覆膜與施氮組合下夏玉米籽粒灌漿過程擬合分析

方 恒 李援農 谷曉博 銀敏華 楊金宇

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

地膜覆蓋栽培技術自試驗并推廣以來，廣泛用于經濟作物和糧食作物生產，其增產增收效益顯著。地膜覆蓋具有減少土壤水分蒸發，提高土壤溫度，促進作物穩產早熟[1-3]，防止農田水土流失，減少氮素淋溶，有效控制土壤鹽堿度[4-6]等作用，已成為我國干旱半干旱地區農業生產的重要措施。隨著地膜生產量和使用量的大幅增長,加上質量得不到保障，地膜殘留問題日益突出。耕地中殘留的地膜造成土壤理化性質變差，阻礙作物根系生長和對水肥的吸收利用，污染農田生態環境等[7-8]。近年來，為了解決地膜殘留問題，各種環保地膜先后問世，可降解地膜因其容易降解而減少地膜殘留，降低回收成本，減輕環境污染等成為國內外研究較多的一種環保地膜。目前可降解地膜主要有光降解、生物降解和雙降解地膜等類型。有關研究發現，生物降解膜代替普通地膜覆蓋除了能改善土壤物理性狀、促進作物的生長發育和水分利用效率外[9-10]，還有利于自然降水入滲，延長作物生殖生長周期，提高作物的產量[11]等。而氧化-生物雙降解地膜由于光照、氧氣和微生物的協同作用，埋土和地表部分均可降解，不影響下季耕作，可基本消除殘膜危害。

氮素是玉米需求量最大的營養元素，在干旱半干旱地區，施氮可以提高作物產量，增強作物抗旱能力[12]，但過量施氮將限制作物生長導致減產，還會破壞自然環境。相關研究表明，隨施氮量增加，玉米籽粒產量和氮素利用效率均呈現先增加后減小的趨勢[13]，而適宜施氮量有利于調控作物生長發育，改善光合性能，實現優質高產[14]。

灌漿是夏玉米生長發育過程中重要的生育階段，籽粒灌漿速率和灌漿時間影響籽粒庫容的充實程度，決定了玉米的品質和產量[15]。目前對夏玉米灌漿過程的研究主要集中在氮肥運籌[16]、玉米品種[17]、耕作方式[18]等方面，不同地膜覆蓋與施氮水平組合對夏玉米灌漿過程動態變化的研究甚少，而且多使用Logistic模型進行擬合分析。Logistic模型是Richards模型的一種特殊形式(N=1)，其曲線呈旋轉對稱，缺乏可塑性，而Richards模型較其多一個參數N，曲線形狀由N決定，描述籽粒灌漿過程更為合適[19]。本文以夏玉米為研究對象，設置不同地膜覆蓋(普通地膜和氧化-生物雙降解地膜)與施氮水平組合的對比試驗，應用Richards模型對夏玉米籽粒灌漿動態過程進行擬合，結合灌漿期內葉綠素a/b質量比(下面簡稱葉綠素a/b值)變化，進而研究不同地膜覆蓋與施氮水平組合對夏玉米各灌漿特征參數的調控效應，揭示不同地膜覆蓋與施氮水平組合對夏玉米籽粒灌漿過程的影響規律，為在高效、環保的地膜覆蓋和施氮水平組合下獲得高產提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年6—10月在陜西楊凌西北農林科技大學教育部旱區農業水土工程重點實驗室的灌溉試驗站進行。該區位于東經108°24′，北緯34°20′，海拔521 m，全年無霜期210 d，年均氣溫13℃，多年平均降水量為632 mm，年均蒸發量1 500 mm。試驗地土壤質地為中壤土，土壤田間持水率為23%～25%(質量含水率)，平均干容重1.42 g/cm3。耕層土壤(0～30 cm)pH值為7.92，基礎肥力(質量比)為：有機質11.26 g/kg，硝態氮69.05 mg/kg，速效磷23.3 mg/kg，速效鉀88.48 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為吉祥1號，試驗所用地膜為普通地膜和氧化-生物雙降解生態地膜，氧化-生物雙降解生態地膜由山東天壯環保科技有限公司生產。膜寬90 cm，膜厚0.008 mm，氧化-生物雙降解生態地膜誘導期為70～80 d。

