膜下滴灌水氮耦合對玉米光合特性的影響

戚迎龍，史海濱，李瑞平，趙靖丹，馮亞陽

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古農牧業科學院資源環境與檢測技術研究所，呼和浩特 010031)

0 引 言

灌水和施氮在錯綜復雜的農業系統中是兩個主要的人為調節控制因子，是在自然氣候、降雨、土壤基本特性等多種因素作用外的可控變量，并隨著灌溉施肥技術的發展，施用過程已經能實現時間、空間、用量三方面的人為調控，在這樣的背景下，探討水氮關系及對作物的影響具有指導生產實踐的重要意義。作物的積累的干物質直接來源于光合作用，是植物將光能轉換為可用于生命過程的化學能并進行有機物合成的生物過程，直接影響作物產量[1,2]。光合作用表征了植物間生產力的主要差異，其強弱受到不同水氮條件和環境因素的綜合影響[3]。李潮海等[4]研究表明施肥可改善葉肉細胞的光合能力，延長高光合作用持續期。王帥，韓曉日等[5,6]認為施肥量的缺乏或過量都會使凈光合速率、葉綠素含量降低，適宜的肥料施用量可提高光合作用與增加產量。

中國東北玉米帶是世界三大“黃金玉米帶”之一，包含有內蒙古東部、松遼平原西側。而該區域的膜下滴灌種植玉米仍處在技術層面的推廣階段，農戶施行膜下滴灌的配套設備材料經費由國家補貼，相對傳統地面灌溉，農戶只是意識到了每次灌水的方便省事兒、獲得產量較高，基本還是沿用傳統灌溉的灌水定額與施肥量來獲得預期產量，對節水節肥并無概念，并且以松遼平原向內蒙古高原的過渡地帶為氣候、地域背景，分析膜下滴灌水氮一體化施用條件下其不同組合用量對玉米光合特性的影響效應，來探討較優水氮耦合量的研究未見報道，故本研究嘗試以玉米為種植作物，依托滴灌為灌水、追肥的技術措施，進行大田試驗，初步為膜下滴灌水肥耦合效應的研究及當地滴灌隨水一體化施肥技術的推廣應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 地區概況

試驗田選在科爾沁左翼中旗，東經121°08′～123°32′，北緯43°32′～44°32′。地處通遼市東端，大興安嶺東南邊緣，西遼河北岸，是松遼平原向內蒙古高原的過渡地帶，氣候、水文特征既有兩大地形區域的共性，又有自身的特點。當地屬北溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫5.2～5.9 ℃、最高氣溫40.9 ℃、最低氣溫-33.9 ℃、日照2 884.8～2 802.1 h。日均氣溫5 ℃以上持續時期188 d，大于10 ℃的積溫3 042.8～3 152.4 ℃。最大凍土深180 cm，無霜期150～160 d。多年平均年降水量342.0 mm，蒸發量2 027 mm，按降雨量劃分屬半干旱區。2014試驗年播種至收獲全生育期降雨量227.4 mm，是偏干旱的平水年。

1.1.2 供試土壤

供試土壤為栗鈣土，按照美國制土壤質地分類法分別為0～20、20～40 cm砂質黏壤土， 40～60 cm砂質黏土，60～80、80～100 cm壤質砂土。1 m土層土壤基本理化性質：密度1.54 g/cm3，田間持水率23.08%，電導率(EC)值119.74 μS/cm、pH值8.95，有機質14.56 g/kg、全氮0.81 g/kg、全磷0.772 g/kg、全鉀31.48 g/kg、堿解氮47.8 mg/kg、有效磷1.82 mg/kg、速效鉀98.8 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

