不同滴灌施氮模式对甜糯玉米碳利用的影响

程 浩，傅丰贝，李伏生

（广西大学农学院，南宁530004）

农田是陆地生态系统碳库的重要组成部分，通过农作物光合作用固碳，对调节区域碳平衡，改善区域碳循环结构有重要意义[1]。农作物固碳过程受多种因素控制，人为因素对农作物“碳汇”影响最大，诸如施肥、灌溉、种植模式等农艺举措对农田生态系统碳循环都有显著影响[2]，其中灌溉是调控农作物固碳能力的重要外因[3]。目前普遍认为控制性的灌溉举措能够提高植株的固碳量[4]。如王雯等[5]研究发现，露地滴灌处理的累积碳排放量较膜下滴灌低3.06%，累积生物固碳量较其他滴灌模式高7.36%～22.41%，据此认为露地滴灌是增强农田固碳减排能力的适宜的节水灌溉方式；张忠学等对黑土稻田设置了灌水定额，结果显示控制灌溉模式下，水稻茎、叶、根固碳量均大于常规灌溉模式，认为适量控制农田灌水量对提高作物的固碳能力有帮助[6]。

分根区交替灌溉同样是控制性灌溉举措，是一种利用作物局部根系受旱产生的水分胁迫信号与根系吸收补偿机制，调节作物耗水，提高作物水分利用效率的一种节水灌溉技术[7-9]。目前有关作物分根区交替灌溉的研究大都集中在对作物水分利用效率的提升效果上，如玉米上的相关研究显示分根区交替灌溉可极大减少作物耗水，WUE较常规灌溉可提高10.3%～37.9%[10,11]。然而，由于灌溉方式与农作物固碳能力的密切关系，分根区交替灌溉对农作物固碳的影响同样需研究。为获得同时提高水、碳利用的水氮管理模式，以甜糯玉米为供试作物，通过盆栽试验，研究了不同滴灌模式和施氮水平对甜糯玉米干物质量、产量、水分利用效率、含碳量和固碳量的影响，以期获得一种适宜的玉米水氮管理方式，为甜糯玉米生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

盆栽试验在广西大学农学院网室进行。该网室可以透光、通风，遮雨，试验室内光照、温度和湿度等环境因素与室外基本一致。供试土壤为赤红壤，采自本校农科教学实习基地，经风干、碾碎，过5 mm 筛，土壤基本性质为：田间持水量为29.5%，pH 值5.3，碱解氮（N）42.1 mg/kg，速效磷（P）35.4 mg/kg，速效钾（K）105.4 mg/kg。供试玉米品种为家甜糯11。

1.2 试验方法

盆栽试验设5 种滴灌模式和3 种施氮（N）水平，完全方案设计，共15 个处理，每个处理重复4 次，共60 盆，随机区组排列。5种滴灌模式见表1，其中常规滴灌（C，每次1个滴头分别对两侧土壤灌水或灌水施肥，共2个滴头对两侧同时进行）；交替滴灌（A，每次用1 个滴头对其中一侧灌水或灌水施肥，下一次处理时对另一侧进行灌水或灌水施肥，如此交替进行）；固定滴灌（F，每次用1个滴头只对固定一侧灌水或灌水施肥）。苗期-拔节后期是指6月9日至7月3日(播种后9～33 d)，拔节后期-开花期是指7月4日至8月1日(播种后34～62 d)按表1 进行滴灌处理。其中交替滴灌和固定滴灌处理除按要求时期进行灌水和施肥控制处理外，其余时期按常规滴灌方式进行灌溉和施肥处理。试验期间只灌水时不加肥料。灌水施肥时，事先按设计要求配好肥料溶液，肥料溶液注入模拟滴灌系统的输液袋，将输液袋挂在距地面2 m高处，溶液由塑料软管导出，经软管由滴头滴入土壤中，滴头距离植株根系15 cm，流速为0.7 L/h，实验装置图见图1。

表1 不同滴灌模式Tab.1 Different drip irrigation modes

图1 不同滴灌方式示意图Fig.1 Layout of drip irrigation imitation system for three drip irrigation methods

3 种施N 水平设高N(0.20 g N/kg 土)、中N(0.15 g N/kg 土)和低N(0.10 g N/kg土)。30%N 肥用作基肥，与土壤混合均匀，其余70%N肥用滴灌方式追施，苗期-拔节期占30%，拔节期-开花期占40%，每个时期平均分2 次施，共计4 次追施。常规滴灌在两侧均匀施N；交替滴灌前次对一侧施N，下次对另一侧施N，以保证两侧肥料用量相同，而固定滴灌则固定在灌水的一侧施N，保证水肥同步。所有处理P2O5和K2O 施用量均为0.10 g/kg土和0.15 g/kg土，作基肥与土壤混合均匀。氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用磷酸二氢钾（含P2O552%），钾肥用磷酸二氢钾（含K2O 34%）和氯化钾（含K2O 60%）。

