減氮適水對冬小麥光合特性與土壤水氮分布的影響

叢 鑫 龐桂斌 張立志 徐征和 楊金梁 牟曉宇

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院， 濟(jì)南 250022； 2.山東省水利科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250014)

0 引言

華北平原是我國重要糧食產(chǎn)區(qū)，其糧食產(chǎn)量占我國糧食總產(chǎn)量的20%[1]，冬小麥-夏玉米輪作是該地區(qū)的主要種植模式。糧食產(chǎn)量提高在很大程度上依賴于水肥的投入。在生產(chǎn)中為了追求高產(chǎn)量往往投入大量的水肥，過量的水肥會造成土壤剖面硝酸鹽積累和地下水污染。華北平原糧食種植區(qū)普遍面臨著地下水超采[2]與污染[3]的環(huán)境問題。

有研究指出，水氮管理在提高糧食產(chǎn)量和水氮利用效率、減少氮素?fù)p失方面具有很大的潛力[4-5]。關(guān)于華北平原灌溉量與施氮量對冬小麥水氮利用效率、光合特性和產(chǎn)量的影響研究很多，但通過試驗所得適宜水氮量并不一致。呂廣德等[6]在山東省泰安市以“泰山28”冬小麥為研究對象進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)450 m3/hm2和180 kg/hm2的水氮互作處理可顯著增強(qiáng)冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)化和旗葉的光合能力，從而增加了籽粒產(chǎn)量；張經(jīng)廷等[7]在河北省進(jìn)行冬小麥水肥試驗，提出基于作物相對產(chǎn)量的水肥耦合類型的評定方法，確定了150 mm和120 kg/hm2的水氮組合協(xié)同增產(chǎn)效果最為明顯；史辛凱等[8]在山東省兗州市以“煙農(nóng)1212”為研究對象進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)在維持拔節(jié)期和開花期0～40 cm土層相對含水量均補(bǔ)灌至70%的灌溉水平下，210 kg/hm2的施氮量可以顯著提高氮肥利用效率。上述研究中最佳水氮量的不同可能是由于冬小麥品種、種植區(qū)域土壤或氣候的差異性而導(dǎo)致。

本研究在華北平原高水肥的生產(chǎn)基礎(chǔ)上，通過減氮適水來調(diào)整設(shè)定不同的水氮方案，研究水氮協(xié)同對冬小麥生育期內(nèi)土壤水氮分布、淋失以及冬小麥光合特性、產(chǎn)量的響應(yīng)，以確定最佳的水氮方案，在保證冬小麥高產(chǎn)的前提下，提高土壤蓄水的利用水平，降低硝態(tài)氮在土壤中的積累與淋失，緩解過量施肥造成的效益降低與環(huán)境污染，為華北平原在節(jié)水減肥環(huán)保條件下實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2018—2019年冬小麥生長季，在山東省灌溉試驗中心站(36°34′N，116°50′E)利用水肥滲漏池小區(qū)進(jìn)行田間試驗。試驗田地勢平坦，地力均勻，前茬作物為夏玉米，土壤質(zhì)地為壤土。冬小麥播種前試驗田0～20 cm土層土壤含有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比10.89 g/kg、全氮質(zhì)量比1.07 g/kg、堿解氮質(zhì)量比87.60 mg/kg、速效磷質(zhì)量比22.26 mg/kg、速效鉀質(zhì)量比83.98 mg/kg。0～100 cm 土層平均土壤容重為1.57 g/cm3，平均田間最大持水量為25.6%。冬小麥生育期總降雨量為100.5 mm，自然降雨量分布見圖1。研究區(qū)自然降雨量少且分布不均，不能滿足冬小麥高產(chǎn)生長發(fā)育的需要，需補(bǔ)充灌溉。

1.2 試驗設(shè)計

采用水氮二因素三水平完全組合設(shè)計，3個供水水平，分別為減水(W1，60%ETc(參考作物需水量)，300 mm)、適水(W2，75%ETc，370 mm)和足水(W3，ETc，495 mm)；3個施氮水平，分別為施氮量優(yōu)化45%(N1，180 kg/hm2)、施氮量優(yōu)化23%(N2，255 kg/hm2)和高氮(N3，330 kg/hm2)，3次重復(fù)，共27個小區(qū)，小區(qū)面積6.67 m2。小區(qū)灌溉分為4次，灌溉量見表1；小區(qū)施肥分為2次，于播種前施基肥，其中磷肥(過磷酸鈣)為150 kg/hm2，鉀肥(硫酸鉀)為150 kg/hm2，同時施入50%氮肥(尿素)；拔節(jié)期追施剩余50%氮肥。供試冬小麥品種為“山農(nóng)28號”，于2018年10月16日播種，播種量130 kg/hm2，2019年6月1日收獲。其他管理措施同一般高產(chǎn)大田。

