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施肥方法对玉米冠层结构、光合特性及水分利用的作用

作者:原创论文网 时间:2016-02-04 09:27 加入收藏
摘要

  砂姜黑土是黄淮地区主要的中低产土壤,所含黏土矿物以蒙脱石为主,具有质地粘重、土壤结构性能差、干缩湿胀、易旱易涝、土壤瘠薄、适耕期短等特点[1]。该区年降雨量在 750 mm 至900 mm 之间,其中 50% ~55%的降雨集中于 6 ~ 8 月,降雨时间和降水量与作物需水规律不协调,作物水分利用效率低[2]。研究结果表明,秸秆还田能改善砂姜黑土理化性状,补充土壤养分,增加土壤有机质含量,提高水分入渗性能,是节水保墒、增加作物产量、提高水分利用效率的有效措施[2-4]。

  玉米是中国第二大粮食作物,其干物质积累主要来自叶片的光合作用,受到太阳辐射强度、冠层结构( 叶面积指数、叶向值) 、养分水分利用等因素的影响[5-9]。董树亭等[10]的研究结果表明,合理密植可以改善冠层条件,影响群体光合作用系统,增加作物产量。王晓娟等[11]证实,增施有机肥可显着提高玉米叶片光合速率和气孔导度,减小胞间 CO2浓度,提高产量。沈学善等的研究结果[12]显示,玉米秸秆全量还田改善了土壤的蓄水保墒能力,促进植株光合作用和干物质积累,提高了玉米产量和水分利用效率。但有关秸秆还田对玉米冠层结构、光合特性和叶片水分利用效率的研究还少有报道。本试验通过设置不施肥对照、测土配方施肥、秸秆还田与测土配方施肥配施试验处理,研究不同施肥措施对玉米冠层结构、光合特性及叶片水分利用效率的影响,为提高砂姜黑土区作物水分利用效率提供理论依据。

  1、材料与方法

  1. 1、供试土壤

  田间试验在安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院五道沟水文水资源试验站( 以下简称水文站) 进行。试验区117°21' E,33°09 'N,海拔16.0 ~22. 5 m,近 10 年平均降水量 930 mm 左右,年蒸发量在960 mm 左右,年日照 1 755 h,日均气温为 15. 1℃ 。土壤类型为砂姜黑土,属壤质黏土,耕层为 0 ~20 cm; 基本理化性质为 pH 7. 95,有机质 11. 10 g / kg,全氮 0. 76 g/kg,全磷 0. 39 g/kg,全钾 15. 60 g/kg,碱解氮 67. 53 mg/kg,速效磷 42. 72 mg/kg,速 效 钾124. 00 mg / kg; 黏粒含量 30. 3% ,砂粒含量 38. 2% ,总孔隙度51. 6%,土壤容重1. 32 g/cm3。

  1. 2、试验设计

  试验从 2009 年 6 月开始在水文站实施,小麦-玉米轮作,选择 2010 年 6 ~10 月玉米季进行研究。共设置 3 个试验处理: 不施肥对照( CK) 、测土配方施肥( PF) 、测土配方施肥 + 秸秆还田( PF + JG) 。每个处理有 3 个重复,共 9 个小区,每小区面积为60 m2。测土配方施肥按照土壤测定结果设定: 小麦季 N、P2O5和 K2O 分别按照 225 kg / hm2、90 kg/hm2和 90 kg/hm2配方施用,其中氮肥基肥和拔节追肥比例为 50 ︰ 50; 玉米季 N、P2O5和 K2O 分别按 270kg / hm2、60 kg/hm2和80 kg/hm2配方施用,氮肥基肥和大喇叭口追肥比例为 60 ︰ 40。小麦和玉米的磷肥和钾肥全部用于基肥施用。小麦和玉米的秸秆( 粉碎 3 ~5 cm) 还田量均为7 500 kg/hm2。供试玉米品种为弘大 8 号,在 2010 年 6 月 23 日播种,2010年 10 月 2 日收获。玉米行距 60 cm,株距 30 cm,种植密度约为 1 hm26. 75 × 104株。按照常规方法进行灌溉与病虫草害防治。

