水分養(yǎng)分協同對冬小麥干物質運轉和氮吸收利用的影響

劉小飛，費良軍，孟兆江，張寄陽，牛曉麗，張瑩瑩

（1 西安理工大學水資源研究所， 陜西西安 710048；2 中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所/農業(yè)部作物需水與調控重點實驗室， 河南新鄉(xiāng) 453002）

冬小麥是我國主要的糧食作物之一，其播種面積和總產量占我國糧食播種面積和總產量的1/2[1]。然而，在當前冬小麥生產過程中，由于農業(yè)水資源短缺和氮肥過量施用，造成地下水位下降[2–4]和農業(yè)面源污染[5–6]等問題，這對我國糧食安全和環(huán)境生態(tài)安全提出了挑戰(zhàn)。同一品種冬小麥的產量和品質主要受水、肥、氣、熱等因子的影響，在可利用的調控措施中，水肥是影響小麥產量和籽粒品質性狀的主要環(huán)境因子[7]。土壤水分影響營養(yǎng)物質運移，間接影響作物對養(yǎng)分的吸收利用，在一定程度上決定了養(yǎng)分的有效性[8–9]，氮是植物生長的必需營養(yǎng)元素，也是細胞的組成部分，植物蛋白質合成、細胞分裂和增長都離不開氮。水是肥效發(fā)揮的關鍵，肥是開啟水土系統生產效能的鑰匙，肥、水之間存在著顯著的耦合效應[10–11]。只有在合理的水分條件下，肥料的作用才能充分發(fā)揮[12]。生育期水分虧缺會影響冬小麥的生長以及對氮素的吸收；水分逆境條件下施肥可以改善根系生理特性，具有以肥促根、以肥調水、延緩根系衰老，對冬小麥生長具有明顯的調節(jié)效應[13–14]。土壤干旱條件下氮肥可以顯著影響作物的物質累積、養(yǎng)分吸收與分配，從而改變作物產量與品質[15–16]。氮同位素示蹤技術是研究氮素去向的一種較為先進的技術，Ruisi等[17]應用此技術分析了傳統耕作與免耕處理對硬質小麥氮吸收和氮利用效率的影響，Luce等[18]修正了粘土和沙壤土土質下的氮素運移，可依據Hauck等[19]的方法標定冬小麥氮豐度。但有關氮素在各器官中運移和氮豐度報導較少。本文擬采用15N示蹤法研究不同水肥處理的冬小麥各器官中氮豐度及氮在植株體內的分配積累規(guī)律，水氮運籌特別是冬小麥關鍵生育期水氮科學運籌，不僅是冬小麥優(yōu)質高產的需求，更是農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護的迫切需要。

1 材料和方法

1.1 試驗點概況

試驗于2014年10月—2015年6月和2015年10月—2016年6月在中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所作物需水量試驗場進行。試驗場位于河南省新鄉(xiāng)市東北郊，東經 113°53′、北緯 35°19′，屬典型的暖溫帶半濕潤半干旱地區(qū)。年平均降水量580 mm，年平均氣溫13.5℃，大于等于0℃積溫年均為5070℃，年日照時數2497 h，無霜期220 d，年潛在蒸散量2000 mm。試驗用土壤類型為潮土，質地為輕砂壤土，pH值為8.8，基礎養(yǎng)分含量為有機質18.85 g/kg、全氮 1.10 g/kg、全磷 2.22 g/kg、全鉀 19.80 g/kg、堿解氮 15.61 mg/kg、有效磷 72.00 mg/kg、速效鉀 101 mg/kg，土壤容重為 1.38 g/cm3、田間持水量為 24% (質量含水率)。

1.2 試驗材料

以冬小麥 (Triticum aestivum L.) 為試驗材料，試驗分移動式防雨棚下水分測坑試驗和15N微區(qū)試驗兩部分。有底測坑 27 個，測坑上口面積 3.33 m2(2 m ×1.66 m)，深 1.8 m，土層厚度 1.5 m，土層底部設置有20 cm厚的沙石過濾層；測坑四周及底部通過混凝土防滲結構與周邊土體隔離，可有效地排除垂向和側向水分交換對試驗的影響。

1.3 試驗設計

設置3個施肥水平，即低水平 (N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2)，中水平 (N 180 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2) 和高水平(N 240 kg/hm2、P2O5240 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2)；設輕度 (L)、中度 (M) 和重度 (S) 三個調虧水平，土壤相對含水量分別為田間持水量的60%～65%，50%～55% 和40%～45%，共9個水肥處理組合。調虧灌溉在返青—拔節(jié)期和抽穗—成熟期進行，其余階段按充分灌溉水平 (田間持水量的75%～85%) 控制水分，每個處理重復3次。中子儀、時域反射儀(Time-domain reflectometry，TDR) 和取土烘干法相結合監(jiān)測土壤水分，管道灌溉系統供水，水表計量。

