不同滴灌施氮模式對甜糯玉米碳利用的影響

程 浩，傅豐貝，李伏生

（廣西大學農學院，南寧530004）

農田是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，通過農作物光合作用固碳，對調節(jié)區(qū)域碳平衡，改善區(qū)域碳循環(huán)結構有重要意義[1]。農作物固碳過程受多種因素控制，人為因素對農作物“碳匯”影響最大，諸如施肥、灌溉、種植模式等農藝舉措對農田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)都有顯著影響[2]，其中灌溉是調控農作物固碳能力的重要外因[3]。目前普遍認為控制性的灌溉舉措能夠提高植株的固碳量[4]。如王雯等[5]研究發(fā)現，露地滴灌處理的累積碳排放量較膜下滴灌低3.06%，累積生物固碳量較其他滴灌模式高7.36%～22.41%，據此認為露地滴灌是增強農田固碳減排能力的適宜的節(jié)水灌溉方式；張忠學等對黑土稻田設置了灌水定額，結果顯示控制灌溉模式下，水稻莖、葉、根固碳量均大于常規(guī)灌溉模式，認為適量控制農田灌水量對提高作物的固碳能力有幫助[6]。

分根區(qū)交替灌溉同樣是控制性灌溉舉措，是一種利用作物局部根系受旱產生的水分脅迫信號與根系吸收補償機制，調節(jié)作物耗水，提高作物水分利用效率的一種節(jié)水灌溉技術[7-9]。目前有關作物分根區(qū)交替灌溉的研究大都集中在對作物水分利用效率的提升效果上，如玉米上的相關研究顯示分根區(qū)交替灌溉可極大減少作物耗水，WUE較常規(guī)灌溉可提高10.3%～37.9%[10,11]。然而，由于灌溉方式與農作物固碳能力的密切關系，分根區(qū)交替灌溉對農作物固碳的影響同樣需研究。為獲得同時提高水、碳利用的水氮管理模式，以甜糯玉米為供試作物，通過盆栽試驗，研究了不同滴灌模式和施氮水平對甜糯玉米干物質量、產量、水分利用效率、含碳量和固碳量的影響，以期獲得一種適宜的玉米水氮管理方式，為甜糯玉米生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

盆栽試驗在廣西大學農學院網室進行。該網室可以透光、通風，遮雨，試驗室內光照、溫度和濕度等環(huán)境因素與室外基本一致。供試土壤為赤紅壤，采自本校農科教學實習基地，經風干、碾碎，過5 mm 篩，土壤基本性質為：田間持水量為29.5%，pH 值5.3，堿解氮（N）42.1 mg/kg，速效磷（P）35.4 mg/kg，速效鉀（K）105.4 mg/kg。供試玉米品種為家甜糯11。

1.2 試驗方法

盆栽試驗設5 種滴灌模式和3 種施氮（N）水平，完全方案設計，共15 個處理，每個處理重復4 次，共60 盆，隨機區(qū)組排列。5種滴灌模式見表1，其中常規(guī)滴灌（C，每次1個滴頭分別對兩側土壤灌水或灌水施肥，共2個滴頭對兩側同時進行）；交替滴灌（A，每次用1 個滴頭對其中一側灌水或灌水施肥，下一次處理時對另一側進行灌水或灌水施肥，如此交替進行）；固定滴灌（F，每次用1個滴頭只對固定一側灌水或灌水施肥）。苗期-拔節(jié)后期是指6月9日至7月3日(播種后9～33 d)，拔節(jié)后期-開花期是指7月4日至8月1日(播種后34～62 d)按表1 進行滴灌處理。其中交替滴灌和固定滴灌處理除按要求時期進行灌水和施肥控制處理外，其余時期按常規(guī)滴灌方式進行灌溉和施肥處理。試驗期間只灌水時不加肥料。灌水施肥時，事先按設計要求配好肥料溶液，肥料溶液注入模擬滴灌系統(tǒng)的輸液袋，將輸液袋掛在距地面2 m高處，溶液由塑料軟管導出，經軟管由滴頭滴入土壤中，滴頭距離植株根系15 cm，流速為0.7 L/h，實驗裝置圖見圖1。

表1 不同滴灌模式Tab.1 Different drip irrigation modes

圖1 不同滴灌方式示意圖Fig.1 Layout of drip irrigation imitation system for three drip irrigation methods

3 種施N 水平設高N(0.20 g N/kg 土)、中N(0.15 g N/kg 土)和低N(0.10 g N/kg土)。30%N 肥用作基肥，與土壤混合均勻，其余70%N肥用滴灌方式追施，苗期-拔節(jié)期占30%，拔節(jié)期-開花期占40%，每個時期平均分2 次施，共計4 次追施。常規(guī)滴灌在兩側均勻施N；交替滴灌前次對一側施N，下次對另一側施N，以保證兩側肥料用量相同，而固定滴灌則固定在灌水的一側施N，保證水肥同步。所有處理P2O5和K2O 施用量均為0.10 g/kg土和0.15 g/kg土，作基肥與土壤混合均勻。氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用磷酸二氫鉀（含P2O552%），鉀肥用磷酸二氫鉀（含K2O 34%）和氯化鉀（含K2O 60%）。

