不同施肥處理對谷子光合特性及產(chǎn)量的影響

張 彪，趙沛義，任永峰，張 鵬，高宏艷，韓云飛，杜二小，羅素菊，王宣茗

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；3.內(nèi)蒙古旱作農(nóng)業(yè)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

谷子是現(xiàn)代人最喜愛的糧食之一，我國栽培面積約83.3萬hm2，年產(chǎn)量140萬～250萬t，我國總產(chǎn)約占世界的70%[1]。谷子具有生育時期短、耐旱性強、適應(yīng)性廣、耐儲藏、糧飼兼用等特點，是北方旱作可持續(xù)農(nóng)業(yè)和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要作物和應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略儲備作物[2-3]。隨著人們健康意識的增加，谷子種植面積也呈增加趨勢，從而帶動了市場需求和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。光合作用是干物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，作物生產(chǎn)90%的產(chǎn)量來自光合作用。研究表明，谷子的凈光合速率與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中灌漿期的凈光合速率顯著高于抽穗期，說明灌漿期的光合作用為籽粒充實提供了充足的光合產(chǎn)量來源[4]。在作物生育中后期，較高的光合指標以及理想的干物質(zhì)積累與分配能更好地提高產(chǎn)量。胡迎春[5]研究表明，緩釋化肥配施尿素可以提高玉米大喇叭口期到灌漿期的葉面積指數(shù)；侯莉萍[6]研究表明，燕麥生育后期（灌漿期），50%氮肥配施有機肥能夠顯著提高燕麥葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率；趙雋[7]研究表明，30%氮肥配施有機肥能夠顯著改善冬小麥的光合特性；段連學等[8]研究發(fā)現(xiàn)，75%氮肥配施有機肥能夠提高青海甜燕麥的株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、產(chǎn)量、單株小穗數(shù)、單株穗粒數(shù)和籽粒品質(zhì)。

由于旱作地區(qū)土壤蒸散量大，因此，多數(shù)農(nóng)戶使用地膜覆蓋的增溫、蓄水保墑等特性來有效防止水分快速蒸發(fā)，以利于旱作地區(qū)作物的生長發(fā)育。地膜覆蓋在農(nóng)作物生產(chǎn)中有著極其重要的作用。張旺鋒等[9]研究表明，覆膜種植較露地種植棉花產(chǎn)量顯著增加，水分利用效率也顯著提高。我國近年來的地膜覆蓋面積約2 000萬hm2，每年使用量超過120萬t，在我國農(nóng)作物生產(chǎn)中起到了作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的作用。然而地膜回收困難等問題，也造成我國每年都存在大面積地膜污染的情況[10]。膜側(cè)播種技術(shù)不僅解決了掏苗費工、補苗難度大、追肥困難等問題，還避免了高溫天氣旱地地膜覆蓋放苗不及時出現(xiàn)幼苗燒苗的現(xiàn)象，而且比普通全覆膜方法的地膜重復使用率提高80%，回收率可以達到80%以上，大幅度減少了地膜污染[11]。

