氮肥運籌對隴中旱農(nóng)區(qū)玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

王進(jìn)斌，謝軍紅，李玲玲，Eunice Essel，彭正凱，鄧超超，沈吉成，頡健輝

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

玉米(Zeamays)是世界上最具潛力的糧飼兼用型作物，其不僅可以保障糧食安全，而且還可以緩解飼料短缺[1]，目前，我國玉米70%以上用作飼料[2]。隴中旱農(nóng)區(qū)由于多變虧水、熱量有限[3]，導(dǎo)致露地玉米不能成熟。全膜雙壟溝播技術(shù)的應(yīng)用突破了玉米種植的水熱限制，顯著增加玉米產(chǎn)量和提高水分利用效率，擴(kuò)大了玉米種植區(qū)域，使玉米成為隴中旱農(nóng)區(qū)的主要作物之一[4-5]。但玉米高產(chǎn)出意味著對養(yǎng)分的高消耗[6]。故必須要優(yōu)化養(yǎng)分管理措施，才能不斷提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)水平，確保玉米生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。氮素作為玉米生長發(fā)育所必需的元素，充足的氮素供應(yīng)可以促進(jìn)玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量提高[7]。玉米生產(chǎn)中，如果后期追肥不足，容易導(dǎo)致葉綠素含量下降，引起玉米葉片早衰，進(jìn)而影響產(chǎn)量[8]，但盲目的為追求高產(chǎn)而大量施用氮肥則導(dǎo)致氮肥利用效率下降[9]，同時，過量的施用氮肥造成環(huán)境污染等問題[10]。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)[11]，氮肥運籌對作物產(chǎn)量的影響與光合作用密切相關(guān)[12-14]。然而，在隴中旱農(nóng)區(qū)卻鮮有關(guān)于氮肥運籌對玉米光合特性的研究。為此，本研究通過不同氮肥用量和施肥時期對玉米光合特性、干物質(zhì)積累分配及產(chǎn)量的影響研究，擬從光合角度探討氮肥運籌影響產(chǎn)量的機(jī)理，以期為優(yōu)化該區(qū)施氮制度提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2014、2015和2016年在甘肅省定西市安定區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)綜合實驗站進(jìn)行, 研究所依托田間定位試驗始于2012年。試區(qū)平均海拔2000 m，年無霜期140 d，屬中溫帶半干旱偏旱區(qū)，多年平均日照時數(shù)2476.6 h，太陽輻射量為592.9 kJ·cm-2；年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃積溫為2933.5 ℃，≥10 ℃積溫為2239.1 ℃，多年平均降水量為390.9 mm，80%保證率的降水量為365 mm，年蒸發(fā)量達(dá)到1531 mm，且該區(qū)降水量年際、年內(nèi)變化率大。試驗區(qū)光照和水分只能滿足一年一熟作物的要求，為隴中旱農(nóng)區(qū)典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，試區(qū)土壤為黃綿土，土質(zhì)疏松，質(zhì)地均勻，貯水性良好；凋萎含水率7.3%，飽和含水率28.6%，pH約為8.36，土壤有機(jī)質(zhì)含量12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1。2014、2015和2016年降水量分別為384.2、340.1和300.2 mm(圖1)，玉米生長期降水量分別為285.0、278.1和263.1 mm。