1.3 試驗管理

試驗在塑料桶中進行，塑料桶上部開口直徑35 cm，底部直徑26 cm，高29 cm。桶中央粘一層塑料，將桶分成均等的兩部分，構成分根裝置。每一部分均裝土10 kg，每桶共裝風干土20 kg。在塑料薄膜中部剪個缺口，每盆缺口處放置已催芽露白的玉米種子。播種后，缺口處和塑料薄膜兩側用桶內兩邊土壤起2～3 cm高的壟，以阻止灌水時兩側水分相互交換。播種前每個處理土壤水分保持在田間持水量的80%。

5月30日將土壤裝入試驗桶，N 肥作基肥，裝盆時與土壤混勻。5月31日每桶播4粒已催芽種子，長到四葉一心時，間苗定苗，每桶留長勢均勻的玉米苗1株。常規(guī)滴灌土壤水分下限為田間持水量的70%，上限為田間持水量的80%，當含水量降至或接近該處理水分下限進行灌水，灌水至水分控制上限。用稱重法測定常規(guī)滴灌處理的土壤含水量，用水量平衡法確定耗水量所需的灌水量。交替滴灌和固定滴灌各施N 處理每次灌水量按常規(guī)滴灌相應施N 處理灌水量的80%進行滴灌。每次灌水量用量筒量取，并記錄各處理灌水量。8月28日試驗結束。

1.4 測定項目和方法

收獲后采集各處理地上部、根系和籽粒部分，105 ℃殺青30 min 后于60 ℃烘至恒質量，記錄其干質量，最后粉碎混勻后測定植物含碳量。玉米地上部、根系和籽粒含碳量均用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[12]。地上部、根系和籽粒固碳量分別是各部位的碳含量和相應的干物質量的乘積。植株固碳量是地上部、根系和籽粒固碳量之和。

采收盆栽玉米地上部分后稱每桶質量，扣除原土壤質量和桶質量，剩余部分為最后未消耗的水分。由于盆底不漏水，因此，將每次灌水量相加再減去試驗前后土壤水分量的差異，即為玉米整個時期的耗水量。水分利用效率計算公式如下：

以干物質量為基礎的水分利用效率（WUEt，kg/m3）[13]=植株干物質量（地上部干物質量+根系干物質量）/耗水量

以產量（籽粒）為基礎的水分利用效率（WUEs，kg/m3）[14]=產量/耗水量

1.5 統(tǒng)計分析

試驗數據方差分析用多重比較Duncan 法分析，包括施氮水平、滴灌組合以及兩者間的交互效應，不同小寫字母表示不同處理間差異在5%水平差異顯著，相同小寫字母表示不同處理間差異在5%水平差異不顯著。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌施氮模式對甜糯玉米干物質積累和產量的影響

表2表明，不同滴灌模式玉米根系干物質量之間的差異顯著。與苗期-開花期常規(guī)滴灌（CC）相比，苗期-開花期交替滴灌（AA）玉米根系干物質量有所提高。低氮水平時，AA模式根系干物質量比苗期-開花期固定滴灌（FF）提高25.3%，差異顯著。不同施氮水平玉米根系干物質量之間的差異顯著。與低氮水平相比，中氮水平玉米根系干物質量提高14.3%～22.3%。

表2 不同處理甜糯玉米干物質積累Tab.2 Dry mass accumulation of sweet-waxy corn for different treatments

不同滴灌模式玉米地上部干物質量之間的差異顯著（表2）。中氮水平時，AA 模式地上部干物質量比CC、FC 和FF 模式分別提高9.6%、16.7%和20.5%。不同施氮水平玉米地上部干物質量之間的差異也顯著。相同滴灌模式下，中氮水平地上部干物質量最高，較高氮和低氮水平分別提高4.9%～13.2%和17.9%～21.8%。

不同滴灌模式玉米植株干物質量之間的差異顯著（表2）。中氮水平時，AA 模式玉米植株干物質量較CC 模式提高9.7%，說明在中氮水平時，AA 模式更有利于玉米植株干物質量的提高。不同施氮水平玉米植株干物質量之間的差異顯著。與低氮水平相比，中氮水平植株干物質量提高17.4%～20.6%。

不同滴灌模式玉米產量之間的差異顯著（表3）。中氮水平時，AA 模式產量比CC、AA、FC 和FF 模式分別提高10.9%、8.8%、16.5%和20.5%（圖2）。不同施氮水平玉米產量之間的差異顯著（表3）。與低氮水平相比，中氮水平產量提高18.3%～22.6%（圖2）。

