減量灌水及有機無機肥配施對西北灌區玉米光合生理、籽粒產量及品質的影響

吳霞玉 李 盼 韋金貴 范 虹 何 蔚 樊志龍 胡發龍 柴 強 殷 文

研究簡報

減量灌水及有機無機肥配施對西北灌區玉米光合生理、籽粒產量及品質的影響

吳霞玉 李 盼 韋金貴 范 虹 何 蔚 樊志龍 胡發龍 柴 強 殷 文*

甘肅農業大學農學院/ 省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室, 甘肅蘭州 730070

針對綠洲灌區玉米生產中普遍水肥投入大、利用效率低等問題, 通過研究不同灌水量和有機無機肥等氮配施對玉米光合生理、籽粒產量和品質的影響, 以期獲得最佳的灌水水平和有機無機肥等氮配施比例。2021—2022年, 在綠洲灌區采用兩因素裂區試驗設計, 主區為2個灌水水平(傳統灌水和減量20%灌水), 副區為5個有機無機肥等氮配施比例(全施無機氮肥、75%無機氮肥+25%有機肥、50%無機氮肥+50%有機肥、25%無機氮肥+75%有機肥和全施有機肥), 探究玉米光合生理、籽粒產量和品質對不同水氮管理模式的響應特征。結果表明, 與傳統灌水(I2)相比, 減量20%灌水(I1)降低了玉米葉面積指數(leaf area index, LAI)、光合勢(photosynthetic potential, LAD)、凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)和氣孔導度(s), 提高了胞間CO2濃度(i)、籽粒蛋白質含量和籽粒蘇氨酸含量; 有機無機肥配施對玉米光合生理指標、籽粒產量和品質都有顯著影響, 隨有機肥比例增加, 有機無機肥配施對玉米的影響會逐漸從正效應變為負效應; 與傳統灌水結合全施無機氮肥(I2F1)相比, 減量20%灌水結合75%無機氮肥+25%有機肥(I1F2)玉米平均葉面積指數(mean leaf area index, MLAI)提高了6.9%～7.1%, 總光合勢(total photosynthetic potential, TLAD)無顯著變化; 玉米吐絲期-蠟熟期LAI提高了5.0%～11.4%, 吐絲期-蠟熟期LAD提高了7.5%～9.1%。I1F2較I2F1提高了玉米抽雄期-蠟熟期葉綠素含量(chlorophyll content, SPAD)、n、r和s, 降低了i。2年內I1F2較I2F1玉米增產12.0%～12.5%, 籽粒中蛋白含量提高了6.9%～18.9%, 籽粒中苯丙氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸含量分別提高了29.6%～43.3%、77.7%～93.3%、49.7%～51.5%、18.4%～28.6%、39.5%～46.0%、57.4%～78.1%和35.1%～41.3%。其他處理對玉米光合生理、籽粒產量及品質指標也有一定影響, 但綜合2年結果, I1F2影響更顯著。因此, 減量20%灌水(3240 m3hm–2)結合75%無機化學氮肥(270 kg hm–2)配施25%有機肥(90 kg hm–2)是實現西北灌區玉米高產優質生產目標的適宜水氮管理模式。

減量灌水; 有機無機肥配施; 光合生理; 籽粒產量; 品質

玉米是我國重要的糧食和飼料作物, 近年來我國玉米種植面積和單產不斷增加[1]。干旱灌區是我國玉米重要產地, 但該地區水資源緊缺, 土地貧瘠, 水肥投入大, 降低了水肥資源利用效率[2]。引發了水資源浪費、土壤酸化、養分損失以及溫室氣體排放大等一系列的環境問題[3-5], 嚴重威脅農業可持續發展。因此, 如何在保證玉米高產優質的同時, 減少玉米生產管理中水資源浪費、化肥使用過量的問題, 確定適宜的水肥管理模式, 對干旱灌區玉米生產具有重要意義。玉米品質和產量的提升主要受遺傳因素、環境條件和栽培措施等共同影響。在玉米生長發育過程中, 施肥、灌水、種植密度、播種時期、收獲時期和植物生長調節劑等都會對其產量和品質產生影響。氮肥是玉米增產最主要的因素之一, 長期過量施用化學氮肥影響玉米地土壤理化性狀, 降低土壤pH, 導致土壤板結、養分不平衡, 進而影響玉米產量和品質[6-7]。有機肥中富含大量有機質, 能夠改善土壤結構和理化性質, 提高土壤肥力。除了必要的氮磷鉀元素外, 有機肥還富含各種微量元素, 對于作物生長發育、高產優質有良好的調節作用[8-9]。然而, 有機肥料養分含量低, 不易運輸和施用, 單一施用有機肥可能無法滿足作物生長需要[10]。大多研究表明, 20%～40%有機肥替代化學氮肥可顯著提高玉米產量和淀粉含量[11-13], 也有研究表明, 50%有機肥替代可顯著提高玉米籽粒產量、生物產量以及氮素利用效率[14-15]?？梢? 適宜比例的有機無機肥配施是實現化肥減量、改善作物品質、提高作物產量和氮肥利用效率的有效措施。另外, 減量灌溉作為干旱和半干旱地區農業可持續發展的重要戰略措施, 可以在減少灌溉用水的同時, 平衡作物營養生長與生殖生長之間的關系, 提高作物水分利用效率[16-17]。有研究發現, 干旱灌區水分虧缺不利于作物光合產物的形成, 而50%有機肥配施化肥較單施化肥可有效緩解水分虧缺對作物光合生產的影響, 提高作物產量[18], 也有研究表明, 30%堆肥代替無機肥可有效提高玉米產量[19]。在綠洲灌區, 以往研究主要關注于水氮減施、灌水和有機無機肥配施單一因素對玉米產量和品質、水肥利用效率和土壤微生物特性等方面的研究[20], 但有關減量灌水與有機無機肥配施共同作用下水氮互作對玉米光合生理、籽粒產量及品質等方面影響的研究尚不全面。本研究在綠洲灌區,探討了不同水肥管理模式對玉米光合生理、籽粒產量及品質的影響, 為綠洲灌區玉米高產優質栽培提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試區概況

