黑土区水肥一体灌溉化对玉米叶面积与叶绿素变化影响研究

王 柏，孙艳玲，孙雪梅

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

自20世纪60年代初起，以色列等发达国家开始普及水肥一体化灌溉施肥技术。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体同步控制的农业新技术，是现代种植业生产的一项综合水肥管理措施，具有节水、节肥、增效等特点。在水肥一体化条件下，国外许多学者在光合产物积[1]，土壤湿润峰和溶质运移[2]，灌水频率与水、玉米产量之间的关系[3]，肥料深层渗漏[4]，土壤水肥运移[5]等方面开展了大量试验工作，取得了较好的研究效果。我国水肥一体化技术研究始于较以色列、美国、澳大利亚等发达国家晚20年左右。目前，膜下滴灌技术已被广泛用于各类作物，如玉米[6]、马铃薯[7]、棉花[8]、蔬菜[9]等，特别是在大田高耗水、高产作物玉米干物质[10]、株高[11]、叶面积[12]、根系活性[13]等方面进行了深入研究。水分和养分是作物重要的构成部分与生命元素，水肥耦合效应[14-18]是影响旱地农业生产的主要胁迫因子，不同水肥耦合配比的施用数量、时期对玉米产量及生理生长会产生不同的影响效果。黑龙江省大田作物缺少水肥一体化技术支撑，研究滴灌水肥一体化节水灌溉技术模式，可以防御低温冷害对作物产量影响，提高水肥利用效率，进一步挖掘粮食增产潜力。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

本试验研究在黑龙江省水利科技试验研究中心自动感应式遮雨棚的测坑内进行，多年平均气温3.1℃，无霜期为130～140 d，年平均降水量多介于400～650 mm，7～9月份的降雨量占全年的70%，多年平均水面蒸发量796 mm，土壤质地为壤土。土壤基本性质为：速效氮(N)154.4 mg/kg，速效磷(P2O5)40.1 mg/kg，速效钾(K2O)376.8 mg/kg，pH值为7.27。1 m土层内的平均田间持水率(占干土重)为28.4%和土壤体积质量为1.22 g/cm3。

1.2 试验设计

供试作物为玉米强盛31号，底肥为复合肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)，施肥量为450.0 kg/hm2。试验因素选取灌水量和施氮量，单次灌水量设2个灌溉水平：10 mm、20 mm；施肥量设3个施肥水平：水肥一体化100%施肥、水肥一体化75%施肥、水肥一体化50%施肥。按照完全组合试验设计，共计6个处理。另设覆膜滴灌不追氮肥的对照处理CK1、CK2，总计8个处理(详见试验方案设计表)，每个处理3个重复，共24个小区，小区的尺寸为2.0 m×2.5 m，各试验处理随机排列。栽培模式采用110 cm大垄双行，垄内小行距40 cm，垄间大行距70 cm，垄台宽70 cm，垄高15 cm，株距28 cm，种植密度63 000株/hm2。覆膜滴灌施肥采用“1/4W—1/2N—1/4W”的模式(前1/4 时间灌清水，中间1/2 时间施肥，后1/4 时间灌清水冲洗管网)。玉米各生育期土壤相对水分含量(占田间最大持水量的百分率)控制范围：播种至出苗65～75%，出苗至拔节60%～70%左右，拔节至抽雄70%～75%，抽雄至吐丝80%～85%，吐丝至乳熟75%～80%，完熟期60%左右。

表1 试验方案设计表

2.3 试验观测内容

(1)玉米叶片叶绿素测定。应用CCM-200便携式叶绿素仪，即时测量植物叶片的叶绿素相对含量或“绿色程度”。测定时选择无病虫害、无生理病斑、无机械损伤的叶片避开叶脉，从叶缘和叶脉之间的中间部位测定。

(2)玉米叶面积指数LAI测定。每个试验小区选生长良好、具有代表性的3株玉米挂牌标记，用米尺测定株高和所有完全展开叶片的长和宽。测量叶片的实际面积，确定修正系数(实际面积/(长×宽)，范围在0.74～0.76之间)，计算叶面积指数。

3 试验结果分析

3.1 水肥一体化对玉米叶面积指数的影响

3.1.1 玉米叶面积指数变化规律

低水灌溉条件下，拔节期各水氮处理玉米LAI差异不明显，低水中氮处理玉米LAI高于其他处理，分别比低水低氮、低水高氮、低水无氮提高了6.2%、2.3%和17.0%；抽期各水氮处理玉米LAI差异较为明显，低水高氮处理玉米LAI高于其他处理，分别比低水低氮、低水中氮、低水无氮提高了9.8%、13.8%和10.2%；灌浆期低水中氮处理玉米的LAI最大，分别比低水低氮、低水高氮和低水无氮处理提高了8.9%、6.9%和10.2%。试验表明低水灌溉条件下，无氮处理对玉米LAI影响较大；低水灌溉与中等氮肥耦合处理有利于玉米叶面积指数增加，见图1。

