砒砂岩与沙混合比例对春玉米冠层结构及其光合特性的影响

2017-03-30孙婴婴韩霁昌王欢元张海欧

西北农业学报 2017年3期

孙婴婴，韩霁昌，张扬，王欢元，张海欧，赵宣

(1.陕西省地建土地工程建设集团有限责任公司国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,西安 710075)

孙婴婴，韩霁昌，张扬，王欢元，张海欧，赵宣

为探明砒砂岩与沙的不同复配比例对春玉米冠层结构、光合特性与最终产量的影响，在毛乌素沙地设置砒砂岩与沙体积比分别为1∶1、1∶2和1∶5的小区试验，于2014―2015年测定春玉米株高、叶面积指数、冠层开度、穗位叶净光合速率、产量以及土壤含水量动态变化。结果表明，1∶1和1∶5两种复配土与1∶2比例复配土相比，所种植的春玉米在12叶期、抽雄期、乳熟期具有较低冠层开度，在抽雄期具有较高的叶面积指数，冠层结构更为优化，同时1∶2复配土春玉米穗位叶净光合速率在各生育期均具有一定优势，这与该比例复配土在0～120 cm深度土层内更佳的保水性具有一定关系。冠层结构与光合生理上的优势导致1∶2复配土春玉米百粒质量显著高于1∶1和1∶5复配土，产量最高，是适于在毛乌素沙地推广应用的砒砂岩与沙复配比例。

砒砂岩与沙复配成土；春玉米；冠层特征；光合特征

毛乌素沙地地处鄂尔多斯高原东南部和陕北黄土高原以北的洼地，该地草地退化、土壤沙化严重，土地生产力低下。当地地表广泛存在的砒砂岩裸露风化后遇风就起尘，遇水即被冲走，被称为“环境癌症”，造成极为严重的岩土侵蚀[1]。自20世纪70年代，中国针对该地环境恢复先后进行了沙地飞播造林、生态修复及建立沙棘柔性坝等因地制宜和因时制宜的措施。虽取得了一定成效，但均未能从根本上扭转沙漠化加剧的势头。实验室测定结果发现，砒砂岩中砂粒、粉粒和粘粒含量分别为19.57%、72.94%和7.49%，达到粉砂壤土标准，具有良好的持水性，与沙性质互补[2]，因此将砒砂岩与沙这两种当地广泛存在物质进行复配，混合后产生交互作用形成新的“土壤”，既增加耕地资源，又起到一定的水土保持效应[3]。

研究证实，砒砂岩与沙复配成土能显著提高沙地产能[4-5]，砒砂岩与沙的不同复配比例对复配土的质地、保水性、养分特征都有显著影响[6-7]，进而对作物产量产生影响[8]。但是关于砒砂岩与沙的不同复配比例对作物产量影响的生理和形态机制，尚缺乏系统深入的研究。本研究旨在通过测定砒砂岩与沙的不同复配比例对春玉米的冠层结构、光合特性及产量的影响，初步探索不同比例复配土上作物产量差异的形态和生理因素，为未来毛乌素沙地新增耕地的高产高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省榆林市榆阳区小纪汗乡大纪汗村，该地位于陕西北部的毛乌素沙漠南缘，海拔1 206～1 215 m，属典型中温带半干旱大陆性季风气候区，全年降水时空分布不匀，气候干燥，春季多风干旱，秋季温凉湿润，年均气温8.1 ℃，≥10 ℃积温为3 307.5 ℃，持续时间为168 d。年平均无霜期154 d，年均降水413.9 mm。60%以上的降雨集中在7-9月，年均日照时间2 879 h，年总辐射量607.79 kJ/cm2。当地土壤类型以风沙土为主。