本研究于2021—2022年在甘肅農業大學綠洲農業科研教學基地(37°30′N, 103°5′E)進行。試驗區位于河西走廊東端, 屬寒溫帶干旱氣候區, 海拔1506 m, 無霜期約155 d, 多年平均降雨量約156 mm、年蒸發量約2400 mm, 年平均氣溫7.2℃, 年均≥10℃的積溫約2985℃; 日照時數2945 h。土壤類型為灌漠土, 0～30 cm土層土壤pH為8.2、土壤容重1.57 g cm–3、有機質12.5 g kg–1、全氮0.68 g kg–1、銨態氮1.87 g kg–1、硝態氮12.51 mg kg–1、全磷(P2O5) 1.41 g kg–1、速效磷29.2 mg kg–1、速效鉀152 mg kg–1。2021年和2022年試驗區玉米生長季降水量及日平均溫度如圖1。該地區光照、熱量充裕, 但受水資源緊缺、土壤貧瘠的制約, 玉米多采用傳統的大水大肥管理, 效益低、浪費嚴重, 急需研發玉米增產穩產的適宜水氮管理模式。

1.2 試驗設計

本試驗采用兩因素裂區設計, 共設10個處理, 3次重復, 即30個小區, 小區面積31.5 m2(7.8 m×4.5 m)。主區為2個灌水水平, I1: 減量20%灌水(3240 m3hm–2)、I2: 傳統灌水(4050 m3hm–2), 副區為5個有機無機肥等氮配施比例, F1: 全施無機氮肥、F2: 75%無機氮肥+25%有機肥、F3: 50%無機氮肥+50%有機肥、F4: 25%無機氮肥+75%有機肥、F5: 全施有機肥。

供試玉米品種選用“先玉335”, 施用有機肥為商品有機肥(富含氨基酸、腐植酸、中微量元素, 有機質≥45%, N+P2O5+K2O≥14%); 種植密度: 8.25萬株 hm–2, 穴播, 行距40 cm; 采用無色透明地膜覆蓋。所有處理有機肥、磷肥全作基肥施入, 化學氮肥按基肥和追肥4∶6施入, 各試驗處理具體灌水量及施肥量如表1。在前一年入冬前統一灌冬水1200 m3hm–2, 傳統灌水在玉米拔節期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿前期、灌漿中期分別灌水900、750、900、750和750 m3hm–2; 減量20%灌水在以上玉米相應生育時期分別灌水720、600、720、600和600 m3hm–2。

圖1 2021年和2022年試驗區玉米生長季降水量及日平均溫度

表1 各試驗處理灌水量及施肥量

I1F1、I1F2、I1F3、I1F4、I1F5、I2F1、I2F2、I2F3、I2F4和I2F5分別表示減量20%灌水結合全施無機氮肥、減量20%灌水結合75%無機氮肥+25%有機肥、減量20%灌水結合50%無機氮肥+50%有機肥、減量20%灌水結合25%無機氮肥+75%有機肥、減量20%灌水結合全施有機肥、傳統灌水結合全施無機氮肥、傳統灌水結合75%無機氮肥+25%有機肥、傳統灌水結合50%無機氮肥+50%有機肥、傳統灌水結合25%無機氮肥+75%有機肥和傳統灌水結合全施有機肥。

I1F1, I1F2, I1F3, I1F4, I1F5, I2F1, I2F2, I2F3, I2F4, and I2F5 denote reduced 20% irrigation combined with all inorganic N fertilizer, reduced 20% irrigation combined with 75% inorganic N + 25% organic fertilizer, reduced 20% irrigation combined with 50% inorganic N + 50% organic fertilizer, reduced 20% irrigation combined with 25% inorganic N + 75% organic fertilizer, reduced 20% irrigation combined with all organic fertilizer, conventional irrigation combined with all inorganic N fertilizer, conventional irrigation combined with 75% inorganic N + 25% organic fertilizer, conventional irrigation combined with 50% inorganic N + 50% organic fertilizer, conventional irrigation combined with 25% inorganic N + 75% organic fertilizer, and conventional irrigation combined with all organic fertilizer, respectively.

