不同施肥处理对谷子光合特性及产量的影响

张 彪，赵沛义，任永峰，张 鹏，高宏艳，韩云飞，杜二小，罗素菊，王宣茗

（1.内蒙古农业大学 农学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；3.内蒙古旱作农业重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010031）

谷子是现代人最喜爱的粮食之一，我国栽培面积约83.3万hm2，年产量140万～250万t，我国总产约占世界的70%[1]。谷子具有生育时期短、耐旱性强、适应性广、耐储藏、粮饲兼用等特点，是北方旱作可持续农业和种植业结构调整的重要作物和应对气候变化的战略储备作物[2-3]。随着人们健康意识的增加，谷子种植面积也呈增加趋势，从而带动了市场需求和农业生产。光合作用是干物质积累的基础，作物生产90%的产量来自光合作用。研究表明，谷子的净光合速率与产量呈显著正相关关系，其中灌浆期的净光合速率显著高于抽穗期，说明灌浆期的光合作用为籽粒充实提供了充足的光合产量来源[4]。在作物生育中后期，较高的光合指标以及理想的干物质积累与分配能更好地提高产量。胡迎春[5]研究表明，缓释化肥配施尿素可以提高玉米大喇叭口期到灌浆期的叶面积指数；侯莉萍[6]研究表明，燕麦生育后期（灌浆期），50%氮肥配施有机肥能够显著提高燕麦叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率；赵隽[7]研究表明，30%氮肥配施有机肥能够显著改善冬小麦的光合特性；段连学等[8]研究发现，75%氮肥配施有机肥能够提高青海甜燕麦的株高、茎粗、叶面积、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、产量、单株小穗数、单株穗粒数和籽粒品质。

由于旱作地区土壤蒸散量大，因此，多数农户使用地膜覆盖的增温、蓄水保墒等特性来有效防止水分快速蒸发，以利于旱作地区作物的生长发育。地膜覆盖在农作物生产中有着极其重要的作用。张旺锋等[9]研究表明，覆膜种植较露地种植棉花产量显著增加，水分利用效率也显著提高。我国近年来的地膜覆盖面积约2 000万hm2，每年使用量超过120万t，在我国农作物生产中起到了作物高产稳产的作用。然而地膜回收困难等问题，也造成我国每年都存在大面积地膜污染的情况[10]。膜侧播种技术不仅解决了掏苗费工、补苗难度大、追肥困难等问题，还避免了高温天气旱地地膜覆盖放苗不及时出现幼苗烧苗的现象，而且比普通全覆膜方法的地膜重复使用率提高80%，回收率可以达到80%以上，大幅度减少了地膜污染[11]。

近年来，谷子成为了内蒙古鄂尔多斯市的主要种植作物，但在谷子的种植过程中，由于单施无机复合肥、培肥施肥模式单一等原因导致谷子后期养分供应不足，氮肥利用率和产量普遍较低。研究表明，有机无机肥配施处理的谷子茎蘖数、叶面积指数要高于单施无机肥[12]。有学者针对有机无机肥配施和单施无机肥的施肥方式进行比较发现，玉米的株高、穗粒重、千粒重和产量等部分性状的差异均达到了极显著水平[13]。也有针对缓释肥与无机化肥配施的研究，作物在生长后期仍能保持充足的矿质元素给作物提供光合原料，有益于作物高产稳产[14-15]。目前，关于不同施肥处理对玉米光合速率以及产量形成的研究较多，但有关内蒙古西北地区谷子不同施肥处理在膜侧播种条件下的光合特性日变化影响的研究报道较少，基于此，本试验进行了谷子产量贡献最大的灌浆期光合特征日变化及不同施肥处理产量的比较，以期为内蒙古鄂尔多斯市谷子高产高效栽培提供理论依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗纳林果园小杂粮科技试验示范基地进行，该基地位于准格尔旗沙圪堵镇（39°44′7.35″N，110°48′18.35″E），属于温带大陆性季风气候，无霜期135 d，年降水量约300 mm，当地主要作物为谷子。试验田基础土壤养分：有机质含量为8.07 g/kg、有效磷含量为6.50 mg/kg、速效钾含量为101.90 mg/kg、碱解氮含量为28.30 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理（表1），PK为空白处理，NPK处理为对照，采取随机区组设计，试验小区面积为40 m2（5 m×8 m），重复3次。有机肥在每年谷子播种前整地施用，人工开沟，1/3氮肥和全部磷钾肥在谷子播种前作底肥施入，2/3氮肥于拔节期追施。于2021年5月20日播种，谷子品种选用金苗K1，人工覆膜谷子种子播种于膜两侧3～5 cm，播种器穴播，每穴保苗3～4株，等行距种植，行距55 cm，株距13 cm，播种密度为30.0万～37.5万株/hm2，9月末收获。田间管理与当地大田管理一致。

