水肥调控下作物产量构成因子的研究进展*

2016-04-25李丽

新疆农垦科技 2016年9期

关键词：叶面积水肥根系

李丽

（新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830049）

水肥调控下作物产量构成因子的研究进展*

李丽

（新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐 830049）

水和肥是影响作物产量与品质的关键因子，水肥的相互作用对作物生长起着制约与促进的作用，叶片面积是作物生长和产量构成的主要生理指标，其叶面积指数可直接反映出作物的生长状况，叶面积指数大小直接与产量密切相关。本文在查阅了水肥调控措施对作物生长特性和产量的影响以及叶面积指数与产量的关系等大量国内外有关文献的基础上，针对作物产量的形成机理，对水肥调控下作物主要生理指标与产量间相互关系的研究现状和进展进行了归纳总结，探讨仍需研究的重点问题，为作物高产和水肥高效利用提供理论支撑。

水肥调控；叶面积指数；产量

水肥是农业生产中投入最大的两大主要因素，也是可以调控的两大重要技术措施，水肥调控，主要指在农田生态系统中，水与肥二因素之间或水与肥中的氮、磷、钾等因素间的相互作用对作物生长和产量的影响及其水肥的利用效率。叶面积指数是反映作物群体生长状况的一个关键指标，其大小直接与产量密切相关。本文就水肥调控下作物的生理特性、主要生理指标与产量的关系等研究动态作一综述性的讨论。

1 水肥对作物生长特性的影响研究

水肥调控技术下，受水肥耦合程度大小的影响，果树树体内的营养状况会发生很大变化，对于果树的生理生长、产量形成、果实品质等各项生理活动均呈现出不同的特点[1]。

在果树上，采用根系分区交替滴灌技术在葡萄上的研究表明，根系分区交替滴灌不仅可以调节葡萄的营养生长和生殖生长进程，而且可以减少树体的冗余生长，使更多的水分与养分供应植株生殖生长所需，同时，在控水时，能降低叶片气孔导度，使蒸腾速率下降明显，而光合速率下降幅度较小，从而使水分利用效率明显提高[2]。在葡萄根系的1/2处，当处于干旱状态时，可以减缓枝叶生长，降低叶片气孔导度，但是这种抑制作用持续的时间较短，在田间条件下仅可维持14 d左右，当及时交换根系的干湿部位后，抑制作用能够长期维持[3]。采用不同的灌溉方式对叶片光合同样产生明显的影响，对比部分根系灌溉与充分灌溉表明，部分根系灌溉能明显降低叶片气孔导度，但是光合速率降低不明显，而且水分利用效率相比充分灌溉提高80%～100%，但产量基本不变[4-5]。同样采用部分根系灌溉技术与充分灌溉技术，在对桃树苗进行的水肥耦合试验中发现，桃树苗在地上的树体生长受到了抑制，与充分灌溉相比，地上部分的干重降低11%～12%，叶面积降低15%，而且这种抑制作用的大小与根系发生干旱的体积呈正相关[6]。

在农作物上，水肥耦合对不同作物不同生育阶段的根系形态影响显著，如对水稻汕优63的试验中发现，在低土壤水分条件下，增加氮素供应水平能够显著增加水稻根干重，增大根系体积和促进根系的扎深[7]。对橡胶苗的研究表明，在轻度降低土壤水分的条件下，根系形态和活力均表现出随生长时间的延长而增加的趋势，而在土壤含水量相同的情况下表现出随施氮水平增加呈先升后降的趋势，其根系形态随土壤含水量的变化趋势呈单峰型曲线，其产量在施氮水平0.25～0.75 g/kg达最大值，结果表明，轻度降低土壤水分和适当增加施氮量可以迅速提高根系活力和促进根系快速生长，但过度降低土壤水分含量则对根系活力有抑制作用[8]。在水肥耦合对小麦生育期前期植株影响的各因子中，肥料的影响程度强于水分，且肥料中N肥是影响春小麦生育前期株高的主要因子，水分在小麦灌浆期时其影响大于肥料，说明水肥对小麦生育期植株生长影响显著，且N、P配合施用可明显提高株高[9-10]。

以上研究表明，采用节水灌溉技术和水肥耦合技术对作物植株生长具有显著的促进或抑制作用[11]，但节水和施肥应在适宜的范围内，如过多或过少都引起叶绿素含量的降低，且影响植株的生长[11]。

