滴灌水肥一體化不同施氮量對玉米葉綠素含量和熒光特性的影響

徐 燦， 孫建波， 宋建辰， 賈 彪， 康建宏， 馬文禮

(1.寧夏大學農(nóng)學院，寧夏銀川 750021； 2.寧夏農(nóng)墾農(nóng)林牧技術推廣服務中心，寧夏銀川 750021)

我國化肥用量居世界首位，但化肥利用率平均僅為30%[1-3]，導致面源污染加劇，威脅糧食安全和環(huán)境安全，制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。氮元素作為土壤中最主要的營養(yǎng)元素之一，同時也是葉綠素、蛋白質(zhì)和酶的重要組成成分，在作物生長過程中提供著重要的支持作用。但是氮肥也是限制作物產(chǎn)量的主要因素，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理施用氮肥可顯著提高作物產(chǎn)量，但當施氮量高于一定值后作物增產(chǎn)效果并不明顯[4]。寧夏引黃灌區(qū)單種玉米種植密度和施氮量的研究表明，當施氮量在450 kg/hm2時，可獲得最大產(chǎn)量 18 292.2 kg/hm2[5]。經(jīng)調(diào)查試驗所在地平吉堡農(nóng)戶種植玉米采用一次性基施氮肥的方法，氮肥用量為600 kg/hm2，采用大水漫灌的方式，后期追施過磷酸鈣，產(chǎn)量不足 15 000 kg/hm2。農(nóng)戶自己施用氮肥過高，但產(chǎn)量與施氮量不成正比。前人研究結果，葉綠素熒光是一種以光合作用理論為基礎，利用體內(nèi)葉綠素熒光作為天然探針，研究和探測外界因子對植物光合作用細微影響的活體測定技術。植物體內(nèi)發(fā)出的葉綠素熒光信號包含了十分豐富的信息，在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗能、分配等方面具有獨特作用，被認為是測定葉片光合功能的便捷、快速、靈敏、無損傷的探針[6]。氮素對光合作用的多個方面都具有顯著影響，在葉綠素熒光參數(shù)上也應有顯著的特征性變化。水肥一體化技術是灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術，即水分與肥料以一體的形式進行灌溉的技術，能做到適時適量施肥，有利于植株對養(yǎng)分的吸收，并充分發(fā)揮肥效。與傳統(tǒng)方式相比，水肥一體化可以減少肥料揮發(fā)、固定以及淋洗帶來的損失，肥料利用率可達30%～50%，水分利用率可提高40%～60%[7]。杜文波研究表明，與常規(guī)漫灌相比，滴灌水肥一體化節(jié)水1 192 m3/hm2，節(jié)水19.9%[8]。因此，研究水肥一體化技術對提高水肥利用效率和降低污染具有重要意義。玉米是集糧食、飼料和工業(yè)原料為一體的優(yōu)勢作物，其播種面積是僅次于小麥、水稻的第三大糧食作物[9]，在保障我國糧食安全中具有重要的地位和作用。近年來，玉米播種面積和產(chǎn)量增加迅速，但肥料和水分利用率不高，由于氮肥施用不合理以及重施化肥、少施或不施有機肥，氮肥的利用率呈逐漸下降趨勢[10]。本試驗通過應用葉綠素熒光特性到玉米不同濃度梯度的氮素用量研究，探索適宜寧夏引揚黃灌區(qū)滴灌水肥一體化條件下的氮肥最佳用量，為充分發(fā)揮水肥一體化技術的增產(chǎn)節(jié)本效果，實現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)低成本提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年在寧夏回族自治區(qū)銀川市西夏區(qū)平吉堡農(nóng)場農(nóng)六隊9號泵罐區(qū)進行，地處賀蘭山東麓(106°0′57″E，38°18′18″N)。土壤類型為淡灰鈣土，土壤質(zhì)地為輕壤土，土壤肥力中等偏下，鹽堿程度輕。土壤有機質(zhì)含量12.80 g/kg，全氮含量0.98 g/kg，堿解氮含量68.00 mg/kg，有效磷含量12.70 mg/kg，速效鉀含量179.00 mg/kg，全鹽含量 0.40 g/kg，pH值8.36。

1.2 試驗設計

試驗固定磷鉀肥用量，設不同施氮量梯度。采用隨機區(qū)組設計，7個施氮水平，施氮量分別為0 kg/hm2(N0)、82.5 kg/hm2(N1)、165 kg/hm2(N2)、247.5 kg/hm2(N3)、330 kg/hm2(N4)、412.5 kg/hm2(N5)、495 kg/hm2(N6)，P、K肥分別為138、120 kg/hm2，3次重復，共計21個小區(qū)。小區(qū)面積為52.8 m2(長16 m，寬3.3 m)，每個小區(qū)種植6行玉米，采用單種模式，寬窄行種植，平均行距為55 cm(寬行70 cm，窄行40 cm)，株距為20.2 cm。區(qū)組間設1 m走道，鋪設支管道的走道1.5 m，各小區(qū)為獨立的滴灌單元。每2行鋪設1根滴灌帶，滴灌帶鋪設在窄行內(nèi)，種植密度控制在 90 000株/hm2。

