不同水氮處理對滴灌春小麥氮素積累轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響

胡語妍，萬文亮，王江麗，刁明*

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)系/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子832003）

小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物之一，種植面積和總產(chǎn)量僅次于玉米和水稻，居第3位。在生產(chǎn)中水、肥是影響小麥生長發(fā)育的兩大因素，氮素直接影響著小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。有研究表明，合理施用氮肥可提高小麥籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率[2-3]，適量施氮能促進小麥花后氮素累積和轉(zhuǎn)運，提高小麥籽粒產(chǎn)量[4]。孕穗水對穗粒數(shù)有較大影響，灌漿水對提高千粒重潛力較大，氮肥對千粒重、穗粒數(shù)和穗數(shù)均具有明顯影響，因此通過水氮合理運籌，協(xié)調(diào)提高穗數(shù)、千粒重和穗粒重仍有較大的潛力。小麥前期氮素水平過高，極易造成群體過大、倒伏、穗小、粒輕等現(xiàn)象，制約小麥產(chǎn)量提高。而拔節(jié)期后氮肥的供給可以延緩葉片衰老和根系早衰，對灌漿有一定促進作用，可提高粒質(zhì)量和產(chǎn)量[5-6]。前氮后移施肥法，追肥重點放在拔節(jié)后期，可提高拔節(jié)后期的光合速率，延長旗葉的功能期，有利于干物質(zhì)的積累，促進氮素的吸收和運轉(zhuǎn)[7-8]。另有研究表明，前氮后移較氮肥全底施入不僅可明顯提高氮肥吸收利用率，同時可顯著改善小麥籽粒品質(zhì)，但對籽粒產(chǎn)量影響不顯著，而孕穗期追施比例過大導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低[9-10]。另有研究表明，不同時期增施氮肥均提高了小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量，但氮肥的過度后移對提高產(chǎn)量并沒有顯著的效果，而且不利于提高蛋白質(zhì)含量，小麥拔節(jié)期和孕穗期追施氮肥可以達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的要求，其中以孕穗期施肥效果最好[11]。

本研究探討在滴灌條件下水氮減量和氮肥運籌對小麥籽粒產(chǎn)量、氮素累積和轉(zhuǎn)運以及氮素利用的影響，以期為新疆滴灌春小麥高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為中筋小麥新春6號。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于2017年在新疆石河子市石河子天業(yè)節(jié)水試驗站進行（45°19′N，86°03′E），試驗地前茬為小麥，質(zhì)地砂壤土，土壤肥力中等。試驗地基礎(chǔ)肥力（0-20 cm）為全氮 1.22 g/kg，堿解氮 33.95 mg/kg，速效磷24.6 mg/kg，速效鉀253.45 mg/kg，有機質(zhì)18.45 g/kg，pH值 8.35。4月2日播種，播種方式為機械條播，行距15 cm，播種量345 kg/hm2。采用滴灌栽培技術(shù)，一管四行，滴頭間距30 cm，每次灌溉用水表控制水量。各處理均基施純磷6 kg、純鉀10 kg，氮肥以尿素（含氮量46%）形式隨水施入。

灌水設(shè)常規(guī)灌溉Wc和適度虧缺灌溉W1、W2、W3，Wc灌水量 5250 m3/hm2，W1、W2、W3總灌水量均為4575 m3/hm2[12]，分不同生育期調(diào)虧灌溉。施氮量設(shè) 4個水平：常規(guī)施氮N20(300 kg/hm2)、氮肥后移N16a(240 kg/hm2)、氮肥前移 N16b(240 kg/hm2)、不施氮N0(0 kg/hm2)。小區(qū)面積面積為3.6×4=14.4 m2，重復(fù)3次，共42個小區(qū)，小區(qū)間設(shè)30 cm寬保護行，以及1 m寬小區(qū)間距。采用隨機區(qū)組設(shè)計，試驗處理見表1。

表1 試驗水氮處理Tab.1 Experimental design of water and nitrogen treatment

表1 續(xù)

