周年减氮对玉米-大蒜轮作系统作物光合特性和干物质积累及产量的影响

莫 勤,刘 丹,马 驰,刘 博,张 威,王俊营,丁瑞霞,韩清芳

(1.西北农林科技大学 农学院,陕西杨凌 712100;2.农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室/西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院,陕西杨凌 712100)

玉米是中国重要的粮食作物,种植面积占全国粮食作物种植面积36%[1],产量占到粮食总产近40%[2],其中黄淮海夏播玉米区是重要的分布区域,种植面积约占全国总面积的29%,产量约占全国的30%[3],对保障国家粮食安全、工业生产原料和畜牧饲料等具有重要的意义。大蒜是中国传统蔬菜和优势园艺作物,栽培面积和产量均居世界第一[4-6],其经济产量由蒜薹和鳞茎(蒜头)两部分构成,地上部抽生的蒜薹可以作蔬菜食用,其地下部的鳞茎主要用作调味品,经过加工提取的大蒜素还可以做药品[7-8]。大蒜作为葱属类植物,其根系分泌的化感物质可消灭有害病菌,影响土壤环境[4,9],是公认的良好前茬作物[5,10]。陕西关中灌区是中国夏玉米的主要分布区之一[11],玉米-大蒜轮作是关中地区重要的农田种植模式,在保证区域粮食安全和提高农业收益方面有积极影响。

氮素通过参与植株叶片光合色素的构建,进而影响植物的光合作用,从而影响作物产量[12-14]。多数研究显示,氮素对作物的产量贡献度可达40%～50%[15-17]。中国是世界上氮肥生产和消费大国,农业生产所需的氮肥(纯氮)每年达到3 000万t,约占全球氮肥用量的30%[18]。近年来,农田土壤中的氮肥残留已经超过175 kg·hm-2,已经成为农业环境污染的重要因子[19]。过量施肥导致地下水污染、水体富营养化、氮肥利用率低等一系列问题日益严重[20-24]。调查发现,在关中部分地区的夏玉米纯氮平均用量达到288 kg·hm-2,而在大蒜生产中施氮量高达417.6 kg·hm-2,远超作物需氮水平[25-27]。因此,在保证产量的前提下合理的施用氮肥是一个亟待解决的问题[18,25]。周年氮肥的合理运筹不仅能保障作物产量,而且对发展高产、高效、绿色农业及提高农户经济收入有重要意义。

目前,在玉米-大蒜粮菜两熟种植系统中,更多注重施氮对当季作物生长的影响,忽视了周年轮作氮肥统筹的系统性研究[28-29]。因此,本研究根据生产实际施肥量和农田减肥要求[30],设置玉米-大蒜轮作系统两季作物的减氮组合试验,分析周年减氮对玉米和大蒜光合特性、干物质积累及产量的影响,探讨周年氮素运筹与两季作物生产的关系,以期为提高农田生态系统资源利用效率和生产可持续性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020-2021年在陕西杨凌西北农林科技大学旱区农业节水研究院研究基地进行 (34°21′N,108°10′E)。该地位于关中平原,海拔 524.7 m,年均温度13.6 ℃,属于半湿润易旱区,试验期的气候状况如图1所示。供试土壤为塿土,熟制为一年两熟,具备一定的灌溉条件。本试验是从2019年起开始实施玉米、大蒜一年两熟制长期的定位施肥试验,试验前0～20 cm土壤养分含量:有机质10.56 g·kg-1,碱解氮45.37 mg·kg-1,速效磷13.29 mg·kg-1,速效钾 109.62 mg·kg-1。

图1 试验地作物生育期内日平均气温和降水量(2020-2021年)Fig.1 Average daily temperature and precipitation during growth period of crop( 2020-2021 )

