水氮限量供給對鹽漬化農(nóng)田玉米光能利用與產(chǎn)量的影響

徐 昭 史海濱 李仙岳 田 彤 付小軍 李正中

(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)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域管理局沙壕渠試驗站， 巴彥淖爾 015400)

0 引言

河套灌區(qū)是國家重要的糧食產(chǎn)區(qū)[1]，保障灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展對于國家糧食安全意義重大。然而，水資源短缺[2]、土壤鹽漬化[3]以及氮素流失造成的環(huán)境污染[4]等問題制約了河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在地面灌溉作為灌區(qū)基本灌水方式的背景下，改進水氮模式、提高水氮利用率對促進灌區(qū)經(jīng)濟、環(huán)保、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實意義。

為了達到可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，作物水氮管理的改進需要通過深入了解其在限量水氮條件下的生理過程，利用盡可能低的水氮投入獲得較大的經(jīng)濟產(chǎn)量。光合作用是產(chǎn)量的直接來源[5]，而光能是作物進行光合作用等生理活動的主要驅(qū)動因子[6]。與水、肥等資源相比光能具有無限制性的特點，但它又是瞬時性的不能被儲存，所以一定時間空間范圍內(nèi)光能截獲和利用能力決定著農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)潛力[7-8]，實現(xiàn)作物光能利用的調(diào)控就成為作物生產(chǎn)的核心目標(biāo)。已有研究表明，栽培管理措施等因素通過影響作物冠層結(jié)構(gòu)及冠層形成過程，進而影響作物的光能利用[9-10]，作物產(chǎn)量與生長后期光能利用關(guān)系極為密切[11]。而關(guān)于作物光能利用的研究多以不同種植方式(間套作、密度)、品種形成不同群體結(jié)構(gòu)，對作物冠層光能截獲、分布以及光能利用率等進行研究[12-13]。灌水和施氮對以上生理生態(tài)過程具有顯著的影響，關(guān)于水、氮對光能利用的研究也引起了不少學(xué)者的關(guān)注。HAMZEI等[14]研究表明，水、氮及交互作用顯著影響油菜光截獲率和光能利用效率，生物產(chǎn)量與光能截獲量呈顯著正相關(guān)；谷曉博等[15]研究發(fā)現(xiàn)，水、氮對光能利用效率(RUE)的影響有顯著的交互作用，中水中氮能顯著提高冬油菜的RUE，而過量灌溉或施氮對冬油菜RUE促進作用不明顯，甚至有下降趨勢；張珂珂等[16]研究表明，減氮補水處理在灌漿期明顯改善了群體的光照環(huán)境，其孕穗期葉面積指數(shù)最高，灌漿期葉面積指數(shù)下降速率最慢，延長了葉片的功能期，光合勢平均提高9.7%，提高了光能利用，最終產(chǎn)量最高。同樣也有學(xué)者研究得出，土壤鹽分是影響旱區(qū)作物生產(chǎn)的又一關(guān)鍵因素[17]，鹽分通過抑制株高、葉面積指數(shù)等指標(biāo)[18]顯著影響作物冠層結(jié)構(gòu)，進而影響作物群體光能利用。此外，過量施用氮肥有可能加重土壤的鹽漬化，并且增大土壤鹽分對作物生長的抑制作用[19]。在河套灌區(qū)土壤鹽漬化程度高、地下水埋深較淺的特殊環(huán)境下，不同水氮條件對鹽漬化農(nóng)田作物光能利用及產(chǎn)量的影響研究還未引起足夠的重視，水氮互作的增產(chǎn)效應(yīng)與光能利用間的關(guān)系還需進一步研究。

本文以河套灌區(qū)主要糧食作物玉米為研究對象，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水氮用量為參照，探究氮肥施用與水資源限量條件下鹽漬化農(nóng)田玉米在生殖生長階段如何優(yōu)化資源獲取策略，以實現(xiàn)光能利用的調(diào)控，并以光能高效利用和穩(wěn)產(chǎn)為依據(jù)，確定鹽漬化農(nóng)田玉米種植適宜水氮用量，以期為河套灌區(qū)畦灌條件下玉米農(nóng)田水氮管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2016年4—9月在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)沙壕渠試驗站(40°54′25″ N，107°9′28″ E，海拔1 038 m)進行。該試驗地多年平均氣溫7.7℃，無霜期135～150 d。大于10℃的年積溫為3 551℃，年平均日照時數(shù)3 200 h，全年太陽總輻射約為6 000 MJ/m2，熱量充足，其中玉米種植面積已達到灌區(qū)總播種面積的1/3以上。該地區(qū)屬于典型的干旱地區(qū)，多年平均降雨量143 mm，蒸發(fā)量2 100 mm。玉米生長季降雨量為130 mm(圖1)，玉米抽雄期和灌漿期的太陽輻射分別為280.0、721.1 MJ/m2。