1.3 田間實施

供試玉米品種為平玉8號。4月29日播種，精量點播，用種量為30～45 kg/hm2。在3葉期間苗，5葉期定苗。供試肥料為農(nóng)墾賀蘭山生物肥廠提供的玉米滴灌專用肥，試驗不施基肥。玉米全生育期共施肥6次，于苗期施肥1次，拔節(jié)期施肥2次，抽雄期施肥1次，灌漿期施肥2次。其中苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期施肥量分別占全生育期的7%、44%、11%、37%。玉米全生育期共滴灌11次，于播種期滴灌1次，苗期滴灌1次，拔節(jié)期滴灌3次，抽雄期滴灌2次，灌漿期滴灌3次，成熟期滴灌1次，用水量為2 715 m3/hm2。

1.4 取樣及測定方法

選擇長勢一致的植株分別掛牌。于玉米4個主要生育時期，測定玉米葉片的葉綠素相對含量、熒光參數(shù)，每小區(qū)測定3株。葉綠素含量采用SPAD-plus手持葉綠素計測定；熒光參數(shù)采用FMS-2型便攜式熒光測定儀(英國Hansatech公司生產(chǎn))測定，先用夾子夾住葉片暗處理20 min，然后拉開暗室板，再用熒光儀接到夾子接口處，直接測定暗適應后田間玉米葉片的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)、熱耗散量子比率(Fo/Fm)、單位反應吸收能力(ABS/RC)、PSⅡ綜合性能指數(shù)PI等指標。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥條件對玉米葉綠素含量的影響

從圖1可以看出，玉米隨著生育時期的推進，葉綠素含量總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中以大喇叭口期葉綠素含量最高。大喇叭口期是玉米生長發(fā)育最旺盛的時期，也是養(yǎng)分吸收最快最大、決定果穗大小、穗粒數(shù)多少的關鍵時期，此時期充足的氮肥可以滿足穗分化的肥水需要，又能提高上部葉片的光合生產(chǎn)率，為玉米高產(chǎn)打下基礎。

在不同氮肥條件下，隨著施氮量的增大，葉綠素含量呈現(xiàn)逐漸上升后下降的趨勢。在抽雄期，N5處理葉綠素含量與N0、N1、N2處理差異顯著，灌漿期葉綠素含量與其他6個處理差異顯著。N5處理葉綠素含量比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理抽雄期分別增加了17.3%、18.1%、8.9%、6.1%、4.0%、3.0%，灌漿期分別增加了22.5%、7.3%、7.0%、4.9%、6.9%、6.3%。表明在一定范圍內(nèi)，合理增施氮肥，可有效提高葉綠素含量，延長葉綠素含量緩降期。葉綠素含量增加進一步促進光合效率提高，進而促進產(chǎn)量的增加。

2.2 不同氮肥條件對玉米Fo、Fm的影響

基礎熒光(Fo)是PSⅡ反應中心全部開放時的熒光，表示PSⅡ反應中心全部開放即原初電子受體(QN)全部氧化時的熒光水平，理論上指反應中心未能發(fā)生光化學反應的葉綠素熒光，它反映了外界環(huán)境對植物葉片PSⅡ的傷害程度。Fm是最大熒光產(chǎn)量，是PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產(chǎn)量，可反映經(jīng)過PSⅡ的電子傳遞情況。

從圖2可以看出，隨著生育時期的推進，F(xiàn)o呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(圖2-A)，F(xiàn)m呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖2-B)。在不同施氮量條件下的Fo、Fm變化趨勢表明，F(xiàn)o呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，F(xiàn)m呈現(xiàn)逐漸先升高后下降的趨勢。在抽雄期時，不同施氮量條件下，N5處理比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理Fo分別降低了4.8%、5.8%、0.5%、6.7%、9.3%、5.8%，大喇叭口期，N5處理比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理的Fm分別高31.5%、26.3%、20.1%、17.1%、6.3%、19.2%，表明當施肥處理在N5水平時，可有效降低初始熒光Fo，增加PSⅡ的電子傳遞，提高玉米葉片的光合作用。

