施肥對潮土玉米植株碳同化物積累與分配的影響

施肥對潮土玉米植株碳同化物積累與分配的影響

0土地碳氮代謝特征[研究意義]作為全球碳循環(huán)的重要組成部分，其特點(diǎn)對全球氣候變化具有重要意義。而碳、氮代謝作為農(nóng)田系統(tǒng)作物體內(nèi)最基本的代謝途徑,不僅影響作物的生長發(fā)育進(jìn)程,而且與全球碳、氮循環(huán)具有密切的聯(lián)系。一方面,植株體內(nèi)的碳含量和碳氮比(C/N)可以反映出植株的碳代謝狀況及植物的氮素利用效率,并在很大程度上決定著作物的產(chǎn)量和構(gòu)成;另一方面,植株體內(nèi)的碳、氮含量和碳氮比將直接影響植物及各器官的固碳量和還田部分(如立枯、秸稈和根茬等)的碳、氮輸入狀況,這將對土壤的碳、氮轉(zhuǎn)化過程以及全球碳、氮循環(huán)產(chǎn)生重要影響?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】三大主要糧食作物之一的玉米,屬于高光效C4作物,其產(chǎn)量和品質(zhì)的形成既受開花前貯藏碳同化物的調(diào)節(jié),又決定于開花后光合生產(chǎn)和氮素的吸收能力。玉米生長后期葉片的碳同化、根系氮吸收及營養(yǎng)體中的碳、氮向籽粒的轉(zhuǎn)移,使玉米成熟后籽粒累積了約80%的光合產(chǎn)物。玉米籽粒中的碳,由籽粒形成時的光合產(chǎn)物和營養(yǎng)體的碳轉(zhuǎn)移構(gòu)成;而籽粒中的氮,由玉米抽雄前莖、葉中積累氮素的再轉(zhuǎn)移和根系的直接供給構(gòu)成。作物生長期間碳、氮源庫的相對豐缺程度和碳、氮對作物生長發(fā)育的影響,可以通過碳氮比反應(yīng)出來。施氮量對作物的碳、氮代謝過程會產(chǎn)生影響。例如,有研究表明施氮不足,會導(dǎo)致籽粒干重較小;但施氮過量,葉片碳氮比值偏低,植物的光合作用會受到抑制。【本研究切入點(diǎn)】目前,有關(guān)施肥對農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中在土壤碳周轉(zhuǎn)過程,而對作物的碳代謝的研究也主要集中在碳氮代謝尤其是籽粒部分碳氮代謝的過程及其影響因素方面,而就不同農(nóng)業(yè)管理措施對作物植株以及各主要功能器官的碳含量與分配方面的研究報道尚不多見。本文以長期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過取樣分析不同施肥措施下玉米成熟期的地上地下生物量、各主要功能器官的碳含量及碳氮比?！緮M解決的關(guān)鍵問題】闡明不同施肥處理對玉米碳含量及其在各功能器官中的分配比例的影響,以及不同施肥措施下作物根系的碳氮比變化,為合理施肥和作物增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)結(jié)果及土壤條件試驗(yàn)點(diǎn)位于鄭州市,國家潮土肥力與肥料效益長期監(jiān)測基地(北緯34°47′,東經(jīng)113°40′)。該基地地處暖溫帶,年均氣溫14.4℃,年降雨量640.9mm,無霜期約225d,年日照時數(shù)2400h;土壤為輕壤質(zhì)潮土。試驗(yàn)始于1990年,試驗(yàn)開始時的耕層土壤主要性狀為有機(jī)質(zhì)10.2g·kg-1,全氮0.65g·kg-1,有效磷(P)7.7mg·kg-1,有效鉀(K)65mg·kg-1,pH8.3。種植制度為一年兩熟小麥-玉米輪作制。