有机物料还田对夏玉米穗位叶光合性能及氮代谢的影响
裴丽珍, 陈远学, 张雯雯, 肖华, 张森, 周元, 徐开未
作物学报
2022, 48 ( 8):
2115-2124.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2022.13048
明晰不同物料还田对夏玉米穗位叶光合性能及氮代谢的影响, 为有效利用农业废弃物提供理论依据。2018—2019年在川中丘陵区石灰性紫色土上进行大田试验, 设置无物料还田(CK)、蚕豆秸秆还田(faba bean straw, FS)、油菜秸秆还田(rape straw, RS)、猪粪还田(pig manure, PM) 4个处理, 研究不同物料还田下夏玉米产量、叶片光合性能及氮代谢的特征。结果表明: (1) 不同有机物料还田第2年FS处理的玉米籽粒增产效果最佳, 比CK显著增加24.85%。 (2) 各物料还田处理的夏玉米叶面积指数、叶面积积累速率、群体光合势和光合色素含量, 随生育期推进均呈先增后降的趋势。与CK比, FS、PM处理提高叶面积指数、叶面积积累速率和群体光合势, 但RS处理有降低效果; 夏玉米六叶期光合色素含量在处理间差异不显著, 吐丝期叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均是RS处理比CK显著增加, 但吐丝后20 d时FS处理的叶绿素a、b、总叶绿素含量分别比RS处理显著增加34.67%、42.08%、36.24%。(3) 有机物料还田显著增加夏玉米穗位叶硝酸还原酶活性, 各还田处理的营养器官氮素积累与转运表现为FS、PM > RS。主成分分析结果表明, 不同物料还田下夏玉米光合性能、氮代谢能力表现为FS > PM > CK > RS。综上, 不同有机物料还田对玉米光合性能和氮代谢影响不同, 对比无物料还田和油菜秸秆还田, 蚕豆秸秆和猪粪还田更有利于提高叶片光合氮代谢能力, 促进营养器官中的光合代谢产物向籽粒运输, 从而为夏玉米籽粒产量的增加奠定基础。
处理
Treatment | 总氮
Total nitrogen (g kg-1) | 硝酸还原酶
Nitratase (nmol h-1 g-1) | 谷氨酰胺合成酶
Glutamine synthetase (μmol h-1 g-1) | | 无物料还田CK | 24.54±0.33 ab | 112.14±8.47 b | 7.84±0.68 a | | 蚕豆秸秆还田FS | 26.03±0.62 ab | 158.38±13.90 ab | 8.50±1.60 a | | 油菜秸秆还田RS | 23.16±1.68 b | 165.36±15.11 a | 8.65±0.34 a | | 猪粪还田PM | 26.27±0.40 a | 180.78±21.46 a | 8.87±0.60 a |
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表2
不同有机物料对夏玉米穗位叶总氮、氮代谢酶的影响
正文中引用本图/表的段落
由表2可知, 夏玉米PM的穗位叶总氮比RS显著增加13.42%。与CK比, RS、PM的夏玉米穗位叶硝酸还原酶(NR)活性, 分别显著增加47.47%、61.21%。FS、RS、PM的谷氨酰胺合成酶(GS)活性分别比CK增加8.39%、10.30%、13.03%。
特征值为每个主成分方差, 特征值越大, 方差百分比越大, 意味着该主成分对原始变量解释度越大, 包含的信息越多, 根据累计贡献率不低于80%的原则, 选取主成分个数[20]。根据表4, 提取了前2个主成分, 其累积贡献率为85.465%, 表示前2个主成分代表有机物料还田下土壤肥力指标总信息的85.465%。
有机物料自身含有作物生长发育的必需营养元素, 还田后能协调土壤水、肥、气、热, 如孔隙度的增加和大团聚体的形成, 为土壤微生物、植物根系、动物活动创造了良好的生存环境, 且还田物料与玉米根系主要分布在0~20 cm, 为上层土壤微生物提供丰富的碳氮源, 刺激酶促反应的发生, 有利于作物新陈代谢, 研究表明秸秆与粪肥还田的适宜施用能增加玉米叶绿素含量、净光合速率、光合效率、蒸腾速率, 使玉米产量显著增加[21⇓⇓-24]。本研究表明, 随着生育期的推进, 有机物料还田下夏玉米叶面积指数、叶面积积累速率、群体光合势、光合色素含量均呈现先增后降的趋势。2018年PM的叶面积积累速率、群体光合势仅在六叶期-十二叶期显著高于RS, 十二叶期PM的叶面积指数也显著高于RS, 但在吐丝期及吐丝后20 d处理间差异均不显著, 可能是由于2018年7月中旬强降雨(降雨量高达331.8 mm, 图1), 造成夏玉米吐丝期前后淹水胁迫所致, 因前人研究表明[25], 淹水胁迫因供氧不足, 会引发乙醇毒害作用, 损伤细胞, 从而影响作物正常生长。有机物料腐解特性影响还田后的土壤养分含量, 2018年同期进行的腐解结果显示(未发表), 3种有机物料的含氮量表现为FS (17.93 g kg-1) > PM (10.5 g kg-1) > RS (7.51 g kg-1), 氮快速释放时间表现为RS (63 d) > FS (42 d) ≈ PM (42 d), 夏玉米收获期时蚕豆秸秆、猪粪的氮累积腐解率比油菜秸秆分别显著增加12.39%、7.17%, 这也与物料种类有关, 作为豆科绿肥, 蚕豆秸秆富含水溶性有机物如多糖、氨基酸、有机酸等, 腐解前期易随水分扩散而分解, 为土壤充实氮库; 油菜秸秆的C/N比高达60.7, 富含纤维素、半纤维素难降解的碳源, 氮素的微生物固持作用较强, 其氮素等养分难以释放, 猪粪与油菜秸秆表现相反, 导致还田后夏玉米生长阶段FS、PM的土壤氮素养分含量显著高于RS。研究表明土壤氮素较低时, 玉米气生根黏液富含固氮菌、阿拉伯糖、岩藻糖和半乳糖, 可通过固氮菌以固定N2, 满足低氮土壤中植物的氮需求; 玉米还可以通过提高叶绿素a、叶绿素b含量, 表观量子产率和光饱和点来适应低氮胁迫[26-27]。本文RS处理下土壤氮素匮乏, 为吸收足量的氮满足夏玉米生长, 可能会增强根系分泌促进微生物生长, 进而利于油菜秸秆分解, 反馈予地上部, 使吐丝期RS叶片光合色素含量增加, 但这些调节反馈是有限的, 加上蚕豆秸秆的C/N适宜土壤微生物降解, 吐丝后20 d时FS的叶面积指数、叶绿素a、叶绿素b含量显著高于RS。
本文的其它图/表
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