滴灌水肥一體化下施氮量與頻次對夏玉米光合特性、保護酶活性及產量的影響

劉 帥，徐學欣，趙金科，曲文凱，郝天佳，孟繁港，賈 靖，趙長星

(青島農業大學 農學院，山東省旱作農業技術重點實驗室，山東 青島 266109)

玉米是我國第一大糧食作物，在保障國家糧食安全方面發揮了重要作用[1]。氮肥和水分是保障作物穩產、增產的重要條件[2]。我國作為目前世界上最大的氮肥生產國和消費國，氮肥利用率卻很低[3-4]，在日常生產中，過度施用氮肥會導致大量的氮素在土壤中處于盈余狀態，造成氮肥損失[5]，從而污染環境[6-8]。黃淮海地區是我國最大的玉米集中產區之一，但是該地區全年降雨存在時空分布不均的問題，想要實現高產，在夏玉米季仍需灌溉[9-10]。前人研究表明，玉米苗期一次性施肥增加了成本投入，降低了肥料利用率和產量；分次追施氮肥，能夠降低成本，增加肥料利用率和產量，但是又與勞動力緊張的情況沖突[11-12]。滴灌施肥技術能夠按照作物水肥需求，將肥料溶于灌溉水，精準、適量地直接輸送到作物根區的土壤表面[13-14]。前人研究表明，分次追施氮肥、增施氮肥能夠增加玉米生育期葉面積指數和SPAD值，減緩葉面積指數降低[15-17]，增加葉片光合速率，并能夠延緩葉片衰老進程，延長光合時間，提高穗位葉抗衰老能力，為增加產量創造條件[18]。分次追施氮肥、增施氮肥能夠提高玉米抗氧化能力，提高內源保護酶活性，降低MDA含量的積累，延緩衰老進程[17-19]。前人研究主要側重于施氮量對夏玉米光合特性、保護酶活性及產量的影響，但是在滴灌條件下，施氮量和施氮時期組合對夏玉米光合特性、保護酶活性及產量的研究鮮少。

本試驗基于滴灌條件下，設置2個氮肥梯度、3個不同追肥時期，探究不同施氮量和施氮時期組合對夏玉米光合特性、保護酶活性及產量的影響，以期為黃淮海夏玉米生產區滴灌施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020—2021年在青島農業大學膠州現代農業示范園(35.53° N，119.58° E)進行，該地屬半濕潤季風氣候，土壤類型為砂姜黑土，播種前0～20 cm土壤理化性狀為：pH值7.7，有機質17.2 g/kg，堿解氮122.5 mg/kg，速效磷17.05 mg/kg，速效鉀134.00 mg/kg。2020年玉米全生育期降雨量為638.2 mm，2021年玉米全生育期降雨量為387.8 mm(圖1)。

圖1 2020，2021年夏玉米全生育期降雨量分布Fig.1 Rainfall distribution during the whole growth period of summer maize in 2020 and 2021

1.2 試驗設計

試驗設置了210 kg/hm2條件下，拔節期、大喇叭口期和開花期追肥處理(A1)，拔節期、大喇叭口期追肥處理(A2)，拔節期、開花期追肥處理(A3)；180 kg/hm2條件下，拔節期、大喇叭口期和開花期追肥處理(A4)，拔節期、大喇叭口期追肥處理(A5)，拔節期、開花期追肥處理(A6)；并設置傳統畦灌為對照(CK)，總施氮量為240 kg/hm2，CK1在拔節期一次性追施氮肥，CK2在拔節期和大喇叭口期分別追施氮肥，共計8個處理，具體設計見表1。試驗地每小區長60 m，寬5.2 m，小麥收獲后進行貼茬直播。試驗田底施復合肥：N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15，施用量純氮、P2O5和K2O均為90 kg/hm2，肥料隨種子一同錯行施入。其余追施氮肥為普通尿素(含氮46%)，氮肥隨灌水等量分次追施。試驗播種日期分別為2020年6月20日和2021年6月22日，收獲時間分別為2020年10月8日和2021年10月2日，試驗供試品種為夏玉米鄭單958，行距60 cm，滴灌帶一管一行鋪放，每小區定量灌溉5 mm灌水量以水表記錄，其他管理措施同高產田。