試驗田土壤具有明顯分層，0～20 cm土層為粉壤土，20～40 cm土層為粉質(zhì)黏壤土，40～60 cm土層為粉壤土，60～100 cm為砂壤土。試驗田0～100 cm平均土壤容重1.48 g/cm3，平均田間持水率為25.01%，播種前0～100 cm平均土壤電導(dǎo)率為0.595 dS/m。試驗前表層0～30 cm土壤速效氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)質(zhì)量比分別為 16.31 mg/kg、5.26 mg/kg、128.75 mg/kg和4.23 g/kg。

圖1 2016年玉米生長季降雨量和氣溫Fig.1 Rainfall and air temperature during growing season of maize in 2016

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)畦灌，設(shè)水、氮兩個因素。參照當(dāng)?shù)赜衩追N植常規(guī)灌溉量[20]和施氮量[21]，設(shè)3個灌水水平，分別為W1(低水)、W2(中水)、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉量W3(高水)；3個施氮水平，分別為N1(低氮)、N2(中氮)、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量N3(高氮)。試驗共設(shè)9個處理，3次重復(fù)，共27個小區(qū)，各小區(qū)長7 m，寬5 m，面積為35 m2。各小區(qū)間打15 cm高田埂并埋設(shè)1 m深聚氯乙烯塑料布隔離。

供試玉米品種為內(nèi)單314，大小行種植，大行距70 cm，小行距40 cm，株距27.7 cm。根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實踐，播前施450 kg/hm2基肥磷酸二銨(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%)，剩余氮肥以尿素(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)的形式分別在玉米拔節(jié)期及大喇叭口期灌溉時追施(施氮量各占1/2)。全生育期在拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期進行3次灌水，灌水量通過水表記錄，具體灌水和施氮設(shè)計見表1，施氮量為換算后的純氮素量。

1.3 觀測項目與方法

1.3.1土壤含水率和電導(dǎo)率

取土樣分6層，分別為：0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。采用干燥法測定土壤含水率，采用電導(dǎo)率儀測定土水質(zhì)量比為1∶5的土壤浸提液的電導(dǎo)率。

表1 灌溉和施氮量設(shè)計Tab.1 Design of amounts and dates of water and nitrogen application

1.3.2葉面積指數(shù)和地上生物量

玉米出苗后每10～15 d取樣測定1次葉面積和地上生物量，每個處理選取長勢較均勻的3株玉米。測定完葉面積以后，將樣品移至干燥箱，在105℃的通風(fēng)干燥箱中殺青30 min，然后70℃下干燥至恒定質(zhì)量，測定單株的干質(zhì)量。

1.3.3光合勢

光合勢是反映作物群體綠葉面積大小及其持久性的生理指標(biāo)，其大小直接反映了葉片的光合能力大小[22]，計算式為[23]

LAD=(LAI1+LAI2)(t2-t1)/2

(1)

式中LAD——作物群體光合勢，(m2·d)/m2

LAI1、LAI2——前后兩次測定的葉面積指數(shù)，m2/m2

t1、t2——前后兩次測定時間，d

1.3.4葉傾角

葉傾角是葉柄法線與水平面的夾角。每個處理選長勢較均勻的3株玉米，在田間活體測定主莖和不同葉位葉片的葉基角(葉片與莖的夾角)和葉片面積，葉基角的余角即為葉傾角[24]。冠層平均葉傾角計算式為[24]

(2)

式中MFIA——作物冠層平均葉傾角，(°)

MFIAi——第i片葉的葉傾角，(°)

LAi——第i片葉的葉面積，m2

LA——植株總?cè)~面積，m2

1.3.5產(chǎn)量、千粒質(zhì)量和單株籽粒數(shù)

玉米成熟時，在各小區(qū)非邊行選取標(biāo)準(zhǔn)樣株20株，單獨收獲考種測產(chǎn)，并分別測定每株籽粒的數(shù)量。然后混合均勻，隨機取1 000粒，測定籽粒千粒質(zhì)量，重復(fù)3次，取均值。

