减量灌水及有机无机肥配施对西北灌区玉米光合生理、籽粒产量及品质的影响

吴霞玉 李 盼 韦金贵 范 虹 何 蔚 樊志龙 胡发龙 柴 强 殷 文

研究简报

减量灌水及有机无机肥配施对西北灌区玉米光合生理、籽粒产量及品质的影响

吴霞玉 李 盼 韦金贵 范 虹 何 蔚 樊志龙 胡发龙 柴 强 殷 文*

甘肃农业大学农学院/ 省部共建干旱生境作物学国家重点实验室, 甘肃兰州 730070

针对绿洲灌区玉米生产中普遍水肥投入大、利用效率低等问题, 通过研究不同灌水量和有机无机肥等氮配施对玉米光合生理、籽粒产量和品质的影响, 以期获得最佳的灌水水平和有机无机肥等氮配施比例。2021—2022年, 在绿洲灌区采用两因素裂区试验设计, 主区为2个灌水水平(传统灌水和减量20%灌水), 副区为5个有机无机肥等氮配施比例(全施无机氮肥、75%无机氮肥+25%有机肥、50%无机氮肥+50%有机肥、25%无机氮肥+75%有机肥和全施有机肥), 探究玉米光合生理、籽粒产量和品质对不同水氮管理模式的响应特征。结果表明, 与传统灌水(I2)相比, 减量20%灌水(I1)降低了玉米叶面积指数(leaf area index, LAI)、光合势(photosynthetic potential, LAD)、净光合速率(n)、蒸腾速率(r)和气孔导度(s), 提高了胞间CO2浓度(i)、籽粒蛋白质含量和籽粒苏氨酸含量; 有机无机肥配施对玉米光合生理指标、籽粒产量和品质都有显著影响, 随有机肥比例增加, 有机无机肥配施对玉米的影响会逐渐从正效应变为负效应; 与传统灌水结合全施无机氮肥(I2F1)相比, 减量20%灌水结合75%无机氮肥+25%有机肥(I1F2)玉米平均叶面积指数(mean leaf area index, MLAI)提高了6.9%～7.1%, 总光合势(total photosynthetic potential, TLAD)无显著变化; 玉米吐丝期-蜡熟期LAI提高了5.0%～11.4%, 吐丝期-蜡熟期LAD提高了7.5%～9.1%。I1F2较I2F1提高了玉米抽雄期-蜡熟期叶绿素含量(chlorophyll content, SPAD)、n、r和s, 降低了i。2年内I1F2较I2F1玉米增产12.0%～12.5%, 籽粒中蛋白含量提高了6.9%～18.9%, 籽粒中苯丙氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸含量分别提高了29.6%～43.3%、77.7%～93.3%、49.7%～51.5%、18.4%～28.6%、39.5%～46.0%、57.4%～78.1%和35.1%～41.3%。其他处理对玉米光合生理、籽粒产量及品质指标也有一定影响, 但综合2年结果, I1F2影响更显著。因此, 减量20%灌水(3240 m3hm–2)结合75%无机化学氮肥(270 kg hm–2)配施25%有机肥(90 kg hm–2)是实现西北灌区玉米高产优质生产目标的适宜水氮管理模式。

减量灌水; 有机无机肥配施; 光合生理; 籽粒产量; 品质

玉米是我国重要的粮食和饲料作物, 近年来我国玉米种植面积和单产不断增加[1]。干旱灌区是我国玉米重要产地, 但该地区水资源紧缺, 土地贫瘠, 水肥投入大, 降低了水肥资源利用效率[2]。引发了水资源浪费、土壤酸化、养分损失以及温室气体排放大等一系列的环境问题[3-5], 严重威胁农业可持续发展。因此, 如何在保证玉米高产优质的同时, 减少玉米生产管理中水资源浪费、化肥使用过量的问题, 确定适宜的水肥管理模式, 对干旱灌区玉米生产具有重要意义。玉米品质和产量的提升主要受遗传因素、环境条件和栽培措施等共同影响。在玉米生长发育过程中, 施肥、灌水、种植密度、播种时期、收获时期和植物生长调节剂等都会对其产量和品质产生影响。氮肥是玉米增产最主要的因素之一, 长期过量施用化学氮肥影响玉米地土壤理化性状, 降低土壤pH, 导致土壤板结、养分不平衡, 进而影响玉米产量和品质[6-7]。有机肥中富含大量有机质, 能够改善土壤结构和理化性质, 提高土壤肥力。除了必要的氮磷钾元素外, 有机肥还富含各种微量元素, 对于作物生长发育、高产优质有良好的调节作用[8-9]。然而, 有机肥料养分含量低, 不易运输和施用, 单一施用有机肥可能无法满足作物生长需要[10]。大多研究表明, 20%～40%有机肥替代化学氮肥可显著提高玉米产量和淀粉含量[11-13], 也有研究表明, 50%有机肥替代可显著提高玉米籽粒产量、生物产量以及氮素利用效率[14-15]。可见, 适宜比例的有机无机肥配施是实现化肥减量、改善作物品质、提高作物产量和氮肥利用效率的有效措施。另外, 减量灌溉作为干旱和半干旱地区农业可持续发展的重要战略措施, 可以在减少灌溉用水的同时, 平衡作物营养生长与生殖生长之间的关系, 提高作物水分利用效率[16-17]。有研究发现, 干旱灌区水分亏缺不利于作物光合产物的形成, 而50%有机肥配施化肥较单施化肥可有效缓解水分亏缺对作物光合生产的影响, 提高作物产量[18], 也有研究表明, 30%堆肥代替无机肥可有效提高玉米产量[19]。在绿洲灌区, 以往研究主要关注于水氮减施、灌水和有机无机肥配施单一因素对玉米产量和品质、水肥利用效率和土壤微生物特性等方面的研究[20], 但有关减量灌水与有机无机肥配施共同作用下水氮互作对玉米光合生理、籽粒产量及品质等方面影响的研究尚不全面。本研究在绿洲灌区,探讨了不同水肥管理模式对玉米光合生理、籽粒产量及品质的影响, 为绿洲灌区玉米高产优质栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试区概况

