施氮量對不同土壤肥力條件下冬小麥光合特性和產(chǎn)量的影響

劉衛(wèi)星，王家瑞，王晨陽，盧紅芳，康 娟，申圓心

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450002； 2.河南省科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究所，河南鄭州 450008)

氮素是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，主要存在于葉綠體和蛋白質(zhì)中[1-3]。葉片中75%的還原氮以Rubisco酶的形式參與植株的光合作用[4]，施氮可增加葉片的葉綠素含量和光合面積，延緩衰老，提高葉片的光合能力和花后干物質(zhì)同化量，對小麥產(chǎn)量的增加有十分重要的作用[5-8]。嚴(yán)桂珠等[9]研究表明，施氮可增加小麥產(chǎn)量，施氮量為225 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高，繼續(xù)增加施氮量，增穗、促粒和增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。周順利等[10]通過研究不同小麥品種對氮肥的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)品種施氮量為180 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高。因此，不同土壤肥力麥田達(dá)到高產(chǎn)所需的施氮量不同。不同生態(tài)條件、肥力水平均影響作物施肥量，減少施肥可提高肥料利用率，但土壤氮素虧缺，因此，優(yōu)化減氮要在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，綜合考慮土壤肥力和養(yǎng)分供需平衡[11]。

黃淮平原麥區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，主要的種植模式是小麥-玉米一年兩熟輪作模式[12]。張福鎖等[13]研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)氮肥施用量遠(yuǎn)高于作物生長需求，盡管作物產(chǎn)量較高，但氮素利用率較低。前人對有關(guān)氮肥運(yùn)籌的研究僅考慮單季或單一作物，且試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間短，而同時(shí)在不同肥力條件下施氮量及冬小麥光合特性與產(chǎn)量形成的關(guān)系研究相對較少。因此，本研究在大田定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究不同肥力條件下施氮量對冬小麥光合特性與產(chǎn)量的影響，以期為實(shí)現(xiàn)減肥增效、增產(chǎn)環(huán)保的目標(biāo)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)分別于2012―2017年度在河南省開封市祥符區(qū)八里灣姬坡農(nóng)場(34°73′N，114°64′E)、于2012-2016年度在鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)(34°87′N，113°59′E)、于2014-2017年度在河南省開封市水稻鄉(xiāng)(34°90′N，114°33′E)3個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行，大田定點(diǎn)、定位試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。3個(gè)試點(diǎn)播前耕層(0～20 cm)土壤理化性質(zhì)見表1，其中，開封八里灣試點(diǎn)土壤肥力水平高，用KFH表示；鄭州試點(diǎn)土壤肥力水平中等，用ZZM表示；開封水稻鄉(xiāng)試點(diǎn)土壤肥力水平低，用KFL表示[14]。

表1 供試土壤0～20 cm理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical characteristics of the field experiment in 0-20 cm soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用小麥-玉米周年輪作體系的田間定位試驗(yàn)，開封八里灣試點(diǎn)開始于2012年10月，小區(qū)面積為115.2 m2(6.4 m×18.0 m)；鄭州試點(diǎn)開始于2012年10月，小區(qū)面積為20.3 m2(2.9 m×7 m)；開封水稻鄉(xiāng)試點(diǎn)開始于2014年10月，小區(qū)面積為48.0 m2(4.0 m×12.0 m)。3個(gè)試點(diǎn)均設(shè)置4個(gè)施氮水平，小麥季純氮施用量分別為0、180、240和300 kg·hm-2，分別用N0、N180、N240和N300表示，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。氮肥底追比例為5∶5，磷肥(P2O5150 kg·hm-2)和鉀肥(K2O 120 kg·hm-2)全部底施。供試小麥品種均為豫麥49-198，行距為20 cm，每年10月11日至15日播種，次年的5月底至6月初收獲。供試玉米品種為鄭單958，對應(yīng)小麥季N0、N180、N240和N300的4個(gè)施氮處理，玉米季純氮施用量分別為0、225、300、375 kg·hm-2，氮肥按照3∶7的比例分別于拔節(jié)期和大喇叭口期2次追施，磷肥(P2O590 kg·hm-2)和鉀肥(K2O 120 kg·hm-2)全部在拔節(jié)期施入。以下施氮處理均以小麥季4個(gè)純氮施用量表示。3個(gè)試點(diǎn)采用統(tǒng)一的耕作、灌水和病蟲害防治等管理措施。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 光合速率的測定

