小麥光合特性及產(chǎn)量構(gòu)成對(duì)長期不同土壤培肥模式的響應(yīng)

張向前，曹承富，張存嶺，陳 歡，喬玉強(qiáng)，杜世州，李 瑋，趙 竹

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，安徽合肥 230031；2.濉溪縣楊柳農(nóng)業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)站，安徽淮北 235100)

土壤質(zhì)量不僅取決于土壤理化性狀，而且與土壤生物學(xué)特性密切相關(guān)，培肥土壤是充分開發(fā)、利用土地資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)[1-2]。近年來,由于施肥結(jié)構(gòu)的改變、有機(jī)肥銳減、化肥不合理施用等因素的影響,土壤肥力因素間自我協(xié)調(diào)能力一定程度上有所減弱,部分典型土壤生態(tài)區(qū)肥力狀況欠佳，耕地生產(chǎn)力提升困難。因此,加強(qiáng)和完善土壤質(zhì)量管理和培肥已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)之一。土壤是農(nóng)作物生長的主要載體，在農(nóng)作物生長期間，需要保證土壤養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)，這就對(duì)土壤肥力有一定的要求[3]。為保證農(nóng)作物的持續(xù)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，就要注重土壤培肥，采用合理的培肥方式，以提高土壤綜合生產(chǎn)能力[4-5]。

研究表明，化肥與不同種類有機(jī)物料配合施用對(duì)提高土壤全氮、速效磷、速效鉀含量及改善土壤微生物特性具有明顯的促進(jìn)作用[6]。長期有機(jī)無機(jī)肥配施可以明顯提高土壤微生物量碳氮、土壤呼吸，其中氮磷肥與廄肥配施培肥土壤的效果最好[7]。在江西紅壤培肥研究中發(fā)現(xiàn)，長期單施化肥易造成土壤物理性質(zhì)退化，降低土壤微生物活性，而有機(jī)肥與化肥配施能顯著增加土壤微生物生物量，其中長期施用豬糞可以明顯改善土壤的物理特性，提高土壤微生物的生命活動(dòng)[8]。安徽淮北砂姜黑土養(yǎng)分貧瘠，耕層淺薄，結(jié)構(gòu)不良，適耕期短，保水保肥性能差，致使該地區(qū)土地生產(chǎn)力低下，作物增產(chǎn)困難。如何通過適宜的施肥措施培肥和改良淮北砂姜黑土，對(duì)提高該區(qū)土壤質(zhì)量和增加作物產(chǎn)量具有重要的意義。前人對(duì)土壤培肥的研究多集中在土壤理化和生物學(xué)特性方面，而本研究以35年長期定位土壤培肥試驗(yàn)為依托，基于小麥光合和產(chǎn)量，重點(diǎn)分析了土壤經(jīng)長期不同施肥方式培肥后在不施肥條件下的養(yǎng)分后續(xù)供應(yīng)能力差異，并篩選出砂姜黑土的最佳土壤培肥模式，以期為砂姜黑土區(qū)土壤培肥和作物增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015-2016年在安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所濉溪縣楊柳試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)點(diǎn)位于東經(jīng)116°30＇，北緯33°15＇。試驗(yàn)采用盆栽方式，完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，土壤(砂姜黑土，其成土母質(zhì)為黃土性古河沉積物)來自于長期定位土壤培肥試驗(yàn)(1981年開始至今)各小區(qū)耕層土壤。長期土壤培肥小區(qū)試驗(yàn)種植模式為玉米-小麥輪作，種植玉米品種為鄭單958，小麥品種為濟(jì)麥22，每季作物收獲后將秸稈移除，實(shí)施根茬還田。盆栽試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。試驗(yàn)盆高32 cm,上口直徑32.0 cm,下口直徑26.0 cm，每盆裝干土15.5 kg，試驗(yàn)盆埋于土壤中。2015年10月14日將小麥品種濟(jì)麥22的種子播于各試驗(yàn)盆中，每盆播15粒，出苗后每盆留8株麥苗，并于2016年5月30日收獲。試驗(yàn)共計(jì)5個(gè)施肥處理(表2)，每個(gè)處理4 次重復(fù)。施肥的 4 個(gè)處理實(shí)行定氮，磷、鉀素不統(tǒng)一定量。所用化肥為復(fù)合肥(N、P2O5和K2O含量皆為15%)，N 素不足用尿素補(bǔ)齊。所施有機(jī)肥為豆餅肥(N 60～70 g·kg-1、P2O510～30 g·kg-1、K2O 20～30 g·kg-1、有機(jī)質(zhì)300～400 g·kg-1)，有機(jī)肥用量均按當(dāng)季肥料養(yǎng)分分析后的實(shí)際含量折算。磷鉀肥和有機(jī)肥全部用作基肥，且有機(jī)肥全部于小麥季施用，夏播作物不施有機(jī)肥。氮肥基追比例玉米為3∶5(大口期追肥)，小麥為6∶4(拔節(jié)期追施)。

