方 恒 李援農(nóng) 谷曉博 銀敏華 楊金宇
(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100)
地膜覆蓋栽培技術(shù)自試驗(yàn)并推廣以來,廣泛用于經(jīng)濟(jì)作物和糧食作物生產(chǎn),其增產(chǎn)增收效益顯著。地膜覆蓋具有減少土壤水分蒸發(fā),提高土壤溫度,促進(jìn)作物穩(wěn)產(chǎn)早熟[1-3],防止農(nóng)田水土流失,減少氮素淋溶,有效控制土壤鹽堿度[4-6]等作用,已成為我國干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要措施。隨著地膜生產(chǎn)量和使用量的大幅增長,加上質(zhì)量得不到保障,地膜殘留問題日益突出。耕地中殘留的地膜造成土壤理化性質(zhì)變差,阻礙作物根系生長和對水肥的吸收利用,污染農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等[7-8]。近年來,為了解決地膜殘留問題,各種環(huán)保地膜先后問世,可降解地膜因其容易降解而減少地膜殘留,降低回收成本,減輕環(huán)境污染等成為國內(nèi)外研究較多的一種環(huán)保地膜。目前可降解地膜主要有光降解、生物降解和雙降解地膜等類型。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn),生物降解膜代替普通地膜覆蓋除了能改善土壤物理性狀、促進(jìn)作物的生長發(fā)育和水分利用效率外[9-10],還有利于自然降水入滲,延長作物生殖生長周期,提高作物的產(chǎn)量[11]等。而氧化-生物雙降解地膜由于光照、氧氣和微生物的協(xié)同作用,埋土和地表部分均可降解,不影響下季耕作,可基本消除殘膜危害。
氮素是玉米需求量最大的營養(yǎng)元素,在干旱半干旱地區(qū),施氮可以提高作物產(chǎn)量,增強(qiáng)作物抗旱能力[12],但過量施氮將限制作物生長導(dǎo)致減產(chǎn),還會破壞自然環(huán)境。相關(guān)研究表明,隨施氮量增加,玉米籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢[13],而適宜施氮量有利于調(diào)控作物生長發(fā)育,改善光合性能,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[14]。
灌漿是夏玉米生長發(fā)育過程中重要的生育階段,籽粒灌漿速率和灌漿時間影響籽粒庫容的充實(shí)程度,決定了玉米的品質(zhì)和產(chǎn)量[15]。目前對夏玉米灌漿過程的研究主要集中在氮肥運(yùn)籌[16]、玉米品種[17]、耕作方式[18]等方面,不同地膜覆蓋與施氮水平組合對夏玉米灌漿過程動態(tài)變化的研究甚少,而且多使用Logistic模型進(jìn)行擬合分析。Logistic模型是Richards模型的一種特殊形式(N=1),其曲線呈旋轉(zhuǎn)對稱,缺乏可塑性,而Richards模型較其多一個參數(shù)N,曲線形狀由N決定,描述籽粒灌漿過程更為合適[19]。本文以夏玉米為研究對象,設(shè)置不同地膜覆蓋(普通地膜和氧化-生物雙降解地膜)與施氮水平組合的對比試驗(yàn),應(yīng)用Richards模型對夏玉米籽粒灌漿動態(tài)過程進(jìn)行擬合,結(jié)合灌漿期內(nèi)葉綠素a/b質(zhì)量比(下面簡稱葉綠素a/b值)變化,進(jìn)而研究不同地膜覆蓋與施氮水平組合對夏玉米各灌漿特征參數(shù)的調(diào)控效應(yīng),揭示不同地膜覆蓋與施氮水平組合對夏玉米籽粒灌漿過程的影響規(guī)律,為在高效、環(huán)保的地膜覆蓋和施氮水平組合下獲得高產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