近年來，谷子成為了內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的主要種植作物，但在谷子的種植過程中，由于單施無機復合肥、培肥施肥模式單一等原因?qū)е鹿茸雍笃陴B(yǎng)分供應(yīng)不足，氮肥利用率和產(chǎn)量普遍較低。研究表明，有機無機肥配施處理的谷子莖蘗數(shù)、葉面積指數(shù)要高于單施無機肥[12]。有學者針對有機無機肥配施和單施無機肥的施肥方式進行比較發(fā)現(xiàn)，玉米的株高、穗粒重、千粒重和產(chǎn)量等部分性狀的差異均達到了極顯著水平[13]。也有針對緩釋肥與無機化肥配施的研究，作物在生長后期仍能保持充足的礦質(zhì)元素給作物提供光合原料，有益于作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[14-15]。目前，關(guān)于不同施肥處理對玉米光合速率以及產(chǎn)量形成的研究較多，但有關(guān)內(nèi)蒙古西北地區(qū)谷子不同施肥處理在膜側(cè)播種條件下的光合特性日變化影響的研究報道較少，基于此，本試驗進行了谷子產(chǎn)量貢獻最大的灌漿期光合特征日變化及不同施肥處理產(chǎn)量的比較，以期為內(nèi)蒙古鄂爾多斯市谷子高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗納林果園小雜糧科技試驗示范基地進行，該基地位于準格爾旗沙圪堵鎮(zhèn)（39°44′7.35″N，110°48′18.35″E），屬于溫帶大陸性季風氣候，無霜期135 d，年降水量約300 mm，當?shù)刂饕魑餅楣茸印Ｔ囼炋锘A(chǔ)土壤養(yǎng)分：有機質(zhì)含量為8.07 g/kg、有效磷含量為6.50 mg/kg、速效鉀含量為101.90 mg/kg、堿解氮含量為28.30 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置5個處理（表1），PK為空白處理，NPK處理為對照，采取隨機區(qū)組設(shè)計，試驗小區(qū)面積為40 m2（5 m×8 m），重復3次。有機肥在每年谷子播種前整地施用，人工開溝，1/3氮肥和全部磷鉀肥在谷子播種前作底肥施入，2/3氮肥于拔節(jié)期追施。于2021年5月20日播種，谷子品種選用金苗K1，人工覆膜谷子種子播種于膜兩側(cè)3～5 cm，播種器穴播，每穴保苗3～4株，等行距種植，行距55 cm，株距13 cm，播種密度為30.0萬～37.5萬株/hm2，9月末收獲。田間管理與當?shù)卮筇锕芾硪恢隆?/p>

表1 試驗設(shè)計 單位：kg/hm2

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉面積測定

于谷子出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期在各小區(qū)選取6株具有代表性的植株掛牌標記，用于測定葉面積。采用公式單株葉面積=長×寬×0.76計算葉面積。

1.3.2 灌漿期光合指標日變化

于8月30日—9月1日晴朗微風天氣下在大田條件下采用漢莎科學儀器有限公司生產(chǎn)的CIRAS-3便攜式植物光合作用測定儀進行光合指標的測定，測定時間在8：00—18：00，每隔2 h測定1次。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2018軟件處理數(shù)據(jù)并制圖，采用SPSS 26.0統(tǒng)計學軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對谷子各生育時期葉長、葉寬的影響

由表2可知，谷子整個生育時期的葉長呈先增大后減小的趨勢。不同施肥處理對于各個生育時期谷子葉長的影響不同，在苗期各處理間葉長差異較小，為11.83～14.17 cm；在拔節(jié)期各處理間無顯著差異（P＞0.05）；在抽穗期各處理間存在差異，抽穗期葉長為44.31～48.73 cm，葉長最長的為N+BM處理。在灌漿期，N+BM處理的葉長較PK、NPK、N+SM和N+HM處理分別提高了11.92%、8.67%、3.66%和0.51%。

表2 不同施肥處理對谷子各生育時期葉長的影響 單位：cm

由表3可知，各施肥處理谷子的葉寬在苗期和拔節(jié)期無明顯差異（P＞0.05），但在抽穗期后有顯著差異（P＜0.05）；整個生育時期，谷子的葉寬變化幅度較小，從苗期到灌漿期有小幅度的增加趨勢，在成熟期時有小幅度的下降趨勢。在灌漿期，N+BM處理的葉寬較PK、NPK、N+SM和N+HM處理分別提高了18.5%、11.7%、2.8%和6.9%。N+BM與N+SM處理在成熟期的葉寬較NPK處理提高7.9%和8.9%，說明N+BM與N+SM處理在谷子生育后期葉寬增加幅度優(yōu)于其他處理。