2 水肥对作物产量与品质的影响研究

在果树生产复合系统中，水分与养分之间相互促进、相互影响，对水肥协同管理，不仅能提高水肥利用效率，而且能提高果实产量和质量。

受水肥耦合不同的水肥管理水平的影响，果树的产量也会不同。如在葡萄上的水肥耦合试验中发现，采用滴灌施肥可使产量提高28.71%，投入产出比由1∶3.81提高到1∶8.4[12]。在美国佛罗里达州针对柑橘进行的连续4年的水肥耦合试验，结果表明，肥料灌施处理的产量相比传统撒施处理提高9%[13]。在埃及沙漠地区进行的柑橘水肥耦合试验表明，滴灌施肥处理的产量比对照提高25.00%～66.67%[14]。水肥耦合同样能提高香蕉的产量，邱继水等人[15]研究显示，微喷灌溉下水肥耦合模式使雷州半岛地区的香蕉产量提高17.6%，使珠江三角洲地区的香蕉产量提高12.1%。

水肥耦合不仅对产量影响显著，对果实品质的影响也同样显著，有研究显示，水肥耦合可以改善苹果的品质，在水分和肥料的相互作用中，水分对品质的影响最大，其次是肥料，在肥料中硫酸钾的影响较大，氯化钾影响最小[16]。滴灌技术作为目前应用最广的节水灌溉技术，在对极端干旱区葡萄的试验研究中，结果表明，滴灌并不利于葡萄糖分的提高，但是通过水肥的交互作用能抵消这一不利影响，若灌水量和施肥量过大，将直接影响葡萄品质的提高，同时降低水肥利用效率。不同水肥因子对葡萄糖度的影响中灌水量最大，其后依次是施氮量、施磷量和施钾量，不同水肥因子对葡萄单粒重的影响中施氮量最大，其次依次是灌水量、施磷量和施钾量[17]。同样以葡萄为试材，采用根系分区灌水技术，经过连续6年的试验研究结果表明，与全根系灌水相比，干湿交替灌水能明显抑制葡萄的营养生长，但对产量和单粒重没有显著影响。同时，采用干湿交替灌水技术的处理减少了枝叶量，降低了冠层密度，使树体光照条件得到改善，且果实含糖量等品质指标都有所提高，与全根系灌水处理相比，干湿交替灌水技术对于改善红色品种的外观品质效果尤为明显[18]。

3 产量构成因子与产量的关系研究

作物产量的形成过程实际上就是作物干物质生产、分配与积累的过程。肥料作为作物最重要的产量影响因子，在作物产量形成的过程中影响着作物产量的形成、分配与积累。不同肥料对不同作物的影响也存在差异，如在水稻产量的形成过程中，氮素是影响水稻产量最为重要的栽培因素之一，它既影响产量物质的形成，也影响产量物质的分配和积累[19]，有机无机肥料配施能够显著地提高白菜产量与其干物质积累量[20]，而施用鸡粪和豆粕混合肥与单施化肥相比，地上部分的干物质重量达到了显著差异水平，较单施化肥分别提高了20.4%和33.2%[21]。在作物干物质积累与分配中，马铃薯根、茎、叶干物质积累变化呈单峰曲线变化规律，峰值在淀粉积累期，根、茎和叶干物质的积累速率呈单峰曲线变化，但峰值出现的时期不同，而块茎干物质积累与全株的基本相似，呈“S”型曲线变化规律。在马铃薯全生育期内，马铃薯干物质分配随着生育期进程的推进，干物质生育期积累与分配由于灌水次数或灌水日期不同而呈现较大差异[22-23]。在小麦中，随着灌水量的增加，小麦单株干物质积累量呈现明显增长趋势，小麦籽粒干物质主要由3大部分构成，即花后直接运输至籽粒的光合产物、花前营养器官储存的干物质及花后暂时储存在营养器官中的干物质，后两者分别占籽粒总干物质来源的7%～57%和70%～90%。在小麦起身拔节期减肥改善土壤水分状况，能使植株和各器官干物质含量显著增加，之后进行干旱处理可以促进营养器官中干物质的转运[24]。采用不同的播种技术对作物干物质积累速率影响显著，如大豆晚播能够提高VE至R1期的干物质积累速率，降低Rl至R5期的干物质积累速率[25]。在不同生育期，作物干物质生产、积累速率不同。在水肥耦合技术下，各处理中均以叶片干物质的移动率高于茎，茎干物质的转运率均高于叶片，而叶片叶面积在抽穗期达到最大值，净光合速率在开花期达到最大值[26]。冬油菜在返青期和初花期时干物质积累量与籽粒产量呈现抛物线型关系，终花期和成熟期时的干物质积累量与产量呈线性相关。春后，各生育阶段干物质净增量与产量均呈显著或极显著线性相关[27]。玉米在开花前后干物质积累分别占40%和60%，施用氮肥后，花期和成熟期的生物量可提高24%～25%[28]。隆玉2号玉米品种单株干物质积累与生育进程间的关系呈S形曲线变化，籽粒中80%的干物质直接来自生育后期叶片的光合产物[29]。