1.3.6光合有效輻射(PAR)

參考WANG等[25]和崔亮等[12]測定方法，在玉米拔節(jié)期灌水后利用 AccuPAR LP-80 型冠層儀(Decagon Devices, Pullman, 美國)測定冠層頂部30 cm和底部的PAR，每隔10～15 d選擇晴朗天氣測定，測定時間為11:00—13:00[12，26]，觀測在小區(qū)中間位置進行，重復(fù)5次。

1.3.7入射太陽輻射

采用LI-200SA型太陽總輻射傳感器連續(xù)測定冠層頂部入射太陽輻射，每1 h記錄一次。

1.3.8地下水位

在試驗田安置地下水位觀測井，生育期每2～5 d測1次地下水位。玉米苗期-大喇叭口期地下水位較淺，平均為1.01 m。生長后期(抽雄期-收獲期)地下水位較深，平均為1.59 m。

1.4 計算方法

土壤儲水量計算式為

(3)

式中W——土壤儲水量，mm

γi——第i層土壤容重，g/cm3

di——第i層土層厚度，cm

θi——第i層土壤質(zhì)量含水率，%

光截獲率F的計算采用Beer定律，計算式為[21]

F=[1-exp(-kLAI)]×100%

(4)

(5)

式中F——光截獲率，%

k——作物消光系數(shù)

LAI——葉面積指數(shù)

IS——作物冠層底部的光合有效輻射強度，MJ/(m2·s)

I0——作物冠層頂部的光合有效輻射強度，MJ/(m2·s)

光能利用效率參考HAMZEI等[14]和崔亮等[12]的計算方法，階段光合有效輻射總量參考DANSO等[9]的計算方法，其參考MONTEITH等[27]研究成果，假設(shè)太陽總輻射的一半為光合有效輻射，具體計算公式為

RUE=ΔW/IPAR

(6)

(7)

式中RUE——玉米光能利用效率，g/MJ

ΔW——該階段地上部生物累積量，g/m2

IPAR——階段光合有效輻射總量，MJ/m2

Qi——每日太陽總輻射，MJ/m2

其中玉米抽雄期冠層光截獲率F根據(jù)7月13日和7月26日2次測定平均求得，灌漿期光截獲率F根據(jù)8月5日、8月15日和8月26日3次測定平均求得。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel整理數(shù)據(jù)和制圖，利用SPSS 17.0軟件進行方差分析和相關(guān)分析，多重比較采用LSD法。通徑分析具體計算過程參見文獻[28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮限量供給對土壤水分和鹽分的影響

土壤水鹽狀況影響著作物冠層的發(fā)育和光合生產(chǎn)能力，探討不同水氮處理對土壤水鹽環(huán)境的影響，可為進一步研究玉米光能利用指標(biāo)提供一定的理論支持。

不同水氮處理在0～60 cm和60～100 cm土層的儲水量變化過程如圖2a和圖2b所示。抽雄期，高水中氮處理(W3N2)在0～60 cm土層水分消耗量較其余處理顯著增加15.45%～39.40%。中水中氮處理(W2N2)在60～100 cm土層水分消耗量較其余處理(除了與W3N2差異不顯著)顯著增加15.71%～43.94%。灌漿前中期，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水氮處理(W3N3)、W2N2在0～60 cm土層水分消耗量顯著高于其余處理(P<0.05)，而W2N2該土層水分消耗量較W3N3顯著減小14.62%。灌漿期灌水后至收獲，W2N2在60～100 cm土層水分消耗量最大，較其余處理(除了與W1N2差異不顯著)顯著增加了14.24%～53.34%。說明W3N3主要利用0～60 cm淺層土壤水分，而W2N2明顯促進了玉米對深層土壤水分的利用。

圖2 不同水氮條件下玉米土壤儲水量和土壤電導(dǎo)率變化Fig.2 Dynamics of soil water condition and soil electrical conductivity in maize growth stage in 2016

不同水氮條件下0～100 cm土層電導(dǎo)率變化過程如圖2c所示。拔節(jié)期灌溉和追肥后，低水W1和中水W2水平下，低氮N1、中氮N2的土壤電導(dǎo)率分別較常規(guī)施氮N3減小22.76%、12.15%和21.31%、12.43%；高水W3水平下，N1、N2的土壤電導(dǎo)率較N3減小6.90%、2.20%，差異不顯著。大喇叭口期灌水和追肥后，W3N2土壤電導(dǎo)率較W2N2減小5.75%，差異不顯著。分析各處理抽雄-灌漿期土壤電導(dǎo)率均值發(fā)現(xiàn)，相同灌溉水平下土壤電導(dǎo)率均值隨著施氮量的增加而增大。W2N2抽雄-灌漿期0～100 cm土壤電導(dǎo)率均值較其余水氮處理(除了與W3N1、W2N1差異不顯著)減小11.31%～23.55%。