本研究于2021—2022年在甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地(37°30′N, 103°5′E)进行。试验区位于河西走廊东端, 属寒温带干旱气候区, 海拔1506 m, 无霜期约155 d, 多年平均降雨量约156 mm、年蒸发量约2400 mm, 年平均气温7.2℃, 年均≥10℃的积温约2985℃; 日照时数2945 h。土壤类型为灌漠土, 0～30 cm土层土壤pH为8.2、土壤容重1.57 g cm–3、有机质12.5 g kg–1、全氮0.68 g kg–1、铵态氮1.87 g kg–1、硝态氮12.51 mg kg–1、全磷(P2O5) 1.41 g kg–1、速效磷29.2 mg kg–1、速效钾152 mg kg–1。2021年和2022年试验区玉米生长季降水量及日平均温度如图1。该地区光照、热量充裕, 但受水资源紧缺、土壤贫瘠的制约, 玉米多采用传统的大水大肥管理, 效益低、浪费严重, 急需研发玉米增产稳产的适宜水氮管理模式。

1.2 试验设计

本试验采用两因素裂区设计, 共设10个处理, 3次重复, 即30个小区, 小区面积31.5 m2(7.8 m×4.5 m)。主区为2个灌水水平, I1: 减量20%灌水(3240 m3hm–2)、I2: 传统灌水(4050 m3hm–2), 副区为5个有机无机肥等氮配施比例, F1: 全施无机氮肥、F2: 75%无机氮肥+25%有机肥、F3: 50%无机氮肥+50%有机肥、F4: 25%无机氮肥+75%有机肥、F5: 全施有机肥。

供试玉米品种选用“先玉335”, 施用有机肥为商品有机肥(富含氨基酸、腐植酸、中微量元素, 有机质≥45%, N+P2O5+K2O≥14%); 种植密度: 8.25万株 hm–2, 穴播, 行距40 cm; 采用无色透明地膜覆盖。所有处理有机肥、磷肥全作基肥施入, 化学氮肥按基肥和追肥4∶6施入, 各试验处理具体灌水量及施肥量如表1。在前一年入冬前统一灌冬水1200 m3hm–2, 传统灌水在玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆前期、灌浆中期分别灌水900、750、900、750和750 m3hm–2; 减量20%灌水在以上玉米相应生育时期分别灌水720、600、720、600和600 m3hm–2。

图1 2021年和2022年试验区玉米生长季降水量及日平均温度

表1 各试验处理灌水量及施肥量

I1F1、I1F2、I1F3、I1F4、I1F5、I2F1、I2F2、I2F3、I2F4和I2F5分别表示减量20%灌水结合全施无机氮肥、减量20%灌水结合75%无机氮肥+25%有机肥、减量20%灌水结合50%无机氮肥+50%有机肥、减量20%灌水结合25%无机氮肥+75%有机肥、减量20%灌水结合全施有机肥、传统灌水结合全施无机氮肥、传统灌水结合75%无机氮肥+25%有机肥、传统灌水结合50%无机氮肥+50%有机肥、传统灌水结合25%无机氮肥+75%有机肥和传统灌水结合全施有机肥。

