根区深层水氮耦合对玉米生长和生理的影响

张 腾,邢英英,密菲瑶,李卓远,黎吉璐,王秀康

(延安大学 生命科学学院,陕西延安 716000)

中国是人口大国,粮食安全一直是中国重点关注的问题。灌水和施肥是保障粮食安全的基本手段[1],但是农民在作物田间水肥管理中存在过量灌溉施肥的问题[2],造成水肥资源严重浪费且利用效率低下,甚至导致土壤酸化和环境污染[3]。近年来,国内外学者就灌溉、耕作和施肥方式提高作物产量进行了大量研究[4-6],表明水肥用量和作物产量在一定范围内呈正相关,同时水肥间存在明显的耦合效应[7];地下灌溉可以将水肥直接输运到作物根层[8],具有水分蒸发和地表径流小的优点[9-10]。中国水资源匮乏严重[6],地下灌溉技术和水肥结合是作物稳产保供、节水减氮的重要发展方向。王士杰等[11]通过玉米浅埋滴灌 (5cm)下水肥耦合试验,认为合理的水、氮、钾耦合能获得最高的籽粒产量,发挥最佳的耦合效应,对水肥资源进行高效利用;Reyes-Caberea等[12]认为灌溉装置安装深度为5cm时可以充分灌溉马铃薯浅根,从而提高马铃薯产量;Bozkurt等[13]研究发现地下灌溉深度为10cm时,可以节约13%的灌溉用水,增加经济效益;Dorta-Santos等[14]研究发现地下灌溉深度为20cm时,对麻风树产量无显著促进作用,但可以减少废水的污染物扩散;当灌水设备埋深超过30～40cm时,水分由于重力作用向下转运,表层土失熵干燥,出苗困难[15],同时水肥深层渗漏[7]。由此可见,不同作物地下灌溉设备的埋深深度尚无定论,结合水肥耦合和灌水施肥深度的研究较少。

玉米是陕西省重要的粮食作物之一,也是饲料、工业材料和生物能源的主要来源之一,在粮食安全中起着至关重要的作用[16]。陕西省延安市光照充足,昼夜温差大,利于玉米干物质的累积[17],是玉米理想的生长环境。但该地区灌溉水源不足,在大田玉米生产过程中,主要为雨养旱作,严重影响玉米产量的提升。本试验研究水氮耦合条件下不同水氮供应及施肥深度对玉米生长和生理的影响,探索适应该地区的最佳灌水施肥模式,为玉米节水减氮高效生产提供技术指导和理论依据,对地下灌溉技术的应用和推广具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4-9月在延安大学生命科学学院试验基地进行,试验站位于陕西省延安市宝塔区(36°38′ N,109°26′E),海拔为953 m,该地区为典型的大陆性干旱季风气候,夏秋多雨,冬季严寒干燥,年日照时数2 415.5 h,辐射总量480.1 kJ·cm-2,无霜期160～200 d,年均气温9.1 ℃,多年平均降雨量为473 mm,降雨集中在6-9月,年均蒸发量为1 400～1 800 mm,土壤类型为粉质壤土,土壤硝态氮含量为(13.4±1.4) mg·kg-1,土壤铵态氮含量为(6.5±0.7) mg·kg-1,pH为8.2。

1.2 试验设计及方法

进行盆栽试验,设置灌水量、施氮量和灌水深度3个因素。根据当地田间持水量及前人对灌水深度、施肥[18]的研究结果,设置3个灌水量: 2 650 m3·hm-2(W3)、2 180 m3·hm-2(W2)、 1 715 m3·hm-2(W1);4个施氮量:960 kg·hm-2(N3)、600 kg·hm-2(N2)、240 kg·hm-2(N1)、不施氮(N0);4个灌水深度: 0 cm(H3)、5 cm(H2)、10 cm(H1)、15 cm(H0)。按照复因素不完全实施方案[19]设计,减少试验处理并能分析各因素的单因素效应和交互效应,共10个处理,每个处理3次重复,具体见表1。

