不同N、P、K配比对小麦、玉米光合生理及周年水分利用的影响

杨永辉，武继承，潘晓莹，张洁梅，韩伟锋，王　喆，王　越，何　方

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所， 河南 郑州 450002； 2.农业部作物高效用水科学观测实验站， 河南 原阳 453514)



不同N、P、K配比对小麦、玉米光合生理及周年水分利用的影响

杨永辉1,2，武继承1,2，潘晓莹1,2，张洁梅1,2，韩伟锋1,2，王喆1,2，王越1,2，何方1,2

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所， 河南 郑州 450002； 2.农业部作物高效用水科学观测实验站， 河南 原阳 453514)

摘要：为探明不同N、P、K配比在等灌水量条件下对小麦、玉米光合生理特征及周年水分利用的机理，采用大田实验，研究了不同N、P、K配比对小麦、玉米光合生理、产量及水分利用等的影响。结果表明：在小麦、玉米关键生育期进行适量灌水并进行追肥，促进了小麦、玉米对水分和养分的吸收，实现水肥同步，改善其光合生理特征，促进节水增产。不同处理均显著提高了小麦和玉米的光合速率和叶片水分利用效率，且均以N3P2K2处理的光合速率和叶片水分利用效率最高(小麦分别为16.59 μmol·m-2·s-1和36.07 μmol·mmol-1，玉米分别为29.26 μmol·m-2·s-1和27.1 μmol·mmol-1)。同时，不同N、P、K配比均提高了小麦、玉米的成产要素。最终，以N2P2K2和N3P2K2处理的增产和节水效果最佳，其小麦、玉米单产和二者总产均高于其它处理，其小麦、玉米总产量分别较对照提高了30.3%和26.8%，周年水分利用效率分别较对照提高了30.5%和27.4%。而从经济的角度考虑，本文推荐的N、P、K配比为N2P2K2。

关键词：养分配比；等灌水量；小麦；玉米；光合速率；水分利用效率

水、肥是农作物生长的必要条件。N、P、K是作物生长发育所必需的营养元素，其在很大程度上决定了作物的光合能力和产量。作物干物质90%以上来源于光合作用产物[1]。冬小麦、夏玉米轮作是华北地区的典型种植方式，两者是典型的C3作物和C4作物，其对光照的吸收利用能力不同，玉米较小麦具有更高的光合能力。光合作用特性通常以光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度及水分利用效率等指标来反映[2]。叶片蒸腾作用是作物耗水的主要形式，水分利用效率是评价作物耐旱能力的重要指标之一，反映了作物生产过程中单位水分的能量转化效率，其受蒸腾速率和光合速率共同影响[3]。小麦和玉米的光合特性一直是作物生理生态领域研究的热点，前人的研究较多地集中于作物种植密度、光照、水分及养分供应、温度、病虫害及其它栽培措施等对小麦、玉米光合特性的影响[4-6]，得出高光合能力的作物品种，其产量也相对较高，但作物不同生育阶段光合能力的大小有所不同，Jorge[7]研究发现过去30年玉米产量的提高主要是子粒灌浆时间延长的结果，建议把灌浆时间作为高产玉米选择的有效指标。

合理的N、P、K施用可有效提高作物的净光合速率、产量和肥料吸收利用率，改善作物的水分利用效率[8-10]，因此，肥料在提高作物水分利用效率和缓解干旱胁迫中的作用成为生理生态学研究的重点。N、P、K施用不当不但对作物的生长和产量产生不利影响，而且过量施用会对环境造成影响[11-13]，肥力不足则影响水分的吸收和利用。水分不足影响作物营养物质的合成和转运，降低产量和品质。不同水肥条件对作物的生长、干物质分配及作物产量等产生重要影响[14-17]。适量施用氮肥可提高作物叶片光合机构活性，增加干物质积累量，增强植物对干旱的适应能力[18-20]。而氮素缺乏可影响作物生理代谢过程[21-23]，最终影响其产量。相关研究表明，在一定条件下，施肥可大幅度提高作物的水分利用效率[24-28]，但Porver[29]的研究结果相反。有关小麦、玉米N、P、K最佳配比的研究已有很多，但对于小麦-玉米周年养分管理的研究并不多见。