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉面積指數(LAI) 用長寬法測定, 在玉米拔節期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、灌漿期和蠟熟期各測定一次, 葉面積指數公式如下[21]:

式中, 0.75為校正系數,為玉米種植密度,和分別為葉片的長和寬,為葉片個數。

1.3.2 光合勢(LAD)[21]:

式中, 為第個生育階段的平均LAI,D為第個生育階段所持續天數。

1.3.3 光合生理指標 利用便攜式葉綠素儀(SPAD-502型)測定葉片SPAD值, 測定時期及部位與葉片光合參數指標同步, 每次測定3株玉米, 最后求平均值。采用Li-6800型便攜式光合系統測定儀(美國Li-Cor公司), 在玉米大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、灌漿期和蠟熟期, 選擇晴朗天氣, 于上午09:00—11:30在各小區內隨機選取3株玉米, 測定穗位葉中部的凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)、胞間CO2濃度(i)和氣孔導度(s), 結果取平均值。

1.3.4 籽粒品質 玉米籽粒淀粉、蛋白質、脂肪和灰分含量均采用FOSS近紅外品質分析儀NIRSDS2500進行的測定, 玉米籽粒氨基酸含量采用高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜儀(HPLC-ICP-MS)測定。

1.3.5 產量 玉米成熟后按小區單獨收獲計產, 測定單位面積穗數(除去取樣植株所占面積), 計算產量時籽粒含水量為13%。

1.4 數據統計

數據采用Microsoft Excel 2019整理及匯總, 運用SPSS 20.0軟件進行方差分析、顯著性檢驗(Duncan’s法,<0.05)、相關分析以及主成分分析, 以及使用Origin 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 減量灌水及有機無機肥配施對玉米全生育期葉面積指數的影響

2.1.1 全生育期平均葉面積指數差異 年份和灌水水平對玉米全生育期平均葉面積指數(MLAI)無顯著影響, 有機無機肥等氮配施比例對其影響顯著, 三者交互作用對其影響不顯著(圖2)。2021—2022年, 與F1相比, F2玉米MLAI提高了4.9%～5.1%, F4和F5的MLAI分別降低了為4.0%～4.3%和7.6%～8.3%。與傳統灌水結合全施無機氮肥(I2F1)相比, 減量20%灌水結合75%無機氮肥+25%有機肥(I1F2)玉米MLAI提高了6.9%～7.1%, 減量20%灌水結合全施有機肥(I1F5)和傳統灌水結合全施有機肥(I2F5)降低了玉米MLAI, 分別為6.2%～6.9%和7.5%～7.7%, 其他處理較I1F2無顯著差異。說明減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮有助于提高玉米MLAI, 可以使玉米更好地進行光合作用, 利于生產較多的光合產物。

2.1.2葉面積指數動態 年份及其與灌水水平和有機無機肥等氮配施比例的互作對玉米生育期內葉面積指數(LAI)無顯著影響, 灌水水平和有機無機肥等氮配施比例以及二者的交互作用對玉米生育期內LAI影響顯著, 各處理LAI在2年內均呈現先增大后減小的趨勢, 灌漿期LAI達到峰值(圖3)。2021—2022年, 與I2相比, I1小喇叭口期和大喇叭口期LAI分別降低了15.9%～17.0%和2.3%～4.5%, 說明減量20%灌水對玉米LAI存在負效應。與F1相比, F2抽雄期—蠟熟期LAI提高了5.0%～20.1%, 小喇叭口期LAI降低了10.4%～15.6%; F3灌漿期-蠟熟期LAI提高了5.8%～20.1%, 小喇叭口期—大喇叭口期LAI降低了8.7%～19.4%; F4拔節期—抽雄期LAI降低了7.4%～27.4%; F5拔節期—抽雄期LAI降低了9.9%～36.9%, 說明25%有機肥代替無機氮肥對玉米生殖生長期LAI存在正效應, 且隨施用有機肥比例的增加, 玉米LAI的正效應會逐漸變為負效應。與I2F1相比, I1F2、I1F3和I2F2較I2F1玉米吐絲期—蠟熟期LAI提高了5.0%～11.4%、4.3%～13.1%和3.3%～12.7%, I2F3玉米灌漿期—蠟熟期LAI提高了4.1%～7.2%。說明適宜的有機無機肥配施可有效補償減量灌水造成LAI負效應, 且減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮較傳統灌水結合傳統施肥可有效調控玉米生育期內葉面積指數變化, 使玉米在吐絲期—蠟熟期仍保持較大的葉面積指數, 促進籽粒灌漿, 利于增產。