表1 試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of soil before the test

DOC：Dissolved organic carbon;Corg:Organic carbon;TN:Total N;AK:Available K;AP:Available P.

表2 1981年至今定位試驗(yàn)的各處理周年肥料施用量Table 2 Applied fertilizer amount under different treatments in the long term experiment since 1981

1.2 測定項(xiàng)目及方法

旗葉面積測定：于開花期和灌漿中期用直尺量出旗葉的長度和最寬處，然后用長和寬的乘積再乘以折算系數(shù)0.83算出旗葉面積。

葉綠素含量測定：用日產(chǎn)葉綠素測定儀(SPAD-502)測定，于小麥開花期和灌漿中期分別在旗葉上均勻取5個(gè)點(diǎn)測定。

光合特性測定：于小麥孕穗期和灌漿中期采用Li-6400便攜式光合儀(美國LI-COR公司)，選擇晴朗無云天氣在上午9:30-11:30測定小麥旗葉光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定：于小麥孕穗期和灌漿中期選擇植株生長進(jìn)程一致且受光方向相同的小麥旗葉，用德國WALZ公司生產(chǎn)的PAM-2500型熒光儀測定旗葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)，測定時(shí)先暗適應(yīng)20 min進(jìn)行暗適應(yīng)測定，然后再進(jìn)行光適應(yīng)測定。測定指標(biāo)包括初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)。

產(chǎn)量測定：于小麥成熟期將每盆小麥分別收割，并統(tǒng)計(jì)出每盆經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0軟件和最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，運(yùn)用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤培肥模式對(duì)小麥旗葉面積的影響

在不施肥情況下，不同長期培肥的土壤上，小麥旗葉面積以MNPK和HMNPK處理最高，兩者差異不顯著，其中在灌漿中期MNPK和HMNPK處理比M處理增加了9.6%和12.4%，比NPK處理增加了19.7%和22.8%。M處理旗葉面積高于NPK處理，其中在開花期兩者差異顯著(圖1)。CK的旗葉葉面積顯著低于其他處理。

2.2 土壤培肥模式對(duì)小麥旗葉葉綠素含量的影響

CK的小麥旗葉葉綠素含量顯著低于其他處理(圖2)。在開花期和灌漿中期，NPK、M、MNPK和HMNPK處理分別比CK增加14.8%、16.7%、24.4%、26.1%和21.9%、27.6%、37.2%、39.0%。M處理在開花期和灌漿中期與NPK處理差異不顯著，表明長期有機(jī)肥或化肥單施培肥對(duì)小麥葉綠素含量的影響相近。MNPK和HMNPK處理間差異不顯著，但二者顯著高于M和NPK處理，表明長期有機(jī)肥與化肥配施培肥土壤對(duì)小麥葉綠素的促進(jìn)作用優(yōu)于二者單施。

圖柱上的字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

Different letters on columns mean significant difference among treatments at 0.05 level.The same in following figures.

