秸稈還田下不同水肥對玉米氣孔形態特征及其分布格局的影響

閆潤杰，李 菲，張茜茜，張運鑫，4，武海霞，郝立華，常志杰，鄭云普，5

（1.河北工程大學水利水電學院，河北邯鄲056038；2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100；3.河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心，石家莊050071；4.河北省水生態文明及社會治理研究中心，河北邯鄲056038；5.河北省智慧水利重點實驗室，河北邯鄲056038）

0 引 言

農田土壤含水量和肥力是決定作物產量的關鍵因素，作物的生長發育過程和產量不僅由其內部遺傳因素所決定，而且還會受外部環境因素的影響[1-3]。以往的研究發現，秸稈還田不僅可以顯著提高土壤肥力，還可以促進微生物活動和減少化肥使用量[4,5]。另有研究發現，秸稈還田有助于提高作物的產量和品質，其原理在于秸稈還田會增加土壤有機碳和氮含量，并為作物提供生長發育所必需的氮、磷、鉀等營養元素[6-8]。然而，秸稈還田改善農田的效果并非都如人所愿，其原因在于其效果會受多種因素的制約，如還田方式、外界環境和土壤類型等[9-11]。通過確定玉米的最佳水肥量，可以進一步改善農作物的生長發育條件和增加作物的產量，尤其是黃淮海平原地區的玉米產量，同時也將優化秸稈還田的效果。

以往研究已經證實，植物葉片的氣孔對陸地生態系統中碳、水循環的調控過程有著十分重要的作用，其原因在于氣孔可以有效調控大氣二氧化碳和水蒸氣的交換過程[12]。植物不僅可以通過調節氣孔形態特征和氣孔空間分布格局以達到適應外部環境變化的目的[13]，還可以通過改變氣孔形態特征和氣孔空間分布格局來優化其氣體交換效率[14]。有研究發現，植物葉片的氣體交換效率主要取決于氣孔的密度、大小、形狀和空間分布格局[14]。因此，氣孔對植物的光合反應過程扮演著關鍵性角色，并最終影響農作物的產量[12]。目前，有關氣孔形態特征及其空間分布格局對水分虧缺響應的潛在機理仍不清楚，尤其是基于秸稈還田的野外大田試驗研究還少見報道[15]。然而，受當前氣候變暖的影響，全球農業水資源短缺的發生程度和頻率都呈現明顯的加劇趨勢，尤其是中國黃淮海平原地區的降水量呈逐年減少的趨勢[16,17]，這也在很大程度上加劇了該地區的農業水資源短缺現象[18,19]。因此，農田水分短缺已成為制約區域甚至全球糧食增產提質的重要環境因素[20]。

當前的多數研究主要集中在不同水肥對葉片光合性能和農作物產量的影響等方面[16,20]，而有關不同水肥對作物氣孔形態特征及其空間分布格局的研究較少，尤其是針對秸稈還田下不同水肥對玉米氣孔形態特征及其空間分布格局的相關研究還鮮見報道[19,20]。另外，盡管劉娜等[15]研究了秸稈還田下冬小麥葉片氣孔對不同水肥的響應，但玉米作為一種重要的C4作物，不同灌水量和施肥量對玉米氣孔特征的影響可能同冬小麥（C3作物）之間存在著明顯的差異，故本研究結果還有助于比較C3與C4作物對水肥耦合協同效應的不同響應機制。因此，本研究探討了秸稈還田條件下不同水肥量對玉米氣孔特征的影響機理，并進一步確定黃淮海平原區玉米生長所需的最佳灌水量和施肥量，為秸稈還田下玉米水肥高效利用及糧食增產提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗區位于河北省邢臺市寧晉縣原種農場，其經度為北緯37°24'50″～37°48'36″，東經114°45'52″～115°14'58″。年均降水量約為500 mm，年均氣溫約為13 ℃（見圖1）。本研究區的土壤質地以壤土和黏土為主，0～60 cm 深度的土壤容重為1.54 g/cm3，田間容量下土壤含水量（FC：占干土質量）為27%，土壤pH值為7.42[15]。

