秸秆还田下不同水肥对玉米气孔形态特征及其分布格局的影响

闫润杰，李 菲，张茜茜，张运鑫，4，武海霞，郝立华，常志杰，郑云普，5

（1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸056038；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；3.河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，石家庄050071；4.河北省水生态文明及社会治理研究中心，河北邯郸056038；5.河北省智慧水利重点实验室，河北邯郸056038）

0 引 言

农田土壤含水量和肥力是决定作物产量的关键因素，作物的生长发育过程和产量不仅由其内部遗传因素所决定，而且还会受外部环境因素的影响[1-3]。以往的研究发现，秸秆还田不仅可以显著提高土壤肥力，还可以促进微生物活动和减少化肥使用量[4,5]。另有研究发现，秸秆还田有助于提高作物的产量和品质，其原理在于秸秆还田会增加土壤有机碳和氮含量，并为作物提供生长发育所必需的氮、磷、钾等营养元素[6-8]。然而，秸秆还田改善农田的效果并非都如人所愿，其原因在于其效果会受多种因素的制约，如还田方式、外界环境和土壤类型等[9-11]。通过确定玉米的最佳水肥量，可以进一步改善农作物的生长发育条件和增加作物的产量，尤其是黄淮海平原地区的玉米产量，同时也将优化秸秆还田的效果。

以往研究已经证实，植物叶片的气孔对陆地生态系统中碳、水循环的调控过程有着十分重要的作用，其原因在于气孔可以有效调控大气二氧化碳和水蒸气的交换过程[12]。植物不仅可以通过调节气孔形态特征和气孔空间分布格局以达到适应外部环境变化的目的[13]，还可以通过改变气孔形态特征和气孔空间分布格局来优化其气体交换效率[14]。有研究发现，植物叶片的气体交换效率主要取决于气孔的密度、大小、形状和空间分布格局[14]。因此，气孔对植物的光合反应过程扮演着关键性角色，并最终影响农作物的产量[12]。目前，有关气孔形态特征及其空间分布格局对水分亏缺响应的潜在机理仍不清楚，尤其是基于秸秆还田的野外大田试验研究还少见报道[15]。然而，受当前气候变暖的影响，全球农业水资源短缺的发生程度和频率都呈现明显的加剧趋势，尤其是中国黄淮海平原地区的降水量呈逐年减少的趋势[16,17]，这也在很大程度上加剧了该地区的农业水资源短缺现象[18,19]。因此，农田水分短缺已成为制约区域甚至全球粮食增产提质的重要环境因素[20]。

当前的多数研究主要集中在不同水肥对叶片光合性能和农作物产量的影响等方面[16,20]，而有关不同水肥对作物气孔形态特征及其空间分布格局的研究较少，尤其是针对秸秆还田下不同水肥对玉米气孔形态特征及其空间分布格局的相关研究还鲜见报道[19,20]。另外，尽管刘娜等[15]研究了秸秆还田下冬小麦叶片气孔对不同水肥的响应，但玉米作为一种重要的C4作物，不同灌水量和施肥量对玉米气孔特征的影响可能同冬小麦（C3作物）之间存在着明显的差异，故本研究结果还有助于比较C3与C4作物对水肥耦合协同效应的不同响应机制。因此，本研究探讨了秸秆还田条件下不同水肥量对玉米气孔特征的影响机理，并进一步确定黄淮海平原区玉米生长所需的最佳灌水量和施肥量，为秸秆还田下玉米水肥高效利用及粮食增产提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验区位于河北省邢台市宁晋县原种农场，其经度为北纬37°24'50″～37°48'36″，东经114°45'52″～115°14'58″。年均降水量约为500 mm，年均气温约为13 ℃（见图1）。本研究区的土壤质地以壤土和黏土为主，0～60 cm 深度的土壤容重为1.54 g/cm3，田间容量下土壤含水量（FC：占干土质量）为27%，土壤pH值为7.42[15]。

1.2 试验设计

本研究在秸秆还田条件下设置灌水和氮肥（控释尿素）两个因素，秸秆还田方式采用秸秆粉碎反压还田，即在机械化收获冬小麦的同时将小麦秸秆粉碎为3～5 cm 小段，然后旋耕使其与表层土壤均匀混合，秸秆还田量为9 000 kg/hm2。灌水采用微喷灌方式，灌水量分别设置为450 m3/hm2、600 m3/hm2、750 m3/hm2；其中，750 m3/hm2为充分灌溉条件下的灌水量，600 m3/hm2为轻度水分胁迫下的灌水量，450 m3/hm2为重度水分胁迫下的灌水量。为了防止水分在不同处理之间的运移，各处理间均预留0.5 m 宽的缓冲带，且在不同水分处理小区之间埋入30 cm深的塑料隔板。氮肥施用量分别设置为450、600 和750 kg/hm2。本研究共设有9 个单块小区，在充分灌溉、轻度水分胁迫和重度水分胁迫条件下分别对应不同的氮肥施用量，每块小区的面积均为147 m2（长21 m×宽7 m）。在2018年6月13日播种并施肥，以后不施肥。6月27日（苗期）灌水1次，以后不再灌水。分别在7月21日和8月29日进行拔节期和灌浆期取样。

