施氮量對不同株葉型小麥旗葉光合及籽粒灌漿特性的影響

何雨桔，劉 瓊，王 焜，連霽雯，蔡璐舟，梁振宇，樊高瓊

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130）

20世紀(jì)60年代初的株型育種被譽(yù)為“綠色革命”，通過改變作物株葉型結(jié)構(gòu)以改善群體的光合性能，增加群體總光合量實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升[1]。直至今日，選擇高光效株葉型品種對于作物生產(chǎn)而言仍然十分重要。然而，株型與產(chǎn)量間的聯(lián)系并不十分確定[2-5]，不同株葉型小麥在光能利用上各有特點(diǎn)[6-8]。作物生產(chǎn)同時(shí)還受到肥力、光照等諸多因素影響，籽粒灌漿特性優(yōu)良與否也關(guān)系著籽粒產(chǎn)量的形成，因此不同株葉型的生產(chǎn)能力要視情況而定。目前四川地區(qū)關(guān)于不同株葉型小麥生產(chǎn)潛力的報(bào)道較少。基于此，本試驗(yàn)選擇小葉直立葉型、大葉披垂葉型兩種株葉型小麥進(jìn)行研究，從花后葉片光合與籽粒灌漿特性探究兩種小麥對四川盆地光照環(huán)境的適應(yīng)性，以及施氮量對光合特性、灌漿特性、產(chǎn)量的影響，為四川地區(qū)小麥株型選擇與栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年10月—2021年6月在四川省成都市大邑縣現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)園區(qū)實(shí)施。試驗(yàn)地所在土壤pH 6.2，0～20 cm，土層基礎(chǔ)養(yǎng)分：有機(jī)質(zhì)59.6 g/kg，全氮3.44 g/kg，堿解氮149.6 mg/kg，速效磷25.5 mg/kg，速效鉀224.4 mg/kg。供試品種為川麥88（四川省農(nóng)科院作物所）、蜀麥830（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所）。川麥88于2020年通過四川省審定，株葉型表現(xiàn)為小葉直立葉型；蜀麥830于2017年通過四川省審定，株葉型表現(xiàn)為大葉披垂葉型。試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為品種，副區(qū)為施氮量，設(shè)兩個(gè)水平，150 kg/hm2（N1）、200 kg/hm2（N2）。試驗(yàn)共4個(gè)處理，每處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積12 m2。試驗(yàn)地前作為水稻，播前免耕，播種時(shí)氮肥底肥占60%，剩余40%于拔節(jié)期追施，每公頃均施磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）各75 kg，播種方式為人工條播，行距20 cm，各小區(qū)基本苗在150萬/hm2左右。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

開花時(shí)，每小區(qū)選取100株同一天開花、長勢基本一致的植株，選擇主莖進(jìn)行掛牌標(biāo)記，并記錄開花時(shí)間。

1.2.1 旗葉葉面積

采用比葉重法計(jì)算旗葉葉面積。開花時(shí)及花后每隔7天，每小區(qū)取掛牌單莖10個(gè)，取旗葉疊放整齊，用長為5 cm規(guī)格的長方形紙板壓在葉片上，用刀片沿紙板寬邊切割，測量切下樣品葉的寬度并記錄，將樣品葉和其余葉按小區(qū)分別裝入相應(yīng)紙袋，于105℃下殺青30 min，于80℃下烘干至恒重，稱重。經(jīng)計(jì)算得出樣品的比葉重，進(jìn)而求得旗葉的平均光合葉面積。具體計(jì)算方法如下：

樣品比葉重(g/cm2)=樣品葉片干重/樣品葉片總面積

旗葉葉面積(cm2)=(取樣旗葉總干重/樣品比葉重)/取樣株數(shù)

1.2.2 冠層光截獲率

在灌漿期選擇一個(gè)晴天測定一次冠層光截獲率［9］。每小區(qū)選擇5行長勢均勻的小麥，于14:30～16:30使用LI-1500a輻射照度測量儀進(jìn)行測定。將光傳感器探頭感光面向上，平行小麥行間放置，在小穗上方10 cm處測定自然光下的光合有效輻射，記為I0，在行間近地面5cm處測定底部光合有效輻射，記為I，計(jì)算冠層光截獲率，具體計(jì)算公式如下：

冠層光截獲率(%)=(I0-I)/I0×100

1.2.3 旗葉葉綠素含量

采用浸提法測定旗葉葉綠素含量［10］。剪取1.2.1中其余葉鮮葉中部0.1 g作為樣品，剪碎成細(xì)絲狀，置于10 mL EP管中，加入9～10 mL丙酮-乙醇（1∶1，V/V）混合液，扣緊管蓋，搖勻后進(jìn)行黑暗處理。當(dāng)提取液中的葉片變?yōu)榘咨珪r(shí)，將提取液倒出，用丙酮-乙醇混合液洗滌EP管2～3次，合并葉綠素提取液和洗滌液定容，倒入比色皿，以混合液為空白對照，分別在波長663、645 nm下讀取吸光度并計(jì)算葉綠素含量；設(shè)置3次重復(fù)，取平均值進(jìn)行分析。利用朗伯-比爾定律計(jì)算葉綠素含量，具體公式如下：

