秸秆还田下灌水及施肥对冬小麦气孔特征的影响

2019-08-30郭丽丽张运鑫程东娟郝立华张茜茜郑云普

节水灌溉 2019年8期

刘娜，郭丽丽，路明，张运鑫，程东娟，郝立华，李菲，张茜茜，郑云普

(河北工程大学水利水电学院, 河北邯郸 056038)

0 引言

农作物生长过程和粮食产量不仅由自身遗传因素的调控，而且还受外界环境因子的影响；其中，农田土壤水分和肥力是当前农作物增质丰产的关键制约因素。农作物秸秆还田已成为黄淮海平原区农田肥料制备的重要方式之一，作为构建绿色、生态、可持续农业的重要举措，秸秆还田对土壤的培肥效果、理化性质、有机质含量、养分平衡等方面具有明显的改善作用[1-6]。大量研究发现，秸秆还田可以增加土壤有机碳和氮含量，提供满足作物生长所需要的氮、磷和钾等营养元素，对作物的生长具有积极的促进作用[7,8]。全世界每年的作物秸秆产量为40 亿t/a，而我国占到全球秸秆产量的16%～33%[9]。然而，秸秆还田措施对农田肥力提升效果往往受还田方式、自然环境、土壤水分及养分状况等多方面因素的影响[10-12]。以往的研究发现，发展农业节水灌溉措施不仅可以减少对现有水资源的消耗，缓解水资源短缺问题，而且可以提高作物产量[13]。农作物不仅受水资源的限制，而且土壤养分状况也是阻碍农作物增产的主要因素之一[14-16]。因此，采取合理的施肥和灌溉可以显著改善作物生长发育条件，并提高作物的光合生产力和产量。

冬小麦(Triticum aestivum L.)是一种广泛分布的C3物种，也是世界上许多国家或地区最重要的粮食作物之一。作为中国北方地区普遍种植的关键粮食作物，尽管黄淮海平原区的冬小麦种植面积占全国总播种面积的33%，但该区域的粮食产量约占全国总产量的70%[17]。因此，黄淮海平原区的粮食生产能力在一定程度上直接关系着黄淮海粮食产区甚至国家层面的粮食安全问题。然而，水资源短缺是限制华北平原区农业发展的重要因素之一，用于冬小麦灌溉的需水量约占农业用水的70%[18,19]。我国黄淮海粮食产区的年降雨量为500～700 mm，主要集中在夏季[20]，而生育期降雨仅能满足其总耗水量的 25%～30%[21]，故农田水分成为威胁该区域冬小麦高产增收的关键因素[20-22]。

农作物的干物质积累主要来自于光合作用[23]，从而导致构成农作物产量的主要物质受光合器官的性能所决定[24]。然而，光合作用是一个复杂的生理生化过程，其对外界环境变化响应非常敏感[25, 26]。此外，植物可以通过对气孔长度和开度、气孔数量以及气孔空间分布模式(随机分布、聚集分布和规则分布)的调节而使自身适应外界环境的变化[27, 28]。以往研究结果显示，水分对作物气体交换效率的影响主要通过气孔限制和非气孔限制[29]。然而，施肥主要通过非气孔限制影响光合速率即通过氮素影响光合酶活性和叶绿素含量，过少或过量的氮肥都会降低叶片光合速率[30]。然而，目前对秸秆还田下，灌溉制度和施肥制度对作物气孔的研究较少，大多都集中在水肥对土壤营养元素的变化和植物耗水量的影响。因此，研究秸秆还田下水分和氮素对作物气孔特征的影响具有重要意义。本研究以黄淮海平原农作物冬小麦为研究对象，通过分析秸秆还田下灌溉制度和施肥制度对冬小麦气孔特征的影响，提出适宜的灌水制度和施肥制度，为提高农田生态系统机械耕作和秸秆还田成层土壤的水肥高效利用效率提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究的试验区位于华北平原中部(北纬37°24′50″～37°48′36″,东经114°45′52″～115°14′58″)，属于暖温带大陆性气候区。年平均气温13 ℃，年降水量分布不均匀，主要集中在夏季，年平均降水量约500 mm(图1)。