I1F1, I1F2, I1F3, I1F4, I1F5, I2F1, I2F2, I2F3, I2F4, and I2F5 denote reduced 20% irrigation combined with all inorganic N fertilizer, reduced 20% irrigation combined with 75% inorganic N + 25% organic fertilizer, reduced 20% irrigation combined with 50% inorganic N + 50% organic fertilizer, reduced 20% irrigation combined with 25% inorganic N + 75% organic fertilizer, reduced 20% irrigation combined with all organic fertilizer, conventional irrigation combined with all inorganic N fertilizer, conventional irrigation combined with 75% inorganic N + 25% organic fertilizer, conventional irrigation combined with 50% inorganic N + 50% organic fertilizer, conventional irrigation combined with 25% inorganic N + 75% organic fertilizer, and conventional irrigation combined with all organic fertilizer, respectively.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数(LAI) 用长宽法测定, 在玉米拔节期、小喇叭口期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、灌浆期和蜡熟期各测定一次, 叶面积指数公式如下[21]:

式中, 0.75为校正系数,为玉米种植密度,和分别为叶片的长和宽,为叶片个数。

1.3.2 光合势(LAD)[21]:

式中, 为第个生育阶段的平均LAI,D为第个生育阶段所持续天数。

1.3.3 光合生理指标 利用便携式叶绿素仪(SPAD-502型)测定叶片SPAD值, 测定时期及部位与叶片光合参数指标同步, 每次测定3株玉米, 最后求平均值。采用Li-6800型便携式光合系统测定仪(美国Li-Cor公司), 在玉米大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、灌浆期和蜡熟期, 选择晴朗天气, 于上午09:00—11:30在各小区内随机选取3株玉米, 测定穗位叶中部的净光合速率(n)、蒸腾速率(r)、胞间CO2浓度(i)和气孔导度(s), 结果取平均值。

1.3.4 籽粒品质 玉米籽粒淀粉、蛋白质、脂肪和灰分含量均采用FOSS近红外品质分析仪NIRSDS2500进行的测定, 玉米籽粒氨基酸含量采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱仪(HPLC-ICP-MS)测定。

1.3.5 产量 玉米成熟后按小区单独收获计产, 测定单位面积穗数(除去取样植株所占面积), 计算产量时籽粒含水量为13%。

1.4 数据统计

数据采用Microsoft Excel 2019整理及汇总, 运用SPSS 20.0软件进行方差分析、显著性检验(Duncan’s法,<0.05)、相关分析以及主成分分析, 以及使用Origin 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 减量灌水及有机无机肥配施对玉米全生育期叶面积指数的影响

2.1.1 全生育期平均叶面积指数差异 年份和灌水水平对玉米全生育期平均叶面积指数(MLAI)无显著影响, 有机无机肥等氮配施比例对其影响显著, 三者交互作用对其影响不显著(图2)。2021—2022年, 与F1相比, F2玉米MLAI提高了4.9%～5.1%, F4和F5的MLAI分别降低了为4.0%～4.3%和7.6%～8.3%。与传统灌水结合全施无机氮肥(I2F1)相比, 减量20%灌水结合75%无机氮肥+25%有机肥(I1F2)玉米MLAI提高了6.9%～7.1%, 减量20%灌水结合全施有机肥(I1F5)和传统灌水结合全施有机肥(I2F5)降低了玉米MLAI, 分别为6.2%～6.9%和7.5%～7.7%, 其他处理较I1F2无显著差异。说明减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮有助于提高玉米MLAI, 可以使玉米更好地进行光合作用, 利于生产较多的光合产物。

2.1.2叶面积指数动态 年份及其与灌水水平和有机无机肥等氮配施比例的互作对玉米生育期内叶面积指数(LAI)无显著影响, 灌水水平和有机无机肥等氮配施比例以及二者的交互作用对玉米生育期内LAI影响显著, 各处理LAI在2年内均呈现先增大后减小的趋势, 灌浆期LAI达到峰值(图3)。2021—2022年, 与I2相比, I1小喇叭口期和大喇叭口期LAI分别降低了15.9%～17.0%和2.3%～4.5%, 说明减量20%灌水对玉米LAI存在负效应。与F1相比, F2抽雄期—蜡熟期LAI提高了5.0%～20.1%, 小喇叭口期LAI降低了10.4%～15.6%; F3灌浆期-蜡熟期LAI提高了5.8%～20.1%, 小喇叭口期—大喇叭口期LAI降低了8.7%～19.4%; F4拔节期—抽雄期LAI降低了7.4%～27.4%; F5拔节期—抽雄期LAI降低了9.9%～36.9%, 说明25%有机肥代替无机氮肥对玉米生殖生长期LAI存在正效应, 且随施用有机肥比例的增加, 玉米LAI的正效应会逐渐变为负效应。与I2F1相比, I1F2、I1F3和I2F2较I2F1玉米吐丝期—蜡熟期LAI提高了5.0%～11.4%、4.3%～13.1%和3.3%～12.7%, I2F3玉米灌浆期—蜡熟期LAI提高了4.1%～7.2%。说明适宜的有机无机肥配施可有效补偿减量灌水造成LAI负效应, 且减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮较传统灌水结合传统施肥可有效调控玉米生育期内叶面积指数变化, 使玉米在吐丝期—蜡熟期仍保持较大的叶面积指数, 促进籽粒灌浆, 利于增产。

