不同栽培模式冬小麥物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運(yùn)及光熱資源利用研究

姜麗娜，李金娜，齊紅志，岳 影，張雅雯，朱婭林，李春喜*

(1.河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453007； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，河南 鄭州 450002)

隨著我國(guó)作物生產(chǎn)用地面積的減少和人口數(shù)量的增加，人們?yōu)榱俗魑镌霎a(chǎn)往往過(guò)量施肥、盲目灌溉，造成氮肥、水資源利用效率降低以及土壤板結(jié)、地表水富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-4]。小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量的提高與氮素的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，而灌溉和氮肥水平是影響冬小麥氮素積累、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移的2個(gè)關(guān)鍵因素[5-6]。研究表明，適當(dāng)減少農(nóng)田灌溉用水可提高水分生產(chǎn)效率、灌溉效率和氮素生產(chǎn)效率[7]。拔節(jié)期追施氮肥更有利于強(qiáng)筋小麥對(duì)氮素的吸收、利用和高產(chǎn)的形成；相同施氮量下，拔節(jié)期和開(kāi)花期分別追施氮肥提高了晚播冬小麥的籽粒產(chǎn)量和氮肥吸收利用效率[8-9]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)不同小麥品種的特性，建立最佳的水氮管理制度，尋找能源消耗和作物產(chǎn)量之間的最佳平衡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的綜合提高，有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)[10-12]。屈會(huì)娟[13]研究表明，適宜的播期和播量有利于提高小麥植株的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率，提高營(yíng)養(yǎng)器官中干物質(zhì)的輸出能力。以往的栽培模式研究多是圍繞1個(gè)或2個(gè)栽培因素進(jìn)行的，對(duì)于多因素集成栽培模式下小麥干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運(yùn)與資源利用效率的關(guān)系研究較少。鑒于此，從播期、播量、施肥和灌水等因素考慮，研究了不同栽培模式下土壤-麥田系統(tǒng)的氮素平衡和小麥各生育時(shí)期植株干物質(zhì)和小麥氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)特征及其與光熱資源利用效率的關(guān)系，旨在探尋黃淮麥區(qū)小麥高產(chǎn)高效栽培模式，并為該區(qū)小麥高產(chǎn)栽培提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)栽培模式，考慮播期、播種密度、灌水次數(shù)、肥料水平及施肥方式等栽培措施，集成T1、T2、T33種栽培模式，以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)栽培模式(FM)和全生育期不施氮肥(CK)作為對(duì)照(表1)。采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，各區(qū)面積528 m2(110.0 m×4.8 m)，等行距20 cm機(jī)播。灌水量為每次750 m3/hm2。

表1 冬小麥的栽培模式設(shè)置

1.2 取樣及測(cè)定項(xiàng)目

于小麥播種前(2013年10月10/20日)、越冬期(2013年12月24日)、返青期(2014年3月7日)、拔節(jié)期(2014年3月27日)、開(kāi)花期(2014年4月23日)、灌漿期(2014年5月21日)、成熟期(2014年6月5日)取各小區(qū)0～20、20～40 cm土層土樣，風(fēng)干研磨過(guò)篩，裝袋保存；同時(shí)，各小區(qū)取20 cm× 20 cm× 20 cm土壤樣品，人工分揀出土壤中的秸稈，60 ℃烘干稱質(zhì)量，裝袋保存。在各生育時(shí)期，隨機(jī)取各小區(qū)植株20株，105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量。

采用半微量凱氏定氮法測(cè)定土壤、秸稈及植株的全氮含量，計(jì)算氮素積累量。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

1.3.1 物質(zhì)積累 物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運(yùn)計(jì)算公式如下[14]：

植株氮素積累量=單株干質(zhì)量×單株含氮量×群體數(shù)；

植株干物質(zhì)積累量=單株干質(zhì)量×群體數(shù)；

花前干物質(zhì)(氮素)運(yùn)轉(zhuǎn)量=開(kāi)花期干物質(zhì)(氮素)量-成熟期干物質(zhì)(氮素)量；

花前干物質(zhì)(氮素)運(yùn)轉(zhuǎn)率=花前干物質(zhì)(氮素)運(yùn)轉(zhuǎn)量/開(kāi)花期干物質(zhì)(氮素)量×100%。

