱點(diǎn)，因此本文以春玉米為試驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合SAP與FA兩種化學(xué)制劑，對(duì)照單一調(diào)控與聯(lián)合調(diào)控下光合作用的響應(yīng)，從玉米光合特性變化的角度討論化學(xué)調(diào)控增產(chǎn)的機(jī)理，論證化學(xué)聯(lián)合調(diào)控的科學(xué)性。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京通州區(qū)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站，試驗(yàn)期間降水量285.5 mm, 年平均氣溫14.6℃，土壤質(zhì)地為壤土，土壤基本物理性質(zhì)見表1。

表1　0～100 cm土層土壤物理性質(zhì)

1.2試驗(yàn)材料

供試玉米品種為京科25；SAP為有機(jī)-無機(jī)復(fù)合型土壤保水劑(山東東營(yíng)華業(yè)新材料有限公司提供)，淡黃色固體顆，粒徑1.6～4.0 mm；FA為膜反射型抗蒸騰劑(新疆匯通旱地龍腐植酸有限責(zé)任公司提供)，褐色液體。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)處理，分別為CK，SAP，SAP+FA，F(xiàn)A，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)小區(qū)重復(fù)，小區(qū)面積15m2(5 m×3 m)。玉米種植株距為30 cm，行距為60 cm，即每小區(qū)種植18×6株玉米，不同處理間設(shè)置1 m寬隔離帶。SAP施用方式為在玉米播種前挖溝，與土混合埋施，施用深度25 cm，施用濃度90 kg·hm-2。FA施用方式為葉面噴施，施用濃度為400倍液，0.075 kg·m-2(往期試驗(yàn)的最優(yōu)配比)，分別于6月5日(拔節(jié)期)，7月9日(抽雄期)，8月1日(灌漿期)噴施3次。施肥方式按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣進(jìn)行。玉米于4月30日播種，5月9日出苗，全生育期內(nèi)無灌水。

1.4測(cè)定項(xiàng)目及方法

(1)土壤含水率。土壤含水率的測(cè)定采用烘干法，測(cè)定深度為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm，共7層，每小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，最后同一處理取均值。取樣日期為5月25日(苗期)、6月7日(拔節(jié)期)、6月14日、6月21日、7月10日(抽雄期)、8月3日(灌漿期)，共6次。

(2)光合特性。玉米的光合特性參數(shù)，包括氣孔導(dǎo)度、光合速率、蒸騰速率等，采用CI-340手持式光合測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定日期為6月7日(拔節(jié)初期)、6月17日(拔節(jié)中期)、6月27日(拔節(jié)后期)、7月10日(抽雄期)、8月3日(灌漿期)，共5次，每次測(cè)量每小區(qū)隨機(jī)選擇5個(gè)樣本，每個(gè)樣本重復(fù)測(cè)量3次，同一處理取均值，以上日期均為典型晴朗日，測(cè)定時(shí)間為8∶00—18∶00，間隔2 h測(cè)定1次。

(3)玉米生理指標(biāo)。參照傳統(tǒng)方法對(duì)玉米的生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，每小區(qū)隨機(jī)選擇5個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)量，包括各生育期內(nèi)的株高、株徑、干物質(zhì)量等。產(chǎn)量計(jì)算方法為：穗粒數(shù)×穗數(shù)×百粒重÷1.14，種植密度為52 500株·hm-2，按含水率14%折算產(chǎn)量。

1.5數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 17.0進(jìn)行處理分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理下土壤含水率的分布規(guī)律