图1 试验区的降雨量和气温Fig.1 The precipitation and air temperature in the study area

1.2 秸秆还田下灌水及施肥试验设计

试验包含秸秆覆盖和灌水两个因素，将灌水量设置为420、525、630 m3/hm2；其中， 525 m3/hm2的灌水量是当地的正常灌水量，故此设为对照处理。在对照的基础上分别设置当地灌水量的0.8倍(420 m3/hm2)和1.2倍(630 m3/hm2)，并以灌水量420 m3/hm2为W1、525 m3/hm2为W2、630 m3/hm2为W3，灌水时期处理分别为越冬水+拔节水(T1)、越冬水+拔节水+扬花水(T2)、越冬水+拔节水+扬花水+麦黄水(T3)，灌水量和灌水时期相结合，一共5个处理分别为W1T1、W2T1、W3T1、W2T2、W2T3，每个处理重复3次(表1)。氮肥(尿素)施用量均为300 kg/hm2(即当地的施肥量)。

施肥试验包含秸秆覆盖和施肥两个因素(施肥量设置3个水平)，以当地施肥量S2为300 kg/hm2(1.0)为对照处理，本试验以对照处理的0.8倍和1.2倍设置施肥量即为240 kg/hm2(S1)和360 kg/hm2(S3)，在播种翻施肥和返青追肥两个时期进行施肥处理，并观察不同时期施肥量对冬小麦各参数的影响，共5个处理即S1S1(0.8，0.8)、S2S2(1.0，1.0)、S3S3(1.2，1.2)、S3S2(1.2，0.8)、S2S3(0.8，1.2)，每个处理重复3次 (表2)。灌水量均为当地灌水量525 m3/hm2，灌水时期为越冬水+拔节水。

表1 秸秆还田下冬小麦灌水处理Tab.1 Irrigation treatment of winter wheat under straw-return

表2 秸秆还田下冬小麦施肥处理表Tab.2 Winter wheat fertilization treatment under straw-return

1.3 测定项目及方法

1.3.1 气孔印迹法

本研究使用了一种广泛采用的方法来测量气孔密度、气孔形态结构及其空间分布模式[31]。首先，将透明指甲油涂抹在所选定的冬小麦旗叶的正面和背面的中间部位。待指甲油晾干后用镊子将干燥的指甲油印迹剥离，将它们安装到带有标记的载玻片上，并用盖玻片将印迹密封到位。为了获得气孔密度(单位叶面积的气孔数)，在装备有照相机的显微镜(DM2500, Leica Corp, Germany)下观察，并拍摄气孔照片。选择5个不同的显微视野，并将照片导入到Auto Desk Inventor Professional 2011软件中，可以在其中计算照片区域，根据比例进行转换。同时计算和记录每个图像中的可见气孔数，然后除以转换面积得到单位叶面积的气孔个数，即气孔密度(SD)。利用Auto CAD 2010软件分别测量气孔长度(SL)、气孔宽度(SW)、气孔周长(SP)、气孔面积(SA)以及气孔形状指数(SSI)。

1.3.2 气孔的空间分布格局分析

随机选取4个光学显微照片(放大5倍)用于分析秸秆还田下水肥处理对叶片气孔空间分布格局的影响。在本项分析中，认为每个气孔都是叶片表面上分布的单点，气孔开口的最中间位置为该单点的位置。首先利用空间分布软件Arc GIS 10.0将显微照片在相同的坐标下进行数字化处理，得到每个气孔的坐标值。再运用空间统计分析方法Ripley’s K方程对表征气孔分布状况的点进行空间分析[31]。

1.3.3 统计分析

秸秆还田下水肥处理冬小麦产生影响的各个指标利用单因素的统计方法，并使用Duncan’s Multiple Range Test比较不同处理间的显著性差异(P<0.05)。本研究的统计分析均利用SPSS13.0(Chicago, IL)软件完成。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田下灌水处理对冬小麦气孔特征参数的影响

