玉米/紫花苜蓿間作和不同施肥方式對(duì)玉米光合特性的影響

李艷君，高英志

(東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

松嫩平原是東北地區(qū)典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，長(zhǎng)期以來(lái)，由于集約化耕作所導(dǎo)致的土地利用效率降低、土壤肥力下降現(xiàn)象日益嚴(yán)重[1-2].為了提高該地區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)性，需優(yōu)化耕作制度.而間作制度可集約利用光、熱、肥、水等自然資源從而高效增產(chǎn)并進(jìn)一步改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化等問(wèn)題[3].玉米是我國(guó)鐮刀灣地區(qū)主要的糧食和飼料作物[4]，由于連年大面積種植、且以追求高產(chǎn)為主要目標(biāo)，導(dǎo)致過(guò)量施肥，造成的環(huán)境污染和土壤退化是目前迫切需要解決的重要問(wèn)題.紫花苜蓿是優(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)豆科飼草，具有很好的固氮作用[5]，因此，開(kāi)展玉米與紫花苜蓿間作既可以提高玉米產(chǎn)量又可以減少肥料使用.

光合作用是作物積累有機(jī)物形成產(chǎn)量的基礎(chǔ)，作物合成的有機(jī)物占植株的總干質(zhì)量高達(dá)95%，而玉米作為C4植物具有高光合效率的特點(diǎn)，改善其光合特性能夠顯著提高玉米產(chǎn)量[6-7].研究表明，玉米與大豆[8]、花生[9]、小麥[10]及平菇[11]間作時(shí)，通過(guò)時(shí)間、空間以及資源生態(tài)位互補(bǔ)[12]，可提高玉米對(duì)光的截獲和利用效率，促進(jìn)其功能葉光合能力的提高、充分利用土壤養(yǎng)分，使間作玉米產(chǎn)量顯著高于單作[13-14].然而，目前關(guān)于玉米與紫花苜蓿間作提高產(chǎn)量的研究多集中于根系-土壤互作與養(yǎng)分吸收利用等方面[3，15]，對(duì)于玉米與紫花苜蓿間作如何調(diào)控玉米的光合特性進(jìn)而影響產(chǎn)量的研究較為缺乏[16].

影響光合作用的環(huán)境因素有很多，其中土壤養(yǎng)分是影響光合作用的因素之一.土壤養(yǎng)分為植物生長(zhǎng)提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素，氮素和磷素作為土壤養(yǎng)分的大量元素，制約著農(nóng)作物的生長(zhǎng).其中，氮素是植物體內(nèi)葉綠素、核酸、蛋白質(zhì)和部分激素的重要組成部分[17]；磷素則在維持植物各種功能方面發(fā)揮更大作用，參與核酸、磷酸鹽、ATP和磷脂的合成，而他們恰恰是植物光合作用所必需的物質(zhì)[18].農(nóng)業(yè)上對(duì)土壤氮、磷水平的調(diào)控主要通過(guò)向土壤中施加含有不同元素的肥料實(shí)現(xiàn)，通過(guò)影響植物的生理代謝進(jìn)而影響其光合作用[19].目前關(guān)于施肥對(duì)玉米光合作用影響的研究多集中于單一肥料或多種施肥方式如何提高單作玉米光合特性等方面[20-25].而在間作過(guò)程中，當(dāng)物種間存在養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，施加不同肥料能否改善間作系統(tǒng)中玉米的光合特性還不清楚.為此，本文研究了不同施肥方式對(duì)玉米與紫花苜蓿間作過(guò)程中玉米光合特性的影響，以了解施肥方式對(duì)間作玉米光合特性的影響機(jī)制、提高施肥對(duì)間作玉米光合特性影響的認(rèn)識(shí)，這對(duì)提高間作玉米產(chǎn)量并完善間作優(yōu)勢(shì)理論具有重要意義.

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年在吉林省松原市長(zhǎng)嶺縣松嫩草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(123°44′E，44°40′N(xiāo))進(jìn)行.研究區(qū)氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年降雨量443.6 mm，月平均氣溫8.6 ℃，全年無(wú)霜期150 d左右(見(jiàn)圖1).試驗(yàn)樣地土壤為淡黑鈣土，0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1.試驗(yàn)玉米品種為鄭丹958(ZeamaysL.cv.Zhengdan 958)，是吉林省西部的推薦種植品種；紫花苜蓿品種選用東苜1號(hào)(MedicagosativaL.cv.Dongmu NO.1)，是東北地區(qū)的抗寒、抗旱品種.