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 干物質(zhì)積累量的測定

分別于小麥分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期和灌漿期定點選取植株10株，裝入塑料袋后帶回實驗室。將植株分為葉片、莖鞘和穗3部分，分別裝入信封里，放入105℃烘箱中殺青30 min，85℃條件下烘干至恒重，冷卻后稱取重量，計算干物質(zhì)積累量。

1.2.2.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定

苗期選取長勢均勻的相鄰兩行各1 m小麥定苗，每行每米80株，以備測產(chǎn)。在成熟期，選取苗期定好苗的2行小麥植株調(diào)查穗數(shù)及脫粒測產(chǎn)。在每個小區(qū)內(nèi)選取20株進行考種。穗粒數(shù)：把每個穗上的籽粒剝下后，數(shù)總粒數(shù)，用20株的平均值計算；千粒重：在測產(chǎn)樣品中數(shù)出1000粒籽粒并稱重，重復(fù)3次，求均值。

1.2.2.3 氮素利用率與氮素產(chǎn)量

將稱量干物質(zhì)重量后的小麥植株粉碎、過篩，然后將莖葉鞘和籽粒樣品分別經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，過濾，定容，采用凱式定氮儀測定樣品的全氮含量[12]，并計算氮素累積量及轉(zhuǎn)運參數(shù)等。器官氮素累積量＝器官氮素含量×干物質(zhì)質(zhì)量；氮素轉(zhuǎn)運量＝抽穗期某器官氮素積累量－成熟期該器官氮素累積量；

氮素轉(zhuǎn)運效率＝氮素轉(zhuǎn)運量／抽穗期氮素累積量×100%；

氮素轉(zhuǎn)運貢獻率＝氮素轉(zhuǎn)運量／成熟期籽粒氮素累積量×100%；

氮素利用效率=籽粒產(chǎn)量/植株地上部氮素積累量；氮肥生產(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/施氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率=（施氮肥區(qū)小麥產(chǎn)量-不施氮肥區(qū)小麥產(chǎn)量）/氮肥施用量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel（2003）和SigmaPlot12.5以及SPSS16.0軟件對所得實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水條件和施肥對小麥干物質(zhì)積累的影響

小麥的干物質(zhì)積累過程符合logistic曲線變化規(guī)律，表 2為干物質(zhì)積累的變化特征值。

表2 滴灌春小麥干物質(zhì)積累變化特征值Tab.2 Eigenvalue analysis on dry matter accumulation model of drip irrigation spring wheat at different irrigation and nitrogen application rates

由表2可知：不同灌水條件下施氮處理的小麥在出苗后27-34 d時開始進入小麥快速生長期，干物質(zhì)快速增長期在出苗后48-54 d時終止，小麥干物質(zhì)的快速增長持續(xù)時間在18-23 d，快速增長的最大速率表現(xiàn)為 N20＞N16b＞N16a。各水分適當(dāng)虧缺（W1、W2、W3）下，干物質(zhì)的最大積累量理論值表現(xiàn)為N20＞N16b＞N16a；相同施氮量情況下均表現(xiàn)為 N16b大于N16a的干物質(zhì)積累最大理論值。由此可見，重施拔節(jié)肥比重施開花肥對小麥干物質(zhì)的積累效果更大。

2.2 不同灌水條件下施氮對小麥各器官氮素累積的影響

結(jié)果顯示：

（1）隨著花后天數(shù)的增加，小麥各營養(yǎng)器官的氮素累積量逐漸減少（圖1-3），而籽粒中氮素累積量快速增加（圖4），說明小麥花后各營養(yǎng)器官氮素逐漸向籽粒轉(zhuǎn)運。至成熟期，葉片中花后氮素累積量下降70.8%，莖鞘下降57.1%，穎軸下降65.0%，從氮素轉(zhuǎn)運量和比例看均以莖鞘為最大，葉片次之，穎軸最小。

圖1 不同灌水和施氮處理下小麥花后葉片的氮素累積變化Fig.1 Nitrogen accumulation in leaf after anthesis under different irrigation and nitrogen application rates

圖2 不同灌水和施氮處理下小麥花后莖鞘的氮素累積變化Fig.2 Nitrogen accumulation in stem-sheath after anthesis under different irrigation and nitrogen application rates

