減氮對小麥孕穗期植株氮素分配及葉片葉綠素含量的影響

宋凌麒， 劉 歡， 田麗云，錢彩虹，朱新開， 盛海君，3

(1.揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225127； 2.揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，江蘇揚州 225009；3. 江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210095)

氮素是作物生長和發(fā)育的關(guān)鍵因素，施用氮肥是改善土壤氮含量、促進(jìn)土壤氮供應(yīng)能力的重要措施之一，施氮量不僅影響著小麥的生長發(fā)育狀況，而且顯著影響小麥的產(chǎn)量和氮素積累。合理的氮肥用量能促進(jìn)小麥對氮素的吸收與利用，促進(jìn)小麥生長發(fā)育，而不合理施氮特別是過量施氮會造成土壤板結(jié)，降低氮肥利用率，增加氮素流失，甚至?xí)廴经h(huán)境，引起一系列環(huán)境問題。因此如何根據(jù)小麥自身的養(yǎng)分需求特征，合理、準(zhǔn)確、定量地施用氮肥，在穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)上提高氮肥利用效率，減少浪費，提高效益，是當(dāng)前研究的熱點之一。

氮對冬小麥的生命活動以及產(chǎn)量的高低、品質(zhì)的優(yōu)劣有著極為重要的作用，合理的氮肥用量可以增加小麥的有效分蘗數(shù)和葉綠素含量，同時對小麥的生物量和產(chǎn)量有著顯著影響。葉綠素含量是研究小麥氮素營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)，眾多研究表明，葉綠素含量與SPAD值有良好的相關(guān)性，可使用SPAD葉綠素計測定相應(yīng)作物葉片葉綠素含量。朱新開等認(rèn)為，小麥葉片 SPAD值與全氮含量呈正相關(guān)，可以用 SPAD值診斷小麥的氮營養(yǎng)狀況，可選擇倒2完全葉或者倒3完全葉測量SPAD值，以估測葉綠素含量。李志宏等認(rèn)為，測定時應(yīng)選擇最上部完全展開葉，且在葉片中部進(jìn)行測定的結(jié)果比較準(zhǔn)確。葛君等研究認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量與施氮量呈正相關(guān)，但一旦氮素用量超過了一定范圍，再增加氮素反而會造成葉綠素含量的下降，說明過量的氮素會抑制小麥葉片葉綠素含量的提高。

有關(guān)氮肥用量對小麥產(chǎn)量的影響，有較多報道，但結(jié)果不盡一致，與試驗生態(tài)條件、地力水平、品種類型、肥料運籌方式等相關(guān)，趙新春等在半干旱黃土區(qū)偏低地力土壤上試驗，認(rèn)為增加施氮量對冬小麥有著明顯的增產(chǎn)作用，同時也能顯著提高冬小麥的生物量，并認(rèn)為小麥體內(nèi)的氮素含量主要是從氮肥中吸收得來，占總氮量的68%，由土壤提供的氮素僅占總氮量的32%。王月福等研究認(rèn)為，在高肥力土壤上，適當(dāng)降低氮肥施用量，幾乎不影響小麥的氮素積累和產(chǎn)量。朱新開等研究認(rèn)為，不同土壤肥力下適當(dāng)增加施氮量可以顯著提高氮肥利用率，籽粒產(chǎn)量與施氮量的相關(guān)性在高、中肥力下呈二次曲線關(guān)系，低肥力下呈線性關(guān)系。王茂瑩等研究了不同小麥品種的產(chǎn)量及氮素利用效率等對施氮量的響應(yīng)，認(rèn)為施氮量過高，可能會造成小麥對氮的奢侈吸收和消耗，使小麥體內(nèi)儲存的氮素增多，降低了氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運，造成了小麥的氮素吸收效率及利用效率的降低，得出了隨施氮量增加，小麥產(chǎn)量對氮肥的響應(yīng)度減小的結(jié)論。

