腐殖酸与氮肥配施对豫北潮土冬小麦光合特性的影响

闫军营 孙笑梅 程传凯 张水清 袁天佑

摘要：为了评价减氮配施腐殖酸对冬小麦光合特性的影响，为科学利用氮肥提供有效依据，2017—2019年在豫北潮土区开展田间定位试验，研究腐殖酸与不同氮肥水平配施对冬小麦光合特性的影响。试验设置单施磷钾肥、常规施肥、单施腐殖酸3 000 kg/hm2、腐殖酸3 000 kg/hm2+常规施肥、腐殖酸3 000 kg/hm2+常规施肥减氮15%、腐殖酸 3 000 kg/hm2+常规施肥减氮30%等6个处理。结果表明，腐殖酸与氮肥配施可以有效改善冬小麦的光合特性，其中，以常规施肥减氮15%配施腐殖酸（T5处理）的效果最佳。冬小麦叶片的SPAD值、净光合速率（Pn）、氣孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）随着生育时期的推移呈先升后降的趋势，而胞间 CO2浓度（Ci）却与之完全相反。T5处理的冬小麦叶片的SPAD值、Pn、Gs和Tr最高，而Ci最低，在整个生育期与常规施肥T2处理相比，SPAD值增加5.77%～32.19%，Pn增加12.08%～21.66%，Gs增加8.78%～14.97%，Tr增加10.53%～26.98%，而Ci降低8.32%～24.02%。因此，腐殖酸3 000 kg/hm2+常规施肥减氮15%是本研究区域最佳的施肥模式，对实现农业的高质量生产具有重要的意义。

关键词：腐殖酸;氮肥;潮土;冬小麦;光合特性

中图分类号：S512.1+10.6 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2020）21-0104-06

肥料作为粮食的“粮食”，在现代农业高质量发展中起着非常重要的作用。研究显示，全球约48%的人口靠肥料投入生产的粮食来养活，其中，氮肥对生产粮食的贡献最大，高达30%～50%[1-2]，而我国有近56%的人口主要依靠氮肥投入生产的粮食来养活[3]。近年来，由于我国氮肥的不合理利用引起了一系列生态环境问题，对农业高质量发展造成了一定的威胁。适度减少氮肥用量，通过科学合理配施氮肥的措施，提高氮肥利用率、减少氮素损失，有效及时防控农业面源污染已成为当前我国农业高质量发展的迫切需要。腐殖酸含有多种活性官能团，具有生化活性，在化肥增效方面有较好效果[4-7]。有许多研究结果显示，腐殖酸与氮肥配施不仅能显著提高氮肥利用效率、提高作物产量、减少氮肥使用，还能进一步培肥改良土壤[4，8-10]。

豫北潮土区是河南省的主要粮食生产区，也是我国重要的优质粮食生产基地，冬小麦是该区域最主要的粮食作物。近年来，有关腐殖酸在农业生产领域的研究越来越多，但鲜有腐殖酸与氮肥直接配施对冬小麦光合特性的影响研究。本研究运用减氮配施腐殖酸的肥料运筹技术模式，在保证冬小麦高产、优质和农民增收的前提下，探求提高氮肥利用率、减少氮肥使用量、降低农田面源污染的合理施氮技术模式，以期为实现农业高质量发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于河南省焦作市博爱县坞庄村，土壤为潮土，属豫北平原区，平均海拔100 m左右，属暖温带大陆性季风气候。年均气温14～15 ℃，年均降水量550～700 mm，无霜期210 d。作物种植模式为冬小麦—夏玉米轮作。试验点地势平坦，试前土壤（0～20 cm）有机质含量为18.08 g/kg，碱解氮含量126.81 mg/kg，速效磷含量32.56 mg/kg，速效钾含量164.63 mg/kg，pH值8.2（1 ∶ 5水提）。

1.2 试验设计

试验田设在永久性耕地上，采取田间定位，试验时间为2017 年10月至2019 年6 月，供试冬小麦品种为周麦16，由河南天存种业有限公司提供。供试肥料：N肥为尿素（46%），P肥为过磷酸钙（12%），K肥为氯化钾（60%）。试验中所使用的腐殖酸（全氮、全磷和全钾分别为0.76%、0.38%和0.23%，有机质含量80.92%，pH值4.74）由南阳市沃泰肥业有限公司提供。冬小麦大约于每年10月12日左右播种，播量为225～300 kg/hm2，次年6月10日左右收获。试验设6个处理（表1），随机区组排列，重复3次，小区面积为48 m2（6 m×8 m），同时设置保护行和观察道。试验中所有处理除了T3处理（单施腐殖酸）外，其他所有处理（T1、T2、T4、T5、T6）全生育期磷钾肥均用做基肥一次性施入。其中T2、T4、T5、T6处理的氮肥均采用基追配合的模式即50%氮肥做基肥，剩余50%氮肥于冬小麦拔节期追施。腐殖酸用做基肥一次性施入。所有施肥处理的种植密度及其他水肥管理措施均按照当地冬小麦生产技术进行。

