秸稈還田下不同水肥對玉米氣孔形態(tài)特征及其分布格局的影響

閆潤杰，李 菲，張茜茜，張運鑫，4，武海霞，郝立華，常志杰，鄭云普，5

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北邯鄲056038；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；3.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗推廣中心，石家莊050071；4.河北省水生態(tài)文明及社會治理研究中心，河北邯鄲056038；5.河北省智慧水利重點實驗室，河北邯鄲056038）

0 引 言

農(nóng)田土壤含水量和肥力是決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，作物的生長發(fā)育過程和產(chǎn)量不僅由其內(nèi)部遺傳因素所決定，而且還會受外部環(huán)境因素的影響[1-3]。以往的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田不僅可以顯著提高土壤肥力，還可以促進微生物活動和減少化肥使用量[4,5]。另有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田有助于提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，其原理在于秸稈還田會增加土壤有機碳和氮含量，并為作物提供生長發(fā)育所必需的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素[6-8]。然而，秸稈還田改善農(nóng)田的效果并非都如人所愿，其原因在于其效果會受多種因素的制約，如還田方式、外界環(huán)境和土壤類型等[9-11]。通過確定玉米的最佳水肥量，可以進一步改善農(nóng)作物的生長發(fā)育條件和增加作物的產(chǎn)量，尤其是黃淮海平原地區(qū)的玉米產(chǎn)量，同時也將優(yōu)化秸稈還田的效果。

以往研究已經(jīng)證實，植物葉片的氣孔對陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳、水循環(huán)的調(diào)控過程有著十分重要的作用，其原因在于氣孔可以有效調(diào)控大氣二氧化碳和水蒸氣的交換過程[12]。植物不僅可以通過調(diào)節(jié)氣孔形態(tài)特征和氣孔空間分布格局以達到適應(yīng)外部環(huán)境變化的目的[13]，還可以通過改變氣孔形態(tài)特征和氣孔空間分布格局來優(yōu)化其氣體交換效率[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片的氣體交換效率主要取決于氣孔的密度、大小、形狀和空間分布格局[14]。因此，氣孔對植物的光合反應(yīng)過程扮演著關(guān)鍵性角色，并最終影響農(nóng)作物的產(chǎn)量[12]。目前，有關(guān)氣孔形態(tài)特征及其空間分布格局對水分虧缺響應(yīng)的潛在機理仍不清楚，尤其是基于秸稈還田的野外大田試驗研究還少見報道[15]。然而，受當前氣候變暖的影響，全球農(nóng)業(yè)水資源短缺的發(fā)生程度和頻率都呈現(xiàn)明顯的加劇趨勢，尤其是中國黃淮海平原地區(qū)的降水量呈逐年減少的趨勢[16,17]，這也在很大程度上加劇了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源短缺現(xiàn)象[18,19]。因此，農(nóng)田水分短缺已成為制約區(qū)域甚至全球糧食增產(chǎn)提質(zhì)的重要環(huán)境因素[20]。

當前的多數(shù)研究主要集中在不同水肥對葉片光合性能和農(nóng)作物產(chǎn)量的影響等方面[16,20]，而有關(guān)不同水肥對作物氣孔形態(tài)特征及其空間分布格局的研究較少，尤其是針對秸稈還田下不同水肥對玉米氣孔形態(tài)特征及其空間分布格局的相關(guān)研究還鮮見報道[19,20]。另外，盡管劉娜等[15]研究了秸稈還田下冬小麥葉片氣孔對不同水肥的響應(yīng)，但玉米作為一種重要的C4作物，不同灌水量和施肥量對玉米氣孔特征的影響可能同冬小麥（C3作物）之間存在著明顯的差異，故本研究結(jié)果還有助于比較C3與C4作物對水肥耦合協(xié)同效應(yīng)的不同響應(yīng)機制。因此，本研究探討了秸稈還田條件下不同水肥量對玉米氣孔特征的影響機理，并進一步確定黃淮海平原區(qū)玉米生長所需的最佳灌水量和施肥量，為秸稈還田下玉米水肥高效利用及糧食增產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗區(qū)位于河北省邢臺市寧晉縣原種農(nóng)場，其經(jīng)度為北緯37°24'50″～37°48'36″，東經(jīng)114°45'52″～115°14'58″。年均降水量約為500 mm，年均氣溫約為13 ℃（見圖1）。本研究區(qū)的土壤質(zhì)地以壤土和黏土為主，0～60 cm 深度的土壤容重為1.54 g/cm3，田間容量下土壤含水量（FC：占干土質(zhì)量）為27%，土壤pH值為7.42[15]。

