程 浩，傅豐貝，李伏生

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧530004）

農(nóng)田是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的重要組成部分，通過(guò)農(nóng)作物光合作用固碳，對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域碳平衡，改善區(qū)域碳循環(huán)結(jié)構(gòu)有重要意義[1]。農(nóng)作物固碳過(guò)程受多種因素控制，人為因素對(duì)農(nóng)作物“碳匯”影響最大，諸如施肥、灌溉、種植模式等農(nóng)藝舉措對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)都有顯著影響[2]，其中灌溉是調(diào)控農(nóng)作物固碳能力的重要外因[3]。目前普遍認(rèn)為控制性的灌溉舉措能夠提高植株的固碳量[4]。如王雯等[5]研究發(fā)現(xiàn)，露地滴灌處理的累積碳排放量較膜下滴灌低3.06%，累積生物固碳量較其他滴灌模式高7.36%～22.41%，據(jù)此認(rèn)為露地滴灌是增強(qiáng)農(nóng)田固碳減排能力的適宜的節(jié)水灌溉方式；張忠學(xué)等對(duì)黑土稻田設(shè)置了灌水定額，結(jié)果顯示控制灌溉模式下，水稻莖、葉、根固碳量均大于常規(guī)灌溉模式，認(rèn)為適量控制農(nóng)田灌水量對(duì)提高作物的固碳能力有幫助[6]。

分根區(qū)交替灌溉同樣是控制性灌溉舉措，是一種利用作物局部根系受旱產(chǎn)生的水分脅迫信號(hào)與根系吸收補(bǔ)償機(jī)制，調(diào)節(jié)作物耗水，提高作物水分利用效率的一種節(jié)水灌溉技術(shù)[7-9]。目前有關(guān)作物分根區(qū)交替灌溉的研究大都集中在對(duì)作物水分利用效率的提升效果上，如玉米上的相關(guān)研究顯示分根區(qū)交替灌溉可極大減少作物耗水，WUE較常規(guī)灌溉可提高10.3%～37.9%[10,11]。然而，由于灌溉方式與農(nóng)作物固碳能力的密切關(guān)系，分根區(qū)交替灌溉對(duì)農(nóng)作物固碳的影響同樣需研究。為獲得同時(shí)提高水、碳利用的水氮管理模式，以甜糯玉米為供試作物，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究了不同滴灌模式和施氮水平對(duì)甜糯玉米干物質(zhì)量、產(chǎn)量、水分利用效率、含碳量和固碳量的影響，以期獲得一種適宜的玉米水氮管理方式，為甜糯玉米生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

盆栽試驗(yàn)在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院網(wǎng)室進(jìn)行。該網(wǎng)室可以透光、通風(fēng)，遮雨，試驗(yàn)室內(nèi)光照、溫度和濕度等環(huán)境因素與室外基本一致。供試土壤為赤紅壤，采自本校農(nóng)科教學(xué)實(shí)習(xí)基地，經(jīng)風(fēng)干、碾碎，過(guò)5 mm 篩，土壤基本性質(zhì)為：田間持水量為29.5%，pH 值5.3，堿解氮（N）42.1 mg/kg，速效磷（P）35.4 mg/kg，速效鉀（K）105.4 mg/kg。供試玉米品種為家甜糯11。

1.2 試驗(yàn)方法

盆栽試驗(yàn)設(shè)5 種滴灌模式和3 種施氮（N）水平，完全方案設(shè)計(jì)，共15 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4 次，共60 盆，隨機(jī)區(qū)組排列。5種滴灌模式見(jiàn)表1，其中常規(guī)滴灌（C，每次1個(gè)滴頭分別對(duì)兩側(cè)土壤灌水或灌水施肥，共2個(gè)滴頭對(duì)兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行）；交替滴灌（A，每次用1 個(gè)滴頭對(duì)其中一側(cè)灌水或灌水施肥，下一次處理時(shí)對(duì)另一側(cè)進(jìn)行灌水或灌水施肥，如此交替進(jìn)行）；固定滴灌（F，每次用1個(gè)滴頭只對(duì)固定一側(cè)灌水或灌水施肥）。苗期-拔節(jié)后期是指6月9日至7月3日(播種后9～33 d)，拔節(jié)后期-開(kāi)花期是指7月4日至8月1日(播種后34～62 d)按表1 進(jìn)行滴灌處理。其中交替滴灌和固定滴灌處理除按要求時(shí)期進(jìn)行灌水和施肥控制處理外，其余時(shí)期按常規(guī)滴灌方式進(jìn)行灌溉和施肥處理。試驗(yàn)期間只灌水時(shí)不加肥料。灌水施肥時(shí)，事先按設(shè)計(jì)要求配好肥料溶液，肥料溶液注入模擬滴灌系統(tǒng)的輸液袋，將輸液袋掛在距地面2 m高處，溶液由塑料軟管導(dǎo)出，經(jīng)軟管由滴頭滴入土壤中，滴頭距離植株根系15 cm，流速為0.7 L/h，實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖1。