圖2 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例下玉米全生育期平均葉面積指數

I1、I2、F1、F2、F3、F4和F5分別表示減量20%灌水、傳統灌水、全施無機氮肥、75%無機氮肥+25%有機肥、50%無機氮肥+50%有機肥、25%無機氮肥+75%有機肥和全施有機肥。不同字母表示處理間差異在0.05概率水平差異顯著(<0.05)。

I1, I2, F1, F2, F3, F4, and F5 denote reduced 20% irrigation, conventional irrigation, all inorganic N fertilizer, 75% inorganic N + 25% organic fertilizer, 50% inorganic N + 50% organic fertilizer, 25% inorganic N + 75% organic fertilizer, and all organic fertilizer, respectively.Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level.

圖3 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例下玉米全生育期葉面積指數動態

處理同圖2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.2 玉米光合勢對不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例的響應

2.2.1 全生育期總光合勢 年份、灌水水平、年份與灌水水平和有機無機肥等氮配施比例的互作對其無顯著影響, 有機無機肥等氮配施比例對玉米全生育期總光合勢(TLAD)影響顯著(表2)。2021—2022年, 與F1相比, F2玉米TLAD提高了4.4%～4.5%, F4和F5玉米TLAD降低了4.3%～4.4%和8.1%～8.5%。與I2F1相比, I2F2玉米TLAD提高了4.6%～5.2%, I1F4、I1F5和I2F5玉米TLAD均有顯著降低, 其他處理差異不顯著。

2.2.2 不同生育階段光合勢差異 年份對玉米大喇叭口期至吐絲期光合勢(LAD)影響顯著, 灌水水平對玉米拔節期至抽雄期和吐絲期至灌漿期LAD影響顯著, 有機無機肥等氮配施比例對玉米全生育期LAD影響顯著, 灌水水平和有機無機肥等氮配施比例的交互作用對玉米拔節期—灌漿期LAD有顯著影響, 年份與灌溉水平和有機無機肥等氮配施比例的交互作用對玉米全生育期LAD影響不顯著(表2)。2年內, I1較I2玉米拔節期—大喇叭口期LAD降低了6.3%～12.0%, 說明減量20%灌水對玉米生育期內光合勢存在負效應。與F1相比, F2玉米拔節期—小喇叭口期LAD降低了7.8%～13.3%, 抽雄期—蠟熟期LAD提高了5.2%～8.5%; F3玉米拔節期—大喇叭口期LAD降低了11.2%～18.1%; F4玉米拔節期—抽雄期LAD降低了9.5%～24.7%; F5玉米拔節期—蠟熟期LAD降低了7.0%～ 33.7%, 說明25%有機氮代替無機氮對玉米生育后期光合勢存在正效應, 且隨有機肥比例的增加, 玉米LAD會有不同程度地降低。與I2F1相比, 25%有機氮代替無機氮可有效補償減量灌水造成玉米生育后期LAD負效應。I1F2、I1F3、I2F2和I2F3較I2F1提高了玉米吐絲期—蠟熟期LAD, 分別為7.5%～9.1%、4.0%～5.7%、7.5%～ 8.3%和3.7%～5.1%, 其他處理對玉米LAD均有顯著降低,說明有機無機肥替代可有效調控玉米全生育期光合勢, 使玉米在生育后期仍保持較大的光合源, 有利于玉米增產, 其中減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮調控效果最佳。

表2 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米全生育期光合勢的影響

處理同圖2。不同字母表示處理間差異在0.05概率水平差異顯著(< 0.05)。**與*分別表示在0.01和0.05概率水平差異顯著, NS表示不顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS: not significant difference.

2.3 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米光合生理指標的影響

2.3.1 葉綠素含量(SPAD) 年份和灌水水平對玉米葉綠素含量(SPAD)無顯著影響, 有機無機肥等氮配施比例對玉米SPAD影響顯著, 灌水水平和有機無機肥等氮配施比例的交互作用對玉米大喇叭口期和乳熟期SPAD影響顯著, 年份與灌溉水平和有機無機肥等氮配施比例的交互作用對玉米全生育期SPAD影響不顯著(圖4)。2021— 2022年, 與F1相比, F2玉米抽雄期—灌漿期SPAD提高了5.2%～9.9%; F3玉米大喇叭口期—灌漿期SPAD提高了4.9%～13.3%。與I2F1相比, I1F2玉米抽雄期-蠟熟期SPAD提高了4.9%～10.1%, I1F3、I1F4、I2F2和I2F3對玉米生育期內SPAD均有一定的提升, 但提升效果無I1F2顯著, 說明減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮可保持玉米生育后期較高的葉綠素含量, 延長綠色葉片持續時間, 有助于維持玉米生育后期較高的光合性能。

