周年減氮對玉米-大蒜輪作系統作物光合特性和干物質積累及產量的影響

莫 勤,劉 丹,馬 馳,劉 博,張 威,王俊營,丁瑞霞,韓清芳

(1.西北農林科技大學 農學院,陜西楊凌 712100;2.農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室/西北農林科技大學 中國旱區節水農業研究院,陜西楊凌 712100)

玉米是中國重要的糧食作物,種植面積占全國糧食作物種植面積36%[1],產量占到糧食總產近40%[2],其中黃淮海夏播玉米區是重要的分布區域,種植面積約占全國總面積的29%,產量約占全國的30%[3],對保障國家糧食安全、工業生產原料和畜牧飼料等具有重要的意義。大蒜是中國傳統蔬菜和優勢園藝作物,栽培面積和產量均居世界第一[4-6],其經濟產量由蒜薹和鱗莖(蒜頭)兩部分構成,地上部抽生的蒜薹可以作蔬菜食用,其地下部的鱗莖主要用作調味品,經過加工提取的大蒜素還可以做藥品[7-8]。大蒜作為蔥屬類植物,其根系分泌的化感物質可消滅有害病菌,影響土壤環境[4,9],是公認的良好前茬作物[5,10]。陜西關中灌區是中國夏玉米的主要分布區之一[11],玉米-大蒜輪作是關中地區重要的農田種植模式,在保證區域糧食安全和提高農業收益方面有積極影響。

氮素通過參與植株葉片光合色素的構建,進而影響植物的光合作用,從而影響作物產量[12-14]。多數研究顯示,氮素對作物的產量貢獻度可達40%～50%[15-17]。中國是世界上氮肥生產和消費大國,農業生產所需的氮肥(純氮)每年達到3 000萬t,約占全球氮肥用量的30%[18]。近年來,農田土壤中的氮肥殘留已經超過175 kg·hm-2,已經成為農業環境污染的重要因子[19]。過量施肥導致地下水污染、水體富營養化、氮肥利用率低等一系列問題日益嚴重[20-24]。調查發現,在關中部分地區的夏玉米純氮平均用量達到288 kg·hm-2,而在大蒜生產中施氮量高達417.6 kg·hm-2,遠超作物需氮水平[25-27]。因此,在保證產量的前提下合理的施用氮肥是一個亟待解決的問題[18,25]。周年氮肥的合理運籌不僅能保障作物產量,而且對發展高產、高效、綠色農業及提高農戶經濟收入有重要意義。

目前,在玉米-大蒜糧菜兩熟種植系統中,更多注重施氮對當季作物生長的影響,忽視了周年輪作氮肥統籌的系統性研究[28-29]。因此,本研究根據生產實際施肥量和農田減肥要求[30],設置玉米-大蒜輪作系統兩季作物的減氮組合試驗,分析周年減氮對玉米和大蒜光合特性、干物質積累及產量的影響,探討周年氮素運籌與兩季作物生產的關系,以期為提高農田生態系統資源利用效率和生產可持續性提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020-2021年在陜西楊凌西北農林科技大學旱區農業節水研究院研究基地進行 (34°21′N,108°10′E)。該地位于關中平原,海拔 524.7 m,年均溫度13.6 ℃,屬于半濕潤易旱區,試驗期的氣候狀況如圖1所示。供試土壤為塿土,熟制為一年兩熟,具備一定的灌溉條件。本試驗是從2019年起開始實施玉米、大蒜一年兩熟制長期的定位施肥試驗,試驗前0～20 cm土壤養分含量:有機質10.56 g·kg-1,堿解氮45.37 mg·kg-1,速效磷13.29 mg·kg-1,速效鉀 109.62 mg·kg-1。

圖1 試驗地作物生育期內日平均氣溫和降水量(2020-2021年)Fig.1 Average daily temperature and precipitation during growth period of crop( 2020-2021 )