表1 不同滴灌模式Tab.1 Different drip irrigation modes

圖1 不同滴灌方式示意圖Fig.1 Layout of drip irrigation imitation system for three drip irrigation methods

3 種施N 水平設(shè)高N(0.20 g N/kg 土)、中N(0.15 g N/kg 土)和低N(0.10 g N/kg土)。30%N 肥用作基肥，與土壤混合均勻，其余70%N肥用滴灌方式追施，苗期-拔節(jié)期占30%，拔節(jié)期-開(kāi)花期占40%，每個(gè)時(shí)期平均分2 次施，共計(jì)4 次追施。常規(guī)滴灌在兩側(cè)均勻施N；交替滴灌前次對(duì)一側(cè)施N，下次對(duì)另一側(cè)施N，以保證兩側(cè)肥料用量相同，而固定滴灌則固定在灌水的一側(cè)施N，保證水肥同步。所有處理P2O5和K2O 施用量均為0.10 g/kg土和0.15 g/kg土，作基肥與土壤混合均勻。氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用磷酸二氫鉀（含P2O552%），鉀肥用磷酸二氫鉀（含K2O 34%）和氯化鉀（含K2O 60%）。

1.3 試驗(yàn)管理

試驗(yàn)在塑料桶中進(jìn)行，塑料桶上部開(kāi)口直徑35 cm，底部直徑26 cm，高29 cm。桶中央粘一層塑料，將桶分成均等的兩部分，構(gòu)成分根裝置。每一部分均裝土10 kg，每桶共裝風(fēng)干土20 kg。在塑料薄膜中部剪個(gè)缺口，每盆缺口處放置已催芽露白的玉米種子。播種后，缺口處和塑料薄膜兩側(cè)用桶內(nèi)兩邊土壤起2～3 cm高的壟，以阻止灌水時(shí)兩側(cè)水分相互交換。播種前每個(gè)處理土壤水分保持在田間持水量的80%。

5月30日將土壤裝入試驗(yàn)桶，N 肥作基肥，裝盆時(shí)與土壤混勻。5月31日每桶播4粒已催芽種子，長(zhǎng)到四葉一心時(shí)，間苗定苗，每桶留長(zhǎng)勢(shì)均勻的玉米苗1株。常規(guī)滴灌土壤水分下限為田間持水量的70%，上限為田間持水量的80%，當(dāng)含水量降至或接近該處理水分下限進(jìn)行灌水，灌水至水分控制上限。用稱重法測(cè)定常規(guī)滴灌處理的土壤含水量，用水量平衡法確定耗水量所需的灌水量。交替滴灌和固定滴灌各施N 處理每次灌水量按常規(guī)滴灌相應(yīng)施N 處理灌水量的80%進(jìn)行滴灌。每次灌水量用量筒量取，并記錄各處理灌水量。8月28日試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目和方法

收獲后采集各處理地上部、根系和籽粒部分，105 ℃殺青30 min 后于60 ℃烘至恒質(zhì)量，記錄其干質(zhì)量，最后粉碎混勻后測(cè)定植物含碳量。玉米地上部、根系和籽粒含碳量均用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定[12]。地上部、根系和籽粒固碳量分別是各部位的碳含量和相應(yīng)的干物質(zhì)量的乘積。植株固碳量是地上部、根系和籽粒固碳量之和。

采收盆栽玉米地上部分后稱每桶質(zhì)量，扣除原土壤質(zhì)量和桶質(zhì)量，剩余部分為最后未消耗的水分。由于盆底不漏水，因此，將每次灌水量相加再減去試驗(yàn)前后土壤水分量的差異，即為玉米整個(gè)時(shí)期的耗水量。水分利用效率計(jì)算公式如下：

以干物質(zhì)量為基礎(chǔ)的水分利用效率（WUEt，kg/m3）[13]=植株干物質(zhì)量（地上部干物質(zhì)量+根系干物質(zhì)量）/耗水量

