耕作措施和氮肥用量對隴中旱農區糧飼兼用玉米光合特性與水分利用效率的影響

王進斌，李玲玲，謝軍紅，Eunice Essel，鄧超超，頡健輝，彭正凱，沈吉成

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 甘肅農業大學 農學院，蘭州 730070)

糧飼兼用玉米(ZeamaysL.)是中國重要的作物，既可以作為糧食也可以作為飼料，有助于保障糧食安全，緩解冬季飼料短缺[1-2]。隴中旱農區由于水熱條件有限[3]，導致露地玉米不能成熟。全膜雙壟溝播技術克服了這些問題，擴大了玉米種植區域，使其在隴中旱農區玉米生產中得到廣泛應用[4-5]。然而，玉米高產出意味著對水分和養分的高消耗[6]。因此，為了增強玉米生產的可持續性，需要優化水分、養分管理措施。保護性耕作可以減少農田土壤侵蝕,保護農田生態環境，降低土壤體積質量，增加土壤有機質含量，提高農田綜合生產能力[7-8]。與傳統耕作相比，免耕和深松耕可以有效減少土壤水分蒸發[9]，同時深松耕打破犁底層，使作物可以吸收土壤深層水分，從而有利于提高產量和水分利用效率(WUE)[10]。合理施肥是旱農區有效利用水資源的重要措施[11]。有研究發現，適宜的氮肥用量可以均衡土壤肥力，增強玉米對養分和水分的吸收，提高玉米產量和水分利用效率[12]。前人對保護性耕作研究較多，但將保護性耕作應用于全膜雙壟溝播技術研究鮮見報道。為此，本試驗擬基于全膜雙壟溝播技術，設計不同的耕作措施和施氮水平，通過不同耕作措施和施氮量下玉米光合作用、干物質積累特征、產量及水分利用效率響應的研究，明確耕作措施和氮肥施用量對糧飼兼用玉米產量和水分利用效率影響，并從光合角度探討耕作措施和氮肥施用量影響產量和水分利用效率的機理，以期為隴中旱農區糧飼兼用玉米高產優質栽培技術措施的優化提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2014-2015年位于甘肅省定西市安定區的甘肅農業大學旱農綜合實驗站進行, 研究所依托田間定位試驗始于2012年。試區平均海拔2 000 m，年無霜期140 d，屬中溫帶半干旱偏旱區，多年平均日照時數2 476.6 h，太陽輻射量為592.9 kJ·cm-2；年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃積溫為2 933.5 ℃，≥10 ℃積溫為2 239.1 ℃,多年平均降水量為390.9 mm，80%保證率的降水量為365 mm，年蒸發量達到1 531 mm，且該區降雨量年際、年內變化率大。試驗區光照和水分只能滿足一年一熟作物的要求，為隴中旱農區典型的半干旱雨養農業區，試區土壤為黃綿土，土質疏松，質地均勻，貯水性良好；凋萎含水率7.3%，飽和含水率28.6%，pH約為8.36，土壤有機質12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1。2014年和2015年降雨量分別為384.2 mm和340.1 mm(圖1)，玉米生長期降雨量分別285.0 mm和278.1 mm。

圖1 2014和2015年試驗區月降雨量Fig.1 Monthly rainfall in 2014 and 2015

1.2 試驗設計

在全膜雙壟溝播的基礎上設計耕作方式(試驗1)和施氮水平(試驗2)兩個試驗，采用單因素隨機區組排列，試驗1 設計4種耕作方式(表1)，3次重復，共12個小區，小區面積為(16×3.3)m2，播種前施純N 200 kg·hm-2，施P2O5150 kg·hm-2；試驗2設計4個施氮水平(N1:不施氮肥、N2:施純氮100 kg·hm-2、N3:施純氮200 kg·hm-2、N4:施純氮300 kg·hm-2，其中1/3作基肥，2/3為拔節肥)，3次重復，共12個小區，小區面積為(5×8)m2。兩個試驗氮肥均為尿素，磷肥為過磷酸鈣，各小區播種量為5.25×104hm-2，參試糧飼兼用玉米品種為‘富農821’，在4月下旬用點播器進行播種，10月上旬收獲，為保證出苗率，每穴播種2粒玉米，在玉米出苗后，及時放苗、間苗，其他管理措施同大田管理。