  1. 3、测定项目及方法

  在大喇叭口期追肥 1 周后( 7 月 29 日 ~ 8 月 5日,12 叶展开) ,测定各生理生化指标。叶面积指数测定方法: 叶面积指数( LAI) = 单株叶面积( m2) × 群体密度。单株叶面积( cm2) = 叶长( cm) × 宽( cm) × 0. 75。玉米叶长、叶宽、叶高( 叶基部到叶片最高处的长度) 及叶倾角( 即叶片与水平面夹角) 参考薛吉全等的方法[13]测定,每个处理取样 3 株测量其展开叶,各处理重复 3 次。叶向值( LOV) 测定方法: 参考张玉芹等[14]的方法,每个处理取样 3 株,选取从上至下第 1 ~ 6 片叶测定,重复 3 次。

  【】

  式中,θ 为叶倾角,Lf为叶高( cm) ,L 为叶长( cm) ,n 为叶片数。光合与水分利用效率测定方法: 选择 8∶ 00 ~11∶ 00,在自然光下采用美国 LI-COR 公司生产的LI6400 光合仪测定玉米倒二叶的光合速率( Pn) 、胞间 CO2浓度( Ci) 、蒸腾速率( Tr) 、气孔导度,连续测定 5 个晴天,取其平均值,如遇阴雨天顺延。每个处理取 2 株,各处理重复 3 次。叶片水分利用效率( WUE叶) 根据公式 WUE叶= Pn/ Tr进行计算。干物质累积量采用烘干法测定。

  1. 4 统计方法采

  用 Microsoft Excel 2007 处理数据和制图,采用 SPSS 19 进行单因素方差分析,选用 Duncan 新复极差法进行多重比较。

  2、结 果

  2. 1、施肥对玉米冠层结构的影响

  不同施肥措施下,玉米叶面积指数( LAI) 呈现PF + JG 处理 > PF 处理 > 对照 ( 图 1) 的规律。秸秆还田( PF + JG) 处理的玉米 LAI ( 4. 22) 较对照和PF 处理分别提高 103. 35% 和 27. 56% ,差异达显着水平( P <0. 05) ,说明 PF + JG 处理可以增加群体光合面积,促进光合生产。这可能与秸秆还田提高了土壤养分含量,促进了玉米的生长有关[2,12]。

图 1 施肥措施对玉米大喇叭口期叶面积指数的影响
图 1 施肥措施对玉米大喇叭口期叶面积指数的影响

  PF + JG 处理的玉米株高( 100. 2 cm) 比 CK 和PF 处理分别提高 28. 74% 和 15. 84% ,达显着水平( P <0. 05) ; 玉米叶向值呈现CK > PF 处理 > PF +JG 处理的规律( 表 1) 。秸秆还田后使玉米植株在大喇叭口期的叶向值比 CK 和 PF 处理分别减小了7. 05% 和 5. 60% 。表明秸秆还田后,夏玉米叶片较CK 和 PF 处理更加平展,株型较好,有利于光的截获和光能的利用。

表 1 施肥措施对玉米大喇叭口期叶向值与株高的影响
表 1 施肥措施对玉米大喇叭口期叶向值与株高的影响

  2. 2、施肥对玉米光合特性的影响

  2. 2. 1、对光合速率的影响 不同施肥措施下玉米的叶片光合速率在 8∶ 30至10∶ 30之间均随时间推移而不断上升,即随光照强度的增加,玉米叶片光合作用不断增强( 图 2) 。PF + JG 处理的玉米叶片平均光合速率[17. 15 μmol /( m2·s) ]比 CK 和 PF 处理分别提高 69. 97% 和 40. 25%,差异达显着水平( P <0. 05) 。