图1 低水与氮耦合试验处理LAI变化过程

图2 高水与氮耦合试验处理LAI变化过程

高水灌溉条件下，拔节期各水氮处理玉米LAI差异明显，高水低氮处理玉米LAI高于其他处理，分别比高水中氮、高水高氮和高水无氮处理提高了5.1%、21.5%、36.0%；抽雄期各水氮处理玉米LAI差异较不明显；灌浆期高水中氮处理的玉米LAI最大，分别比高水低氮、高水高氮和高水无氮处理提高了18.9%、6.3%和28.8%。试验表明高水灌溉条件下，无氮处理对玉米LAI有不利影响；高水灌溉与中等氮肥耦合处理有利于玉米叶面积指数增加。

3.1.2 玉米叶面积指数方差分析

根据2015年玉米拔节期、抽雄期和灌浆期各试验处理玉米叶面积指数数据，灌水量分2个水平，施氮量分4个水平，不同水氮耦合处理在不同生育期的玉米叶面积指数方差分析见表2。

根据表2为灌水量、施氮量间均数的方差分析(F检验)结果。

表2 不同生育期水氮试验处理LAI方差分析检验

拔节期：灌水的F=2.405，P=0.140>0.05；施氮的F=1.454，P=0.264>0.05；灌水*施氮的F=0.718，P=0.556>0.05；表明在玉米拔节期，灌水和施氮对各处理玉米叶面积指数影响差异不显著。抽雄期：灌水的F=0.232，P=0.637>0.05；施氮的F=0.848，P=0.488>0.05；灌水*施氮的F=0.726，P=0.551>0.05；表明在玉米抽雄期，灌水和施氮对各处理玉米叶面积指数影响差异不显著。灌浆期：灌水的F=7.123，P=0.017<0.05；灌水对各处理玉米叶面积指数有显著影响。施氮的F=2.688，P=0.081>0.05；灌水*施氮的F=0.601，P=0.624>0.05；表明在玉米灌浆期，施氮对各处理玉米叶面积指数影响差异不显著。

3.1.3 玉米叶面积指数动态模型

作物叶面积指数除与作物品种、种植密度和栽培农艺措施、气象条件等密切相关，同时，作物叶面积指数是反映作物群体结构的重要因子。叶面积指数模型是作物生长模拟的子模型之一，玉米叶面积指数从苗期到蜡熟期呈先增大后减小的抛物线形式，修正后的Logistic曲线可较好地表述玉米叶面积指数变化过程。叶面积指数动态模拟，采用修正的Logistic方程进行春玉米叶面积指数动态模拟：

(1)

式中t为出苗后天数，d；a，b，c，d均为参数。

Logistic模型需变换成多元线性关系进行拟合，对上述公式进行化简得到公式(2)，并用多元线性回归法进行建模。

(2)

2015年试验中，玉米5月20日出苗，即5月20日时，t=1d。根据方程不同水氮耦合试验处理玉米叶面积指数和玉米植株生长天数曲线图进行模拟计算。

各水氮处理曲线如图3～图10所示，LAI动态模拟方程参数如表3所示。

试验结果表明：在“低水+氮”各组合处理中，低水高氮LAImax出现日期早于低水低氮和低水中氮处理；在“高水+氮”各组合处理中，高水中氮最大LAI出现日期早于高水低氮和高水高氮；在相同灌水量条件下，低水高氮和高水中氮比其他施氮处理的玉米生长更快。

图3 低水低氮处理曲线

图5 低水高氮处理曲线

图4 低水中氮处理曲线

图6 高水低氮处理曲线

图8 高水高氮处理曲线

图7 高水中氮处理曲线

图9 低水无氮处理曲线

图10 高水无氮处理曲线

序号处理abcdt/dLAImax出现时间R21低水低氮18.4965-0.21540.001383 08-110.97012低水中氮16.9487-0.16500.00108308-110.92523低水高氮19.4448-0.24870.00167808-060.96624高水低氮17.4551-0.18810.00118608-140.94585高水中氮19.0221-0.23360.00157808-061.00006高水高氮18.9312-0.22480.00138608-140.96997低水无氮19.0990-0.23470.00157808-060.97658高水无氮19.5520-0.24940.00167808-060.9602

3.2 水肥一体化对玉米叶绿素含量的影响

3.2.1 叶绿素含量变化规律

如图11给出了2015年各水氮耦合试验处理从拔节期到乳熟期的玉米叶绿素含量变化曲线。

图11 不同水氮耦合处理的叶绿素含量变化过

叶绿素是植物进行光合作用的重要色素，对植物的生长、能量获取和传输具有十分重要的作用，叶绿素的含量与植物生物量、作物产量有很高的相关性，其含量高低可以作为植物生理研究及评价植物氮素营养状况的重要依据。根据图11可以看出所有水氮耦合处理叶绿素含量值从拔节期到黄熟期呈现先增大、后减小的抛物线形式。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收中起核心作用。低水无氮、高水无氮处理的叶绿素含量曲线在整个生育期均处于其他水氮耦合处理的下方，表明不论灌溉水平高低，玉米不追肥条件下叶绿素含量较低，不追肥对光合作用有不利影响。高水中氮、高水高氮在叶绿素含量曲线在整个生育期均处于其他水氮处理的上方，表明充足的水分、养分条件有利于玉米植株光合作用。