于開花期，選擇生長一致且有代表性的葉片，掛牌標(biāo)記。分別于小麥花后0、7、14和21 d，用 Li-6400XT便攜式光合測定儀(LI-COR，USA)測定旗葉、倒二葉和倒三葉的凈光合速率(Pn)。測定時(shí)選擇晴朗無云的上午(9:00-11:00)，設(shè)置飽和光強(qiáng)為1 200 μmol·m-2·s-1，葉室溫度為 25 ℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1。

1.3.2 葉綠素a和葉綠素b含量的測定

稱取新鮮的小麥葉片0.2 g左右(去除葉脈)，剪碎放入25 mL的棕色容量瓶中，用95%的乙醇定容，密封避光保存48 h，葉綠素a和葉綠素b在95%乙醇中最大吸收峰的波長為665 nm和649 nm，在此波長下測定吸光度，分別記為D665和D649，空白對照為95%乙醇。重復(fù)3次。

葉綠體色素含量=色素的濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重

葉綠素a色素濃度Ca=13.95D665- 6.88D649；

葉綠素b色素濃度Cb=24.96D649- 7.32D665

1.3.3 葉片Rubisco酶活性和全氮含量的測定

稱取小麥葉片鮮樣0.1 g，按照索萊寶Rubisco活性檢測試劑盒說明書測定葉片Rubisco酶的活性。葉片烘干粉碎后，采用H2SO4-H2O2消煮法和凱氏定氮法測定葉片全氮含量。

1.3.4 產(chǎn)量測定

于成熟期，每小區(qū)選生長均勻一致的區(qū)域面積用于產(chǎn)量計(jì)算，鄭州點(diǎn)劃定3.0 m×12行(包含2個(gè)邊行)，開封的兩個(gè)試點(diǎn)劃定3.0 m × 12行(包含1個(gè)邊行)，收獲后測定籽粒水分，折合計(jì)算出實(shí)際產(chǎn)量(按12%折算)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

采用Excel 2013和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Duncan新復(fù)極差方法對不同處理進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對不同土壤肥力條件下冬小麥產(chǎn)量的影響

從表2可以看出，高、中、低肥力麥田的產(chǎn)量分別為5 032.3～8 596.6 kg·hm-2、2 721.1～ 8 137.4 kg·hm-2和1 442.2～5 764.4 kg·hm-2。與N0處理相比，在不同肥力麥田，施氮處理基本上都顯著提高了小麥產(chǎn)量(除 2012-2013年度高肥力麥田N180、N300處理與N0處理無顯著差異外)，在N240處理下，小麥產(chǎn)量最高，但2013-2014和2014-2015年度在高肥力條件下，與N240處理相比，N300處理下小麥產(chǎn)量仍有所增加，但未達(dá)到顯著水平。冬小麥產(chǎn)量在N0處理下隨定位試驗(yàn)時(shí)間的延長均呈逐漸降低趨勢，低肥力麥田產(chǎn)量下降幅度最大，高肥力麥田次之，中肥力麥田下降幅度最小。說明持續(xù)無氮肥施入，土壤供氮能力逐漸降低，且對低肥力麥田影響最明顯。

表2 施氮對不同肥力麥田冬小麥產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of nitrogen application rates on grain yield of wheat from 2012-2017 growing seasons under different soil fertility kg·hm-2

施氮量與產(chǎn)量的回歸分析表明，隨著施氮量的增加，不同肥力下小麥產(chǎn)量均呈拋物線變化，其產(chǎn)量效應(yīng)方程分別為：

高肥力麥田(KFH)：y=5 855.9+15.295x-0.026 5x2(r=0.751 1**)

中肥力麥田(ZZM)：y=3 032.4+37.215x-0.080 8x2(r=0.924 9**)

低肥力麥田(KFL)：y=2 221.0+23.185x-0.041 9x2(r=0.859 1**)

基礎(chǔ)肥力產(chǎn)量以高肥力麥田最高(5 855.9 kg·hm-2)，中肥力麥田次之 (3 032.4 kg·hm-2)，低肥力麥田最低(2 221.0 kg·hm-2)。而其施氮增產(chǎn)效應(yīng)則表現(xiàn)出相反趨勢，高肥力條件下，2012-2017各年度所有施氮處理平均產(chǎn)量較N0處理分別增加10.8%、 34.7%、36.1%、47.3%和 54.9%；中肥力條件下，2012-2016各年度分別增加125.3%、 113.1%、136.4%和165.8%；低肥力條件下，2014-2017各年度分別增加 63.3%、160.4%和 288.2%。這表明隨著試驗(yàn)時(shí)間的延續(xù)，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸增加，且以中、低肥力條件下施氮增產(chǎn)效應(yīng)明顯。