因此，针对河南潮土区小麦、玉米轮作过程中的养分配置及水肥高效利用等问题，笔者采用小麦、玉米关键生育灌水并追肥的方式，研究了小麦、玉米关键生育期的光合生理及周年水分利用特征，以期为该地区的小麦、玉米周年水分与养分合理配置提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验在通许节水农业试验示范基地进行，海拔62 m。该地区属温暖带半干旱型气候，年降水量657.9 mm，其中68.8%集中在6—9月份，年际变化大，地表径流丰枯年份非常悬殊，常有旱涝灾害发生，旱灾多于涝灾。试验地土壤属壤质潮土，肥力均匀，地势平坦，耕层有机质11.4 g·kg-1、全氮0.81 g·kg-1、碱解氮74.31 mg·kg-1、速效磷19.8 mg·kg-1、速效钾90.3 mg·kg-1。该区种植方式为小麦、玉米轮作。

1.2试验设计

本试验开始于2013年10月小麦播种开始至2014年10月玉米收获结束。试验养分设置：N1P1K1、N2P1K1、N3P1K1、N4P1K1、N1P2K1、N2P2K1、N3P2K1、N4P2K1、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2、N4P2K2、N0P0K0。N1、N2、N3、N4分别表示氮肥用量120、180、240 kg·hm-2和360 kg·hm-2(当地氮肥用量为300 kg·hm-2)，P1、P2分别表示磷肥用量90 kg·hm-2和135 kg·hm-2，K1、K2分别表示钾肥用量75 kg·hm-2和150 kg·hm-2。磷、钾肥和氮肥均为一次性底施(撒于小区内，先用小型拖拉机进行翻耕，然后进行旋耕、耙地)，在拔节期和灌浆期进行灌水，灌水量为450 m3·hm-2·次-1(当地常规灌水量过大，为600 m3·hm-2·次-1)。小麦品种为矮抗58。

玉米试验在小麦小区内进行，养分设置：N1P1K1、N2P1K1、N3P1K1、N4P1K1、N1P2K1、N2P2K1、N3P2K1、N4P2K1、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2、N4P2K2、N0P0K0。N1、N2、N3、N4分别表示氮肥用量180、240、360 kg·hm-2和450 kg·hm-2(当地氮肥用量为420 kg·hm-2)，P1、P2分别表示磷肥用量为90 kg·hm-2和135 kg·hm-2，K1、K2分别表示钾肥用量为75 kg·hm-2和150 kg·hm-2。磷、钾肥和氮肥为一次性底施(人工开沟条施，沟深5 cm)，分别在拔节期和灌浆期进行灌水，灌水量450 m3·hm-2·次-1(当地常规灌水量过大，为600 m3·hm-2·次-1)。玉米品种为郑单958。

1.3测定项目与方法

1.3.1光合作用测定光合参数采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合仪测定。在小麦灌浆期(2014年5月15日)和玉米大喇叭口期(2014年7月25日)选择晴朗无风的天气于9∶30—11∶00进行光合参数的测定。

测定叶片部位: 小麦为旗叶，玉米为最新全展叶。

测定参数: 净光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)、气孔导度Gs(mmol·m-2·s-1)、蒸腾速率Tr(mmol·m-2·s-1)。

叶片水分利用效率WUE(μmol·mmol-1)计算公式[30-31]：

WUE=Pn/Tr

(1)

1.3.2各生育期生物量计算收获时小麦以每小区收获4 m2产量记产，玉米以每小区3行玉米产量记产，将其产量折合成每公顷产量。

1.3.3水分生产效率计算

水分生产效率(kg·mm-1·hm-2)=子粒产量(kg·hm-2)/生育期耗水量(mm)

(2)

生育期耗水量=播种前0～100 cm土层土壤储水量(mm)+生育期内降雨量(mm)-收获时0～100 cm土层土壤储水量(mm)

(3)

1.4数据处理

试验光合各参数值均为9次重复(每处理3个重复内分别测定3个样品)的算术平均值，其它结果为3次重复的算术平均值，且所得的数据应用统计学及相关的数理统计软件(DPS)进行处理。

2结果与分析

2.1小麦、玉米生育期内降雨量分析

从图1中可知，2013年10月17日小麦播种到2014年9月30日玉米收获时的总降雨量为548.9 mm。小麦生育期内降雨量为191.7 mm，玉米生育期内降雨量为357.3 mm。其中，2013年10月17日小麦播种到10月底无降水，11月降雨47.4 mm，2013年12月和2014年1月无降水，2014年2月到6月8日小麦收获，逐月降雨量分别为29.3、10.3、54.4、31.4、46.3 mm。说明小麦越冬期到返青期前旱情较为严重。从2014年6月12日玉米播种到10月3日收获，逐月降雨量分别为27.4、21.7、82.4、225.6 mm。玉米灌浆后期的降雨量较高，不利于后期玉米子粒灌浆和收获。