表1 试验方案Table 1 Experimental design

供试玉米品种为陕北地区广泛种植的 ‘天赐19’,2021年4月26日种植,同年9月27日收获,全生育期共154 d。试验所用氮肥为尿素 (N≥46%),磷肥为普通过磷酸钙(P2O5≥12%),钾肥为氯化钾(K2O≥60%);试验所用盆规格为 30 cm×37 cm(内径×高),盆底呈梅花状开5个通风孔,盆底先平铺一层沙子,再铺一层纱网,每盆装干土14 kg,并放置灌水管两根,控制土壤体积质量为1.28 g·cm-3。磷肥和钾肥按照当地农民推荐量(150 kg·hm-2,210 kg·hm-2)于装土时一次性施入,并搅拌均匀;氮肥按照玉米生长特性分3次施入:出苗-拔节期施入20%,拔节期-抽穗期施入40%,抽穗期-灌浆期施入40%。每盆肥料用量依据土质量计算,土质量按表层 30 cm,体积质量1.35 g·cm-3计算;灌水时,通过灌水管灌水,使用量筒精确控制各盆灌水量。施氮肥时,将尿素溶于水中一同加入灌水管中。灌水处理从苗期开始,每3 d灌水1次,收获前 10～15 d结束灌水。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标 每个处理选定具有代表性的3株玉米,于种植后32 d、52 d、68 d、84 d、100 d、114 d、131 d测量株高、茎粗、叶片数(中心叶片不计)及所有叶片的长度和最大宽度,计算叶面积。叶面积计算公式[18]如下:

LA=L×W×0.75

式中:0.75为玉米叶面积的校正系数;L为叶长;W为叶宽;LA为单株叶面积,即各叶面积之和。

于收获期每个处理中随机选取3株长势一致的玉米,将植株剪下去除表面污垢后,将茎、叶分离,于烘箱杀青(105 ℃)0.5 h后烘至恒量 (75 ℃),最后用电子天平称量,计算干物质量。

1.3.2 生理指标 分别于玉米苗期(45 d)、拔节期(71 d)、抽穗期(100 d)和灌浆期(128 d),取各处理玉米相同位置的叶片,置于密封袋中带回实验室测定叶绿素[20]和脯氨酸[21]含量。于成熟期(135 d)使用便携式光合仪(CIRAS-3)测定玉米穗位叶净光合速率,上午8:00开始测定,每2 h测1次,共测定5次。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 25软件进行方差分析、多重比较(Duncan’s法)与相关性分析;Excel 2010软件作图。利用隶属函数法对各指标进行综合分析评价,计算所测定指标在各处理下的具体隶属值[22]:

U(X)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中:U(X)为隶属值,X为某一指标的测定值,Xmax为某一指标测定值的最大值,Xmin为某一指标测定值的最小值。

脯氨酸含量表征作物细胞过氧化程度,含量越高,代表植物受逆境胁迫越严重,运用反隶属函数计算其隶属函数值。

U(X)=1-[(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)]

2 结果与分析

2.1 水氮耦合及灌水深度对玉米生长的影响

2.1.1 对玉米株高的影响 由图1可知,在盆栽玉米整个生育期,各灌水施肥处理的株高变化趋势相似,均表现为先快速增加后趋于平缓的趋势。在同一灌水量下,株高随着施氮量的增加表现出先增后减的规律,说明适量施用氮肥可促进玉米株高增长,较高时则表现出抑制作用;在同一施氮量下,株高随着灌水量的增加而增加。种植后 32 d时各处理间无显著性差异,说明此时玉米对水肥的需求较少;32 d至100 d玉米株高增长速率最快,W3N3H3、W2N2H2和W3N1H1处理株高明显优于其他处理,较W1N3H3分别提高 54.35%、54.51%和48.09%,说明此时是玉米株高增高的关键时期,需要注重水肥的合理供给。100 d至 131 d玉米株高增长减缓甚至有所下降,在同一施氮量及灌水深度下,株高随灌水量增加而显著增加,在W3水平下达到最大值;在相同灌水量及施氮水平下,灌水深度对株高无显著性影响;在相同灌水量及灌水深度下,株高对施氮量的增加无明显响应,说明灌水量对玉米的株高影响较大。比较W3N3H3和W3N1H1,株高无显著性差异,说明水氮耦合条件下,增加灌水深度可以提高水氮的利用效率,利于玉米株高的增长。