試驗(yàn)于2017年6—10月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)位于東經(jīng)108°24′,北緯34°20′,海拔521 m,全年無霜期210 d,年均氣溫13℃,多年平均降水量為632 mm,年均蒸發(fā)量1 500 mm。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為中壤土,土壤田間持水率為23%~25%(質(zhì)量含水率),平均干容重1.42 g/cm3。耕層土壤(0~30 cm)pH值為7.92,基礎(chǔ)肥力(質(zhì)量比)為:有機(jī)質(zhì)11.26 g/kg,硝態(tài)氮69.05 mg/kg,速效磷23.3 mg/kg,速效鉀88.48 mg/kg。
供試玉米品種為吉祥1號,試驗(yàn)所用地膜為普通地膜和氧化-生物雙降解生態(tài)地膜,氧化-生物雙降解生態(tài)地膜由山東天壯環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)。膜寬90 cm,膜厚0.008 mm,氧化-生物雙降解生態(tài)地膜誘導(dǎo)期為70~80 d。
試驗(yàn)設(shè)計覆膜施氮處理。2種地膜覆蓋:普通地膜(P)、氧化-生物雙降解生態(tài)地膜(J);4個施氮水平(尿素,總氮含量大于等于46.4%):0、90、180、270 kg/hm2(純氮),分別記為N0、N1、N2、N3。采用壟溝種植技術(shù),壟上覆膜,玉米植于壟兩側(cè),株距30 cm,壟寬40 cm,壟高30 cm,溝寬60 cm,種植密度6.7萬株/hm2,小區(qū)面積18 m2(4.5 m×4 m),3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,另設(shè)平作不覆膜不施氮處理(CK),試驗(yàn)區(qū)周圍設(shè)有保護(hù)行。播前旋耕并平整土地,各處理氮肥一次性施入,基施磷肥(過磷酸鈣,全磷含量大于等于16.0%)120 kg/hm2(純P2O5),鉀肥(硫酸鉀,氧化鉀含量大于等于51.0%)60 kg/hm2(純K2O)。6月15日播種,田間管理同一般高產(chǎn)田。氧化-生物雙降解生態(tài)地膜降解規(guī)律:播種后65 d(8月19日左右)出現(xiàn)小于1 cm 裂孔,70 d左右(8月24日)裂孔直徑2 cm,80 d左右(9月3日)裂孔直徑5 cm,90 d左右(9月13日)裂孔直徑10 cm,100 d左右(9月23日)裂孔直徑16 cm。
灌漿過程的測定:各處理選擇吐絲一致的植株掛牌標(biāo)記,玉米開花授粉6 d后開始取樣,每隔6 d隨機(jī)選取標(biāo)記植株果穗3個,共取樣6次(即花后36 d)。將果穗從中間掰開,剝下中部籽粒,去除非完整籽粒后混合均勻,隨機(jī)數(shù)出100粒,然后放入干燥箱內(nèi)105℃殺青 0.5 h,75℃干燥至恒質(zhì)量,用萬分之一天平稱量籽粒干質(zhì)量。
葉綠素含量測定:取果穗測灌漿過程的同時取其穗位葉,用95%乙醇浸提[20]測定葉綠素a和葉綠素b含量,重復(fù)3次,取其平均值。
1.4.1擬合模型
以花后時間t(開花日為t0)為自變量,每次測得的百粒干質(zhì)量(W)為因變量,用非線性最小平方法配成Richards方程[21]
W=A/(1+Be-Kt)1/N
式中A、B、K、N為模型參數(shù),A為灌漿結(jié)束時最大百粒質(zhì)量,對籽粒灌漿過程進(jìn)行擬合,用決定系數(shù)R2表示其配合適度。
1.4.2灌漿特征參數(shù)
