多年秸稈還田后減追氮肥對(duì)玉米穗位葉光合特性和衰老生理的影響

段宏凱，王宏富，魚(yú)冰星，王鈺云，楊健，李衛(wèi)東

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 山西 太谷 030801)

玉米是我國(guó)種植面積最大的農(nóng)作物[1]，而秸稈還田與施用氮肥對(duì)改善玉米品質(zhì)與產(chǎn)量具有重要意義。多年秸稈還田對(duì)提高土壤肥力、改善土壤物理性狀有顯著的積極作用[2]。目前，農(nóng)戶(hù)常規(guī)玉米栽培技術(shù)中氮肥施用量嚴(yán)重過(guò)剩[3]，而過(guò)量的氮肥投入不僅不利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育，而且會(huì)造成諸多環(huán)境問(wèn)題[4]。多年秸稈還田的土壤中減施氮肥可以在不影響玉米產(chǎn)量、品質(zhì)的前提下減少對(duì)環(huán)境的影響方面有積極作用。玉米穗位葉的光合能力在很大程度上影響其產(chǎn)量建成[5]，其葉片的光合特性與衰老生理指標(biāo)又可以反映出玉米光合能力大小[6]，因此研究多年秸稈還田后減追氮肥對(duì)玉米穗位葉光合特性與衰老生理的影響具有重要意義。前人在氮肥對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育方面已有不少探索，楊秀娟等[7]在研究氮肥對(duì)水稻苗POD、SOD活性影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：苗期增施氮肥后能夠顯著增加SOD活性，降低POD活性。劉艷等[8，9]在研究發(fā)現(xiàn)隨著施氮量的增加能顯著提高玉米穗位葉中保護(hù)酶POD、SOD活性，降低MDA含量。王空軍等[10]研究指出玉米中后期維持較高SOD濃度有利于產(chǎn)量的建成。而且秸稈還田與深翻土地的耕作制度能夠顯著提高玉米產(chǎn)量，提高玉米葉片光合能力，延緩后期葉片衰老[11]。氮肥也能夠促進(jìn)提高玉米穗位葉光合速率、增加葉面積、提高SPAD值等指標(biāo)[12]。秸稈還田結(jié)合氮肥處理更能夠顯著增加作物光合能力，提高葉面積指數(shù)[13]。 劉劍釗等[14]研究發(fā)現(xiàn)氮肥用量為210 kg·hm-2時(shí)，葉面積指數(shù)和葉片SPAD值最高，但當(dāng)施氮量為330 kg·hm-2時(shí)葉片凈光合速率降低。諸多專(zhuān)家學(xué)者在研究中均發(fā)現(xiàn)合理的氮肥施入量能夠通過(guò)協(xié)調(diào)植物體內(nèi)各種酶的活性，延緩葉片衰老過(guò)程，增加光合作用量，最終提高作物產(chǎn)量[15，16]。

前人在氮肥對(duì)玉米生理指標(biāo)方面已有許多研究結(jié)果，但其在山西中晚熟玉米種植區(qū)內(nèi)的連續(xù)多年秸稈還田配合深翻土地的耕作制度下對(duì)比常規(guī)追氮量、減追25%氮肥、減追50%氮肥以及不追氮肥之間對(duì)多個(gè)玉米品種穗位葉生理指標(biāo)的影響研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究將著重探討在連續(xù)多年秸稈還田配套深翻土地的耕作制度下減追氮肥對(duì)玉米穗位葉生理指標(biāo)的影響，從生理指標(biāo)角度判斷這種耕作制度對(duì)減追氮肥的貢獻(xiàn)大小，為玉米栽培的減氮增效模式提供生理指標(biāo)方面的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基本概況

