滴灌水肥一体化不同施氮量对玉米叶绿素含量和荧光特性的影响

2018-06-07孙建波宋建辰康建宏马文礼

江苏农业科学 2018年10期

徐灿，孙建波，宋建辰，贾彪，康建宏，马文礼

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021； 2.宁夏农垦农林牧技术推广服务中心，宁夏银川 750021)

我国化肥用量居世界首位，但化肥利用率平均仅为30%[1-3]，导致面源污染加剧，威胁粮食安全和环境安全，制约农业可持续发展。氮元素作为土壤中最主要的营养元素之一，同时也是叶绿素、蛋白质和酶的重要组成成分，在作物生长过程中提供着重要的支持作用。但是氮肥也是限制作物产量的主要因素，在农业生产中合理施用氮肥可显著提高作物产量，但当施氮量高于一定值后作物增产效果并不明显[4]。宁夏引黄灌区单种玉米种植密度和施氮量的研究表明，当施氮量在450 kg/hm2时，可获得最大产量 18 292.2 kg/hm2[5]。经调查试验所在地平吉堡农户种植玉米采用一次性基施氮肥的方法，氮肥用量为600 kg/hm2，采用大水漫灌的方式，后期追施过磷酸钙，产量不足 15 000 kg/hm2。农户自己施用氮肥过高，但产量与施氮量不成正比。前人研究结果，叶绿素荧光是一种以光合作用理论为基础，利用体内叶绿素荧光作为天然探针，研究和探测外界因子对植物光合作用细微影响的活体测定技术。植物体内发出的叶绿素荧光信号包含了十分丰富的信息，在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗能、分配等方面具有独特作用，被认为是测定叶片光合功能的便捷、快速、灵敏、无损伤的探针[6]。氮素对光合作用的多个方面都具有显著影响，在叶绿素荧光参数上也应有显著的特征性变化。水肥一体化技术是灌溉与施肥融为一体的农业新技术，即水分与肥料以一体的形式进行灌溉的技术，能做到适时适量施肥，有利于植株对养分的吸收，并充分发挥肥效。与传统方式相比，水肥一体化可以减少肥料挥发、固定以及淋洗带来的损失，肥料利用率可达30%～50%，水分利用率可提高40%～60%[7]。杜文波研究表明，与常规漫灌相比，滴灌水肥一体化节水1 192 m3/hm2，节水19.9%[8]。因此，研究水肥一体化技术对提高水肥利用效率和降低污染具有重要意义。玉米是集粮食、饲料和工业原料为一体的优势作物，其播种面积是仅次于小麦、水稻的第三大粮食作物[9]，在保障我国粮食安全中具有重要的地位和作用。近年来，玉米播种面积和产量增加迅速，但肥料和水分利用率不高，由于氮肥施用不合理以及重施化肥、少施或不施有机肥，氮肥的利用率呈逐渐下降趋势[10]。本试验通过应用叶绿素荧光特性到玉米不同浓度梯度的氮素用量研究，探索适宜宁夏引扬黄灌区滴灌水肥一体化条件下的氮肥最佳用量，为充分发挥水肥一体化技术的增产节本效果，实现玉米高产稳产低成本提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在宁夏回族自治区银川市西夏区平吉堡农场农六队9号泵罐区进行，地处贺兰山东麓(106°0′57″E，38°18′18″N)。土壤类型为淡灰钙土，土壤质地为轻壤土，土壤肥力中等偏下，盐碱程度轻。土壤有机质含量12.80 g/kg，全氮含量0.98 g/kg，碱解氮含量68.00 mg/kg，有效磷含量12.70 mg/kg，速效钾含量179.00 mg/kg，全盐含量 0.40 g/kg，pH值8.36。

