氮磷钾配施对谷子农艺性状及光合特性的影响

张蕙琪，王宏富，王彦雯

（山西农业大学农学院，山西 太谷 030801）

谷子获得高产的必要条件之一是生殖生长时期维持较高的光合速率。谷子光合特性及产量的高低受到很多因素的共同调控，如谷子自身的遗传特性、外界环境的光热条件、土壤中的矿质营养、不同的栽培技术和耕作制度等，其中，矿质元素尤为重要。矿质元素不仅构成了叶绿体结构，而且还是植物光合作用生化反应的参与者和能量提供者[1]。氮、磷、钾是谷子正常生长的三大必需营养元素，其中，氮元素积极参与植物体中的各种生命活动，氮元素充足时，光合作用的产物能快速转化，合成核酸、酶、蛋白质和叶绿素，为植株的生命活动提供物质基础；磷元素能促进光合作用和二氧化碳的转化，也能激活某些酶例如磷酸果糖激酶的活性，有助于糖的合成；钾离子很容易进入细胞，引起膜的去极化作用，促进光合作用，并且是多种酶的催化剂，同时能促进纤维素以及糖和脂肪的合成[2-3]。合理的氮磷钾配施能够很大程度上增强谷子的光合特性，并最终达到高产[4-10]。国内外对谷子光合特性的研究主要集中在氮、钾肥或氮、磷肥以及单一元素施肥，而氮磷钾肥配施的研究还很少。

本试验通过正交设计，研究不同氮磷钾配施对谷子光合特性及产量的影响，以期得到可以最大限度促进农大8号光合特性和产量的最适施肥配比，为优质高产谷子的合理施肥提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为农大8号，为山西农业大学谷子研究组选育的新品种。

试验土壤为壤土，基本养分情况为：土壤有机质 17.8 g/kg、全氮 0.94 g/kg、碱解氮 71.3 mg/kg、速效磷48 mg/kg、速效钾94 mg/kg。供试肥料：氮肥为尿素（N≥46.4%），磷肥为颗粒过磷酸钙（P205≥12%），钾肥为硫酸钾（K2O＝50%）。

1.2 试验设计

试验于2016年5—10月在山西农业大学农作站进行，采用正交设计。试验设氮、磷、钾3个因素，4个水平，共16个处理，设3次重复。各处理施肥水平和施肥量如表1所示。磷钾肥作基肥一次性施入，氮肥的40%作基肥、30%于拔节期追施、30%于孕穗期追施。小区面积为16 m2（4 m×4 m），随机区组排列，等行种植，播种密度为33万株/hm2。

表1 试验因素水平

1.3 测定项目及方法

1.3.1 形态指标的测定

1.3.1.1 株高 在农大8号的拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期以及成熟期，从每小区中选有代表性的植株10株，用直尺测量其分蘖节至最长叶尖的长度。单位以cm表示，测定结果取平均值。

1.3.1.2 茎粗 在农大8号的拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期以及成熟期，从每个小区中选有代表性的植株10株，使用游标卡尺测量主茎地上部的第3节间中部茎的直径。以cm表示，测定结果取平均值。

1.3.1.3 叶面积 在农大8号的拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期以及成熟期，每小区选取具有代表性的植株10株，使用CI-203手持式激光叶面积仪测定谷子倒2的叶面积。

1.3.2 叶绿素含量的测定 在农大8号的拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期以及成熟期，从各个小区选取10株具有代表性的植株，使用SPAD－502叶绿素测定仪，测定其倒2叶中间部分的相对叶绿素含量。每株重复3次，结果取平均值。

1.3.3 光合指标的测定 在农大8号的灌浆期内，从各个小区选取10株具有代表性的植株，于晴朗无风的9：00—11：00，用CI-340便携式光合仪分别测定田间各小区谷子倒2叶的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度等光合参数。每项指标重复测量3次，结果取平均值。