1.2施肥量及施肥環(huán)境試驗(yàn)設(shè)置9個處理:(1)CK(不施肥);(2)N(單施氮肥);(3)NP(施氮磷肥);(4)NK(施氮鉀肥);(5)PK(施磷鉀肥);(6)NPK(氮磷鉀平衡配施);(7)NPKM(與(6)處理施肥量相同,其中70%的N由有機(jī)肥提供);(8)1.5NPKM(施肥量是處理(7)的1.5倍);(9)NPKS(與處理(6)施肥量相同,其中70%的N由玉米秸稈提供)。小麥每季施N165kg·hm-2,玉米1991年施N165kg·hm-2,1992年后改為施N187.5kg·hm-2;氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為氯化鉀,氮、磷、鉀肥配比為N﹕P2O5﹕K2O=1﹕0.5﹕0.5。有機(jī)肥處理,1990—1998年施用馬糞,1999年開始牛糞和豬糞隔年輪換施用。全部的磷、鉀肥和1/3的氮肥作基肥底施,2/3的氮肥在小麥返青期及玉米喇叭口期作追肥。有機(jī)肥和秸稈只在小麥季施。玉米秸稈除還田小區(qū)外其它小區(qū)玉米秸稈全部清理干凈。本試驗(yàn)為1987年設(shè)置的大區(qū)試驗(yàn),小區(qū)面積大(16m×25m=400m2),因此未設(shè)置重復(fù);為了克服這方面的不足,長期試驗(yàn)過程中采取多點(diǎn)取樣和7個采樣重復(fù)。1.3玉米地下生物量的采集植株樣品采集于2008年9月底(玉米成熟期)進(jìn)行。采用“S”形取樣法分別對9個小區(qū)進(jìn)行取樣,按圖1所示,各小區(qū)取7個點(diǎn),每點(diǎn)采集1株玉米,即每個處理小區(qū)采7株玉米。每株玉米地下生物量的采集采用挖樣方法,樣方面積均為25cm×60cm。植株采集后,進(jìn)行器官分離和處理,將每株分成籽粒、穗軸、莖葉、根茬(根系和地上茬),共4部分。所有采集樣品分別進(jìn)行烘干、稱重、粉碎,并過0.25mm篩備用。1.4測量和方法分別測定籽粒、穗軸、莖葉、根茬等4部分的碳、氮含量。碳含量用重鉻酸鉀容量法測定;氮含量用KDY-9830型凱氏定氮儀測定。1.5數(shù)據(jù)處理采用MicrosoftExcel和Spss11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯著性檢驗(yàn)為LSD法(t=0.05)。2結(jié)果2.1施肥對生物產(chǎn)量的影響長期不同施肥對玉米植株及其各器官生物量有顯著影響。從表1可以看出,NPKM施肥玉米植株生物量顯著高于其它施肥處理,達(dá)到了21.5t·hm-2。在等量氮肥條件下,NPK、NPKM和NPKS3個處理中,有機(jī)無機(jī)配施(NPKM)的生物量最高,秸稈還田(NPKS)的生物量最低,可能是由于秸稈C/N較高,其分解過程與植物生長對有效氮形成競爭所致。但1.5NPKM下生物產(chǎn)量顯著低于NPKM和NPK處理,與秸稈還田基本相當(dāng),說明過量化肥和有機(jī)肥的施用并無增產(chǎn)效果。N、NP、NK3個施氮處理中,NP處理的植株生物量顯著高于N和NK處理,N和NK處理間植株生物量無顯著差異,說明該土壤磷素是限制其產(chǎn)量的重要因子之一。NP處理植株生物量也顯著高于PK處理?？梢?氮肥和磷肥配施,增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于磷肥和鉀肥配施。NPKM施肥對莖葉、籽粒、穗軸生物量的影響與整株玉米基本一致,分別約為7.9、11.5和1.2t·hm-2,均顯著高于其它處理。1.5NPKM和NPKS處理的籽粒、穗軸、根茬生物量均顯著低于NPK處理,這說明增量有機(jī)肥、秸稈還田這兩種措施并不能顯著提高玉米生物量。