試驗設計覆膜施氮處理。2種地膜覆蓋：普通地膜(P)、氧化-生物雙降解生態地膜(J)；4個施氮水平(尿素，總氮含量大于等于46.4%)：0、90、180、270 kg/hm2(純氮)，分別記為N0、N1、N2、N3。采用壟溝種植技術，壟上覆膜，玉米植于壟兩側，株距30 cm，壟寬40 cm，壟高30 cm，溝寬60 cm，種植密度6.7萬株/hm2，小區面積18 m2(4.5 m×4 m)，3次重復，隨機區組排列，另設平作不覆膜不施氮處理(CK)，試驗區周圍設有保護行。播前旋耕并平整土地，各處理氮肥一次性施入，基施磷肥(過磷酸鈣，全磷含量大于等于16.0%)120 kg/hm2(純P2O5)，鉀肥(硫酸鉀，氧化鉀含量大于等于51.0%)60 kg/hm2(純K2O)。6月15日播種，田間管理同一般高產田。氧化-生物雙降解生態地膜降解規律：播種后65 d(8月19日左右)出現小于1 cm 裂孔，70 d左右(8月24日)裂孔直徑2 cm，80 d左右(9月3日)裂孔直徑5 cm，90 d左右(9月13日)裂孔直徑10 cm，100 d左右(9月23日)裂孔直徑16 cm。

1.3 測定項目及方法

灌漿過程的測定：各處理選擇吐絲一致的植株掛牌標記，玉米開花授粉6 d后開始取樣，每隔6 d隨機選取標記植株果穗3個，共取樣6次(即花后36 d)。將果穗從中間掰開，剝下中部籽粒，去除非完整籽粒后混合均勻，隨機數出100粒，然后放入干燥箱內105℃殺青 0.5 h，75℃干燥至恒質量，用萬分之一天平稱量籽粒干質量。

葉綠素含量測定：取果穗測灌漿過程的同時取其穗位葉，用95%乙醇浸提[20]測定葉綠素a和葉綠素b含量，重復3次，取其平均值。

1.4 模型描述

1.4.1擬合模型

以花后時間t(開花日為t0)為自變量，每次測得的百粒干質量(W)為因變量，用非線性最小平方法配成Richards方程[21]

W=A/(1+Be-Kt)1/N

式中A、B、K、N為模型參數，A為灌漿結束時最大百粒質量，對籽粒灌漿過程進行擬合，用決定系數R2表示其配合適度。

1.4.2灌漿特征參數

對Richards方程求一階導可得到灌漿速率方程V=KW[1-(W/A)N]/N。根據朱慶森等[19]的方法可以導出描述灌漿特征的次級參數：

起始生長勢

R0=K/N

(1)

灌漿速率最大時生長量

Wmax=A/(1+N)1/N

(2)

最大灌漿速率及其時間

Vmax=KWmax[1-(Wmax/A)N]/N

(3)

tmax=ln(B/N)/K

(4)

平均灌漿速率

(5)

1.4.3灌漿階段

灌漿過程分為漸增期、快增期和緩增期。對灌漿速率方程求其對t的二階導，并令其為零，可得灌漿速率方程兩個拐點的灌漿時間t1和t2為

(6)

(7)

假定達99%A時為實際灌漿終期t3，則

(8)

1.5 數據處理

采用Excel 2013對數據進行處理；SPSS 16.0軟件進行統計分析，多重比較使用LSD法(最小顯著差異法)(P<0.05)；Origin 8.5軟件作圖和Nonlinear擬合。

2 結果與分析

2.1 不同地膜覆蓋與施氮水平下夏玉米籽粒灌漿Richards模型擬合分析

本研究應用Richards模型對夏玉米籽粒質量增長動態過程進行擬合，所得方程參數A、B、K、N及決定系數R2見表1。由表1分析知，各處理籽粒灌漿擬合方程決定系數均在0.99以上，擬合效果較好，表明用Richards模型能較好地模擬夏玉米籽粒灌漿動態過程。

表1 不同處理下的Richards模型參數 Tab.1 Parameters of Richards model under different treatments

注：同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，下同。

用Richards模型擬合的夏玉米籽粒質量增長動態過程見圖1。由表1和圖1分析知，不同地膜覆蓋與施氮水平下籽粒增長曲線均呈“慢—快—趨緩”的增長趨勢。氧化-生物雙降解生態地膜覆蓋下的N值均小于1， 其質量增長速率曲線更為左偏。普通地膜覆蓋下PN1的N值大于1，其質量增長速率曲線右偏，其他施氮水平下質量增長速率曲線均為左偏。

