滴灌水肥一體化不同施氮量對玉米光合特性及產量的影響

王 佳，慕瑞瑞，賈 彪，劉根紅，孟 露，徐 燦，康建宏

(寧夏大學農學院，寧夏回族自治區，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】寧夏近年全區玉米種植面積約18萬公頃，平均產量為6795 kg·hm-2，玉米種植面積只占糧食種植面積的21.9 %，玉米產量卻占糧食總產的44.4 %，因此，玉米在本區地位日趨顯著[1]。該區較為干旱，水資源極為短缺，化肥使用量也越來越多，造成嚴重的環境污染，所以高效節水節肥灌溉技術成為目前農業的主要研究領域[2]。滴灌水肥一體化是一種現代農業最有效的技術，具有顯著的節水節肥效用，能提高作物的產量[3]。研究表明，滴灌較傳統灌溉可減少40 %的用水[4-5]，在水肥一體化技術下氮肥的利用率可達75 %～80 %[6-7]。氮素為玉米生產提供最基本的營養與能力，是影響玉米生長和產量形成的主要因素[8-9]。氮肥施用過少，使庫容量受限，穗粒數減少，光化學效率降低，葉片光合能力下降[10]；過量施用氮肥影響庫強度，千粒重降低，電子傳遞速率降低，葉片光合能力減弱，還會導致浪費氮源[11-12]。過量施肥或者少量施肥最終都會使玉米減產，合理施用氮肥對提高玉米產量、降低污染具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】玉米是喜光C4作物，整個生育期都需要充足的光照，葉片是玉米的主要感光部位[13]，前人發現葉片中有超過一半的氮被分配到光合器官[14-16]。段巍巍等[17]研究表明，氮素影響葉片熒光參數、光合速率、暗反應主要酶活性和光反應等光合作用的各個環節，直接或間接的影響著光合作用，適量施用氮肥可增加葉片含氮量，提高葉片光合速率，延緩葉片光合能力的衰老進程[18]。白偉等[19]研究發現，秸稈還田配施氮肥可以增加玉米光合性能，不會隨著施氮量增加而持續增加。趙營等[20]研究表明，施氮可以明顯提高夏玉米籽粒產量。葉東靖等[21]研究表明，隨施氮量增加玉米產量顯著增加，當超過240 kg·hm-2時，產量則會減少，合理施肥量應控制在180～240 kg·hm-2。郭丙玉等[22]研究表明，灌水與施氮均可提高玉米的穗部性狀和產量，玉米的最佳施氮量為427.9～467.7 kg·hm-2，產量在17 109～17 138 kg·hm-2。目前關于玉米在生長過程中氮肥用量研究較多，在水肥一體化條件下玉米的氮肥用量報道較少?！颈狙芯壳腥朦c】本文采用田間試驗，研究了在滴灌水肥一體化下，不同氮肥處理對玉米光合特性及產量的影響，分析不同施氮量對玉米光合特性的變化特征，探討最佳的施氮量?！緮M解決的關鍵問題】此結果將為寧夏灌區玉米高產、穩產協同水肥高效利用提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

