滴灌水肥一体化下施氮量与频次对夏玉米光合特性、保护酶活性及产量的影响

刘 帅，徐学欣，赵金科，曲文凯，郝天佳，孟繁港，贾 靖，赵长星

(青岛农业大学 农学院，山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109)

玉米是我国第一大粮食作物，在保障国家粮食安全方面发挥了重要作用[1]。氮肥和水分是保障作物稳产、增产的重要条件[2]。我国作为目前世界上最大的氮肥生产国和消费国，氮肥利用率却很低[3-4]，在日常生产中，过度施用氮肥会导致大量的氮素在土壤中处于盈余状态，造成氮肥损失[5]，从而污染环境[6-8]。黄淮海地区是我国最大的玉米集中产区之一，但是该地区全年降雨存在时空分布不均的问题，想要实现高产，在夏玉米季仍需灌溉[9-10]。前人研究表明，玉米苗期一次性施肥增加了成本投入，降低了肥料利用率和产量；分次追施氮肥，能够降低成本，增加肥料利用率和产量，但是又与劳动力紧张的情况冲突[11-12]。滴灌施肥技术能够按照作物水肥需求，将肥料溶于灌溉水，精准、适量地直接输送到作物根区的土壤表面[13-14]。前人研究表明，分次追施氮肥、增施氮肥能够增加玉米生育期叶面积指数和SPAD值，减缓叶面积指数降低[15-17]，增加叶片光合速率，并能够延缓叶片衰老进程，延长光合时间，提高穗位叶抗衰老能力，为增加产量创造条件[18]。分次追施氮肥、增施氮肥能够提高玉米抗氧化能力，提高内源保护酶活性，降低MDA含量的积累，延缓衰老进程[17-19]。前人研究主要侧重于施氮量对夏玉米光合特性、保护酶活性及产量的影响，但是在滴灌条件下，施氮量和施氮时期组合对夏玉米光合特性、保护酶活性及产量的研究鲜少。

本试验基于滴灌条件下，设置2个氮肥梯度、3个不同追肥时期，探究不同施氮量和施氮时期组合对夏玉米光合特性、保护酶活性及产量的影响，以期为黄淮海夏玉米生产区滴灌施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2020—2021年在青岛农业大学胶州现代农业示范园(35.53° N，119.58° E)进行，该地属半湿润季风气候，土壤类型为砂姜黑土，播种前0～20 cm土壤理化性状为：pH值7.7，有机质17.2 g/kg，碱解氮122.5 mg/kg，速效磷17.05 mg/kg，速效钾134.00 mg/kg。2020年玉米全生育期降雨量为638.2 mm，2021年玉米全生育期降雨量为387.8 mm(图1)。

图1 2020，2021年夏玉米全生育期降雨量分布Fig.1 Rainfall distribution during the whole growth period of summer maize in 2020 and 2021

1.2 试验设计

试验设置了210 kg/hm2条件下，拔节期、大喇叭口期和开花期追肥处理(A1)，拔节期、大喇叭口期追肥处理(A2)，拔节期、开花期追肥处理(A3)；180 kg/hm2条件下，拔节期、大喇叭口期和开花期追肥处理(A4)，拔节期、大喇叭口期追肥处理(A5)，拔节期、开花期追肥处理(A6)；并设置传统畦灌为对照(CK)，总施氮量为240 kg/hm2，CK1在拔节期一次性追施氮肥，CK2在拔节期和大喇叭口期分别追施氮肥，共计8个处理，具体设计见表1。试验地每小区长60 m，宽5.2 m，小麦收获后进行贴茬直播。试验田底施复合肥：N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15，施用量纯氮、P2O5和K2O均为90 kg/hm2，肥料随种子一同错行施入。其余追施氮肥为普通尿素(含氮46%)，氮肥随灌水等量分次追施。试验播种日期分别为2020年6月20日和2021年6月22日，收获时间分别为2020年10月8日和2021年10月2日，试验供试品种为夏玉米郑单958，行距60 cm，滴灌带一管一行铺放，每小区定量灌溉5 mm灌水量以水表记录，其他管理措施同高产田。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design kg/hm2

