葉面噴施氮肥對張雜谷10號光合特性及產(chǎn)量的影響

閆政東，郭平毅，原向陽，肖曉璐，王東明

谷子是一種節(jié)水、抗旱的作物，根系發(fā)達，保水能力強，具有良好的穩(wěn)產(chǎn)性[1]。小米所含氨基酸和維生素種類多，營養(yǎng)價值較高[2,3]，在山西、內(nèi)蒙古和河北等地有較大的種植面積。張家口農(nóng)科院用谷子光(溫)敏不育兩系法育成的張雜谷，由于其較常規(guī)谷子在抗旱節(jié)水方面具有更加優(yōu)良的品質[4～6]而得到大規(guī)模推廣。

氮肥對糧食產(chǎn)量增加貢獻最多，占增產(chǎn)總量的40%左右[7]。但在氮肥的施用中盲目和過量、當季利用率低和環(huán)境污染問題三者并存。在不影響作物產(chǎn)量的前提下，合理施肥、提高肥料利用率是解決過度施肥帶來的各種問題的手段之一[8]。

與傳統(tǒng)的土壤追肥相比，葉面噴施氮肥的優(yōu)點在于吸收速度快、針對性強、應用成本低和利用率高等[9]。噴施葉面肥可以在較短的時間內(nèi)獲得較高的肥料利用率，有研究表明，不到1 d作物對肥料的利用率已超過70%，且葉面肥使用適當可使土壤施肥量減少25%左右[10]。吳國梁[11]等研究表明，葉面肥的施用不僅對小麥植株生長具有促進作用，而且能延緩葉片衰老，延長葉片功能期，提高粒重。李書田等[12]在對谷子的正交試驗中指出,對產(chǎn)量的影響為品種>施肥>播期>密度。谷子抽穗期以及灌漿期是需肥的重要時期，所以在此時期保證谷子所需肥料的充足對其生理結構及產(chǎn)量構成的提高具有重要意義[13,14]。

張雜谷10號為新推出品種，有穩(wěn)產(chǎn)性好，抗病、抗倒能力強，米質優(yōu)良等優(yōu)點，適宜在河北、山西省北部等≥10 ℃積溫在2 800 ℃以上的地區(qū)春播種植。目前針對張雜谷的噴施葉面肥的相關研究較少。尿素是一種高濃度氮肥，屬中性速效肥料，由于成本低廉，使用方便而被大量應用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。研究以張雜谷10號為試驗材料，在抽穗至開花期以不同濃度的尿素進行葉面噴施，研究其植株旗葉葉綠素、光合特性、產(chǎn)量及構成指標等方面的影響，旨在探究張雜谷噴施葉面氮肥的最適濃度，以期為雜交谷子栽培上噴施氮肥的合理濃度提供理論依據(jù)，提高氮肥的利用率，為大規(guī)模推廣谷田葉面噴施氮肥做理論基礎和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種(張雜谷10號)由張家口市農(nóng)科院提供。尿素生產(chǎn)自中石油有限公司寧夏石化分公司，總氮含量≥46.4%。

1.2 試驗設計

試驗于2016年5-10月在山西省太谷縣大學生創(chuàng)業(yè)園區(qū)(北緯37°23′，東經(jīng)112°29′)進行，耕層土壤速效氮含量 75.16 mg·kg-1，速效磷含量6.48 mg·kg-1，速效鉀含量195.47 mg·kg-1，pH 8.05。前茬為玉米，使用JAS-502B型精量播種機精量條播(F輪，株距12 cm，行距為33 cm)。播前旋耕并施基肥，施肥量900 kg·hm-2(N∶P2O5∶K2O為18∶7∶5)，其余田間管理根據(jù)當?shù)卦耘鄺l件常規(guī)進行，確保其在試驗時長勢均勻一致。采用完全隨機設計。在抽穗—開花期(7月26日)對供試小區(qū)噴施不同濃度的氮肥，葉面噴施質量濃度為0%(CK),1%(C1),1.5%(C2),2%(C3),3%(C4),4%(C5),6%(C6)。噴施的用水量為450 kg·hm-2。 每個處理重復3次，每個小區(qū)2 m×3 m=6 m2。