N和NK處理的莖葉生物量無顯著差異,穗軸和根茬的生物量為N處理顯著高于NK處理,只有籽粒的生物量是NK處理顯著高于N處理,說明在潮土上施鉀對玉米營養(yǎng)器官的增產(chǎn)無明顯作用。2.2不同施肥處理對玉米植株碳含量的影響長期不同施肥對玉米植株各器官碳含量的影響差異顯著(P<0.05)(圖2)。NPK、NPKM、1.5NPKM及NPKS處理下玉米各器官碳含量均無顯著差異,說明與施用有機(jī)肥相比,秸稈還田對玉米碳含量無顯著影響。籽粒碳含量為NK處理最高,達(dá)485g·kg-1,顯著高于CK和其它化肥處理(N、NP、NPK)。根茬部分,NP處理碳含量為456g·kg-1,比NK高出近5%。莖葉部分,1.5NPKM處理碳含量最高,為458g·kg-1,比N和NK處理碳含量高出了近7%。以上數(shù)據(jù)顯示,長期不同施肥對土壤肥力產(chǎn)生了影響,進(jìn)而對玉米的碳代謝和分配產(chǎn)生了影響。由于不同施肥使玉米植株各器官的碳含量存在差異,因而不同施肥玉米植株碳含量也存在顯著差異。從圖3可以看出,盡管所有施肥處理與CK相比無顯著差異,但NPKM和1.5NPKM處理植株碳含量平均值比N和PK處理碳含量的平均值提高了近3%。這說明,不同施肥處理間玉米植株碳含量是有差異的。玉米地上、地下兩部分的固碳量是其生物產(chǎn)量和碳含量的綜合反映。從圖4可以看出,長期不同施肥下玉米地上(莖葉、籽粒、穗軸)、地下(根茬)固碳量存在顯著差異。平衡施肥(NPK)、有機(jī)無機(jī)配施(NPKM、1.5NPKM)和秸稈還田(NPKS)處理地上固碳量顯著高于不施肥(CK)和偏施化肥N,NP,NK,PK處理。地上部分,NPKM處理固碳量顯著高于1.5NPKM。而在地下,這兩個處理(NPKM、1.5NPKM)間固碳量無顯著差異。這說明有機(jī)肥能顯著增加玉米地上部分固碳量,而對地下部分的固碳量無顯著影響。NP處理的地上、地下固碳量均顯著高于N、NK處理,而N與NK處理間均無顯著差異。NP處理地上、地下固碳量均顯著高于PK,說明氮、磷配施對增加玉米固碳量的效果優(yōu)于氮、鉀配施肥。2.3長期施肥對玉米各器官碳同化物的分布的影響2.4器官c/n比長期不同施肥下,玉米植株C/N比存在顯著差異(圖5)。長期施磷、鉀肥(PK)玉米植株C/N比最高,為70,這可能是由于土壤長期氮供應(yīng)不足引起的。相同施氮水平的N、NP、NK、NPK及NPKM處理植株C/N比顯著低于CK,但這些處理間無顯著差異。在氮供應(yīng)充足的條件下,增量有機(jī)無機(jī)配施(1.5NPKM)玉米植株C/N比顯著低于NPKM處理,但與NPK和NPKS之間無顯著差異。長期不同施肥下,各器官C/N比也存在顯著差異(圖6)。各施肥處理下穗軸的C/N比均在120以上,明顯高于其它器官。NPKM處理下,莖葉、籽粒、穗軸、根茬的C/N比均顯著高于NPK、1.5NPKM、NPKS3個處理,這可能是由于NPKM處理的碳含量顯著高于NPK、1.5NPKM、NPKS處理,同時它們的施氮水平又相同所致。PK處理,莖葉、籽粒、穗軸、根茬的C/N比均顯著高于其它處理,這可能是PK處理長期不施氮肥造成的。3施肥對土壤有機(jī)碳含量的影響本研究表明,氮、磷、鉀平衡配施及常量有機(jī)-無機(jī)肥配施,能顯著提高玉米植株及各器官生物量,但增量有機(jī)肥及秸稈還田處理對生物量增產(chǎn)效果不明顯,這與目前許多長期試驗(yàn)結(jié)果相一致,這可能是由于作物對養(yǎng)分的需求比例與土壤和有機(jī)肥養(yǎng)分的供應(yīng)比例不一致所致。