施氮量對(duì)小麥旗葉光合特性、SPAD值、籽粒產(chǎn)量及碳氮代謝的影響

葛 君，姜曉君

（商丘市農(nóng)林科學(xué)院小麥研究所，河南商丘476000）

氮素是調(diào)控植物生長發(fā)育的重要因子，合理的氮肥用量能對(duì)改善小麥群體結(jié)構(gòu)、增加有效分蘗和葉綠素含量[1]、提高光能接獲率[2]、提高千粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量[3]有顯著影響。當(dāng)前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中為了持續(xù)提高作物的單產(chǎn)水平，田間氮肥施用量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，但近年來氮肥施用量的提高并未帶來農(nóng)作物產(chǎn)量的顯著提升，氮肥的過度施用使其表現(xiàn)出高消耗低效益的特點(diǎn)。同時(shí)，氮肥的不合理施用還造成了土壤不同程度的板結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤保水能力和通透性降低，還引起了局部的環(huán)境污染，如地下水硝態(tài)氮含量超標(biāo)、地表水富營養(yǎng)化等問題。因此，如何在小麥生產(chǎn)中最大限度地提高氮肥利用率、充分發(fā)揮氮肥對(duì)小麥增產(chǎn)作用的同時(shí)，又不對(duì)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境造成危害，是當(dāng)前小麥生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的重要議題之一。為此，本研究通過對(duì)不同氮素水平下小麥旗葉光合特性、SPAD值變化特征及其與氮肥用量的相關(guān)關(guān)系、葉片碳氮代謝相關(guān)酶活性、籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，探求豫東地區(qū)小麥氮素最適用量，為生產(chǎn)中實(shí)時(shí)快速地對(duì)小麥氮素營養(yǎng)檢測(cè)提供技術(shù)支持，為小麥合理高效施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為周麥22。本研究于2017—2018年在河南省商丘市農(nóng)林科學(xué)院雙八試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為中壤土，試驗(yàn)地0～20 cm土層中堿解氮含量為 81.32 mg·kg-1，有效磷為 47.08 mg·kg-1，速效鉀為97.16 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)為1.17%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置共設(shè)置5個(gè)氮素水平，每公頃施用氮肥（尿素，含N46.4%）折合純氮用量分別為0，105，175，245 和 315 kg， 分 別 用 N0、N105、N175、N245和N315表示。小區(qū)面積均為27 m2，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理設(shè)3次重復(fù)。氮肥總量的2/3作基肥于播種前施入土壤，余下的1/3在拔節(jié)期施用。除氮肥外，其他管理與大田相同。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在小麥?zhǔn)妓肫冢肔I-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)對(duì)倒3旗葉光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定；用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定小麥倒3旗葉葉片SPAD值。在小麥成熟期，每小區(qū)均全部收獲用于計(jì)算每公頃產(chǎn)量，并測(cè)定籽粒蛋白質(zhì)含量。籽粒蛋白質(zhì)含量、磷酸蔗糖合成酶活性和和硝酸還原酶活性的測(cè)定均參照趙世杰等[4]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007和DPS6.55軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素用量對(duì)始穗期小麥旗葉光合特性的影響

如表1所示，在施氮量為0～245 kg·hm-2時(shí)，旗葉光合速率隨氮肥用量的增加而提高，且在245 kg·hm-2時(shí)值最大，較對(duì)照提高142.51%；另外，各處理均高于對(duì)照，且與對(duì)照均達(dá)到極顯著差異水平（P＜0.01），這表明增施氮肥有利于小麥葉片光合速率的提高；處理間除N175與N315差異不顯著外，其余均達(dá)到極顯著差異水平（P＜0.01）。蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律一致，且在N175時(shí)值最大，較對(duì)照分別提高165.91%和89.16%。胞間CO2濃度隨施氮量的增加表現(xiàn)出先升高后降低再升高的變化趨勢(shì)，且處理間光合速率越大則胞間CO2濃度越低，與光合速率表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 氮素用量對(duì)始穗期小麥旗葉光合特性的影響

