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旱地全膜双垄沟播种植对玉米光合生理特性的影响

2012-04-29王国祥,方彦杰,潘永东

湖北农业科学 2012年14期
关键词:玉米

王国祥,方彦杰,潘永东

摘要:通过田间试验研究了半干旱区旱地全膜双垄沟播栽培技术对玉米光合生理特性的影响。结果表明,全生育期日平均净光合速率全膜双垄沟播(T4)最高,较其他处理光合能力强,有利于光合物质的形成。说明在干旱半干旱地区玉米全膜双垄沟播(T4)种植能够有效解决光合缺水的问题。全膜双垄沟播(T4)、全膜平作(T3)、全膜双垄沟播+休闲期免耕秸秆覆盖(T6)的光合午休现象较其他处理弱;在玉米抽雄期前全膜双垄沟播(T4)较平作和休闲期免耕处理SPAD高,能够增加玉米功能叶片叶绿素含量,为玉米前期的生长发育及后期的丰产奠定了基础。

关键词:全膜双垄沟播;玉米;光合生理特性

中图分类号:S504;S513.01文献标识码:A文章编号:0439-8114(2012)14-2921-05

Photosynthetic Physiology Characteristics of Rainfed Maize in the System of Completely Mulched Alternating Narrow and Wide Ridges with Furrow Planting

WANG Guo-xiang,FANG Yan-jie,PAN Yong-dong

(Institute of Beer Materials, Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou 730070,China)

Abstract: The effects of completely mulched alternating narrow and wide ridges with furrow planting on maize photosynthetic physiology characteristics in semi-arid area was studied using field experiments. The results showed that the average photosynthetic rate of maize in completely mulched alternating narrow and wide ridges with furrow planting treatment(T4) was the highest during the whole growth period, which indicated that the photosynthetic capability of maize in this treatment was higher than that in flat-planting treatment and no-tillage during fallow treatment, and indicated that this planting technology could effectively solve the problem of photosynthetic water in arid and semi-arid areas and was conducive to the formation of maize photosynthetic material. The midday depression of maize in completely mulched alternating narrow and wide ridges with furrow planting treatment(T4), complete mulching and flat-planting treatment(T3), and complete mulching and flat-planting treatment(T6) was weaker than that in other treatments. The SPAD value of maize before corn heading period in completely mulched alternating narrow and wide ridges with furrow planting treatment(T4) was higher than that in flat-planting treatment and no-tillage during fallow treatment, which indicated that this planting technology could increase the chlorophyll content of maize and could lay the foundation for maize early growth and later high yield.

Key words: completely mulched alternating narrow and wide ridges with furrow; maize; photosynthetic physiology characteristics

光合作用是一个物理、电化学及生化反应的过程,光合作用的强弱受多种因素的影响[1-3],水分胁迫是一个很重要的影响因子。许多研究表明,在水分胁迫条件下作物叶片光合能力降低[4-6];也有研究认为干旱条件下作物减产的一个重要原因是净光合速率、蒸腾速率下降,而且不同土壤水分亏缺强度和时间引起光合作用下降的原因不同[7]。作物在干旱水分供应不足的条件下,既有抗旱性也有耐旱性,具体表现为在干旱条件下保持一定的膨压,从而维持细胞生长,并保持气孔开放,促进光合作用等生理过程正常进行。在适度的土壤水分胁迫范围内,随着气孔导度(Gs)的适度减小,蒸腾速率(Tr)与净光合速率(Pn)均下降[8];土壤水分是影响作物生长发育最重要的环境因子,当土壤水分出现胁迫时,作物体内水分含量降低,叶水势下降,气孔阻力加大,蒸腾减小,净光合速率降低[9-11];当土壤水分胁迫出现时,夏玉米正午前后的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度下降较快,为了适应干旱环境,叶片的气孔进行调节,出现不均匀关闭现象,CO2通过量减少,作物的净光合速率下降,导致光合午休,而适宜水分和高水分处理的净光合速率却继续升高。目前对全膜双垄沟播栽培技术及其增产效应的报道较多,而对玉米全膜双垄沟播种植的研究还鲜有报道。因此,就半干旱区旱地全膜双垄沟播玉米光合生理特性进行了分析研究,旨在明确全膜双垄沟播栽培对玉米生长的影响,为该技术的推广提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2009年在甘肃省定西市李家堡乡麻子川村进行,该地位于甘肃省中部偏南,属中温带半干旱区。平均海拔2 000 m,年均日照时间2476.6 h,年均气温6.4 ℃,≥0 ℃积温2 933.5 ℃,≥10℃积温2 239.1 ℃,年均无霜期140 d,年均降雨量390.9 mm,年均蒸发量1 531.0 mm, 年均干燥度2.53,为典型的半干旱雨养农业区。试验地土壤为黄绵土, 0~200 cm土层土壤容重平均为1.17 g/cm3。pH 8.36,土壤有机质12.01 g/kg,全氮0.76 g/kg,全磷1.77 g/kg。玉米全生育期平均降水292.7 mm。