1.3.4 产量及产量构成指标的测定 谷子成熟后收获前，从各个小区中取3个具有代表性的单位面积调查谷子的产量，统计单位面积上的谷子产量，将其转化为每公顷的产量，结果取平均值。随后从每个小区中随机拔取10株，进行室内考种，测定穗长、穗粗、穗质量、千粒质量、穗粒质量等。每个处理重复3次，结果取平均值。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据用MS Excel 2010进行整理及图表绘制，用DPS7.05软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对谷子株高、茎粗变化的影响

从图1，2可以看出，农大8号从拔节期开始进入一个快速增长的过程，进入孕穗期后，增长速度变缓，灌浆期达到稳定状态。在N1水平下，抽穗期P2K2和P3K3处理的株高分别较P1K1处理显著增加了 10.3，10.0 cm（P＜0.05），其他生育时期的株高均没有显著性差异；茎粗方面，在拔节期、孕穗期、开花期均有显著性差异，分别增加0.05～0.14，0.07～0.21 cm（P＜0.05）。在N2水平下，整个生育期内各处理之间株高没有显著性差异，但各处理间在不同的生育时期差异性趋势基本一致，P3K4处理长势较好；在茎粗方面，P3K4处理在抽穗期、开花期、成熟期茎粗明显高于其他3个处理，比P1K2，P2K1，P4K3处理分别增加 0.11～0.23，0.07～0.16，0.08～0.1 cm，且存在显著性差异（P＜0.05）。

从图1，2可以看出，在N3水平下，4个处理间株高差异性不显著，只有P4K2处理在生育后期明显低于其他3个处理；茎粗也基本一致。在N4水平下，各处理之间的株高基本上在整个生育期都有显著性差异，以 P2K3处理长势最佳，比 P1K4，P3K2，P4K1分别增加 1.00～8.00，2.00～8.00，9.00～10.67cm（P＜0.05）；在茎粗上各处理差异不明显，但趋势基本与株高相同，以P2K3处理长势最佳，最粗为1.28 cm。纵观图1，2，在16个处理中，在氮肥的4个水平下，以 N1P3K3处理、N2P3K4处理、N3P2K4处理、N4P2K3处理长势较为突出，以N44P2K3处理长势最佳。说明单施磷钾肥可以适当增加农大8号的茎粗，但对株高影响不大，在磷钾肥的基础上，随着氮肥的增加，可以显著提高农大8号株高和茎粗，有利于谷子生长。

2.2 不同施肥处理对谷子叶面积的影响

由图3可知，农大8号叶面积从拔节期到成熟期呈先增加后减小的动态生长趋势，生长速度先快后慢，在开花期叶面积达到最大值，开花期之后到成熟期逐步减小。由此说明，谷子生育前期生长速度较快，营养生长旺盛，为谷子的生殖生长奠定了很好的基础，后期转移了生长中心，营养生长与生殖生长协调发展，有利于谷穗生长。在N1水平下，P1K1处理的叶面积在孕穗期、抽穗期和成熟期分别比 P2K2，P3K3，P4K4处理显著减小 7.89～9.98，14.36～22.91，16.14～16.90 cm2（P＜0.05），以P3K3处理长势最佳。在N2水平下，P3K4处理的叶面积除拔节期外，在其他生育时期都是最大，比其他3个处理分别 大 0.73～2.83，5.18～7.82，4.79～8.21，2.45 ～4.72，0.22～5.74 cm2。在 N3水平下，虽然各处理间差异不显著，但以P2K4处理下的叶面积最大，比其他 3个处理分别大 7.54～8.82，0.29～4.23，3.41～6.44，1.42～6.92，3.21～7.45，0.46～10.96 cm2。在 N4水平下，虽然只有在抽穗期P4K1处理与其他3个处理之间有显著性差异，但是P2K3处理始终高于其他处理。16个处理中叶面积以N4P2K3处理最佳，与株高、茎粗结果一致。

