水肥一體化條件下施氮量對小麥冠層光截獲特性和產量的影響

郭培武 趙俊曄 石玉 王西芝 于振文

摘要：以濟麥22為材料進行田間試驗，設置0（N0）、150（N1）、180（N2）、210（N3）、240 （N4）kg·hm-25個施氮量處理，在測墑補灌的基礎上利用微噴帶實現水肥一體化灌溉施肥，研究水肥一體化條件下施氮量對小麥冠層光截獲特性和產量的影響。結果表明：（1）N3處理拔節(jié)后群體總莖數和開花后葉面積指數均顯著高于N0、N1和N2處理，N3與N4處理之間無顯著差異。（2）開花后N3處理植株中上層和冠層總光合有效輻射截獲量、截獲率及消光系數均顯著高于N0、N1和N2處理；N3處理小麥植株冠層各層次光合有效輻射透射率和總反射率顯著低于N0、N1和N2處理，N3與N4處理之間無顯著差異。（3）N3處理籽粒產量顯著高于N0、N1和N2處理，與N4處理無顯著差異，氮肥農學效率和收獲指數顯著高于N4處理。表明，施氮量210 kg·hm-2是本試驗條件下高產高效的最優(yōu)處理。

關鍵詞：小麥；水肥一體化；施氮量；冠層光截獲特性；產量

中圖分類號：S512.101 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2018）08-0081-05

Effects of Nitrogen Application Rate on Canopy

Photosynthetic Active Radiation Interception and Yield of

Wheat under Integration of Water and Fertilizer

Guo Peiwu1， Zhao Junye1，2， Shi Yu1， Wang Xizhi3， Yu Zhenwen1

（1. College of Agronomy，Shandong Agricultural University/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System，

Ministry of Agriculture， Taian 271018； 2. Agricultural Information Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences，

Beijing 100081， China； 3. Yanzhou Institute of Agricultural Sciences， Yanzhou 272100， China）

Abstract Taking winter wheat cultivar Jimai 22 as experiment material， a field experiment was conducted to clarify the effects of nitrogen application rate on the photosynthetic active radiation （PAR） interception of canopy and yield of wheat under the integration of water and fertilizer. Five nitrogen treatments were designed at 0 （N0）， 150 （N1）， 180 （N2）， 210 （N3） and 240 （N4） kg·hm-2， respectively， and the micro-sprinkling hoses were used to realize the integration of irrigation and fertilization based on soil moisture measuring. The results were as follows.（1）There was no significant difference in the total stem number after jointing stage and the leaf area index between N3 and N4， which was significantly higher than N0， N1 and N2 treatments.（2）The intercepted PAR and PAR capture ratio at upper and middle layers and the extinction coefficient in wheat canopy after anthesis of treatment N3 were significantly higher than those of N0， N1 and N2； the PAR penetration ratio in different layers and the total PAR reflection ratio after anthesis of treatment N3 were significantly lower than those of N0， N1 and N2， and no significant difference between N3 and N4 treatments. （3）The grain yield of N3 was significantly higher than those of N0， N1 and N2 treatments. N3 showed no more grain yield but significantly higher nitrogen fertilizer agronomic efficiency and harvest index than N4 treatment. In conclusion， 210 kg·hm-2 was the best nitrogen application level with both high yield and high efficiency under the present experimental conditions.

Keywords Wheat； Integration of water and fertilizer； Nitrogen application rate； PAR Interception of canopy； Yield