  2. 2. 2、对胞间 CO2浓度的影响 玉米叶片胞间CO2浓度影响叶细胞羧化效率,进而调控叶片光合作用[15]。玉米胞间 CO2浓度与光合速率呈相反的变化趋势,即叶片胞间 CO2浓度随时间的推移而不断下降,这是因为叶片光合作用消耗了 CO2,降低了叶片胞间 CO2浓度( 图2) 。在 8∶ 30时,各处理叶片胞间 CO2浓度没有显着差异( P > 0. 05) ; 随后 PF +JG 处理使叶片胞间 CO2浓度( 181. 91 μmol/mol) 比CK 和 PF 处理分别降低了 19. 73% 和 12. 86% ,均达显着差异水平( P <0. 05) 。这与秸秆还田提高光合速率和叶片 CO2的利用效率有关[16]。

  2. 2. 3、对气孔导度的影响 气孔控制着植物体与外界环境的水、气交换,进而影响植物光合作用[17]。玉米叶片气孔导度呈现 PF +JG 处理 >PF 处理 > CK 的规律( 图2) ; PF +JG 处理的叶片平均气孔导度[0. 29μmol/( m2·s) ]较 CK 和 PF 处理分别提高 25. 06%和12. 41%,且在 10∶ 30 时达显着差异( P <0. 05) 。

  2. 3、施肥对玉米叶片水分利用效率的影响

  植物在吸收 CO2进行光合作用的同时,蒸腾释放一定量的水汽,单叶水平的水分利用效率采用光合速率和蒸腾速率之比来表示[18]。玉米叶片水分利用效率( 图3) 从 8∶ 30开始随时间推移而不断增加,而从9∶ 30开始,PF + JG 处理的玉米叶片水分利用效率显着高于不施肥对照和 PF 处理( P <0.05) 。PF + JG 处理叶片2 h 内的平均水分利用效率( 6.07 μmol/mol) 较CK 和 PF 处理分别提高 47. 77% 和 30. 83% 。

图 2 施肥措施对玉米大喇叭口期光合速率、胞间 CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度的影响
图 2 施肥措施对玉米大喇叭口期光合速率、胞间 CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度的影响

图 3 施肥措施对玉米大喇叭口期叶片水分利用效率的影响
图 3 施肥措施对玉米大喇叭口期叶片水分利用效率的影响

  2. 4 施肥对玉米干物质累积的影响

  玉米干物质积累是叶片利用 CO2进行光合作用,进而转化成玉米生物量的过程。PF + JG 处理时,玉米大喇叭口期的干物质积累分别是 CK 和 PF处理的 3. 28 倍和 1. 75 倍,差异达到显着水平( P <0. 05) ( 图 4) 。这可能是因为秸秆还田提高了叶面积指数,增强了光合作用,进而增加了生物量。

图4 施肥措施对玉米大喇叭口期干物质积累的影响
图4 施肥措施对玉米大喇叭口期干物质积累的影响

  3、讨 论

  叶片水分利用效率( WUE叶) 表示单位水分消耗所同化的二氧化碳数量,是叶片光合速率与蒸腾速率的比值,受光合速率和蒸腾速率的共同影响[18]。当土壤水分出现胁迫时,光合速率下降的速度大于蒸腾,使得 WUE叶下降; 但在干旱胁迫时,作物主要是通过降低其蒸腾速率来提高其水分利用效率[19]。

