不同氮肥处理夏玉米生理生态因子对光合-蒸腾作用的调控

2018-10-25李丰琇马英杰

干旱地区农业研究 2018年5期

李丰琇,马英杰

(新疆农业大学水利与土木工程学院, 新疆乌鲁木齐 830052)

光合作用是玉米进行物质生产的基本生理过程[1]，而叶片是玉米主要的光合器官，其较高的光合碳同化能力是作物获得高产的前提，在玉米生长发育过程中，氮素作为其吸收最多的矿质元素，是蛋白质( 酶) 及核酸的重要组成元素，主要通过影响叶绿素、二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)及光合器官结构而直接影响CO2同化[2]，氮素亏缺对玉米叶片的生长和光合作用具有一定的影响[3-5]，通常以光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等指标来反映[6]。

随着一个日变化过程中，太阳辐射、温度、湿度等环境因素的变化，影响玉米光合和蒸腾作用的生理、生态因子也随之发生不同的变化，对于描述不同施肥条件下玉米光合日变化特征的报道有很多。王晓娟等认为，施用有机肥比单施化肥更能促进玉米各生育期的光合强度[7]。吕鹏等认为与一次性施氮相比，分次施氮能延缓玉米叶片衰老且能提高光合利用率[8]。李耕等人通过两年的实验得出施氮后灌浆期玉米叶片的叶绿素含量的变化不是影响光合速率的主要因素[9]。张秋英等人对不同水肥耦合条件下，玉米的光合速率等因子及产量的变化趋势进行研究，认为无机肥和有机肥的配合可以在黑龙江省北部黑土区发挥玉米的生产潜力[10]。但是，对于不同施氮条件下，玉米叶片光合-蒸腾耦合机理的研究，及影响其变化的主要因素的研究还比较欠缺[11]。

夏玉米是新疆阿克苏地区的重要经济产物。本研究对日变化中玉米光合-蒸腾耦合关系进行观测分析，研究目的包括：1)探讨不同施氮量夏玉米叶片光合、蒸腾耦合关系的一般特征；2)探讨不同施氮量条件下玉米叶片光合-蒸腾耦合关系形成的机理。本研究将有利于增强对新疆干旱区夏玉米光合蒸腾作用的认识。

1 试验材料及方法

1.1 研究区概况

试验于2016年6月至10月在阿克苏地区温宿县红旗坡新疆农业大学林果实验基地内进行(东经80°20′，北纬41°16′)。气候类型为暖温干旱气候，降雨量稀少、蒸发量大、气候干燥，光热资源丰富，年日照时数2 800～3 000 h，无霜期每年有200～220 d。试验地地势平缓，地下水埋深10 m以上。试验区土壤性质如表1所示，有机质含量从表层0～20 cm的8.88～9.07 g·kg-1到50～60 cm的3.67 g·kg-1，随土层深度增加逐渐降低，各层土壤pH值较均一，总盐含量0.47～0.6 mg·g-1。

1.2 试验区的气象资料

根据设置在试验站的Watchdog气象站观测的气象资料，2016年6-10月的最高气温39.9℃(7月3日)，最低气温0.1℃(10月17日和10月27日)，6-10月平均气温19.6℃，累积降水量91 mm，最高太阳辐射388.54 wat·m-2(7月11日)，由于降雨导致最低太阳辐射出现在8月26日(86.73 wat·m-2)，最高月累积太阳辐射量出现在7月(8717.32 wat·m-2)，最低月累积太阳辐射出现在10月为4416.98 wat·m-2。6月22日至10月14日气象因素变化见图1。

1.3 供试材料与试验设计

供试玉米品种为新玉9号。种植在3 m×2.2 m的无底测坑内，采用人工点播，株行配置为(30+40+30+60)×25 cm，种植密度为96 000 plant·hm-2，采用一膜两管四行的膜下滴灌灌溉方式，两行玉米中间布一根滴灌带，滴头流量为0.8 L·h-1，滴头间距0.1 m。一个测坑内共种植8行玉米(小区布置见图2)。

试验在6月初玉米播种前，对所有测坑均漫灌1次。 6月22日统一播种，7月20日采用滴灌灌溉，9月14日停水，10月14日收获。

试验根据不同施氮量共设置3个处理(处理N1、N2和N3，设置N1为对照处理)，每处理3次重复，试验随机布置在9个测坑内。生育期内各处理每次灌水定额为375 m3·hm-2，灌水周期均为8 d。各处理均在播种前一次性施入纯磷189 kg·hm-2、纯钾60 kg·hm-2及纯氮67.5 kg·hm-2为底肥。后期均在玉米喇叭口期和玉米吐丝期追施氮肥(尿素)，采用滴施，各处理施纯氮量详见表2。

表1 试验区初始土壤性质

图1 2016年气象因素的变化Fig.1 Changes of whether elements in 2016

图2 小区布置图Fig.2 Diagram showing the plot arrangement

表2 试验方案

注：在8月18日由于一次较大降雨，各灌水时间顺延。

Note: Due to a heavy rainfall in August 18th, the irrigation time was postponed.

