不同地力水平下控释尿素对玉米物质生产及光合特性的影响.pdf

作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(12): 22332240 /zwxb/ ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: 本研究由国家自然科学基金项目(30900878), 中国博士后科学基金项目(20100481067)和山东省泰山学者项目(TS200648033)资助。 * 通讯作者(Corresponding authors): 袁翠平, E-mail: , Tel: 王立春, E-mail: , Tel:第一作者联系方式: E-mail: Received(收稿日期): 2011-02-22; Accepted(接受日期): 2011-07-25; Published online(网络出版日期): 2011-09-29. URL: /kcms/detail/11.1809.S.20110929.1552.010.html DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.02233 不同地力水平下控释尿素对玉米物质生产及光合特性的影响 王永军 1,2 孙其专2 杨今胜3 王空军2 董树亭2 袁翠平1,* 王立春1,* 1吉林省农业科学院, 吉林长春 130033; 2作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学, 山东泰安 271018; 3山东登海种业股份有限公 司, 山东莱州 261448 摘 要: 氮肥是玉米生产中最重要的增产要素之一。为探明不同地力水平下控释尿素对玉米物质生产及光合特性的 影响, 采用盆栽试验研究了释放期不同的 2 种控释尿素(CRU30, 释放期为 30 d; CRU60, 释放期为 60 d)的作用效果, 以普通尿素为对照(U)。结果表明, 控释尿素处理显著增加玉米干物质积累量, 但释放期不同的控释尿素在不同地力 水平下增产效果不同, 低地力水平下增产效果为 CRU30CRU60U (PCRU30U(PCRU60U (PCRU30U (P7 500 kg hm2), 根据文 献24标准划分土壤地力。土壤类型为沙壤土, 2 种 地力土壤的养分含量状况见表 1。 表 1 供试土壤养分含量状况 Table 1 Nutrients concentrations of the soil in the experiment 地力水平 Soil fertility 有机质 Organic matter (g kg1) 全氮 Total N (g kg1) 碱解氮 Alkali-hydrolysable N (mg kg1) 速效磷 Available P (mg kg1) 速效钾 Available K (mg kg1) 低地力 Low soil fertility 14.21 0.74 74.21 27.66 70.47 高地力 High soil fertility 18.53 1.10 124.38 45.23 81.78 1.2 试验材料与试验设计 供试肥料为国家高技术研究发展计划(863 计划) 项目研制的 2 种不同释放期控释尿素, CRU30释放期 为 30 d, CRU60释放期为 60 d, 含纯氮 42%, 由中国 农业科学院农业资源与农业区划研究所提供; 供试 玉米品种为 SCF03-62。 万方数据 第 12 期 王永军等: 不同地力水平下控释尿素对玉米物质生产及光合特性的影响 2235 采用盆栽试验, 盆的直径 30 cm, 高 45 cm, 每 盆装干土 25 kg, 播种前将盆埋入田间。按行距 53 cm、 株距 36 cm 排放, 折合密度 52 500 株 hm2, 四 周种植同品种同密度保护行。高、低地力水平下各 设普通尿素 U (对照)、CRU60和 CRU30共 6 个处理, 重复 3 次(每重复种植 135 盆, 取样 131 盆), 随机区 组排列。所有处理肥料用量一致, 均做底肥(盆中土 表下约 8 cm 处一次施入)。 N 5.43 g pot1, P2O5 2.10 g pot1, K2O 5.24 g pot1, 磷肥为过磷酸钙(12% P2O5), 钾肥为硫酸钾(33%K2O)。玉米生长期间保证水分充 足供应, 其他管理同大田。 6 月 14 日播种, 每盆播 3 粒, 于 7 月 3 日(五叶 期)每盆定苗 1 株; 吐丝散粉期采用人工辅助授粉, 每株只对第一果穗进行饱和授粉; 10 月 2 日收获。 1.3 测定内容与方法 1.3.1 收获指数及干物质积累过程拟合 根据收 获期取样测籽粒和植株地上部干重, 计算收获指 数。 