滴灌水肥一体化下施钾量对宁夏春玉米叶绿素荧光特性与产量的影响

王 佳，慕瑞瑞，杨乔乔，刘 伟，张月荷，康建宏

(宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

宁夏平原是典型的引水灌溉区，盛产水稻、小麦、玉米等作物，而玉米是宁夏的第一大作物，每年种植面积达30万hm2，在灌区作物种植总面积中占有很大的比重，达到70%[1]，并且还在持续增长，所以玉米的高产稳产对宁夏粮食安全意义重大，也关系到玉米产业的可持续发展。宁夏土壤富含钾素，长时间以来，农民只注重施用氮肥和磷肥，而钾肥不施或者施用量很少，但是作物在生长过程中从土壤中带走了大量的钾，使得土壤中的钾不断被消耗而没有及时得到补充，因此钾素缺乏越来越受到重视[2-4]。钾素是玉米所必需的营养元素之一，它有增强光合产物在玉米体内的运转能力，对玉米的生长及产量的形成影响巨大[5-6]。合理地施用钾肥不仅能增强叶片的光合作用，而且对于其荧光特性也有一定的提高[7]。叶绿素荧光对研究光合作用机理有很重要的作用，它不仅可以反映植株的光合能力，同时还能间接地影响作物的高产稳产[8]。陆志峰等[9]研究表明，当作物缺乏钾素时，叶片中的钾含量会明显降低，并且叶片的净光合速率也随之降低，进而导致了其他参数的降低。适当的增施钾肥可以提高玉米产量和钾肥利用率[10]。但是钾肥过量施用，则会造成植株钾素“外渗”现象。路小芳[11]研究表明，当施钾量在0～210 kg·hm-2时，随着施钾量的增加，玉米产量呈上升趋势。滴灌水肥一体化技术能够根据作物的需水需肥规律进行合理均衡的灌水施肥[12]，此项技术不仅能节水节肥，提高作物产量，而且还有助于改良土壤质地。目前关于钾肥对玉米产量影响的研究较多[5，13-14]，但是在水肥一体化管理条件下，施钾量对玉米产量影响的相关研究则相对较少。因此，本试验设计在滴灌水肥一体化条件下，研究钾肥施用量对宁夏春玉米叶绿素荧光特性及产量的影响，以期为区域滴灌水肥一体化条件下，玉米的钾素调控技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏农垦平吉堡农场农六队，地处宁夏回族自治区银川市西夏区的西南部，东经106°01′，北纬38°24′，平均海拔1 170 m，无霜期150 d左右，试验期间气温与降雨量如图1所示。0～20 cm耕层土壤含有有机质11.86 g·kg-1、碱解钾49 mg·kg-1、全钾0.8 g·kg-1、速效钾147.5 mg·kg-1，pH为7.68。

图1 2018年和2019年玉米生育期气象条件Fig.1 Meteorological conditions during maize growth period in 2018 and 2019

1.2 试验品种与肥料

试验玉米品种为天赐19号，2018年于4月21日播种，9月22日收获，2019年于4月22日播种，9月25日收获，两年均采用机械播种。该品种生育期137 d，幼苗叶鞘紫色，叶片绿色，株型半紧凑，株高280.1 cm，穗位高126.5 cm，全株叶片数19片，颖壳绿色，花药紫红色，花丝浅紫色，果穗长筒型。

