氮磷鉀用量對小麥冠層不同層次光截獲和干物質(zhì)分配的影響

魏慶薪，于振文，張永麗，石 玉

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室,山東泰安 271018)

小麥植株干物質(zhì)總量的90%～95%來源于光合產(chǎn)物，而光合產(chǎn)物來源于小麥冠層結(jié)構(gòu)對入射輻射的截獲[1-3]。良好的冠層結(jié)構(gòu)可使小麥充分利用光能，有利于小麥植株光合作用和干物質(zhì)積累[4]。

氮、磷、鉀肥對小麥冠層光截獲和干物質(zhì)生產(chǎn)有重要影響，適量施用可顯著改善小麥冠層結(jié)構(gòu)、增加光截獲量和干物質(zhì)積累量[5]。馬建輝等[6]研究表明，施氮量為270 kg·hm-2時，濟麥22和煙農(nóng)19的光能截獲量最高，比施氮量較低的處理顯著增加。岳俊芹等[7]研究發(fā)現(xiàn)，與不施鉀處理相比，施鉀量為150 kg·hm-2時，不同冠層截獲光合有效輻射截獲量(IPAR)增加了0.5%～ 30.5%，當(dāng)施鉀量增加至225 kg·hm-2時，小麥的IPAR無明顯變化。劉 沖等[8]研究發(fā)現(xiàn)，與不施磷處理相比，施磷120 kg·hm-2小麥不同冠層光合有效輻射(PAR)截獲率增加7.5%～ 30.5%，當(dāng)施氮量增加至180 kg·hm-2時，PAR截獲率反而降低。前人研究多為單一肥料處理對整個冠層光截獲的影響。本試驗將小麥冠層分為上、中、下三層，深入研究氮、磷、鉀用量對不同層次小麥光截獲特性和成熟期干物質(zhì)分配的影響，以期為小麥節(jié)肥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2018-2019年小麥生長季，在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗農(nóng)場進行田間試驗。土壤質(zhì)地為壤土，前茬作物為玉米，收獲后秸稈還田。播種前0～20 cm土層的土壤肥力狀況為：有機質(zhì)含量14.3 g·kg-1，全氮含量1.48 g·kg-1，堿解氮含量105.67 mg·kg-1，速效鉀含量127.11 mg·kg-1，速效磷含量49.61 mg·kg-1。小麥生長季內(nèi)降水量為107.5 mm。

1.2 試驗設(shè)計

以小麥品種濟麥22為供試材料，設(shè)置F1(N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2)、F2(N 225 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，K2O 105 kg·hm-2)、F3(N 270 kg·hm-2，P2O5165 kg·hm-2，K2O 105 kg·hm-2)三個施肥量處理，以F0(不施肥)處理為對照。氮、磷、鉀肥分別為尿素(N 46.4%)、磷酸二銨(N 16%,P2O548%)和硫酸鉀(K2O 50%)。磷肥和鉀肥以及氮肥總量的一半作為底肥一次性施入，另一半氮肥于拔節(jié)期開溝追施。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積24 m2(2 m× 12 m)。播種日期為2018年10月10日，定苗時期為四葉期，基本苗密度為180 株·m-2。于拔節(jié)期和開花期補灌前測定土壤含水量，將0～40 cm土層土壤相對含水量均補灌至70%，補灌水量依據(jù)公式M=10·γ·H·(βi-βj)[9]計算。式中，M為灌水量(mm)；H為土壤計劃濕潤層的深度(cm)；γ為該土層土壤容重(g·cm-3)；βi為目標(biāo)含水量(田間持水量乘以目標(biāo)相對含水量)；βj為補灌前土壤含水量。使用輸水帶進行灌溉，灌水量用水表計量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉面積指數(shù)(LAI)和冠層光合有效輻射(PAR)的測定

如圖1所示，將小麥植株按大田生產(chǎn)條件下將冠層分為上、中和下3層[10]，其中自小麥頂部至株高2/3處為上層，株高2/3至1/3處為中層，株高1/3至底部為下層。于開花后0、7、15、22和30 d，用Sunscan作物冠層分析儀(Delta，英國)測定小麥的葉面積指數(shù)；于開花后15 d，用長度為 1 m，寬度為0.013 m的光傳感器探頭，測定小麥底部、株高1/3處、株高2/3處和小麥頂部的PAR。測定時探頭平行于地面，感光面向上，插入小麥行間時與種植行方向成45°角。