在拔节期，与对照W2T1处理(525 m3/hm2)相比，W1T1处理(420 m3/hm2)和W3T1(630 m3/hm2)处理均导致近轴面气孔密度(SD)和远轴面气孔宽度(SW)显著增加(P<0.05)；W3T1处理导致远轴面气孔周长和气孔面积显著下降(P<0.05；表3)。在抽穗期与对照相比，W1T1处理导致冬小麦近轴面气孔面积显著下降(表4)，然而在冬小麦灌浆期和成熟期灌水量处理对冬小麦形态参数均未产生显著影响(P>0.05；表5和表6)。另外，与对照W2T1处理(越冬水+拔节水)相比，W2T2处理(越冬水+拔节水+扬花水)对冬小麦整个生育时期气孔形态参数均未产生显著影响(P>0.05)，而W2T3(越冬水+拔节水+扬花水+麦黄水)处理显著降低了成熟期冬小麦叶片近轴面气孔密度。

表3 秸秆还田下灌水处理对冬小麦拔节期气孔特征参数的影响Tab.3 Effect of water treatments on the stomatal traits of winter wheat at jointing stage under straw-return

注：所有数据为平均值±标准偏差。所有数据的平均值利用单因素方差分析在0.05水平上进行比较。不同字母表示在0.05水平上差异显著，相同字母表示在0.05水平上差异不显著，下同。

表4 秸秆还田下灌水处理对冬小麦抽穗期气孔特征参数的影响Tab.4 Effect of irrigation on the stomatal traits of winter wheat at heating stage under straw-return

表5 秸秆还田下灌水处理对冬小麦灌浆期气孔特征参数的影响Tab.5 Effect of irrigation on the stomatal traits of winter wheat at grain filling stage under straw-return

表6 秸秆还田下灌水处理对冬小麦成熟期气孔特征参数的影响Tab.6 Effect of irrigation on the stomatal traits of winter wheat at mature stage under straw-return

2.2 秸秆还田下灌水处理对冬小麦气孔分布格局的影响

本研究结果显示，在不同灌水条件下冬小麦叶片近轴面和远轴面气孔均在小尺度范围内为规则分布(<200 μm)，而在大尺度范围内(>300 μm)呈随机分布特征(图2)。然而W1T1处理(420 m3/hm2)导致冬小麦拔节期气孔远轴面比近轴面气孔分布更加规则，因为在相同尺度下，远轴面的L(d)值更小；但对照W2T1处理(525 m3/hm2)导致叶片近轴面的气孔分布更加规则；W3T1处理(630 m3/hm2)对叶片近轴面和远轴面气孔分布未产生影响[图2(a)～图2(b)]。另外，W1T1处理导致拔节期近轴面气孔由规则转化为随机分布的空间尺度变小(140 μm)，而且灌水量的增加或减少均导致拔节期近轴面气孔分布规则程度降低，L(d)值变大，但导致远轴面气孔分布规则程度增加，表现为L(d)值变小[图2(a)～图2(b)]。灌水量的变化对抽穗期冬小麦叶片近轴面和远轴的气孔分布规则程度和气孔由规则转化为随机分布的空间尺度未产生影响，但气孔由规则转化为随机分布的空间尺度在近轴面(150 μm)和远轴面(200 μm)存在差异[图2(c)～图2(d)]。在冬小麦灌浆期，W1T1处理使叶片近轴面气孔分布更加规则，但对远轴面气孔分布规则程度未产生影响[图2(e)～图2(f)]。另外，在冬小麦成熟期，本研究结果显示与W2T1处理，W1T1处理和W3T1处理均导致近轴面气孔分布更加规则[图2(g)～图2(h)]。

本研究结果表明，与W2T1处理(越冬水+拔节水)相比，W2T2处理(越冬水+拔节水+扬花水)增加了冬小麦抽穗期和灌浆期叶片近轴面和远轴面气孔分布规则程度，而且在抽穗期冬小麦叶片气孔由规则分布转化为随机分布的空间尺度变大即由150 μm转变为200 μm，而对近轴面的影响较小[图2(c)～图2(f)]。在冬小麦成熟期，W2T2处理对叶片近轴面和远轴面气孔分布规则程度均未显著产生影响，然而W2T3(越冬水+拔节水+扬花水+麦黄水)则增加了叶片近轴面和远轴面气孔分布规则程度[图2(g)～图2(f)]。