平吉堡農場位于寧夏銀川平原引黃灌溉區，地處東經106°01′，北緯38°24′，平均海拔為1170 m，屬溫帶大陸性氣候，年平均溫度為溫8.5 ℃，無霜期為150～195 d，年降雨量為180～300 mm。土壤類型為淡灰鈣土，灌排方便、鹽堿程度低，灌溉方式為滴灌。土壤有機質含量為12.56 g/kg，全氮0.63 g/kg，全磷0.51g/kg，速效磷含量19.37 mg/kg，速效鉀 84.31 mg/kg，pH為7.71，堿解氮34 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2017年采用隨機區組設計，設6個不同施氮量梯度，施氮量分別為A0為0 kg·hm-2，A1為90 kg·hm-2，A2為180 kg·hm-2，A3為270 kg·hm-2，A4為360 kg·hm-2，A5為450 kg·hm-2，3次重復，共18個小區，每個小區面積為67.5 m2(長15 m、寬4.5 m)，設置2～4行保護行。固定P、K肥，分別為138和120 kg·hm-2。每小區種植8行玉米，寬窄行種植，平均行距為55 cm(寬行70 cm，窄行40 cm)，株距為20.2 cm；走道寬1 m。在灌水施肥時使用抽水泵將地下水抽出通過75 mm PE主管道輸送至試驗小區，支管道用32 mm PE管鋪設在走道上與16 mm滴灌帶相連，每個小區各有一個施肥罐和閥門，施肥時將肥料溶解于施肥罐中再隨水施入。滴灌帶鋪設在窄行內，每條滴灌帶滴水兩行玉米。種植密度控制在100 500株·hm-2。

1.3 試驗材料與水肥管理

本試驗的材料是天賜19號，施用水溶性肥料尿素(N≥46.4 %)，磷酸二氫鉀(P≥52 %、K≥34 %)，硫酸鉀(K ≥52 %)。根據前人研究的寧夏玉米水肥吸收規律即少量多次的原則[23-24]，玉米全生育期共施肥8次，玉米各生育時期氮肥分配比例為苗期7.1 %、拔節期44.6 %、抽雄-吐絲期11.2 %、吐絲-灌漿期37.1 %。玉米全生育期灌水11次，灌水量2715 m3·hm-2。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 葉片葉綠素含量測定 葉綠素含量利用分光光度計測定。

1.4.2 葉片光合參數與熒光參數 選擇晴朗天氣，測定時間為上午9:00-11:00。選擇長勢一致的植株分別掛牌，于玉米的生育時期，選擇植株功能葉片棒三葉，測定玉米葉片的光合和熒光，每小區測定3株。熒光參數采用FMS-2型便攜式熒光測定儀(英國Hansatech公司生產)進行測定；光合指標采用PP-system公司生產的TPS-2便攜式光合儀于田間直接測定。

1.4.3 產量測定 在玉米成熟期隨機選取15穗進行室內考種。收獲的果穗自然風干后，測定果穗的穗重、穗長、穗粗、穗粒數、百粒重和籽粒重等指標，計算玉米的出籽率及實際產量(按14 %折算含水率)。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS20.0、DPS7.05進行數據處理和相關分析；用Origin 2018 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥條件對玉米葉綠素含量的影響

由圖1顯示，隨著玉米生長發育時期的推進，葉綠素的含量呈現先增加后下降的趨勢，在抽雄期葉綠素含量達到最高，說明在此時施加氮肥更有利于提高葉綠素含量。在不同氮肥處理下，隨著施氮量的增加，葉綠素含量呈現先增加后下降的趨勢，各個處理下的葉綠素含量呈現趨勢是：A3>A4>A2>A5>A1，說明施肥可以提高葉綠素含量，而適量的增施氮肥可以最大限度的提高葉綠素含量。在拔節期的葉綠素含量A4處理比A3處理高，可能是A3處理可能受到了其他因素，比如光照的影響。經方差分析可得，在抽雄期不同施氮量處理下的葉綠素含量存在顯著差異，A3處理下葉綠素含量比其他各處理分別高了23.54 %、17.23 %、10.62 %、11.19 %、10.47 %。說明隨著生育時期的推進，合理增施氮肥，可有效提高葉綠素含量，進而增強葉綠體對光能的吸收和轉化，提高作物的光合速率，有利于玉米產量的提高。