表3 滴灌方式與施氮水平對甜糯玉米產量及水分利用效率影響的方差分析Tab.3 Probabilities of treatment differences in yield and water use efficiency of sweet waxy corn with the different drip irrigation and nitrogen application levels

圖2 不同處理甜糯玉米產量Fig.2 Yield of sweet-waxy corn for different treatments

2.2 不同滴灌施氮模式對甜糯玉米水分利用的影響

不同滴灌模式玉米耗水量之間的差異顯著（表3）。圖3(a)表明，各施氮水平（高N、中N 和低N）下，與CC 模式相比，AC、AA、FC 和FF 模式耗水量分別降低7.6%～8.1%、19.7%～20.8%、9.9%～13.8%和20.8%～15.3%。不同施氮水平玉米耗水量之間的差異也顯著（表3），耗水量隨施氮量的提高而增加。

不同滴灌模式以干物質量為基礎水分利用效率（WUEt）之間的差異顯著（表3）。圖3(b)表明，與CC 模式相比，中氮水平時，AA 模式WUEs增幅最大，達到35.8%，差異極顯著。不同施氮水平玉米WUEt之間的差異也顯著（表3）。與低氮水平相比，中氮水平的WUEt提高13.5%～21.9%。

不同滴灌模式以籽粒產量為基礎水分利用效率(WUEs)之間的差異也顯著（表3）。由圖3(c)可以得到，與CC 模式相比，中氮水平時，AA 模式WUEs提高33.8%，差異極顯著。不同施氮水平玉米WUEs之間的差異也顯著（表3）。由圖3(c)可以得到，與低氮水平相比，中氮水平的WUEs提高14.2%～20.9%。

圖3 不同處理甜糯玉米水分利用Fig.3 Water use of sweet-waxy corn for different treatments

2.3 不同滴灌施氮模式對甜糯玉米植株含碳量和固碳量的影響

表4表明，不同滴灌模式玉米根系、地上部與籽粒含碳量之間略有差別。與CC 模式相比，各施氮水平下AA 與AC 模式的各部分含碳量均有所提高，FC 與FF模式略有下降。不同施氮水平各部分含碳量之間的差異顯著，相同滴灌模式下，中氮水平根系、地上部和籽粒含碳量均最高，較低氮水平分別上升11.2%～13.0%、12.1%～14.1%和4.8%～8.4%。

表4 不同處理甜糯玉米含碳量Tab.4 Carbon content and fixation of sweet-waxy corn for different treatments

由圖4可以看出，不同滴灌模式玉米固碳量之間的差異顯著。各施氮水平下，AC 與AA 模式固碳量較CC 模式均有所增加，其中AA 模式提升幅度更大，但高氮與低氮下均未達顯著水平。中氮水平時，與CC 模式相比，AA 模式全株固碳量提高了16.3%，差異顯著。相同施氮水平下，FF 模式固碳量較CC 模式均有所下降，全株固碳量下降8.2%～13.0%。中氮水平時，AA 模式更有利于增加玉米植株的固碳量。不同施N 水平玉米固碳量之間的差異顯著。各滴灌模式下，玉米全株固碳量隨施氮水平下降呈先上升后下降趨勢。與低氮水平相比，中氮水平全株固碳量提高5.5%～14.54%，差異顯著。

圖4 不同處理甜糯玉米固碳量Fig.4 Carbon fixation of sweet-waxy corn for different treatments

3 討論

3.1 不同滴灌施氮模式對甜糯玉米產量及水分利用的影響

氮肥施用量與作物的水分利用效率在一定范圍內呈正相關，而氮肥過量施用會造成植株“奢侈”耗水，不利于水分的高效利用[15-18]。本研究結果顯示，不同滴灌模式下玉米干物質量隨施氮水平變化均呈現出：中N＞高N＞低N 的規(guī)律，耗水量隨施氮水平的提高上升，最終水分利用效率表現為：中N＞高N＞低N，AA 模式下中氮水平（0.15 g/kg 土）下玉米干物質量最高，WUEs和WUEt提升最為顯著。褚光等[19]的水稻干濕交替灌溉配施氮肥試驗中，在3 種施氮水平(80 kg/hm2、160 kg/hm2、240 kg/hm2)下，水稻水分利用效率隨施氮水平提高先上升后下降，施氮水平為160 kg/hm2時水稻產量與水分利用效率皆達到最高，本研究也有類似的結果，這說明適宜的氮肥用量下在玉米苗期-開花期進行分根區(qū)交替灌溉對提高玉米產量與水分利用效率有促進作用。

