氮磷配施对玉米‘良玉188’光合特性及产量的影响

李 萍，谢圣杰，李明明，贾亚涛，冯万军，邢国芳

（山西农业大学农学院，山西太谷 030801）

0 引言

玉米是中国第一大粮食作物，是重要的粮饲兼用作物以及重要的工业原料[1]。化肥对农作物增产增效是一个不争的事实，氮、磷、钾是农作物必需的三大营养元素，其合理配施可提高农作物产量、改善土壤养分，不合理施用则会引起土壤养分耗竭、土壤肥力下降、施肥效益降低，还会导致环境质量恶化，影响农业生产持续稳定发展[2-3]。近年来化肥过量和不合理施用问题越来越严重，影响到生态环境安全，迫切需要一种优化的施肥方法以保障粮食安全和农民收益。随着国家农业生产的不断发展，作物对化肥的依赖性越来越大。化肥的合理施用，可以较好地保持和提高土壤肥力，而且对作物的增产效果比较明显[4]。不合理的施肥制度会使土壤生态环境受到污染，并且降低作物产量和品质，使农业的可持续发展受到制约。氮和磷是植物生长发育的必需营养元素，却也是限制作物产量的主要元素[5]。不同的施肥方式对植株的生育进程、生理代谢以及光合能力都具有较大的影响[6-8]。施用氮磷肥已成为人为调控植物所需养分的重要途径。

虽然国内外有学者针对玉米不同品种开展了大量的氮磷肥施用效果研究，也取得了一些成果，但不同地域生态条件差异较大，氮磷肥的使用效果往往受生态条件、土壤环境、气候等的影响较大，所以不可盲目照搬，只可借鉴。研究特定土壤类型下不同施肥处理的作物生育和产量效应对指导田块尺度上合理高效施肥，提高作物产量具有重大意义[9]。通过在山西省太谷县申奉村进行大田试验，测定不同氮磷配比对玉米光合特性、农艺性状及产量的影响，以期为山西中部玉米合理施肥、充分发挥玉米光合能力和提高作物产量提供科学依据，从而指导农业生产。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在山西省中部太谷县申奉村，地处东经112°53′、北纬37°42′，属于暖温带大陆性季风气候，2017年降雨量为456 mm，该地区土质为轻壤土，海拔799.2 m，2017年平均气温9.8℃，无霜期170天。

1.2 试验设计

本试验供试玉米品种为‘良玉188’，设置不同浓度的氮磷配比，研究不同浓度的氮磷配比对玉米光合特性、生长发育的影响，并探究最适玉米高产的最优质氮磷配比。采用大田试验，试验设氮、磷2 个肥料因素，其中设4个施氮量处理N0、N150、N300、N450，分别为0、150、300、450 kg/hm2，设3个施磷量处理P0、P120、P240，分别为0、120、240 kg/hm2，氮磷配比施加量见表1。试验用氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为磷酸钙（含P2O514%），钾肥为硫酸钾（含K2O 60%）。氮磷施加时期与比例分别为，播前（5 月7 日）施入总施入量的50%，拔节期（6 月20 日）施入总施入量的20%和抽雄期（7 月18日）施入总施入量的30%，灌浆期叶面喷施45 kg/hm2的钾肥。以氮肥为主区，磷肥为副区，共12个处理，每处理3次重复，各小区面积为3.3 m×6 m，共划制36个小区。于2017年5月7日播种，种植密度为6.67万株/hm2，行距和株距分别为60 cm和25 cm，其他管理措施同大田。

表1 不同处理氮磷配比 kg/hm2

1.3 测定项目

每个重复选定3株，每个处理选定9株表型相近的玉米材料叶片标记，在玉米拔节期和灌浆期对光合特性进行测定，在当日9:00—11:00，采用Li-6400便携式光合作用测定仪(LI-COR Inc.Lincoln，Nebraska，USA)测定选定的叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)3个光合参数，水分利用率(WUE)依照WUE=Pn/Tr计算，测定条件为红蓝光源，光强为1200～1500 μmol/(m2·s)，叶室温度为(28±5)℃，CO2流速在350～400 μmol/(m2·s)。

