小麦光合特性及产量构成对长期不同土壤培肥模式的响应

张向前，曹承富，张存岭，陈 欢，乔玉强，杜世州，李 玮，赵 竹

(1.安徽省农业科学院作物研究所，安徽合肥 230031；2.濉溪县杨柳农业科学实验站，安徽淮北 235100)

土壤质量不仅取决于土壤理化性状，而且与土壤生物学特性密切相关，培肥土壤是充分开发、利用土地资源，实现农业可持续战略的重要环节[1-2]。近年来,由于施肥结构的改变、有机肥锐减、化肥不合理施用等因素的影响,土壤肥力因素间自我协调能力一定程度上有所减弱,部分典型土壤生态区肥力状况欠佳，耕地生产力提升困难。因此,加强和完善土壤质量管理和培肥已成为当前农业生产的重要任务之一。土壤是农作物生长的主要载体，在农作物生长期间，需要保证土壤养分的持续供应，这就对土壤肥力有一定的要求[3]。为保证农作物的持续增产稳产，就要注重土壤培肥，采用合理的培肥方式，以提高土壤综合生产能力[4-5]。

研究表明，化肥与不同种类有机物料配合施用对提高土壤全氮、速效磷、速效钾含量及改善土壤微生物特性具有明显的促进作用[6]。长期有机无机肥配施可以明显提高土壤微生物量碳氮、土壤呼吸，其中氮磷肥与厩肥配施培肥土壤的效果最好[7]。在江西红壤培肥研究中发现，长期单施化肥易造成土壤物理性质退化，降低土壤微生物活性，而有机肥与化肥配施能显著增加土壤微生物生物量，其中长期施用猪粪可以明显改善土壤的物理特性，提高土壤微生物的生命活动[8]。安徽淮北砂姜黑土养分贫瘠，耕层浅薄，结构不良，适耕期短，保水保肥性能差，致使该地区土地生产力低下，作物增产困难。如何通过适宜的施肥措施培肥和改良淮北砂姜黑土，对提高该区土壤质量和增加作物产量具有重要的意义。前人对土壤培肥的研究多集中在土壤理化和生物学特性方面，而本研究以35年长期定位土壤培肥试验为依托，基于小麦光合和产量，重点分析了土壤经长期不同施肥方式培肥后在不施肥条件下的养分后续供应能力差异，并筛选出砂姜黑土的最佳土壤培肥模式，以期为砂姜黑土区土壤培肥和作物增产提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015-2016年在安徽省农业科学院作物所濉溪县杨柳试验站进行，试验点位于东经116°30＇，北纬33°15＇。试验采用盆栽方式，完全随机设计，土壤(砂姜黑土，其成土母质为黄土性古河沉积物)来自于长期定位土壤培肥试验(1981年开始至今)各小区耕层土壤。长期土壤培肥小区试验种植模式为玉米-小麦轮作，种植玉米品种为郑单958，小麦品种为济麦22，每季作物收获后将秸秆移除，实施根茬还田。盆栽试验前土壤基础理化性状见表1。试验盆高32 cm,上口直径32.0 cm,下口直径26.0 cm，每盆装干土15.5 kg，试验盆埋于土壤中。2015年10月14日将小麦品种济麦22的种子播于各试验盆中，每盆播15粒，出苗后每盆留8株麦苗，并于2016年5月30日收获。试验共计5个施肥处理(表2)，每个处理4 次重复。施肥的 4 个处理实行定氮，磷、钾素不统一定量。所用化肥为复合肥(N、P2O5和K2O含量皆为15%)，N 素不足用尿素补齐。所施有机肥为豆饼肥(N 60～70 g·kg-1、P2O510～30 g·kg-1、K2O 20～30 g·kg-1、有机质300～400 g·kg-1)，有机肥用量均按当季肥料养分分析后的实际含量折算。磷钾肥和有机肥全部用作基肥，且有机肥全部于小麦季施用，夏播作物不施有机肥。氮肥基追比例玉米为3∶5(大口期追肥)，小麦为6∶4(拔节期追施)。

表1 试验前土壤基础理化性状Table 1 Physical and chemical properties of soil before the test

DOC：Dissolved organic carbon;Corg:Organic carbon;TN:Total N;AK:Available K;AP:Available P.