有研究表明，氮肥的過量施用并不能使小麥產量顯著增加，施氮270 kg·hm-2的籽粒產量與施氮180 kg·hm-2無顯著差異，氮肥偏生產力降低28.31%～30.27%[1，2]。小麥生育期內施氮240 kg·hm-2，籽粒產量為7 833.0 kg·hm-2，施氮量300 kg·hm-2較施氮240 kg·hm-2籽粒產量低598.50 kg·hm-2，氮肥農學效率亦低4.64 kg·kg-1[3，4]。Fletcher等認為，適宜的氮肥投入可以構建合理的冠層結構，延長葉片功能期，為光合同化物的積累奠定基礎，在施氮0～200 kg·hm-2范圍內，增施氮肥小麥葉面積指數及光合有效輻射截獲率均顯著增加，施氮200 kg·hm-2的光合有效輻射截獲率較施氮量100 kg·hm-2的高12.2%，對消光系數則無顯著影響[5]。亦有研究指出，合理的冠層結構下，作物光合有效輻射截獲率提高了5.4%～10.4%，施氮225 kg·hm-2的小麥基部葉片郁積相互遮陰，減少了冠層光合有效輻射截獲量，不利于光合產物的積累[6，7]。施氮195 kg·hm-2處理較施氮270 kg·hm-2處理的冠層光合有效輻射截獲率提高34.5%，透光率提高10.8%，有效改善了小麥植株冠層上層光照環(huán)境，延緩了灌漿期葉面積衰減[4]。前人研究的追肥方式多為人工撒施，然后再進行畦灌，水氮利用效率低，而水肥一體化可以有效提高作物水氮利用效率[8]。本試驗在測墑補灌的基礎上，使用微噴帶實施水肥一體化，研究不同施氮量對小麥冠層光截獲特性及籽粒產量的影響，以期為小麥水肥一體化技術的實施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2016—2017年小麥生長季在山東省兗州市小孟鎮(zhèn)史家王子村進行田間試驗，試驗地為壤土，播種前0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重分別為1.49 g·cm-3和1.64 g·cm-3，田間持水量分別為26.87%和21.86%；播種前0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量為有機質14.17 g·kg-1、全氮1.20 g·kg-1、堿解氮119.05 mg·kg-1、速效磷43.47 mg·kg-1和速效鉀113.44 mg·kg-1。生育期間總降水量為226.5 mm，其中播種至拔節(jié)期122.7 mm，拔節(jié)至開花期75.6 mm，開花至成熟期28.2 mm。

1.2 試驗設計

供試小麥品種為濟麥22。設置0（N0）、150（N1）、180（N2）、210（N3）、 240 （N4）kg·hm-25個施氮量處理。隨機區(qū)組設計，重復3次。氮肥基追比為7∶9，追肥于拔節(jié)期利用微噴帶隨灌水噴入。各處理均作為基肥一次性施入 P2O5 150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2。利用測墑補灌技術將拔節(jié)期和開花期0～40 cm 土層平均土壤相對含水量均補灌至70%。利用微噴帶進行灌溉，小區(qū)畦長40 m，畦寬2 m，每小區(qū)種植8行小麥，灌水前將微噴帶鋪設于第4行和第5行小麥中間。不同處理間留2 m保護行，防止小區(qū)間水分滲漏。于2016年10月13日播種，三葉一心期定苗，每平方米留苗密度為180株，其它栽培管理措施同常規(guī)高產田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 群體總莖數 于小麥越冬、返青、拔節(jié)、開花及成熟期在每小區(qū)隨機取1 m雙行調查群體總莖數，重復3次。

1.3.2 葉面積指數 （LAI） 和冠層光合有效輻射 （PAR） 采用大田切片法將小麥冠層分為下中上三層，近地面至株高1/3處為下層，株高的1/3至2/3 處為中層，以上為上層。使用英國Delta公司生產的Sunscan作物冠層分析儀，分別于小麥開花后0、10、20、30 d的9∶00—11∶00測定冠層葉面積指數和冠層光合有效輻射。