1.3 測定項目與方法

在噴施肥料后的第3、8、13、17和21天在各個小區(qū)隨機選取5株長勢均勻一致的植株，使用SPAD-502測定旗葉SPAD值；用直尺進行葉面積的測定；在噴施后第3天測定谷子旗葉硝酸還原酶(NR)活性，測定方法采用磺胺比色法[15]；在噴施肥料后的第7天用CI-340便攜式光合作用測定儀完成旗葉光合參數(shù)的測定。谷子成熟后，在各試驗小區(qū)選取長勢均勻一致的谷子1 m2進行收獲，測1 m2內(nèi)谷子的實際產(chǎn)量，折算公頃產(chǎn)量。選取10株均勻一致的谷子進行室內(nèi)考種，調(diào)查穗長、穗重、穗粒重和千粒重。

2 結果與分析

2.1 葉面噴施氮肥對旗葉SPAD的影響

不同濃度葉面氮肥處理對谷子旗葉SPAD值的影響如表1所示。由表1可見，谷子旗葉的SPAD 值隨著噴施氮肥濃度的加大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;其中，C3處理谷子旗葉SPAD值高于其它處理，在5次測定中分別較對照增加6.38%、14.31%、16.08%、12.81%和7.18%。在C4處理中，噴施葉面氮肥谷子旗葉SPAD值的促進作用有所降低，當噴施濃度大于3%(C4)時谷子旗葉SPAD值和對照相比下降明顯。在噴施第3天后,除C4外，其余處理較對照均有顯著差異(P<0.05)，說明谷子旗葉的葉綠素含量對是否噴施氮肥及噴施濃度反應靈敏，當濃度在一定范圍內(nèi)時，噴施氮肥能使谷子旗葉的SPAD值顯著提高(P<0.05)，而當肥液濃度過高時，對谷子葉片葉綠素合成產(chǎn)生脅迫作用，濃度越大，脅迫作用越明顯。

表1噴施不同濃度氮肥對谷子旗葉SPAD的影響

Table1 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on SPAD value of flag leaf of foxtail millet

處理Treatment7月29日8月3日8月8日8月12日8月16日CK46.54b45.14b44.40b47.37b53.23bC146.86ab48.64a46.02b49.54b54.63bC247.78ab49.01a48.77ab50.48ab55.60abC349.51a51.60a51.54a53.44a57.05aC446.63b45.57b45.71b51.05a55.25abC542.05c39.64c42.97c45.60c51.37bC637.99d38.54d40.79d42.12c48.62c

注: 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

Note: Values followed by different letters within a column are significantly different at the 0.05 level．

2.2 葉面噴施氮肥對旗葉面積的影響

由圖1可見，在噴施后第3天，C1、C2、C3處理的葉面積較CK有顯著提高，C4處理的葉面積較對照雖有提高但差異不顯著(P>0.05)。這說明葉面噴施氮肥在一定濃度范圍內(nèi)能促進谷子葉片的生長發(fā)育。在噴施后第5天,C5和C6較CK有了顯著下降，這說明高濃度葉面氮肥噴施會抑制葉片的生長，肥害在試驗中具體表現(xiàn)為葉片邊緣黃枯，影響其生長和開展，其造成的肥害直到第15天還未完全解除。

圖1 不同濃度氮肥對谷子旗葉葉面積的影響Fig.1 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on the surface area of flag leave of foxtail millet

2.3 葉面噴施氮肥對葉片硝酸還原酶的影響

硝酸還原酶是植物同化氮素時的關鍵酶。由圖2可見， C1、C2、C3處理硝酸還原酶活性較之CK有所提高且差異顯著(P<0.05)；C4、C5處理的硝酸還原酶活性與CK相比差異不顯著(P>0.05)；C6處理硝酸還原酶活性與CK相比顯著降低。這說明當噴施濃度在一定范圍內(nèi)時，隨著噴施濃度的增加，谷子旗葉硝酸還原酶活性呈上升的趨勢。但在C4處理中，葉面氮肥對張雜谷葉片硝酸還原酶活性的提高作用降低，當噴施濃度大于3%(C4)時，則抑制硝酸還原酶的活性。C3處理的硝酸還原酶活性均高于其他處理且與對照有顯著差異，這說明在設定的濃度梯度中，C3處理的濃度為提高谷子旗葉硝酸還原酶活性的最適濃度。