由上述分析可以看出，W2N2處理明顯改善了玉米生長后期土壤水鹽狀況，有利于光合生理活動的進行。

2.2 不同水氮條件下冠層光截獲率及其影響要素

2.2.1不同水氮處理對冠層葉面積指數(shù)的影響

葉面積指數(shù)(LAI)是影響光截獲的主要因素。表2數(shù)據(jù)分析表明，灌溉和施氮顯著影響抽雄-灌漿期LAI，水氮交互作用對LAI影響不顯著。在W1水平下，N2顯著大于N3和N1；在W2水平下，N2的LAI顯著大于N3，N2與N1差異不顯著；在W3水平下，各施氮水平的LAI由大到小表現(xiàn)為N3、N2、N1，差異不顯著。說明鹽漬化農(nóng)田玉米LAI在一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加而增大，而過量施氮不會顯著提高LAI，特別在限量灌溉條件下甚至有顯著抑制的趨勢。相同施氮水平下，W3、W2的LAI顯著大于W1。比較各水氮交互處理LAI，W2N2最大(4.96)，較其余處理高1.64%～26.53%，但與W3N3無顯著差異，說明鹽漬化農(nóng)田適度減水控氮不會顯著影響玉米LAI。

2.2.2不同水氮處理對冠層平均葉傾角的影響

葉傾角(MFIA)是表征作物冠層幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)，葉角的分布與冠層光截獲關(guān)系緊密。由表2可知，灌溉、施氮及交互效應(yīng)對MFIA影響不顯著。相同灌溉量平均后顯示，W2的MFIA最小，較W1、W3小4.06°、1.86°；相同施氮量平均后顯示，N2的MFIA最小，較N1、N3減小0.61°、1.89°。各水氮交互處理間，W2N2的MFIA最小，較其余水氮處理(除了與W3N3、W2N1差異不顯著)顯著減小9.05%～17.01%，較小的MFIA表征冠層結(jié)構(gòu)更加披散，有利于冠層光能截獲。這是由于葉傾角的變化與LAI的動態(tài)變化關(guān)系密切，隨著玉米生育進程的推進，較大的葉片在重力作用下逐漸向下傾斜，MFIA逐漸減小。

2.2.3不同水氮處理對冠層光截獲率的影響

由表2可知，灌溉顯著影響玉米抽雄-灌漿期的光截獲率，施氮和水氮交互作用對光截獲率影響不顯著。相同灌溉水平下，各施氮水平的光截獲率無顯著差異。相同施氮水平下，W3和W2的光截獲率顯著高于W1，W3和W2差異不顯著，這可歸因于低水顯著減小LAI，不利于光截獲。比較各水氮交互處理抽雄-灌漿期光截獲率均值，W2N2最大(89.56%)，但與W3、W2各處理差異不顯著。這說明鹽漬化農(nóng)田限量25%灌溉和施氮不會造成玉米冠層光截獲率的顯著變化。

表2 玉米抽雄-灌漿期光截獲率、光合勢及影響要素方差分析和均值比較Tab.2 Analysis of variance and means comparison for light interception rate, leaf area duration of maize and influencing factors during tasseling-filling stage

注：相同施氮水平下，同一列數(shù)字后的不同小寫字母表示不同灌水水平在0.05水平上差異顯著。相同灌水水平下，同一列數(shù)字后的不同大寫字母表示不同施氮水平在0.05水平上差異顯著。*和** 分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著。下同。

2.3 不同水氮條件下光能利用效率

作物的光能利用效率是一個復(fù)雜的過程，其受到階段生物量和光截獲量的綜合影響。作物光能利用效率(RUE)通常表述為地上生物量與光截獲量之比[15]。不同水氮處理對光能利用效率的影響見表3。

表3 玉米抽雄-灌漿期生物累積量和光能利用效率方差分析和均值比較Tab.3 Analysis of variance and means comparison for biomass accumulation and RUE of maize during tasseling-filling stage

