养分专家系统推荐施肥对夏玉米生理特性及产量的影响

王丹丹，李岚涛，韩本高，张倩，盛开，王宜伦

（河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002）

玉米是全球第一大粮食作物，也是我国种植面积最大、总产量最高的主要粮食作物，其产业健康发展在保障国家粮食安全和满足市场需求方面发挥着主力军作用[1-2]。玉米生育周期短、需肥量大、耐肥性强，充足的养分供应是获得高产稳产的关键[3]。在保证养分充足的基础上进行合理施肥不仅能保证玉米稳产增收，还能降低环境污染风险[4-5]。玉米作为高光效C4 作物，其生物量的95%左右来自光合产物[6]，研究表明玉米光合作用是作物生长、发育和产量形成的基础，可以通过提高玉米的光合作用效率提高玉米产量。因此探究光合生理特性对夏玉米产量的影响途径、掌握养分吸收动态是促进稳产高产的基础[7]。

光合作用是植物生长发育的基础，其变化必然会引起其他生理和农艺学方面的变化[8]。研究表明，夏玉米光合同化物最终以干物质的形式呈现，其干物质积累量与产量之间呈显著正相关[9]。光合作用的强弱与植株叶绿素含量紧密相关，同时叶绿素含量与植株氮营养密切相关[10]。杜成凤等[11]对玉米叶片超微结构进行研究，表明叶绿体基粒片层数与光合速率呈正相关。植物吸收性光合有效辐射分量（Fraction of photosynthetically active radiation，FPAR）是植被吸收的光合有效辐射占入射太阳辐射的比例[12]，用来表征植被冠层光能吸收强弱，也是研究作物生长模型的重要参量[13-14]。光合作用是玉米产量形成的生理基础，可以通过提高玉米光合效率促进其产量的提升[6，15]。影响植物光合效率的因素很多，如光照[16]、密度[17-18]、水分[19]等。研究表明，光照不足会导致叶片变薄变窄，还会降低幼苗新叶出生速率，从而导致籽粒产量下降[20]。这与弱光条件下，叶片能够截获的光能大幅减少、叶片净光合速率急剧下降有关[11]。研究表明，密度过大造成通风透光条件变差，功能叶片叶绿素含量、光合速率也随之降低[17]。另有研究表明水分胁迫下作物光合能力也会降低[21]。适宜的氮肥施用量是其利用适宜密度充分发挥群体优势进行光合生产的营养物质保障，它可以通过影响穗粒数和籽粒质量来影响产量[22]。研究表明，施氮可以提高穗位叶光合性能，增密后光合能力降低，物质转化效率在高密高氮处理下均较低，最终导致产量损失[23]。干物质是籽粒产量的物质基础，产量和干物质量呈正相关，在一定范围内，籽粒产量随干物质量的增加而提高，因此，提高干物质的生产能力是提高玉米籽粒产量的根本途径[18]。研究表明基于养分专家系统推荐施肥（Nutrient expert，简称NE）的作物氮磷钾平衡施用可减肥不减产，实现节肥增效[4-5，24]。该方法原理是基于产量反应和农学效率进行推荐施肥[24]，满足了当前推荐施肥需求，是一种定点适应小农户生产管理方式的推荐施肥和养分管理方法。

目前，国内外关于玉米光合特性方面的研究较多[25-26]，大多集中在逆境、品种筛选及耕作方式等条件下的变化特征[19，27-28]。不同施肥条件下对夏玉米光合特性的影响以及光合特性与产量、肥料利用率的关系尚不清楚，本研究试图探讨玉米养分专家系统推荐施肥对夏玉米产量、光合特性和肥料利用率的影响，明确玉米生产中专家系统推荐施肥的增产效果和养分利用率，探究不同施肥处理的增产途径以及光合生理特性规律，旨在为指导夏玉米科学、高效与合理施肥奠定试验基础，并验证NE 系统在夏玉米上的适应性。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年6月至2019年10月在河南省鹤壁市农业科学院浚县科研基地（114°17′E，35°40′N）和新乡市原阳县河南农业大学试验基地（113°56′E，35°06′N）同步进行，供试土壤鹤壁为黏质潮土，原阳为砂质潮土。

