趙有欣,陳鈺蓉,付 贊,何東昱,陳佳慧,邢玉美,萬云婷,范 震,田曉飛

(聊城大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院,山東 聊城 252059)

0 引言

夏玉米是重要的糧食作物、飼料作物以及經(jīng)濟(jì)作物[1]。磷作為夏玉米生長所必需的大量元素之一,合理的磷肥施用對于保障我國糧食安全至關(guān)重要[2,3]。由于土壤特定的理化性狀和磷酸鹽在土壤中的化學(xué)行為,華北平原地區(qū)夏玉米生產(chǎn)所施入的磷肥的利用率在25%左右[4]。大部分所施磷肥都作為無效態(tài)(難溶態(tài))殘留在土壤中,這些積累在土壤中的磷是水體富營養(yǎng)化的重要來源,過量使用磷肥與氮肥的過度應(yīng)用[5]相似,已經(jīng)產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的環(huán)境問題[6]。因此施用緩效磷肥,通過阻礙土壤顆粒和磷肥的直接接觸而減少土壤對磷的固定,盡可能發(fā)揮磷肥后效對于提高磷肥利用率至關(guān)重要。

水分是影響夏玉米產(chǎn)量形成的另一關(guān)鍵因子,但華北平原地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水資源嚴(yán)重不足,水分利用效率較低[7]。保水劑是一種含有多種親水基團(tuán)并適度交聯(lián)的高分子聚合物,因其獨(dú)特的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和大量親水性官能團(tuán)的存在而具有超強(qiáng)的吸水持水能力[8,9]。但是傳統(tǒng)保水劑多為機(jī)械強(qiáng)度和耐鹽性較差的聚丙烯酸(鈉)或聚丙烯酰胺類產(chǎn)品,價(jià)格較高且在土壤中難以降解,易對環(huán)境造成二次污染[10],限制了在大田糧食作物上的推廣應(yīng)用。以農(nóng)作物秸稈中大量存在的纖維素為原材料可以制備成本低廉、吸水持水能力強(qiáng)且具有良好生物降解性的保水劑。以淀粉、纖維素等可降解原材料制備的保水劑為載體,以脲甲醛、聚磷酸銨等緩釋肥料為養(yǎng)分源制備的保水緩釋肥料能夠更充分發(fā)揮二者水分保蓄及養(yǎng)分緩釋功能[11-13],但是針對保水緩釋磷肥在夏玉米等糧食作物上應(yīng)用的研究還較少。因此,本研究以自制的玉米秸稈纖維素基保水緩釋磷肥為供試肥料,采用土柱栽培試驗(yàn)探究其對夏玉米生長和葉片光合特征動態(tài)變化的影響,以期為保水緩釋肥料的開發(fā)與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年6～10月在聊城大學(xué)東校區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境教學(xué)科研基地(36°26′N,116°01′E)進(jìn)行。該地區(qū)屬于半干旱大陸性氣候,年平均氣溫13.1℃,年均降雨量578.4 mm。供試夏玉米品種為“德單121”。供試土壤為石灰性潮土,0～20 cm土壤基本理化性狀為:有機(jī)質(zhì)12.5 g/kg,全氮0.7 g/kg,硝態(tài)氮24.5 mg/kg,銨態(tài)氮6.5 mg/kg,有效磷17.2 mg/kg,速效鉀143.5 mg/kg,p H值為7.9(水土比2.5∶1)。試驗(yàn)所用保水緩釋磷肥參照Zhao[13]等的方法,以玉米秸稈纖維素與丙烯酸接枝共聚物為載體,分別以聚磷酸銨和磷酸二銨為緩釋磷源制得(圖1)。所制備的保水緩釋磷肥吸水前為灰色半透明固體顆粒,吸水后呈無色透明凝膠狀。

圖1 溶脹前后纖維素保水劑(a、b)和保水劑負(fù)載緩釋聚磷酸銨(c、d)圖片

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為土柱栽培試驗(yàn),共設(shè)5個處理,分別為不施磷肥對照(CK)、磷酸二銨(P)、緩釋聚磷酸銨(APP)、保水劑負(fù)載磷酸二銨(SAP-P)和保水劑負(fù)載聚磷酸銨(SAP-APP),每個處理3次重復(fù)。除CK處理只施氮鉀肥外,其他處理氮磷鉀肥施入量相同,分別為3.11-1.78-2.67(N-P2O5-K2O)g/株。