目前，關(guān)于不同施氮量對小麥植株氮素積累的研究多是從植株整個營養(yǎng)體水平進(jìn)行，各器官氮素分布研究較少，本試驗擬在前人研究基礎(chǔ)上，研究高地力條件下適度減氮對小麥孕穗期植株地上部各器官氮含量及不同葉位葉綠素含量變化的影響，以期為后期優(yōu)化氮肥運籌，促進(jìn)小麥抽穗后氮素積累及氮向籽粒中轉(zhuǎn)運，提高小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020—2021年在揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗田進(jìn)行，壤土，播種前基礎(chǔ)地力為有機(jī)質(zhì)含量 23.93 g/kg、全氮含量1.40 g/kg、堿解氮含量 101.14 mg/kg、速效磷含量70.94 mg/kg、速效鉀含量145.21 mg/kg，并取秸稈，測定養(yǎng)分含量。試驗前進(jìn)行秸稈還田處理，即采用人工的方式將已經(jīng)被機(jī)械切碎成5 cm左右的水稻短稈均勻鋪撒于小區(qū)。秸稈混入土層需要旋耕，旋耕深度15 cm左右。供試氮肥為含氮46%的普通尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀肥。小麥品種為揚麥29。

1.2 試驗設(shè)計

采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，試驗設(shè)4個處理，分別是正常施氮量(純N 240 kg/hm)、減氮10%、減氮15%、不施氮。氮肥按照4種不同肥料(基肥 ∶壯蘗肥 ∶拔節(jié)肥 ∶孕穗肥)5 ∶1 ∶2 ∶2的比例施用。磷(PO)、鉀(KO)均為120 kg/hm，按基肥和拔節(jié)肥各50%施入。2020年10月31日播種，待出苗后按基本苗225萬/hm定苗，按高產(chǎn)田方式進(jìn)行管理。小區(qū)面積12 m，重復(fù)3次。

1.3 測定項目與測定方法

1.3.1 生物量 于孕穗期每處理取樣20株，按部位分開，用烘干稱重法測定倒1、倒2、倒3葉葉片及葉鞘、穗及其他部位生物量，通過計算得出單位面積的生物量。

1.3.2 植物氮含量 對孕穗期植株不同部位樣本進(jìn)行粉碎，測定全氮和硝態(tài)氮含量，其中全氮(不含硝態(tài)氮)含量采用硫酸-雙氧水消煮，靛酚藍(lán)比色法測定；硝態(tài)氮含量采用沸水提取，水楊酸法測定。

1.3.3 葉綠素含量(SPAD值) 于孕穗期用葉綠素測定儀(SPAD-502，日本生產(chǎn))測定倒1、倒2、倒3葉的葉片SPAD值(30張葉片的平均)。測定部位是葉片的中間部位(避開葉片的葉脈部位)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

采用Microsoft Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及差異顯著性檢驗(法)。

計算公式：

生物量[濃度、積累量、SPAD值]增減=(減氮處理生物量[濃度、積累量、SPAD值]-正常處理生物量[濃度、積累量、SPAD值])/正常處理生物量[濃度、積累量、SPAD值]×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對孕穗期小麥不同部位干物質(zhì)積累量的影響

生物量是表征生長發(fā)育的數(shù)量指標(biāo)。本試驗結(jié)果表明，施氮量明顯影響小麥孕穗期生物量，其中以減氮10%處理的小麥生物量最高，為11.80 t/hm。其次是常規(guī)施氮處理為10.49 t/hm，減氮15%、不施氮處理生物量較小(表1)。

進(jìn)一步分析不同器官間變化表明，與正常施氮相比，減氮10%處理孕穗期小麥不同部位生物量均有明顯的提高，尤其是最后3張功能葉葉片增加幅度最大，其他部位(除穗子、葉片、葉鞘之外的莖桿及老葉等)生物量也均較對照有所增加，為形成大穗奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)(穗部質(zhì)量比對照高出21.8%)。減氮15%處理除倒1、 倒2葉鞘生物量較對照有所增加外，其余各部位生物均較對照下降，其中下降最多的是倒2葉葉片生物量，下降幅度達(dá)12.5%，不利于形成大穗，穗部質(zhì)量較對照下降了5.9%(表2)。