圖4 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米主要生育時期SPAD影響

處理同圖2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.3.2 光合生理特性 年份、灌水水平和有機無機肥等氮配施比例對玉米凈光合速率(n)、蒸騰速率(r)、胞間CO2濃度(i)及氣孔導度(s)均有顯著影響, 三者交互作用對玉米大喇叭口期、抽雄期和灌漿期n影響顯著, 對玉米大喇叭口期、吐絲期和蠟熟期i影響顯著, 對玉米蠟熟期s影響顯著, 但對5個測定生育時期玉米r無顯著影響(圖5)。2021—2022年, 與I2相比, I1玉米灌漿期n提高了5.7%～7.8%, 其他生育時期均有下降; I1玉米抽雄期r差異不顯著, 其他生育時期均有下降; I1玉米蠟熟期s提高了5.1%～8.6%, 其他生育時期均有下降, 說明減量20%灌水對玉米n、r與s存在負效應。與F1相比, F2提高了玉米大喇叭口期—蠟熟期n達到12.3%～54.3%; F3玉米大喇叭口期—灌漿期n提高了9.5%～39.3%; F4和F5玉米蠟熟期n分別提高了4.6%～25.0%和8.1%～16.4%; F2提高了玉米大喇叭口期—蠟熟期r為8.7%～20.8%, F3玉米大喇叭口期—蠟熟期Tr提高了4.9%～11.20%; F2降低了玉米大喇叭口期—蠟熟期i為9.0%～31.0%, F3玉米大喇叭口期和蠟熟期i分別降低了7.3%～24.5%和5.2%～ 14.6%; F2提高了玉米大喇叭口期—蠟熟期s為14.6%～ 38.2%, F3玉米大喇叭口期、抽雄期和蠟熟期s分別提高了8.5%～8.7%、8.9%～15.0%和8.5%～14.0%; F4抽雄期—灌漿期s提高了4.7%～13.7%。綜合灌水與有機無機肥等氮配施比例, I1F2和I2F2較I2F1玉米大喇叭口期—蠟熟期n提高了10.3%～71.4%和5.8%～60.7%,r提高了9.2%～20.4%和8.0%～24.9%,s提高了16.5%～50.5%和15.3%～37.5%, 但i降低了6.4%～28.1%和11.9%～24.6%, 其他處理在整個生育期內影響并不顯著?？梢?5%有機氮代替無機氮可有效補償減量灌水造成玉米n、r、s的下降, 反而提高玉米大喇叭口期—蠟熟期n、r、s, 增強了玉米光合性能。

2.4 玉米產量對不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例的響應

年份、有機無機肥等氮配施比例及其與灌水水平二者交互作用對籽粒產量影響顯著, 灌水水平、年份與灌水水平和有機無機肥等氮配施比例的互作對其無顯著影響(圖6)。2021—2022年, F2和F3較F1玉米分別增產10.0%～15.3%和7.7%～11.1%, F4和F5與F1差異不顯著。與I2F1相比, I1F2、I1F3、I2F2和I2F3玉米分別增產12.0%～12.5%、7.3%～9.2%、9.8%～10.3%和6.7%～8.7%, 說明25%和50%有機氮代替無機氮均可增加玉米籽粒產量, 其中減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮增產效果更優。

2.5 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米籽粒品質的影響

2.5.1 灰分、蛋白、脂肪及淀粉含量差異 年份對玉米籽粒蛋白、脂肪和淀粉含量影響顯著, 灌水水平對玉米籽粒蛋白含量影響顯著, 有機無機肥等氮配施比例對玉米籽粒脂肪含量影響顯著, 三者交互作用對玉米籽粒脂肪和淀粉含量影響顯著(表3)。2022年, 與I2灌水水平相比, I1灌水水平玉米籽粒蛋白含量提高了5.1%。與F1相比, 2021年F2和F3提高了玉米籽粒脂肪含量為7.6%和6.0%; 2022年F2、F3、F4和F5提高了玉米籽粒蛋白含量分別為10.7%、6.8%、10.7%和11.9%。與I2F1相比, 2021年I1F1和I1F2提高了玉米蛋白含量, 分別為8.2%和6.9%,各處理均可提升玉米脂肪含量, 且各處理提升效果無顯著差異; 2022年, 各處理均可提升提高玉米籽粒蛋白含量,且I1F2和I1F3處理提升效果最好, 均為18.9%。綜合2年結果, 減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮可提高玉米籽粒蛋白和脂肪含量, 有助于改善籽粒品質。

圖5 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米主要生育時期光合特性的影響

處理同圖2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

圖6 玉米產量對不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例的響應

處理同圖2。不同字母表示處理間差異在0.05概率水平差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level.

