戚迎龍，史海濱，李瑞平，趙靖丹，馮亞陽(yáng)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院資源環(huán)境與檢測(cè)技術(shù)研究所，呼和浩特 010031)

0 引 言

灌水和施氮在錯(cuò)綜復(fù)雜的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中是兩個(gè)主要的人為調(diào)節(jié)控制因子，是在自然氣候、降雨、土壤基本特性等多種因素作用外的可控變量，并隨著灌溉施肥技術(shù)的發(fā)展，施用過(guò)程已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間、用量三方面的人為調(diào)控，在這樣的背景下，探討水氮關(guān)系及對(duì)作物的影響具有指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的重要意義。作物的積累的干物質(zhì)直接來(lái)源于光合作用，是植物將光能轉(zhuǎn)換為可用于生命過(guò)程的化學(xué)能并進(jìn)行有機(jī)物合成的生物過(guò)程，直接影響作物產(chǎn)量[1,2]。光合作用表征了植物間生產(chǎn)力的主要差異，其強(qiáng)弱受到不同水氮條件和環(huán)境因素的綜合影響[3]。李潮海等[4]研究表明施肥可改善葉肉細(xì)胞的光合能力，延長(zhǎng)高光合作用持續(xù)期。王帥，韓曉日等[5,6]認(rèn)為施肥量的缺乏或過(guò)量都會(huì)使凈光合速率、葉綠素含量降低，適宜的肥料施用量可提高光合作用與增加產(chǎn)量。

中國(guó)東北玉米帶是世界三大“黃金玉米帶”之一，包含有內(nèi)蒙古東部、松遼平原西側(cè)。而該區(qū)域的膜下滴灌種植玉米仍處在技術(shù)層面的推廣階段，農(nóng)戶(hù)施行膜下滴灌的配套設(shè)備材料經(jīng)費(fèi)由國(guó)家補(bǔ)貼，相對(duì)傳統(tǒng)地面灌溉，農(nóng)戶(hù)只是意識(shí)到了每次灌水的方便省事兒、獲得產(chǎn)量較高，基本還是沿用傳統(tǒng)灌溉的灌水定額與施肥量來(lái)獲得預(yù)期產(chǎn)量，對(duì)節(jié)水節(jié)肥并無(wú)概念，并且以松遼平原向內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶為氣候、地域背景，分析膜下滴灌水氮一體化施用條件下其不同組合用量對(duì)玉米光合特性的影響效應(yīng)，來(lái)探討較優(yōu)水氮耦合量的研究未見(jiàn)報(bào)道，故本研究嘗試以玉米為種植作物，依托滴灌為灌水、追肥的技術(shù)措施，進(jìn)行大田試驗(yàn)，初步為膜下滴灌水肥耦合效應(yīng)的研究及當(dāng)?shù)氐喂嚯S水一體化施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 地區(qū)概況

試驗(yàn)田選在科爾沁左翼中旗，東經(jīng)121°08′～123°32′，北緯43°32′～44°32′。地處通遼市東端，大興安嶺東南邊緣，西遼河北岸，是松遼平原向內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶，氣候、水文特征既有兩大地形區(qū)域的共性，又有自身的特點(diǎn)。當(dāng)?shù)貙俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫5.2～5.9 ℃、最高氣溫40.9 ℃、最低氣溫-33.9 ℃、日照2 884.8～2 802.1 h。日均氣溫5 ℃以上持續(xù)時(shí)期188 d，大于10 ℃的積溫3 042.8～3 152.4 ℃。最大凍土深180 cm，無(wú)霜期150～160 d。多年平均年降水量342.0 mm，蒸發(fā)量2 027 mm，按降雨量劃分屬半干旱區(qū)。2014試驗(yàn)?zāi)瓴シN至收獲全生育期降雨量227.4 mm，是偏干旱的平水年。