表1 不同處理下小麥不同部位的生物量影響

表2 不同處理對小麥不同部位生物量的影響

2.2 施氮量對小麥孕穗期植株不同部位氮含量的影響

2.2.1 對硝態(tài)氮含量的影響 氮是促進(jìn)作物擴(kuò)展葉面積的最重要元素，因此必須維持葉片中一定的氮含量。試驗數(shù)據(jù)顯示，小麥孕穗期體內(nèi)各部位硝態(tài)氮含量均較低，在0.67～2.73 mg/g之間(圖1)。

不同處理間比較可以看出，減氮處理對小麥植株體內(nèi)硝態(tài)氮含量的影響總體表現(xiàn)為隨施氮量減少，植株體內(nèi)各部位(除倒3葉鞘)硝態(tài)氮含量逐漸增加，不施氮處理植株體內(nèi)各部位硝態(tài)氮含量相對較高，分析認(rèn)為是由于生物量減少濃縮所致。

2.2.2 對全氮含量的影響 結(jié)果表明，試驗各處理孕穗期植株體內(nèi)全氮含量均為葉片>穗>葉鞘、其他部位(圖2、圖3)。不同處理間比較，減氮影響最大的是葉片中全氮含量，減氮10%處理小麥倒1、倒2、倒3葉葉片中全氮含量(不包括硝態(tài)氮)分別達(dá)到了26.94、28.07、22.58 mg/g，分別比對照(正常施氮處理)增加了13.0%、31.4%、10.0%；減氮15%處理小麥倒1、倒2、倒3葉葉片中全氮含量(不包括硝態(tài)氮)與對照(正常施氮)相比也略有增加，分別增加了1.7%、18.5%、0.9%，表明適量減氮并不會降低孕穗期小麥主要功能葉片中全氮含量(圖2、表3)。

圖3、表4給出了不同施氮量處理下小麥不同部位全氮(含硝態(tài)氮)含量。由于硝態(tài)氮在孕穗期小麥體內(nèi)含量較低，基本可以忽略，因此，全氮(含硝態(tài)氮)在植物體內(nèi)的分布及含量變化與全氮(不含硝態(tài)氮)在植物體內(nèi)的分布及含量變化完全一致。

2.3 施氮量對小麥孕穗期植株不同部位氮素積累量的影響

2.3.1 對硝態(tài)氮積累量的影響 結(jié)果表明，小麥不同部位硝態(tài)氮積累量與含量不完全一致，由于葉片生物量比較小，葉片中硝態(tài)氮積累量也比較小，其他部位(除葉、鞘、穗之外的莖桿及老葉等)由于生物量比較大，雖然硝態(tài)氮含量也不高，考慮到生物量的因素，其硝態(tài)氮積累量較其他部位明顯增加。不同施氮量處理之間，對照(正常施氮)、減氮10%和減氮15% 3個處理小麥各部位硝態(tài)氮總積累量最終趨于一致，處理間差異不顯著(圖4)。

表3 不同處理對小麥不同部位全氮含量(不含硝態(tài)氮)的影響

表4 不同處理對小麥不同部位全氮含量(含硝態(tài)氮)的影響

2.3.2 對全氮積累量的影響 分析表明，減氮處理不僅影響小麥體內(nèi)氮含量，也影響氮積累量。植物體各部位全氮積累量與含量也不完全一致，雖然葉片中全氮含量較其他部位明顯增加，但由于葉片生物量比較小，氮素積累量也比較小；其他部位(除葉、鞘、穗之外的莖桿及老葉等)雖然氮含量不高(與葉鞘含量差不多)，但由于生物量比較大，其氮素積累較多(圖5、圖6)。

不同處理之間比較可以看出，減氮10%處理小麥倒2葉、倒3葉中氮積累量(不含硝態(tài)氮)分別較對照高45.4%、31.3%，其他部位氮積累量也均較對照(正常施氮)有所增加，其最終地上部氮總積累量為134.6 kg/hm，較對照(109.7 kg/hm)高22.7%(表5)，即使加上硝態(tài)氮，減氮10%處理地上部氮總積累量為151.6 kg/hm，較對照(124.3 kg/hm)高22.0%(表6)，處理間差異達(dá)到顯著水平。

