砒砂巖與沙混合比例對春玉米冠層結(jié)構(gòu)及其光合特性的影響

孫嬰嬰，韓霽昌，張 揚(yáng)，王歡元，張海歐，趙 宣

(1.陜西省地建土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室,西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,西安 710075)

砒砂巖與沙混合比例對春玉米冠層結(jié)構(gòu)及其光合特性的影響

孫嬰嬰，韓霽昌，張 揚(yáng)，王歡元，張海歐，趙 宣

(1.陜西省地建土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室,西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,西安 710075)

為探明砒砂巖與沙的不同復(fù)配比例對春玉米冠層結(jié)構(gòu)、光合特性與最終產(chǎn)量的影響，在毛烏素沙地設(shè)置砒砂巖與沙體積比分別為1∶1、1∶2和1∶5的小區(qū)試驗，于2014―2015年測定春玉米株高、葉面積指數(shù)、冠層開度、穗位葉凈光合速率、產(chǎn)量以及土壤含水量動態(tài)變化。結(jié)果表明，1∶1和1∶5兩種復(fù)配土與1∶2比例復(fù)配土相比，所種植的春玉米在12葉期、抽雄期、乳熟期具有較低冠層開度，在抽雄期具有較高的葉面積指數(shù)，冠層結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化，同時1∶2復(fù)配土春玉米穗位葉凈光合速率在各生育期均具有一定優(yōu)勢，這與該比例復(fù)配土在0～120 cm深度土層內(nèi)更佳的保水性具有一定關(guān)系。冠層結(jié)構(gòu)與光合生理上的優(yōu)勢導(dǎo)致1∶2復(fù)配土春玉米百粒質(zhì)量顯著高于1∶1和1∶5復(fù)配土，產(chǎn)量最高，是適于在毛烏素沙地推廣應(yīng)用的砒砂巖與沙復(fù)配比例。

砒砂巖與沙復(fù)配成土；春玉米；冠層特征；光合特征

毛烏素沙地地處鄂爾多斯高原東南部和陜北黃土高原以北的洼地，該地草地退化、土壤沙化嚴(yán)重，土地生產(chǎn)力低下。當(dāng)?shù)氐乇韽V泛存在的砒砂巖裸露風(fēng)化后遇風(fēng)就起塵，遇水即被沖走，被稱為“環(huán)境癌癥”，造成極為嚴(yán)重的巖土侵蝕[1]。自20世紀(jì)70年代，中國針對該地環(huán)境恢復(fù)先后進(jìn)行了沙地飛播造林、生態(tài)修復(fù)及建立沙棘柔性壩等因地制宜和因時制宜的措施。雖取得了一定成效，但均未能從根本上扭轉(zhuǎn)沙漠化加劇的勢頭。實驗室測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砒砂巖中砂粒、粉粒和粘粒含量分別為19.57%、72.94%和7.49%，達(dá)到粉砂壤土標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的持水性，與沙性質(zhì)互補(bǔ)[2]，因此將砒砂巖與沙這兩種當(dāng)?shù)貜V泛存在物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配，混合后產(chǎn)生交互作用形成新的“土壤”，既增加耕地資源，又起到一定的水土保持效應(yīng)[3]。

研究證實，砒砂巖與沙復(fù)配成土能顯著提高沙地產(chǎn)能[4-5]，砒砂巖與沙的不同復(fù)配比例對復(fù)配土的質(zhì)地、保水性、養(yǎng)分特征都有顯著影響[6-7]，進(jìn)而對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響[8]。但是關(guān)于砒砂巖與沙的不同復(fù)配比例對作物產(chǎn)量影響的生理和形態(tài)機(jī)制，尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。本研究旨在通過測定砒砂巖與沙的不同復(fù)配比例對春玉米的冠層結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量的影響，初步探索不同比例復(fù)配土上作物產(chǎn)量差異的形態(tài)和生理因素，為未來毛烏素沙地新增耕地的高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于陜西省榆林市榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村，該地位于陜西北部的毛烏素沙漠南緣，海拔1 206～1 215 m，屬典型中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全年降水時空分布不勻，氣候干燥，春季多風(fēng)干旱，秋季溫涼濕潤，年均氣溫8.1 ℃，≥10 ℃積溫為3 307.5 ℃，持續(xù)時間為168 d。年平均無霜期154 d，年均降水413.9 mm。60%以上的降雨集中在7-9月，年均日照時間2 879 h，年總輻射量607.79 kJ/cm2。當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵燥L(fēng)沙土為主。