图2 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例下玉米全生育期平均叶面积指数

I1、I2、F1、F2、F3、F4和F5分别表示减量20%灌水、传统灌水、全施无机氮肥、75%无机氮肥+25%有机肥、50%无机氮肥+50%有机肥、25%无机氮肥+75%有机肥和全施有机肥。不同字母表示处理间差异在0.05概率水平差异显著(<0.05)。

I1, I2, F1, F2, F3, F4, and F5 denote reduced 20% irrigation, conventional irrigation, all inorganic N fertilizer, 75% inorganic N + 25% organic fertilizer, 50% inorganic N + 50% organic fertilizer, 25% inorganic N + 75% organic fertilizer, and all organic fertilizer, respectively.Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level.

图3 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例下玉米全生育期叶面积指数动态

处理同图2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.2 玉米光合势对不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例的响应

2.2.1 全生育期总光合势 年份、灌水水平、年份与灌水水平和有机无机肥等氮配施比例的互作对其无显著影响, 有机无机肥等氮配施比例对玉米全生育期总光合势(TLAD)影响显著(表2)。2021—2022年, 与F1相比, F2玉米TLAD提高了4.4%～4.5%, F4和F5玉米TLAD降低了4.3%～4.4%和8.1%～8.5%。与I2F1相比, I2F2玉米TLAD提高了4.6%～5.2%, I1F4、I1F5和I2F5玉米TLAD均有显著降低, 其他处理差异不显著。

2.2.2 不同生育阶段光合势差异 年份对玉米大喇叭口期至吐丝期光合势(LAD)影响显著, 灌水水平对玉米拔节期至抽雄期和吐丝期至灌浆期LAD影响显著, 有机无机肥等氮配施比例对玉米全生育期LAD影响显著, 灌水水平和有机无机肥等氮配施比例的交互作用对玉米拔节期—灌浆期LAD有显著影响, 年份与灌溉水平和有机无机肥等氮配施比例的交互作用对玉米全生育期LAD影响不显著(表2)。2年内, I1较I2玉米拔节期—大喇叭口期LAD降低了6.3%～12.0%, 说明减量20%灌水对玉米生育期内光合势存在负效应。与F1相比, F2玉米拔节期—小喇叭口期LAD降低了7.8%～13.3%, 抽雄期—蜡熟期LAD提高了5.2%～8.5%; F3玉米拔节期—大喇叭口期LAD降低了11.2%～18.1%; F4玉米拔节期—抽雄期LAD降低了9.5%～24.7%; F5玉米拔节期—蜡熟期LAD降低了7.0%～ 33.7%, 说明25%有机氮代替无机氮对玉米生育后期光合势存在正效应, 且随有机肥比例的增加, 玉米LAD会有不同程度地降低。与I2F1相比, 25%有机氮代替无机氮可有效补偿减量灌水造成玉米生育后期LAD负效应。I1F2、I1F3、I2F2和I2F3较I2F1提高了玉米吐丝期—蜡熟期LAD, 分别为7.5%～9.1%、4.0%～5.7%、7.5%～ 8.3%和3.7%～5.1%, 其他处理对玉米LAD均有显著降低,说明有机无机肥替代可有效调控玉米全生育期光合势, 使玉米在生育后期仍保持较大的光合源, 有利于玉米增产, 其中减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮调控效果最佳。

表2 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米全生育期光合势的影响

处理同图2。不同字母表示处理间差异在0.05概率水平差异显著(< 0.05)。**与*分别表示在0.01和0.05概率水平差异显著, NS表示不显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS: not significant difference.

2.3 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米光合生理指标的影响

2.3.1 叶绿素含量(SPAD) 年份和灌水水平对玉米叶绿素含量(SPAD)无显著影响, 有机无机肥等氮配施比例对玉米SPAD影响显著, 灌水水平和有机无机肥等氮配施比例的交互作用对玉米大喇叭口期和乳熟期SPAD影响显著, 年份与灌溉水平和有机无机肥等氮配施比例的交互作用对玉米全生育期SPAD影响不显著(图4)。2021— 2022年, 与F1相比, F2玉米抽雄期—灌浆期SPAD提高了5.2%～9.9%; F3玉米大喇叭口期—灌浆期SPAD提高了4.9%～13.3%。与I2F1相比, I1F2玉米抽雄期-蜡熟期SPAD提高了4.9%～10.1%, I1F3、I1F4、I2F2和I2F3对玉米生育期内SPAD均有一定的提升, 但提升效果无I1F2显著, 说明减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮可保持玉米生育后期较高的叶绿素含量, 延长绿色叶片持续时间, 有助于维持玉米生育后期较高的光合性能。