1.2 試驗設計

本研究在秸稈還田條件下設置灌水和氮肥（控釋尿素）兩個因素，秸稈還田方式采用秸稈粉碎反壓還田，即在機械化收獲冬小麥的同時將小麥秸稈粉碎為3～5 cm 小段，然后旋耕使其與表層土壤均勻混合，秸稈還田量為9 000 kg/hm2。灌水采用微噴灌方式，灌水量分別設置為450 m3/hm2、600 m3/hm2、750 m3/hm2；其中，750 m3/hm2為充分灌溉條件下的灌水量，600 m3/hm2為輕度水分脅迫下的灌水量，450 m3/hm2為重度水分脅迫下的灌水量。為了防止水分在不同處理之間的運移，各處理間均預留0.5 m 寬的緩沖帶，且在不同水分處理小區之間埋入30 cm深的塑料隔板。氮肥施用量分別設置為450、600 和750 kg/hm2。本研究共設有9 個單塊小區，在充分灌溉、輕度水分脅迫和重度水分脅迫條件下分別對應不同的氮肥施用量，每塊小區的面積均為147 m2（長21 m×寬7 m）。在2018年6月13日播種并施肥，以后不施肥。6月27日（苗期）灌水1次，以后不再灌水。分別在7月21日和8月29日進行拔節期和灌漿期取樣。

1.3 測定方法

（1）氣孔印跡法。首先，隨機從玉米植株中選取1 片完全展開的新葉，利用無色透明指甲油涂抹于近軸面和遠軸面的中部，待指甲油晾干后用鑷子采集氣孔印跡（面積為5 mm×15 mm），將樣品放至載玻片上，使用蓋玻片將氣孔印跡密封待測[20]。隨后，將載玻片放在具有拍照功能的顯微鏡下觀察氣孔形態和拍照[21]。最后，利用AutoCAD 軟件分別測量氣孔長度、氣孔寬度、氣孔周長、氣孔面積以及氣孔形狀指數[15]。

（2）氣孔的空間分布格局分析。本研究在分析氣孔空間分布格局時，假設每個氣孔均為葉片上分布的單個點，再利用ArcGIS 10.1 軟件將所選的照片進行數字化處理，即可得到每個氣孔的坐標值。利用空間統計方法對上述表示氣孔分布的點進行解析，具體方法請參照相關文獻[15，21]。

1.4 統計分析

利用單因素方差分析的統計方法研究不同水肥對氣孔參數的影響，不同處理間的顯著性差異采用Duncan’s Multiple Range Test（P<0.05）。利用SPSS 13.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 灌水量和施肥量對秸稈還田下玉米氣孔特征的影響

在玉米的拔節期，各處理之間近軸面的氣孔密度均無顯著差異（P＞0.05），但W600F450遠軸面的氣孔密度最大（P<0.05；見表1）。然而，當玉米處于灌漿期時，W450F450近軸面的氣孔密度最大，而W450F750遠軸面的氣孔密度最大（P<0.05；見表2）。因此，玉米的氣孔密度在不同發育時期（拔節期和灌漿期）對水肥響應的過程存在明顯差異。此外，玉米遠軸面的氣孔密度均明顯高于近軸面的氣孔密度，表明玉米葉片的不同軸面（近軸面和遠軸面）對灌水量和施肥量的響應也并不一致（見表1和表2）。

