雙季稻區長期秸稈還田配施化肥對大麥生理特性與產量的影響

石麗紅, 唐海明*, 肖小平, 李超, 劉曲,程愛武, 程凱凱, 李微艷, 文麗

(1.湖南省土壤肥料研究所, 長沙 410125; 2.寧鄉市農業技術推廣中心, 湖南 寧鄉 410600)

施肥措施是影響土壤肥力、土壤微生物多樣性、作物生長發育和產量、及農田生態功能多樣性和農業可持續發展[1]的重要因素。目前，前人對不同施肥模式下的土壤理化特性、作物生長發育和產量等方面進行了研究[2]，結果表明，有機-無機肥配施更有利于增加土壤養分含量、改善土壤物理結構和培肥土壤，增強作物生理活性，提高肥料利用率，保護農田生態環境，實現農業的可持續發展[2]。

大麥是我國主要的種植作物之一，也是我國畜牧、水產養殖業的優質能量飼料和釀造啤酒的重要原料[3]。近年來，前人對大麥-雙季稻多熟制條件下，長期采用不同施肥方式對土壤肥力、大麥植株干物質積累與分配、養分積累與分配、水分利用效率和產量的影響進行了研究，徐一蘭等[4]認為，長期施用有機肥能顯著提高大麥成熟期稻田耕層(0—20 cm)土壤的Cd全量和有效態含量；大麥生育期，長期施肥促進了部分土壤微生物繁殖，使酶活性提高，以有機肥配施化肥的效果最為顯著[5]；大麥根際土壤微生物功能多樣性對各種施肥處理的反應存在差異，根際土壤微生物群落利用的碳源主要為氨基酸類和糖類[6]。唐海明等[7]研究顯示，不同施肥處理下，有機肥與無機肥配施有利于增加大麥生育期土壤微生物的生物量碳、氮含量和微生物熵，能獲得最佳的培肥和增產效果。徐一蘭等[8-9]研究也表明，大麥植株的生物學產量(干物質)在長期有機肥與化肥配施下得到顯著提高，且干物質在植株各部位的分配更加合理，改善了大麥產量構成因素間的比例，增加產量。徐壽軍等[10]研究表明，施氮量與大麥植株氮素積累量呈顯著正相關，最佳施氮量為212.42～261.97 kg·hm-2。張立勤等[11]研究認為，在合理施肥的范圍內，增施肥料有利于改善啤酒大麥的產量構成因素(千粒重和穗粒數)，顯著增加大麥產量，提高水分利用效率。魯澤剛等[12]研究認為，在N 117.3 kg·hm-2、P2O5116.0～117.2 kg·hm-2和K2O 37.5 kg·hm-2施肥條件下，能獲得更高的大麥產量。以上研究結果表明，不同施肥模式對大麥植株干物質積累與分配、產量等方面具有明顯的影響，由于試驗區域的氣候條件、種植制度、肥料種類等因素存在差異，因此不同施肥模式對大麥植株干物質積累與分配、產量的影響效果存在差異。

湖南是我國的雙季稻主產區，其種植面積和產量均居全國前列，對國家糧食安全具有十分重要的現實意義。在該區域中，大麥-雙季稻種植模式是主要的農業生產種植模式。近年來，前人在該種植模式條件下就不同施肥處理對稻田土壤肥力、土壤微生物特性、大麥植株干物質積累與分配和產量等方面的影響開展了研究[5-9]，然而不同施肥處理對大麥植株葉片生理生化特性影響的研究鮮見報道。因此，本研究以33年的長期定位試驗為基礎，在大麥-雙季稻多熟種植模式條件下，系統研究了秸稈還田+化肥、單施化肥和無肥3種施肥處理下大麥植株葉片的生理生化特性和產量的變化特征，以期揭示大麥獲得高產的生理生化特性對不同施肥措施的響應機制。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田位于湖南省寧鄉縣農技推廣中心內(E 112°18′，N 28°07′)，海拔36.1 m，該區域為典型的雙季稻主產區，種植模式為大麥-雙季稻。定位試驗于1986年開始，試驗時耕層土壤(0—20 cm)的基本理化特性(pH、有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀)、試驗田的環境氣象因素(年均氣溫、年平均降雨量、年蒸發量和無霜期)同唐海明等[13-15]。

