滴灌水肥一體化下施氮量與頻次對(duì)夏玉米光合特性、保護(hù)酶活性及產(chǎn)量的影響

劉 帥，徐學(xué)欣，趙金科，曲文凱，郝天佳，孟繁港，賈 靖，趙長(zhǎng)星

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266109)

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，在保障國(guó)家糧食安全方面發(fā)揮了重要作用[1]。氮肥和水分是保障作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的重要條件[2]。我國(guó)作為目前世界上最大的氮肥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，氮肥利用率卻很低[3-4]，在日常生產(chǎn)中，過(guò)度施用氮肥會(huì)導(dǎo)致大量的氮素在土壤中處于盈余狀態(tài)，造成氮肥損失[5]，從而污染環(huán)境[6-8]。黃淮海地區(qū)是我國(guó)最大的玉米集中產(chǎn)區(qū)之一，但是該地區(qū)全年降雨存在時(shí)空分布不均的問(wèn)題，想要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，在夏玉米季仍需灌溉[9-10]。前人研究表明，玉米苗期一次性施肥增加了成本投入，降低了肥料利用率和產(chǎn)量；分次追施氮肥，能夠降低成本，增加肥料利用率和產(chǎn)量，但是又與勞動(dòng)力緊張的情況沖突[11-12]。滴灌施肥技術(shù)能夠按照作物水肥需求，將肥料溶于灌溉水，精準(zhǔn)、適量地直接輸送到作物根區(qū)的土壤表面[13-14]。前人研究表明，分次追施氮肥、增施氮肥能夠增加玉米生育期葉面積指數(shù)和SPAD值，減緩葉面積指數(shù)降低[15-17]，增加葉片光合速率，并能夠延緩葉片衰老進(jìn)程，延長(zhǎng)光合時(shí)間，提高穗位葉抗衰老能力，為增加產(chǎn)量創(chuàng)造條件[18]。分次追施氮肥、增施氮肥能夠提高玉米抗氧化能力，提高內(nèi)源保護(hù)酶活性，降低MDA含量的積累，延緩衰老進(jìn)程[17-19]。前人研究主要側(cè)重于施氮量對(duì)夏玉米光合特性、保護(hù)酶活性及產(chǎn)量的影響，但是在滴灌條件下，施氮量和施氮時(shí)期組合對(duì)夏玉米光合特性、保護(hù)酶活性及產(chǎn)量的研究鮮少。

本試驗(yàn)基于滴灌條件下，設(shè)置2個(gè)氮肥梯度、3個(gè)不同追肥時(shí)期，探究不同施氮量和施氮時(shí)期組合對(duì)夏玉米光合特性、保護(hù)酶活性及產(chǎn)量的影響，以期為黃淮海夏玉米生產(chǎn)區(qū)滴灌施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020—2021年在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園(35.53° N，119.58° E)進(jìn)行，該地屬半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，土壤類型為砂姜黑土，播種前0～20 cm土壤理化性狀為：pH值7.7，有機(jī)質(zhì)17.2 g/kg，堿解氮122.5 mg/kg，速效磷17.05 mg/kg，速效鉀134.00 mg/kg。2020年玉米全生育期降雨量為638.2 mm，2021年玉米全生育期降雨量為387.8 mm(圖1)。

圖1 2020，2021年夏玉米全生育期降雨量分布Fig.1 Rainfall distribution during the whole growth period of summer maize in 2020 and 2021

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置了210 kg/hm2條件下，拔節(jié)期、大喇叭口期和開(kāi)花期追肥處理(A1)，拔節(jié)期、大喇叭口期追肥處理(A2)，拔節(jié)期、開(kāi)花期追肥處理(A3)；180 kg/hm2條件下，拔節(jié)期、大喇叭口期和開(kāi)花期追肥處理(A4)，拔節(jié)期、大喇叭口期追肥處理(A5)，拔節(jié)期、開(kāi)花期追肥處理(A6)；并設(shè)置傳統(tǒng)畦灌為對(duì)照(CK)，總施氮量為240 kg/hm2，CK1在拔節(jié)期一次性追施氮肥，CK2在拔節(jié)期和大喇叭口期分別追施氮肥，共計(jì)8個(gè)處理，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)地每小區(qū)長(zhǎng)60 m，寬5.2 m，小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行貼茬直播。試驗(yàn)田底施復(fù)合肥：N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15，施用量純氮、P2O5和K2O均為90 kg/hm2，肥料隨種子一同錯(cuò)行施入。其余追施氮肥為普通尿素(含氮46%)，氮肥隨灌水等量分次追施。試驗(yàn)播種日期分別為2020年6月20日和2021年6月22日，收獲時(shí)間分別為2020年10月8日和2021年10月2日，試驗(yàn)供試品種為夏玉米鄭單958，行距60 cm，滴灌帶一管一行鋪放，每小區(qū)定量灌溉5 mm灌水量以水表記錄，其他管理措施同高產(chǎn)田。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design kg/hm2