本研究結果顯示，玉米拔節期W750F600處理條件下，近軸面的氣孔寬度最大，但各處理間的氣孔長度和氣孔周長并無顯著性差異（P＞0.05）；然而，玉米拔節期W450F750處理下，遠軸面的氣孔寬度和氣孔周長最大，且W600F750的氣孔長度最大（P<0.05；見表1）。另外，在玉米灌漿期W750F600的近軸面氣孔長度、氣孔寬度和氣孔周長均為最大，而在灌漿期遠軸面氣孔寬度均無顯著差異（P＞0.05），但W600F450的遠軸面氣孔長度和氣孔周長均為最大值（P<0.05；見表2）。此外，在玉米拔節期，W750F600近軸面的氣孔面積最大，而氣孔形狀指數卻均無顯著性差異（P＞0.05）；然而，W450F750遠軸面的氣孔面積最大，但各處理之間的氣孔形狀指數均無顯著性差異（P＞0.05；見表1）。當玉米處于灌漿期時，W450F450近軸面的氣孔面積和氣孔形狀指數均最大，而W600F450遠軸面的氣孔面積最大（見表2）。

表1 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米拔節期氣孔特征參數的影響Tab.1 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal traits of maize at jointing stage under straw returning

表2 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米灌漿期氣孔特征參數的影響Tab.2 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal traits of maize at filling stage under straw returning

通過整合氣孔特征參數的綜合分析結果顯示：①在玉米拔節期，灌水量為750 m3/hm2和施肥量為600 kg/hm2時近軸面的氣孔特征參數為最佳（即氣孔寬度和氣孔面積均為最大值），而在玉米拔節期時，灌水量為450 m3/hm2和施肥量為750 kg/hm2時遠軸面的氣孔特征參數最佳（即氣孔寬度、氣孔周長和氣孔面積均為最大值）。②在玉米灌漿期，灌水量為450 m3/hm2和施肥量為450 kg/hm2時近軸面的氣孔特征參數最佳（即氣孔密度、氣孔面積和氣孔形狀指數均為最大值），而在玉米灌漿期時，灌水量為600 m3/hm2和施肥量為450 kg/hm2時遠軸面的氣孔特征參數最佳（即氣孔長度、氣孔周長和氣孔面積均為最大值）。

2.2 秸稈還田下灌水量和施肥量對氣孔空間分布格局的影響

本研究結果顯示，玉米近軸面和遠軸面均在小尺度范圍內為規則分布(＜150 μm)，而在大尺度范圍內（＞200 μm）呈隨機分布特征（見圖2和圖3）。在玉米拔節期，W750F750近軸面和遠軸面的氣孔在小尺度范圍內分布均為最規則，且最小鄰域距離Lhat(d)值約為-5（在相同空間尺度下，最小鄰域距離越小，氣孔分布越規則），W750F750近軸面和遠軸面的氣孔分布均在135 μm 由規則分布轉變為隨機分布（見圖2）。在灌漿期小尺度范圍內W750F600近軸面和遠軸面氣孔分布均為最規則且Lhat(d)值約為-5，W750F600近軸面氣孔分布在135 μm 由規則分布轉變為隨機分布，而W750F600遠軸面氣孔分布在120 μm 尺度上由規則分布轉變為隨機分布（見圖3）。同時，在灌漿期遠軸面，W750F600氣孔分布的分布格局在160 μm 尺度上又從隨機分布轉變為規則分布，直到180 μm 再由規則分布轉變為隨機分布。另外，當玉米處于拔節期時，W750F450和W750F750近軸面Lhat(d)最小值相似，而W600F750和W750F750遠軸面Lhat(d)最小值相似。當玉米處于灌漿期時，W450F750近軸面Lhat(d)最小值同W750F600相似，而W450F450遠軸面Lhat(d)最小值同W750F600相似。在玉米拔節期，W600F750近軸面Lhat(d)的最小值最大，而W600F600遠軸面Lhat(d)的最小值最大。在玉米灌漿期，W450F450近軸面Lhat(d)最小值為最大，而W450F750遠軸面Lhat(d)最小值最大。此外，玉米拔節期W750F750和灌漿期W750F600近、遠軸面Lhat(d)最小值均約為-5，表明在灌水量為750 m3/hm2處理條件下，施肥量為600 kg/hm2和750 kg/hm2的氣孔分布規則程度相似（見圖2和圖3）。