1.3 测定方法

（1）气孔印迹法。首先，随机从玉米植株中选取1 片完全展开的新叶，利用无色透明指甲油涂抹于近轴面和远轴面的中部，待指甲油晾干后用镊子采集气孔印迹（面积为5 mm×15 mm），将样品放至载玻片上，使用盖玻片将气孔印迹密封待测[20]。随后，将载玻片放在具有拍照功能的显微镜下观察气孔形态和拍照[21]。最后，利用AutoCAD 软件分别测量气孔长度、气孔宽度、气孔周长、气孔面积以及气孔形状指数[15]。

（2）气孔的空间分布格局分析。本研究在分析气孔空间分布格局时，假设每个气孔均为叶片上分布的单个点，再利用ArcGIS 10.1 软件将所选的照片进行数字化处理，即可得到每个气孔的坐标值。利用空间统计方法对上述表示气孔分布的点进行解析，具体方法请参照相关文献[15，21]。

1.4 统计分析

利用单因素方差分析的统计方法研究不同水肥对气孔参数的影响，不同处理间的显著性差异采用Duncan’s Multiple Range Test（P<0.05）。利用SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 灌水量和施肥量对秸秆还田下玉米气孔特征的影响

在玉米的拔节期，各处理之间近轴面的气孔密度均无显著差异（P＞0.05），但W600F450远轴面的气孔密度最大（P<0.05；见表1）。然而，当玉米处于灌浆期时，W450F450近轴面的气孔密度最大，而W450F750远轴面的气孔密度最大（P<0.05；见表2）。因此，玉米的气孔密度在不同发育时期（拔节期和灌浆期）对水肥响应的过程存在明显差异。此外，玉米远轴面的气孔密度均明显高于近轴面的气孔密度，表明玉米叶片的不同轴面（近轴面和远轴面）对灌水量和施肥量的响应也并不一致（见表1和表2）。

本研究结果显示，玉米拔节期W750F600处理条件下，近轴面的气孔宽度最大，但各处理间的气孔长度和气孔周长并无显著性差异（P＞0.05）；然而，玉米拔节期W450F750处理下，远轴面的气孔宽度和气孔周长最大，且W600F750的气孔长度最大（P<0.05；见表1）。另外，在玉米灌浆期W750F600的近轴面气孔长度、气孔宽度和气孔周长均为最大，而在灌浆期远轴面气孔宽度均无显著差异（P＞0.05），但W600F450的远轴面气孔长度和气孔周长均为最大值（P<0.05；见表2）。此外，在玉米拔节期，W750F600近轴面的气孔面积最大，而气孔形状指数却均无显著性差异（P＞0.05）；然而，W450F750远轴面的气孔面积最大，但各处理之间的气孔形状指数均无显著性差异（P＞0.05；见表1）。当玉米处于灌浆期时，W450F450近轴面的气孔面积和气孔形状指数均最大，而W600F450远轴面的气孔面积最大（见表2）。

表1 秸秆还田下灌水量和施肥量对玉米拔节期气孔特征参数的影响Tab.1 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal traits of maize at jointing stage under straw returning

表2 秸秆还田下灌水量和施肥量对玉米灌浆期气孔特征参数的影响Tab.2 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal traits of maize at filling stage under straw returning

通过整合气孔特征参数的综合分析结果显示：①在玉米拔节期，灌水量为750 m3/hm2和施肥量为600 kg/hm2时近轴面的气孔特征参数为最佳（即气孔宽度和气孔面积均为最大值），而在玉米拔节期时，灌水量为450 m3/hm2和施肥量为750 kg/hm2时远轴面的气孔特征参数最佳（即气孔宽度、气孔周长和气孔面积均为最大值）。②在玉米灌浆期，灌水量为450 m3/hm2和施肥量为450 kg/hm2时近轴面的气孔特征参数最佳（即气孔密度、气孔面积和气孔形状指数均为最大值），而在玉米灌浆期时，灌水量为600 m3/hm2和施肥量为450 kg/hm2时远轴面的气孔特征参数最佳（即气孔长度、气孔周长和气孔面积均为最大值）。