根據Richards模型擬合計算出的夏玉米灌漿期灌漿特征參數見表2。覆膜對整個灌漿期灌漿特征參數無顯著影響，施氮對起始生長勢R0的影響達P<0.05水平，對達到最大灌漿速率的時間、最大灌漿速率、平均灌漿速率的影響達P<0.01水平，覆膜×施氮的交互作用對整個灌漿期灌漿特征參數的影響達P<0.01水平(表3)。

圖1 不同地膜覆蓋與施氮水平下夏玉米籽粒灌漿Richards擬合曲線 Fig.1 Richards fitting curves of grain filling of summer maize under different film mulching and nitrogen fertilization rates

起始生長勢反映子房的生長潛力，起始生長勢大，胚乳細胞分裂快，灌漿開始時間早。J處理和P處理的起始生長勢分別為0.163～0.482、0.136～0.626，在N0、N1下J處理大于P處理，N2、N3下P處理大于J處理。在N0、N1、N3下，J處理達到最大灌漿速率的時間比P處理早0.351～2.790 d，最大灌漿速率和平均灌漿速率分別比P處理大0.088～0.609 mg/d、0.078～0.481 mg/d，但在N2下則相反，分別比P處理晚0.232 d、小0.103 mg/d和0.076 mg/d。

表2 不同處理下夏玉米籽粒灌漿特征參數 Tab.2 Grain filling parameters of summer maize under different treatments

從施氮水平上看，N2處理的起始生長勢最強，達到最大灌漿速率的時間最早，最大灌漿速率和平均灌漿速率均最大，平均分別為0.554、20.110 d、11.167 mg/d、7.578 mg/d。N0、N1、N3處理達到最大灌漿速率的時間晚于CK，且由小到大為N0、N1、N3，說明覆膜條件下施氮推遲了達到最大灌漿速率的時間，最大推遲了6.273 d，但適量施氮提前達到最大灌漿速率。N1、N3處理的最大灌漿速率和平均灌漿速率顯著大于CK，N0處理則顯著低于CK，且由大到小為N1、N3、N0，施氮對灌漿速率影響較大。可見，覆膜結合施氮可有效調控部分灌漿特征參數，優化灌漿過程，提高籽粒百粒質量。

表3 不同處理下夏玉米籽粒灌漿特征參數的方差分析(P值) Tab.3 Analysis of variance(P value)for grain filling parameters under different treatments

2.2 不同地膜覆蓋與施氮水平對夏玉米籽粒質量的影響

表1中的A為籽粒在灌漿結束時所能達到的最大百粒質量。覆膜對百粒質量無顯著影響，而施氮對其影響極顯著(表3)，覆膜與施氮對百粒質量有極顯著的交互作用(P<0.01)。地膜覆蓋與施氮處理的夏玉米百粒質量均顯著大于JN0、PN0處理，JN0大于PN0且均顯著大于CK(P<0.05)。

相同施氮水平下，不同覆膜處理間差異顯著(P<0.05)，J處理的夏玉米百粒質量和P處理相比，分別增加1.39%、-1.69%、2.14%、-1.46%。可見，不同施氮水平下，J處理和P處理對夏玉米百粒質量影響不同：在N0、N2下，J處理比P處理更能促進百粒質量增加，但在N1、N3下，P處理比J處理更能促進百粒質量增加。

在同種地膜覆蓋下，N0處理的百粒質量最小，不同施氮處理間差異顯著(P<0.05)。N1、N2、N3與N0相比，分別增加13.11%、43.14%、34.44%(J處理)和16.65%、42.09%、38.34%(P處理)，JN2、PN2處理的百粒質量均最大，JN3、PN3次之。可見，地膜覆蓋下適量施氮能明顯增加玉米的百粒質量，而過量施氮后百粒質量反而降低。

2.3 不同地膜覆蓋與施氮水平對夏玉米灌漿期各階段參數的影響

表4 不同處理下夏玉米籽粒灌漿各階段持續時間 及其灌漿速率 Tab.4 Duration and rate at each stage of grain filling of summer maize under different treatments

圖2 不同地膜覆蓋與施氮水平對夏玉米穗位葉葉綠素a/b的影響 Fig.2 Effect of different film mulching and nitrogen fertilization rate on chlorophyll a/b value in ear positions of summer maize