1.2 試驗設計和田間管理措施

本試驗設置3個施肥處理，無肥(CK1)：不施用任何肥料；單獨施用化肥(CK2)：僅施用氮、磷、鉀化肥；秸稈還田+化肥(RF)：施用稻草秸稈還田和化肥。大麥生長期，RF和CK2保持N、P2O5和K2O總施用量相同。肥料的種類、施用時期、施用量和秸稈還田量及田間管理措施同徐一蘭等[8]方法。

以大麥品種通0612為試驗材料，分別于2018年11月5日耕地、施基肥，11月6日播種(播種量：250.0 kg·hm-2)，2019年2月4日追肥，5月9日收獲；2019年11月7日耕地、施基肥，11月8日播種(播種量：250.0 kg·hm-2)，2020年1月23日追肥，4月30日收獲。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1樣品采集2018—2020年，分別于大麥的苗期(seedling stage，SS)、分蘗期(tillering stage，TS)、拔節期(jointing stage，JS)、齊穗期(heading stage，HS)和成熟期(maturity stage，MS)采集植株葉片樣品[8]。

1.3.2葉片理化特性測定葉片的理化特性指標包括：丙二醛(malondialdehyde，MDA)和脯氨酸(proline，Pro)含量，過氧化物酶(peroxidase，POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和過氧化氫酶(catalase，CAT)活性，均采用李合生[16]方法進行測定。

1.3.3植株光合特性測定分別于大麥上述主要生育期進行植株葉片光合特性的測定，測定指標包括SPAD值、氣孔導度(stomatal condnctance,Gs)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)和凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)；測定時期和測定方法同徐一蘭等[8]方法。

1.3.4大麥產量測定于大麥成熟期，對各處理的植株進行分區收獲，測定各小區大麥的實際產量，計算平均值。

1.4 數據處理

分別采用Excel 2003和DPS 3.11統計軟件進行試驗數據的整理分析，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 植株葉片丙二醛含量

大麥整個生育期，RF、CK2和CK1處理植株葉片的丙二醛(MDA)含量均隨著生育期的推進呈增加的趨勢(圖1)。在不同施肥處理間，均以RF處理的MDA含量最低，顯著低于CK1處理。大麥5個主要生育期，2個不同年份均以CK1處理葉片的MDA含量最高，顯著高于RF處理，與CK2無顯著差異。各處理葉片MDA含量均表現為CK1>CK2>RF。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.2 植株葉片脯氨酸含量

由圖2可知，大麥整個生育期，各施肥處理的植株葉片脯氨酸(Pro)含量均隨著生育期的推進不斷增加，于齊穗期達到峰值，然后下降。在不同施肥處理間，Pro含量均以RF處理最低，除苗期外，顯著低于CK1處理。各處理植株葉片Pro含量表現為CK1>CK2>RF。苗期，各施肥處理間Pro含量均無顯著差異。分蘗期和拔節期，CK2處理植株葉片Pro含量均與CK1無顯著差異，但顯著高于RF處理。齊穗期和成熟期，CK2處理植株葉片的Pro含量均介于CK1和RF處理之間，但均差異不顯著。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.3 水稻植株葉片保護性酶活性

2.3.1葉片SOD活性由圖3可知，大麥整個生育期，各施肥處理植株葉片的SOD活性呈拋物線的變化趨勢，均于齊穗期達到峰值，2個不同年份RF和CK2處理植株葉片SOD活性分別較CK1處理增加11.94%、11.59%(2018—2019)和6.79%、6.52%(2019—2020)。大麥各個主要生育期，RF處理植株葉片SOD活性均顯著高于CK2和CK1處理，CK2處理植株葉片SOD活性均顯著高于CK1處理；各處理植株葉片SOD活性均表現為RF>CK2>CK1。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.3.2葉片POD活性由圖4可知，大麥整個生育期，各施肥處理植株葉片POD活性呈拋物線的變化趨勢，均于齊穗期達到峰值。2個不同年份RF和CK2處理植株葉片POD活性分別比CK1處理增加21.23%、20.95%(2018—2019)和6.98%、6.89%(2019—2020)。大麥各個主要生育期，RF處理植株葉片POD活性均顯著高于CK2和CK1處理；CK2處理植株葉片POD活性均顯著高于CK1處理；各處理植株葉片POD活性均表現為RF>CK2>CK1。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.3.3葉片CAT活性大麥整個生育期，各施肥處理植株葉片CAT活性均隨著生育期的推進不斷增加，于分蘗期達到峰值，然后下降。2個不同年份RF和CK2處理植株葉片CAT活性分別比CK1處理增加25.32%、22.41%(2018—2019)和10.17%、9.39%(2019—2020)。大麥全生育期，RF處理植株葉片CAT活性均顯著高于CK1和CK2處理；CK1和CK2處理植株葉片CAT活性在苗期無顯著差異；分蘗期至成熟期，CK2處理植株葉片CAT活性均顯著高于CK1處理，均表現為RF>CK2>CK1(圖5)。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.4 植株葉片光合特性

