不同水氮配比對黑河中游玉米葉片熒光參數及水氮利用的影響

張東昱 宋學林 陳修斌 何 斌

（1 甘肅省張掖市種子管理局，張掖 734000；2 河西學院農業與生物技術學院，張掖 734000；3 甘肅省張掖市農業綜合行政執法隊，張掖 734000）

黑河中游位于河西走廊中段，流域面積2.34 萬km2，張掖市地處大陸腹地，是甘肅省的重要農業區，該區光熱資源豐富，但干旱嚴重，主要依靠黑河供水。玉米（Zea maysL.）是本區農業增效、農民增收的主要糧食作物，生產上粗放的水氮管理已經造成土壤板結、理化性狀下降、水資源浪費與氮肥利用率降低。

研究報道國內氮肥利用效率僅為30%～35%，較國外低20%左右，合理的水氮比例，可達到以肥調水、以水促肥，使作物獲得較高的產量和較好的品質。王棟等[1]研究了春玉米全生育期噴灌條件下的水肥用量，得出每hm2施磷肥134.4kg、氮肥282.5kg、灌水定額1061.0m3時春玉米的產量最高。孫文濤等[2]通過滴灌水肥耦合試驗發現，氮磷肥和灌水量及其交互作用對玉米產量的影響都表現為正效應，其交互作用的效應順序為氮水>磷水>氮磷。楊啟良等[3]研究了溝灌方式和水氮對玉米產量與水分傳導的影響，發現交替灌溉方式下采用灌水定額282mm、施氮量270kg/hm2，玉米水分傳導最優。這些研究多數集中在水肥協同條件下，通過產量和水分利用效率等來尋求玉米在高產時的最佳水肥組合。葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm是衡量作物光合能力高低的重要指標，其數值大小可以反映作物在代謝過程中對光能的利用程度及PSⅡ原初光能轉換效率[4]，Fv/Fo表示葉片PSⅡ潛在活性的大小，它是反映葉片潛在光合能力高低的重要指標[5]。本研究立足黑河中游的自然環境條件，探討不同水氮配比對玉米不同生育階段葉片葉綠素熒光參數及產量的影響，尋求春玉米滴灌施肥的適宜水肥用量，以期為當地春玉米實現水肥一體化管理提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗地概況供試玉米品種為興達5 號，由甘肅興達種業有限公司提供。試驗于2019 年3-10 月在甘肅省張掖市甘州區黨寨鎮綠洲農業示范區生產基地內進行。供試土壤為灌漠土，有機質含量為11.25g/kg，堿解氮58.47mg/kg，速效磷9.85mg/kg，速效鉀146.54mg/kg，pH 值為6.48，全鹽0.78g/kg，容重1.17g/cm3，總孔隙度52.38%，質地砂壤。

1.2 試驗設計試驗采用裂區設計，主區為灌水定額，副區為施氮量[6]。灌水量設3 個灌溉定額：W1（1600m3/hm2）、W2（2400m3/hm2）和W3（3200m3/hm2）；施氮量設3 個梯度：N1（100kg/hm2）、N2（180kg/hm2）和N3（260kg/hm2），氮肥均以純N 計算。不同水氮耦合模式見表1。

表1 不同水氮耦合模式

試驗共設9 個處理，即9 種水氮耦合模式處理。于2019 年4 月16 日播種，種植畦長10m、寬1m，各處理種植面積20m2，保苗數93000 株/hm2，采用覆膜滴灌種植，處理間用塑料薄膜深埋30cm，以防水分相互滲漏；試驗的氮肥由尿素（含N 46.4%）提供，氮肥的40%作基肥施入，剩余60%在苗期、抽絲期與灌漿期分3 次等量施入，磷肥與鉀肥分別由重過磷酸鈣（含P2O544%）和氯化鉀（含K2O 60%）提供，每hm2用量為P2O5200kg、K2O 120kg。播種前，將全部的磷肥和鉀肥的40%作基肥施入，剩余60%作追肥分3 次與氮肥追肥時施入。水肥采用SF-16W 自動灌溉水肥一體化施肥機控制施入。