2.5.2 氨基酸含量差異 年份、灌水水平、有機無機肥等氮配施比例以及三者交互作用對玉米籽粒中部分必需氨基酸含量影響顯著(表4)。2021年, I1較I2玉米籽粒苯丙氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸含量分別提高了4.7%、4.4%、7.7%和4.7%; 2022年, I1較I2玉米籽粒蘇氨酸含量提高6.4%, 但苯丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸含量無顯著差異。與F1相比, F2除甲硫氨酸含量無顯著變化外, 其他氨基酸含量均有顯著提升; F3必需氨基酸含量均有顯著提升; F4除甲硫氨酸含量降低了12.7%～18.5%, 其他氨基酸含量均有顯著提升; F5除亮氨酸含量無顯著差異外, 其他氨基酸含量均有提升。同時與I2F1相比, I1F2提高了玉米籽粒中苯丙氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸含量, 分別為29.6%～ 43.3%、77.7%～93.3%、49.7%～51.5%、18.4%～28.6%、39.5%～46.0%、57.4%～78.1%和35.1%～41.3%, 其他處理對玉米必需氨基酸含量也有一定的影響, 但差異較I1F2并不顯著?？梢? 減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮可有效提高玉米籽粒中必需氨基酸含量, 顯著改善了玉米籽粒品質。

表3 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米籽粒灰分、蛋白、脂肪及淀粉含量的影響

處理同圖2。不同字母表示處理間差異在0.05概率水平差異顯著(< 0.05)。**與*分別表示在0.01和0.05概率水平差異顯著, NS表示不顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS: not significant difference.

表4 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米籽粒必需氨基酸含量的影響

(續表4)

處理同圖2。不同字母表示處理間差異在0.05概率水平差異顯著(< 0.05)。**與*分別表示在0.01和0.05概率水平差異顯著, NS表示不顯著。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS: not significant difference.

2.6 不同處理下玉米籽粒產量和品質與光合生理的相關分析及主成分分析

2.6.1 相關性分析 通過對玉米光合生理、籽粒產量和品質指標進行相關分析(圖7)。表明, GY與MLAI、SPAD、n、r和s呈顯著正相關(<0.05), 與i呈顯著負相關(<0.05), 說明灌水水平和有機無機肥等氮配施比例主要通過改變玉米光合性能指標, 影響光合產物向籽粒的運轉分配, 最終影響籽粒產量。此外, GY與Phe、Thr、Leu和Ile含量均呈顯著正相關(<0.05), 說明灌水水平和有機無機肥等氮配施比例在影響籽粒產量的同時, 也可以改變籽粒品質。因此, 減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮可通過優化玉米光合特性, 促進光合產物向籽粒的運轉分配, 增加籽粒產量并改善其籽粒品質。

2.6.2 主成分分析 對玉米光合生理、籽粒產量和品質指標進行主成分分析(圖8)。表明, 主成分1和主成分2累積貢獻率達80.6%, 具有顯著代表性。主成分1代表GY、n、Thr、Leu、Phe、SPAD、i、s、Ile、r、TLAD和MLAI; 主成分2代表ST、EE和CP。其中, 直接影響籽粒產量的主要參數為n、r、s、i、TLAD、MLAI和SPAD, 而Phe、Leu、Ile、Thr、EE、CP和ST的變化也一定程度能夠表征籽粒產量的高低。

圖7 不同處理下玉米光合生理、籽粒產量和籽粒品質的相關分析

MLAI、TLAD、SPAD、n、r、s、i、GY、CP、EE、ST、Phe、Thr和Leu分別表示平均葉面積指數、總光合勢、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、籽粒產量、蛋白質、脂肪、淀粉、苯丙氨酸、蘇氨酸和亮氨酸。**與*分別表示在0.01和0.05概率水平差異顯著。

MLAI, TLAD, SPAD,n,r,s,i, GY, CP, EE, ST, Phe, Thr, and Leu denote mean leaf area index, total photosynthetic potential, chlorophyll content, net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance, intercellular CO2concentration, grain yield, protein, fat, starch,phenylalanine, threonine, and leucine, respectively. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

3 討論

3.1 不同灌水量及有機無機肥等氮配施比例對玉米光合源變化及光合生理指標的影響

葉面積指數和光合勢是反映作物冠層結構性能的關鍵指標[21]。有研究認為, 作物光合源的衡量指標包括LAI的大小和功能葉片的持續時間(LAD)[22]。作物前期擴源, 后期保持龐大的綠色葉面積是高產的基礎[23]。前人[24]研究表明, 減量20%灌水不會對玉米平均葉面積指數和總光合勢產生顯著影響, 這與本研究結果一致, 說明適當水分虧缺不會對玉米全生育期光合源產生顯著影響。25%有機氮代替無機氮(F2)可顯著提高玉米MLAI和TLAD, 而75%和100%有機氮替代比例(F4和F5)反而會降低玉米MLAI和TLAD, 這是因為合理的有機無機肥配施可以改善土壤環境, 提高養分的吸收利用[25], 進而延緩玉米生育后期葉片衰老, 提高玉米MLAI和TLAD。而過多的有機肥會延緩土壤中有效養分的作用, 抑制玉米根系生長, 使玉米葉片提早衰老, 最終降低玉米MLAI和TLAD[8]。此外, 本研究發現, 減量20%灌水結合25%有機氮代替無機氮可以顯著提高玉米生育后期LAI和LAD。其原因在于25%有機氮代替無機氮中無機氮肥肥效較快, 能保證玉米生育前期的養分供應, 且在有機肥調節下, 養分供應快而不過剩; 有機氮肥肥效相對緩慢, 能保證生育后期的養分供應, 與玉米需求的同步性更好, 更有利于作物對養分的吸收利用, 有機無機肥等氮配施既避免了化肥養分供應損失較多的缺點, 又避免了單施有機肥造成的前期養分不足問題[26-27], 有助于玉米生長前期光合產物的積累, 使玉米生育后期保持較大的綠色葉面積, 延長功能葉片的持續時間, 利于提高玉米籽粒產量。