1.2 试验设计

试验共设7 个处理，分别为基于养分专家系统推荐施肥（Nutrient expert，NE，中国农业科学院何萍研究员发布的安卓移动终端“手机和平板”网络版本）、在NE 基础上不施氮肥（NE-N）、在NE 基础上不施磷肥（NE-P）、在NE 基础上不施钾肥（NE-K）、在NE 基础上施用缓控释肥（RNE，50%包膜尿素，施肥量同NE）、当地农技部门推荐施肥（ST）和当地农民习惯施肥（FP）。各处理具体施肥信息见表1。供试肥料分别为普通尿素（N 46.0%）、包膜尿素（N 43.2%，释放期60～90 d）、磷酸二铵（N-P2O5-K2O 为15-42-0）、过磷酸钙（P2O512.0%，仅于NE-N 中使用）和氯化钾（K2O 60.0%）。此外，鹤壁农户习惯施肥采用复混肥料（NP2O5-K2O为15-15-15）和尿素（225 kg·hm-2），新乡农户习惯用复混肥料（N-P2O5-K2O为30-5-5）。氮、磷、钾肥在五叶期一次性开沟施入，小区面积为57.6 m2（宽×长=7.2 m×8.0 m），三次重复，随机区组排列。供试夏玉米品种为浚单22。播种密度为67 000 株·hm-2，田间管理按当地农民种植习惯进行。

表1 夏玉米不同模式施肥量（kg·hm-2）Table 1 Fertilizer application rate in different treatments of summer maize（kg·hm-2）

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样采集与分析

在夏玉米播种施肥前采集试验地0～20 cm 土壤样品，风干后过筛，分别测定土壤pH（水土比2.5∶1，电极法）、有机质（K2Cr2O7容量-外加热法）、碱解氮（碱解扩散法）、有效磷（NaHCO3浸提-钼蓝比色法）和速效钾（NH4OAC 浸提-火焰光度计法）含量[29]，结果见表2。

表2 供试地土壤基础理化性质Table 2 The physical-chemical properties of the experimental soils

1.3.2 植株样品采集与测定

夏玉米成熟后，于各小区随机选取4 株玉米，分为植株和籽粒两部分，105 ℃烘箱中杀青30 min 后调至65 ℃烘干至恒质量，计算生物量。采用浓H2SO4-H2O2法消煮制备待测液，用AA3 流动注射分析仪、钼黄比色方法、火焰光度计法分别测定植株和籽粒全氮、全磷、全钾含量[29]。

1.3.3 成熟期产量测定

成熟期于各小区选取长势均匀的玉米样方10.8 m2（长×宽=3.6 m×3.0 m），自然风干后脱粒称质量，采用PM-8188-A 型谷物水分测定仪测试夏玉米籽粒含水量，换算成14.0%含水量的作物产量。

1.3.4 植株生理指标测定

分别于夏玉米大喇叭口期、吐丝期、灌浆期（鹤壁为夏玉米播种后40、56 d 和77 d；新乡为播种后39、50 d和79 d）进行生理指标的测定。

叶片光合速率测定：各小区选取最新完全展开叶（大喇叭口期）或穗位叶（吐丝期和灌浆期），于光照充足的11：00—14：00，采用LI-6800 光合测定系统（LICOR，美国）进行净光合速率（Photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（Stomatal conductance，Gs）、胞间CO2浓度（Intercellular CO2concentration，Ci）、蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）等光合指标的测定。

叶片叶绿素的测定：各小区选取五片最新完全展开叶（大喇叭口期）或穗位叶（吐丝期和灌浆期），用乙醇提取，分光光度计测定叶绿素含量[30]。

叶片解剖结构测定：在距离主叶脉0.5 cm 左右处剪取1 cm×3 cm 大小叶片，固定包埋后制成叶片横切片，甲苯胺蓝染色，在OLYMPUS BH2 型植物显微成像分析系统选取3 个视野清晰的位置拍摄，拍摄倍数为200 倍。利用Image-Pro Plus 6.0 专业图像分析软件测量叶片厚度（LT）、上表皮厚度（UET）、下表皮厚度（LET）、叶鞘间距（SS）和叶肉厚度（MT）等叶片解剖指标（图1）。

图1 夏玉米叶片解剖结构Figure 1 Anatomical structure of summer maize leaves

冠层光合有效辐射（PAR）测定：于光照充足、晴朗无风的11：00—14：00，采用LI-COR190SA 线性光量子传感器测定玉米PAR:正测玉米上方0.10 m 处光合有效辐射（PARci）、反测玉米上方0.20 m 处光合有效辐射（PARcr）、正测玉米根部0.05 m 处光合有效辐射（PARgi）、反测玉米根部0.10 m 处光合有效辐射（PARgr）。