灌溉顯著影響抽雄-灌漿期的RUE(P<0.05)。在抽雄期，相同灌溉量平均后，W1平均2.63 g/MJ，顯著低于W2、W3，W2與W3無顯著差異。在灌漿期，從W1到W2玉米RUE平均增大3.68%，而從W2到W3則平均減小8.28%，這種現(xiàn)象可能是因為W2較W3灌漿期生物累積量增加8.54%，而光能截獲率較W3降低0.46%，從而具有較高的RUE。

施氮顯著影響抽雄-灌漿期的RUE(P<0.05)。在抽雄期，相同施氮量平均后顯示，N2、N3的光能利用效率顯著高于N1，N2與N3無顯著差異。在灌漿期，相同灌溉水平下，RUE隨著施氮量的增加呈先增后減的趨勢。相同施氮量平均后顯示從N1到N2玉米RUE平均增大34.78%，而從N2到N3則平均減小12.37%，這可歸因于常規(guī)施氮N3顯著增大了土壤電導(dǎo)率，已有研究表明鹽分脅迫導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)化效率的降低[29]。

水氮交互作用對抽雄-灌漿期RUE影響顯著。比較各水氮交互處理，抽雄期W3N2的RUE顯著高于其余處理(P<0.05)。原因可能是W3N2在抽雄初期的LAI較小(4.79，見圖3)，但基本接近作物冠層LAI臨界值。據(jù)報道作物冠層LAI臨界值為5.0，此時可以最大化地攔截入射輻射[30]。相比其余處理，W3N2在可較大化地攔截入射輻射的同時，減少了抽雄初期蒸騰水分消耗[31]，而且較高的灌溉量和較低的施氮量可相對減少土壤含鹽量，有利于玉米抽雄中后期的生長。W3N2在抽雄期0～60 cm土層水分消耗量較其余處理增加15.45%～39.40%，這也說明了W3N2在抽雄期生長旺盛。W3N2在抽雄期累積了較多的生物量，最終具有較高的RUE。灌漿期RUE最高的為W2N2處理，較其余水氮處理顯著提高18.61%～66.93%(P<0.05)，其中較W3N3提高44.30%。

圖3 玉米抽雄-灌漿期葉面積指數(shù)動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of LAI during tasseling-filling stage

由以上分析可以看出，鹽漬化農(nóng)田玉米在籽粒形成的灌漿期，光能利用效率與灌溉量和施氮量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，而過量灌溉或施氮對玉米的RUE有抑制作用，適度減氮控水能顯著提高RUE。

2.4 不同水氮條件下產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素

如表4所示，灌溉顯著影響產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素(除收獲指數(shù))。施氮顯著影響產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及千粒質(zhì)量，而對收獲指數(shù)和單株籽粒數(shù)影響不顯著。水氮交互作用顯著影響千粒質(zhì)量，而對其余指標(biāo)影響不顯著。相同灌溉量下，玉米產(chǎn)量隨施氮量增加呈拋物線變化趨勢。在W3和W1水平下，N3和N2的產(chǎn)量顯著高于N1，N3與N2無顯著差異；在W2水平下，N2的產(chǎn)量顯著高于N3和N1。相同施氮水平下，W1的產(chǎn)量和單株籽粒數(shù)顯著低于W2和W3。因此，同一施氮量下，W1產(chǎn)量顯著低于W3、W2的原因是其單株籽粒數(shù)的顯著減小。ESTRADA-CAMPUZANO等[30]研究發(fā)現(xiàn)，不同水分條件下小麥產(chǎn)量的變化主要與單位面積籽粒數(shù)量有關(guān)，水分虧缺顯著減少單位面積籽粒數(shù)量，這與本文研究結(jié)果相近。

表4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素方差分析和均值比較Tab.4 Analysis of variance and means comparison for yield and yield components

由表4可以看出，最大生物產(chǎn)量是W3N2(20 128.4 kg/hm2)，其次是W2N2(19 287.3 kg/hm2)，最小為W1N1(15 229.6 kg/hm2)，W3N2、W2N2之間差異不顯著。由收獲指數(shù)分析得到，W3N2的收獲指數(shù)最小(44.9%)，顯著小于W2N2(P<0.05)。由產(chǎn)量分析可知，W2N2產(chǎn)量最大(9 384.3 kg/hm2)，W2N2較W3N3、W3N2增產(chǎn)4.01%、3.91%，差異不顯著，W1N1產(chǎn)量最小(7 055.4 kg/hm2)。綜合分析可以看出W2N2產(chǎn)量最大的原因是其千粒質(zhì)量較W3N3的顯著提高(P<0.05)。

