種植方式與施氮量對小麥光合特性及產(chǎn)量的影響

毛祥敏， 鐘雯雯， 王興亞， 陳雨海， 周勛波

(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西南寧 530004； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安 271018)

小麥(TriticumaestivumL.)是我國三大糧食作物之一，產(chǎn)量及種植面積僅次于玉米和水稻。小麥種植地區(qū)主要集中在華北平原與黃淮海平原，氮素是蛋白質(zhì)的組成元素，籽粒的重要組成成分，與作物的生命活動(dòng)有密切關(guān)系，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可缺的養(yǎng)分限制因子。因此過去幾十年中為提高小麥產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不斷大量施用氮肥。但有研究表明，在高施氮量下，葉片光合速率下降，并且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用氮肥，直接導(dǎo)致化肥損失大、土壤等污染嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)入惡性循環(huán)[1]。近年來，小麥增產(chǎn)機(jī)理研究越來越深入，小麥產(chǎn)量逐年提高，除了小麥品種自身的改良外，生產(chǎn)上栽培措施對小麥產(chǎn)量提高也具有顯著作用。種植方式是作物與作物之間在時(shí)間、空間和平面上的組合方式，能夠影響作物群體內(nèi)個(gè)體發(fā)展及其資源分布狀況。溝播、擴(kuò)大行距等多種種植方式以及不同密度、播期的栽培措施已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[2-5]，而且不同栽培方式還能影響作物的灌溉量、施肥方式等田間管理，進(jìn)而提高氮肥利用率，改善周邊生態(tài)環(huán)境[6]。因此，在節(jié)肥增產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)背景下，采用種植方式優(yōu)化施氮量對保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義。

隨著對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的不斷重視，調(diào)整施氮量、施氮時(shí)期及施氮方式以穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)成為研究的重點(diǎn)。追肥氮的利用率顯著高于底肥氮利用率[7]；種植方式結(jié)合氮量調(diào)整達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)也有重要結(jié)論，覆草栽培模式結(jié)合120 kg/hm2施氮量時(shí)，能夠維持光合性能并能穩(wěn)產(chǎn)[8]；秸稈覆蓋的氮肥利用率明顯高于傳統(tǒng)耕作模式，顯著增加了籽粒產(chǎn)量。中國北部冬小麥種植區(qū)降水集中在7—8月份，冬小麥生育期內(nèi)降水較少形成半干旱地區(qū)，如何在虧缺灌溉條件下，結(jié)合種植方式和施氮量以達(dá)到節(jié)水節(jié)肥的目的尚未深入研究。20 cm+40 cm溝播具有集水集肥的作用，虧缺灌溉條件下，結(jié)合溝播優(yōu)化施氮量，旨在通過不同種植方式對光合生理特性及產(chǎn)量的影響以獲得水分虧缺下節(jié)肥、穩(wěn)產(chǎn)的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2013—2014年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站水分池內(nèi)進(jìn)行(36°10′N，117°09′E)，該地區(qū)位于黃淮海平原，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季。年平均氣溫為12.9 ℃，以7月份最高，平均為26.4 ℃，1月份最低，平均為-2.6 ℃。多年平均降水量為697 mm，年內(nèi)降水分布很不平衡，冬小麥生育期間的降水量約為200 mm(圖1)。土壤類型為壤土，土壤耕層(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)含量為18.9 g/kg，硝態(tài)氮含量15.8 mg/kg，銨態(tài)氮含量6.75 mg/kg，速效磷含量40.6 mg/kg，速效鉀含量124.5 mg/kg，pH值6.9。水分池面積為3 m×3 m，池壁高出地面20 mm，壁厚15 cm，地下 1.5 m，四周用水泥抹面，以防水分側(cè)漏。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

