不同N、P、K配比對小麥、玉米光合生理及周年水分利用的影響

楊永輝，武繼承，潘曉瑩，張潔梅，韓偉鋒，王　喆，王　越，何　方

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 河南 鄭州 450002； 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站， 河南 原陽 453514)

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不同N、P、K配比對小麥、玉米光合生理及周年水分利用的影響

楊永輝1,2，武繼承1,2，潘曉瑩1,2，張潔梅1,2，韓偉鋒1,2，王喆1,2，王越1,2，何方1,2

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 河南 鄭州 450002； 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站， 河南 原陽 453514)

摘要：為探明不同N、P、K配比在等灌水量條件下對小麥、玉米光合生理特征及周年水分利用的機(jī)理，采用大田實(shí)驗(yàn)，研究了不同N、P、K配比對小麥、玉米光合生理、產(chǎn)量及水分利用等的影響。結(jié)果表明：在小麥、玉米關(guān)鍵生育期進(jìn)行適量灌水并進(jìn)行追肥，促進(jìn)了小麥、玉米對水分和養(yǎng)分的吸收，實(shí)現(xiàn)水肥同步，改善其光合生理特征，促進(jìn)節(jié)水增產(chǎn)。不同處理均顯著提高了小麥和玉米的光合速率和葉片水分利用效率，且均以N3P2K2處理的光合速率和葉片水分利用效率最高(小麥分別為16.59 μmol·m-2·s-1和36.07 μmol·mmol-1，玉米分別為29.26 μmol·m-2·s-1和27.1 μmol·mmol-1)。同時，不同N、P、K配比均提高了小麥、玉米的成產(chǎn)要素。最終，以N2P2K2和N3P2K2處理的增產(chǎn)和節(jié)水效果最佳，其小麥、玉米單產(chǎn)和二者總產(chǎn)均高于其它處理，其小麥、玉米總產(chǎn)量分別較對照提高了30.3%和26.8%，周年水分利用效率分別較對照提高了30.5%和27.4%。而從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，本文推薦的N、P、K配比為N2P2K2。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)分配比；等灌水量；小麥；玉米；光合速率；水分利用效率

水、肥是農(nóng)作物生長的必要條件。N、P、K是作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，其在很大程度上決定了作物的光合能力和產(chǎn)量。作物干物質(zhì)90%以上來源于光合作用產(chǎn)物[1]。冬小麥、夏玉米輪作是華北地區(qū)的典型種植方式，兩者是典型的C3作物和C4作物，其對光照的吸收利用能力不同，玉米較小麥具有更高的光合能力。光合作用特性通常以光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及水分利用效率等指標(biāo)來反映[2]。葉片蒸騰作用是作物耗水的主要形式，水分利用效率是評價作物耐旱能力的重要指標(biāo)之一，反映了作物生產(chǎn)過程中單位水分的能量轉(zhuǎn)化效率，其受蒸騰速率和光合速率共同影響[3]。小麥和玉米的光合特性一直是作物生理生態(tài)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，前人的研究較多地集中于作物種植密度、光照、水分及養(yǎng)分供應(yīng)、溫度、病蟲害及其它栽培措施等對小麥、玉米光合特性的影響[4-6]，得出高光合能力的作物品種，其產(chǎn)量也相對較高，但作物不同生育階段光合能力的大小有所不同，Jorge[7]研究發(fā)現(xiàn)過去30年玉米產(chǎn)量的提高主要是子粒灌漿時間延長的結(jié)果，建議把灌漿時間作為高產(chǎn)玉米選擇的有效指標(biāo)。

