有機肥替代化肥對隴中旱農(nóng)區(qū)玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

王嘉男，謝軍紅，李玲玲，王林林，康彩睿，郭喜軍，彭正凱，王進斌，Zechariah Effa

(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(ZeamaysL.)是世界上最具潛力的糧飼兼用型作物，不僅可以保障糧食安全，而且還可以緩解飼料短缺[1].隴中旱農(nóng)區(qū)是黃土高原西部典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，近年來全膜雙壟溝播技術(shù)的應(yīng)用使玉米成為隴中旱農(nóng)區(qū)的主栽作物之一，在該技術(shù)下，玉米高產(chǎn)出意味著對養(yǎng)分的高消耗[2]，必須及時足量補充土壤養(yǎng)分才能保證玉米可持續(xù)高產(chǎn).化肥的應(yīng)用對提高糧食產(chǎn)量做出了巨大貢獻.然而，隨著化肥投入量的增加，其負面影響也逐漸凸現(xiàn)出來，例如肥料利用率不高(30%左右)[3]氮肥的淋溶和磷素的固定[4]病蟲害的增加以及對產(chǎn)品質(zhì)量的影響等[5].另外有試驗證明，長期單施化肥可使土壤酸化、板結(jié)、含水量降低，土壤養(yǎng)分流失，而過量使用化肥無疑會加劇這些問題[6-7].因此，如何合理施肥，加強土壤養(yǎng)分管理，確保玉米可持續(xù)高產(chǎn)，同時又保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，成為了玉米生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重點研究課題.

有機肥替代部分化肥是實現(xiàn)我國化肥減量目標(biāo)的重要措施之一.研究發(fā)現(xiàn)，有機肥的施用可以改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤有機質(zhì)含量、增加土壤微生物量、提高土壤肥力和保水能力[8-9]，特別是有機結(jié)合無機的施肥方式能顯著地提高作物產(chǎn)量、水氮利用效率及土壤養(yǎng)分[10-13]，既能減少化肥的用量，又能保證糧食產(chǎn)量.有機肥具有養(yǎng)分緩釋的特點，存在較長時間的后效[14]，可促進作物生育后期的群體生長，有利于作物后期光合產(chǎn)物積累[15].光合作用作為作物產(chǎn)量形成的最基本生理基礎(chǔ)，改善作物光合性能成為提高玉米產(chǎn)量的重要方式[16].有研究表明[17]，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/hm2左右，按照1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施,可以增強光合作用，從而提高玉米籽粒產(chǎn)量和飼料產(chǎn)量，但目前隴中旱農(nóng)區(qū)關(guān)于有機肥施用對玉米光合特性及產(chǎn)量影響的研究較少，因此研究施用有機肥對玉米光合生理特性和產(chǎn)量的影響，對解析施肥影響該區(qū)玉米產(chǎn)量的光合生理機制具有重要意義[18-22].

為此，本研究擬在全膜雙壟溝播玉米施肥量研究[17,23-24]的基礎(chǔ)上設(shè)置不同有機肥替代化肥比例，研究有機肥替代化肥對玉米產(chǎn)量及干物質(zhì)積累分配的影響，并通過玉米主要光合指標(biāo)的監(jiān)測，從光合角度探討有機肥替代化肥影響玉米產(chǎn)量的生理機理，以期為隴中旱農(nóng)區(qū)玉米持續(xù)高產(chǎn)和化肥減量雙重目標(biāo)的實現(xiàn)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

本研究于2016～2018年在甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實驗站進行.試區(qū)平均海拔2 000 m，年無霜期140 d，屬中溫帶半干旱偏旱區(qū)，多年均日照時數(shù)2 476.6 h，太陽輻射量為592.9 kJ/cm2，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃積溫為2 933.5 ℃，≥10 ℃積溫為2 239.1 ℃，多年平均降水量為399.3 mm，80%保證率的降水量為365 mm，年蒸發(fā)量達到1 531 mm，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).試驗地土壤為黃綿土，土層深厚，土壤質(zhì)地均一，其0～200 cm土壤容重平均為1.17 g/cm3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率28.6%，pH值8.36，耕層土壤有機質(zhì)11.92 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷1.81 g/kg.2016年屬于干旱年，降水量300.2 mm；2017年降水量仍然偏少，為357.5 mm，且7月14日遭受了嚴(yán)重的冰雹災(zāi)害；2018年降水達472.1 mm，屬于豐水年.

