不同施氮量對冬小麥灌漿特性及產(chǎn)量的影響

賈崢嶸，郝佳麗，郝艷芳，劉 勇，白文斌

（山西農(nóng)業(yè)大學 高粱研究所，山西 晉中 030600）

氮素是作物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素，在作物的營養(yǎng)循環(huán)和代謝過程中起著關鍵作用[1-2]，也是同化物合成和積累的物質(zhì)基礎。小麥作為較高的需氮作物，氮肥的施用不僅影響其產(chǎn)量和品質(zhì)，還調(diào)控小麥灌漿期同化物的轉(zhuǎn)運及籽粒的形成[3]。

合理應用氮肥是提高氮肥利用率的重要手段，但近年來隨著小麥單產(chǎn)的提升，氮肥施用量也在相應的加大。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，我國超量施用化肥農(nóng)戶占到全國小麥種植生產(chǎn)戶的75%以上[4]。然而，長期施用過量的氮肥不僅會增加溫室氣體的排放，還會在耕層土壤出現(xiàn)不同程度的氮素累積，并通過降雨和灌溉的淋洗造成地表水和地下水污染[5-9]，氮素在損失的同時也造成生態(tài)環(huán)境的污染，不利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[10]。因此，合理施用氮肥不僅能減少氮肥損失，降低環(huán)境污染，也是獲得高產(chǎn)和改善冬小麥品質(zhì)的重要途徑。

小麥產(chǎn)量構(gòu)成的三要素是單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，其中，千粒質(zhì)量是小麥產(chǎn)量的重要指標，而決定小麥千粒質(zhì)量的關鍵時期是小麥的灌漿期[11-13]，灌漿期是小麥籽粒形成的重要階段，由各項灌漿參數(shù)共同決定。梳理前人研究，有關小麥籽粒灌漿特性的研究多有報道，主要集中在品種基因型[14-15]、耕作方式[16]、施肥措施[17-18]等方面，在氮肥應用上，已有研究表明，合理施用氮肥能夠促進干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運，提高籽粒粒質(zhì)量，但超過某一范圍后則會影響小麥產(chǎn)量的增加，不利于小麥穗粒數(shù)與粒質(zhì)量的提高[19]。習敏等[20]研究表明，在抽穗期追施氮肥能提前小麥灌漿開始時間，增加平均灌漿速率和最大灌漿速率，縮短了持續(xù)灌漿期。韓占江等[21]研究表明，在小麥灌漿期適量施加氮肥能夠提高小麥的灌漿速率和延長小麥灌漿持續(xù)時間。李娜等[22]研究表明，施加氮肥能減少達到最大灌漿速率所用的時間，加快小麥灌漿進入速增期，延長籽粒灌漿持續(xù)期。由于小麥品種的基因類型及其所處生長環(huán)境的差異，有關山西中部地區(qū)氮肥應用對冬小麥品種晉麥84 灌漿特征的研究報道還相對較少。

本試驗通過研究不同施氮量對冬小麥地上部干物質(zhì)積累量、灌漿特性以及產(chǎn)量的影響，以期為山西省中部地區(qū)冬小麥合理施用氮肥提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017 年9 月至2018 年6 月在晉中市祁縣東觀鎮(zhèn)試驗地（112°45′E，37°38′N）進行，選用土地平整、肥力均勻的地塊。試驗地土壤為褐土類型，0～20 cm 耕層土壤基礎肥力為：有機質(zhì)含量14.25 g/kg，全氮含量0.92 g/kg，堿解氮含量73.56 mg/kg，速效磷含量13.4 mg/kg，速效鉀含量255 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試冬小麥品種為晉麥84，由山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所選育。

1.3 試驗設計

試驗共設9 個氮素處理，分別為0（CK）、120（N1）、150（N2）、180（N3）、210（N4）、240（N5）、270（N6）、300（N7）、360 kg/hm2（N8）。試驗用氮肥為尿素（N 46%），70%用于底肥，30%用于追肥。磷肥為磷酸二銨（P2O546%），施用量為180 kg/hm2。小區(qū)面積為30 m2，隨機區(qū)組排列，每個處理重復3 次。冬小麥于當年10月播種，次年6月收獲。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 地上部干物質(zhì)積累量的測定 在冬小麥4 個生育期（拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期）分別取10 株冬小麥進行干物質(zhì)調(diào)查取樣，將樣品80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定地上部單株干物質(zhì)質(zhì)量。

