不同水分處理對小麥氮素和干物質(zhì)積累與分配的影響

傅曉藝，王紅光，劉志連，張 聘，李瑞奇

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河北保定 071000； 2.石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，河北石家莊 050041)

華北地區(qū)是我國冬小麥的主產(chǎn)區(qū)[1-2]，其小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對國家糧食安全具有重要意義。該地區(qū)水資源短缺[3]，小麥生育期內(nèi)降水量較少[2]，灌溉是小麥高產(chǎn)的主要保障措施[4]。近年來，隨著華北地區(qū)水資源需求的不斷增大，作為農(nóng)業(yè)灌溉用水主要來源的地下水被大量開采利用，導(dǎo)致地下水位逐漸下降，給該地區(qū)水資源安全及糧食生產(chǎn)帶來巨大壓力[5]。隨著氣候的變化，華北地區(qū)干旱發(fā)生頻繁，冬季干旱和冬春連旱形勢十分嚴(yán)峻[6]。因此，科學(xué)灌溉已成為華北地區(qū)水資源安全和小麥高產(chǎn)雙重壓力下的必然選擇。氮素是影響作物生長發(fā)育的重要限制因子。合理施氮能促進(jìn)作物根系發(fā)育，增強植株對土壤水分和氮肥的吸收，提高產(chǎn)量[7-8]，而水分是氮素吸收、轉(zhuǎn)運和同化的重要限制因子[9-11]。研究表明，干旱脅迫和過量灌水均不利于小麥植株對氮素的積累和轉(zhuǎn)運；適量灌水可促進(jìn)小麥氮素吸收，提高氮肥利用率[12-13]。也有研究指出，小麥品種是影響各器官氮素積累量差異的決定因素，開花期及成熟期各器官的氮素積累量在不同品種間差異顯著[14-15]。目前，關(guān)于小麥灌水效應(yīng)的研究多以單個品種為材料[16-18]，且多數(shù)在拔節(jié)期和開花期進(jìn)行灌水處理，而就不同生育時期組合灌水對小麥氮素積累和產(chǎn)量影響的報道較少。本研究以華北地區(qū)大面積推廣的冀麥418、石麥26和藁優(yōu)2018為材料，在肥料全部底施基礎(chǔ)上，設(shè)置不同生育時期的灌水處理，分析了不同水分處理下小麥氮素、干物質(zhì)積累與分配的特點，以期為該地區(qū)小麥節(jié)水栽培、氮素高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018-2019 年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)藁城試驗站進(jìn)行。該區(qū)位于河北省西南部，石家莊市東部，北緯37°51′～38°18′44″，東經(jīng)114°38′45″～114°58′47″，平均海拔為130 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。試驗地土壤為壤土，前茬作物為玉米。耕層土壤有機質(zhì)含量為19.4 g·kg-1，全氮含量為1.3 g·kg-1，堿解氮含量為119 mg·kg-1，速效磷含量為21.3 mg·kg-1，速效鉀含量為60.15 mg·kg-1，pH 值為6.58。

1.2 試驗材料與設(shè)計

小麥于2018年10月8日播種，基本苗375萬株·hm-2，行距18 cm。小區(qū)面積7.0 m2，3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，供試品種為冀麥418、藁優(yōu)2018和石麥26。2019年6月3日人工收獲。

基施N 225 kg·hm-2、 P2O590 kg·hm-2和 K2O 150 kg·hm-2。澆足底墑水(表1)以保證苗全、苗齊，在田間防雨棚條件下設(shè)置 6 種不同灌水處理：不灌水(W1，0 mm)、起身水(W2，60 mm)、拔節(jié)水(W3，60 mm)、開花水(W4，60 mm)、起身水+開花水(W5，60 mm+60 mm)、拔節(jié)水+開花水(W6，60 mm+60 mm)，通過流量計(寧波寧水水表有限公司，DN15)控制灌水量。起身水、拔節(jié)水、開花水分別于2019年3月14 日、3月30日和4月26日灌溉。不同處理間設(shè)置50 cm觀察道，并埋1.0 m深塑料布進(jìn)行水分隔離，雨雪天將防雨棚卷簾拉下，其余時間為自然光照。其他管理與一般大田一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質(zhì)積累量測定

