生物有機肥對工程擾動土地玉米的光合特性及產量的影響
——以烏蒙山區云南省曲靖市馬龍縣試驗地為例

字春光,蘇友波,包 立，張仕穎，張 丹，常換換,張紫妍，張乃明，楊浩勛

(云南農業大學資源與環境學院，云南昆明 650224)

化肥在糧食生產過程中做出了巨大的貢獻，而對于被工程擾動了的土地的糧食生產來說，合理的施肥組合非常重要。近年來，由于人們大量，甚至過量使用化肥導致了各種問題相繼出現，如最常見的病蟲害增加、農作物的質量嚴重降低等[1]。相關的數據統計顯示，我國化肥平均施用量是發達國家安全施肥量上限的2倍[2]，在生產過程中適度減少化肥施用量，同時使用各種手段配合化肥進行合理配施，對保護土壤、促進生態農業發展具有重大的實踐意義。試驗地區屬于烏蒙山地域，氣候寒冷、降雨量少、土壤貧瘠、黃紅壤分布較廣。此外，原有土壤被工程擾動過，失去了原有的肥力，原有的耕層土壤被嚴重破壞或深埋地表之下，因此氣候惡劣、養分和水分的稀缺就成為了限制該區農業發展的主要因素。工程擾動后耕層土壤質量往往下降，因此工程擾動土壤的快速培肥問題引起了人們的關注。生物有機肥能增加土壤蓄水保墑能力，可在一定程度上協調作物需水與土壤供水之間的矛盾[3]。植物根際有益微生物是指生活在土壤或附生于植物根際的一類可促進植物生長的有益菌類[4]。郜春花等[5]研究表明，解磷菌劑可促進玉米株高、鮮重和干重增加 15.2%～89.2%，提高玉米產量。通過微生物與其他途徑相結合的培肥方法已經是農業發展的新選擇。

關于施用化肥對玉米光合特性影響的研究較多。例如，邵云等[6]研究發現，施用氮肥可提高玉米旗葉老化過程中葉綠素含量和光合速率，延緩葉片衰老和光合作用功能的衰退；玉米光合作用具有隨環境變化而變化的不穩定性，但光合特性的日變化有一定的規律性和可塑性，許多國外學者做了大量的貢獻[7-8]。上官周平等[9]研究發現，水分充足時適量的氮肥供應可以提高玉米葉片氣孔導度，增加胞間CO2濃度，提高葉片的光合能力。合理的N、P、K施用可有效提高作物的凈光合速率、產量和肥料吸收利用率，改善作物的水分利用效率[10-12]。適量施用氮肥可提高作物葉片光合機構的活性，增加干物質積累量，增強植物對干旱的適應能力[13-15]。而氮缺乏可影響作物生理代謝過程[16-18]，從而影響作物產量。相關研究表明，在一定條件下，施肥可大幅度提高作物的水分利用效率[19-23]。但關于生物有機肥處理對玉米光合特性和產量影響的研究較少。許多學者的研究主要集中在農作物種植密度、光照、水分、養分、溫度等對小麥和玉米光合特性的影響[24-26]。鑒于此，筆者以烏蒙山區馬龍縣工程擾動了1年的土壤和玉米為研究對象和材料，開展不同施肥處理試驗，研究不同生物有機肥對工程擾動地玉米光合特性和產量的影響，旨在為合理施肥、充分發揮玉米光合能力、快速培肥工程擾動土壤、提高作物產品質量等提供科學依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1試驗地概況試驗于云南曲靖市的馬龍縣地界的基地內進行(103°25′40.41″E,25°22′38.90″N)，如圖1所示。該地的大區氣候類型屬于低緯高原季風型氣候，冬春干旱，夏秋濕潤，季節干濕分明。年平均日照時間最低為1 985 h，平均降水量達1 032 mm。年均氣溫為13.4 ℃，最明顯的無霜期高達241 d以上。風向多西南風，年平均風速為4.3 m/s。

試驗地為紅壤，工程擾動1年，前作為辣椒，土壤理化性質如下：pH 5.08,有機質9.41 g/kg,堿解氮42.7 mg/kg,速效磷5.3 mg/kg,速效鉀68.0 mg/kg。

圖1 Google 地球視角下的試驗地位置Fig.1 Location of test sites under the perspective of Google Earth

1.2試驗材料供試玉米品種為林新4號。施用的肥料是尿素(氮含量≥46.4%)，過磷酸鈣(P2O5≥14%)，農業用硫酸鉀(K2O≥51%)。試驗中腐熟牛糞理化性質為：pH 8.38，全氮量2.14%，全磷量3.08%，全鉀量3.08% ，有機質含量81.86%；精制有機肥由曲靖“康莊肥業有限公司”生產，主要成分為羊糞、煙末、油枯、米糠等，pH 7.50左右，總養分含量≥5%，有機質含量≥45%。