圖1不同土壤培肥模式下小麥旗葉面積差異

Fig.1Differenceofflagleafareaofwheatunderdifferentsoilfertilizationmodels

圖2 不同土壤培肥模式下小麥旗葉葉綠素含量差異Fig.2 Difference of chlorophyll content of wheat flag leaf under different soil fertilization models

2.3 土壤培肥模式對(duì)小麥旗葉光合特性的影響

在開花期和灌漿中期，MNPK和HMNPK處理間小麥旗葉光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度差異皆不顯著(表3)，但二處理的光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均高于其他處理，而胞間CO2濃度低于其他處理；CK的光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率顯著低于其他處理，胞間CO2濃度則顯著高于其他處理。這說明長期土壤培肥有利于小麥旗葉光合特性的改善，且有機(jī)無機(jī)肥配施效果優(yōu)于有機(jī)肥或無機(jī)肥單施。

表3 不同土壤培肥模式下小麥光合特性的差異Table 3 Differences in photosynthetic characteristics of wheat under different soil fertilization models

各列后不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著(P<0.05)。下表同。

Small letters in same columns indicate significant difference among the treatments(P<0.05).The same in other tables.

表4 不同土壤培肥模式下小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異Table 4 Differences in chlorophyll fluorescence parameters of wheat under different soil fertilization models

2.4 土壤培肥模式對(duì)小麥旗葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

土壤經(jīng)長期培肥后，除灌漿中期HMNPK處理的小麥旗葉Fv/Fm顯著高于MNPK外，MNPK和HMNPK處理間Fo、Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP、qN差異皆不顯著。MNPK和HMNPK處理的Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP皆高于M和NPK處理，而Fo和qN皆低于M和NPK處理。M處理的Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP高于NPK處理，而Fo和qN低于NPK處理。CK的Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP顯著低于施肥處理，而Fo和qN顯著高于施肥處理(表4)。這說明長期土壤培肥有利于改善小麥旗葉熒光特性，且有機(jī)無機(jī)肥配施效果優(yōu)于有機(jī)肥或無機(jī)肥單施。

2.5 土壤培肥模式對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

在所有處理中，CK的小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)最低(表5)，其中MNPK和HMNPK處理分別比CK增加90.5%、273.5%、286.9%、211.8%、20.4%和87.9%、243.0%、269.3%、206.7%、24.1%。M處理的穗粒數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)均顯著高于NPK處理，且分別增加了10.0%、10.6%、7.6%和3.0%，而每盆穗數(shù)在NPK與M處理間差異不顯著。HMNPK處理的穗數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)與MNPK處理差異皆不顯著，而穗粒數(shù)顯著高于MNPK處理。MNPK和HMNPK處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量皆高于NPK和M處理，其中MNPK和HMNPK處理的穗粒數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)分別比NPK處理增加26.7%、26.3%、15.9%、8.9%和16.3%、20.6%、14.0%、5.7%。以上結(jié)果說明長期的土壤培肥有利于改善小麥旗葉熒光特性，且有機(jī)無機(jī)肥配施效果優(yōu)于有機(jī)肥或無機(jī)肥單施。

表5 不同土壤培肥模式下小麥產(chǎn)量的差異Table 5 Differences in yield of wheat under different soil fertilization models

3 討 論

旗葉是小麥關(guān)鍵源器官，其面積大小和生理活性可引起葉片及整個(gè)植株生理生化代謝的改變，影響籽粒發(fā)育并最終限制產(chǎn)量的形成[9]。相同受光條件下，葉面積越大，越有利于攔截更多的光照制造同化產(chǎn)物。施肥可促進(jìn)作物葉片生長發(fā)育。與化肥單施相比，有機(jī)肥單施能明顯提高春玉米的葉面積，而有機(jī)肥單施與有機(jī)肥和無機(jī)肥配施的葉面積差異較小[10]。長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥葉面積的大小明顯受不同施肥處理的影響[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤經(jīng)長期培肥后在不施肥情況下小麥開花期和灌漿中期的旗葉面積均以有機(jī)肥與化肥配施的MNPK和HMNPK處理最高(二者差異不顯著)，有機(jī)肥單施處理也高于化肥單施處理，表明有機(jī)肥施用尤其是有機(jī)肥與化肥配施對(duì)小麥葉面積具有明顯的促進(jìn)作用。葉綠素含量往往能直接影響著光合作用的速率和光合產(chǎn)物的形成，并最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[12-13]。長期施肥模式明顯影響小麥葉綠素含量，在小麥各生育時(shí)期，氮肥與磷鉀肥配施及與有機(jī)肥配施處理的葉綠素含量均大于非平衡施肥處理[14]。在水稻上也有類似的報(bào)道[15]。本研究中，CK的葉綠素含量最低，長期有機(jī)肥與化肥配施的效果顯著好于長期單施化肥和有機(jī)肥。