2.2 施氮量對(duì)小麥22SPAD值的影響及相關(guān)關(guān)系

由圖1A可以得出，施氮量對(duì)小麥?zhǔn)妓肫谌~片SPAD值影響差異顯著。在氮素用量0～315 kg·hm-2范圍內(nèi)，旗葉SPAD值隨施氮量的增加呈現(xiàn)先升高再降低的單峰變化規(guī)律，與光合速率表現(xiàn)一致。各處理 SPAD 值均高于對(duì)照，N105、N175、N245 和N315較對(duì)照分別增加 0.91%，2.34%，3.05%和1.80%，除 N315 與對(duì)照差異顯著（P＜0.05）外，其他處理與對(duì)照差異均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），這表明在一定范圍內(nèi)增加氮肥用量有利于提高旗葉SPAD值，而超過一定閾值反而會(huì)引起SPAD值的降低。由圖1B可知，拔節(jié)期SPAD值與氮素用量具有正相關(guān)關(guān)系，其二次曲線擬合方程為y=-3E-05x2+0.012 5x+57.157，決定系數(shù)為r2=0.816，相關(guān)系數(shù)為0.783。

圖1 氮素用量對(duì)始穗期小麥葉片SPAD值的影響及相關(guān)關(guān)系

2.3 氮素用量對(duì)小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量及碳氮代謝的影響

由表2可知，不同氮肥用量對(duì)小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量、旗葉磷酸蔗糖合成酶活性及硝酸還原酶活性的影響不同。在施氮量為0～245 kg·hm-2范圍內(nèi)，隨著氮肥用量的增加，小麥產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，至245 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大值，較對(duì)照提高了28.19%，差異極顯著（P＜0.01）；繼續(xù)增加氮肥用量至315 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量開始降低，但仍高于對(duì)照，且與對(duì)照差異極顯著（P＜0.01），這表明增施氮肥有利于小麥產(chǎn)量的提高，但氮肥用量過高反而不利于增產(chǎn)。籽粒蛋白質(zhì)含量隨施氮量的增加呈現(xiàn)逐漸升高的變化規(guī)律，且均與對(duì)照差異極顯著（P＜0.01），與小麥產(chǎn)量的變化規(guī)律不同，這表明施用氮肥有利于提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。小麥旗葉磷酸蔗糖合成酶活性隨氮肥用量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的單峰變化趨勢(shì)，與小麥產(chǎn)量的變化規(guī)律一致，在氮肥用量245 kg·hm-2時(shí)較對(duì)照提高31.71%，與對(duì)照差異極顯著（P＜0.01）。小麥旗葉硝酸還原酶活性表現(xiàn)出與籽粒蛋白質(zhì)含量相同的變化規(guī)律，各處理均高于對(duì)照，且在氮肥用量315 kg·hm-2時(shí)較對(duì)照提高24.52%，與對(duì)照差異極顯著（P＜0.01）。

表2 氮素用量對(duì)小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量及碳氮代謝的影響

3 結(jié)論與討論

氮作為重要的礦質(zhì)元素對(duì)植株葉片葉綠素含量的增加、光合速率的提高和葉片功能期的延長有重要作用[5]。王月福等[6]研究認(rèn)為，增施氮肥能夠明顯增加小麥葉片葉綠素含量，提高光合速率。宋飛等[7]研究指出，小麥葉片光合速率隨施氮水平的提高呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，且以施氮肥135 kg·hm-2時(shí)最高。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在施氮量為0～245kg·hm-2范圍內(nèi)，光合速率與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，繼續(xù)增加氮素用量至315 kg·hm-2時(shí)光合速率不升反降，這說明小麥葉片光合速率并不隨氮肥用量的不斷增加而持續(xù)提高，這是因?yàn)槿~片在光合作用過程中對(duì)CO2固定能力的強(qiáng)弱與氮素含量的高低相關(guān)，當(dāng)?shù)睾砍鲆欢ㄩ撝禃r(shí)會(huì)降低同化率[8]。氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體和水分交換的主要門戶，對(duì)光合速率和蒸騰速率的高低有重要影響。本試驗(yàn)條件下，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律一致，均在氮肥用量175 kg·hm-2時(shí)最大，這說明在一定范圍內(nèi)增加氮肥用量有利于小麥葉片蒸騰速率的提高和氣孔導(dǎo)度的增加。處理間胞間CO2濃度表現(xiàn)出與光合速率負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨施氮量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律，如氮素用量245 kg·hm-2時(shí)光合速率最大，而此時(shí)的胞間CO2濃度最低，氮素用量105 kg·hm-2時(shí)光合速率最小，而此時(shí)的胞間CO2濃度卻最大，這可能是因?yàn)楣夂纤俾矢邥r(shí)胞間CO2被有效吸收用于碳同化，而光合速率低時(shí)體內(nèi)積累的CO2未能被有效吸收用于光合產(chǎn)物的制造。

