氮密互作對淮北砂姜黑土區(qū)冬小麥冠層光合特性和產(chǎn)量的影響

黃 波，張 妍，孫建強，陳 翔，張 林，朱玉磊， 劉惠惠，魏鳳珍，宋有洪，李金才

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)部華東地區(qū)作物栽培科學觀測站，安徽合肥 230036；2.安徽省蒙城縣種植業(yè)發(fā)展局， 安徽蒙城 233500；3.安徽省農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所，安徽合肥 230031)

作為我國主要糧食作物，小麥的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)對滿足人民生活需求和保障國家糧食安全有著重要作用。小麥產(chǎn)量不僅受品種遺傳特性的控制，還受栽培措施的影響[1-3]，其中種植密度和施氮量是重要的影響因素[4-5]。適宜的種植密度和施氮量可協(xié)調(diào)小麥個體和群體之間的矛盾，改善產(chǎn)量結構，從而達到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目標[6-7]。但在小麥實際生產(chǎn)中，過量施氮和播種經(jīng)常出現(xiàn)，并導致貪青、晚熟、倒伏等現(xiàn)象發(fā)生[8-9]，不僅增加了生產(chǎn)成本，并引發(fā)環(huán)境污染、資源浪費等問題[10-11]。

光合生產(chǎn)是植物物質(zhì)積累的基礎。小麥90%左右的物質(zhì)積累都來源于光合作用[12]。適宜的密度不僅有利于建立合理的群體結構，實現(xiàn)群體質(zhì)量高、個體健壯、個體和群體間協(xié)調(diào)生長，還有利于同化物的生產(chǎn)和積累[13]。氮素是葉綠素的重要組成成分，也是影響小麥葉片光合能力的重要因子之一。增施氮肥可顯著提高小麥功能葉片的葉綠素含量，增強光合羧化酶活性，提高旗葉的光化學效率[14]。適宜的施氮量還可促進小麥莖葉生長，顯著提高葉面積指數(shù)，延長綠葉功能期，防止其花后早衰，增進灌漿期同化物向籽粒轉運，最終提高產(chǎn)量[15]。

淮北平原是安徽旱茬小麥主要產(chǎn)區(qū)，砂姜黑土是其土壤主要的類型，面積達1.65×106hm2，占全國砂姜黑土總面積的40%左右[16]。砂姜黑土具有“旱、澇、僵、瘦”的不良特性，嚴重制約了當?shù)匦←湲a(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[17-18]。近年來，隨著秸稈還田的推廣以及耕作措施的調(diào)整[19]，淮北砂姜黑土區(qū)的土壤結構和地力發(fā)生了很大變化[20-21]。因此在新的形勢下，篩選適合當?shù)匦←湻€(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)栽培的氮密配置是亟待解決的關鍵問題。

目前，有關密度、氮肥對冬小麥生長發(fā)育影響的研究已有諸多報道。在晉南地區(qū)0～180 kg·hm-2的施氮量可以顯著增加小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量，繼續(xù)增施氮肥，只能促進莖葉生長，對籽粒產(chǎn)量無顯著貢獻[22]。而在沿淮稻茬麥區(qū)，施氮量在180～270 kg·hm-2時小麥產(chǎn)量達到最高[23]。小麥適宜施氮量和種植密度往往因地區(qū)生態(tài)條件、土壤地力和小麥品種類型的不同而異[24-25]，因而生產(chǎn)上對其選擇應視具體情況而定。目前，針對淮北平原砂姜黑土區(qū)域有關氮密互作對小麥影響的研究卻鮮有報道。本試驗在前期研究的基礎上，選取淮北平原小麥主栽品種煙農(nóng)19和安農(nóng)0711，探究氮密互作對冬小麥冠層光合特性和產(chǎn)量的影響，以期篩選出淮北平原砂姜黑土區(qū)的最佳氮密配置，為該區(qū)域小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017-2018年在安徽省蒙城縣農(nóng)業(yè)科技示范場(33°9′44″N，116°32′56″E)進行。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫 14.8 ℃，日照時數(shù)2 410 h，年均降雨量732.63 mm。土壤類型為砂姜黑土，前茬為玉米，秸稈全量還田，0～20 cm土層有機質(zhì)含量12.46 g·kg-1，全氮含量0.99 g·kg-1，堿解氮含量80.20 mg·kg-1，速效磷含量15.40 mg·kg-1，速效鉀含量100.30 mg·kg-1。