供試微生物菌劑組a(微生物菌劑組a)的菌劑詳情為：解鉀菌BK38，有效活菌數≥33.8億/mL，接種量為0.5 mL/株；解磷菌X66，有效活菌數≥1.0億/mL，接種量為5 mL/株；固氮菌1號，有效活菌數≥30.0億/mL，接種量為0.5 mL/株。

復合菌劑組b(以下稱微生物菌劑組b)的菌劑詳情為：解鉀菌KB43，有效活菌數≥1.0億/mL，接種量為5 mL/株；解磷菌X16，有效活菌數≥1.0億/mL，接種量為5 mL/株；固氮菌4號，有效活菌數≥30.0億/mL，接種量為0.5 mL/株。

1.3試驗設計試驗于2016年5—10月進行，施肥處理采用隨機區組設計，共設置8個處理，每處理3次重復，共24個小區，施肥處理詳情見表1。

表1 施肥處理試驗方案設計

每個種植小區面積20 m2,在24個小區外種植了保護行，對小區的玉米進行生物保護。尿素458 kg/hm2，P2O5208 kg/hm2，K2O 187 kg/hm2。其中，普鈣和硫酸鉀播種當天作為底肥全部一次性施入，而尿素則分期施入，分別是在3～4葉期、10～12葉期以及抽雄期分3次施用，3次所施用的純氮養分比例為3∶3∶4。80%化肥施用量為單施化肥施用量的80%。除此之外，所用的腐熟牛糞經過粉碎過篩，且腐熟牛糞和精制有機肥施用量均按1 800 kg/hm2施用。需要強調的是腐熟牛糞和有機肥做底肥施用。在玉米出苗之后的7 d進行第1次微生物菌劑的施加，方法是將培養好的菌液與特定比例的水進行混合后澆灌，澆灌的用量根據1 500 g/hm2混合前的純菌液量來施加。

在玉米播種前對土地進行平整，播種玉米的行株距為30 cm×30 cm。每個小區種植110株玉米，播種密度為55 500株/hm2。首先將化肥和有機肥共同施入塘內，每塘內播種完好的玉米種子2粒，澆足水后在其上覆蓋地膜。播種時間為2016年4月9日。

1.4測定項目與方法采用美國拉哥公司Li-6400XT便攜式光合測量儀進行測量，在2016年8月18日09：00—12：00晴天進行，每個小區選擇1株具有代表性的玉米植株，取第7～8位葉測定。對凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等指標進行測定。在玉米收獲期間分小區測定產量，并計算千粒重。

1.5數據處理采用Excel 2003、 SPSS 17.0 等軟件對數據進行處理，采用Duncan法進行差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1生物有機肥對玉米光合特性的影響

2.1.1光合參數及熒光參數的差異。光合參數是植物光合作用最直接的表現，不同的光合參數表示不同強度的光合作用。試驗對玉米進行了不同的生物有機肥施肥處理，不同處理間光合參數相差甚遠，效果非常明顯。而熒光參數是植物暗呼吸的主要表現，是作物光合作用暗反應的直接表現。對于原初光能轉化效率、最大熒光、初始熒光都可清晰的分析出來。由表2可知，不同處理間光合參數和熒光參數都明顯不同。其中，T5處理光合參數和熒光參數都相對較大，其光合作用較強，光合速率達30.225 μmol/(m2·s)。

表2 不同處理對光合參數及熒光參數的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

Note: Different lowercases in the same column indicated significant differences (P<0.05)

2.1.2玉米葉片光合速率的差異。植物的光合速率是用于反映作物光合效率的最重要指標之一。農作物的光合速率越高,光合作用中吸收的CO2就會越多,從而制造的碳水化合物也就越多，代謝也就越旺盛，最終有利于農作物增產。從圖2可以看出,不施肥(T1)處理的玉米光合速率最低，其次是80%化肥(T2)處理，這2個處理的玉米光合速率與其他6個含有生物有機肥處理相比差異較小，對玉米光合速率的影響較小；而對于80%化肥與腐熟牛糞混施的幾個處理，施加了菌劑組b的(T5)處理玉米的光合速率要高于混有菌劑組a(T4)處理和未混菌劑(T3)處理，其中未混有菌劑的處理光合速率在三者中最低；在與精制有機肥混合時(T6、T7、T8處理)，未混有菌劑的(T6)處理葉片光合速率高于混有菌劑a(T7)與混有菌劑b(T8)處理，菌劑b處理高于菌劑a處理。分析得出，單一的80%施肥處理方式對玉米光合速率影響不大，生物有機肥與化肥配施能明顯提高玉米光合速率，微生物菌劑組b對玉米光合速率提升效果優于微生物菌劑組a。在8種處理方式中，混有80%化肥、生物有機肥以及微生物菌劑組b的處理(T5)更有利于提升工程擾動地的玉米光合速率。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases indicated significant differences (P<0.05)圖2 不同處理對玉米生育期光合速率的影響Fig.2 Effects of different treatments on the photosynthetic rate of maize in growth period