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶面积指数计算 分别于夏玉米开花期、花后10，20，30，40 d选取长势均匀，能够代表所在小区整体生长水平的植株，每个时期取3株，用卷尺测量玉米所有叶片长度和最大宽度。

叶面积(m2)=叶长(cm)×最大叶宽(cm)×0.75/10 000

①

叶面积指数(LAI)= 平均单株叶面积(m2)×单位土地面积内的株数/单位土地面积

②

1.3.2 SPAD值测定 分别于夏玉米开花期、花后10，20，30，40 d使用日本美能达公司生产的SPAD-502型叶绿素仪测定玉米穗位叶片SPAD值。

1.3.3 光合特性参数测定 分别于夏玉米开花期、花后10，20，30，40 d使用便携式Li-6400光合仪测定玉米穗位叶片光合特性。

1.3.4 衰老指标测定 分别于夏玉米开花期、花后10，20，30，40 d取玉米穗位叶叶片，参照Wang等[20]的方法测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛(MDA)，过氧化物酶(POD)测定采用愈创木酚法[21]。

1.3.5 籽粒灌浆速率计算 于夏玉米开花期开始，选择有代表性且生长一致的植株50株，挂牌标记。从开花期开始，每隔10 d取样一次，每次取5株，分别取玉米中部籽粒50粒称取鲜质量，然后105 ℃杀青30 min，75 ℃下烘干至恒质量。以开花天数t为自变量，50粒籽粒干质量为因变量y，用Logistic方程y=a/(1+be-ct)对籽粒增质量过程进行拟合得出不同处理下的籽粒灌浆方程。其中，a表示50粒理论最大粒质量，通过公式Vm=ac/4，Tm=ln(b)/c计算最大灌浆速率、最大灌浆速率出现时间。

1.3.6 产量及其构成因素分析 对每个小区随机重复3次，每次重复选择5 m 3行(9 m2)果穗，自然干燥，用于室内测定。主要测定穗行数、行粒数、千粒质量，产量按照籽粒14%含水量计算。

1.3.7 氮肥偏肥生产力计算 氮肥偏肥生产力=单位面积产量/单位面积施氮量。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS软件进行数据分析和处理，用Origin 2021软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮时期和施用量组合对夏玉米叶面积指数及SPAD值的影响

如图2所示，各处理叶面积指数在开花期达到最大，开花后，叶面积指数逐渐减小。2020年，A1、A4、CK2与传统灌溉处理(CK1)相比，花后40 d叶面积指数分别增加了17.7%，19.7%，15.1%；2021年，A1、A4、CK2与传统灌溉处理(CK1)相比，花后40 d叶面积指数分别增加了33.5%，29.3%，25.5%，说明增加氮肥施用频次和施氮量能够延缓叶面积指数下降趋势，延缓叶片衰老。

相同花后天数内，不同小写字母表示不同处理在P<0.05水平差异显著。图3—4同。Within the same number of days after flowering，different lowercase letters indicate significant difference between different treatments at P< 0.05 level.The same asFig.3—4.

如表2所示，夏玉米穗位叶SPAD值都呈先升高后降低的变化规律，在花后10 d达到最大值。花后10 d，A1、A4处理SPAD值下降速度显著慢于其他处理，表明增加氮肥施用频次能够延缓夏玉米穗位叶SPAD值下降趋势，延缓夏玉米生育后期叶片衰老，提高群体光合能力。

表2 不同施氮时期和施用量组合对夏玉米穗位叶SPAD值的影响Tab.2 Effects of different nitrogen application periods and combinations on SPAD value of ear position leaves of summer maize