于播种后 24 d (拔节期)、 40 d (大口期)、 52 d (开 花期)、62 d、72 d、82 d、92 d、110 d (成熟期)取样, 成熟期每处理取样5株, 其余生育时期每处理取样3 株, 于 105杀青 30 min, 于 75烘干至恒重, 称干 重。以播种后天数(t)为自变量, 以播种后不同天数 测得的单株地上部干重为因变量(W), 用 Richards方 程 W= A(1+BeCt)1/D (当 D=1 时, 为 Logistic 方程)模 拟干物质积累过程25-26。干物质积累速率最大时的 日期 Tmax=(ln Bln D)/C, 干物质积累速率最大时的 生 长 量 Wmax=A(D+1)1/D, 最 大 干 物 质 积 累 速 率 Gmax= (CWmax/D) 1(Wmax/A)D, 生长活跃期(大约完 成总积累量的 90%) P=2(D+2)/C。 1.3.2 氮肥偏生产力 氮肥偏生产力(partial factor productivity from applied N, PFPN)=Y/F, 单位 为 g g1。 Y 为施用不同类型氮肥(普通尿素与控释尿 素)处理的玉米籽粒重, 单位为 g plant1; F 为氮肥施 用量, 单位为 g plant1。 1.3.3 考种 收获期, 连续收取每处理15株的果 穗, 用于考察穗部性状。 1.3.4 叶面积及光合势 对应各取样时期, 采用 CI-203 型手持式激光叶面积仪(美国, CID), 固定 5 株测定叶面积; 光合势 LAD=(LA1+LA2)/2(t2t1), 单位为 m2 d1 plant1。 1.3.5 果穗叶净光合速率 根据玉米生长发育进 程和天气情况, 从开花期开始(播种后 52 d), 开花后 15 d、32 d、49 d, 采用 LI-6400 光合测定系统 (LI-COR, 美国), 开放式气路, 冠层果穗叶附近CO2 浓度 360380 mol mol1, 应用系统 LED 光源补光, 光量子通量为 1 600 mol m2 s1。选择天气晴朗的 10:0014:00 测定果穗叶中部上表面净光合速率, 每 处理测 5 株。 1.3.6 果穗叶叶绿素含量 对应各取样时期, 采 用 Arnon 法27经 UV-2800 型紫外可见分光光度计 (日本岛津)测定果穗叶叶绿素含量。 1.3.7 果穗叶叶片氮浓度 用微量凯氏定氮法测 定。 1.4 数据统计 用 Microsoft Excel 2003 计算数据; 用 SPSS11.0 统计软件进行方差分析, 采用 Duncans 新复极差法 进行不同处理间多重比较; 用 SigmaPlot10.0 作图。 2 结果与分析 2.1 干物质积累、分配及氮肥偏生产力 图 1 显示, 2 种地力水平下植株地上部生物量随 播种后天数呈“S”型曲线变化, 随生育时期推进, 控 释尿素对植株地上部生物量积累的促进作用在开花 后逐步体现, 控释尿素处理的生物量在成熟期均显 著高于普通尿素处理。低地力水平下 CRU30处理生 物量较高, 高地力水平下 CRU60处理生物量较高。 以氮肥偏生产力衡量的不同释放期控释尿素增产效 果与成熟期干物质表现一致。CRU60、CRU30处理与 U 处理相比, 低地力水平下, 每施 1 g 氮肥分别多生 产籽粒 1.2 g g1和 2.4 g g1; 高地力水平下, 分别多 生产籽粒 1.9 g g1和 0.7 g g1。同时, 控释尿素处理 明显增加了开花后的干物质分配比例, 低地力水平 下表现为 CRU30 CRU60 U; 高地力水平下表现为 CRU60 CRU30 U。 经 Richards 方程解析, 得不同地力水平下不同 控释肥处理的玉米干物质生产特征参数, 在低地力 水平下, CRU30处理的 Tmax、Wmax、Gmax均略高于 CRU60处理的, 明显高于 U; 在高地力水平下, 则以 CRU60处理的 Tmax、Wmax、Gmax最高。P 值表明, 低 地力水平下控释肥延长生长活跃时间, 而高地力水 平下控释肥缩短生长活跃时间(表 2)。 2.2 粒重及果穗性状 由表 3 可看出, 控释尿素处理显著提高了单株 穗粒重和收获指数。低地力水平下, CRU30处理的穗 粒重和收获指数显著高于 CRU60和 U; 高地力水平 下, 则以 CRU60处理的最高。控释尿素提高穗粒重 万方数据 2236 作 物 学 报 第 37 卷 图 1 不同地力水平下控释尿素对干物质(地上部分)积累、开花前后干物质分配及氮肥偏生产力(PFPN)的影响 Fig. 1 Effect of CRU on dry matter accumulation, partitioning before and after anthesis and partial factor productivity from applied nitrogen (PFPN) in maize (above-ground of plant) under different soil fertilities U: 普通尿素; CRU30: 释放期为 30 d 的控释尿素; CRU60: 释放期为 60 d 的控释尿素。