1.2 试验设计

试验固定磷钾肥用量，设不同施氮量梯度。采用随机区组设计，7个施氮水平，施氮量分别为0 kg/hm2(N0)、82.5 kg/hm2(N1)、165 kg/hm2(N2)、247.5 kg/hm2(N3)、330 kg/hm2(N4)、412.5 kg/hm2(N5)、495 kg/hm2(N6)，P、K肥分别为138、120 kg/hm2，3次重复，共计21个小区。小区面积为52.8 m2(长16 m，宽3.3 m)，每个小区种植6行玉米，采用单种模式，宽窄行种植，平均行距为55 cm(宽行70 cm，窄行40 cm)，株距为20.2 cm。区组间设1 m走道，铺设支管道的走道1.5 m，各小区为独立的滴灌单元。每2行铺设1根滴灌带，滴灌带铺设在窄行内，种植密度控制在 90 000株/hm2。

1.3 田间实施

供试玉米品种为平玉8号。4月29日播种，精量点播，用种量为30～45 kg/hm2。在3叶期间苗，5叶期定苗。供试肥料为农垦贺兰山生物肥厂提供的玉米滴灌专用肥，试验不施基肥。玉米全生育期共施肥6次，于苗期施肥1次，拔节期施肥2次，抽雄期施肥1次，灌浆期施肥2次。其中苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期施肥量分别占全生育期的7%、44%、11%、37%。玉米全生育期共滴灌11次，于播种期滴灌1次，苗期滴灌1次，拔节期滴灌3次，抽雄期滴灌2次，灌浆期滴灌3次，成熟期滴灌1次，用水量为2 715 m3/hm2。

1.4 取样及测定方法

选择长势一致的植株分别挂牌。于玉米4个主要生育时期，测定玉米叶片的叶绿素相对含量、荧光参数，每小区测定3株。叶绿素含量采用SPAD-plus手持叶绿素计测定；荧光参数采用FMS-2型便携式荧光测定仪(英国Hansatech公司生产)测定，先用夹子夹住叶片暗处理20 min，然后拉开暗室板，再用荧光仪接到夹子接口处，直接测定暗适应后田间玉米叶片的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、热耗散量子比率(Fo/Fm)、单位反应吸收能力(ABS/RC)、PSⅡ综合性能指数PI等指标。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥条件对玉米叶绿素含量的影响

从图1可以看出，玉米随着生育时期的推进，叶绿素含量总体呈现先增加后降低的趋势，其中以大喇叭口期叶绿素含量最高。大喇叭口期是玉米生长发育最旺盛的时期，也是养分吸收最快最大、决定果穗大小、穗粒数多少的关键时期，此时期充足的氮肥可以满足穗分化的肥水需要，又能提高上部叶片的光合生产率，为玉米高产打下基础。

在不同氮肥条件下，随着施氮量的增大，叶绿素含量呈现逐渐上升后下降的趋势。在抽雄期，N5处理叶绿素含量与N0、N1、N2处理差异显著，灌浆期叶绿素含量与其他6个处理差异显著。N5处理叶绿素含量比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理抽雄期分别增加了17.3%、18.1%、8.9%、6.1%、4.0%、3.0%，灌浆期分别增加了22.5%、7.3%、7.0%、4.9%、6.9%、6.3%。表明在一定范围内，合理增施氮肥，可有效提高叶绿素含量，延长叶绿素含量缓降期。叶绿素含量增加进一步促进光合效率提高，进而促进产量的增加。

2.2 不同氮肥条件对玉米Fo、Fm的影响

基础荧光(Fo)是PSⅡ反应中心全部开放时的荧光，表示PSⅡ反应中心全部开放即原初电子受体(QN)全部氧化时的荧光水平，理论上指反应中心未能发生光化学反应的叶绿素荧光，它反映了外界环境对植物叶片PSⅡ的伤害程度。Fm是最大荧光产量，是PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量，可反映经过PSⅡ的电子传递情况。