灌漿漸增期持續時間均為N2處理最短，N0次之，且J處理顯著短于P處理，灌漿速率隨施氮水平提高逐漸增大，且P處理大于J處理。J、P處理的灌漿持續時間和灌漿速率在灌漿快增期、緩增期表現相同，灌漿持續時間均為N1最短，N0次之，灌漿速率由大到小為N2、N1、N3、N0。灌漿快增期，在N0、N2下，P處理的灌漿持續時間顯著短于J處理，N1、N3下則相反，到灌漿緩增期時只有N3處理下J處理顯著短于P處理。灌漿快增期、緩增期灌漿速率在N0、N1、N3下均為J處理大于P處理，N2下則相反。可見，與氧化-生物降解膜相比，普通地膜覆蓋主要延長灌漿前期持續時間，并提高灌漿速率。隨著灌漿進程推進，氧化-生物降解膜延長灌漿持續時間和提高灌漿速率的作用逐漸凸顯；施氮水平主要影響灌漿快增期、緩增期，適宜施氮水平有利于延長灌漿持續時間，提高灌漿速率，但過高會適得其反。

2.4 不同地膜覆蓋與施氮水平對夏玉米灌漿期葉綠素a/b的影響

葉綠素是植物光合作用中最重要的色素，葉綠素含量的多少直接影響葉片進行光合作用。葉綠素a/b的比值前期高，后期低，既能增加光合產物，又能延長葉片的功能期，從而積累較多的有機物質，獲得較高的產量[22]。不同地膜覆蓋與施氮水平對夏玉米穗位葉葉綠素a/b比值的影響如圖2所示，不同處理下穗位葉葉綠素a/b比值變化趨勢大致相同。由圖2a分析可知，JN0、JN1、JN2、JN3的葉綠素a/b均值分別為3.118、3.118、3.046和3.023。葉綠素a/b比值達到最大分別為花后24、18、12、18 d，晚于或與CK(花后12 d)同期，且在花后12～30 d維持較高水平，而CK的葉綠素a/b比值在花后18 d顯著下降(P<0.05)。達到最大值前、后的葉綠素a/b均值分別為3.143、3.112、3.038、3.012和3.067、3.123、3.050、3.034。葉綠素a/b均值和葉綠素a/b比值達到最大值前、后的葉綠素a/b均值在N0、N1處理下均顯著大于N2、N3處理(P<0.05)，且N2顯著大于N3處理，CK介于N1和N2之間。

由圖2b分析可知，PN0、PN1、PN2、PN3葉綠素a/b均值分別為3.111、3.108、3.032和3.053。葉綠素a/b比值達到最大時N0、N1處理均為花后18 d，N2、N3處理均為花后24 d，均晚于CK(花后12 d)，且在花后12～30 d維持較高水平。達到最大值前、后的葉綠素a/b均值分別為3.140、3.161、3.057、3.080和3.083、3.055、2.981、2.998。葉綠素a/b均值和葉綠素a/b比值達到最大值前的葉綠素a/b均值在N0、N1處理下均顯著大于N2、N3處理(P<0.05)，與J處理結果相似，但N3顯著大于N2處理，葉綠素a/b比值達到最大值后仍存在上述規律，但各處理間差異的顯著性降低。

可見，兩種地膜覆蓋下，高施氮水平有利于穗位葉吸收短波光，延遲了光合活性達到最大值的時間，但延長了光合活性持續時間。

3 討論

3.1 灌漿特征參數、各階段參數

灌漿期是決定玉米產量和品質的重要階段。關于灌漿特征參數與籽粒質量的關系，孟兆江等[23]認為，最大灌漿速率和平均灌漿速率與籽粒質量呈顯著相關，本研究也得出相似結論。本研究中兩種地膜覆蓋下，隨施氮水平的提高，達到最大灌漿速率時間相應延遲，最大灌漿速率和平均灌漿速率增大，灌漿結束時百粒質量也得到提高，施氮為N2水平時，達到最大灌漿速率時間最短，最大灌漿速率、平均灌漿速率和百粒質量也最大。說明一定范圍內隨施氮水平的提高，延遲了達到最大灌漿速率時間，而適宜的施氮水平縮短了達到最大灌漿速率時間，與曹彩云等[24]的研究結果不盡相同，可能是因為施肥方式不同。施氮提高了最大灌漿速率和平均灌漿速率，從而提高百粒質量，而過高施氮水平下的最大灌漿速率和平均灌漿速率有所降低，與吳清麗等[25]的研究結果一致。