如圖1所示，所有處理全生育期的平均含水率在12.8%～7.9%之內(nèi)，根據(jù)測(cè)定的不同深度的田間持水量，土壤含水率最大為57.5%田間持水量，因此所有處理處在中輕度的水分脅迫條件下。對(duì)于SAP的兩個(gè)處理，在10～30 cm深度土壤含水率高于CK，且差異呈極顯著(表2)，這是由于SAP施用于25cm深的土層中，對(duì)于降水有著蓄留的作用，在一定深度范圍內(nèi)能夠調(diào)節(jié)土壤含水量。對(duì)于40 cm以下的土壤，各處理并未表現(xiàn)出差異性，而下層土壤為砂質(zhì)土壤，因此含水率較低。而從0～40 cm的根系層土壤含水率看，SAP與SAP+FA的土壤含水率明顯高于CK，F(xiàn)A卻并未呈現(xiàn)明顯差異(表3)。在全生育期，施用SAP的處理在0～40 cm土層土壤含水率更加穩(wěn)定。

圖1　生育期內(nèi)不同土壤深度的平均土壤含水率

表3　各生育期0～40 cm土層平均土壤含水率/%

注：同一列中不同字母代表顯著差異達(dá)到0.05水平，下同。

Note: In the same column, different letters represented significant difference at the 0.05 level, and the same below.

2.2不同處理下玉米氣孔導(dǎo)度的變化規(guī)律

如圖2所示，所有處理氣孔導(dǎo)度有明顯的日變化過程，且均在12∶00左右達(dá)到峰值。從整個(gè)玉米的生長(zhǎng)階段看，各個(gè)處理在拔節(jié)初期、中期，氣孔導(dǎo)度的峰值較小，最高為0.18 mol·m-2·s-1，而到后期，氣孔導(dǎo)度的峰值最高達(dá)到了0.23 mol·m-2·s-1，這可能是由于氣孔的發(fā)育帶來的差異，因此各個(gè)處理呈現(xiàn)出一致性。在每個(gè)生育階段，不同處理對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響呈現(xiàn)差異性。從峰值看，基本呈現(xiàn)SAP>SAP+FA>CK>FA的規(guī)律(7月10日例外，SAP>CK>SAP+FA>FA，可能由SAP+FA處理的保水劑未充分作用于根系，未發(fā)揮保水效用導(dǎo)致)。在不同時(shí)期處理間峰值的差異大小并不一致(表4)，說明不同化控制劑可能具有不同的作用有效期。SAP+FA處理與CK處理氣孔導(dǎo)度峰值并未呈現(xiàn)顯著性差異，而SAP和FA處理在幾個(gè)階段呈現(xiàn)顯著性差異。從整個(gè)生育階段看，各處理對(duì)氣孔導(dǎo)度峰值的影響在拔節(jié)初期和灌漿期呈顯著性差異的較多，而在拔節(jié)中后期和抽雄期差異不顯著。從處理的日變化情況看，化學(xué)調(diào)控處理的作用在8∶00—14∶00之間更加明顯，有較明顯的規(guī)律性，而到后階段，尤其是16∶00以后，處理間的氣孔變化情況較復(fù)雜，規(guī)律性不強(qiáng)，這可能由于玉米在白天前階段的生理活動(dòng)較強(qiáng)烈，使得化學(xué)調(diào)控的作用明顯。

表4　氣孔導(dǎo)度峰值顯著性檢驗(yàn)

2.3不同處理下玉米光合速率的變化規(guī)律

如圖3所示，CK在不同時(shí)期凈光合速率均在12∶00左右達(dá)到峰值，而另3個(gè)處理除了在7月10日與CK一樣在12∶00左右達(dá)到峰值外，其他階段均延后了Pn峰值達(dá)到的時(shí)間，在14∶00左右達(dá)到。峰值在整個(gè)生育階段有著先增大再減小的趨勢(shì)，這可能與不同階段的生理活動(dòng)強(qiáng)弱有關(guān)。各個(gè)時(shí)期，凈光合速率峰值最大的處理為SAP+FA，最小為CK，且CK與SAP+FA在不同生育階段峰值均呈顯著性差異(表5)。在拔節(jié)前期、中期、后期和抽雄期、灌漿期，SAP+FA比CK分別高出35.6%、24.3%、18.1%、16.5%、23.7%。其他處理間只在幾個(gè)階段呈顯著差異或均無顯著差異。從Pn的日變化過程看，化學(xué)調(diào)控處理下，延長(zhǎng)了玉米強(qiáng)光合作用的時(shí)間。各個(gè)階段，處理間出現(xiàn)明顯差異的往往是在10∶00以后，尤其是在12∶00—16∶00之間，而之前由于溫度、光照強(qiáng)度等因素較弱，并未出現(xiàn)明顯差異。