Chl(mg/L)=(20.2OD645+8.02OD663)×V/(W×1 000)

式中：OD為測定波長下的光密度值，V為葉綠素提取液總體積（mL），W為樣品葉片鮮重（g）。

1.2.4 旗葉光合特性

在灌漿期選擇一個(gè)晴天測定一次光合參數(shù)［11］。每小區(qū)選取5～6片代表性旗葉，于10:30～13:30使用LI-6800便攜式光合儀測定旗葉凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（E）。

1.2.5 小麥籽粒灌漿過程

將1.2.1中所取單莖的麥穗剪下，于105℃下殺青30 min，于80℃下烘干至恒重，脫粒后稱重計(jì)算千粒重。以花后天數(shù)t為自變量，千粒重Y為因變量，用Logistic方程對籽粒生長過程進(jìn)行模擬，具體計(jì)算公式如下：

Y=k/(1+ae-bt)

式中，k為理論最大千粒重，a、b為模型參數(shù)。

對Logistic方程求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，可得到初級灌漿參數(shù)：最大灌漿速率Vmax、平均灌漿速率Vmean、最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間Tmax、灌漿持續(xù)天數(shù)T（d）；次級灌漿參數(shù)：T1、V1、W1，T2、V2、W2，T3、V3和W3分別表示漸增期、快增期、緩增期相應(yīng)的灌漿持續(xù)天數(shù)、灌漿速率和籽粒干物質(zhì)積累量［12-13］。

1.2.6 產(chǎn)量與穗部性狀

收獲前在各小區(qū)調(diào)查有效穗，連續(xù)取樣30莖調(diào)查穗長、結(jié)實(shí)小穗數(shù)和穗粒數(shù)，于105℃下殺青30 min，于80℃下烘干至恒重，計(jì)算收獲指數(shù)、穗粒數(shù)與旗葉面積的比值。收獲小區(qū)中間5行小麥進(jìn)行測產(chǎn)，測產(chǎn)面積為4 m2，單打?qū)嵤?，脫粒后自然曬干，?shù)3個(gè)500粒計(jì)算千粒重，按照標(biāo)準(zhǔn)含水量13%折算籽粒產(chǎn)量、千粒重，利用GHCS-1000型容重器測定籽粒容重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用WPS Office 2019、方差分析2012和Origin 9_64軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、方差分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對不同株葉型小麥旗葉葉面積的影響

從圖1可以看出，花后0～35 d，品種間蜀麥830旗葉葉面積顯著高于川麥88，以花后14 d差異最大，N2處理下的旗葉葉面積均大于N1處理，花后7 d蜀麥830旗葉面積差異顯著。從互作效應(yīng)看，蜀麥830對施氮量更加敏感，在花后0、7、14、21、28和35 d，相比N1，蜀麥830 N2旗葉面積分別增加了14.22%、14.59%、8.55%、8.46%、10.63%和11.21%，而川麥88 N2分別增加了7.65%、4.31%、5.16%、7.73%、6.82%和7.14%。

圖1 施氮量對不同株葉型小麥旗葉葉面積的影響Figure 1 Effects of nitrogen application rate on flag leaf area of wheat with different leaf types

2.2 施氮量對不同株葉型小麥冠層光截獲的影響

由表1可知，品種間冠層光截獲率以蜀麥830更高，但差異不顯著；增加施氮量顯著提高了冠層光截獲率。川麥88 N2的冠層光截獲率比N1高12.99%，蜀麥830 N2比N1高8.64%，可見在川麥88上增加施氮量對光能截獲的增效更大。

表1 各處理下的冠層光截獲率Table 1 Canopy light interception rate under each treatment

2.3 施氮量對不同株葉型小麥旗葉葉綠素含量的影響

從葉綠素含量看（圖2），花后0～35 d，川麥88葉綠素含量呈現(xiàn)先升后降趨勢，花后14 d旗葉葉綠素含量最大；蜀麥830旗葉葉綠素含量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸降低。品種間蜀麥830的旗葉葉綠素含量顯著性低于川麥88，并且旗葉葉綠素含量衰減快，花后35 d時(shí)，蜀麥830旗葉平均葉綠素含量僅為花后0 d的42.10%，而川麥88為開花時(shí)的80.69%。增加施氮量會提高兩品種旗葉葉綠素含量，在蜀麥830上表現(xiàn)更顯著，表明花后蜀麥830旗葉褪綠快，增加施氮量可增加蜀麥830旗葉葉綠素含量，延緩衰退過程。