供試土柱為高120 cm,內(nèi)徑20 cm的加厚PVC管,每個土柱裝風(fēng)干土42 kg。在裝土?xí)r首先將35 kg土壤填入土柱中,然后將各處理肥料分別與7.0 kg土壤混合均勻后填入對應(yīng)土柱中。2020年6月1日每個土柱播種2粒,待幼苗真葉展開后定植一株,在播種后和灌漿期每個土柱澆水2 L,夏玉米整個生育期內(nèi)各土柱均按常規(guī)高產(chǎn)栽培模式進(jìn)行除草、除蟲等田間管理,整個生育期各土柱的管理保持一致。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

分別在夏玉米拔節(jié)期(6月21日)、大喇叭期(7月8日)、開花期(7月26日)和灌漿期(9月15日)測定株高,采用直尺測量穗位葉的長度和寬度,利用長寬系數(shù)法(長×寬×0.75)計(jì)算葉面積。在9月3日至9月15日每隔3 d采用LI-6800新一代光合-熒光全自動測量系統(tǒng)(LI-COR,美國)測定整個灌漿期穗位葉光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等參數(shù)。測定時采用紅藍(lán)光源,控制葉室內(nèi)光合有效輻射強(qiáng)度1 000μmol/(m2·s),參比室中葉片溫度為(25±1)℃,CO2濃度為(400±5)μmol/(m2·s)。10月5日玉米收獲時將地上部按照莖葉分開,105℃殺青30 min后在75℃烘干至恒重。統(tǒng)計(jì)各處理玉米穗粒數(shù)、百粒重和籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,使用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異監(jiān)測(LSD法,p＜0.05),使用Origin 8.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對夏玉米生長的影響

夏玉米株高隨生育期延長而逐漸增加,且各施磷處理株高均顯著高于CK處理(表1)。與P處理相比,開花期APP和SAP-P處理株高分別增加12.2%和12.4%,灌漿期分別增加6.1%和10.9%,但對拔節(jié)期和大喇叭口期株高無顯著影響。各生育期SAP-APP處理與SAP-P處理株高基本一致,但灌漿期SAP-APP處理較APP處理株高顯著增加5.9%。

表1 不同施肥處理對夏玉米各時期株高的影響

不同磷肥處理對夏玉米灌漿期葉面積具有顯著影響(圖2)。施磷顯著提高了灌漿期夏玉米葉面積,較CK處理葉面積顯著增加18.1%～48.2%。與P處理相比,SAP-P和SAP-APP處理葉面積分別顯著增加21.4%和25.4%,但APP與P處理葉面積差異不顯著。SAP-P和SAP-APP處理葉面積基本一致,較APP處理分別增加了4.0%和7.4%。

圖2 各處理夏玉米植株葉面積

2.2 不同施肥處理對夏玉米植株光合特征的影響

總體而言,隨灌漿天數(shù)的增加各處理穗位葉凈光合速率(Pn)值均呈逐漸降低趨勢(圖3)。除在灌漿后第14 d時P與CK處理葉片Pn值差異不顯著外,其他施磷處理均顯著提高了灌漿期葉片Pn值,表明施用磷肥有助于夏玉米干物質(zhì)的形成。在灌漿后第1 d時,SAP-APP處理Pn值顯著高于P和APP處理,但與SAP-P處理差異不顯著。第7 d時,各處理Pn值呈SAP-APP＞SAP-P＞APP＞P＞CK的規(guī)律,但SAP-P和APP處理差異不顯著。第11 d時,SAP-APP、SAP-P和APP處理Pn值較P處理分別顯著增加15.4%、9.6%和8.6%。第14 d時,各施磷肥處理葉片Pn值無顯著差異。

圖3 不同處理對夏玉米凈光合速率的影響

總體而言,隨灌漿后天數(shù)的增加各處理胞間CO2濃度值(Ci)呈逐漸升高趨勢(圖4)。與CK相比,施用磷肥顯著降低了Ci值,但在第7、11、14 d時P處理和CK處理的Ci值無顯著差異。與P處理相比,APP和SAP-P處理顯著降低了灌漿后第1 d時Ci值,SAP-APP處理顯著降低了灌漿后第1、7、11 d時Ci值。在灌漿后第7、11 d時,SAP-APP處理Ci值顯著低于SAP-P和APP處理。