供試玉米品種采用京科968，出苗至成熟128 d。種植方式為35 cm小行距偏心播種，寬行85 cm，形成的種植單元為一條滴灌帶灌溉兩行玉米，所占延米寬為1.2 m，試驗處理均為3個種植單元。灌水工程為覆膜滴灌，φ16 mm滴灌帶鋪設在地膜下，灌水量采用旋翼式數字水表記錄。基肥氮使用一體化農機施入，追氮肥方式為先在施肥罐中充分溶解尿素，然后通過水壓差隨灌水直接滴施與膜下根區。試驗設置灌水量和施氮肥量兩個因素，每個因素設置3個施用水平，其中灌水量水平按土壤含水率占田間持水率百分比的上下限不同設低水：拔節前60%～80%、拔節后55%～80%，中水：拔節前65%～85%、拔節后60%～85%，高水：拔節前75%～95%、拔節后70%～95%。3個水平的施氮量：低氮192 kg/hm2、中氮240 kg/hm2、高氮288 kg/hm2。此外設置一個不灌水、不施肥的處理作對照。二因素三水平共計9個處理，連同空白對照都作3次重復，總計30個小區，每個小區面積為132 m2，為減少滴灌水壓差的影響，監測取樣在滴灌帶中部(3.6×3 m2)內，具體灌水量和施氮量(純氮量采用尿素用量×46%)處理見表1。

表1 膜下滴灌玉米水氮組合處理試驗方案

1.2.2 樣品采集與測定分析

采用LI-6400型光合儀，在吐絲期結束與灌漿期開始的生育期過渡時段，于8月1日、8月2日、8月3日3 d監測10∶00-11∶00的不同水氮組合處理玉米穗位葉凈光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、蒸騰速率Tr[mmol/(m2·s)]、氣孔導度GS[mol/(m2·s)]、胞間CO2濃度Ci(μmol/mol)，為防止臨近處理水肥側滲，每個試驗處理設3條滴灌帶為3個種植單元，兩邊為保護行，監測和取樣均采用中單元。實測數據統計學指標計算、差異顯著性檢驗以及文中插圖繪制采用SigmaPlot12.0與Excel2007軟件。

2 結果與分析

2.1 水氮對光合速率及蒸騰速率的影響

通過柱狀圖對比不同水氮組合處理凈光合速率和蒸騰速率(圖1，圖2)，所有水氮處理均遠高于不灌水不施氮的空白對照，且總體變化趨勢均表現為隨著水氮施用量的增加而增大，但增大程度隨著二因素施用量的增加而減少，表現出報酬遞減，但不同因子水平對其光合速率和蒸騰速率的影響不一致，不同因子水平下，水或氮的施用對光合作用影響的敏感程度不同，存在水氮耦合效應。通過Duncan’s多重比較，水氮處理光合速率的顯著逆次序可分組為(W3N2、W3N3)>(W2N3、W2N2)>W3N1>W2N1>(W1N2、W1N3)>W1N1。蒸騰速率分組為(W3N3、W3N2、W2N3)>(W2N2、W3N1)>W2N1>(W1N2、W1N3、W1N1)。在W1水平下，光合速率W1N3、W1N2比W1N1高7.1%、7.0%，但W1N3、W1N2差異不顯著；蒸騰速率W1N3、W1N2比W1N1高6.0%、5.1%，但三個施氮水平差異不顯著，說明灌溉水平太低的情況下配施氮不能有效提升光合速率與蒸騰速率，增施一定量的氮肥有微弱的正效應，繼續增加氮用量有減弱光合、蒸騰速率的趨勢，說明W1條件的灌溉水平不能有效發揮氮肥對光合作用的貢獻能力，并且可能影響到肥料氮向土壤氮的轉化，影響玉米對氮的吸收利用，進而阻礙光合作用。在W2灌溉水平下，施氮量由N1增至N2光合、蒸騰速率分別顯著提高了17.2%、8.4%，繼續提升施氮量至N3雖能增大光合、蒸騰速率，但增長不明顯。說明較高的灌水量才能體現出肥料氮的效應，且增施氮過程可持續提高光合作用，超過一定用量后肥料氮效應仍存在，但明顯減弱，這部分氮投入“代價”大，W3灌溉水平下肥料氮效應與W2呈相似規律。每種施氮水平下，光合、蒸騰速率均表現為W3>W2>W1，其中N3水平下蒸騰速率W3>W2但差異不顯著，可能因為氮施用量達到一定水平并且灌溉水分適宜的情況下，對應于當地的氣象及環境因子限制，蒸騰速率已接近上限，故繼續提升灌溉量效應微弱。W2N2顯著大于W3N1的光合速率，水因子W2～W3增加并不能補償氮因子N2～N1降低帶來光合速率的減弱；但二處理的蒸騰速率無顯著差異，水因子W2～W3的增加補償了氮因子N2～N1降低引起的負效應，說明在中高水平的灌溉量下，氮虧缺抑制光合速率的程度要大于蒸騰速率，而水分對蒸騰速率的促進作用要大于光合速率。