圖1 2016～2018年試驗區(qū)降水量Figure 1 Precipitation of the experimental area from 2016 to 2018

1.2 試驗設(shè)計與管理

試驗供試玉米品種為先玉335，用全膜雙壟溝播技術(shù)種植，本研究施肥量為純N 200 kg/hm2，純P2O5150 kg/hm2，純氮分基肥、大喇叭口期和開花期追肥，按5∶3∶2施用，磷肥為過磷酸鈣(P2O5>20%)作基肥深施，商品有機肥用項目組與甘肅大行農(nóng)業(yè)科技有限公司研制的以牛糞為主要原料的玉米專用商品有機肥，N≥3.3%(≥33 kg/t)，P≥1.0%，K≥0.7%，有機質(zhì)含量>64%.本試驗參試因子為基肥中商品有機肥與化肥的配比，共設(shè)5個替代比例，以不施肥為對照(T1)；T2：50%商品有機肥氮替代化肥氮(有機肥3.0 t/hm2+化肥100 kg/hm2)；T3：37.5%商品有機肥氮替代化肥氮(有機肥2.25 t/hm2+化肥125 kg/hm2)；T4：25%商品有機肥氮替代化肥氮(有機肥1.50 t/hm2+化肥150 kg/hm2)；T5:12.5%商品有機肥氮替代化肥氮(有機肥0.75 t/hm2+化肥175 kg/hm2)和T6:單施化肥(200 kg/hm2)，各有機肥替代處理磷肥經(jīng)P素養(yǎng)分核減后施入.各處理氮肥施用方案如表1所示.試驗采用單因素設(shè)計，6處理，3次重復(fù)，共18小區(qū)，小區(qū)面積37.4 m2( 8.5 m×4.4 m).試驗其他田間管理同大田.

表1 處理描述及各處理氮肥施用方案

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 葉片光合作用主要指標(biāo) 2018年，玉米開花期(吐絲后5 d)，選擇晴朗天氣，從9∶00～19∶00時，每2 h測定1次，采用GFS-3000便攜式光合作用-熒光測量系統(tǒng)(WALZ，德國)測定玉米單葉葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)，測定部位為穗位葉，各小區(qū)重復(fù)3次.

1.3.2 葉綠素含量的測定 2018年，分別在玉米拔節(jié)期、開花期、灌漿期用SPAD-502(Konica Minolta Sensing公司，北京)測定葉綠素含量，測定部位是每株玉米最大展開葉的中部，各小區(qū)重復(fù)10次.

1.3.3 葉面積指數(shù)的測算 2018年，分別在玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期各小區(qū)隨機取樣3株，用直尺測量每株各葉片葉長和最大葉寬，葉面積=葉長×葉寬×0.75，葉面積指數(shù)=葉片總面積/土地面積.

1.3.4 干物質(zhì)積累分配的測定 2018年，分別在玉米拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期各小區(qū)隨機取植株樣3株，烘箱105 ℃殺青0.5 h，然后80 ℃烘干至恒量稱質(zhì)量.成熟期，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.

干物質(zhì)分配率(%)=[(C2-C1)/(m2-m1)]×100%

式中，C1,C2為某器官某段時間內(nèi)的初始和最終干物質(zhì)量；m1和m2為全株該段時間的初始和最終干物質(zhì)量.

1.3.5 產(chǎn)量測定 各小區(qū)單獨收獲，測定籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量(2016～2018年).

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2010和Sigmaplot12.5進行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 24.0軟件進行相關(guān)分析,差異顯著性采用Duncan’s新復(fù)極差法進行檢驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥替代化肥對玉米葉片光合特性的影響

由圖2可知，葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)日間變化均呈雙峰趨勢，峰值出現(xiàn)在11∶00～13∶00和15∶00～17∶00，在13∶00～15∶00明顯下降，光合午休現(xiàn)象明顯.胞間CO2濃度(Ci)日間變化則呈雙谷趨勢.各施肥處理間比較，Pn、Tr、Gs隨有機肥替代比例的提高而減小.