作物生長發(fā)育必須依賴于一定的土壤養(yǎng)分供應(yīng)，土壤養(yǎng)分水平過高和過低都會(huì)對(duì)作物光合等生理生化過程產(chǎn)生影響[16]。施肥方式對(duì)作物的生育進(jìn)程及光合速率都具有較大的影響[17-18]，與長期氮磷鉀配施處理相比，不施肥或缺磷、缺氮、缺鉀是導(dǎo)致作物光合速率下降和減產(chǎn)的主要原因之一[17]。本研究中，在不施肥情況下，長期有機(jī)肥與化肥配施的MNPK和HMNPK(高氮)處理間在光合特性方面差異不顯著，但二者的光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率明顯高于長期單施有機(jī)肥的M處理和單施化肥的NPK處理。葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反應(yīng)光合作用“內(nèi)在性”生理特點(diǎn)，可以快速、靈敏和非破壞性地分析光合作用受環(huán)境因子的影響程度，植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化一定程度上可以反映生態(tài)環(huán)境因子和植物自身生長發(fā)育狀態(tài)對(duì)作物光合特性的影響[19-20]。胡 誠等[21]研究表明，在對(duì)低肥力的農(nóng)田土壤進(jìn)行培肥時(shí)以有機(jī)肥與化肥配施的培肥效果最好。本研究中，土壤經(jīng)長期不同施肥模式培肥后，在不施肥情況下，除灌漿中期HMNPK處理的Fv/Fm顯著高于MNPK處理外，MNPK和HMNPK處理間的Fo、Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP、qN差異皆不顯著?？傮w來看，在改善小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)方面，有機(jī)肥與化肥配施的效果優(yōu)于長期化肥單施和有機(jī)肥單施，長期單施有機(jī)肥的效果略好于長期單施化肥。

在侵蝕坡耕地上，施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施能有效改善土壤理化性狀和基礎(chǔ)肥力，明顯提高玉米產(chǎn)量[22]。本研究表明，土壤經(jīng)長期培肥后，在無外來養(yǎng)分供應(yīng)下，有機(jī)肥與化肥配施培肥處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)皆高于長期化肥單施和有機(jī)肥單施處理，而有機(jī)肥與化肥配施的MNPK和HMNPK處理間差異皆不顯著。CK的收獲指數(shù)、穗數(shù)、穗粒數(shù)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物產(chǎn)量均顯著低于其他處理?？傮w來看，有機(jī)肥和無機(jī)肥長期配施培肥土壤對(duì)小麥旗葉發(fā)育、光合產(chǎn)量形成有明顯促進(jìn)效應(yīng)，效果優(yōu)于無機(jī)肥或有機(jī)肥單施。其可能原因：一是由于化肥配施有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性、土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)均有一定改善，有效提高了土壤潛在肥力[23-24]；二是單施化肥雖能增加和確保作物產(chǎn)量、提高土壤有效養(yǎng)分含量,但常常會(huì)導(dǎo)致肥料利用率、土壤理化性狀、土壤微生物肥力等指標(biāo)降低，在無外來養(yǎng)分供應(yīng)的條件下經(jīng)有機(jī)肥培肥后土壤養(yǎng)分續(xù)供應(yīng)能力明顯優(yōu)于單施化肥[25]；三是從養(yǎng)分投入看,施用有機(jī)物比施用化學(xué)肥料的氮、磷元素投產(chǎn)比更高,且更利于提高土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[26-27]。

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