1.3.3 各層次光合有效輻射截獲量 （IPAR） 、截獲率 （CR）、透射率（PeR）、反射率（ReR）和消光系數（K） 依據如下公式計算[9]：

CRn= （PARn-1-PARn ）/PAR0 ×100% ；

IPARn=R×CRn× 0.5 ；

PeRn= PARn/ PARn-1 ×100% ；

ReR=PAR4/PAR0 ；

K=-ln（PAR3/ PAR0）/LAI 。

式中，CRn和PARn為入射光通過一定葉層后的截獲率和光合有效輻射；PAR0為冠層頂部自然光照下的光合有效輻射；R為實際光能總輻射量；PAR3和LAI分別為冠層近地面處的光合有效輻射和葉面積指數；PAR4為頂部反射光。

1.3.4 籽粒產量及其構成因素、收獲指數和氮肥農學效率 于成熟期進行脫粒，自然風干至籽粒含水量為12.5% 時進行稱重測產，成熟期測量各處理的穗數、穗粒數和千粒重，重復3次。

采用以下公式計算收獲指數和氮肥農學效率[10，11]：

收獲指數=經濟產量/生物產量；氮肥農學效率=（施氮區(qū)產量-對照區(qū)產量）/施氮量。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 12.5處理數據和作圖，用SPSS 13.0軟件分析數據并進行差異顯著性檢驗（LSD法）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對群體總莖數的影響

由表1可知，各處理群體總莖數在返青期最高，冬前期和返青期群體總莖數在各施氮處理間無顯著差異，均顯著高于不施氮處理；拔節(jié)期、開花期和成熟期群體總莖數為N3處理顯著高于N0、N1和N2處理，N3與N4處理間無顯著差異。表明，拔節(jié)后N3處理群體總莖數最高，有利于獲得更多的光能合成光合產物，為籽粒產量形成奠定基礎。

2.2 不同處理對開花后葉面積指數動態(tài)的影響

由表2可知，開花后0 d葉面積指數為N3、N4>N2>N1>N0；開花后10 d和20 d為N3、N4>N1、N2>N0，N3與N4處理無顯著差異；開花后30 d，N3處理葉面積指數顯著高于N1和N2處理，與N4處理無顯著差異。表明，開花后N3處理葉面積指數高，有利于冠層對光能的有效利用，為籽粒積累更多的光合產物。

2.3 不同處理對開花后小麥冠層光截獲特性的影響

2.3.1 不同處理對開花后植株各層次冠層光合有效輻射截獲量的影響 光合有效輻射截獲量是指能夠被作物冠層吸收并用來進行光合作用的光能輻射量，是反映作物群體是否合理的重要指標。由表3可以看出，小麥植株冠層上層和中層的光合有效輻射截獲量均為N3、N4>N1、N2>N0，各處理冠層下層光合有效輻射截獲量無顯著差異；N3處理的總冠層光合有效輻射截獲量顯著高于N0、N1和N2處理，與N4處理之間無顯著差異；不同處理各層次的冠層光合有效輻射截獲量均為中層>上層>下層。表明，N3處理顯著增加了開花后植株中上層冠層對光能的有效截獲，有利于小麥群體內進行碳水化合物制造的主要冠層的光合作用。

2.3.2 不同處理對開花后植株各層次冠層光合有效輻射截獲率和及消光系數的影響 光合有效輻射截獲率是光合有效輻射截獲量占光能總輻射量的比重，消光系數反映了群體中葉面積對光能總輻射的消弱能力，是作物冠層光能截獲的重要指標。由表4可知，各處理冠層下層光合有效輻射截獲率無顯著差異；N3處理冠層上層和中層光合有效輻射截獲率顯著高于N0、N1和N2處理，而與N4處理無顯著差異；總冠層光合有效輻射截獲率和消光系數為N3和N4處理最高，N1和N2處理次之，N0處理最低。N3處理光合有效輻射截獲率和消光系數最高，有利于植株冠層對光能的截獲利用，為籽粒灌漿提供充分的光合產物。