2.2 不同氮肥條件對玉米光合特性的影響

由圖2顯示，隨著生育時期的推進，葉片凈光合速率呈現上升然后下降的趨勢，且在抽雄期達到最大。在各生育期A3顯著高于其它處理。例如：抽雄期A3處理比其它各處理下的凈光合速率分別提高了67.27 %、18.14 %、12.87 %、19.66 %、72.93 %。蒸騰速率總體呈現先上升后下降的趨勢，在抽雄期達到最大。不同氮肥處理下，A3處理下的蒸騰速率均高于其他處理。由方差分析可得，在大喇叭口期各處理間存在顯著差異，該時期A3處理比其他處理分別高了28.02 %、10.69 %、3.03 %、14.01 %、17.57 %。說明隨著生育期的推進，合理的增施氮肥，可提高玉米葉片的光合速率與蒸騰速率，從而提高產量，但不施或增施氮肥，反而會抑制凈光合速率和蒸騰速率。

隨著生育時期的推進，Ci呈現先降低后上升的趨勢，在拔節期最高，抽雄期達到最低。在不同氮肥處理下，隨著施氮量的增加，均在A3處理下胞間二氧化碳濃度達到最高。由方差分析可得，在抽雄期，不同氮肥處理下各處理間的胞間二氧化碳濃度存在顯著差異，A3處理比其他處理分別高了52.29 %、32.19 %、3.56 %、0.43 %、14.04 %。氣孔是植物葉片與外界進行交換的主要通道，植物進行光合作用時氣孔張開吸收CO2。Gs是指氣孔張開的程度，反映了植物葉片與大氣進行氣體交換的一個生理指標。隨著生育時期的推進，氣孔導度呈現先降低后上升再下降的趨勢。不同氮肥處理下，隨著施氮量的增加，氣孔導度同樣呈現先上升后下降的趨勢，在A3處理下達到最大。例如：在抽雄期，A3處理下的氣孔導度比其他處理提高了60.07 %、54.71 %、32.02 %、15.43 %、32.47 %。說明合理的施用氮肥，會增加胞間二氧化碳濃度，使氣孔導度變大，氣孔張開的程度越大，二氧化碳供應量越多，從而使光合速率變大，達到使玉米增產的效果。

2.3 不同氮肥條件對玉米熒光參數的影響

由圖3顯示，隨著玉米生長進程的推進，Fv/Fm呈現先增加后降低的趨勢。不同氮肥處理下，隨著施氮量的增加，Fv/Fm呈現同樣的趨勢，均在A3處理下達到最高。由方差分析可得，在拔節期各處理間的差異較為顯著，且在每個時期A0處理比其他處理的Fv/Fm都低，說明施氮肥有利于提高PSⅡ原初光能轉換效率，從而增強光合作用。Fv/Fo是PSⅡ量子效率，代表了PSⅡ的潛在光合作用活性。隨著生育時期的推進，Fv/Fo與Fv/Fm表現趨勢一致。A3處理表現最佳，在大喇叭口期A3處理比其他處理顯著提高了42.13 %、39.38 %、30.30 %、5.09 %、15.65 %，說明在A3處理下的PSⅡ活性中心光化學能力最佳，促使光合作用進一步增強。

隨著生育進程的推進，在玉米全生育期ABS/RC呈現先上升后下降的趨勢。A3處理表現最佳，其中以抽雄期的ABS/RC最大，說明在抽雄期PSⅡ單位反應中心吸收的光能較多。PI是熒光特性里的一個重要參數，反映決定潛在光和作用能力的3個方面：反映中心密度、用于電荷分離過程的光子吸收率、電子傳遞速率。隨著生育時期的推進，PI與ABS/RC表現趨勢一致。拔節期的PI較低，在抽雄期達到最大，說明抽雄期是玉米光合最強的時期。不同施氮量處理下，隨著施氮量的增加，PI也呈現上升后下降的趨勢，且在A3處理下達到最大值。由方差分析可得，在大喇叭口期各處理間差異較為顯著，該處理下的PI值比其他處理分別提高了59.09 %、26.27 %、24.81 %、3.04 %、6.82 %，說明在施氮量為270 kg·hm-2可有效的提高PI值，提高光子吸收率和電子傳遞速率，從而增強光合作用。