图4 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米主要生育时期SPAD影响

处理同图2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.3.2 光合生理特性 年份、灌水水平和有机无机肥等氮配施比例对玉米净光合速率(n)、蒸腾速率(r)、胞间CO2浓度(i)及气孔导度(s)均有显著影响, 三者交互作用对玉米大喇叭口期、抽雄期和灌浆期n影响显著, 对玉米大喇叭口期、吐丝期和蜡熟期i影响显著, 对玉米蜡熟期s影响显著, 但对5个测定生育时期玉米r无显著影响(图5)。2021—2022年, 与I2相比, I1玉米灌浆期n提高了5.7%～7.8%, 其他生育时期均有下降; I1玉米抽雄期r差异不显著, 其他生育时期均有下降; I1玉米蜡熟期s提高了5.1%～8.6%, 其他生育时期均有下降, 说明减量20%灌水对玉米n、r与s存在负效应。与F1相比, F2提高了玉米大喇叭口期—蜡熟期n达到12.3%～54.3%; F3玉米大喇叭口期—灌浆期n提高了9.5%～39.3%; F4和F5玉米蜡熟期n分别提高了4.6%～25.0%和8.1%～16.4%; F2提高了玉米大喇叭口期—蜡熟期r为8.7%～20.8%, F3玉米大喇叭口期—蜡熟期Tr提高了4.9%～11.20%; F2降低了玉米大喇叭口期—蜡熟期i为9.0%～31.0%, F3玉米大喇叭口期和蜡熟期i分别降低了7.3%～24.5%和5.2%～ 14.6%; F2提高了玉米大喇叭口期—蜡熟期s为14.6%～ 38.2%, F3玉米大喇叭口期、抽雄期和蜡熟期s分别提高了8.5%～8.7%、8.9%～15.0%和8.5%～14.0%; F4抽雄期—灌浆期s提高了4.7%～13.7%。综合灌水与有机无机肥等氮配施比例, I1F2和I2F2较I2F1玉米大喇叭口期—蜡熟期n提高了10.3%～71.4%和5.8%～60.7%,r提高了9.2%～20.4%和8.0%～24.9%,s提高了16.5%～50.5%和15.3%～37.5%, 但i降低了6.4%～28.1%和11.9%～24.6%, 其他处理在整个生育期内影响并不显著。可见25%有机氮代替无机氮可有效补偿减量灌水造成玉米n、r、s的下降, 反而提高玉米大喇叭口期—蜡熟期n、r、s, 增强了玉米光合性能。

2.4 玉米产量对不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例的响应

年份、有机无机肥等氮配施比例及其与灌水水平二者交互作用对籽粒产量影响显著, 灌水水平、年份与灌水水平和有机无机肥等氮配施比例的互作对其无显著影响(图6)。2021—2022年, F2和F3较F1玉米分别增产10.0%～15.3%和7.7%～11.1%, F4和F5与F1差异不显著。与I2F1相比, I1F2、I1F3、I2F2和I2F3玉米分别增产12.0%～12.5%、7.3%～9.2%、9.8%～10.3%和6.7%～8.7%, 说明25%和50%有机氮代替无机氮均可增加玉米籽粒产量, 其中减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮增产效果更优。

2.5 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米籽粒品质的影响

2.5.1 灰分、蛋白、脂肪及淀粉含量差异 年份对玉米籽粒蛋白、脂肪和淀粉含量影响显著, 灌水水平对玉米籽粒蛋白含量影响显著, 有机无机肥等氮配施比例对玉米籽粒脂肪含量影响显著, 三者交互作用对玉米籽粒脂肪和淀粉含量影响显著(表3)。2022年, 与I2灌水水平相比, I1灌水水平玉米籽粒蛋白含量提高了5.1%。与F1相比, 2021年F2和F3提高了玉米籽粒脂肪含量为7.6%和6.0%; 2022年F2、F3、F4和F5提高了玉米籽粒蛋白含量分别为10.7%、6.8%、10.7%和11.9%。与I2F1相比, 2021年I1F1和I1F2提高了玉米蛋白含量, 分别为8.2%和6.9%,各处理均可提升玉米脂肪含量, 且各处理提升效果无显著差异; 2022年, 各处理均可提升提高玉米籽粒蛋白含量,且I1F2和I1F3处理提升效果最好, 均为18.9%。综合2年结果, 减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮可提高玉米籽粒蛋白和脂肪含量, 有助于改善籽粒品质。

图5 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米主要生育时期光合特性的影响

处理同图2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

图6 玉米产量对不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例的响应

处理同图2。不同字母表示处理间差异在0.05概率水平差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level.