1.3 主要测定项目及方法

冬小麦各生育期以50%达到各个时期技术指标为标准，记载试验各生育期节点。

在冬小麦的关键生育时期同时测定冬小麦旗叶的叶绿素相对含量（用SPAD值表示）、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）等参数。其中，叶绿素相对含量用便携式叶绿素测定仪测定（日产SPAD-502PLUS）;光合特性参数采用Li-6400XT便携式光合测定仪测定（美国LI-COR）。测定时间一般为晴朗天气的 09：00—11：00，测定条件采用红蓝光源[光合有效辐射1 000 μmol/（m2·s）]和 CO2注入系统（400 μmol/L）。在冬小麦的孕穗期和扬花期测定冬小麦第1张新完全展开叶，在灌浆期则测量冬小麦的旗叶，测定部位均选择距离叶节1 cm处。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据均采用Excel 2003和SAS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 腐殖酸与氮肥配施对冬小麦叶片SPAD值的影响

由图1可以看出，不同处理冬小麦叶片的SPAD值总体呈现出随着其生育期的推移先缓慢升高而后又下降的趋势，并在冬小麦的开花期达到最高点，在成熟期下降到最低。其中，不施氮肥处理即T1处理（单施磷钾肥）和T3处理（单施腐殖酸）的冬小麦叶片的SPAD值显著低于其他各施氮处理。

由图1-A可以看出，2018年在冬小麦生长的整个生育期内，叶片的SPAD值总体上呈现T5处理>T4处理>T6处理>T2处理>T1处理>T3处理。其中，T2处理的冬小麦叶片的SPAD值显著高于不施氮肥的T1处理和T3处理，在5个生育期分别高出32.14%～59.15%和33.62%～52.72%。腐殖酸与氮肥配施的T5处理、T4处理和T6处理的冬小麦叶片的SPAD值明显高于T2处理，在冬小麦的灌浆和成熟期的差异达到显著水平（P<0.05）。但是，T3处理与T1处理的SPAD值均处于较低水平。腐殖酸只有与氮肥配施才能更好地发挥肥效，提高冬小麦叶片的SPAD值，其中以T5处理的SPAD值最高。T4处理的SPAD值较T2处理高0.79%～15.94%;而T5处理的SPAD值较T2处理高1.90%～22.63%，在拔节期、灌浆期和成熟期的差异均达显著水平（P<0.05），较T4处理高0.26%～5.77%，T6处理SPAD值较T5处理低1.60%～11.63%。

由图1-B可以看出，随着试验年限的增加，2019年T1处理和T3处理的冬小麦由于长期缺失氮肥，二者SPAD值均分别比2018年对应的各时期有所下降，而其他处理的SPAD值均保持较高的优势，各处理SPAD值总体上呈现T5处理>T4处理>T6处理>T2处理>T3处理>T1处理，施用氮肥的优势更加明显，尤其是腐殖酸与氮肥配施的处理优势更加突出，其中，仍以T5处理的SPAD值最高。T4处理的SPAD值较T2处理高3.65%～19.69%，而T5处理较T2处理和T4处理分别高5.77%～32.19%和0.72%～10.44%，在冬小麦生长的整体生育期均显著高于T2处理，在开花期和成熟期显著高于T4处理。当常规施肥减氮30%配施腐殖酸（T6处理）时SPAD值较T5处理低 2.94%～20.57%，且除了拔节期外的其余4个时期的差异均达显著水平（P<0.05）。

2.2 腐殖酸与氮肥配施对冬小麦主要光合特性的影响

2.2.1 腐殖酸与氮肥配施对冬小麦净光合速率（Pn）的影响 由图2可以看出，各处理冬小麦叶片Pn随其生育期的推移均呈现先上升后下降的趋势，在冬小麦的开花期上升到最高，在成熟期下降到最低，特别是在冬小麦的成熟期，其Pn下降较为剧烈，冬小麦不同时期的Pn总体呈现开花期>孕穗期>拔节期>灌浆期>成熟期。在冬小麦的整个生育时期，T1处理和T3处理冬小麦叶片的Pn明显低于其他处理，且二者Pn比较接近。冬小麦的Pn大小总体上表现为不施氮肥处理的冬小麦叶片Pn最低，腐殖酸配施氮肥处理高于常规施肥处理，其中T5处理的Pn最高。