合理的N、P、K施用可有效提高作物的凈光合速率、產(chǎn)量和肥料吸收利用率，改善作物的水分利用效率[8-10]，因此，肥料在提高作物水分利用效率和緩解干旱脅迫中的作用成為生理生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)。N、P、K施用不當(dāng)不但對作物的生長和產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響，而且過量施用會對環(huán)境造成影響[11-13]，肥力不足則影響水分的吸收和利用。水分不足影響作物營養(yǎng)物質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)，降低產(chǎn)量和品質(zhì)。不同水肥條件對作物的生長、干物質(zhì)分配及作物產(chǎn)量等產(chǎn)生重要影響[14-17]。適量施用氮肥可提高作物葉片光合機(jī)構(gòu)活性，增加干物質(zhì)積累量，增強(qiáng)植物對干旱的適應(yīng)能力[18-20]。而氮素缺乏可影響作物生理代謝過程[21-23]，最終影響其產(chǎn)量。相關(guān)研究表明，在一定條件下，施肥可大幅度提高作物的水分利用效率[24-28]，但Porver[29]的研究結(jié)果相反。有關(guān)小麥、玉米N、P、K最佳配比的研究已有很多，但對于小麥-玉米周年養(yǎng)分管理的研究并不多見。

因此，針對河南潮土區(qū)小麥、玉米輪作過程中的養(yǎng)分配置及水肥高效利用等問題，筆者采用小麥、玉米關(guān)鍵生育灌水并追肥的方式，研究了小麥、玉米關(guān)鍵生育期的光合生理及周年水分利用特征，以期為該地區(qū)的小麥、玉米周年水分與養(yǎng)分合理配置提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)在通許節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地進(jìn)行，海拔62 m。該地區(qū)屬溫暖帶半干旱型氣候，年降水量657.9 mm，其中68.8%集中在6—9月份，年際變化大，地表徑流豐枯年份非常懸殊，常有旱澇災(zāi)害發(fā)生，旱災(zāi)多于澇災(zāi)。試驗(yàn)地土壤屬壤質(zhì)潮土，肥力均勻，地勢平坦，耕層有機(jī)質(zhì)11.4 g·kg-1、全氮0.81 g·kg-1、堿解氮74.31 mg·kg-1、速效磷19.8 mg·kg-1、速效鉀90.3 mg·kg-1。該區(qū)種植方式為小麥、玉米輪作。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)開始于2013年10月小麥播種開始至2014年10月玉米收獲結(jié)束。試驗(yàn)養(yǎng)分設(shè)置：N1P1K1、N2P1K1、N3P1K1、N4P1K1、N1P2K1、N2P2K1、N3P2K1、N4P2K1、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2、N4P2K2、N0P0K0。N1、N2、N3、N4分別表示氮肥用量120、180、240 kg·hm-2和360 kg·hm-2(當(dāng)?shù)氐视昧繛?00 kg·hm-2)，P1、P2分別表示磷肥用量90 kg·hm-2和135 kg·hm-2，K1、K2分別表示鉀肥用量75 kg·hm-2和150 kg·hm-2。磷、鉀肥和氮肥均為一次性底施(撒于小區(qū)內(nèi)，先用小型拖拉機(jī)進(jìn)行翻耕，然后進(jìn)行旋耕、耙地)，在拔節(jié)期和灌漿期進(jìn)行灌水，灌水量為450 m3·hm-2·次-1(當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌水量過大，為600 m3·hm-2·次-1)。小麥品種為矮抗58。

玉米試驗(yàn)在小麥小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，養(yǎng)分設(shè)置：N1P1K1、N2P1K1、N3P1K1、N4P1K1、N1P2K1、N2P2K1、N3P2K1、N4P2K1、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2、N4P2K2、N0P0K0。N1、N2、N3、N4分別表示氮肥用量180、240、360 kg·hm-2和450 kg·hm-2(當(dāng)?shù)氐视昧繛?20 kg·hm-2)，P1、P2分別表示磷肥用量為90 kg·hm-2和135 kg·hm-2，K1、K2分別表示鉀肥用量為75 kg·hm-2和150 kg·hm-2。磷、鉀肥和氮肥為一次性底施(人工開溝條施，溝深5 cm)，分別在拔節(jié)期和灌漿期進(jìn)行灌水，灌水量450 m3·hm-2·次-1(當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌水量過大，為600 m3·hm-2·次-1)。玉米品種為鄭單958。

1.3測定項(xiàng)目與方法

1.3.1光合作用測定光合參數(shù)采用美國Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400光合儀測定。在小麥灌漿期(2014年5月15日)和玉米大喇叭口期(2014年7月25日)選擇晴朗無風(fēng)的天氣于9∶30—11∶00進(jìn)行光合參數(shù)的測定。

