耕作措施和氮肥用量对陇中旱农区粮饲兼用玉米光合特性与水分利用效率的影响

王进斌，李玲玲，谢军红，Eunice Essel，邓超超，颉健辉，彭正凯，沈吉成

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室 甘肃农业大学 农学院，兰州 730070)

粮饲兼用玉米(ZeamaysL.)是中国重要的作物，既可以作为粮食也可以作为饲料，有助于保障粮食安全，缓解冬季饲料短缺[1-2]。陇中旱农区由于水热条件有限[3]，导致露地玉米不能成熟。全膜双垄沟播技术克服了这些问题，扩大了玉米种植区域，使其在陇中旱农区玉米生产中得到广泛应用[4-5]。然而，玉米高产出意味着对水分和养分的高消耗[6]。因此，为了增强玉米生产的可持续性，需要优化水分、养分管理措施。保护性耕作可以减少农田土壤侵蚀,保护农田生态环境，降低土壤体积质量，增加土壤有机质含量，提高农田综合生产能力[7-8]。与传统耕作相比，免耕和深松耕可以有效减少土壤水分蒸发[9]，同时深松耕打破犁底层，使作物可以吸收土壤深层水分，从而有利于提高产量和水分利用效率(WUE)[10]。合理施肥是旱农区有效利用水资源的重要措施[11]。有研究发现，适宜的氮肥用量可以均衡土壤肥力，增强玉米对养分和水分的吸收，提高玉米产量和水分利用效率[12]。前人对保护性耕作研究较多，但将保护性耕作应用于全膜双垄沟播技术研究鲜见报道。为此，本试验拟基于全膜双垄沟播技术，设计不同的耕作措施和施氮水平，通过不同耕作措施和施氮量下玉米光合作用、干物质积累特征、产量及水分利用效率响应的研究，明确耕作措施和氮肥施用量对粮饲兼用玉米产量和水分利用效率影响，并从光合角度探讨耕作措施和氮肥施用量影响产量和水分利用效率的机理，以期为陇中旱农区粮饲兼用玉米高产优质栽培技术措施的优化提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2014-2015年位于甘肃省定西市安定区的甘肃农业大学旱农综合实验站进行, 研究所依托田间定位试验始于2012年。试区平均海拔2 000 m，年无霜期140 d，属中温带半干旱偏旱区，多年平均日照时数2 476.6 h，太阳辐射量为592.9 kJ·cm-2；年均气温6.4 ℃，≥0 ℃积温为2 933.5 ℃，≥10 ℃积温为2 239.1 ℃,多年平均降水量为390.9 mm，80%保证率的降水量为365 mm，年蒸发量达到1 531 mm，且该区降雨量年际、年内变化率大。试验区光照和水分只能满足一年一熟作物的要求，为陇中旱农区典型的半干旱雨养农业区，试区土壤为黄绵土，土质疏松，质地均匀，贮水性良好；凋萎含水率7.3%，饱和含水率28.6%，pH约为8.36，土壤有机质12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1。2014年和2015年降雨量分别为384.2 mm和340.1 mm(图1)，玉米生长期降雨量分别285.0 mm和278.1 mm。

图1 2014和2015年试验区月降雨量Fig.1 Monthly rainfall in 2014 and 2015

1.2 试验设计

在全膜双垄沟播的基础上设计耕作方式(试验1)和施氮水平(试验2)两个试验，采用单因素随机区组排列，试验1 设计4种耕作方式(表1)，3次重复，共12个小区，小区面积为(16×3.3)m2，播种前施纯N 200 kg·hm-2，施P2O5150 kg·hm-2；试验2设计4个施氮水平(N1:不施氮肥、N2:施纯氮100 kg·hm-2、N3:施纯氮200 kg·hm-2、N4:施纯氮300 kg·hm-2，其中1/3作基肥，2/3为拔节肥)，3次重复，共12个小区，小区面积为(5×8)m2。两个试验氮肥均为尿素，磷肥为过磷酸钙，各小区播种量为5.25×104hm-2，参试粮饲兼用玉米品种为‘富农821’，在4月下旬用点播器进行播种，10月上旬收获，为保证出苗率，每穴播种2粒玉米，在玉米出苗后，及时放苗、间苗，其他管理措施同大田管理。