表1 試驗設計Tab.1 Experimental design kg/hm2

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉面積指數計算 分別于夏玉米開花期、花后10，20，30，40 d選取長勢均勻，能夠代表所在小區整體生長水平的植株，每個時期取3株，用卷尺測量玉米所有葉片長度和最大寬度。

葉面積(m2)=葉長(cm)×最大葉寬(cm)×0.75/10 000

①

葉面積指數(LAI)= 平均單株葉面積(m2)×單位土地面積內的株數/單位土地面積

②

1.3.2 SPAD值測定 分別于夏玉米開花期、花后10，20，30，40 d使用日本美能達公司生產的SPAD-502型葉綠素儀測定玉米穗位葉片SPAD值。

1.3.3 光合特性參數測定 分別于夏玉米開花期、花后10，20，30，40 d使用便攜式Li-6400光合儀測定玉米穗位葉片光合特性。

1.3.4 衰老指標測定 分別于夏玉米開花期、花后10，20，30，40 d取玉米穗位葉葉片，參照Wang等[20]的方法測定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)，過氧化物酶(POD)測定采用愈創木酚法[21]。

1.3.5 籽粒灌漿速率計算 于夏玉米開花期開始，選擇有代表性且生長一致的植株50株，掛牌標記。從開花期開始，每隔10 d取樣一次，每次取5株，分別取玉米中部籽粒50粒稱取鮮質量，然后105 ℃殺青30 min，75 ℃下烘干至恒質量。以開花天數t為自變量，50粒籽粒干質量為因變量y，用Logistic方程y=a/(1+be-ct)對籽粒增質量過程進行擬合得出不同處理下的籽粒灌漿方程。其中，a表示50粒理論最大粒質量，通過公式Vm=ac/4，Tm=ln(b)/c計算最大灌漿速率、最大灌漿速率出現時間。

1.3.6 產量及其構成因素分析 對每個小區隨機重復3次，每次重復選擇5 m 3行(9 m2)果穗，自然干燥，用于室內測定。主要測定穗行數、行粒數、千粒質量，產量按照籽粒14%含水量計算。

1.3.7 氮肥偏肥生產力計算 氮肥偏肥生產力=單位面積產量/單位面積施氮量。

1.4 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS軟件進行數據分析和處理，用Origin 2021軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施氮時期和施用量組合對夏玉米葉面積指數及SPAD值的影響

如圖2所示，各處理葉面積指數在開花期達到最大，開花后，葉面積指數逐漸減小。2020年，A1、A4、CK2與傳統灌溉處理(CK1)相比，花后40 d葉面積指數分別增加了17.7%，19.7%，15.1%；2021年，A1、A4、CK2與傳統灌溉處理(CK1)相比，花后40 d葉面積指數分別增加了33.5%，29.3%，25.5%，說明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠延緩葉面積指數下降趨勢，延緩葉片衰老。

相同花后天數內，不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平差異顯著。圖3—4同。Within the same number of days after flowering，different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at P< 0.05 level.The same asFig.3—4.