2.3.3 不同處理對開花后植株各層次冠層光合有效輻射透射率和反射率的影響 光合有效輻射透射率是指透過小麥冠層的光能輻射量占光能總輻射量的比重，光合有效輻射反射率是指經過作物冠層后被反射回大氣的部分占光能總輻射量的比重，兩者反映了作物的透光程度。由表5可知，N3處理冠層上層、中層和下層光合有效輻射透射率均顯著低于N0、N1和N2處理，與N4處理無顯著差異；總冠層光合有效輻射透射率為N3、N4

2.4 不同處理對小麥籽粒產量和收獲指數及氮肥農學效率的影響

由表6可知，成熟期籽粒產量、公頃穗數和千粒重均為N3、N4>N1、N2>N0，N3與N4處理之間無顯著差異；各處理之間穗粒數無顯著差異；收獲指數為N0>N1、N2>N3>N4；氮肥農學效率為N3>N4>N2>N1；N3處理的收獲指數和氮肥農學效率均顯著高于N4處理。N3處理籽粒產量和氮肥農學效率最高，是本試驗條件下高產高效的最優(yōu)處理。

3 討論與結論

有研究發(fā)現，施氮180～300 kg·hm-2范圍內，施氮量對小麥各生育期群體總莖數無顯著影響，但增施氮肥有利于減緩開花后葉面積指數的衰減，施氮300 kg·hm-2開花后14 d和28 d的葉面積指數較施氮180 kg·hm-2高5.63%和9.12%[12]。施氮240 kg·hm-2處理冬前至拔節(jié)的群體總莖數顯著高于120 kg·hm-2處理，拔節(jié)至成熟期無顯著差異，開花后葉面積指數亦顯著高于120 kg·hm-2處理[9]。Wang等研究發(fā)現，施氮300 kg·hm-2成熟期群體總莖數較240 kg·hm-2處理低10.73%[13]。在本試驗中，N3處理拔節(jié)期、開花期和成熟期群體總莖數及開花后葉面積指數均顯著高于N0、N1和N2，N3與N4處理之間無顯著差異。表明施氮210 kg·hm-2 的N3處理穗數多，葉片功能期長，有利于為小麥籽粒產量形成奠定生理基礎。

Salvagiotti等研究指出，施氮量由26 kg·hm-2逐漸增加至104 kg·hm-2，小麥植株冠層光合有效輻射截獲量呈線性增加趨勢，最高為90%，消光系數則無顯著差異[14]。施氮量240 kg·hm-2處理的冠層上部光合有效輻射截獲率顯著高于120 kg·hm-2和180 kg·hm-2處理，光合有效輻射透射率則顯著低于二者[9，15]。亦有研究指出，與施氮量180 kg·hm-2相比，施氮225 kg·hm-2處理的光能利用率高7.84%，消光系數低2.38%～8.70%[16]。本試驗研究表明，施氮量210 kg·hm-2的N3處理光合有效輻射截獲量、光合有效輻射截獲率和消光系數均顯著高于N0、N1和N2處理，光合有效輻射透射率和光合有效輻射反射率顯著低于N0、N1和N2處理，有利于小麥充分利用光能為籽粒積累更多的光合同化物。

有研究表明，施氮量增加，籽粒產量、穗粒數及千粒重均顯著增加，施氮240 kg·hm-2處理的籽粒產量、穗粒數及千粒重較施氮120 kg·hm-2處理分別高17.82%、18.68%和12.30%[17]。亦有研究指出，施氮330 kg·hm-2處理的穗數較210 kg·hm-2處理顯著增加，穗粒數和千粒重則無顯著差異[18]。Mon等研究指出，與施氮252 kg·hm-2處理相比，施氮336 kg·hm-2處理的籽粒產量無顯著增加，氮肥農學效益低26.32%～32.58%[19]。本試驗中，N3處理的籽粒產量和公頃穗數及千粒重均顯著高于N0、N1和N2處理，與N4處理之間無顯著差異，N3收獲指數和氮肥農學效率則顯著高于N4處理。表明，施氮量為210 kg·hm-2的N3處理是本試驗條件下高產高效的最優(yōu)處理。

參 考 文 獻：

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