由图2-A可以看出，2018年T2处理的冬小麦叶片的Pn明显高于T1处理和T3处理。腐殖酸与氮肥配施的T5处理、T4处理和T6处理的冬小麦叶片Pn高于单施氮磷钾化肥的T2处理，特别是在冬小麦的成熟期差异明显。其中，T5处理的Pn最高，在整个生育期较T2处理高4.45%～35.55%，较T4处理高0.058%～0.25%;T4处理的Pn在整个生育期较T2处理高2.01%～31.65%。当常规施肥减氮30%配施腐殖酸（T6处理）时，冬小麦叶片的Pn却明显降低，在整个生育期较T5处理降低了 3.87%～18.25%，且在生长后期即开花期后的差异明显。但是，单施腐殖酸的T3处理效果并不好，其Pn明显低于T2处理、T6处理、T4处理和T5处理，甚至有时低于单施磷钾肥的T1对照处理。

由图2-B可以看出，随着试验年限的增加，2019年T1处理和T3处理的Pn均有所下降，而其他施肥处理的冬小麦的Pn均高于2018年对应的各时期。施用氮肥的优势更加明显，尤其是腐殖酸与氮肥配施处理的优势更加突出。腐殖酸与氮肥配施的T4处理、T5处理和T6处理的冬小麦的Pn在整个生育期较T2处理分别高1.33%～40.71%、2.21%～51.02%、0.36%～13.93%;常规施肥配施腐殖酸或减氮配施腐殖酸处理对冬小麦的Pn影响有差异，以T5处理的效果最佳，在整个生育期分别较T4处理和T6处理高0.87%～10.14%、0.28%～32.55%。

2.2.2 腐殖酸与氮肥配施对冬小麦叶片气孔导度（Gs）的影响 由图3可见，各处理冬小麦叶片的Gs随着冬小麦生育期的推移均呈现出先上升后下降的趋势，在冬小麦的开花期上升到最高，在成熟期达到最低，尤其是在冬小麦的生长后期，其Gs下降的更为剧烈，冬小麦叶片的Gs总体呈现T5处理>T4处理>T6处理>T2处理>T1处理>T3处理，T3处理的始终处于最低水平，除T1处理外（两者相近），明显低于其他各施肥处理。

由图3-A可见，T4处理的冬小麦叶片Gs在2018年整个生育期较T2处理高5.73%～7.02%，而T5处理的Gs最高，在整个生育期较T2处理高6.83%～13.72%，较T4处理高2.88%～6.18%。当常规施肥减氮30%配施腐殖酸（T6处理）时，Gs却明显降低，在整个生育期较T5处理降低5.97%～9.98%。

由图3-B可见，T4处理的冬小麦叶片Gs在2019年整个生育期较T2处理高2.78%～6.73%，而T5处理的Gs最高，在整个生育期较T2处理高8.78%～14.97%，较T4处理高2.92%～6.34%。当常规施肥减氮30%配施腐殖酸（T6处理）时，Gs却明显降低，在整个生育期较T5处理降低6.65%～10.02%。

2.2.3 腐殖酸与氮肥配施对冬小麦叶片蒸腾速率（Tr）的影响 由图4可知，各处理冬小麦叶片的Tr随着冬小麦生育期的推移均呈现出先上升后下降的趨势，总体上呈现T5处理>T4处理>T6处理>T2处理>T1处理和T3处理，可以看出腐殖酸与氮肥配施优于常规施肥，常规施肥优于不施氮肥，说明氮肥有利于提升冬小麦叶片的蒸腾速率，腐殖酸与氮肥配施能激发冬小麦叶片产生更高的蒸腾速率，这与冬小麦叶片的光合速率的变化趋势保持一致。

由图4-A可知，在2018年各施肥处理的冬小麦叶片的Tr均在冬小麦开花期上升到最大值，开花期后开始缓慢下降，灌浆期后开始剧烈下降，在成熟期下降到最低值。冬小麦叶片的Tr以腐殖酸+化肥减氮15%（T5处理）最高，明显高于其他各施肥处理。其中，T4处理的Tr在这个生育期较常规施肥的T2处理高6.11%～8.83%，而T5处理较T2处理高10.53%～26.98%，较T4处理高3.12%～16.67%。

由图4-B可知，随着种植年限的增加，在2019年各处理冬小麦叶片的Tr均发生了较大变化。不施氮肥即T1处理和T3处理的冬小麦叶片的Tr在孕穗期达到最大值，然后开始下降，在成熟期达到了最低值;而施氮肥即T2处理、T4处理、T5处理和T6处理的Tr仍然在开花期上升到最高，花期后开始下降，直至降到成熟期的最低值。冬小麦叶片的Tr仍以腐殖酸+常规施肥减氮15%（T5处理）最高，明显高于其他各施肥处理。其中，T4处理的Tr在整个生育期较T2处理高6.22%～8.94%，而T5处理较T4处理高3.14%～16.72%。