从图2可以看出，随着生育时期的推进，Fo呈现先降低后上升的趋势(图2-A)，Fm呈现先上升后下降的趋势(图2-B)。在不同施氮量条件下的Fo、Fm变化趋势表明，Fo呈现先下降后升高的趋势，Fm呈现逐渐先升高后下降的趋势。在抽雄期时，不同施氮量条件下，N5处理比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理Fo分别降低了4.8%、5.8%、0.5%、6.7%、9.3%、5.8%，大喇叭口期，N5处理比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理的Fm分别高31.5%、26.3%、20.1%、17.1%、6.3%、19.2%，表明当施肥处理在N5水平时，可有效降低初始荧光Fo，增加PSⅡ的电子传递，提高玉米叶片的光合作用。

2.3 不同氮肥条件对玉米叶绿素荧光Fv/Fm、Fv/Fo的影响

Fv/Fm代表植物叶片暗适应下PSⅡ反应中心完全开放时原初光能转换效率，反映PSⅡ利用光能的能力。Fv/Fo是PSⅡ量子效率，代表了PSⅡ的潜在光合作用活性。

从图3可以看出，随着玉米生育时期的推移，Fv/Fm、Fv/Fo都呈现先上升后下降的趋势。不同施氮量下的Fv/Fm、Fv/Fo变化趋势表明，随着施氮量的增加，Fv/Fm、Fv/Fo呈现先上升后下降的趋势。拔节期N0处理Fv/Fm显著低于其他处理，大喇叭口期N0、N1处理Fv/Fm显著低于N4、N5、N6处理，表明施肥有利于提高PSⅡ反应中心光能转换效率。在大喇叭口期，N5处理Fv/Fm比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理高11.9%、8.6%、5.5%、5.5%、2.2%、0.74%。大喇叭口期和抽雄期，Fv/Fo以N5处理最高，表明在N5处理下的PSⅡ反应中心光能转换效率和PSⅡ潜在光合作用活性最大。灌浆期的Fv/Fm、Fv/Fo骤降，可能是由于玉米后期植株衰老，影响了PSⅡ捕获激发能效率和光合作用原初反应，使PSⅡ反应中心内光能转换效率和潜在活性受到影响，从而分配作用于光合作用的光减少，进而减弱光合作用。

2.4 不同氮肥条件对玉米叶绿素荧光Fo/Fm的影响

Fo/Fm反映了PSⅡ热耗散量子比率。从图4可以看出，随着生育时期的推移，热耗散量子比率Fo/Fm呈现先降低后升高的趋势。不同施氮量处理间Fo/Fm表现为逐渐下降的趋势。在拔节期N0处理高于其他处理的Fo/Fm。在大喇叭口期，N5处理Fo/Fm比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理分别降低41.9%、31.7%、37.1%、19.4%、14.5%、29.0%，表明当施氮量在 412.5 kg/hm2时能够提高PSⅡ反应中心内光能转换效率和潜在活性。Fo/Fm在灌浆期升高，表明玉米在生育后期因为植株老化而使得PSⅡ活性受到影响，使得Fo/Fm明显升高。

2.5 不同氮肥条件对玉米PI的影响

PI是叶绿素吸收、捕获、传递及耗散能量的综合性能指数，反映了PSⅡ的整体功能，只要PSⅡ的部分受到伤害，PI就能反映出来。

从图5可以看出，随着生育时期的推移，PI总体呈现先上升后下降的趋势。抽雄期的PI最大，说明抽雄期是玉米光合最强的时期，在此时期合理施肥灌水可有效增加玉米产量。在大喇叭口期时，N5处理的PI比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理分别提高了46.5%、40.5%、38.2%、30.4%、15.6%、4.4%，在抽雄期时，N5处理的PI比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理分别提高了 34.3%、27.0%、27.7%、13.0%、10.8%、2.6%。表明当施氮量在412.5 kg/hm2条件下可有效提高PSⅡ的电子传递速率和光化学活性，增加光合能力。