隨著新課程改革的逐漸落實(shí)和現(xiàn)代教育的不斷發(fā)展，學(xué)校和教師應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、對(duì)學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育的重要意義。目前我國(guó)大多數(shù)初中教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，往往對(duì)班級(jí)里所有的學(xué)生都采取同一種教學(xué)方式，并沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到學(xué)生在成長(zhǎng)和學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的差異，這樣不僅會(huì)使學(xué)生的成長(zhǎng)和進(jìn)步在很大程度上受到限制，而且會(huì)導(dǎo)致教師的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率逐漸下降。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，教育學(xué)家提出了差異教學(xué)方法。但是經(jīng)過(guò)對(duì)教師的具體教學(xué)情況進(jìn)行調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)教師并沒(méi)有掌握差異教學(xué)的具體方法，甚至有一些教師根本沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)差異教學(xué)法，那就談不上在教學(xué)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，這就導(dǎo)致初中地理科目的教學(xué)不能得到強(qiáng)化和提升。

1.3.2 氮素表觀損失及氮素盈余 采用Van Eerdt等[15]的方法計(jì)算。

氮素表觀損失=氮輸入-作物吸收-土壤殘留氮-秸稈殘留氮；

氮素盈余=氮素表觀損失+土壤殘留氮。

1.3.3 光合、光溫生產(chǎn)潛力 采用侯光良等[16]的方法，利用生育期內(nèi)太陽(yáng)總輻射量和平均溫度分別計(jì)算光合、光溫生產(chǎn)潛力及其利用效率。

1.3.4 產(chǎn)投比 采用陳素英等[17]的方法，利用生產(chǎn)投入(農(nóng)資+機(jī)械+勞動(dòng)力)和總產(chǎn)值計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)投比。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。多重比較均為L(zhǎng)SD法，小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式冬小麥的干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)

由圖1和方差分析得出，成熟期，小麥植株干物質(zhì)積累總量以T3模式最高，顯著高于其他模式(P<0.05)。從不同階段干物質(zhì)積累量來(lái)看，播種至越冬期，F(xiàn)M模式干物質(zhì)積累量顯著高于其他模式(P<0.05)；越冬至返青期、拔節(jié)至開(kāi)花期干物質(zhì)積累量均以T3模式最高，顯著高于其他模式(P<0.05)；返青至拔節(jié)期，干物質(zhì)積累量以CK模式最低，顯著低于其他4種模式(P<0.05)；開(kāi)花至灌漿期，T2模式下干物質(zhì)積累量分別比CK、FM、T1、T3模式顯著提高了391.10%、208.18%、45.30%、38.29%(P<0.05)。從不同模式來(lái)看，CK、FM、T3模式在拔節(jié)至開(kāi)花期干物質(zhì)積累較快，而T1、T2模式分別在返青至拔節(jié)期、開(kāi)花至灌漿期干物質(zhì)積累較快。

S.播種期;O.越冬期;T.返青期;J.拔節(jié)期;A.開(kāi)花期;F.灌漿期;M.成熟期。下同圖1 不同栽培模式冬小麥植株干物質(zhì)積累

由表2可見(jiàn)，冬小麥花后干物質(zhì)積累量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率均以T2模式最高，其中，花后干物質(zhì)積累量比CK、FM、T1、T3模式分別提高 128.95%、69.30%、15.86%、19.84%，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量分別提高133.35%、4.83%、40.22%、21.07，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率分別提高22.80%、16.42%、42.03%、40.87。

表2 不同栽培模式冬小麥植株花后干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)

注：同行不同小寫(xiě)字母表示不同栽培模式間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同栽培模式冬小麥的氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)