1.4 数据处理与分析

按照苏瑞光[31]和宋蝶等[32]方法分别计算夏玉米肥料利用率等相关指标，具体如下：

养分积累量（kg·hm-2）=植株干物质量×植株养分含量

肥料利用率=（施肥区养分积累量-无肥区养分积累量）/施肥量×100%

肥料农学效率（kg·kg-1）=（施肥区作物产量-无肥区作物产量）/施肥量

FPAR=[（PARci-PARcr）-（PARgi-PARgr）]/PARci[33]

收获指数=籽粒养分积累量/地上部养分积累量×100%

采用Microsoft Excel 2016 进行基础数据输入与前期处理；SPSS 22.0 软件进行单因素方差（ANOVA）和Duncan 新复极差法差异性显著分析，显著性水平设定为α=0.05；Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 养分专家系统推荐施肥对夏玉米叶片光合作用的影响

从表3 可知，净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）在不同施肥处理和生育时期均存在显著差异。在鹤壁试验点，大喇叭口期Pn表现为ST（31.32 μmol·m-2·s-1）＞NE（29.37 μmol·m-2·s-1）＞RNE（26.36 μmol·m-2·s-1）＞FP（24.98 μmol·m-2·s-1）；在吐丝期NE 和RNE 处理Pn别 为31.03 μmol·m-2·s-1和32.95 μmol·m-2·s-1，显著高于FP 处理，与ST 处理无显著差异（P＞0.05）；RNE 处理Pn在吐丝-灌浆期整体高于其他处理。Gs在吐丝期各处理之间存在差异，其中NE 和RNE 处理较FP 处理分别提高7.65%和13.01%，差异不显著（P＞0.05）。Ci在夏玉米叶片间的变化趋势与其他光合指标整体存在相反的趋势。Tr在各生育时期无明显差异，基于养分专家系统的推荐施肥（包括NE 和RNE 处理）较FP 处理平均提高25.36%。在新乡试验点，光合指标变化趋势与鹤壁试验点基本一致。其中，Pn在整个生育期各处理间差异不显著，Pn、Gs和Tr在大喇叭口-吐丝期整体高于吐丝-灌浆期，Ci在吐丝期整体低于其他生育时期，基于养分专家系统的推荐施肥（包括NE 和RNE）处理较FP、ST处理分别降低了1.76%、7.98%。

表3 不同施肥模式下夏玉米光合特性比较Table 3 Comparison of photosynthetic characteristics of summer maize under different fertilization modes

2.2 养分专家系统推荐施肥对夏玉米叶片叶绿素含量的影响

不同施肥处理在各生育时期叶绿素含量的变化状况见图2，结果表明，各处理叶绿素a 和叶绿素b 含量在大喇叭口-吐丝期呈增长趋势，在吐丝-灌浆期呈下降或缓慢增长趋势；类胡萝卜素含量全生育期内变化不大，整体呈现下降趋势。夏玉米叶绿素含量在吐丝期含量达到最大值，两试验区NE、RNE 较FP处理平均增加3.43%、2.38%（鹤壁）和5.60%、2.69%（新乡）。

图2 不同施肥模式对夏玉米各生育时期叶绿素的影响Figure 2 Effects of different fertilization patterns on chlorophyll growth in summer maize

2.3 养分专家系统推荐施肥对夏玉米叶片解剖结构的影响

图3 为夏玉米吐丝期各施肥处理下叶片解剖结构，正常施肥状态下（FP、ST、NE、RNE）的叶片厚度（LT）相对较大、叶肉细胞排列整齐（图3a、3b、3c、3d），肥料减施状态下（NE-N、NE-P、NE-K）的叶片细胞间隙变大且排列疏松（图3e、3f）。从大喇叭口期到灌浆期，夏玉米叶片解剖结构前期变化不大，后期上表皮厚度（UET）、下表皮厚度（LET）和叶肉厚度（MT）整体呈现降低的趋势（表4）。在吐丝期对鹤壁和新乡两试验区的叶片解剖结构进行分析，正常施肥与肥料减施处理之间叶片解剖结构差异显著（P＜0.05），LT指标基于养分系统的推荐施肥（NE、RNE）处理较FP、ST处理平均提高6.87%、4.24%；UET、LET和鞘间距（SS）指标各施肥处理之间并无显著差异（P＞0.05），基于养分专家系统的推荐施肥整体呈较高水平；NE、RNE处理MT指标较FP 处理平均提高10.06%、3.83%，与ST处理无显著差异（P＞0.05）。