1.2 試驗設(shè)計

圖1 2014-2016年試驗區(qū)降水量Fig.1 Monthly rainfall in 2014-2016

在全膜雙壟溝播的基礎(chǔ)上采用二因素裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)設(shè)計4個施氮水平 (N0:不施肥；N1: 100 kg·hm-2、N2: 200 kg·hm-2、N3: 300 kg·hm-2)，副區(qū)設(shè)計2個施氮時期(T1: 1/3基肥+1/3拔節(jié)期+1/3開花期、T2: 1/3基肥+2/3拔節(jié)期)，共7個處理，3次重復(fù)， 21個小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為28 m2(3.3 m×8.5 m)，播種前施P2O5150 kg·hm-2。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，各小區(qū)播種量為5.25萬株·hm-2，參試玉米品種為‘富農(nóng)821’，在4月下旬用點播器進(jìn)行播種，10月上旬收獲，為保證出苗率，每穴播種兩粒玉米，在玉米出苗后，及時放苗、間苗，其他管理措施同大田管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1葉片光合參數(shù) 于2015年分別在玉米開花期、灌漿期，選擇晴朗天氣，在9點到11點，采用GFS-3000便攜式光合作用-熒光測量系統(tǒng)測定玉米單葉葉片光合速率(photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs)和胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)，測定部位為穗位葉。各測定項目重復(fù)3次。 用光合速率和蒸騰速率的比值計算葉片水分利用效率(Leaf water use efficiency, WUEL，μmol·mmol-1)。

1.3.2葉綠素含量的測定 于2015年分別在拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期用SPAD-502(北京制造)測定葉綠素含量，測定部位是每株玉米最大展開葉的中部，每個處理測定10株，最后求平均值。

1.3.3葉面積指數(shù)的計算 于2015年分別在玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期各小區(qū)隨機(jī)取樣3株，用直尺測量每株各葉片葉長(Lij)和最大葉寬(Bij)，計算葉面積指數(shù)(LAI)。

式中：n為j株的總?cè)~片數(shù)；m為測定株數(shù)；ρ種為種植密度。

1.3.4干物質(zhì)積累和分配測定 于2015年分別在玉米拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期各小區(qū)隨機(jī)取植株樣3株，105 ℃烘箱殺青半小時，然后80 ℃烘干至恒量。成熟期時，分別測定葉、莖、穗、穗軸和籽粒的干物質(zhì)積累量，并依次計算其分配率。

1.3.5產(chǎn)量測定 于2014、2015和2016年玉米收獲后按小區(qū)測定籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，最后換算為每公頃產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥運籌下玉米葉片光合特性的變化

由表1可知，不同施氮量、施肥時期對玉米光合特性影響明顯，二者的交互效應(yīng)對灌漿期時的蒸騰速率影響明顯，對其他光合指標(biāo)沒有影響。N3水平下的光合性能最強(qiáng)，依次為N2、N1，N0最低，T2下的光合特性強(qiáng)于T1，在開花期，N2和N3水平在同一施肥時期下差異不顯著，灌漿期時T2N2與T2N3、T1N3差異不顯著。這說明適宜的施氮量及施肥時期可以改善玉米光合特性。

表1 不同氮肥運籌下玉米光合特性的變化Table 1 Photosynthetic parameters of maize under different nitrogen application treatments

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著；* 表示P<0.05水平上顯著相關(guān)；** 表示P<0.01水平上顯著相關(guān)；ns表示沒有顯著性；N：施氮量；T：施氮時期；N*T：施氮量與施氮時期的交互效應(yīng)，下同。

Note: Different small letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level； * significant atP<0.05; ** significant atP<0.01; ns, no significance; N: Nitrogen rate； T: The time of nitrogen application； N*T: The interaction of nitrogen rate and time of application， the same below.

2.2 不同氮肥運籌下玉米葉片葉綠素含量的變化

圖2 不同氮肥運籌下玉米葉綠素含量的變化Fig.2 Chlorophyll content (SPAD) of maize under different nitrogen application treatments

不同施氮量及施肥時期下玉米葉綠素含量隨著生育進(jìn)程呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(圖2)，拔節(jié)期時，玉米葉綠素含量只受施氮量的影響，開花期和成熟期時，施氮量、施肥時期及二者的交互效應(yīng)對葉綠素影響顯著(表2)。全生育期內(nèi)，N3處理下葉綠素含量較N2、N1、N0分別平均增加50.9%、17.0%、2.7%，T2較T1平均增加2.7%。這說明適宜的氮肥運籌可以增加玉米生育后期葉片葉綠素含量。

