根區深層水氮耦合對玉米生長和生理的影響

張 騰,邢英英,密菲瑤,李卓遠,黎吉璐,王秀康

(延安大學 生命科學學院,陜西延安 716000)

中國是人口大國,糧食安全一直是中國重點關注的問題。灌水和施肥是保障糧食安全的基本手段[1],但是農民在作物田間水肥管理中存在過量灌溉施肥的問題[2],造成水肥資源嚴重浪費且利用效率低下,甚至導致土壤酸化和環境污染[3]。近年來,國內外學者就灌溉、耕作和施肥方式提高作物產量進行了大量研究[4-6],表明水肥用量和作物產量在一定范圍內呈正相關,同時水肥間存在明顯的耦合效應[7];地下灌溉可以將水肥直接輸運到作物根層[8],具有水分蒸發和地表徑流小的優點[9-10]。中國水資源匱乏嚴重[6],地下灌溉技術和水肥結合是作物穩產保供、節水減氮的重要發展方向。王士杰等[11]通過玉米淺埋滴灌 (5cm)下水肥耦合試驗,認為合理的水、氮、鉀耦合能獲得最高的籽粒產量,發揮最佳的耦合效應,對水肥資源進行高效利用;Reyes-Caberea等[12]認為灌溉裝置安裝深度為5cm時可以充分灌溉馬鈴薯淺根,從而提高馬鈴薯產量;Bozkurt等[13]研究發現地下灌溉深度為10cm時,可以節約13%的灌溉用水,增加經濟效益;Dorta-Santos等[14]研究發現地下灌溉深度為20cm時,對麻風樹產量無顯著促進作用,但可以減少廢水的污染物擴散;當灌水設備埋深超過30～40cm時,水分由于重力作用向下轉運,表層土失熵干燥,出苗困難[15],同時水肥深層滲漏[7]。由此可見,不同作物地下灌溉設備的埋深深度尚無定論,結合水肥耦合和灌水施肥深度的研究較少。

玉米是陜西省重要的糧食作物之一,也是飼料、工業材料和生物能源的主要來源之一,在糧食安全中起著至關重要的作用[16]。陜西省延安市光照充足,晝夜溫差大,利于玉米干物質的累積[17],是玉米理想的生長環境。但該地區灌溉水源不足,在大田玉米生產過程中,主要為雨養旱作,嚴重影響玉米產量的提升。本試驗研究水氮耦合條件下不同水氮供應及施肥深度對玉米生長和生理的影響,探索適應該地區的最佳灌水施肥模式,為玉米節水減氮高效生產提供技術指導和理論依據,對地下灌溉技術的應用和推廣具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年4-9月在延安大學生命科學學院試驗基地進行,試驗站位于陜西省延安市寶塔區(36°38′ N,109°26′E),海拔為953 m,該地區為典型的大陸性干旱季風氣候,夏秋多雨,冬季嚴寒干燥,年日照時數2 415.5 h,輻射總量480.1 kJ·cm-2,無霜期160～200 d,年均氣溫9.1 ℃,多年平均降雨量為473 mm,降雨集中在6-9月,年均蒸發量為1 400～1 800 mm,土壤類型為粉質壤土,土壤硝態氮含量為(13.4±1.4) mg·kg-1,土壤銨態氮含量為(6.5±0.7) mg·kg-1,pH為8.2。

1.2 試驗設計及方法

進行盆栽試驗,設置灌水量、施氮量和灌水深度3個因素。根據當地田間持水量及前人對灌水深度、施肥[18]的研究結果,設置3個灌水量: 2 650 m3·hm-2(W3)、2 180 m3·hm-2(W2)、 1 715 m3·hm-2(W1);4個施氮量:960 kg·hm-2(N3)、600 kg·hm-2(N2)、240 kg·hm-2(N1)、不施氮(N0);4個灌水深度: 0 cm(H3)、5 cm(H2)、10 cm(H1)、15 cm(H0)。按照復因素不完全實施方案[19]設計,減少試驗處理并能分析各因素的單因素效應和交互效應,共10個處理,每個處理3次重復,具體見表1。