試驗(yàn)于2018年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站試驗(yàn)基地進(jìn)行，位于山西省中部(東經(jīng)112°34′，北緯37°25′)平均海拔800 m左右，年平均降雨量475.9 mm左右，年平均氣溫9.4～10.5 ℃，無(wú)霜期176天左右。氣候?yàn)榈湫偷拇箨懶约撅L(fēng)氣候，土壤為輕度沙壤土，試驗(yàn)田已有8年連續(xù)的秸稈還田，且上茬作物收獲后的休閑期內(nèi)均進(jìn)行深翻土地。于2017年4月測(cè)得土壤有機(jī)質(zhì)含量24.88 g·kg-1，全氮1.93 g·kg-1，速效氮126.6 mg·kg-1，有效磷69 mg·kg-1，有效鉀151 mg·kg-1，pH 7.74。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用9個(gè)玉米品種：A1‘協(xié)玉3號(hào)’、A2‘協(xié)玉4號(hào)’、A3‘先玉335’、A4‘協(xié)玉5號(hào)’、A5‘協(xié)玉6號(hào)’、A6‘大豐30’、A7‘協(xié)玉7號(hào)’、A8‘軍玉288’、A9‘協(xié)玉8號(hào)’，在拔節(jié)期進(jìn)行追肥處理試驗(yàn)，追肥為尿素(含氮量46%)，4種不同的追尿素量：B1：0 kg·hm-2(對(duì)照)；B2：300 kg·hm-2；B3：450 kg·hm-2；B4：600 kg·hm-2(常規(guī))。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共108個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)行長(zhǎng)15 m、寬2.5 m，面積37.5 m2，采用行距為50 cm的等行密植栽培技術(shù)。在2017年4月27日人工點(diǎn)播，播種前每公頃施三元復(fù)合肥(20-17-13) 600 kg·hm-2，播種后當(dāng)天噴灑1 500 mL·hm-2250%乙草胺乳油，于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲授粉后15天各澆一次水，并相應(yīng)的做好田間管理工作。7月20日隨機(jī)取樣，隨即放入冰箱中冷凍貯藏。

1.3 調(diào)查項(xiàng)目

在玉米灌溉期隨機(jī)選取每個(gè)小區(qū)中間兩行的3 片穗位葉為試驗(yàn)材料，用SPAD-502葉綠素計(jì)測(cè)其SPAD值。用LI-6400便攜式光合儀測(cè)其凈光合速率(Pn)。POD活性測(cè)定用0.1%愈創(chuàng)木酚和雙氧水；SOD活性測(cè)定用NBT(氮藍(lán)四唑)光還原法；MDA活性測(cè)定用TBA(硫代巴比妥酸)還原法[17]。

1.4 計(jì)算方法及統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和DPS 7.05對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。差異顯著性檢驗(yàn)用Duncan法，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉光合特性的影響

2.1.1 不同處理對(duì)穗位葉光合速率的差異性分析

穗位葉光合速率是衡量穗位葉光合強(qiáng)度的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中不同處理對(duì)玉米穗位葉光合速率有顯著的影響(如圖1)。B2、B3與B4追氮處理下各品種光合速率均顯著高于B1處理下各品種平均光合速率(P<0.05)，說(shuō)明追施氮肥能夠顯著增加穗位葉光合速率，B3處理下各品種平均光合速率顯著高于B4處理下各品種光合速率，說(shuō)明高追氮量對(duì)穗位葉光合速率有顯著的抑制作用，反映出合理追氮量才能顯著提高穗位葉光合速率。高追氮量對(duì)不同品種的穗位葉光合速率影響也不一致，除A2、A6、A7、A8與A9品種之外，其余品種的穗位葉光合速率隨追氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，且在B3追氮量處理下達(dá)到最高值，說(shuō)明這幾個(gè)品種適宜通過(guò)提高追氮量增加穗位葉光合速率。

圖1 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉光合速率的影響Fig.1 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on Pn in ear leaf of maize 注：圖中不同小寫(xiě)字母表示5 %差異顯著性。A1:協(xié)玉3號(hào),A2:協(xié)玉4號(hào),A3:先玉335,A4:協(xié)玉5號(hào),A5:協(xié)玉6號(hào),A6:大豐30,A7:協(xié)玉7號(hào),A8:軍玉288,A9:協(xié)玉8號(hào)。B1：0 kg·hm-2,B2：300 kg·hm-2,B3：450 kg·hm-2,B4：600 kg·hm-2。下同。Note:In the figure,different small letter superscripts mean significant(p<0.05).A1:Xieyu 3,A2:Xieyu 4,A3:Xianyu 335,A4:Xieyu 5,A5:Xieyu 6,A6:Dafeng 30,A7:Xieyu 7,A8:Junyu 288,A9:Xieyu 8.B1：0 kg·hm-2,B2：300 kg·hm-2,B3：450 kg·hm-2,B4：600 kg·hm-2.The same below.

2.1.2 不同處理對(duì)穗位葉SPAD值差異性分析

穗位葉SPAD是穗位葉葉綠素含量的重要指標(biāo)，是影響穗位葉光合能力的重要參數(shù)。本試驗(yàn)中不同減氮措施顯著影響玉米穗位葉SPAD值(如圖2)。B2、B3與B4追氮處理下各品種平均穗位葉SPAD值均顯著高于B1追氮處理下各品種平均穗位葉SPAD值，說(shuō)明追施氮肥有利于提高穗位葉SPAD值；B3追氮處理下各品種平均穗位葉SPAD值顯著高于B4追氮處理下各品種平均穗位葉SPAD值，說(shuō)明高追氮量對(duì)穗位葉SPAD值有較強(qiáng)的抑制效應(yīng)。但不同品種穗位葉SPAD值對(duì)高追氮量的響應(yīng)也不一致，除A1、A3之外其余品種在B3追氮量處理下穗位葉SPAD值與B4追氮處理下穗位葉SPAD差異未達(dá)顯著水平，說(shuō)明B3處理能夠在保證穗位葉SPAD不降低的前提下減施氮肥，從而提高氮肥利用率。