在玉米成熟后（10月5日）每个小区标记6株长势一致的植株测定其株高、穗位高等农艺性状，并对单位面积穗粗、穗粒数和百粒重等性状进行考查。

1.4 数据处理

采用DPS 7.05[10]数据处理系统对测定的所有数据进行统计分析，采用Duncan新复极差法进行显著性检验(P＜0.05)，再利用Microsoft Excel 2003 软件整理数据并绘制相关图表。

2 结果与分析

2.1 氮磷配施对‘良玉188’拔节与灌浆期光合特性的影响

2.1.1 氮磷配施对‘良玉188’气孔导度(Gs)的影响 气孔导度是一个重要的生理指标，在指示叶片CO2和水分交换过程中起着重要作用，气孔导度的增大有利于气孔开张和水气交换，促进CO2的固定和光合速率的提高。研究发现，拔节期在不施氮肥条件下，随着施磷量的增加，玉米气孔导度逐渐下降；当施氮浓度为150 kg/hm2时，随着施磷量的增加，玉米气孔导度一直增加，当施磷浓度为240 kg/hm2时达显著水平。在灌浆期，玉米的气孔导度的变化和拔节期趋势一致，在N450P120条件下，叶片气孔导度最大达显著水平。灌浆期比拔节期的气孔导度增加量分别为-39.97%、18.66%、169.56%、82.61%、-4.07%、-47.27%、-31.79%、-38.53%、10.75%、29.84%、48.07% 和-52.64%。从整体水平看，N300P240条件下从拔节期到灌浆期的气孔导度增加量为10.75%（图1）。

2.1.2 氮磷配施对‘良玉188’净光合速率(Pn)的影响由图2 可知，总体上拔节期叶片的净光合速率比灌浆期活跃。拔节期，在不施氮的条件下，施磷浓度为240 kg/hm2时，叶片的净光合速率降低；当氮肥的施加浓度超过150 kg/hm2时，叶片的净光合速率升高；灌浆期，N300P120条件下显著降低。拔节期比灌浆期各处理条件下的净光合速率分别增加了47.69%、51.74%、39.95%、58.65%、58.68%、54.13%、51.58%、64.77%、61.5%、62.22%、57.43%和58.03%。N300P240条件下的增加量最为理想，光合物质积累效果最好。合理氮磷配施能够显著提高叶片的净光合速率，延长玉米的光合时间和叶绿素含量相对稳定，促进光合物质的积累时间，进而促进光合物质的积累。

2.1.3 氮磷配施对‘良玉188’蒸腾速率(Tr)的影响 通过对拔节期和灌浆期蒸腾速率的测定发现，总体上灌浆期叶片的蒸腾速率比拔节期高。在拔节期，施氮浓度300 kg/hm2条件下，随着施磷浓度的增加，蒸腾速率逐渐下降，在N300P240条件下达最低值；灌浆期，在N150P120条件下玉米的蒸腾速率达最低值。在灌浆期，玉米对养分的需求量明显增加，新陈代谢加快，蒸腾速率相应增加，灌浆期的蒸腾速率比拔节期的蒸腾速率分别增加47.16%、56.73%、69.94%、50.97%、27.94%、31.88%、43.04%、43.89%、64.24%、67.09%、59.16%、28.5%。整体水平看，N300P240条件下的增加效果最好。