2.6 不同氮肥条件对玉米ABS/RC的影响

ABS/RC是PSⅡ单位反应中心吸收的光能，可以准确地反映植物光合机构的整体状态。从图6可以看出，随着玉米生育时期的推进，ABS/RC整体呈现先上升后降低的趋势，其中以抽雄期的ABS/RC最大，说明在抽雄期PSⅡ单位反应中心吸收的光能最多。在不同施氮量处理间ABS/RC总体表现为下降的趋势，说明施氮量的增加不影响PSⅡ单位反应中心吸收的光能，而是从其他方面影响光合能力。在抽雄期时，N0处理ABS/RC比N1、N2、N3、N4、N5、N6处理分别高6.7%、26.4%、31.9%、33.3%、38.6%、49.5%。

2.7 不同氮肥条件对玉米产量及其构成因素的影响

从表1可以看出，随着施氮量的增加，玉米产量呈现先上升后下降的趋势，在N5处理条件下产量最高，为 749.6 kg/667 m2。N5处理的株高、穗粒数、百粒质量、穗粗、穗长都高于其他施氮处理，秃尖低于其他施氮处理。说明在一定范围内増加施肥量对玉米生长发育有明显积极影响。N5处理产量比N0、N1、N2、N3、N4、N6处理分别提高了12.8%、12.0%、4.6%、3.9%、3.5%、1.4%，但处理间差异不显著。说明在N5处理条件下可有效增加玉米产量，但施氮量过高也会抑制玉米光合作用，从而表现为减产。根据不同施氮量水平与产量进行回归拟合得出一元二次方程y=-0.075 7x2+4.663 6x+669.33(图7)，求极值x=30.8 kg/667 m2，表明当施氮量为30.8 kg/667 m2时，产量达到最大值y=741.16 kg/667 m2。

表1 不同氮肥处理对玉米产量及农艺性状、经济性状的影响

3 讨论与结论

叶绿素作为光合反应中重要的光合色素，是反映其光合能力的重要指标之一，叶绿素含量往往直接影响着光合作用的速率和光合产物的形成。保持较高的叶绿素含量为较高的光合速率奠定了物质和能量基础，最终促进作物产量的提高。前人研究指出，增施氮肥能提高玉米叶片叶绿素含量，增强PSⅠ和PSⅡ的电子传递能力，延长叶片的叶绿素含量缓降期和光合速率高值持续期，改善光合性能[11]。本研究结果，在一定范围内，随着施氮量的增加，在412.5 kg/hm2施氮处理下的叶绿素含量达到最高。可以看出适宜的施氮量可以保持较高的叶绿素含量，但当施氮量过高反而会抑制叶绿素含量，进而影响净光合速率。

叶绿素荧光是研究植物光合作用的内在探针，植物发出的叶绿素荧光信号含有丰富的光合作用变化信息，可以反映叶片光合作用光系统对光能的吸收、传递、耗散和分配[12]。在不同施氮量条件下，通过对叶绿素荧光特性的研究可以了解植物的生长和受胁迫的生理状态[13]。初始荧光Fo的变化主要与PSⅡ捕光天线和反应中心的结构与功能有关，Fo如若增加，表明PSⅡ反应中心受到不易逆转的破坏，玉米叶片光合能力下降，过剩的光能积累必然使激发能在PSⅡ中满溢，从而使PSⅡ遭受破坏，表现为Fo升高，光化学效率Fv/Fm下降。本研究表明，Fo随施氮量的增加呈现先降低后上升的趋势，在412.5 kg/hm2条件下Fo最低，说明N5处理的光合能力最好。王菲等的研究表明，叶绿素含量增加促进了叶片荧光能力的提高，Fm值增加，之后随着植株生育期的推进，叶片光合作用和参与光化学反应的量子产量都显著增加，Fm值逐渐的降低；PSⅡ潜在活性Fv/Fo和PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm的变化可以作为判断植株是否受光抑制的指标[14]。符建国等的研究结果表明，随着施氮量的增加，烟叶的PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm和Fv/Fo值随之越大[15]。谭雪莲等的研究结果，Fv/Fm和Fv/Fo随施氮量增加而增加表明，适当增施氮肥使植株能够较充分地获得氮营养元素，由于氮素是许多辅酶和辅基如NAD+、FAD、NADP+及叶绿素的分子构成成分，从而有利于各种酶及多种电子传递体等成分的合成，能够改善植株叶片的光合性能[16]。本研究结果表明，随着施氮量的增加，Fm、Fv/Fm和Fv/Fo都表现出先上升后下降的变化趋势，在412.5 kg/hm2处理下都达到最大值。这几个参数都同 PSⅡ 反应中心的活性密切相关，表明合理增施氮肥可以有效地提高叶片的光合性能。孔振通过研究毛竹叶绿素荧光特性表明，施肥处理可以提高光系统Ⅱ单位反应中心的吸收电子ABS/RC能力，同时还能有效地使其叶片中的电子传递到光合电子传递链中[17]。本研究结果表明，随着施氮量的增加，综合性能指数PI呈现先上升后下降的趋势，单位反应吸收能力(ABS/RC)呈现下降的趋势，说明增施氮肥对玉米叶片荧光特性影响主要是增强电子传递能力，提高反应中心活性。施氮量过高，光合电子传递效率下降，表明玉米在高氮水平均会使光合电子传递受阻，从而降低光合速率。

