0、引言
黑龙江省“十年九春旱”,玉米、大豆等旱地作物出苗受到严重影响。黑龙江省农作物播种、出苗、生长发育普遍不好,全省农作物生育期普遍拖后10~15天,严重的拖后1个月以上,苗小、苗弱、苗不齐,苗情极差。为了解决玉米苗期干旱对后续生产的影响,国内许多学者进行过大量的研究。王继凤等对玉米的研究发现,种子或幼苗本身对水分的需求量少,但其对土壤小环境中的水分要求较高。齐健等研究表明,干旱胁迫使玉米根系和地上部的生物量降低,叶片中的叶绿素含量显著降低,叶片光合面积减小,根冠比增大。王智威等研究结果表明,随着水分胁迫程度的加剧,玉米幼苗的生物量显著下降,根冠比及根系活力增加,水分胁迫对玉米幼苗地上部生物量的抑制作用更大。李秧秧等研究表明,不同处理根冠比大小与N吸收和分配有很大关系。人们普遍关注水肥对作物生长发育的影响,进行了大量的研究,结论基本一致。较多的研究工作都放在了水分协迫对作物的影响方面,较少考虑到不同肥分条件下的水分胁迫对作物的影响。为此,将叶面积指数和干物质积累量作为主要控制指标、株高作为次要指标,采用全面试验分析苗期水氮组合对生长指标的影响,保证苗期主要生理指标均达到最优,对保证幼苗在干旱条件下成活具有十分重要的意义。
1、材料与方法
1.1试验区概况
试验于2012年在东北农业大学园艺试验站培养室内内进行。试验区位于北纬45°42'、东经128°44',多年平均降水量为458.5mm,全年平均气温4.9℃,无霜期143d;属于寒温带大陆性季风气候,雨量集中在7-9月,春季降雨少,干燥多大风,容易形成春旱。
供试土壤为黑土,基本性状为:有机质28.56g/kg、全氮1.45g/kg、全磷0.78g/kg、全钾20.76g/kg、速效氮115.82mg/kg、速效磷54.3mg/kg、速效钾182.6mg/kg、pH6.52,土壤的最大田间持水量为34.72%。
1.2试验设计
试验设灌水量和施氮水平2个因素。苗期不同灌水量设置为重度干旱(W1)、中度干旱(W2)、轻度干旱(W3)、适水(W4)、丰水(W5)5个处理。不同水分控制如表1所示。施氮水平按施氮量分别为0.05,0.18,0.30,0.43g/kg等4个水平设置,依次以N1,N2,N3,N4表示,记为低氮、中氮、适氮、高氮。所有处理的磷肥与钾肥作为基肥施入,P2O5为0.125g/kg,K2O为0.2g/kg。每个水肥处理进行5次重复。
试验采用深棕色、硬质、不透光塑料试盆:入口内径29cm,桶底内径21.5cm,高29cm。每盆装干土12kg,装盆过程中轻轻振动,使土壤松紧合适。2012年玉米播种日期为5月6日,试验品种采用“吉单27”,每盆播种3粒种子。玉米出苗后长至三叶期,每盆选择长势基本一致的幼苗定植1株。将玉米生育期划分为苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期4个阶段,生长期间按试验设计要求,当含水量降至或接近该处理水分控制下限时进行灌水,灌水至水分控制上限,灌水量以称重法控制,记录每次灌水量。
1.3采样与测定
土壤基本性状测定:采用农业化学分析方法测定土壤中的全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量及pH值,采用威尔科克斯环刀法测定土壤田间持水量。玉米生长监测:玉米三叶期后开始用直尺测定株高,游标卡尺测定茎粗,AM-300手持式叶面积仪测定叶面积指数(LAI)。干物质的测定:在每个水平随机取2株玉米将根部清洗干净,进行105℃杀青;持续30min后,于80℃烘至恒重,称其质量,精确到0.01g,得到单株地上部分和根部干质量。
1.4数据统计与分析
试验数据采用SAS( Statistics Analysis System)进行方差分析,采用 Microsoft Excel2003及MATLABR2009a制图。
2、结果与分析
2.1水氮对叶面积指数(LAI)的影响
叶面积是作物的形态指标之一,也是作物光合特性的直接表征因素,其与水分和肥料密切相关。通过图1可知相同灌水量条件下的叶面积指数大小关系:N3>N4>N2>N1;在等施氮水平下的叶面积指数大小关系:W4>W5>W3>W2>W1。通过表2方差分析结果可以看出:土壤水分是影响叶面积指数的最重要的因素,达到极显著水平;其次为氮效应,也达到显著水平。玉米在苗期适水和轻度干旱对叶面积指数的影响在1%水平上差异不显著,中度干旱处理对叶面积指数的影响在1%水平上差异显著。分析表明,苗期土壤持水量在田间持水量的65%以上时,可以考虑不进行灌溉,从而起到保苗的作用。氮素营养充足,可保证有较大的叶面积进行光合作用,提高光合效率,从而增加干物质积累。通过对全部组合对比参照组W4分析,绘制了图2不同灌水下限叶面指数降低率。当叶面指数降低达10%(优秀)时,土壤含水率为田间持水量的62.6%~72.6%,即苗期保证土壤含水率在21.13%以上有较好的保苗效果。