2.3 秸秆还田下施肥处理对冬小麦气孔特征参数的影响

本研究结果显示与对照S2S2处理(1.0，1.0)相比，S1S1(0.8，0.8)处理显著增加拔节期冬小麦叶片近轴面和远轴面气孔密度(SD)16%和12%，同时近轴面气孔面积(SA)显著增加；S3S3(1.2，1.2)处理导致冬小麦拔节期远轴面气孔密度(SD)、气孔长度(SL)、气孔周长(SP)和气孔面积(SA)分别下降11%、8%、10%和8%，但均未达到显著水平(P>0.05)；S2S3(0.8，1.2)处理导致远轴面气孔长度显著下降(P<0.05)，而对其他参数没有产生显著影响(P>0.05；表7)。在抽穗期，施肥处理对冬小麦气孔密度、气孔长度和气孔宽度没有产生显著影响(P<0.05)，但每个施肥处理下的叶片近轴面和远轴面气孔密度均存在差异，表现为近轴面气孔密度高于远轴面。另外，S3S2处理(1.2，0.8)导致近轴面气孔周长显著降低(P<0.05；表8)。在冬小麦灌浆期，施肥处理对冬小麦气孔特征参数均未产生显著影响(P>0.05；表9)。在冬小麦成熟期，本研究结果显示S1S1处理和S2S3处理均显著降低了近轴面气孔密度(P<0.05)，但S3S3处理显著增加了远轴面气孔宽度(P<0.05；表10)。

图2 秸秆还田下灌水对冬小麦不同生育期气孔分布格局的影响Fig.2 Effect of irrigation on the spatial distribution pattern of stomata on leaves of winter wheat in different growth periods under straw-return

表7 秸秆还田下施肥对冬小麦拔节期气孔特征参数的影响Tab.7 Effect of fertilization treatment on stomatal traits of winter wheat at jointing stage under straw-return

表8 秸秆还田下施肥处理对冬小麦抽穗期气孔特征参数的影响Tab.8 Effect of fertilization treatment on stomatal traits parameters of winter wheat at heating stage under straw-return

表9 秸秆还田下施肥处理对冬小麦灌浆期气孔特征参数的影响Tab.9 Effect of fertilization treatment on stomatal traits parameters of winter wheat at grain filling stage under straw-return

表10 秸秆还田下施肥制度对冬小麦成熟期气孔特征参数的影响Tab.10 Effect of fertilization treatment on stomatal traits parameters of winter wheat at mature stage under straw-return

2.4 秸秆还田下施肥处理对冬小麦气孔分布格局的影响

在秸秆还田下，不同施肥处理使冬小麦叶片近轴面和远轴面均在小尺度范围内为规则分布(<200 μm)，而在大尺度范围内(>300 μm)呈现随机分布特征。与S2S2处理(1.0，1.0)相比，S1S1处理(0.8，0.8)对拔节期冬小麦近轴面气孔分布规则程度未产生影响，但导致远轴面气孔分布规则程度下降，表现为Lhat(d) 的增加，而且使远轴面气孔由规则分布转变为随机分布的空间尺度缩小，由180 μm下降到100 μm。然而，S3S3处理(1.2，1.2)使叶片近轴面气孔分布规则程度增加，但对远轴面未产生影响[图3(a)～图3(b)]。

在小麦抽穗期，S1S1处理导致气孔分布规则与其在拔节期相反，即冬小麦近轴面气孔分布规则程度增加，而使其在远轴面下降。然而，S3S3处理对近轴面和远轴面气孔分布规则程度均未产生影响[图3(c)～图3(d)]。