图1 不同处理玉米株高Fig.1 Plant height of maize under different treatment

2.1.2 对玉米茎粗的影响 由图2可知,在盆栽玉米整个生育期,各处理的茎粗均逐渐增加,且于种植后131 d达到最大值,但不同处理的增加趋势略有不同;种植后32～52 d,盆栽玉米茎粗快速增加,生育后期茎粗增加幅度变小,这可能与玉米的生殖生长,养分更多的分配于玉米穗有关。种植后52 d,同一灌水量下,增加灌水深度有助于玉米茎粗的增加;同一灌水深度下,过少的灌水量会抑制盆栽玉米茎粗的增长,增加灌水量可有效地促进盆栽玉米茎粗的增加,且在W3水平下出现显著性促进作用。整个生长周期,处理W1N0H0与W3N3H3在各阶段均无显著性差异,说明增加灌水深度可以提高水分的有效性,利于玉米吸收水分,促进茎粗的增长。W1N3H3处理下玉米的茎粗显著低于其他处理,说明在农业生产应用中,灌水难以保证时应避免施入过多的氮肥。

图2 不同处理玉米茎粗Fig.2 Stem diameter of maize under different treatment

2.1.3 对玉米总叶面积的影响 由图3可知,种植后32～84 d盆栽玉米快速生长,持续长出新叶片并展开,在种植后100 d,鲜叶片数最多;盆栽玉米叶面积呈现出随着种植时间的推进而先增加后减小的趋势(图3),且在种植后84～100 d叶面积达到最大值,为4 117.30 cm2(W3N3H3),种植100 d后盆栽玉米叶片逐渐枯黄,鲜叶片数量减少,叶面积也随之减小。种植后52 d,在相同灌水水平下,盆栽玉米的叶面积随灌水深度的增加而增加,在W1水平下,H0、H1和H2处理显著高于H3;在W2水平下,H1处理显著高于H2;在W3水平下,H1处理显著高于H3。在不同灌水量的胁迫下,随着氮肥的施入,在种植后131 d,处理W1N3H3与处理W1N2H2的叶面积显著低于其他各处理,较处理W3N1H1少52.82%和50.63%。此外,在种植52～131 d,W1N3H3处理下盆栽玉米鲜叶片数处于持续增加但仍显著低于其他各处理(图4),严重影响玉米的生育节律;说明在农业生产中,灌水量得不到保证时应避免过高的氮肥输入。

图3 不同处理玉米叶面积Fig.3 Leaf area of maize under different treatment

图4 不同处理玉米鲜叶片数Fig.4 Number of fresh leaves of maize under different treatment

2.2 水氮耦合及灌水深度对玉米生理的影响

2.2.1 对玉米叶绿素含量的影响 由图5可知,各处理间玉米叶片叶绿素含量差异随着生育期的推进开始显现。在苗期,不同处理之间少有显著性差异,大部分处理叶绿素含量在1.56～1.79 mg·g-1。在拔节期,叶绿素含量增加,W3N1H1处理最高,为2.69 mg·g-1,较W2N2H2高 56.40%。在抽穗期,处理W1N3H3 (2.15 mg·g-1)和W1N0H1(2.06 mg·g-1)的叶绿素含量显著低于其他各处理,较含量最高的处理W2N1H1(3.40 mg·g-1)低36.76%和 39.41%。灌浆期,处理W1N3H3叶绿素含量最低,为1.74 mg·g-1。观察各处理不同生育期的叶绿素含量,在苗期到抽穗期,随着生育期的推进叶绿素含量逐步增加,灌浆期呈现略有减小的趋势。在W2和W3水平下,施氮量对叶绿素含量无显著影响,在W1水平下,叶绿素含量随着施氮量的增加而减小。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同