表1 试验设计 单位：kg/hm2

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶面积测定

于谷子出苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期在各小区选取6株具有代表性的植株挂牌标记，用于测定叶面积。采用公式单株叶面积=长×宽×0.76计算叶面积。

1.3.2 灌浆期光合指标日变化

于8月30日—9月1日晴朗微风天气下在大田条件下采用汉莎科学仪器有限公司生产的CIRAS-3便携式植物光合作用测定仪进行光合指标的测定，测定时间在8：00—18：00，每隔2 h测定1次。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2018软件处理数据并制图，采用SPSS 26.0统计学软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对谷子各生育时期叶长、叶宽的影响

由表2可知，谷子整个生育时期的叶长呈先增大后减小的趋势。不同施肥处理对于各个生育时期谷子叶长的影响不同，在苗期各处理间叶长差异较小，为11.83～14.17 cm；在拔节期各处理间无显著差异（P＞0.05）；在抽穗期各处理间存在差异，抽穗期叶长为44.31～48.73 cm，叶长最长的为N+BM处理。在灌浆期，N+BM处理的叶长较PK、NPK、N+SM和N+HM处理分别提高了11.92%、8.67%、3.66%和0.51%。

表2 不同施肥处理对谷子各生育时期叶长的影响 单位：cm

由表3可知，各施肥处理谷子的叶宽在苗期和拔节期无明显差异（P＞0.05），但在抽穗期后有显著差异（P＜0.05）；整个生育时期，谷子的叶宽变化幅度较小，从苗期到灌浆期有小幅度的增加趋势，在成熟期时有小幅度的下降趋势。在灌浆期，N+BM处理的叶宽较PK、NPK、N+SM和N+HM处理分别提高了18.5%、11.7%、2.8%和6.9%。N+BM与N+SM处理在成熟期的叶宽较NPK处理提高7.9%和8.9%，说明N+BM与N+SM处理在谷子生育后期叶宽增加幅度优于其他处理。

由表4可知，不同施肥处理对各生育时期谷子叶面积的影响不同，且从苗期到成熟期呈先增大后减小的动态生长趋势，生长速度先慢后快，在抽穗期叶面积达到最大值，灌浆期到成熟期逐渐减小。整个生育时期叶面积变化为6.64～87.60 cm2，在苗期叶面积表现为：N+BM＞N+SM＞NPK＞N+HM＞PK，N+BM处理较NPK处理叶面积分别提高12.2%、5.5%；在抽穗期叶面积表现为N+BM＞N+HM＞N+SM＞NPK＞PK；在灌浆期和成熟期，叶面积均表现为：N+BM＞N+SM＞N+HM＞NPK＞PK，N+BM处理较NPK处理叶面积分别提高21.6%、18.0%，N+SM处理较NPK处理叶面积分别提高13.9%、15.4%。

表4 不同施肥处理对谷子各生育时期叶面积的影响 单位：cm2

2.2 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片净光合速率的日变化

由图1可知，各施肥处理灌浆期谷子叶片净光合速率日变化的整体变化趋势相同，5个处理净光合速率日变化均呈双峰曲线变化，具有光合午休现象，从8：00开始净光合速率逐渐加快，第1次峰值出现在12：00左右，其中N+BM处理净光合速率最大，为17.5 μmol/（m2·s），较PK处理和NPK处理分别提高26.8%、13.9%。净光合速率从大到小依次为N+BM＞N+HM＞N+SM＞NPK＞PK。第2次峰值出现在16：00左右，且以N+BM处理净光合速率最大，为14.0 μmol/（m2·s），较NPK处理提高22.8%；N+HM处理和N+SM处理在16：00时净光合速率分别较NPK处理提高了3.7%、13.8%。

图1 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片净光合速率的日变化

2.3 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片蒸腾速率的日变化

由图2可知，不同施肥处理灌浆期谷子叶片蒸腾速率表现为先上升后下降趋势，在12：00—14：00，各处理均达到最大蒸腾速率，N+HM、PK与NPK处理高于其他两个处理，峰值分别为4.31、4.02和4.27 mmol/（m2·s）。在12：00时，NPK处理叶片蒸腾速率最高，为4.27 mmol/（m2·s），分别较N+SM处理和N+BM处理高12.6%、21.6%。

图2 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片蒸腾速率的日变化

2.4 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片胞间CO2浓度的日变化

由图3可知，不同施肥处理灌浆期谷子叶片胞间CO2浓度表现为“V”字形，在8：00时各处理胞间CO2浓度最高；12：00—14：00时，N+HM、NPK、N+SM、N+BM和PK处理均降到最低值，分别为85、68、70、60和76 μmol/mol；14：00后逐渐升高。N+SM处理胞间CO2浓度在12：00时较NPK处理下降16.6%，N+BM胞间CO2浓度在12：00时较NPK处理下降22.4%。