1.2 試驗設(shè)置

本研究研究期為2014、2015連續(xù)2 a春玉米生育期，試驗田為2012年開始種植，分別設(shè)有砒砂巖∶沙體積比為1∶1、1∶2、1∶5的3個處理，每處理重復(fù)3個小區(qū)。每小區(qū)面積為5 m×12 m，在小區(qū)表層30 cm覆蓋不同混合比例的復(fù)配土，30 cm以下為當(dāng)?shù)卦瓲钌惩?。試驗種植作物為春玉米‘萬瑞5號’，分別于2014-05-08和2015-05-08種植，2014-09-27和2015-10-08收獲。玉米株行距統(tǒng)一設(shè)為 50 cm×33 cm，經(jīng)查苗補(bǔ)苗，保證實際種植密度與理論密度相同。所有小區(qū)灌溉與施肥處理完全相同：播前施基肥磷酸二銨335 kg/hm2，復(fù)合肥[w(N)=12%、w(P2O5)= 19%、w(K2O)16%)]375 kg/hm2，用旋耕機(jī)將肥料與表層15 cm的復(fù)配土混合均勻，于拔節(jié)期追肥1次，施尿素375 kg/hm2；由于復(fù)配土有機(jī)質(zhì)含量較低，在2015年播前所有試驗田施用有機(jī)肥(牛糞、羊糞)13 000 kg/hm2；分別于春玉米的苗期、拔節(jié)期、灌漿期灌水3次，灌水量分別為35、75、35 mm。其他管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 測定指標(biāo)及方法

分別于春玉米播前、拔節(jié)期、12葉期、抽雄期、乳熟期、成熟期等不同生育時期，利用 CNC100 型水分中子儀測定田間土壤體積含水量。在0～20 cm 深度范圍內(nèi)每 10 cm 為一層，20～120 cm 范圍內(nèi)每20 cm為一層。各層土壤含水量加權(quán)值即為0～120 cm深度內(nèi)土壤體積含水量。

分別在春玉米12葉期(V12)、抽雄期(VT)、乳熟期(R3)于晴天9:00―11:30測定株高、穗位葉凈光合速率(Pn)、冠層葉面積指數(shù)(LAI)、冠層開度(DIFN)。株高用卷尺定株測定，Pn采用Li-6400 便攜式光合測定儀(LI-COR,USA)測定，完全開放式氣路，測定位置在能完全接觸光照的葉片中部進(jìn)行，每小區(qū)測定5片，取平均值；LAI和DIFN采用 LAI-2200冠層分析儀(LI-COR,USA)測定，避免光線直射，每小區(qū)測3個冠層下數(shù)值和1個冠層上數(shù)值。

于春玉米成熟期，每小區(qū)量取2 m×2 m代表性玉米植株，選擇8穗數(shù)起穗行數(shù)和行粒數(shù)，將全部穗的籽粒風(fēng)干稱重用于測定產(chǎn)量，每小區(qū)稱取5次百粒質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

通過Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總Sigmaplot 10.0繪圖，SAS V8.0 (SAS Institute,Inc,University of Texas,Arlington)用一元方差分析方法(one-way ANOVA)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，先用Levene進(jìn)行方差劑性檢驗，如數(shù)據(jù)滿足齊性檢驗則利用LSD多重比較法進(jìn)行顯著性檢驗，否則利用Tamhane分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育期內(nèi)土壤含水量動態(tài)變化

2015年春玉米全生育期內(nèi)，3種比例復(fù)配土試驗田土壤含水量均高于17%，顯著高于2014年(圖1)。2014年5―7月，1∶1復(fù)配土土壤含水量顯著低于1∶2和1∶1復(fù)配比例；2015年7―9月，1∶2比例復(fù)配土土壤含水量顯著高于另外兩種比例的復(fù)配土，表現(xiàn)出良好的保水性。

圖1 0～120 cm土層體積含水量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil moisture in depth of 0-120 cm

2.2 不同生育期內(nèi)春玉米冠層結(jié)構(gòu)動態(tài)變化

從12葉期到抽雄期、乳熟期，3種比例復(fù)配土的春玉米株高持續(xù)增長(圖2)。盡管2015年春玉米株高略高于2014年，但在2試驗?zāi)陜?nèi)，春玉米株高在3種比例復(fù)配土間差異不顯著，趨勢基本一致。春玉米LAI從12葉期到抽雄期顯著增加，到乳熟期則又降低(圖3)。2015年3種比例復(fù)配土春玉米LAI略高于2014年。在2試驗?zāi)攴莸?2葉期和乳熟期，3種比例復(fù)配土上春玉米LAI均小于2，且處理之間差異不顯著。而在2014年和2015年的抽雄期，1∶2比例復(fù)配土春玉米LAI分別達(dá)到2.42和2.60，顯著高于1∶1和1∶5兩種復(fù)配比例。