1.4 测定项目与方法

叶片光合-蒸腾日变化测定：采用CIRAS-3便携式光合仪配备透明方形叶室进行观测。该仪器可测定的参数包括：光合速率(A)、蒸腾速率(E)、叶片表面光合有效辐射(PAR)、叶片表面温度(T)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等多个微气象和生理参数(下文中，均用A表示“光合速率”，E表示“蒸腾速率”，PAR表示“叶片表面光合有效辐射”，T表示“叶片表面温度”，Gs表示“气孔导度”，Ci表示“胞间CO2浓度”)。日变化测定选择在玉米的灌浆期(9月11日)，在晴朗的天气状况下进行。每处理选择3个生长状况良好、叶面朝向一致、无病斑和破损且完全伸展的上部第1叶片进行观测。观测时间为9∶00到19∶00，每2 h观测1次。

叶片全氮含量测定：在玉米灌浆期，每个处理中取三片生长状况良好、无病斑且完全伸展的玉米叶片，烘干后运用FOSS全自动定氮仪对叶片全氮含量进行测定，每处理叶片全氮含量平均值见表3。

表3各处理叶片含氮量/(g·kg-1)

Table 3 Nitrogen content of leaf

处理Treatment叶片含氮量Leaf nitrogen contentN125.67bN223.85abN322.52a

1.5 数据分析

采用Excel 2003对数据进行整理，SPSS 20.0进行统计分析以及SigmaPlot 12.5制图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理光合与蒸腾调控因子的日变化

对于植物生长来说，氮肥与光照是两个重要因素[12]，叶片表面光合有效辐射(下文中“叶片表面光合有效辐射”均用PAR表示)是光合作用的能量来源，叶片表面温度(下文中“叶片表面温度”均用T表示)是叶片能量平衡力的感热组分，两者都与太阳辐射有密切关系[1]。在观测时段(9∶00-19∶00)内，处理N1、N2和N3的PAR和T受太阳高度和角度变化的影响呈现出单峰日变化特性。三个处理中，玉米叶片PAR峰值均出现在15∶00，分别为1 312.0 μmol·m-2·s-1、1 376 μmol·m-2·s-1和1 342 μmol·m-2·s-1；19∶00时最低，分别为117.5 μmol·m-2·s-1、153 μmol·m-2·s-1和155 μmol·m-2·s-1。如图3所示，三个处理PAR的日变化特征并未呈现出随着施氮量的增大而增大的变化趋势，N1处理的PAR小于N2、N3处理的PAR。处理N1和N3玉米叶片T峰值出现在13∶00，N2处理T峰值出现在15∶00，分别为38.3℃、39.55℃和41.35℃。

由图3可以看出，处理N1、N2和N3的胞间CO2浓度值在观测时段内，呈“U”型分布，在9∶00和19∶00较高，出现在PAR相对较低的时刻，分别为300、313 μmol·mol-1和309、301、370 μmol·mol-1和305 μmol·mol-1；从9∶00-15∶00Ci呈现出下降趋势，15∶00时出现最低值，15∶00-19∶00呈现出逐渐升高的趋势。然而，Ci并未呈现出随着施氮量的增加而增加的变化趋势，而是呈现出N2>N3>N1的变化趋势，但三者差异不显著。原因是早晨和傍晚玉米光合强度相对较弱(图4)，通过光合作用利用CO2较少，而在11∶00-15∶00是玉米通过光合作用利用CO2较多的时段。

气孔是叶片-大气间CO2和水汽交换的通道，是调控光合和蒸腾的重要生物学因子。在观测时段内，处理N1、N2和N3的气孔导度(下文中“气孔导度”均用Gs表示)均呈现出单峰日变化特征。三个处理的峰值均出现在15∶00，与PAR和T的峰值在相同时段出现，分别为186.5 mmol·m-2·s-1、253.5 mmol·m-2·s-1和192 mmol·m-2·s-1；最小值出现在19∶00，也与PAR最低值出现在同一时刻，其值分别为57.5 mmol·m-2·s-1、77.5 mmol·m-2·s-1和82 mmol·m-2·s-1。如图3所示，1天中Gs的变化趋势呈现出N1和N3处理处于较低水平，而N2处理处于相对较高水平，这是因为合理施氮肥可以改善叶肉细胞的光合能力，增强对细胞间CO2的利用，使Ci处于较低水平，从而导致Gs值较大，但过量施氮肥(N1)，可能会引起盐分胁迫，降低Gs值。