2.2 不同施氮时期和施用量组合对玉米穗位叶光合特性的影响

图3结果表明，随着夏玉米生育期推进，穗位叶的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度都呈先升高后降低的趋势，在花后10 d达到最大值。开花后，2020年夏玉米穗位叶的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度变化规律基本为A1、A4>CK2>A2、A3、A5、A6>CK1，第2年规律相同。随着夏玉米生育期推进，穗位叶的胞间二氧化碳浓度呈先升高后降低的趋势，在花后30 d达到最大值，其基本变化规律为CK1>A2、A3、A5、A6>CK2>A1、A4，第2年规律相同。表明增加氮肥施用频次和施氮量能够增加穗位叶的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，降低胞间二氧化碳浓度，延缓净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的下降趋势，提高穗位叶的光合能力并延长光合时间，为增加产量创造了条件。

图3 不同施氮时期和施氮量组合对夏玉米穗位叶光合特性的影响Fig.3 Effects of different nitrogen application periods and combinations of nitrogen application rates on photosynthetic characteristics of ear position leaves of summer maize

2.3 不同施氮时期和施用量组合对夏玉米穗位叶衰老特性的影响

图4结果显示，滴灌条件下拔节期、大喇叭口期、开花期分次追施氮肥处理(A1、A4)在花后10 d开始，穗位叶的SOD、POD(以鲜质量计)、CAT活性最高。随着玉米生育期推进，穗位叶SOD、POD、CAT活性呈先升高再降低的趋势，在花后10 d达到最大值。A1、A4处理在开花期施用氮肥后，花后穗位叶SOD、POD、CAT活性高于其他处理。随着玉米生育期推进，穗位叶MDA含量(以鲜质量计)呈逐渐升高趋势，花后10 d开始，传统灌溉处理(CK1)显著高于其他处理。表明增加氮肥施用频次和施氮量能够提高玉米灌浆中后期叶片活性氧清除能力，减缓叶片衰老。

2.4 不同施氮时期和施用量组合对夏玉米籽粒灌浆特性的影响

从表3可以看出，决定系数R2在0.99以上，说明Logistic方程较好地模拟了籽粒的灌浆过程。2020年除CK1外，最大籽粒灌浆速率出现时间为开花后第24天，CK1相比其他处理延迟1 d；A1、A4处理最大籽粒灌浆速率和最大理论千粒质量均高于其他处理。2021年A1、A4、A5处理最大籽粒灌浆速率出现时间为20 d，其他处理延迟1 d，最大籽粒灌浆速率和最大理论千粒质量与上一年规律相同。表明增加氮肥施用频次和施氮量能够缩短玉米籽粒达到最大灌浆速率的时间，延长籽粒灌浆持续期，提高籽粒最大灌浆速率和最大理论千粒质量，最终达到提高产量的效果。

表3 不同施氮时期及施氮量对夏玉米籽粒灌浆特性的影响Tab.3 Effects of different nitrogen application periods and levels on grain filling characteristics of summer maize

2.5 不同施氮时期和施用量组合对玉米籽粒产量及其构成因素的影响

从表4可以看出，滴灌条件下，拔节期、大口期、开花期分次追施氮肥处理(A1、A4)的产量、千粒质量、穗粒数最高，且显著高于其余各处理，A4处理偏肥生产力显著高于其他处理。2020年，A1和A4与传统灌溉处理(CK1)相比，穗粒数提高了11.8%和10.6%，千粒质量分别提高了4.4%和3.9%，产量分别提高了17.8%和16.6%，氮肥偏肥生产力提高了34.6%和55.4%；2021年，A1和A4与传统灌溉处理(CK1)相比，穗粒数均提高了6.4%，千粒质量分别提高了6.6%和6.7%，产量分别提高了13.5%和13.0%，偏肥生产力分别提高了29.4%和50.7%。A4相比A1施氮量降低14.3%，但提高了偏肥生产力，2020年，A4与A1相比，偏肥生产力提高了15.5%；2021年，A4与A1相比，偏肥生产力提高了16.4%。2020年各处理玉米产量总体偏低是由全生育期降雨量过大导致。表明增加氮肥施用频次和施氮量能够显著提高夏玉米的产量、千粒质量、穗粒数、偏肥生产力。