表1 耕作措施試驗處理及代碼描述Table 1 Description of treatments and codes in experiment on tillage practices

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉片光合參數 于2015年分別在玉米拔節期、抽雄期、灌漿期，選擇晴朗天氣，在9:00-11:00采用GFS-3000便攜式光合作用-熒光測量系統測定玉米單葉葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2摩爾分數(Ci)、氣孔導度(Gs)，測定部位為穗位葉。各測定項目重復3次。

1.3.2 土壤水分測定 在玉米播種前和收獲后分別測定土壤含水量,測定深度為200 cm,測定層次為0～5 cm、5～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～110 cm、110～140 cm、140～170 cm、170～200 cm，其中0～10 cm用烘干法測定，10～200 cm用TRIME(德國TRIME-PICO TDR )水分測定儀測定。

1.3.3 干物質積累量測定 于2015年分別在玉米拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期每小區取植株樣3株，105 ℃烘箱殺青0.5 h，然后80 ℃烘干至恒量。

1.3.4 產量測定 于2014年、2015年分別在玉米成熟期按小區測定籽粒產量和生物產量，最后換算為每公頃產量( kg·hm-2)。

1.3.5 水分利用效率的計算WUE=Y/ET

ET=P+S1-S2

式中，WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y為籽粒產量，ET為玉米生育期內耗水量(mm)，P為玉米生育期內降雨量，S1、S2分別為玉米播前和收后0～200 cm土壤貯水量。

1.4 數據分析

采用EXCEL 2013進行數據整理與作圖，用SPSS 19.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施和施氮量對糧飼兼用玉米光合特性的影響

由表2可知，不同耕作措施對玉米光合特性有明顯影響，隨著生育期的推進，玉米Pn、Tr和Gs都表現增大趨勢。拔節期時，Tr為SS處理最高，較其他處理高36.4%～66.7%,Gs表現為SS、NT顯著高于CT，分別較CT高60.3%、69.7%；抽雄期時，SS處理下的Pn顯著高于CT，較CT高84.2%，SS和NT處理間無顯著差異；灌漿期時，SS處理下Ci顯著低于CT，其他參數都顯著高于CT處理，SS和NT處理間的Tr、Ci和Gs無顯著差異；這說明深松耕和免耕可以增強玉米光合性能。

由表3可知，施氮量對玉米光合特性影響明顯，在拔節期時，N3、N4處理下的Tr顯著高于N1、N2處理，較N1、N2分別高66.7%、25.0%，N4處理下的Gs顯著高于N1；抽雄期時，N3、N4處理下的Pn、Tr、Gs都與N1處理差異顯著，N4處理下的Ci顯著低于N1，N3和N4處理間的4個光合參數無顯著性差異，灌漿期時，N3、N4處理下的Pn、Tr和Gs都顯著高于N1處理，其中N3處理較N1分別高92.0%、34.4%、45.1%，N4處理較N1分別高122.0%、38.2%、46.9%，N3和N4處理間差異不顯著。這說明適量增施氮肥可以提高玉米光合性能。

表2 不同耕作措施下玉米的光合特性Table 2 Photosynthetic parameters of maize under different tillage practices

表3 不同施氮水平下玉米的光合特性Table 3 Photosynthetic parameters of maize under different nitrogen rates

2.2 不同耕作措施和施氮量對糧飼兼用玉米干物質積累的影響

由圖2可知，玉米干物質積累量在處理間差異顯著，隨著玉米生育期的推進，干物質積累增加，成熟期達到最大值，拔節期時，SS下的干物質積累量顯著高于其他處理，灌漿期和成熟期時，玉米干物質積累量均表現為SS>NT>RT>CT，成熟期時，SS較CT增加37.4%，差異顯著，說明深松耕可以增加玉米干物質積累量。

由圖3可知，隨著施氮量的增加，玉米干物質積累量也增加，干物質積累量在各生育時期均表現為N4>N3>N2>N1，抽雄期，N4處理顯著高于其他處理，較其他處理增加17.2%～95.1%，灌漿期時，N3、N4與N1、N2間差異顯著，N3和N4間差異不顯著，成熟期時，N4與其他處理均差異顯著，較其他處理增加15.0%～85.0%。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著,下同 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level,the same below

圖3 不同施氮量下玉米各生育時期的干物質積累量Fig.3 Dry matter accumulation at various growth stages of maize under different nitrogen rates