測定葉片部位: 小麥為旗葉，玉米為最新全展葉。

測定參數(shù): 凈光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度Gs(mmol·m-2·s-1)、蒸騰速率Tr(mmol·m-2·s-1)。

葉片水分利用效率WUE(μmol·mmol-1)計(jì)算公式[30-31]：

WUE=Pn/Tr

(1)

1.3.2各生育期生物量計(jì)算收獲時小麥以每小區(qū)收獲4 m2產(chǎn)量記產(chǎn)，玉米以每小區(qū)3行玉米產(chǎn)量記產(chǎn)，將其產(chǎn)量折合成每公頃產(chǎn)量。

1.3.3水分生產(chǎn)效率計(jì)算

水分生產(chǎn)效率(kg·mm-1·hm-2)=子粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/生育期耗水量(mm)

(2)

生育期耗水量=播種前0～100 cm土層土壤儲水量(mm)+生育期內(nèi)降雨量(mm)-收獲時0～100 cm土層土壤儲水量(mm)

(3)

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)光合各參數(shù)值均為9次重復(fù)(每處理3個重復(fù)內(nèi)分別測定3個樣品)的算術(shù)平均值，其它結(jié)果為3次重復(fù)的算術(shù)平均值，且所得的數(shù)據(jù)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)及相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件(DPS)進(jìn)行處理。

2結(jié)果與分析

2.1小麥、玉米生育期內(nèi)降雨量分析

從圖1中可知，2013年10月17日小麥播種到2014年9月30日玉米收獲時的總降雨量為548.9 mm。小麥生育期內(nèi)降雨量為191.7 mm，玉米生育期內(nèi)降雨量為357.3 mm。其中，2013年10月17日小麥播種到10月底無降水，11月降雨47.4 mm，2013年12月和2014年1月無降水，2014年2月到6月8日小麥?zhǔn)斋@，逐月降雨量分別為29.3、10.3、54.4、31.4、46.3 mm。說明小麥越冬期到返青期前旱情較為嚴(yán)重。從2014年6月12日玉米播種到10月3日收獲，逐月降雨量分別為27.4、21.7、82.4、225.6 mm。玉米灌漿后期的降雨量較高，不利于后期玉米子粒灌漿和收獲。

圖1小麥、玉米生育期內(nèi)降雨量分布

Fig.1Precipitation distribution during wheat and maize growth period

2.2不同處理對小麥光合生理特征的影響

在灌漿期測定了不同處理小麥的光合生理特征。從表1中可知，不同氮磷鉀配比處理的光合速率均顯著高于對照(N0P0K0)，而除N1P1K1、N2P1K1、N2P2K1、N3P2K1、N4P2K1、N4P2K2處理的蒸騰速率高于對照外，其它處理的蒸騰速率均較低，且以N2P2K1處理最高，N1P2K2處理最低。各處理中，以N3P2K2處理的光合速率最高，其次為N2P2K2處理。在低磷低鉀條件下，氮肥用量越高，其光合速率反而降低。在高磷低鉀和高磷高鉀條件下，小麥光合速率隨氮肥用量的增加均表現(xiàn)為先增加再降低的趨勢。小麥葉片的水分利用效率表現(xiàn)為：對照最低，N3P2K2處理最高，其次為N2P2K2和N1P2K2處理，其它處理居中。

注：同列不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note： Different letters in the same column mean significant difference atP<0.05, the same as below.

2.3不同處理對小麥成產(chǎn)要素及水分利用的影響

從表2中可知，不同氮磷鉀配比處理均提高了小麥的株高、穗長、小穗數(shù)和穗粒數(shù)，而有效降低了小麥不孕穗，且最終提高了小麥的產(chǎn)量。除對照、N4P2K2、N2P1K1、N3P1K1、N4P1K1處理外，其它處理的小麥產(chǎn)量均超過了7 500 kg·hm-2。在磷鉀用量均較低時，隨氮肥用量的增加小麥產(chǎn)量呈增加的趨勢。而在磷鉀用量均較高時，增加氮肥用量，對于小麥產(chǎn)量的提高更為有利，但氮肥用量過大，產(chǎn)量反而降低。各處理中，以N3P2K2處理的增產(chǎn)效果最佳，較對照增產(chǎn)29.0%。N4P1K1處理的小麥全生育期耗水量最高，N2P1K1處理耗水量最低。不同氮磷鉀配比均提高小麥的水分利用效率。在磷鉀相同條件下，小麥水分生產(chǎn)效率隨氮肥用量的增加表現(xiàn)為先降后增或先增后降的趨勢。只有當(dāng)高磷低鉀(P2K1)時，小麥水分生產(chǎn)效率隨氮肥用量的增加而提高，但各處理中以N2P2K2和N3P2K2處理顯著高于其它處理，分別較對照提高了28.0%和27.2%。