4个因子相互关联，其中玉米PAR-T、PAR-Gs和T-Gs之间具有极显著的正相关关系，r值分别为0.785**、0.845**和0.765**；玉米PAR-Ci、T-Ci个Gs-Ci呈极显著的负相关关系，r值分别为-0.927**、-0.884**、-0.739**(**代表达到统计极显著水平P<0.01)。

2.2 不同氮肥处理光合速率与蒸腾速率的日变化

在观测时段(8∶00-19∶00)内，三个处理中光合速率和蒸腾速率均呈现出单峰日变化特征(图4)。处理N1、N2和N3玉米叶片A和E的峰值出现在PAR相对较高的15∶00，其值分别为27.6、30.05 μmol·m-2·s-1和28.55、7.18、10.25 mmol·m-2·s-1和8.715 mmol·m-2·s-1；最小值出现在T最小的19∶00，其值分别为3.1、1 μmol·m-2·s-1和4.3、1.455、1.63 mmol·m-2·s-1和2.125 mmol·m-2·s-1。处理N1、N2、N3的A和E值的日变化特征均随着施氮量的增加呈现出先增大后减小的变化趋势。

图3 不同施肥水平玉米叶片表面光合有效辐射(PAR)、叶片温度(T)、细胞间CO2浓度(Ci)和气孔导度(Gs)的日变化Fig.3 Diurnal changes of summer maize PAR,T,Ci and Gs on different fertilizer amounts

图4 不同施肥水平玉米叶片光合速率(A)和蒸腾速率(E)的日变化Fig.4 Diurnal changes of summer maize A and E on different fertilizer amounts

2.3 玉米叶片光合-蒸腾日变化中的耦合关系特征

光合速率(A)是CO2向叶片内扩散，蒸腾速率(E)是水汽分子从叶肉细胞间隙向外扩散，A和E是一种平行关系。综合处理N1、N2和N3玉米的A-E呈现出极显著正相关关系(图5)，r为0.934**，其线性回归方程斜率为3.109。这说明在日变化过程中玉米叶片光合-蒸腾具有良好的线性耦合关系。

2.4 玉米叶片光合、蒸腾及其调控因子日变化中的关联关系

由图6可以看出，在玉米叶片光合、蒸腾及其生理和生态因子日变化中，PAR-A、PAR-E、T-A、T-E、Gs-A、Gs-E、Ci-A与Ci-E都具有形态相似的线性正相关关系(表4)。在PAR、T、Gs和Ci以及A和E发生较大变化的日变化中PAR-A、T-A、Gs-A和Ci-A与PAR-E、T-E、Gs-E、和Ci-E之间良好且形态相似的线性关系是维持A-E具有良好耦合性作用关系的生理生态学机理。

虽然PAR、T、Gs和Ci4个因子与A和E都表现出极显著正相关关系，但是它们的相关系数r具有明显差异。在PAR、T、Gs和Ci4个因子与A的线性回归中，PAR和Gs的r最大，表明PAR和Gs为调控A的主要因子。在PAR、T、Gs和Ci4个因子与E的线性回归中，Gs的r最大，表明Gs是调控E的最主要因子。

图5 A-E的耦合关系Fig.5 The linear coupling relationships between A and E

图6 PAR-A、PAR-E、T-A、T-E、Gs-A、Gs-E、Ci-A、Ci-E的相关关系Fig.6 The correlation of PAR-A,PAR-E,T-A,T-E,Gs-A,Gs-E,Ci-A and Ci-E

表4 PAR-A、PAR-E、T-A、T-E、Gs-A、Gs-E、Ci-A、Ci-E的线性拟合方程

注：**代表达到统计极显著水平P<0.01。Note: **indicatessignificantat0.01level.

3 讨论

3.1 不同氮肥处理光合作用日变化的调控因子

蒋菊芳[12]等认为在充分灌溉条件下，随着PAR的增大A也呈现出逐渐增大的变化趋势，且当PAR值达到2 500μmol·m-2·s-1时A值仍在缓慢增大，而PAR值在1 300μmol·m-2·s-1左右时，A值随PAR值的增高迅速增大，即在低于1/2饱和光强下，A-PAR呈很好的线性关系。在本次试验中，三个处理玉米叶片PAR的峰值分别为1 312.0μmol·m-2·s-1、1 376μmol·m-2·s-1和1 342μmol·m-2·s-1，与本试验中A-PAR表现出极显著的线性相关关系(图6，表4)的结果类似。在PAR、T、Ci和Gs 4个因子中，玉米叶片A-PAR和A-Gs的r均相对其它因子较大(r=0.924**，r=0.933**)，这表明PAR和Gs对A均具有明显的正向调控作用，对A的影响均较大(图6，表4)。T和PAR均是受太阳辐射可控制的微气象因子，T-PAR具有显著正相关关系(r=0.785**)。因此，A-T也表现为极显著正相关关系(图6，表4)。

