收稿日期： 2023-06-28； 修回日期： 2023-08-15； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2024-05-23

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240522.1043.026

基金項目： 國家自然科學(xué)基金資助項目（52079030）；國家重點研發(fā)計劃項目子課題（2021YFD1500802-2）

第一作者簡介： 劉繼龍（1981—），男，山東五蓮人，教授，博士生導(dǎo)師（通信作者，liujilong@neau.edu.cn），主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究.

第二作者簡介： 陳俊豐（1997—），男，黑龍江通河人，碩士研究生（chenjunfeng_neau@126.com），主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究.

摘要： 為揭示秸稈覆蓋量與施肥量對東北黑土區(qū)玉米生理生長特性的影響機制，設(shè)置3種秸稈覆蓋量（0.5，1.0和1.5倍）和3種施肥量（80%，100%和120%）的交互試驗和常規(guī)施肥無覆蓋對照處理CK共10種處理，研究分析不同秸稈覆蓋量與施肥量下玉米葉片凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs、胞間CO2濃度Ci和葉綠素SPAD等光合特性指標(biāo)及株高、產(chǎn)量及其構(gòu)成要素等生長指標(biāo)的變化規(guī)律，分析各處理生長指標(biāo)與光合特性參數(shù)和產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系，并通過綜合指數(shù)法優(yōu)選出效果最優(yōu)的秸稈覆蓋與施肥模式.結(jié)果表明：秸稈覆蓋和施肥均能提高葉片Pn，Gs和葉綠素SPAD，降低Ci，玉米功能葉片Pn和Gs均隨生育時期先增加后減少，而Ci隨生育時期先增加后降低；葉綠素整體變化趨勢與Pn一致；各處理玉米產(chǎn)量隨秸稈覆蓋量增加先增加后減少，隨施肥量增加而增加，除80%施肥量處理組外其他處理玉米產(chǎn)量較CK處理增加8.9%～21.7%；秸稈覆蓋量為8 000 kg/hm2，施肥量為336 kg/hm2時對研究區(qū)域內(nèi)玉米生長生理及增產(chǎn)效果最佳.

關(guān)鍵詞： 東北黑土區(qū)；秸稈覆蓋；施肥量；生長生理特性；綜合指數(shù)法

中圖分類號： S27" 文章標(biāo)志碼： A" 文章編號： 1674-8530（2024）06-0627-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0129

劉繼龍，陳俊豐，曹曉強，等.黑土區(qū)玉米生理生長特性及產(chǎn)量對不同秸稈覆蓋與施肥量的響應(yīng)［J］.排灌機械工程學(xué)報，2024，42（6）：627-632.

LIU Jilong， CHEN Junfeng， CAO Xiaoqiang， et al. Physiological growth characteristics and yield of maize in black soil areas in response to different straw mulches and fertilizer application rates［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（6）：627-632.（in Chinese）

Physiological growth characteristics and yield of maize in black soil areas

in response to different straw mulches and fertilizer application rates

LIU Jilong1，2*， CHEN Junfeng1，2， CAO Xiaoqiang1，2， LI Jizhen1，2， WU Yaoyu1，2

（1. School of Water Conservancy and Civil Engineering， Northeast Agricultural University，Harbin， Heilongjiang 150030， China; 2.Key Laboratory of High Effective Utilization of Agricultural Water Resources， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Northeast Agricultu-ral University， Harbin，Heilongjiang 150030， China）