小麥植株氮素積累量隨著生育時(shí)期的推進(jìn)而增加，不同生育時(shí)期之間的氮素積累量因不同的栽培模式而有差異(圖2)。T3模式的氮素積累總量較高，較CK模式提高了153.22%，較FM模式提高了0.16%。由方差分析可得，播種至越冬期和開(kāi)花至灌漿期，F(xiàn)M模式的氮素積累量顯著高于CK、T1、T2、T3模式(P<0.05)；越冬至返青期，F(xiàn)M、T1和T3模式的氮素積累量顯著高于CK和T2模式(P<0.05)；返青至拔節(jié)期，T1、T2、T3模式的氮素積累量顯著高于CK、FM模式(P<0.05)；拔節(jié)至開(kāi)花期，CK模式的氮素積累量較高，表現(xiàn)為CK>T3>FM>T2>T1；灌漿至成熟期，T1模式的氮素積累量較大，表現(xiàn)為T(mén)1>FM>T3>T2>CK。可見(jiàn)，不同栽培模式下各個(gè)生育階段氮素積累量的增加速率不同。

由表3可以看出，不同模式下小麥花后氮素積累量表現(xiàn)為FM、T1模式顯著高于CK、T2、T3模式；花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量以T3模式最大，較CK、FM模式分別提高了124.67%、5.94%；氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率以T2模式最高，表現(xiàn)為T(mén)2>CK>FM>T1>T3。可見(jiàn)，合理施肥可以提高氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量，有利于花后營(yíng)養(yǎng)器官積累的氮素向籽粒轉(zhuǎn)移。

圖2 不同栽培模式冬小麥主要生育階段氮素積累

2.3 不同栽培模式冬小麥的籽粒產(chǎn)量、產(chǎn)投比和光熱利用效率

由于播期不同，小麥生育期內(nèi)總輻射量和平均溫度也有差異(表4)。從籽粒產(chǎn)量來(lái)看，T2模式的籽粒產(chǎn)量顯著高于CK和FM模式，3種高產(chǎn)栽培模式之間的產(chǎn)量表現(xiàn)為T(mén)2>T3>T1。從光熱資源利用效率來(lái)看，不同栽培模式間光合資源利用效率為10.58%～41.18%，T1、T2、T3模式的光合資源利用效率較FM模式分別提高了9.51%、25.17%、20.52%；不同栽培模式間光溫資源利用效率為16.94%～67.19%，T1、T2、T3模式的光溫資源利用效率較FM模式分別提高了11.62%、27.54%、22.84%。從產(chǎn)投比來(lái)看，T2模式的產(chǎn)投比顯著高于其他模式，比T1、T3、FM和CK模式分別提高32.21%%、5.36%、30.33%和169.61%。綜合來(lái)看，T2模式下有利于提高籽粒產(chǎn)量和光熱利用效率。

表3 不同栽培模式冬小麥植株花后氮素積累及轉(zhuǎn)運(yùn)

表4 不同栽培模式冬小麥的產(chǎn)量、產(chǎn)投比及光熱資源利用效率

2.4 不同栽培模式冬小麥干物質(zhì)和氮素的積累轉(zhuǎn)運(yùn)與光熱資源利用效率的相關(guān)分析

由小麥干物質(zhì)和氮素的積累轉(zhuǎn)運(yùn)與光熱資源利用效率的相關(guān)分析(表5)可以看出，小麥的干物質(zhì)總積累量、花后干物質(zhì)積累量分別與籽粒產(chǎn)量呈顯著相關(guān)，花后干物質(zhì)積累量與光合、光溫資源利用效率呈顯著相關(guān)，干物質(zhì)總積累量與光合、光溫資源利用效率呈極顯著相關(guān)。表明花后干物質(zhì)積累量和干物質(zhì)總積累量對(duì)光合、光溫資源利用效率的影響顯著，采用合理的栽培措施提高干物質(zhì)積累量有利于提高光合、光溫資源利用效率。小麥花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率與籽粒產(chǎn)量顯著相關(guān)，花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮素總積累量分別與光合、光溫利用效率均呈極顯著或顯著正相關(guān)。因此，提高氮素總積累量和營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量均有利于提高小麥對(duì)光合、光溫資源的利用效率。

表5 不同栽培模式冬小麥的籽粒產(chǎn)量、光熱資源利用效率與干物質(zhì)及氮素各指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平下顯著、極顯著相關(guān)。