以產(chǎn)量（籽粒）為基礎(chǔ)的水分利用效率（WUEs，kg/m3）[14]=產(chǎn)量/耗水量

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析用多重比較Duncan 法分析，包括施氮水平、滴灌組合以及兩者間的交互效應(yīng)，不同小寫字母表示不同處理間差異在5%水平差異顯著，相同小寫字母表示不同處理間差異在5%水平差異不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌施氮模式對(duì)甜糯玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

表2表明，不同滴灌模式玉米根系干物質(zhì)量之間的差異顯著。與苗期-開(kāi)花期常規(guī)滴灌（CC）相比，苗期-開(kāi)花期交替滴灌（AA）玉米根系干物質(zhì)量有所提高。低氮水平時(shí)，AA模式根系干物質(zhì)量比苗期-開(kāi)花期固定滴灌（FF）提高25.3%，差異顯著。不同施氮水平玉米根系干物質(zhì)量之間的差異顯著。與低氮水平相比，中氮水平玉米根系干物質(zhì)量提高14.3%～22.3%。

表2 不同處理甜糯玉米干物質(zhì)積累Tab.2 Dry mass accumulation of sweet-waxy corn for different treatments

不同滴灌模式玉米地上部干物質(zhì)量之間的差異顯著（表2）。中氮水平時(shí)，AA 模式地上部干物質(zhì)量比CC、FC 和FF 模式分別提高9.6%、16.7%和20.5%。不同施氮水平玉米地上部干物質(zhì)量之間的差異也顯著。相同滴灌模式下，中氮水平地上部干物質(zhì)量最高，較高氮和低氮水平分別提高4.9%～13.2%和17.9%～21.8%。

不同滴灌模式玉米植株干物質(zhì)量之間的差異顯著（表2）。中氮水平時(shí)，AA 模式玉米植株干物質(zhì)量較CC 模式提高9.7%，說(shuō)明在中氮水平時(shí)，AA 模式更有利于玉米植株干物質(zhì)量的提高。不同施氮水平玉米植株干物質(zhì)量之間的差異顯著。與低氮水平相比，中氮水平植株干物質(zhì)量提高17.4%～20.6%。

不同滴灌模式玉米產(chǎn)量之間的差異顯著（表3）。中氮水平時(shí)，AA 模式產(chǎn)量比CC、AA、FC 和FF 模式分別提高10.9%、8.8%、16.5%和20.5%（圖2）。不同施氮水平玉米產(chǎn)量之間的差異顯著（表3）。與低氮水平相比，中氮水平產(chǎn)量提高18.3%～22.6%（圖2）。

表3 滴灌方式與施氮水平對(duì)甜糯玉米產(chǎn)量及水分利用效率影響的方差分析Tab.3 Probabilities of treatment differences in yield and water use efficiency of sweet waxy corn with the different drip irrigation and nitrogen application levels

圖2 不同處理甜糯玉米產(chǎn)量Fig.2 Yield of sweet-waxy corn for different treatments

2.2 不同滴灌施氮模式對(duì)甜糯玉米水分利用的影響

不同滴灌模式玉米耗水量之間的差異顯著（表3）。圖3(a)表明，各施氮水平（高N、中N 和低N）下，與CC 模式相比，AC、AA、FC 和FF 模式耗水量分別降低7.6%～8.1%、19.7%～20.8%、9.9%～13.8%和20.8%～15.3%。不同施氮水平玉米耗水量之間的差異也顯著（表3），耗水量隨施氮量的提高而增加。

不同滴灌模式以干物質(zhì)量為基礎(chǔ)水分利用效率（WUEt）之間的差異顯著（表3）。圖3(b)表明，與CC 模式相比，中氮水平時(shí)，AA 模式WUEs增幅最大，達(dá)到35.8%，差異極顯著。不同施氮水平玉米WUEt之間的差異也顯著（表3）。與低氮水平相比，中氮水平的WUEt提高13.5%～21.9%。

不同滴灌模式以籽粒產(chǎn)量為基礎(chǔ)水分利用效率(WUEs)之間的差異也顯著（表3）。由圖3(c)可以得到，與CC 模式相比，中氮水平時(shí)，AA 模式WUEs提高33.8%，差異極顯著。不同施氮水平玉米WUEs之間的差異也顯著（表3）。由圖3(c)可以得到，與低氮水平相比，中氮水平的WUEs提高14.2%～20.9%。