供試小麥品種選用當?shù)刂髟云贩N煙農(nóng)19(YN19)和近幾年皖北主推品種安農(nóng)0711(AN0711)。試驗采用裂區(qū)設計，種植密度為主區(qū)，設150×104、210×104、270×104和330×104株·hm-24個密度水平(分別用D1～D4代表)；施氮量為副區(qū)，設置135、180、225和270 kg·hm-24個施氮水平(N1～N4)。小區(qū)面積為12 m2，三次重復。人工開溝播種，行距20 cm。各處理均基施P2O5和K2O 各112.5 kg·hm-2，氮肥用尿素按試驗設計于播前和拔節(jié)期按6∶4施入。其他管理同高產(chǎn)大田。小麥于2017年10月28日播種，2018年6月2日收獲。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 形態(tài)指標測定

開花期每小區(qū)選取長勢一致的10株小麥測定莖稈節(jié)間總長和穗長，取平均值。

1.2.2 冠層光合指標測定

拔節(jié)期選取具有代表性的主莖旗葉掛牌標記，孕穗期、開花期和灌漿中期(花后20 d)測定葉面積指數(shù)(LAI)、旗葉葉綠素含量(SPAD)、主莖旗葉凈光合速率(Pn)和冠層截獲光合有效輻射(IPAR)，測量時間為晴朗無風的上午9:00- 11:30。 LAI用Sunscan冠層分析儀(Delta公司，英國)測定，每個樣重復測三次取平均值；SPAD值用SPAD-502(柯尼卡公司，日本)測定，選取葉片上、中、下部分測量，每個樣重復測三次，計算均值。Pn用Li-6400XT光合儀(LI-COR公司，美國)測定，開放式氣路，紅藍光源，光強設1 200 lx，每個樣重復測三次，計算均值。IPAR用Sunscan冠層分析儀(Delta公司，英國)測定，IPAR=PAR-TPAR,其中PAR是入射光合有效輻射量；TPAR是冠層底部的光合有效輻射量。

1.2.3 產(chǎn)量及其構成因素測定

成熟期各小區(qū)選取長勢均勻的2 m2收割，自然晾曬后脫粒計產(chǎn)。另取1 m雙行小麥進行常規(guī)考種，統(tǒng)計穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017進行數(shù)據(jù)整理和制圖，利用SPSS 18.0軟件進行方差分析，處理間差異性的比較采用最小顯著性差異法(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 氮密互作對冬小麥節(jié)間總長和穗長的影響

適當增加種植密度和施氮量有利于增加兩個品種的節(jié)間總長和穗長(圖1)。在同一種植密度下，隨著施氮量的增加，節(jié)間總長和穗長先增后降；而在同一施氮水平下，節(jié)間總長和穗長均隨著種植密度的增加而增加。AN0711和YN19的節(jié)間總長和穗長均在D4N3處理下最大，分別為80.87、10.67 cm和83.00、11.13 cm。

2.2 氮密互作對冬小麥LAI的影響

從孕穗期至灌漿中期，小麥LAI先增后降，在開花期最大(表1)。在孕穗期和開花期，隨著種植密度或施氮量的增加，兩品種的LAI均顯著增加，達到最大值的D4N4處理相比D1N1處理增加了101.53%～116.28%?；ê箅S著籽粒灌漿進程的推進，小麥葉片不斷衰老，灌漿中期LAI明顯降低；隨著種植密度或施氮量的增加，兩品種的LAI均先增后降，且達到最大值的D3N3處理比D1N1處理分別增加了78.10%、85.94%。