1.4.2 冬小麥灌漿特性測定 冬小麥開花時選擇同一天開花、長勢一致的植株300 株進行標記，在花后第7 天開始取樣，每隔7 d 取樣1 次，直至成熟。樣品于105 ℃烘箱下殺青30 min，調(diào)至80 ℃烘干至恒質(zhì)量，記錄每次冬小麥的籽粒干質(zhì)量，折算千粒質(zhì)量。

本研究參照江曉東等[23]的方法，以籽粒千粒質(zhì)量（Y）為因變量，花后天數(shù)（t）為自變量，采用Logistics 模型來擬合冬小麥灌漿期籽粒增質(zhì)量過程的生長曲線方程，并對該方程求導，計算灌漿參數(shù)。

其中，k表示最大千粒質(zhì)量，a、b 為常數(shù)。

依據(jù)方程，計算得出灌漿參數(shù)有快速積累起始時間T1（d）、到達最大灌漿速率的時間Tmax（d）、灌漿持續(xù)天數(shù)T（d）、平均灌漿速率Vmean（g/d）、最大灌漿速率Vmax（g/d）。

1.4.3 產(chǎn)量測定 冬小麥成熟期調(diào)查各個處理，以1 m2的采樣區(qū)域(重復6 次)，脫粒曬干，折算成實際產(chǎn)量（kg/hm2）；統(tǒng)計單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017處理數(shù)據(jù)，SPSS 17.0 進行統(tǒng)計分析，采用Duncan 新復極差法進行多重比較，顯著性檢驗水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對冬小麥地上部單株干物質(zhì)積累量的影響

從表1 可以看出，不同施氮量處理的冬小麥各生育期地上部干物質(zhì)積累量都顯著高于CK。N6、N7、N8 處理下，冬小麥拔節(jié)期和抽穗期的地上部單株干物質(zhì)積累量顯著高于N1、N2、N3、N4、N5 處理（P＜0.05），而灌漿期和成熟期的地上部單株干物質(zhì)積累量反而低于其他處理；在N6 處理下，冬小麥拔節(jié)期到抽穗期的單株干物質(zhì)積累量顯著高于其他處理（P＜0.05），N3 處理下，抽穗期到灌漿期的單株干物質(zhì)積累量最大，而在冬小麥灌漿期到成熟期，N4 處理（施氮量為210 kg/hm2）的冬小麥成熟期單株干物質(zhì)積累量最多。說明高氮處理時，有利于促進冬小麥營養(yǎng)生長期的干物質(zhì)積累，但在冬小麥開花期到成熟期的干物質(zhì)積累量反而降低；低氮處理時，由于氮量供應不足，使得冬小麥整個生長發(fā)育期的干物質(zhì)積累量都偏低；中氮處理時，冬小麥前期生長既不會因缺少氮影響生長，也不會因氮過量造成干物質(zhì)過量積累，影響冬小麥后期的生長。

表1 不同施氮量對冬小麥生育期地上部單株干物質(zhì)積累量的影響Tab.1 Effect of different nitrogen application on aboveground dry matter accumulation of winter wheat in fertility g

2.2 不同施氮量對冬小麥籽粒灌漿特性的影響

2.2.1 不同施氮量對冬小麥籽粒千粒質(zhì)量的影響 不同施氮處理下冬小麥籽粒干質(zhì)量積累曲線如圖1 所示。

圖1 不同施氮處理下冬小麥籽粒干質(zhì)量積累曲線Fig.1 Dry weight accumulation curves of winter wheat seeds under different nitrogen application treatments

由圖1 可知，不同氮肥處理的冬小麥籽粒灌漿進程均呈“S”型變化，灌漿速率均為單峰曲線，開花后7～21 d 灌漿速率呈上升趨勢，開花后21 d 到成熟期冬小麥灌漿速率呈下降趨勢，其中，開花后14～21 d 的灌漿速率最大。冬小麥開花后7 d，CK的灌漿速率顯著高于不同氮肥處理，其次是N3 處理，N8 處理的灌漿速率最低；開花21 d 后N4 處理的冬小麥灌漿速率最大，低于施氮量為210 kg/hm2的灌漿速率，顯著高于高施氮量。到灌漿后期，高氮處理的冬小麥灌漿速度略高于中氮和低氮處理。成熟期CK 的冬小麥千粒質(zhì)量最大，其次是N3處理。