Abstract： In order to reveal the influence mechanism of straw cover amount and fertilizer amount on the photosynthetic characteristics of maize in the black soil area of Northeast China， three kinds of straw coverage （0.5，1.0 and 1.5 times） and 3 kinds of fertilization （80%， 100% and 120%） and conventional fertilization control CK of 10 treatments were set. The changes of photosynthetic characte-ristics such as Pn， Gs， Ci， chlorophyll SPAD value， and growth indicators such as plant height， yield， as well as components of maize leaves under different straw mulch and fertilizer application amounts were studied and analyzed， and the correlation between growth indicators and photosynthetic characte-ristics parameters and yield under each treatment was analyzed. The optimum straw mulching and fertilization mode was selected by the comprehensive index method. The results show that straw mulching and fertilization can improve the Pn， Gs and chlorophyll SPAD of leaves， and reduce the Ci. Gs increases with straw mulch amount and fertilizer application amount during the whole growth period. Ci increases first and then decreases with the growth period. The overall change trend of chlorophyll is the same as that of Pn， which shows an increasing trend and then a decreasing trend. The maize yield of each treatment increases first and then decreases with the increase of straw mulch amount， and increases with the increase of fertilization amount. Maize yield is 8.9% -21.7% higher than CK treatment except that of the 80% fertilizer treatment group. The comprehensive index method shows that the straw mulch amount of 8 000 kg/hm2 and the fertilizer amount of 336 kg/hm2 has the best effect on the growth physiology and yield increase of maize.

Key words： Northeast black soil region;straw mulch;fertilization amount;physiological characteristics of growth;comprehensive index method

東北黑土區(qū)作為中國重要的商品糧生產(chǎn)基地，玉米總產(chǎn)量占全國的30%以上［1］.中國的秸稈資源得不到有效利用以及化肥不合理施用造成嚴(yán)重的環(huán)境惡化問題，嚴(yán)重阻礙綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［2］.因此，尋求秸稈資源綜合利用并合理優(yōu)化化肥施用方案，促進作物生長生理特性進而增加產(chǎn)量以彌補中國玉米缺口，對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色高效可持續(xù)發(fā)展有重要意義.

秸稈覆蓋和施肥量是調(diào)節(jié)農(nóng)田作物生長發(fā)育和增加產(chǎn)量的重要田間管理措施［3］.秸稈覆蓋不僅可以減少農(nóng)田水分蒸發(fā)，增強土壤持水能力，調(diào)節(jié)和穩(wěn)定表層土壤水熱環(huán)境，還可增加土壤有機質(zhì)與速效養(yǎng)分含量，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高微生物和酶活性，對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量提升有明顯的促進作用［4］.鄒文秀等［5］通過在黑土區(qū)進行3年連續(xù)試驗研究，全層秸稈深混還田配以0～35 cm耕作深度能有效促進玉米生長，提高玉米產(chǎn)量；趙麗等［6］研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋相較不覆蓋，提高了玉米葉片凈光合速率和葉綠素含量，提升了產(chǎn)量，然而株高有所降低；張麗華等［7］研究發(fā)現(xiàn)半濕潤地區(qū)秸稈覆蓋能有效增強玉米葉片光合能力，促進干物質(zhì)積累，增加產(chǎn)量.同時，施肥是作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要途徑，對作物生長發(fā)育和增產(chǎn)有重要作用，但在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，東北地區(qū)逐年增加的化肥用量導(dǎo)致土壤板結(jié)和肥料利用效率低等問題，不利于作物的生長發(fā)育以及穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn).有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋有利于將外源肥料和土壤養(yǎng)分向作物可利用的速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，進一步提升肥料利用率［8］；也有學(xué)者表明將化肥與秸稈還田相結(jié)合可以充分發(fā)揮肥效，促進秸稈腐解，緩解秸稈分解過程中微生物與作物的爭氮現(xiàn)象，滿足作物整個生長發(fā)育階段的養(yǎng)分需求［9］.張婉晴［10］研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋配施不同施肥量能有效促進玉米生長特性及產(chǎn)量的增長.

目前，關(guān)于秸稈覆蓋配施肥料的研究主要集中于秸稈覆蓋配施氮肥對于作物及土壤的影響方面，而缺乏關(guān)于東北黑土區(qū)秸稈覆蓋配施氮磷鉀復(fù)合肥對作物生理生長特性影響等綜合性研究，為此文中通過研究不同秸稈覆蓋量與復(fù)合肥施用量對作物生長生理指標(biāo)以及產(chǎn)量的影響，分析各處理生長指標(biāo)與光合特性參數(shù)和產(chǎn)量之間的關(guān)系，評價秸稈覆蓋與施肥量對作物生長生理特性的綜合效應(yīng)，以期為優(yōu)化東北黑土區(qū)玉米地秸稈覆蓋量和施肥量提供理論依據(jù).