對Richards方程求一階導(dǎo)可得到灌漿速率方程V=KW[1-(W/A)N]/N。根據(jù)朱慶森等[19]的方法可以導(dǎo)出描述灌漿特征的次級參數(shù):
起始生長勢
R0=K/N
(1)
灌漿速率最大時生長量
Wmax=A/(1+N)1/N
(2)
最大灌漿速率及其時間
Vmax=KWmax[1-(Wmax/A)N]/N
(3)
tmax=ln(B/N)/K
(4)
平均灌漿速率
(5)
1.4.3灌漿階段
灌漿過程分為漸增期、快增期和緩增期。對灌漿速率方程求其對t的二階導(dǎo),并令其為零,可得灌漿速率方程兩個拐點(diǎn)的灌漿時間t1和t2為
(6)
(7)
假定達(dá)99%A時為實(shí)際灌漿終期t3,則
(8)
采用Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,多重比較使用LSD法(最小顯著差異法)(P<0.05);Origin 8.5軟件作圖和Nonlinear擬合。
本研究應(yīng)用Richards模型對夏玉米籽粒質(zhì)量增長動態(tài)過程進(jìn)行擬合,所得方程參數(shù)A、B、K、N及決定系數(shù)R2見表1。由表1分析知,各處理籽粒灌漿擬合方程決定系數(shù)均在0.99以上,擬合效果較好,表明用Richards模型能較好地模擬夏玉米籽粒灌漿動態(tài)過程。
表1 不同處理下的Richards模型參數(shù) Tab.1 Parameters of Richards model under different treatments
注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著,下同。
用Richards模型擬合的夏玉米籽粒質(zhì)量增長動態(tài)過程見圖1。由表1和圖1分析知,不同地膜覆蓋與施氮水平下籽粒增長曲線均呈“慢—快—趨緩”的增長趨勢。氧化-生物雙降解生態(tài)地膜覆蓋下的N值均小于1, 其質(zhì)量增長速率曲線更為左偏。普通地膜覆蓋下PN1的N值大于1,其質(zhì)量增長速率曲線右偏,其他施氮水平下質(zhì)量增長速率曲線均為左偏。
根據(jù)Richards模型擬合計算出的夏玉米灌漿期灌漿特征參數(shù)見表2。覆膜對整個灌漿期灌漿特征參數(shù)無顯著影響,施氮對起始生長勢R0的影響達(dá)P<0.05水平,對達(dá)到最大灌漿速率的時間、最大灌漿速率、平均灌漿速率的影響達(dá)P<0.01水平,覆膜×施氮的交互作用對整個灌漿期灌漿特征參數(shù)的影響達(dá)P<0.01水平(表3)。
圖1 不同地膜覆蓋與施氮水平下夏玉米籽粒灌漿Richards擬合曲線 Fig.1 Richards fitting curves of grain filling of summer maize under different film mulching and nitrogen fertilization rates
起始生長勢反映子房的生長潛力,起始生長勢大,胚乳細(xì)胞分裂快,灌漿開始時間早。J處理和P處理的起始生長勢分別為0.163~0.482、0.136~0.626,在N0、N1下J處理大于P處理,N2、N3下P處理大于J處理。在N0、N1、N3下,J處理達(dá)到最大灌漿速率的時間比P處理早0.351~2.790 d,最大灌漿速率和平均灌漿速率分別比P處理大0.088~0.609 mg/d、0.078~0.481 mg/d,但在N2下則相反,分別比P處理晚0.232 d、小0.103 mg/d和0.076 mg/d。
表2 不同處理下夏玉米籽粒灌漿特征參數(shù) Tab.2 Grain filling parameters of summer maize under different treatments