2.4 不同氮肥條件對玉米產量及其構成因素的影響

2.4.1 不同氮肥條件對玉米產量的影響 由表1可知，隨著施氮量的增加，玉米產量呈現先增加后下降的趨勢，在A3處理下的產量達到最大，為17 791.2 kg·hm-2，說明玉米施氮量以270 kg·hm-2為最佳。隨著施氮量的增加，穗長、穗粗、穗粒數、籽粒重、百粒重、出籽率都呈現先上升后下降的趨勢，說明增施氮肥對玉米的生長發育有一定的影響。A3處理比其它處理下的產量分別提高了11.02 %、9.74 %、7.10 %、5.53 %、6.65 %。A4、A5處理下的產量反而下降，說明過多的施用氮肥會抑制玉米的生長發育和光合作用，從而使玉米減產。根據施氮水平與產量進行回歸方程擬合，得出當施氮量為289.42 kg·hm-2時，產量達到最大(圖4)。

表1 不同氮肥處理玉米產量及構成因素Table 1 Maize yield and its constituent factors under different nitrogen fertilizer treatments

2.4.2 玉米產量構成因素與光合指標的相關性分析 由表2可知，產量與葉綠素含量、Pn、Ci、Gs、Tr、Fv/Fo、Fv/Fm、RC/ABS、PI之間呈不同程度正相關關系，與Ci、RC/ABS、PI呈顯著相關關系。說明提高光合指標與熒光參數對提高玉米產量有一定的直接作用。葉綠素含量與熒光指標、光合指標均顯著呈正相關關系，說明葉綠素含量對熒光與光合特性有顯著影響。Fv/Fo與光合指標均呈正相關關系，說明潛在光合活性對光合作用有顯著影響。氣孔導度、蒸騰速率與凈光合速率呈正相關關系，且凈光合速率與蒸騰速率的相關系數大于氣孔導度，說明影響凈光合速率的主要因素是蒸騰速率。而胞間二氧化碳的濃度與蒸騰速率呈顯著正相關關系，說明胞間二氧化碳濃度與蒸騰速率是相輔相成，共同促進光合作用。Ci與RC/ABS呈極顯著正相關關系，說明提高胞間二氧化碳濃度可提高RC/ABS，進而提高玉米產量。因此，合理施用氮肥，可以提高光系統活性、增加光合速率，進一步增加玉米產量。

表2 玉米光合特性、熒光參數與產量之間的相關系數Table 2 Correlation coefficient between photosynthetic characteristics,fluorescence parameters and yield of maize

2.5 不同氮肥條件玉米的經濟效益

由表3可以看出，玉米在施氮后增產效果明顯。在A3處理下玉米的凈收益達到最大，該處理下的凈收益為20 117 元·hm-2，且該處理相較于其它處理分別高出13.7 %、13.3 %、11.3 %、10.4 %、14.8 %。在A3處理下玉米的產投比也最高，且各處理間表現為：A3>A0>A2>A1>A4>A5。

表3 不同氮肥條件玉米經濟效益分析Table 3 Economic benefit analysis of maize under different nitrogen fertilizer conditions