圖2 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米拔節期氣孔空間分布格局的影響Fig.2 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal distribution patten of maize at jointing stage under straw returning

圖3 秸稈還田下灌水量和施肥量對玉米灌漿期氣孔空間分布格局的影響Fig.3 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal distribution pattern of maize at filling stage under straw returning

3 討 論

氣孔是植物同外界環境進行水分和氣體交換的重要門戶，植物對氣孔數量、氣孔大小以及空間分布格局的調節是其適應環境變化、抵御外界脅迫的一項重要機制[22]。氣孔開度和氣孔密度不僅直接決定了葉片潛在的最大氣孔導度[23]，而且也是決定葉片氣體交換有效面積的關鍵生理生態參數[24,25]。本研究結果顯示，在灌漿期玉米葉片遠軸面會通過增加氣孔個數來緩解因水肥虧缺帶來的負效應，從而優化葉片的氣體交換過程。另外，葉片遠軸面的氣孔密度明顯高于近軸面，可能是為了降低植物的蒸騰速率，也可能是植物為了應對水分虧缺，減少水分損失的一種適應機制[26]。然而，季星桐[27]在研究灌水與秸稈還田對土壤理化性狀和小麥生長的影響中卻發現小麥的近軸面氣孔密度高于遠軸面。筆者認為，不同作物的氣孔密度分布在近軸面和遠軸面之間存在的區別主要是由其本身的遺傳特性而決定。另外，氣孔還可以通過控制CO2和水汽進出葉片控制著植物的光合作用和蒸騰作用。眾所周知，植物的光合作用是陸地生態系統初級生產力形成與演化的物質基礎[8]，而蒸騰作用是水分在SPAC （Soil-Plant-Atmosphere-Continuum）體系運移的內在驅動力，兩者直接決定著生態系統過程的水熱平衡狀態[9]。以往研究結果表明，氣孔對水分條件變化反應敏感，植物可以通過調節氣孔的開合控制進出葉片氣體與水分的量，氣孔面積增大能增強控制氣體與水分的進出能力，氣孔長度變小可以減少水分的散失[12,14]。本研究顯示，玉米在水肥虧缺處理下，葉片會通過擴大氣孔面積來優化葉片的氣體交換過程，從而提高玉米的凈光合作用速率。此外，玉米拔節期的氣孔寬度、氣孔面積和氣孔形狀指數均明顯大于灌漿期，表明拔節期與灌漿期對水肥的響應機制并不完全一致。綜上所述，玉米葉片不同軸面的氣孔形態特征在不同生育期對水肥的響應存在明顯差異，推測玉米不同軸面氣孔形態特征對灌水量和施肥量的非對稱性響應可能受到遺傳性信號和環境因子的共同調控。

