氮磷钾肥配施对春玉米迪卡517光合特性的影响

杨乔乔，康建宏，王佳

(宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

玉米是世界三大粮食作物之一，具有广泛的用途，既可作动物饲料，又可作工业原料和生物质能源。玉米在宁夏农业生产上具有重要地位，占灌区作物种植面积的70%，并持续增长[1-2]。宁夏位于黄河上游，地处西北内陆，降水量少，蒸发量大，处于中国的农牧交错带上[3]。在宁夏干旱少雨的自然条件下，水分是制约玉米产量的主要因素[4]，而滴灌水肥一体化技术具有提高水肥利用效率、节省劳动力、改善土壤、提高作物品质和产量、保护环境、减轻病虫害发生和抵御旱灾的能力[5]。因此，大力发展滴灌水肥一体化玉米是当地玉米生产的首选[6]。国内许多研究表明，化肥对农作物增产增效是不争的事实，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、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[7-8]。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，以保障粮食安全和提高农民收益。化肥的合理施用可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[9]。牛金宇[10]的研究表明，在氮、磷、钾施用水平较低时，产量随着肥料施用量的增加而增加，超过最佳施肥量后，产量有所降低。王帅等[11]研究表明，适宜的氮、磷、钾用量可明显提高春玉米穗位叶，能保持较长的高光合持续期，有效地提高玉米的光合作用，增加产量。因此，需要通过科学合理地调整施肥，达到提高玉米产量和土地可持续生产能力的目的，进而实现经济效益和环境效益协调发展。叶片的光合作用是作物生长发育、产量形成的基础，光合作用受多种环境因子的影响，水肥是影响光合作用的重要因子。目前，针对水肥一体化条件下对春玉米光合特性及增产效应都有了大量的研究，尤其在不同水肥条件下对玉米光合特性有较多研究[12-13]。但是大多研究着重于对单一营养元素和平衡供应的不同营养水平下的研究，以氮、磷及钾为三因素研究春玉米光合特性、荧光参数及产量的变化较少。本研究以迪卡517为试验材料，研究氮磷钾配施下春玉米的光合参数、SPAD、荧光参数及产量构成因素，旨在为宁夏高产高效栽培技术提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试玉米品种为迪卡517，由中种国际种子有限公司生产。试验地位于宁夏农林科学院作物研究所望洪基地，在宁夏回族自治区银川市永宁县望洪镇农声村，地处东经106°12′45.43″，北纬38°12′13.45″，全年≥10 ℃积温3 210 ℃，无霜期短，年均166 d，正常年份150～170 d，为玉米西北春播区。前茬为麦后复种白菜，秋季深翻整地，春季测定0～20 cm耕层土壤含有机质17.08 g·kg-1、全氮1.05 g·kg-1、碱解氮72.72 mg·kg-1、有效磷34.85 mg·kg-1、速效磷175.44 mg·kg-1。

1.2 处理设计

本试验以氮、磷、钾为试验因子，三因素三水平，采用随机区组试验设计，共设9个处理，分别为T1～T9，每处理重复3次，共27个小区，每小区长10 m，宽3.3 m，小区面积33 m2；每区组间设置1 m宽的走道，四周设保护区。玉米种植规格为宽窄行种植，宽行70 cm，窄行40 cm，平均行距55 cm，玉米株距18 cm。根据试验设计，试验各因子3水平分别为常规用量的100%、70%、130%，N、P2O5、K2O的667 m2用量为27.8、9.5、2.9 kg。各处理氮磷钾配施量分别为T1(N 100%、P 100%、K 100%)、T2(N 70%、P 70%、K 70%)、T3(N 130%、P 130%、K 130%)、T4(N 100%、P 70%、K 130%)、T5(N 70%、P 130%、K 100%)、T6(N 130%、P 100%、K 70%)、T7(N 100%、P 130%、K 70%)、T8(N 70%、P 100%、K 130%)、T9(N 130%、P 70%、K 100%)。养分全部追施，按当地习惯时间随滴灌(667 m2常规灌水量220 m3)施入。

1.3 试验测定项目与方法

1.3.1 玉米叶片光合参数

于玉米拔节期、大喇叭口期及灌浆期，在定株玉米中选定3株有代表性的玉米功能叶片，在晴天上午9：00进行田间测定，用美国汉莎公司生产的TPS-2型便携式光合测定系统在田间直接测定玉米功能叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)，每个处理测5片，每片叶记录2次稳定数据。