2.5 產(chǎn)量效應(yīng)影響因素分析

表5是不同灌溉量及施氮量條件下玉米產(chǎn)量與灌漿期的耗水量、土壤電導(dǎo)率、LAI、生物累積量、光合勢、光截獲率、RUE的相關(guān)分析和通徑分析。從表5可知，產(chǎn)量與灌漿期的LAI、光合勢、光截獲率、耗水量呈顯著正相關(guān)。LAI與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)最大(R=0.929)。

由產(chǎn)量與上述指標(biāo)的直接通徑系數(shù)可以看出，各因素對產(chǎn)量的影響順序由大到小為:RUE、光合勢、光截獲率、耗水量、土壤電導(dǎo)率、LAI、生物累積量。由產(chǎn)量與上述指標(biāo)的間接通徑系數(shù)可以看出，耗水量通過光截獲率對產(chǎn)量的貢獻最大，為0.897。土壤電導(dǎo)率通過LAI對產(chǎn)量的貢獻最大，為0.713。LAI、光截獲率、RUE分別通過光合勢對產(chǎn)量的貢獻最大，分別為1.249、1.125、0.213。生物累積量通過RUE對產(chǎn)量的貢獻最大，為2.697。光合勢通過光截獲率對產(chǎn)量的貢獻最大，為1.027。

表5 玉米產(chǎn)量與影響因素的相關(guān)分析和通徑分析Tab.5 Correlation analysis and path analysis between yield of maize and influence factors during filling stage

注:X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別表示灌漿期的耗水量、0～100 cm平均土壤電導(dǎo)率、葉面積指數(shù)、生物累積量、光合勢、光截獲率和光能利用效率。

通過以上分析可以得到，RUE對產(chǎn)量的直接貢獻最大，光合勢、光截獲率對產(chǎn)量的直接貢獻較大，生物累積量、LAI、光合勢和光截獲率均通過RUE對產(chǎn)量的間接貢獻較大。LAI通過光合勢、光截獲率、RUE對產(chǎn)量的間接貢獻較大。結(jié)合簡單相關(guān)分析與間接通徑系數(shù)分析，LAI之所以對產(chǎn)量影響較大，主要是間接通過光合勢、光截獲率和RUE的作用來實現(xiàn)的。

3 討論

3.1 灌溉和施氮量對鹽漬化農(nóng)田水土環(huán)境的影響

GAO等[36]研究表明，在河套灌區(qū)減少灌水量，有利于增大玉米對淺埋地下水的利用量。本研究表明，在鹽漬化農(nóng)田玉米灌漿期灌水后至收獲，W2N2處理60～100 cm土層水分消耗量最大，較其余處理(除了與W1N2差異不顯著)顯著增加了14.24%～53.34%，明顯促進了玉米對深層土壤水分的利用，這與GAO等[36]研究結(jié)果一致。符鮮等[37]研究發(fā)現(xiàn)同一鹽漬化程度土壤電導(dǎo)率均隨著施氮量的增加而增大。這與本研究結(jié)果相似，相同灌溉水平下鹽漬化農(nóng)田玉米抽雄-灌漿期土壤電導(dǎo)率均值隨著施氮量的增加而增大。本研究中W2N2較其余處理(除了與W3N1、W2N1差異不顯著)顯著降低了玉米抽雄-灌漿期土壤電導(dǎo)率。這是因為土壤鹽分變化受到灌溉、施氮、LAI、蒸發(fā)等多種因素影響，W2N2相比高氮處理，適度減氮相對減小了鹽漬土壤電導(dǎo)率，且其較大的LAI可以抑制棵間蒸發(fā)[31]和鹽分表聚，而W3N2處理由于灌水量較多，在抽雄期生長旺盛，加重了作物蒸騰耗水，導(dǎo)致鹽分向耕作層遷移。谷曉博等[15]研究表明不同灌水量處理下的氮素營養(yǎng)指數(shù)均隨施氮量的增加而增加。因此，W2N2在改善玉米生長后期土壤水鹽狀況的同時，相比W3N1、W2N1施用較多的氮肥，可保障生長后期光合作用所需的氮素供應(yīng)。說明適度減氮控水的W2N2改善了鹽漬化農(nóng)田玉米生長后期土壤水、鹽及養(yǎng)分狀況，為作物生長后期合理冠層結(jié)構(gòu)的形成和較高光合性能的保持提供了有利條件。

