氮磷鉀肥配施對春玉米迪卡517光合特性的影響

楊喬喬，康建宏，王佳

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

玉米是世界三大糧食作物之一，具有廣泛的用途，既可作動物飼料，又可作工業(yè)原料和生物質(zhì)能源。玉米在寧夏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要地位，占灌區(qū)作物種植面積的70%，并持續(xù)增長[1-2]。寧夏位于黃河上游，地處西北內(nèi)陸，降水量少，蒸發(fā)量大，處于中國的農(nóng)牧交錯帶上[3]。在寧夏干旱少雨的自然條件下，水分是制約玉米產(chǎn)量的主要因素[4]，而滴灌水肥一體化技術(shù)具有提高水肥利用效率、節(jié)省勞動力、改善土壤、提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量、保護(hù)環(huán)境、減輕病蟲害發(fā)生和抵御旱災(zāi)的能力[5]。因此，大力發(fā)展滴灌水肥一體化玉米是當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)的首選[6]。國內(nèi)許多研究表明，化肥對農(nóng)作物增產(chǎn)增效是不爭的事實(shí)，氮、磷、鉀是農(nóng)作物必需的三大營養(yǎng)元素，其合理配施可提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善土壤養(yǎng)分，不合理施用則會引起土壤養(yǎng)分耗竭、肥力下降、施肥效益降低，還會導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[7-8]。近年來，化肥過量和不合理施用問題越來越嚴(yán)重，影響到生態(tài)環(huán)境安全，迫切需要一種優(yōu)化的施肥方法，以保障糧食安全和提高農(nóng)民收益?；实暮侠硎┯每奢^好地保持和提高土壤肥力，而且對作物的增產(chǎn)效果比較明顯[9]。牛金宇[10]的研究表明，在氮、磷、鉀施用水平較低時，產(chǎn)量隨著肥料施用量的增加而增加，超過最佳施肥量后，產(chǎn)量有所降低。王帥等[11]研究表明，適宜的氮、磷、鉀用量可明顯提高春玉米穗位葉，能保持較長的高光合持續(xù)期，有效地提高玉米的光合作用，增加產(chǎn)量。因此，需要通過科學(xué)合理地調(diào)整施肥，達(dá)到提高玉米產(chǎn)量和土地可持續(xù)生產(chǎn)能力的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益協(xié)調(diào)發(fā)展。葉片的光合作用是作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，光合作用受多種環(huán)境因子的影響，水肥是影響光合作用的重要因子。目前，針對水肥一體化條件下對春玉米光合特性及增產(chǎn)效應(yīng)都有了大量的研究，尤其在不同水肥條件下對玉米光合特性有較多研究[12-13]。但是大多研究著重于對單一營養(yǎng)元素和平衡供應(yīng)的不同營養(yǎng)水平下的研究，以氮、磷及鉀為三因素研究春玉米光合特性、熒光參數(shù)及產(chǎn)量的變化較少。本研究以迪卡517為試驗(yàn)材料，研究氮磷鉀配施下春玉米的光合參數(shù)、SPAD、熒光參數(shù)及產(chǎn)量構(gòu)成因素，旨在為寧夏高產(chǎn)高效栽培技術(shù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試玉米品種為迪卡517，由中種國際種子有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)地位于寧夏農(nóng)林科學(xué)院作物研究所望洪基地，在寧夏回族自治區(qū)銀川市永寧縣望洪鎮(zhèn)農(nóng)聲村，地處東經(jīng)106°12′45.43″，北緯38°12′13.45″，全年≥10 ℃積溫3 210 ℃，無霜期短，年均166 d，正常年份150～170 d，為玉米西北春播區(qū)。前茬為麥后復(fù)種白菜，秋季深翻整地，春季測定0～20 cm耕層土壤含有機(jī)質(zhì)17.08 g·kg-1、全氮1.05 g·kg-1、堿解氮72.72 mg·kg-1、有效磷34.85 mg·kg-1、速效磷175.44 mg·kg-1。