圖1 不同水氮組合處理對玉米光合速率的影響

圖2 不同水氮組合處理對玉米蒸騰速率的影響

2.2 水氮對Pn與Tr的回歸方程

對灌水量和施氮量離差標準化統一量綱，使水、氮自變量在[0，1]內，則同量綱回歸方程分別為：

Pn=22.303+15.311W+10.894N-3.473W2-

10.067N2+5.224WN；R2=0.949

(1)

Tr=6.095+2.716W+1.256N-0.333W2-

1.187N2+0.860WN；R2=0.938

(2)

式(1)、式(2)的一次項系數均為正且W>N，說明水、氮對Pn和Tr均為正效應，且二因子對Pn和Tr的影響作用水>氮；平方項W2、N2均為負，說明Pn和Tr隨二因素增加報酬遞減，關系曲線為開口向下的拋物線；乘積項WN均為正，說明水氮對Pn和Tr有交互促進作用。

2.3 水氮處理Pn與Tr、Gs、Ci的關系

氣孔張開程度與單位葉面積一定時間蒸騰的水量以及光合強度之間存在相互聯系，由圖3可以看出，Tr、Gs均與Pn正相關，說明氣孔張開關閉與蒸騰速率的高低與光合強度的強弱增減方向一致。Ci與Pn負相關，胞間CO2濃度越高，光合速率越低。不同水氮處理Pn分別與Tr、Ci、Gs進行線性擬合，得到其關系式分別為：Pn=-8.461+5.197Tr(R2=0.912)；Pn= 65.929-0.192Ci(R2=0.823)；Pn=12.567+40.464Gs(R2=0.908)。

3 結 語

(1)松遼平原向內蒙古高原的過渡地帶，偏干旱的平水年條件下，膜下滴灌種植玉米水分和氮肥的投入均能提高光合速率和蒸騰速率，影響作用水>氮，且存在交互作用。

(2)各光合因子與光合速率的關系變現為：蒸騰速率和氣孔導度均與光合速率正相關，胞間CO2濃度與光合速率負相關，Pn分別與Tr、Gs、Ci存在較好的線性擬合關系。

(3)全生育期灌水量在1 351～1 465 m3/hm2以內會影響肥料氮對光合速率和蒸騰速率的提升作用，水分虧缺使得超過240 kg/hm2后的氮用量呈現負效應。灌水量在1 802～2 071或2 197～2 315 m3/hm2條件下增施氮均可顯著提升光合、蒸騰速率，而氮用量240～288 kg/hm2對光合、蒸騰速率提升效果微弱，可初步作為當地膜下滴灌的節氮空間。1 802～2 315 m3/hm2的灌溉水平下，氮虧缺(192 kg/hm2)抑制光合速率的程度大于蒸騰速率，而灌水量的增加對光合速率的促進作用小于蒸騰速率。生育期中等施氮水平240 kg/hm2與中高灌水平1 802～2 315 m3/hm2可作為適宜的水氮耦合用量。

圖3 水氮處理光合速率Pn與Tr、Gs、Ci的關系

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