施氮處理顯著增加了小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)，從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，施氮后產(chǎn)量的提高主要依靠穗數(shù)的增加，其次是穗粒數(shù)(表3)，高、中、低肥力條件下，施氮處理的穗數(shù)(2012-2017年度N180、N240和N300處理的平均值)較N0處理分別增加27.3%、98.7%和44.8%，穗粒數(shù)分別增加17.1%、 20.3%和68.6%，而千粒重則呈下降趨勢?？傮w來看，N240處理的穗數(shù)和穗粒數(shù)處于較高水平，N240處理較N0處理的多年平均穗數(shù)分別增加 29.3%(KFH)、104.5%(ZZM)和46.3%(KFL)，穗粒數(shù)分別增加19.3%(KFH)、24.0%(ZZM)和74.5%(KFL)。從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，產(chǎn)量由低產(chǎn)到中高產(chǎn)主要依靠穗數(shù)的增加，由中高產(chǎn)到高產(chǎn)主要依靠穗粒數(shù)的增加。

表3 施氮對不同肥力麥田冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect of nitrogen application rates on wheat yield components under different soil fertility

2.2 不同施氮水平對小麥葉片光合速率的影響

由于葉片凈光合速率、葉綠素、全氮及Rubisco活性等生理指標(biāo)在不同肥力試點(diǎn)及年份間有相似的變化規(guī)律，因此，本研究選取試驗(yàn)中期(2014-2015年度)及中肥力試點(diǎn)(鄭州)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由表4可知，葉片光合速率隨葉位降低而下降，但隨著灌漿進(jìn)程的推進(jìn)，影響效應(yīng)減弱。在開花期，旗葉所有處理的平均光合速率較倒二葉和倒三葉分別增加13.6%和37.1%，在花后21 d，分別增加7.4%和41.9%。施氮處理顯著增加頂三葉的光合速率，開花期N180、N240和N300處理的旗葉凈光合速率較N0處理分別增加22.5%、31.5%和19.4%。倒二葉凈光合速率在N240處理下最高，在花后14 d顯著高于其他處理；倒三葉光合速率在N300處理下最高，在花后0～14 d均顯著高于其他處理。說明不同位置葉片的光合能力對氮肥的響應(yīng)有所差異。

表4 不同施氮水平對小麥灌漿期頂三葉光合速率的影響(鄭州，2014-2015年)Table 4 Effect of different nitrogen application rates on photosynthesis rate of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) μmol·m-2·s-1

2.3 不同施氮水平對小麥葉片葉綠素含量的 影響

從表5可以看出，葉片葉綠素含量隨葉位降低而減小。與旗葉相比，倒三葉所有處理的平均葉綠素a含量在開花期、花后14 d和花后21 d分別降低20.4%、24.0%和14.4%，葉綠素b分別降低9.0%、17.43%和-0.8%。施氮處理顯著增加了頂三葉葉綠素a和葉綠素b的含量，開花期和花后14 d，頂三葉的葉綠素含量均以N240處理最高。且開花期旗葉葉綠素a含量在N240處理下與N180處理無顯著差異，而N240處理的葉綠素b含量顯著高于其他處理；花后14 d，倒二葉葉綠素含量在N240處理下均顯著高于其他處理；倒三葉葉綠素a含量在N240處理下與N300處理無顯著差異，葉綠素b含量在N240處理下與N300處理無顯著差異?；ê?1 d，旗葉葉綠素含量均以N240處理下最高，且N240處理的葉綠素b含量均顯著高于其他處理；倒二葉葉綠素含量均以N300處理下最高，與N180、N300處理差異不顯著；倒三葉葉綠素a含量以N240處理下最高，與N180處理無顯著差異，葉綠素b含量以N300處理下最高，與N180、N300處理差異不顯著。

表5 不同施氮水平對小麥灌漿期頂三葉葉綠素含量的影響(鄭州，2014-2015年)Table 5 Effect of different nitrogen application rates on the contents of Chl a and Chl b of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) mg·g-1 FW

2.4 不同施氮水平對小麥葉片全氮含量的影響

從表6可以看出，隨灌漿進(jìn)程的推進(jìn)，頂三葉全氮含量逐漸下降。葉片全氮含量隨葉位降低而下降，旗葉所有處理的平均全氮含量較倒二葉和倒三葉分別增加8.6%和25.5%(開花期)、 11.8%和32.8%(花后7 d)、11.2%和41.1%(花后14 d)、7.5%和36.0%(花后21 d)。施氮處理顯著增加了頂三葉的全氮含量，與N0處理相比，施氮處理旗葉的全氮含量增加56.5%～ 306.2%，倒二葉增加37.9%～304.7%，倒三葉增加46.1%～298.2%。開花期和花后7～21 d，各處理均以N300處理下頂三葉的全氮含量較高，除花后7 d的倒二葉、花后14 d的旗葉以及花后21 d的旗葉和倒三葉外，各時(shí)期N300處理的頂三葉全氮含量均顯著高于其他處理。