1.2 試驗設(shè)計

本研究在秸稈還田條件下設(shè)置灌水和氮肥（控釋尿素）兩個因素，秸稈還田方式采用秸稈粉碎反壓還田，即在機械化收獲冬小麥的同時將小麥秸稈粉碎為3～5 cm 小段，然后旋耕使其與表層土壤均勻混合，秸稈還田量為9 000 kg/hm2。灌水采用微噴灌方式，灌水量分別設(shè)置為450 m3/hm2、600 m3/hm2、750 m3/hm2；其中，750 m3/hm2為充分灌溉條件下的灌水量，600 m3/hm2為輕度水分脅迫下的灌水量，450 m3/hm2為重度水分脅迫下的灌水量。為了防止水分在不同處理之間的運移，各處理間均預(yù)留0.5 m 寬的緩沖帶，且在不同水分處理小區(qū)之間埋入30 cm深的塑料隔板。氮肥施用量分別設(shè)置為450、600 和750 kg/hm2。本研究共設(shè)有9 個單塊小區(qū)，在充分灌溉、輕度水分脅迫和重度水分脅迫條件下分別對應(yīng)不同的氮肥施用量，每塊小區(qū)的面積均為147 m2（長21 m×寬7 m）。在2018年6月13日播種并施肥，以后不施肥。6月27日（苗期）灌水1次，以后不再灌水。分別在7月21日和8月29日進行拔節(jié)期和灌漿期取樣。

1.3 測定方法

（1）氣孔印跡法。首先，隨機從玉米植株中選取1 片完全展開的新葉，利用無色透明指甲油涂抹于近軸面和遠軸面的中部，待指甲油晾干后用鑷子采集氣孔印跡（面積為5 mm×15 mm），將樣品放至載玻片上，使用蓋玻片將氣孔印跡密封待測[20]。隨后，將載玻片放在具有拍照功能的顯微鏡下觀察氣孔形態(tài)和拍照[21]。最后，利用AutoCAD 軟件分別測量氣孔長度、氣孔寬度、氣孔周長、氣孔面積以及氣孔形狀指數(shù)[15]。

（2）氣孔的空間分布格局分析。本研究在分析氣孔空間分布格局時，假設(shè)每個氣孔均為葉片上分布的單個點，再利用ArcGIS 10.1 軟件將所選的照片進行數(shù)字化處理，即可得到每個氣孔的坐標值。利用空間統(tǒng)計方法對上述表示氣孔分布的點進行解析，具體方法請參照相關(guān)文獻[15，21]。

1.4 統(tǒng)計分析

利用單因素方差分析的統(tǒng)計方法研究不同水肥對氣孔參數(shù)的影響，不同處理間的顯著性差異采用Duncan’s Multiple Range Test（P<0.05）。利用SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量和施肥量對秸稈還田下玉米氣孔特征的影響

在玉米的拔節(jié)期，各處理之間近軸面的氣孔密度均無顯著差異（P＞0.05），但W600F450遠軸面的氣孔密度最大（P<0.05；見表1）。然而，當玉米處于灌漿期時，W450F450近軸面的氣孔密度最大，而W450F750遠軸面的氣孔密度最大（P<0.05；見表2）。因此，玉米的氣孔密度在不同發(fā)育時期（拔節(jié)期和灌漿期）對水肥響應(yīng)的過程存在明顯差異。此外，玉米遠軸面的氣孔密度均明顯高于近軸面的氣孔密度，表明玉米葉片的不同軸面（近軸面和遠軸面）對灌水量和施肥量的響應(yīng)也并不一致（見表1和表2）。

本研究結(jié)果顯示，玉米拔節(jié)期W750F600處理條件下，近軸面的氣孔寬度最大，但各處理間的氣孔長度和氣孔周長并無顯著性差異（P＞0.05）；然而，玉米拔節(jié)期W450F750處理下，遠軸面的氣孔寬度和氣孔周長最大，且W600F750的氣孔長度最大（P<0.05；見表1）。另外，在玉米灌漿期W750F600的近軸面氣孔長度、氣孔寬度和氣孔周長均為最大，而在灌漿期遠軸面氣孔寬度均無顯著差異（P＞0.05），但W600F450的遠軸面氣孔長度和氣孔周長均為最大值（P<0.05；見表2）。此外，在玉米拔節(jié)期，W750F600近軸面的氣孔面積最大，而氣孔形狀指數(shù)卻均無顯著性差異（P＞0.05）；然而，W450F750遠軸面的氣孔面積最大，但各處理之間的氣孔形狀指數(shù)均無顯著性差異（P＞0.05；見表1）。當玉米處于灌漿期時，W450F450近軸面的氣孔面積和氣孔形狀指數(shù)均最大，而W600F450遠軸面的氣孔面積最大（見表2）。