圖1 試驗(yàn)區(qū)2016年溫度和降水量

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為4個(gè)施肥處理：不施肥(CK)、施氮(+N)、施磷(+P)和施氮+施磷(+NP)；副區(qū)為2種種植模式：玉米單作(MM，均勻壟種植，行距為65 cm，種植面積3.9 m×6 m)和玉米與紫花苜蓿間作(IMA43，4行玉米與6行紫花苜蓿間隔30 cm間作為一個(gè)帶幅，共3個(gè)帶幅，其中玉米行距為65 cm，苜蓿行距為30 cm，種植面積為12.1 m×6 m).共設(shè)置4個(gè)重復(fù).玉米于2016年5月上旬開(kāi)始播種，株距26 cm，播種量59 172株/hm2；紫花苜蓿于2016年7月初播種，播種量15 kg/hm2.試驗(yàn)開(kāi)始之前要將樣地進(jìn)行翻耕以保持土壤孔隙度和容重的均一性.翻耕后施肥，玉米的施肥水平是當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)施肥量，其中，氮肥(磷酸二銨，氮含量18%)225 kg/hm2；磷肥(重過(guò)磷酸鈣，磷含量46%)120 kg/hm2.為避免鉀肥成為限制作物生長(zhǎng)的因子，在每個(gè)施肥處理中都添加鉀肥(氯化鉀，鉀含量60%，60 kg/hm2).此外，+N處理和+NP處理中的一半氮肥(112.5 kg/hm2)連同鉀肥或磷肥在播種前均勻撒入土壤中，剩余的一半氮肥在玉米生長(zhǎng)的大喇叭口期進(jìn)行追施.

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 葉片光合指標(biāo)

在玉米開(kāi)花期選擇晴天于9：00—11：00，使用Li-6400xt便攜式光合測(cè)定儀(LI-COR公司，美國(guó))測(cè)定不同處理下玉米穗位葉片的光合速率(Photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)和胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci).測(cè)定位點(diǎn)為單作玉米帶和間作中間帶幅的玉米帶.每個(gè)位點(diǎn)隨機(jī)選擇3個(gè)樣本，每個(gè)樣本選擇有代表性的3片葉片進(jìn)行測(cè)量，取平均值.測(cè)量時(shí)在靠近葉尖的1/2部分進(jìn)行，避開(kāi)葉脈.各指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次.

1.3.2 生物量

在玉米收獲期(10月初)對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，選取5 m具有連續(xù)植株的中間行收獲的玉米量作為測(cè)定位點(diǎn).玉米秸稈和籽粒分開(kāi)取樣，樣品65℃烘干至恒重后稱(chēng)重，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)含水量14%計(jì)算作物產(chǎn)量.玉米秸稈和籽粒產(chǎn)量之和為總生物量.

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用R語(yǔ)言3.5.2和R Studio 1.1.463軟件，通過(guò)Shapiro-Wilk檢驗(yàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布和均方差檢驗(yàn).通過(guò)一般線(xiàn)性模型中的雙因素方差分析(Two-way ANOVA)，檢驗(yàn)不同施肥方式(FM)和種植模式(CP)對(duì)Pn，Tr，Gs和Ci的影響.如果FM和CP間交互作用顯著時(shí)，通過(guò)單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)FM和CP對(duì)各指標(biāo)的影響.所有的模型分析以及數(shù)據(jù)可視化均利用了函數(shù)包(“tidyverse”“reshape2”“ggplot2”“ggsci”和“ggpmisc”).顯著性水平為P<0.05.

2 結(jié)果

2.1 不同施肥方式和種植模式對(duì)玉米光合特性的影響

由表2可見(jiàn)，F(xiàn)M、CP及其交互作用對(duì)玉米光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)具有顯著影響(P<0.01).與單作相比，間作可顯著提高玉米的Pn(見(jiàn)圖2a)，在不施肥條件下，間作使玉米Pn提高24%；在+N條件下，Pn提高42%；+P條件下，Pn提高36%；+NP條件下，Pn提高52%.從施肥方式來(lái)看，間作玉米和單作玉米的Pn在+NP處理下最高，分別為31.84和21.02 μmol/(m2·s).與不施肥(CK)相比，在單作條件下，+N、+P和+NP分別使玉米的Pn顯著提高18%，7%和27%；在間作條件下，+N、+P和+NP分別使玉米的Pn顯著提高34%，17%和54%.

表2 施肥方式和種植模式對(duì)光合指標(biāo)影響的雙因素方差分析結(jié)果

注：大寫(xiě)字母示間作玉米在不同施肥模式間的差異，小寫(xiě)字母示單作玉米在不同施肥模式間的差異.

與單作相比，間作可提高玉米的Gs(見(jiàn)圖2b)，在不施肥條件下，間作提高的Gs效果不顯著；在+N條件下，Gs顯著提高89%；在+P條件下，Gs顯著提高49%；在+NP條件下，Gs顯著提高112%.各施肥處理對(duì)單作玉米Gs無(wú)顯著影響，但對(duì)間作玉米的Gs有顯著影響.在+NP處理下，間作玉米Gs最高，達(dá)0.35 mol/(m2·s).與CK相比，+N、+P和+NP處理分別使間作玉米Gs顯著提高66%，41%和84%.