试验肥料：氮肥为尿素(含N≥46% 由中国石油天然气股份有限公司宁夏石化分公司生产)，磷肥为磷酸一铵 (含P2O5≥61%、N≥12% 由四川龙蟒磷化工有限公司生产)，钾肥为硫酸钾(含K2O≥52% 由中国农资集团生产)，3种肥料皆为水溶性肥料。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设6个梯度钾肥量处理，K0(0 kg·hm-2)、K1(60 kg·hm-2)、K2(120 kg·hm-2)、K3(180 kg·hm-2)、K4(240 kg·hm-2)、K5(300 kg·hm-2)，每处理3次重复，共18个小区。其中氮、磷肥用量分别为300 kg·hm-2和138 kg·hm-2。每个小区种植8行玉米，密度为90 000株·hm-2，小区面积为81.4 m2(18.8 m×4.4 m)，宽窄行种植(宽行70 cm，窄行40 cm)，株距为20.2 cm，区组间留1.5 m走道，支管道铺在走道上，支管道直径为50 mm，小区里每两行铺一根滴灌带，滴灌带铺在窄行内，共4根滴灌带，每个小区都有相对应的阀门，滴灌时互不干扰，同时在试验地四周设2行保护行。

1.4 试验水肥管理

试验不施基肥，全部肥料作追肥随水滴入。根据前人研究的宁夏春玉米水肥吸收规律[1，15]，在玉米的全生育期共施肥8次，苗期1次、拔节期3次、抽雄期1次、灌浆期3次。玉米各生育时期钾肥分配比例为：苗期10%，拔节期-大口期40.4%，抽雄期-吐丝期14.6%，灌浆期35%。全生育期共滴水10次，苗期1次、拔节期3次、抽雄期2次、灌浆期3次、成熟期1次，共用水量2 475 m3·hm-2。详见表1。

表1 玉米全生育时期钾肥用量及灌水量Table 1 Potash use and irrigationduring full fertility of maize

1.5 测定项目与方法

苗期在每个处理中选择长势一致的5株玉米定株，在玉米主要生育时期(拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期)测定叶绿素和荧光指标。于晴天早上9:00—11:00，选取未受损、受光一致的玉米棒三叶(未抽穗之前测定部位均为最上一片完全展开叶)，叶绿素采用SPAD-plus手持叶绿素计测定。荧光指标采用Hansatch公司生产的FMS-2型便携式荧光仪测定。先用暗适应夹夹住叶片暗处理15 min后，拉开暗室板再用FMS-2型便携式荧光仪测定最小荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ综合性能指数(PI)、单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)等指标，每个处理重复测3次。

每个小区选取中间两行面积为20.68 m2收获果穗并称重，再从每个小区收获的果穗中随机挑选10个果穗于实验室考种，记录其穗粗、穗长、穗行数、行粒数、百粒重等产量构成因素，最后在籽粒含水量为14%条件下计算籽粒产量。

1.6 数据分析

分别采用Excel 2016进行数据整合，采用DPS 9.5进行数据分析，采用Origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同施钾量对玉米叶绿素含量的影响

如图2所示，玉米主要生育时期的SPAD值变化呈现出先上升后下降的趋势。在抽雄期达到峰值。2018年玉米各个生育时期K3处理表现最佳，K0处理下的SPAD值在拔节期、大喇叭口期和灌浆期均小于其他处理下的SPAD值，说明施用钾肥有利于增加玉米叶片相对叶绿素含量。2019年则不同，拔节期K0、K1、K2、K4、K5处理间差异不显著，大喇叭口期K1处理高于其他处理，K0、K2、K3、K4之间无显著性差异，抽雄期K1处理的SPAD显著低于其他处理，灌浆期K3处理SPAD值分别较其他处理高了11.24%、4.65%、6.45%、5.18%、4.65%。

JT，拔节期；BT，大喇叭口期；TL，抽雄期；FL，灌浆期。不同字母表示同时期差异显著(P<0.05)。下同。JT， Jointing stage; BT， Large bell stage; TL， Tasseling stage; FL， Filling stage. The bars with different letters indicated significant difference at the 0.05 level. The same as bellow.图2 不同施钾量对玉米SPAD的影响Fig.2 Effect of different potassium application rate on SPAD value of maize