表1 試驗區(qū)冬小麥生育期間灌溉量

1.3 測定項目與方法

1.3.1土壤含水率和全生育期土壤耗水量

在土壤深度為20、40、60、80、100 cm處安裝中子探針實(shí)時監(jiān)測冬小麥全生育期土壤體積含水率變化，將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量含水率(SWC，%)。

全生育期土壤耗水量(ΔS，mm)的計算公式為

ΔS=WH-WS=hρ(SWCH-SWCS)×10/100

(1)

式中WH——收獲后蓄水量，mm

WS——播種期蓄水量，mm

h——土層深度，cm

ρ——土壤容重，g/cm3

SWCH——收獲后含水率，%

SWCS——播種期含水率，%

(2)

式中NL——硝態(tài)氮淋失總量，kg/hm2

n——淋溶液收集次數(shù)

CNLi——硝態(tài)氮淋失質(zhì)量濃度，mg/mL

Vi——淋溶液體積，mL

S——小區(qū)面積，m2

1.3.4產(chǎn)量

收獲時，從每個地塊隨機(jī)抽取1個1 m2樣方由人工剪穗。最后用脫粒機(jī)對樣方冬小麥進(jìn)行脫粒，自然風(fēng)干后稱量，換算為實(shí)際產(chǎn)量(Y，kg/hm2)。

1.3.5旗葉葉綠素相對含量

在冬小麥抽穗期與灌漿期，用日本SPAD-502 Plus型葉綠素儀測定冬小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD)，在09:00—11:00對每個處理3個重復(fù)中的3株冬小麥的9片旗葉葉片進(jìn)行測定。

1.3.6光合參數(shù)

在孕穗期和灌漿期灌水2 d后測定旗葉的光合生理指標(biāo)。用Li-6400型光合作用測定系統(tǒng)(Li-cor, 美國)選擇晴天(09:00—11:00)對每個處理的3個重復(fù)中的3株冬小麥的9片旗葉葉片測定葉片光合速率(Pn, μmol/(m2·s))、氣孔導(dǎo)度(Gs,mol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr, mmol/(m2·s))和胞間CO2濃度(Ci, μmol/mol)。

1.3.7光響應(yīng)曲線

在冬小麥灌漿期測定光合作用的同時，在0～1 800 μmol/(m2·s)光照范圍內(nèi)設(shè)置12個光合有效輻射(PAR)(0、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 μmol/(m2·s))，測量各處理旗葉的凈光合速率(Pn)。通過直角雙曲線修正模型[9]對光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，可以確定表觀量子效率α、最大凈光合速率Pn,max、表觀暗呼吸速率Rd、光補(bǔ)償點(diǎn)LCP和光飽和點(diǎn)LSP指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS軟件整理數(shù)據(jù)，以Excel 2010和Surfer 15軟件作圖，SPSS軟件進(jìn)行方差分析和多重顯著性比較，表中每個指標(biāo)值均為3個處理的均值，采用LSD法對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期土壤含水率分布

圖2為冬小麥生育期0～100 cm土層土壤含水率(SWC)的變化情況。隨著生育期的推進(jìn)，不同處理下的SWC逐漸出現(xiàn)差異，不同灌溉量相對施氮量的SWC差異顯著，整體由大到小表現(xiàn)為W3、W2、W1。從苗期開始到拔節(jié)期SWC雖總體在下降，但下降速度不大，且越往深層下降越慢，這是因為冬小麥該階段需水量較??；隨著后期試驗灌溉量的不同和冬小麥需水量的增加，W1處理相對其他處理的SWC在灌漿期顯著較低，明顯不能滿足冬小麥的生長需求，會影響籽粒的灌漿程度，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。在相同灌溉處理下，SWC在不同施氮處理下，總體由大到小依次為N3、N1、N2，這說明適量施氮才有利于冬小麥對土壤水分的吸收。

進(jìn)一步分析不同水氮處理對各土層土壤蓄水的消耗(表2)表明，在冬小麥成熟時，0～100 cm土壤總體耗水量隨灌溉量的增加而減少，在相同灌溉定額下隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，水氮對各土層的耗水量均表現(xiàn)出顯著性差異。其中，W3下60～80 cm土層含水率較播種前更高，說明W3下的土壤水分有所下移，利用程度相對較低。在不同施氮量下，W1平均比W2、W3分別多利用土壤蓄水16.96、58.13 mm，W1N2相對其他處理騰出了較多的土壤水分庫容。減氮適水W2N2處理利用土壤蓄水量比高氮足水W3N3處理多41.12 mm。