從施氮水平上看,N2處理的起始生長勢最強(qiáng),達(dá)到最大灌漿速率的時間最早,最大灌漿速率和平均灌漿速率均最大,平均分別為0.554、20.110 d、11.167 mg/d、7.578 mg/d。N0、N1、N3處理達(dá)到最大灌漿速率的時間晚于CK,且由小到大為N0、N1、N3,說明覆膜條件下施氮推遲了達(dá)到最大灌漿速率的時間,最大推遲了6.273 d,但適量施氮提前達(dá)到最大灌漿速率。N1、N3處理的最大灌漿速率和平均灌漿速率顯著大于CK,N0處理則顯著低于CK,且由大到小為N1、N3、N0,施氮對灌漿速率影響較大。可見,覆膜結(jié)合施氮可有效調(diào)控部分灌漿特征參數(shù),優(yōu)化灌漿過程,提高籽粒百粒質(zhì)量。
表3 不同處理下夏玉米籽粒灌漿特征參數(shù)的方差分析(P值) Tab.3 Analysis of variance(P value)for grain filling parameters under different treatments
表1中的A為籽粒在灌漿結(jié)束時所能達(dá)到的最大百粒質(zhì)量。覆膜對百粒質(zhì)量無顯著影響,而施氮對其影響極顯著(表3),覆膜與施氮對百粒質(zhì)量有極顯著的交互作用(P<0.01)。地膜覆蓋與施氮處理的夏玉米百粒質(zhì)量均顯著大于JN0、PN0處理,JN0大于PN0且均顯著大于CK(P<0.05)。
相同施氮水平下,不同覆膜處理間差異顯著(P<0.05),J處理的夏玉米百粒質(zhì)量和P處理相比,分別增加1.39%、-1.69%、2.14%、-1.46%??梢?,不同施氮水平下,J處理和P處理對夏玉米百粒質(zhì)量影響不同:在N0、N2下,J處理比P處理更能促進(jìn)百粒質(zhì)量增加,但在N1、N3下,P處理比J處理更能促進(jìn)百粒質(zhì)量增加。
在同種地膜覆蓋下,N0處理的百粒質(zhì)量最小,不同施氮處理間差異顯著(P<0.05)。N1、N2、N3與N0相比,分別增加13.11%、43.14%、34.44%(J處理)和16.65%、42.09%、38.34%(P處理),JN2、PN2處理的百粒質(zhì)量均最大,JN3、PN3次之??梢姡啬じ采w下適量施氮能明顯增加玉米的百粒質(zhì)量,而過量施氮后百粒質(zhì)量反而降低。
表4 不同處理下夏玉米籽粒灌漿各階段持續(xù)時間 及其灌漿速率 Tab.4 Duration and rate at each stage of grain filling of summer maize under different treatments
圖2 不同地膜覆蓋與施氮水平對夏玉米穗位葉葉綠素a/b的影響 Fig.2 Effect of different film mulching and nitrogen fertilization rate on chlorophyll a/b value in ear positions of summer maize
灌漿漸增期持續(xù)時間均為N2處理最短,N0次之,且J處理顯著短于P處理,灌漿速率隨施氮水平提高逐漸增大,且P處理大于J處理。J、P處理的灌漿持續(xù)時間和灌漿速率在灌漿快增期、緩增期表現(xiàn)相同,灌漿持續(xù)時間均為N1最短,N0次之,灌漿速率由大到小為N2、N1、N3、N0。灌漿快增期,在N0、N2下,P處理的灌漿持續(xù)時間顯著短于J處理,N1、N3下則相反,到灌漿緩增期時只有N3處理下J處理顯著短于P處理。灌漿快增期、緩增期灌漿速率在N0、N1、N3下均為J處理大于P處理,N2下則相反??梢?,與氧化-生物降解膜相比,普通地膜覆蓋主要延長灌漿前期持續(xù)時間,并提高灌漿速率。隨著灌漿進(jìn)程推進(jìn),氧化-生物降解膜延長灌漿持續(xù)時間和提高灌漿速率的作用逐漸凸顯;施氮水平主要影響灌漿快增期、緩增期,適宜施氮水平有利于延長灌漿持續(xù)時間,提高灌漿速率,但過高會適得其反。