2.2 不同施钾量对玉米荧光特性的影响

2.2.1 不同施钾量对玉米Fo的影响

如图3所示，随着生育时期的推进，Fo总体呈现先下降后上升的趋势。2018年在不同生育时期K3处理下的Fo最小。通过方差分析，大喇叭口期K0处理下Fo值最大，K3处理Fo值比其他处理分别低了12.58%、8.69%、3.35%、6.49%、8.67%。抽雄期和灌浆期各处理间没有显著性差异(P>0.05)。2019年拔节期、大喇叭口期、抽雄期和灌浆期均是K3处理下的Fo最小，与2018年的结果一致。通过方差分析，抽雄期和灌浆期各处理间没有显著性差异(P>0.05)，拔节期K3处理显著低于除K2处理以外的其他处理(P<0.05)，大喇叭口期K3处理比其他处理分别低了6.52%、2.78%、0.15%、4.05%、4.25%。

图3 不同施钾量对玉米Fo的影响Fig.3 Effect of different potassium application rate on Foof maize

2.2.2 不同施钾量对玉米Fm的影响

2018—2019年不同生育时期不同施钾条件下对玉米Fm的影响如图4所示，其变化趋势是先上升后下降，2018年K3处理的Fm在各个生育期都达到了最大，拔节期K2处理的Fm值显著低于其他处理(P<0.05)，大喇叭口期K0和K1处理间差异不显著，但是都显著低于K3、K4、K5处理(P<0.05)，抽雄期K0处理的Fm比其他处理低了5.93%、9.69%、17.52%、7.77%、14.49%。2019年则有所不同，拔节期、大喇叭口期、灌浆期各处理间均没有显著性差异，而在抽雄期K3处理的Fm达到了最大值，比其他处理分别高了10.92%、17.8%、31.97%、25.42%、21.08%。

图4 不同施钾量对玉米Fm的影响Fig.4 Effect of different potassium application rate on Fmof maize

2.2.3 不同施钾量对玉米Fv/Fo的影响

Fv/Fo代表了PSⅡ光合作用的潜在活性。2018—2019年玉米主要生育时期的Fv/Fo变化趋势如图5所示，具体表现为先上升后下降，2018年 K3处理下的Fv/Fo在各个时期均达到最大。拔节期K2处理和K5处理Fv/Fo显著低于其他处理(P<0.05)；大喇叭口期K0、K4处理Fv/Fo显著低于K1、K3、K5处理(P<0.05)；抽雄期K3处理分别比其他处理高了7.9%、21.89%、12.88%、20.48%、0.48%；灌浆期K1、K2、K3处理Fv/Fo显著高于K0处理(P<0.05)。2019年拔节期各处理间无显著性差异；大喇叭口期K5处理高于其他处理，抽雄期K3、K4、K5处理间无显著性差异，灌浆期K2处理PSⅡ光合作用的潜在活性高于其他处理。

图5 不同施钾量对玉米Fv/Fo的影响Fig.5 Effect of different potassium application rate on Fv/Foof maize

2.2.4 不同施钾量对玉米Fv/Fm的影响

如图6所示，2018—2019年玉米主要生育时期Fv/Fm变化趋势为先上升后下降，大喇叭口期最大。2018年各生育时期不同施钾处理的Fv/Fm大多均高于不施钾处理，说明施钾有利于提高PSⅡ反应原初光能转化效率。通过方差分析，拔节期6个处理间没有显著性差异，大喇叭口期K3处理下Fv/Fm较K0、K1、K2、K4、K5处理提高了6.51%、2.56%、4.81%、4.62%、1.64%。抽雄期和灌浆期各处理间没有显著性差异(P<0.05)。2019年有所不同，拔节期和抽雄期各处理间均没有显著性差异(P>0.05)，在大喇叭口期K5处理下的Fv/Fm高于其他处理，在灌浆期，K1处理Fv/Fm低于其余处理。

图6 不同施钾量对玉米Fv/Fm的影响Fig.6 Effect of different potassium application rate on Fv/Fmof maize