2.4不同處理對玉米光合生理特征的影響

在玉米大喇叭口期測定了不同處理玉米的光合生理特征。從表3中可知，不同氮磷鉀配比均提高了玉米葉片的光合速率和蒸騰速率。各處理中，以N3P2K2處理光合速率最高，其次為N1P2K1。以N1P2K2處理的蒸騰速率最高，其次為N4P2K1、N3P2K1和N4P2K2處理。同時，除N1P2K2和N4P2K1處理外，葉片水分利用效率均高于對照，且以N3P2K2處理最高，其次為N2P2K2、N1P2K1和N4P1K1處理，其它處理居中。

2.5不同處理對玉米成產(chǎn)要素及水分利用的影響

從表4中可知，不同氮磷鉀配比提高了玉米的葉片數(shù)、莖粗、穗位、株高、行粒數(shù)、穗粗、有效穗長及玉米產(chǎn)量。各處理中，以N4P2K1和N4P2K2處理的葉片數(shù)最多，以N1P2K2處理的莖粗顯著高于其它處理，以N2P1K1處理的穗位最高，N3P2K2和N4P1K1處理較其它處理的株高高，達(dá)233.4 cm。行數(shù)以N3P1K1處理最多，而行粒數(shù)以N3P2K2處理最多，N1P2K2處理穗粗較其它處理粗。而有效穗長以N1P1K1處理最長。玉米全生育期耗水量仍以N4P1K1處理最高，而N1P2K1處理最低。最終玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率均以N3P2K2和N2P2K2處理較其它處理高，分別較對照增產(chǎn)31.4%和32.4%，水分生產(chǎn)效率提高了34.5%和37.6%。

2.6不同處理對小麥-玉米周年水分利用的影響

從表5中可知，N3P2K2處理的小麥、玉米總產(chǎn)量最高，其次為N2P2K2處理。而小麥、玉米周年耗水量以N4P2K1最高，以N2P2K2和N3P2K2較其它處理低。最終，小麥、玉米總水分利用效率仍以N3P2K2處理最高，其次為N2P2K2處理，其分別較對照增產(chǎn)30.3%和26.8%，水分利用效率分別提高了30.5%和27.4%。

2.7周年耗水量、水分利用效率及產(chǎn)量相關(guān)性分析

對小麥、玉米周年耗水、水分利用效率及產(chǎn)量之間進(jìn)行相關(guān)性分析得出：總耗水量與總水分利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與周年小麥、玉米總產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，但差異不顯著(P>0.05)。而小麥、玉米總產(chǎn)量與總水分利用效率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。說明在通過周年小麥、玉米水肥管理促進(jìn)其水分利用的同時，也有利于其周年總產(chǎn)量的提高。

注 Note: *P<0.05， **P<0.01.

3結(jié)論

1) 不同N、P、K配比對小麥、玉米光合生理、產(chǎn)量及水分利用等產(chǎn)生重要影響。在小麥、玉米關(guān)鍵生育期進(jìn)行適量灌水并進(jìn)行追肥，可促進(jìn)小麥、玉米對水分的吸收的同時，促進(jìn)其養(yǎng)分的吸收，實(shí)現(xiàn)水肥同步。本研究發(fā)現(xiàn)，不同N、P、K配比處理均顯著提高了小麥光合速率，且以N3P2K2處理最高，其次為N2P2K2處理。小麥葉片的水分利用效率N3P2K2處理最高，其次為N2P2K2和N1P2K2處理，對照最低。說明磷鉀較高時施用氮肥更利于小麥葉片水分利用效率的提高。對玉米而言，各處理中，以N3P2K2處理光合速率和葉片水分利用效率均最高，而以N1P2K2處理的蒸騰速率最高，因此其葉片水分利用效率最低。說明在磷鉀用量較高時，高氮更利于玉米葉片水分利用效率的提高。