減氮15%處理地上部各部位氮積累量與對照相比有增有減，其最終地上部氮總積累量為 98.6 kg/hm，較對照減少9.8%(表5)，加上硝態(tài)氮，減氮15%處理地上部氮總積累量為114.4 kg/hm，較對照減少8.0%(表6)，處理間差異不顯著。

表5 不同處理對小麥不同部位全氮(不含硝態(tài)氮)積累量的影響

2.4 施氮量對小麥孕穗期不同部位葉片葉綠素含量(SPAD值)的影響

葉綠素含量是研究小麥氮素營養(yǎng)狀況的重要生理指標(biāo)，本試驗用葉綠素測定儀測定的SPAD值表示葉片中葉綠素含量的高低。結(jié)果表明，所有處理葉綠素含量(SPAD值)均為倒2葉>倒3葉>倒1葉(表7)。進(jìn)一步分析可以看出，與對照(正常施氮處理)相比，減氮10%、減氮15%并不會使葉片中葉綠素含量明顯下降，仍保持了較高的葉綠素含量，其中減氮10%葉片中葉綠素含量較對照略有下降，是減氮10%處理小麥葉片生物量較對照大幅增加引起的稀釋作用造成的，減氮15%則因為葉片較小濃縮造成的，不施氮處理葉綠素含量最低，SPAD值最小(表7)。

表6 不同處理對小麥不同部位全氮(含硝態(tài)氮)積累量的影響

表7 不同處理對小麥不同部門葉片葉綠素含量(SPAD值)的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

小麥孕穗期是養(yǎng)分需求的高效營養(yǎng)期，植株較高的C、N營養(yǎng)有利于促進(jìn)小花分化發(fā)育，減少小花退化，提高粒數(shù)，并且可在莖、鞘中暫時貯藏較多的C、N產(chǎn)物，為花后籽粒灌漿提供較多的物質(zhì)來源，生產(chǎn)中常通過施用拔節(jié)肥和孕穗肥來保證小麥孕穗期的營養(yǎng)供應(yīng)能力，實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，大量研究證明，適量增施氮肥能顯著提高小麥孕穗期生物量和氮素積累量。但如果供氮過高，造成花期及花后旺長，也會造成營養(yǎng)物質(zhì)過多滯留在營養(yǎng)器官中，不僅不利于產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善，甚至還會加重病蟲害的發(fā)生和加大倒伏風(fēng)險，產(chǎn)量還會降低，相關(guān)研究認(rèn)為，施氮量與產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系。雷炳樺等認(rèn)為，20%減氮結(jié)合覆蓋對冬小麥的產(chǎn)量、氮素累積量及轉(zhuǎn)移量均無顯著影響，減少氮肥用量能夠滿足冬小麥的生長需求。本研究表明，高地力下適度減氮(減少10%、15%)能提高冬小麥營養(yǎng)器官生物量、氮含量和積累量；不同施氮量下，以減氮10%氮含量和積累量最好，生物量增加幅度較大。

氮素水平明顯影響小麥對硝態(tài)氮的積累，隨著氮肥施用量的減少，孕穗期小麥不同部位的硝態(tài)氮含量顯著升高，但總體處于較低的水平。這可能是因為植物根系通過感受自身的氮素營養(yǎng)狀況來對外界氮素供應(yīng)作出反應(yīng)，而植株體內(nèi)的硝酸鹽可能作為信號物質(zhì)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的一系列生理生化反應(yīng)。一方面是因為硝態(tài)氮的流動性好，孕穗期小麥穗生長發(fā)育需要氮素，硝態(tài)氮便由莖部傳導(dǎo)至穗；另一方面是因為硝態(tài)氮的過量吸收。累積在植物液胞中的硝態(tài)氮可作為一種內(nèi)源貯存養(yǎng)分，在外源氮素供應(yīng)不足時釋放至細(xì)胞質(zhì)中被植物利用。隨著氮肥施用量的減少，外源氮素供應(yīng)逐漸不足，此時硝態(tài)氮便成了氮素的一部分來源，供給營養(yǎng)器官生長發(fā)育。此外，相同處理下的葉片和葉鞘中，不管是硝態(tài)氮含量還是積累量都顯著低于穗和其他部位。雷炳樺等認(rèn)為，冬小麥莖基部硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而呈直線式增加，與小麥產(chǎn)量有很好的相關(guān)關(guān)系，冬小麥莖基部硝態(tài)氮含量很好地反映了植株體內(nèi)的氮素營養(yǎng)狀況。本研究中，孕穗期小麥莖基部硝態(tài)氮含量與全氮含量并無顯著相關(guān)性。