1.2 试验设置

本研究研究期为2014、2015连续2 a春玉米生育期，试验田为2012年开始种植，分别设有砒砂岩∶沙体积比为1∶1、1∶2、1∶5的3个处理，每处理重复3个小区。每小区面积为5 m×12 m，在小区表层30 cm覆盖不同混合比例的复配土，30 cm以下为当地原状沙土。试验种植作物为春玉米‘万瑞5号’，分别于2014-05-08和2015-05-08种植，2014-09-27和2015-10-08收获。玉米株行距统一设为 50 cm×33 cm，经查苗补苗，保证实际种植密度与理论密度相同。所有小区灌溉与施肥处理完全相同：播前施基肥磷酸二铵335 kg/hm2，复合肥[w(N)=12%、w(P2O5)= 19%、w(K2O)16%)]375 kg/hm2，用旋耕机将肥料与表层15 cm的复配土混合均匀，于拔节期追肥1次，施尿素375 kg/hm2；由于复配土有机质含量较低，在2015年播前所有试验田施用有机肥(牛粪、羊粪)13 000 kg/hm2；分别于春玉米的苗期、拔节期、灌浆期灌水3次，灌水量分别为35、75、35 mm。其他管理同当地大田。

1.3 测定指标及方法

分别于春玉米播前、拔节期、12叶期、抽雄期、乳熟期、成熟期等不同生育时期，利用 CNC100 型水分中子仪测定田间土壤体积含水量。在0～20 cm 深度范围内每 10 cm 为一层，20～120 cm 范围内每20 cm为一层。各层土壤含水量加权值即为0～120 cm深度内土壤体积含水量。

分别在春玉米12叶期(V12)、抽雄期(VT)、乳熟期(R3)于晴天9:00―11:30测定株高、穗位叶净光合速率(Pn)、冠层叶面积指数(LAI)、冠层开度(DIFN)。株高用卷尺定株测定，Pn采用Li-6400 便携式光合测定仪(LI-COR,USA)测定，完全开放式气路，测定位置在能完全接触光照的叶片中部进行，每小区测定5片，取平均值；LAI和DIFN采用 LAI-2200冠层分析仪(LI-COR,USA)测定，避免光线直射，每小区测3个冠层下数值和1个冠层上数值。

于春玉米成熟期，每小区量取2 m×2 m代表性玉米植株，选择8穗数起穗行数和行粒数，将全部穗的籽粒风干称重用于测定产量，每小区称取5次百粒质量。

1.4 数据统计与分析

通过Excel 2007进行数据汇总Sigmaplot 10.0绘图，SAS V8.0 (SAS Institute,Inc,University of Texas,Arlington)用一元方差分析方法(one-way ANOVA)对试验数据进行分析，先用Levene进行方差剂性检验，如数据满足齐性检验则利用LSD多重比较法进行显著性检验，否则利用Tamhane分析。

2 结果与分析

2.1 不同生育期内土壤含水量动态变化

2015年春玉米全生育期内，3种比例复配土试验田土壤含水量均高于17%，显著高于2014年(图1)。2014年5―7月，1∶1复配土土壤含水量显著低于1∶2和1∶1复配比例；2015年7―9月，1∶2比例复配土土壤含水量显著高于另外两种比例的复配土，表现出良好的保水性。

图1 0～120 cm土层体积含水量动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil moisture in depth of 0-120 cm

2.2 不同生育期内春玉米冠层结构动态变化

从12叶期到抽雄期、乳熟期，3种比例复配土的春玉米株高持续增长(图2)。尽管2015年春玉米株高略高于2014年，但在2试验年内，春玉米株高在3种比例复配土间差异不显著，趋势基本一致。春玉米LAI从12叶期到抽雄期显著增加，到乳熟期则又降低(图3)。2015年3种比例复配土春玉米LAI略高于2014年。在2试验年份的12叶期和乳熟期，3种比例复配土上春玉米LAI均小于2，且处理之间差异不显著。而在2014年和2015年的抽雄期，1∶2比例复配土春玉米LAI分别达到2.42和2.60，显著高于1∶1和1∶5两种复配比例。