玉米是喜氮作物，氮元素是土壤中最主要的营养元素之一[18]。适量施用氮肥可显著提高玉米产量[19-20]，少施氮肥会引起玉米生育期固氮量不足影响玉米的生长发育及产量，而过量施肥又会引起氮胁迫，造成肥料的浪费进而污染环境。如何选择最优的施肥方案有效提高玉米产量、减少环境污染、增大生产效益？本研究结果表明，当施氮量在462 kg/hm2时，玉米滴灌水肥一体化达到最大产量为11 117.4 kg/hm2。李小炜等研究表明，当施氮量在412.5 kg/hm2时获得最大利润产量11 780.1 kg/hm2[21]，本研究结果与其一致。因此，适量的氮肥会提高玉米的叶绿素含量，提高光合效率，稳定光合反应中心电子传递系统，从而提高电子传递效率来促进能量的高效分配，其中以施氮量在412.5 kg/hm2时效果最佳。

参考文献：

[1]张东昱，陈修斌，杨勇，等. 河西绿洲玉米杂交制种水肥一体化高效生产技术[J]. 中国种业，2016(1)：79-81.

[2]梁静. 新疆水肥一体化技术应用现状与发展对策[J]. 新疆农垦科技，2015(1)：38-40.

[3]张乐森，徐晓丽，刘月娟. 滨州市水肥一体化技术应用现状及发展对策[J]. 长江蔬菜，2015(20)：107-108.

[4]赵靓，侯振安，黄婷，等. 氮肥用量对玉米产量和养分吸收的影响[J]. 新疆农业科学，2014，51(2)：275-283.

[5]赵健，王永红，郭强，等. 宁夏引黄灌区单种玉米种植密度和施氮量对产量影响的研究[J]. 宁夏农林科技，2007(5)：41-42.

[6]Van Kooten O，Snel J F. The use of chlorophyll fluorescence nomenclature in plant stress physiology[J]. Photosynthesis Research，1990，25(3)：147-150.

[7]李茂权，朱帮忠，赵飞，等. “水肥一体化”技术试验示范与应用展望[J]. 安徽农学通报，2011，17(7)：100-101.

[8]杜文波. 日光温室番茄应用滴灌水肥一体化技术初探[J]. 山西农业科学，2009，37(1)：58-60.

[9]何奇瑾，周广胜. 我国玉米种植区分布的气候适宜性[J]. 科学通报，2012，57(4)：267-275.

[10]张福锁，王激清，张卫峰，等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报，2008，45(5)：915-924.

[11]李耕，高辉远，刘鹏，等. 氮素对玉米灌浆期叶片光合性能的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2010，16(3)：536-542.