圖3 不同處理甜糯玉米水分利用Fig.3 Water use of sweet-waxy corn for different treatments

2.3 不同滴灌施氮模式對(duì)甜糯玉米植株含碳量和固碳量的影響

表4表明，不同滴灌模式玉米根系、地上部與籽粒含碳量之間略有差別。與CC 模式相比，各施氮水平下AA 與AC 模式的各部分含碳量均有所提高，F(xiàn)C 與FF模式略有下降。不同施氮水平各部分含碳量之間的差異顯著，相同滴灌模式下，中氮水平根系、地上部和籽粒含碳量均最高，較低氮水平分別上升11.2%～13.0%、12.1%～14.1%和4.8%～8.4%。

表4 不同處理甜糯玉米含碳量Tab.4 Carbon content and fixation of sweet-waxy corn for different treatments

由圖4可以看出，不同滴灌模式玉米固碳量之間的差異顯著。各施氮水平下，AC 與AA 模式固碳量較CC 模式均有所增加，其中AA 模式提升幅度更大，但高氮與低氮下均未達(dá)顯著水平。中氮水平時(shí)，與CC 模式相比，AA 模式全株固碳量提高了16.3%，差異顯著。相同施氮水平下，F(xiàn)F 模式固碳量較CC 模式均有所下降，全株固碳量下降8.2%～13.0%。中氮水平時(shí)，AA 模式更有利于增加玉米植株的固碳量。不同施N 水平玉米固碳量之間的差異顯著。各滴灌模式下，玉米全株固碳量隨施氮水平下降呈先上升后下降趨勢(shì)。與低氮水平相比，中氮水平全株固碳量提高5.5%～14.54%，差異顯著。

圖4 不同處理甜糯玉米固碳量Fig.4 Carbon fixation of sweet-waxy corn for different treatments

3 討論

3.1 不同滴灌施氮模式對(duì)甜糯玉米產(chǎn)量及水分利用的影響

氮肥施用量與作物的水分利用效率在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，而氮肥過(guò)量施用會(huì)造成植株“奢侈”耗水，不利于水分的高效利用[15-18]。本研究結(jié)果顯示，不同滴灌模式下玉米干物質(zhì)量隨施氮水平變化均呈現(xiàn)出：中N＞高N＞低N 的規(guī)律，耗水量隨施氮水平的提高上升，最終水分利用效率表現(xiàn)為：中N＞高N＞低N，AA 模式下中氮水平（0.15 g/kg 土）下玉米干物質(zhì)量最高，WUEs和WUEt提升最為顯著。褚光等[19]的水稻干濕交替灌溉配施氮肥試驗(yàn)中，在3 種施氮水平(80 kg/hm2、160 kg/hm2、240 kg/hm2)下，水稻水分利用效率隨施氮水平提高先上升后下降，施氮水平為160 kg/hm2時(shí)水稻產(chǎn)量與水分利用效率皆達(dá)到最高，本研究也有類似的結(jié)果，這說(shuō)明適宜的氮肥用量下在玉米苗期-開(kāi)花期進(jìn)行分根區(qū)交替灌溉對(duì)提高玉米產(chǎn)量與水分利用效率有促進(jìn)作用。

前人研究表明，在玉米生育期的前中期實(shí)施分根區(qū)交替灌溉措施，玉米干物質(zhì)量受影響不大或有所增加[10,11,20-22]。程銘慧等[23]研究發(fā)現(xiàn)，全生育期分根區(qū)交替灌溉下玉米干物質(zhì)量大幅下降，而僅在玉米苗期-拔節(jié)期實(shí)行分根區(qū)交替灌溉，干物質(zhì)量受影響程度很小。劉水和李伏生[22]在玉米拔節(jié)期-抽雄期進(jìn)行分根區(qū)交替灌溉，玉米地上部和總干物質(zhì)量較常規(guī)灌溉分別提高29.6%和27.4%。陸文娟等[20]在玉米拔節(jié)前期至抽雄期實(shí)行分根區(qū)交替灌溉，玉米總干物質(zhì)量并無(wú)顯著變化。本研究結(jié)果表明，與CC 模式相比，AC 與AA 模式玉米各部分干物質(zhì)量均有所提升，且AA 模式的提升幅度要略高于AC 模式，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)條件下，在玉米苗期-開(kāi)花期實(shí)行分根區(qū)交替滴灌有利于其干物質(zhì)量的積累。這是由于作物在受到水分脅迫刺激后，恢復(fù)供水時(shí)產(chǎn)生了補(bǔ)償機(jī)制，加快了玉米的生長(zhǎng)[24,25]。在此基礎(chǔ)上，AA 模式相較其他處理耗水量顯著降低，WUEs和WUEt顯著提高。因此，在玉米灌溉管理上，可考慮僅在特定生育期實(shí)行分根區(qū)交替灌溉。FC 與FF模式顯著降低玉米耗水量，水分利用效率較CC 模式提升顯著，但干物質(zhì)量大幅下降，因此該滴灌方式不推薦應(yīng)用于玉米的水分管理。