2.5.2 氨基酸含量差异 年份、灌水水平、有机无机肥等氮配施比例以及三者交互作用对玉米籽粒中部分必需氨基酸含量影响显著(表4)。2021年, I1较I2玉米籽粒苯丙氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸含量分别提高了4.7%、4.4%、7.7%和4.7%; 2022年, I1较I2玉米籽粒苏氨酸含量提高6.4%, 但苯丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸含量无显著差异。与F1相比, F2除甲硫氨酸含量无显著变化外, 其他氨基酸含量均有显著提升; F3必需氨基酸含量均有显著提升; F4除甲硫氨酸含量降低了12.7%～18.5%, 其他氨基酸含量均有显著提升; F5除亮氨酸含量无显著差异外, 其他氨基酸含量均有提升。同时与I2F1相比, I1F2提高了玉米籽粒中苯丙氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸含量, 分别为29.6%～ 43.3%、77.7%～93.3%、49.7%～51.5%、18.4%～28.6%、39.5%～46.0%、57.4%～78.1%和35.1%～41.3%, 其他处理对玉米必需氨基酸含量也有一定的影响, 但差异较I1F2并不显著。可见, 减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮可有效提高玉米籽粒中必需氨基酸含量, 显著改善了玉米籽粒品质。

表3 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米籽粒灰分、蛋白、脂肪及淀粉含量的影响

处理同图2。不同字母表示处理间差异在0.05概率水平差异显著(< 0.05)。**与*分别表示在0.01和0.05概率水平差异显著, NS表示不显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS: not significant difference.

表4 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米籽粒必需氨基酸含量的影响

(续表4)

处理同图2。不同字母表示处理间差异在0.05概率水平差异显著(< 0.05)。**与*分别表示在0.01和0.05概率水平差异显著, NS表示不显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Different letters denote significant differences between treatments at the 0.05 probability level. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS: not significant difference.

2.6 不同处理下玉米籽粒产量和品质与光合生理的相关分析及主成分分析

2.6.1 相关性分析 通过对玉米光合生理、籽粒产量和品质指标进行相关分析(图7)。表明, GY与MLAI、SPAD、n、r和s呈显著正相关(<0.05), 与i呈显著负相关(<0.05), 说明灌水水平和有机无机肥等氮配施比例主要通过改变玉米光合性能指标, 影响光合产物向籽粒的运转分配, 最终影响籽粒产量。此外, GY与Phe、Thr、Leu和Ile含量均呈显著正相关(<0.05), 说明灌水水平和有机无机肥等氮配施比例在影响籽粒产量的同时, 也可以改变籽粒品质。因此, 减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮可通过优化玉米光合特性, 促进光合产物向籽粒的运转分配, 增加籽粒产量并改善其籽粒品质。

2.6.2 主成分分析 对玉米光合生理、籽粒产量和品质指标进行主成分分析(图8)。表明, 主成分1和主成分2累积贡献率达80.6%, 具有显著代表性。主成分1代表GY、n、Thr、Leu、Phe、SPAD、i、s、Ile、r、TLAD和MLAI; 主成分2代表ST、EE和CP。其中, 直接影响籽粒产量的主要参数为n、r、s、i、TLAD、MLAI和SPAD, 而Phe、Leu、Ile、Thr、EE、CP和ST的变化也一定程度能够表征籽粒产量的高低。

图7 不同处理下玉米光合生理、籽粒产量和籽粒品质的相关分析

MLAI、TLAD、SPAD、n、r、s、i、GY、CP、EE、ST、Phe、Thr和Leu分别表示平均叶面积指数、总光合势、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、籽粒产量、蛋白质、脂肪、淀粉、苯丙氨酸、苏氨酸和亮氨酸。**与*分别表示在0.01和0.05概率水平差异显著。

MLAI, TLAD, SPAD,n,r,s,i, GY, CP, EE, ST, Phe, Thr, and Leu denote mean leaf area index, total photosynthetic potential, chlorophyll content, net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance, intercellular CO2concentration, grain yield, protein, fat, starch,phenylalanine, threonine, and leucine, respectively. ** and * denote significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

3 讨论

3.1 不同灌水量及有机无机肥等氮配施比例对玉米光合源变化及光合生理指标的影响

叶面积指数和光合势是反映作物冠层结构性能的关键指标[21]。有研究认为, 作物光合源的衡量指标包括LAI的大小和功能叶片的持续时间(LAD)[22]。作物前期扩源, 后期保持庞大的绿色叶面积是高产的基础[23]。前人[24]研究表明, 减量20%灌水不会对玉米平均叶面积指数和总光合势产生显著影响, 这与本研究结果一致, 说明适当水分亏缺不会对玉米全生育期光合源产生显著影响。25%有机氮代替无机氮(F2)可显著提高玉米MLAI和TLAD, 而75%和100%有机氮替代比例(F4和F5)反而会降低玉米MLAI和TLAD, 这是因为合理的有机无机肥配施可以改善土壤环境, 提高养分的吸收利用[25], 进而延缓玉米生育后期叶片衰老, 提高玉米MLAI和TLAD。而过多的有机肥会延缓土壤中有效养分的作用, 抑制玉米根系生长, 使玉米叶片提早衰老, 最终降低玉米MLAI和TLAD[8]。此外, 本研究发现, 减量20%灌水结合25%有机氮代替无机氮可以显著提高玉米生育后期LAI和LAD。其原因在于25%有机氮代替无机氮中无机氮肥肥效较快, 能保证玉米生育前期的养分供应, 且在有机肥调节下, 养分供应快而不过剩; 有机氮肥肥效相对缓慢, 能保证生育后期的养分供应, 与玉米需求的同步性更好, 更有利于作物对养分的吸收利用, 有机无机肥等氮配施既避免了化肥养分供应损失较多的缺点, 又避免了单施有机肥造成的前期养分不足问题[26-27], 有助于玉米生长前期光合产物的积累, 使玉米生育后期保持较大的绿色叶面积, 延长功能叶片的持续时间, 利于提高玉米籽粒产量。