1.3 測定項目

1.3.1 葉片PSⅡ原初光能轉換效率（Fv/Fm）和葉片PSⅡ 活性（Fv/Fo）測定Fo是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產量，Fm是PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產量，Fv為可變熒光，反映PSⅡ原初電子受體QA 的還原情況；Fv/Fm是暗適應下PSⅡ最大光化學量子產量，反映PSⅡ反應中心內稟光能轉換效率；Fv/Fo是葉片活力的指標，反映葉片的潛在光合活力[7]。在玉米的苗期、抽絲期與灌漿期，于10：00-12：00 每個處理隨機選擇6 片同位的葉子，用英國Hansatech 公司的Handy PEA 植物效率分析儀測定經過暗適應20min 以上的葉片初始熒光（Fo）和最大熒光（Fm），每處理3次重復，計算PSⅡ原初光能轉換效率（Fv/Fm）、葉片PSⅡ活性（Fv/Fo），其中Fv＝（Fm-Fo），Fv/Fo=（Fm-Fo）/Fo，Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm[7]，每個處理隨機測定6 株，取其平均值。

1.3.2 產量性狀、水分與氮肥利用效率測定在玉米的收獲期，每個處理隨機標定3 株，統計穗行數、行粒數、百粒重及經濟產量。灌溉水利用率（IWUE）為經濟產量（kg/hm2）與生育期內總灌水量（m3/hm2）的比值，氮肥施用效率（NAE）為經濟產量（t/hm2）與總施氮量（kg/hm2）的比值[8]。

1.4 數據分析采用DPS 9.50 和Excel 2003 軟件進行數據計算與分析，采用Duncan’s 法進行差異顯著性分析，顯著性水平設置為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理對玉米葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm與Fv/Fo 影響由圖1 可知，采用W2N2 的水氮配比處理，玉米在苗期、抽絲期、灌漿期的Fv/Fm數值最高，分別為0.71、0.78 和0.75，均高于其他處理，且在苗期和灌漿期顯著高于其他處理，在抽絲期顯著高于除W3N2 外的其他處理。說明在W2N2 水氮配比處理下，水分與氮肥的耦合作用對玉米的光能利用起到了疊加效應，玉米植株保持了較強的光化學效率，隨著玉米的生長，在抽絲期植株保持最強的代謝能力，到灌漿期生長勢變弱，對養分與水分的吸收速度變慢，從而使Fv/Fm的值在不同生長階段產生差異。

由圖2 可知，在W2N2 水氮配比處理下，玉米植株在苗期、抽絲期、灌漿期時Fv/Fo的數值最高，分別為3.12、3.57 和3.36，均顯著高于其他處理。玉米葉片Fv/Fo數值的變化規律與Fv/Fm相似，說明隨著玉米植株PSⅡ原初光能轉換效率的提高，其植株葉片潛在活性也隨著增強；在W2N2 處理下，玉米植株葉片PSⅡ活性最強，其他處理由于水氮營養配比失衡，其水氮耦合效應產生了拮抗作用，造成土壤環境產生逆境脅迫的條件，從而導致玉米對水分與氮肥吸收受到抑制，植株生長勢減弱，其植株體葉片的潛在活性也隨之降低。

圖1 不同處理對玉米葉片PSⅡ原初光能轉換效率（Fv/Fm）的影響

圖2 不同處理對玉米葉片PSⅡ活性（Fv/Fo）的影響

2.2 不同處理對玉米產量與水氮利用率影響由表2 可知，不同的水氮配比組成的處理中，以W2N2處理的玉米穗行數最多，為17.32 行，顯著高于其他處理；行粒數、百粒重與經濟產量也以W2N2 處理的數值最高，分別為36.54 粒、34.62g 與12.53t/hm2，均高于其他處理，且顯著高于除W1N2 外的所有處理。玉米的經濟產量，以N2 組成的水氮處理（W1N2、W2N2、W3N2）要高于N1 組成的水氮處理（W1N1、W2N1、W3N1）與N3 組成的水氮處理（W1N3、W2N3、W3N3），說明采用N2 組成的水氮處理，水氮耦合對玉米生長起到了協同作用，因此植株保持較強的代謝能力，隨著植株同化作用的增強，促進了穗行數及行粒數的增加。

