淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后光合特性、氮素利用和產(chǎn)量的影響

葛選良，楊恒山，趙培軍，劉 晶，張雨珊

（1內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙 古通遼 028000；2烏蘭察布市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 蘭察布 012000）

0 引言

玉米是中國第一大糧食作物，其可持續(xù)生產(chǎn)對中國糧食安全至關(guān)重要。施用化肥特別是氮肥的施用是提高玉米單產(chǎn)的主要途徑之一[1-2]。在中國傳統(tǒng)“一炮轟”高施氮量條件下，化肥撒施或撒施后大水漫灌導(dǎo)致氮肥不能及時入土，影響作物根系對氮素的吸收利用，從而降低了氮肥利用效率[3]。研究表明，水肥一體化、氮肥減施、分期調(diào)控等綜合農(nóng)藝措施對提高作物氮肥利用具有正效應(yīng)[4-5]。淺埋滴灌是本課題組研發(fā)的一種新型滴灌節(jié)水灌溉方式，采用寬窄行種植模式，將滴灌帶埋設(shè)于窄行中間地表3～5 cm處，利用輸水管道將具有一定壓力的水經(jīng)滴灌帶以水滴的形式緩慢而均勻地滴入植物根部附近土壤的一種灌溉技術(shù)，兼具去膜、節(jié)水、減肥、增效的優(yōu)勢[6-8]。前人研究表明，淺埋滴灌水氮耦合可促進玉米干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運，提高產(chǎn)量和水氮利用效率[8-10]。本試驗基于團隊前期的研究，在300 kg/hm2施氮水平下設(shè)置不同氮肥追施方式處理，研究淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后葉源特性、光合特性、氮代謝酶活性、氮素轉(zhuǎn)運積累和產(chǎn)量的影響，以期為西遼河平原玉米豐產(chǎn)氮高效施用方式的確定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2020年在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)高新科技示范園區(qū)(43°36′N，122°22′E)進行，試驗地點海拔180 m，年平均氣溫6.8℃，≥10℃的活動積溫3200℃，無霜期154天，年均降水量359.3 mm。試驗地土壤為灰色草甸土，試驗實施前耕層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)含量18.52 g/kg，堿解氮含量52.26 mg/kg，有效磷含量11.35 mg/kg，速效鉀含量110.83 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗基于淺埋滴灌水肥一體化定位試驗，設(shè)置氮肥一次性追施(CK)和氮肥分期追施(NFQ)2個處理，3次重復(fù)，共12個小區(qū)，小區(qū)面積72 m2(10 m×7.2 m)。淺埋滴灌采用內(nèi)鑲片式滴灌管，滴頭相距20 cm，滴頭流量為2.7 L/h，使用播種鋪帶一體機使滴灌管淺埋于小壟中間地表3～5 cm處，各處理單獨配置18 L壓差式施肥罐和水表，分別用以控制施肥量和滴灌量，具體灌溉方案見表1。不同氮肥追施處理均基施磷酸二銨(N-P-K=18-46-0)195 kg/hm2和硫酸鉀(N-P-K=0-0-50)90 kg/hm2作為底肥，同時以尿素(N≥46%)為追肥供體，其中氮肥一次性追施處理結(jié)合滴灌灌溉在拔節(jié)期一次性完成氮肥追施；氮肥分期追施結(jié)合滴灌灌溉分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3:6:1比例追施氮肥，具體追肥方案見表2。供試品種為‘農(nóng)華101’，種植密度9.0萬株/hm2，40 cm+80 cm寬窄行種植。2018—2020年均為5月初播種，10月初測產(chǎn)收獲。

表1 灌溉方案

表2 不同處理氮肥追施方案 kg/hm2

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉源特性 2018—2020年于灌漿期各處理選取長勢一致、可代表小區(qū)平均長勢的連續(xù)5株玉米，利用SPAD502測定棒三葉葉綠素相對含量；分別測定單葉葉面積，計算單株葉面積；剪取穗位葉、穗位上第1片葉、穗位上第2片葉、穗位上第3片葉、穗位下第1片葉、穗位下第2片葉和穗位下第3片葉，分別在105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重，測定單葉干質(zhì)量，結(jié)合已測定的單葉葉面積，計算比葉質(zhì)量；將烘干的單葉片樣品分別粉碎過篩，參照鄒琦[13]的方法測定葉片氮含量。具體計算如式(1)～(3)。

