氮肥用量与脉冲/连续地下滴灌对甘蔗气体交换的影响

《Discover Plants》：Effects of nitrogen rates and pulsed versus continuous subsurface drip irrigation on gas exchange in sugarcane

　　

脉冲灌溉（pulse irrigation）是一种有助于高效管理水分和氮素的策略，能够优化农业生产。本研究旨在评估通过脉冲和连续施肥灌溉（fertigation）施用的氮剂量对甘蔗作物气体交换（gas exchange）的影响。为此，在巴西伯南布哥州卡尔皮纳甘蔗试验站（EECAC）进行了一项田间试验。试验采用随机区组设计，5×2因子方案，设置五个氮剂量（80、120、160、240和320 kg ha^?1）和两种灌溉施用方式（脉冲和连续），设四次重复。在240和300 DAH（收获后日数）时进行气体交换评估。通过回归分析确定，脉冲灌溉与估计氮剂量189.4 kg ha^?1相结合，促进了甘蔗更高的净光合速率（A）。氮剂量高于168.4 kg ha^?1时降低了羧化效率和水分利用，表明该养分存在生理极限。脉冲灌溉改善了净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、瞬时水分利用效率、内在水分利用效率和瞬时羧化效率，突显了灌溉与氮肥综合管理在作物生理性能方面的潜力。

甘蔗（Saccharum officinarum）在全球热带和亚热带地区具有重要经济意义，主要用于糖和乙醇生产。随着市场需求增长，优化栽培措施以提高产量和效率显得尤为重要。氮素是植物生长和生理代谢的关键营养元素，而灌溉直接影响土壤养分有效性和植物生理响应。因此，合理的水肥综合管理是缓解水资源短缺、提高甘蔗生产潜力的重要手段。脉冲灌溉作为一种分次供水技术，通过湿润与停歇循环改善了土壤水分分布和养分吸收，在多种作物上表现出节水增产效果。然而，在甘蔗上关于脉冲灌溉与氮肥协同作用对气体交换影响的研究仍较缺乏。为此，研究人员开展田间试验，假设脉冲施肥灌溉可通过维持更稳定的土壤水分和优化根区氮有效性，增强叶片气体交换，尤其是净光合速率、气孔导度和水分利用效率。

试验在巴西伯南布哥州卡尔皮纳甘蔗试验站（EECAC）进行，采用随机区组设计，5×2因子方案，包括5个氮剂量（80、120、160、240和320 kg ha^?1）和2种灌溉方式（脉冲和连续），4次重复。在240和300收获后日数（DAH）评估了气体交换参数。结果表明，脉冲灌溉与189.4 kg ha^?1氮剂量组合可获得最高净光合速率；施氮量超过168.4 kg ha^?1会降低羧化效率和水分利用效率，表明氮素利用存在生理上限。脉冲灌溉显著提升了多项气体交换指标，显示出灌溉与氮肥协同管理在提高甘蔗生理性能方面的潜力。

关键方法方面，试验点位于EECAC，土壤为砂壤土老成土（Ultisol），气候为热带湿润气候。地下滴灌系统埋深0.20 m，脉冲模式为每日4次、间隔40分钟。氮肥以尿素（45% N）通过施肥灌溉分7次施入。气体交换使用便携式红外气体分析仪（IRGA Li-6400 XT）测量，参数包括净光合速率（A）、蒸腾速率（E）、气孔导度（gs）、胞间CO₂浓度（Ci）、瞬时水分利用效率（A/E）、内在水分利用效率（A/gs）和瞬时羧化效率（A/Ci）。统计分析采用方差分析（ANAVA）、F检验和回归分析，显著性水平为0.05。

研究结果如下。3.1 净光合速率对施用类型和氮剂量的响应：在240 DAH，脉冲灌溉下净光合速率（A）随氮剂量呈二次曲线变化，最大值为16.05 μmol CO₂ m^?2 s^?1，对应氮剂量189.4 kg ha^?1，比最低剂量（80 kg ha^?1）提高82.38%；连续灌溉下最大A仅8.9 μmol CO₂ m^?2 s^?1，对应氮剂量135 kg ha^?1，比最低剂量仅提高2.29%。在120和160 kg ha^?1氮剂量下，脉冲灌溉相比连续灌溉使A分别提高53.4%和117%。在300 DAH，A最大值为19.8 μmol CO₂ m^?2 s^?1，对应氮剂量176.1 kg ha^?1，比最低剂量提高22.9%。

3.2 蒸腾速率对施肥灌溉氮剂量的响应：在240 DAH，蒸腾速率（E）最大值为3.7 mmol H₂O m^?2 s^?1，对应氮剂量165 kg ha^?1，比最低剂量提高5.7%。

3.3 氮肥对不同时期气孔导度的影响：在240 DAH，气孔导度（gs）最大为0.063 mol H₂O m^?2 s^?1，对应氮剂量150 kg ha^?1，比最低剂量提高16.6%；在300 DAH，最大gs为0.132 mol H₂O m^?2 s^?1，同样对应氮剂量150 kg ha^?1，比最低剂量提高12.8%。

3.4 瞬时水分利用效率和瞬时羧化效率对氮肥的响应：在240 DAH，瞬时水分利用效率（A/E）最大值为4.09 μmol CO₂ mmol H₂O^?1，对应氮剂量185 kg ha^?1，比最低和最高剂量分别提高15.5%和28.6%；在300 DAH，最大A/E为5.09 μmol CO₂ mmol H₂O^?1，对应氮剂量185 kg ha^?1，比最低剂量提高9.4%。在240 DAH，内在水分利用效率（A/gs）最大为165.1 μmol CO₂ mmol H₂O^?1，对应氮剂量168.4 kg ha^?1，比最低剂量提高14.6%；瞬时羧化效率（A/Ci）最大为0.135 mol m^?2 s^?1，对应氮剂量191.6 kg ha^?1，比最低剂量提高121.3%。

3.5 甘蔗对灌溉类型（脉冲和连续）的生理响应：在240 DAH，脉冲灌溉使E、gs、A/gs、A/Ci分别比连续灌溉提高19.05%、22.41%、10.52%和56.16%；在300 DAH，分别提高15.07%、30.63%、6.49%和136.12%。此外，在300 DAH，A、胞间CO₂浓度（Ci）和A/E也分别提高16.56%、35.0%和9.8%。叶片温度（LT）在两种灌溉方式间无显著差异。

讨论部分总结：脉冲灌溉通过分次供水维持了全天较高的土壤湿度，稳定了土壤水势，减少了短期水分亏缺，从而维持较高的光合速率。同时，脉冲灌溉改善了水氮同步性，使氮素更易被根系吸收，促进叶绿素合成、RuBisCO活性和ATP生成，有利于碳同化。适量氮素提高气孔导度和羧化效率，但过量氮素会增强RuBisCO加氧酶活性，降低羧化效率和水分利用效率。脉冲灌溉还使气孔开闭更平衡，减少了不必要的水分损失，从而提高了水分利用效率。这些生理响应与已有的甘蔗产量增加和生物量积累结果一致，表明水氮综合管理具有实际应用价值。研究结论表明，脉冲灌溉结合189.4 kg ha^?1氮剂量促进了甘蔗净光合速率，150–190 kg ha^?1氮剂量优化了作物生理响应，而高于168.4 kg ha^?1的氮剂量降低了羧化效率和水分利用效率。脉冲灌溉提高了净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、瞬时和内在水分利用效率及瞬时羧化效率。该研究凸显了灌溉与氮肥综合管理在提升甘蔗生理性能中的潜力。