表1 試驗方案Table 1 Experimental design

供試玉米品種為陜北地區廣泛種植的 ‘天賜19’,2021年4月26日種植,同年9月27日收獲,全生育期共154 d。試驗所用氮肥為尿素 (N≥46%),磷肥為普通過磷酸鈣(P2O5≥12%),鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%);試驗所用盆規格為 30 cm×37 cm(內徑×高),盆底呈梅花狀開5個通風孔,盆底先平鋪一層沙子,再鋪一層紗網,每盆裝干土14 kg,并放置灌水管兩根,控制土壤體積質量為1.28 g·cm-3。磷肥和鉀肥按照當地農民推薦量(150 kg·hm-2,210 kg·hm-2)于裝土時一次性施入,并攪拌均勻;氮肥按照玉米生長特性分3次施入:出苗-拔節期施入20%,拔節期-抽穗期施入40%,抽穗期-灌漿期施入40%。每盆肥料用量依據土質量計算,土質量按表層 30 cm,體積質量1.35 g·cm-3計算;灌水時,通過灌水管灌水,使用量筒精確控制各盆灌水量。施氮肥時,將尿素溶于水中一同加入灌水管中。灌水處理從苗期開始,每3 d灌水1次,收獲前 10～15 d結束灌水。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標 每個處理選定具有代表性的3株玉米,于種植后32 d、52 d、68 d、84 d、100 d、114 d、131 d測量株高、莖粗、葉片數(中心葉片不計)及所有葉片的長度和最大寬度,計算葉面積。葉面積計算公式[18]如下:

LA=L×W×0.75

式中:0.75為玉米葉面積的校正系數;L為葉長;W為葉寬;LA為單株葉面積,即各葉面積之和。

于收獲期每個處理中隨機選取3株長勢一致的玉米,將植株剪下去除表面污垢后,將莖、葉分離,于烘箱殺青(105 ℃)0.5 h后烘至恒量 (75 ℃),最后用電子天平稱量,計算干物質量。

1.3.2 生理指標 分別于玉米苗期(45 d)、拔節期(71 d)、抽穗期(100 d)和灌漿期(128 d),取各處理玉米相同位置的葉片,置于密封袋中帶回實驗室測定葉綠素[20]和脯氨酸[21]含量。于成熟期(135 d)使用便攜式光合儀(CIRAS-3)測定玉米穗位葉凈光合速率,上午8:00開始測定,每2 h測1次,共測定5次。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 25軟件進行方差分析、多重比較(Duncan’s法)與相關性分析;Excel 2010軟件作圖。利用隸屬函數法對各指標進行綜合分析評價,計算所測定指標在各處理下的具體隸屬值[22]:

U(X)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中:U(X)為隸屬值,X為某一指標的測定值,Xmax為某一指標測定值的最大值,Xmin為某一指標測定值的最小值。

脯氨酸含量表征作物細胞過氧化程度,含量越高,代表植物受逆境脅迫越嚴重,運用反隸屬函數計算其隸屬函數值。

U(X)=1-[(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)]

2 結果與分析

2.1 水氮耦合及灌水深度對玉米生長的影響

2.1.1 對玉米株高的影響 由圖1可知,在盆栽玉米整個生育期,各灌水施肥處理的株高變化趨勢相似,均表現為先快速增加后趨于平緩的趨勢。在同一灌水量下,株高隨著施氮量的增加表現出先增后減的規律,說明適量施用氮肥可促進玉米株高增長,較高時則表現出抑制作用;在同一施氮量下,株高隨著灌水量的增加而增加。種植后 32 d時各處理間無顯著性差異,說明此時玉米對水肥的需求較少;32 d至100 d玉米株高增長速率最快,W3N3H3、W2N2H2和W3N1H1處理株高明顯優于其他處理,較W1N3H3分別提高 54.35%、54.51%和48.09%,說明此時是玉米株高增高的關鍵時期,需要注重水肥的合理供給。100 d至 131 d玉米株高增長減緩甚至有所下降,在同一施氮量及灌水深度下,株高隨灌水量增加而顯著增加,在W3水平下達到最大值;在相同灌水量及施氮水平下,灌水深度對株高無顯著性影響;在相同灌水量及灌水深度下,株高對施氮量的增加無明顯響應,說明灌水量對玉米的株高影響較大。比較W3N3H3和W3N1H1,株高無顯著性差異,說明水氮耦合條件下,增加灌水深度可以提高水氮的利用效率,利于玉米株高的增長。