本試驗(yàn)于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站水分池內(nèi)進(jìn)行，供試品種為濟(jì)麥22，于2013年10月10日按2×106株/hm2進(jìn)行人工點(diǎn)播。2因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，種植方式分別為30 cm等行距種植方式(U)和20 cm+40 cm溝播種植方式(F)(圖2)。整個(gè)生育期純氮用量分別為0(N0)、112.5 kg/hm2(N1)、225.0 kg/hm2(N2)，做3次重復(fù)。小麥生育時(shí)期內(nèi)施磷肥(P2O5)120 kg/hm2，鉀肥(K2O)105 kg/hm2，均作底肥一次性施入。所施氮肥為尿素，分2次等量施用，1次做底肥，1次拔節(jié)期追肥。等行距處理氮肥采用普通撒施方法，溝播處理將氮肥集中施入溝內(nèi)。冬小麥生育期間灌溉3次，拔節(jié)水、抽穗水和灌漿水各為50 mm。采用水表精確灌溉(表1)。

表1 2013—2014年冬小麥種植方式與施氮量試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉面積指數(shù)(LAI)的測定 在冬小麥主要生育時(shí)期內(nèi)，每次連續(xù)取15個(gè)有代表性的冬小麥單莖，采用長×寬×0.83法測定葉面積。將樣本置于烘箱內(nèi)105 ℃下進(jìn)行殺青30 min，然后調(diào)至80 ℃烘干至恒質(zhì)量。

1.3.2 旗葉光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)及葉綠素SPAD的測定 采用LI-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)，在冬小麥挑旗、抽穗、灌漿、成熟期選擇晴朗的天氣進(jìn)行測定。旗葉葉綠素含量指數(shù)(CCI)用美國CCM-200葉綠素儀測定。測定時(shí)期同光合速率一致。

1.3.3 群體光合有效輻射截獲率的測定 采用冠層分析儀在冬小麥主要生育時(shí)期選擇晴朗的天氣，在行間距地面0 cm和冠層分別測定PAR的入射量和反射量。

冠層總截獲率=(冠層入射量-冠層反射量-底層入射量+底層反射量)/冠層入射量×100%。

1.3.4 產(chǎn)量的測定 每個(gè)小區(qū)取1 m2進(jìn)行生物總量及籽粒產(chǎn)量的測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

數(shù)據(jù)計(jì)算、處理與圖表制作用Sigmplot 10.0，統(tǒng)計(jì)分析和方差顯著性檢驗(yàn)用DPSv 7.05版數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植方式與施氮量對冬小麥葉面積指數(shù)(LAI)的影響

從圖3可以看出，冬小麥生育期內(nèi)LAI呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。相同氮量處理下，F(xiàn)處理的LAI較U處理分別高12.03%(N0)、10.03%(N1)、11.23%(N2)，差異顯著(P<0.05)，說明溝播能夠明顯提高LAI。相同種植方式下，N2的LAI平均值比N1高出8.7%(U)、9.9%(F)，比N0高出43.78%(U)、42.7%(F)。隨著施氮量的升高，LAI增長幅度明顯減小。表明F種植方式能有效提高光合面積；施氮量的升高也利于提高光合面積。

2.2 種植方式和施氮量對冬小麥光合速率(Pn)的影響

從圖4可以看出，在冬小麥生育時(shí)期內(nèi)，旗葉的Pn呈先上升后下降的趨勢，在抽穗-開花期達(dá)到最高值。在整個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，F(xiàn)處理的Pn始終要高于U處理。在N1水平下，灌漿后期與成熟期F處理的Pn顯著高于U處理(P<0.05)，說明增加施氮量有利于維持后期較高的光合性能，延緩葉片衰老，提高產(chǎn)量。F種植方式結(jié)合N1處理，既能穩(wěn)定旗葉光合速率，又能減少氮肥用量。

2.3 種植方式和施氮量對冬小麥旗葉氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

由表5可以看出，在整個(gè)生育期內(nèi)，冬小麥旗葉Gs呈現(xiàn)先上升后下降的“∩”曲線，相同施氮水平下，F(xiàn)處理下的Gs明顯高于U處理，分別高9.5%(N0)、15.2%(N1)、16.1%(N2)。F種植方式的Gs較高，且隨著施氮量的增加優(yōu)勢明顯。相同種植方式下，F(xiàn)處理下N2的Gs比N1高5.7%，N1的Gs比N0高10.5%；U處理下的N2的Gs比N1高 4.9%，N1的Gs比N0高5.0%；隨著施氮量的增加，有利于提高旗葉Gs，且增幅減小。N1下的F種植方式優(yōu)勢顯著。