3.2 灌溉和施氮量對鹽漬化農(nóng)田玉米冠層結(jié)構(gòu)的影響

冠層結(jié)構(gòu)的改變會影響作物對光能的利用。葉面積指數(shù)、葉傾角是構(gòu)建作物合理冠層結(jié)構(gòu)的重要調(diào)控指標(biāo)[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽漬化農(nóng)田玉米LAI在一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加而增大，而過量施氮不會顯著提高LAI，特別在限量灌溉條件下甚至有顯著抑制的趨勢。這是由于鹽漬化土壤電導(dǎo)率隨著施氮量的增加而增大，過量施氮可能會加重土壤鹽分脅迫，抑制作物生長[19]。W2N2處理的LAI最大，與W3N3無顯著差異。W2N2的葉傾角最小，顯著小于其余水氮處理(除了與W3N3、W2N1差異不顯著)，較小的葉傾角表征冠層結(jié)構(gòu)更加披散。說明W2N2具有披散的冠層結(jié)構(gòu)與較大的葉面積指數(shù)，其冠層結(jié)構(gòu)能更加合理高效的截獲光照資源。GARDNER等[38]研究認(rèn)為，作物有效利用太陽光能、增加干物質(zhì)量，必須是葉片截獲更多的太陽輻射，使光合作用達到最大值。光照強度是影響植物光合作用的主要因子[6]。因此，提高作物冠層光能截獲量在一定程度上能更好地滿足葉片光合作用的需求，有利于提高其光合作用效率。本研究中，W2N2的光截獲率與各W3、W2處理無顯著差異，這可能與LAI臨界值有關(guān)。ESTRADA-CAMPUZANO等[30]也研究表明，水分脅迫對黑小麥開花后光截獲量影響不顯著，這與開花后葉面積指數(shù)達到臨界值有關(guān)。

作物生長后期合理高效的冠層結(jié)構(gòu)是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)[12]。由圖3可知，本研究在玉米灌漿后期(8月21日—8月27日)W2N2的LAI最大(4.29)，較其余處理提高7.15%～42.24%，除了與W2N1差異不顯著，顯著高于其他水氮處理，具有較大的光合作用面積，有利于增加碳捕獲和減少棵間蒸發(fā)；W2N2的LAI下降速率較W3N3、W3N2顯著減緩了37.35%、53.49%(圖3)，與W2N1差異不顯著。W2N2灌漿后期光合勢較其余處理提高5.95%～37.60%，除了與W3N3、W2N1差異不顯著，顯著大于其他水氮處理(圖4)。以上分析說明，W2N2處理提高了生長后期光合作用面積，延長了葉片功能的持續(xù)時間，延遲了葉片衰老進程[16]，具有更加合理的冠層結(jié)構(gòu)，為光能的高效利用和高產(chǎn)效益的形成奠定了基礎(chǔ)。張珂珂等[16]也發(fā)現(xiàn)減氮補水處理有利于提高小麥孕穗期LAI，減緩灌漿期LAI下降速率，延長葉片功能期，光合勢平均提高9.7%，從而提高了光能利用效率。

圖4 不同水氮處理對玉米灌漿后期光合勢的影響Fig.4 Effects of different water and nitrogen treatments on leaf area duration of maize at late grain filling stage

作物的光合作用與冠層光分布關(guān)系密切，合理的冠層結(jié)構(gòu)可改善玉米群體內(nèi)部光傳輸和分布狀況，提高冠層中部功能葉的光合有效輻射，進而提高光合速率和光能利用效率。關(guān)于限量灌溉和施氮條件下鹽漬化農(nóng)田玉米冠層內(nèi)部PAR(光合有效輻射)分布特征與群體光合特性之間的關(guān)系，還有待進一步研究。

3.3 灌溉和施氮量對光能利用效率的影響

本研究表明水氮交互作用對鹽漬化農(nóng)田玉米抽雄期和灌漿期RUE影響顯著，過量灌溉或施氮對玉米灌漿期RUE有抑制作用，適度減氮控水能顯著提高玉米灌漿期RUE。谷曉博等[15]發(fā)現(xiàn)灌溉和施氮對非鹽漬土冬油菜RUE的影響有顯著的交互作用，在當(dāng)?shù)厮昧康幕A(chǔ)上適當(dāng)減少灌水量和施氮量能顯著提高冬油菜蕾薹期RUE，而過量灌溉或施氮對冬油菜RUE促進作用不明顯，甚至有下降趨勢?？梢?，水氮交互作用能顯著影響作物的光能利用效率，適宜的灌溉量和施氮量有利于作物生長后期光能利用效率的提高，為作物高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