2.2.2 对玉米脯氨酸含量的影响 图6可知,不同水氮耦合及灌水深度处理显著影响各生育期盆栽玉米脯氨酸含量。在苗期,W1N3H3 (235.02 μg·g-1)的脯氨酸含量显著高于其他各处理,为处理W2N2H2(7.53 μg·g-1)的31.21倍。在拔节期,各处理对脯氨酸含量的影响程度随着生育期的推进而增加,W1N3H3 (364.05 μg·g-1)的脯氨酸含量更高,为处理W2N2H2(11.35 μg·g-1)的32.07倍。拔节期过后,各处理的脯氨酸含量逐渐减小,在灌浆期,W1N3H3 (19.91 μg·g-1)的脯氨酸含量为拔节期的 5.5%。观察各处理不同时期的脯氨酸含量可发现,随着生育期的推进,各处理均呈现先增加后减小的趋势,说明玉米在拔节期对水氮供应更为 敏感。

图6 不同处理玉米脯氨酸含量Fig.6 Proline content of maize under different treatments

2.2.3 对玉米净光合速率的影响 不同处理盆栽玉米穗位叶净光合速率日变化如图7所示,净光合速率总体随着时间推进呈现降低的趋势。在8:00时,N1H1处理下,净光合速率随灌水量的增加而增加,W3的净光合速率显著高于其他各处理,较处理W1N3H3高79.16%。观察整日净光合速率变化,处理W1N3H3的净光合速率均低于其他处理,说明氮肥施入量过高时(N3)不利于获得更高的净光合速率。

图7 不同处理玉米穗位叶净光合速率Fig.7 Net photosynthetic rate of ear position leaves of maize under different treatments

2.3 水氮耦合及灌水深度对玉米干物质量的 影响

由图8可知,水氮耦合及灌水深度会显著影响盆栽玉米的干物质积累。处理W3N1H1干物质量最大(59.20 g),但与处理W3N3H3无显著性差异,是W1N3H3处理(20.45 g)的2.89倍。在同一灌水量下,不同施氮量间无显著性差异;但在同一施氮量及灌水深度下,随着灌水量的增加,盆栽玉米的干物质量显著增加,且W3N1H1较W2N1H1和W1N1H1分别增长15.80%和 62.54%,W3N3H3是W1N3H3的2.59倍,W2N2H2较W1N2H2增长65.36%。

图8 不同处理玉米干物质量Fig.8 Dry matter of maize under different treatment

2.4 各指标相关性分析

由表2可知,所测各指标之间具有一定相关性。株高与茎粗和叶片数呈显著正相关,与叶面积和干物质量呈极显著正相关;茎粗与净光合速率呈显著正相关,与叶面积和干物质量呈极显著正相关;叶面积与净光合速率呈显著正相关,与叶片数和干物质量呈极显著正相关;脯氨酸含量与叶片数和净光合速率呈显著负向相关;干物质量与叶片数、叶绿素含量、净光合速率呈显著正相关,与株高、茎粗、叶面积呈极显著正相关。由此可见,各指标之间存在一定的联系,因此不能依赖单个指标评价玉米的生长,应进行综合评价。

表2 各指标相关性分析Table 2 Correlation analysis of indicators

2.5 综合评价

因为不同指标下最优水氮耦合量和灌水深度组合存在一定的差异,因此对试验结果进行综合分析评价。运用隶属函数法,以8个指标隶属度的平均值对各灌水施肥处理玉米生长进行综合评价。结果如表3所示,不同灌水施肥处理玉米的平均隶属值差别较大,处理W3N1H1的平均隶属值最大,W3N3H3次之,平均隶属值最低为W1N3H3。

表3 不同灌水施肥处理玉米生长生理的综合评价Table 3 Comprehensive evaluation of maize growth physiology under different irrigation and fertilization treatments