2试验年份内，不同比例复配土春玉米DIFN随生育期推移，基本都呈先下降后上升趋势(图4)。2014年在12叶期，1∶2和1∶5比例复配土春玉米DIFN分别为0.58和0.59，显著低于1∶1比例复配土；到抽雄期，1∶2比例复配土春玉米DIFN仅有0.32，显著低于1∶1和1∶5两种比例的复配土；到乳熟期，则表现为1∶2<1∶1<1∶5。2015年趋势与此类似，但不同比例复配土间差异不显著。

图2 春玉米株高动态变化Fig.2 Dynamic changes of plant height in spring maize

不同小写字母代表相同生育期内不同比例复配土间差异显著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters show significantly different between different mixing ratios in same growth period (P<0.05),the same as below

2.3 不同生育期内春玉米穗位叶Pn变化

尽管2015年3种比例复配土春玉米穗位叶Pn略高于2014年，但其总体趋势类似(图5)：从12叶期-抽雄期-乳熟期，春玉米穗位叶Pn呈单峰型，在抽雄期达到最高；在2014年和2015年12叶期，1∶2比例复配土春玉米穗位叶Pn分别达到19.1和22.0 μmol/(m2·s)显著高于1∶1和1∶5两种比例复配土；到2014年抽雄期，1∶2比例复配土上穗位叶Pn仍有显著优势，2015年该生育期不同比例复配土之间差异相对较小；到2试验年份的乳熟期，1∶2比例复配土穗位叶Pn均显著高于另外2种比例，保持显著优势。

图4 春玉米DIFN动态变化Fig.4 Dynamic changes of DIFN in spring maize

图5 春玉米冠层下穗位叶净光合速率动态变化Fig.5 Dynamic changes of net photosynthetic rate in spring maize

2.4 不同比例复配土春玉米产量

2试验年份内，3种比例复配土春玉米的穗行数差异不显著；2014年和2015年1∶5比例复配土春玉米行粒数分别为38.7和39.1，显著低于另外两种比例；1∶2比例复配土春玉米百粒质量在2014年达到25.55 g，2015年达26.03 g，均显著高于另外两种比例；2 a内春玉米产量均表现为1∶2>1∶1>1∶5。2015年3种比例复配土春玉米的穗行数、百粒质量和产量均不同程度上高于2014年。

表1 不同比例复配土上春玉米产量及产量构成Table 1 Yield and yield components of spring maize planted in different mixing ratios

注：不同小写字母代表同一年份同一指标在不同处理间在0.05水平上差异显著。

Note：Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at 0.05 level.

3 讨论

土壤水分状况对玉米的光合作用、形态都有显著影响，并最终影响玉米产量的累积[9-10]。适量砒砂岩能改善沙地土壤保水性，减少水分蒸散[6]。本研究中，经过3～4 a的耕种，与1∶1和1∶2两种比例复配土比较，1∶5复配土0～120 cm深度内土壤体积含水量一直处于较低水平，土壤总体保水性较弱，这与摄晓燕等[11]的研究结果不同，原因可能在于本研究中复配土仅在试验田表层覆盖30 cm，因此1∶5比例复配土在土壤表层的保水能力可能较为显著，而在中深层土层内受水分下渗等的影响，保水能力相对较弱，其中具体原因仍需进一步深入探讨。玉米叶片空间结构和株型的差异使得光在冠层内的分布不同，进而影响到光合作用[12]。LAI和DIFN作为冠层的重要参数，最能代表冠层光线吸收的指数，是冠层结构的代表值[13-14]。一般认为，LAI越高，作物干物质生产能力越强[15-16]，而LAI较为接近的情况下，DIFN越低则其光线吸收效率越高[17]。研究证实，高产和超高产玉米较高的叶面积指数和吐丝后较长的持续期，形成了高光效的冠层结构，有益于其产量的累积[18-19]。1∶2比例复配土春玉米的株高在各生育期内与另外两种复配比例无显著差异，但其LAI则在各个生育期内都表现出不同程度的高于其他两种复配土的趋势，尤其是在抽雄期，即1∶2比例复配土春玉米的光合面积具有一定优势。在2试验年份内，1∶2比例复配土春玉米的DIFN一直处于较低水平，冠层开度较小，保证了即使其LAI优势不明显，仍具备更优化的冠层结构。

