0、引言
黑龍江省“十年九春旱”,玉米、大豆等旱地作物出苗受到嚴重影響。黑龍江省農作物播種、出苗、生長發育普遍不好,全省農作物生育期普遍拖后10~15天,嚴重的拖后1個月以上,苗小、苗弱、苗不齊,苗情極差。為了解決玉米苗期干旱對后續生產的影響,國內許多學者進行過大量的研究。王繼鳳等對玉米的研究發現,種子或幼苗本身對水分的需求量少,但其對土壤小環境中的水分要求較高。齊健等研究表明,干旱脅迫使玉米根系和地上部的生物量降低,葉片中的葉綠素含量顯著降低,葉片光合面積減小,根冠比增大。王智威等研究結果表明,隨著水分脅迫程度的加劇,玉米幼苗的生物量顯著下降,根冠比及根系活力增加,水分脅迫對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,不同處理根冠比大小與N吸收和分配有很大關系。人們普遍關注水肥對作物生長發育的影響,進行了大量的研究,結論基本一致。較多的研究工作都放在了水分協迫對作物的影響方面,較少考慮到不同肥分條件下的水分脅迫對作物的影響。為此,將葉面積指數和干物質積累量作為主要控制指標、株高作為次要指標,采用全面試驗分析苗期水氮組合對生長指標的影響,保證苗期主要生理指標均達到最優,對保證幼苗在干旱條件下成活具有十分重要的意義。
1、材料與方法
1.1試驗區概況
試驗于2012年在東北農業大學園藝試驗站培養室內內進行。試驗區位于北緯45°42'、東經128°44',多年平均降水量為458.5mm,全年平均氣溫4.9℃,無霜期143d;屬于寒溫帶大陸性季風氣候,雨量集中在7-9月,春季降雨少,干燥多大風,容易形成春旱。
供試土壤為黑土,基本性狀為:有機質28.56g/kg、全氮1.45g/kg、全磷0.78g/kg、全鉀20.76g/kg、速效氮115.82mg/kg、速效磷54.3mg/kg、速效鉀182.6mg/kg、pH6.52,土壤的最大田間持水量為34.72%。
1.2試驗設計
試驗設灌水量和施氮水平2個因素。苗期不同灌水量設置為重度干旱\\(W1\\)、中度干旱\\(W2\\)、輕度干旱\\(W3\\)、適水\\(W4\\)、豐水\\(W5\\)5個處理。不同水分控制如表1所示。施氮水平按施氮量分別為0.05,0.18,0.30,0.43g/kg等4個水平設置,依次以N1,N2,N3,N4表示,記為低氮、中氮、適氮、高氮。所有處理的磷肥與鉀肥作為基肥施入,P2O5為0.125g/kg,K2O為0.2g/kg。每個水肥處理進行5次重復。
試驗采用深棕色、硬質、不透光塑料試盆:入口內徑29cm,桶底內徑21.5cm,高29cm。每盆裝干土12kg,裝盆過程中輕輕振動,使土壤松緊合適。2012年玉米播種日期為5月6日,試驗品種采用“吉單27”,每盆播種3粒種子。玉米出苗后長至三葉期,每盆選擇長勢基本一致的幼苗定植1株。將玉米生育期劃分為苗期、拔節期、抽雄期和灌漿期4個階段,生長期間按試驗設計要求,當含水量降至或接近該處理水分控制下限時進行灌水,灌水至水分控制上限,灌水量以稱重法控制,記錄每次灌水量。
1.3采樣與測定
土壤基本性狀測定:采用農業化學分析方法測定土壤中的全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量及pH值,采用威爾科克斯環刀法測定土壤田間持水量。玉米生長監測:玉米三葉期后開始用直尺測定株高,游標卡尺測定莖粗,AM-300手持式葉面積儀測定葉面積指數\\(LAI\\)。干物質的測定:在每個水平隨機取2株玉米將根部清洗干凈,進行105℃殺青;持續30min后,于80℃烘至恒重,稱其質量,精確到0.01g,得到單株地上部分和根部干質量。
1.4數據統計與分析
試驗數據采用SAS\\( Statistics Analysis System\\)進行方差分析,采用 Microsoft Excel2003及MATLABR2009a制圖。
2、結果與分析
2.1水氮對葉面積指數\\(LAI\\)的影響
葉面積是作物的形態指標之一,也是作物光合特性的直接表征因素,其與水分和肥料密切相關。通過圖1可知相同灌水量條件下的葉面積指數大小關系:N3>N4>N2>N1;在等施氮水平下的葉面積指數大小關系:W4>W5>W3>W2>W1。通過表2方差分析結果可以看出:土壤水分是影響葉面積指數的最重要的因素,達到極顯著水平;其次為氮效應,也達到顯著水平。玉米在苗期適水和輕度干旱對葉面積指數的影響在1%水平上差異不顯著,中度干旱處理對葉面積指數的影響在1%水平上差異顯著。分析表明,苗期土壤持水量在田間持水量的65%以上時,可以考慮不進行灌溉,從而起到保苗的作用。氮素營養充足,可保證有較大的葉面積進行光合作用,提高光合效率,從而增加干物質積累。通過對全部組合對比參照組W4分析,繪制了圖2不同灌水下限葉面指數降低率。當葉面指數降低達10%\\(優秀\\)時,土壤含水率為田間持水量的62.6%~72.6%,即苗期保證土壤含水率在21.13%以上有較好的保苗效果。