2.3 不同氮肥運籌下玉米葉面積指數(shù)的變化

由圖3可知，隨著生育期的推進(jìn)，玉米葉面積指數(shù)呈先增大后減小的趨勢， 在灌漿期達(dá)到最大。 在各生育時期，施氮量對葉面積指數(shù)影響顯著，施肥時期對開花期、灌漿期、成熟期玉米葉面積指數(shù)影響顯著，二者的交互效應(yīng)對葉面積指數(shù)沒有影響(表3)。全生育期內(nèi)，N3、N2水平高于N1、N0，其中N3較N1、N0分別平均增加38.1%、19.6%，N2較N1、N0分別平均增加31.4%、13.8%， N2在T2時期下與N3無顯著差異。T2較T1平均增加6.1%。

2.4 不同氮肥運籌下玉米干物質(zhì)積累和分配的變化

不同施氮量、 施肥時期及二者的交互效應(yīng)對玉米各生育時期干物質(zhì)積累量影響如表4，施氮量對玉米各生育時期干物質(zhì)積累量影響顯著，施肥時期對玉米開花期、灌漿期和成熟期干物質(zhì)積累量影響顯著，二者交互效應(yīng)對玉米干物質(zhì)積累量無影響。N3水平下的干物質(zhì)積累量最高，依次為N2、N1、N0，各生育時期的平均干物質(zhì)積累量分別為9.1、180.1、292.0、403.1 g·株-1，生長速度最快的階段是拔節(jié)期到開花期，灌漿期到成熟期主要以籽粒積累量為主。與T1相比，T2在開花期、灌漿期和成熟期分別增加9.3%、8.2%和9.9%。

表2 不同氮肥運籌對玉米葉綠素含量的影響Table 2 Effects of nitrogen application on chlorophyll content (SPAD) of maize

圖3 不同氮肥運籌下玉米葉面積指數(shù)的變化Fig.3 Leaf area index of maize under different nitrogen application treatments

由表5可知， 成熟期時玉米干物質(zhì)分配量表現(xiàn)為籽粒最高，依次為莖、穗軸、葉，雄穗最低，平均分配率分別為53.8%、19.2%、14.4%、11.2%、1.4%，籽粒分配量隨干物質(zhì)積累量的增加而增加。N3水平下的籽粒分配量最高，依次為N2、N1，N0最低，T2時期下的籽粒分配量高于T1。這說明合理的施氮量及施肥時期可以增加玉米籽粒分配量。

2.5 不同氮肥運籌下玉米產(chǎn)量的變化

不同氮肥運籌下的玉米產(chǎn)量如表6，施氮量、施肥時期及二者的交互效應(yīng)對玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量影響顯著。2014、2015、2016年N3處理下的平均籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別較N0顯著增加79.2%和68.4%，N2處理下的平均籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別較N0顯著增加65.9%和54.1%，與T1相比，3年里T2下的平均籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量顯著增加9.9%和13.5%，同時，T2時期下N2的籽粒產(chǎn)量與N3無顯著差異，且T2時期下N2的生物產(chǎn)量與T1時期下N3無顯著差異。這說明適宜氮肥用量和施肥時期可以提高玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。

表3 不同氮肥運籌對玉米葉面積指數(shù)的影響Table 3 Effects of nitrogen application on leaf area index of maize

2.6 玉米葉片光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

由表7可知，在不同施氮量及施肥時期下，光合速率與籽粒產(chǎn)量(r=0.951**)和生物產(chǎn)量(r=0.971**)達(dá)到極顯著水平， 蒸騰速率與籽粒產(chǎn)量(r=0.968**)和生物產(chǎn)量(r=0.981**)達(dá)到極顯著水平， 氣孔導(dǎo)度與籽粒