在小麥起身期、拔節(jié)期、開花期和成熟期，每個小區(qū)取50個植株。其中開花期和成熟期按器官將樣品分開。所有樣品均105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，測定干物質(zhì)量。計算花前營養(yǎng)器官貯存干物質(zhì)和氮素在花后的轉(zhuǎn)運參數(shù)[19]。

表1 小麥播種前0～200 cm土層土壤含水量Table 1 Water content under different soil layers before wheat sowing

營養(yǎng)器官花前貯存干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量=營養(yǎng)器官開花期干重-營養(yǎng)器官成熟期干重；

開花后光合物質(zhì)同化量=成熟期籽粒干重-營養(yǎng)器官花前貯存干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量；

開花前營養(yǎng)器官貯存干物質(zhì)對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率=開花前營養(yǎng)器官貯存干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒干重×100%

開花后光合同化物對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率=開花后光合同物質(zhì)量/成熟期籽粒干重×100%

1.3.2 產(chǎn)量測定

測量各小區(qū)收獲面積，實收脫粒，測定籽粒含水量，并折算成13%含水量的籽粒產(chǎn)量。

1.3.3 氮含量測定

在開花期和成熟期，隨機選10株小麥，地上部105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重后，分成葉片、莖稈、穎殼和籽粒(成熟期)4部分，分別用小麥粉碎儀(萊馳，德國)磨細(xì)，并密封保存。用千分之一電子天平稱量0.200 g粉碎樣，用移液器加8.0 mL濃硫酸。置于石墨爐加熱(170 ℃ 0.5 h，240 ℃ 0.5 h，330 ℃加熱至澄清)，每 0.5 h加雙氧水10滴。冷卻至室溫，過濾后用去離子水定容至50 mL，即為提取液。配成1∶10的稀釋液用連續(xù)流動分析儀(Auto Analyzer 3，德國 SEAL)測定全氮含量。計算植株氮素積累量、轉(zhuǎn)運參數(shù)和氮素利用效率。

植株地上部氮素積累量=成熟期地上部植株干重×成熟期植株含氮量；

營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量=開花期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量；

營養(yǎng)器官氮素貢獻(xiàn)率=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%；

氮素吸收效率=植株氮素積累量/施氮量；

氮素利用效率=籽粒產(chǎn)量/地上部植株氮素積累量；

氮肥生產(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2003整理數(shù)據(jù)，用SPSSversion 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理對小麥干物質(zhì)積累的影響

隨著小麥生育進(jìn)程的推進(jìn)，干物質(zhì)積累量呈上升趨勢(圖1)。在起身期，干物質(zhì)積累量在不同處理間差異不顯著；在拔節(jié)期，W2和W5處理的干物重差異不顯著，但均顯著高于其他處理；在開花期和成熟期，不同處理間干物質(zhì)積累量均差異顯著，三個參試品種均以W6處理最高，其次是W5處理，W1處理最低。

2.2 不同水分處理下小麥成熟期干物質(zhì)在各器官中的分配特點

各品種成熟期各器官干物質(zhì)積累量及其分配比例總體上均表現(xiàn)為籽粒>莖+葉鞘>穗軸+穎殼>葉片(表2)。在W1處理下三個品種成熟期各器官的干物質(zhì)分配量基本上顯著低于其他處理，但各品種不同器官干物質(zhì)量達(dá)到最高的處理不同，如石麥26的穗軸+穎殼、葉片和籽粒干物質(zhì)量在W6處理下最高，莖+葉鞘在W5處理下最高。各品種不同器官干物質(zhì)分配比例在不同處理間也存在顯著差異，各器官的分配比例達(dá)到最高的處理也有所不同，如石麥26、冀麥418和藁優(yōu)2018的籽粒干物質(zhì)分配比例最高值分別出現(xiàn)在W3、W1和W4處理下。