表2 1981年至今定位试验的各处理周年肥料施用量Table 2 Applied fertilizer amount under different treatments in the long term experiment since 1981

1.2 测定项目及方法

旗叶面积测定：于开花期和灌浆中期用直尺量出旗叶的长度和最宽处，然后用长和宽的乘积再乘以折算系数0.83算出旗叶面积。

叶绿素含量测定：用日产叶绿素测定仪(SPAD-502)测定，于小麦开花期和灌浆中期分别在旗叶上均匀取5个点测定。

光合特性测定：于小麦孕穗期和灌浆中期采用Li-6400便携式光合仪(美国LI-COR公司)，选择晴朗无云天气在上午9:30-11:30测定小麦旗叶光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率。

叶绿素荧光参数测定：于小麦孕穗期和灌浆中期选择植株生长进程一致且受光方向相同的小麦旗叶，用德国WALZ公司生产的PAM-2500型荧光仪测定旗叶叶绿素荧光参数，测定时先暗适应20 min进行暗适应测定，然后再进行光适应测定。测定指标包括初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(qN)。

产量测定：于小麦成熟期将每盆小麦分别收割，并统计出每盆经济产量和生物产量。

1.3 统计分析

采用SPSS 22.0软件和最小显著差数法(LSD)进行方差分析和显著性检验，运用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤培肥模式对小麦旗叶面积的影响

在不施肥情况下，不同长期培肥的土壤上，小麦旗叶面积以MNPK和HMNPK处理最高，两者差异不显著，其中在灌浆中期MNPK和HMNPK处理比M处理增加了9.6%和12.4%，比NPK处理增加了19.7%和22.8%。M处理旗叶面积高于NPK处理，其中在开花期两者差异显著(图1)。CK的旗叶叶面积显著低于其他处理。

2.2 土壤培肥模式对小麦旗叶叶绿素含量的影响

CK的小麦旗叶叶绿素含量显著低于其他处理(图2)。在开花期和灌浆中期，NPK、M、MNPK和HMNPK处理分别比CK增加14.8%、16.7%、24.4%、26.1%和21.9%、27.6%、37.2%、39.0%。M处理在开花期和灌浆中期与NPK处理差异不显著，表明长期有机肥或化肥单施培肥对小麦叶绿素含量的影响相近。MNPK和HMNPK处理间差异不显著，但二者显著高于M和NPK处理，表明长期有机肥与化肥配施培肥土壤对小麦叶绿素的促进作用优于二者单施。

图柱上的字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

Different letters on columns mean significant difference among treatments at 0.05 level.The same in following figures.

图1不同土壤培肥模式下小麦旗叶面积差异

Fig.1Differenceofflagleafareaofwheatunderdifferentsoilfertilizationmodels

图2 不同土壤培肥模式下小麦旗叶叶绿素含量差异Fig.2 Difference of chlorophyll content of wheat flag leaf under different soil fertilization models

2.3 土壤培肥模式对小麦旗叶光合特性的影响

在开花期和灌浆中期，MNPK和HMNPK处理间小麦旗叶光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度差异皆不显著(表3)，但二处理的光合速率、气孔导度、蒸腾速率均高于其他处理，而胞间CO2浓度低于其他处理；CK的光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著低于其他处理，胞间CO2浓度则显著高于其他处理。这说明长期土壤培肥有利于小麦旗叶光合特性的改善，且有机无机肥配施效果优于有机肥或无机肥单施。

表3 不同土壤培肥模式下小麦光合特性的差异Table 3 Differences in photosynthetic characteristics of wheat under different soil fertilization models

各列后不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著(P<0.05)。下表同。

Small letters in same columns indicate significant difference among the treatments(P<0.05).The same in other tables.

表4 不同土壤培肥模式下小麦叶绿素荧光参数的差异Table 4 Differences in chlorophyll fluorescence parameters of wheat under different soil fertilization models

2.4 土壤培肥模式对小麦旗叶叶绿素荧光参数的影响

土壤经长期培肥后，除灌浆中期HMNPK处理的小麦旗叶Fv/Fm显著高于MNPK外，MNPK和HMNPK处理间Fo、Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP、qN差异皆不显著。MNPK和HMNPK处理的Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP皆高于M和NPK处理，而Fo和qN皆低于M和NPK处理。M处理的Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP高于NPK处理，而Fo和qN低于NPK处理。CK的Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP显著低于施肥处理，而Fo和qN显著高于施肥处理(表4)。这说明长期土壤培肥有利于改善小麦旗叶荧光特性，且有机无机肥配施效果优于有机肥或无机肥单施。

2.5 土壤培肥模式对小麦产量及其构成的影响

在所有处理中，CK的小麦穗数、穗粒数、经济产量、生物产量和收获指数最低(表5)，其中MNPK和HMNPK处理分别比CK增加90.5%、273.5%、286.9%、211.8%、20.4%和87.9%、243.0%、269.3%、206.7%、24.1%。M处理的穗粒数、经济产量、生物产量和收获指数均显著高于NPK处理，且分别增加了10.0%、10.6%、7.6%和3.0%，而每盆穗数在NPK与M处理间差异不显著。HMNPK处理的穗数、经济产量、生物产量和收获指数与MNPK处理差异皆不显著，而穗粒数显著高于MNPK处理。MNPK和HMNPK处理的穗数、穗粒数、经济产量和生物产量皆高于NPK和M处理，其中MNPK和HMNPK处理的穗粒数、经济产量、生物产量和收获指数分别比NPK处理增加26.7%、26.3%、15.9%、8.9%和16.3%、20.6%、14.0%、5.7%。以上结果说明长期的土壤培肥有利于改善小麦旗叶荧光特性，且有机无机肥配施效果优于有机肥或无机肥单施。

