水肥耦合對(duì)春小麥葉片生態(tài)特性及產(chǎn)量的影響

胡云平+張靜+劉丹

摘要：為明確水肥條件與春小麥生產(chǎn)的關(guān)系，在大田條件下采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)置不同梯度的水肥耦合模式[灌水：W1，4 500 m3/hm2；W2，6 000 m3/hm2；W3，7 500 m3/hm2。施氮（尿素）：N1，450 kg/hm2；N2，600 kg/hm2；N3，750 kg/hm2]，分析了水肥耦合對(duì)春小麥葉片生態(tài)特性及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：不同模式的水肥耦合對(duì)春小麥葉片生態(tài)特性及產(chǎn)量的影響不同，當(dāng)水肥交互作用時(shí)，總體表現(xiàn)為水分處理的影響要高于氮素處理的影響。土壤水分利用效率表現(xiàn)為W3（充足水分）>W2（適宜水分）>W1（自然降水）；成熟期春小麥生長(zhǎng)特性各指標(biāo)總體表現(xiàn)為W3>W2>W1；相同的水分處理時(shí)，春小麥植株屬性各指標(biāo)隨著氮素的增加而增加，相同的氮素濃度處理時(shí)，春小麥植株屬性各指標(biāo)隨著水分處理的增加而增加；成熟期春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量總體表現(xiàn)為W3>W2>W1；而脯氨酸含量和丙二醛含量總體表現(xiàn)為W1>W2>W3；水分對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響均達(dá)極顯著水平，說明水分對(duì)春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素具有重要的影響?；プ餍?yīng)分析表明，水分×氮肥對(duì)穗數(shù)、穗粒數(shù)及籽粒產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平（P<0.01）。不同處理組合的籽粒產(chǎn)量以W2N2的組合最高，說明供水量與施肥量之間有一個(gè)平衡系數(shù)，為充分發(fā)揮春小麥的產(chǎn)量潛力，最佳的管理措施是水肥相互配合。本研究中W2N2水肥組合應(yīng)為春小麥高產(chǎn)高效的運(yùn)籌模式。

關(guān)鍵詞：水肥耦合；春小麥；生態(tài)特性；產(chǎn)量

中圖分類號(hào)： S512.106；S143文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）12-0048-04

春小麥作為世界三大谷物之一，是一種優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源，在全國范圍內(nèi)已得到廣泛種植和引種[1-2]。春小麥具有產(chǎn)量高、品質(zhì)好、營養(yǎng)豐富、生態(tài)適應(yīng)性廣等優(yōu)良特點(diǎn)，這些特性和廣泛的種植對(duì)于調(diào)節(jié)氣候和改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的意義[3]。在春小麥生長(zhǎng)過程中，水分和養(yǎng)分之間、各養(yǎng)分之間以及作物與水肥間相互激勵(lì)與拮抗的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，以及作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成對(duì)這些相互作用的影響叫作物的水肥耦合效率，二者之間相互促進(jìn)與相互制約影響著作物產(chǎn)量[4-6]。水肥也是影響春小麥生長(zhǎng)發(fā)育的兩大重要因素，很大程度上決定春小麥的產(chǎn)量高低及品質(zhì)優(yōu)劣[7]。關(guān)于水肥對(duì)春小麥產(chǎn)量影響的研究已有諸多報(bào)道[4-5，8]。相對(duì)于水分單因子，水肥互作對(duì)春小麥后期光合特性的影響尤其明顯。水分脅迫能使旗葉功能期明顯縮短，光合速率明顯下降；灌水條件下增施氮肥及氮肥后移則有助于減緩旗葉光合功能的衰退。施氮增加了光能向光合碳同化方向的分配，對(duì)提高冬春小麥抗旱能力有積極作用[9-10]。在早期的研究中，人們對(duì)水分和產(chǎn)量或肥料與產(chǎn)量之間的相互關(guān)系進(jìn)行了很多研究。有研究表明：當(dāng)土壤自然肥力水平低時(shí)，施肥的增產(chǎn)作用顯著，而隨著自然肥力提高，水分作用越來越大，且水與肥對(duì)產(chǎn)量有耦聯(lián)效應(yīng)；施肥有明顯的調(diào)水作用，灌水也有顯著的調(diào)肥作用；灌水量少時(shí)，水肥的交互作用隨肥料用量增加而增加；灌水量高則有相反趨勢(shì)[9-10]。