2.3 小麥開花后干物質(zhì)的同化與再分配

由表3可知，三個品種的營養(yǎng)器官開花前貯存干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量在不同處理間均存在顯著差異，石麥26表現(xiàn)為W3>W6>W5>W4>>W1、W2，藁優(yōu)2018表現(xiàn)為W6>W3>W5>W2>W4>W1，冀麥418表現(xiàn)為W6>W5>W4>W2>W3>W1；對于開花后光合物質(zhì)同化量，石麥26和藁優(yōu)2018均以W5處理最高，與其他處理差異顯著，而冀麥418以W6處理最高。對于開花后光合物質(zhì)同化量對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，石麥26表現(xiàn)為W5>W2、W4>W1>W6>W3，藁優(yōu) 2018表現(xiàn)為W1>W4>W5>W2>W6>W3，冀麥418表現(xiàn)為W3>W1>W4>W2>W6>W5。這表明，W3處理最有利于提高石麥26和藁優(yōu)2018開花前貯存干物質(zhì)對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，W5處理最有利于冀麥418花前貯存干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運；W3處理下藁優(yōu)2018開花前干物質(zhì)對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于石麥26和冀麥418。

圖柱上的不同小寫英文字母表示同一品種和同一生育時期的不同處理間在0.05水平上差異顯著。SS：起身期；JS：拔節(jié)期；FS：開花期；MS：成熟期。

表2 不同品種不同水分處理下成熟期干物質(zhì)分配Table 2 Dry matter distribution of different varieties under different water treatments at maturity

表3 小麥營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運和對籽粒的貢獻(xiàn)Table 3 Wheat dry matter transportion from vegetative organs and its contribution to grain

2.4 成熟期氮素在小麥各器官中的分配

由表4可以看出，在不同水分處理中，石麥26和冀麥418成熟期的籽粒氮素積累量均以W1處理最低，以W5處理最高；藁優(yōu)2018的成熟期籽粒氮素積累量則分別以W4和W6處理最低和最高，W5處理僅次于W6處理。小麥各品種不同器官的氮素積累量及分配比例對不同水分處理的反應(yīng)不同，缺乏一致性?？傮w來看，起身水+開花水和拔節(jié)水+開花水有利于不同小麥品種籽粒氮素的積累。

2.5 小麥開花后氮素的同化與再分配

W1處理下各品種營養(yǎng)器官的開花期氮素積累量和氮素轉(zhuǎn)運量最低，與其他處理差異顯著。與其他處理相比，W5和W6處理顯著增加開花期營養(yǎng)器官氮素積累量、成熟期籽粒氮素積累量、營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量及其貢獻(xiàn)率。藁優(yōu)2018和冀麥418在W2處理下、石麥26在W5處理下獲得較高的成熟期營養(yǎng)器官氮積累量。這說明起身水+開花水和拔節(jié)水+開花水比較有利于花前營養(yǎng)器官氮素積累和轉(zhuǎn)運，提高籽粒氮素累積量。

表4 不同處理小麥成熟期不同器官中氮素的積累和分配Table 4 Nitrogen accumulation and distribution in different organs at maturity

表5 開花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒中的轉(zhuǎn)運Table 5 Nitrogen translocation from vegetative organs to grain after anthesis

2.6 不同水分處理對小麥籽粒產(chǎn)量及氮素利用效率的影響

由表6可以看出，三個品種的籽粒產(chǎn)量在不同處理間差異均顯著，均以W6處理最高，W5處理次之，W1處理最低。在只澆1水的前提下，冀麥418在灌開花水(W4)時可獲得較高產(chǎn)量，而石麥26和藳優(yōu)2018的產(chǎn)量在灌拔節(jié)水(W3)時較高。在W5和W6處理下三個品種的氮素吸收效率和氮肥生產(chǎn)效率較其他處理顯著增加，說明水分是影響肥料吸收效率高低和轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵因素。石麥26的氮素利用效率在W2和W3處理下最高，藳優(yōu)2018和冀麥418則分別在W3和W6處理下最高，說明在這些處理下小麥地上部積累的氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運較多。

表6 不同水分處理對小麥籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響Table 6 Effect of different water treatments on grain yield and nitrogen use efficiency of wheat