2.1.4 氮磷配施对‘良玉188’水分利用效率(WUE)的影响 作物叶片短时水分利用效率是指蒸腾单位质量水同化的CO2量，反映了植物生产过程中单位水分的能量转化效率，是叶片光合速率与蒸腾速率的比值，因而受蒸腾速率和光合速率的共同影响。从图4 可知，拔节期的水分利用率高于灌浆期。玉米的水分利用率与气孔导度及蒸腾速率变化趋势相似。由WUE=Pn/Tr可以看出，蒸腾速率与水分利用效率成反比，与净光合速率成正比，从试验结果看，气孔导度值高时，相应的蒸腾速率值也高。在拔节期，N300P240条件下，玉米叶片的水分利用率达最大值，呈显著水平。拔节期到灌浆期的水分利用效率分别减少68.44%、79.17%、81.61%、77.56%、74.58%、67.82%、74.95%、79.67%、85.66%、83.96%、84.09%、73.72%。N300P240条件下，玉米叶片的水分利用率效果最佳。

综上可知，在本试验条件下，玉米品种‘良玉188’的净光合速率、蒸腾速率和水分利用率在N300P240条件下效果最佳，但是气孔导度在N300P240条件下显著降低。因此合理的氮磷配施显著地增加蒸腾速率，提高了叶肉细胞光合活性，从而提高了玉米叶片的净光合速率和水分利用效率。

2.2 氮磷配施对‘良玉188’成熟期农艺性状的影响

从表2 可以看出，不同的氮磷配施对玉米生长发育具有明显不同的影响。在不配施磷肥时，施氮处理与不施氮处理相比，随着施氮量的增加，株高和穗位高在降低，在不配施氮肥、单施磷肥120 kg/hm2时，株高和穗位高达到最高。氮磷配施时，随着氮磷浓度的增加，在N300P120条件下，株高和穗位高都达到最高，其中株高 N300P120＞N150P240＞N150P120、N450P120＞N300P240＞N450P240，穗 位 高N300P120＞N300P240＞N150P120＞N450P120＞N150P240＞N450P240，在N450P240条件下，株高和穗位高达到最低。而穗长在氮磷配施的条件下，随着氮磷浓度的增加，在N300P120条件下，穗长达到最长，N300P120＞N300P240＞N150P240＞N450P240＞N150P120＞N450P120。在N450P240条件下玉米穗粗显著增加，N450P240＞N300P120＞N150P240＞N450P120＞N300P240＞N150P120。在不施磷肥的条件下，单施氮肥150 kg/hm2玉米的穗粒数达到最大值，随着氮肥浓度的增加，穗粒数逐渐减少；单施磷肥120 kg/hm2时，穗粒数达到最大值；在氮磷配施时，N300P120条件下玉米的穗粒数达到最大值，其次是N300P240，随着氮磷浓度的增加，穗粒数逐渐降低，在N450P240条件下穗粒数最少。玉米的百粒重在不配施氮肥的条件下，单施磷肥240 kg/hm2时达到最大值，在不配施磷肥时，单施氮肥450 kg/hm2时达到最大值，氮磷配施时，N450P240＞N150P120＞N300P240＞N150P240＞N450P120＞N300P120；综合上述分析可得，‘良玉188’在该试验条件下最适宜生长的氮磷浓度为N300P240，在此条件下生长状况非常良好。由此可见，合理的氮磷配比对改善玉米成熟期的农艺性状具有积极效果。

表2 氮磷配比对玉米成熟期农艺性状的影响

2.3 氮磷配比对‘良玉188’产量的影响

从图5 可以看出，不同氮磷配施对玉米产量的影响明显不同，在N0、N150和N300条件下，随着施磷量的增加，玉米的产量逐渐增加；而在N450条件下，随着施磷量的增加，玉米产量下降。在P0条件下，随着施氮量的增加，玉米的产量逐渐增加，N450P0条件下，产量达最大值；在P120和P240条件下，玉米的产量变化与P0条件呈相同的变化趋势，N300P240条件下，籽粒产量达到最大值，N300P120次之，两者都达显著水平，但随着施氮量的增加，产量下降。

