双季稻区长期秸秆还田配施化肥对大麦生理特性与产量的影响

石丽红, 唐海明*, 肖小平, 李超, 刘曲,程爱武, 程凯凯, 李微艳, 文丽

(1.湖南省土壤肥料研究所, 长沙 410125; 2.宁乡市农业技术推广中心, 湖南 宁乡 410600)

施肥措施是影响土壤肥力、土壤微生物多样性、作物生长发育和产量、及农田生态功能多样性和农业可持续发展[1]的重要因素。目前，前人对不同施肥模式下的土壤理化特性、作物生长发育和产量等方面进行了研究[2]，结果表明，有机-无机肥配施更有利于增加土壤养分含量、改善土壤物理结构和培肥土壤，增强作物生理活性，提高肥料利用率，保护农田生态环境，实现农业的可持续发展[2]。

大麦是我国主要的种植作物之一，也是我国畜牧、水产养殖业的优质能量饲料和酿造啤酒的重要原料[3]。近年来，前人对大麦-双季稻多熟制条件下，长期采用不同施肥方式对土壤肥力、大麦植株干物质积累与分配、养分积累与分配、水分利用效率和产量的影响进行了研究，徐一兰等[4]认为，长期施用有机肥能显著提高大麦成熟期稻田耕层(0—20 cm)土壤的Cd全量和有效态含量；大麦生育期，长期施肥促进了部分土壤微生物繁殖，使酶活性提高，以有机肥配施化肥的效果最为显著[5]；大麦根际土壤微生物功能多样性对各种施肥处理的反应存在差异，根际土壤微生物群落利用的碳源主要为氨基酸类和糖类[6]。唐海明等[7]研究显示，不同施肥处理下，有机肥与无机肥配施有利于增加大麦生育期土壤微生物的生物量碳、氮含量和微生物熵，能获得最佳的培肥和增产效果。徐一兰等[8-9]研究也表明，大麦植株的生物学产量(干物质)在长期有机肥与化肥配施下得到显著提高，且干物质在植株各部位的分配更加合理，改善了大麦产量构成因素间的比例，增加产量。徐寿军等[10]研究表明，施氮量与大麦植株氮素积累量呈显著正相关，最佳施氮量为212.42～261.97 kg·hm-2。张立勤等[11]研究认为，在合理施肥的范围内，增施肥料有利于改善啤酒大麦的产量构成因素(千粒重和穗粒数)，显著增加大麦产量，提高水分利用效率。鲁泽刚等[12]研究认为，在N 117.3 kg·hm-2、P2O5116.0～117.2 kg·hm-2和K2O 37.5 kg·hm-2施肥条件下，能获得更高的大麦产量。以上研究结果表明，不同施肥模式对大麦植株干物质积累与分配、产量等方面具有明显的影响，由于试验区域的气候条件、种植制度、肥料种类等因素存在差异，因此不同施肥模式对大麦植株干物质积累与分配、产量的影响效果存在差异。

湖南是我国的双季稻主产区，其种植面积和产量均居全国前列，对国家粮食安全具有十分重要的现实意义。在该区域中，大麦-双季稻种植模式是主要的农业生产种植模式。近年来，前人在该种植模式条件下就不同施肥处理对稻田土壤肥力、土壤微生物特性、大麦植株干物质积累与分配和产量等方面的影响开展了研究[5-9]，然而不同施肥处理对大麦植株叶片生理生化特性影响的研究鲜见报道。因此，本研究以33年的长期定位试验为基础，在大麦-双季稻多熟种植模式条件下，系统研究了秸秆还田+化肥、单施化肥和无肥3种施肥处理下大麦植株叶片的生理生化特性和产量的变化特征，以期揭示大麦获得高产的生理生化特性对不同施肥措施的响应机制。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田位于湖南省宁乡县农技推广中心内(E 112°18′，N 28°07′)，海拔36.1 m，该区域为典型的双季稻主产区，种植模式为大麦-双季稻。定位试验于1986年开始，试验时耕层土壤(0—20 cm)的基本理化特性(pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾)、试验田的环境气象因素(年均气温、年平均降雨量、年蒸发量和无霜期)同唐海明等[13-15]。