由表2可知，Pn、Tr、Gs全天平均值以單施化肥處理最高.各施肥處理相比，替代比例越高，Pn、Tr、Gs值越低，12.5%替代與單施化肥處理無顯著差異.替代比例超過12.5%則削弱光合作用，替代比例越高、削弱越多.

圖2 不同有機肥替代比例下玉米主要光合參數(shù)的變化Figure 2 Changes of main photosynthetic index of maize under different proportion of organic fertilizer substitution

2.2 有機肥替代化肥對玉米葉片葉綠素含量的影響

從表3可以看出，不同生育時期玉米葉片SPAD值基本都隨替代比例的提高而降低，全生育期內(nèi)，單施化肥處理下葉綠素相對含量較25%替代、37.5%替代和50%替代處理分別平均高出15.5%、11.1%和20.8%.各處理玉米葉綠素相對含量從拔節(jié)期到灌漿期逐漸增大，但有機肥替代比例大的增長率更高，50%替代(T2)處理灌漿期SPAD值比拔節(jié)期增加了80.7%，單施化肥(T6)增長19.0%，灌漿期T2與T6無顯著差異.因此，雖然有機肥替代化肥施用降低玉米葉片葉綠素含量，且替代比例越高，葉綠素含量降低越多，但在整個生育期內(nèi)，高有機肥替代比例下葉綠素含量增長更快，后期處理間差距縮小，說明有機肥對葉片葉綠素的肥效相對于化肥滯后.

表2 不同有機肥替代比例下玉米光合指標(biāo)日均值

表3 不同有機肥替代比例下玉米葉片的葉綠素相對含量(SPAD值)

2.3 有機肥替代化肥對玉米葉面積指數(shù)的影響

由圖3可知，隨著玉米生育期的推進，葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.各個時期，葉面積指數(shù)基本都隨替代比例的提高而降低.各施肥處理比較，全生育期內(nèi)，從拔節(jié)期到開花期，單施化肥處理高于其他替代處理，灌漿期到成熟期，單施化肥處理與其他替代處理均無顯著差異.因此，雖然有機替代處理下葉面積指數(shù)在前期增長緩慢，但后期較單施化肥衰減緩慢，在生育后期仍能保持較高的葉面積指數(shù)，處理間差距縮小，說明有機肥對葉面積指數(shù)的肥效相對于化肥滯后.

圖3 不同有機肥替代比例下玉米的葉面積指數(shù)Figure 3 Leaf area index of maize with different organic fertilizer replacement ratio

2.4 有機肥替代化肥對玉米干物質(zhì)積累和分配的影響

由表4可知，玉米干物質(zhì)積累量隨生育時期的推進不斷增加，前期增長迅速，后期增長速度減緩.在拔節(jié)期和灌漿期，有機肥替代處理與單施化肥處理無差異；在開花期和成熟期，T2、T3顯著低于T6.玉米成熟期干物質(zhì)分配量籽粒最高，各施肥處理下，50%替代的籽粒分配率最高，依次為12.5%替代、37.5%替代、單施化肥、25%替代.因此有機肥后期效應(yīng)顯著，提高了干物質(zhì)到籽粒的分配率.

表4 不同處理玉米干物質(zhì)積累量的變化及成熟期干物質(zhì)分配比例

2.5 有機肥替代化肥對玉米產(chǎn)量的影響及其與光合特性的相關(guān)性

從表5、表6可以看出，玉米產(chǎn)量受降水年型的影響，2018年為豐水年，產(chǎn)量最高，2016年屬于干旱年，產(chǎn)量較低，2017年降水量比2016年偏多，但遭受了嚴(yán)重的冰雹災(zāi)害，產(chǎn)量最低，作物總體產(chǎn)量水平與降水情況基本一致.2016年，T2、T3的籽粒產(chǎn)量顯著高于其他處理，2018年籽粒產(chǎn)量各施肥處理間無差異，生物產(chǎn)量會隨有機肥比例的提高而降低.收獲指數(shù)在3 a內(nèi)均是T2最高.用有機肥替代部分化肥，玉米生物產(chǎn)量一定程度上會下降，但籽粒產(chǎn)量反而略有增加.2018年玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素中，各施肥處理下玉米穗粒數(shù)和百粒重?zé)o顯著差異，各替代比例下的玉米穗數(shù)與單施化肥處理無顯著差異，因此這是2018年各施肥處理籽粒產(chǎn)量無顯著差異的主要原因.