1.2 處理設(shè)計

本試驗(yàn)以氮、磷、鉀為試驗(yàn)因子，三因素三水平，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，共設(shè)9個處理，分別為T1～T9，每處理重復(fù)3次，共27個小區(qū)，每小區(qū)長10 m，寬3.3 m，小區(qū)面積33 m2；每區(qū)組間設(shè)置1 m寬的走道，四周設(shè)保護(hù)區(qū)。玉米種植規(guī)格為寬窄行種植，寬行70 cm，窄行40 cm，平均行距55 cm，玉米株距18 cm。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計，試驗(yàn)各因子3水平分別為常規(guī)用量的100%、70%、130%，N、P2O5、K2O的667 m2用量為27.8、9.5、2.9 kg。各處理氮磷鉀配施量分別為T1(N 100%、P 100%、K 100%)、T2(N 70%、P 70%、K 70%)、T3(N 130%、P 130%、K 130%)、T4(N 100%、P 70%、K 130%)、T5(N 70%、P 130%、K 100%)、T6(N 130%、P 100%、K 70%)、T7(N 100%、P 130%、K 70%)、T8(N 70%、P 100%、K 130%)、T9(N 130%、P 70%、K 100%)。養(yǎng)分全部追施，按當(dāng)?shù)亓?xí)慣時間隨滴灌(667 m2常規(guī)灌水量220 m3)施入。

1.3 試驗(yàn)測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 玉米葉片光合參數(shù)

于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期及灌漿期，在定株玉米中選定3株有代表性的玉米功能葉片，在晴天上午9：00進(jìn)行田間測定，用美國漢莎公司生產(chǎn)的TPS-2型便攜式光合測定系統(tǒng)在田間直接測定玉米功能葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)，每個處理測5片，每片葉記錄2次穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

1.3.2 葉片SPAD與熒光參數(shù)

于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期及灌漿期，使用SPAD-502plus和FMS-2熒光測定儀，在定株玉米中選定5株具有代表性的玉米功能葉片，9:00進(jìn)行田間測定。

1.3.3 產(chǎn)量

于春玉米成熟期，取每試驗(yàn)小區(qū)中間2行測定玉米穗數(shù)、鮮穗質(zhì)量及含水量，于田間測定出籽率；取20穗玉米風(fēng)干后在室內(nèi)考種，測定穗粗、穗長、穗粒數(shù)等產(chǎn)量形成指標(biāo)，得出平均每穗穗粒數(shù)與平均千粒質(zhì)量，測定含水量后折合14%含水量計算單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖；使用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，在α=0.05水平下進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷鉀配施對玉米功能葉片SPAD的影響

隨生育期的推進(jìn)，玉米的功能葉片SPAD值總體呈上升趨勢，如圖1所示，至灌漿期呈下降趨勢，在大喇叭口期葉綠素相對含量達(dá)到峰值。在全生育期T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和T9的平均SPAD分別為53.18、48.92、51.85、57.60、49.55、51.87、55.14、54.83、53.93。在拔節(jié)期，T4的SPAD值在各處理中最大，且與處理T2、T3、T5及T6間存在顯著性差異。在大喇叭口期，各處理間無顯著性差異。在灌漿期，各處理的SPAD表現(xiàn)為T4>T7>T3>T8>T9>T1>T6>T2>T5。葉綠素相對含量與葉片氮素密切相關(guān)，SPAD值高可以提高氮肥利用效率，說明T4不僅能提高葉綠素相對含量，還可以促進(jìn)植株在整個生育期保持較高且平穩(wěn)的氮素利用效率。

同生育期柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2～3同。

2.2 氮磷鉀配施對玉米功能葉片光合特性的影響

由圖2可知，玉米功能葉片的凈光合速率呈遞增變化，9種配比處理均在灌漿期達(dá)到峰值。在玉米的各個生育時期，各處理的葉片凈光合速率存在顯著差異。其中，T4的葉片凈光合速率最大，與其他處理相比，T4的葉片凈光合速率平均提高了15.1%、16.8%、47.2%、65.1%、35.7%、35.6%、42.8%、7.3%。玉米功能葉片的蒸騰速率呈單峰曲線變化，蒸騰速率在大喇叭口期達(dá)到最大值。在玉米各生育期，T4的葉片蒸騰速率都明顯高于其他處理; 在玉米灌漿期，各處理的蒸騰速率明顯降低。與T4相比，其他處理的玉米葉片蒸騰速率平均降低 23.2%、25.4%、52.8%、67.9%、41.7%、39.2%、31.2%、17.3%。因此，T4可以提高玉米功能葉片凈光合速率，降低蒸騰速率，更有利于玉米的生長和光合產(chǎn)物的積累，進(jìn)一步提高玉米的產(chǎn)量。

氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換、水分散失的主要通道，氣孔導(dǎo)度的大小是衡量氣體通過氣孔的難易程度，氣孔導(dǎo)度大則說明氣體、水分子等容易通過氣孔。在玉米各生育時期，各處理的氣孔導(dǎo)度Gs存在顯著差異。其中，以T4的氣孔導(dǎo)度Gs最高，比其他處理升高45.7%、87.7%、 50.6%、67.2%、44.9%、22.1%、54.4%、32.2%(圖2)。玉米功能葉片胞間 CO2濃度在92.80～189.76 μmol·mol-1波動，在灌漿期達(dá)到峰值。在各個生育期，T4均顯著高于其他處理，分別高42.1%、50.7%、55.7%、55.3%、 47.9%、23.2%、44.4%、15.3%。氣孔導(dǎo)度與凈光合速率的變化一致，說明光合速率的降低是由氣孔限制的。T4由于顯著增加了葉片的氣孔導(dǎo)度，有利于提高玉米的凈光合速率，最終表現(xiàn)為產(chǎn)量的增加。

圖2 氮磷鉀配施對玉米功能葉片光合參數(shù)的影響

2.3 氮磷鉀配施對玉米功能葉片熒光參數(shù)的影響

如圖3所示，可變熒光(Fv)與最大熒光(Fm)2參數(shù)的比值反映了光系統(tǒng)Ⅱ中的最大光化學(xué)效率，光能的利用效率與兩者的比值呈正相關(guān)。隨玉米生育期的推進(jìn)，PSⅡ 最大光化學(xué)效率呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢，從大喇叭口期開始至灌漿期各處理差異不顯著，但T4處理在整個生育期明顯高于其他處理，較其他處理分別提高0.9%、0.8%、2.1%、1.2%、2.2%、1.0%、0.4%和0.3%。

可變熒光Fv與固定熒光Fo的比值光系統(tǒng)Ⅱ潛在活性，如圖3所示表明，玉米功能葉片PSⅡ的潛在活性呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，且T4處理在各生育期內(nèi)最高，說明T4具有更大的光合潛在活性。T5上升緩慢且在全生育時期維持較低水平，說明潛在光合活性較低。在灌漿期各處理的可變熒光Fv與固定熒光Fo的比值明顯升高，以T4表現(xiàn)最高，表現(xiàn)為T4>T9>T3>T8>T7>T2>T6>T1>T5，且T4較其他處理明顯提高9.4%、4.1%、3.0%、11.8%、6.9%、3.7%、3.3%和2.9%。圖3可知，隨著玉米生育期的推進(jìn)，各處理在拔節(jié)期至大喇叭口期的PI值明顯提升，以T4最高，T6最低。隨之PI逐漸降低。說明T4能提升對光能的吸收轉(zhuǎn)化，更高效的進(jìn)行光合作用，在灌漿期的籽粒形成過程中積累更多的干物質(zhì)。

圖3 氮磷鉀配施對玉米功能葉片熒光參數(shù)的影響

RC/ABS代表了光系統(tǒng)Ⅱ過程中，單位反應(yīng)中心吸收的光能。如圖3，RC/ABS反映了玉米生育過程中的光合能力，隨生育期的進(jìn)行，RC/ABS先升高后下降，在大喇叭口期達(dá)到最大值，平均以T4值最高，T6、T9明顯低于T4，表現(xiàn)為T4>T2>T8>T1>T7>T3>T9>T5>T6。從大喇叭口期各處理的RC/ABS逐漸降低。在灌漿期，各個處理之間差異不顯著。在灌漿期以T4的RC/ABS值最高，各處理間也無顯著差異。說明在玉米全生育期，以T4的RC/ABS值最高，T4具有更高的持續(xù)吸收光能的能力，對籽粒形成具有關(guān)鍵作用。RC/ABS值的提高在全生育期以及生育后期，可以促進(jìn)PSⅡ的電子轉(zhuǎn)移速率，提高PSⅡ過程中單位反應(yīng)中心吸收光能的能力，進(jìn)而增產(chǎn)。