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 葉面積指數(shù)計(jì)算 分別于夏玉米開(kāi)花期、花后10，20，30，40 d選取長(zhǎng)勢(shì)均勻，能夠代表所在小區(qū)整體生長(zhǎng)水平的植株，每個(gè)時(shí)期取3株，用卷尺測(cè)量玉米所有葉片長(zhǎng)度和最大寬度。

葉面積(m2)=葉長(zhǎng)(cm)×最大葉寬(cm)×0.75/10 000

①

葉面積指數(shù)(LAI)= 平均單株葉面積(m2)×單位土地面積內(nèi)的株數(shù)/單位土地面積

②

1.3.2 SPAD值測(cè)定 分別于夏玉米開(kāi)花期、花后10，20，30，40 d使用日本美能達(dá)公司生產(chǎn)的SPAD-502型葉綠素儀測(cè)定玉米穗位葉片SPAD值。

1.3.3 光合特性參數(shù)測(cè)定 分別于夏玉米開(kāi)花期、花后10，20，30，40 d使用便攜式Li-6400光合儀測(cè)定玉米穗位葉片光合特性。

1.3.4 衰老指標(biāo)測(cè)定 分別于夏玉米開(kāi)花期、花后10，20，30，40 d取玉米穗位葉葉片，參照Wang等[20]的方法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)，過(guò)氧化物酶(POD)測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[21]。

1.3.5 籽粒灌漿速率計(jì)算 于夏玉米開(kāi)花期開(kāi)始，選擇有代表性且生長(zhǎng)一致的植株50株，掛牌標(biāo)記。從開(kāi)花期開(kāi)始，每隔10 d取樣一次，每次取5株，分別取玉米中部籽粒50粒稱取鮮質(zhì)量，然后105 ℃殺青30 min，75 ℃下烘干至恒質(zhì)量。以開(kāi)花天數(shù)t為自變量，50粒籽粒干質(zhì)量為因變量y，用Logistic方程y=a/(1+be-ct)對(duì)籽粒增質(zhì)量過(guò)程進(jìn)行擬合得出不同處理下的籽粒灌漿方程。其中，a表示50粒理論最大粒質(zhì)量，通過(guò)公式Vm=ac/4，Tm=ln(b)/c計(jì)算最大灌漿速率、最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間。

1.3.6 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素分析 對(duì)每個(gè)小區(qū)隨機(jī)重復(fù)3次，每次重復(fù)選擇5 m 3行(9 m2)果穗，自然干燥，用于室內(nèi)測(cè)定。主要測(cè)定穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒質(zhì)量，產(chǎn)量按照籽粒14%含水量計(jì)算。

1.3.7 氮肥偏肥生產(chǎn)力計(jì)算 氮肥偏肥生產(chǎn)力=單位面積產(chǎn)量/單位面積施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，用Origin 2021軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮時(shí)期和施用量組合對(duì)夏玉米葉面積指數(shù)及SPAD值的影響

如圖2所示，各處理葉面積指數(shù)在開(kāi)花期達(dá)到最大，開(kāi)花后，葉面積指數(shù)逐漸減小。2020年，A1、A4、CK2與傳統(tǒng)灌溉處理(CK1)相比，花后40 d葉面積指數(shù)分別增加了17.7%，19.7%，15.1%；2021年，A1、A4、CK2與傳統(tǒng)灌溉處理(CK1)相比，花后40 d葉面積指數(shù)分別增加了33.5%，29.3%，25.5%，說(shuō)明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠延緩葉面積指數(shù)下降趨勢(shì)，延緩葉片衰老。

相同花后天數(shù)內(nèi)，不同小寫(xiě)字母表示不同處理在P<0.05水平差異顯著。圖3—4同。Within the same number of days after flowering，different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at P< 0.05 level.The same asFig.3—4.