圖1 小麥冠層分層示意圖

1.3.2 小麥冠層不同層次PAR截獲率(CaR)、PAR透射率(PeR)和PAR截獲量(IPAR)的計算

根據(jù)以下公式[11-12]進行計算：

CaR=(PARn-PARn-1)/PAR頂×100%

PeR=PARn-1/PARn×100%

IPAR=R×CaR×0.5

PeR總=PAR底/PAR頂×100%

其中，PARn和PARn-1分別表示小麥冠層不同層次的光合有效輻射，n和n-1分別表示小麥冠層不同層次。PAR頂為小麥頂部光合有效輻射，PAR底為小麥底部光合有效輻射。R值為實際光合有效輻射總量，其數(shù)據(jù)由試驗基地氣象觀測站觀測得出。

1.3.3 小麥成熟期干物質(zhì)在冠層不同層次營養(yǎng)器官和籽粒中的分配量

于小麥成熟期，取20個具有代表性的單莖，每個處理3次重復(fù)，將單莖分為上(穗底部至株高2/3處)、中(株高2/3處至株高1/3處)、下層(株高1/3處至底部)和籽粒4部分，其中上、中、下層均為營養(yǎng)器官。將各部分置于烘箱中105 ℃殺青30 min，在80 ℃下烘干至恒重后，稱量，計算成熟期干物質(zhì)在冠層不同層次營養(yǎng)器官和籽粒中的分配量。各層次及籽粒中的干物質(zhì)分配量總和即為總干物質(zhì)積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016和Sigmaplot 12.5進行圖表制作，用SPSS 24.0對葉面積指數(shù)和冠層光截獲特性進行數(shù)據(jù)分析，用LSD法對成熟期干物質(zhì)積累量與PAR截獲率進行相關(guān)性分析(Pearson法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小麥葉面積指數(shù)(LAI)的影響

由圖2可知，在開花后0～30 d，各處理LAI隨開花后天數(shù)的延長呈降低的趨勢，其中，F(xiàn)1處理下LAI比F0處理提高28.86%～34.75%，與F2和F3處理無顯著差異。表明F1處理在開花后能保持較高的葉面積指數(shù)，有利于截獲較多的光合有效輻射，從而保證光合物質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖2 不同處理對小麥開花后葉面積指數(shù)的影響

2.2 不同處理對小麥冠層不同層次光截獲特性的影響

2.2.1 對小麥冠層不同層次PAR截獲率的影響

由表1可以看出，開花后15 d，F(xiàn)1處理下小麥冠層不同層次的PAR截獲率均顯著高于F0處理，增幅分別為10.92%、5.08%和9.76%。F1處理下總PAR截獲率也顯著高于F0處理，增幅為7.89%。F1處理與F2和F3處理之間小麥冠層不同層次的PAR截獲率和總PAR截獲率均無顯著差異。

2.2.2 對小麥冠層不同層次PAR截獲量的影響

由表1得知，開花后15 d，F(xiàn)1處理下小麥冠層不同層次的PAR截獲量均顯著高于F0處理，增幅分別為10.77%、5.01%和9.68%。F1處理下總PAR截獲量也顯著高于F0處理，增幅為 7.95%。F1處理與F2、F3處理之間小麥冠層不同層次的PAR截獲量和總PAR截獲量均無顯著差異。

2.2.3 對小麥冠層不同層次PAR透射率的影響

從表1可以看出，開花后15 d，F(xiàn)1處理下小麥冠層不同層次的PAR透射率均顯著低于F0處理，降幅分別為5.33%、19.17%和40.26%。F0處理下總PAR透射率也顯著低于F0處理，降幅為54.29%。F1處理與F2、F3處理之間小麥冠層不同層次的PAR和總PAR透射率均無顯著差異。