2.3 不同氮肥條件對玉米葉綠素熒光Fv/Fm、Fv/Fo的影響

Fv/Fm代表植物葉片暗適應下PSⅡ反應中心完全開放時原初光能轉換效率，反映PSⅡ利用光能的能力。Fv/Fo是PSⅡ量子效率，代表了PSⅡ的潛在光合作用活性。

從圖3可以看出，隨著玉米生育時期的推移，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。不同施氮量下的Fv/Fm、Fv/Fo變化趨勢表明，隨著施氮量的增加，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。拔節(jié)期N0處理Fv/Fm顯著低于其他處理，大喇叭口期N0、N1處理Fv/Fm顯著低于N4、N5、N6處理，表明施肥有利于提高PSⅡ反應中心光能轉換效率。在大喇叭口期，N5處理Fv/Fm比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理高11.9%、8.6%、5.5%、5.5%、2.2%、0.74%。大喇叭口期和抽雄期，F(xiàn)v/Fo以N5處理最高，表明在N5處理下的PSⅡ反應中心光能轉換效率和PSⅡ潛在光合作用活性最大。灌漿期的Fv/Fm、Fv/Fo驟降，可能是由于玉米后期植株衰老，影響了PSⅡ捕獲激發(fā)能效率和光合作用原初反應，使PSⅡ反應中心內(nèi)光能轉換效率和潛在活性受到影響，從而分配作用于光合作用的光減少，進而減弱光合作用。

2.4 不同氮肥條件對玉米葉綠素熒光Fo/Fm的影響

Fo/Fm反映了PSⅡ熱耗散量子比率。從圖4可以看出，隨著生育時期的推移，熱耗散量子比率Fo/Fm呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。不同施氮量處理間Fo/Fm表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢。在拔節(jié)期N0處理高于其他處理的Fo/Fm。在大喇叭口期，N5處理Fo/Fm比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理分別降低41.9%、31.7%、37.1%、19.4%、14.5%、29.0%，表明當施氮量在 412.5 kg/hm2時能夠提高PSⅡ反應中心內(nèi)光能轉換效率和潛在活性。Fo/Fm在灌漿期升高，表明玉米在生育后期因為植株老化而使得PSⅡ活性受到影響，使得Fo/Fm明顯升高。

2.5 不同氮肥條件對玉米PI的影響

PI是葉綠素吸收、捕獲、傳遞及耗散能量的綜合性能指數(shù)，反映了PSⅡ的整體功能，只要PSⅡ的部分受到傷害，PI就能反映出來。

從圖5可以看出，隨著生育時期的推移，PI總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。抽雄期的PI最大，說明抽雄期是玉米光合最強的時期，在此時期合理施肥灌水可有效增加玉米產(chǎn)量。在大喇叭口期時，N5處理的PI比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理分別提高了46.5%、40.5%、38.2%、30.4%、15.6%、4.4%，在抽雄期時，N5處理的PI比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理分別提高了 34.3%、27.0%、27.7%、13.0%、10.8%、2.6%。表明當施氮量在412.5 kg/hm2條件下可有效提高PSⅡ的電子傳遞速率和光化學活性，增加光合能力。

2.6 不同氮肥條件對玉米ABS/RC的影響

ABS/RC是PSⅡ單位反應中心吸收的光能，可以準確地反映植物光合機構的整體狀態(tài)。從圖6可以看出，隨著玉米生育時期的推進，ABS/RC整體呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，其中以抽雄期的ABS/RC最大，說明在抽雄期PSⅡ單位反應中心吸收的光能最多。在不同施氮量處理間ABS/RC總體表現(xiàn)為下降的趨勢，說明施氮量的增加不影響PSⅡ單位反應中心吸收的光能，而是從其他方面影響光合能力。在抽雄期時，N0處理ABS/RC比N1、N2、N3、N4、N5、N6處理分別高6.7%、26.4%、31.9%、33.3%、38.6%、49.5%。

2.7 不同氮肥條件對玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響

從表1可以看出，隨著施氮量的增加，玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在N5處理條件下產(chǎn)量最高，為 749.6 kg/667 m2。N5處理的株高、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、穗粗、穗長都高于其他施氮處理，禿尖低于其他施氮處理。說明在一定范圍內(nèi)増加施肥量對玉米生長發(fā)育有明顯積極影響。N5處理產(chǎn)量比N0、N1、N2、N3、N4、N6處理分別提高了12.8%、12.0%、4.6%、3.9%、3.5%、1.4%，但處理間差異不顯著。說明在N5處理條件下可有效增加玉米產(chǎn)量，但施氮量過高也會抑制玉米光合作用，從而表現(xiàn)為減產(chǎn)。根據(jù)不同施氮量水平與產(chǎn)量進行回歸擬合得出一元二次方程y=-0.075 7x2+4.663 6x+669.33(圖7)，求極值x=30.8 kg/667 m2，表明當施氮量為30.8 kg/667 m2時，產(chǎn)量達到最大值y=741.16 kg/667 m2。