圖4 不同處理對夏玉米胞間CO2濃度的影響

夏玉米灌漿期蒸騰速率(Tr)與Pn的變化趨勢一致,均呈現(xiàn)隨灌漿天數(shù)的增加而逐漸降低的趨勢(圖5)。施用磷肥顯著提高了夏玉米灌漿期蒸騰速率,但第11、14 d時P和APP處理與CK處理Tr值差異不顯著。與P處理相比,在整個灌漿期SAP-P和SAP-APP處理葉片Tr值分別增加了21.0%和27.9%,但APP與P處理Tr值差異不顯著。與APP處理相比,在灌漿后的第4、7、14 d時SAP-APP處理葉片Tr值分別顯著增加21.5%,29.9%和28.5%。

圖5 不同處理對夏玉米蒸騰速率的影響

由圖6看出,各處理氣孔導(dǎo)度(GS)均隨灌漿后天數(shù)的增加而逐漸降低趨勢。與CK處理相比,APP、SAP-P和SAP-APP處理均顯著提高了整個灌漿期穗位葉GS值,但P處理僅在灌漿后的第11、14 d顯著增強(qiáng)了氣孔導(dǎo)度。P處理和APP處理葉片GS值無顯著差異,但SAP-P和SAP-APP處理GS值較P處理分別增加了22.1%～63.0%和23.2%～79.5%。同一灌漿時期,SAP-P和SAP-APP處理的GS值無顯著差異。

圖6 不同處理對夏玉米氣孔導(dǎo)度的影響

2.3 不同施肥處理對夏玉米產(chǎn)量的影響

與CK相比,各施磷處理地上部干物質(zhì)量、穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量分別顯著增加26.8%～37.6%,33.2%～41.8%和28.0%～45.2%,但對百粒重?zé)o顯著影響(表2)。各施磷處理葉片干物質(zhì)量基本一致,但SAP-APP處理莖稈干物質(zhì)量較P處理顯著增加了11.9%。與P和APP處理相比,SAP-APP處理地上部干物質(zhì)量分別增加了8.5%和8.2%,穗粒數(shù)分別增加了5.5%和5.2%。SAP-APP處理穗粒數(shù)較SAP-P處理顯著增加6.5%,這主要與SAP-APP降低了玉米果穗禿尖有關(guān)。各處理籽粒產(chǎn)量以SAP-APP處理最高,較其他施磷處理增加8.8%～13.4%,說明所制備的保水型緩釋聚磷酸銨在夏玉米生產(chǎn)具有較好的應(yīng)用潛力。

3 討論

合理的土壤水分和磷素供應(yīng)是促進(jìn)作物生長發(fā)育、調(diào)節(jié)生理代謝等作用的基礎(chǔ)[14]。協(xié)同優(yōu)化夏玉米各生育期,尤其是產(chǎn)量形成關(guān)鍵期土壤磷素和水分時空供給有助于提高夏玉米光合效率和營養(yǎng)物質(zhì)積累,進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[15,16]。本研究結(jié)果表明,施磷能夠顯著可以促進(jìn)夏玉米植株生長,顯著提高各生育期株高(表1)和灌漿期葉面積(圖2)。株高和葉面積作為夏玉米生長最直觀的表現(xiàn),在一定程度上可以較好地反映土壤水分和磷素供應(yīng)情況[17,18]。在華北平原廣泛分布的石灰性土壤中,所施用的普通磷肥很容易通過沉淀作用轉(zhuǎn)化為作物難以直接吸收利用的Al-P、Ca8-P和Fe-P型等磷酸鹽[19]。聚磷酸鹽在土壤中比正磷酸鹽離子有著更好的移動性[20],從而能夠更好地避免土壤對所施入磷肥的固定,提高磷肥生物有效性。Holloway[21]等通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在澳大利亞石灰性土壤上聚磷酸銨的當(dāng)季磷肥利用率是普通磷肥的15倍,Holloway[22]等的研究也發(fā)現(xiàn)在土壤中殘留的聚磷酸銨使第二年小麥增產(chǎn)15.0%。但在本試驗(yàn)結(jié)果中,單獨(dú)施用聚磷酸銨處理較普通磷肥處理并未顯著增加夏玉米地上部干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量(表2),這可能與本研究所用的聚磷酸銨聚合度仍然較高,在土壤中水解速度無法精準(zhǔn)匹配夏玉米對磷素的吸收,從而導(dǎo)致聚磷酸銨所含磷素?zé)o法被當(dāng)季夏玉米完全吸收利用,部分磷肥仍然以聚合態(tài)的形式在土壤中積累起來有關(guān)。