表1 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米拔節(jié)期氣孔特征參數(shù)的影響Tab.1 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal traits of maize at jointing stage under straw returning

表2 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米灌漿期氣孔特征參數(shù)的影響Tab.2 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal traits of maize at filling stage under straw returning

通過整合氣孔特征參數(shù)的綜合分析結(jié)果顯示：①在玉米拔節(jié)期，灌水量為750 m3/hm2和施肥量為600 kg/hm2時近軸面的氣孔特征參數(shù)為最佳（即氣孔寬度和氣孔面積均為最大值），而在玉米拔節(jié)期時，灌水量為450 m3/hm2和施肥量為750 kg/hm2時遠軸面的氣孔特征參數(shù)最佳（即氣孔寬度、氣孔周長和氣孔面積均為最大值）。②在玉米灌漿期，灌水量為450 m3/hm2和施肥量為450 kg/hm2時近軸面的氣孔特征參數(shù)最佳（即氣孔密度、氣孔面積和氣孔形狀指數(shù)均為最大值），而在玉米灌漿期時，灌水量為600 m3/hm2和施肥量為450 kg/hm2時遠軸面的氣孔特征參數(shù)最佳（即氣孔長度、氣孔周長和氣孔面積均為最大值）。

2.2 秸稈還田下灌水量和施肥量對氣孔空間分布格局的影響

本研究結(jié)果顯示，玉米近軸面和遠軸面均在小尺度范圍內(nèi)為規(guī)則分布(＜150 μm)，而在大尺度范圍內(nèi)（＞200 μm）呈隨機分布特征（見圖2和圖3）。在玉米拔節(jié)期，W750F750近軸面和遠軸面的氣孔在小尺度范圍內(nèi)分布均為最規(guī)則，且最小鄰域距離Lhat(d)值約為-5（在相同空間尺度下，最小鄰域距離越小，氣孔分布越規(guī)則），W750F750近軸面和遠軸面的氣孔分布均在135 μm 由規(guī)則分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機分布（見圖2）。在灌漿期小尺度范圍內(nèi)W750F600近軸面和遠軸面氣孔分布均為最規(guī)則且Lhat(d)值約為-5，W750F600近軸面氣孔分布在135 μm 由規(guī)則分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機分布，而W750F600遠軸面氣孔分布在120 μm 尺度上由規(guī)則分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機分布（見圖3）。同時，在灌漿期遠軸面，W750F600氣孔分布的分布格局在160 μm 尺度上又從隨機分布轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則分布，直到180 μm 再由規(guī)則分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機分布。另外，當玉米處于拔節(jié)期時，W750F450和W750F750近軸面Lhat(d)最小值相似，而W600F750和W750F750遠軸面Lhat(d)最小值相似。當玉米處于灌漿期時，W450F750近軸面Lhat(d)最小值同W750F600相似，而W450F450遠軸面Lhat(d)最小值同W750F600相似。在玉米拔節(jié)期，W600F750近軸面Lhat(d)的最小值最大，而W600F600遠軸面Lhat(d)的最小值最大。在玉米灌漿期，W450F450近軸面Lhat(d)最小值為最大，而W450F750遠軸面Lhat(d)最小值最大。此外，玉米拔節(jié)期W750F750和灌漿期W750F600近、遠軸面Lhat(d)最小值均約為-5，表明在灌水量為750 m3/hm2處理條件下，施肥量為600 kg/hm2和750 kg/hm2的氣孔分布規(guī)則程度相似（見圖2和圖3）。

圖2 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米拔節(jié)期氣孔空間分布格局的影響Fig.2 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal distribution patten of maize at jointing stage under straw returning

圖3 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米灌漿期氣孔空間分布格局的影響Fig.3 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal distribution pattern of maize at filling stage under straw returning