圖2 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉SPAD的影響Fig.2 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on SPAD in ear leaf of maize

2.1.3 不同處理對(duì)穗位葉葉面積差異性分析

穗位葉葉面積是玉米截獲光能的物質(zhì)載體，其大小直接影響到玉米對(duì)光能的截獲和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的形成。本試驗(yàn)中各減氮處理下玉米穗位葉葉面積差異達(dá)到顯著性水平(圖3)，穗位葉葉面積隨著追氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，B3追氮處理下各品種平均穗位葉葉面積顯著高于其他追氮處理下各品種平均穗位葉葉面積(P<0.05)，且其余處理之間各品種平均穗位葉SPAD值差異未達(dá)顯著水平，說(shuō)明B3追氮量能夠顯著提高穗位葉葉面積；B3追氮量處理下各品種平均穗位葉葉面積顯著高于B4追氮量處理下各品種平均穗位葉葉面積，說(shuō)明高追氮量對(duì)穗位葉葉面積具有顯著的抑制作用。除A2、A9品種之外，其余各品種均在B3追氮處理下穗位葉葉面積與B4追氮處理下穗位葉葉面積差異未達(dá)顯著水平，說(shuō)明B3處理相比B4處理能夠在不降低穗位葉葉面積的前提下減追25%的氮肥，從而提高氮肥的利用率。而A2、A9品種的穗位葉葉面積在B3追氮處理下顯著高于B4處理，說(shuō)明減施25%氮肥反而有利于提高穗位葉葉面積。

圖3 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉葉面積的影響Fig.3 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on ear leaf area of maize

2.2 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉衰老生理指標(biāo)的影響

2.2.1 不同減氮措施對(duì)穗位葉POD酶活性差異性分析

過(guò)氧化物酶(POD)與呼吸作用、光合作用及生長(zhǎng)素的氧化等過(guò)程有關(guān)，該酶活性可以反映某一時(shí)期植物體內(nèi)的代謝及抗逆性的變化。本試驗(yàn)中不同處理之間玉米穗位葉POD的差異性達(dá)到顯著水平(如圖4)。B2、B3與B4追氮處理下各品種平均穗位葉POD酶活性顯著高于B1處理下各品種平均穗位葉POD酶活性，說(shuō)明追施氮肥有利于提高穗位葉POD酶活性；B4追氮處理下各品種平均穗位葉POD酶活性顯著高于其他處理下各品種平均穗位葉葉面積且各處理之間穗位葉POD酶活性差異顯著，說(shuō)明高追氮量能夠提高各品種穗位葉POD酶活性。除A1品種外，B4追氮處理下穗位葉POD酶活性顯著高于B3處理下穗位葉POD酶活性，說(shuō)明這些品種適宜通過(guò)增追氮肥來(lái)增加穗位葉POD酶活性，從而提高抗逆性。

圖4 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉POD含量的差異Fig.4 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on POD in ear leaf of maize

2.2.2 不同減氮措施對(duì)穗位葉SOD酶活性差異性分析

超氧化物歧化酶(SOD)與植物的衰老及抗逆性密切相關(guān)，是植物體體內(nèi)重要的保護(hù)酶之一，該酶活性在研究植物衰老及抗逆機(jī)制中有著重要的意義。本試驗(yàn)中不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉SOD酶活性的差異性達(dá)到顯著水平(圖5)。B2、B3與B4追氮處理下各品種平均穗位葉SOD酶活性顯著高于B1處理下各品種平均穗位葉SOD酶活性，說(shuō)明追施氮肥有利于提高穗位葉SOD酶活性；B4追氮處理下各品種平均穗位葉SOD酶活性顯著高于其他處理下各品種平均穗位葉葉面積且各處理之間穗位葉SOD酶活性差異顯著，說(shuō)明高追氮量能夠提高各品種穗位葉SOD酶活性。除A3、A5及A6品種之外，其余品種在B3處理下穗位葉SOD酶活性與B4處理下穗位葉SOD酶活性的差異未達(dá)顯著水平，說(shuō)明B3處理可以在不降低穗位葉SOD酶活性的前提下減追25%氮肥，從而提高氮肥利用效率。

圖5 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉SOD酶活性的影響Fig.5 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on SOD in ear leaf of maize