1.2 试验设计

本研究将夏玉米-冬大蒜轮作系统作为统一的生产系统,在玉米季设3个氮素水平,纯氮量分别为常规施氮(M1,220 kg·hm-2)、减氮20%(M2,176 kg·hm-2)和减氮40%(M3,132 kg·hm-2);大蒜季设2个氮素水平,纯氮量分别为常规施氮(G1,300 kg·hm-2)和减氮20%(G2,240 kg·hm-2),共6个试验处理:G1M1、G1M2、G1M3、G2M1、G2M2、G2M3(表1)。

表1 不同试验处理施肥量Table 1 Fertilizer application rates under different experimental treatments

大蒜季的基肥∶追肥=1∶1,基肥于播种前开沟施入,追肥于4月中旬(鳞芽花芽分化期)施入;玉米季肥料于拔节期作追肥一次性施入。两季均施用磷肥P2O5150 kg·hm-2和钾肥K2O 150 kg·hm-2。试验所用氮肥、磷肥、钾肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O516%)、硫酸钾(K2O 52%)。小区面积24 m2(4 m×6 m),小区间设置0.5 m宽的保护行。玉米品种为‘郑单958’,密度6.75万株·hm-2,沿南北行向播种,2020-05-25播种,9月17日收获。大蒜品种为‘苍山蒜’,属于鳞茎、蒜薹两用品种,沿南北行向播种,蒜瓣(鳞茎)最下部一致埋深5 cm,行距 25 cm,株距10 cm,密度40万株·hm-2,鳞芽腹背连线与行向平行,于2020-09-18播种,2021-05-04采收蒜薹,5月19收获鳞茎(蒜头)。灌水、除草、收获方式等其他管理措施同一般大田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶片光合特性和叶绿素SPAD值 在玉米拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)和大蒜鳞芽花芽分化期(FBS)、蒜薹伸长期(BES),选择晴朗天气的上午9:00- 11:00,每个小区选取5株具有代表性的植株,用Li-6400便携式光合仪(Li-COR Inc.,Lincoln,NE,USA)测定玉米和大蒜功能叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。同时,利用便携式SPAD-502叶绿素仪(Konica Minolta,Inc.,Tokyo,Japan)测定功能叶片(叶片基部、中部和上部)的相对叶绿素含量SPAD值。

1.3.2 干物质积累 在玉米苗期(V3)、拔节期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)、完熟期(R6)和大蒜苗期(SS)、鳞芽花芽分化期(FBS)、蒜薹伸长期(BES)、鳞茎膨大期(BSS),各处理选取长势均匀的5株植物,于 105 ℃烘箱杀青30 min,75 ℃烘干至恒量,称量。

1.3.3 产量 玉米:在成熟期,每个小区随机取30株进行考种,包括穗行数、行粒数、百粒质量等,按14.0%的含水量计算产量。

大蒜:分别在大蒜蒜薹和鳞茎成熟期,每个小区取1 m2内的所有植株,测定蒜薹和蒜头的鲜质量,计算产量。

1.4 数据整理与统计分析

运用 Microsoft excel 2019对试验数据进行分析处理,利用 SPSS 26.0进行ANOVA方差分析、Pearson相关性分析和多重比较(LSD法),图形绘制采用 Origin 2020 Pro。

2 结果与分析

2.1 周年减氮对玉米和大蒜SPAD值的影响

玉米和大蒜的叶绿素相对含量SPAD值变化如图2所示,随着玉米季施氮量的减少,玉米SPAD整体呈现逐渐下降的趋势,大蒜季减氮降低玉米SPAD值。在G1水平下,M2较M1的SPAD在V6、V12、R3无显著降低,甚至在R1显著提高8.2%,而M3显著降低玉米的SPAD (P<0.05)。与常规施肥G1M1相比,各减氮处理的SPAD在V6降低2.3%～15.4%,V12降低2.0%～17.5%,R3降低0.6%～9.2%。方差分析表明,前茬施氮量显著影响玉米生长前期的SPAD值(P<0.05),当季施氮量极显著影响各个时期SPAD值(P<0.01)。