圖2 施氮量對不同株葉型小麥旗葉葉綠素含量的影響Figure 2 Effects of nitrogen application rate on chlorophyll content in flag leaves of wheat with different leaf types

2.4 施氮量對不同株葉型小麥旗葉光合特性的影響

由表2可知，品種間旗葉凈光合速率差異不顯著，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率表現(xiàn)為川麥88顯著高于蜀麥830。增加施氮量顯著提高旗葉凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，對蒸騰速率無顯著性影響。品種×施氮量間，旗葉氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率的互作效應(yīng)顯著，川麥88增加施氮量顯著增加氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度，蜀麥830增加施氮量顯著增加胞間CO2濃度、蒸騰速率。

表2 施氮量對不同株葉型小麥旗葉光合特性的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate on photosynthetic characteristics of flag leaves of wheat with different leaf types

2.5 施氮量對不同株葉型小麥籽粒灌漿過程的影響

由圖3可見，兩個(gè)品種在兩個(gè)施氮量下的籽粒灌漿曲線符合Logistic曲線，決定系數(shù)R2均大于0.980。蜀麥830的灌漿速率高于川麥88，增加施氮量有降低灌漿速率的趨勢。蜀麥830 N1處理灌漿速率最高。

圖3 不同處理的logistic曲線及方程Figure 3 Logistic curves and equations of different treatments

就灌漿參數(shù)特征值而言（表3），蜀麥830的平均灌漿速率和最大灌漿速率顯著大于川麥88，N1處理下的差異達(dá)到最大，增加施氮量顯著延長最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間、灌漿持續(xù)天數(shù)，對灌漿速率的影響主要表現(xiàn)在顯著降低最大灌漿速率。品種×施氮量顯著降低蜀麥830的最大灌漿速率，對川麥88影響微小。

表3 各處理小麥籽粒灌漿參數(shù)特征值Table 3 Characteristic values of wheat grain filling parameters under each treatment

進(jìn)一步分析表明（表4），蜀麥830的T2、T3、V1、V2、W1、W2、W3顯著大于川麥88，增加施氮量顯著延長了各階段的灌漿天數(shù)，從而顯著增加各階段籽粒干物質(zhì)積累量。品種×施氮量間，增加施氮量對川麥88的灌漿速率影響不明顯，對蜀麥830呈現(xiàn)降低趨勢，增加施氮量主要通過延長各個(gè)階段的灌漿天數(shù)來影響籽粒干物質(zhì)積累量，以蜀麥830受到的影響最顯著。

表4 各處理不同階段籽粒灌漿特征參數(shù)比較Table 4 Comparison of grain filling characteristic parameters at different stages of different treatments

2.6 施氮量對不同株葉型小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表5可知，品種間川麥88的單株成穗數(shù)、有效穗、粒葉比顯著高于蜀麥830，增施氮肥可以顯著提高籽粒產(chǎn)量。品種與施氮量的互作效應(yīng)不顯著，增加施氮量后，川麥88的有效穗提高4.55%，產(chǎn)量提高20.96%，蜀麥830的有效穗提高13.16%，產(chǎn)量提高16.60%。

表5 施氮量對不同株葉型小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量的影響Table 5 Effects of nitrogen application rate on yield components and yield of wheat with different leaf types

3 討論

3.1 不同株葉型小麥的源庫特性及對四川盆地光照環(huán)境的適應(yīng)性

旗葉作為小麥花后籽粒灌漿的重要源器官，其形態(tài)及生理特性對籽粒產(chǎn)量形成意義重大。葉面積大小與葉形態(tài)影響群體冠層的光能截獲，是植株群體光合面積的基礎(chǔ)，葉綠素含量是限制葉片光合速率的重要因素，這三者在很大程度上反映了葉源的強(qiáng)弱，同時(shí)對籽粒灌漿也有顯著影響［14-16］。顯然，旗葉寬大披垂的群體在冠層光能截獲與籽粒干物質(zhì)積累上更有優(yōu)勢，但葉源總量值為光合面積、凈同化率、光合時(shí)間三者的乘積[17]，葉綠素含量在光照較弱的與光合速率存在良好的線性關(guān)系，葉綠素含量高低也很關(guān)鍵，旗葉的綜合質(zhì)量才能反映其光合生產(chǎn)力。本試驗(yàn)條件下，蜀麥830擁有更大的葉面積，更高的光能截獲，但旗葉葉綠素含量低，衰退速率快；川麥88則以更高的旗葉葉綠素含量、旗葉凈光合速率，以及更長的光合時(shí)間彌補(bǔ)了旗葉光合葉面積小的不足，葉源強(qiáng)度得到提升。