如表2所示，夏玉米穗位葉SPAD值都呈先升高后降低的變化規律，在花后10 d達到最大值。花后10 d，A1、A4處理SPAD值下降速度顯著慢于其他處理，表明增加氮肥施用頻次能夠延緩夏玉米穗位葉SPAD值下降趨勢，延緩夏玉米生育后期葉片衰老，提高群體光合能力。

表2 不同施氮時期和施用量組合對夏玉米穗位葉SPAD值的影響Tab.2 Effects of different nitrogen application periods and combinations on SPAD value of ear position leaves of summer maize

2.2 不同施氮時期和施用量組合對玉米穗位葉光合特性的影響

圖3結果表明，隨著夏玉米生育期推進，穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度都呈先升高后降低的趨勢，在花后10 d達到最大值。開花后，2020年夏玉米穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度變化規律基本為A1、A4>CK2>A2、A3、A5、A6>CK1，第2年規律相同。隨著夏玉米生育期推進，穗位葉的胞間二氧化碳濃度呈先升高后降低的趨勢，在花后30 d達到最大值，其基本變化規律為CK1>A2、A3、A5、A6>CK2>A1、A4，第2年規律相同。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠增加穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，降低胞間二氧化碳濃度，延緩凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度的下降趨勢，提高穗位葉的光合能力并延長光合時間，為增加產量創造了條件。

圖3 不同施氮時期和施氮量組合對夏玉米穗位葉光合特性的影響Fig.3 Effects of different nitrogen application periods and combinations of nitrogen application rates on photosynthetic characteristics of ear position leaves of summer maize

2.3 不同施氮時期和施用量組合對夏玉米穗位葉衰老特性的影響

圖4結果顯示，滴灌條件下拔節期、大喇叭口期、開花期分次追施氮肥處理(A1、A4)在花后10 d開始，穗位葉的SOD、POD(以鮮質量計)、CAT活性最高。隨著玉米生育期推進，穗位葉SOD、POD、CAT活性呈先升高再降低的趨勢，在花后10 d達到最大值。A1、A4處理在開花期施用氮肥后，花后穗位葉SOD、POD、CAT活性高于其他處理。隨著玉米生育期推進，穗位葉MDA含量(以鮮質量計)呈逐漸升高趨勢，花后10 d開始，傳統灌溉處理(CK1)顯著高于其他處理。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠提高玉米灌漿中后期葉片活性氧清除能力，減緩葉片衰老。

2.4 不同施氮時期和施用量組合對夏玉米籽粒灌漿特性的影響

從表3可以看出，決定系數R2在0.99以上，說明Logistic方程較好地模擬了籽粒的灌漿過程。2020年除CK1外，最大籽粒灌漿速率出現時間為開花后第24天，CK1相比其他處理延遲1 d；A1、A4處理最大籽粒灌漿速率和最大理論千粒質量均高于其他處理。2021年A1、A4、A5處理最大籽粒灌漿速率出現時間為20 d，其他處理延遲1 d，最大籽粒灌漿速率和最大理論千粒質量與上一年規律相同。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠縮短玉米籽粒達到最大灌漿速率的時間，延長籽粒灌漿持續期，提高籽粒最大灌漿速率和最大理論千粒質量，最終達到提高產量的效果。

表3 不同施氮時期及施氮量對夏玉米籽粒灌漿特性的影響Tab.3 Effects of different nitrogen application periods and levels on grain filling characteristics of summer maize

2.5 不同施氮時期和施用量組合對玉米籽粒產量及其構成因素的影響

從表4可以看出，滴灌條件下，拔節期、大口期、開花期分次追施氮肥處理(A1、A4)的產量、千粒質量、穗粒數最高，且顯著高于其余各處理，A4處理偏肥生產力顯著高于其他處理。2020年，A1和A4與傳統灌溉處理(CK1)相比，穗粒數提高了11.8%和10.6%，千粒質量分別提高了4.4%和3.9%，產量分別提高了17.8%和16.6%，氮肥偏肥生產力提高了34.6%和55.4%；2021年，A1和A4與傳統灌溉處理(CK1)相比，穗粒數均提高了6.4%，千粒質量分別提高了6.6%和6.7%，產量分別提高了13.5%和13.0%，偏肥生產力分別提高了29.4%和50.7%。A4相比A1施氮量降低14.3%，但提高了偏肥生產力，2020年，A4與A1相比，偏肥生產力提高了15.5%；2021年，A4與A1相比，偏肥生產力提高了16.4%。2020年各處理玉米產量總體偏低是由全生育期降雨量過大導致。表明增加氮肥施用頻次和施氮量能夠顯著提高夏玉米的產量、千粒質量、穗粒數、偏肥生產力。