產(chǎn)量(r=0.952**)和生物產(chǎn)量(r=0.969**)達(dá)到極顯著水平，胞間CO2濃度與籽粒產(chǎn)量(r=-0.913**)和生物產(chǎn)量(r=-0.944**)達(dá)到極顯著水平，葉片水分利用效率與籽粒產(chǎn)量(r=0.927*)和生物產(chǎn)量(r=0.955*)達(dá)到顯著水平，葉綠素含量與籽粒產(chǎn)量(r=0.920**)和生物產(chǎn)量(r=0.931**)達(dá)到極顯著水平，葉面積指數(shù)與籽粒產(chǎn)量(r=0.969**)和生物產(chǎn)量(r=0.984**)達(dá)到極顯著水平，籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量(r=0.996**)達(dá)到極顯著水平。這說明玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量受光合特性的影響明顯，且籽粒產(chǎn)量受生物產(chǎn)量的影響顯著。

3 討論

3.1 氮肥運籌對玉米產(chǎn)量的影響

氮素是玉米生長發(fā)育所需的最重要的元素之一，玉米在各生育時期對氮肥的需求不同[15]。相關(guān)研究表明，合理的施氮水平及其運籌方式可以顯著提高玉米產(chǎn)量，同一施氮量下，施肥時期不同其產(chǎn)量也不同[16]，本研究發(fā)現(xiàn)，施氮300 kg·hm-2和施氮200 kg·hm-2下的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均顯著高于施氮100 kg·hm-2和不施氮，而施氮300 kg·hm-2和施氮200 kg·hm-2(按1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施)間無顯著差異。并且還發(fā)現(xiàn)氮肥按1/3基肥+2/3拔節(jié)期施加時的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量較1/3基肥+1/3拔節(jié)期+1/3開花期施加分別顯著提高9.9%和13.5%。這與武文明等[17]研究結(jié)果相似，其原因是合理的氮肥運籌增加了玉米有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重[18]。而氮肥后移量與李二珍等[19]研究有所差異，這可能是由區(qū)域氣候和土壤差異所致。施氮300 kg·hm-2和施氮200 kg·hm-2(按1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施)間無差異的原因可能是氮肥過量施用，抑制了玉米根系的生長[20]，減少了根系對水分和養(yǎng)分的吸收，從而削弱了產(chǎn)量的增加。

表4 不同氮肥運籌下玉米各生育時期干物質(zhì)積累量的變化Table 4 Dry matter accumulation of maize under different nitrogen application treatments at different growth stage (g·plant-1)

表5 不同氮肥運籌下玉米成熟期干物質(zhì)分配量的變化Table 5 Dry matter distribution of maize under different nitrogen application treatments at maturity

表6 不同氮肥運籌下玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量的變化Table 6 Grain yield and biomass of maize under different nitrogen application treatments (kg·hm-2)

表7 不同氮肥運籌下玉米光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 7 The relationship between photosynthetic characteristics and yield under different nitrogen application treatments

注：Pn、Tr、Gs、Ci、WUEL、SPAD、LAI、GY 和B分別表示2015年光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、葉片水分利用效率、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。

Note:Pn,Tr,Gs,Ci, WUEL, SPAD, LAI, GY and B signify photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance, intercellular CO2concentration, chlorophyll content, leaf area index, grain yield and biomass in 2015.