表4 不同施肥模式对夏玉米各生育时期叶片解剖结构的影响（μm）Table 4 Effects of different fertilization patterns on leaf anatomy in summer maize growth period（μm）

图3 不同施肥处理下夏玉米吐丝期叶片石蜡横切片比较Figure 3 Cross section comparison of leaf paraffin sections in different fertilization treatments at the silking stage

2.4 养分专家系统推荐施肥对夏玉米冠层光合有效辐射的影响

由图4 可知，施肥显著提高夏玉米冠层吸收光合有效辐射分量（FPAR），不同施肥处理之间存在显著差异（P＜0.05）。从大喇叭口期到灌浆期不同施肥处理FPAR 呈现先缓慢增加后降低的趋势。在吐丝期夏玉米冠层结构逐渐密闭，FPAR达到最大值；在鹤壁试验区，施肥状态下各处理之间无显著差异（P＞0.05）；在新乡试验区，基于养分专家系统的推荐施肥处理（NE、RNE）较FP 处理提高12.96%、6.28%，与ST 处理无显著差异（P＞0.05）。在灌浆期，植株由营养生长转入生殖生长，FPAR逐渐降低。进一步研究表明，不施磷、钾肥夏玉米FPAR值变化幅度相对较大，表明适当增加磷、钾肥施用量，对改善群体光合有效辐射起到促进作用，这一点在吐丝期表现得尤为明显。

图4 不同施肥模式下夏玉米冠层光合有效辐射的变化Figure 4 Changes of canopy photosynthetically active radiation in summer maize under different fertilization patterns

2.5 养分专家系统推荐施肥对夏玉米产量的影响

由图5 可知，与磷钾配施（NE-N）、氮钾配施（NE-P）、氮磷配施（NE-K）处理相比，氮磷钾合理配施显著增加夏玉米产量（P＜0.05）。其中NE、ST 处理产量效益较好，NE 与RNE 处理差异不显著，与FP 处理差异显著（P＜0.05）。与NE-N、NE-P、NE-K处理相比，NE 处理分别增产28.70%～34.56%、23.08%～29.02%、19.32%～32.18%。在鹤壁试验点，NE、RNE较FP处理分别增产19.24%和11.33%，在新乡试验点分别增产14.00%和11.47%。ST 与RNE 处理差异不显著（P＞0.05），交互作用研究表明，试验地点（S）和处理（T）对作物产量影响均达到极显著水平（P＜0.001），两者交互（S×T）作用对产量的影响未达到显著水平（P＞0.05）。

图5 不同施肥模式下夏玉米产量Figure 5 Yields of summer maize under different fertilization patterns

2.6 夏玉米产量和生理特性的相关性分析

由表5 可知，在整个生育期内夏玉米产量与FPAR呈极显著正相关（P＜0.01），与Ci呈显著负相关（P＜0.05）。在大喇叭口-吐丝期，产量与叶片解剖结构参数（LT、UET、LRT、SS、MT）显著相关（P＜0.05），在灌浆期未达到显著水平。叶绿素a（CHa）和叶绿素b（CHb）在灌浆期与产量极显著相关，Pn和Gs在吐丝期与产量极显著相关（P＜0.01）。进一步对夏玉米产量和生理特性进行灰色关联分析（表5），关联度越大表明该指标与产量的关系越密切。结果表明，关联序与相关性分析结果整体保持一致，UET、FPAR在全生育期内都表现出较强的关联度，在灌浆期各指标相关性表现为CHb＞CHa＞FPAR＞Gs＞Pn，这5 种指标对产量的影响较大。

表5 产量与生理特性相关分析及灰色关联分析Table 5 Correlation analysis and grey relation analysis of yield and physiological characteristics

2.7 养分专家系统推荐施肥对夏玉米肥料利用率的影响

由表6 可知，在鹤壁试验区，NE 处理氮、磷、钾肥料利用率分别是26.16%、16.63%、50.95%，与NE 处理相比，RNE 表现出更高的肥料利用率；在新乡试验区，NE 处理氮、磷、钾肥料利用率分别是33.09%、13.83%、30.14%，RNE 与NE 处理相比，二者差异不明显。夏玉米氮、磷、钾肥料农学效率整体表现出与肥料利用率一致的趋势，其中新乡试验区氮肥农学效率明显低于鹤壁试验区。

表6 养分专家系统推荐施肥对夏玉米肥料效率指标的影响Table 6 Effects of nutrient expert system recommended fertilization on fertilizer efficiency index of summer maize