1.2 试验设计和田间管理措施

本试验设置3个施肥处理，无肥(CK1)：不施用任何肥料；单独施用化肥(CK2)：仅施用氮、磷、钾化肥；秸秆还田+化肥(RF)：施用稻草秸秆还田和化肥。大麦生长期，RF和CK2保持N、P2O5和K2O总施用量相同。肥料的种类、施用时期、施用量和秸秆还田量及田间管理措施同徐一兰等[8]方法。

以大麦品种通0612为试验材料，分别于2018年11月5日耕地、施基肥，11月6日播种(播种量：250.0 kg·hm-2)，2019年2月4日追肥，5月9日收获；2019年11月7日耕地、施基肥，11月8日播种(播种量：250.0 kg·hm-2)，2020年1月23日追肥，4月30日收获。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1样品采集2018—2020年，分别于大麦的苗期(seedling stage，SS)、分蘖期(tillering stage，TS)、拔节期(jointing stage，JS)、齐穗期(heading stage，HS)和成熟期(maturity stage，MS)采集植株叶片样品[8]。

1.3.2叶片理化特性测定叶片的理化特性指标包括：丙二醛(malondialdehyde，MDA)和脯氨酸(proline，Pro)含量，过氧化物酶(peroxidase，POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和过氧化氢酶(catalase，CAT)活性，均采用李合生[16]方法进行测定。

1.3.3植株光合特性测定分别于大麦上述主要生育期进行植株叶片光合特性的测定，测定指标包括SPAD值、气孔导度(stomatal condnctance,Gs)、蒸腾速率(transpiration rate,Tr)和净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)；测定时期和测定方法同徐一兰等[8]方法。

1.3.4大麦产量测定于大麦成熟期，对各处理的植株进行分区收获，测定各小区大麦的实际产量，计算平均值。

1.4 数据处理

分别采用Excel 2003和DPS 3.11统计软件进行试验数据的整理分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 植株叶片丙二醛含量

大麦整个生育期，RF、CK2和CK1处理植株叶片的丙二醛(MDA)含量均随着生育期的推进呈增加的趋势(图1)。在不同施肥处理间，均以RF处理的MDA含量最低，显著低于CK1处理。大麦5个主要生育期，2个不同年份均以CK1处理叶片的MDA含量最高，显著高于RF处理，与CK2无显著差异。各处理叶片MDA含量均表现为CK1>CK2>RF。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.2 植株叶片脯氨酸含量

由图2可知，大麦整个生育期，各施肥处理的植株叶片脯氨酸(Pro)含量均随着生育期的推进不断增加，于齐穗期达到峰值，然后下降。在不同施肥处理间，Pro含量均以RF处理最低，除苗期外，显著低于CK1处理。各处理植株叶片Pro含量表现为CK1>CK2>RF。苗期，各施肥处理间Pro含量均无显著差异。分蘖期和拔节期，CK2处理植株叶片Pro含量均与CK1无显著差异，但显著高于RF处理。齐穗期和成熟期，CK2处理植株叶片的Pro含量均介于CK1和RF处理之间，但均差异不显著。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.3 水稻植株叶片保护性酶活性

2.3.1叶片SOD活性由图3可知，大麦整个生育期，各施肥处理植株叶片的SOD活性呈抛物线的变化趋势，均于齐穗期达到峰值，2个不同年份RF和CK2处理植株叶片SOD活性分别较CK1处理增加11.94%、11.59%(2018—2019)和6.79%、6.52%(2019—2020)。大麦各个主要生育期，RF处理植株叶片SOD活性均显著高于CK2和CK1处理，CK2处理植株叶片SOD活性均显著高于CK1处理；各处理植株叶片SOD活性均表现为RF>CK2>CK1。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.3.2叶片POD活性由图4可知，大麦整个生育期，各施肥处理植株叶片POD活性呈抛物线的变化趋势，均于齐穗期达到峰值。2个不同年份RF和CK2处理植株叶片POD活性分别比CK1处理增加21.23%、20.95%(2018—2019)和6.98%、6.89%(2019—2020)。大麦各个主要生育期，RF处理植株叶片POD活性均显著高于CK2和CK1处理；CK2处理植株叶片POD活性均显著高于CK1处理；各处理植株叶片POD活性均表现为RF>CK2>CK1。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.3.3叶片CAT活性大麦整个生育期，各施肥处理植株叶片CAT活性均随着生育期的推进不断增加，于分蘖期达到峰值，然后下降。2个不同年份RF和CK2处理植株叶片CAT活性分别比CK1处理增加25.32%、22.41%(2018—2019)和10.17%、9.39%(2019—2020)。大麦全生育期，RF处理植株叶片CAT活性均显著高于CK1和CK2处理；CK1和CK2处理植株叶片CAT活性在苗期无显著差异；分蘖期至成熟期，CK2处理植株叶片CAT活性均显著高于CK1处理，均表现为RF>CK2>CK1(图5)。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.4 植株叶片光合特性