2.2.5 不同施钾量对玉米PI的影响

2018—2019年各生育时期不同施钾条件下对玉米PI的影响如图7所示，其变化趋势呈现先上升后下降。2018年拔节期各处理间PI值没有显著性差异；大喇叭口期K4处理PI值低于其他处理；抽雄期PI值达到最大， K3处理分别比其他处理的高出24.64%、65.22%、21.38%、37.35%、22.66%。灌浆期PI值下降，可能是植株衰老，叶片功能下降，光合作用减弱。2019年与2018年有所不同，在玉米主要生育时期各处理间均没有显著性差异(P>0.05)，灌浆期以K3处理下的PI值最大，表明在玉米生长后期合理的钾肥有利于提高PSⅡ的稳定性，进而增强光合作用。

图7 不同施钾量对玉米PI的影响Fig.7 Effect of different potassium application rate on PIof maize

2.2.6 不同施钾量对玉米ABS/RC的影响

如图8所示，2018—2019年玉米主要生育时期的ABS/RC呈现出先上升后下降的趋势，在抽雄期出现峰值。2018年拔节期随着施肥量的增加ABS/RC也增加，超过K3施肥量后开始下降，玉米的ABS/RC在大喇叭口期、抽雄期、灌浆期施用钾肥均高于不施钾肥的处理，抽雄期各处理分别比K0处理高了4.02%、4.82%、37.75%、29.32%、32.53%。2019年全生育时期K3处理下的ABS/RC达到了最大，拔节期与2018年表现一致，而大喇叭口期各处理间没有显著性差异(P>0.05)，抽雄期K3处理比其他处理分别高了9.6%、8.56%、10.5%、9.71%、8.08%。灌浆期则是施肥越多ABS/RC下降越快，可能是过量钾肥抑制了叶片的电子传递。

图8 不同施钾量对玉米ABS/RC的影响Fig.8 Effect of different potassium application rate on ABS/RC of maize

2.3 不同施钾量对玉米产量的影响

2.3.1 不同施钾量对玉米产量及构成因素的影响

由表2可知，增施钾肥可以提高玉米籽粒产量。2018年6个处理中K0处理的产量最低，K1、K2、K3、K4、K5处理下的玉米产量分别比对照K0增加了5.72%、5.81%、9.53%、8.33%、4.92%。2019年K1、K2、K3、K4、K5处理下的玉米产量分别比对照K0增加了0.37%、4.36%、5.75%、1.28%、0.61%。从表中的产量构成因素可以看出，2018年各处理间的产量及构成因素没有显著性差异，但是均以K3处理下产量及构成因素表现最优。2019年则表现出K3处理的产量及构成因素明显高于其他处理，由此可以看出K3处理下的玉米产量最高，增产幅度最大，并且随着施钾量的增加产量也在增加，但是达到一定程度后产量反而下降，说明适量的增施钾肥有助于提高产量。

表2 不同施钾量下玉米产量及构成因素的变化Table 2 Changes in yield components of maize under different potassium application rates

2.3.2 玉米荧光特性与产量之间的相关性

相关分析表明，产量与SPAD、Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、PI、ABS/RC都有不同程度的正相关关系，相关系数分别为0.71、0.32、0.66、0.29、0.28、0.29、0.66，说明在玉米生长过程中叶片的荧光特性对玉米产量的增加起促进作用。SPAD与Fm、Fo、Fv/Fo、Fv/Fm、PI的关系为正相关，与ABS/RC有极显著正相关关系，同时Fm与Fv/Fm、Fv/Fo，Fv/Fm与Fv/Fo、PI、Fv/Fo与PI有显著性正相关关系，其他荧光参数之间的关系为正相关。

表3 玉米叶绿素荧光特性与产量之间的相关性Table 3 Correlation between maize chlorophyll fluorescence characteristics and yield

3 讨论

3.1 不同施钾量对玉米叶绿素荧光特性的影响

植株在进行光合作用过程中主要是依靠叶绿素来吸收光能，同时叶绿素可以促进叶片内部的电子传递，进而影响光合作用[16]。本研究发现，在2018和2019年，K3处理下的相对叶绿素含量比不施钾肥有所提高，这表明适量的钾肥可以增加玉米叶片中的相对叶绿素含量，进而促进植株的光合作用。