2試驗?zāi)攴輧?nèi)，不同比例復(fù)配土春玉米DIFN隨生育期推移，基本都呈先下降后上升趨勢(圖4)。2014年在12葉期，1∶2和1∶5比例復(fù)配土春玉米DIFN分別為0.58和0.59，顯著低于1∶1比例復(fù)配土；到抽雄期，1∶2比例復(fù)配土春玉米DIFN僅有0.32，顯著低于1∶1和1∶5兩種比例的復(fù)配土；到乳熟期，則表現(xiàn)為1∶2<1∶1<1∶5。2015年趨勢與此類似，但不同比例復(fù)配土間差異不顯著。

圖2 春玉米株高動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of plant height in spring maize

不同小寫字母代表相同生育期內(nèi)不同比例復(fù)配土間差異顯著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters show significantly different between different mixing ratios in same growth period (P<0.05),the same as below

2.3 不同生育期內(nèi)春玉米穗位葉Pn變化

盡管2015年3種比例復(fù)配土春玉米穗位葉Pn略高于2014年，但其總體趨勢類似(圖5)：從12葉期-抽雄期-乳熟期，春玉米穗位葉Pn呈單峰型，在抽雄期達(dá)到最高；在2014年和2015年12葉期，1∶2比例復(fù)配土春玉米穗位葉Pn分別達(dá)到19.1和22.0 μmol/(m2·s)顯著高于1∶1和1∶5兩種比例復(fù)配土；到2014年抽雄期，1∶2比例復(fù)配土上穗位葉Pn仍有顯著優(yōu)勢，2015年該生育期不同比例復(fù)配土之間差異相對較小；到2試驗?zāi)攴莸娜槭炱冢?∶2比例復(fù)配土穗位葉Pn均顯著高于另外2種比例，保持顯著優(yōu)勢。

圖4 春玉米DIFN動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of DIFN in spring maize

圖5 春玉米冠層下穗位葉凈光合速率動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of net photosynthetic rate in spring maize

2.4 不同比例復(fù)配土春玉米產(chǎn)量

2試驗?zāi)攴輧?nèi)，3種比例復(fù)配土春玉米的穗行數(shù)差異不顯著；2014年和2015年1∶5比例復(fù)配土春玉米行粒數(shù)分別為38.7和39.1，顯著低于另外兩種比例；1∶2比例復(fù)配土春玉米百粒質(zhì)量在2014年達(dá)到25.55 g，2015年達(dá)26.03 g，均顯著高于另外兩種比例；2 a內(nèi)春玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為1∶2>1∶1>1∶5。2015年3種比例復(fù)配土春玉米的穗行數(shù)、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量均不同程度上高于2014年。

表1 不同比例復(fù)配土上春玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 1 Yield and yield components of spring maize planted in different mixing ratios

注：不同小寫字母代表同一年份同一指標(biāo)在不同處理間在0.05水平上差異顯著。

Note：Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at 0.05 level.

3 討 論

土壤水分狀況對玉米的光合作用、形態(tài)都有顯著影響，并最終影響玉米產(chǎn)量的累積[9-10]。適量砒砂巖能改善沙地土壤保水性，減少水分蒸散[6]。本研究中，經(jīng)過3～4 a的耕種，與1∶1和1∶2兩種比例復(fù)配土比較，1∶5復(fù)配土0～120 cm深度內(nèi)土壤體積含水量一直處于較低水平，土壤總體保水性較弱，這與攝曉燕等[11]的研究結(jié)果不同，原因可能在于本研究中復(fù)配土僅在試驗田表層覆蓋30 cm，因此1∶5比例復(fù)配土在土壤表層的保水能力可能較為顯著，而在中深層土層內(nèi)受水分下滲等的影響，保水能力相對較弱，其中具體原因仍需進(jìn)一步深入探討。玉米葉片空間結(jié)構(gòu)和株型的差異使得光在冠層內(nèi)的分布不同，進(jìn)而影響到光合作用[12]。LAI和DIFN作為冠層的重要參數(shù)，最能代表冠層光線吸收的指數(shù)，是冠層結(jié)構(gòu)的代表值[13-14]。一般認(rèn)為，LAI越高，作物干物質(zhì)生產(chǎn)能力越強(qiáng)[15-16]，而LAI較為接近的情況下，DIFN越低則其光線吸收效率越高[17]。研究證實，高產(chǎn)和超高產(chǎn)玉米較高的葉面積指數(shù)和吐絲后較長的持續(xù)期，形成了高光效的冠層結(jié)構(gòu)，有益于其產(chǎn)量的累積[18-19]。1∶2比例復(fù)配土春玉米的株高在各生育期內(nèi)與另外兩種復(fù)配比例無顯著差異，但其LAI則在各個生育期內(nèi)都表現(xiàn)出不同程度的高于其他兩種復(fù)配土的趨勢，尤其是在抽雄期，即1∶2比例復(fù)配土春玉米的光合面積具有一定優(yōu)勢。在2試驗?zāi)攴輧?nèi)，1∶2比例復(fù)配土春玉米的DIFN一直處于較低水平，冠層開度較小，保證了即使其LAI優(yōu)勢不明顯，仍具備更優(yōu)化的冠層結(jié)構(gòu)。