圖1 不同處理玉米株高Fig.1 Plant height of maize under different treatment

2.1.2 對玉米莖粗的影響 由圖2可知,在盆栽玉米整個生育期,各處理的莖粗均逐漸增加,且于種植后131 d達到最大值,但不同處理的增加趨勢略有不同;種植后32～52 d,盆栽玉米莖粗快速增加,生育后期莖粗增加幅度變小,這可能與玉米的生殖生長,養分更多的分配于玉米穗有關。種植后52 d,同一灌水量下,增加灌水深度有助于玉米莖粗的增加;同一灌水深度下,過少的灌水量會抑制盆栽玉米莖粗的增長,增加灌水量可有效地促進盆栽玉米莖粗的增加,且在W3水平下出現顯著性促進作用。整個生長周期,處理W1N0H0與W3N3H3在各階段均無顯著性差異,說明增加灌水深度可以提高水分的有效性,利于玉米吸收水分,促進莖粗的增長。W1N3H3處理下玉米的莖粗顯著低于其他處理,說明在農業生產應用中,灌水難以保證時應避免施入過多的氮肥。

圖2 不同處理玉米莖粗Fig.2 Stem diameter of maize under different treatment

2.1.3 對玉米總葉面積的影響 由圖3可知,種植后32～84 d盆栽玉米快速生長,持續長出新葉片并展開,在種植后100 d,鮮葉片數最多;盆栽玉米葉面積呈現出隨著種植時間的推進而先增加后減小的趨勢(圖3),且在種植后84～100 d葉面積達到最大值,為4 117.30 cm2(W3N3H3),種植100 d后盆栽玉米葉片逐漸枯黃,鮮葉片數量減少,葉面積也隨之減小。種植后52 d,在相同灌水水平下,盆栽玉米的葉面積隨灌水深度的增加而增加,在W1水平下,H0、H1和H2處理顯著高于H3;在W2水平下,H1處理顯著高于H2;在W3水平下,H1處理顯著高于H3。在不同灌水量的脅迫下,隨著氮肥的施入,在種植后131 d,處理W1N3H3與處理W1N2H2的葉面積顯著低于其他各處理,較處理W3N1H1少52.82%和50.63%。此外,在種植52～131 d,W1N3H3處理下盆栽玉米鮮葉片數處于持續增加但仍顯著低于其他各處理(圖4),嚴重影響玉米的生育節律;說明在農業生產中,灌水量得不到保證時應避免過高的氮肥輸入。

圖3 不同處理玉米葉面積Fig.3 Leaf area of maize under different treatment

圖4 不同處理玉米鮮葉片數Fig.4 Number of fresh leaves of maize under different treatment

2.2 水氮耦合及灌水深度對玉米生理的影響

2.2.1 對玉米葉綠素含量的影響 由圖5可知,各處理間玉米葉片葉綠素含量差異隨著生育期的推進開始顯現。在苗期,不同處理之間少有顯著性差異,大部分處理葉綠素含量在1.56～1.79 mg·g-1。在拔節期,葉綠素含量增加,W3N1H1處理最高,為2.69 mg·g-1,較W2N2H2高 56.40%。在抽穗期,處理W1N3H3 (2.15 mg·g-1)和W1N0H1(2.06 mg·g-1)的葉綠素含量顯著低于其他各處理,較含量最高的處理W2N1H1(3.40 mg·g-1)低36.76%和 39.41%。灌漿期,處理W1N3H3葉綠素含量最低,為1.74 mg·g-1。觀察各處理不同生育期的葉綠素含量,在苗期到抽穗期,隨著生育期的推進葉綠素含量逐步增加,灌漿期呈現略有減小的趨勢。在W2和W3水平下,施氮量對葉綠素含量無顯著影響,在W1水平下,葉綠素含量隨著施氮量的增加而減小。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.2.2 對玉米脯氨酸含量的影響 圖6可知,不同水氮耦合及灌水深度處理顯著影響各生育期盆栽玉米脯氨酸含量。在苗期,W1N3H3 (235.02 μg·g-1)的脯氨酸含量顯著高于其他各處理,為處理W2N2H2(7.53 μg·g-1)的31.21倍。在拔節期,各處理對脯氨酸含量的影響程度隨著生育期的推進而增加,W1N3H3 (364.05 μg·g-1)的脯氨酸含量更高,為處理W2N2H2(11.35 μg·g-1)的32.07倍。拔節期過后,各處理的脯氨酸含量逐漸減小,在灌漿期,W1N3H3 (19.91 μg·g-1)的脯氨酸含量為拔節期的 5.5%。觀察各處理不同時期的脯氨酸含量可發現,隨著生育期的推進,各處理均呈現先增加后減小的趨勢,說明玉米在拔節期對水氮供應更為 敏感。