表1 不同氮肥處理對玉米產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟性狀的影響

3 討論與結論

葉綠素作為光合反應中重要的光合色素，是反映其光合能力的重要指標之一，葉綠素含量往往直接影響著光合作用的速率和光合產(chǎn)物的形成。保持較高的葉綠素含量為較高的光合速率奠定了物質(zhì)和能量基礎，最終促進作物產(chǎn)量的提高。前人研究指出，增施氮肥能提高玉米葉片葉綠素含量，增強PSⅠ和PSⅡ的電子傳遞能力，延長葉片的葉綠素含量緩降期和光合速率高值持續(xù)期，改善光合性能[11]。本研究結果，在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，在412.5 kg/hm2施氮處理下的葉綠素含量達到最高?？梢钥闯鲞m宜的施氮量可以保持較高的葉綠素含量，但當施氮量過高反而會抑制葉綠素含量，進而影響凈光合速率。

葉綠素熒光是研究植物光合作用的內(nèi)在探針，植物發(fā)出的葉綠素熒光信號含有豐富的光合作用變化信息，可以反映葉片光合作用光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散和分配[12]。在不同施氮量條件下，通過對葉綠素熒光特性的研究可以了解植物的生長和受脅迫的生理狀態(tài)[13]。初始熒光Fo的變化主要與PSⅡ捕光天線和反應中心的結構與功能有關，F(xiàn)o如若增加，表明PSⅡ反應中心受到不易逆轉的破壞，玉米葉片光合能力下降，過剩的光能積累必然使激發(fā)能在PSⅡ中滿溢，從而使PSⅡ遭受破壞，表現(xiàn)為Fo升高，光化學效率Fv/Fm下降。本研究表明，F(xiàn)o隨施氮量的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，在412.5 kg/hm2條件下Fo最低，說明N5處理的光合能力最好。王菲等的研究表明，葉綠素含量增加促進了葉片熒光能力的提高，F(xiàn)m值增加，之后隨著植株生育期的推進，葉片光合作用和參與光化學反應的量子產(chǎn)量都顯著增加，F(xiàn)m值逐漸的降低；PSⅡ潛在活性Fv/Fo和PSⅡ最大光化學效率Fv/Fm的變化可以作為判斷植株是否受光抑制的指標[14]。符建國等的研究結果表明，隨著施氮量的增加，煙葉的PSⅡ最大光化學效率Fv/Fm和Fv/Fo值隨之越大[15]。譚雪蓮等的研究結果，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo隨施氮量增加而增加表明，適當增施氮肥使植株能夠較充分地獲得氮營養(yǎng)元素，由于氮素是許多輔酶和輔基如NAD+、FAD、NADP+及葉綠素的分子構成成分，從而有利于各種酶及多種電子傳遞體等成分的合成，能夠改善植株葉片的光合性能[16]。本研究結果表明，隨著施氮量的增加，F(xiàn)m、Fv/Fm和Fv/Fo都表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，在412.5 kg/hm2處理下都達到最大值。這幾個參數(shù)都同 PSⅡ 反應中心的活性密切相關，表明合理增施氮肥可以有效地提高葉片的光合性能?？渍裢ㄟ^研究毛竹葉綠素熒光特性表明，施肥處理可以提高光系統(tǒng)Ⅱ單位反應中心的吸收電子ABS/RC能力，同時還能有效地使其葉片中的電子傳遞到光合電子傳遞鏈中[17]。本研究結果表明，隨著施氮量的增加，綜合性能指數(shù)PI呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，單位反應吸收能力(ABS/RC)呈現(xiàn)下降的趨勢，說明增施氮肥對玉米葉片熒光特性影響主要是增強電子傳遞能力，提高反應中心活性。施氮量過高，光合電子傳遞效率下降，表明玉米在高氮水平均會使光合電子傳遞受阻，從而降低光合速率。

玉米是喜氮作物，氮元素是土壤中最主要的營養(yǎng)元素之一[18]。適量施用氮肥可顯著提高玉米產(chǎn)量[19-20]，少施氮肥會引起玉米生育期固氮量不足影響玉米的生長發(fā)育及產(chǎn)量，而過量施肥又會引起氮脅迫，造成肥料的浪費進而污染環(huán)境。如何選擇最優(yōu)的施肥方案有效提高玉米產(chǎn)量、減少環(huán)境污染、增大生產(chǎn)效益？本研究結果表明，當施氮量在462 kg/hm2時，玉米滴灌水肥一體化達到最大產(chǎn)量為11 117.4 kg/hm2。李小煒等研究表明，當施氮量在412.5 kg/hm2時獲得最大利潤產(chǎn)量11 780.1 kg/hm2[21]，本研究結果與其一致。因此，適量的氮肥會提高玉米的葉綠素含量，提高光合效率，穩(wěn)定光合反應中心電子傳遞系統(tǒng)，從而提高電子傳遞效率來促進能量的高效分配，其中以施氮量在412.5 kg/hm2時效果最佳。

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