2.3 不同施肥处理对谷子叶绿素含量的影响

由图4可知，农大8号的倒2叶相对叶绿素含量均呈先增加后减小的变化趋势，在开花期达到最大值，后逐渐降低。这一生长动态与株高、茎粗和叶面积形态指标的生长趋势基本一致，体现了谷子生理生态活动的强弱以及植株的衰老进程。不同施肥处理均能增加谷子叶片叶绿素含量，以N4P2K3处理下的谷子叶片叶绿素含量最高，比N1P1K1处理高出25.46%～34.40%，且达到显著差异（P＜0.05），后期下降速度低于其他处理，保绿时间持久，衰老速度缓慢。

2.4 不同施肥处理对谷子光合特性的影响

从表2可以看出，施肥后谷子叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度都比不施肥N1P1K1处理的增加，胞间二氧化碳浓度基本上减少，各处理间在4项指标上均具有显著性差异，以N4P2K3处理最优。与CK（N1P1K1）相比，各施肥处理的谷子净光合速率分别提高12.50%～42.08%，蒸腾速率分别增加0.69%～105.98%，叶片气孔导度分别增加4.44%～87.10%，胞间二氧化碳浓度分别减少12.30%～46.32%。这说明施肥有效地增加了谷子的光合能力，蒸腾速率和气孔导度的增加，加速了谷子无机离子以及有机质的吸收和传导，有利于光合产物的形成，并促进了营养物质向穗部籽粒转运。

表2 不同施肥处理对农大8号光合特性的影响

表3中的Ki表示为各因素同一水平下的净光合速率之和，Ki表示为各因素同一水平下的净光合速率的平均值。

表3 不同施肥处理对农大8号净光合速率影响的正交试验结果

从表3可以看出，氮肥的K4和K4值均最大，以225 kg/hm2（N4）为最好；磷肥的K3和K3值均最大，以100 kg/hm2（P3）最优；钾肥的K3和K3值均最大，以60 kg/hm2（K3）为最好；得到的施肥最优组合为 N4P3K3，即 N 225 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2时，农大8号的净光合速率最大。根据极差R的大小可知，N对农大8号的净光合速率影响最大，K2O次之，P2O5的影响最小，影响农大8号净光合速率的主次顺序为N＞K＞P。

2.5 不同施肥处理对谷子穗部性状及产量的影响

从表4可以看出，不同施肥处理下的谷子穗部性状和产量均存在很大差异，并且与不施肥的N1P1K1处理达到显著性差异。在穗长、穗粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量以及产量这几个指标上，N4P2K3处理均达到最大，与CK（N1P1K1）相比，变异极差分别为 7.18，0.94 cm 和 14.84，12.09，0.46 g，产量增加了54.97%。

从表5可以看出，氮肥的K4和K4值最大，以225 kg/hm2（N4）为最好；磷肥的K3和K3值最大，以100 kg/hm2（P3）为最优；钾肥的K3和K3值最大，以60 kg/hm2（K3）为最好；得到的施肥最优组合为 N4P3K3，即 N 225 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2时，农大8号的产量最高。根据极差R的大小可知，N对农大8号产量影响最大，K2O次之，P2O5的影响最小，影响农大8号产量的主次顺序为N＞K＞P。

表4 不同施肥处理对农大8号主要农艺性状及产量的影响

表5 不同施肥处理对农大8号产量影响的正交试验结果

3 结论与讨论

3.1 不同施肥处理对谷子形态指标的影响

光合作用的主要场所是叶片，它是植物合成有机物的主要器官。叶面积的大小是谷子光合作用强弱的重要形态指标，它的生长发育决定并影响着谷子的生长发育及干物质积累。适当施肥会加快谷子叶片生长，使谷子有更大的叶面积来进行光合作用。植株的株高决定了其在群体环境中是否能争取更多的光能，而茎粗的大小对谷子抗倒伏起着至关重要的作用。

