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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
摘要   (334 HTML21 PDF(pc) (909KB)(333)  

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ab、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。


年份
Year
处理
Treatment
花前积累量Accumulation before silking
(kg hm-2)
花后积累量
Accumulation after silking
(kg hm-2)
转运量
Volume of transshipment
(kg hm-2)
转运率
Transport rate (%)
氮素转运量对籽粒的贡献率
Contribution rate of nitrogen transport amount to grain
(%)
2018 无物料还田CK 46.89±3.23 bc 21.35±1.79 b 25.53±4.75 ab 53.54±8.54 a 66.93±4.62 a
蚕豆秸秆还田FS 54.76±0.98 ab 23.58±1.45 ab 31.19±2.20 a 56.86±3.14 a 69.84±3.24 a
油菜秸秆还田RS 42.97±6.39 c 23.82±2.87 ab 19.15±3.04 b 44.32±4.14 a 73.06±0.46 a
猪粪还田PM 58.83±1.96 a 30.06±2.53 a 28.77±1.38 ab 49.04±3.08 a 49.64±7.19 b
2019 无物料还田CK 51.83±2.19 b 18.60±2.32 b 33.23±2.00 c 60.57±2.50 b 60.07±5.02 b
蚕豆秸秆还田FS 63.51±2.05 a 18.44±0.85 b 45.07±1.20 a 70.99±0.40 a 60.91±6.36 b
油菜秸秆还田RS 57.97±1.77 ab 20.20±1.27 b 37.77±2.55 bc 65.04±2.72 b 84.56±1.66 a
猪粪还田PM 65.08±2.87 a 25.54±1.71 a 39.54±1.27 ab 60.83±0.99 b 47.45±4.62 b
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表3 有机物料还田对夏玉米营养器官氮养分积累与转运的影响
正文中引用本图/表的段落
川中丘陵区位于四川盆地中部, 以旱耕地为主, 面积约为1050万公顷, 是四川粮食主产区之一[1]。此区玉米传统种植以春玉米间套作体系为主, 但近十多年来, 由于大量农村劳动力转移, 耗工耗时的间套作模式面积逐渐减少, 加上种粮大户的快速发展和适合机械化生产的不断推进, 相对省工省时的轮作模式逐渐占据主流, 如冬小麦-夏玉米、冬油菜-夏玉米、冬豆(蚕豆、豌豆)-夏玉米等将成为川渝丘陵区玉米种植的主要模式[2]。玉米高产需要提高土壤基础地力, 目前西南地区玉米土壤基础地力产量平均为4.4 t hm-2, 表现为贵州(4.7 t hm-2) > 四川(4.3 t hm-2) > 重庆(3.9 t hm-2), 其中四川基础地力表现为成都平原 > 丘陵区[3-4]。四川丘陵旱地存在土层浅薄、质地黏重、土壤结构与耕作性能差等问题[5]。四川的作物秸秆、畜禽粪便等农业废弃物资源量也很丰富, 2008—2010年四川秸秆量位居西南地区首位, 年产4060万吨; 2016年四川猪畜禽粪便量1.64亿吨, 位居全国第二[6-7]。
不同有机物料还田显著影响夏玉米营养器官氮养分积累与转运(表3)。2018年花前营养器官氮积累量, PM比CK、RS分别显著增加25.47%、36.91%, FS比RS显著增加27.44%, PM的花后营养器官氮积累量比CK显著增加40.75%; FS的氮转运量比RS显著增加62.87%; PM的氮素转运量对籽粒的贡献率与其他处理差异显著, 表现为PM最低。2019年花前FS、PM的营养器官氮积累量显著高于CK, 增幅分别为22.53%、22.56%; 花后PM的营养器官氮积累量比CK、FS、RS分别显著增加37.31%、38.50%、26.44%; FS、PM的氮转运量比CK分别显著增加35.63%、18.99%; FS的氮转运率比CK、RS、PM分别显著增加17.21%、9.16%、16.70%; RS的氮素转运量对籽粒的贡献率显著高于CK、FS、PM。
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。
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