2.3 不同耕作措施和施氮量對糧飼兼用玉米產量和水分利用效率的影響

由表4可知，耕作方法對玉米的籽粒產量、生物產量和WUE影響明顯。2014年和2015年SS和NT玉米籽粒產量與CT差異顯著，其中2014年SS和NT較CT分別增加33.0%、18.8%，2015年SS和NT較CT分別增加19.7%、11.6%。2014年SS和NT下的生物產量顯著高于CT，SS與NT間無顯著差異；2015年SS下的生物產量較其他處理顯著增加13.1%～22.4%，SS下的WUE顯著高于CT，較CT增加8.9%。兩年的耗水量處理間無顯著差異。說明深松耕和免耕可以提高玉米產量和WUE。

由表5可知，隨著施氮量的增加，玉米籽粒產量、生物產量、耗水量和WUE也增加。2014年、2015年玉米籽粒產量、生物量和WUE都表現為N4>N3>N2>N1，且N3、N4處理顯著高于N1、N2，而N3和N4間無顯著差異。N3下籽粒產量、生物量和WUE較N1分別平均增加68.4%、63.5%、52.2%，較N2分別平均增加40.2%、31.7%、30.5%，兩年間N3和N4耗水量高于N1和N2。這說明施氮200 kg·hm-2和300 kg·hm-2在提高耗水量的同時顯著增加了產量，進而提高玉米WUE。

表4 不同耕作措施下玉米產量和水分利用效率Table 4 Yield and water use efficiency of maize under different tillage practices

表5 不同施氮量下玉米產量和水分利用效率Table 5 Yield and water use efficiency of maize under different nitrogen rates

2.4 玉米葉片光合特性與產量和WUE的相關性分析

由6可知，在不同耕作方式下，Tr與產量 (r=0.960*)和WUE(r=0.904*)達到顯著水平，Ci與產量(r=-0.568*)達到顯著水平，Gs與產量(r=0.513*)達到顯著水平；由表7可知，在不同施氮水平下，Pn與產量(r=0.996**)和WUE(r=0.995**)都達到極顯著水平，Tr與產量(r=0.995**)和WUE(r=0.994**)達到極顯著水平，Ci與產量(r=-0.973*)和WUE(r=-0.966*)達到顯著水平，Gs與產量(r=0.938*)和WUE(r=0.936*)達到顯著水平，這說明玉米產量和WUE受葉片光合特性影響明顯。

表6 不同耕作措施下玉米光合特性與產量和水分利用效率的相關分析Table 6 Relationship between photosynthetic characteristics, yield and WUE under different tillage practices

表7 不同施氮量下玉米光合特性與產量和水分利用效率的相關分析Table 7 Relationship between photosynthetic characteristics, yield and WUE under different nitrogen rates

3 討 論

3.1 產量和水分利用效率對耕作措施和氮肥用量的響應

干旱缺水一直是影響隴中旱農區農業生產的重要因素[13]。相關研究結果表明，深松耕、免耕減少了土壤擾動，降低土壤體積質量，增大土壤孔隙度，有效改善土壤的物理性狀，利于增強降雨入滲率，減少地面徑流，增加土壤水分含量，促進作物產量和WUE的提高[14]，土壤翻耕、旋耕后，裸露的土壤經過風蝕和水蝕，降低了土壤質量，影響玉米吸收養分和水分[15]。本研究表明，在隴中旱農區，深松耕和免耕提高了玉米籽粒產量，其中2014年深松耕和免耕較傳統耕作分別增產33.0%、18.8%，2015年分別增產19.7%、11.6%，同時研究還發現深松耕處理下的生物量和WUE高于傳統耕作。這與肖繼兵等[16]在朝陽半干旱區研究結果一致，其原因可能是深松耕和免耕減少土壤擾動[17]，降低土壤體積質量，改善土壤結構，促進干物質的積累和分配，從而提高產量和WUE[18]。作物合理的施氮，不僅能滿足作物對養分的需求，提高產量，而且在雨養農業條件下還可以提高WUE[19]。本研究中，隨著氮肥用量的增加，玉米籽粒產量、生物產量和WUE也隨之增加，但施純氮300 kg·hm-2與施200 kg·hm-2氮肥處理相比差異不顯著。這與宋尚有等[20]在隴東半干旱區研究結果相似，而適宜施氮水平有所差異，這可能是由區域氣候和土壤差異所致。施氮300 kg·hm-2與施氮200 kg·hm-2間無差異的原因可能是氮肥過量施用，抑制了玉米根系的生長[21]，減少了根系對水分和養分的吸收，從而削弱了產量的增加。