2.1.3玉米葉片氣孔導度的差異。農作物與外界環境進行水汽和CO2交換的通道就是氣孔，植物葉片氣孔的開閉直接影響作物自身的蒸騰作用和光合作用。氣孔導度直接反映了農作物氣孔開閉的程度，當氣孔導度增大時，植物葉片氣孔的阻抗作用就會逐漸減小，從而使葉肉細胞內CO2濃度增大，間接加大了植物的光合速率。從圖3可以看出，不施肥處理的玉米葉片氣孔導度最低，80%化肥、腐熟牛糞、微生物菌劑組b混施處理的玉米葉片氣孔導度明顯高于其他處理。而腐熟牛糞處理和80%化肥混施時玉米氣孔導度與80%化肥單一處理相當；二者玉米氣孔導度都高于含有微生物菌劑a的處理方式。都混有80%化肥和微生物菌劑b的處理方式中，混施腐熟牛糞的玉米氣孔導度高于精制有機肥；同時含有80%化肥、精制有機肥的混施處理中，含有菌劑b的玉米氣孔導度最高，而含有菌劑a的處理最低，沒有含菌劑的處理介于二者之間。分析得出，微生物菌劑a的施用會降低玉米氣孔導度，腐熟牛糞的施用有利于玉米氣孔導度。而微生物菌劑b則有利于玉米增大氣孔導度。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases indicated significant differences (P<0.05)圖3 不同處理對玉米生育期葉片氣孔導度的影響Fig.3 Effects of different treatments on the leaf stomatal conductance of maize in growth period

2.1.4玉米葉片胞間CO2濃度的差異。葉片胞間CO2濃度可以在一定程度上體現出農作物的光合速率的強弱。由圖4可知，不施肥處理的CO2濃度明顯最低，而80%化肥、腐熟牛糞、微生物菌劑b混施處理的玉米葉片胞間CO2濃度最高，在同時進行80%化肥施肥的處理中，未進行腐熟牛糞處理的玉米葉片胞間CO2濃度高于進行混施腐熟牛糞的處理。80%化肥和腐熟牛糞混施時，菌劑組b對提高玉米葉片胞間CO2濃度的效果明顯高于混施菌劑組a。這說明80%化肥和精制有機肥配施時，菌劑b對玉米胞間CO2濃度提升能力優于不含菌劑和混施菌劑a的處理方式。分析得出，80%化肥處理能夠顯著提升玉米胞間CO2濃度，菌劑組b對玉米胞間CO2濃度提升能力優于菌劑組a,腐熟牛糞的提升效果要好于精制有機肥。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases indicated significant differences (P<0.05)圖4 不同處理對玉米生育期葉片胞間CO2濃度的影響Fig.4 Effects of different treatments on the intercellular CO2 concentration of maize in growth period

2.1.5玉米葉片蒸騰速率的差異。蒸騰作用是反映植物水分代謝過程的最重要的生理指標之一。從圖5可以看出，不施肥處理比80%化肥處理的玉米葉片蒸騰速率略高，80%化肥、腐熟牛糞、微生物b混施處理對玉米葉片蒸騰速率提升能力顯著高于其他處理。生物有機肥處理中精制有機肥處理顯著高于牛糞處理。在混施80%化肥和精制有機肥的處理時，增加菌劑b會降低玉米葉片蒸騰速率。分析得出，單一施用80%化肥會降低玉米葉片蒸騰速率，精制有機肥和菌劑組b與精制有機肥混施能提高玉米葉片蒸騰速率。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercases indicated significant differences (P<0.05)圖5 不同處理對玉米生育期蒸騰速率的影響Fig.5 Effects of different treatments on the transpiration rate of maize in growth period