表1 不同處理對小麥開花后15 d冠層各層次PAR截獲率、透射率和截獲量的影響

2.3 不同處理對小麥成熟期冠層不同層次干物質(zhì)分配的影響

由表2可知，F(xiàn)1處理下小麥成熟期干物質(zhì)在冠層不同層次營養(yǎng)器官中的分配量均顯著高于F0處理，增幅分別為20.76%、29.37%和 24.05%，與F2和F3處理無顯著差異；F1處理下籽粒干物質(zhì)的分配量和總干物質(zhì)積累量也顯著高于F0處理，增幅分別為22.77%和23.44%，與F2和F3處理無顯著差異。

表2 不同處理對小麥成熟期冠層不同層次營養(yǎng)器官和籽粒干物質(zhì)分配量的影響

2.4 相關(guān)性分析

對成熟期干物質(zhì)在小麥冠層不同層次營養(yǎng)器官、籽粒中的分配量及總干物質(zhì)積累量與冠層不同層次截獲率進行相關(guān)性分析(表3)，結(jié)果表明，成熟期干物質(zhì)在小麥冠層不同層次營養(yǎng)器官和籽粒中的分配量以及總干物質(zhì)積累量均與上層、中層和總PAR截獲率呈極顯著正相關(guān)。這表明上層、中層和總PAR截獲率是影響小麥成熟期干物質(zhì)分配的主要因素。

表3 干物質(zhì)分配量與PAR截獲率的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

Markus等[13]研究表明，相比于連續(xù)兩年分別施氮40 kg·hm-2和35 kg·hm-2，連續(xù)兩年分別施氮180 kg·hm-2和200 kg·hm-2的小麥冠層PAR截獲量增加了40.90%～67.30%，兩年內(nèi)均施氮320 kg·hm-2的小麥冠層PAR截獲量增加了50.06%～89.59%。Andrew等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施氮100 kg·hm-2時，小麥開花后冠層PAR截獲率可達95%，且與施氮200 kg·hm-2處理間無顯著差異，均較施氮50 kg·hm-2和不施氮處理有顯著提高。Patricio等[15]研究表明，施磷量由0增加至250 kg·hm-2時，小麥冠層PAR截獲率也隨之提高，但在小麥生育后期，施磷100 kg·hm-2和施磷250 kg·hm-2處理間的小麥冠層PAR截獲率無顯著差異。與前人在單一肥料下研究整個冠層的光截獲不同，本研究將小麥植株分為上、中、下三個層次，在不同氮、磷、鉀肥施用量下進行研究，結(jié)果表明，F(xiàn)1處理(N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2)下小麥冠層不同層次PAR截獲率及截獲量均顯著高于不施肥處理；繼續(xù)增加施肥量后，小麥冠層不同層次PAR截獲率及截獲量均無顯著變化。

Caviglia等[16]研究發(fā)現(xiàn)，相比于不施氮處理，施氮80 kg·hm-2時，小麥成熟期干物質(zhì)積累量在兩年內(nèi)分別增加了106.3%和84.4%，籽粒中的分配量在兩年內(nèi)分別增加了89.5%和 80.8%；繼續(xù)增加施氮量，籽粒中的干物質(zhì)分配量也隨之增加，但總干物質(zhì)積累量無顯著變化。曾維軍[5]研究發(fā)現(xiàn)，施磷225 kg·hm-2時，小麥可以獲得較高的干物質(zhì)積累量，繼續(xù)增加施磷量，干物質(zhì)積累量反而降低[5]。本研究在氮、磷、鉀綜合施用條件下進行研究，結(jié)果表明，F(xiàn)1處理下小麥干物質(zhì)在冠層不同層次的分配量及總積累量顯著高于不施肥處理，且施肥量增加至F2和F3時，干物質(zhì)在冠層不同層次的分配量及總積累量均無顯著 變化。

本研究相關(guān)分析表明，小麥成熟期干物質(zhì)在冠層不同層次營養(yǎng)器官、籽粒中的分配量及總干物質(zhì)積累量均與冠層上層、中層和總PAR截獲率呈極顯著正相關(guān)，而與下層PAR截獲率無顯著相關(guān)性。因此，通過調(diào)整小麥生育期內(nèi)的氮、磷、鉀施用量，提高小麥冠層上層、中層和總PAR截獲率是提高籽粒產(chǎn)量的有效途徑。