圖6 不同處理玉米脯氨酸含量Fig.6 Proline content of maize under different treatments

2.2.3 對玉米凈光合速率的影響 不同處理盆栽玉米穗位葉凈光合速率日變化如圖7所示,凈光合速率總體隨著時間推進呈現降低的趨勢。在8:00時,N1H1處理下,凈光合速率隨灌水量的增加而增加,W3的凈光合速率顯著高于其他各處理,較處理W1N3H3高79.16%。觀察整日凈光合速率變化,處理W1N3H3的凈光合速率均低于其他處理,說明氮肥施入量過高時(N3)不利于獲得更高的凈光合速率。

圖7 不同處理玉米穗位葉凈光合速率Fig.7 Net photosynthetic rate of ear position leaves of maize under different treatments

2.3 水氮耦合及灌水深度對玉米干物質量的 影響

由圖8可知,水氮耦合及灌水深度會顯著影響盆栽玉米的干物質積累。處理W3N1H1干物質量最大(59.20 g),但與處理W3N3H3無顯著性差異,是W1N3H3處理(20.45 g)的2.89倍。在同一灌水量下,不同施氮量間無顯著性差異;但在同一施氮量及灌水深度下,隨著灌水量的增加,盆栽玉米的干物質量顯著增加,且W3N1H1較W2N1H1和W1N1H1分別增長15.80%和 62.54%,W3N3H3是W1N3H3的2.59倍,W2N2H2較W1N2H2增長65.36%。

圖8 不同處理玉米干物質量Fig.8 Dry matter of maize under different treatment

2.4 各指標相關性分析

由表2可知,所測各指標之間具有一定相關性。株高與莖粗和葉片數呈顯著正相關,與葉面積和干物質量呈極顯著正相關;莖粗與凈光合速率呈顯著正相關,與葉面積和干物質量呈極顯著正相關;葉面積與凈光合速率呈顯著正相關,與葉片數和干物質量呈極顯著正相關;脯氨酸含量與葉片數和凈光合速率呈顯著負向相關;干物質量與葉片數、葉綠素含量、凈光合速率呈顯著正相關,與株高、莖粗、葉面積呈極顯著正相關。由此可見,各指標之間存在一定的聯系,因此不能依賴單個指標評價玉米的生長,應進行綜合評價。

表2 各指標相關性分析Table 2 Correlation analysis of indicators

2.5 綜合評價

因為不同指標下最優水氮耦合量和灌水深度組合存在一定的差異,因此對試驗結果進行綜合分析評價。運用隸屬函數法,以8個指標隸屬度的平均值對各灌水施肥處理玉米生長進行綜合評價。結果如表3所示,不同灌水施肥處理玉米的平均隸屬值差別較大,處理W3N1H1的平均隸屬值最大,W3N3H3次之,平均隸屬值最低為W1N3H3。

表3 不同灌水施肥處理玉米生長生理的綜合評價Table 3 Comprehensive evaluation of maize growth physiology under different irrigation and fertilization treatments