1.1.2 供試土壤

供試土壤為栗鈣土，按照美國(guó)制土壤質(zhì)地分類(lèi)法分別為0～20、20～40 cm砂質(zhì)黏壤土， 40～60 cm砂質(zhì)黏土，60～80、80～100 cm壤質(zhì)砂土。1 m土層土壤基本理化性質(zhì)：密度1.54 g/cm3，田間持水率23.08%，電導(dǎo)率(EC)值119.74 μS/cm、pH值8.95，有機(jī)質(zhì)14.56 g/kg、全氮0.81 g/kg、全磷0.772 g/kg、全鉀31.48 g/kg、堿解氮47.8 mg/kg、有效磷1.82 mg/kg、速效鉀98.8 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種采用京科968，出苗至成熟128 d。種植方式為35 cm小行距偏心播種，寬行85 cm，形成的種植單元為一條滴灌帶灌溉兩行玉米，所占延米寬為1.2 m，試驗(yàn)處理均為3個(gè)種植單元。灌水工程為覆膜滴灌，φ16 mm滴灌帶鋪設(shè)在地膜下，灌水量采用旋翼式數(shù)字水表記錄?；实褂靡惑w化農(nóng)機(jī)施入，追氮肥方式為先在施肥罐中充分溶解尿素，然后通過(guò)水壓差隨灌水直接滴施與膜下根區(qū)。試驗(yàn)設(shè)置灌水量和施氮肥量?jī)蓚€(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)施用水平，其中灌水量水平按土壤含水率占田間持水率百分比的上下限不同設(shè)低水：拔節(jié)前60%～80%、拔節(jié)后55%～80%，中水：拔節(jié)前65%～85%、拔節(jié)后60%～85%，高水：拔節(jié)前75%～95%、拔節(jié)后70%～95%。3個(gè)水平的施氮量：低氮192 kg/hm2、中氮240 kg/hm2、高氮288 kg/hm2。此外設(shè)置一個(gè)不灌水、不施肥的處理作對(duì)照。二因素三水平共計(jì)9個(gè)處理，連同空白對(duì)照都作3次重復(fù)，總計(jì)30個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為132 m2，為減少滴灌水壓差的影響，監(jiān)測(cè)取樣在滴灌帶中部(3.6×3 m2)內(nèi)，具體灌水量和施氮量(純氮量采用尿素用量×46%)處理見(jiàn)表1。

表1 膜下滴灌玉米水氮組合處理試驗(yàn)方案

1.2.2 樣品采集與測(cè)定分析

采用LI-6400型光合儀，在吐絲期結(jié)束與灌漿期開(kāi)始的生育期過(guò)渡時(shí)段，于8月1日、8月2日、8月3日3 d監(jiān)測(cè)10∶00-11∶00的不同水氮組合處理玉米穗位葉凈光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、蒸騰速率Tr[mmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度GS[mol/(m2·s)]、胞間CO2濃度Ci(μmol/mol)，為防止臨近處理水肥側(cè)滲，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)3條滴灌帶為3個(gè)種植單元，兩邊為保護(hù)行，監(jiān)測(cè)和取樣均采用中單元。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)計(jì)算、差異顯著性檢驗(yàn)以及文中插圖繪制采用SigmaPlot12.0與Excel2007軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮對(duì)光合速率及蒸騰速率的影響

通過(guò)柱狀圖對(duì)比不同水氮組合處理凈光合速率和蒸騰速率(圖1，圖2)，所有水氮處理均遠(yuǎn)高于不灌水不施氮的空白對(duì)照，且總體變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為隨著水氮施用量的增加而增大，但增大程度隨著二因素施用量的增加而減少，表現(xiàn)出報(bào)酬遞減，但不同因子水平對(duì)其光合速率和蒸騰速率的影響不一致，不同因子水平下，水或氮的施用對(duì)光合作用影響的敏感程度不同，存在水氮耦合效應(yīng)。通過(guò)Duncan’s多重比較，水氮處理光合速率的顯著逆次序可分組為(W3N2、W3N3)>(W2N3、W2N2)>W3N1>W2N1>(W1N2、W1N3)>W1N1。蒸騰速率分組為(W3N3、W3N2、W2N3)>(W2N2、W3N1)>W2N1>(W1N2、W1N3、W1N1)。在W1水平下，光合速率W1N3、W1N2比W1N1高7.1%、7.0%，但W1N3、W1N2差異不顯著；蒸騰速率W1N3、W1N2比W1N1高6.0%、5.1%，但三個(gè)施氮水平差異不顯著，說(shuō)明灌溉水平太低的情況下配施氮不能有效提升光合速率與蒸騰速率，增施一定量的氮肥有微弱的正效應(yīng)，繼續(xù)增加氮用量有減弱光合、蒸騰速率的趨勢(shì)，說(shuō)明W1條件的灌溉水平不能有效發(fā)揮氮肥對(duì)光合作用的貢獻(xiàn)能力，并且可能影響到肥料氮向土壤氮的轉(zhuǎn)化，影響玉米對(duì)氮的吸收利用，進(jìn)而阻礙光合作用。在W2灌溉水平下，施氮量由N1增至N2光合、蒸騰速率分別顯著提高了17.2%、8.4%，繼續(xù)提升施氮量至N3雖能增大光合、蒸騰速率，但增長(zhǎng)不明顯。說(shuō)明較高的灌水量才能體現(xiàn)出肥料氮的效應(yīng)，且增施氮過(guò)程可持續(xù)提高光合作用，超過(guò)一定用量后肥料氮效應(yīng)仍存在，但明顯減弱，這部分氮投入“代價(jià)”大，W3灌溉水平下肥料氮效應(yīng)與W2呈相似規(guī)律。每種施氮水平下，光合、蒸騰速率均表現(xiàn)為W3>W2>W1，其中N3水平下蒸騰速率W3>W2但差異不顯著，可能因?yàn)榈┯昧窟_(dá)到一定水平并且灌溉水分適宜的情況下，對(duì)應(yīng)于當(dāng)?shù)氐臍庀蠹碍h(huán)境因子限制，蒸騰速率已接近上限，故繼續(xù)提升灌溉量效應(yīng)微弱。W2N2顯著大于W3N1的光合速率，水因子W2～W3增加并不能補(bǔ)償?shù)蜃覰2～N1降低帶來(lái)光合速率的減弱；但二處理的蒸騰速率無(wú)顯著差異，水因子W2～W3的增加補(bǔ)償了氮因子N2～N1降低引起的負(fù)效應(yīng)，說(shuō)明在中高水平的灌溉量下，氮虧缺抑制光合速率的程度要大于蒸騰速率，而水分對(duì)蒸騰速率的促進(jìn)作用要大于光合速率。