在冬小麦灌浆期，S1S1处理和S3S3处理均导致近轴面气孔分布规则程度增加，但仅S3S3处理使叶片远轴面气孔分布增加，另外在同样的尺度范围内，气孔分布由规则分布转为随机分布在近轴面(160 μm)和远轴面(230 μm)存在差异[图3(e)～图3(f)]。然而在冬小麦成熟期，S1S1处理使近轴面气孔分布在较小尺度范围(60 μm)由规则转为随机分布，其后随着空间尺度的增加转为规则分布，最后在200 μm再次转为随机分布。S3S3处理使冬小麦成熟期远近轴面气孔分布规则程度增加[图3(g)～图3(h)]。S3S2(1.2，0.8)处理对拔节期冬小麦近轴面和远轴面气孔分布规则程度未产生影响[图3(a)～图3(b)]与对照S2S2处理(1.0，1.0)相比；而在抽穗期降低了近轴面气孔分布规则程度，增加了远轴面的气孔分布规则[图3(c)～图3(d)]。另外，S3S2处理使灌浆期近轴面气孔分布规则程度增加[图3(e)～图3(f)]，但对远轴面气孔分布影响较小，而且导致成熟期近轴面和远轴面气孔分布更规则[图3(g)～图3(h)]。另外， S2S3处理(0.8，1.2)对拔节期冬小麦近轴面和远轴面气孔分布规则程度未产生影响与对照S2S2处理相比[图3(a)～图3(b)]；而在抽穗期和灌浆期均增加了近轴面气孔分布规则程度，但未对远轴面的气孔分布规则程度产生影响[图3(c)～图3(f)]。然而，S2S3处理导致成熟期近轴面气孔分布由规则转变为随机分布的空间尺度缩小，即在100 μm左右由规则分布转变为随机分布，但使远轴面气孔规则程度增加[图3(g)～图3(h)]。

图3 秸秆还田下施肥处理对冬小麦不同生育期气孔分布格局的影响Fig. 3 Effect of fertilization treatment on stomatal distribution pattern of winter wheat in different growth periods under straw-return

3 讨论

3.1 秸秆还田下灌水对冬小麦气孔特征的影响

众所周知，植物对气孔开口大小、数量及其分布状况的调节功能是其适应环境、抵御外界胁迫的一项重要机制[32-35]。有相关研究表明，水分亏缺能够抑制叶片的生长速率，从而使叶面积变小，导致单位面积内气孔数量的增加[36-40]。本研究中相同灌水时期增加灌水量会导致冬小麦近轴面气孔面积增加，但气孔密度没有显著变化。然而，远轴面气孔密度没有显著影响，但气孔周长减小，气孔宽度显著增加从而导致气孔形状指数升高，表明冬小麦叶片的远轴面和近轴面对灌水量的响应并不完全一致，存在明显差异。另外，减少灌水量则导致近轴面气孔密度显著增加，气孔形状指数显著降低，但仅近轴面气孔密度显著增加，远轴面没有显著变化，表明冬小麦叶片近轴面气孔对秸秆还田下亏水处理的响应可能比远轴面更加敏感。此外，以往的研究发现气孔密度在远轴面大于近轴面，从而可以减少植物的蒸腾速率，也就是植物减少水分散失对水分亏缺的一种响应机制。在本研究中冬小麦生长初期近轴面气孔分布较多，这可能是秸秆还田下干旱缺水通过限制还田肥力从而影响远近轴面气孔密度。在季星桐的灌水与秸秆还田共同作用对土壤理化性状和小麦生长的影响研究中刚好验证了这一规律[42]。