1.3.2 叶片SPAD与荧光参数

于玉米拔节期、大喇叭口期及灌浆期，使用SPAD-502plus和FMS-2荧光测定仪，在定株玉米中选定5株具有代表性的玉米功能叶片，9:00进行田间测定。

1.3.3 产量

于春玉米成熟期，取每试验小区中间2行测定玉米穗数、鲜穗质量及含水量，于田间测定出籽率；取20穗玉米风干后在室内考种，测定穗粗、穗长、穗粒数等产量形成指标，得出平均每穗穗粒数与平均千粒质量，测定含水量后折合14%含水量计算单位面积产量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010软件进行数据整理和作图；使用SPSS 23.0软件对数据进行统计分析，在α=0.05水平下进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 氮磷钾配施对玉米功能叶片SPAD的影响

随生育期的推进，玉米的功能叶片SPAD值总体呈上升趋势，如图1所示，至灌浆期呈下降趋势，在大喇叭口期叶绿素相对含量达到峰值。在全生育期T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和T9的平均SPAD分别为53.18、48.92、51.85、57.60、49.55、51.87、55.14、54.83、53.93。在拔节期，T4的SPAD值在各处理中最大，且与处理T2、T3、T5及T6间存在显著性差异。在大喇叭口期，各处理间无显著性差异。在灌浆期，各处理的SPAD表现为T4>T7>T3>T8>T9>T1>T6>T2>T5。叶绿素相对含量与叶片氮素密切相关，SPAD值高可以提高氮肥利用效率，说明T4不仅能提高叶绿素相对含量，还可以促进植株在整个生育期保持较高且平稳的氮素利用效率。

同生育期柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。图2～3同。

2.2 氮磷钾配施对玉米功能叶片光合特性的影响

由图2可知，玉米功能叶片的净光合速率呈递增变化，9种配比处理均在灌浆期达到峰值。在玉米的各个生育时期，各处理的叶片净光合速率存在显著差异。其中，T4的叶片净光合速率最大，与其他处理相比，T4的叶片净光合速率平均提高了15.1%、16.8%、47.2%、65.1%、35.7%、35.6%、42.8%、7.3%。玉米功能叶片的蒸腾速率呈单峰曲线变化，蒸腾速率在大喇叭口期达到最大值。在玉米各生育期，T4的叶片蒸腾速率都明显高于其他处理; 在玉米灌浆期，各处理的蒸腾速率明显降低。与T4相比，其他处理的玉米叶片蒸腾速率平均降低 23.2%、25.4%、52.8%、67.9%、41.7%、39.2%、31.2%、17.3%。因此，T4可以提高玉米功能叶片净光合速率，降低蒸腾速率，更有利于玉米的生长和光合产物的积累，进一步提高玉米的产量。

气孔是植物叶片与外界进行气体交换、水分散失的主要通道，气孔导度的大小是衡量气体通过气孔的难易程度，气孔导度大则说明气体、水分子等容易通过气孔。在玉米各生育时期，各处理的气孔导度Gs存在显著差异。其中，以T4的气孔导度Gs最高，比其他处理升高45.7%、87.7%、 50.6%、67.2%、44.9%、22.1%、54.4%、32.2%(图2)。玉米功能叶片胞间 CO2浓度在92.80～189.76 μmol·mol-1波动，在灌浆期达到峰值。在各个生育期，T4均显著高于其他处理，分别高42.1%、50.7%、55.7%、55.3%、 47.9%、23.2%、44.4%、15.3%。气孔导度与净光合速率的变化一致，说明光合速率的降低是由气孔限制的。T4由于显著增加了叶片的气孔导度，有利于提高玉米的净光合速率，最终表现为产量的增加。

图2 氮磷钾配施对玉米功能叶片光合参数的影响

2.3 氮磷钾配施对玉米功能叶片荧光参数的影响

如图3所示，可变荧光(Fv)与最大荧光(Fm)2参数的比值反映了光系统Ⅱ中的最大光化学效率，光能的利用效率与两者的比值呈正相关。随玉米生育期的推进，PSⅡ 最大光化学效率呈现缓慢升高的趋势，从大喇叭口期开始至灌浆期各处理差异不显著，但T4处理在整个生育期明显高于其他处理，较其他处理分别提高0.9%、0.8%、2.1%、1.2%、2.2%、1.0%、0.4%和0.3%。