河南省是我國冬春小麥的主要產(chǎn)區(qū)，其產(chǎn)量占到全國春小麥總產(chǎn)量的60%左右[11-12]。但在河南局部區(qū)域春小麥高產(chǎn)和氮素低效高損耗的矛盾也日益突出，高產(chǎn)條件下氮肥和水分的配合利用是該區(qū)域冬春小麥高產(chǎn)高效栽培研究的主要問題[13-14]。長(zhǎng)期以來，針對(duì)春小麥不同生育期、不同品種、不同穗型等對(duì)春小麥進(jìn)行了許多研究，結(jié)果表明，水肥耦合下春小麥的生長(zhǎng)特性及產(chǎn)量顯得更加重要，不僅可以加深對(duì)其生理特性、生態(tài)適應(yīng)、生產(chǎn)潛能的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，還可以為其高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)[13-14]。有鑒于此，本研究結(jié)合河南的氣候生態(tài)條件，探索水氮運(yùn)籌對(duì)春小麥生長(zhǎng)特性及產(chǎn)量的影響，尋求春小麥高產(chǎn)高效栽培的最優(yōu)水肥耦合模式，以期為河南地區(qū)高產(chǎn)節(jié)水省肥栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試春小麥品種為河南省主推高產(chǎn)品種周麥18，研究區(qū)位于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)的科教示范園區(qū)，分別于2014年和2015年在春小麥的整個(gè)生長(zhǎng)季進(jìn)行增溫處理。該區(qū)多年平均氣溫為18.2 ℃，多年平均降水量為1 800 mm。供試土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，春小麥播種前試驗(yàn)田0～20 cm深耕層土壤黏粒含量為28.9%，土壤pH值6.2，有機(jī)碳含量為26.53 g/kg，全氮含量為1.82 g/kg，平均最大田間持水量為23.25%。在本研究年度，春小麥全生長(zhǎng)發(fā)育期（2014年10月至2015年10月）降水共236.1 mm，其中150.08 mm集中在生育前期，后期降水相對(duì)較少，對(duì)本試驗(yàn)的土壤水分處理影響相對(duì)較小。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，其中水分處理為主區(qū)，氮肥處理為副區(qū)，9個(gè)處理，重復(fù)3次，共27個(gè)處理小區(qū)。小區(qū)長(zhǎng)5 m，寬 5 m，每小區(qū)24行，行距15 cm，小區(qū)面積為5 m×5 m=25 m2。不同灌水處理間設(shè)置1.5 m隔離帶。共設(shè)3個(gè)水分處理：W1，灌水4 500 m3/hm2；W2，灌水6 000 m3/hm2；W3，灌水7 500 m3/hm2。通過定時(shí)測(cè)量土壤墑情，灌水補(bǔ)墑，用水表控制所需灌水量。設(shè)3個(gè)施氮處理（尿素）：N1，450 kg/hm2；N2，600 kg/hm2；N3，750 kg/hm2。基肥按P2O2 180 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2以及50%的氮肥于耕前施入，拔節(jié)期追施剩余的50%氮肥。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。2014年10月15日適期播種，基本苗為180萬株/hm2，4葉期確定一米雙行進(jìn)行追蹤觀察。開花期從各處理內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株掛牌標(biāo)記，2015年6月1日至6月9日依成熟先后分次收獲，其他管理措施同一般高產(chǎn)大田。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