除了气孔大小和气孔密度控制植物叶片的气体交换过程以外，气孔的空间分布格局也同叶片的气体交换过程紧密相关[43]。以往的相关研究发现，陆生植物叶片的气孔起初并不是随机分布而是规则分布，从而确保水分丢失和碳同化之间的最佳平衡状态[44]。本研究结果显示，在不同灌水条件下冬小麦叶片近轴面和远轴面气孔均在小尺度范围内为规则分布(<200 μm)，而在大尺度范围内(>300 μm)呈随机分布特征。然而在冬小麦成熟期，与W2T1处理比较，W1T1处理和W3T1处理均导致近轴面气孔分布更加规则。表明生长后期的冬小麦在水分调节情况下近轴面比远轴面具有更高的气体交换效率，即近轴面的气孔空间分布格局对提高叶片气体交换效率贡献更大。另外，与W2T1处理(越冬水+拔节水)相比，W2T2处理(越冬水+拔节水+扬花水)增加了冬小麦抽穗期和灌浆期叶片近轴面和远轴面气孔分布规则程度，而且在抽穗期冬小麦叶片气孔由规则分布转化为随机分布的空间尺度变大即由150 μm转变为200 μm，而对近轴面的影响较小，表明在秸秆还田条件下小麦叶片在生长中期远轴面的气孔分布状况对水分的响应更为敏感。因此，适宜的灌水制度可促进冬小麦的生长。

3.2 秸秆还田下施肥对冬小麦气孔特征的影响

农田作物秸秆是一种易于回收利用的可再生能源，对扩展肥料来源和改善环境有较大的积极作用，因为秸秆还田可以改善农田生态系统小环境[45]。氮素(N)是陆地生态系统中作物生产的主要限制性营养元素之一，农作物的生产力很大程度上取决于施用于土壤的高水平氮肥[46]。然而，以往的研究证实，土壤中N含量较低时会导致作物生长缓慢，限制作物发育，进而减少产量[47]。本研究结果显示，在以播种翻施300 kg/hm2且返青追施300 kg/hm2氮肥为对照的情况下，在相同施肥期减少施肥量导致冬小麦在拔节期的近轴面气孔密度和面积增加，远轴面气孔长度减小，而在成熟期近轴面气孔密度反而减小，表明在冬小麦生长初期气孔对减少施肥量的响应更敏感，而随着冬小麦的生长，植物的营养摄取能力逐渐降低，暗示气孔密度的变化能够体现植物耐旱性或营养摄取能力的调整[48]。相反地，增加施肥量会在冬小麦生长后期增加远轴面气孔面积及宽度，表明气孔特性在生长后期表现显著差异。这可能是由于秸秆还田与氮肥对气孔特征的影响具有耦合效应[49, 50]。

在本研究中，控制总施肥量，调节播种期及返青期的施肥量，结果显示在冬小麦生长初期对气孔特征有显著影响，而在后期却没有明显变化，这表明气孔特征对氮响应不唯一。即在处理播种期施肥量<返青期下，拔节期冬小麦近轴面气孔密度及面积均增加，而远轴面气孔长度及面积减小，表明冬小麦叶片的远轴面和近轴面对氮肥施用的响应并不完全一致，存在明显的差异。然而在处理播种期施肥量>返青期下，拔节期冬小麦远轴面气孔面积减小，抽穗期近轴面气孔周长及面积也减小，表明改变氮肥施肥期及施肥量均可改变冬小麦气孔特征。以往的研究结果表明，养分变化对叶片光合能力与气孔密度均会产生显著影响[51-53]。然而，环境因素也是影响气孔发育的一个重要因素，如辐射强度、湿度、温度、大气 CO2和臭氧含量，土壤水分和营养的可用性[54-58]。另有部分相关研究表明，叶片气体交换与气孔的因素相关性很强[59]，也有研究表明气体交换并非完全受控于气孔因素[60]。在一些研究中结果显示树木叶片在发育过程中，很大一部分原因是基因控制着细胞分裂与分化导致气孔密度与气孔分布在叶片上的异质性[58]。然而，以往的研究对叶片气孔分布的报道较多[61-62]。Poole等将气孔在叶片上的变化归结于3个原因，一是气孔和表皮细胞的不均匀分化，导致响应的细胞数量变化(分化假说)，二是表皮细胞膨胀导致气孔间距不均匀(膨胀假说)，三是前两个原因的混合(混合假说)[63]。而在本研究中，在越冬期施肥较多拔节期施肥较少处理下，气孔分布更加规则，表明调节施肥期及施肥量对冬小麦的生长具有重要意义。