2.4 種植方式和施氮量對冬小麥蒸騰速率(Tr)的影響

蒸騰作用是植物對水分的吸收和運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)主要?jiǎng)恿Α０喂?jié)期灌溉和成熟期降雨導(dǎo)致這2個(gè)時(shí)期的Tr略高于其他時(shí)期。由表6可以看出，在整個(gè)生育期內(nèi)，相同施氮水平下，F(xiàn)處理下Tr明顯高于U處理，分別高2.0%(N0)、4.7%(N1)、2.5%(N2)。F種植方式Tr較高，且在N1水平下優(yōu)勢明顯。相同種植方式下，F(xiàn)處理下N2的Tr比N1高3.8%，N1的Tr比N0高5.3%；U處理下N2的Tr比N1高2.8%，N1的Tr比N0高2.5%；隨著施氮量的增加，有利于提高旗葉Tr，且F處理下，增幅相對減小。F種植方式相對提高小麥群體Tr，且拔節(jié)期Tr也表現(xiàn)為F>U。蒸騰速率總體與氣孔導(dǎo)度的群體表現(xiàn)趨勢相近。

2.5 種植方式和施氮量對冬小麥葉綠素含量指數(shù)(CCI)的影響

從圖7可以看出，生育期內(nèi)CCI呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。相同施氮水平下，F(xiàn)處理的CCI明顯高于U處理，分別高6.35%(N0)、35.46%(N1)、24.02%(N2)。相同種植方式下，隨著施氮量增大CCI明顯升高，但增長幅度明顯減小，灌漿后期到成熟期，F(xiàn)處理的CCI高于U處理，且隨施氮量的提高，2種種植方式之間的CCI的差值也相應(yīng)提高。F種植方式在N1處理下能維持較高的葉綠素含量，后期下降慢，利于延緩葉片衰老，從而提高產(chǎn)量。

2.6 種植方式和施氮量對冬小麥光合有效輻射(PAR)的影響

光合有效輻射(PAR)是決定作物生長的主要因素之一，更多的光能截獲有利于產(chǎn)量的積累[9]。從圖8可以看出，冬小麥整個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，F(xiàn)處理下的群體PAR截獲率平均值分別比U處理高23.65%(N0)、27.18%(N1)、31.26%(N2)。在相同施氮條件下，F(xiàn)的PAR截獲率顯著高于U(P<0.05)。相同種植方式下，隨施氮量的提高，PAR截獲率提高，但增長幅度明顯減小。N2比N1高4.1%(U)、7.5%(F)，N2比N0高17.6%(U)、20.9%(F)?？梢钥闯龇N植方式對PAR截獲率的影響要高于施氮量。溝播結(jié)合N1條件對綜合提高PAR截獲率具有優(yōu)勢。

2.7 種植方式和施氮量對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表2可以看出，在相同氮量處理下，F(xiàn)處理的籽粒產(chǎn)量比U處理高6.33%(N0)、14.42%(N1)、2.38%(N2)，其中在N1水平下達(dá)到顯著差異(P<0.05)；F處理的公頃穗數(shù)顯著高于U處理(P<0.05)，但每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量在種植方式間差異不顯著，F(xiàn)處理略高于U處理。F處理的公頃穗數(shù)平均值比U處理高5.26%(N0)、4.60%(N1)、4.32%(N2)。每穗粒數(shù)隨著施氮量的增加而增加；由于后期貪青晚熟，造成營養(yǎng)生長過剩，導(dǎo)致千粒質(zhì)量表現(xiàn)為N0