1.3 试验管理

试验在塑料桶中进行，塑料桶上部开口直径35 cm，底部直径26 cm，高29 cm。桶中央粘一层塑料，将桶分成均等的两部分，构成分根装置。每一部分均装土10 kg，每桶共装风干土20 kg。在塑料薄膜中部剪个缺口，每盆缺口处放置已催芽露白的玉米种子。播种后，缺口处和塑料薄膜两侧用桶内两边土壤起2～3 cm高的垄，以阻止灌水时两侧水分相互交换。播种前每个处理土壤水分保持在田间持水量的80%。

5月30日将土壤装入试验桶，N 肥作基肥，装盆时与土壤混匀。5月31日每桶播4粒已催芽种子，长到四叶一心时，间苗定苗，每桶留长势均匀的玉米苗1株。常规滴灌土壤水分下限为田间持水量的70%，上限为田间持水量的80%，当含水量降至或接近该处理水分下限进行灌水，灌水至水分控制上限。用称重法测定常规滴灌处理的土壤含水量，用水量平衡法确定耗水量所需的灌水量。交替滴灌和固定滴灌各施N 处理每次灌水量按常规滴灌相应施N 处理灌水量的80%进行滴灌。每次灌水量用量筒量取，并记录各处理灌水量。8月28日试验结束。

1.4 测定项目和方法

收获后采集各处理地上部、根系和籽粒部分，105 ℃杀青30 min 后于60 ℃烘至恒质量，记录其干质量，最后粉碎混匀后测定植物含碳量。玉米地上部、根系和籽粒含碳量均用重铬酸钾容量法-外加热法测定[12]。地上部、根系和籽粒固碳量分别是各部位的碳含量和相应的干物质量的乘积。植株固碳量是地上部、根系和籽粒固碳量之和。

采收盆栽玉米地上部分后称每桶质量，扣除原土壤质量和桶质量，剩余部分为最后未消耗的水分。由于盆底不漏水，因此，将每次灌水量相加再减去试验前后土壤水分量的差异，即为玉米整个时期的耗水量。水分利用效率计算公式如下：

以干物质量为基础的水分利用效率（WUEt，kg/m3）[13]=植株干物质量（地上部干物质量+根系干物质量）/耗水量

以产量（籽粒）为基础的水分利用效率（WUEs，kg/m3）[14]=产量/耗水量

1.5 统计分析

试验数据方差分析用多重比较Duncan 法分析，包括施氮水平、滴灌组合以及两者间的交互效应，不同小写字母表示不同处理间差异在5%水平差异显著，相同小写字母表示不同处理间差异在5%水平差异不显著。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌施氮模式对甜糯玉米干物质积累和产量的影响

表2表明，不同滴灌模式玉米根系干物质量之间的差异显著。与苗期-开花期常规滴灌（CC）相比，苗期-开花期交替滴灌（AA）玉米根系干物质量有所提高。低氮水平时，AA模式根系干物质量比苗期-开花期固定滴灌（FF）提高25.3%，差异显著。不同施氮水平玉米根系干物质量之间的差异显著。与低氮水平相比，中氮水平玉米根系干物质量提高14.3%～22.3%。

表2 不同处理甜糯玉米干物质积累Tab.2 Dry mass accumulation of sweet-waxy corn for different treatments

不同滴灌模式玉米地上部干物质量之间的差异显著（表2）。中氮水平时，AA 模式地上部干物质量比CC、FC 和FF 模式分别提高9.6%、16.7%和20.5%。不同施氮水平玉米地上部干物质量之间的差异也显著。相同滴灌模式下，中氮水平地上部干物质量最高，较高氮和低氮水平分别提高4.9%～13.2%和17.9%～21.8%。

不同滴灌模式玉米植株干物质量之间的差异显著（表2）。中氮水平时，AA 模式玉米植株干物质量较CC 模式提高9.7%，说明在中氮水平时，AA 模式更有利于玉米植株干物质量的提高。不同施氮水平玉米植株干物质量之间的差异显著。与低氮水平相比，中氮水平植株干物质量提高17.4%～20.6%。

不同滴灌模式玉米产量之间的差异显著（表3）。中氮水平时，AA 模式产量比CC、AA、FC 和FF 模式分别提高10.9%、8.8%、16.5%和20.5%（图2）。不同施氮水平玉米产量之间的差异显著（表3）。与低氮水平相比，中氮水平产量提高18.3%～22.6%（图2）。