圖1 不同水氮組合處理對(duì)玉米光合速率的影響

圖2 不同水氮組合處理對(duì)玉米蒸騰速率的影響

2.2 水氮對(duì)Pn與Tr的回歸方程

對(duì)灌水量和施氮量離差標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一量綱，使水、氮自變量在[0，1]內(nèi)，則同量綱回歸方程分別為：

Pn=22.303+15.311W+10.894N-3.473W2-

10.067N2+5.224WN；R2=0.949

(1)

Tr=6.095+2.716W+1.256N-0.333W2-

1.187N2+0.860WN；R2=0.938

(2)

式(1)、式(2)的一次項(xiàng)系數(shù)均為正且W>N，說(shuō)明水、氮對(duì)Pn和Tr均為正效應(yīng)，且二因子對(duì)Pn和Tr的影響作用水>氮；平方項(xiàng)W2、N2均為負(fù)，說(shuō)明Pn和Tr隨二因素增加報(bào)酬遞減，關(guān)系曲線為開(kāi)口向下的拋物線；乘積項(xiàng)WN均為正，說(shuō)明水氮對(duì)Pn和Tr有交互促進(jìn)作用。

2.3 水氮處理Pn與Tr、Gs、Ci的關(guān)系

氣孔張開(kāi)程度與單位葉面積一定時(shí)間蒸騰的水量以及光合強(qiáng)度之間存在相互聯(lián)系，由圖3可以看出，Tr、Gs均與Pn正相關(guān)，說(shuō)明氣孔張開(kāi)關(guān)閉與蒸騰速率的高低與光合強(qiáng)度的強(qiáng)弱增減方向一致。Ci與Pn負(fù)相關(guān)，胞間CO2濃度越高，光合速率越低。不同水氮處理Pn分別與Tr、Ci、Gs進(jìn)行線性擬合，得到其關(guān)系式分別為：Pn=-8.461+5.197Tr(R2=0.912)；Pn= 65.929-0.192Ci(R2=0.823)；Pn=12.567+40.464Gs(R2=0.908)。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)松遼平原向內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶，偏干旱的平水年條件下，膜下滴灌種植玉米水分和氮肥的投入均能提高光合速率和蒸騰速率，影響作用水>氮，且存在交互作用。

(2)各光合因子與光合速率的關(guān)系變現(xiàn)為：蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均與光合速率正相關(guān)，胞間CO2濃度與光合速率負(fù)相關(guān)，Pn分別與Tr、Gs、Ci存在較好的線性擬合關(guān)系。

(3)全生育期灌水量在1 351～1 465 m3/hm2以?xún)?nèi)會(huì)影響肥料氮對(duì)光合速率和蒸騰速率的提升作用，水分虧缺使得超過(guò)240 kg/hm2后的氮用量呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng)。灌水量在1 802～2 071或2 197～2 315 m3/hm2條件下增施氮均可顯著提升光合、蒸騰速率，而氮用量240～288 kg/hm2對(duì)光合、蒸騰速率提升效果微弱，可初步作為當(dāng)?shù)啬は碌喂嗟墓?jié)氮空間。1 802～2 315 m3/hm2的灌溉水平下，氮虧缺(192 kg/hm2)抑制光合速率的程度大于蒸騰速率，而灌水量的增加對(duì)光合速率的促進(jìn)作用小于蒸騰速率。生育期中等施氮水平240 kg/hm2與中高灌水平1 802～2 315 m3/hm2可作為適宜的水氮耦合用量。

圖3 水氮處理光合速率Pn與Tr、Gs、Ci的關(guān)系

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