不同小写字母表示不同处理在0.05水平上差异显著。*和**分别表示方差分析在0.05和0.01水平上显著。下同

随着施氮量的减少,大蒜SPAD值逐步降低,与G1相比,G2水平下的大蒜SPAD显著降低(P<0.05)。各时期均表现为G1M1>G1M2>G1M3>G2M1>G2M2>G2M3,其中G1M1和G1M2无显著差异。方差分析发现,前茬和当季施氮量均极显著地影响大蒜叶绿素含量 (P<0.01),当季大蒜施肥量的影响更高。

2.2 周年减氮对玉米和大蒜光合特征值的影响

如图3所示,玉米的光合性能受到两季施氮量的调控,玉米季减氮整体降低玉米叶片的Pn、Gs和Tr,表现为M1>M2>M3,大蒜季G1施氮水平下玉米光合性能较好。在G1施氮水平下,减氮M2与常规M1的Pn在V6和V12期差异不显著,减氮M3则显著降低4.9%和 4.1%;在R1时,M2较M1没有降低,反而显著提高 6.0%,M3显著降低12.8%;在R3时,M2和M3较M1显著降低20.4%和38.9%。方差分析发现当季施氮量极显著影响玉米V6-R3的光合特性(P<0.01),前茬施氮量及两季交互作用主要在V6和R1显著影响对玉米光合特性 (P<0.05)。

图3 不同施氮处理的玉米光合特征参数Fig.3 Photosyntheticcharacteristic parameters of maize under different nitrogen treatments

大蒜叶片光合性能受到施氮量的显著影响(图4),大蒜季减氮G2水平较常规G1水平Pn、Gs和Tr显著降低16.7%、31.7%和24.8% (P<0.05),玉米季减氮也降低大蒜的光合性能,但在G1施氮水平下,M1、M2与M3下的Pn差异不显著。各时期Pn、Gs和Tr随着施氮量的减少而降低,各组合处理表现为G1M1>G1M2>G1M3>G2M1>G2M2>G2M3,与常规施肥G1M1相比,减氮处理的Pn、Gs和Tr平均降低3.1%～22.0%、9.4%～46.7%和7.7%～ 34.2%。方差分析显示,两季的施氮量均显著影响了大蒜的Pn、Gs、Tr(P<0.05),且大蒜季施氮量影响更大,两季互作影响不显著。

图4 不同施氮处理的大蒜光合特征参数Fig.4 Photosynthetic characteristic parameters of garlic under different nitrogen treatments

2.3 周年减氮玉米-大蒜轮作系统作物干物质累积动态

玉米和大蒜的干物质积累动态如图5所示。周年氮肥统筹显著影响了玉米的干物质积累 (P<0.05),整个生育时期干物质积累动态呈“慢-快-慢”S型曲线。玉米季减氮下的干物质积累表现为M1>M2>M3,彼此间差异显著(P<0.05)。大蒜季减氮G2水平下的玉米干物质积累量低于常规G1水平。从V6至R3期,G1M2与G1M1处理的干物质积累较高,处理间无显著差异。与常规施肥G1M1相比,各减氮组合处理的干物质积累量在R6期显著减少4.3%～ 30.1%(P<0.05)。方差分析显示,两季施氮量均极显著影响玉米生长期内的干物质积累(P< 0.01),两季施氮量的交互作用也显著影响玉米的干物质累积。

图5 不同施氮处理的玉米和大蒜干物质积累量Fig.5 Dry matter accumulation of maize and garlic at different nitrogen application stages

大蒜干物质积累速率在BES期最快,大蒜季G2减氮水平显著降低了大蒜的干物质积累(P<0.05)。与常规施氮G1M1相比,其他处理的干物质在BES期降低6.5%～39.5%,在BSS期降低10.7%～39.5%。方差分析显示,当季施氮量显著影响大蒜苗期的干物质积累(P<0.05),极显著地影响了鳞芽花芽分化后的干物质积累,前茬施氮量极显著影响了蒜薹伸长期及鳞茎膨大期的干物质积累(P<0.01),两季交互在大蒜生长后期的作用明显。