3 討 論

氣孔是植物同外界環(huán)境進行水分和氣體交換的重要門戶，植物對氣孔數(shù)量、氣孔大小以及空間分布格局的調(diào)節(jié)是其適應(yīng)環(huán)境變化、抵御外界脅迫的一項重要機制[22]。氣孔開度和氣孔密度不僅直接決定了葉片潛在的最大氣孔導(dǎo)度[23]，而且也是決定葉片氣體交換有效面積的關(guān)鍵生理生態(tài)參數(shù)[24,25]。本研究結(jié)果顯示，在灌漿期玉米葉片遠軸面會通過增加氣孔個數(shù)來緩解因水肥虧缺帶來的負效應(yīng)，從而優(yōu)化葉片的氣體交換過程。另外，葉片遠軸面的氣孔密度明顯高于近軸面，可能是為了降低植物的蒸騰速率，也可能是植物為了應(yīng)對水分虧缺，減少水分損失的一種適應(yīng)機制[26]。然而，季星桐[27]在研究灌水與秸稈還田對土壤理化性狀和小麥生長的影響中卻發(fā)現(xiàn)小麥的近軸面氣孔密度高于遠軸面。筆者認為，不同作物的氣孔密度分布在近軸面和遠軸面之間存在的區(qū)別主要是由其本身的遺傳特性而決定。另外，氣孔還可以通過控制CO2和水汽進出葉片控制著植物的光合作用和蒸騰作用。眾所周知，植物的光合作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力形成與演化的物質(zhì)基礎(chǔ)[8]，而蒸騰作用是水分在SPAC （Soil-Plant-Atmosphere-Continuum）體系運移的內(nèi)在驅(qū)動力，兩者直接決定著生態(tài)系統(tǒng)過程的水熱平衡狀態(tài)[9]。以往研究結(jié)果表明，氣孔對水分條件變化反應(yīng)敏感，植物可以通過調(diào)節(jié)氣孔的開合控制進出葉片氣體與水分的量，氣孔面積增大能增強控制氣體與水分的進出能力，氣孔長度變小可以減少水分的散失[12,14]。本研究顯示，玉米在水肥虧缺處理下，葉片會通過擴大氣孔面積來優(yōu)化葉片的氣體交換過程，從而提高玉米的凈光合作用速率。此外，玉米拔節(jié)期的氣孔寬度、氣孔面積和氣孔形狀指數(shù)均明顯大于灌漿期，表明拔節(jié)期與灌漿期對水肥的響應(yīng)機制并不完全一致。綜上所述，玉米葉片不同軸面的氣孔形態(tài)特征在不同生育期對水肥的響應(yīng)存在明顯差異，推測玉米不同軸面氣孔形態(tài)特征對灌水量和施肥量的非對稱性響應(yīng)可能受到遺傳性信號和環(huán)境因子的共同調(diào)控。