表5 不同土壤培肥模式下小麦产量的差异Table 5 Differences in yield of wheat under different soil fertilization models

3 讨 论

旗叶是小麦关键源器官，其面积大小和生理活性可引起叶片及整个植株生理生化代谢的改变，影响籽粒发育并最终限制产量的形成[9]。相同受光条件下，叶面积越大，越有利于拦截更多的光照制造同化产物。施肥可促进作物叶片生长发育。与化肥单施相比，有机肥单施能明显提高春玉米的叶面积，而有机肥单施与有机肥和无机肥配施的叶面积差异较小[10]。长期定位试验结果表明，小麦叶面积的大小明显受不同施肥处理的影响[11]。本研究发现，土壤经长期培肥后在不施肥情况下小麦开花期和灌浆中期的旗叶面积均以有机肥与化肥配施的MNPK和HMNPK处理最高(二者差异不显著)，有机肥单施处理也高于化肥单施处理，表明有机肥施用尤其是有机肥与化肥配施对小麦叶面积具有明显的促进作用。叶绿素含量往往能直接影响着光合作用的速率和光合产物的形成，并最终影响作物产量和品质的提高[12-13]。长期施肥模式明显影响小麦叶绿素含量，在小麦各生育时期，氮肥与磷钾肥配施及与有机肥配施处理的叶绿素含量均大于非平衡施肥处理[14]。在水稻上也有类似的报道[15]。本研究中，CK的叶绿素含量最低，长期有机肥与化肥配施的效果显著好于长期单施化肥和有机肥。

作物生长发育必须依赖于一定的土壤养分供应，土壤养分水平过高和过低都会对作物光合等生理生化过程产生影响[16]。施肥方式对作物的生育进程及光合速率都具有较大的影响[17-18]，与长期氮磷钾配施处理相比，不施肥或缺磷、缺氮、缺钾是导致作物光合速率下降和减产的主要原因之一[17]。本研究中，在不施肥情况下，长期有机肥与化肥配施的MNPK和HMNPK(高氮)处理间在光合特性方面差异不显著，但二者的光合速率、气孔导度和蒸腾速率明显高于长期单施有机肥的M处理和单施化肥的NPK处理。叶绿素荧光参数能够反应光合作用“内在性”生理特点，可以快速、灵敏和非破坏性地分析光合作用受环境因子的影响程度，植物体内叶绿素荧光参数的变化一定程度上可以反映生态环境因子和植物自身生长发育状态对作物光合特性的影响[19-20]。胡 诚等[21]研究表明，在对低肥力的农田土壤进行培肥时以有机肥与化肥配施的培肥效果最好。本研究中，土壤经长期不同施肥模式培肥后，在不施肥情况下，除灌浆中期HMNPK处理的Fv/Fm显著高于MNPK处理外，MNPK和HMNPK处理间的Fo、Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm、ETR、qP、qN差异皆不显著。总体来看，在改善小麦叶绿素荧光参数方面，有机肥与化肥配施的效果优于长期化肥单施和有机肥单施，长期单施有机肥的效果略好于长期单施化肥。

在侵蚀坡耕地上，施用有机肥或有机无机配施能有效改善土壤理化性状和基础肥力，明显提高玉米产量[22]。本研究表明，土壤经长期培肥后，在无外来养分供应下，有机肥与化肥配施培肥处理的穗数、穗粒数、经济产量、生物产量和收获指数皆高于长期化肥单施和有机肥单施处理，而有机肥与化肥配施的MNPK和HMNPK处理间差异皆不显著。CK的收获指数、穗数、穗粒数、经济产量、生物产量均显著低于其他处理。总体来看，有机肥和无机肥长期配施培肥土壤对小麦旗叶发育、光合产量形成有明显促进效应，效果优于无机肥或有机肥单施。其可能原因：一是由于化肥配施有机肥对土壤酶活性、土壤全氮、全磷、速效磷、速效钾和有机质均有一定改善，有效提高了土壤潜在肥力[23-24]；二是单施化肥虽能增加和确保作物产量、提高土壤有效养分含量,但常常会导致肥料利用率、土壤理化性状、土壤微生物肥力等指标降低，在无外来养分供应的条件下经有机肥培肥后土壤养分续供应能力明显优于单施化肥[25]；三是从养分投入看,施用有机物比施用化学肥料的氮、磷元素投产比更高,且更利于提高土壤质量及作物产量的稳定性和可持续性[26-27]。

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