雖然植物葉片的氣體交換過程在很大程度上取決于氣孔形態特征[12,19]，但也并非完全受控于氣孔因素[28]，氣孔的空間分布格局也與葉片的氣體交換有著密切的關聯[29]。以往的相關研究發現，高溫使藍莓葉片的氣孔空間分布變得更加規則，從而顯著提高了藍莓葉片的凈光合反應速率[30]。本研究結果表明，不同灌水量、不同施肥量和不同發育時期條件下，玉米氣孔在小尺度范圍內呈規則分布，而在較大尺度范圍為隨機分布。不論是拔節期還是灌漿期，充分灌溉條件下玉米葉片的氣孔分布更規則。當玉米葉片的氣孔分布更加規則時，可能會顯著增加氣孔導度，從而使更多的CO2分子擴散到光合反應位點，參與玉米葉片的光合同化過程，最終提高玉米葉片的凈光合速率，因為規則的氣孔分布格局條件下，CO2分子從大氣環境由氣孔擴散到光合反應位點參與光合作用的路徑最短，從而提高光合反應效率。研究表明，氣孔空間分布格局的規則程度與葉片氣孔導度之間存在較高的相關性[31]，植物可以通過調整氣孔分布狀況來調控葉片的氣孔導度，以適應外界環境的變化。武海霞等[31]研究發現，冬小麥可以通過調整氣孔開度和氣孔空間分布格局來提高葉片的氣孔導度，進一步提升葉片的氣體交換效率，從而顯著增加水分虧缺條件下冬小麥的葉片凈光合反應速率。本研究結果顯示，玉米拔節期W750F750處理下玉米氣孔近軸面和遠軸面的分布格局均最規則，而在灌漿期則是W750F600處理下兩個軸面的氣孔分布均最規則，且兩者的Lhat(d)最小值均約為-5。然而，從氣孔形態特征的角度考慮，W750F600處理下的氣孔形態參數較優于W750F750處理。因此，綜合考慮氣孔形態特征及其空間分布格局的情況下，秸稈還田后灌水量750 m3/hm2和施肥量600 kg/hm2處理下玉米氣孔的參數最優，故最有利于葉片進行氣體交換過程。然而，需要注意的是，以往的相關研究結果表明，苗期適當虧水將有利于農作物提高糧食產量，這主要是由于苗期的輕度干旱可以刺激農作物產生脫落酸等次生代謝物質[32]，從而提高作物抗干旱的能力[33]，故在農作物發育后期進行充分復水可以增加糧食產量[32,33]。本研究結果顯示，充分灌溉處理下玉米的氣孔分布格局明顯優于輕度虧水處理。筆者認為，該結果與以往研究結論不太一致的原因主要是由于本研究的水分處理是在整個玉米生育期內始終保持虧水的狀態，并不同于以往研究會在作物發育后期進行復水處理而造成的。相似地，王澤義等[34]的研究結果也表明，持續輕度虧水處理對板藍根葉片光合能力和產量的影響同充分灌溉相比并不存在顯著性差異。因此，本研究同以往的相關研究在虧水方式上存在明顯的差異，故本文結果同以往研究結果并不矛盾。另外，本研究還發現施肥量為600 kg/hm2為黃淮海平原玉米生長發育的最適施肥量，表明適當節肥也可能有利于提高玉米的產量；筆者認為可能是由于秸稈還田為農田提供了豐富的營養元素，從而在一定程度上提高了農田土壤肥力。因此，在黃淮海平原玉米產區進行秸稈還田還可能有利于該區域進一步實現“節肥增產”的目標。

作物秸稈是一種可回收利用的再生性能源，在補充土壤養分、促進微生物活動、減少化肥使用量、改善農業生態環境等方面具有重要的意義[35,36]。以往的相關研究表明，作物產量在很大程度上依賴于施用于土壤的高水平氮肥[37]，土壤缺氮會導致植株矮小，葉色發黃，進而抑制植株發育，最終降低作物產量[38]。此外，外界環境對植物葉片的氣孔形態特征以及空間分布格局有著至關重要的影響，如溫度、大氣CO2濃度、光輻射強度、空氣濕度、土壤水分和肥力等[39-41]。本研究通過秸稈還田下不同的灌水處理和施肥處理，探究黃淮海平原地區農田生態系統玉米不同生育時期葉片氣孔結構對水肥處理的響應。然而，由于時間精力、試驗條件、技術手段等多方面因素的限制，目前對于決定葉片氣孔分布的內在機理并不清楚，尤其是在分子水平上有些專門的基因控制著氣孔的分布格局[14]。

4 結 論

基于大田水肥試驗探討了秸稈還田下不同灌水量和施肥量對玉米氣孔形態特征及其空間分布格局的影響機理，得到以下結論：秸稈還田下，玉米拔節期的氣孔寬度、氣孔面積和氣孔形狀指數均明顯大于灌漿期；充分灌溉條件下玉米葉片的氣孔分布格局最規則，可能更加有利于提高玉米葉片的光合速率；秸稈還田條件下，玉米的最佳灌水量為750 m3/hm2，而最佳施肥量為600 kg/hm2。