图8 不同处理下玉米籽粒产量和品质及光合生理指标的主成分分析

缩写同图7。Treatments are the same as those given in Fig. 7.

光合作用是作物产量形成的基础, 作物高产的首要条件是最大限度的利用光能, 提高光合效率。本研究发现, 减量20%灌水会对玉米光合性能产生负效应, 主要是因为水分亏缺降低了叶片气孔导度, 使叶绿体中CO2供应受阻, 叶肉细胞光合活性下降[28]。有研究表明, 合理的有机无机肥配施能显著增加玉米的净光合速率和气孔导度[29],增施有机肥可增强植物的光合性能[30], 这与本研究结果一致。与全施无机氮肥处理相比, 25%和50%有机氮代替无机氮均可显著提高全生育期内玉米SPAD、n、s和r, 降低玉米i, 增强玉米叶片光合作用。其原因在于, 第一, 养分是限制玉米光合作用的关键因子, 适宜的有机无机肥配施可有效增加土壤微生物含量, 提高土壤肥力, 使玉米光合作用显著增强[31]; 第二, 有机肥肥效较慢, 虽会降低玉米早期叶绿素含量, 但对全生育期的发展动态来说, 有机肥有助于协调叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系[32-33]。此外, 本研究发现, 25%有机氮代替无机氮可有效补偿减量20%灌水对玉米光合性能的负效应, 其原因可能是, 25%有机氮替代无机氮可显著玉米叶肉细胞光合性能以及叶片叶绿素含量, 进而提高叶片光合性能[34]。

3.2 不同灌水量及施肥制度对玉米籽粒产量和品质的影响

水肥作为影响玉米产量的两大关键因素, 合理的水肥措施有助于提高作物产量和品质。有研究表明, 有机肥与化肥长期配合施用可以改善土壤理化性状, 改善光合能力, 提高肥料利用效率, 显著增加农作物产量, 改善作物品质[26]。本研究发现, 减量20%灌水会对玉米籽粒品质产生负效应, 主要是因为, 减量20%灌水会使玉米叶片与根系正常生理活动受到影响, 减缓植株生长发育速度, 最终影响玉米籽粒产量的形成[35]。与全施无机氮肥相比, 25%和50%有机氮替代无机氮可显著提高玉米籽粒产量。其原因是, 第一, 25%和50%有机氮替代无机氮, 可有效增加土壤中有机质含量, 大量有机质可减少氮肥的固定, 使氮肥随水的质流运动效率更高, 更容易被吸收, 提高了养分利用率[8,36]; 第二, 25%和50%有机氮替代无机氮, 可以提高土壤肥力, 改善土壤理化及微生物特性, 促进作物对养分的吸收利用, 进而增加籽粒产量; 第三, 25%和50%有机氮替代无机氮, 能够延长玉米绿色叶片的持续时间, 延缓玉米叶片的衰老和脱落, 使玉米在生育后期还能保持较大的光合面积, 利于后期光合产物向籽粒的运转分配, 最终提高玉米籽粒产量[37]。同时, 本研究发现, 玉米叶面积指数和光合势与籽粒产量和品质指标呈现显著的正相关关系, 说明在合理减少灌溉的基础上, 适当比例的有机无机肥等氮配施有利于保持适宜大小的玉米叶面积指数和光合势, 进而提升玉米产量, 改善籽粒品质。

与全施无机氮肥相比, 25%和50%有机氮代替无机氮还可提高玉米籽粒脂肪、蛋白和必需氨基酸含量。其原因在于, 第一, 25%和50%有机氮代替无机氮有利于植株进行正常的生理代谢, 能不同程度地提升玉米籽粒品质[38]; 第二, 25%和50%有机氮代替无机氮可提升作物叶绿素相对含量, 增强作物各生育期的光合功能, 进而改善玉米籽粒品质; 第三, 25%和50%有机氮代替无机氮可有效改善土壤质量, 增加土壤养分有效性, 维持养分平衡, 改善作物生长的土壤环境, 促进其产品器官营养物质的积累, 促进作物对N、P、K的吸收, 进而改善籽粒品质[39]。同时, 本研究还发现, 25%有机氮替代无机氮可有效补偿减量20%灌水对玉米籽粒产量和品质提升产生的负作用, 其原因可能是, 多年有机肥施用会直接向土壤输入有机碳源, 提高微团聚体和大团聚体赋存有机碳和全氮的能力, 增加土壤有机碳和全氮含量, 利于植物吸收利用[40]; 还可增加土壤透气性, 改良土壤真菌、细菌种群结构, 进而增加籽粒产量并改善其籽粒品质[34]。值得注意的是, 2年内有机无机肥配施对于玉米品质的影响并不稳定。因此, 需要进一步探究有机无机肥配施对土壤肥力、养分供应、作物产量和品质的影响及其调控机制。