3.2 耕作措施和施氮量影響玉米產量和水分利用效率的響應機理

玉米葉片光合產物是籽粒產量的物質基礎，光合作用強度在一定程度上影響玉米籽粒產量[22]。相關研究表明，耕作方式影響土壤水熱變化，進而影響玉米葉片的光合性能[23]。本研究中，深松耕和免耕增強了玉米的光合性能，促進了光合產物的積累，提高了光能利用率，獲得較高的產量和WUE。其增強光合特性的原因可能是深松耕和免耕處理具有較高的Gs，良好的水分供應能力，同時，二者具有良好的保水保墑作用，能夠滿足植株對水分的需求，使玉米具有較強的光化學速率，改善了玉米光合能力[24]。其次，深松耕和免耕保持良好的土壤結構，使得玉米吸收犁底層以下的水分，帶動對養分的吸收，增加玉米葉面積指數，延長了玉米灌漿期葉片持綠時間，從而獲得高的光和性能[25]，進而提高產量和WUE。深松耕和免耕通過疏松土壤，改善滲透性，改善土壤水分條件，滿足玉米生長期所需水分，進而促進玉米干物質積累[26]，為提高作物產量和WUE奠定物質基礎。氮是植物體內氨基酸及葉綠素的重要組成部[27]。有研究表明，合理的氮肥管理是調控作物生長和光合生產率的重要手段[28]。本研究中，施純氮200 kg·hm-2和施氮300 kg·hm-2處理增強了玉米光合性能，增加了干物質積累量，獲得了較高的籽粒產量、生物產量和WUE，而施純氮200 kg·hm-2和施氮300 kg·hm-2處理間無顯著差異，其中施純氮200 kg·hm-2較不施氮分別平均增加68.4%、63.5%、52.2%，較施氮100 kg·hm-2分別平均增加40.2%、31.7%、30.5%，其增加光合特性的原因可能是合理施氮可以協調玉米灌漿期的需氮特性，進而促進玉米的灌漿速率[29]。另外，適宜的氮肥可以提高葉綠素含量，增強PSⅠ和PSⅡ電子傳遞能力，緩解了植物衰老，增強了葉片對于光破壞的防御機制，有效調節了光合性能，進而增產[30]。同時合理氮肥運籌延緩了花后植株下部葉片的衰老和脫落，延長了葉面積指數高值持續期，在籽粒灌漿期保持了較高的光合面積[31]，從而提高了產量及WUE。合理施用氮肥增加玉米葉片葉綠素含量[30]，提高玉米地上部分光合特性及對氮素的利用效率，加快同化物質的轉化，促進地上部分的生長，進而增加了干物質積累量。有研究報道，玉米籽粒產量的60%以上來自花后光合同化物質[32]。也就是說玉米灌漿期保持葉片較高的光合能力及較長的功能期，對提高作物產量具有重要意義。本研究中，玉米產量和WUE受光合特性的影響明顯。其主要原因是Pn影響植物在光合作用中吸收的CO2量，從而影響單位時間、單位面積所轉化的同化物質，為玉米產量形成奠定基礎；其次，植物在光下進行光合作用，經由氣孔吸收CO2，氣孔必須張開，氣孔開張又不可避免地發生蒸騰作用，氣孔可以根據環境條件的變化來調節自己開度的大小而使植物在損失水分較少的條件下獲取最多的CO2，從而增大蒸騰量的同時顯著增加產量，進而影響作物WUE[33]。因此，玉米Pn、Tr、Gs及胞間CO2摩爾分數共同影響著玉米產量和WUE。

4 結 論

深松耕、免耕和施氮200 kg·hm-2增強玉米光合特性，從而增加玉米干物質積累量，提高籽粒產量、生物產量和WUE。因此，在隴中旱農區應用全膜雙壟溝播技術種植糧飼兼用玉米，覆膜前深松耕或免耕，施純氮200 kg·hm-2左右比較適宜，既有利于糧飼兼用玉米籽粒產量、飼料產量的提高，也可以提高水氮利用效率，促進玉米生產可持續發展。

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