本研究表明，经过施肥处理的谷子株高、茎粗、叶面积明显高于未施肥处理，且高氮处理要高于低氮处理，但当氮肥水平一定时，磷钾肥过高过低都会使其下降，N4P2K3处理（即N 225 kg/hm2，P2O550 kg/hm2，K2O60 kg/hm2）对谷子生长最为有利。氮素是改善谷子株高、茎粗、叶面积的关键，磷钾肥在氮肥基础上才能发挥更大的作用，氮磷钾肥三者间只有相互配合才能取得更好的效果，而只采用任意2种肥进行的配比效果都不理想。

3.2 不同施肥处理对谷子光合参数的影响

光合作用是植物合成有机物为自身生命活动提供能量的重要途径，它受很多因素影响，叶绿素含量的多少就是很重要的一项指标[11-16]。

本研究表明，不同施肥处理均能增加谷子叶片叶绿素含量，N4P2K3处理（即N 225 kg/hm2，P2O550 kg/hm2，K2O60 kg/hm2）下的谷子叶片叶绿素含量最高，且后期下降速度低于其他处理，保绿时间持久，衰老速度缓慢。虽然叶绿素含量的高低不能绝对反映叶片光合能力的强弱，但叶绿素含量减少会导致叶片过早衰老，光合速率降低[17-19]；叶绿素含量的增加会促进叶绿体对光能的吸收和转化，从而增强光合作用。施肥后谷子叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度都比不施肥N1P1K1处理的增加，胞间二氧化碳浓度基本上减少。各处理间在4项指标上均具有显著性差异，以N4P2K3处理（即N225kg/hm2，P2O550 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2）最优。与杨艳君[20]的研究结论一致。通过肥料用量与净光合速率的正交分析得到，N对农大8号的净光合速率影响最大，K2O次之，P2O5的影响最小，得到的施肥最优组合为 N4P3K3，即 N 225 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2时，农大8号的净光合速率最优。这与王帅[21]研究认为的氮肥对光合性能以及产量的影响更加明显结论相一致。主要是因为氮肥可以提高作物叶绿素含量，增强功能叶片对强光的利用率。本试验中，氮元素和钾元素较磷元素对农大8号叶片的光合特性与产量影响更大，是因为氮元素是叶绿素的重要组成部分，能够提高作物将二氧化碳转化为有机物的速率；而钾元素可以提高谷子叶片的光合速率，促进碳同化及其运动。

3.3 不同施肥处理对谷子穗部性状及产量的影响

本试验研究结果表明，农大8号在N4P2K3处理（即 N 225 kg/hm2，P2O550 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2）条件下，穗长、穗粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量以及产量均高于其他处理；正交分析得知，N对农大8号产量影响最大，K2O次之，P2O5的影响最小，施肥最优组合为 N4P3K3，即 N225 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O60 kg/hm2，与陈二影[22]的研究结论一致。这是因为氮能促进植物细胞的分裂和生长，使枝叶茂盛[4]；磷可促进幼苗的发育和花的开花，使果实、种子提前成熟[23]；钾能够使茎秆健壮，抗倒伏，促进淀粉的形成[24-29]。谷子灌浆期是营养生长和生殖生长并进时期，需要大量养分，土壤养分消耗剧增，若土壤肥力不够，则会影响籽粒灌浆速率和灌浆水平；对植物进行氮磷钾肥的使用能够提供充足的养分，对谷子根茎叶的生长起到促进作用，增加光合产物的积累与运输，使谷子最终达到高产稳产的目的。

4 结论

综合不同氮磷钾配施对谷子农艺性状和光合特性的影响，不同施肥处理可以提高谷子光合特性，增加株高、茎粗、叶面积、穗长、穗粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量及产量。本试验证明，理论施肥水平为 N 225 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2时，可有效改善谷子的农艺性状和光合特性。光合作用的强弱是作物高产的至关点，而矿质元素又是影响光合作用强弱的重要因素，合理地施肥能够使植物保持充足的矿质元素，枝繁叶茂，生长旺盛，提高光合利用率，有益于谷子达到高产稳产。

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