如表2所示，夏玉米穗位葉SPAD值都呈先升高后降低的變化規(guī)律，在花后10 d達(dá)到最大值。花后10 d，A1、A4處理SPAD值下降速度顯著慢于其他處理，表明增加氮肥施用頻次能夠延緩夏玉米穗位葉SPAD值下降趨勢(shì)，延緩夏玉米生育后期葉片衰老，提高群體光合能力。

表2 不同施氮時(shí)期和施用量組合對(duì)夏玉米穗位葉SPAD值的影響Tab.2 Effects of different nitrogen application periods and combinations on SPAD value of ear position leaves of summer maize

2.2 不同施氮時(shí)期和施用量組合對(duì)玉米穗位葉光合特性的影響

圖3結(jié)果表明，隨著夏玉米生育期推進(jìn)，穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度都呈先升高后降低的趨勢(shì)，在花后10 d達(dá)到最大值。開(kāi)花后，2020年夏玉米穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律基本為A1、A4>CK2>A2、A3、A5、A6>CK1，第2年規(guī)律相同。隨著夏玉米生育期推進(jìn)，穗位葉的胞間二氧化碳濃度呈先升高后降低的趨勢(shì)，在花后30 d達(dá)到最大值，其基本變化規(guī)律為CK1>A2、A3、A5、A6>CK2>A1、A4，第2年規(guī)律相同。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠增加穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，降低胞間二氧化碳濃度，延緩凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的下降趨勢(shì)，提高穗位葉的光合能力并延長(zhǎng)光合時(shí)間，為增加產(chǎn)量創(chuàng)造了條件。

圖3 不同施氮時(shí)期和施氮量組合對(duì)夏玉米穗位葉光合特性的影響Fig.3 Effects of different nitrogen application periods and combinations of nitrogen application rates on photosynthetic characteristics of ear position leaves of summer maize

2.3 不同施氮時(shí)期和施用量組合對(duì)夏玉米穗位葉衰老特性的影響

圖4結(jié)果顯示，滴灌條件下拔節(jié)期、大喇叭口期、開(kāi)花期分次追施氮肥處理(A1、A4)在花后10 d開(kāi)始，穗位葉的SOD、POD(以鮮質(zhì)量計(jì))、CAT活性最高。隨著玉米生育期推進(jìn)，穗位葉SOD、POD、CAT活性呈先升高再降低的趨勢(shì)，在花后10 d達(dá)到最大值。A1、A4處理在開(kāi)花期施用氮肥后，花后穗位葉SOD、POD、CAT活性高于其他處理。隨著玉米生育期推進(jìn)，穗位葉MDA含量(以鮮質(zhì)量計(jì))呈逐漸升高趨勢(shì)，花后10 d開(kāi)始，傳統(tǒng)灌溉處理(CK1)顯著高于其他處理。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠提高玉米灌漿中后期葉片活性氧清除能力，減緩葉片衰老。

2.4 不同施氮時(shí)期和施用量組合對(duì)夏玉米籽粒灌漿特性的影響

從表3可以看出，決定系數(shù)R2在0.99以上，說(shuō)明Logistic方程較好地模擬了籽粒的灌漿過(guò)程。2020年除CK1外，最大籽粒灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間為開(kāi)花后第24天，CK1相比其他處理延遲1 d；A1、A4處理最大籽粒灌漿速率和最大理論千粒質(zhì)量均高于其他處理。2021年A1、A4、A5處理最大籽粒灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間為20 d，其他處理延遲1 d，最大籽粒灌漿速率和最大理論千粒質(zhì)量與上一年規(guī)律相同。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠縮短玉米籽粒達(dá)到最大灌漿速率的時(shí)間，延長(zhǎng)籽粒灌漿持續(xù)期，提高籽粒最大灌漿速率和最大理論千粒質(zhì)量，最終達(dá)到提高產(chǎn)量的效果。

表3 不同施氮時(shí)期及施氮量對(duì)夏玉米籽粒灌漿特性的影響Tab.3 Effects of different nitrogen application periods and levels on grain filling characteristics of summer maize

2.5 不同施氮時(shí)期和施用量組合對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從表4可以看出，滴灌條件下，拔節(jié)期、大口期、開(kāi)花期分次追施氮肥處理(A1、A4)的產(chǎn)量、千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)最高，且顯著高于其余各處理，A4處理偏肥生產(chǎn)力顯著高于其他處理。2020年，A1和A4與傳統(tǒng)灌溉處理(CK1)相比，穗粒數(shù)提高了11.8%和10.6%，千粒質(zhì)量分別提高了4.4%和3.9%，產(chǎn)量分別提高了17.8%和16.6%，氮肥偏肥生產(chǎn)力提高了34.6%和55.4%；2021年，A1和A4與傳統(tǒng)灌溉處理(CK1)相比，穗粒數(shù)均提高了6.4%，千粒質(zhì)量分別提高了6.6%和6.7%，產(chǎn)量分別提高了13.5%和13.0%，偏肥生產(chǎn)力分別提高了29.4%和50.7%。A4相比A1施氮量降低14.3%，但提高了偏肥生產(chǎn)力，2020年，A4與A1相比，偏肥生產(chǎn)力提高了15.5%；2021年，A4與A1相比，偏肥生產(chǎn)力提高了16.4%。2020年各處理玉米產(chǎn)量總體偏低是由全生育期降雨量過(guò)大導(dǎo)致。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠顯著提高夏玉米的產(chǎn)量、千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、偏肥生產(chǎn)力。