間作玉米的Tr顯著高于單作(P<0.01)(見(jiàn)圖2c)，在不施肥條件下，間作使玉米Tr顯著提高14%；在+N條件下，Tr顯著提高21%；在+P條件下，Tr顯著提高47%；在+NP條件下，Tr顯著提高21%.間作玉米和單作玉米在不同施肥處理下存在顯著差異(P<0.01)，與不施肥(CK)相比，在單作條件下，玉米Tr在+NP處理下較高，為4.53 mmol/(m2·s)，+N使Tr顯著提高3%，+P使Tr顯著降低10%，+NP使Tr顯著提高7%.在間作條件下，玉米的Tr在+P處理下最高，達(dá)5.86 mmol/(m2·s)，+N、+P和+NP處理分別使其顯著提高10%，17%和13%.

與玉米Pn，Gs和Tr不同，除+NP處理外，間作使玉米的Ci顯著降低(P<0.01)(見(jiàn)圖2d)，不施肥條件下，間作使Ci降低不顯著；+N條件下，Ci顯著降低16%；+P條件下，Ci顯著降低19%；而+NP條件下，Ci顯著提高7%.各施肥處理中Ci存在顯著差異，與CK相比，在單作條件下，玉米Ci在+N處理下最高為93.9 μmol/(m2·s)，+N、+P和+NP分別使Ci顯著提高32%，25%和22%.在間作條件下，玉米Ci在+NP處理下最高為92.6 μmol/(m2·s)，+N、+P和+NP分別使Ci顯著提高24%，13%和45%.

2.2 施肥方式和種植模式對(duì)玉米生物量的影響

如表3、圖3所示，在不同施肥方式下相比CK，玉米生物量的增加比例受種植模式的顯著影響(P<0.01)，而種植模式間無(wú)顯著差異(P>0.05).各施肥處理均能增加玉米的生物量，且生物量增加比例在不同施肥處理間的趨勢(shì)為+NP>+N≈+P，無(wú)論間作還是單作，玉米生物量增加比例均在+NP處理下最高，分別為35%和29%.

圖3 不同施肥方式下玉米生物量相比CK處理的增加比例

表3 施肥方式和種植模式對(duì)生物量增加比例影響的雙因素方差分析結(jié)果

2.3 玉米生物量與光合特性的相關(guān)性分析

玉米生物量與光合特性的相關(guān)分析(見(jiàn)圖4)表明，間作玉米生物量與光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；單作玉米生物量與光合速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說(shuō)明間作玉米光合性能的提高有利于生物量增加.

圖4 玉米光合特性與生物量的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 不同種植方式對(duì)玉米光合特性的影響

間作能夠改善植物生長(zhǎng)期間的光照、水分和空氣條件，對(duì)植物的光合作用有重要影響[26].本文的研究結(jié)果表明，與單作相比，玉米與紫花苜蓿間作使玉米的光合速率顯著提高了24%、蒸騰速率提高了14%、氣孔導(dǎo)度提高了37%，玉米葉片的胞間CO2濃度降低了10%，說(shuō)明間作可以顯著提升玉米的光合能力，這與Nasar等[16]對(duì)玉米紫花苜蓿間作中玉米光合特性的研究結(jié)果一致[27].得出這種結(jié)果的原因，一是由于間作系統(tǒng)植株地上部分高矮交錯(cuò)，在空間上可以改善光的截獲面積和空氣流通速率，充分利用光能和空氣中的CO2，提高對(duì)光能的利用率[28]；二是玉米屬于須根系植物，紫花苜蓿為直根系植物，兩者的根系在空間生態(tài)位上互補(bǔ)，根際的交互作用改善了玉米根際的鐵營(yíng)養(yǎng)，提高了葉綠素含量，而葉綠素含量的增加又促進(jìn)了作物的光合作用[29].此外，相關(guān)分析表明間作玉米的Pn，Gs和Ci與生物量間呈正相關(guān)(見(jiàn)圖4)，說(shuō)明間作可通過(guò)提高玉米的光合性能促進(jìn)玉米生物量的積累.無(wú)論施肥與否，間作模式下玉米的光合特性均高于單作，這可能是由于間作使物種間互補(bǔ)作用和促進(jìn)作用增強(qiáng)，最終使玉米呈現(xiàn)更高的光合作用能力[30-31]；此外，也有研究[14]表明間作還可通過(guò)羧化效率和表觀量子效率的提高，促進(jìn)玉米CO2的固定使其提高光合作用的能力，達(dá)到與施加肥料相近的效果.