雖然植物葉片的氣體交換過程在很大程度上取決于氣孔形態(tài)特征[12,19]，但也并非完全受控于氣孔因素[28]，氣孔的空間分布格局也與葉片的氣體交換有著密切的關(guān)聯(lián)[29]。以往的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，高溫使藍莓葉片的氣孔空間分布變得更加規(guī)則，從而顯著提高了藍莓葉片的凈光合反應(yīng)速率[30]。本研究結(jié)果表明，不同灌水量、不同施肥量和不同發(fā)育時期條件下，玉米氣孔在小尺度范圍內(nèi)呈規(guī)則分布，而在較大尺度范圍為隨機分布。不論是拔節(jié)期還是灌漿期，充分灌溉條件下玉米葉片的氣孔分布更規(guī)則。當玉米葉片的氣孔分布更加規(guī)則時，可能會顯著增加氣孔導(dǎo)度，從而使更多的CO2分子擴散到光合反應(yīng)位點，參與玉米葉片的光合同化過程，最終提高玉米葉片的凈光合速率，因為規(guī)則的氣孔分布格局條件下，CO2分子從大氣環(huán)境由氣孔擴散到光合反應(yīng)位點參與光合作用的路徑最短，從而提高光合反應(yīng)效率。研究表明，氣孔空間分布格局的規(guī)則程度與葉片氣孔導(dǎo)度之間存在較高的相關(guān)性[31]，植物可以通過調(diào)整氣孔分布狀況來調(diào)控葉片的氣孔導(dǎo)度，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。武海霞等[31]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥可以通過調(diào)整氣孔開度和氣孔空間分布格局來提高葉片的氣孔導(dǎo)度，進一步提升葉片的氣體交換效率，從而顯著增加水分虧缺條件下冬小麥的葉片凈光合反應(yīng)速率。本研究結(jié)果顯示，玉米拔節(jié)期W750F750處理下玉米氣孔近軸面和遠軸面的分布格局均最規(guī)則，而在灌漿期則是W750F600處理下兩個軸面的氣孔分布均最規(guī)則，且兩者的Lhat(d)最小值均約為-5。然而，從氣孔形態(tài)特征的角度考慮，W750F600處理下的氣孔形態(tài)參數(shù)較優(yōu)于W750F750處理。因此，綜合考慮氣孔形態(tài)特征及其空間分布格局的情況下，秸稈還田后灌水量750 m3/hm2和施肥量600 kg/hm2處理下玉米氣孔的參數(shù)最優(yōu)，故最有利于葉片進行氣體交換過程。然而，需要注意的是，以往的相關(guān)研究結(jié)果表明，苗期適當虧水將有利于農(nóng)作物提高糧食產(chǎn)量，這主要是由于苗期的輕度干旱可以刺激農(nóng)作物產(chǎn)生脫落酸等次生代謝物質(zhì)[32]，從而提高作物抗干旱的能力[33]，故在農(nóng)作物發(fā)育后期進行充分復(fù)水可以增加糧食產(chǎn)量[32,33]。本研究結(jié)果顯示，充分灌溉處理下玉米的氣孔分布格局明顯優(yōu)于輕度虧水處理。筆者認為，該結(jié)果與以往研究結(jié)論不太一致的原因主要是由于本研究的水分處理是在整個玉米生育期內(nèi)始終保持虧水的狀態(tài)，并不同于以往研究會在作物發(fā)育后期進行復(fù)水處理而造成的。相似地，王澤義等[34]的研究結(jié)果也表明，持續(xù)輕度虧水處理對板藍根葉片光合能力和產(chǎn)量的影響同充分灌溉相比并不存在顯著性差異。因此，本研究同以往的相關(guān)研究在虧水方式上存在明顯的差異，故本文結(jié)果同以往研究結(jié)果并不矛盾。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)施肥量為600 kg/hm2為黃淮海平原玉米生長發(fā)育的最適施肥量，表明適當節(jié)肥也可能有利于提高玉米的產(chǎn)量；筆者認為可能是由于秸稈還田為農(nóng)田提供了豐富的營養(yǎng)元素，從而在一定程度上提高了農(nóng)田土壤肥力。因此，在黃淮海平原玉米產(chǎn)區(qū)進行秸稈還田還可能有利于該區(qū)域進一步實現(xiàn)“節(jié)肥增產(chǎn)”的目標。

作物秸稈是一種可回收利用的再生性能源，在補充土壤養(yǎng)分、促進微生物活動、減少化肥使用量、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的意義[35,36]。以往的相關(guān)研究表明，作物產(chǎn)量在很大程度上依賴于施用于土壤的高水平氮肥[37]，土壤缺氮會導(dǎo)致植株矮小，葉色發(fā)黃，進而抑制植株發(fā)育，最終降低作物產(chǎn)量[38]。此外，外界環(huán)境對植物葉片的氣孔形態(tài)特征以及空間分布格局有著至關(guān)重要的影響，如溫度、大氣CO2濃度、光輻射強度、空氣濕度、土壤水分和肥力等[39-41]。本研究通過秸稈還田下不同的灌水處理和施肥處理，探究黃淮海平原地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)玉米不同生育時期葉片氣孔結(jié)構(gòu)對水肥處理的響應(yīng)。然而，由于時間精力、試驗條件、技術(shù)手段等多方面因素的限制，目前對于決定葉片氣孔分布的內(nèi)在機理并不清楚，尤其是在分子水平上有些專門的基因控制著氣孔的分布格局[14]。

4 結(jié) 論

基于大田水肥試驗探討了秸稈還田下不同灌水量和施肥量對玉米氣孔形態(tài)特征及其空間分布格局的影響機理，得到以下結(jié)論：秸稈還田下，玉米拔節(jié)期的氣孔寬度、氣孔面積和氣孔形狀指數(shù)均明顯大于灌漿期；充分灌溉條件下玉米葉片的氣孔分布格局最規(guī)則，可能更加有利于提高玉米葉片的光合速率；秸稈還田條件下，玉米的最佳灌水量為750 m3/hm2，而最佳施肥量為600 kg/hm2。