圖3 不同灌水和施氮處理下小麥花后穎軸的氮素累積變化Fig.3 Nitrogen accumulation in spike axis and glume after anthesis under different irrigation and nitrogen application rates

圖4 不同灌水和施氮處理下小麥花后籽粒的氮素累積變化Fig.4 Nitrogen accumulation in grain of wheat after anthesis under different irrigation and nitrogen application rates

（2）與常規(guī)灌溉相比，適度虧缺灌溉處理W1、W2、W3的葉片、莖鞘、穎軸和籽粒的總氮素累積量都增加，由此說明本實驗中常規(guī)灌溉量過多，灌水對氮素積累有一定的稀釋作用。

（3）不同的施氮處理也影響器官氮素累積量的變化。各器官氮素累積量隨著施氮量的增加而增加。與 N0相比，施氮（N16a、N16b、N20）處理下的葉片、莖鞘、穎軸和籽粒的氮素累積量（成熟期平均）分別增加230.2%、193.3%、102.6%和86.0%。而相同施氮總量，N16b比N16a的葉片、莖鞘、穎軸和籽粒的氮素累積量（成熟期平均） 分別增加 16.5%、14.5%、2.7%和10.1%。

2.3 不同灌水條件下施氮對小麥各器官氮素轉(zhuǎn)運的影響

結(jié)果（表3）顯示：

（1）在Wc處理下，施氮處理莖、葉、鞘向籽粒的氮素轉(zhuǎn)運量均顯著大于不施氮處理，莖的氮素轉(zhuǎn)運量最高，達到7.72 mg/株，轉(zhuǎn)運量的大小莖＞穎軸＞葉。葉轉(zhuǎn)運效率最大，達到76.13%，對籽粒氮素貢獻率最大的是莖有19.91%。

（2）在W1處理下，N0轉(zhuǎn)運量莖＞葉 ＞穎軸，莖的轉(zhuǎn)運量為5.09 mg/株；N16a轉(zhuǎn)運量莖＞穎軸＞葉，莖的轉(zhuǎn)運量為5.76 mg/株；N16b葉＞莖＞穎軸，葉的轉(zhuǎn)運量為5.59 mg/株，N20轉(zhuǎn)運量葉＞莖＞穎軸，葉的轉(zhuǎn)運量為6.14 mg/株。

（3）在W2處理下，N0轉(zhuǎn)運量莖＞葉 ＞穎軸，莖的轉(zhuǎn)運量為4.61 mg/株；N16a轉(zhuǎn)運量莖＞穎軸＞葉，莖的轉(zhuǎn)運量為6.01 mg/株；N16b轉(zhuǎn)運量莖＞穎軸＞葉，莖的轉(zhuǎn)運量為8.53 mg/株；N20轉(zhuǎn)運量莖＞葉＞穎軸，莖的轉(zhuǎn)運量為6.66 mg/株。

（4）在W3處理下，N0轉(zhuǎn)運量莖＞葉＞穎軸，莖的轉(zhuǎn)運量為3.51 mg/株；N16a轉(zhuǎn)運量莖＞葉＞穎軸，莖的轉(zhuǎn)運量為6.97 mg/株；N16b轉(zhuǎn)運量莖＞葉＞穎軸，莖的轉(zhuǎn)運量為6.05 mg/株；N20轉(zhuǎn)運量葉＞莖＞穎軸，葉的轉(zhuǎn)運量為5.54 mg/株。

各水分處理下氮素的轉(zhuǎn)運主要以莖為主，少數(shù)情況是以葉的轉(zhuǎn)運量多（W1N16b、W1N20、W3N20），各施氮處理下各部位對子粒氮素的轉(zhuǎn)運量均顯著大于不施氮處理。WcN20的轉(zhuǎn)移量最高為15.78 mg/株。

表3 不同灌水和施氮處理對小麥氮素轉(zhuǎn)運和貢獻率的影響Tab.3 Effects of irrigation and nitrogen application rates on the translocation and contribution rate of nitrogen to wheat