1.3.2 光合特性 2018—2020年于灌漿期，在各處理選取長勢一致、可代表小區(qū)平均長勢的連續(xù)5株玉米，利用Li-6400便攜式光合儀測定穗位葉凈光合速率(Pn)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、光合有效輻射(PAR)等指標(biāo)，計算瞬時光能利用率、瞬時水分利用效率和瞬時羧化速率。具體計算如式(4)～(5)。

1.3.3 氮代謝相關(guān)酶活性 2020年分別于開花期、灌漿期和成熟期在各處理選取長勢一致、可代表小區(qū)平均長勢的連續(xù)5株玉米，剪取穗位葉葉片，擦凈表面并去除葉脈，之后用液氮速凍處理，帶回實驗室放入-80℃低溫冰箱保存。采用相應(yīng)酶聯(lián)免疫吸附測定實驗(ELISA)試劑盒測定硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性。

1.3.4 氮素積累轉(zhuǎn)運 2018—2020年分別于開花期和完熟期，在各處理選取長勢一致、可代表小區(qū)平均長勢的連續(xù)5株玉米，按莖鞘、葉片、穗軸、苞葉和籽粒分開，在烘箱內(nèi)105℃殺青30 min，80℃烘至恒重后，測定干物質(zhì)重，粉碎過篩后，參照鄒琦[11]的方法測定不同器官氮含量，計算花后氮素積累量和轉(zhuǎn)運量。具體計算如式(7)～(8)。

1.3.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 2018—2020年成熟期收獲測產(chǎn)，各處理測產(chǎn)小區(qū)面積24 m2，3次重復(fù)，調(diào)查總株數(shù)、空稈數(shù)，實收測定產(chǎn)量，之后隨機取30個果穗，脫粒測定含水量，調(diào)查穗行數(shù)和行粒數(shù)，隨機取1000粒籽粒，測定千粒重，平行測定3次，重復(fù)間差異小于0.5 g，同時折算成標(biāo)準(zhǔn)含水量(14%)的產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和作圖，采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后葉源特性的影響

葉片是作物進行光合物質(zhì)生產(chǎn)的主要器官，合理的葉源特性是作物高產(chǎn)群體形成的前提和基礎(chǔ)。由圖1可見，2018—2020年NFQ處理葉面積指數(shù)、葉綠素SPAD值和葉片氮素含量均顯著高于CK，其中2018、2019、2020年NPQ葉面積指數(shù)分別較CK提高了6.64%、5.54%、6.87%；葉綠素SPAD值分別較CK提高了8.05%、15.21%、9.80%；葉片氮素含量分別較CK提高了5.37%、6.05%、4.60%。2018—2020年NFQ處理比葉重與CK的差異均不顯著?？梢姡制谧返娠@著提升玉米花后的葉源特性，利于生育后期玉米光合生產(chǎn)與干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運，有助于玉米高產(chǎn)群體的形成。

圖1 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后葉源特性的影響

2.2 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后光合特性的影響

玉米是高光效C4作物，其群體產(chǎn)量的高低取決于群體光合物質(zhì)生產(chǎn)效率的高低，而玉米群體光合系統(tǒng)效率主要表現(xiàn)在光合特性的合理與否。由圖2可見，2018—2020年NFQ處理凈光合速率、瞬時光能利用率、瞬時水分利用效率和瞬時羧化速率均顯著高于CK，其中2018、2019、2020年NPQ處理凈光合速率分別較CK提高了10.02%、5.60%、5.32%；瞬時光能利用率分別較CK提高了3.97%、5.17%、3.70%；瞬時水分利用效率分別較CK提高了23.43%、17.89%、20.14%；瞬時羧化速率分別較CK提高了9.09%、9.09%、20.00%?？梢?，分期追氮玉米功能葉片的光合能力最強，利于其群體光合生產(chǎn)性能的提高，易于獲得高產(chǎn)。

圖2 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后光合特性的影響

2.3 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后氮代謝酶活性的影響

作物氮代謝相關(guān)酶調(diào)節(jié)和控制氮同化關(guān)鍵過程，與作物氮素代謝密切相關(guān)。由圖3可見，玉米花后不同生育時期NFQ處理硝酸還原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶活性均顯著高于CK，其中吐絲期、灌漿期、成熟期NPQ處理硝酸還原酶活性分別較CK提高了1.55%、2.38%、5.65%；谷氨酸合成酶活性分別較CK提高了4.89%、1.83%、3.08%；谷氨酰胺合成酶活性分別較CK提高了0.45%、1.99%、3.15%；谷氨酸脫氫酶活性分別較CK提高了11.03%、4.22%、5.25%。可見，分期追氮可顯著提高生育中后期玉米功能葉片的氮代謝相關(guān)酶活性，利于花后玉米群體氮素積累轉(zhuǎn)運。