眾多研究指出，葉片SPAD值與葉綠素含量一致[9]，可以用SPAD值反應(yīng)植株葉片中葉綠素含量的相對(duì)值[10]。唐延林等[11]研究表明，小麥葉片SPAD值隨氮素水平的不同表現(xiàn)出顯著性差異。謝華和沈榮開[12]研究認(rèn)為，從返青到成熟期冬小麥SPAD值隨施氮量的增加而增加，但當(dāng)施氮量達(dá)到一定水平后，再增加氮素對(duì)SPAD值的影響不顯著。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在施氮量0～245 kg·hm-2范圍內(nèi)，小麥旗葉SPAD值隨氮素用量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，與前人研究結(jié)果類似，這表明氮素用量的增加可以提高葉片葉綠素含量，這可能是因?yàn)榈氐脑黾哟偈怪仓牦w內(nèi)氮素代謝水平的提高，從而增加了葉片葉綠素含量；當(dāng)?shù)赜昧窟_(dá)到315 kg·hm-2時(shí)SPAD值開始降低，這表明過量的氮素不利于小麥葉片葉綠素含量的提高，這可能是因?yàn)橥寥乐械氐脑黾右种屏烁祵?duì)其他礦質(zhì)元素的吸收，從而在一定水平上抑制了葉綠素的合成。另外，從SPAD值對(duì)應(yīng)的施氮量呈現(xiàn)的二次曲線擬合方程可知，葉綠素含量與氮肥用量具有正相關(guān)關(guān)系。

氮素對(duì)小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量三因素有顯著的調(diào)控效應(yīng)，而這三因素中的任一因素的變化均會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)量造成直接影響，因此，氮素是影響小麥產(chǎn)量的重要因子[13]。本研究結(jié)果表明，在氮素用量0～245 kg·hm-2范圍內(nèi)，小麥產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，這可能是因?yàn)榈侨~綠素、酶、激素的重要組成部分，能促進(jìn)葉綠素含量的增加，同時(shí)氮又能促進(jìn)小麥根莖葉的生長和有效分蘗的增多，從而促進(jìn)了其產(chǎn)量的提高；當(dāng)?shù)赜昧?15 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量下降，這可能是因?yàn)榈貭I養(yǎng)的過剩造成其與磷鉀比例失調(diào)，不僅不利于葉綠素的合成、降低光合速率，還致使小麥無效分蘗增多、抗逆性差、貪青晚熟，從而降低單產(chǎn)。而籽粒蛋白質(zhì)含量卻隨施氮量的增加而逐漸升高，至315 kg·hm-2時(shí)值最大，達(dá)到13.77%，這可能是因?yàn)榈厮竭^高導(dǎo)致新合成的碳流向于氮代謝的數(shù)量增多，而氮代謝的提高增加小麥自由氨基酸含量，從而提高籽粒蛋白質(zhì)含量。磷酸蔗糖合成酶以UDPG作供體，可以調(diào)節(jié)葉片蔗糖的合成，而蔗糖又是植物體內(nèi)“庫”代謝的主要基質(zhì)和光合產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)闹饕问?。硝酸還原酶（NR）即是NO-3-N同化體系的首個(gè)酶，又是植物氮素同化的關(guān)鍵酶，在GS/GOGAT循環(huán)中承擔(dān)著無機(jī)氮向有機(jī)氮轉(zhuǎn)化的重要作用，其活性高低反映了作物對(duì)氮素同化能力的強(qiáng)弱[14]。本研究結(jié)果表明，適當(dāng)增加氮肥用量能提高小麥葉片SPS活性并增加蔗糖含量，但當(dāng)?shù)视昧窟^高時(shí)則降低SPS活性并降低蔗糖含量?？傊欢ㄩ撝捣秶鷥?nèi)增加氮素用量可以提高源器官碳氮代謝能力，增加籽粒中淀粉合成酶和氮素同化酶的活性，促進(jìn)同化物質(zhì)向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)，這進(jìn)一步解釋了適量施氮提高小麥產(chǎn)量的原因。小麥籽粒硝酸還原酶活性隨氮肥用量的增加而提高，這進(jìn)一步解釋了籽粒蛋白質(zhì)含量隨氮素用量的增加而增加原因。