2.4 氮磷鉀配施對玉米產(chǎn)量的影響

表1為氮磷鉀配施對春玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素差異性分析，可發(fā)現(xiàn)氮磷鉀配施，穗粗除T5明顯較低外，其他處理均無明顯差異；穗長表現(xiàn)為：以T4最大，且各處理間均無顯著性差異；禿尖率的長短代表了玉米穗部結(jié)實(shí)能力，禿尖越長，穗粒數(shù)會相對降低，在氮磷鉀配施下，表現(xiàn)為T3>T2>T1>T8>T9>T6>T5>T7>T4，以T4最短，T2、T3較長，與T4處理相比，其他處理的禿尖率相對減小3.5%、4.1%、4.8%、1.9%、2.5%、2.0%、3.1%和3.0%，說明T4的果穗生長狀況較好。各處理的穗重、穗粒重與百粒重均無顯著性差異，且各指標(biāo)均以T4較大。在氮磷鉀配施下，各處理產(chǎn)量存在不同程度的差異，其中，T4產(chǎn)量明顯高于其他處理，且各處理產(chǎn)量表現(xiàn)為T4>T7>T8>T5>T2>T6>T1>T3>T9。

表1 氮磷鉀配施下玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2.5 產(chǎn)量與光合參數(shù)的相關(guān)性分析

春玉米的產(chǎn)量與凈光合速率呈顯著負(fù)相關(guān)性(表2)。凈光合速率與胞間CO2濃度呈極顯著的正相關(guān)性，與PI呈顯著負(fù)相關(guān)性。蒸騰速率與PSⅡ潛在活性呈顯性正相關(guān)，與其他指標(biāo)之間無相關(guān)性，氣孔導(dǎo)度與胞間CO2濃度、PI分別有顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。胞間CO2濃度與RC/ABS、PI有極顯著的負(fù)相關(guān)性，PSⅡ潛在活性、RC/ABS和PI均呈極顯著的正相關(guān)性。說明RC/ABS、Fv/Fo和PI的提高可以增加春玉米的物質(zhì)積累和產(chǎn)量，從前面的分析可知，T4的RC/ABS、Fv/Fo和PI顯著高于其他處理，對產(chǎn)量的提升作用更大。

表2 產(chǎn)量與光合熒光指標(biāo)相關(guān)性分析

3 討論

光合作用是植物物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)化的主要途徑。光合作用通常用葉片Pn、Tr、Gs、Ci等參數(shù)來反映植物對光能的利用能力和轉(zhuǎn)化效率。有研究表明，玉米光合速率影響因素的由大到小的順序?yàn)椋汗嗨~、氮肥施用量、鉀肥施用量、磷肥施用量[14]。劉明等[15]研究表明，適宜的灌水定額能夠更好地發(fā)揮氮肥的優(yōu)勢效應(yīng)，這可能是因?yàn)檫m量的增施氮肥增加了葉片單位面積葉片葉綠素的相對量(SPAD)，葉片的光能利用率較高。高施氮量對玉米光合作用的提升效果并不明顯，沒有發(fā)揮出氮肥的優(yōu)勢效應(yīng)。張越等[12]研究結(jié)果表明，增施有機(jī)肥能顯著提高玉米葉片的光合速率和氣孔導(dǎo)度，說明有機(jī)肥能促進(jìn)玉米葉片的光合活性。王曉娟等[16]研究也得出了同樣的結(jié)果。李萍等[17]研究表明，合理的氮磷配施對于葉片的Pn、Tr、水分利用效率及Gs等光合指標(biāo)也有顯著的調(diào)節(jié)作用，但用量過高會起一定的負(fù)作用。陳芳等[18]研究結(jié)果表明，玉米生育期內(nèi)葉片的Pn、Tr、Gs都呈低-高-低的變化趨勢，在抽雄期出現(xiàn)峰值。Gs在抽雄期之前明顯降低，但在后期顯著高于對照。本試驗(yàn)研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致，不同處理比較，都呈低-高-低的變化，處理T4顯著提高了春玉米的Pn、Gs、Ci，說明T4可以提高玉米功能葉片凈光合速率，降低蒸騰速率，更有利于玉米的生長和光合產(chǎn)物的積累。氣孔導(dǎo)度與凈光合速率的變化一致，說明光合速率的降低是由氣孔限制的。T4由于顯著增加了葉片的氣孔導(dǎo)度，有利于提高玉米的凈光合速率，從而進(jìn)一步提高春玉米的產(chǎn)量。