2.2 秸秆还田下灌水量和施肥量对气孔空间分布格局的影响

本研究结果显示，玉米近轴面和远轴面均在小尺度范围内为规则分布(＜150 μm)，而在大尺度范围内（＞200 μm）呈随机分布特征（见图2和图3）。在玉米拔节期，W750F750近轴面和远轴面的气孔在小尺度范围内分布均为最规则，且最小邻域距离Lhat(d)值约为-5（在相同空间尺度下，最小邻域距离越小，气孔分布越规则），W750F750近轴面和远轴面的气孔分布均在135 μm 由规则分布转变为随机分布（见图2）。在灌浆期小尺度范围内W750F600近轴面和远轴面气孔分布均为最规则且Lhat(d)值约为-5，W750F600近轴面气孔分布在135 μm 由规则分布转变为随机分布，而W750F600远轴面气孔分布在120 μm 尺度上由规则分布转变为随机分布（见图3）。同时，在灌浆期远轴面，W750F600气孔分布的分布格局在160 μm 尺度上又从随机分布转变为规则分布，直到180 μm 再由规则分布转变为随机分布。另外，当玉米处于拔节期时，W750F450和W750F750近轴面Lhat(d)最小值相似，而W600F750和W750F750远轴面Lhat(d)最小值相似。当玉米处于灌浆期时，W450F750近轴面Lhat(d)最小值同W750F600相似，而W450F450远轴面Lhat(d)最小值同W750F600相似。在玉米拔节期，W600F750近轴面Lhat(d)的最小值最大，而W600F600远轴面Lhat(d)的最小值最大。在玉米灌浆期，W450F450近轴面Lhat(d)最小值为最大，而W450F750远轴面Lhat(d)最小值最大。此外，玉米拔节期W750F750和灌浆期W750F600近、远轴面Lhat(d)最小值均约为-5，表明在灌水量为750 m3/hm2处理条件下，施肥量为600 kg/hm2和750 kg/hm2的气孔分布规则程度相似（见图2和图3）。

图2 秸秆还田下灌水量和施肥量对玉米拔节期气孔空间分布格局的影响Fig.2 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal distribution patten of maize at jointing stage under straw returning

图3 秸秆还田下灌水量和施肥量对玉米灌浆期气孔空间分布格局的影响Fig.3 Effects of irrigation and fertilization on the stomatal distribution pattern of maize at filling stage under straw returning

3 讨 论

气孔是植物同外界环境进行水分和气体交换的重要门户，植物对气孔数量、气孔大小以及空间分布格局的调节是其适应环境变化、抵御外界胁迫的一项重要机制[22]。气孔开度和气孔密度不仅直接决定了叶片潜在的最大气孔导度[23]，而且也是决定叶片气体交换有效面积的关键生理生态参数[24,25]。本研究结果显示，在灌浆期玉米叶片远轴面会通过增加气孔个数来缓解因水肥亏缺带来的负效应，从而优化叶片的气体交换过程。另外，叶片远轴面的气孔密度明显高于近轴面，可能是为了降低植物的蒸腾速率，也可能是植物为了应对水分亏缺，减少水分损失的一种适应机制[26]。然而，季星桐[27]在研究灌水与秸秆还田对土壤理化性状和小麦生长的影响中却发现小麦的近轴面气孔密度高于远轴面。笔者认为，不同作物的气孔密度分布在近轴面和远轴面之间存在的区别主要是由其本身的遗传特性而决定。另外，气孔还可以通过控制CO2和水汽进出叶片控制着植物的光合作用和蒸腾作用。众所周知，植物的光合作用是陆地生态系统初级生产力形成与演化的物质基础[8]，而蒸腾作用是水分在SPAC （Soil-Plant-Atmosphere-Continuum）体系运移的内在驱动力，两者直接决定着生态系统过程的水热平衡状态[9]。以往研究结果表明，气孔对水分条件变化反应敏感，植物可以通过调节气孔的开合控制进出叶片气体与水分的量，气孔面积增大能增强控制气体与水分的进出能力，气孔长度变小可以减少水分的散失[12,14]。本研究显示，玉米在水肥亏缺处理下，叶片会通过扩大气孔面积来优化叶片的气体交换过程，从而提高玉米的净光合作用速率。此外，玉米拔节期的气孔宽度、气孔面积和气孔形状指数均明显大于灌浆期，表明拔节期与灌浆期对水肥的响应机制并不完全一致。综上所述，玉米叶片不同轴面的气孔形态特征在不同生育期对水肥的响应存在明显差异，推测玉米不同轴面气孔形态特征对灌水量和施肥量的非对称性响应可能受到遗传性信号和环境因子的共同调控。