1.2试验设计

试验共设露地平作(T1);半膜平作(T2);全膜平作(T3);全膜双垄沟播(T4);全膜双垄沟播+休闲期免耕(T5);全膜双垄沟播+休闲期秸秆覆盖(T6);全膜双垄沟播+休闲期留全部秸秆立茬(T7)7个处理(表1),3次重复。小区面积52.8 m2(3.3 m×16.0 m),随机区组排列。试验前茬为全膜双垄沟播玉米,供试玉米品种沈单16,播种密度5.25万株/hm2。玉米生育期内施纯N 180 kg/hm2、P2O5 144 kg/hm2。

试验各处理种植均为宽窄行种植(宽行70 cm,窄行40 cm),全膜双垄沟播种植(图1)。垄上覆盖0.08 mm的塑料薄膜,株距均为35 cm,小区边行作为保护行。前茬玉米收后立即开始整地、起垄、覆膜,基肥为尿素(含N 46%)和磷酸氢二铵(含N 18%、P2O5 46%),T1~T4处理各小区整地后覆膜前将所有肥料一次性撒施,T5~T7处理各小区播前穴施全部磷肥和40%的氮肥,拔节期追施剩余60%的氮肥。2009年4月20日播种,为了保证出苗,每穴播种2粒,播深5 cm左右。10月12日进行人工收获,其他田间管理同大田。

1.3测定项目与方法

1.3.1光合生理指标测定选玉米不同生育期(拔节期、大喇叭口期、抽雄期)最大展开叶,用英国LC Pro+全自动便携式光合仪测定功能叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci),每小区测定3株。测定时间为进入某一生育时期后,选择一晴天从8∶00到18∶00测定光合生理指标日变化,每2 h测定1次。

1.3.2相对叶绿素含量的测定用SPAD-502(北京制造)叶绿素仪测定非离体叶片叶绿素相对含量(SPAD)。该仪器可以立即测量植物叶绿素相对含量,其测量读数与叶片叶绿素含量具有很好的相关性[12]。测定时期与光合参数测定同天进行,测定部位为每株玉米最大展开叶的中部,每小区测30株,最后求平均值作为该小区叶绿素相对含量。

1.4数据分析

数据分析用Excel和SPSS统计分析软件进行。

2结果与分析

2.1全膜双垄沟播种植对玉米功能叶片净光合速率的影响

水分是影响植物光合生理特性的一个重要因子,干旱缺水可降低植物的净光合速率。从图2可以看出,各处理净光合速率日变化曲线不一致,T3和T4处理的净光合速率日变化呈单峰曲线,从8∶00开始升高,在12∶00左右达到最高,且T4从8∶00至16∶00一直处于持续高光合状态,后迅速下降;T6处理的净光合速率日变化也呈单峰曲线,区别只是T6处理在12∶00后净光合速率下降较多,光合午休现象较T3和T4处理明显;而T1、T2、T5处理净光合速率日变化均呈双峰曲线,双峰出现在12∶00和16∶00左右,且第二个峰明显低于第一个峰,在14∶00附近出现一个低谷,可能是随着气温的升高,土壤水分降低,光合有效辐射增大,作物叶片的失水速度加快,而土壤供水速度减慢,植株为了防止水分亏缺,进行内部自我调节,发生了一系列生理变化,最明显的是在14∶00左右,气孔导度降低,同时胞间CO2浓度降低,出现了光合午休现象;T7处理虽也呈双峰曲线,但峰不明显,也没有明显的光合午休现象。不同处理净光合速率的日平均表现为T4>T3>T5>T7=T2>T6>T1,T4处理较T3、T5、T7、T2、T6、T1处理分别增加1.54、1.56、2.24、2.24、2.62、5.61 μmol/(m2·s)。经统计分析,处理间日平均净光合速率全膜双垄沟播(T4)处理与T1处理差异显著,与其他处理无显著差异。

