南方两熟玉米水氮耦合条件下作物水分生理与水碳关联机制研究

Double maize is one of cropping system in Guangxi Zhuang Autonomous Region. The precipitation of single cropping is about 550 mm which meet the needs of crop growth and development. However, maize agricultural production faces many problems, such as asynchronism precipitation and crop growing, mismatch between demand-supply and time-space of water-nitrogen, water and fertilizer loss and soil environment pollution, phased drought of maize, which is a severe challenge of maize sustainable production. So, decreasing water-nitrogen input and increasing of water-nitrogen utilization efficiency under maintain stable yield which is a crucial factor for agricultural scientist. Maize straw total returning is important role for keeping and increasing soil carbon sequestration. Reasonable irrigation and fertilization can improve farmland ecological environment, which is key factor of regulating maize growing. The water and fertilizer conditions impact on farmland and crop water physiology, photosynthetic carbon fixation, soil organic carbon. Under total photosynthetic product (straw) returning and traditional planting pattern, the research combine with water and nitrogen, water physiology, photosynthetic carbon production, soil organic carbon, which results will provide important information for crop water physiology and carbon-nitrogen change, water-carbon equilibrium of environment under water-nitrogen efficient utilization.

广西是玉米一年两作的主要种植区，单季玉米生长期降雨量约550 mm，基本可以满足生长需要。但由于降雨与作物生长不同步，水分和氮肥缺乏科学管理，导致水肥流失，土壤环境恶化，早玉米常发生阶段性干旱，玉米生产面临着可持续发展的严峻挑战。因此，如何利用较少水氮投入维持作物稳定合理的产量水平，成为当前亟待解决的关键问题。玉米收获后进行全量秸秆还田，对维持甚至提高土壤碳汇有重要作用；水肥协调可改善农田生态环境，是调控玉米生长的关键性因素；水肥条件是影响农田和作物水分、作物光合碳固定以及土壤有机碳变化的重要因子。本项目在课题组原有研究基础上，将水氮-水分生理-光合碳生产-土壤有机碳相结合，在光合产物（秸秆）全量还田的背景下与传统种植模式比较，研究水氮耦合下土壤和植株的水分如何变化，水氮高效利用下的作物水分生理与碳氮素变化，为深入研究环境水碳平衡提供重要理论依据。

试验在广西大学试验地进行，玉米行距和株距分别为60 cm和30 cm，种植密度为55556株/公顷，试验为裂区设计，主因素为水分（雨养和补充灌溉），副因素为5个纯氮水平（0、150、200、250和300 kg/ha），研究在不同水分条和施氮对光合碳生产、叶绿素荧光参数、“土壤-植株”碳氮转运与功能叶酶活、产量与经济效益的影响，以期为指导广西玉米水肥管理提供依据。结果表明，补充灌溉和施氮显著增加叶面积指数和叶绿素相对含量，提高玉米群体对光能的截获，减少光能的透射和反射，促进穗位叶气体交换，蒸腾上升，胞间CO2浓度增加，净光合速率加快，干物质积累增多，主成分分析表明处理间的光合性能为补充灌溉结合施氮>施氮>补充灌溉>雨养。补充灌溉和施氮提高PSII最大光化学效率，雨养条件下，随着施氮量的增加而显著增大；补充灌溉条件下，施氮量≤250 kg/ha时，施氮与电子传递呈正效应。施氮提高土壤有机质和微生物量，0-20 cm土层以氨态氮为主，补充灌溉促进植株吸收碳和氮，提高穗位叶碳氮代谢酶（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、蔗糖磷酸合成酶、硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨脱氢酶）活力，施氮量小于250 kg/ha时，植株养分含量、穗位叶碳氮代谢酶活和土壤肥力随着施氮量增加而上升。施氮、补充灌溉和季节均显著影响产量、产量构成和农艺性状，补充灌溉的穗粒数较雨养上涨7.6%，千粒重提高6.2%、年均产量提升14.7%，氮肥利用率在施氮量超过250 kg/ha后下降，补充灌溉的净收益较雨养提升7.5%。秸秆还田下，植株茎、叶、穗的全碳含量在不同氮素水平下均呈显著差异。秸秆还田比传统种植的植株全碳含量分别提高了7.06%（春玉米）和1.68%（秋玉米）。补充灌溉和施氮可提高光合碳生产和氮素利用率，从而促进“土壤-植株”间的碳氮循环，因气候差异春玉米“土壤-植株”的碳氮循环优于秋玉米，在广西一年两作玉米种植区，补充灌溉结合250 kg/ha的施氮量可获得最大产量和经济效益。