2.4.1葉片SPAD大麥全生育期，各施肥處理植株葉片SPAD值呈拋物線的變化趨勢，均于齊穗期達到峰值(圖6)。大麥各個主要生育期，SPAD值均表現為：RF>CK2>CK1。其中，以RF處理植葉片SPAD值最高，均顯著高于CK1處理。苗期至齊穗期，RF處理植株葉片SPAD值雖高于CK2處理，但均差異不顯著；CK2處理植株葉片SPAD值雖高于CK1處理，但均無顯著差異。成熟期，各處理間植株葉片SPAD值均達顯著差異。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.4.2葉片凈光合速率大麥整個生育期，各施肥處理植株葉片凈光合速率(Pn)均隨著生育期的推進不斷增加，于齊穗期達到最高值，然后下降(圖7)。2個不同年份，RF和CK2處理植株葉片Pn分別比CK1處理增加23.61%、23.20%和9.67%、9.42%。苗期，不同施肥處理間植株葉片Pn差異不顯著；分蘗期和拔節期，CK1處理植株葉片Pn均顯著低于CK2和RF處理(P<0.05)，RF和CK2處理間差異不顯著；齊穗期和成熟期，RF處理植株葉片Pn均顯著高于CK2和CK1處理，CK2處理葉片Pn與CK1處理差異不顯著。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.4.3葉片氣孔導度大麥整個生育期，各施肥處理植株葉片氣孔導度(Cs)整體表現為拋物線的變化趨勢，均于齊穗期達到最高值(圖8)。大麥各主要生育時期，RF處理植株葉片Cs均顯著高于CK2和CK1處理，CK2處理植株葉片Cs均顯著高于CK1處理；各處理植株葉片Cs均表現為：RF>CK2>CK1。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.4.4葉片蒸騰速率大麥全生育期，不同施肥處理植株葉片蒸騰速率(Tr)均隨著生育期的推進不斷增加，于齊穗期達到峰值，然后下降。苗期，各施肥處理植株葉片蒸騰速率(Tr)均無顯著性差異(P>0.05)；分蘗期至成熟期，RF和CK2處理植株葉片Tr均顯著高于CK1處理；但RF和CK2處理間無顯著性差異(P>0.05)(圖9)。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.5 大麥產量

2個不同年份，各個施肥處理間均以RF處理大麥產量為最高，均顯著高于CK2和CK1處理；其次是CK2處理，CK2處理大麥產量均顯著高于CK1處理；各施肥處理大麥產量表現為：RF>CK2>CK1。RF和CK2處理在2018—2019和2019—2020年分別較CK1處理增產64.34%、64.19%和39.56%、39.91%；RF處理較CK2處理增產17.36 %和17.76 %(圖10)。

注：圖中不同小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

3 討論

丙二醛和脯氨酸含量是反映植物受外界環境滲透脅迫程度的關鍵指標[17-18]。當外界環境變化對植物造成脅迫時，植物的保護性酶系統能清除體內的活性氧，以減輕脅迫對植物的傷害[19]。大麥植株干物質的積累、分配與品種、種植制度、施肥模式、灌溉方式、當地的溫度和光照條件等因素密切相關[20]。施肥方式是影響植株生理生化特性的關鍵因素之一，從而影響植株光合產物的高低。本研究結果表明，采取秸稈還田+化肥和單施化肥(RF和CK2)較無肥(CK1)均能降低大麥植株葉片中丙二醛和脯氨酸含量，提高葉片的保護酶活性和光合特性，與徐一蘭等[8]研究結果一致，其原因可能是由于施肥降低了土壤容重、改善了土壤中團聚體的含量和分布、增加了土壤有機質和養分[21]，為大麥植株的生理活動提供了良好的土壤生態環境和充足的營養物質，增強了植株對外界環境變化的應對能力，提高植株保護酶活性，從而緩解了外界環境對植株的滲透脅迫，有利于增強植株對養分的吸收利用。同時，施肥處理有利于大麥個體植株的生長發育，改善和提高田間群體的質量[22-23]，增強大麥個體與群體植株的光合物質生產能力，擴大植株的“源”和 “庫”，為植株干物質積累和高產奠定物質基礎。