根据表3，处理N1、N2和N3的叶片含氮量呈现出N1>N2>N3变化趋势，结合三个处理玉米叶片含氮量及图3中各因子的日变化特征可说明，光和有效辐射PAR是致使处理N2玉米的A值明显高于处理N1和N3玉米叶片A值的重要原因。虽然处理N1所施氮肥量最大且叶片含氮量最大，但是该处理玉米叶片的A值却最低，原因是由于过高的施氮量可能导致玉米叶片PAR值变小，叶肉细胞光合强度减弱，利用CO2的能力变弱，致使Gs值变小，Ci变大。

3.2 不同氮肥处理蒸腾作用日变化的调控因子

E由Gs和叶片表面水汽压饱和差(VPD)共同控制，三者之间的关系表现为：

E=Gs·VPD

(1)

由上式可以看出，Gs和VPD均对E有正向的调控作用。在PAR、T、Gs和Ci 4个因子中，玉米叶片E-Gs的r最大(图6，表4)，这表明Gs对E的线性调控作用最强，这一结果与赵风华[13]的研究结果类似。同时，T可影响VPD的变化，且T-VPD具有极显著正相关关系(r=0.934**)。因此，E-T也表现出极显著正相关关系。E-PAR呈现出正相关关系(图6，表4)，原因是植株的蒸腾作用是通过气孔散失水分和散热的过程，E作为玉米叶片潜热分量，受到太阳辐射的影响较大，即随着太阳辐射的增强而增强[14]。这表明PAR对E具有正向调控作用。结合三个处理玉米叶片含氮量及图3中各因子的日变化特征可说明，气孔导度是致使处理N2玉米的E值明显高于处理N1和N3玉米叶片E值的原因。虽然处理N1所施氮肥量最大且叶片含氮量最大，但是该处理玉米叶片的E值却最低，原因是，过高的施氮量可能导致利用CO2的能力减弱致使Gs值变小，Ci变大。

3.3 不同氮肥处理光合-蒸腾日变化耦合关系的形成机制

光合强度的大小是以太阳辐射(Rs)为起始点的生理因子(如: E、Gs、Ci)和生态因子(如: T、PAR等)的协同作用的结果。随着Rs的增大使得玉米叶片PAR升高，PAR的升高引起A变大，A的增强导致Ci降低，促使气孔张大，导致Gs变大。石多琴、陈延昭[15-16]等研究发现，随着施氮量的增加，玉米A、E、PAR和Gs值随着施氮量的增大而增大，但是施氮量达到540kg·hm-2时玉米A、E、PAR和Gs值呈下降趋势，与本研究的结果类似，玉米叶片A、E、PAR和Gs值并未呈现出随施氮量增大，玉米叶片光合强度增大的变化趋势，而是呈现出N2>N3>N1的变化趋势。结合N1、N2和N3处理的玉米叶片含氮量及表3分析，原因可能是，随着Rs的升高PAR值升高，通过增加一定量的氮肥可以促进玉米叶片的叶肉细胞进行光合作用，引起A变大并消耗大量的CO2，引起Ci值降低Gs值升高，导致E变强。相反，处理N1的施氮量过高，不利于玉米叶片的叶肉细胞进行光合作用，引起A值降低，导致Ci升高，Gs值降低。对于玉米叶片的蒸腾日变化特征，随着Rs的升高T升高，导致VPD增大，VPD和Gs同时增大促使玉米叶片的E值增大。但是同玉米叶片光合速率的日变化特征一样，随着施氮量的增大，玉米叶片的E值并未表现出增大趋势。原因可能是，适宜的施氮量(如N2处理的600kg·hm-2)促使CO2和水汽交换过程变强，引起玉米叶片气孔变大 Gs增大，导致E增强，但是过多或过少的施氮量会导致E减弱。

综合来看，日变化过程中，PAR、T、VPD和Gs的变化会引起A和E的变化，而PAR和Gs对A-E的同向调控使得A和E的变化趋势一样，因此综合处理N1、N2和N3的A-E表现出较为稳定的线性耦合关系。本研究所表述的不同施氮量光合-蒸腾耦合关系特征及其形成机理仅适用于生长在水分、氮素都较适宜环境的玉米叶片，对于各种胁迫条件下光合-蒸腾耦合关系变化过程的研究还需要做更多的工作。