葉綠素是植物光合作用中最重要的色素,葉綠素含量的多少直接影響葉片進(jìn)行光合作用。葉綠素a/b的比值前期高,后期低,既能增加光合產(chǎn)物,又能延長葉片的功能期,從而積累較多的有機(jī)物質(zhì),獲得較高的產(chǎn)量[22]。不同地膜覆蓋與施氮水平對夏玉米穗位葉葉綠素a/b比值的影響如圖2所示,不同處理下穗位葉葉綠素a/b比值變化趨勢大致相同。由圖2a分析可知,JN0、JN1、JN2、JN3的葉綠素a/b均值分別為3.118、3.118、3.046和3.023。葉綠素a/b比值達(dá)到最大分別為花后24、18、12、18 d,晚于或與CK(花后12 d)同期,且在花后12~30 d維持較高水平,而CK的葉綠素a/b比值在花后18 d顯著下降(P<0.05)。達(dá)到最大值前、后的葉綠素a/b均值分別為3.143、3.112、3.038、3.012和3.067、3.123、3.050、3.034。葉綠素a/b均值和葉綠素a/b比值達(dá)到最大值前、后的葉綠素a/b均值在N0、N1處理下均顯著大于N2、N3處理(P<0.05),且N2顯著大于N3處理,CK介于N1和N2之間。
由圖2b分析可知,PN0、PN1、PN2、PN3葉綠素a/b均值分別為3.111、3.108、3.032和3.053。葉綠素a/b比值達(dá)到最大時N0、N1處理均為花后18 d,N2、N3處理均為花后24 d,均晚于CK(花后12 d),且在花后12~30 d維持較高水平。達(dá)到最大值前、后的葉綠素a/b均值分別為3.140、3.161、3.057、3.080和3.083、3.055、2.981、2.998。葉綠素a/b均值和葉綠素a/b比值達(dá)到最大值前的葉綠素a/b均值在N0、N1處理下均顯著大于N2、N3處理(P<0.05),與J處理結(jié)果相似,但N3顯著大于N2處理,葉綠素a/b比值達(dá)到最大值后仍存在上述規(guī)律,但各處理間差異的顯著性降低。
可見,兩種地膜覆蓋下,高施氮水平有利于穗位葉吸收短波光,延遲了光合活性達(dá)到最大值的時間,但延長了光合活性持續(xù)時間。
灌漿期是決定玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的重要階段。關(guān)于灌漿特征參數(shù)與籽粒質(zhì)量的關(guān)系,孟兆江等[23]認(rèn)為,最大灌漿速率和平均灌漿速率與籽粒質(zhì)量呈顯著相關(guān),本研究也得出相似結(jié)論。本研究中兩種地膜覆蓋下,隨施氮水平的提高,達(dá)到最大灌漿速率時間相應(yīng)延遲,最大灌漿速率和平均灌漿速率增大,灌漿結(jié)束時百粒質(zhì)量也得到提高,施氮為N2水平時,達(dá)到最大灌漿速率時間最短,最大灌漿速率、平均灌漿速率和百粒質(zhì)量也最大。說明一定范圍內(nèi)隨施氮水平的提高,延遲了達(dá)到最大灌漿速率時間,而適宜的施氮水平縮短了達(dá)到最大灌漿速率時間,與曹彩云等[24]的研究結(jié)果不盡相同,可能是因?yàn)槭┓史绞讲煌J┑岣吡俗畲蠊酀{速率和平均灌漿速率,從而提高百粒質(zhì)量,而過高施氮水平下的最大灌漿速率和平均灌漿速率有所降低,與吳清麗等[25]的研究結(jié)果一致。