圖2　玉米各生育期的氣孔導(dǎo)度日變化情況

圖3玉米各生育期凈光合速率日變化情況

Fig.3Daily variation of net photosynthetic rate at different growth stages of maize

2.4不同處理下玉米蒸騰速率的變化規(guī)律

蒸騰速率的變化情況較復(fù)雜，在玉米不同生育階段都呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)(圖4)。在拔節(jié)初期、中期各個(gè)處理均在12:00左右達(dá)到峰，分別呈現(xiàn)SAP>CK>SAP+FA>FA和SAP>SAP+FA>CK>FA。但6月7日在14∶00左右，各處理間呈現(xiàn)出顯著差異，F(xiàn)A最小，SAP、SAP+FA、CK 3個(gè)處理分別比FA高出28.9%、15.8%、4.5%。在拔節(jié)后期，SAP與SAP+FA處理則在14∶00才到達(dá)峰值，且各處理自12∶00開始，蒸騰速率均維持在較高的水平，這可能與溫度有關(guān)。在灌漿期，各個(gè)處理的差異是最明顯的，基本均呈現(xiàn)顯著差異(表6)。首先CK、FA處理在12∶00左右達(dá)到峰值，而SAP、SAP+FA處理則在14∶00左右達(dá)到峰值，但兩個(gè)處理在12∶00左右都已經(jīng)非常接近峰值，在14∶00，4個(gè)處理間的差異是最大的，SAP>SAP+FA>CK>FA，分別比FA高出82.5%、61.9%、20.9%。從日變化曲線看，在不同生育階段，蒸騰速率基本呈現(xiàn)SAP最大，F(xiàn)A最小，而SAP+FA與CK的大小隨著生育階段不同而呈現(xiàn)不同的規(guī)律，但是呈顯著性差異的并不多，灌漿期是化控影響蒸騰速率最顯著的時(shí)期。

2.5不同處理下玉米農(nóng)藝性狀的變化規(guī)律

玉米農(nóng)藝性狀見表7。各個(gè)處理產(chǎn)量與CK相比均有增加，增加幅度SAP+FA>FA>SAP，分別為21.3%、10.9%、8.6%，且差異均為顯著。百粒重的規(guī)律與產(chǎn)量一致。穗粒數(shù)雖然較CK均有所增加，但差異不顯著。而株高、株徑、穗長(zhǎng)、穗粗4項(xiàng)指標(biāo)間變化規(guī)律并不一致。各處理與CK相比，株高均有所增加，但只有FA與CK呈顯著差異。株徑間差異較明顯，SAP+FA、SAP、FA分別比對(duì)照增加10.6%、4.4%、4.3%。FA處理的穗長(zhǎng)顯著低于其他三組處理，而三組之間無顯著差異，穗粗則是SAP+FA與FA處理顯著高于CK，SAP處理，但兩兩之間均無顯著差異。

圖4　玉米各生育期蒸騰速率日變化

3討論

土壤水分條件是影響作物生理活動(dòng)的重要因子[14-16]，當(dāng)受到水分脅迫時(shí)，各項(xiàng)生理指標(biāo)，如氣孔阻力、葉綠素含量等都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)一步導(dǎo)致作物的光合特性產(chǎn)生變化。本試驗(yàn)的各個(gè)處理

表7　玉米農(nóng)藝性狀

在全生育期土壤含水率維持在50%田間持水量左右，處于中輕度水分脅迫狀態(tài)。在化學(xué)調(diào)控下，不同處理在不同時(shí)期光合特性參數(shù)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，其中包含階段特性，也具備內(nèi)在聯(lián)系。