LF: 低地力; HF: 高地力。标以不同小写字母的 值在 0.05 水平下差异显著。 U: conventional urea; CRU30: controlled-release urea with 30 d by sampling date; CRU60: controlled-release urea with 60 d by sampling date. LF: low soil fertility; HF: high soil fertility. Values marked with the different letters are significantly different at the 0.05 probability level. 表 2 不同地力水平下控释肥处理的玉米干物质生产特征参数 Table 2 Characteristic parameters of dry matter accumulation affected by different CRUs under different soil fertilities 地力水平 Soil fertility 肥料类型 Fertilizer type R2 A (g plant1) B C Tmax (d) Wmax (g plant1) Gmax (g plant1 d1) P (d) U 0.993 259.18 59.380.07257.09129.59 4.64 83.87 CRU30 0.993 324.71 56.340.06759.76162.35 5.48 88.95 低地力 Low soil fertility CRU60 0.993 309.06 56.910.06859.71154.53 5.23 88.65 U 0.994 318.58 46.520.06460.28159.29 5.07 94.19 CRU30 0.995 350.15 50.980.06759.05175.08 5.83 90.11 高地力 High soil fertility CRU60 0.995 373.69 64.430.06960.54186.85 6.43 87.20 R2: 决定系数; A: 终极生长量; B: 初值参数; C: 生长速率参数。 Tmax: 干物质积累速率最大时的日期; Wmax: 干物质积累速率最大 时的生长量; Gmax: 最大干物质积累速率; P: 生长活跃期。 R2: the coefficient of determination; A: the maximum growth biomass; B: the initial parameter; C: the growth rate. Tmax: the time reaching the maximum dry matter accumulation rate; Wmax: weight of single plant at the time of maximum dry matter accumulation rate; Gmax: maximum dry matter accumulation rate; P: the active dry matter accumulation period. 表 3 控释尿素对穗粒重及果穗性状的影响 Table 3 Effect of CRU on ear traits of maize 地力水平 Soil fertility 肥料类型 Fertilizer type 穗粒重 Kernel weight per ear (g) 穗粒数 Kernel number per ear 千粒重 1000-kernel weight (g) 穗长 Ear length (cm) 穗粗 Ear diameter (cm) 秃尖长 Rare ear length (cm) 收获指数 Harvest index U 189.1 c 539.5017.16 350.570.86 18.860.245.370.03 0.250.04 0.532 b CRU30 227.6 a 579.3010.00 392.951.00 19.880.485.450.14 0.200.04 0.567 a 低地力 Low soil fertility CRU60 214.1 b 552.6022.39 387.442.59 19.431.155.420.10 0.330.03 0.540 b U 221.2 c 585.3015.45 377.896.74 19.631.095.480.12 0.100.01 0.556 b CRU30 249.9 b 614.4010.71 406.671.35 19.980.735.510.09 0.090.01 0.575 ab 高地力 High soil fertility CRU60 268.0 a 636.8011.43 420.903.95 20.230.625.550.03 0.090.03 0.584 a 万方数据 第 12 期 王永军等: 不同地力水平下控释尿素对玉米物质生产及光合特性的影响 2237 主要得益于穗粒数和千粒重的增加。