可变荧光Fv与固定荧光Fo的比值光系统Ⅱ潜在活性，如图3所示表明，玉米功能叶片PSⅡ的潜在活性呈现逐渐升高的趋势，且T4处理在各生育期内最高，说明T4具有更大的光合潜在活性。T5上升缓慢且在全生育时期维持较低水平，说明潜在光合活性较低。在灌浆期各处理的可变荧光Fv与固定荧光Fo的比值明显升高，以T4表现最高，表现为T4>T9>T3>T8>T7>T2>T6>T1>T5，且T4较其他处理明显提高9.4%、4.1%、3.0%、11.8%、6.9%、3.7%、3.3%和2.9%。图3可知，随着玉米生育期的推进，各处理在拔节期至大喇叭口期的PI值明显提升，以T4最高，T6最低。随之PI逐渐降低。说明T4能提升对光能的吸收转化，更高效的进行光合作用，在灌浆期的籽粒形成过程中积累更多的干物质。

图3 氮磷钾配施对玉米功能叶片荧光参数的影响

RC/ABS代表了光系统Ⅱ过程中，单位反应中心吸收的光能。如图3，RC/ABS反映了玉米生育过程中的光合能力，随生育期的进行，RC/ABS先升高后下降，在大喇叭口期达到最大值，平均以T4值最高，T6、T9明显低于T4，表现为T4>T2>T8>T1>T7>T3>T9>T5>T6。从大喇叭口期各处理的RC/ABS逐渐降低。在灌浆期，各个处理之间差异不显著。在灌浆期以T4的RC/ABS值最高，各处理间也无显著差异。说明在玉米全生育期，以T4的RC/ABS值最高，T4具有更高的持续吸收光能的能力，对籽粒形成具有关键作用。RC/ABS值的提高在全生育期以及生育后期，可以促进PSⅡ的电子转移速率，提高PSⅡ过程中单位反应中心吸收光能的能力，进而增产。

2.4 氮磷钾配施对玉米产量的影响

表1为氮磷钾配施对春玉米产量及构成因素差异性分析，可发现氮磷钾配施，穗粗除T5明显较低外，其他处理均无明显差异；穗长表现为：以T4最大，且各处理间均无显著性差异；秃尖率的长短代表了玉米穗部结实能力，秃尖越长，穗粒数会相对降低，在氮磷钾配施下，表现为T3>T2>T1>T8>T9>T6>T5>T7>T4，以T4最短，T2、T3较长，与T4处理相比，其他处理的秃尖率相对减小3.5%、4.1%、4.8%、1.9%、2.5%、2.0%、3.1%和3.0%，说明T4的果穗生长状况较好。各处理的穗重、穗粒重与百粒重均无显著性差异，且各指标均以T4较大。在氮磷钾配施下，各处理产量存在不同程度的差异，其中，T4产量明显高于其他处理，且各处理产量表现为T4>T7>T8>T5>T2>T6>T1>T3>T9。

表1 氮磷钾配施下玉米产量及其构成因素

2.5 产量与光合参数的相关性分析

春玉米的产量与净光合速率呈显著负相关性(表2)。净光合速率与胞间CO2浓度呈极显著的正相关性，与PI呈显著负相关性。蒸腾速率与PSⅡ潜在活性呈显性正相关，与其他指标之间无相关性，气孔导度与胞间CO2浓度、PI分别有显著的正相关和负相关。胞间CO2浓度与RC/ABS、PI有极显著的负相关性，PSⅡ潜在活性、RC/ABS和PI均呈极显著的正相关性。说明RC/ABS、Fv/Fo和PI的提高可以增加春玉米的物质积累和产量，从前面的分析可知，T4的RC/ABS、Fv/Fo和PI显著高于其他处理，对产量的提升作用更大。