玉米叶片较高的光合速率和较长的保绿性能与产量提升关系密切[20-21]，提高叶片的光合速率，延缓叶片衰老，延长玉米叶片的光合作用时间，均能提高吐丝抽雄后玉米群体光合能力，显著提高产量[22-23]。2试验年份的所有生育期内，1∶2比例复配土春玉米的Pn基本均显著高于1∶1和1∶5两种复配土。同时，该比例复配土上春玉米在花后(乳熟期)仍保持较高的穗位叶Pn，证实该复配比例对春玉米光合能力的提升具有显著作用。

高产玉米光合作用的优势往往直接反映在其粒质量上[24-25]。本研究结果表明，3种比例复配土春玉米的穗行数、行粒数差异较小，但1∶2比例复配土百粒质量显著高于1∶1和1∶5两种比例，最终其产量在2014年和2015年分别达到8 876 kg/hm2和10 300 kg/hm2，高出另外两复配比例4.5%～7.5%。

4 结论

相比1∶1和1∶5两种比例的复配土，1∶2比例复配土春玉米的冠层结构更为优化，穗位叶光合速率较高，利于其籽粒的灌浆，进而提升成熟期百粒质量，提高产量。未来应加强对不同砒砂岩与沙复配比例在不同时期、不同土层深度内的土壤保水保肥效应与作物地上、地下形态和生理特征的相互影响，为毛乌素沙地综合整治提供科学依据。

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(责任编辑：史亚歌 Responsible editor:SHI Yage)

Effects of Mixing Ratio of Pisha Sandstone to Sand on Canopy Structure and Photosynthetic Characteristics of Spring Maize

SUN Yingying,HAN Jichang,ZHANG Yang,WANG Huanyuan,ZHANG Haiou and ZHAO Xuan

(1.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering of Ministry of Land and Resources of China,Shaanxi Land Construction Group Co.,Ltd,Xi’an 710075,China; 2.Land Engineering Technology Research Institute of Shaanxi Land Construction Group Co.,Ltd,Xi’an 710075,China)

To explore effects of different mixing ratios of Pisha sandstone to sand on canopy structure,photosynthetic characteristics and yield in maize,we conducted plot experiment of different mixing volume ratios of Pisha sandstone to sand such as 1∶1,1∶2,1∶5 in Mu Us Desert,and measured changes of plant height,LAI,DIFN,Pnof ear leaf in spring maize as well as soil moisture condition.The results showed that 1∶2 mixed cases of spring maize presented lowestDIFNat 12 leaf stage,tasseling stage and milky-ripe stage,and highestLAIat tasseling stage,it had more optimal canopy characteristics compared with 1∶1 and 1∶5 mixed cases; 1∶2 mixed case also had more certain advantage onPnof ear leaf than other mixed case,which might be correlated with the better capacity in soil water retaining at the depth of 0-120 cm.Better canopy characteristics and photosynthetic characteristics of maize in 1∶2 mixed case had higher 100-grain mass and yield,compared with 1∶1 and 1∶5 mixed cases,this could be applied better in Mu Us Desert in the future.

Soil mixture of Pisha sandstone with and sand; Spring maize; Canopy characteristics; Photosynthetic characteristics

SUN Yingying,female,doctoral candidate.Research area:degradation and unused land management.E-mail:sunyy526@163.com

HAN Jichang,male,research fellow.Research area: land engineering technology development and application.E-mail:hanjc-sxdj@126.com

日期：2017-03-03

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.s.20170303.0822.016.html

2016-02-03

2016-03-30

陕西省重点科技创新团队计划项目(2016KCT-23)。

孙婴婴，女，博士研究生，研究方向为退化及未利用土地整治。E-mail:sunyy526@163.com

韩霁昌，男，研究员，研究方向为土地工程技术开发及应用。E-mail:hanjc_sxdj@126.com

S314

1004-1389(2017)03-0369-07