4 叶面积与产量的关系研究

叶片是作物进行光合作用的主要器官，叶面积的大小在一定程度上可以反映作物的长势长相，叶片性状特征变化将直接影响到植物的基本行为及其生态功能的发挥，叶性状的变化方式会对植物自身的生长和生态系统的功能产生深远影响，因此，叶面积指标可以用来预测作物的产量[30-31]。在小麦叶面积大小相同的情况下，不同的叶片结构往往导致产量的不同，不同叶位之间生长速度也存在着规律性的明显差异，提高春小麦的叶面积功能可以明显增加小麦花后干物质积累量[32]。在保证叶片总数相同的条件下，最大限度地提高上部3片高效能叶片叶面积的百分率，是保证春小麦高产的重要条件。3片叶的叶面积百分率越高，并能在抽穗后延长寿命，可提高群体粒（叶），从而提高抽穗至成熟期的光合生产能力，保证产量[33]。马铃薯在终花期后叶片对结薯数影响不大，而对大薯率和最终的产量影响较大，通过调控植株后期叶片生长速率，延长叶片的功能期，可以提高马铃薯产量[34]。水稻在前中期，单位面积干物质的生产和积累量，同样取决于叶面积的大小[35]。

5 叶面积指数与产量的关系研究

叶面积指数（LAI）作为作物长势的一个综合指标，可以反映不同作物的生长情况以及预测作物的产量，是田间管理的重要指标。研究表明，适宜的叶面积指数有利于提高作物的产量，油菜晚熟品种浙双8号在各生育时期的叶面积指数与干物质量和产量均呈正相关，且多数达到显著水平[36]。以“豫教5号”为试验材料，采用3因素裂区方法研究了不同灌水次数和施氮处理对小麦叶面积指数和产量的影响，分析显示，灌水次数、施氮量以及基追比例分别对小麦叶面积指数、产量及构成因素有显著影响[37]。增施氮肥有利于增加小麦叶面积，改善冠层结构，提高小麦产量，但过量施氮则使叶倾角变小，叶面积过大，则不利于合理冠层结构的构建，导致小麦产量降低[38]。水稻群体的最大叶面积指数与产量呈二次曲线关系，在一定范围内提高最大叶面积指数，有利于提高产量[39]。在灌溉方式和氮肥用量对寒地粳稻群体生长特性的影响中，灌溉方式对各生育时期叶面积指数、干物质累积速率和产量的影响占主导作用[40]。氮肥施用量同样对棉花叶面积指数动态具有调控作用，尤其是平均叶面积指数、最大叶面积指数及其二者的比值等重要特征参数对氮素反应较为敏感[41]。在果树的研究中，在影响核桃干重产量的各因素中，叶面积指数对核桃产量的影响最大，得到最佳控制因素组合为灌水定额331.892 m3/hm2，叶面积指数2.279 m2/m2和截获辐射能4 266.591 mol/（m2·yr），拟合得到最大核桃干重产量为2 987.445 kg/hm2[42]。运用HemiView数字植物冠层分析系统对核桃树叶面积指数进行分析显示，滴灌条件下，核桃树的灌水定额与叶面积指数无显著性差异。随着灌水定额的增加，核桃树的叶面积指数呈先增大后减小的变化趋势。在相同的灌水定额条件下，与涌泉灌相比，滴灌下的叶面积指数更大[43]。

6 结语

水和肥是影响作物产量与品质的关键因子，水肥的相互作用对作物生长起着制约与促进的作用，在作物植株生长过程中，叶片面积作为作物生长和产量构成的主要生理指标，其叶面积指数可直接反映出作物的生长状况，其干物质的积累与分配过程与产量密切相关。针对水肥耦合下作物产量形成机理，诸多专家学者在水肥耦合对作物干物质积累及产量的影响和作物主要生理指标与产量的关系进行了颇多研究，取得了大量的研究成果，为作物高产和水肥高效利用提供了理论支撑。同时，从前人研究成果中可发现，在作物产量形成的关键因子中，对叶面积和叶面积指数的研究仅从不同作物上叶面积和叶面积指数的变化规律、干物质积累及与产量等的简单关系入手进行了研究，且多为定性结论。

综上所述，采用水肥耦合技术，通过水肥精确调控，进一步提高水肥利用效率，降低水肥和人力资源的无效损耗，研究作物主要生理指标与冠层结构、产量间的互馈关系，揭示产量影响机制与形成机理，确定定量关系，是仍需进一步研究的关键问题。

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