2.2.3 不同減氮措施對(duì)穗位葉MDA含量差異性分析

丙二醛(MDA)是膜脂過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一，該酶活性可以代表膜脂過(guò)氧化的程度，以間接表示膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性。本試驗(yàn)中不同追氮處理對(duì)玉米穗位葉MDA含量的差異性達(dá)到顯著水平(如圖6)，B3處理下各品種平均穗位葉MDA含量顯著低于其他處理下各品種平均穗位葉MDA含量，說(shuō)明B3處理能夠降低各品種穗位葉MDA含量；B4處理下各品種平均穗位葉MDA含量顯著高于B3處理下各品種平均穗位葉MDA含量，說(shuō)明高追氮量不利于提高穗位葉光合性能。除A3與A8品種之外，各品種均在B3處理下穗位葉MDA含量達(dá)到最小值且顯著低于B4處理下穗位葉MDA含量，說(shuō)明A3與A8品種不適宜通過(guò)調(diào)節(jié)追氮量來(lái)調(diào)節(jié)穗位葉MDA值，而其余品種可以通過(guò)減施氮肥降低穗位葉MDA含量，從而有利于提高這些品種的抗逆性。

圖6 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉MDA含量的影響Fig.6 Effect of different reduction of nitrogen fertilizer measures on MDA in ear leaf of maize

3 討論與結(jié)論

3.1 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉光合特性的影響

諸多研究表明秸稈還田處理在吐絲后20天左右能夠較秸稈不還田處理顯著提高玉米穗位葉光合速率、SPAD值、增加玉米群體葉面積，延緩葉片衰老[18]，段巍巍等[19]研究氮肥對(duì)玉米光合作用的影響時(shí)提出，氮肥能夠提高穗位葉葉片的Pn值。有研究也提出葉面積指數(shù)會(huì)隨施氮量的增加而增大[20]。本研究發(fā)現(xiàn)在秸稈還田配套深翻土地的耕作制度下，追施氮肥能夠顯著提高玉米穗位葉光合速率、SPAD與葉面積。但本試驗(yàn)中光合速率、SPAD值以及葉面積均在B4追氮量處理下出現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能是B4處理的追氮量過(guò)大(其他試驗(yàn)追氮量均未達(dá)這個(gè)水平)，結(jié)合秸稈還田可以顯著提高土壤中氮含量，造成過(guò)高的氮投入從而抑制了穗位葉光合特性，這與劉劍釗[14]、李俊霞等[21]人的研究結(jié)果一致。由此可得出，秸稈還田配合深松土地的耕作措施能夠減少氮投入，提高氮肥利用效率，減少氮排放,提高光合特性[22]。追氮量對(duì)玉米穗位葉其他光合性狀的影響規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

3.2 不同減氮措施對(duì)玉米穗位葉衰老生理的影響

本研究發(fā)現(xiàn)在連續(xù)多年秸稈還田配套深翻土地的耕作制度下，追施氮肥能夠顯著增加玉米穗位葉POD、SOD酶活性，這與劉艷[9]試驗(yàn)結(jié)果一致。但數(shù)據(jù)大小上有一定的差異可能是由于試驗(yàn)是在多年秸稈還田配合深翻土地的耕作制度下進(jìn)行，付國(guó)占等[23]研究結(jié)果證明了這一點(diǎn)。他們?cè)谘芯啃←溄斩捈案鞣绞綄?duì)后茬作物(夏玉米)生理指標(biāo)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈覆蓋搭配深松耕作措施能夠顯著提高夏玉米葉片的POD、SOD酶活性，降低MDA含量，維持葉片在后期保持一個(gè)較高的生理功能。本試驗(yàn)中MDA值隨施氮量的增加而呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，與王俊儒[24]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明高氮處理能夠提高膜脂過(guò)氧化程度，而合理的施氮量能夠降低此程度，提高細(xì)胞膜的完整性。結(jié)合三種葉片衰老生理指標(biāo)的意義可得出：適量的施氮量能夠兼顧提高POD、SOD、MDA活性。施氮量對(duì)玉米穗位葉其他生理指標(biāo)的影響規(guī)律還待進(jìn)一步探索。

綜上所述，在連續(xù)多年的秸稈還田配合深翻土地的耕作制度下，從玉米灌漿期穗位葉光合性狀角度出發(fā)，玉米拔節(jié)期的追肥量可以較常規(guī)(600 kg·hm-2)減施25%，即每公頃玉米地在拔節(jié)期追施尿素450 kg為適宜追氮量。但連續(xù)多年的減少追氮量是否對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量造成顯著影響還有待進(jìn)一步試驗(yàn)證明。