3 討 論

玉米的生長生理與田間水肥緊密關聯,本研究結果表明,盆栽玉米的株高隨著施氮量的增加先增加后減小,這與馮嚴明等[23]的研究結論一致。玉米的葉面積會受到水肥條件的影響,本試驗W1處理灌水量過低,影響了玉米的營養生長,導致玉米葉面積不高;并在同一灌水水平下,隨著施氮量的增加,玉米的葉面積逐漸降低,說明過低的灌水量和施肥量均不利于獲得較高的葉面積[24],因此本試驗W3N1處理下獲得了更高的葉面積,增大光合作用面積。葉綠素含量是決定光合作用強度的關鍵[25]。馬國成等[26]研究認為,缺肥對葉綠素含量的影響最大,但本試驗中,W1N3H3處理的葉綠素含量最低,這可能是因為施氮量過高,抑制了玉米的營養生長,玉米葉片處于幼嫩狀態。對于脯氨酸而言,W1N3H3處理最高,并顯著高于其他處理,說明此處理下盆栽玉米植株遭受到了逆境脅迫,脯氨酸大量合成以降低細胞滲透勢,提高細胞保水能力[27],適應逆境[28],這與邢換麗等[29]的研究結果,土壤水分脅迫條件下增施氮肥無法緩解干旱脅迫對玉米的影響,反而會加劇脅迫程度相一致。水氮耦合可以調節和改善玉米光合特性,在一定范圍內,凈光合速率隨著灌水量的增加而增強,這與前人研究結果相一致[30]。

玉米干物質量是籽粒產量形成的物質基礎,產量與干物質量呈顯著正相關[31]。灌水量、施肥量和灌水深度對作物干物質量具有顯著性影響。前人研究表明,氮肥的施入可以顯著促進作物的干物質量[32],但當施氮量超過到一定值時,會導致根系水勢降低,合成大量的脫落酸,引起氣孔關閉,降低葉片的光合性能從而抑制干物質量,導致產量下降[29,33],本試驗中的處理W1N3H3干物質量最小,驗證了這一觀點。本試驗中,同一施氮量及灌水深度下,盆栽玉米的株高和干物質量均隨灌水量增加而顯著增加,氮肥的增產效應隨水分增加而增加[34];W3N1H1的干物質量最大,這與胡燕哲等[35]建議玉米根系土壤含水量保持在55%～85%的田間持水率相一致,灌水量過小時,土壤水分蒸發過多,不易被植株吸收利用;這與鄧蘭生等[36]的研究結果不同,造成試驗差距的原因可能與灌水深度、玉米品種和灌溉方式有關。W3N3H3和W3N1H1、W2N2H2和W2N1N1處理下盆栽玉米的干物質量無顯著性差異,這可能是因為澆灌下,地表蒸發增加,垂直方向水氮入滲距離減小,而深層施肥使得水分與養分直接到達作物根層,并誘導根系下扎形成理想根型[37],提高根系利用現有資源的能力,從而達到節水減氮的目的;同時灌水直接到達作物根系,使得根區表層土壤保持松散狀態,提高了根際土壤的通透性。由此可見水肥耦合對玉米的生長和生理具有顯著性影響,同時通過根區深層施肥能調控玉米的生長,適宜的灌水施肥深度可以在作物根區土壤水分養分和吸收利用之間建立平衡,減少氮素流失,提高水氮的利用效率,利于作物的生長。

試驗結果在不同指標下有一定的差異,利用單一指標去評價作物生長和生理具有局限性,因此本試驗利用隸屬函數法對玉米株高、莖粗、葉面積、葉片數、葉綠素、脯氨酸、凈光合速率和干物質量8項指標進行綜合評價與分析。結果表明,W3N1H1處理隸屬值最高。因此推薦灌水量為2 650 m3·hm-2、施氮量為240 kg·hm-2、灌水深度為10 cm為該地區玉米種植的最佳灌水施肥模式。

4 結 論

水氮耦合及灌水深度對玉米的生長和生理有顯著影響,在N1H1水平下,盆栽玉米的株高、莖粗、葉面積、干物質量和凈光合速率均隨著灌水量的增加而增加。在W1水平下,隨著施氮量的增加,盆栽玉米的株高、葉片數、葉面積、干物質量呈現降低的趨勢;莖粗和葉綠素含量呈現先增加而后降低的趨勢。綜合考慮水氮耦合及施肥深度的對玉米生長和生理的協同影響作用,以及隸屬函數法對各項指標綜合評價排名,推薦灌水量為 2 650 m3·hm-2、施氮量為240 kg·hm-2、灌水深度為10 cm為玉米種植的最佳灌水施肥模式。

在田間管理中,根區深層灌水施肥可以減少氮素施用量,避免氮素施用過量造成環境污染。為了節水減氮,結合滴灌、施肥槍等灌溉設備及交替隔溝灌溉、虧缺灌溉等灌溉制度的地下灌溉技術應大力推廣。