1.3灌水量的計(jì)算

在春小麥不同生育時(shí)期，各小區(qū)用土鉆取0～20 cm深土層，裝鋁盒，用烘干法測(cè)定土壤含水量，用測(cè)墑補(bǔ)灌法計(jì)算需補(bǔ)充的灌水量，用水表控制灌水量。endprint

1.4春小麥生長(zhǎng)各指標(biāo)測(cè)定

成熟期每個(gè)小區(qū)選取5～10株長(zhǎng)勢(shì)一致的春小麥，卷尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量株高、莖粗（精確到0.01 cm），掃描儀測(cè)定植株葉面積指數(shù)，成熟期收割曬干后稱干質(zhì)量。

1.4.1葉片生理指標(biāo)的測(cè)定按照0.5 m×0.5 m收割地上生物量，并采集足夠多的成熟葉片帶回實(shí)驗(yàn)室，65 ℃烘干至恒質(zhì)量（精確到0.01 g）。將上述植物新鮮葉片除去葉脈研磨混合，以80%丙酮溶液浸提測(cè)定葉綠素a、葉綠素b含量；考馬斯亮藍(lán)-G250染色法測(cè)定可溶性蛋白；蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖；茚三酮比色法測(cè)定游離脯氨酸；硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量[15]。

1.4.2產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測(cè)定春小麥生育期間各處理選取3個(gè)有代表性的一米雙行固定樣點(diǎn)，成熟時(shí)調(diào)查3個(gè)樣點(diǎn)平均穗數(shù)并計(jì)算出單位面積穗數(shù)。每處理隨機(jī)抽取20株進(jìn)行室內(nèi)考種，記錄穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等。

采用Excel 2003和SPSS 18.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析（One-way ANOVA），t檢驗(yàn)比較各處理間差異顯著性。

2結(jié)果與分析

2.1水肥耦合對(duì)春小麥各生育期土壤相對(duì)含水量的影響

從表2可知，水肥耦合對(duì)春小麥各生育期土壤相對(duì)含水量具有明顯的影響，在春小麥拔節(jié)前各處理土壤水分含量差異不大；從拔節(jié)開始，隨著春小麥生育進(jìn)程的推進(jìn)，植株需水量加大，導(dǎo)致土壤水分消耗量變大，從而使自然降雨條件（W1）下各處理土壤水分含量均較小。表2春小麥各生育期的土壤水分變化情況

水分氮肥土壤相對(duì)含水量（%）越冬期拔節(jié)期孕穗期開花期成熟期

2.2水肥耦合對(duì)春小麥水分利用效率（WUE）的影響

由表3可知，春小麥水分利用效率在拔節(jié)期達(dá)到最高，隨著灌漿的進(jìn)行逐漸降低。不同水分處理的春小麥水分利用效率總體表現(xiàn)為W2>W3>W1，說明土壤含水量大，水分利用效率并不一定高，而干旱脅迫條件下，春小麥的水分利用效率均比水分充足時(shí)有所降低，可能是因?yàn)楦珊得{迫通過影響光合速率間接影響水分利用效率。各水分處理間水分利用效率均隨施氮量的增加先升高后降低，表明增施氮肥能夠提高春小麥的水分利用效率，而過高的氮肥則使水分利用效率降低。

2.3水肥耦合對(duì)春小麥成熟期植株屬性的影響

由表4可知，水肥耦合顯著影響了成熟期春小麥的植株屬性。成熟期春小麥生長(zhǎng)特性各指標(biāo)總體表現(xiàn)為W3>W2>W1；相同的水分處理，春小麥植株屬性各指標(biāo)隨著氮素的增加而增加，相同的氮素用量處理，春小麥植株屬性各指標(biāo)隨著水分處理的增加而增加。通過進(jìn)一步的比較可知，水分處理時(shí)春小麥植株屬性各指標(biāo)的增加幅度明顯高于氮處理時(shí)小麥植株屬性各指標(biāo)增加的幅度，由此可知，當(dāng)水肥交互作用時(shí)，水分處理的影響要高于氮素處理的影響。