3 结论与讨论

氮素是构成叶绿素、提高叶片光合速率、增加LAI的重要矿质元素[22-23]，增加氮肥施用量和施用频次，能够增加玉米生育期LAI和SPAD值，延长LAI高值持续期，使叶片在玉米籽粒灌浆过程中保持较高的光合面积[24-25]。增加氮肥施用量和施用频次能够增加玉米叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，增加胞间CO2的利用率，延缓植株衰老[26]。本研究表明，在夏玉米拔节期、大喇叭口期、开花期

表4 不同施氮时期及施氮量对夏玉米产量及其构成因素的影响Tab.4 Effects of different nitrogen application periods and levels on summer maize yield and its components

追施氮肥能够增加玉米LAI，延缓生育后期LAI、SPAD的下降趋势，增加玉米穗位叶的净光合速率、蒸腾速率及气孔导度，使玉米籽粒灌浆时保持较高的LAI和净光合速率，但是A1、A4的光合特性差异并不显著。表明分次追施氮肥对夏玉米LAI和SPAD值作用显著，能够使夏玉米叶面积指数及光合特性保持较高水平，延缓叶片衰老进程，进而提高产量。

SOD、POD与CAT协同作用能够清除植物体内超氧自由基和H2O2，保护膜结构，三者活性高低标志着植物体抗衰老能力的强弱[27]。MDA是膜质过氧化作用的产物，它的多少代表膜质过氧化的程度，也可间接反映植物组织抗氧化能力的强弱[28]。分期追施氮肥能够提高夏玉米内源保护酶活性，使MDA含量维持在较低水平，在一定程度上延缓衰老[19]。本研究表明，在夏玉米拔节期、大喇叭口期、开花期追施氮肥能够提高玉米生育后期穗位叶SOD、POD与CAT的活性，使MDA含量维持在较低水平，但是A1、A4的差异不显著，证明了分次追施氮肥能够延缓叶片衰老进程，进而提高产量。

增加施氮量和施氮频次能够显著提高玉米籽粒的灌浆速率，提前最大籽粒灌浆速率出现时间，增加籽粒的平均灌浆速率，可以提高千粒质量[29-30]。本研究表明，在夏玉米拔节期、大喇叭口期、开花期追施氮肥能够提高玉米籽粒最大灌浆速率，缩短了最大籽粒灌浆速率出现时间，延长灌浆持续期，最终达到增产的目的。2020年最大籽粒灌浆速率出现时间较2021年相比延后4 d，可能是由2020年开花期降雨过多导致；但是2021年理论千粒质量小于2020年，可能是由2021年在夏玉米灌浆期降雨过多导致。

协调发展产量结构对夏玉米稳产增产具有关键作用[30]，而增加施氮量和施肥频次能够提高玉米的穗粒数和千粒质量[31-32]。本研究表明，在夏玉米拔节期、大喇叭口期、开花期追施氮肥能够显著提高穗粒数、千粒质量，证明分次追施氮肥能够满足各个时期夏玉米对氮素的需求，从而增加产量。

本试验最优处理为滴灌施氮量180 kg/hm2条件下，拔节期、大喇叭口期、开花期分次追施氮肥处理(A4)；在滴灌水肥一体化条件下，增加氮肥施用次数、减少施氮量，可以减缓夏玉米生育后期叶面积指数减小的趋势，增加叶片光合速率和籽粒的最大灌浆速率，从而增加穗粒数、千粒质量和产量。A4相比A1减少了氮肥的投入，降低了生产成本，其为本试验的推荐处理。