籽粒發(fā)育早期所形成的庫容潛力大小對最終粒質(zhì)量的獲得非常重要[26]。本研究發(fā)現(xiàn),氧化-生物雙降解地膜覆蓋配施氮肥有利于提高籽粒起始生長勢,起始生長勢與籽粒質(zhì)量無顯著相關(guān)關(guān)系,與達(dá)到最大灌漿速率時間和灌漿速率存在一定的相關(guān)性。兩種地膜覆蓋下,N0的起始生長勢高于N1,但達(dá)到最大灌漿速率時間晚于N1,最大灌漿速率和平均灌漿速率小于N1,灌漿結(jié)束時百粒質(zhì)量也低于N1;JN2和PN2處理的起始生長勢最高,最早達(dá)到最大灌漿速率,最大灌漿速率和平均灌漿速率最大,灌漿結(jié)束時百粒質(zhì)量也最大;N3的起始生長勢低于N2,達(dá)到最大灌漿速率時間晚于N2,最大灌漿速率和平均灌漿速率小于N2,灌漿結(jié)束時百粒質(zhì)量也低于N2。氧化-生物雙降解地膜和普通地膜覆蓋下,起始生長勢隨施氮水平變化由大到小分別為N2、N0、N1、N3,N2、N3、N0、N1,起始生長勢高的較早達(dá)到最大灌漿速率,漸增期(T1)也較短,是因?yàn)槭┑蛔銜斐傻{迫,施氮過量會抑制生長,影響作物生育進(jìn)程。地膜覆蓋配施氮肥通過起始生長勢,影響胚乳細(xì)胞分裂,調(diào)控籽粒進(jìn)入灌漿的時間,而影響達(dá)到最大灌漿速率時間和灌漿速率,但起始生長勢與達(dá)到最大灌漿速率時間和灌漿速率存在何種相關(guān)性有待進(jìn)一步探索研究。
葉綠素a/b值是影響光合功能的重要生理指標(biāo),較高的葉綠素a/b值有利于吸收低溫季節(jié)的長波光,較低的葉綠素a/b值有利于吸收夏季的短波光[22]。本研究中兩種地膜覆蓋下,不同施氮水平的葉綠素a/b值與灌漿期各階段的灌漿速率變化趨勢相似,都呈單峰變化,與關(guān)義新等[32]結(jié)果一致?;ê? d和36 d較低,前者是因?yàn)殚_花初始玉米由營養(yǎng)生長階段向生殖生長階段轉(zhuǎn)換,后者是因?yàn)槿~片衰老所致。氧化-生物雙降解地膜覆蓋下的葉綠素a/b均值在3.023~3.118,葉綠素a/b比值達(dá)到最大為花后12~24 d,在花后12~30 d維持較高水平,且N2、N3處理始終小于N0、N1處理;普通地膜覆蓋下的葉綠素a/b均值分別為3.032~3.111,葉綠素a/b比值達(dá)到最大為花后18~24 d,N2、N3處理均為花后24 d,在花后12~30 d維持較高水平,且N2、N3處理在花后12~18 d始終小于N0、N1處理,在花后24~30 d則與N0、N1處理相近。說明氧化-生物雙降解地膜和普通地膜覆蓋配施氮肥提高了灌漿期葉綠素a/b值,且在灌漿快增期維持較高水平,延長光合活性持續(xù)時間,高施氮水平(N2、N3)的葉綠素a/b值低于低施氮水平(N0、N1),有利于穗位葉吸收短波光進(jìn)行光合作用,并向籽粒轉(zhuǎn)移光合產(chǎn)物,從而提高籽粒質(zhì)量。
(1)一定范圍內(nèi)隨施氮水平的提高,達(dá)到最大灌漿速率的時間延遲,但最大灌漿速率和平均灌漿速率提高。氧化-生物雙降解地膜覆蓋配施氮肥有利于提高籽粒起始生長勢,調(diào)控籽粒進(jìn)入灌漿的時間,從而影響達(dá)到最大灌漿速率時間和灌漿速率。
(2)地膜覆蓋配施氮肥主要影響灌漿快增期、緩增期,延長了灌漿快增期和緩增期持續(xù)時間,并提高了快增期和緩增期的平均灌漿速率。兩種地膜覆蓋相比較,普通地膜覆蓋主要延長灌漿漸增期持續(xù)時間,并提高灌漿速率,氧化-生物雙降解地膜延長灌漿持續(xù)時間和提高灌漿速率的作用在快增期和緩增期逐漸顯現(xiàn)。
(3)地膜覆蓋配施氮肥提高灌漿期葉綠素a/b值,延長了光合活性持續(xù)時間,有利于提高籽粒質(zhì)量。兩種地膜覆蓋均延遲了光合活性達(dá)到最大值的時間。
(4)JN2和PN2處理的夏玉米較早啟動灌漿期,縮短灌漿漸增期,延長灌漿快增期和緩增期,提高最大灌漿速率、平均灌漿速率和各階段平均灌漿速率,提高光合作用效率,有利于提高籽粒質(zhì)量,是本試驗(yàn)中地膜覆蓋和施氮水平的最佳組合,從環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展角度考慮,JN2處理為更合理、有效和環(huán)保的組合方式。