3.2 不同滴灌施氮模式對(duì)甜糯玉米固碳能力的影響

植株的固碳量受其含碳量與干物質(zhì)量影響。本研究中，與低氮和高氮水平相比，中氮水平玉米各部分干物質(zhì)量與含碳量顯著提高，全株固碳量上升，說(shuō)明適宜的氮肥水平有利于玉米固碳能力的提升。前人研究也表明，在一定施氮量范圍內(nèi)，施氮量與植物光合速率呈正相關(guān)[26,27]，而過(guò)量氮施入則會(huì)導(dǎo)致玉米碳同化速率顯著降低[28]，原因可能是氮素增加會(huì)使植物光合部位氮同化作用強(qiáng)度加強(qiáng)，與光合碳同化競(jìng)爭(zhēng)光合作用中光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP 和NADPH(還原型輔酶Ⅱ)，進(jìn)而導(dǎo)致CO2同化速率降低[29]。因此，為增強(qiáng)玉米碳積累，施氮水平為0.15 g/kg土?xí)r最適宜。

灌溉方式與作物光合固碳能力關(guān)系密切[30]，其機(jī)制也較為復(fù)雜，一方面，干旱脅迫往往會(huì)造成植株光合機(jī)制受損萎縮[31]，干物質(zhì)量下降；另一方面，干旱條件下水分脅迫信號(hào)會(huì)調(diào)節(jié)植株光合效率[32]，促進(jìn)固碳。分根區(qū)交替灌溉方法單側(cè)交替供水并不意味缺水干旱，植物的水分的基本需求仍可以得到滿足，在保證作物干物質(zhì)量的前提下提升其含碳量，作物固碳量得以提升。韓小虎等[33]在桃樹(shù)上的研究顯示，1/2 根區(qū)交替灌溉下桃樹(shù)凈光合速率與水分利用率較全根區(qū)灌溉顯著提高，據(jù)此認(rèn)為分根區(qū)交替灌溉模式能提高桃樹(shù)的光合效率。此外水分脅迫產(chǎn)生的信號(hào)也會(huì)刺激植物降低自養(yǎng)消耗，間接提升植株碳儲(chǔ)備[34]。在馬鈴薯上的研究顯示，在水分脅迫下馬鈴薯塊莖淀粉含量表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，因此研究者認(rèn)為適宜的水分脅迫能夠抑制馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)器官中淀粉的分解[35]。本研究顯示，AA 模式下玉米各部分的含碳量相較于常規(guī)滴灌模式顯著上升，干物質(zhì)量也略有上升，固碳量顯著提高，說(shuō)明在玉米苗期-開(kāi)花期施行分根區(qū)交替灌溉能提高玉米的固碳能力，與前人研究結(jié)果類似。此外，有研究指出，適宜水分脅迫下植物根系體積、表面積均會(huì)增加，有利于農(nóng)作物構(gòu)建良好的根系形態(tài)，提高農(nóng)作物根系的碳氮代謝[32]，這可能也是本試驗(yàn)中玉米固碳量上升的原因之一。FF與FC 模式相較其他滴灌模式固碳能力顯著下降，說(shuō)明單側(cè)供水的灌溉模式顯著抑制作物的固碳能力，主要原因是單側(cè)供水造成缺水部分根系萎縮，植株的光合性減弱[36]。

4 結(jié)論

（1）苗期-開(kāi)花期實(shí)施交替滴灌促進(jìn)甜糯玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量，顯著降低耗水量，提升水分利用效率。

（2）在玉米苗期-開(kāi)花期實(shí)施交替滴灌，甜糯玉米固碳量顯著增加。

（3）施氮可提升交替滴灌下甜糯玉米水分利用效率，增強(qiáng)玉米固碳能力。相同灌溉模式下，中氮水平（0.15 g/kg）下水分利用效率，含碳量與固碳量最高。

因此，中氮水平下苗期—開(kāi)花期實(shí)施交替滴灌可以提高水分利用效率與固碳能力，是甜糯玉米較好的水氮管理模式。