2.2.2 不同施氮量對冬小麥籽粒灌漿參數(shù)的影響 由表2 可知，根據(jù)擬合的灌漿速率方程計算得出各施氮處理的灌漿參數(shù)，最大灌漿速率（Vmax）與平均灌漿速率（Vmean）出現(xiàn)在N4 處理下，分別為2.70、1.81 g/d，而且N4 處理（施氮量≤210 kg/hm2）的最大灌漿速率和平均灌漿速率顯著高于CK。N5、N6、N7、N8 處理的冬小麥在花后13 d 進入快速積累期，在花后20 d 達到最大灌漿速率；而CK 和低于N4 處理的小麥較高施氮量處理的提前了1～2 d，N3 處理的最早進入籽粒快速積累期；N1、N2、N3、N4 處理的冬小麥籽粒達到最大灌漿速率較N5、N6、N7、N8 處理的提前1 d。CK 的理論最大千粒質(zhì)量和灌漿持續(xù)天數(shù)顯著高于各施氮處理，N2、N3、N4 處理的理論最大千粒質(zhì)量高于N1、N5、N6、N7、N8 處理。

表2 不同施氮處理下冬小麥籽粒灌漿參數(shù)比較Tab.2 Comparison of winter wheat grain filling parameters under different nitrogen application treatments

2.2.3 冬小麥籽粒灌漿參數(shù)與千粒質(zhì)量的相關性分析 冬小麥灌漿主要參數(shù)與千粒質(zhì)量的相關分析（表3）可知，千粒質(zhì)量與籽粒灌漿的平均灌漿速率（Vmean）、最大灌漿速率（Vmax）、灌漿持續(xù)時間（T）均呈顯著正相關，而與籽粒到達最大灌漿速率時間（Tmax）呈顯著負相關。籽粒灌漿的持續(xù)時間（T）與籽粒灌漿的最大灌漿速率（Vmax）呈極顯著負相關，與籽粒灌漿的平均灌漿速率（Vmean）呈顯著負相關，與到達最大灌漿速率時間（Tmax）呈顯著正相關。籽粒灌漿的平均灌漿速率（Vmean）與最大灌漿速率（Vmax）呈極顯著正相關，與到達最大灌漿速率時間（Tmax）呈極顯著負相關。因此，說明千粒質(zhì)量與籽粒的灌漿速率和持續(xù)天數(shù)有關，灌漿速率越大，持續(xù)時間越長，冬小麥籽粒千粒質(zhì)量就越大。

表3 冬小麥籽粒灌漿參數(shù)與千粒質(zhì)量的相關性分析Tab.3 Correlation analysis between grain filling parameters and 1000-grain weight of winter wheat

2.3 不同施氮量對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表4 可知，不同氮肥處理的冬小麥公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量都顯著高于CK，而千粒質(zhì)量顯著低于CK。N8 處理（施氮量為360 kg/hm2）的公頃穗數(shù)最大，說明高施氮量能增加冬小麥的分蘗數(shù)，從而增加公頃穗數(shù)；N6 處理的穗粒數(shù)最大，其次是N4 處理，較高施氮量的穗粒數(shù)低于中等施氮量；低中等施氮量處理的千粒質(zhì)量顯著高于高施氮量，其中，N1 處理的顯著高于其他處理；N4 處理（施氮量為210 kg/hm2）的產(chǎn)量最高，其次是N6 處理。說明施氮肥能提高冬小麥的產(chǎn)量，但是過高的施氮反而會降低產(chǎn)量。

表4 不同施氮量對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.4 Effect of different nitrogen application on yield and yield components of winter wheat

由表5 可知，不同氮肥處理的冬小麥產(chǎn)量與穗粒數(shù)呈極顯著正相關，與千粒質(zhì)量呈顯著正相關，與公頃穗數(shù)呈顯著負相關，說明適當降低小麥的公頃穗數(shù)，提高穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量可提高產(chǎn)量。公頃穗數(shù)與千粒質(zhì)量呈極顯著負相關，說明公頃穗數(shù)增加會降低千粒質(zhì)量。