1.2 試驗設計

本研究將夏玉米-冬大蒜輪作系統作為統一的生產系統,在玉米季設3個氮素水平,純氮量分別為常規施氮(M1,220 kg·hm-2)、減氮20%(M2,176 kg·hm-2)和減氮40%(M3,132 kg·hm-2);大蒜季設2個氮素水平,純氮量分別為常規施氮(G1,300 kg·hm-2)和減氮20%(G2,240 kg·hm-2),共6個試驗處理:G1M1、G1M2、G1M3、G2M1、G2M2、G2M3(表1)。

表1 不同試驗處理施肥量Table 1 Fertilizer application rates under different experimental treatments

大蒜季的基肥∶追肥=1∶1,基肥于播種前開溝施入,追肥于4月中旬(鱗芽花芽分化期)施入;玉米季肥料于拔節期作追肥一次性施入。兩季均施用磷肥P2O5150 kg·hm-2和鉀肥K2O 150 kg·hm-2。試驗所用氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%)、硫酸鉀(K2O 52%)。小區面積24 m2(4 m×6 m),小區間設置0.5 m寬的保護行。玉米品種為‘鄭單958’,密度6.75萬株·hm-2,沿南北行向播種,2020-05-25播種,9月17日收獲。大蒜品種為‘蒼山蒜’,屬于鱗莖、蒜薹兩用品種,沿南北行向播種,蒜瓣(鱗莖)最下部一致埋深5 cm,行距 25 cm,株距10 cm,密度40萬株·hm-2,鱗芽腹背連線與行向平行,于2020-09-18播種,2021-05-04采收蒜薹,5月19收獲鱗莖(蒜頭)。灌水、除草、收獲方式等其他管理措施同一般大田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉片光合特性和葉綠素SPAD值 在玉米拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)和大蒜鱗芽花芽分化期(FBS)、蒜薹伸長期(BES),選擇晴朗天氣的上午9:00- 11:00,每個小區選取5株具有代表性的植株,用Li-6400便攜式光合儀(Li-COR Inc.,Lincoln,NE,USA)測定玉米和大蒜功能葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。同時,利用便攜式SPAD-502葉綠素儀(Konica Minolta,Inc.,Tokyo,Japan)測定功能葉片(葉片基部、中部和上部)的相對葉綠素含量SPAD值。

1.3.2 干物質積累 在玉米苗期(V3)、拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)、完熟期(R6)和大蒜苗期(SS)、鱗芽花芽分化期(FBS)、蒜薹伸長期(BES)、鱗莖膨大期(BSS),各處理選取長勢均勻的5株植物,于 105 ℃烘箱殺青30 min,75 ℃烘干至恒量,稱量。

1.3.3 產量 玉米:在成熟期,每個小區隨機取30株進行考種,包括穗行數、行粒數、百粒質量等,按14.0%的含水量計算產量。

大蒜:分別在大蒜蒜薹和鱗莖成熟期,每個小區取1 m2內的所有植株,測定蒜薹和蒜頭的鮮質量,計算產量。

1.4 數據整理與統計分析

運用 Microsoft excel 2019對試驗數據進行分析處理,利用 SPSS 26.0進行ANOVA方差分析、Pearson相關性分析和多重比較(LSD法),圖形繪制采用 Origin 2020 Pro。

2 結果與分析

2.1 周年減氮對玉米和大蒜SPAD值的影響

玉米和大蒜的葉綠素相對含量SPAD值變化如圖2所示,隨著玉米季施氮量的減少,玉米SPAD整體呈現逐漸下降的趨勢,大蒜季減氮降低玉米SPAD值。在G1水平下,M2較M1的SPAD在V6、V12、R3無顯著降低,甚至在R1顯著提高8.2%,而M3顯著降低玉米的SPAD (P<0.05)。與常規施肥G1M1相比,各減氮處理的SPAD在V6降低2.3%～15.4%,V12降低2.0%～17.5%,R3降低0.6%～9.2%。方差分析表明,前茬施氮量顯著影響玉米生長前期的SPAD值(P<0.05),當季施氮量極顯著影響各個時期SPAD值(P<0.01)。