3 讨论

氮磷钾合理施肥可显著提高夏玉米产量，基于养分专家系统推荐施肥（NE、RNE）在鹤壁、新乡试验区较当地农民习惯施肥（FP）平均增产16.62%、11.40%，这与王宜伦等[4]在玉米上施肥增产且氮磷钾肥平衡施用增产效果最好的结论相一致。与NE-N、NE-P、NE-K 处理相比，NE 处理分别增产28.70%～34.56%、23.08%～29.02%、19.32%～32.18%，NE 与RNE 处差异不显著，考虑到缓控释肥能提高中后期土壤养分含量[34]，可能由于包膜尿素释放期过长（60～90 d），而玉米生育期短，包膜尿素释放期和释放速率不能够满足玉米整个生育期对氮素的需求。交互作用表明，试验地点和处理对作物产量的影响均达到极显著水平（P＜0.001），两者交互作用对产量的影响未达到显著水平（P＞0.05），这与李岚涛等[35]在玉米上的研究基本一致。NE 处理优化了氮磷钾的用量，较ST 处理在降低16.67%钾肥的同时并未造成减产，这与试验地区土壤钾肥较为丰富有关，也进一步验证合理施肥的重要性。不同施肥处理通过何种途径造成产量因子的差异仍需要进一步探究，玉米作为高光效C4植物，其干物质的形成主要通过光合作用来实现，提高玉米的光合效率将有助于玉米产量的提升[6]。

玉米产量受光合指标、叶绿素含量、太阳光辐射等生理特性影响显著。刘永忠等[36]研究发现，产量与净光合速率、气孔导度、蒸腾速率之间均呈正相关，本试验中夏玉米在大喇叭口-灌浆期得到相同的结果。NE 较ST 处理相比，降低施肥量并未显著降低叶片中叶绿素含量，李志宏等[10]的研究表明叶绿素含量与植株氮营养有密切关系，叶绿素含量又与光合作用紧密相关，这也强调了合理施肥的重要性。FPAR值可以作为评估产量的重要参数[37]。本研究表明，大喇叭口-灌浆期内夏玉米FPAR值与产量呈现极显著正相关（P＜0.01），在吐丝期夏玉米冠层结构逐渐密闭，FPAR达到最大值。基于养分专家系统的推荐施肥处理（NE、RNE）与ST处理无显著差异（P＞0.05），同样的结论在贺佳等[33]对冬小麦的遥感监测中也得到验证，其认为适量提高氮磷供应水平能有效显著改善冬小麦群体FPAR值（P＜0.05）。叶片是玉米进行光合作用的主要器官，是截获光能的物质载体，叶面积大小及光合作用强弱对玉米生长发育及产量有重要影响[18]。本研究结果证实，在大喇叭口-吐丝期，产量与叶片解剖结构参数（LT、UET、LRT、SS、MT）显著相关（P＜0.05）。在吐丝期NE处理的叶肉厚度显著大于其他施肥处理，从而造成光合作用上的差异。叶片一定的厚度可保证充足的叶绿素含量，延长有效光合作用时间，提高玉米吐丝后群体光合速率，能够显著提高产量[16]。

光合生理特性变化趋势影响夏玉米的产量，提高肥料利用率是科学施肥的重要目标，农学效率和肥料利用率是衡量科学施肥的主要参考指标[38]。张福锁等[39]对全国粮食主产区开展的1 333个田间试验结果显示，玉米氮、磷、钾肥料利用率分别为26.10%、11.00%、31.90%，肥料农学效率分别是9.80、7.50、5.70 kg·kg-1。本试验中，NE 处理氮、磷、钾肥料利用率分别是26.16%～33.09%、13.83%～18.37%、30.14%～50.95%，肥料农学效率分别是8.58～15.31、20.38～24.80、15.95～33.02 kg·kg-1，整体高于全国平均水平。

4 结论

（1）氮、磷、钾肥合理配施可有效提高夏玉米产量，基于养分专家系统推荐施肥处理及在此基础上施用缓控释肥处理的夏玉米产量与当地农技部门推荐施肥处理无显著差异，较当地农民习惯施肥处理分别增产16.62%和11.40%。

（2）氮、磷、钾合理施用可有效降低叶片胞间CO2浓度、提高净光合速率，对叶片解剖结构和叶绿素含量具有积极影响，光合有效辐射分量在夏玉米整个生育期内对产量的影响较大。

（3）养分专家系统推荐施肥处理氮、磷、钾平均肥料利用率分别为29.63%、15.23%、40.55%，农学效率分别为11.95、22.59、24.49 kg·kg-1，整体高于全国平均水平。