3.2 氮肥運籌影響玉米產(chǎn)量的光合作用機(jī)理

玉米干物質(zhì)積累量直接影響著成熟期籽粒分配量，獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)是獲得高的干物質(zhì)積累量，并且使之盡可能多的分配到籽粒中[21]。相關(guān)研究表明，施氮量增加玉米干物質(zhì)積累量也增加，同一施氮量下，適量的氮肥后移會促進(jìn)玉米生育后期干物質(zhì)的積累[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮300 kg·hm-2和施氮200 kg·hm-2(按1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施時)玉米具有較高的干物質(zhì)積累量和籽粒分配量，同時施氮300 kg·hm-2和施氮200 kg·hm-2(按 1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施)時玉米具有高的生物產(chǎn)量，其原因主要是適宜的氮肥用量及施肥時期與玉米對氮素的需求時期相吻合[22]，同時玉米在拔節(jié)期到開花期時的生長速度最快，進(jìn)而對氮素的需求較多，從而保證玉米在生育后期具有良好的同化物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力，進(jìn)而提高籽粒分配。而氮肥按1/3基肥+1/3拔節(jié)期+1/3開花期配施時，減少作物在拔節(jié)期到開花期的養(yǎng)分吸收，從而影響玉米的生長。因此，合適的氮肥供應(yīng)可以保證玉米在生長期內(nèi)對氮素需求，從而提高干物質(zhì)積累和籽粒分配，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

對于禾谷類作物而言，生育后期的光合作用直接影響著籽粒產(chǎn)量的形成，合理的氮運籌可以調(diào)控玉米生育后期的生長及光合作用[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮300 kg·hm-2和施氮200 kg·hm-2(按1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施)時提高了玉米光合性能、葉綠素含量及葉面積指數(shù)，進(jìn)而提高了玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。其主要原因是施氮300 kg·hm-2和施氮200 kg·hm-2(按1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施)使得玉米生育后期葉片具有較強(qiáng)的光捕獲能力，改善玉米光合性能，減緩光合速率的下降幅度，為籽粒分配更多的同化物質(zhì)[24]。合理的氮肥運籌可以協(xié)調(diào)玉米生長期的需氮特性，增加玉米在灌漿期時的同化物質(zhì)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而促進(jìn)玉米的灌漿速率[25]。另外，適宜的施氮量和施肥時期可以提高葉綠素含量，增強(qiáng)PSⅠ和PSⅡ電子傳遞能力，緩解了植物衰老，增強(qiáng)了葉片對于光破壞的防御機(jī)制，有效調(diào)節(jié)了光合性能，進(jìn)而增產(chǎn)[26]。同時合理氮肥運籌延緩了花后植株下部葉片的衰老和脫落，延長了LAI高值持續(xù)期，在籽粒灌漿期保持了較高的光合面積[17]，從而提高了產(chǎn)量。有研究報道，玉米籽粒產(chǎn)量的60%以上來自花后光合同化物質(zhì)[27]。也就是說玉米灌漿期保持葉片較高的光合能力及較長的功能期，對提高作物產(chǎn)量具有重要意義。本研究中，玉米產(chǎn)量受光合特性的影響明顯。其主要原因是光合速率影響植物在光合作用中吸收的CO2量，從而影響單位時間、單位面積所轉(zhuǎn)化的同化物質(zhì)，為玉米產(chǎn)量增加奠定基礎(chǔ)；其次，植物在光下進(jìn)行光合作用，經(jīng)由氣孔吸收CO2，氣孔必須張開，氣孔開張又不可避免地發(fā)生蒸騰作用，氣孔可以根據(jù)環(huán)境條件的變化來調(diào)節(jié)自己的開度而使植物在損失水分較少的條件下獲取最多的CO2，從而增大蒸騰量的同時顯著增加產(chǎn)量，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[28]。因此，玉米光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2、葉片水分利用效率、葉綠素含量及葉面積指數(shù)共同影響著玉米產(chǎn)量。

4 結(jié)論

綜合考慮施氮量與施肥時期，在隴中旱農(nóng)區(qū)應(yīng)用全膜雙壟溝播技術(shù)種植玉米，施純氮200 kg·hm-2左右，按照1/3基肥+2/3拔節(jié)期施用，通過增強(qiáng)玉米生育后期光合性能、提高葉綠素含量和葉面積指數(shù)，增加玉米干物質(zhì)積累和分配量，從而提高玉米籽粒產(chǎn)量和飼料產(chǎn)量，促進(jìn)玉米生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。