本研究中，W2N2玉米灌漿期RUE顯著高于其余水氮處理(P<0.05)。這是由于W2N2相比其余處理明顯改善了生長后期土壤水土環(huán)境，有利于光合生理活動的進行。特別是在灌漿后期W2N2具有更加合理高效的冠層結(jié)構(gòu)，保持了較高的光合性能，能夠更好地利用和轉(zhuǎn)化光照資源。因此，W2N2較其余處理顯著增加了生物累積量(表3)(P<0.05)，而W2N2的光截獲率與各W3、W2處理無顯著差異，最終導(dǎo)致W2N2具有較高的RUE，體現(xiàn)出光能利用的高效性及后效性。

3.4 灌溉和施氮量對產(chǎn)量的影響

閆建文[20]研究發(fā)現(xiàn)鹽漬化土壤適量的節(jié)水減氮對玉米產(chǎn)量造成的影響并不顯著。本研究表明，鹽漬化農(nóng)田在常規(guī)水氮用量的基礎(chǔ)上，限量25%灌溉和施氮量的W2N2較常規(guī)水氮模式增產(chǎn)4.01%，差異不顯著，兩者結(jié)果一致，也驗證了前面討論的W2N2在籽粒形成的灌漿期具有較高光能利用效率。作物群體LAI對作物光能利用及產(chǎn)量起決定性作用[39]，在本研究中LAI對產(chǎn)量的影響還表現(xiàn)在葉片的光合勢上，產(chǎn)量與LAD顯著正相關(guān)。從表2可以看出，W2N2在抽雄-灌漿期具有較高的LAD，較其余水氮處理(除了W3N3、W3N2)延長5.7～30.1 (mm2·d)/mm2，這與王永宏等[40]研究得到吐絲后光合勢比例越高產(chǎn)量越高的結(jié)論相似，這也在一定程度上可以解釋適當(dāng)減氮控水在一定程度上有助于產(chǎn)量提高的原因。

從光能利用角度分析，提高作物產(chǎn)量，一方面要盡量截獲光能，另一方面要提高光能利用效率[21]，就本研究而言，W2N2的光截獲率與W3N3無顯著差異，生長后期光能利用效率的大幅度提高是該模式增產(chǎn)的主要原因。ESTRADA-CAMPUZANO等[30]也研究發(fā)現(xiàn)在黑小麥開花后，水分脅迫顯著影響光能利用效率，但對光截獲量影響不顯著。

4 結(jié)束語

限量灌溉和施氮改變了鹽漬化農(nóng)田水土環(huán)境，進而影響了玉米群體冠層結(jié)構(gòu)，群體冠層結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致了光能截獲量、生物量和光能利用效率的差異，進而影響籽粒產(chǎn)量。在不同水氮管理模式中，水氮用量過少或過多都不利于構(gòu)建合理的玉米冠層結(jié)構(gòu)，從而降低其光合生產(chǎn)能力、光能利用效率和產(chǎn)量。相關(guān)分析和通徑分析表明，玉米產(chǎn)量與灌漿期的LAI、光合勢、光截獲率呈顯著正相關(guān)，LAI之所以對產(chǎn)量影響最大，主要通過光合勢和光截獲率的作用實現(xiàn)。RUE對產(chǎn)量的直接貢獻最大，生物累積量、LAI、光合勢和光截獲率均通過RUE對產(chǎn)量的間接貢獻較大。W2N2明顯改善了鹽漬化農(nóng)田玉米生長后期土壤水鹽狀況，優(yōu)化了玉米群體生長后期的冠層結(jié)構(gòu)，提高了生長后期光合作用面積，延長了葉片功能的持續(xù)時間，延遲了葉片衰老進程，保持了較高的光合性能，為光能的高效利用和高產(chǎn)效益的形成奠定了基礎(chǔ)。W2N2與W3N3相比，在節(jié)水節(jié)氮25%的前提下，增產(chǎn)4.01%，灌漿期光能利用效率提高44.3%。全面考慮節(jié)水、節(jié)肥增產(chǎn)并達到高光效的目的，本試驗中較優(yōu)的鹽漬化農(nóng)田玉米水氮模式為灌溉量225 mm、施氮量258.8 kg/hm2。