在N、NP、NK和PK幾個處理中,NP處理產(chǎn)量、固碳量顯著高于N、NK處理,而N與NK處理間固碳量無顯著差異,這主要是由于1990年試驗(yàn)初期,土壤有效磷含量較低,僅為7.7mg·kg-1,加之長期不施磷肥,導(dǎo)致作物生長的養(yǎng)分需求與土壤養(yǎng)分供應(yīng)不平衡,從而嚴(yán)重影響了玉米的碳同化作用及速率。這說明合理施用磷肥不僅有利于提高作物的產(chǎn)量,也能顯著提高還田根茬的碳含量,從而增加有機(jī)碳的歸還,這對于農(nóng)田土壤有機(jī)碳的維持與提高具有重要意義。養(yǎng)分的不平衡供應(yīng),不僅影響作物碳同化過程,也影響了碳同化物在作物各器官的分配比例。本研究結(jié)果表明,施磷、鉀肥(PK),顯著提高了碳同化物在莖葉和根茬這些營養(yǎng)器官中的分配比例,從而降低了碳同化物在籽粒中的分配,這不利于作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。氮、磷、鉀平衡施肥及配施有機(jī)肥不僅顯著提高了作物產(chǎn)量,也顯著提高了碳同化物在籽粒中的分配,降低了碳同化物在莖葉和根茬這些還田有機(jī)物中的分配比例,這也反映出此種施肥方式更有利于養(yǎng)分在植株體內(nèi)的良性循環(huán)和高效利用,從而使作物產(chǎn)量和品質(zhì)得到提高。施肥是提高作物產(chǎn)量的最直接措施,特別是配施有機(jī)肥不僅能使作物持續(xù)增產(chǎn),也能大大提高農(nóng)田體系的碳投入,從而有利于維持和提高土壤有機(jī)碳含量。由于不同施肥下玉米生物量、碳含量及分配比例存在一定差異,這直接影響了玉米地上和地下兩部分固碳量。本研究結(jié)果表明,氮磷鉀平衡施肥、有機(jī)無機(jī)配施和秸稈還田,顯著提高了玉米地上、地下固碳量。平衡施肥下玉米地下固碳量相當(dāng)于不施肥及偏施化肥處理的近1倍,這明顯增加了農(nóng)田系統(tǒng)中根茬的還田量和碳投入,補(bǔ)充了土壤養(yǎng)分供應(yīng)過程中碳的損失,有利于農(nóng)田培肥。這一結(jié)果也從另一方面進(jìn)一步證實(shí)了平衡施肥及有機(jī)無機(jī)配施顯著提高土壤有機(jī)碳含量的結(jié)論。植株的氮含量與施氮量密切相關(guān),其含氮量隨施氮量的增加而增加。本研究也表明,配施磷鉀肥(PK處理)顯著提高了玉米植株的C/N比,等量氮處理下植株的C/N比無顯著差異,施氮量越高,植株C/N越低。陳興麗等的研究也表明有機(jī)無機(jī)配施下玉米秸稈C/N比明顯低于未施肥處理。這說明植株氮含量與氮肥施用量密切相關(guān),氮肥的合理施用將直接影響植株尤其是莖葉及根茬的C/N比,進(jìn)而影響農(nóng)田系統(tǒng)中還田有機(jī)物的分解特性、有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)及土壤的碳固定。4不同施肥處理對玉米植株碳同化物分配的影響4.1長期氮磷鉀平衡施肥(NPK)和有機(jī)無機(jī)配施下,玉米植株及其各器官的生物量均顯著高于偏施化肥。4.2與單施氮肥(N)、氮鉀配施(NK)處理相比,NPK平衡施肥和有機(jī)無機(jī)配施顯著提高了植株的碳含量,主要是顯著提高了玉米莖葉和穗軸的碳含量。長期NPK平衡施肥和有機(jī)無機(jī)配施下玉米植株的固碳量顯著高于其它施肥措施。4.3長期不施肥或施磷鉀肥(PK處理),玉米植株的碳同化物在莖葉和根茬中分配比例均高;平衡施肥(NPK處理)提高了碳同化物在籽粒中分配比例,降低了碳同化物在莖葉和根茬中的分配比例。4.4與長期不施肥或偏施磷鉀(PK處理)相比,NPK平衡施肥及配施有機(jī)肥顯著降低了植株及莖葉和根茬的C/N