2.4 不同灌水和施氮處理對小麥各生育階段氮素積累和貢獻率的影響

結(jié)果（表4）顯示：

（1）小麥在全生育期各個階段的氮素累積量不一致。從出苗到拔節(jié)前的生育階段，植株中積累的氮素約占全生育期氮素積累量的10%，此生育期N20處理下的氮素積累量最大，顯著高于其它處理，N16a、N16b處理間差異不顯著；拔節(jié)至抽穗期間氮素吸收量最大，約占全生育期的40%，此生育期W1灌水下N20、N16b處理間差異不顯著，N20、N16b的吸氮量顯著大于N16a；抽穗至開花期的氮素吸收量約占全生育期的30%，開花灌漿期間氮素積累量約占全生育期氮素積累量的20%，此生育期的氮素積累量N16a與N16b處理間的差異性總體表現(xiàn)不顯著。

（2）施氮處理間對氮的吸收量表現(xiàn)各異。相同的施氮量條件下，N16b比N16a的氮素積累總量高，是由于在拔節(jié)期施入的氮肥能被植株吸收達到100%，而在花后施入的氮肥不能被整體吸收利用造成了浪費。

（3）從拔節(jié)到籽粒成熟，隨著施氮時期的推遲，對植株氮素積累的作用越來越小。本實驗中N16b處理更適宜小麥氮素的積累。

由相關(guān)分析得出分蘗期吸收的氮含量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為r=0.433，P=0.122＞0.05，說明兩者相關(guān)關(guān)系不顯著；拔節(jié)期吸收的氮含量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為r=0.878，P=0.000＜0.01，說明兩者存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；抽穗期吸收的氮含量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為r=0.920，P=0.000＜0.01，說明兩者存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；灌漿乳熟期吸收的氮含量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為r=0.052，P=0.860＞0.05，說明兩者相關(guān)關(guān)系不顯著。

表4 不同灌水和施氮處理對小麥各生育階段氮素積累和貢獻率的影響Tab.4 Effects of irrigation and nitrogen application rates on nitrigen accumulation and contribution rate in different growth stages of wheat

2.5 不同灌水條件下施氮對小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率的影響

由結(jié)果（表5）可知：

（1）小麥籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為常規(guī)施氮量（N20）情況下，適度虧缺灌溉（W1、W2、W3）均比常規(guī)灌溉（Wc）的籽粒產(chǎn)量高，且差異達到顯著水平，由此可知，適度虧缺灌溉有利于籽粒產(chǎn)量的提高。

（2）在適度虧缺灌溉條件下，不同施氮處理間的分析可知，在W1條件下，氮肥前移N16b與常規(guī)施氮N20處理小麥籽粒產(chǎn)量無顯著差異；在其他情況下均表現(xiàn)為 N20顯著大于 N16a、N16b，因此可知，適度虧缺灌溉的W1下氮肥前移（N16b）更接近常規(guī)灌溉Wc常規(guī)施氮（N20）的產(chǎn)量。

（3）由氮肥利用率、氮肥生產(chǎn)效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率分析可知，N16b顯著大于N20。

表5 不同灌水和施氮處理對小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率的影響Tab.5 Effects of irrigation and nitrogen application rates on grain yield and nitrogen use efficiency to wheat

3 討論

（1）本研究結(jié)果表明：春小麥地上部干物質(zhì)增長呈“S”形增長趨勢，符合logistic曲線，另外，由出苗到分蘗期干物質(zhì)的量增長緩慢，拔節(jié)期以后干物質(zhì)積累速度加快，干物質(zhì)總量、產(chǎn)量與干物質(zhì)積累速度之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，即積累速率越大，產(chǎn)量越高。這一結(jié)果與冉輝等[13-14]的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)適度虧缺灌溉W1與常規(guī)灌溉Wc及W2、W3相比延長了快速生長持續(xù)期，有助于產(chǎn)量的增加，由此可知在小麥快速增長期適度缺水有助于小麥干物質(zhì)的積累，而快速增長期內(nèi)虧缺過度則會縮短快速生長持續(xù)時間，不利于干物質(zhì)的積累。本實驗結(jié)果顯示施氮量在0-300 kg/hm2時，干物質(zhì)的量隨著施氮量的增加而增加。在同一施氮量的N16a、N16b之間，N16b的快速增長期持續(xù)時間較長，最大速率較快，小麥干物質(zhì)積累理論值大，由此可見，重施拔節(jié)肥比重施開花肥對小麥干物質(zhì)的積累效果更大。