圖2 不同濃度氮肥對谷子硝酸還原酶活性的影響Fig.2 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on the activity of nitrate reductase of foxtail

2.4 葉面噴施氮肥對葉片光合參數(shù)的影響

由表2可見，谷子的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度均會受到噴施氮肥的影響，且變化明顯。隨著噴施濃度的加大，谷子旗葉凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導度的變化規(guī)律大致為先上升后下降；但胞間CO2濃度變化則相反，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這說明葉面噴施氮肥對谷子旗葉光合作用有明顯的影響。同對照相比，C1、C2、C3、C4的凈光合速率及蒸騰速率有不同程度的增加，表明葉面噴施氮肥在一定濃度范圍內(nèi)能促進葉片光合作用；其中C3處理的上述各指標均高于其他處理且與對照相比差異顯著(P<0.05)，說明在設定的濃度梯度中，2%(C3)為最適濃度；C5、C6的上述指標顯著低于對照，說明處理C5和C6的噴施濃度會抑制葉片光合作用，產(chǎn)生了肥害。

胞間CO2濃度的變化與表中其他指標不同，與對照相比其余各處理的Ci值均有下降，表明噴施氮肥能提高谷子旗葉同化CO2的能力；其中C3最低，說明C3處理較其他處理提高谷子旗葉同化CO2的能力最強。

2.5 葉面噴施氮肥對產(chǎn)量性狀的影響

谷子產(chǎn)量很大程度決定于穗的發(fā)育以及籽粒的灌漿情況[16]。由表3可見，C3、C2、C1的穗長、穗重、千粒重和產(chǎn)量較對照均有不同程度的提高。其中，C3提高最大，與對照相比分別提高了14.79%、21.87%、9.30%、7.96%，且均差異顯著(P<0.05)。但是在噴施濃度為3%(C4)時，葉面噴施氮肥對谷子產(chǎn)量雖有提高，但差異不顯著，噴施濃度高于3%時,除穗數(shù)外,其他指標較對照均表現(xiàn)為下降，并隨著濃度的加大而呈顯著下降的趨勢。試驗中7個處理的穗數(shù)相近且差異不顯著。這說明在一定濃度范圍內(nèi)葉面噴施尿素能有利于谷子穗的生長發(fā)育當噴施濃度過高時，谷穗正常的生長發(fā)育明顯受阻。

表2噴施不同濃度氮肥對谷子光合參數(shù)的影響

Table2 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on photosynthetic parameters of foxtail millet

處理Treatments凈光合速率/μmol·m-2·s-1Pn蒸騰速率/mmol·m-2·s-1E氣孔導度/mmol·m-2·s-1Cs胞間CO2濃度/μmol·mol-1CiC119.36ab4.53a110.64ab119.3aC220.89ab4.69a105.73b112.4abC322.28a4.79a137.93a106.3bC418.56b4.71a106.39b108.2bC515.37bc3.67c83.26c112.2abC611.18c3.55c69.15c119.4aCK17.47b4.18b107.95b126.1a

注: 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

Note: Values followed by different letters within same column are significantly different at the 0.05 levels．

3 討論

氮素作為最重要的營養(yǎng)因子之一，在谷子的農(nóng)藝性狀、光合特性與產(chǎn)量構成方起著非常重要的作用[17～19]，應在谷子營養(yǎng)生長期、營養(yǎng)生長與生殖生長并進期有充足的供給[20～22]，而這兩個時期在作物生理上也被稱為“最大效率期”和“生理敏感期”。在某些特定情況下葉面施肥的作用要比土壤施肥效果明顯,特別是在作物生長發(fā)育的后期,根系活動變差,吸收養(yǎng)分的能力顯著下降,而作物在這個階段還需要養(yǎng)分來維持生長,葉面施肥補充所需養(yǎng)分的速效性能產(chǎn)生明顯的作用,但是噴施肥料濃度過高容易產(chǎn)生肥害，造成損失。在本試驗條件下，噴施氮肥濃度在3%及以下時顯著地促進了谷子光合作用、葉綠素合成，提高了產(chǎn)量，但當噴施濃度過高時則對以上指標產(chǎn)生不同程度的抑制，導致減產(chǎn)，這與前人研究結果一致。