不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著。*和**分別表示方差分析在0.05和0.01水平上顯著。下同

隨著施氮量的減少,大蒜SPAD值逐步降低,與G1相比,G2水平下的大蒜SPAD顯著降低(P<0.05)。各時期均表現為G1M1>G1M2>G1M3>G2M1>G2M2>G2M3,其中G1M1和G1M2無顯著差異。方差分析發現,前茬和當季施氮量均極顯著地影響大蒜葉綠素含量 (P<0.01),當季大蒜施肥量的影響更高。

2.2 周年減氮對玉米和大蒜光合特征值的影響

如圖3所示,玉米的光合性能受到兩季施氮量的調控,玉米季減氮整體降低玉米葉片的Pn、Gs和Tr,表現為M1>M2>M3,大蒜季G1施氮水平下玉米光合性能較好。在G1施氮水平下,減氮M2與常規M1的Pn在V6和V12期差異不顯著,減氮M3則顯著降低4.9%和 4.1%;在R1時,M2較M1沒有降低,反而顯著提高 6.0%,M3顯著降低12.8%;在R3時,M2和M3較M1顯著降低20.4%和38.9%。方差分析發現當季施氮量極顯著影響玉米V6-R3的光合特性(P<0.01),前茬施氮量及兩季交互作用主要在V6和R1顯著影響對玉米光合特性 (P<0.05)。

圖3 不同施氮處理的玉米光合特征參數Fig.3 Photosyntheticcharacteristic parameters of maize under different nitrogen treatments

大蒜葉片光合性能受到施氮量的顯著影響(圖4),大蒜季減氮G2水平較常規G1水平Pn、Gs和Tr顯著降低16.7%、31.7%和24.8% (P<0.05),玉米季減氮也降低大蒜的光合性能,但在G1施氮水平下,M1、M2與M3下的Pn差異不顯著。各時期Pn、Gs和Tr隨著施氮量的減少而降低,各組合處理表現為G1M1>G1M2>G1M3>G2M1>G2M2>G2M3,與常規施肥G1M1相比,減氮處理的Pn、Gs和Tr平均降低3.1%～22.0%、9.4%～46.7%和7.7%～ 34.2%。方差分析顯示,兩季的施氮量均顯著影響了大蒜的Pn、Gs、Tr(P<0.05),且大蒜季施氮量影響更大,兩季互作影響不顯著。

圖4 不同施氮處理的大蒜光合特征參數Fig.4 Photosynthetic characteristic parameters of garlic under different nitrogen treatments

2.3 周年減氮玉米-大蒜輪作系統作物干物質累積動態

玉米和大蒜的干物質積累動態如圖5所示。周年氮肥統籌顯著影響了玉米的干物質積累 (P<0.05),整個生育時期干物質積累動態呈“慢-快-慢”S型曲線。玉米季減氮下的干物質積累表現為M1>M2>M3,彼此間差異顯著(P<0.05)。大蒜季減氮G2水平下的玉米干物質積累量低于常規G1水平。從V6至R3期,G1M2與G1M1處理的干物質積累較高,處理間無顯著差異。與常規施肥G1M1相比,各減氮組合處理的干物質積累量在R6期顯著減少4.3%～ 30.1%(P<0.05)。方差分析顯示,兩季施氮量均極顯著影響玉米生長期內的干物質積累(P< 0.01),兩季施氮量的交互作用也顯著影響玉米的干物質累積。

圖5 不同施氮處理的玉米和大蒜干物質積累量Fig.5 Dry matter accumulation of maize and garlic at different nitrogen application stages

大蒜干物質積累速率在BES期最快,大蒜季G2減氮水平顯著降低了大蒜的干物質積累(P<0.05)。與常規施氮G1M1相比,其他處理的干物質在BES期降低6.5%～39.5%,在BSS期降低10.7%～39.5%。方差分析顯示,當季施氮量顯著影響大蒜苗期的干物質積累(P<0.05),極顯著地影響了鱗芽花芽分化后的干物質積累,前茬施氮量極顯著影響了蒜薹伸長期及鱗莖膨大期的干物質積累(P<0.01),兩季交互在大蒜生長后期的作用明顯。