2.2水氮及根冠比对干物质的影响
氮素营养可促进作物根、茎、叶等营养器官的生长。试验研究表明,土壤水分条件适宜时,氮对根营养生长有促进作用:轻度水分胁迫W3条件下,施氮对玉米根系的生长发育有促进作用;而重度水分胁迫W1和中度水分胁迫W2,施氮则引起根水势下降,导致根干重明显减小。氮素营养可以使根呼吸作用明显加强,适量施氮可增加总根重,改善根系的水分状况,有助于玉米后期有机物的合成;但过量施氮会导致根细胞膜伤害率明显增加,根系保水能力下降,对根部营养生长有抑制作用。
方差分析表明(见表3),玉米在苗期适水和轻度干旱对干物质积累量的影响在1%水平上差异不显著,中度干旱处理对干物质积累量影响在1%水平上差异显著;在苗期适氮和中氮和对干物质积累量的影响在1%水平上差异显著。分析表明,苗期土壤持水量在田间持水量的65%以上时,可以保证干物质积累量对保苗有利。将W4N3作为参照组,分析水分胁迫和施氮量组合对干物质积累总量的影响:重度水分胁迫组W1N1,W1N2,W1N3,W1N4干物质总积累量分别比对照组减少了37.7%,35.6%,30.4%,31.4%。
这种情况下干物质积总累量减少极其明显,施氮肥可以增加干物质的积累,低水分条件下作用效果不明显,过量氮产生负效应。中度水分胁迫组W2N1,W2N2,W2N3,W2N4干物质总积累量分别比对照组减少了34.6%,24.3%,16.4%,19.4%。轻度水分胁迫组W3N1,W3N2,W3N3,W3N4干物质积累总量分别比对照组减少了23.3%,17.2%,4.9%,5.7%。
可以看出,在轻度水分胁迫下干物质累积总量减少得不明显,施氮量是制约干物质增长的主要因素。
根冠比反应地上部分干物质积累和根部干物质积累的关系,是评价生物量的重要指标。由图3可见,根冠比与干物质的积累量有着密切的关系:在同一水分水平条件下,根冠比先减小后增加,干物质积累量先增加后减少,各水分胁迫状态下变化趋势基本一致;随着水分胁迫程度降低根冠比逐渐减小,各施氮水平表现均较明显。水氮对地上部分和根系产生影响,地上部分与根系相互影响。地上部分发育较好,有利于光合作用进行,对根部发育有促进作用;根部发达有利于植物营养的吸收,对地上部分生生长有促进作用。根冠比较低时对干物质积累量最为有利,试验组表现非常显著。
2.3水肥生产函数
用干物质总积累量建立水氮两因素交互作用的回归模型为
模型中的线性及二次回归均显著(α=0.05),各水氮处理与干物质积累量之间的回归关系均达到显著水平。由回归模型一次项系数可以看出,水、氮两因素对苗期干物质积累呈显正效应,大小顺序为水>氮。这说明,在试验条件下,水分对促进干物质积累的作用最大,氮肥次之;二次项系数均为负值,说明水、氮过量的投入会对干物质积累产生负效应;交互相系数为正值,说明水与氮耦合有协同作用,对干物质积累量增加具有相互促进作用。下面进一步探讨水氮两因素的单独效应,对回归模型(1)降阶处理,并令其等于0,则
分析表明,干物质积累量达到最大时,土壤含水率为田间含水量的91.64%,即土壤含水率为31.81%,氮的最佳施入量为4.23g/kg。当施入量低于最适施入量时,干物质积累量随着施入量的增加而增加;到达最适施入量时,干物质积累量最大,施入量继续增大,干物质积累量反而减小。通过计算机模拟的图形(如图4所示)与分析数学模型可知,得出的结果表现形式一致。
上述分析说明,氮肥的投入量要依据土壤含水率而定;同样,灌水量的多少要根据施氮量的高低来确定。施氮量和灌水量不足均达不到保苗最好的效果,而施氮量和灌水量过多不仅浪费水氮资源,而且会抑制生长。只有合理的水氮耦合,才能发挥出最佳耦合效果,实现水氮资源高效利用。
3、结论
1)叶面指数是作物光合特性的直接表征因素,保证一定的叶面积指数特别重要。苗期过度干旱,无法通过复水补偿增加叶面指数,对后期光合作用合成有机物产生负效应。因此,要保证土壤含水率在21.13%以上才具有较好的保苗效果。
2)苗期应保证一定的干物质积累量,不影响后期有机物的合成,此时土壤含水率应控制在22.56%以上。施氮有利于干物质早期充分积累,保证一定氮肥施入量有利于保苗。
3)根冠比与干物质积累量之间存在负相关关系,苗期随着施氮量增加根冠比明显减小,干物质积累量显著增加,根冠比较低时对干物质积累量最为有利。
4)在生产实践中,采取适宜的水肥管理措施,保证春旱条件下苗期正常生长,“以肥促水,以水调肥”,确保半干旱区农业的可持续发展。
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