与N0P0相比，各施肥处理平均增产3.97%～32.15%，并以N300P240处理增产幅度最大，其次为N300P120处理。在N0条件下，玉米产量随施磷量增加而增加，分别增产8.39%～16.14%，并以N0P240处理最高。配施氮肥处理（N150、N300和N450）与相应不施氮肥处理(N0)相比，分别增产-1.78%～21.53%；N300、N450与N150处理相比，分别增产-9.34%～16.89%；N450与N300处理相比，分别增产-15.52%～12.21%。由图5 可见，玉米的产量在N300P120和N300P240条件下达到最好。

综上可见，施氮量为300 kg/hm2、施磷量为240 kg/hm2时，玉米‘良玉188’才能达到相对高产。在常规不施氮肥条件下，单施磷肥用量达240 kg/hm2也达不到氮磷配施条件下的产量；而在配施氮肥150 kg/hm2时，磷肥的需要量仅为120 kg/hm2就能达到较高的产量。综合玉米农艺性状及产量性状的分析，施氮量为300 kg/hm2、施磷量为240 kg/hm2时，玉米农艺性状最好，增产效果最佳。因此，使用适宜的氮磷及氮磷钾和微量元素相结合的玉米专用肥，‘良玉188’才容易获得高产。

3 结论与讨论

王晓娟等[11]研究表明，施用有机肥可以显著提高旱地春玉米在大喇叭口期、抽穗期和灌浆期的光合速率；余海兵等[12]研究发现，粪肥的合理配施能显著增加玉米的净光合速率，为玉米的生长提供各种必需营养元素。本研究表明，合理的氮磷配施对于叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)及气孔导度(Gs)等光合指标也有显著的调节作用，但用量过高会起一定的负作用。在本试验条件下施氮量为300 kg/hm2、施磷量为240 kg/hm2时，玉米‘良玉188’叶片的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率最好，但此条件下，从拔节期到灌浆期的气孔导度很低但趋于稳定状态。

施肥是调节作物生长发育的一项基本措施，不同的施肥条件影响植株体内的生理代谢，使光合作用发生相应的改变。前人研究表明，光合性能（气孔导度、净光合速率和蒸腾速率）直接影响到玉米光合物质生产及最终生物产量和经济产量的形成，且光合速率是玉米增产的重要光合形态和生理特点[13]。玉米产量的提高在一定程度内与施肥种类、数量和配施方式等密切相关[14]。在黄土高原地区，对于提高玉米产量采取的措施先后经过施农家肥、氮磷肥到施氮磷钾肥，增产效果日趋明显[15]。大量研究表明，肥料作为作物养分的主要来源，直接参与或调节作物营养代谢与循环，与作物产量密切相关[16-17]。例如，李宗新等[18]研究认为，鸡粪肥配施氮肥可显著提高玉米的生物产量；翁定河[19]研究认为，有机肥配施化肥可显著增加玉米产量。有研究表明，单纯施用含有一种元素的肥料不是保证作物生长及产量的有效方式，只有当土壤中碳、氮、磷、钾、有机质等比例适当时，作物才能正常生长，对其稳产和高产才能有所保证[20]。本研究中，随着施肥量的增加，穗粒数和百粒重逐渐增加，说明氮磷肥配施有明显提高穗粒数和穗粒重的作用，这是‘良玉188’达到高产的主要原因。并且光合作用是影响作物产量形成的主要机制，通过施肥可增强植物的光合性能[21]。叶片具有较高的光合速率是作物获得高产的一个重要因素[22]。在本试验条件下施氮量为300 kg/hm2、施磷量为240 kg/hm2时，玉米‘良玉188’叶片的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率最高，此条件下，从拔节期到灌浆期的气孔导度很低但趋于稳定状态。施氮量为300 kg/hm2、施磷量为240 kg/hm2时，玉米‘良玉188’株高、穗位高和穗粒数等农艺性状最好，增产效果最佳。本研究中，增施有机肥比单施化肥显著提高了玉米产量，这与前人研究结果一致。