表3 滴灌方式与施氮水平对甜糯玉米产量及水分利用效率影响的方差分析Tab.3 Probabilities of treatment differences in yield and water use efficiency of sweet waxy corn with the different drip irrigation and nitrogen application levels

图2 不同处理甜糯玉米产量Fig.2 Yield of sweet-waxy corn for different treatments

2.2 不同滴灌施氮模式对甜糯玉米水分利用的影响

不同滴灌模式玉米耗水量之间的差异显著（表3）。图3(a)表明，各施氮水平（高N、中N 和低N）下，与CC 模式相比，AC、AA、FC 和FF 模式耗水量分别降低7.6%～8.1%、19.7%～20.8%、9.9%～13.8%和20.8%～15.3%。不同施氮水平玉米耗水量之间的差异也显著（表3），耗水量随施氮量的提高而增加。

不同滴灌模式以干物质量为基础水分利用效率（WUEt）之间的差异显著（表3）。图3(b)表明，与CC 模式相比，中氮水平时，AA 模式WUEs增幅最大，达到35.8%，差异极显著。不同施氮水平玉米WUEt之间的差异也显著（表3）。与低氮水平相比，中氮水平的WUEt提高13.5%～21.9%。

不同滴灌模式以籽粒产量为基础水分利用效率(WUEs)之间的差异也显著（表3）。由图3(c)可以得到，与CC 模式相比，中氮水平时，AA 模式WUEs提高33.8%，差异极显著。不同施氮水平玉米WUEs之间的差异也显著（表3）。由图3(c)可以得到，与低氮水平相比，中氮水平的WUEs提高14.2%～20.9%。

图3 不同处理甜糯玉米水分利用Fig.3 Water use of sweet-waxy corn for different treatments

2.3 不同滴灌施氮模式对甜糯玉米植株含碳量和固碳量的影响

表4表明，不同滴灌模式玉米根系、地上部与籽粒含碳量之间略有差别。与CC 模式相比，各施氮水平下AA 与AC 模式的各部分含碳量均有所提高，FC 与FF模式略有下降。不同施氮水平各部分含碳量之间的差异显著，相同滴灌模式下，中氮水平根系、地上部和籽粒含碳量均最高，较低氮水平分别上升11.2%～13.0%、12.1%～14.1%和4.8%～8.4%。

表4 不同处理甜糯玉米含碳量Tab.4 Carbon content and fixation of sweet-waxy corn for different treatments

由图4可以看出，不同滴灌模式玉米固碳量之间的差异显著。各施氮水平下，AC 与AA 模式固碳量较CC 模式均有所增加，其中AA 模式提升幅度更大，但高氮与低氮下均未达显著水平。中氮水平时，与CC 模式相比，AA 模式全株固碳量提高了16.3%，差异显著。相同施氮水平下，FF 模式固碳量较CC 模式均有所下降，全株固碳量下降8.2%～13.0%。中氮水平时，AA 模式更有利于增加玉米植株的固碳量。不同施N 水平玉米固碳量之间的差异显著。各滴灌模式下，玉米全株固碳量随施氮水平下降呈先上升后下降趋势。与低氮水平相比，中氮水平全株固碳量提高5.5%～14.54%，差异显著。

图4 不同处理甜糯玉米固碳量Fig.4 Carbon fixation of sweet-waxy corn for different treatments

3 讨论

3.1 不同滴灌施氮模式对甜糯玉米产量及水分利用的影响

氮肥施用量与作物的水分利用效率在一定范围内呈正相关，而氮肥过量施用会造成植株“奢侈”耗水，不利于水分的高效利用[15-18]。本研究结果显示，不同滴灌模式下玉米干物质量随施氮水平变化均呈现出：中N＞高N＞低N 的规律，耗水量随施氮水平的提高上升，最终水分利用效率表现为：中N＞高N＞低N，AA 模式下中氮水平（0.15 g/kg 土）下玉米干物质量最高，WUEs和WUEt提升最为显著。褚光等[19]的水稻干湿交替灌溉配施氮肥试验中，在3 种施氮水平(80 kg/hm2、160 kg/hm2、240 kg/hm2)下，水稻水分利用效率随施氮水平提高先上升后下降，施氮水平为160 kg/hm2时水稻产量与水分利用效率皆达到最高，本研究也有类似的结果，这说明适宜的氮肥用量下在玉米苗期-开花期进行分根区交替灌溉对提高玉米产量与水分利用效率有促进作用。