3 結(jié)論與討論

氮素是構(gòu)成葉綠素、提高葉片光合速率、增加LAI的重要礦質(zhì)元素[22-23]，增加氮肥施用量和施用頻次，能夠增加玉米生育期LAI和SPAD值，延長(zhǎng)LAI高值持續(xù)期，使葉片在玉米籽粒灌漿過(guò)程中保持較高的光合面積[24-25]。增加氮肥施用量和施用頻次能夠增加玉米葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，增加胞間CO2的利用率，延緩植株衰老[26]。本研究表明，在夏玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開(kāi)花期

表4 不同施氮時(shí)期及施氮量對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.4 Effects of different nitrogen application periods and levels on summer maize yield and its components

追施氮肥能夠增加玉米LAI，延緩生育后期LAI、SPAD的下降趨勢(shì)，增加玉米穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度，使玉米籽粒灌漿時(shí)保持較高的LAI和凈光合速率，但是A1、A4的光合特性差異并不顯著。表明分次追施氮肥對(duì)夏玉米LAI和SPAD值作用顯著，能夠使夏玉米葉面積指數(shù)及光合特性保持較高水平，延緩葉片衰老進(jìn)程，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

SOD、POD與CAT協(xié)同作用能夠清除植物體內(nèi)超氧自由基和H2O2，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)，三者活性高低標(biāo)志著植物體抗衰老能力的強(qiáng)弱[27]。MDA是膜質(zhì)過(guò)氧化作用的產(chǎn)物，它的多少代表膜質(zhì)過(guò)氧化的程度，也可間接反映植物組織抗氧化能力的強(qiáng)弱[28]。分期追施氮肥能夠提高夏玉米內(nèi)源保護(hù)酶活性，使MDA含量維持在較低水平，在一定程度上延緩衰老[19]。本研究表明，在夏玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開(kāi)花期追施氮肥能夠提高玉米生育后期穗位葉SOD、POD與CAT的活性，使MDA含量維持在較低水平，但是A1、A4的差異不顯著，證明了分次追施氮肥能夠延緩葉片衰老進(jìn)程，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

增加施氮量和施氮頻次能夠顯著提高玉米籽粒的灌漿速率，提前最大籽粒灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間，增加籽粒的平均灌漿速率，可以提高千粒質(zhì)量[29-30]。本研究表明，在夏玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開(kāi)花期追施氮肥能夠提高玉米籽粒最大灌漿速率，縮短了最大籽粒灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間，延長(zhǎng)灌漿持續(xù)期，最終達(dá)到增產(chǎn)的目的。2020年最大籽粒灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間較2021年相比延后4 d，可能是由2020年開(kāi)花期降雨過(guò)多導(dǎo)致；但是2021年理論千粒質(zhì)量小于2020年，可能是由2021年在夏玉米灌漿期降雨過(guò)多導(dǎo)致。

協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)量結(jié)構(gòu)對(duì)夏玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有關(guān)鍵作用[30]，而增加施氮量和施肥頻次能夠提高玉米的穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量[31-32]。本研究表明，在夏玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開(kāi)花期追施氮肥能夠顯著提高穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量，證明分次追施氮肥能夠滿足各個(gè)時(shí)期夏玉米對(duì)氮素的需求，從而增加產(chǎn)量。

本試驗(yàn)最優(yōu)處理為滴灌施氮量180 kg/hm2條件下，拔節(jié)期、大喇叭口期、開(kāi)花期分次追施氮肥處理(A4)；在滴灌水肥一體化條件下，增加氮肥施用次數(shù)、減少施氮量，可以減緩夏玉米生育后期葉面積指數(shù)減小的趨勢(shì)，增加葉片光合速率和籽粒的最大灌漿速率，從而增加穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。A4相比A1減少了氮肥的投入，降低了生產(chǎn)成本，其為本試驗(yàn)的推薦處理。