图1小麦、玉米生育期内降雨量分布

Fig.1Precipitation distribution during wheat and maize growth period

2.2不同处理对小麦光合生理特征的影响

在灌浆期测定了不同处理小麦的光合生理特征。从表1中可知，不同氮磷钾配比处理的光合速率均显著高于对照(N0P0K0)，而除N1P1K1、N2P1K1、N2P2K1、N3P2K1、N4P2K1、N4P2K2处理的蒸腾速率高于对照外，其它处理的蒸腾速率均较低，且以N2P2K1处理最高，N1P2K2处理最低。各处理中，以N3P2K2处理的光合速率最高，其次为N2P2K2处理。在低磷低钾条件下，氮肥用量越高，其光合速率反而降低。在高磷低钾和高磷高钾条件下，小麦光合速率随氮肥用量的增加均表现为先增加再降低的趋势。小麦叶片的水分利用效率表现为：对照最低，N3P2K2处理最高，其次为N2P2K2和N1P2K2处理，其它处理居中。

注：同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note： Different letters in the same column mean significant difference atP<0.05, the same as below.

2.3不同处理对小麦成产要素及水分利用的影响

从表2中可知，不同氮磷钾配比处理均提高了小麦的株高、穗长、小穗数和穗粒数，而有效降低了小麦不孕穗，且最终提高了小麦的产量。除对照、N4P2K2、N2P1K1、N3P1K1、N4P1K1处理外，其它处理的小麦产量均超过了7 500 kg·hm-2。在磷钾用量均较低时，随氮肥用量的增加小麦产量呈增加的趋势。而在磷钾用量均较高时，增加氮肥用量，对于小麦产量的提高更为有利，但氮肥用量过大，产量反而降低。各处理中，以N3P2K2处理的增产效果最佳，较对照增产29.0%。N4P1K1处理的小麦全生育期耗水量最高，N2P1K1处理耗水量最低。不同氮磷钾配比均提高小麦的水分利用效率。在磷钾相同条件下，小麦水分生产效率随氮肥用量的增加表现为先降后增或先增后降的趋势。只有当高磷低钾(P2K1)时，小麦水分生产效率随氮肥用量的增加而提高，但各处理中以N2P2K2和N3P2K2处理显著高于其它处理，分别较对照提高了28.0%和27.2%。

2.4不同处理对玉米光合生理特征的影响

在玉米大喇叭口期测定了不同处理玉米的光合生理特征。从表3中可知，不同氮磷钾配比均提高了玉米叶片的光合速率和蒸腾速率。各处理中，以N3P2K2处理光合速率最高，其次为N1P2K1。以N1P2K2处理的蒸腾速率最高，其次为N4P2K1、N3P2K1和N4P2K2处理。同时，除N1P2K2和N4P2K1处理外，叶片水分利用效率均高于对照，且以N3P2K2处理最高，其次为N2P2K2、N1P2K1和N4P1K1处理，其它处理居中。

2.5不同处理对玉米成产要素及水分利用的影响

从表4中可知，不同氮磷钾配比提高了玉米的叶片数、茎粗、穗位、株高、行粒数、穗粗、有效穗长及玉米产量。各处理中，以N4P2K1和N4P2K2处理的叶片数最多，以N1P2K2处理的茎粗显著高于其它处理，以N2P1K1处理的穗位最高，N3P2K2和N4P1K1处理较其它处理的株高高，达233.4 cm。行数以N3P1K1处理最多，而行粒数以N3P2K2处理最多，N1P2K2处理穗粗较其它处理粗。而有效穗长以N1P1K1处理最长。玉米全生育期耗水量仍以N4P1K1处理最高，而N1P2K1处理最低。最终玉米产量和水分生产效率均以N3P2K2和N2P2K2处理较其它处理高，分别较对照增产31.4%和32.4%，水分生产效率提高了34.5%和37.6%。

2.6不同处理对小麦-玉米周年水分利用的影响

从表5中可知，N3P2K2处理的小麦、玉米总产量最高，其次为N2P2K2处理。而小麦、玉米周年耗水量以N4P2K1最高，以N2P2K2和N3P2K2较其它处理低。最终，小麦、玉米总水分利用效率仍以N3P2K2处理最高，其次为N2P2K2处理，其分别较对照增产30.3%和26.8%，水分利用效率分别提高了30.5%和27.4%。

2.7周年耗水量、水分利用效率及产量相关性分析

对小麦、玉米周年耗水、水分利用效率及产量之间进行相关性分析得出：总耗水量与总水分利用效率呈显著负相关(P<0.05)，与周年小麦、玉米总产量呈负相关，但差异不显著(P>0.05)。而小麦、玉米总产量与总水分利用效率呈极显著正相关(P<0.01)。说明在通过周年小麦、玉米水肥管理促进其水分利用的同时，也有利于其周年总产量的提高。

注 Note: *P<0.05， **P<0.01.