2.4 周年减氮对玉米-大蒜轮作系统产量的影响

由表2可知,大蒜季和玉米季施氮量及二者互作对玉米穗粒数和产量影响均达到显著水平(P<0.05),玉米季减氮主要通过穗粗和穗粒数而影响了产量。各处理间穗长、穗粗差异显著,G2M3处理的穗粒数较常规施肥G1M1显著降低,各处理间的百粒质量无显著差异。玉米季减氮M2与常规施氮M1的产量无显著差异,减氮M3显著降低玉米产量14.3%。大蒜季减氮G2水平较G1水平玉米产量显著降低10.8%。各组合处理中,与G1M1相比,G1M2处理小幅增产1.4%,其他处理的产量显著降低5.4%～ 25.8%。

表2 不同处理玉米籽粒产量及穗部性状Table 2 Grain yield and ear traits of maize under different treatments

当季施肥对大蒜产量影响最显著(表3),大蒜季减氮G2水平较G1水平的蒜薹和蒜头产量平均降低21.1%和27.0%。在G1施肥水平下,玉米季M2与M1施氮水平的大蒜产量没有显著差异,其他减氮组合处理的蒜薹和蒜头产量分别显著降低6.9%～29.0%和14.9%～39.0% (P<0.05)。方差分析显示,大蒜季和玉米季施氮量均极显著地影响两部分产量(P<0.01),其中大蒜季的影响更大,而两季氮肥互作无显著 影响。

表3 不同施氮处理大蒜产量Table 3 Garlic yield of different nitrogen treatments

3 讨 论

3.1 周年减氮对植株光合特性及SPAD值的影响

叶片是表征植株生长状况最灵敏的器官,其叶绿素相对含量SPAD值可以反映植株氮素养分状况[31],影响植株光合作用[16],适宜条件下叶片SPAD值与施肥量成正比关系[31-32]。本研究结果表明玉米季减氮和大蒜季减氮整体上均导致玉米SPAD值的降低,光合作用减弱。在一年两熟轮作系统中,前茬施氮量会显著影响当季作物的SPAD值,氮肥后效明显[33]。本研究中,前茬作物的施氮量显著影响了后茬作物的叶绿素含量及光合特性,特别是在玉米季表现更加明显,前茬大蒜季较高施肥水平300 kg·hm-2下玉米具有更高的光合效率,同时在该条件下,玉米季减氮20%的光合性能较常规施肥没有明显降低。各组合处理中整体以G1M2与G1M1处理具有较高的SPAD值和光合速率,且G1M2处理的两个指标在吐丝期显著高于G1M1。SPAD值反映了植株对氮过量不敏感[31],施加更多的氮素并不能继续增加叶绿素含量,这可能是由于玉米根系较深,能够吸收更多前茬残留氮素,当植物体内的氮素超过一定临界值后,叶片叶绿素含量达到阈值,光合速率反而可能下降[16]。G1M2在保证了玉米较高的叶绿素含量和光合速率的同时,还延长了重要生育时期的光合持续时间。因此,在前茬较高施肥量的残留补偿效应下适当减少当季施氮量并不会对叶片叶绿素含量产生显著影响,进而保证植株较好的光合能力,但是两季减氮过量会导致SPAD值显著降低。

在大蒜季,SPAD值随着当季施氮量的减少而降低。张亚娟等[29]研究发现增加氮肥投入能够显著改善植株光合性能,施氮量240 kg·hm-2更有助于提高大蒜叶片的叶绿素含量和光合速率。本研究结果表明大蒜季减氮20%显著降低大蒜的光合性能,在300 kg·hm-2施氮量下有更高的叶绿素含量和光合速率,这可能是由于本研究的材料属于两用品种,因此对氮素的需求量较高,而玉米季减氮M1与M2对G1水平下的大蒜SPAD值和光合速率影响不显著。因此,轮作系统中通过综合管理两季氮肥的投入能够更有效地增加植株叶片叶绿素含量,调控叶片气孔的开闭,促进水分和二氧化碳的交换,进而为作物有较高的光合速率提供保障[34]。