表1 耕作措施试验处理及代码描述Table 1 Description of treatments and codes in experiment on tillage practices

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片光合参数 于2015年分别在玉米拔节期、抽雄期、灌浆期，选择晴朗天气，在9:00-11:00采用GFS-3000便携式光合作用-荧光测量系统测定玉米单叶叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2摩尔分数(Ci)、气孔导度(Gs)，测定部位为穗位叶。各测定项目重复3次。

1.3.2 土壤水分测定 在玉米播种前和收获后分别测定土壤含水量,测定深度为200 cm,测定层次为0～5 cm、5～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～110 cm、110～140 cm、140～170 cm、170～200 cm，其中0～10 cm用烘干法测定，10～200 cm用TRIME(德国TRIME-PICO TDR )水分测定仪测定。

1.3.3 干物质积累量测定 于2015年分别在玉米拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期每小区取植株样3株，105 ℃烘箱杀青0.5 h，然后80 ℃烘干至恒量。

1.3.4 产量测定 于2014年、2015年分别在玉米成熟期按小区测定籽粒产量和生物产量，最后换算为每公顷产量( kg·hm-2)。

1.3.5 水分利用效率的计算WUE=Y/ET

ET=P+S1-S2

式中，WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y为籽粒产量，ET为玉米生育期内耗水量(mm)，P为玉米生育期内降雨量，S1、S2分别为玉米播前和收后0～200 cm土壤贮水量。

1.4 数据分析

采用EXCEL 2013进行数据整理与作图，用SPSS 19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施和施氮量对粮饲兼用玉米光合特性的影响

由表2可知，不同耕作措施对玉米光合特性有明显影响，随着生育期的推进，玉米Pn、Tr和Gs都表现增大趋势。拔节期时，Tr为SS处理最高，较其他处理高36.4%～66.7%,Gs表现为SS、NT显著高于CT，分别较CT高60.3%、69.7%；抽雄期时，SS处理下的Pn显著高于CT，较CT高84.2%，SS和NT处理间无显著差异；灌浆期时，SS处理下Ci显著低于CT，其他参数都显著高于CT处理，SS和NT处理间的Tr、Ci和Gs无显著差异；这说明深松耕和免耕可以增强玉米光合性能。

由表3可知，施氮量对玉米光合特性影响明显，在拔节期时，N3、N4处理下的Tr显著高于N1、N2处理，较N1、N2分别高66.7%、25.0%，N4处理下的Gs显著高于N1；抽雄期时，N3、N4处理下的Pn、Tr、Gs都与N1处理差异显著，N4处理下的Ci显著低于N1，N3和N4处理间的4个光合参数无显著性差异，灌浆期时，N3、N4处理下的Pn、Tr和Gs都显著高于N1处理，其中N3处理较N1分别高92.0%、34.4%、45.1%，N4处理较N1分别高122.0%、38.2%、46.9%，N3和N4处理间差异不显著。这说明适量增施氮肥可以提高玉米光合性能。

表2 不同耕作措施下玉米的光合特性Table 2 Photosynthetic parameters of maize under different tillage practices

表3 不同施氮水平下玉米的光合特性Table 3 Photosynthetic parameters of maize under different nitrogen rates

2.2 不同耕作措施和施氮量对粮饲兼用玉米干物质积累的影响

由图2可知，玉米干物质积累量在处理间差异显著，随着玉米生育期的推进，干物质积累增加，成熟期达到最大值，拔节期时，SS下的干物质积累量显著高于其他处理，灌浆期和成熟期时，玉米干物质积累量均表现为SS>NT>RT>CT，成熟期时，SS较CT增加37.4%，差异显著，说明深松耕可以增加玉米干物质积累量。

由图3可知，随着施氮量的增加，玉米干物质积累量也增加，干物质积累量在各生育时期均表现为N4>N3>N2>N1，抽雄期，N4处理显著高于其他处理，较其他处理增加17.2%～95.1%，灌浆期时，N3、N4与N1、N2间差异显著，N3和N4间差异不显著，成熟期时，N4与其他处理均差异显著，较其他处理增加15.0%～85.0%。

不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著,下同 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level,the same below

图3 不同施氮量下玉米各生育时期的干物质积累量Fig.3 Dry matter accumulation at various growth stages of maize under different nitrogen rates