表6 不同施氮水平對小麥灌漿期頂三葉全氮含量的影響(鄭州，2014-2015年)Table 6 Effect of different nitrogen application rates on nitrogen accumulation of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) g·kg-1

2.5 不同施氮水平對小麥葉片Rubisco活性的影響

由表7可知，隨灌漿進(jìn)程的推進(jìn)，Rubisco活性逐漸下降。Rubisco活性隨葉位降低而下降，灌漿期旗葉所有處理的平均Rubisco活性較倒二和倒三葉分別增加12.5%和28.7%。施氮處理顯著增加了頂三葉的Rubisco活性，與N0處理相比，施氮處理旗葉的Rubisco活性增加36.6%～52.1%，倒二葉增加17.9%～52.4%，倒三葉增加27.4%～59.0%。開花期和花后7～21 d，各處理頂三葉的Rubisco活性均以N240處理最高，除開花期和花后14～21 d的倒二葉以及花后7 d的倒三葉外，各時(shí)期N240處理的頂三葉Rubisco活性均與N300處理無顯著差異。

表7 不同施氮水平對小麥開花期頂三葉Rubisco活性的影響(鄭州，2014-2015年)Table 7 Effect of different nitrogen application rates on Rubisco activity of flag leaf, top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) μmol·mL-1·min-1

3 討 論

氮肥是作物獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)，研究表明，定位試驗(yàn)4年后，施氮處理小麥的平均產(chǎn)量較不施氮處理產(chǎn)量增加230%[21]，在土壤水分充足的條件下，施氮200～300 kg·hm-2能獲得較高的產(chǎn)量[22]。本研究表明，施氮對三種肥力土壤的增產(chǎn)效應(yīng)存在差異，在定位試驗(yàn)進(jìn)行3年后，高、中和低肥力麥田施氮處理平均產(chǎn)量分別增加36.1%(2014-2015年度)、136.4%(2014-2015年度)和288.2%(2016-2017年度)，隨著土壤肥力下降，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸增加。原因可能是高肥力土壤播前土壤硝態(tài)氮積累量較高，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)減弱[23]。在施氮處理間，高、中和低肥力條件下，試驗(yàn)?zāi)甓萅240處理下的平均產(chǎn)量較N180處理分別增加7.0%、7.0%和6.1%，而繼續(xù)增加施氮量(N300)則產(chǎn)量降低。施氮增加小麥產(chǎn)量主要是通過協(xié)調(diào)穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重來實(shí)現(xiàn)。適量增施氮肥，可增強(qiáng)小麥的分蘗能力，促進(jìn)穗花的發(fā)育，增加穗數(shù)和穗粒數(shù)[23]。葉優(yōu)良等[24]研究表明，施氮量在0～90 kg·hm-2范圍內(nèi)，小麥千粒重和穗粒數(shù)隨施氮量的增加而顯著增加，而施氮量超過90 kg·hm-2時(shí)，穗粒數(shù)增加不顯著，超過180 kg·hm-2時(shí)，千粒重增加也不顯著。本試驗(yàn)條件下，施氮增加產(chǎn)量主要依靠穗數(shù)的增加，其次是穗粒數(shù)。施氮處理的穗數(shù)(2012-2017年度N180、N240和N300處理的平均值)較N0處理分別增加27.3%、98.7%和44.8%，穗粒數(shù)分別增加17.1%、20.3%和68.6%。產(chǎn)量由低產(chǎn)到中產(chǎn)水平時(shí)，產(chǎn)量的增加主要依靠穗數(shù)的增加。而由中產(chǎn)到高產(chǎn)水平，產(chǎn)量的增加主要依靠穗粒數(shù)的增加。小麥產(chǎn)量和施氮增產(chǎn)效果與土壤肥力密切相關(guān)，土壤基礎(chǔ)肥力高，則土壤對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大，對氮肥依賴性較低，施氮增產(chǎn)效果差。因此，為了充分發(fā)揮氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)，在中肥力麥田應(yīng)提倡穩(wěn)氮(施氮240 kg·hm-2)，以促穗為主，高肥力麥田應(yīng)注意控氮(施氮180 kg·hm-2)，以增粒為主。結(jié)合不同土壤肥力和不同時(shí)期養(yǎng)分供應(yīng)能力等確定適宜的施氮量，同步實(shí)現(xiàn)減肥增效、增產(chǎn)環(huán)保。