2.3 氮密互作對冬小麥旗葉SPAD 和Pn的影響

種植密度和施氮量對冬小麥旗葉SPAD和Pn均有顯著影響(表2和表3)。冬小麥旗葉SPAD值和Pn隨著小麥生育進程呈波動性變化，在開花期達到最大值。在同一密度下的N1～N3范圍內(nèi)，兩品種旗葉SPAD值和Pn隨著施氮量的增加而顯著增加，超出此范圍，增施氮肥的效果不明顯，即N3和N4之間差異不顯著。在同一施氮量下，隨著種植密度的增加，旗葉SPAD值和Pn顯著降低。在孕穗期至灌漿中期，兩品種旗葉SPAD值和Pn均以D4N4處理最大，但與D4N3處理無顯著差異。

2.4 氮密互作對冬小麥冠層IPAR的影響

在孕穗期和開花期，隨種植密度或施氮量的增加，IPAR呈上升的趨勢，在D4N4處理下達到最大值(表4)；相比D1N1處理，D4N4處理下AN0711和YN19的IPAR增加15.56%～ 91.52%。在灌漿中期，在一定范圍內(nèi)增加種植密度和施氮量也會促進IPAR增加，其中兩品種的IPAR均以D3N3處理最大，比D1N1處理分別增加16.44%～92.46%和35.29%～118.92%。

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters above the columns mean significant differences among the treatments at 0.05 level.

圖1 氮密互作對冬小麥節(jié)間總長和穗長的影響

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達0.05顯著水平。下表同。

Different letters following the values in the same column mean significant difference among the treatments at 0.05 level.The same in tables 2-5.

表2 氮密互作對冬小麥旗葉SPAD值的影響Table 2 Effect of nitrogen-density interaction on SPAD value of flag leaf in winter wheat

表3 氮密互作對冬小麥旗葉Pn的影響Table 3 Effect of nitrogen-density interaction on Pn of flag leaf of winter wheat μmol·m-2·s-1

表4 氮密互作對冬小麥冠層IPAR的影響Table 4 Effect of nitrogen-density interaction on IPAR of winter wheat canopy μmol·m-2·s-1

2.5 氮密互作對冬小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響

由表5可見，在同一種植密度下，在N1～N3范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，兩品種籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，施氮量增至N4后，產(chǎn)量顯著降低，穗數(shù)和穗粒數(shù)變化不顯著。在相同施氮量下，隨著種植密度的增加，籽粒產(chǎn)量先增后降，在D3水平下產(chǎn)量最大，不同密度之間差異顯著；增加種植密度后，穗數(shù)顯著增加，穗粒數(shù)顯著降低。千粒重隨著種植密度或施氮量的增加而降低。AN0711和YN19的產(chǎn)量均以D3N3處理最高。這說明在合理范圍內(nèi)，通過提高種植密度和施氮水平，可增加穗數(shù)和穗粒數(shù)，進而實現(xiàn)高產(chǎn)。

3 討 論

冠層是小麥光能利用的關鍵部分，合理的冠層結構是作物產(chǎn)量形成的基礎[26]。本研究中，隨著種植密度或施氮量的增加，小麥株高和穗長均有增加趨勢，有利于優(yōu)化植株的受光姿態(tài)和冠層結構。房 琴等[6]研究表明，小麥開花期以前，LAI隨密度的增加而增加，但開花后高密度群體的葉片衰老過快，而低密度的通風良好，可延長綠葉持續(xù)期，有利于籽粒灌漿的進行。曹 倩等[27]也發(fā)現(xiàn)，提高施氮量可增加LAI并有助于減緩花后LAI的衰減，同時保證冠層能截獲足夠光能。在本試驗中，隨著密度和施氮量的增加，孕穗期和開花期的LAI和IPAR均顯著增加，且均在種植密度330×104株·hm-2和施氮量270 kg·hm-2時達到最大值。因此，較高的LAI可以增加群體受光面積，截獲更多的光能，從而增加光合產(chǎn)物的積累。在籽粒灌漿期間，高氮高密處理組合的上部郁閉，下部透光少，加速了下部葉片的衰老，此時種植密度270×104株·hm-2和施氮量225 kg·hm-2的LAI和IPAR最高，有利于生育后期光合器官內(nèi)光合產(chǎn)物的生產(chǎn)與轉運，協(xié)同提高產(chǎn)量。