2.4.1叶片SPAD大麦全生育期，各施肥处理植株叶片SPAD值呈抛物线的变化趋势，均于齐穗期达到峰值(图6)。大麦各个主要生育期，SPAD值均表现为：RF>CK2>CK1。其中，以RF处理植叶片SPAD值最高，均显著高于CK1处理。苗期至齐穗期，RF处理植株叶片SPAD值虽高于CK2处理，但均差异不显著；CK2处理植株叶片SPAD值虽高于CK1处理，但均无显著差异。成熟期，各处理间植株叶片SPAD值均达显著差异。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.4.2叶片净光合速率大麦整个生育期，各施肥处理植株叶片净光合速率(Pn)均随着生育期的推进不断增加，于齐穗期达到最高值，然后下降(图7)。2个不同年份，RF和CK2处理植株叶片Pn分别比CK1处理增加23.61%、23.20%和9.67%、9.42%。苗期，不同施肥处理间植株叶片Pn差异不显著；分蘖期和拔节期，CK1处理植株叶片Pn均显著低于CK2和RF处理(P<0.05)，RF和CK2处理间差异不显著；齐穗期和成熟期，RF处理植株叶片Pn均显著高于CK2和CK1处理，CK2处理叶片Pn与CK1处理差异不显著。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.4.3叶片气孔导度大麦整个生育期，各施肥处理植株叶片气孔导度(Cs)整体表现为抛物线的变化趋势，均于齐穗期达到最高值(图8)。大麦各主要生育时期，RF处理植株叶片Cs均显著高于CK2和CK1处理，CK2处理植株叶片Cs均显著高于CK1处理；各处理植株叶片Cs均表现为：RF>CK2>CK1。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.4.4叶片蒸腾速率大麦全生育期，不同施肥处理植株叶片蒸腾速率(Tr)均随着生育期的推进不断增加，于齐穗期达到峰值，然后下降。苗期，各施肥处理植株叶片蒸腾速率(Tr)均无显著性差异(P>0.05)；分蘖期至成熟期，RF和CK2处理植株叶片Tr均显著高于CK1处理；但RF和CK2处理间无显著性差异(P>0.05)(图9)。

注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.5 大麦产量

2个不同年份，各个施肥处理间均以RF处理大麦产量为最高，均显著高于CK2和CK1处理；其次是CK2处理，CK2处理大麦产量均显著高于CK1处理；各施肥处理大麦产量表现为：RF>CK2>CK1。RF和CK2处理在2018—2019和2019—2020年分别较CK1处理增产64.34%、64.19%和39.56%、39.91%；RF处理较CK2处理增产17.36 %和17.76 %(图10)。

注：图中不同小写字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

3 讨论

丙二醛和脯氨酸含量是反映植物受外界环境渗透胁迫程度的关键指标[17-18]。当外界环境变化对植物造成胁迫时，植物的保护性酶系统能清除体内的活性氧，以减轻胁迫对植物的伤害[19]。大麦植株干物质的积累、分配与品种、种植制度、施肥模式、灌溉方式、当地的温度和光照条件等因素密切相关[20]。施肥方式是影响植株生理生化特性的关键因素之一，从而影响植株光合产物的高低。本研究结果表明，采取秸秆还田+化肥和单施化肥(RF和CK2)较无肥(CK1)均能降低大麦植株叶片中丙二醛和脯氨酸含量，提高叶片的保护酶活性和光合特性，与徐一兰等[8]研究结果一致，其原因可能是由于施肥降低了土壤容重、改善了土壤中团聚体的含量和分布、增加了土壤有机质和养分[21]，为大麦植株的生理活动提供了良好的土壤生态环境和充足的营养物质，增强了植株对外界环境变化的应对能力，提高植株保护酶活性，从而缓解了外界环境对植株的渗透胁迫，有利于增强植株对养分的吸收利用。同时，施肥处理有利于大麦个体植株的生长发育，改善和提高田间群体的质量[22-23]，增强大麦个体与群体植株的光合物质生产能力，扩大植株的“源”和 “库”，为植株干物质积累和高产奠定物质基础。