2.3 不同耕作措施和施氮量对粮饲兼用玉米产量和水分利用效率的影响

由表4可知，耕作方法对玉米的籽粒产量、生物产量和WUE影响明显。2014年和2015年SS和NT玉米籽粒产量与CT差异显著，其中2014年SS和NT较CT分别增加33.0%、18.8%，2015年SS和NT较CT分别增加19.7%、11.6%。2014年SS和NT下的生物产量显著高于CT，SS与NT间无显著差异；2015年SS下的生物产量较其他处理显著增加13.1%～22.4%，SS下的WUE显著高于CT，较CT增加8.9%。两年的耗水量处理间无显著差异。说明深松耕和免耕可以提高玉米产量和WUE。

由表5可知，随着施氮量的增加，玉米籽粒产量、生物产量、耗水量和WUE也增加。2014年、2015年玉米籽粒产量、生物量和WUE都表现为N4>N3>N2>N1，且N3、N4处理显著高于N1、N2，而N3和N4间无显著差异。N3下籽粒产量、生物量和WUE较N1分别平均增加68.4%、63.5%、52.2%，较N2分别平均增加40.2%、31.7%、30.5%，两年间N3和N4耗水量高于N1和N2。这说明施氮200 kg·hm-2和300 kg·hm-2在提高耗水量的同时显著增加了产量，进而提高玉米WUE。

表4 不同耕作措施下玉米产量和水分利用效率Table 4 Yield and water use efficiency of maize under different tillage practices

表5 不同施氮量下玉米产量和水分利用效率Table 5 Yield and water use efficiency of maize under different nitrogen rates

2.4 玉米叶片光合特性与产量和WUE的相关性分析

由6可知，在不同耕作方式下，Tr与产量 (r=0.960*)和WUE(r=0.904*)达到显著水平，Ci与产量(r=-0.568*)达到显著水平，Gs与产量(r=0.513*)达到显著水平；由表7可知，在不同施氮水平下，Pn与产量(r=0.996**)和WUE(r=0.995**)都达到极显著水平，Tr与产量(r=0.995**)和WUE(r=0.994**)达到极显著水平，Ci与产量(r=-0.973*)和WUE(r=-0.966*)达到显著水平，Gs与产量(r=0.938*)和WUE(r=0.936*)达到显著水平，这说明玉米产量和WUE受叶片光合特性影响明显。

表6 不同耕作措施下玉米光合特性与产量和水分利用效率的相关分析Table 6 Relationship between photosynthetic characteristics, yield and WUE under different tillage practices

表7 不同施氮量下玉米光合特性与产量和水分利用效率的相关分析Table 7 Relationship between photosynthetic characteristics, yield and WUE under different nitrogen rates

3 讨 论

3.1 产量和水分利用效率对耕作措施和氮肥用量的响应

干旱缺水一直是影响陇中旱农区农业生产的重要因素[13]。相关研究结果表明，深松耕、免耕减少了土壤扰动，降低土壤体积质量，增大土壤孔隙度，有效改善土壤的物理性状，利于增强降雨入渗率，减少地面径流，增加土壤水分含量，促进作物产量和WUE的提高[14]，土壤翻耕、旋耕后，裸露的土壤经过风蚀和水蚀，降低了土壤质量，影响玉米吸收养分和水分[15]。本研究表明，在陇中旱农区，深松耕和免耕提高了玉米籽粒产量，其中2014年深松耕和免耕较传统耕作分别增产33.0%、18.8%，2015年分别增产19.7%、11.6%，同时研究还发现深松耕处理下的生物量和WUE高于传统耕作。这与肖继兵等[16]在朝阳半干旱区研究结果一致，其原因可能是深松耕和免耕减少土壤扰动[17]，降低土壤体积质量，改善土壤结构，促进干物质的积累和分配，从而提高产量和WUE[18]。作物合理的施氮，不仅能满足作物对养分的需求，提高产量，而且在雨养农业条件下还可以提高WUE[19]。本研究中，随着氮肥用量的增加，玉米籽粒产量、生物产量和WUE也随之增加，但施纯氮300 kg·hm-2与施200 kg·hm-2氮肥处理相比差异不显著。这与宋尚有等[20]在陇东半干旱区研究结果相似，而适宜施氮水平有所差异，这可能是由区域气候和土壤差异所致。施氮300 kg·hm-2与施氮200 kg·hm-2间无差异的原因可能是氮肥过量施用，抑制了玉米根系的生长[21]，减少了根系对水分和养分的吸收，从而削弱了产量的增加。