2.2水氮及根冠比對干物質的影響
氮素營養可促進作物根、莖、葉等營養器官的生長。試驗研究表明,土壤水分條件適宜時,氮對根營養生長有促進作用:輕度水分脅迫W3條件下,施氮對玉米根系的生長發育有促進作用;而重度水分脅迫W1和中度水分脅迫W2,施氮則引起根水勢下降,導致根干重明顯減小。氮素營養可以使根呼吸作用明顯加強,適量施氮可增加總根重,改善根系的水分狀況,有助于玉米后期有機物的合成;但過量施氮會導致根細胞膜傷害率明顯增加,根系保水能力下降,對根部營養生長有抑制作用。
方差分析表明\\(見表3\\),玉米在苗期適水和輕度干旱對干物質積累量的影響在1%水平上差異不顯著,中度干旱處理對干物質積累量影響在1%水平上差異顯著;在苗期適氮和中氮和對干物質積累量的影響在1%水平上差異顯著。分析表明,苗期土壤持水量在田間持水量的65%以上時,可以保證干物質積累量對保苗有利。將W4N3作為參照組,分析水分脅迫和施氮量組合對干物質積累總量的影響:重度水分脅迫組W1N1,W1N2,W1N3,W1N4干物質總積累量分別比對照組減少了37.7%,35.6%,30.4%,31.4%。
這種情況下干物質積總累量減少極其明顯,施氮肥可以增加干物質的積累,低水分條件下作用效果不明顯,過量氮產生負效應。中度水分脅迫組W2N1,W2N2,W2N3,W2N4干物質總積累量分別比對照組減少了34.6%,24.3%,16.4%,19.4%。輕度水分脅迫組W3N1,W3N2,W3N3,W3N4干物質積累總量分別比對照組減少了23.3%,17.2%,4.9%,5.7%。
可以看出,在輕度水分脅迫下干物質累積總量減少得不明顯,施氮量是制約干物質增長的主要因素。
根冠比反應地上部分干物質積累和根部干物質積累的關系,是評價生物量的重要指標。由圖3可見,根冠比與干物質的積累量有著密切的關系:在同一水分水平條件下,根冠比先減小后增加,干物質積累量先增加后減少,各水分脅迫狀態下變化趨勢基本一致;隨著水分脅迫程度降低根冠比逐漸減小,各施氮水平表現均較明顯。水氮對地上部分和根系產生影響,地上部分與根系相互影響。地上部分發育較好,有利于光合作用進行,對根部發育有促進作用;根部發達有利于植物營養的吸收,對地上部分生生長有促進作用。根冠比較低時對干物質積累量最為有利,試驗組表現非常顯著。
2.3水肥生產函數
用干物質總積累量建立水氮兩因素交互作用的回歸模型為
模型中的線性及二次回歸均顯著\\(α=0.05\\),各水氮處理與干物質積累量之間的回歸關系均達到顯著水平。由回歸模型一次項系數可以看出,水、氮兩因素對苗期干物質積累呈顯正效應,大小順序為水>氮。這說明,在試驗條件下,水分對促進干物質積累的作用最大,氮肥次之;二次項系數均為負值,說明水、氮過量的投入會對干物質積累產生負效應;交互相系數為正值,說明水與氮耦合有協同作用,對干物質積累量增加具有相互促進作用。下面進一步探討水氮兩因素的單獨效應,對回歸模型\\(1\\)降階處理,并令其等于0,則
分析表明,干物質積累量達到最大時,土壤含水率為田間含水量的91.64%,即土壤含水率為31.81%,氮的最佳施入量為4.23g/kg。當施入量低于最適施入量時,干物質積累量隨著施入量的增加而增加;到達最適施入量時,干物質積累量最大,施入量繼續增大,干物質積累量反而減小。通過計算機模擬的圖形\\(如圖4所示\\)與分析數學模型可知,得出的結果表現形式一致。
上述分析說明,氮肥的投入量要依據土壤含水率而定;同樣,灌水量的多少要根據施氮量的高低來確定。施氮量和灌水量不足均達不到保苗最好的效果,而施氮量和灌水量過多不僅浪費水氮資源,而且會抑制生長。只有合理的水氮耦合,才能發揮出最佳耦合效果,實現水氮資源高效利用。
3、結論
1\\)葉面指數是作物光合特性的直接表征因素,保證一定的葉面積指數特別重要。苗期過度干旱,無法通過復水補償增加葉面指數,對后期光合作用合成有機物產生負效應。因此,要保證土壤含水率在21.13%以上才具有較好的保苗效果。
2\\)苗期應保證一定的干物質積累量,不影響后期有機物的合成,此時土壤含水率應控制在22.56%以上。施氮有利于干物質早期充分積累,保證一定氮肥施入量有利于保苗。
3\\)根冠比與干物質積累量之間存在負相關關系,苗期隨著施氮量增加根冠比明顯減小,干物質積累量顯著增加,根冠比較低時對干物質積累量最為有利。
4\\)在生產實踐中,采取適宜的水肥管理措施,保證春旱條件下苗期正常生長,“以肥促水,以水調肥”,確保半干旱區農業的可持續發展。
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