植株的叶绿素荧光特性与光合作用有着密不可分的联系，能反映环境变化对光合作用的影响规律，而且还是影响产量的一个非常重要的因素。徐洪文等[17]认为，通过探测植株体内的荧光信号，能够了解植株的光合生理状况。高天鹏等[18]研究发现，钾肥能够提高PSⅡ反应中心最大原初光能捕获效率。初始荧光Fo的增加表明PSⅡ出现了可逆的失活或者不可逆转的破坏，本研究表明，在K3处理下初始荧光最低，说明在此施钾量下玉米的光合能力最佳。朱祖雷等[19]研究表明，在一定钾肥范围内，骏枣的叶绿素含量、光化学量子效率(Fv/Fm)都随着施钾量地增加而升高。孙骞等[20]研究发现，施用钾肥可以增强猕猴桃叶片的荧光参数，使得电子传递以及PSⅡ潜在活性都得到了提升。夏乐等[21]研究表明，在低钾和高钾的条件下，Fv/Fo和Fv/Fm都较低，低钾会抑制PSⅡ光合作用活性，导致最大光化学量子产量的减少，光合作用降低，而过量钾的施入，则可能会使光合机构受到损伤，从而影响光合作用。本研究表明，随着生育时期的推进，Fm、Fv/Fo、Fv/Fm和ABS/RC均表现为先上升后下降的趋势，施用钾肥能够增强玉米的电子传递以及光能转化效率，并且K3处理下电子传递和光能转化率都达到了最高，但是没有随着施钾量的增加而持续增高，而是出现了不同程度的下降，得到了与前人一致的结果，说明合理地施用钾肥有利于增强植株的荧光特性。PI是衡量植株叶片叶绿素吸收、捕获能量的综合指标，孔振[22]研究表明，施肥可以提高PSⅡ反应中心吸收电子和捕获电子的能力。本试验结果表明，K3处理下PI值在2018年各生育时期和2019年大喇叭口期及灌浆期达到最大，说明K3施肥条件下更有利于叶片中的电子向光合电子链的传递，从而增强了叶绿素吸收、捕获能量的能力，以达到提高光合速率的目的。

3.2 不同施钾量对玉米产量的影响

钾肥充足，玉米的生长发育状况良好，茎秆粗壮，产量高；钾肥亏缺，植株瘦弱，籽粒小，产量低[23]。任金虎等[24]研究表明，在一定范围内施用钾肥，可以有效增加玉米产量。赵福成等[25]研究发现，随着施钾量的增加，甜玉米的产量先增加再下降。本试验结果表明，施钾量在0～180 kg·hm-2时，玉米产量逐渐增加，施钾量在180～300 kg·hm-2时，产量却逐渐下降，这是由于当施钾量过多时，百粒重呈下降趋势，产量也开始下降，表明施钾量超过作物所需时，导致作物体内叶绿素含量以及荧光作用的减弱，进而影响到作物的光合作用，使得光合产物积累较少，最终影响产量。

本文通过2018年和2019年两年的时间研究了滴灌水肥一体化下施钾量对玉米叶绿素荧光特性及产量的影响，但是试验设计的钾肥用量梯度太大，希望在今后的研究过程中能够进一步优化试验方案，缩小肥料梯度，并结合光合作用进行研究，以期为该地区在获得高产的前提下提供更精准的施肥方案。

4 结论

滴灌水肥一体化条件下，钾肥用量在0～180 kg·hm-2，春玉米产量逐渐增加，超过180 kg·hm-2产量开始下降。当钾肥施用量为180 kg·hm-2，能够提升玉米的叶绿素含量，加强PSⅡ反应中心的稳定性，提高电子传递效率，使得玉米的荧光特性增强，最终增加产量。