膜下滴灌水氮耦合对玉米光合特性的影响

戚迎龙，史海滨，李瑞平，赵靖丹，冯亚阳

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，呼和浩特 010031)

0 引 言

灌水和施氮在错综复杂的农业系统中是两个主要的人为调节控制因子，是在自然气候、降雨、土壤基本特性等多种因素作用外的可控变量，并随着灌溉施肥技术的发展，施用过程已经能实现时间、空间、用量三方面的人为调控，在这样的背景下，探讨水氮关系及对作物的影响具有指导生产实践的重要意义。作物的积累的干物质直接来源于光合作用，是植物将光能转换为可用于生命过程的化学能并进行有机物合成的生物过程，直接影响作物产量[1,2]。光合作用表征了植物间生产力的主要差异，其强弱受到不同水氮条件和环境因素的综合影响[3]。李潮海等[4]研究表明施肥可改善叶肉细胞的光合能力，延长高光合作用持续期。王帅，韩晓日等[5,6]认为施肥量的缺乏或过量都会使净光合速率、叶绿素含量降低，适宜的肥料施用量可提高光合作用与增加产量。

中国东北玉米带是世界三大“黄金玉米带”之一，包含有内蒙古东部、松辽平原西侧。而该区域的膜下滴灌种植玉米仍处在技术层面的推广阶段，农户施行膜下滴灌的配套设备材料经费由国家补贴，相对传统地面灌溉，农户只是意识到了每次灌水的方便省事儿、获得产量较高，基本还是沿用传统灌溉的灌水定额与施肥量来获得预期产量，对节水节肥并无概念，并且以松辽平原向内蒙古高原的过渡地带为气候、地域背景，分析膜下滴灌水氮一体化施用条件下其不同组合用量对玉米光合特性的影响效应，来探讨较优水氮耦合量的研究未见报道，故本研究尝试以玉米为种植作物，依托滴灌为灌水、追肥的技术措施，进行大田试验，初步为膜下滴灌水肥耦合效应的研究及当地滴灌随水一体化施肥技术的推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 地区概况

试验田选在科尔沁左翼中旗，东经121°08′～123°32′，北纬43°32′～44°32′。地处通辽市东端，大兴安岭东南边缘，西辽河北岸，是松辽平原向内蒙古高原的过渡地带，气候、水文特征既有两大地形区域的共性，又有自身的特点。当地属北温带大陆性季风气候，多年平均气温5.2～5.9 ℃、最高气温40.9 ℃、最低气温-33.9 ℃、日照2 884.8～2 802.1 h。日均气温5 ℃以上持续时期188 d，大于10 ℃的积温3 042.8～3 152.4 ℃。最大冻土深180 cm，无霜期150～160 d。多年平均年降水量342.0 mm，蒸发量2 027 mm，按降雨量划分属半干旱区。2014试验年播种至收获全生育期降雨量227.4 mm，是偏干旱的平水年。

1.1.2 供试土壤

供试土壤为栗钙土，按照美国制土壤质地分类法分别为0～20、20～40 cm砂质黏壤土， 40～60 cm砂质黏土，60～80、80～100 cm壤质砂土。1 m土层土壤基本理化性质：密度1.54 g/cm3，田间持水率23.08%，电导率(EC)值119.74 μS/cm、pH值8.95，有机质14.56 g/kg、全氮0.81 g/kg、全磷0.772 g/kg、全钾31.48 g/kg、碱解氮47.8 mg/kg、有效磷1.82 mg/kg、速效钾98.8 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

供试玉米品种采用京科968，出苗至成熟128 d。种植方式为35 cm小行距偏心播种，宽行85 cm，形成的种植单元为一条滴灌带灌溉两行玉米，所占延米宽为1.2 m，试验处理均为3个种植单元。灌水工程为覆膜滴灌，φ16 mm滴灌带铺设在地膜下，灌水量采用旋翼式数字水表记录。基肥氮使用一体化农机施入，追氮肥方式为先在施肥罐中充分溶解尿素，然后通过水压差随灌水直接滴施与膜下根区。试验设置灌水量和施氮肥量两个因素，每个因素设置3个施用水平，其中灌水量水平按土壤含水率占田间持水率百分比的上下限不同设低水：拔节前60%～80%、拔节后55%～80%，中水：拔节前65%～85%、拔节后60%～85%，高水：拔节前75%～95%、拔节后70%～95%。3个水平的施氮量：低氮192 kg/hm2、中氮240 kg/hm2、高氮288 kg/hm2。此外设置一个不灌水、不施肥的处理作对照。二因素三水平共计9个处理，连同空白对照都作3次重复，总计30个小区，每个小区面积为132 m2，为减少滴灌水压差的影响，监测取样在滴灌带中部(3.6×3 m2)内，具体灌水量和施氮量(纯氮量采用尿素用量×46%)处理见表1。

表1 膜下滴灌玉米水氮组合处理试验方案

1.2.2 样品采集与测定分析

采用LI-6400型光合仪，在吐丝期结束与灌浆期开始的生育期过渡时段，于8月1日、8月2日、8月3日3 d监测10∶00-11∶00的不同水氮组合处理玉米穗位叶净光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、蒸腾速率Tr[mmol/(m2·s)]、气孔导度GS[mol/(m2·s)]、胞间CO2浓度Ci(μmol/mol)，为防止临近处理水肥侧渗，每个试验处理设3条滴灌带为3个种植单元，两边为保护行，监测和取样均采用中单元。实测数据统计学指标计算、差异显著性检验以及文中插图绘制采用SigmaPlot12.0与Excel2007软件。