圖8 不同處理下玉米籽粒產量和品質及光合生理指標的主成分分析

縮寫同圖7。Treatments are the same as those given in Fig. 7.

光合作用是作物產量形成的基礎, 作物高產的首要條件是最大限度的利用光能, 提高光合效率。本研究發現, 減量20%灌水會對玉米光合性能產生負效應, 主要是因為水分虧缺降低了葉片氣孔導度, 使葉綠體中CO2供應受阻, 葉肉細胞光合活性下降[28]。有研究表明, 合理的有機無機肥配施能顯著增加玉米的凈光合速率和氣孔導度[29],增施有機肥可增強植物的光合性能[30], 這與本研究結果一致。與全施無機氮肥處理相比, 25%和50%有機氮代替無機氮均可顯著提高全生育期內玉米SPAD、n、s和r, 降低玉米i, 增強玉米葉片光合作用。其原因在于, 第一, 養分是限制玉米光合作用的關鍵因子, 適宜的有機無機肥配施可有效增加土壤微生物含量, 提高土壤肥力, 使玉米光合作用顯著增強[31]; 第二, 有機肥肥效較慢, 雖會降低玉米早期葉綠素含量, 但對全生育期的發展動態來說, 有機肥有助于協調葉綠素和光合作用在玉米產量形成中的關系[32-33]。此外, 本研究發現, 25%有機氮代替無機氮可有效補償減量20%灌水對玉米光合性能的負效應, 其原因可能是, 25%有機氮替代無機氮可顯著玉米葉肉細胞光合性能以及葉片葉綠素含量, 進而提高葉片光合性能[34]。

3.2 不同灌水量及施肥制度對玉米籽粒產量和品質的影響

水肥作為影響玉米產量的兩大關鍵因素, 合理的水肥措施有助于提高作物產量和品質。有研究表明, 有機肥與化肥長期配合施用可以改善土壤理化性狀, 改善光合能力, 提高肥料利用效率, 顯著增加農作物產量, 改善作物品質[26]。本研究發現, 減量20%灌水會對玉米籽粒品質產生負效應, 主要是因為, 減量20%灌水會使玉米葉片與根系正常生理活動受到影響, 減緩植株生長發育速度, 最終影響玉米籽粒產量的形成[35]。與全施無機氮肥相比, 25%和50%有機氮替代無機氮可顯著提高玉米籽粒產量。其原因是, 第一, 25%和50%有機氮替代無機氮, 可有效增加土壤中有機質含量, 大量有機質可減少氮肥的固定, 使氮肥隨水的質流運動效率更高, 更容易被吸收, 提高了養分利用率[8,36]; 第二, 25%和50%有機氮替代無機氮, 可以提高土壤肥力, 改善土壤理化及微生物特性, 促進作物對養分的吸收利用, 進而增加籽粒產量; 第三, 25%和50%有機氮替代無機氮, 能夠延長玉米綠色葉片的持續時間, 延緩玉米葉片的衰老和脫落, 使玉米在生育后期還能保持較大的光合面積, 利于后期光合產物向籽粒的運轉分配, 最終提高玉米籽粒產量[37]。同時, 本研究發現, 玉米葉面積指數和光合勢與籽粒產量和品質指標呈現顯著的正相關關系, 說明在合理減少灌溉的基礎上, 適當比例的有機無機肥等氮配施有利于保持適宜大小的玉米葉面積指數和光合勢, 進而提升玉米產量, 改善籽粒品質。