表2 产量与光合荧光指标相关性分析

3 讨论

光合作用是植物物质代谢和能量转化的主要途径。光合作用通常用叶片Pn、Tr、Gs、Ci等参数来反映植物对光能的利用能力和转化效率。有研究表明，玉米光合速率影响因素的由大到小的顺序为：灌水定额、氮肥施用量、钾肥施用量、磷肥施用量[14]。刘明等[15]研究表明，适宜的灌水定额能够更好地发挥氮肥的优势效应，这可能是因为适量的增施氮肥增加了叶片单位面积叶片叶绿素的相对量(SPAD)，叶片的光能利用率较高。高施氮量对玉米光合作用的提升效果并不明显，没有发挥出氮肥的优势效应。张越等[12]研究结果表明，增施有机肥能显著提高玉米叶片的光合速率和气孔导度，说明有机肥能促进玉米叶片的光合活性。王晓娟等[16]研究也得出了同样的结果。李萍等[17]研究表明，合理的氮磷配施对于叶片的Pn、Tr、水分利用效率及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。陈芳等[18]研究结果表明，玉米生育期内叶片的Pn、Tr、Gs都呈低-高-低的变化趋势，在抽雄期出现峰值。Gs在抽雄期之前明显降低，但在后期显著高于对照。本试验研究结果与前人研究结果基本一致，不同处理比较，都呈低-高-低的变化，处理T4显著提高了春玉米的Pn、Gs、Ci，说明T4可以提高玉米功能叶片净光合速率，降低蒸腾速率，更有利于玉米的生长和光合产物的积累。气孔导度与净光合速率的变化一致，说明光合速率的降低是由气孔限制的。T4由于显著增加了叶片的气孔导度，有利于提高玉米的净光合速率，从而进一步提高春玉米的产量。

叶片作为植株生长发育过程中重要的光合作用器官，它荧光参数的变化能快速且直接的反映叶片内部对光能的吸收、传递与分配能力，叶绿素荧光技术能快速测定叶片荧光参数，在研究过程中不会对植株造成损伤[19]。李泽等[20]研究表明，叶绿素荧光技术被越来越多地应用到植物光合生理和逆境生理的研究。在研究逆境胁迫对果树、蔬菜和一些苗木的光合作用时，叶绿素荧光参数被作为主要的指标之一[21]。吴佳瑞等[22]研究结果表明，高温干旱等逆境胁迫都会使叶片的PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ潜在活性在一定程度上降低。本研究表明，在春玉米的生育期中，Fv/Fm、PI和RC/ABS都呈低-高-低的变化趋势，峰值都出现在大喇叭口期，Fv/Fo随春玉米的生育进程呈现逐渐上升的趋势。Fv/Fm、Fv/Fo、PI都反映玉米叶片的光合作用强弱，在春玉米的全生育期内，T4比其他处理显著提高马铃薯的Fv/Fm、Fv/Fo、PI和RC/ABS。

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。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[23]。李萍等[17]研究表明，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。邓小强等[24]研究表明，氮磷钾配施能有效改善农艺性状，优化产量构成因子，提高产量。本研究中，在不同氮磷钾肥配比下，与T4相比，其他处理的秃尖率相对减小，说明T4的果穗生长状况较好。各处理的穗重、穗粒重与百粒重均无显著性差异，且各指标均以T4较大。在不同氮磷钾配施下，T4产量也明显高于其他处理，说明合理的氮磷钾肥配施有提高产量的作用。

4 小结

在宁夏这样干旱少雨的自然条件下，水分是制约玉米产量的主要因素。再加上不合理施用化肥引起土壤养分耗竭、土壤肥力下降、施肥效益降低，导致环境质量恶化，影响农业生产持续稳定发展。因此，水肥一体化的采用，很大程度上缓解了这一问题。本试验以氮磷钾为试验因子，三因素三水平，采用随机区组试验设计，研究了氮、磷、钾配施对春玉米SPAD、光合荧光参数，以及产量的影响。试验结果表明，在春玉米的全生育期，T4的SPAD、净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ潜在活性、PI和RC/ABS都比其他处理显著增加，而且T4较其他处理提高了春玉米穗粗、穗粒重、穗长和百粒重等，达到了高产的目的。9种氮磷钾配施比较，T4较其他处理有利于增加宁夏春玉米光合作用和产量，因此，以667 m2分别施氮磷钾27.8、6.65、3.77 kg对宁夏春玉米生产具有重要意义。