2.5 不同栽培模式麥田土壤-植株系統(tǒng)的氮素平衡

不同栽培模式下氮素總體平衡情況如表6所示。從0～40 cm耕層土壤氮素輸入途徑看，播前土壤氮是氮素的主要來(lái)源，占總輸入的90%以上，施氮量次之。播前土壤氮與上季土壤殘留有關(guān)，氮肥用量是農(nóng)田中最易調(diào)控的因素，因此，適宜的施氮量可以調(diào)節(jié)農(nóng)田氮盈余量。

從全生育期氮盈余來(lái)看，不同栽培模式表現(xiàn)為T(mén)1>FM>T2>T3>CK，T1與FM模式之間差異不顯著，顯著高于其他模式；5種栽培模式的氮表觀損失表現(xiàn)為T(mén)1>FM>T3>CK>T2?？梢?jiàn)，T2模式的氮表觀損失較少，T3模式的氮盈余較少。T1模式的氮輸入量最高，氮輸出量卻低于T3模式，T1模式的氮盈余和氮表觀損失均高于其他模式，T1模式的氮肥施用量過(guò)高。

表6 不同栽培模式麥田土壤-植株系統(tǒng)的氮素平衡 kg/hm2

3 結(jié)論與討論

研究認(rèn)為，小麥植株干物質(zhì)和氮素積累量均隨著生育進(jìn)程逐漸增加，而小麥返青期之前生物量增加緩慢，拔節(jié)期后增長(zhǎng)迅速，成熟期達(dá)到最大[18-19]。也有研究表明，施加氮肥能顯著提高干物質(zhì)積累的平均速率和最大速率，在灌漿期，由于其冠層光合作用較強(qiáng)，高氮處理比低氮處理的干物質(zhì)氮素積累較多[5,20-21]。本研究中，小麥植株干物質(zhì)和氮素的積累量在不同栽培模式下均隨生育時(shí)期的推進(jìn)不斷增加，小麥拔節(jié)后的干物質(zhì)積累量較大，而小麥植株在播種至拔節(jié)期的氮素吸收能力高于拔節(jié)至成熟期，除了CK模式拔節(jié)前和拔節(jié)后氮素積累量沒(méi)有顯著變化，其他施氮模式拔節(jié)前的氮素積累量顯著高于拔節(jié)后，表明施用氮肥能顯著提高小麥氮素吸收過(guò)程的速率，增加物質(zhì)積累。這可能是由于不施氮肥，減少了土壤養(yǎng)分，小麥養(yǎng)分供應(yīng)不足，嚴(yán)重抑制了小麥生長(zhǎng)，而施氮模式，除了T1模式在孕穗期氮肥追施20%，其他模式氮肥施加全部集中在拔節(jié)及拔節(jié)前，此時(shí)土壤中氮素含量豐富，開(kāi)花期之前植株從土壤中吸收氮素能力較強(qiáng)，較多氮素貯存于植株，促進(jìn)拔節(jié)后植株的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的增加。

楊麗等[22]研究表明，同一水分條件下，成熟期生物量隨施肥量的增加表現(xiàn)為先增后減。與本研究結(jié)果一致，不同模式的小麥干物質(zhì)和氮素積累量有所差異，T1處理總施氮量最高，但其氮表觀損失和氮盈余也較高；T3模式氮肥施用量不是最高，但干物質(zhì)和氮素總積累量最高，可能是由于其拔節(jié)期施氮量高于其他模式。推測(cè)拔節(jié)期追施氮肥能夠增加小麥干物質(zhì)和氮素的積累。