高地力水平下 的穗长、穗粗、秃尖长、穗粒数、千粒重等穗部性 状均优于低地力水平的, 其中秃尖长度变小、穗粒 数和千粒重增加尤为明显。在低地力水平下, CRU60、CRU30处理的穗粒数比 U 处理分别高 2.4% 和 7.4%, 高地力水平下则分别提高 8.8%和 5.0%; 低地力水平下, CRU60、CRU30处理的千粒重较 U 处 理分别增加 10.5%和 12.1%, 高地力水平下则分别 高出 11.4%和 7.6%。 2.3 叶面积 图 2 表明, 各处理玉米叶面积在播种后 52 d (开 花期)达最大, 而后逐渐下降; 控释肥处理在生育后 期保持较高叶面积, 且下降缓慢。 拔节期, 普通尿素 处理的叶面积略高于控释尿素处理, 随生育进程, 控释尿素处理的叶面积逐渐高于普通尿素处理。开 花期, 低地力水平下 CRU30处理叶面积最大, 分别 比 U、 CRU60高 15.8%和 3.9%; 高地力水平下 CRU60 处理叶面积最大, 比 U、 CRU30处理分别高 13.3%和 3.3%。成熟期与开花期相比, 低地力水平下 U、 CRU60、 CRU30处理叶面积降幅分别为 45.3%、 43.8% 和 40.1%; 高地力水平降幅则分别为 41.8%、39.3% 和 41.4%。 图 2 不同地力水平下控释尿素对单株叶面积和开花后光合势 的影响 Fig. 2 Effect of CRU on leaf area and leaf area duration (LAD) after anthesis per single plant under different soil fertilities LF: 低地力; HF: 高地力。 LF: low soil fertility; HF: high soil fertility. 2.4 果穗叶光合速率 进一步比较发现, 控释肥明显改善开花后果 穗叶光合速率, 随生育进程, 控释肥与普通尿素处 理间的差异逐渐增大, 低地力水平下 CRU60和 CRU30处理间差异不明显, 高地力水平下以 CRU60 处理对于维持后期较高光合速率的效果更明显。 至 开花后 49 d, 控释肥处理的果穗叶光合速率明显高 于普通尿素处理, 低地力水平下 CRU60和 CRU30 处理间差异不明显, 高地力水平下, CRU60表现最 高(图 3)。 图 3 不同地力水平下控释尿素对果穗叶光合速率的影响 Fig. 3 Effect of CRU on net photosynthetic rate of ear leaf under different soil fertilities LF: 低地力; HF: 高地力。 LF: low soil fertility; HF: high soil fertility. 2.5 果穗叶叶绿素和叶片氮含量 叶绿素含量随播种后天数增加呈先升高后降低 趋势, 而开花后叶片氮含量呈逐渐降低趋势(图 4)。 控释尿素处理的果穗叶叶绿素含量最大值出现在开 花期(播种后 52 d), 比普通尿素处理早, 且在生长后 期一直保持较高含量。播种后 82 d (开花后 30 d)开 始, 各处理叶绿素含量快速下降。从开花期至成熟 期, 低地力水平下 U、CRU60和 CRU30处理的果穗 叶叶绿素含量降幅分别为 51.2%、35.9%和 43.1%; 高地力水平下分别为 37.0%、35.8%和 39.4%。叶片 氮含量在开花后的变化趋势与叶绿素含量变化趋势 类似, 施用控释尿素处理玉米生育后期仍然保持较 高的叶绿素含量和叶氮含量, 且下降缓慢; 其中以 CRU60处理在高地力水平下维持叶片氮浓度缓慢下 降的效果更明显。 万方数据 2238 作 物 学 报 第 37 卷 图 4 不同地力水平下控释尿素对果穗叶叶绿素和叶片氮含量 的影响 Fig. 4 Effect of CRU on chlorophyll content and nitrogen content in ear leaf of maize under different soil fertilities LF: 低地力; HF: 高地力。 LF: low soil fertility; HF: high soil fertility. 