玉米葉片較高的光合速率和較長的保綠性能與產(chǎn)量提升關(guān)系密切[20-21]，提高葉片的光合速率，延緩葉片衰老，延長玉米葉片的光合作用時間，均能提高吐絲抽雄后玉米群體光合能力，顯著提高產(chǎn)量[22-23]。2試驗?zāi)攴莸乃猩趦?nèi)，1∶2比例復(fù)配土春玉米的Pn基本均顯著高于1∶1和1∶5兩種復(fù)配土。同時，該比例復(fù)配土上春玉米在花后(乳熟期)仍保持較高的穗位葉Pn，證實該復(fù)配比例對春玉米光合能力的提升具有顯著作用。

高產(chǎn)玉米光合作用的優(yōu)勢往往直接反映在其粒質(zhì)量上[24-25]。本研究結(jié)果表明，3種比例復(fù)配土春玉米的穗行數(shù)、行粒數(shù)差異較小，但1∶2比例復(fù)配土百粒質(zhì)量顯著高于1∶1和1∶5兩種比例，最終其產(chǎn)量在2014年和2015年分別達(dá)到8 876 kg/hm2和10 300 kg/hm2，高出另外兩復(fù)配比例4.5%～7.5%。

4 結(jié) 論

相比1∶1和1∶5兩種比例的復(fù)配土，1∶2比例復(fù)配土春玉米的冠層結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化，穗位葉光合速率較高，利于其籽粒的灌漿，進(jìn)而提升成熟期百粒質(zhì)量，提高產(chǎn)量。未來應(yīng)加強(qiáng)對不同砒砂巖與沙復(fù)配比例在不同時期、不同土層深度內(nèi)的土壤保水保肥效應(yīng)與作物地上、地下形態(tài)和生理特征的相互影響，為毛烏素沙地綜合整治提供科學(xué)依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：史亞歌 Responsible editor:SHI Yage)

Effects of Mixing Ratio of Pisha Sandstone to Sand on Canopy Structure and Photosynthetic Characteristics of Spring Maize

SUN Yingying,HAN Jichang,ZHANG Yang,WANG Huanyuan,ZHANG Haiou and ZHAO Xuan

(1.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering of Ministry of Land and Resources of China,Shaanxi Land Construction Group Co.,Ltd,Xi’an 710075,China; 2.Land Engineering Technology Research Institute of Shaanxi Land Construction Group Co.,Ltd,Xi’an 710075,China)

To explore effects of different mixing ratios of Pisha sandstone to sand on canopy structure,photosynthetic characteristics and yield in maize,we conducted plot experiment of different mixing volume ratios of Pisha sandstone to sand such as 1∶1,1∶2,1∶5 in Mu Us Desert,and measured changes of plant height,LAI,DIFN,Pnof ear leaf in spring maize as well as soil moisture condition.The results showed that 1∶2 mixed cases of spring maize presented lowestDIFNat 12 leaf stage,tasseling stage and milky-ripe stage,and highestLAIat tasseling stage,it had more optimal canopy characteristics compared with 1∶1 and 1∶5 mixed cases; 1∶2 mixed case also had more certain advantage onPnof ear leaf than other mixed case,which might be correlated with the better capacity in soil water retaining at the depth of 0-120 cm.Better canopy characteristics and photosynthetic characteristics of maize in 1∶2 mixed case had higher 100-grain mass and yield,compared with 1∶1 and 1∶5 mixed cases,this could be applied better in Mu Us Desert in the future.

Soil mixture of Pisha sandstone with and sand; Spring maize; Canopy characteristics; Photosynthetic characteristics

SUN Yingying,female,doctoral candidate.Research area:degradation and unused land management.E-mail:sunyy526@163.com

HAN Jichang,male,research fellow.Research area: land engineering technology development and application.E-mail:hanjc-sxdj@126.com

日期：2017-03-03

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.s.20170303.0822.016.html

2016-02-03

2016-03-30

陜西省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊計劃項目(2016KCT-23)。

孫嬰嬰，女，博士研究生，研究方向為退化及未利用土地整治。E-mail:sunyy526@163.com

韓霽昌，男， 研究員，研究方向為土地工程技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用。E-mail:hanjc_sxdj@126.com

S314

A

1004-1389(2017)03-0369-07

Received 2016-02-03 Returned 2016-03-30

Foundation item The Key Scientific and Technological Innovation Team Project in Shaanxi Province,China(No.2016KCT-23).