本研究中，不同施肥處理間大麥植株葉片的保護性酶活性和光合特性表現不同，這可能是長期不同施肥處理對土壤理化特性、土壤肥力等方面交互作用的結果。在各個施肥處理間，以采取秸稈還田配施化肥的施肥方式對提高大麥植株葉片保護性酶活性和光合特性效果最佳，其原因可能是一方面長期采取秸稈還田配施化肥措施下，土壤理化特性得到改善，為植株生長發育提供了良好的土壤環境條件和營養物質保障，減少了土壤中與養分循環相關微生物間的競爭，增加了土壤微生物的多樣性[6]，有利于維持和提高稻田土壤肥力[7, 21]；另一方面，秸稈還田配施化肥措施下，所施用的化肥能及時滿足大麥生長發育前期對營養物質的需求，且能減緩秸稈分解過程中與作物爭氮的矛盾，從而在大麥全生育期均能及時為植株提供充足的養分，有利于植株生長發育，改善群體結構、增加植株的光合面積[8]，從而增強植株保護酶活性和干物質積累。而單獨施用化肥在一定程度上也提高了大麥葉片的保護性酶活性和光合特性，其原因可能是，與無肥處理相比，施用化肥能為植株正常生理活動提供所需的速效養分，有利于促進植株保護酶和光合生理特性；長期施用條件下能持續保證植株的生長發育和生物學產量；且大麥收獲后,植株的部分根茬還田，降低了土壤容重、改善了土壤中團聚體的含量和分布，為大麥生長發育提供較好的土壤環境條件和物質基礎，因此，在一定程度上增強了植株保護酶系統的活性及光合特性。

施肥措施是影響稻田土壤肥力變化和大麥產量較為重要的關鍵因素之一，其中以有機肥配施化肥措施的改土培肥、增產效果最為明顯[24-25]。在本試驗條件下，與無肥處理相比，采取秸稈還田+化肥、單獨施用化肥措施(RF和CK2)均明顯提高了大麥產量，其原因可能是在施肥條件下有利于改善土壤物理結構、維持或培肥土壤[21]，為植株生理和光合特性活動提供充足的物質養分來源，擴大植株的“源”和“庫”，并能協調它們之間的關系，促進物質向植株的“庫”進行轉運和積累[8-9]，從而有利于大麥獲得較高的產量，這與徐一蘭等[8]研究結果相似。不同施肥處理間，大麥產量大小順序表現為秸稈還田>化肥>無肥，其大小順序與大麥植株葉片保護性酶活性和光合特性的順序相一致。秸稈還田措施下能獲得最高的大麥產量，這是因為采取秸稈還田施肥條件下培肥土壤的效果最佳[21]，有利于為植株生長發育提供良好的土壤環境條件和物質來源，增強了植株對營養物質的吸收利用、植株生理和光合特性，進而擴大了植株光合物質來源,且干物質在植株各部位的積累和分配更合理，為大麥高產奠定了物質基礎，從而提高了大麥產量[8-9]。單獨施用化肥也有一定的增產效果，其原因為長期施用化肥條件下，大麥的根系和部分秸稈還田也有利于改善土壤理化特性，為植株生長提供較好的生長環境和養分；且所施用的化肥能為大麥植株提供相應的營養物質、保證植株相應的生長和生理活性，有利于光合產物的生產和干物質的積累，為產量奠定了物質基礎，與徐一蘭等[8]的研究結果相一致。

本文僅在大麥-雙季稻多熟種植模式條件下開展了秸稈還田配施化肥措施對大麥植株葉片保護酶活性、光合特性和產量影響的初步研究，秸稈還田配施化肥措施對大麥植株養分吸收分配規律等方面的影響還有待進一步研究。