前人研究表明，在玉米生育期的前中期实施分根区交替灌溉措施，玉米干物质量受影响不大或有所增加[10,11,20-22]。程铭慧等[23]研究发现，全生育期分根区交替灌溉下玉米干物质量大幅下降，而仅在玉米苗期-拔节期实行分根区交替灌溉，干物质量受影响程度很小。刘水和李伏生[22]在玉米拔节期-抽雄期进行分根区交替灌溉，玉米地上部和总干物质量较常规灌溉分别提高29.6%和27.4%。陆文娟等[20]在玉米拔节前期至抽雄期实行分根区交替灌溉，玉米总干物质量并无显著变化。本研究结果表明，与CC 模式相比，AC 与AA 模式玉米各部分干物质量均有所提升，且AA 模式的提升幅度要略高于AC 模式，说明该实验条件下，在玉米苗期-开花期实行分根区交替滴灌有利于其干物质量的积累。这是由于作物在受到水分胁迫刺激后，恢复供水时产生了补偿机制，加快了玉米的生长[24,25]。在此基础上，AA 模式相较其他处理耗水量显著降低，WUEs和WUEt显著提高。因此，在玉米灌溉管理上，可考虑仅在特定生育期实行分根区交替灌溉。FC 与FF模式显著降低玉米耗水量，水分利用效率较CC 模式提升显著，但干物质量大幅下降，因此该滴灌方式不推荐应用于玉米的水分管理。

3.2 不同滴灌施氮模式对甜糯玉米固碳能力的影响

植株的固碳量受其含碳量与干物质量影响。本研究中，与低氮和高氮水平相比，中氮水平玉米各部分干物质量与含碳量显著提高，全株固碳量上升，说明适宜的氮肥水平有利于玉米固碳能力的提升。前人研究也表明，在一定施氮量范围内，施氮量与植物光合速率呈正相关[26,27]，而过量氮施入则会导致玉米碳同化速率显著降低[28]，原因可能是氮素增加会使植物光合部位氮同化作用强度加强，与光合碳同化竞争光合作用中光反应产生的ATP 和NADPH(还原型辅酶Ⅱ)，进而导致CO2同化速率降低[29]。因此，为增强玉米碳积累，施氮水平为0.15 g/kg土时最适宜。

灌溉方式与作物光合固碳能力关系密切[30]，其机制也较为复杂，一方面，干旱胁迫往往会造成植株光合机制受损萎缩[31]，干物质量下降；另一方面，干旱条件下水分胁迫信号会调节植株光合效率[32]，促进固碳。分根区交替灌溉方法单侧交替供水并不意味缺水干旱，植物的水分的基本需求仍可以得到满足，在保证作物干物质量的前提下提升其含碳量，作物固碳量得以提升。韩小虎等[33]在桃树上的研究显示，1/2 根区交替灌溉下桃树净光合速率与水分利用率较全根区灌溉显著提高，据此认为分根区交替灌溉模式能提高桃树的光合效率。此外水分胁迫产生的信号也会刺激植物降低自养消耗，间接提升植株碳储备[34]。在马铃薯上的研究显示，在水分胁迫下马铃薯块茎淀粉含量表现出增加趋势，因此研究者认为适宜的水分胁迫能够抑制马铃薯营养器官中淀粉的分解[35]。本研究显示，AA 模式下玉米各部分的含碳量相较于常规滴灌模式显著上升，干物质量也略有上升，固碳量显著提高，说明在玉米苗期-开花期施行分根区交替灌溉能提高玉米的固碳能力，与前人研究结果类似。此外，有研究指出，适宜水分胁迫下植物根系体积、表面积均会增加，有利于农作物构建良好的根系形态，提高农作物根系的碳氮代谢[32]，这可能也是本试验中玉米固碳量上升的原因之一。FF与FC 模式相较其他滴灌模式固碳能力显著下降，说明单侧供水的灌溉模式显著抑制作物的固碳能力，主要原因是单侧供水造成缺水部分根系萎缩，植株的光合性减弱[36]。

4 结论

（1）苗期-开花期实施交替滴灌促进甜糯玉米干物质积累和产量，显著降低耗水量，提升水分利用效率。

（2）在玉米苗期-开花期实施交替滴灌，甜糯玉米固碳量显著增加。

（3）施氮可提升交替滴灌下甜糯玉米水分利用效率，增强玉米固碳能力。相同灌溉模式下，中氮水平（0.15 g/kg）下水分利用效率，含碳量与固碳量最高。

因此，中氮水平下苗期—开花期实施交替滴灌可以提高水分利用效率与固碳能力，是甜糯玉米较好的水氮管理模式。