2.4 周年減氮對玉米-大蒜輪作系統產量的影響

由表2可知,大蒜季和玉米季施氮量及二者互作對玉米穗粒數和產量影響均達到顯著水平(P<0.05),玉米季減氮主要通過穗粗和穗粒數而影響了產量。各處理間穗長、穗粗差異顯著,G2M3處理的穗粒數較常規施肥G1M1顯著降低,各處理間的百粒質量無顯著差異。玉米季減氮M2與常規施氮M1的產量無顯著差異,減氮M3顯著降低玉米產量14.3%。大蒜季減氮G2水平較G1水平玉米產量顯著降低10.8%。各組合處理中,與G1M1相比,G1M2處理小幅增產1.4%,其他處理的產量顯著降低5.4%～ 25.8%。

表2 不同處理玉米籽粒產量及穗部性狀Table 2 Grain yield and ear traits of maize under different treatments

當季施肥對大蒜產量影響最顯著(表3),大蒜季減氮G2水平較G1水平的蒜薹和蒜頭產量平均降低21.1%和27.0%。在G1施肥水平下,玉米季M2與M1施氮水平的大蒜產量沒有顯著差異,其他減氮組合處理的蒜薹和蒜頭產量分別顯著降低6.9%～29.0%和14.9%～39.0% (P<0.05)。方差分析顯示,大蒜季和玉米季施氮量均極顯著地影響兩部分產量(P<0.01),其中大蒜季的影響更大,而兩季氮肥互作無顯著 影響。

表3 不同施氮處理大蒜產量Table 3 Garlic yield of different nitrogen treatments

3 討 論

3.1 周年減氮對植株光合特性及SPAD值的影響

葉片是表征植株生長狀況最靈敏的器官,其葉綠素相對含量SPAD值可以反映植株氮素養分狀況[31],影響植株光合作用[16],適宜條件下葉片SPAD值與施肥量成正比關系[31-32]。本研究結果表明玉米季減氮和大蒜季減氮整體上均導致玉米SPAD值的降低,光合作用減弱。在一年兩熟輪作系統中,前茬施氮量會顯著影響當季作物的SPAD值,氮肥后效明顯[33]。本研究中,前茬作物的施氮量顯著影響了后茬作物的葉綠素含量及光合特性,特別是在玉米季表現更加明顯,前茬大蒜季較高施肥水平300 kg·hm-2下玉米具有更高的光合效率,同時在該條件下,玉米季減氮20%的光合性能較常規施肥沒有明顯降低。各組合處理中整體以G1M2與G1M1處理具有較高的SPAD值和光合速率,且G1M2處理的兩個指標在吐絲期顯著高于G1M1。SPAD值反映了植株對氮過量不敏感[31],施加更多的氮素并不能繼續增加葉綠素含量,這可能是由于玉米根系較深,能夠吸收更多前茬殘留氮素,當植物體內的氮素超過一定臨界值后,葉片葉綠素含量達到閾值,光合速率反而可能下降[16]。G1M2在保證了玉米較高的葉綠素含量和光合速率的同時,還延長了重要生育時期的光合持續時間。因此,在前茬較高施肥量的殘留補償效應下適當減少當季施氮量并不會對葉片葉綠素含量產生顯著影響,進而保證植株較好的光合能力,但是兩季減氮過量會導致SPAD值顯著降低。

在大蒜季,SPAD值隨著當季施氮量的減少而降低。張亞娟等[29]研究發現增加氮肥投入能夠顯著改善植株光合性能,施氮量240 kg·hm-2更有助于提高大蒜葉片的葉綠素含量和光合速率。本研究結果表明大蒜季減氮20%顯著降低大蒜的光合性能,在300 kg·hm-2施氮量下有更高的葉綠素含量和光合速率,這可能是由于本研究的材料屬于兩用品種,因此對氮素的需求量較高,而玉米季減氮M1與M2對G1水平下的大蒜SPAD值和光合速率影響不顯著。因此,輪作系統中通過綜合管理兩季氮肥的投入能夠更有效地增加植株葉片葉綠素含量,調控葉片氣孔的開閉,促進水分和二氧化碳的交換,進而為作物有較高的光合速率提供保障[34]。