3结论

1) 不同N、P、K配比对小麦、玉米光合生理、产量及水分利用等产生重要影响。在小麦、玉米关键生育期进行适量灌水并进行追肥，可促进小麦、玉米对水分的吸收的同时，促进其养分的吸收，实现水肥同步。本研究发现，不同N、P、K配比处理均显著提高了小麦光合速率，且以N3P2K2处理最高，其次为N2P2K2处理。小麦叶片的水分利用效率N3P2K2处理最高，其次为N2P2K2和N1P2K2处理，对照最低。说明磷钾较高时施用氮肥更利于小麦叶片水分利用效率的提高。对玉米而言，各处理中，以N3P2K2处理光合速率和叶片水分利用效率均最高，而以N1P2K2处理的蒸腾速率最高，因此其叶片水分利用效率最低。说明在磷钾用量较高时，高氮更利于玉米叶片水分利用效率的提高。

2) 不同N、P、K配比处理均提高了小麦的株高、穗长、小穗数和穗粒数，且有效降低了小麦不孕穗，且最终提高了小麦的产量。在磷肥用量较高时，施用氮肥增产幅度更大。而在磷钾肥用量均较高(P2K2)时，增加氮肥用量对于小麦产量的提高更为有利，但氮肥用量不宜过大(N4)。说明磷钾肥用量较高，而氮肥用量适宜时更有利于发挥肥效，促进小麦产量的提高。各处理中，以N3P2K2处理的增产效果最佳，较对照增产29.0%。在高磷低钾条件下，小麦水分利用效率随氮肥用量的增加而提高，但各处理中以N2P2K2和N3P2K2处理显著高于其它处理，分别较对照提高了28.0%和27.2%。同时，不同氮磷钾配比提高了玉米的叶片数、茎粗、穗位、株高、行粒数、穗粗、有效穗长及玉米产量。最终玉米产量和水分利用效率均以N3P2K2和N2P2K2处理较其它处理高，分别较对照增产31.4%和32.4%，水分利用效率提高了34.5%和37.6%。

3) 对于周年效应而言，在磷钾用量较高时，小麦、玉米周年耗水量明显低于低磷低钾和高磷低钾的条件，说明磷钾用量的提高促进了小麦、玉米对水分的消耗，提高了水分利用率。最终以N3P2K2处理的小麦、玉米总产量和周年水分利用效率最高，其次为N2P2K2处理，而从农业部提倡的减肥减药和经济效益的角度考虑，本研究推荐的氮磷钾配比为N2P2K2。

参 考 文 献：

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Photosynthetic parameters and water use efficiency of wheat and maize under different rates of N, P and K

YANG Yong-hui1,2, WU Ji-cheng1,2, PAN Xiao-ying1,2, ZHANG Jie-mei1,2,HAN Wei-feng1,2, WANG Zhe1,2, WANG Yue1,2, HE Fang1,2

(1.InstituteofPlantNutrition&ResourceEnvironment,HenanAcademyofAgriculturalSciences,Zhengzhou,Henan450002,China;2.YuanyangExperimentalStationofCropWaterUse,MinistryofAgriculture,Yuanyang,Henan453514,China)

Keywords:nutrient ratio; irrigation amount; wheat; maize; water use efficiency

Abstract：Field experiment was conducted to explore the mechanism of photosynthesis and water use efficiency of wheat and maize, under different N, P, and K rates of the same irrigation condition. The results showed that: the reasonable irrigation and fertilization in key growth stage of wheat and maize can promote and synchronize the water and nutrient uptake, improve the photosynthetic physiological characteristics, promote water-saving and increase crop yield. Different N, P, and K treatments significantly increased photosynthetic rate and leaf water use efficiency, And the photosynthetic rate and leaf water use efficiency of N3P2K2 treatment was the highest. Meanwhile, different ratios of N, P, and K nutrition increased the yield component of wheat and maize. Finally, the water use efficiency and yield were the best for N2P2K2 and N3P2K2 treatments. However, the recommended NPK ratio for high profit was N2P2K2.

文章编号：1000-7601(2016)03-0054-06

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.08

收稿日期：2015-04-06

基金项目：国家863计划项目(2013AA102904);公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203077);国家科技支撑计划(2013BAD07B07);国家自然科学基金项目(U1404404);河南省农业科学院优秀青年科技基金(2016YQ12)

作者简介：杨永辉(1978—)，男，陕西西安人，博士，副研究员，主要从事节水农业技术与理论研究。E-mail: yangyongh@mails.qucas.ac.cn。

中图分类号：S147.22

文献标志码：A