（2）氮素的累積和轉(zhuǎn)運是決定小麥氮素利用效率的重要因素，有研究表明氮的轉(zhuǎn)運量及貢獻率大小受品種和水分的影響[15]。本實驗研究表明，在適度水分虧缺條件下，小麥營養(yǎng)器官和生殖器官的氮素積累量較常規(guī)灌溉處理均表現(xiàn)出增加趨勢，但受水分的限制，營養(yǎng)器官中氮素向籽粒轉(zhuǎn)移量下降；施氮情況下，小麥營養(yǎng)器官中表現(xiàn)出隨著施氮量增加，氮素含量增加，氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移量減少；導(dǎo)致大量氮素滯留在營養(yǎng)器官中，氮素收獲指數(shù)下降。這些結(jié)果與趙琦[16]的氮素積累“源”“庫”理論一致。

由本實驗相同施氮量 N16a、N16b之間的比較可知，N16b處理葉片中氮素轉(zhuǎn)移量高于N16a，莖鞘中氮素轉(zhuǎn)移量表現(xiàn)出N16a大于N16b，這可能是由于開花前氮素積累的主要營養(yǎng)器官是葉片，開花后氮素積累的主要營養(yǎng)器官是莖鞘，在開花前（N16b）加大氮肥追施量，提高了葉片中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移，在開花期（N16a）加大氮肥追施量，提高了莖鞘中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移造成。籽粒中氮素含量整體趨勢為 W2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)c＞W(wǎng)3，N16b＞N20＞N16a，由此可知適宜的水分虧缺與減氮情況下氮肥前移有利于小麥氮素積累和營養(yǎng)器官中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運。

（3）對于小麥各生育時期積累的氮素來說，本研究結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，各時期氮素均表現(xiàn)為增加趨勢，小麥從出苗到分蘗期，氮素的累積量施氮N20處理顯著大于其他處理，但吸收的氮素含量低于施入量的50%，這一時期的氮素?fù)p失較大；拔節(jié)期和抽穗期氮肥施入比例的增加能顯著提高氮素的積累量，其中以拔節(jié)期增施氮肥效果最佳，氮肥的施入基本被吸收；開花后氮肥施入增加對小麥氮素積累來說無顯著效應(yīng)，且氮素積累量較小，氮肥后移的N16a處理氮素吸收量在開花后為3.21 kg/hm2，遠低于6 kg/hm2的施入量，與施入量為4 kg/畝的N16b處理積累量無顯著差異。氮素利用率下降，且氮肥損失加大，對環(huán)境不利。

由此可知：不同時期增施氮都能增加小麥氮素積累量，但施肥的過度后移對氮素積累沒用顯著影響，其中積累效果最顯著的是拔節(jié)期施入氮肥。這與沈建輝等[11、17]的研究結(jié)果一致。

（4）Elvira等[18]研究表明，施氮量在 75-225 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量隨施氮增加而增加，當(dāng)超過300 kg/hm2時會導(dǎo)致氮素浪費嚴(yán)重且降低經(jīng)濟效益，合理的灌水和施肥耦合可提高小麥產(chǎn)量和氮素生產(chǎn)效率。本實驗中研究結(jié)果表明，適度虧缺灌溉較常規(guī)灌溉產(chǎn)量均有提高，相同灌溉量（W1、W2、W3）條件下不同時期的虧缺灌溉對產(chǎn)量影響不顯著。施氮量對小麥產(chǎn)量的影響顯著，在適度虧缺灌溉及減氮處理下，僅有W1N16b耦合模式能達到常規(guī)施氮水平的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

在新疆半干旱地區(qū)，灌水量為4575 m3/hm2，氮肥前移下施氮量為240 kg/hm2，小麥干物質(zhì)的積累、各生育時期植株氮素積累量、開花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運量、花后氮素吸收量和成熟期籽粒氮素積累量較高，小麥籽粒產(chǎn)量高，氮素利用效率和氮肥生產(chǎn)效率最高，是兼顧產(chǎn)量和氮素利用效率及資源環(huán)境的保護利用的適宜灌水量和施氮量。