本研究中，不同施肥处理间大麦植株叶片的保护性酶活性和光合特性表现不同，这可能是长期不同施肥处理对土壤理化特性、土壤肥力等方面交互作用的结果。在各个施肥处理间，以采取秸秆还田配施化肥的施肥方式对提高大麦植株叶片保护性酶活性和光合特性效果最佳，其原因可能是一方面长期采取秸秆还田配施化肥措施下，土壤理化特性得到改善，为植株生长发育提供了良好的土壤环境条件和营养物质保障，减少了土壤中与养分循环相关微生物间的竞争，增加了土壤微生物的多样性[6]，有利于维持和提高稻田土壤肥力[7, 21]；另一方面，秸秆还田配施化肥措施下，所施用的化肥能及时满足大麦生长发育前期对营养物质的需求，且能减缓秸秆分解过程中与作物争氮的矛盾，从而在大麦全生育期均能及时为植株提供充足的养分，有利于植株生长发育，改善群体结构、增加植株的光合面积[8]，从而增强植株保护酶活性和干物质积累。而单独施用化肥在一定程度上也提高了大麦叶片的保护性酶活性和光合特性，其原因可能是，与无肥处理相比，施用化肥能为植株正常生理活动提供所需的速效养分，有利于促进植株保护酶和光合生理特性；长期施用条件下能持续保证植株的生长发育和生物学产量；且大麦收获后,植株的部分根茬还田，降低了土壤容重、改善了土壤中团聚体的含量和分布，为大麦生长发育提供较好的土壤环境条件和物质基础，因此，在一定程度上增强了植株保护酶系统的活性及光合特性。

施肥措施是影响稻田土壤肥力变化和大麦产量较为重要的关键因素之一，其中以有机肥配施化肥措施的改土培肥、增产效果最为明显[24-25]。在本试验条件下，与无肥处理相比，采取秸秆还田+化肥、单独施用化肥措施(RF和CK2)均明显提高了大麦产量，其原因可能是在施肥条件下有利于改善土壤物理结构、维持或培肥土壤[21]，为植株生理和光合特性活动提供充足的物质养分来源，扩大植株的“源”和“库”，并能协调它们之间的关系，促进物质向植株的“库”进行转运和积累[8-9]，从而有利于大麦获得较高的产量，这与徐一兰等[8]研究结果相似。不同施肥处理间，大麦产量大小顺序表现为秸秆还田>化肥>无肥，其大小顺序与大麦植株叶片保护性酶活性和光合特性的顺序相一致。秸秆还田措施下能获得最高的大麦产量，这是因为采取秸秆还田施肥条件下培肥土壤的效果最佳[21]，有利于为植株生长发育提供良好的土壤环境条件和物质来源，增强了植株对营养物质的吸收利用、植株生理和光合特性，进而扩大了植株光合物质来源,且干物质在植株各部位的积累和分配更合理，为大麦高产奠定了物质基础，从而提高了大麦产量[8-9]。单独施用化肥也有一定的增产效果，其原因为长期施用化肥条件下，大麦的根系和部分秸秆还田也有利于改善土壤理化特性，为植株生长提供较好的生长环境和养分；且所施用的化肥能为大麦植株提供相应的营养物质、保证植株相应的生长和生理活性，有利于光合产物的生产和干物质的积累，为产量奠定了物质基础，与徐一兰等[8]的研究结果相一致。

本文仅在大麦-双季稻多熟种植模式条件下开展了秸秆还田配施化肥措施对大麦植株叶片保护酶活性、光合特性和产量影响的初步研究，秸秆还田配施化肥措施对大麦植株养分吸收分配规律等方面的影响还有待进一步研究。