2.2不同處理對玉米產量的影響從表3可以看出，不同生物有機肥對工程擾動土地玉米產量的影響各有差異。玉米總產量在不同處理間差異均不顯著，但產量差別較大。不施肥處理的玉米產量低于各施肥處理的產量。生物有機肥處理中除牛糞與菌劑a配施處理外，其他均高于單施化肥和沒有施肥的處理。牛糞與菌劑b處理的產量最高。與牛糞混施時，菌劑組a處理的玉米產量顯著低于菌劑組b處理；而在與精制有機肥混施時，菌劑a處理的玉米產量與菌劑b處理相當，但小于不施菌劑處理。這說明與單施化肥和不施肥相比，配施生物有機肥處理的玉米產量明顯提高，其中牛糞與菌劑b配施化肥的處理增產效果最顯著。所有施肥處理的玉米千粒重均高于不施肥處理，其中T3與T8處理達到顯著性差異，T8處理顯著高于T7處理。這說明工程擾動紅壤上生物有機肥與化肥配施可以提高玉米產量。

表3 不同處理對玉米產量和千粒重的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

Note:Different lowercases in the same column indicated significant differences (P<0.05)

3 討論

(1)楊玉玲等[27]認為，施用生物有機肥可顯著提高玉米整個生育期的光合速率。該研究表明，生物有機肥與化肥配施能提高玉米成熟期的光合速率，其原因可能是生物有機肥處理中增加的有效氮含量高于單施化肥處理，在高氮水平下植物功能葉中氮含量增加，適量的氮素提高了葉綠體中有關光合碳同化酶類活性[28],從而提高了玉米成熟期的光合速率。此外，在施用生物有機肥環境下,土壤釋放的CO2相對較多，而相對較高的CO2環境有利于植物提高光合速率[29]。

(2)氣孔導度(Gs)直接反映植物氣孔傳導CO2和水分的能力，是影響植物葉片CO2和水分交換的重要指標。如果光合速率和氣孔導度變化與胞間 CO2濃度變化的趨勢相反，則說明光合速率下降受非氣孔因素限制[30]。該研究表明,光合速率和氣孔導度變化與胞間 CO2濃度變化趨勢部分相反，同時由非氣孔因素導致了CO2的積累。有機肥施用可能降低了非氣孔因素對光合作用的限制，從而使玉米光合速率顯著增大。

(3)該研究中腐熟牛糞與微生物菌劑組b共同混施處理不僅能明顯提高玉米葉片胞間CO2濃度，而且能提高葉片蒸騰速率。生物有機肥處理中，菌劑的施用能提高玉米葉片胞間CO2濃度，化肥的施用降低玉米葉片的蒸騰速率。精制有機肥和精制有機肥與菌劑組b混施均能提高玉米葉片蒸騰速率。胞間CO2濃度對葉片光合作用，尤其是葉肉細胞羧化效率有很大的影響[31]。說明生物有機肥處理能提升玉米葉片胞間CO2濃度和蒸騰速率，同時提升玉米的光合特性，促進玉米的生長。在旱地施用有機肥的培肥效果非常明顯，施用有機肥能提高土壤有機質、全氮和速效氮含量，顯著提高水分利用效率，從而有效改善玉米生長的水肥環境，最終提高產量[32-33]。

(4)玉米產量的提高在一定程度上與施肥種類、數量和配施方式等密切相關[34]。大量研究表明，肥料作為作物養分的主要來源，直接參與或調節作物營養代謝與循環，與作物產量密切相關[35]。羅東萬[36]研究認為，生物有機肥配施化肥可顯著增加玉米產量。該研究中，與單施化肥和不施肥相比，配施生物有機肥處理的玉米產量明顯提高，其中牛糞與菌劑組b配施化肥處理效果最顯著。

4 結論

(1)生物有機肥與化肥配施有助于改善玉米光合作用。與單施化肥和不施肥相比，生物有機肥配施處理的玉米光合速率顯著提高、胞間CO2濃度均有提高。除牛糞與菌劑組a處理外，配施生物有機肥處理玉米產量明顯提高，其中牛糞與菌劑組b配施化肥處理的效果最顯著。

(2)與單施化肥相比，配施生物有機肥處理中牛糞與菌劑組b處理對玉米光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率的影響均達最高，該處理的產量也最高。除胞間CO2濃度外，牛糞與菌劑b處理與單施化肥處理相比，玉米光合速率、氣孔導度、蒸騰速率的影響均達顯著性差異。

(3)菌劑組b對工程擾動玉米光合速率提升效果優于微生物菌劑組a；菌劑組b對玉米胞間CO2濃度提升能力也優于菌劑組a，腐熟牛糞效果優于精制有機肥；生物有機肥處理中，牛糞對玉米蒸騰速率的影響效果明顯優于精制有機肥。

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