1" 材料與方法

1.1" 試驗設(shè)計

試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城試驗基地（127°3′E，45°31′N）進行，該地屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候.土壤類型為黑土，土壤容重1.37 g/cm3，有機質(zhì)質(zhì)量比18.42 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量比分別為141.60，22.30，146.21 mg/kg.試驗地種植玉米品種為翔禾88號，設(shè)置3個施肥條件L（80%施肥量，224 kg/hm2），C（100%施肥量，280 kg/hm2），H（120%施肥量，336 kg/hm2），3個秸稈覆蓋量條件M1（0.5倍秸稈覆蓋量，4 000 kg/hm2），M2（1.0倍秸稈覆蓋量，8 000 kg/hm2），M3（1.5倍秸稈覆蓋量，12 000 kg/hm2）的交互試驗，常規(guī)施肥無覆蓋為對照（CK），共計10個處理，每個處理設(shè)3次重復(fù)，共30個小區(qū).采用大型播種機播種，株距25 cm，壟距65 cm，小區(qū)種植面積為6 m×6 m.將魯西復(fù)合肥（N，P2O5，K2O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%，18%，15%）作為底肥一次性施入，其他種植與管理方式與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)農(nóng)作方式一致，即秋收后移走秸稈，翻耕，次年旋地，起壟播種，打封閉藥.將前一年相同小區(qū)面積所產(chǎn)生的全部秸稈量確定為1.0倍秸稈覆蓋量，即8 000 kg/hm2.

1.2" 測定項目及方法

1） 凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度

采用LI-6400XT型便攜式光合作用測量系統(tǒng)（Li-Cor Inc，美國），在玉米拔節(jié)期（JS）、抽雄期（TS）、灌漿期（GS）和成熟期（MS）選取生育進程一致、受光均勻的植株，在晴朗日上午9：00—12：00測定功能葉片的凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs及胞間CO2濃度Ci，每個處理重復(fù)測定3次.

2） 葉綠素

在晴朗日上午9：00—12：00測量光合的同時，用SPAD葉綠素儀測定同一功能葉片的葉綠素值，避開葉脈部位，每個處理重復(fù)測定3次.

3） 株高（H）

用米尺從地表根部以上，苗期（SS）、拔節(jié)期（JS）測量到最高葉片處，抽雄期（TS）后測量到尖端第1節(jié).

4） 玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的測定

成熟后，于每個小區(qū)取6株玉米，分別測定玉米穗長L、穗粗D、穗粒數(shù)S、百粒質(zhì)量m1、穗質(zhì)量m2及產(chǎn)量Y等性狀.用米尺測量穗基部到頂端的長度為穗長，行數(shù)為玉米穗的行數(shù)，行粒數(shù)為玉米穗各行粒數(shù)的平均值，穗粒數(shù)為玉米穗各行粒數(shù)的和.

1.3" 評價方法

使用綜合指數(shù)法評價秸稈覆蓋與施肥各處理，此評價方法通過指標(biāo)值總和的計算進行評價，可規(guī)避人為因素干擾，其值越高，代表綜合效應(yīng)越好，公式［11］為

Z=∑ni=1EiFi，（1）

式中：Z為綜合指標(biāo)值；Ei為評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Fi為評價指標(biāo)的隸屬度值；n為評價指標(biāo)數(shù).

評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)采用相關(guān)系數(shù)法確定，采用隸屬度函數(shù)來確認評價指標(biāo)的隸屬度，以免去各評價指標(biāo)量綱和大小不同所引起不能統(tǒng)一評價的影響，隸屬度函數(shù)為

f（x）=0.1，xlt;x1，

0.9（x－x1）（x2－x1），x1≤xlt;x2，

1.0，x≥x2，（2）

式中： f（x）為評價指標(biāo)的隸屬度值；x1，x2分別為評價指標(biāo)所有觀測值第10%項和第90%項，且x1，x2為隸屬度函數(shù)的上限、下限轉(zhuǎn)折點值，以此轉(zhuǎn)折點來確認各評價指標(biāo)隸屬度.