高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo)整體可用“源大庫足流暢”表示，粒葉比是評價(jià)源庫協(xié)調(diào)的重要指標(biāo)。前人研究認(rèn)為，粒重積累不僅與葉面積相關(guān)，旗葉的綠葉持續(xù)期與光合速率對維持灌漿期間光合產(chǎn)物分配到籽粒而言也十分重要［18-20］。當(dāng)葉面積指數(shù)發(fā)展到一定限度時(shí)，尤其在日照較弱的地區(qū)，提高粒葉比更有利于提高籽粒產(chǎn)量[1,16,21]。本試驗(yàn)表明，兩個(gè)品種的源庫特性各有優(yōu)缺，蜀麥830千粒重和單穗重大于川麥88，其大葉面與高灌漿速率保障了籽粒干物質(zhì)積累量，但該品種粒葉比僅為0.48，顯著低于川麥88的粒葉比0.64，葉源強(qiáng)度高而庫容量不足；川麥88旗葉葉面積小，但單株成穗數(shù)與粒葉比高，源庫協(xié)調(diào)性優(yōu)于蜀麥830。兩者適應(yīng)四川盆地光照環(huán)境的生理基礎(chǔ)完全不同。

3.2 施氮量對不同株葉型小麥光合生產(chǎn)能力及產(chǎn)量的調(diào)控

除基因型外，施氮量也是影響株葉型進(jìn)而影響產(chǎn)量的重要調(diào)控因子。大量研究已經(jīng)表明，氮素對旗葉的生長發(fā)育具有顯著影響。合理施用氮肥能改善旗葉光合性能、葉綠素含量，延緩灌漿期間旗葉衰老，提高葉面積指數(shù)與光能截獲[22-25]，對不同株葉型的小麥都能在一定程度上彌補(bǔ)不足。本試驗(yàn)結(jié)果表明，于小葉直立葉型川麥88而言，該品種對施氮量不敏感，但增加施氮量可以顯著改善群體冠層的光照環(huán)境，使光合有效輻射截獲量增加，而蜀麥830整體更加耐肥，增加施氮量后葉綠素含量、凈光合速率等光合性能得到明顯提升，延緩了旗葉的衰老。旗葉的生理狀態(tài)得到改善，對籽粒灌漿起到正向影響，凈光合速率提高及旗葉衰老延遲等都有利于灌漿后期光合產(chǎn)物持續(xù)輸出。另外，根據(jù)前人對施氮量與籽粒灌漿關(guān)系的研究，在一定范圍內(nèi)增加施氮量可以顯著延長籽粒灌漿各階段的持續(xù)時(shí)間，最終使各階段籽粒干物質(zhì)積累量增加[26-27]。在這一點(diǎn)上，本試驗(yàn)研究結(jié)論與前人一致，但最終實(shí)測的千粒重增長情況與Logistic方程模擬的籽粒干物質(zhì)積累量增長情況呈現(xiàn)相反趨勢，猜測可能與土壤肥力不均勻以及植株生理狀態(tài)有關(guān)，但施氮量對千粒重的影響整體不顯著。此外，在增施氮肥促進(jìn)有效穗提高的情況下，具有較高單株成穗數(shù)的川麥88穗粒數(shù)也有所增加，產(chǎn)量提高更明顯。而蜀麥830雖然產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，但是穗粒數(shù)和千粒重卻在降低，該品種產(chǎn)量構(gòu)成因素協(xié)調(diào)性還有調(diào)整空間。播種密度對作物的產(chǎn)量形成也有重要影響，由于本試驗(yàn)基本苗數(shù)較低，僅在150萬/hm2左右，與高產(chǎn)栽培250萬/hm2密度差距較大，因此，兩個(gè)品種在中高密度下的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素表現(xiàn)如何還有待商榷，可以通過進(jìn)一步的密度試驗(yàn)探究適宜各自的播種密度，以促使產(chǎn)量構(gòu)成三因素達(dá)到最協(xié)調(diào)的狀態(tài)。

4 結(jié)論

在四川盆地較弱的條件下，小葉直立葉型川麥88通過提高凈光合速率、延緩旗葉衰退提高光合生產(chǎn)力，以高成穗率和粒葉比提高產(chǎn)量，蜀麥830則具有大穗大葉的特點(diǎn)，通過增加光合面積提升灌漿速率促進(jìn)千粒重、單穗重提升。增加施氮量可以有效改善小麥旗葉尤其是蜀麥830的光合性能，彌補(bǔ)株葉型的不足，同時(shí)顯著延長籽粒灌漿持續(xù)時(shí)間，促進(jìn)籽粒干物質(zhì)積累。對于對施氮量敏感的蜀麥830而言，在生育后期需要適當(dāng)補(bǔ)充肥料以維持旗葉的光合生產(chǎn)能力。