表2 不同處理下冬小麥生育期0～100 cm土壤耗水量

2.3 減氮適水對冬小麥旗葉光合特性的影響

2.3.1冬小麥光合特性

由表3可以看出，冬小麥抽穗期的光合速率顯著高于灌漿期。在抽穗期，僅施氮對Pn、Tr、Gs、Ci產(chǎn)生顯著影響。因此，此時期氮對冬小麥光合特性的影響明顯大于水和水氮交互效應(yīng)，這說明適量的抽穗水就可以滿足冬小麥葉片光合作用的需求，過量灌溉對提高冬小麥光合特性沒有顯著影響。

表3 不同處理下的冬小麥光合特性參數(shù)

在灌漿期，灌溉、施氮對冬小麥葉片Pn、Tr、Gs、Ci均達(dá)到極顯著水平；水氮交互作用對Pn達(dá)到顯著水平，對Tr、Gs、Ci達(dá)到極顯著影響。不同水氮處理下，葉片Pn、Tr、Gs隨水氮的變化趨勢一致，僅Ci呈相反變化趨勢。具體表現(xiàn)為：在相同施氮水平下，葉片Pn、Tr、Gs在不同灌溉水平下由大到小表現(xiàn)為W2、W3、W1，且W2和W3顯著大于W1，但二者差異不顯著。這說明在底墑、拔節(jié)水和抽穗水的基礎(chǔ)上，適量的灌漿水能顯著提高灌后冬小麥的光合速率。在相同灌溉處理下，光合速率由大到小依次為N2、N3、N1，N2、N3下Pn顯著高于N1，但N2、N3之間差異不顯著，說明減氮可增強(qiáng)旗葉光合速率，高氮并沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢，反而光合速率會有不同程度降低。不同水氮處理葉片Pn、Tr、Gs最大值出現(xiàn)在W2N2處理。

SPAD表現(xiàn)為隨灌溉量與施氮量的增加先增后減的趨勢，且相同灌溉下N2與N3、相同施氮下W2與W3之間差異均不顯著，證明了高施氮肥與足水灌溉對葉片葉綠素含量均不會表現(xiàn)出優(yōu)勢。

2.3.2冬小麥光合響應(yīng)曲線

圖5為在不同灌溉與施氮條件下灌漿期冬小麥旗葉葉片的光響應(yīng)曲線，不同水氮處理的冬小麥光合響應(yīng)曲線有所差異。但各曲線在總體趨勢上一致，表現(xiàn)為在0～400 μmol/(m2·s)下光合速率迅速增強(qiáng)，之后緩慢變化，在PAR為1 200 μmol/(m2·s)左右達(dá)到最大并趨于平穩(wěn)。在相同灌溉下，N2處理冬小麥葉片在相同光強(qiáng)下的光合速率高于N3和N1處理。在相同施氮條件下，W2與W3下的曲線顯著高于W1，從光響應(yīng)曲線隨灌溉減少而下降的幅度來看，N1下響應(yīng)曲線間的光合速率下降幅度比N2與N3處理大，這說明增加施氮量可以改善水分不足對冬小麥葉片光合作用的影響。所有光響應(yīng)曲線在PAR高于600 μmol/(m2·s)時，不同灌溉水平的光響應(yīng)曲線間差距變大，這表明水分虧缺均會導(dǎo)致葉片對強(qiáng)光適應(yīng)能力降低。

利用直角雙曲線修正模型擬合光響應(yīng)曲線計算出參數(shù)(表4)。可以看出，不同水氮下光響應(yīng)曲線擬合較好(R2>0.9,P<0.01)，均達(dá)到極顯著水平，但不同灌溉量與施氮量對光響應(yīng)曲線參數(shù)的效應(yīng)不同。W2N2處理α最高，說明W2N2對弱光的利用最強(qiáng)；在W1下α隨施氮量的增加而降低，在W2與W3下α隨施氮量的增加先增加后降低，說明適量補(bǔ)水條件下，增施氮肥可以提高葉片對弱光的利用；在同一施氮水平下，α隨灌溉量的增加表現(xiàn)為先增后減的趨勢，說明適量增加灌溉可提高旗葉對弱光的利用。Pn,max在相同灌溉條件下均隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，N2平均比N1與N3處理增加13.1%、2.4%。在W2下減氮(N2)處理Pn,max最高，說明減氮適水可提高凈光合速率，過量灌溉和施氮反而會降低Pn,max。同時，不同水氮處理對Rd和Pn,max有相同的效應(yīng)，說明減氮適水也增加了暗呼吸速率。而W2N2光補(bǔ)償點(diǎn)最低，也表現(xiàn)出了較高的光合潛能。