3.2 周年减氮对作物干物质积累和产量的调控

作物产量形成的实质是光合产物的积累,周年调控合理施用氮肥对农作物的生长意义重大,两季的氮肥综合管理可以有效提高植株的干物质积累进而影响产量的形成[35]。有研究表明,在关中平原轮作体系中,氮肥周年优化施用对干物质积累无显著差异,适量减氮并未降低冬小麦、夏玉米产量[36]。本研究中,玉米干物质的积累随着当季施肥量的减少而降低,且在前茬大蒜季G1施肥水平下,玉米季减氮20%的玉米干物质积累量与常规施肥在乳熟期前无显著差异。同时前茬大蒜季G1施肥水平下的干物质积累高于G2水平,可能是由于前茬大蒜较高施肥水平增加了土壤氮素残留,且在当季施肥量较低情况下前茬残留效果显著。因此,在当前人们过量施肥的轮作种植体系中,应充分考虑茬口作物的需肥特性统筹氮肥投入,达到减氮增效的目的。有研究表明,施氮量在180 kg·hm-2内氮肥投入与玉米产量成正比,继续投入氮肥增产效益不显著[37]。陈磊等[38]在华北小麦-玉米轮作种植体系下,连续 3 a减氮25%甚至40%,玉米籽粒产量未受到显著影响。本研究结果表明,在前茬大蒜季G1施肥水平下,当季减氮20%下玉米的产量与常规施氮的产量无明显差异,甚至小幅增产1.4%,而减氮40%显著降低了玉米的产量。从干物质积累的方差分析结果来看,玉米生长前期主要受到大蒜季施肥水平的影响,这可能是由于玉米前期生长较为缓慢,对氮素的吸收较少,此时可利用前茬残留氮素供给玉米生长发育,从拔节期后快速生长,对氮素需求增强,符合营养生长阶段玉米对养分的需求规律,此时追肥投入有利于促进植株的生长发育从而为产量的形成奠定基础。

大蒜作为一种高附加值的经济作物,其产量包括蒜薹和鳞茎两部分。氮素是限制大蒜产量形成的主要因素之一[39],增施氮肥用量可以提高蔬菜的产量[40],有研究表明,高水平的氮肥有利于大蒜地上部分蒜薹的快速生长,适度的氮肥水平更有利于地下部分鳞茎的发育[41],而当施氮量超过300 kg·hm-2时,大蒜生长季后存在氮素过剩现象[8]。本试验结果表明在施氮量300 kg·hm-2下,大蒜具有更高干物质积累效果和产量效益,同时发现,前茬残留对大蒜效果较玉米不明显,而大蒜季当季施肥量影响更加显著,这可能是由于大蒜根系较浅,对前茬残留氮素的吸收能力低于玉米。目前,已经初步明确了周年氮肥运筹对轮作系统作物光合能力和产量的影响,对轮作系统氮素吸收的生理机制还需要进一步 研究。

4 结 论

根据轮作系统作物生长和需氮特性,合理调整不同作物生长季的氮肥投入量是兼顾作物生产和减少资源浪费的科学措施。本研究表明,玉米季减氮玉米-大蒜轮作体系下大蒜季常规施氮、玉米季适量减氮20%的施肥模式可保持轮作周期内植株叶片的叶绿素含量和正常的光合能力,维持玉米吐丝后的干物质积累速率,保证作物干物质的累积和作物产量的形成。大蒜季减氮20%或玉米季减氮40%均不利于周年生产。综上所述,在玉米-大蒜轮作系统中,适当减少玉米季氮肥20%是一种合理的氮肥运筹模式,这可为关中地区玉米-大蒜生产施肥技术提供合理的科学依据。