表2 不同處理對夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成的影響

磷作為植物細(xì)胞磷脂雙分子層的重要組成元素,光合作用中的光合磷酸化作用、CO2的固定、光合產(chǎn)物的運(yùn)輸?shù)冗^程也需要磷素的參與[23,24],磷素供應(yīng)不足會抑制作物自身碳代謝和相關(guān)同化物的運(yùn)輸,最終降低了植物的光合速率[25]。本研究結(jié)果表明,各施磷處理,尤其是保水劑負(fù)載緩釋聚磷酸銨處理在顯著提高了夏玉米葉面積(圖2)的同時,還增強(qiáng)了整個灌漿期穗位葉的凈光合速率(圖3),這可能與聚磷酸銨中氮素和磷素的緩慢釋放,在夏玉米灌漿期仍能維持較高的土壤養(yǎng)分供應(yīng)有關(guān)。這與盧豪[26]等人發(fā)現(xiàn)的施用控釋摻混磷肥可以改善與光合作用相關(guān)酶活性的結(jié)論相一致。

除養(yǎng)分供應(yīng)外,作物根際土壤水分含量是影響作物光合作用強(qiáng)弱的另一重要因素。保水劑通過快速吸水-緩慢釋水過程調(diào)控土壤水分供應(yīng),再加上對土壤物理性質(zhì)的改變,影響作物的生長發(fā)育[27]。本研究結(jié)果表明,施用保水劑負(fù)載普通磷肥處理較磷酸二銨處理并未顯著提高夏玉米地上部干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量(表2),這可能與磷酸二銨溶解后離子濃度較高,顯著降低保水劑的吸水能力有關(guān)。但是保水劑負(fù)載聚磷酸銨處理較普通緩釋聚磷酸銨地上部干物質(zhì)量增加了8.2%,籽粒產(chǎn)量增加了10.1%。這主要與聚磷酸銨所含養(yǎng)分能夠緩慢釋放,從而避免了吸水溶脹后保水劑結(jié)構(gòu)內(nèi)的溶液滲透壓迅速增加[27],對保水劑的吸水持水性能影響較小。此外,保水緩釋肥料的三維網(wǎng)狀交聯(lián)聚合結(jié)構(gòu)和親水基團(tuán)能夠快速吸收并保持經(jīng)灌溉或降水進(jìn)入到土壤中的水分,在土壤含水量較高時減少水分蒸發(fā),土壤含水量下降時又能在作物根際持續(xù)緩慢釋放水分而滿足作物需求[28]。保水緩釋磷肥能夠在土壤中通過保水劑的快速吸水-緩慢放水和聚磷酸銨的養(yǎng)分緩釋實(shí)現(xiàn)夏玉米產(chǎn)量形成關(guān)鍵期養(yǎng)分、水分穩(wěn)定供應(yīng),最終夏玉米表現(xiàn)出較好的增產(chǎn)效果。然而,本研究所制備的保水型緩釋磷肥水分吸持和養(yǎng)分緩釋效果未必是經(jīng)濟(jì)效益和增產(chǎn)效果最好的,今后將繼續(xù)深入開展制備參數(shù)優(yōu)化和保水型緩釋磷肥在田間生產(chǎn)應(yīng)用方面的研究。此外,針對保水劑與緩釋磷肥對夏玉米生長和土壤磷素有效性交互效應(yīng)的研究還有待于進(jìn)一步深入。

4 結(jié)論

本研究所制備的保水緩釋磷肥具有較好的水分吸持效果,能夠改善夏玉米整個灌漿期葉片光合特征,提高穗位葉凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度,降低了胞間CO2濃度,有助于夏玉米地上部干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量的形成。施用保水劑負(fù)載緩釋聚磷酸銨處理玉米籽粒產(chǎn)量最高,較其他施磷處理增產(chǎn)8.8%～13.4%,在我國北方干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有較好的應(yīng)用前景。