3 讨 论

玉米的生长生理与田间水肥紧密关联,本研究结果表明,盆栽玉米的株高随着施氮量的增加先增加后减小,这与冯严明等[23]的研究结论一致。玉米的叶面积会受到水肥条件的影响,本试验W1处理灌水量过低,影响了玉米的营养生长,导致玉米叶面积不高;并在同一灌水水平下,随着施氮量的增加,玉米的叶面积逐渐降低,说明过低的灌水量和施肥量均不利于获得较高的叶面积[24],因此本试验W3N1处理下获得了更高的叶面积,增大光合作用面积。叶绿素含量是决定光合作用强度的关键[25]。马国成等[26]研究认为,缺肥对叶绿素含量的影响最大,但本试验中,W1N3H3处理的叶绿素含量最低,这可能是因为施氮量过高,抑制了玉米的营养生长,玉米叶片处于幼嫩状态。对于脯氨酸而言,W1N3H3处理最高,并显著高于其他处理,说明此处理下盆栽玉米植株遭受到了逆境胁迫,脯氨酸大量合成以降低细胞渗透势,提高细胞保水能力[27],适应逆境[28],这与邢换丽等[29]的研究结果,土壤水分胁迫条件下增施氮肥无法缓解干旱胁迫对玉米的影响,反而会加剧胁迫程度相一致。水氮耦合可以调节和改善玉米光合特性,在一定范围内,净光合速率随着灌水量的增加而增强,这与前人研究结果相一致[30]。

玉米干物质量是籽粒产量形成的物质基础,产量与干物质量呈显著正相关[31]。灌水量、施肥量和灌水深度对作物干物质量具有显著性影响。前人研究表明,氮肥的施入可以显著促进作物的干物质量[32],但当施氮量超过到一定值时,会导致根系水势降低,合成大量的脱落酸,引起气孔关闭,降低叶片的光合性能从而抑制干物质量,导致产量下降[29,33],本试验中的处理W1N3H3干物质量最小,验证了这一观点。本试验中,同一施氮量及灌水深度下,盆栽玉米的株高和干物质量均随灌水量增加而显著增加,氮肥的增产效应随水分增加而增加[34];W3N1H1的干物质量最大,这与胡燕哲等[35]建议玉米根系土壤含水量保持在55%～85%的田间持水率相一致,灌水量过小时,土壤水分蒸发过多,不易被植株吸收利用;这与邓兰生等[36]的研究结果不同,造成试验差距的原因可能与灌水深度、玉米品种和灌溉方式有关。W3N3H3和W3N1H1、W2N2H2和W2N1N1处理下盆栽玉米的干物质量无显著性差异,这可能是因为浇灌下,地表蒸发增加,垂直方向水氮入渗距离减小,而深层施肥使得水分与养分直接到达作物根层,并诱导根系下扎形成理想根型[37],提高根系利用现有资源的能力,从而达到节水减氮的目的;同时灌水直接到达作物根系,使得根区表层土壤保持松散状态,提高了根际土壤的通透性。由此可见水肥耦合对玉米的生长和生理具有显著性影响,同时通过根区深层施肥能调控玉米的生长,适宜的灌水施肥深度可以在作物根区土壤水分养分和吸收利用之间建立平衡,减少氮素流失,提高水氮的利用效率,利于作物的生长。

试验结果在不同指标下有一定的差异,利用单一指标去评价作物生长和生理具有局限性,因此本试验利用隶属函数法对玉米株高、茎粗、叶面积、叶片数、叶绿素、脯氨酸、净光合速率和干物质量8项指标进行综合评价与分析。结果表明,W3N1H1处理隶属值最高。因此推荐灌水量为2 650 m3·hm-2、施氮量为240 kg·hm-2、灌水深度为10 cm为该地区玉米种植的最佳灌水施肥模式。

4 结 论

水氮耦合及灌水深度对玉米的生长和生理有显著影响,在N1H1水平下,盆栽玉米的株高、茎粗、叶面积、干物质量和净光合速率均随着灌水量的增加而增加。在W1水平下,随着施氮量的增加,盆栽玉米的株高、叶片数、叶面积、干物质量呈现降低的趋势;茎粗和叶绿素含量呈现先增加而后降低的趋势。综合考虑水氮耦合及施肥深度的对玉米生长和生理的协同影响作用,以及隶属函数法对各项指标综合评价排名,推荐灌水量为 2 650 m3·hm-2、施氮量为240 kg·hm-2、灌水深度为10 cm为玉米种植的最佳灌水施肥模式。

在田间管理中,根区深层灌水施肥可以减少氮素施用量,避免氮素施用过量造成环境污染。为了节水减氮,结合滴灌、施肥枪等灌溉设备及交替隔沟灌溉、亏缺灌溉等灌溉制度的地下灌溉技术应大力推广。