圖3 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后氮代謝酶活性的影響

2.4 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后氮素轉(zhuǎn)運積累的影響

由圖4可知，2018—2020年NFQ處理氮素積累量和氮素轉(zhuǎn)運量均顯著高于CK，其中2018、2019、2020年NPQ處理氮素積累量分別較CK提高了25.02%、26.47%、19.42%；氮素轉(zhuǎn)運量分別較CK提高了24.83%、29.23%、3.82%?？梢?，分期追氮可顯著提高生育中后期玉米氮素轉(zhuǎn)運與積累，提高花后氮素利用效率，益于最終產(chǎn)量的形成。

圖4 淺埋滴灌下分期追氮對玉米花后氮素轉(zhuǎn)運積累的影響

2.5 淺埋滴灌下分期追氮對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可見，2018—2020年NFQ處理產(chǎn)量、穗粒數(shù)、千粒重均顯著高于CK，其中2018、2019、2020年NPQ產(chǎn)量分別較CK提高了11.60%、8.49%、8.11%；穗粒數(shù)分別較CK提高了9.00%、14.90%、12.66%；千粒重分別較CK提高了4.98%、4.80%、2.77%。2018—2020年NFQ處理穗數(shù)與CK的差異均不顯著。方差分析表明，分期施氮對穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量的影響顯著?？梢?，分期施氮可有效促進玉米花后籽粒灌漿，增加穗粒數(shù)，提高穗重，利于群體高產(chǎn)的形成。

表3 淺埋滴灌下分期追氮對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

3 結(jié)論

對比淺埋滴灌下不同氮肥追施方式玉米產(chǎn)量可知，本研究條件下不同年際間均以NFQ模式產(chǎn)量較高，2018、2019、2020年NPQ產(chǎn)量分別較CK提高了11.60%、8.49%、8.11%；穗粒數(shù)和千粒重亦均以NPQ較多，試驗?zāi)攴莘謩e較CK提高了9.00%、14.90%、12.66%和4.98%、4.80%、2.77%。進一步分析淺埋滴灌下不同氮肥追施方式玉米產(chǎn)量差異形成的原因可知，NFQ模式生育關(guān)鍵期葉源特性好、光合能力強和氮代謝運轉(zhuǎn)合理是其最終產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)。本試驗條件下，西遼河平原井灌區(qū)淺埋滴灌下玉米生產(chǎn)適宜的氮肥追施方式為拔節(jié)期、大口期、吐絲期按3:6:1比例追施。

4 討論

氮肥的合理施用可延緩葉片衰老，維持葉片光合生產(chǎn)能力以及同化物向籽粒的運轉(zhuǎn)能力，為籽粒灌漿提供充足的碳水化合物，利于產(chǎn)量的形成[12-13]。在相同的施氮量下，氮肥追施時期或次數(shù)是影響玉米的生長發(fā)育或產(chǎn)量主要原因[14-16]。研究表明，玉米生育期前期一次性追施氮肥造成生育后期缺氮，破壞葉片內(nèi)葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)，降低葉綠素含量，降低光合生產(chǎn)能力[17-18]。生育中后期追施氮肥可補充葉片中氮素含量，改善光系統(tǒng)的性能和協(xié)調(diào)性，增加光合產(chǎn)物[19]，但目前不同生態(tài)區(qū)玉米適宜的氮肥追施時期和分配比例不盡相同[20-22]。研究表明，氮素分3～4次追施較一次性施入可提高籽粒產(chǎn)量9.3%～18.2%，隨施氮次數(shù)的增加可提高葉面積和降低生育后期葉片衰老，延長了比葉質(zhì)量高值持續(xù)期，可顯著提高葉片光能利用率，促進干物質(zhì)積累從而獲得較高產(chǎn)量[23]。淺埋滴灌水肥一體化可實現(xiàn)水氮精準(zhǔn)供應(yīng)，氮肥供應(yīng)在時間、空間上與玉米需肥規(guī)律更加匹配，延長玉米葉片功能期，促進生育后期氮素吸收利用，有利于葉片氮代謝運轉(zhuǎn)，使其在花后具有較高的光合及物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運能力。本研究表明，氮素隨滴灌灌溉在拔節(jié)期、大口期、吐絲期按3:6:1比例追施，滿足玉米需水需肥規(guī)律，在同一水分條件下充分發(fā)揮水氮耦合效應(yīng)，減緩了氮代謝相關(guān)酶活性的降低，提升了玉米花后光合生產(chǎn)能力，利于淺埋滴灌下玉米產(chǎn)量的形成。