虽然植物叶片的气体交换过程在很大程度上取决于气孔形态特征[12,19]，但也并非完全受控于气孔因素[28]，气孔的空间分布格局也与叶片的气体交换有着密切的关联[29]。以往的相关研究发现，高温使蓝莓叶片的气孔空间分布变得更加规则，从而显著提高了蓝莓叶片的净光合反应速率[30]。本研究结果表明，不同灌水量、不同施肥量和不同发育时期条件下，玉米气孔在小尺度范围内呈规则分布，而在较大尺度范围为随机分布。不论是拔节期还是灌浆期，充分灌溉条件下玉米叶片的气孔分布更规则。当玉米叶片的气孔分布更加规则时，可能会显著增加气孔导度，从而使更多的CO2分子扩散到光合反应位点，参与玉米叶片的光合同化过程，最终提高玉米叶片的净光合速率，因为规则的气孔分布格局条件下，CO2分子从大气环境由气孔扩散到光合反应位点参与光合作用的路径最短，从而提高光合反应效率。研究表明，气孔空间分布格局的规则程度与叶片气孔导度之间存在较高的相关性[31]，植物可以通过调整气孔分布状况来调控叶片的气孔导度，以适应外界环境的变化。武海霞等[31]研究发现，冬小麦可以通过调整气孔开度和气孔空间分布格局来提高叶片的气孔导度，进一步提升叶片的气体交换效率，从而显著增加水分亏缺条件下冬小麦的叶片净光合反应速率。本研究结果显示，玉米拔节期W750F750处理下玉米气孔近轴面和远轴面的分布格局均最规则，而在灌浆期则是W750F600处理下两个轴面的气孔分布均最规则，且两者的Lhat(d)最小值均约为-5。然而，从气孔形态特征的角度考虑，W750F600处理下的气孔形态参数较优于W750F750处理。因此，综合考虑气孔形态特征及其空间分布格局的情况下，秸秆还田后灌水量750 m3/hm2和施肥量600 kg/hm2处理下玉米气孔的参数最优，故最有利于叶片进行气体交换过程。然而，需要注意的是，以往的相关研究结果表明，苗期适当亏水将有利于农作物提高粮食产量，这主要是由于苗期的轻度干旱可以刺激农作物产生脱落酸等次生代谢物质[32]，从而提高作物抗干旱的能力[33]，故在农作物发育后期进行充分复水可以增加粮食产量[32,33]。本研究结果显示，充分灌溉处理下玉米的气孔分布格局明显优于轻度亏水处理。笔者认为，该结果与以往研究结论不太一致的原因主要是由于本研究的水分处理是在整个玉米生育期内始终保持亏水的状态，并不同于以往研究会在作物发育后期进行复水处理而造成的。相似地，王泽义等[34]的研究结果也表明，持续轻度亏水处理对板蓝根叶片光合能力和产量的影响同充分灌溉相比并不存在显著性差异。因此，本研究同以往的相关研究在亏水方式上存在明显的差异，故本文结果同以往研究结果并不矛盾。另外，本研究还发现施肥量为600 kg/hm2为黄淮海平原玉米生长发育的最适施肥量，表明适当节肥也可能有利于提高玉米的产量；笔者认为可能是由于秸秆还田为农田提供了丰富的营养元素，从而在一定程度上提高了农田土壤肥力。因此，在黄淮海平原玉米产区进行秸秆还田还可能有利于该区域进一步实现“节肥增产”的目标。

作物秸秆是一种可回收利用的再生性能源，在补充土壤养分、促进微生物活动、减少化肥使用量、改善农业生态环境等方面具有重要的意义[35,36]。以往的相关研究表明，作物产量在很大程度上依赖于施用于土壤的高水平氮肥[37]，土壤缺氮会导致植株矮小，叶色发黄，进而抑制植株发育，最终降低作物产量[38]。此外，外界环境对植物叶片的气孔形态特征以及空间分布格局有着至关重要的影响，如温度、大气CO2浓度、光辐射强度、空气湿度、土壤水分和肥力等[39-41]。本研究通过秸秆还田下不同的灌水处理和施肥处理，探究黄淮海平原地区农田生态系统玉米不同生育时期叶片气孔结构对水肥处理的响应。然而，由于时间精力、试验条件、技术手段等多方面因素的限制，目前对于决定叶片气孔分布的内在机理并不清楚，尤其是在分子水平上有些专门的基因控制着气孔的分布格局[14]。

4 结 论

基于大田水肥试验探讨了秸秆还田下不同灌水量和施肥量对玉米气孔形态特征及其空间分布格局的影响机理，得到以下结论：秸秆还田下，玉米拔节期的气孔宽度、气孔面积和气孔形状指数均明显大于灌浆期；充分灌溉条件下玉米叶片的气孔分布格局最规则，可能更加有利于提高玉米叶片的光合速率；秸秆还田条件下，玉米的最佳灌水量为750 m3/hm2，而最佳施肥量为600 kg/hm2。