1.4" 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS Statistics 20.0和Origin 2017軟件進行數(shù)據(jù)處理、繪圖制表和差異顯著性分析.

2" 結(jié)果與分析

2.1" 秸稈覆蓋與施肥對玉米光合特性的影響

2.1.1" 凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2

不同處理下玉米Pn和Gs隨生育時期變化趨勢如圖1所示.

各處理玉米葉片Pn和Gs均隨生長發(fā)育進程呈先增后減變化趨勢.拔節(jié)期各處理玉米Pn和Gs分別比CK處理高3.5%～36.3%和4.2%～41.7%，CK與各處理之間Pn差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05），CK與除LM1之外的其他處理之間Gs差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05）.在抽雄期、灌漿期和成熟期，各處理Pn分別比CK高20.6%～46.6%，9.0%～50.8%，0.6%～27.3%，各處理Gs分別比CK高3.8%～38.5%，0.1%～26.1%，0.1%～62.5%，這可能是由于適宜的秸稈覆蓋量與施肥量使得土壤水分狀況得以改善，同時促進了速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化利用，利于氣孔開度，進而增強作物的Pn［4，12］.

圖2為不同秸稈覆蓋量與施肥量處理下的玉米胞間CO2濃度Ci變化特征圖.各處理玉米Ci隨生育進程呈先增后減的變化趨勢.各處理Ci均低于CK，各生育時期分別較CK低6.6%～41.7%，3.7%～27.4%，1.8%～18.5%，2.8%～16.8%；拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期除LM1之外的其他處理之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05），成熟期除LM1和LM2之外的其他處理與CK差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05）.

2.1.2" 葉綠素含量

圖3為不同處理玉米葉綠素SPAD隨生育時期變化趨勢，葉綠素隨生育時期呈先增大后減小趨勢.

拔節(jié)期，除LM1，CM1，LM3之外其他處理與CK之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05）；抽雄期，除HM2之外其他處理與CK之間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P≥0.05）；灌漿期和成熟期，除LM1，HM1之外的其他處理與CK之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05），秸稈覆蓋與施肥條件各處理葉綠素含量較CK高5.1%～59.0%和8.8%～44.2%.說明秸稈覆蓋與施肥能夠增加土壤有機質(zhì)與速效養(yǎng)分含量，提高微生物和酶活性［3-4］，促進葉綠素的形成，與趙麗等［6］研究秸稈覆蓋顯著提高作物葉綠素含量一致.

2.2" 秸稈覆蓋與施肥對玉米生長特性的影響

2.2.1" 不同處理玉米株高

圖4為不同處理玉米株高隨生育時期變化趨勢.由圖可知，各生育期玉米株高除苗期外CM2均最高，CM1，CM2和CM3各生育時期株高較CK分別增加3.4%～19.0%，17.5%～56.9%，4.3%～33.8%；HM1，HM2和HM3各生育時期株高較CK分別增加6.4%～54.2%，13.2%～55.4%，3.7%～31.9%；LM1，LM2和LM3各生育時期較CK除苗期外均有增加，分別增加4.0%～14.4%，0.3%～10.9%，0.6%～7.1%，但差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P≥0.05）.

2.2.2" 不同處理產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

不同處理玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素見表1.由表可知，除LM1外其他各處理穗重與CK均差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05），各處理穗重較CK高3.6%～21.0%；各處理穗長與CK之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05），各處理穗長較CK高1.0%～7.8%；除LM1，LM2和LM3之外其他處理百粒重均與CK差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05），除LM1和LM3外，其他各處理百粒重較CK高0.3%～5.4%，百粒重隨秸稈覆蓋量和施肥量變化無明顯變化趨勢；除HM2和LM3外，其他處理穗粒數(shù)較CK高0.3%～10.3%，穗粒數(shù)隨秸稈覆蓋量和施肥量變化無明顯變化趨勢；除LM1，LM2和LM3之外，其他處理玉米產(chǎn)量較CK高8.9%～21.7%，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Plt;0.05），玉米產(chǎn)量隨秸稈覆蓋量的增大整體呈先增后減的變化趨勢，在0.5倍和1.0倍秸稈覆蓋量條件下隨施肥量的增大而增大，1.5倍秸稈覆蓋量條件下100%施肥處理下玉米產(chǎn)量最高.