图3 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片胞间CO2浓度的日变化

2.5 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片气孔导度的日变化

由图4可知，不同施肥处理灌浆期谷子叶片气孔导度日变化曲线成双峰型，气孔导度第1次峰值出现在12：00，第2次峰值出现在16：00。N+SM处理和N+BM处理在12：00时气孔导度要低于其他处理。在12：00时，N+BM处理气孔导度较NPK处理降低了33.3%，N+SM处理较NPK处理降低了39.6%，N+HM处理较NPK处理提高了6.0%。气孔导度在16：00时的大小依次排序为PK＞NPK＞N+HM＞N+SM＞N+BM。

图4 不同施肥处理下灌浆期谷子叶片气孔导度的日变化

2.6 谷子光合指标相关性分析

对谷子叶片净光合速率与胞间CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度进行相关性分析可知（表5），净光合速率与蒸腾速率存在显著正相关关系，与气孔导度存在极显著正相关关系，而与胞间CO2浓度则为负相关关系。其中，净光合速率与气孔导度间的相关系数最高，为0.53；胞间CO2浓度与蒸腾速率间的相关系数最低，为-0.75。

表5 谷子叶片光合指标的相关系数

2.7 不同施肥处理对谷子籽粒产量的影响

由图5可知，各处理谷子籽粒产量顺序从大到小依次为N+BM＞N+SM＞N+HM＞NPK＞PK。N+BM处理的籽粒产量最高，为5 122 kg/hm2；N+BM处理和N+SM处理较NPK处理分别提高16.2%和8.3%；N+HM处理较NPK处理有少量提升但差异未达到显著水平（P＞0.05）。

图5 不同施肥处理下谷子籽粒产量

3 讨论与结论

光合作用是植物物质运动形成干物质的重要基础，是植物生物量和经济产量形成的生理基础，也是叶片光合能力的有效表征，在植物生长发育过程中具有至关重要的作用[16]。在膜侧种植条件下合理施肥是提高农作物高产稳产的有效方法。研究表明，合理配施有机肥可以增加作物叶面积指数，使作物后期仍能保持较高光合性能[17]。作物产量的形成与叶片的光合作用密不可分，光合作用的强弱不仅反映作物生长发育水平，而且直接影响其产量与品质[18]。植物的光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率随外界环境变化而变化。通过本试验可以看出，不同施肥处理谷子的净光合速率整体变化趋势相同，均出现“光合午休”现象，这与前人研究结果一致[19]。但与廖建雄等[20]在谷子叶片光合速率日变化及水分利用效率中净光合速率峰值、胞间CO2浓度最低值出现时间不同，分析其原因可能是经度和纬度不同太阳高度角不同所致。

本试验发现，光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率存在显著相关关系，其中，胞间CO2浓度与其他光合指标呈负相关关系，其余各指标间均为正相关关系；净光合速率的峰值与气孔导度的峰值出现在同一时间段，分析其原因可能为气孔开闭直接影响叶片内光合作用原料供应，从而导致净光合速率降低[13]。本试验结果表明，与单施氮磷钾化肥（NPK）相比，羊粪替代总施氮量20%（N+SM）处理与生物有机肥替代总施氮量20%（N+BM）和缓释尿素替代总施氮量20%（N+HM）处理均能不同程度地提高谷子的叶长和叶宽，从而增加其叶面积。光合作用是影响作物产量的重要生理过程，研究表明，施用有机肥可以提高植物的光合作用强度[21]。本试验结果表明，从8：00—18：00中6个时间点N+SM、N+BM和N+HM 3种施肥处理下谷子叶片的净光合速率均高于NPK处理。生物有机肥替代总施氮量20%（N+BM）处理其净光合速率峰值显著高于其他处理，分析其原因可能是生物有机肥可以间接或直接提高谷子的叶面积，从而使其叶绿素也保持在相对高水平，因此后期仍能保持较高的净光合速率。胞间CO2浓度日变化呈“V”字形，最低值在12：00—16：00，与最低净光合速率时间段相符，在8：00—18：00胞间CO2浓度含量最高为缓释尿素替代总施氮量20%（N+HM）处理。5个施肥处理谷子叶片的蒸腾速率和气孔导度最高值均出现在12：00—14：00，与净光合速率一致，N+BM、N+SM处理下的叶片气孔导度与蒸腾速率作用强度在峰值时都低于NPK处理，表明叶片净光合速率的增加是由于非气孔因素造成的，推测其原因可能为叶片净光合速率还受叶肉细胞光合性能的影响，净光合速率的提高是由于施用有机肥提高了谷子叶肉细胞光合性能。综上所述，谷子整个生育时期叶面积和谷子灌浆期光合特性日变化，得出生物有机肥替代总施氮量20%（N+BM）处理可以使谷子后期保持较高叶面积，提高谷子后期光合能力，从而增加谷子产量，适宜在鄂尔多斯市使用。