2.4水肥耦合對(duì)春小麥成熟期葉片生理指標(biāo)的影響

由表5可知，成熟期春小麥植株葉片生理指標(biāo)具有明顯的差異，可溶性蛋白變化范圍在113.2～125.6 μg/g，可溶性糖變化范圍在0.23%～0.45%，葉綠素a變化范圍在1.23～3.59 mg/g，葉綠素b變化范圍在0.85～1.99 mg/g，脯氨酸含量變化范圍在5.14～8.63 μg/g，丙二醛含量變化范圍在 13.84～24.90 μmol/g；成熟期春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a、 葉綠素b含量總體表現(xiàn)為W3>W2>W1；而表3春小麥各生育期水分利用效率

脯氨酸含量和丙二醛含量總體表現(xiàn)為W1>W2>W3；相同的水分處理，成熟期春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a、葉綠素b含量隨著氮素的增加而增加，相同的氮素用量處理，小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a、葉綠素b含量隨著水分處理的增加而增加，而脯氨酸含量和丙二醛含量則呈相反的變化趨勢(shì)。通過進(jìn)一步的比較可知，水分處理時(shí)春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a、葉綠素b含量的增加幅度明顯高于氮處理時(shí)小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a、葉綠素b含量增加的幅度，由此可知，當(dāng)水肥交互作用時(shí)，水分處理的影響要高于氮素處理的影響。

2.5水肥耦合對(duì)成熟期春小麥產(chǎn)量的影響

通過對(duì)不同水分、氮肥及水分×氮肥處理與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的方差分析（表6）可知，水分對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響均達(dá)極顯著水平，除對(duì)穗數(shù)影響的顯著水平低于氮肥之外，對(duì)其余各指標(biāo)的影響的顯著性均最大，說明水分對(duì)春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素具有重要的影響；氮肥對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響除千粒質(zhì)量達(dá)顯著水平（P<0.05）外，對(duì)穗數(shù)、穗粒數(shù)、生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平，其中氮肥對(duì)穗粒數(shù)的影響較之其他因子最大；互作效應(yīng)分析表明，水分×氮肥對(duì)穗數(shù)、生物產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平（P<0.01）。

由表7可以看出，不同水肥耦合模式對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響不同，其中W2N2產(chǎn)量最高。同一灌水條件下，施氮處理的籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮處理。不同水分條件下，隨著施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量的變化有所不同：W1條件下，籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加；W2條件下，籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加先升高后降低；而在W3條件下則表現(xiàn)為N1>N3>N2，表明在水分充足的條件下氮肥能發(fā)揮增產(chǎn)的作用，水分對(duì)春小麥籽粒產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為W2>W3>W1，各處理中，W2N2籽粒產(chǎn)量最高。同一施氮水平下，W2處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和生物產(chǎn)量均高于W1、W3；N3水平下，W3處理春小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和生物產(chǎn)量高于W1處理，而低于W2處理，造成了籽粒產(chǎn)量的降低。

3討論

物質(zhì)和能量代謝是春小麥生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，各個(gè)生理和生化過程均受到水肥的調(diào)控。葉綠素作為植物光合作用的物表6水肥耦合下春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的F值

變異來源F值籽粒產(chǎn)量穗數(shù)穗粒數(shù)千粒質(zhì)量生物產(chǎn)量水分3 125.23**56.98**103.58**95.17**1 523.98**氮肥756.32**412.78**5.69*86.95**487.21**水分×氮肥26.58*51.36**3.121.2519.63**endprint