2.3" 不同處理下玉米各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

不同秸稈覆蓋量及施肥條件下各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)如表2所示，由表可知，Pn與Gs、Ci、株高、穗重和穗長呈極顯著正相關(guān)，與葉綠素和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；Gs與Ci、穗重、穗長和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與株高呈顯著正相關(guān)；Ci與穗重、穗長和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與株高呈顯著正相關(guān)；葉綠素與株高呈顯著正相關(guān).光合特性均與穗重、穗長、產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，表明較高的Pn，Gs和Ci會顯著提高玉米產(chǎn)量.

2.4" 玉米生理生長特性的綜合效應(yīng)研究

2.4.1" 評價指標(biāo)選取

為篩選秸稈覆蓋量與施肥量的最優(yōu)組合方式，選取不同處理玉米全生育時期生長生理指標(biāo)作為評價指標(biāo)，評價不同秸稈覆蓋量及施肥量組合模式下植株光合作物產(chǎn)量綜合效應(yīng)，確定研究區(qū)域秸稈覆蓋量與施肥量最優(yōu)組合模式.評價指標(biāo)體系中，選取玉米全生育時期平均凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs、胞間CO2濃度Ci、葉綠素SPAD、株高H、穗質(zhì)量m2、穗長L、百粒質(zhì)量m1、穗粒數(shù)S和產(chǎn)量Y，共計10個指標(biāo)，依次用Q1—Q10代表上述評價指標(biāo).采用相關(guān)系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，Q1—Q10權(quán)重系數(shù)依次為0.099，0.105，0.116，0.104，0.122，0.095，0.096，0.097，0.040，0.126.

2.4.2" 綜合評價結(jié)果

黑土區(qū)農(nóng)田玉米全生育期綜合指標(biāo)值按處理HM1，CM1，LM1，HM2，CM2，LM2，HM3，CM3，LM3和CK依次為0.311，0.201，0.110，0.405，0.397，0.200，0.390，0.363，0.264和0.100.由此可知，秸稈覆蓋及施肥處理綜合評價指標(biāo)均大于CK，80%施肥量不同秸稈覆蓋量處理LM1，LM2和LM3的綜合值逐漸增加，100%施肥量和120%施肥量不同秸稈覆蓋量處理均表現(xiàn)為隨秸稈覆蓋量的增加而綜合指標(biāo)值先增后減的變化趨勢，120%施肥量綜合評價值大于100%施肥量，但差距很小.綜上所述，秸稈覆蓋量為8 000 kg/hm2，施肥量為120%時效果最佳，可提高植株光合速率，促進玉米生長發(fā)育，從而達到增加產(chǎn)量的目的.

3" 結(jié)" 論

1） 不同秸稈覆蓋量與施肥量條件下Pn，Gs和Ci均隨生育進程呈先增后減的變化趨勢，葉綠素整體變化趨勢同Pn變化趨勢相同，灌漿期秸稈覆蓋與施肥條件各處理葉綠素含量較CK高5.1%～59.0%.

2） 各處理玉米產(chǎn)量隨秸稈覆蓋量增大呈先增后減變化趨勢，隨施肥量增大而增大，玉米產(chǎn)量除80%施肥量處理外，其他處理較CK處理高8.9%～21.7%.

3） Pn與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，株高和百粒質(zhì)量均與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān).研究區(qū)域內(nèi)對玉米生長生理及增產(chǎn)效果最適宜的組合為秸稈覆蓋量8 000 kg/hm2及施肥量336 kg/hm2.

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（責(zé)任編輯" 黃鑫鑫）