2 结果与分析

2.1 水氮对光合速率及蒸腾速率的影响

通过柱状图对比不同水氮组合处理净光合速率和蒸腾速率(图1，图2)，所有水氮处理均远高于不灌水不施氮的空白对照，且总体变化趋势均表现为随着水氮施用量的增加而增大，但增大程度随着二因素施用量的增加而减少，表现出报酬递减，但不同因子水平对其光合速率和蒸腾速率的影响不一致，不同因子水平下，水或氮的施用对光合作用影响的敏感程度不同，存在水氮耦合效应。通过Duncan’s多重比较，水氮处理光合速率的显著逆次序可分组为(W3N2、W3N3)>(W2N3、W2N2)>W3N1>W2N1>(W1N2、W1N3)>W1N1。蒸腾速率分组为(W3N3、W3N2、W2N3)>(W2N2、W3N1)>W2N1>(W1N2、W1N3、W1N1)。在W1水平下，光合速率W1N3、W1N2比W1N1高7.1%、7.0%，但W1N3、W1N2差异不显著；蒸腾速率W1N3、W1N2比W1N1高6.0%、5.1%，但三个施氮水平差异不显著，说明灌溉水平太低的情况下配施氮不能有效提升光合速率与蒸腾速率，增施一定量的氮肥有微弱的正效应，继续增加氮用量有减弱光合、蒸腾速率的趋势，说明W1条件的灌溉水平不能有效发挥氮肥对光合作用的贡献能力，并且可能影响到肥料氮向土壤氮的转化，影响玉米对氮的吸收利用，进而阻碍光合作用。在W2灌溉水平下，施氮量由N1增至N2光合、蒸腾速率分别显著提高了17.2%、8.4%，继续提升施氮量至N3虽能增大光合、蒸腾速率，但增长不明显。说明较高的灌水量才能体现出肥料氮的效应，且增施氮过程可持续提高光合作用，超过一定用量后肥料氮效应仍存在，但明显减弱，这部分氮投入“代价”大，W3灌溉水平下肥料氮效应与W2呈相似规律。每种施氮水平下，光合、蒸腾速率均表现为W3>W2>W1，其中N3水平下蒸腾速率W3>W2但差异不显著，可能因为氮施用量达到一定水平并且灌溉水分适宜的情况下，对应于当地的气象及环境因子限制，蒸腾速率已接近上限，故继续提升灌溉量效应微弱。W2N2显著大于W3N1的光合速率，水因子W2～W3增加并不能补偿氮因子N2～N1降低带来光合速率的减弱；但二处理的蒸腾速率无显著差异，水因子W2～W3的增加补偿了氮因子N2～N1降低引起的负效应，说明在中高水平的灌溉量下，氮亏缺抑制光合速率的程度要大于蒸腾速率，而水分对蒸腾速率的促进作用要大于光合速率。

图1 不同水氮组合处理对玉米光合速率的影响

图2 不同水氮组合处理对玉米蒸腾速率的影响

2.2 水氮对Pn与Tr的回归方程

对灌水量和施氮量离差标准化统一量纲，使水、氮自变量在[0，1]内，则同量纲回归方程分别为：

Pn=22.303+15.311W+10.894N-3.473W2-

10.067N2+5.224WN；R2=0.949

(1)

Tr=6.095+2.716W+1.256N-0.333W2-

1.187N2+0.860WN；R2=0.938

(2)

式(1)、式(2)的一次项系数均为正且W>N，说明水、氮对Pn和Tr均为正效应，且二因子对Pn和Tr的影响作用水>氮；平方项W2、N2均为负，说明Pn和Tr随二因素增加报酬递减，关系曲线为开口向下的抛物线；乘积项WN均为正，说明水氮对Pn和Tr有交互促进作用。

2.3 水氮处理Pn与Tr、Gs、Ci的关系

气孔张开程度与单位叶面积一定时间蒸腾的水量以及光合强度之间存在相互联系，由图3可以看出，Tr、Gs均与Pn正相关，说明气孔张开关闭与蒸腾速率的高低与光合强度的强弱增减方向一致。Ci与Pn负相关，胞间CO2浓度越高，光合速率越低。不同水氮处理Pn分别与Tr、Ci、Gs进行线性拟合，得到其关系式分别为：Pn=-8.461+5.197Tr(R2=0.912)；Pn= 65.929-0.192Ci(R2=0.823)；Pn=12.567+40.464Gs(R2=0.908)。

3 结 语

(1)松辽平原向内蒙古高原的过渡地带，偏干旱的平水年条件下，膜下滴灌种植玉米水分和氮肥的投入均能提高光合速率和蒸腾速率，影响作用水>氮，且存在交互作用。

(2)各光合因子与光合速率的关系变现为：蒸腾速率和气孔导度均与光合速率正相关，胞间CO2浓度与光合速率负相关，Pn分别与Tr、Gs、Ci存在较好的线性拟合关系。

(3)全生育期灌水量在1 351～1 465 m3/hm2以内会影响肥料氮对光合速率和蒸腾速率的提升作用，水分亏缺使得超过240 kg/hm2后的氮用量呈现负效应。灌水量在1 802～2 071或2 197～2 315 m3/hm2条件下增施氮均可显著提升光合、蒸腾速率，而氮用量240～288 kg/hm2对光合、蒸腾速率提升效果微弱，可初步作为当地膜下滴灌的节氮空间。1 802～2 315 m3/hm2的灌溉水平下，氮亏缺(192 kg/hm2)抑制光合速率的程度大于蒸腾速率，而灌水量的增加对光合速率的促进作用小于蒸腾速率。生育期中等施氮水平240 kg/hm2与中高灌水平1 802～2 315 m3/hm2可作为适宜的水氮耦合用量。

图3 水氮处理光合速率Pn与Tr、Gs、Ci的关系

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