葉片作為植株生長發(fā)育過程中重要的光合作用器官，它熒光參數(shù)的變化能快速且直接的反映葉片內(nèi)部對光能的吸收、傳遞與分配能力，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)能快速測定葉片熒光參數(shù)，在研究過程中不會對植株造成損傷[19]。李澤等[20]研究表明，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)被越來越多地應(yīng)用到植物光合生理和逆境生理的研究。在研究逆境脅迫對果樹、蔬菜和一些苗木的光合作用時，葉綠素?zé)晒鈪?shù)被作為主要的指標(biāo)之一[21]。吳佳瑞等[22]研究結(jié)果表明，高溫干旱等逆境脅迫都會使葉片的PSⅡ最大光化學(xué)效率、PSⅡ潛在活性在一定程度上降低。本研究表明，在春玉米的生育期中，F(xiàn)v/Fm、PI和RC/ABS都呈低-高-低的變化趨勢，峰值都出現(xiàn)在大喇叭口期，F(xiàn)v/Fo隨春玉米的生育進(jìn)程呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。Fv/Fm、Fv/Fo、PI都反映玉米葉片的光合作用強(qiáng)弱，在春玉米的全生育期內(nèi)，T4比其他處理顯著提高馬鈴薯的Fv/Fm、Fv/Fo、PI和RC/ABS。

玉米產(chǎn)量的提高在一定程度內(nèi)與施肥種類、數(shù)量和配施方式等密切相關(guān)。有研究表明，單純施用含有一種元素的肥料不是保證作物生長及產(chǎn)量的有效方式，只有當(dāng)土壤中碳、 氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等比例適當(dāng)時，作物才能正常生長，對其穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)才能有所保證[23]。李萍等[17]研究表明，隨著施肥量的增加，穗粒數(shù)和百粒重逐漸增加，說明氮磷肥配施有明顯提高穗粒數(shù)和穗粒重的作用。鄧小強(qiáng)等[24]研究表明，氮磷鉀配施能有效改善農(nóng)藝性狀，優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成因子，提高產(chǎn)量。本研究中，在不同氮磷鉀肥配比下，與T4相比，其他處理的禿尖率相對減小，說明T4的果穗生長狀況較好。各處理的穗重、穗粒重與百粒重均無顯著性差異，且各指標(biāo)均以T4較大。在不同氮磷鉀配施下，T4產(chǎn)量也明顯高于其他處理，說明合理的氮磷鉀肥配施有提高產(chǎn)量的作用。

4 小結(jié)

在寧夏這樣干旱少雨的自然條件下，水分是制約玉米產(chǎn)量的主要因素。再加上不合理施用化肥引起土壤養(yǎng)分耗竭、土壤肥力下降、施肥效益降低，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。因此，水肥一體化的采用，很大程度上緩解了這一問題。本試驗(yàn)以氮磷鉀為試驗(yàn)因子，三因素三水平，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，研究了氮、磷、鉀配施對春玉米SPAD、光合熒光參數(shù)，以及產(chǎn)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在春玉米的全生育期，T4的SPAD、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率、PSⅡ潛在活性、PI和RC/ABS都比其他處理顯著增加，而且T4較其他處理提高了春玉米穗粗、穗粒重、穗長和百粒重等，達(dá)到了高產(chǎn)的目的。9種氮磷鉀配施比較，T4較其他處理有利于增加寧夏春玉米光合作用和產(chǎn)量，因此，以667 m2分別施氮磷鉀27.8、6.65、3.77 kg對寧夏春玉米生產(chǎn)具有重要意義。