3 討 論

3.1 不同氮肥條件對玉米光合特性的影響

玉米的凈光合速率、胞間CO2濃度、蒸騰速率以及氣孔導度都是光合指標中重要參數[25]，Farquhar[26]表明胞間CO2濃度、蒸騰速率及氣孔導度對凈光合速率有一定的影響。李伶俐等[27]研究表明適量施氮水平的玉米葉片的凈光合速率及產量最高，而且在適量施氮水平下，葉片具有較強的光合能力，胞間CO2濃度的利用率高，植株衰老慢，有利于高產。相關研究發現，水氮耦合能提高玉米的光合作用，氣孔導度、蒸騰速率與凈光合速率線性正相關[28]。本試驗研究結果表明，在氮素條件下，蒸騰速率及氣孔導度均與凈光合速率呈顯著正相關。不施氮處理玉米葉片的凈光合速率、胞間CO2濃度、蒸騰速率以及氣孔導度最低，葉片生長緩慢，衰老的最快，產量最低。施氮可以提高玉米的光合速率，有利于作物高產，而高氮量處理下的葉片呈現早衰的現象，可能由于氮肥過多，后期結實少造成產量較低。在A3處理的供氮水平最適宜，A3處理比其他處理顯著增產，這與前人的研究結果一致[14]。少量的氮肥使玉米營養不足生長緩慢，而過量的氮肥不僅導致了作物光能利用率降低，而且增加了肥料的投入成本，浪費資源最終污染環境。

3.2 不同氮肥條件對玉米熒光參數的影響

葉綠素熒光又是光合作用的有效探針[29]，可以測定葉片光合作用光系統對光能的吸收、傳遞、耗散和分配[30]。魏花朵等[31]的研究表明合理的施用氮肥，Fv/Fm，PI，Fv/Fo均處于較高水平，而且光化學活性較強，光化學效率也較高。孫揚等[32]研究表明采用玉米膜下滴灌，隨施氮量的增加熒光參數中最大光化學效率(Fv/Fm)也逐漸增大，但當超過300 kg·hm-2時，各項指標開始下降。徐燦等[15]研究表明隨著玉米施氮量的增加，熒光參數中的光化學效率(Fv/Fo) 、最大光化學效率(Fv/Fm) 、PSⅡ綜合性能指數(PI)隨施氮量的增加先增加后減小。本試驗研究結果表明，在玉米生育時期中，隨施氮量的增加，Fv/Fm、Fv/Fo、PI、ABS/RC呈低-高-低的變化趨勢，峰值都出現在抽雄期，說明抽雄期是玉米光合最強的時期。施氮能夠改善加強玉米的光合性能，A3處理下的PSⅡ活性中心光化學能力最佳，在施氮量為270 kg·hm-2可有效的提高PI值，說明光子吸收率和電子傳遞速率都得到了提高。這與前人研究結果一致[14]。通過相關分析表明，適當的提高Fv/Fm、Fv/Fo、RC/ABS、PI，可以顯著提高玉米產量。

3.3 不同氮肥條件對玉米產量的影響

氮肥對玉米產量的影響起著至關重要的作用，適宜的氮肥可增加玉米的千粒重和穗粒重，減小禿尖率的發生，從而提高玉米產量[33]。王進斌等[34]研究表明施氮使玉米產量顯著增加，當純氮量為200 kg·hm-2左右，按照1/3基肥+2/3拔節期配施時，可以提高玉米產量。相關研究表明，在施氮量達到412.5 kg·hm-2時，玉米的光合性能最佳產量最高[15]。本試驗研究表明，適宜的施氮量使得玉米的產量、穗長、穗粗、穗粒數、籽粒重、百粒重、出籽率達到最大。在施氮量達到270 kg·hm-2下時產量達到最大，為17 791.2 kg·hm-2。說明增施氮肥對玉米的生長發育有一定的影響，從而提高玉米產量。

4 結 論

在水肥一體化條件下玉米氮肥施用量為270 kg·hm-2時，可顯著增加光系統活性、增強光合作用，提高玉米產量。在該氮肥施用量下，玉米產量達到最高，最高為17 791.2 kg·hm-2。施氮量在0～270 kg·hm-2范圍內，隨著施氮量的提高，葉綠素含量逐漸增加、光合特性、熒光參數逐漸增強、產量也相應提高，但當施氮量在270～450 kg·hm-2，葉綠素含量、光合指標、熒光參數、產量反而呈現逐漸降低的趨勢。利用一元二次方程分析出該區施氮量與玉米產量的關系，當施氮量為289.42 kg·hm-2，最大產量達到17 139.15 kg·hm-2。