3 讨论 不断提高单产是满足我国日益增长的玉米需求 的根本途径, 增施氮肥是玉米产量水平迅速提高的 重要因素之一3-4。但随施氮量增加, 玉米生产中普 遍出现肥效降低、损失提高、环境风险增大等问题。 而控释肥料的最大优点是养分释放规律与作物的需 肥规律基本一致, 一次施肥就能满足作物全生育期 对养分的需求, 提高产量和肥料利用率的同时减轻 对环境的污染6-7,15,28。土壤基本养分状况是合理施 肥的基础24, 前人基于普通肥料的研究表明, 高肥 力土壤氮肥应以追施为主, 低肥力土壤则应以基施 氮肥为主29。理论上, 控释尿素逐步释放相当于追 肥6-7, 显然不同地力水平要求施用不同释放期的控 释肥料。本研究表明, 不同释放期的控释尿素均显 著增加夏玉米干物质积累, 其中低地力水平下以 CRU30增产效果显著, 比 CRU60和 U 处理的地上部 生物量分别增加 18.9%和 25.2%; 高地力水平下以 CRU60处理增产效果显著, 比 CRU30和 U 处理的地 上部生物量分别增加 10.7%和 18.2%; 而且低地力 水平下施肥增产效应大于高地力水平。更重要的是, 施用控释尿素促进了开花后光合产物积累的相对比 例(图 1), 说明控释尿素有利于籽粒灌浆。前人研究 也认为, 不同包膜材料控释复合肥减量 50%施用也 能显著增加开花后干物质向籽粒的转运21, 本研究 则从另一角度证明不同释放期的控释尿素促进干物 质积累的同时, 明显增加了干物质向籽粒的分配比 例。通过作物生长广义模型进一步分解地上部干物 质积累过程, 发现各生长参数在低地力水平下, 释 放期较短的控释尿素处理(CRU30)最高, 增加生长活 跃期, 延缓衰老; 高地力水平下, 则以释放期较长 的控释尿素处理(CRU60)最高, 缩短生长活跃期, 促 进成熟(表 2)。同时, 施用控释肥明显改善了果穗性 状, 低地力水平下施用释放期较短而高地力水平下 施用释放期较长的控释尿素作用效果更明显, 主要 是穗粒数和千粒重显著增加。玉米生产中, 长期以 来强调补追攻粒氮肥(约占总施氮量 20%)的主流观 点也支持我们的研究结果30。前人总结认为, 控释 肥在玉米生产中尚未得以大面积推广, 主要因其价 格是同品种普通肥料的 1.5 倍以上15; 但最近的夏 玉米大田试验表明, 不同包膜控释肥用量减少 25% 时, 经济效益平均提高 4.0%9.4%21。 由此可见, 不 同释放期的控释尿素完全可以替代普通尿素肥料应 用于不同地力条件下的玉米生产, 且增产效果显 著。 目前, 普遍认为禾谷类作物经济产量的 60%以 上来自开花后到成熟期的光合代谢产物, 开花后的 光合功能直接影响到籽粒产量31。而作物的产量基 本取决于光合机构的大小和效率32-33, 所以提高个 体源器官的数量和性能是增加光合产物的基础。本 研究进一步从开花后光合物质生产的生理特征分析, 发现控释肥明显改善了玉米的光合性能, 尤其是控 释尿素处理使得植株开花后仍然保持较高的叶面积 和光合速率且较普通尿素处理下降缓慢, 有利于生 产更多的光合产物。低地力水平下施用释放期较短 而高地力水平下施用释放期较长的控释尿素更有利 于改善生育后期的光合性能, 其内在原因是叶片在 生长后期保持较高的叶绿素含量和叶氮含量, 且下 降缓慢, 有利于维持玉米叶片碳代谢关键酶活性处 于较高水平34-35, 这是维持较高光合功能的生理基 础。 本研究主要阐释了不同地力水平下控释尿素对 玉米物质生产及光合特性的影响。显然, 控释肥的 应用效果除了受不同地力水平的影响外, 还受“肥 料-土壤-作物”系统中土壤温度、湿度、微生物以及 玉米品种等因素对养分释放的影响。 因为土壤是液、 固、气三相共存的非均质体, 其物理、化学和生物 过程必然影响到控释肥养分的释放和释放出的养分 的形态及有效性; 而作物根系特征与施肥点之间的 万方数据 第 12 期 王永军等: 不同地力水平下控释尿素对玉米物质生产及光合特性的影响 2239 养分浓度梯度必然存在差异, 进而影响肥效36。为 更好指导控释肥的应用, 这些问题都值得进一步研 究。 4 结论 基肥一次性施入时, 低地力水平下施用释放期 较短而高地力水平下施用释放期较长的控释尿素增 产效果显著, 尤其增加了开花后光合产物的积累量 和干物质向籽粒的分配比例。施用控释尿素增产, 主要是增加了千粒重和穗粒数, 其生理基础是低地 力水平下 CRU30、高地力水平下 CRU60 处理使玉 米开花后叶面积、光合速率、叶绿素及叶片氮含量 维持显著较高的水平。 致谢: 感谢中国农业科学院农业资源与农业区划研 究所赵秉强研究员提供不同释放期的控释尿素。 References 1 Zeng X-K(曾宪坤). 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