3.2 不同施肥方式對(duì)玉米光合特性的影響

施肥能夠調(diào)節(jié)作物的養(yǎng)分供應(yīng)、提高植株體內(nèi)的生理代謝能力、增強(qiáng)植物的光合特性，進(jìn)而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[19].增施氮肥和磷肥不僅可以改善植物的養(yǎng)分吸收狀況，促進(jìn)根系轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分至地上器官[32]，還能提高作物地上部分的光合性能，促進(jìn)干物質(zhì)的積累[33].本文的研究結(jié)果與以往的研究[34]結(jié)果一致，施加氮肥可以提高玉米的光合特性(見(jiàn)圖2)，主要的原因是施氮有利于作物葉綠素和激素的合成，增強(qiáng)作物的凈光合作用能力、提高光合速率，進(jìn)而促進(jìn)光合產(chǎn)物的合成.與氮對(duì)植物光合特性的影響不同，施加磷肥可以通過(guò)影響Rubisco活性和1，5-二磷酸核酮糖再生速率參與代謝，進(jìn)而影響植物的光合能力[35-36].本文的研究結(jié)果表明，施磷能夠提高間作和單作玉米的Pn，Tr，Gs和Ci(見(jiàn)圖2).而+P處理卻降低了單作玉米的Tr，這可能是因?yàn)楦滴盏牧姿厥且来螡M(mǎn)足根、莖、葉的需求，當(dāng)運(yùn)輸?shù)饺~時(shí)，磷的含量有所減少[37]，使Tr相對(duì)其他施肥處理降低.無(wú)論間作與否，與CK相比，三種施肥方式均能提高玉米的Pn，Tr，Gs和Ci，其中同時(shí)施加氮磷肥處理提高最為顯著.這可能是因?yàn)槭┘拥?、磷后，促進(jìn)了葉片中葉肉細(xì)胞的光合作用，消耗了葉片細(xì)胞內(nèi)部大量的CO2，而氣孔導(dǎo)度增大導(dǎo)致胞外CO2進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，胞外CO2濃度降低、胞間CO2濃度和蒸騰速率升高，凈光合速率升高[38-39].間作玉米Pn，Tr和Gs在各個(gè)施肥處理下相比不施肥處理的增加比例均大于單作，尤其是在同時(shí)施加氮磷肥處理下最高(見(jiàn)圖3).說(shuō)明不同施肥方式提高間作玉米光合特性的效果優(yōu)于單作玉米，施肥對(duì)間作玉米凈光合速率的促進(jìn)具有正效應(yīng)，即間作提高了作物對(duì)肥料的利用率.

3.3 施肥方式和種植模式對(duì)玉米生物量的影響分析

本文的研究結(jié)果表明，施肥方式對(duì)生物量的增加具有顯著影響，其中+NP處理對(duì)生物量的促進(jìn)作用最顯著(見(jiàn)圖3)，這與前人的研究結(jié)果[24]基本一致，玉米生物量的提高在一定程度內(nèi)與施肥種類(lèi)密切相關(guān).左仁輝等[32]研究認(rèn)為，施加氮肥同時(shí)以磷肥和鉀肥作為底肥的施肥方法，可以使單作玉米的光合特性和產(chǎn)量達(dá)到最大[19，21，25]；同時(shí)施加氮磷肥可緩解由單一施肥引起的土壤養(yǎng)分限制使土壤N/P比失衡，進(jìn)而影響生物量的形成[40].此外，不同的間作模式也會(huì)對(duì)作物的產(chǎn)量產(chǎn)生顯著的影響，相關(guān)的研究[41]表明，玉米與小麥或蠶豆間作會(huì)顯著提升玉米的產(chǎn)量.與前人的研究結(jié)果一致，本文的相關(guān)分析結(jié)果表明，玉米與紫花苜蓿間作提高了玉米的光合特性、促進(jìn)了生物量的累積，玉米與紫花苜蓿在時(shí)間和空間生態(tài)位上互補(bǔ)，避免了光、熱、水、空氣等自然資源的浪費(fèi)，延長(zhǎng)了光合有效時(shí)間，光合有效面積增大，最終增強(qiáng)群體收益率[4].

4 結(jié)論

不同施肥方式均能提高玉米與紫花苜蓿間作中玉米的光合特性，其中，同時(shí)施加氮磷肥效果最顯著，產(chǎn)生的生物量更多、收益最好.

為確保糧食安全和優(yōu)質(zhì)作物產(chǎn)量的提高，確保松嫩平原可持續(xù)發(fā)展并提供環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，可將玉米與苜蓿間作配施氮磷肥作為一種有效且可持續(xù)的生產(chǎn)管理措施進(jìn)行推廣.