2) 不同N、P、K配比處理均提高了小麥的株高、穗長、小穗數(shù)和穗粒數(shù)，且有效降低了小麥不孕穗，且最終提高了小麥的產(chǎn)量。在磷肥用量較高時，施用氮肥增產(chǎn)幅度更大。而在磷鉀肥用量均較高(P2K2)時，增加氮肥用量對于小麥產(chǎn)量的提高更為有利，但氮肥用量不宜過大(N4)。說明磷鉀肥用量較高，而氮肥用量適宜時更有利于發(fā)揮肥效，促進(jìn)小麥產(chǎn)量的提高。各處理中，以N3P2K2處理的增產(chǎn)效果最佳，較對照增產(chǎn)29.0%。在高磷低鉀條件下，小麥水分利用效率隨氮肥用量的增加而提高，但各處理中以N2P2K2和N3P2K2處理顯著高于其它處理，分別較對照提高了28.0%和27.2%。同時，不同氮磷鉀配比提高了玉米的葉片數(shù)、莖粗、穗位、株高、行粒數(shù)、穗粗、有效穗長及玉米產(chǎn)量。最終玉米產(chǎn)量和水分利用效率均以N3P2K2和N2P2K2處理較其它處理高，分別較對照增產(chǎn)31.4%和32.4%，水分利用效率提高了34.5%和37.6%。

3) 對于周年效應(yīng)而言，在磷鉀用量較高時，小麥、玉米周年耗水量明顯低于低磷低鉀和高磷低鉀的條件，說明磷鉀用量的提高促進(jìn)了小麥、玉米對水分的消耗，提高了水分利用率。最終以N3P2K2處理的小麥、玉米總產(chǎn)量和周年水分利用效率最高，其次為N2P2K2處理，而從農(nóng)業(yè)部提倡的減肥減藥和經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮，本研究推薦的氮磷鉀配比為N2P2K2。

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Photosynthetic parameters and water use efficiency of wheat and maize under different rates of N, P and K

YANG Yong-hui1,2, WU Ji-cheng1,2, PAN Xiao-ying1,2, ZHANG Jie-mei1,2,HAN Wei-feng1,2, WANG Zhe1,2, WANG Yue1,2, HE Fang1,2

(1.InstituteofPlantNutrition&ResourceEnvironment,HenanAcademyofAgriculturalSciences,Zhengzhou,Henan450002,China;2.YuanyangExperimentalStationofCropWaterUse,MinistryofAgriculture,Yuanyang,Henan453514,China)

Keywords:nutrient ratio; irrigation amount; wheat; maize; water use efficiency

Abstract：Field experiment was conducted to explore the mechanism of photosynthesis and water use efficiency of wheat and maize, under different N, P, and K rates of the same irrigation condition. The results showed that: the reasonable irrigation and fertilization in key growth stage of wheat and maize can promote and synchronize the water and nutrient uptake, improve the photosynthetic physiological characteristics, promote water-saving and increase crop yield. Different N, P, and K treatments significantly increased photosynthetic rate and leaf water use efficiency, And the photosynthetic rate and leaf water use efficiency of N3P2K2 treatment was the highest. Meanwhile, different ratios of N, P, and K nutrition increased the yield component of wheat and maize. Finally, the water use efficiency and yield were the best for N2P2K2 and N3P2K2 treatments. However, the recommended NPK ratio for high profit was N2P2K2.

文章編號：1000-7601(2016)03-0054-06

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.08

收稿日期：2015-04-06

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA102904);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201203077);國家科技支撐計(jì)劃(2013BAD07B07);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1404404);河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)秀青年科技基金(2016YQ12)

作者簡介：楊永輝(1978—)，男，陜西西安人，博士，副研究員，主要從事節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)與理論研究。E-mail: yangyongh@mails.qucas.ac.cn。

中圖分類號：S147.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A