質(zhì)基礎(chǔ)和光敏化劑，在光合作用過程中起著接受和轉(zhuǎn)換能量的作用[16]；可溶性蛋白和可溶性糖包含一些代謝的酶，其含量的多少與植株體內(nèi)的代謝強(qiáng)度有關(guān)[17]。水肥耦合條件下，春小麥葉綠素a和葉綠素b含量、碳水化合物含量、蛋白質(zhì)含量總體表現(xiàn)為W3>W2>W1；而脯氨酸含量和丙二醛含量總體表現(xiàn)為W1>W2>W3；相同的水分處理，成熟期春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量隨著氮素的增加而增加，相同的氮素濃度處理時(shí)，小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量隨著水分處理的增加而增加，而脯氨酸含量和丙二醛含量則呈相反的變化趨勢(shì)。通過進(jìn)一步比較可知，水分處理時(shí)春小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量的增加幅度明顯高于氮處理時(shí)小麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a和葉綠素b含量增加的幅度，由此可知，當(dāng)水肥交互作用時(shí)，水分處理的影響要高于氮素處理的影響。水肥耦合主要通過影響春小麥葉綠素含量而間接影響植物的光合生產(chǎn)能力，從而促進(jìn)了葉片葉綠素的合成[4-5，9]。因此，水肥耦合對(duì)春小麥葉片光合生理特性的影響與葉綠素含量的變化保持一致。水肥耦合能夠增加春小麥葉綠素含量和碳水化合物、蛋白質(zhì)含量，一方面說明春小麥可能能適應(yīng)更高的增溫環(huán)境，另一方面說明了碳水化合物含量和蛋白質(zhì)含量作為機(jī)體構(gòu)建物質(zhì)，參與營養(yǎng)期干物質(zhì)的積累。

綜合本研究各處理看，拔節(jié)前、拔節(jié)后灌水至田間持水量的70%～75%，W2N2處理在產(chǎn)量表現(xiàn)和水分利用效率上既高于各處理，又節(jié)水節(jié)肥，該處理不失為高產(chǎn)條件下最優(yōu)的水肥耦合模式，對(duì)于春小麥的水肥運(yùn)籌具有較好的借鑒意義[11-12]。葉片強(qiáng)大的光合能力是春小麥取得高產(chǎn)的基礎(chǔ)，眾多影響光合參數(shù)的因素中，水分和氮素的作用最為直接和明顯。本研究結(jié)果表明，水分不足（W1）阻礙春小麥葉片光合性能的發(fā)揮，降低春小麥水分利用效率，減少籽粒產(chǎn)量。適宜水分條件（W2）能夠顯著改善春小麥葉片光合性能，顯著提高水分利用效率，增加籽粒產(chǎn)量，其光合特性能顯著彌補(bǔ)水分不足的負(fù)效應(yīng)，這與前人的研究結(jié)果[4-5，13-14]相似。充足水分條件（W3）會(huì)顯著提高春小麥葉片光合作用，但其水分利用效率的提高作用不及適宜水分條件，增產(chǎn)效果亦如此。本研究結(jié)果還表明，施氮量對(duì)春小麥光合特性、水分利用效率和籽粒產(chǎn)量也有影響。自然降水條件下，不施氮肥嚴(yán)重影響春小麥的正常發(fā)育（地上生物量顯著減少），進(jìn)而影響春小麥的光合特性，從而最終影響籽粒產(chǎn)量。增加施氮量（N2和N3）可以彌補(bǔ)水分脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育造成的影響，而在適宜水分和充足水分條件下，不施氮依然會(huì)對(duì)春小麥的生長(zhǎng)發(fā)育造成影響，其各項(xiàng)指標(biāo)均劣于N2和N3。

通過對(duì)不同水分、氮肥及水分×氮肥處理與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的方差分析，水分對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響均達(dá)極顯著水平，除對(duì)穗粒數(shù)影響的顯著水平低于氮肥之外，對(duì)其余各指標(biāo)的影響的顯著性均最大，說明水分對(duì)春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素具有重要的影響；氮肥對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響除千粒質(zhì)量達(dá)顯著水平（P<0.05）外，對(duì)穗數(shù)、穗粒數(shù)、生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平，其中氮肥對(duì)穗粒數(shù)的影響較之其他因子最大；互作效應(yīng)分析表明，水分×氮肥對(duì)穗數(shù)、穗粒數(shù)及籽粒產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平。

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