表3 噴施不同濃度氮肥對谷子產(chǎn)量性狀的影響Table 3 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on yield traits in foxtail millet

注: 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示在0.05水平上差異顯著；“-”表示減產(chǎn)。

Note: Values followed by different letters within same column are significantly different at the 0.05 levels；“-”refer to yield decrease.

谷子的干物質積累，光合作用的產(chǎn)物貢獻了80%以上，而葉綠素是植物光合作用的主要色素。楊艷君等[23]研究指出氮肥對谷子葉片葉綠素含量有顯著影響。在本試驗中，在谷子孕穗至抽穗期噴施濃度分別為1%(C1)、1.5%(C2)、2%(C3)、3%(C4)的氮肥能促進谷子葉片的生長發(fā)育葉綠素的合成，提高葉片SPAD值，為谷子灌漿和產(chǎn)量的提高提供了保障，這與前人研究結果一致。頂三葉在作物籽粒灌漿過程中與植株其他部位相比較光合作用最強，其光合作用為籽粒灌漿提供一半以上的“源”。其中旗葉對籽粒產(chǎn)量的貢獻可占到30%以上[24]。葉面噴施氮肥在一定濃度范圍內(nèi)能促進谷子旗葉生長發(fā)育，提高葉片硝酸還原酶活性，提高旗葉葉面積，且促進作用規(guī)律為隨著濃度的加大先增強后減弱，這與李永旗[25]的研究結果一致。

植物積累干物質的主要方式是光合作用，CO2是光合作用的物質來源[26]。施肥是促進葉片的光合作用的重要手段之一，能有效促進光合產(chǎn)物的運轉，提高籽粒干物資積累，從而減少秕谷。合理葉面噴施氮肥還有利于谷子的光合作用，為谷子灌漿提供充足的源。葉面噴施氮肥顯著促進了谷穗的生長發(fā)育以及籽粒灌漿，從灌漿和谷穗生長發(fā)育的水平上提高了谷子的產(chǎn)量，與前人研究結果[27]一致。反之，在試驗中噴施氮肥濃度為4%(C5)和6%(C6)時，對谷子SPAD、作物光合作用有明顯的脅迫作用且作用強度隨濃度增加而加大，這表明葉面噴施氮肥濃度過高時會對谷子的光合作用以及葉片中葉綠素的合成產(chǎn)生副面影響。究其原因，是高濃度的肥液灼傷葉片，抑制了谷子葉片正常的生長和發(fā)育的進程。在試驗中可以觀察到噴施濃度為6%氮肥的谷子葉片出現(xiàn)黃斑，邊緣枯黃。這些負面效應抑制了谷穗的生長和灌漿，使谷子減產(chǎn)。

目前谷子葉面噴施氮肥只是補充氮素的一種輔助手段,尚不能完全代替土壤施肥,如果將這兩種措施配合使用,能得到更好的施肥效果，提高谷子產(chǎn)量。不可否認，本試驗存在一定的局限性和偶然性，谷子葉面噴施氮肥還有很多方面需要進一步研究探討。

4 結論

本試驗表明，葉面噴施氮肥能有效促進張雜谷10號葉片的生長發(fā)育以及葉綠素的合成、提高谷子葉片硝酸還原酶活性、提高葉片光合速率等，從而提高谷子產(chǎn)量。試驗最適濃度為2%。當噴施氮肥濃度高于3%時，促進作用會發(fā)生明顯減弱直至發(fā)生肥害，高濃度肥害主要表現(xiàn)為葉片灼傷，葉片正常生長發(fā)育受到影響，葉綠素合成受阻，抑制葉片硝酸還原酶活性等。過量噴施氮肥會使谷子產(chǎn)量降低。

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