在水分脅迫條件下，化學(xué)調(diào)控并未改變氣孔開度到達(dá)峰值的時(shí)間，但峰值呈現(xiàn)不同程度差異，在拔節(jié)初期差異基本顯著。總體來看，施用了保水劑的兩個(gè)處理氣孔導(dǎo)度均要大于未施用保水劑的處理，這說明保水劑改善了土壤含水狀況，一定程度上緩解了水分脅迫狀態(tài)。而FA處理始終是氣孔開度最小的，這也從源頭揭示了抗蒸騰的機(jī)理。但對(duì)比SAP+FA與CK，始終是SAP+FA的氣孔導(dǎo)度更大，這可能說明SAP對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響相對(duì)FA更大，尤其在拔節(jié)中期和后期，這兩個(gè)階段SAP與SAP+FA，F(xiàn)A與CK分別兩兩接近。在本試驗(yàn)中，F(xiàn)A對(duì)氣孔導(dǎo)度作用最明顯的時(shí)期是拔節(jié)初期與灌漿期，而保水劑的效用在全生育期都較明顯，這也說明保水劑是從源頭改變土壤的含水狀況，而FA只能通過調(diào)節(jié)氣孔減緩水分耗用，并不能改變整個(gè)生理變化趨勢(shì)。

而對(duì)于光合速率，化學(xué)調(diào)控處理推遲了峰值出現(xiàn)的時(shí)間，反而在氣孔導(dǎo)度較低的14∶00左右達(dá)到峰值，這一規(guī)律除了在抽雄期未滿足外，在整個(gè)玉米關(guān)鍵生育期均滿足。研究表明，氣孔導(dǎo)度降低，使得參與光合作用的CO2減少，會(huì)降低光合速率[17]，但在本試驗(yàn)中，并不符合。這說明化學(xué)調(diào)控優(yōu)化了光合作用的某一條件，彌補(bǔ)了氣孔導(dǎo)度降低對(duì)光合的影響，并達(dá)到促進(jìn)的效果。光合作用的影響因子有溫度、水分、CO2、酶活性、礦質(zhì)元素、光質(zhì)等[18-20]，在本試驗(yàn)中，由于保水保肥的效用，化學(xué)調(diào)控很可能優(yōu)化了水分、礦質(zhì)元素以及酶活性等條件，使得光合作用強(qiáng)度得到顯著提升，對(duì)后期玉米產(chǎn)量的增長(zhǎng)起到了決定性的作用。從處理間的作用看，SAP+FA處理始終保持光合速率峰值的最大值，且對(duì)照CK在全生育期呈顯著差異，而單一的SAP或者FA處理僅在某幾個(gè)階段呈現(xiàn)顯著性差異，這說明化學(xué)聯(lián)合調(diào)控的優(yōu)越性。在拔節(jié)初期、灌漿期和抽雄期，SAP處理的峰值大于FA處理，在拔節(jié)中期和后期，F(xiàn)A處理大于SAP處理，說明對(duì)于光合速率來說，兩者的有效作用時(shí)間也不一致?？傮w來看，SAP處理與FA處理相比在整個(gè)玉米生育期對(duì)光合作用的影響更明顯持久，進(jìn)一步說明保水劑對(duì)玉米水肥利用的有效調(diào)節(jié)，保證玉米光合作用的進(jìn)行，而FA對(duì)酶活性的提高[21]也同時(shí)提升了光合作用，這表明化學(xué)聯(lián)合調(diào)控的科學(xué)性與合理性。

玉米的蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度具有較大相關(guān)性，基本在12∶00左右到達(dá)峰值。施用保水劑的處理由于保持了較高的土壤含水率而保持較高的蒸騰速率，而施用FA的處理由于氣孔開度的減小，會(huì)在一定程度上降低蒸騰速率，因此呈現(xiàn)SAP>SAP+FA>CK>FA的規(guī)律。相對(duì)氣孔導(dǎo)度和光合速率的處理間差異，蒸騰速率的處理間差異較小，多數(shù)未呈顯著差異，只在灌漿期差異顯著，可能是由于各處理均處于相同的環(huán)境中，相對(duì)濕度這個(gè)蒸騰速率的決定因素差異較小，導(dǎo)致組間差異不大。在耗水差異不大的情況下，化學(xué)聯(lián)合調(diào)控提高了水分的利用效率，使得玉米的生理活動(dòng)保持較活躍狀態(tài)，有利于光合作用的進(jìn)行。

