长期定位施肥条件下黄土旱塬农田作物产量、水分利用效率的变化

以始于1979年的黄土旱塬黑垆土长期5种肥料试验为基础,研究了小麦、玉米一年一熟轮作条件下旱地作物产量及水分利用的变化。结果表明,无论气候年型如何,作物平均产量和水分利用效率大小依次为:有机无机肥结合(MNP)>秸秆还田与化肥配合(SNP)>单施化肥(NP)>单施农家肥(M)>单施化肥氮(N)>不施肥(CK);MNP和SNP施肥方式在旱地农业生产中具有显著的增产和提高水分利用效率的作用,2种施肥方式下小麦平均产量较CK增加189%和158%,水分利用效率提高193%和165%,玉米平均产量较CK增加125%和99%,水分利用效率提高121%和96%。随着试验年限的延长,化肥尤其是氮肥的增产效果受降水影响年际之间波动性很大,但无机氮磷结合农家肥、无机氮磷配合秸秆还田能有效减缓产量的波动,起到抗逆减灾和稳定产量的作用。有机无机肥结合(MNP)和秸秆还田与化肥配合(SNP)是实现旱地有限水资源高效利用和旱地农业可持续发展的施肥方式。

氮素对高大气CO_2浓度下小麦叶片光合功能的影响

为探讨高大气CO2浓度下植物光合作用适应现象的光合能量转化和分配的氮素响应及其对C3植物光合功能的影响,本试验对盆栽小麦进行2个大气CO2浓度和2个氮水平的组合处理,通过测定小麦光合气体交换参数、叶绿素荧光参数和叶绿素含量等指标,研究施氮对高大气CO2浓度下小麦叶片光合功能的影响。结果表明,大气CO2浓度升高后,低氮处理小麦叶片光合速率发生明显的适应性下调,光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)下降;但高氮叶片则无明显的光合作用适应现象发生。高大气CO2浓度下低氮叶片光化学速率、PSII线性电子传递速率(JF)、光合电子流的光化学传递速率(JC)、Rubisco羧化速率(VC)和TPU下降,并随生育时期推进其下降趋势更为明显,但高氮叶片的上述参数无显著变化;小麦叶片JC/JF、VC/JC和VO/VC随氮素水平和大气CO2浓度的变化无显著变化,表明施氮能提高光合机构对光合能量的传递速率,但对光合能量的分配方向无明显影响。施氮提高小麦叶片氮素和叶绿素含量,并且使高大气CO2浓度下光合氮素利用效率(NUE)明显增加。大气CO2浓度升高后,施氮增强光合机构的光合能量运转速率,同化力提高,无明显的光合作用适应现象;由于氮素水平与大气CO2浓度对小麦叶片的光合能量利用存在明显的交互作用,而且高大气CO2浓度下施氮使得小麦叶片NUE增加、正常大气CO2浓度下降低,证明高大气CO2浓度下施氮对光合作用具有直接的影响。

施肥和水分调亏对冬小麦生长和产量的影响

通过盆栽试验对不同施肥处理条件下冬小麦水分调亏效应进行了研究。设置3个施肥处理:不施肥(F0)、施复合肥(F1)和复合肥+有机肥配施(F2);2个水分处理:充分供水(W:75%FC)和水分调亏(D:50%FC～55%FC)。研究表明,在孕穗期,相同施肥条件下,调亏处理冬小麦的叶面积、株高和叶绿素均显著小于未调亏处理。到花期时,各水分调亏处理的叶绿素量与未调亏没有显著差别。F2处理的水分调亏小麦的叶面积和株高与未调亏小麦没有显著差别;F0和F1处理的水分调亏小麦的叶面积和株高均显著小于相应未调亏处理小麦。在拔节期,F0处理的水分调亏小麦的光合速率显著低于未调亏处理;F1和F2处理的水分调亏小麦的光合速率与未调亏处理没有显著差异。但复水后,到抽穗期,F2处理的水分调亏小麦的光合速率显著高于未调亏处理,表现超补偿效应。但F0和F1处理的水分调亏小麦的光合速率和未调亏小麦相比没有显著区别。抽穗后在充分供水条件下,F0和F1处理的小麦,返青-拔节期水分调亏对产量有显著负效应。F2的调亏处理小麦的产量没有受到影响;在干旱条件下,F0和F1处理的小麦,返青-拔节期水分调亏对产量没有影响,但F2处理的水分调亏小麦的产量显著高于未调亏处理的小麦。在相同施肥条件下,水分调亏处理小麦的稳产性均高于未调亏处理小麦。在各调亏处理中,F2处理小麦的稳产性最高,F1处理小麦次之,F0处理小麦的稳产性最低。

高大气CO_2浓度下氮素对小麦叶片光合能量分配的调节

探讨了施氮量对高大气CO2浓度下小麦功能叶光合能量传递与分配的影响,进而明确氮素对小麦叶片光合作用适应性下调的能量分配调节作用。采用开顶式气室盆栽法,通过测定小麦拔节期和抽穗期不同大气CO2浓度和施氮水平下的叶氮浓度、光合速率-胞间CO2浓度(Pn-Ci)响应曲线和荧光动力学参数,测算光合电子传递速率和分配去向。与在正常CO2浓度(400μmol mol-1)条件下相比,在高大气CO2浓度(760μmol mol-1)下,小麦叶氮浓度显著下降,N200处理(200mg kg-1)叶片抽穗期叶氮浓度的下降幅度较拔节期高335.7%。N200处理较N0处理(0mg kg-1)提高小麦叶片光适应下PSⅡ反应中心最大量子产额(Fv′/Fm′)、光化学效率(ΦPSⅡ)和开放比例(qP),降低非光化学猝灭系数(NPQ)。高大气CO2浓度下,小麦叶片光化学反应的非环式光合电子传递速率(Jc)和Rubisco羧化速率(Vc)显著升高,而光呼吸的非环式光合电子传递速率(Jo)和Rubisco氧化速率(Vo)明显降低;施氮使Jc、Jo、Vc和Vo值均呈上升趋势,而且Jc和Vc达到显著差异。高大气CO2浓度下Jo/Jc和Vo/Vc显著降低,施氮后小麦拔节期叶片Jo/Jc和Vo/Vc降低,但抽穗期Jo/Jc升高而Vo/Vc无明显变化。叶氮浓度与小麦叶片Jc、Jo和Vo均呈显著线性正相关,而且高大气CO2浓度下小麦叶片Jc、Jo和Vo对氮浓度的敏感性降低。高大气CO2浓度下,小麦叶片PSⅡ反应中心开放比例增加,非光化学耗能降低,更多的光合电子进入光化学过程;施氮后使小麦叶氮浓度增加,提高光合能力,改变了能量分配,这是高氮条件下光合作用适应性下调被缓解的一个关键因素。