從灌溉水利用率（IWUE）來看，在同一施氮水平下，隨著灌水量的增加，灌溉水利用率逐漸下降，W1N2 的水氮組合處理下，玉米的灌溉水利用率最高，達到7.73kg/m3，顯著高于其他處理，說明適宜的水氮配比可以提高灌溉水的利用率；同一灌水量條件下，氮肥施用效率（NAE）隨著施氮量的增加，呈現下降趨勢，以處理W1N1 的氮肥施用效率最高，達到0.110t/kg，顯著高于其他處理，在N3 施氮量下，隨著灌水量的增加，不同處理（W1N3、W2N3 與W3N3）氮肥施用效率不再提高，數值保持不變。

表2 水氮互作對玉米產量與水氮施用效率的影響

2.3 水氮互作對玉米產量與水氮施用效率的顯著性分析由表3 可知，水分對玉米的穗行數與行粒數的形成影響極顯著，對氮肥施用效率影響顯著；氮肥對百粒重、經濟產量與灌溉水的利用率影響顯著；水氮的交互作用對玉米百粒重與經濟產量的影響極顯著，對穗行數與行粒數影響顯著。

表3 水氮互作對玉米產量與水氮施用效率的顯著性檢驗分析

3 結論與討論

葉綠素吸收的光能通過光合電子傳遞、葉綠素熒光發射和熱耗散3 種途徑來消耗[9]。本試驗中采用W2N2 的水氮配比處理，玉米在苗期、抽絲期、灌漿期的Fv/Fm數值最高，分別為0.71、0.78 和0.75，Fv/Fo數值也最高，分別為3.12、3.57 和3.36，表明其PSⅡ潛在活性和原初光能轉化效率均較強，說明W2N2 組成的水氮溶液環境更利于玉米對水分與營養物質的吸收，其他處理由于水氮營養配比失衡，其水氮耦合效應產生了拮抗作用，造成土壤環境產生逆境脅迫的條件，從而導致玉米對水分與氮肥吸收受到抑制，植株長勢減弱，植株葉片的潛在活性也隨之降低，這與已有的研究結果相一致[10-11]。

在適宜的范圍內，施肥和灌水對產量存在明顯的正效應，過量時會引起負效應，呈現出遞減規律。本試驗中，采用N2 的施氮量組成的水肥配比處理，玉米在穗行數、行粒數、百粒重與經濟產量的表現上要高于其他處理，尤其以W2N2 處理的玉米經濟產量表現最高，說明本處理下的灌水量與氮肥配比，最適宜玉米生長發育對營養物質的需求；而由N1 或N3 組成的水氮處理組合，因營養配比失調，導致玉米對養分吸收產生障礙，影響穗粒的形成，從而使玉米的經濟產量顯著降低。有研究表明水肥耦合存在閾值，低于閾值，增加灌水量和施肥量都能顯著增加產量；高于閾值，增產效果不明顯；在過量施肥時，會對產量產生負效應[12-13]。馮亞陽等[14]研究證明，高灌溉水平下籽粒收獲指數降低，中水中氮的耦合用量下可獲得較高的收獲指數，過量的水分供給降低了水分對籽粒的貢獻，這與本研究一致。

本試驗中灌溉水利用率（IWUE）最高的為W1N2，表明在W1 灌水量（1600m3/hm2）與N2 施氮量（180kg/hm2）的條件下，灌溉水的利用率最高；在氮肥用量相同情況下，隨著灌水量的增加，灌溉水利用率有降低的趨勢。氮肥施用效率以處理W1N1 為最高，達到0.110t/kg，說明在W1 灌水量（1600m3/hm2）與N1 施氮量（100kg/hm2）時，玉米對氮肥施用效率最大；但當氮肥用量達最高水平時，氮肥施用效率保持不變，水分利用效率隨著灌水量的增加而減小。氮肥對水分利用效率的影響明顯大于灌水，而灌水量對氮肥施用效率的影響顯著高于氮肥施用量的影響，這也說明了施肥具有明顯的調水作用，灌水具有一定的調肥作用，水肥的吸收是可以相互促進[15]。