種植密度對小麥冠層光合性能有顯著影響。旗葉是小麥冠層的主要構成部分，對光合的貢獻率可達32%，其光合變化趨勢基本反映了冠層光合的變化趨勢[28]。在本試驗中，隨著密度的增加，群體間通風不暢，旗葉SPAD和Pn值顯著下降，尤其在灌漿期，密度過高加劇了田間小氣候的惡化，造成葉片早衰，影響灌漿中后期光合產(chǎn)物的積累，這與修 明等[29]的研究結果一致。另一方面，氮素是葉綠素的重要組成成分，是影響小麥葉片光合能力的主要因素之一。蔡瑞國等[30]研究發(fā)現(xiàn)，對于兩種不同基因型的冬小麥而言，施氮量為240kg·hm-2時可顯著提高葉片的SPAD和Pn值。馬建輝等[15]也指出，在0～240 kg·hm-2范圍，增施氮肥能優(yōu)化冬小麥葉片的光合特性，但超出這一范圍會帶來負效應。本研究表明，在0～225 kg·hm-2范圍時，小麥旗葉的SPAD和Pn值隨著施氮量的增加而顯著增加，過量施氮會導致各指標增幅下降。這可能是由于施氮增加了旗葉光合色素含量，使相關光合酶保持較高活性，從而增加旗葉的光合能力；過量施氮不利于同化物向籽粒的轉運[31]。

表5 氮密互作對冬小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響Table 5 Effect of nitrogen-density interaction on yield and its components of winter wheat

研究表明，小麥籽粒產(chǎn)量與種植密度和施氮量之間滿足拋物線關系[5,32,33]。李 瑋等[34]認為，在淮北砂姜黑土區(qū)秸稈全量還田下適宜的氮肥量為202.5～243.0 kg·hm-2。趙 竹等[35]研究表明，240×104株·hm-2為淮北地區(qū)適宜的種植密度。在本試驗中，種植密度和施氮量對產(chǎn)量存在明顯的互作效應，增加施氮量可促進穗部發(fā)育增加穗粒數(shù)，但使粒重顯著降低，相反種植密度的增加雖然降低了穗粒數(shù)和粒重，卻增加了穗數(shù)，壯大群體數(shù)量，彌補了個體的不足[8,36]。隨著密度和氮肥的增加，籽粒產(chǎn)量先增后降，兩品種均在種植密度270×104株·hm-2和施氮量225 kg·hm-2時獲得最高產(chǎn)量，增產(chǎn)達到顯著水平，同時大大降低了小麥群體出現(xiàn)貪青晚熟和倒伏的風險。

由于本試驗僅研究了不同種植密度下冬小麥適宜的施氮量配置，而在實際生產(chǎn)中由于天氣的影響，不同播期下適宜的氮密配置可能會存在一定差異，所以不同播期下冬小麥適宜的氮密配置仍需進一步研究。

4 結 論

在本試驗條件下，種植密度270×104株·hm-2和施氮量225 kg·hm-2是最優(yōu)處理。該氮密配置能夠顯著改善冬小麥冠層結構，增強冠層光合特性和提高籽粒產(chǎn)量，從而合理利用資源，降低環(huán)境風險，實現(xiàn)該區(qū)小麥的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。