表5 不同處理下玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量的年際間變化

表6 2018年不同處理下玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的變化

表7 不同處理下玉米光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)分析

由表7可知，玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量與氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、蒸騰速率與、SPAD值、LAI均顯著正相關(guān)，與胞間CO2濃度顯著負相關(guān).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.

3 討論

3.1 有機肥替代部分化肥對玉米產(chǎn)量的影響

相關(guān)研究表明[20]，肥料的種類、數(shù)量和配施方式是影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素.其中有機肥的施用能改善土壤理化性狀，增加土壤蓄水保墑能力，為作物產(chǎn)量的提高提供良好的土壤環(huán)境，達到增產(chǎn)增收效果[25].特別是有機肥化肥配施，能保證作物的養(yǎng)分需求與土壤的養(yǎng)分供應(yīng)保持協(xié)調(diào)，確保作物產(chǎn)量[26].Bi[27]研究發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量和有機肥的投入呈正相關(guān).呂鳳蓮等[12]研究認(rèn)為有機肥替代部分化肥能夠顯著提高玉米產(chǎn)量，謝軍等[13]研究表明有機肥替代部分化肥氮能夠提高玉米產(chǎn)量及收獲指數(shù)，增加產(chǎn)量穩(wěn)定性.本研究發(fā)現(xiàn)，在200 kg/hm2的總施氮水平下，用有機肥替代部分化肥，降低玉米干物質(zhì)積累量，提高了干物質(zhì)到籽粒的分配率.玉米生物產(chǎn)量一定程度上會下降，但籽粒產(chǎn)量反而略有增加，2016年以50%替代比例的籽粒產(chǎn)量最高.這與邢鵬飛的研究結(jié)果相似[11]，其原因是有機肥肥效遲緩，但養(yǎng)分釋放平穩(wěn)[13]，特別是能夠在生育后期滿足玉米的養(yǎng)分需求，增加光合產(chǎn)物向玉米籽粒的轉(zhuǎn)運[23]，進而提高籽粒產(chǎn)量.從2018年產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量，各替代比例處理與單施化肥均無顯著差異，這應(yīng)該是各施肥處理籽粒產(chǎn)量差異不顯著的直接原因.

3.2 有機肥替代部分化肥影響玉米產(chǎn)量的光合作用機理

作物產(chǎn)量形成以光合作用為基礎(chǔ)[16]，因此，最大限度的利用光能，提高光合效率，是作物高產(chǎn)的首要條件.有研究發(fā)現(xiàn)，有機肥可增強植物的光合性能[18].本研究中，有機替代處理較單施化肥處理降低了玉米光合速率，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，各替代水平均在不同程度上削弱了玉米光合作用；增加有機替代比例在玉米早期降低葉綠素含量和葉面積指數(shù)，但有機肥肥效遲緩，后期有機肥對葉綠素含量和葉面積的影響較小.前人認(rèn)為，有機肥具有養(yǎng)分緩釋的特點,存在較長時間的后效[14]，可促進作物生育后期的群體生長，有利于作物后期光合產(chǎn)物積累[15]，這與本研究結(jié)果基本一致.

因此，雖然有機肥肥效緩慢，較高比例的替代較化肥在玉米早期降低了葉面積指數(shù)和葉綠素含量，但同時也保證了玉米生長后期的養(yǎng)分需求，這或許延緩了玉米葉片衰老，延長了光合有效時間，協(xié)調(diào)了葉面積指數(shù)、葉綠素含量和光合作用之間的關(guān)系，促進了玉米光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移，從而提高玉米籽粒產(chǎn)量.

4 結(jié)論

田間試驗研究發(fā)現(xiàn)，隴中旱農(nóng)區(qū)應(yīng)用全膜雙壟溝播技術(shù)種植玉米，在200 N kg/hm2的總施氮條件下，50%的有機肥替代比例能更好地優(yōu)化葉面積、葉綠素和光合作用在玉米產(chǎn)量形成中的關(guān)系，促進光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)運，從而提高玉米籽粒產(chǎn)量.因此，隴中旱農(nóng)區(qū)要確保玉米持續(xù)高產(chǎn)且減少化肥施用是可行的，建議施氮200 N kg/hm2左右，50%左右的氮用有機肥替代為宜.