前人研究表明，在玉米生育期的前中期實施分根區(qū)交替灌溉措施，玉米干物質量受影響不大或有所增加[10,11,20-22]。程銘慧等[23]研究發(fā)現，全生育期分根區(qū)交替灌溉下玉米干物質量大幅下降，而僅在玉米苗期-拔節(jié)期實行分根區(qū)交替灌溉，干物質量受影響程度很小。劉水和李伏生[22]在玉米拔節(jié)期-抽雄期進行分根區(qū)交替灌溉，玉米地上部和總干物質量較常規(guī)灌溉分別提高29.6%和27.4%。陸文娟等[20]在玉米拔節(jié)前期至抽雄期實行分根區(qū)交替灌溉，玉米總干物質量并無顯著變化。本研究結果表明，與CC 模式相比，AC 與AA 模式玉米各部分干物質量均有所提升，且AA 模式的提升幅度要略高于AC 模式，說明該實驗條件下，在玉米苗期-開花期實行分根區(qū)交替滴灌有利于其干物質量的積累。這是由于作物在受到水分脅迫刺激后，恢復供水時產生了補償機制，加快了玉米的生長[24,25]。在此基礎上，AA 模式相較其他處理耗水量顯著降低，WUEs和WUEt顯著提高。因此，在玉米灌溉管理上，可考慮僅在特定生育期實行分根區(qū)交替灌溉。FC 與FF模式顯著降低玉米耗水量，水分利用效率較CC 模式提升顯著，但干物質量大幅下降，因此該滴灌方式不推薦應用于玉米的水分管理。

3.2 不同滴灌施氮模式對甜糯玉米固碳能力的影響

植株的固碳量受其含碳量與干物質量影響。本研究中，與低氮和高氮水平相比，中氮水平玉米各部分干物質量與含碳量顯著提高，全株固碳量上升，說明適宜的氮肥水平有利于玉米固碳能力的提升。前人研究也表明，在一定施氮量范圍內，施氮量與植物光合速率呈正相關[26,27]，而過量氮施入則會導致玉米碳同化速率顯著降低[28]，原因可能是氮素增加會使植物光合部位氮同化作用強度加強，與光合碳同化競爭光合作用中光反應產生的ATP 和NADPH(還原型輔酶Ⅱ)，進而導致CO2同化速率降低[29]。因此，為增強玉米碳積累，施氮水平為0.15 g/kg土時最適宜。

灌溉方式與作物光合固碳能力關系密切[30]，其機制也較為復雜，一方面，干旱脅迫往往會造成植株光合機制受損萎縮[31]，干物質量下降；另一方面，干旱條件下水分脅迫信號會調節(jié)植株光合效率[32]，促進固碳。分根區(qū)交替灌溉方法單側交替供水并不意味缺水干旱，植物的水分的基本需求仍可以得到滿足，在保證作物干物質量的前提下提升其含碳量，作物固碳量得以提升。韓小虎等[33]在桃樹上的研究顯示，1/2 根區(qū)交替灌溉下桃樹凈光合速率與水分利用率較全根區(qū)灌溉顯著提高，據此認為分根區(qū)交替灌溉模式能提高桃樹的光合效率。此外水分脅迫產生的信號也會刺激植物降低自養(yǎng)消耗，間接提升植株碳儲備[34]。在馬鈴薯上的研究顯示，在水分脅迫下馬鈴薯塊莖淀粉含量表現出增加趨勢，因此研究者認為適宜的水分脅迫能夠抑制馬鈴薯營養(yǎng)器官中淀粉的分解[35]。本研究顯示，AA 模式下玉米各部分的含碳量相較于常規(guī)滴灌模式顯著上升，干物質量也略有上升，固碳量顯著提高，說明在玉米苗期-開花期施行分根區(qū)交替灌溉能提高玉米的固碳能力，與前人研究結果類似。此外，有研究指出，適宜水分脅迫下植物根系體積、表面積均會增加，有利于農作物構建良好的根系形態(tài)，提高農作物根系的碳氮代謝[32]，這可能也是本試驗中玉米固碳量上升的原因之一。FF與FC 模式相較其他滴灌模式固碳能力顯著下降，說明單側供水的灌溉模式顯著抑制作物的固碳能力，主要原因是單側供水造成缺水部分根系萎縮，植株的光合性減弱[36]。

4 結論

（1）苗期-開花期實施交替滴灌促進甜糯玉米干物質積累和產量，顯著降低耗水量，提升水分利用效率。

（2）在玉米苗期-開花期實施交替滴灌，甜糯玉米固碳量顯著增加。

（3）施氮可提升交替滴灌下甜糯玉米水分利用效率，增強玉米固碳能力。相同灌溉模式下，中氮水平（0.15 g/kg）下水分利用效率，含碳量與固碳量最高。

因此，中氮水平下苗期—開花期實施交替滴灌可以提高水分利用效率與固碳能力，是甜糯玉米較好的水氮管理模式。