3 結論與討論

氮素是構成葉綠素、提高葉片光合速率、增加LAI的重要礦質元素[22-23]，增加氮肥施用量和施用頻次，能夠增加玉米生育期LAI和SPAD值，延長LAI高值持續期，使葉片在玉米籽粒灌漿過程中保持較高的光合面積[24-25]。增加氮肥施用量和施用頻次能夠增加玉米葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，增加胞間CO2的利用率，延緩植株衰老[26]。本研究表明，在夏玉米拔節期、大喇叭口期、開花期

表4 不同施氮時期及施氮量對夏玉米產量及其構成因素的影響Tab.4 Effects of different nitrogen application periods and levels on summer maize yield and its components

追施氮肥能夠增加玉米LAI，延緩生育后期LAI、SPAD的下降趨勢，增加玉米穗位葉的凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度，使玉米籽粒灌漿時保持較高的LAI和凈光合速率，但是A1、A4的光合特性差異并不顯著。表明分次追施氮肥對夏玉米LAI和SPAD值作用顯著，能夠使夏玉米葉面積指數及光合特性保持較高水平，延緩葉片衰老進程，進而提高產量。

SOD、POD與CAT協同作用能夠清除植物體內超氧自由基和H2O2，保護膜結構，三者活性高低標志著植物體抗衰老能力的強弱[27]。MDA是膜質過氧化作用的產物，它的多少代表膜質過氧化的程度，也可間接反映植物組織抗氧化能力的強弱[28]。分期追施氮肥能夠提高夏玉米內源保護酶活性，使MDA含量維持在較低水平，在一定程度上延緩衰老[19]。本研究表明，在夏玉米拔節期、大喇叭口期、開花期追施氮肥能夠提高玉米生育后期穗位葉SOD、POD與CAT的活性，使MDA含量維持在較低水平，但是A1、A4的差異不顯著，證明了分次追施氮肥能夠延緩葉片衰老進程，進而提高產量。

增加施氮量和施氮頻次能夠顯著提高玉米籽粒的灌漿速率，提前最大籽粒灌漿速率出現時間，增加籽粒的平均灌漿速率，可以提高千粒質量[29-30]。本研究表明，在夏玉米拔節期、大喇叭口期、開花期追施氮肥能夠提高玉米籽粒最大灌漿速率，縮短了最大籽粒灌漿速率出現時間，延長灌漿持續期，最終達到增產的目的。2020年最大籽粒灌漿速率出現時間較2021年相比延后4 d，可能是由2020年開花期降雨過多導致；但是2021年理論千粒質量小于2020年，可能是由2021年在夏玉米灌漿期降雨過多導致。

協調發展產量結構對夏玉米穩產增產具有關鍵作用[30]，而增加施氮量和施肥頻次能夠提高玉米的穗粒數和千粒質量[31-32]。本研究表明，在夏玉米拔節期、大喇叭口期、開花期追施氮肥能夠顯著提高穗粒數、千粒質量，證明分次追施氮肥能夠滿足各個時期夏玉米對氮素的需求，從而增加產量。

本試驗最優處理為滴灌施氮量180 kg/hm2條件下，拔節期、大喇叭口期、開花期分次追施氮肥處理(A4)；在滴灌水肥一體化條件下，增加氮肥施用次數、減少施氮量，可以減緩夏玉米生育后期葉面積指數減小的趨勢，增加葉片光合速率和籽粒的最大灌漿速率，從而增加穗粒數、千粒質量和產量。A4相比A1減少了氮肥的投入，降低了生產成本，其為本試驗的推薦處理。