3.2 周年減氮對作物干物質積累和產量的調控

作物產量形成的實質是光合產物的積累,周年調控合理施用氮肥對農作物的生長意義重大,兩季的氮肥綜合管理可以有效提高植株的干物質積累進而影響產量的形成[35]。有研究表明,在關中平原輪作體系中,氮肥周年優化施用對干物質積累無顯著差異,適量減氮并未降低冬小麥、夏玉米產量[36]。本研究中,玉米干物質的積累隨著當季施肥量的減少而降低,且在前茬大蒜季G1施肥水平下,玉米季減氮20%的玉米干物質積累量與常規施肥在乳熟期前無顯著差異。同時前茬大蒜季G1施肥水平下的干物質積累高于G2水平,可能是由于前茬大蒜較高施肥水平增加了土壤氮素殘留,且在當季施肥量較低情況下前茬殘留效果顯著。因此,在當前人們過量施肥的輪作種植體系中,應充分考慮茬口作物的需肥特性統籌氮肥投入,達到減氮增效的目的。有研究表明,施氮量在180 kg·hm-2內氮肥投入與玉米產量成正比,繼續投入氮肥增產效益不顯著[37]。陳磊等[38]在華北小麥-玉米輪作種植體系下,連續 3 a減氮25%甚至40%,玉米籽粒產量未受到顯著影響。本研究結果表明,在前茬大蒜季G1施肥水平下,當季減氮20%下玉米的產量與常規施氮的產量無明顯差異,甚至小幅增產1.4%,而減氮40%顯著降低了玉米的產量。從干物質積累的方差分析結果來看,玉米生長前期主要受到大蒜季施肥水平的影響,這可能是由于玉米前期生長較為緩慢,對氮素的吸收較少,此時可利用前茬殘留氮素供給玉米生長發育,從拔節期后快速生長,對氮素需求增強,符合營養生長階段玉米對養分的需求規律,此時追肥投入有利于促進植株的生長發育從而為產量的形成奠定基礎。

大蒜作為一種高附加值的經濟作物,其產量包括蒜薹和鱗莖兩部分。氮素是限制大蒜產量形成的主要因素之一[39],增施氮肥用量可以提高蔬菜的產量[40],有研究表明,高水平的氮肥有利于大蒜地上部分蒜薹的快速生長,適度的氮肥水平更有利于地下部分鱗莖的發育[41],而當施氮量超過300 kg·hm-2時,大蒜生長季后存在氮素過剩現象[8]。本試驗結果表明在施氮量300 kg·hm-2下,大蒜具有更高干物質積累效果和產量效益,同時發現,前茬殘留對大蒜效果較玉米不明顯,而大蒜季當季施肥量影響更加顯著,這可能是由于大蒜根系較淺,對前茬殘留氮素的吸收能力低于玉米。目前,已經初步明確了周年氮肥運籌對輪作系統作物光合能力和產量的影響,對輪作系統氮素吸收的生理機制還需要進一步 研究。

4 結 論

根據輪作系統作物生長和需氮特性,合理調整不同作物生長季的氮肥投入量是兼顧作物生產和減少資源浪費的科學措施。本研究表明,玉米季減氮玉米-大蒜輪作體系下大蒜季常規施氮、玉米季適量減氮20%的施肥模式可保持輪作周期內植株葉片的葉綠素含量和正常的光合能力,維持玉米吐絲后的干物質積累速率,保證作物干物質的累積和作物產量的形成。大蒜季減氮20%或玉米季減氮40%均不利于周年生產。綜上所述,在玉米-大蒜輪作系統中,適當減少玉米季氮肥20%是一種合理的氮肥運籌模式,這可為關中地區玉米-大蒜生產施肥技術提供合理的科學依據。