表2 種植方式和施氮量對冬小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

溝播種植方式能夠通過改變地表形態(tài)影響作物群體的整體結(jié)構(gòu)，合理的群體結(jié)構(gòu)是提高小麥產(chǎn)量的基礎(chǔ)[10]，它不僅影響群體內(nèi)作物個(gè)體分布還影響群體內(nèi)個(gè)體間關(guān)系以及光、水、肥等資源的分配和利用，也影響著作物冠層有效輻射及光合作用[11]。葉面積指數(shù)是反映作物產(chǎn)量潛力的重要生理因素之一[12]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥溝播能夠提高群體葉面積指數(shù)，減緩LAI降低幅度并維持較高的綠葉功能期，從而形成較高的產(chǎn)量，說明溝播種植方式可改善植株個(gè)體生長情況，減少資源競爭，增加群體葉面積指數(shù)。

光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和葉綠素含量是作物光合生理特性的重要組成部分，促進(jìn)和延長灌漿期間的群體光合速率將有利于小麥產(chǎn)量的進(jìn)一步提高[13]。溝播在整個(gè)生育期，特別是在灌漿期和成熟期，能夠維持較高的光合速率，為最終產(chǎn)量提供保障。隨著施氮量的提高，光合速率增加顯著，但隨著施氮量的進(jìn)一步提高，其增長幅度明顯下降；溝播同樣有利于提高相同條件下群體氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。氣孔開關(guān)的調(diào)節(jié)作用主要是為了滿足植物光合作用對CO2的需要且盡量減少水分的消耗，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)出植物體內(nèi)CO2和H2O的相對平衡，保證光合原料供給的同時(shí)減少水分蒸散。氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率表現(xiàn)規(guī)律相近，進(jìn)一步說明二者之間的正相關(guān)關(guān)系。溝播種植方式能夠明顯提高旗葉葉綠素含量指數(shù)，延緩后期葉片衰老，從而有效維持葉片光合生理特性。隨著施氮量的提高，葉綠素含量指數(shù)明顯增加，但隨著施氮量的進(jìn)一步提高，其增長幅度明顯下降，這與光合速率變化規(guī)律基本一致，進(jìn)一步證實(shí)葉綠素含量與作物光合作用有緊密的聯(lián)系。

光合有效輻射是作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子[14]，增加光能截獲是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵[15]。溝播較平作種植方式顯著提高了光能截獲率，說明溝播有利于改善冬小麥群體結(jié)構(gòu)，降低透射率，增加總截獲率，并且隨著施氮量的提高，2種種植方式間的光能截獲率生育后期差異不斷增大，這可能與溝播種植方式后期葉面積較高有關(guān)，使整個(gè)群體更有利于截獲光能，從而提高產(chǎn)量。

小麥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是源、庫關(guān)系協(xié)調(diào)的最終表現(xiàn)，在一定生態(tài)條件下，源、庫、流三者的協(xié)調(diào)平衡可最終決定小麥產(chǎn)量[16]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在溝播種植方式下有利于提高穗數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量；隨著施氮量的提高，小麥籽粒產(chǎn)量也相應(yīng)增加，但主要是單位面積穗數(shù)的增加。千粒質(zhì)量隨著施氮量的增加而降低，每穗粒數(shù)則沒有顯著差異，可能是由于高氮延緩了小麥的衰老，導(dǎo)致貪青晚熟，從而使籽粒不能正常成熟，使得千粒質(zhì)量下降，引起減產(chǎn)。在本地力水平和灌溉條件下，籽粒產(chǎn)量在施氮112.5～225.0 kg/hm2之間達(dá)到較高水平。

溝播較等行距平作相比具有集水集肥效應(yīng)，充分利用邊行效應(yīng)，提高旗葉的光合生理功能，延緩后期葉片過早衰老，優(yōu)化群體光合性能，從而在水分虧缺且減量施氮的條件下可達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。因此在本試驗(yàn)條件下，20 cm+40 cm溝播結(jié)合112.5 kg/hm2施氮量為理想的減氮穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)化栽培模式。

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