  施肥措施是影响玉米 WUE叶的重要因素,全膜双垄沟播处理能显着提高旱地玉米 WUE叶[20]; 小麦秸秆留茬和覆盖还田均能明显提高夏玉米 WUE叶[21]; 小麦秸秆平茬还田时的 WUE叶显着高于立茬和除茬[16]。本试验结果表明,小麦秸秆还田使玉米大喇叭口期 WUE叶比对照和测土配方施肥( PF) 处理分别提高了 47. 77%和 30. 83%。这可能是因为: ( 1)小麦秸秆还田( PF + JG 处理) 后提高了土壤有机质含量,使土壤水分最大有效库容比对照和 PF 处理分别增加了 8. 25%和 20. 8%,增强了土壤团聚体的蓄水保墒能力[2],而土壤水分状况又是影响作物光合速 率 和 蒸 腾 速 率 的 重 要 因 素[22],进 而 改 变WUE叶。( 2) 秸秆还田后提高了土壤养分和有机质含量,促进了玉米生长[2],增加了玉米株高、叶面积指数,减少了叶向值( LOV) ,改善了玉米冠层结构,而后者是影响作物群体光分布与光合特性的重要因素之一。玉米冠层通过影响其内部的水、热、气等微环境调控着群体的光合效率和作物产量[10]。改善冠层的通风透光能力,增强群体的光合性能是提高作物群体光合作用效率和物质生产能力重要途径[5]。在农业生产中常通过行株距配置[23],调整株型和叶片的方位等来影响冠层结构,改善光的有效截获,提高群体生产力[24]。叶片是作物的主要光合器官,其面积大小直接影响到光合速率和光合效能;茎叶夹角是决定群体透光和受光姿态的重要指标[25]; 穗位以上叶向值是反映穗位以上各叶片在茎杆上和空间内配置状况的综合指标。叶向值越大,表明叶片越向上冲,株型越紧凑。已有的研究结果表明: 秸秆还田可以使玉米叶面积增加 15. 72% ~30. 67% ,从而有利于叶片的光合作用[26]。本试验结果说明: 秸秆还田( PF + JG 处理) 使玉米大喇叭口期的株高较对照和测土配方施肥( PF 处理) 分别提高 28. 74%和 15. 84%,使叶面积较对照和测土配方施肥( PF 处理) 分别提高 7. 05% 和 5. 60%,使叶面积指数( LAI) 较对照和测土配方施肥( PF 处理)分别提高 103. 35% 和 27. 56%,使叶向值( LOV) 比对照和测土配方施肥( PF 处理) 分别减小了7. 05%和 5. 60%。这表明秸秆还田增加了玉米叶片的有效吸收面积,改善了冠层结构,有利于光的截获和光能的利用。

  气孔导度是气孔张开程度的表征,对光合速率与蒸腾速率产生重要影响。在气孔导度较小的阶段,蒸腾速率与光合速率均随气孔导度的增加而增加; 但当气孔导度达到一定值之后,气孔导度的增加伴随着蒸腾速率与光合速率的不同程度降低[27]。气孔开关调控叶片胞间 CO2浓度,从而影响光合速率及光合产物积累[28]。高飞等[26]证实,秸秆还田可以提高玉米的光合速率和蒸腾速率,促进光合作用,增加籽粒产量。小麦秸杆残茬和覆盖还田可改变玉米耗水规律,减少前期棵间蒸发,增加后期植株蒸腾,促进干物质积累,提高 WUE叶[21]。

  通过本研究发现,PF + JG 处理增加了夏玉米大喇叭口期的叶面积指数( LAI) 和株高,降低了叶向值( LOV) ,改善了玉米冠层结构。PF + JG 处理还增强了夏玉米大喇叭口期的光合能力,使光合速率( Pn) 蒸腾速率( Tr) 、气孔导度较 PF 处理分别增加了 40. 25%、6. 11% 和 12. 41%,而使胞间 CO2浓度( Ci) 较对照和 PF 处理分别减少了 19. 73% 和12. 86% 。秸秆还田处理大喇叭口期夏玉米的干物质积累量分别是对照和 PF 处理的 3. 28 倍和 1. 75倍; WUE叶较对照和 PF 处理分别提高 47. 77% 和30. 83% ,这说明秸秆还田促进了玉米大喇叭口期叶片光合作用,增加了干物质累积。因此,通过秸秆还田等施肥措施可提高土壤有机质含量[29],改善土壤结构,调节土壤水分状况,提高土壤蓄水保墒能力及可利用性[2]; 同时改善玉米冠层结构,提高叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度,降低叶片 CO2浓度,提高 WUE叶,促进玉米光合作用及干物质积累,为玉米增产奠定较好的物质基础。

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