由表4可知，不同施肥處理對各生育時期谷子葉面積的影響不同，且從苗期到成熟期呈先增大后減小的動態(tài)生長趨勢，生長速度先慢后快，在抽穗期葉面積達到最大值，灌漿期到成熟期逐漸減小。整個生育時期葉面積變化為6.64～87.60 cm2，在苗期葉面積表現(xiàn)為：N+BM＞N+SM＞NPK＞N+HM＞PK，N+BM處理較NPK處理葉面積分別提高12.2%、5.5%；在抽穗期葉面積表現(xiàn)為N+BM＞N+HM＞N+SM＞NPK＞PK；在灌漿期和成熟期，葉面積均表現(xiàn)為：N+BM＞N+SM＞N+HM＞NPK＞PK，N+BM處理較NPK處理葉面積分別提高21.6%、18.0%，N+SM處理較NPK處理葉面積分別提高13.9%、15.4%。

表4 不同施肥處理對谷子各生育時期葉面積的影響 單位：cm2

2.2 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片凈光合速率的日變化

由圖1可知，各施肥處理灌漿期谷子葉片凈光合速率日變化的整體變化趨勢相同，5個處理凈光合速率日變化均呈雙峰曲線變化，具有光合午休現(xiàn)象，從8：00開始凈光合速率逐漸加快，第1次峰值出現(xiàn)在12：00左右，其中N+BM處理凈光合速率最大，為17.5 μmol/（m2·s），較PK處理和NPK處理分別提高26.8%、13.9%。凈光合速率從大到小依次為N+BM＞N+HM＞N+SM＞NPK＞PK。第2次峰值出現(xiàn)在16：00左右，且以N+BM處理凈光合速率最大，為14.0 μmol/（m2·s），較NPK處理提高22.8%；N+HM處理和N+SM處理在16：00時凈光合速率分別較NPK處理提高了3.7%、13.8%。

圖1 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片凈光合速率的日變化

2.3 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片蒸騰速率的日變化

由圖2可知，不同施肥處理灌漿期谷子葉片蒸騰速率表現(xiàn)為先上升后下降趨勢，在12：00—14：00，各處理均達到最大蒸騰速率，N+HM、PK與NPK處理高于其他兩個處理，峰值分別為4.31、4.02和4.27 mmol/（m2·s）。在12：00時，NPK處理葉片蒸騰速率最高，為4.27 mmol/（m2·s），分別較N+SM處理和N+BM處理高12.6%、21.6%。

圖2 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片蒸騰速率的日變化

2.4 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片胞間CO2濃度的日變化

由圖3可知，不同施肥處理灌漿期谷子葉片胞間CO2濃度表現(xiàn)為“V”字形，在8：00時各處理胞間CO2濃度最高；12：00—14：00時，N+HM、NPK、N+SM、N+BM和PK處理均降到最低值，分別為85、68、70、60和76 μmol/mol；14：00后逐漸升高。N+SM處理胞間CO2濃度在12：00時較NPK處理下降16.6%，N+BM胞間CO2濃度在12：00時較NPK處理下降22.4%。

圖3 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片胞間CO2濃度的日變化

2.5 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片氣孔導度的日變化

由圖4可知，不同施肥處理灌漿期谷子葉片氣孔導度日變化曲線成雙峰型，氣孔導度第1次峰值出現(xiàn)在12：00，第2次峰值出現(xiàn)在16：00。N+SM處理和N+BM處理在12：00時氣孔導度要低于其他處理。在12：00時，N+BM處理氣孔導度較NPK處理降低了33.3%，N+SM處理較NPK處理降低了39.6%，N+HM處理較NPK處理提高了6.0%。氣孔導度在16：00時的大小依次排序為PK＞NPK＞N+HM＞N+SM＞N+BM。

圖4 不同施肥處理下灌漿期谷子葉片氣孔導度的日變化

2.6 谷子光合指標相關(guān)性分析

對谷子葉片凈光合速率與胞間CO2濃度、蒸騰速率和氣孔導度進行相關(guān)性分析可知（表5），凈光合速率與蒸騰速率存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與氣孔導度存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與胞間CO2濃度則為負相關(guān)關(guān)系。其中，凈光合速率與氣孔導度間的相關(guān)系數(shù)最高，為0.53；胞間CO2濃度與蒸騰速率間的相關(guān)系數(shù)最低，為-0.75。

表5 谷子葉片光合指標的相關(guān)系數(shù)