蔡瑞國(guó)等[6]研究表明，施氮可顯著增加小麥的籽粒產(chǎn)量，但過(guò)多施氮會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降。沈建輝等[23]研究表明，拔節(jié)和孕穗期追氮均提高了小麥產(chǎn)量。姜麗娜等[24]研究表明，在底施120 kg/hm2的基礎(chǔ)上，隨拔節(jié)期追氮量的增加，籽粒產(chǎn)量呈先增后減的趨勢(shì)。也有研究表明，在土壤有效水分充足的情況下，總施氮量為190 kg/hm2時(shí)，小麥籽粒產(chǎn)量沒(méi)有顯著降低[25]。本試驗(yàn)在T2模式225 kg/hm2的施氮量下，小麥籽粒產(chǎn)量，光溫、光合利用效率和產(chǎn)投比最高；FM、T1模式總施氮量高于T2模式，且FM模式生育前期氮肥基施比例較大，土壤氮含量高，在播種至越冬期的干物質(zhì)積累量顯著高于CK、T1、T2和T3模式，而T1和FM模式小麥花后氮素積累量顯著高于其他模式，導(dǎo)致其土壤殘留氮下降、最終氮表觀損失量高，氮肥的過(guò)度施加對(duì)提高產(chǎn)量并沒(méi)有顯著的效果，而T2模式基施50%氮肥+拔節(jié)期追施50%氮肥，保證了生育期內(nèi)小麥生長(zhǎng)對(duì)氮的需求，促進(jìn)了植株對(duì)氮的吸收，氮表觀損失量低于其他模式，而小麥籽粒產(chǎn)量，光溫、光合效率和產(chǎn)投比高于其他模式。

研究表明，播期對(duì)小麥干物質(zhì)積累、氮素吸收和小麥產(chǎn)量有影響，是由于播期影響小麥生育期的總輻射量和平均溫度，進(jìn)而影響冬小麥的光熱資源利用效率[14,20]。袁愛(ài)民[26]研究表明，現(xiàn)階段的農(nóng)田實(shí)際生產(chǎn)力與生產(chǎn)潛力之間仍存在較大差距，將適宜的麥田生態(tài)環(huán)境和科學(xué)的栽培技術(shù)相結(jié)合，可進(jìn)一步提高小麥產(chǎn)量。本研究區(qū)有較高的光熱生產(chǎn)潛力，CK模式農(nóng)田實(shí)際生產(chǎn)力和光熱資源利用效率較低，F(xiàn)M模式的籽粒產(chǎn)量也不高，而T1、T2、T3模式的光合資源利用效率和光溫資源利用效率較FM模式分別提高了9.51%～25.17%和11.62%～27.54%。說(shuō)明在保證作物水肥供應(yīng)適宜的耕作條件下，選擇合適播期可提高冬小麥的光熱資源利用效率。石祖梁等[27]、張萌等[28]研究認(rèn)為，提高花后干物質(zhì)積累量是提高小麥產(chǎn)量的重要途徑，莖稈和莖鞘氮素運(yùn)轉(zhuǎn)量對(duì)籽粒產(chǎn)量的直接影響最大。本試驗(yàn)相關(guān)分析也表明，干物質(zhì)總積累量和花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量與光熱資源利用效率均呈極顯著正相關(guān)，花后干物質(zhì)積累量和氮素總積累量與光熱資源利用效率均呈顯著正相關(guān)。因此，提高冬小麥氮素總積累量、干物質(zhì)積累量、花后干物質(zhì)積累量和花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量有利于提高小麥對(duì)光熱資源的利用效率。

本研究表明，在黃淮小麥玉米兩熟區(qū)，不同栽培模式影響冬小麥干物質(zhì)和氮素的積累轉(zhuǎn)運(yùn)、光熱資源利用及產(chǎn)投比，干物質(zhì)和氮素的積累及轉(zhuǎn)運(yùn)增加對(duì)小麥光熱資源利用效率有顯著的提高作用。綜合來(lái)看，T2模式氮表觀損失較低，并且花后的干物質(zhì)積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)率最高，播量及氮肥投入較低，全生育期肥水供應(yīng)合適，滿足了小麥不同生育階段的營(yíng)養(yǎng)需求，最終表現(xiàn)為籽粒產(chǎn)量、光熱利用效率和產(chǎn)投比最高，是當(dāng)前該地區(qū)小麥生產(chǎn)適用的高產(chǎn)高效栽培模式。而T3模式有效提高了干物質(zhì)和氮素積累總量、花后氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量，是未來(lái)小麥栽培中需進(jìn)一步研究的再高產(chǎn)高效栽培模式。