3.2 耕作措施和施氮量影响玉米产量和水分利用效率的响应机理

玉米叶片光合产物是籽粒产量的物质基础，光合作用强度在一定程度上影响玉米籽粒产量[22]。相关研究表明，耕作方式影响土壤水热变化，进而影响玉米叶片的光合性能[23]。本研究中，深松耕和免耕增强了玉米的光合性能，促进了光合产物的积累，提高了光能利用率，获得较高的产量和WUE。其增强光合特性的原因可能是深松耕和免耕处理具有较高的Gs，良好的水分供应能力，同时，二者具有良好的保水保墒作用，能够满足植株对水分的需求，使玉米具有较强的光化学速率，改善了玉米光合能力[24]。其次，深松耕和免耕保持良好的土壤结构，使得玉米吸收犁底层以下的水分，带动对养分的吸收，增加玉米叶面积指数，延长了玉米灌浆期叶片持绿时间，从而获得高的光和性能[25]，进而提高产量和WUE。深松耕和免耕通过疏松土壤，改善渗透性，改善土壤水分条件，满足玉米生长期所需水分，进而促进玉米干物质积累[26]，为提高作物产量和WUE奠定物质基础。氮是植物体内氨基酸及叶绿素的重要组成部[27]。有研究表明，合理的氮肥管理是调控作物生长和光合生产率的重要手段[28]。本研究中，施纯氮200 kg·hm-2和施氮300 kg·hm-2处理增强了玉米光合性能，增加了干物质积累量，获得了较高的籽粒产量、生物产量和WUE，而施纯氮200 kg·hm-2和施氮300 kg·hm-2处理间无显著差异，其中施纯氮200 kg·hm-2较不施氮分别平均增加68.4%、63.5%、52.2%，较施氮100 kg·hm-2分别平均增加40.2%、31.7%、30.5%，其增加光合特性的原因可能是合理施氮可以协调玉米灌浆期的需氮特性，进而促进玉米的灌浆速率[29]。另外，适宜的氮肥可以提高叶绿素含量，增强PSⅠ和PSⅡ电子传递能力，缓解了植物衰老，增强了叶片对于光破坏的防御机制，有效调节了光合性能，进而增产[30]。同时合理氮肥运筹延缓了花后植株下部叶片的衰老和脱落，延长了叶面积指数高值持续期，在籽粒灌浆期保持了较高的光合面积[31]，从而提高了产量及WUE。合理施用氮肥增加玉米叶片叶绿素含量[30]，提高玉米地上部分光合特性及对氮素的利用效率，加快同化物质的转化，促进地上部分的生长，进而增加了干物质积累量。有研究报道，玉米籽粒产量的60%以上来自花后光合同化物质[32]。也就是说玉米灌浆期保持叶片较高的光合能力及较长的功能期，对提高作物产量具有重要意义。本研究中，玉米产量和WUE受光合特性的影响明显。其主要原因是Pn影响植物在光合作用中吸收的CO2量，从而影响单位时间、单位面积所转化的同化物质，为玉米产量形成奠定基础；其次，植物在光下进行光合作用，经由气孔吸收CO2，气孔必须张开，气孔开张又不可避免地发生蒸腾作用，气孔可以根据环境条件的变化来调节自己开度的大小而使植物在损失水分较少的条件下获取最多的CO2，从而增大蒸腾量的同时显著增加产量，进而影响作物WUE[33]。因此，玉米Pn、Tr、Gs及胞间CO2摩尔分数共同影响着玉米产量和WUE。

4 结 论

深松耕、免耕和施氮200 kg·hm-2增强玉米光合特性，从而增加玉米干物质积累量，提高籽粒产量、生物产量和WUE。因此，在陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植粮饲兼用玉米，覆膜前深松耕或免耕，施纯氮200 kg·hm-2左右比较适宜，既有利于粮饲兼用玉米籽粒产量、饲料产量的提高，也可以提高水氮利用效率，促进玉米生产可持续发展。

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