表4 灌漿期不同處理旗葉光響應(yīng)曲線的模擬參數(shù)

可見，W2N2處理可以提高冬小麥旗葉對光的廣幅適應(yīng)能力，對提高光合能力具有明顯的作用。

2.4 產(chǎn)量與光合特性、光響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)性分析

各處理冬小麥產(chǎn)量(圖6)表現(xiàn)出明顯差異，W2灌溉水平下的各施氮處理產(chǎn)量明顯高于W1與W3下相應(yīng)處理，W2N2處理產(chǎn)量最高。

相關(guān)分析表明(表5)冬小麥產(chǎn)量與灌漿期的冬小麥葉片的SPAD、光合特性有著很高的相關(guān)系數(shù)，與光響應(yīng)參數(shù)中α、Pn,max和LCP指標(biāo)也存在一定相關(guān)性。產(chǎn)量與SPAD和Pn的相關(guān)系數(shù)高于其他參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，說明灌漿期旗葉葉綠素含量和凈光合速率對冬小麥光合產(chǎn)物的積累與轉(zhuǎn)移影響相對較大，灌漿期可以通過水氮因素二者調(diào)節(jié)來提高冬小麥產(chǎn)量。另外，冬小麥產(chǎn)量會因旗葉Ci與LCP的增加而受到抑制。但產(chǎn)量與抽穗期冬小麥葉片的SPAD、各光合特性均不相關(guān)，這表明灌漿期的水氮并未對產(chǎn)量造成顯著影響，且進(jìn)一步說明了灌漿水對產(chǎn)量影響顯著。

表5 產(chǎn)量與光合特性、光響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

3 討論

為了實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、高水肥利用效率和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，農(nóng)學(xué)家們提出了土壤-作物綜合系統(tǒng)管理[15]，以協(xié)調(diào)水肥的施用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，本文的研究核心與此類研究理念相吻合。

眾多研究[16-18]顯示，抽穗至灌漿期的冬小麥光合作用直接決定著產(chǎn)量，水、氮對冬小麥的光合生理特性影響顯著。本試驗中，在分析冬小麥旗葉光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)性中發(fā)現(xiàn)，在灌漿期旗葉的光合指標(biāo)Pn、Tr、Gs與產(chǎn)量Y呈顯著性正相關(guān)(表5)，這與唐曉培等[19]在研究產(chǎn)量與光合特性關(guān)系時結(jié)果一致。曹樹青等[20]發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)品種冬小麥灌漿期旗葉的光合功能持續(xù)高效，證明了光合與灌漿同步興衰的觀點(diǎn)。同樣，在本研究中，W2N2處理的光合能力與產(chǎn)量均最高，這充分說明了灌漿期旗葉較強(qiáng)的光合能力對作物高產(chǎn)的重要性。

眾多學(xué)者研究了水氮對冬小麥旗葉光合特性的影響。陳旭等[21]、石珊珊等[22]研究均表明水分虧缺使冬小麥旗葉葉綠素含量、光合速率下降，而適宜水分下旗葉光合性能得到顯著改善，籽粒產(chǎn)量增加。本研究中，供水量495 mm(W3)和370 mm(W2)處理的SPAD、Pn、Tr顯著高于供水量300 mm(W1)處理，表明低供水量下冬小麥葉片水分不足，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，影響CO2從空氣到細(xì)胞內(nèi)部的擴(kuò)散，Pn、Tr從而降低，這也與REDDY等[23]研究結(jié)果一致。文獻(xiàn)[24-26]研究表明，合理的施氮量能顯著提高冬小麥葉片的光合速率，但過量施肥會導(dǎo)致灌漿后期葉片早衰，降低光合速率。該觀點(diǎn)在本試驗中同樣得到了驗證，高氮(N3)處理無論在足水(W3)還是適水(W2)條件下均不能產(chǎn)生最佳的耦合效應(yīng)，反而導(dǎo)致葉片光合性能下降。

在水氮互作對冬小麥光合速率的影響中，不同研究提出了各自的高光合速率組合[6,16-17]，但其核心內(nèi)容均是合理適度灌溉和施氮，這與本研究提出的減氮適水的理念相吻合。

4 結(jié)束語