與全施無機氮肥相比, 25%和50%有機氮代替無機氮還可提高玉米籽粒脂肪、蛋白和必需氨基酸含量。其原因在于, 第一, 25%和50%有機氮代替無機氮有利于植株進行正常的生理代謝, 能不同程度地提升玉米籽粒品質[38]; 第二, 25%和50%有機氮代替無機氮可提升作物葉綠素相對含量, 增強作物各生育期的光合功能, 進而改善玉米籽粒品質; 第三, 25%和50%有機氮代替無機氮可有效改善土壤質量, 增加土壤養分有效性, 維持養分平衡, 改善作物生長的土壤環境, 促進其產品器官營養物質的積累, 促進作物對N、P、K的吸收, 進而改善籽粒品質[39]。同時, 本研究還發現, 25%有機氮替代無機氮可有效補償減量20%灌水對玉米籽粒產量和品質提升產生的負作用, 其原因可能是, 多年有機肥施用會直接向土壤輸入有機碳源, 提高微團聚體和大團聚體賦存有機碳和全氮的能力, 增加土壤有機碳和全氮含量, 利于植物吸收利用[40]; 還可增加土壤透氣性, 改良土壤真菌、細菌種群結構, 進而增加籽粒產量并改善其籽粒品質[34]。值得注意的是, 2年內有機無機肥配施對于玉米品質的影響并不穩定。因此, 需要進一步探究有機無機肥配施對土壤肥力、養分供應、作物產量和品質的影響及其調控機制。

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Effect of reduced irrigation and combined application of organic and chemical fertilizers on photosynthetic physiology, grain yield and quality of maize in northwestern irrigation areas

WU Xia-Yu, LI Pan, WEI Jin-Gui, FAN Hong, HE Wei, FAN Zhi-Long, HU Fa-Long, CHAI Qiang, and YIN Wen*

College of Agronomy, Gansu Agricultural University / State Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070, Gansu, China

Aiming at the problems of high water and fertilizer inputs and low utilization efficiency for maize production in the Oasis irrigation areas, the effects of different irrigation levels and equal nitrogen application ratios of organic-inorganic fertilizer on photosynthesis physiology, grain yield and quality of maize were investigated to obtain the optimal irrigation levels and nitrogen (N) application ratios of organic-inorganic fertilizer. A filed experiment was conducted with the two-factor split-plot, two irrigation levels (conventional irrigation and 20% reduced irrigation) were used in the main plot and five organic and inorganic nitrogen fertilizer ratios (all inorganic N fertilizer, 75% inorganic N fertilizer and 25% organic fertilizer, 50% inorganic N fertilizer and 50% organic fertilizer, 25% inorganic N fertilizer and 75% organic fertilizer, and all organic fertilizer) were used in the split-plot in order to investigate the response of maize photosynthetic physiology, grain yield, and quality to different water and nitrogen fertilizer management patterns. Compared with the conventional irrigation (I2), 20% reduction irrigation (I1) reduced maize leaf area index (LAI), photosynthetic potential (LAD), net photosynthetic rate (n), transpiration rate (r), and stomatal conductance (s), and increased intercellular CO2concentration (i), grain protein content, and grain threonine content; organic and inorganic fertilizers have a significant effect on maize photosynthetic physiological indicators, grain yield and quality, with the increase in the proportion of organic fertilizers, the effect of organic and inorganic fertilizers on maize will gradually change from a positive effect to a negative effect; compared with traditional irrigation combined with the full application of inorganic nitrogen fertilizer (I2F1), 20% reduction of irrigation combined with 75% inorganic nitrogen fertilizer and 25% organic fertilizer (I1F2) increased the maize mean leaf area index (MLAI) by 6.9%–7.1%, and there was no significant change in total photosynthetic potential (TLAD), and the LAI of I1F2 was increased by 5.0%–11.4% from silking to doughing in maize, and LAD was increased by 7.5%–9.1% from silking to doughing. I1F2 increased chlorophyll content (SPAD),n,r, ands, and decreasediin maize from tasseling to doughing compared with I2F1. Compared with I2F1, I1F2 increased grain yield by 12.0%–12.5% in maize, increased grain protein content by 6.9%–18.9%, and Phe, Lys, Thr, Trp, Leu, Ile, and Val contents of grain in maize were increased by 29.6%–43.3%, 77.7%–93.3%, 49.7%–51.5%, 18.4%–28.6%, 39.5%–46.0%, 57.4%–78.1%, and 35.1%–41.3%, respectively. Other treatments also had some effects on maize photosynthetic physiology, seed yield and quality indexes, but the combined two-year results showed that the effects of I1F2 were more significant. Therefore, the 20% reduction in irrigation (3240 m3hm–2) combined with 75% inorganic chemical N fertilizer (270 kg hm–2) and 25% organic fertilizer (90 kg hm–2) treatment was an appropriate water and N management model to achieve high yield and quality of maize production in the northwestern irrigation areas.

reduced irrigation; organic and inorganic fertilizer application; photosynthetic physiology; grain yield; quality

10.3724/SP.J.1006.2024.33041

本研究由國家重點研發計劃項目(2023YFD1900405), 國家自然科學基金項目(32101857, U21A20218)和甘肅農業大學伏羲青年人才項目(Gaufx-03Y10)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Pragram of China (2023YFD1900405), the National Natural Science Foundation of China (32101857, U21A20218), and the Fuxi Young Talents Fund of Gansu Agricultural University (Gaufx-03Y10).

殷文, E-mail: yinwen@gsau.edu.cn.

E-mail: wuxiayu2023@163.com

2023-06-27;

2023-10-23;

2023-11-17.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20231117.0927.002

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