2.2全膜双垄沟播种植对玉米功能叶片蒸腾速率的影响

蒸腾作用是水分以气体状态通过植物体的表面从体内扩散到大气中的过程,具有促进水分、矿物质、有机物运输,降低叶片的温度,有利于气体交换等作用,对于产量形成有重要意义[13]。图3反映的是不同处理蒸腾速率的日变化趋势。各处理蒸腾速率的日变化均呈双峰曲线,第一个峰出现在10∶00或12∶00左右,第二个峰出现在16∶00左右,14∶00左右形成低谷。不同处理的日平均蒸腾速率为T4>T6>T5>T7>T3>T2>T1,T4处理较T6、T5、T7、T3、T2、T1处理分别增加0.06、0.18、0.25、0.32、0.78、1.89 mmol/(m2·s)。经方差分析,处理间日平均蒸腾速率全膜双垄沟播(T4)处理与T2、T1处理差异显著,与其他处理无显著差异。

2.3全膜双垄沟播种植对玉米功能叶片气孔导度的影响

气孔导度(或气孔阻力)反映了单位叶面积蒸腾失水的情况和气孔对干旱的敏感性。在自然条件下,玉米叶片气孔导度取决于对光、温和水分的响应,气孔导度直接影响蒸腾速率。玉米生育时期不同,自身体内及所处环境存在差异,特别是土壤水分的高低对其影响较大。各处理气孔导度呈单峰曲线(图4),在某一时刻达到一个峰值,然后开始下降,其中T4和T7处理在14∶00左右达到峰值,而其他处理均在12∶00左右达到峰值,不同处理的日平均气孔导度为T4>T3>T5>T6>T2>T7>T1,全膜双垄沟播(T4)处理较T3、T5、T6、T2、T7、T1处理分别提高了2.02%、11.34%、13.07%、13.97%、15.01%、34.04%。可能是受土壤水分亏缺的影响,露地平作处理(T1)植株叶片气孔导度对干旱变得最为敏感,其日平均气孔导度明显低于其他处理。经统计分析,处理间日平均气孔导度全膜双垄沟播(T4)处理与T3处理无显著差异,与T5、T6、T2、T7处理差异显著,与T1处理呈极显著差异。

2.4全膜双垄沟播种植对玉米功能叶片胞间CO2浓度的影响

CO2是光合作用的原料之一,胞间CO2浓度可以作为确定净光合速率变化的判断依据。一般认为若净光合速率下降伴随胞间CO2浓度降低,则气孔因素是导致胞间CO2浓度降低的主要原因,气孔关闭造成光合原料CO2供应不畅;若净光合速率降低伴随胞间CO2浓度提高,其主要原因则一定是非气孔因素(光抑制致使叶绿体光合效率下降)。胞间CO2浓度的大小与光合能力的高低直接相关,若光合作用对CO2的利用能力降低,则就会导致胞间CO2浓度的提高。从图5不同处理胞间CO2浓度的日变化趋势可以得知,各处理胞间CO2浓度从8∶00左右开始迅速下降,10∶00~18∶00一直维持较低水平,呈略有下降趋势,其原因为叶片的净光合速率从8∶00开始一直升高,并且在长时间内一直处于高光合状态,净光合速率高,同化CO2能力就强,因此CO2来不及补充而明显降低,16∶00以后胞间CO2浓度比较低有可能是由于气孔导度的降低引起的。经统计分析,各处理之间差异不显著。

2.5玉米功能叶片光合参数的相关性分析

植物的光合作用、蒸腾作用不仅受到环境因子的影响,而且还受到内部因子的生理调节。从表2可以看出,净光合速率与蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度之间呈正相关关系,与蒸腾速率和胞间CO2浓度相关达显著水平(r分别为0.809*、0.836*),与气孔导度相关达极显著水平(r=0.917**)。蒸腾速率与气孔导度和胞间CO2浓度的相关均未达到显著水平。气孔导度与胞间CO2浓度呈正相关关系,相关达到极显著水平(r=0.948**)。