表5 不同施氮量下冬小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關性分析Tab.5 Correlation analysis of yield and yield components of winter wheat under different nitrogen application

3 結(jié)論與討論

本研究表明，不同施氮量處理的冬小麥地上部干物質(zhì)積累量都顯著高于CK。N3 處理的冬小麥抽穗期到灌漿期的地上部干物質(zhì)積累量最大，N4處理的冬小麥成熟期地上部干物質(zhì)積累量最大。說明氮素供應不足會因缺氮造成冬小麥整個生育期地上部干物質(zhì)積累偏低，氮素過量會促進冬小麥前期營養(yǎng)生長過度，適量施用氮肥能滿足冬小麥整個生育期的生長發(fā)育，前期既不會因缺少N 影響生長，也不會因N 過量造成干物質(zhì)過量積累，影響冬小麥后期的生長。

灌漿期是影響小麥產(chǎn)量的重要時期，衡量灌漿過程的關鍵指標是小麥籽粒的灌漿特性[24]，而灌漿特性主要是通過灌漿速率以及灌漿持續(xù)時間來進行調(diào)控的[25]。本試驗中不同氮肥處理的冬小麥籽粒灌漿進程均呈“S”型變化，灌漿速率均為單峰曲線，前期的灌漿速率較慢，中期的灌漿速率加快，到籽粒灌漿后期的灌漿速率減慢，這與籽粒的生長發(fā)育過程相一致?；ê? d，CK 的灌漿速率顯著高于氮肥處理；花后21 d，N4 處理的冬小麥灌漿速率最大。在灌漿后期，高氮處理的冬小麥灌漿速度略高于中氮和低氮處理。

采用Logistic 模型分別擬合出不同氮肥處理的冬小麥灌漿進程的生長曲線方程，對得出的方程進行求導，計算灌漿參數(shù)。根據(jù)小麥千粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的相關性分析得出，千粒質(zhì)量與籽粒的灌漿速率和持續(xù)天數(shù)呈顯著正相關，這與李文陽等[26]的研究結(jié)果一致；苗永杰等[14]研究也表明，灌漿速率、灌漿持續(xù)時間與千粒質(zhì)量均呈現(xiàn)顯著正相關，二者共同影響小麥千粒質(zhì)量大小。N2、N3、N4 處理的冬小麥最大灌漿速率（Vmax）與平均灌漿速率（Vmean）較高，進入快速積累時間較早，這與習敏等[20]的研究結(jié)果相一致；李彥旬等[18]研究也表明，適宜的施氮量不但能延長小麥灌漿活躍期，還能提高籽粒灌漿速率，對千粒質(zhì)量形成有利。灌漿持續(xù)時間與其他處理的差異不明顯，因此，N2、N3、N4 處理的冬小麥千粒質(zhì)量相對較大。

不同氮肥處理的冬小麥公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量都顯著高于CK，而千粒質(zhì)量顯著低于CK。這與冬小麥基因型有關，晉麥84 號是典型的大粒品種，千粒質(zhì)量過大，由于CK 不施氮肥，冬小麥在前期分蘗較少，公頃穗數(shù)較低，開花后以籽粒灌漿為主，所以，千粒質(zhì)量較高。冬小麥產(chǎn)量與穗粒數(shù)呈極顯著正相關，與千粒質(zhì)量呈正相關，與公頃穗數(shù)呈負相關，公頃穗數(shù)與千粒質(zhì)量呈極顯著負相關，N 肥過量會增加冬小麥的公頃穗數(shù)，公頃穗數(shù)過多導致千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)降低，進而影響產(chǎn)量。彭永欣[27]研究發(fā)現(xiàn)，施氮量與籽粒的產(chǎn)量表現(xiàn)為二次曲線，當施氮量處于一定范圍時，小麥的產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，但高于臨界點，氮肥的投入產(chǎn)出比便會快速減小。姚釗等[28]研究表明，滴灌條件下在一定施氮范圍內(nèi)，冬小麥的籽粒產(chǎn)量隨著施氮量的增加逐漸增加，但當超過一定范圍后產(chǎn)量下降；N4 處理的冬小麥公頃穗數(shù)適中，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量較高，產(chǎn)量最大。因此，冬小麥施氮量為150～210 kg/hm2時，使得冬小麥越冬期分蘗數(shù)降低，提高穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，進而提高產(chǎn)量。