图12 不同水氮耦合试验处理叶绿素含量变化

根据不同水氮处理最大值的柱状图12可以看出，高水灌溉各处理大于低水灌溉处理。在低水灌溉条件下，低水中肥叶绿素含量值大于低水低肥、低水高肥和低水无氮，低水中肥叶绿素含量值分别比低水低肥、低水高肥和低水无氮提高了9.3%、3.0%、16.8%，可以看出低水中肥与低水高肥叶绿素含量值差异较小，低水中肥与低水低肥、低水无氮差异较大。

在高水灌溉条件下，高水高肥叶绿素含量值大于高水低肥、高水中肥和高水无氮，高水高肥叶绿素含量值分别比高水低肥、高水中肥和高水无氮提高了1.3%、0.8%、20.9%，可以看出高水高肥和高水低肥、高水中肥叶绿素含量值之间的差异小与于低水低肥、低水中肥、低水高肥叶绿素含量值之间的差异，不同施氮量对玉米叶绿素的影响程度随着灌水量的增加而减小。

3.2.2 叶绿素含量回归分析

考虑增加样本容量，选取不同时段、不同水氮耦合试验处理的叶绿素含量值作为目标函数，通过逐步回归分析，建立极显著水平的回归方程如公式(3)所示，用SPSS建立回归方程式，将显著性<0.05的自变量进入模型，如果有显著性>0.05的自变量的话，从模型剔除。

Y=b1X2+b2X+b3

(3)

式中：Y为各水氮耦合处理叶绿素含量值；X为玉米生长天数，d；b1、b2、b3为偏回归系数。

回归方程偏回归系数b1=-0.028,b2=4.839,b3=-147.709,相关系数R2=0.821，表明方程拟合度较高。回归进行方差分析结果如表4所示，检验P=0.000，显著性水平小于0.01，可以认为所建立的回归方程有效

表4 回归模型方差分析

对方程回归系数进行显著性检验，检验结果见表5。按α=0.01显著性水平，偏回归系数b1、b2、b3相应的t值分别为-11.782、14.291和-12.764，显著性概率均小于0.01，可见偏回归系数均达到极显著水平。

表5 回归系数分析表

当X=86时，方程目标函数值达到最大，因此玉米整个生育期的叶绿素含量理论计算最大值出现在8月14日，玉米灌浆期为8月11日～8月25日，在所有实测数据中，不同水氮耦合试验处理叶绿素含量最大值出现在灌浆中期，叶绿素实测最大值出现在8月17日，表明建立的叶绿素含量值模型方程符合实际，同时表明玉米在灌浆中期光合作用能力达到最大，灌浆末期至乳熟期光合作用逐渐减弱。

3.2.3 叶绿素含量回归分析

灌溉水量分2个水平，施氮量分4个水平，选择有代表性的3次重复下的8个水氮耦合试验处理实测叶绿素含量值为分析数据。

表6为灌水量、施氮量间均数的方差分析(F检验)结果。可以看出：F=4.72，P=0.008<0.01，差异极显著，表明所用模型有统计学意义。灌水量的F=4.20，P=0.054>0.05，差异不显著，说明10 mm和20 mm单次灌水量对玉米叶绿素含量无显著影响。施氮量的F=4.90，P=0.011<0.05，差异显著，说明不同施氮量水平对玉米叶绿素含量具有显著影响，有必要进一步对氮因素不同水平的均值进行多重比较。

表6 不同水氮耦合处理方差分析检验结果

表7表示P=0.05显著水平条件下，低氮、中氮、高氮在同一子集内，因此，不追氮肥的无氮处理与低氮、中氮、高氮差异显著，低氮、中氮、高氮之间差异不显著。试验表明虽然各灌水条件下玉米追肥的施氮量不同，但是不同施氮水平对玉米叶绿素影响差异不显著；不追氮肥和追氮肥的处理对玉米叶绿素含量影响差异显著，可见与灌水因素比较，氮肥对玉米叶绿素含量的影响更显著。

表7 不同灌水条件下各施氮量均数的

4 结 论

(1)在玉米各生育阶段，低水无氮处理和高水无氮处理对玉米LAI影响较大，低水灌溉、高水灌溉与中等氮肥耦合处理有利于玉米叶面积指数增加。建立Logistic方程进行春玉米叶面积指数动态模拟与分析，在相同灌水量条件下，低水高氮和高水中氮比其他施氮处理的玉米生长更快。

(2)低水无氮、高水无氮试验处理的叶绿素含量曲线在整个生育期均处于其他水氮耦合处理的下方，玉米不追肥条件下叶绿素含量较低，不追肥对光合作用有不利影响。高水中氮、高水高氮在叶绿素含量曲线在整个生育期均处于其他水氮处理的上方，表明充足的水分、养分条件有利于玉米植株光合作用。