2.6全膜双垄沟播种植对玉米功能叶片SPAD的影响

SPAD可以反映玉米叶片叶绿素的相对含量,与叶片叶绿素含量有很好的相关性[14]。图6结果表明,在玉米拔节期至抽雄期,玉米功能叶片SPAD随着生育进程的推进表现递增的趋势。在拔节期SPAD表现为T4>T3>T6>T7>T5>T2>T1,全膜双垄沟播(T4)和全膜平作(T3)处理SPAD明显大于其他处理,经统计分析,全膜双垄沟播(T4)处理与T3处理无显著差异,与T6、T7、T5、T2、T1处理均呈极显著差异,T6、T7、T5、T2之间差异不显著,T1处理与其他处理均呈极显著差异;在玉米大喇叭口期,T1处理SPAD上升较快,各处理SPAD表现为T4>T3>T2>T6>T5>T7>T1,经统计分析,全膜双垄沟播(T4)处理与T3、T2处理差异不显著,与T6、T5、T7、T1处理差异极显著;在玉米抽雄期各处理SPAD上升较明显,但处理间差异明显减小,各处理SPAD表现为T3>T4>T6>T7>T2>T5>T1,全膜平作(T3)处理较全膜双垄沟播(T4)处理略高,经统计分析,T1处理与其他处理差异显著,而其他处理间差异不显著。说明在玉米拔节期至抽雄期T4和T3处理能够显著增加玉米功能叶片叶绿素含量,这为玉米后期的丰产奠定了基础。

3小结

1)通常认为,水分是影响植物光合生理特性的一个重要因子,干旱缺水可降低植物的净光合速率。研究发现,全膜双垄沟播(T4)、全膜平作(T3)、全膜双垄沟播+休闲期免耕覆盖(T6)3个处理的净光合速率日变化呈单峰曲线,其他处理(T1、T2、T5、T7)净光合速率日变化呈双峰曲线,可能由于随着气温的升高,土壤水分降低,光合有效辐射的增大,作物叶片的失水速度加快,光合午休现象明显。说明玉米全膜双垄沟播种植较其他种植方式光合能力强,有利于光合物质的形成,同时说明在干旱半干旱地区采取全膜双垄沟播种植的方式能够有效解决玉米光合缺水的问题。

2)蒸腾作用与作物水分关系更为密切,各处理蒸腾速率的日变化均呈双峰曲线,全膜双垄沟播(T4)处理日平均蒸腾速率最高,与平作(T2、T1)处理差异显著,说明玉米全膜双垄沟播种植较平作种植有利于水分、矿物质、有机物运输,对玉米产量的形成有重要意义;各处理气孔导度日变化呈单峰曲线,同样日平均气孔导度全膜双垄沟播(T4)处理较其他处理高,可能是受土壤水分亏缺的影响,露地平作处理植株叶片气孔导度对干旱变得最为敏感,在各时刻明显低于其他处理,可能由于气孔导度的降低引起胞间CO2浓度比较低。胞间CO2浓度各处理间差异不显著。

3)相关分析表明,净光合速率与蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度之间呈显著或极显著的正相关关系(r分别为0.809*、0.917**、0.836*);蒸腾速率与气孔导度和胞间CO2浓度间的相关均未达到显著水平(r分别为0.750,0.704);气孔导度与胞间CO2浓度呈极显著的正相关关系(r=0.948**)。

4)SPAD可以反映玉米叶片的叶绿素含量的高低。研究结果表明,在玉米拔节期至抽雄期,玉米功能叶SPAD随着生育进程的推进表现递增的趋势,SPAD全膜双垄沟播(T4)和全膜平作(T3)处理明显大于其他处理;抽雄期各处理SPAD上升较明显,但处理间差异明显减小,露地平作(T1)与其他处理差异显著,其他处理间差异不显著。说明全膜双垄沟播处理较其他处理在玉米抽雄期前能够增加玉米功能叶片叶绿素含量,为玉米前期的生长发育及后期的丰产奠定基础。

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