2.2.4 腐殖酸与氮肥配施对冬小麦胞间 CO2浓度（Ci）的影响 由图5可知，各处理冬小麦Ci呈先缓慢下降而后急剧上升的趋势，均在冬小麦的开花期下降到最低，在成熟期上升到最高，这刚好与冬小麦叶片的Pn、Gs和Ci的变化趋势相反，总体上呈现T3处理>T1处理>T2处理>T6处理>T4处理>T5处理，T3处理和T1处理明显高于其他各施肥处理。在冬小麦开花期之后，冬小麦叶片Ci随着Pn、Gs和Tr的下降而迅速增加，这充分说明此时冬小麦叶片细胞光合活性下降和CO2同化能力减弱限制冬小麦叶片的光合作用强度，同时也表明了冬小麦开花后其旗叶衰老加剧。在冬小麦开花期之后，T3处理和T1处理的Ci比其他施肥處理上升较为剧烈，说明二者冬小麦旗叶衰老得较为严重，不利于冬小麦后期的光合作用。

由图5-A可见，在2018年以腐殖酸+常规施肥减氮15%（T5处理）的冬小麦的Ci最低，明显低于其他处理。其中，T4处理的Ci在整个生育期较T2处理低11.12%～19.47%，而T5处理的Ci较T4处理低5.65%～7.20%。

由图5-B可见，在2019年以腐殖酸+常规施肥减氮15%（T5处理）的冬小麦的Ci最低，明显低于其他处理。其中，T4处理的Ci在整个生育期较T2处理降低1.18%～22.34%，而T5处理的Ci较T4处理低0.65%～7.12%。

3 结论与讨论

一般地，作物生长发育受生态环境因素（水、肥、气、热）和人为环境（栽培管理）的影响，在二者相对一致的情况下，施肥是影响作物生长发育的关键因素[11]。其中施氮对作物叶绿素和光合速率等主要酶和光呼吸都有明显的影响，并直接或间接对光合作用产生影响。氮素是叶绿素的重要成分，同时也是作物组织形成的重要物质，因此，合理施用氮肥对作物叶片叶绿素合成、光合特性和作物组织的建成具有重要作用[12-15]。本研究结果表明，施氮有利于冬小麦对氮素的吸收，提高冬小麦叶片的SPAD值，不施氮的处理不能提升冬小麦的SPAD值。冬小麦叶片的SPAD值随着生育期的推移呈先上升后下降的趋势，在其开花期达到最大值，这主要是由于土壤供氮能力在开花期达到最大。腐殖酸与氮肥配施才能发挥更高的肥效，提高冬小麦叶片的SPAD值，但是，与腐殖酸配施的氮肥用量要适宜，其中以腐殖酸+化肥减氮15%处理的效果最好，明显高于其他处理，说明减氮配施腐殖酸能有效提升冬小麦的SPAD值，有效延缓冬小麦叶片的衰老，有利于持续保持冬小麦较高的光合作用，促进冬小麦生长。但是，不施氮肥、过量施氮以及较低氮肥的施用均不利于冬小麦叶片SPAD值的提升，尤其在冬小麦生长后期下降的幅度非常大，呈急剧下降趋势，脱肥比较严重，容易出现早衰现象，这与前人的研究结果[16-17]一致。

光合作用是作物物质生产的基础，光合能力的大小是作物光合作用强弱的主要标志，与其产量的高低呈正相关关系[15]。冬小麦叶片净光合速率的大小是其光合能力强弱的主要指标，它的高低能直接反映出光合作用的强弱[18]。本研究显示，腐殖酸与氮肥配施更有利于冬小麦叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的提升，并明显降低胞间CO2浓度。其中以腐殖酸+化肥减氮15%处理的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率最高，明显高于其他处理，而胞间CO2浓度却最低，说明合理施用氮肥并配施一定量的腐殖酸能有效提升冬小麦的光合速率，有利于持续保持冬小麦较高的光合作用，且此效果较为明显，尤其是在冬小麦生长后期，明显高于单施化肥氮磷钾的处理。这与前人的研究结果[19]一致。卓武燕等通过对陕西和黄淮海类型的冬小麦光合特性的比较指出，黄淮海类型冬小麦的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均随着生育期的推进呈先上升后下降的趋势，在开花期达到最大值，在成熟期达到最低值[20]。本研究显示，在冬小麦的整个生育期内，其叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率变化趋势一致，均随着生育期的推进呈先上升后下降的趋势，在开花期达到最大值，随后缓慢下降，并在成熟期达到最低值。这也与张成军等的研究结果[21-22]一致，即在开花期后，作物各类光合参数都出现降低的趋势。本研究还显示，冬小麦叶片胞间CO2浓度的变化趋势恰好与其净光合速率、气孔导度和蒸腾速率变化趋势相反，即随着生育期的推进呈先下降后上升的趋势，在开花期达到最小值，随后开始迅速上升，并在成熟期达到最大值，这与卓武燕等的研究结果[20]一致。

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