2.7 不同施肥處理對谷子籽粒產(chǎn)量的影響

由圖5可知，各處理谷子籽粒產(chǎn)量順序從大到小依次為N+BM＞N+SM＞N+HM＞NPK＞PK。N+BM處理的籽粒產(chǎn)量最高，為5 122 kg/hm2；N+BM處理和N+SM處理較NPK處理分別提高16.2%和8.3%；N+HM處理較NPK處理有少量提升但差異未達到顯著水平（P＞0.05）。

圖5 不同施肥處理下谷子籽粒產(chǎn)量

3 討論與結(jié)論

光合作用是植物物質(zhì)運動形成干物質(zhì)的重要基礎(chǔ)，是植物生物量和經(jīng)濟產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)，也是葉片光合能力的有效表征，在植物生長發(fā)育過程中具有至關(guān)重要的作用[16]。在膜側(cè)種植條件下合理施肥是提高農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效方法。研究表明，合理配施有機肥可以增加作物葉面積指數(shù)，使作物后期仍能保持較高光合性能[17]。作物產(chǎn)量的形成與葉片的光合作用密不可分，光合作用的強弱不僅反映作物生長發(fā)育水平，而且直接影響其產(chǎn)量與品質(zhì)[18]。植物的光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率隨外界環(huán)境變化而變化。通過本試驗可以看出，不同施肥處理谷子的凈光合速率整體變化趨勢相同，均出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象，這與前人研究結(jié)果一致[19]。但與廖建雄等[20]在谷子葉片光合速率日變化及水分利用效率中凈光合速率峰值、胞間CO2濃度最低值出現(xiàn)時間不同，分析其原因可能是經(jīng)度和緯度不同太陽高度角不同所致。

本試驗發(fā)現(xiàn)，光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率存在顯著相關(guān)關(guān)系，其中，胞間CO2濃度與其他光合指標呈負相關(guān)關(guān)系，其余各指標間均為正相關(guān)關(guān)系；凈光合速率的峰值與氣孔導度的峰值出現(xiàn)在同一時間段，分析其原因可能為氣孔開閉直接影響葉片內(nèi)光合作用原料供應(yīng)，從而導致凈光合速率降低[13]。本試驗結(jié)果表明，與單施氮磷鉀化肥（NPK）相比，羊糞替代總施氮量20%（N+SM）處理與生物有機肥替代總施氮量20%（N+BM）和緩釋尿素替代總施氮量20%（N+HM）處理均能不同程度地提高谷子的葉長和葉寬，從而增加其葉面積。光合作用是影響作物產(chǎn)量的重要生理過程，研究表明，施用有機肥可以提高植物的光合作用強度[21]。本試驗結(jié)果表明，從8：00—18：00中6個時間點N+SM、N+BM和N+HM 3種施肥處理下谷子葉片的凈光合速率均高于NPK處理。生物有機肥替代總施氮量20%（N+BM）處理其凈光合速率峰值顯著高于其他處理，分析其原因可能是生物有機肥可以間接或直接提高谷子的葉面積，從而使其葉綠素也保持在相對高水平，因此后期仍能保持較高的凈光合速率。胞間CO2濃度日變化呈“V”字形，最低值在12：00—16：00，與最低凈光合速率時間段相符，在8：00—18：00胞間CO2濃度含量最高為緩釋尿素替代總施氮量20%（N+HM）處理。5個施肥處理谷子葉片的蒸騰速率和氣孔導度最高值均出現(xiàn)在12：00—14：00，與凈光合速率一致，N+BM、N+SM處理下的葉片氣孔導度與蒸騰速率作用強度在峰值時都低于NPK處理，表明葉片凈光合速率的增加是由于非氣孔因素造成的，推測其原因可能為葉片凈光合速率還受葉肉細胞光合性能的影響，凈光合速率的提高是由于施用有機肥提高了谷子葉肉細胞光合性能。綜上所述，谷子整個生育時期葉面積和谷子灌漿期光合特性日變化，得出生物有機肥替代總施氮量20%（N+BM）處理可以使谷子后期保持較高葉面積，提高谷子后期光合能力，從而增加谷子產(chǎn)量，適宜在鄂爾多斯市使用。