籽粒發育早期所形成的庫容潛力大小對最終粒質量的獲得非常重要[26]。本研究發現，氧化-生物雙降解地膜覆蓋配施氮肥有利于提高籽粒起始生長勢，起始生長勢與籽粒質量無顯著相關關系，與達到最大灌漿速率時間和灌漿速率存在一定的相關性。兩種地膜覆蓋下，N0的起始生長勢高于N1，但達到最大灌漿速率時間晚于N1，最大灌漿速率和平均灌漿速率小于N1，灌漿結束時百粒質量也低于N1；JN2和PN2處理的起始生長勢最高，最早達到最大灌漿速率，最大灌漿速率和平均灌漿速率最大，灌漿結束時百粒質量也最大；N3的起始生長勢低于N2，達到最大灌漿速率時間晚于N2，最大灌漿速率和平均灌漿速率小于N2，灌漿結束時百粒質量也低于N2。氧化-生物雙降解地膜和普通地膜覆蓋下，起始生長勢隨施氮水平變化由大到小分別為N2、N0、N1、N3，N2、N3、N0、N1，起始生長勢高的較早達到最大灌漿速率，漸增期(T1)也較短，是因為施氮不足會造成氮脅迫，施氮過量會抑制生長，影響作物生育進程。地膜覆蓋配施氮肥通過起始生長勢，影響胚乳細胞分裂，調控籽粒進入灌漿的時間，而影響達到最大灌漿速率時間和灌漿速率，但起始生長勢與達到最大灌漿速率時間和灌漿速率存在何種相關性有待進一步探索研究。

3.2 葉綠素a/b

葉綠素a/b值是影響光合功能的重要生理指標，較高的葉綠素a/b值有利于吸收低溫季節的長波光，較低的葉綠素a/b值有利于吸收夏季的短波光[22]。本研究中兩種地膜覆蓋下，不同施氮水平的葉綠素a/b值與灌漿期各階段的灌漿速率變化趨勢相似，都呈單峰變化，與關義新等[32]結果一致。花后6 d和36 d較低，前者是因為開花初始玉米由營養生長階段向生殖生長階段轉換，后者是因為葉片衰老所致。氧化-生物雙降解地膜覆蓋下的葉綠素a/b均值在3.023～3.118，葉綠素a/b比值達到最大為花后12～24 d，在花后12～30 d維持較高水平，且N2、N3處理始終小于N0、N1處理；普通地膜覆蓋下的葉綠素a/b均值分別為3.032～3.111，葉綠素a/b比值達到最大為花后18～24 d，N2、N3處理均為花后24 d，在花后12～30 d維持較高水平，且N2、N3處理在花后12～18 d始終小于N0、N1處理，在花后24～30 d則與N0、N1處理相近。說明氧化-生物雙降解地膜和普通地膜覆蓋配施氮肥提高了灌漿期葉綠素a/b值，且在灌漿快增期維持較高水平，延長光合活性持續時間，高施氮水平(N2、N3)的葉綠素a/b值低于低施氮水平(N0、N1)，有利于穗位葉吸收短波光進行光合作用，并向籽粒轉移光合產物，從而提高籽粒質量。

4 結論

(1)一定范圍內隨施氮水平的提高，達到最大灌漿速率的時間延遲，但最大灌漿速率和平均灌漿速率提高。氧化-生物雙降解地膜覆蓋配施氮肥有利于提高籽粒起始生長勢，調控籽粒進入灌漿的時間，從而影響達到最大灌漿速率時間和灌漿速率。

(2)地膜覆蓋配施氮肥主要影響灌漿快增期、緩增期，延長了灌漿快增期和緩增期持續時間，并提高了快增期和緩增期的平均灌漿速率。兩種地膜覆蓋相比較，普通地膜覆蓋主要延長灌漿漸增期持續時間，并提高灌漿速率，氧化-生物雙降解地膜延長灌漿持續時間和提高灌漿速率的作用在快增期和緩增期逐漸顯現。

(3)地膜覆蓋配施氮肥提高灌漿期葉綠素a/b值，延長了光合活性持續時間，有利于提高籽粒質量。兩種地膜覆蓋均延遲了光合活性達到最大值的時間。

(4)JN2和PN2處理的夏玉米較早啟動灌漿期，縮短灌漿漸增期，延長灌漿快增期和緩增期，提高最大灌漿速率、平均灌漿速率和各階段平均灌漿速率，提高光合作用效率，有利于提高籽粒質量，是本試驗中地膜覆蓋和施氮水平的最佳組合，從環境保護和農業可持續發展角度考慮，JN2處理為更合理、有效和環保的組合方式。