本研究還認(rèn)為，植株個體氮素含量在孕穗期以葉片最高，這與已有研究結(jié)果一致。姜麗娜等研究認(rèn)為，從空間位置看，開花期葉片及莖節(jié)氮含量和積累量均表現(xiàn)為隨空間位置下移而降低。而本研究中并沒有出現(xiàn)這樣的規(guī)律，這可能是因為孕穗期倒2葉及葉鞘已完全伸出，但倒1葉及葉鞘還未生長完全，氮素還未轉(zhuǎn)運完全。

氮素是葉綠體的主要成分之一，研究施氮量對作物體內(nèi)葉綠素與SPAD值的影響具有重要意義。增施氮肥可以促進(jìn)小麥葉片光合色素的合成與積累，增加葉片對光的吸收和捕獲能力，促進(jìn)光合作用，提高光合速率。研究認(rèn)為，小麥葉片 SPAD值與葉片硝態(tài)氮含量無顯著相關(guān)性，與全氮含量呈正相關(guān)，可以用 SPAD值診斷小麥的氮營養(yǎng)狀況。本研究認(rèn)為，倒2葉SPAD值大于倒3葉、倒1葉，倒1葉最低，這可能是因為倒1葉葉片還沒有進(jìn)入功能盛期，內(nèi)部葉綠素還在合成。與正常施氮處理相比，適量減氮(減氮10%、15%)并不會使葉片中葉綠素含量明顯下降。

3.2 結(jié)論

(1)施氮量明顯影響小麥孕穗期生物量。與對照(正常施氮)相比，減氮10%處理葉片生物量增加幅度較大，其他部位也均有明顯提高；減氮15%處理功能葉生物量下降較多，其他部位有升有降；不施氮處理整體生物量下降幅度較對照超過了70%。最終結(jié)果是減氮10%處理小麥生物量最高，其次是常規(guī)施氮處理，減氮15%和不施氮處理生物量較小。(2)施氮量對孕穗期小麥硝態(tài)氮含量的影響表現(xiàn)為，隨施氮量減少，植株體內(nèi)各部位硝態(tài)氮含量逐漸增加，但總體處于較低的水平(0.67～2.73 mg/g之間)。不同施氮量處理孕穗期植株體內(nèi)全氮含量均為葉片>穗>葉鞘和其他部位。減氮影響最大的是葉片中全氮含量。減氮10%處理小麥倒1、倒2、倒3葉中全氮含量(不含硝態(tài)氮)較對照分別增加了13.0%、31.4%、10.0%；減氮15%處理小麥倒1葉、倒2葉、倒3葉中全氮含量較對照略有增加；不施氮處理小麥各部位全氮含量顯著下降。說明適量減氮并不會降低孕穗期小麥主要功能葉片中全氮含量。(3)適量減氮對孕穗期小麥體內(nèi)硝態(tài)氮積累量影響較小，除不施氮處理硝態(tài)氮積累量顯著減少外，其他處理差異不顯著。施氮量影響植物體內(nèi)全氮積累量，減氮10%處理小麥倒1葉、倒2葉、倒3葉中全氮(不含硝態(tài)氮)積累量分別較對照(正常施氮)高12.2%、45.4%、31.3%，其他部位氮積累量也均較對照有所增加，其最終地上部總氮積累量較對照高22.7%，差異達(dá)到顯著水平；減氮15%處理地上部各部位氮積累量與對照相比有增有減，其最終地上部氮積累量較對照減少9.8%；不施氮處理氮素積累量最少。(4)與正常施氮處理相比，適量減氮(減氮10%、15%)并不會使葉片中葉綠素含量(SPAD值)明顯下降，不施氮處理葉綠素含量最小。