綜上所述，化學(xué)聯(lián)合調(diào)控對(duì)玉米光合特性的影響直接影響玉米產(chǎn)量，SAP+FA、FA、SAP比CK產(chǎn)量分別增加21.3%、10.9%、8.6%，差異均顯著，且SAP+FA處理比FA和SAP處理產(chǎn)量分別增加了9.3%和11.7%，差異也均顯著。這表明了化學(xué)聯(lián)合調(diào)控的優(yōu)越性和科學(xué)性，它綜合了單一化學(xué)調(diào)控的優(yōu)勢(shì)，在干旱條件下能夠顯著優(yōu)化土壤水肥條件和植物的生理活性，在達(dá)到節(jié)水保肥的調(diào)節(jié)目標(biāo)后，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4結(jié)論

1) 在土壤水分脅迫條件下，SAP對(duì)調(diào)節(jié)土壤的水分條件有顯著作用，較CK增加12%以上，而FA在葉面噴施的方式下則對(duì)土壤水分無明顯影響，因此化學(xué)聯(lián)合調(diào)控在土壤水分的調(diào)節(jié)上主要以SAP為決定因素。

2) 不同的化控制劑具有其最有效的作用時(shí)間。在本試驗(yàn)中，保水劑的有效作用時(shí)間是較持久的，對(duì)整個(gè)玉米生育期都起到調(diào)控作用；而FA的作用時(shí)間較短，通常只有20～30 d，且不同生育期的作用效果也不同，僅就光合作用而言，F(xiàn)A最有效的時(shí)間為拔節(jié)中后期。

3) 在本試驗(yàn)SAP施用濃度90 kg·hm-2，F(xiàn)A400倍液，0.075 kg·m-2條件下，化學(xué)調(diào)控處理均出現(xiàn)了增產(chǎn)，其中，化學(xué)聯(lián)合調(diào)控下，由于最大化提高了光合效率，增產(chǎn)幅度最高，較CK增產(chǎn)21.3%。

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Maize photosynthetic characteristics and yield under chemical integrated regulation

ZHU Yuan-hao, YANG Pei-ling, LIAO Ren-kuan, REN Shu-mei

(CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Abstract：Under water stress condition, the response rule of spring maize photosynthesis and yield-driven mechanism was explored with chemical integrated or single regulation technology, combined Superabsorbent polymer (SAP) and Fulvic acid (FA). Randomized block design was set as CK, SAP, SAP+FA, and FA, and each group had three replications. The results indicated that SAP was the major factor to regulate soil moisture content, which had been enhanced by 12% from CK. The chemical reagents had their specific effective durations. SAP played a big role during the entire growth period of maize, while FA promoted photosynthesis mostly during the middle and late jointing stage. SAP+FA ultimately resulted in yield increases of 21.3%, 9.3% and 11.7% compared with CK, FA and SAP, respectively, showing an agreement with the photosynthetic efficiency.

Keywords:SAP; fulvic acid; photosynthetic characteristics; water stress; maize; yield

中圖分類號(hào)：S513.01； S274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：楊培嶺(1958—)，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源、節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail:yangpeiling@126.com。

作者簡(jiǎn)介：朱元浩(1991—)，男，浙江金華人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)調(diào)控對(duì)植物的作用機(jī)理。E-mail: 16407311@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379210)；北京市水土保持工作總站項(xiàng)目“生態(tài)清潔小流域面源污染防控關(guān)鍵技術(shù)及集成模式研究”

收稿日期：2015-02-15

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.30

文章編號(hào)：1000-7601(2016)01-0193-08