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Effect of reduced irrigation and combined application of organic and chemical fertilizers on photosynthetic physiology, grain yield and quality of maize in northwestern irrigation areas

WU Xia-Yu, LI Pan, WEI Jin-Gui, FAN Hong, HE Wei, FAN Zhi-Long, HU Fa-Long, CHAI Qiang, and YIN Wen*

College of Agronomy, Gansu Agricultural University / State Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070, Gansu, China

Aiming at the problems of high water and fertilizer inputs and low utilization efficiency for maize production in the Oasis irrigation areas, the effects of different irrigation levels and equal nitrogen application ratios of organic-inorganic fertilizer on photosynthesis physiology, grain yield and quality of maize were investigated to obtain the optimal irrigation levels and nitrogen (N) application ratios of organic-inorganic fertilizer. A filed experiment was conducted with the two-factor split-plot, two irrigation levels (conventional irrigation and 20% reduced irrigation) were used in the main plot and five organic and inorganic nitrogen fertilizer ratios (all inorganic N fertilizer, 75% inorganic N fertilizer and 25% organic fertilizer, 50% inorganic N fertilizer and 50% organic fertilizer, 25% inorganic N fertilizer and 75% organic fertilizer, and all organic fertilizer) were used in the split-plot in order to investigate the response of maize photosynthetic physiology, grain yield, and quality to different water and nitrogen fertilizer management patterns. Compared with the conventional irrigation (I2), 20% reduction irrigation (I1) reduced maize leaf area index (LAI), photosynthetic potential (LAD), net photosynthetic rate (n), transpiration rate (r), and stomatal conductance (s), and increased intercellular CO2concentration (i), grain protein content, and grain threonine content; organic and inorganic fertilizers have a significant effect on maize photosynthetic physiological indicators, grain yield and quality, with the increase in the proportion of organic fertilizers, the effect of organic and inorganic fertilizers on maize will gradually change from a positive effect to a negative effect; compared with traditional irrigation combined with the full application of inorganic nitrogen fertilizer (I2F1), 20% reduction of irrigation combined with 75% inorganic nitrogen fertilizer and 25% organic fertilizer (I1F2) increased the maize mean leaf area index (MLAI) by 6.9%–7.1%, and there was no significant change in total photosynthetic potential (TLAD), and the LAI of I1F2 was increased by 5.0%–11.4% from silking to doughing in maize, and LAD was increased by 7.5%–9.1% from silking to doughing. I1F2 increased chlorophyll content (SPAD),n,r, ands, and decreasediin maize from tasseling to doughing compared with I2F1. Compared with I2F1, I1F2 increased grain yield by 12.0%–12.5% in maize, increased grain protein content by 6.9%–18.9%, and Phe, Lys, Thr, Trp, Leu, Ile, and Val contents of grain in maize were increased by 29.6%–43.3%, 77.7%–93.3%, 49.7%–51.5%, 18.4%–28.6%, 39.5%–46.0%, 57.4%–78.1%, and 35.1%–41.3%, respectively. Other treatments also had some effects on maize photosynthetic physiology, seed yield and quality indexes, but the combined two-year results showed that the effects of I1F2 were more significant. Therefore, the 20% reduction in irrigation (3240 m3hm–2) combined with 75% inorganic chemical N fertilizer (270 kg hm–2) and 25% organic fertilizer (90 kg hm–2) treatment was an appropriate water and N management model to achieve high yield and quality of maize production in the northwestern irrigation areas.

reduced irrigation; organic and inorganic fertilizer application; photosynthetic physiology; grain yield; quality

10.3724/SP.J.1006.2024.33041

本研究由国家重点研发计划项目(2023YFD1900405), 国家自然科学基金项目(32101857, U21A20218)和甘肃农业大学伏羲青年人才项目(Gaufx-03Y10)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Pragram of China (2023YFD1900405), the National Natural Science Foundation of China (32101857, U21A20218), and the Fuxi Young Talents Fund of Gansu Agricultural University (Gaufx-03Y10).

殷文, E-mail: yinwen@gsau.edu.cn.

E-mail: wuxiayu2023@163.com

2023-06-27;

2023-10-23;

2023-11-17.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20231117.0927.002

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