3 討 論

3.1 不同水分處理對干物質(zhì)積累與分配的影響

適時適量灌溉能緩解土壤水分缺乏，促進(jìn)作物干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量和水分利用效率。本研究與前人[20]研究結(jié)果均表明，灌溉次數(shù)越多，灌水總量越大，小麥生物產(chǎn)量越高。在同樣澆2水的情況下，W6處理較W5生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量高，差異顯著。較大的干物質(zhì)積累量是小麥籽粒產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，石麥26的總干物重在W5和W6處理下較其他兩個品種高，但籽粒產(chǎn)量較冀麥418低，藁優(yōu)2018產(chǎn)量最低，這應(yīng)該是與品種特性和后期干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率有關(guān)。藁優(yōu)2018的干物質(zhì)積累量最少，W4處理與產(chǎn)量W1處理差異不顯著，說明只澆開花水不能顯著增加藁優(yōu)2018的籽粒產(chǎn)量，開花期的水分供應(yīng)不能彌補前期水分虧缺造成的影響，所以拔節(jié)期充足水分供應(yīng)是藁優(yōu)2018獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，干物質(zhì)積累量呈上升趨勢，成熟期達(dá)到最大值；不同處理間開花期和成熟期干物質(zhì)積累量均差異顯著，成熟期W1處理下干物質(zhì)積累量最小。各品種成熟期各器官干物質(zhì)積累量、分配量和分配比例總體表現(xiàn)為籽粒>莖+葉鞘>穗軸+穎殼>葉片。

3.2 不同水分處理對不同小麥品種氮素積累與分配及氮素利用效率的影響

Sinclair 等[21]指出，在一定范圍內(nèi)隨灌水量和灌水次數(shù)的增加，小麥植株總氮素積累量顯著增加。不同基因型小麥地上部各器官含氮量、氮素積累量和氮素利用效率差異顯著[22]。水分不僅影響土壤氮素的有效性，而且影響作物對氮的吸收、轉(zhuǎn)運和同化[23]。灌水是影響小麥開花前氮素對籽粒氮素貢獻(xiàn)率的決定因素[24]。段文學(xué)等[25]研究表明，與不灌水相比，灌拔節(jié)和開花水可使小麥開花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率增加，提高成熟期籽粒氮素積累量及分配比例。與全生育期不灌水處理相比，越冬水+拔節(jié)水顯著增加了地上部植株對追施氮素的吸收量和向籽粒的分配量,增灌開花水反而不利于小麥對追施氮素的吸收和向籽粒中的分配。本研究表明，起身水+開花水和拔節(jié)水+開花水顯著增加小麥的籽粒氮含量，水分處理對冬小麥干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運的影響因品種而異，W5和W6處理顯著提高了各品種的氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥生產(chǎn)效率，藁優(yōu)2018的氮肥生產(chǎn)效率在W1和W4處理間差異不顯著，說明適量適時的水分供應(yīng)是提高氮肥利用效率的重要前提。

3.3 不同水分處理對冬小麥產(chǎn)量和資源利用效率的影響

面臨當(dāng)前水資源匱乏的現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)面源污染的局面[26]，提高水分和氮肥利用效率是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的關(guān)鍵問題。不同生育時期小麥對水分的需求不同，土壤水分過多或不足及灌水時期都會對籽粒產(chǎn)量和水分利用效率造成影響[27]，水肥合理搭配能提高水分和肥料利用效率[28]。本研究表明，三個小麥品種的籽粒產(chǎn)量在不同處理間差異顯著，W6處理下產(chǎn)量最高，W1處理最低，其他處理間產(chǎn)量差異因品種而異。在只澆1水的前提下，開花水顯著增加冀麥418的產(chǎn)量，其次是拔節(jié)水，而拔節(jié)水對石麥26和藳優(yōu)2018的產(chǎn)量有顯著影響。所以在限水條件下根據(jù)品種特性，關(guān)鍵時期灌水是提高小麥水分利用效率、節(jié)約水資源的重要保障。石麥26和冀麥418的氮肥生產(chǎn)效率在不同處理間的差異總體趨勢基本一致，與藁優(yōu)2018的結(jié)果不太一致，這可能是因為藁優(yōu)2018節(jié)水抗旱性弱，對水分需求時期和營養(yǎng)器官向籽粒氮素轉(zhuǎn)運的時間不同，具體原因有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，在河北省水資源匱乏區(qū)域，選擇節(jié)水抗旱品種，并在春季拔節(jié)期和開花期進(jìn)行2次灌水，每次灌水量60 mm，是實現(xiàn)小麥高產(chǎn)和氮肥高效利用的最佳措施。