15N微區(qū)設在每個測坑內，微區(qū)面積為300 cm2(20 cm × 15 cm)，用長 20 cm、寬 15 cm、高 30 cm的鍍鋅板框進行隔離，框內套1行小麥，框體埋入土中25 cm，露出地表5 cm。微區(qū)設3個重復，2年試驗除施用氮肥選用15N標記的尿素 (豐度為10.19%)外，水分調虧、磷鉀水平及其他管理措施均與所在測坑處理一致。

1.4 觀測項目與方法

1.4.1 土壤水分測定 用土鉆取 0—100 cm 土層的土壤,每 20 cm為一層土樣，取土后立即裝入鋁盒，稱濕重，105℃烘干至恒重，稱干重，計算土壤含水量和土壤相對含水量。

土壤含水量 (%) = (土壤濕重 – 土壤干重) /土壤干重 × 100；

土壤相對含水量 (%) = 土壤含水量/田間持水量 ×100。

灌水量 (mm) 計算：I = 10RH (Wi – Wj)

式中：H為該時段土壤計劃濕潤層的深度 (cm)；R為計劃濕潤層內土壤容重 (g/cm3)；Wi 為設計含水量 (田間持水量乘以設計相對含水量)；Wj為自然含水量，即灌溉前土壤含水量，用水表計灌水量。

根據水分平衡方程計算小麥生育期總耗水量：

ET = ΔS + I + P + K

式中：ET 為總耗水量 (mm)；ΔS 為小麥生育期間土壤貯水的變化量 (mm)；I 為灌水量 (mm)；P 為降水量 (mm)；K為地下水補給量 (mm)。本試驗在防雨棚下有底測坑內進行，故這里 P = 0，K = 0。

水分利用效率計算公式：WUE = Y/ET

式中：WUE為水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y為籽粒產量 (kg/hm2)；ET為作物全生育期耗水量 (mm)。

灌溉水利用效率（WUEi）= Y/I

土壤水分利用效率（WUEs）= Y/(ΔS)

1.4.2 干物質測定 分別在盛花期 (4 月 26 日) 和成熟期 (5月26) 采取植株地上部分樣品，每個處理取代表性植株20株，重復3次；其中盛花期植株樣品按葉、莖 + 葉鞘、穎殼 + 穗軸等3部分分樣，成熟期植株樣品按籽粒、葉、莖 + 葉鞘、穎殼 + 穗軸等4部分分樣；稱鮮重，105℃下殺青30 min，80℃烘干稱重。按以下計算方法獲得同化物運轉與分配的特征參數[20]：

營養(yǎng)器官花前貯藏同化物運轉量 = 開花期營養(yǎng)器官干重 – 成熟期營養(yǎng)器官干重；

營養(yǎng)器官花前貯藏同化物運轉率 (%) = (開花期營養(yǎng)器官干重 – 成熟期營養(yǎng)器官干重)/開花期營養(yǎng)器官干重 × 100；

花后同化物輸入籽粒量 = 成熟期籽粒干物重 –營養(yǎng)器官花前貯藏同化物運轉量；

營養(yǎng)器官干物質轉運對籽粒干物重的貢獻 (%) =營養(yǎng)器官花前貯藏同化物運轉量/成熟期籽粒干物重 ×100；

1.4.3 植株氮素、15N 豐度測定及計算方法 在成熟期(5月26日) 取植株地上部分樣品，每個處理取微區(qū)中的所有植株 (均為15株)，重復3次；每個處理植株樣品按籽粒和莖葉 (葉、莖鞘、穗軸) 分樣，105℃ 殺青 30 min，75℃ 烘干后稱重， 粉碎樣品后用 GB29052-1982 半微量凱氏法[21]測定植株的全氮含量；凱氏法定氮后的蒸餾液酸化濃縮后用北京分析儀器廠產ZHT-03質譜儀測定各樣品15N豐度，未標記的植株收獲后用來測定植株自然豐度 (0.368)，同時，測定肥料中礦質氮的自然豐度 (0.368)。15N示蹤結果的計算分析參照Hauck等的方法[19]，具體計算公式如下：

小麥成熟期各器官來自肥料氮的百分數 (Ndff%) =(各器官15N 豐度 – 植株自然豐度)/(肥料15N 豐度 – 肥料中礦質氮自然豐度) × 100

小麥成熟期各器官來自肥料氮的量Ndff (kg/hm2) =各器官吸氮量 (kg/hm2) × 各器官來自肥料氮的百分數 (%)

各器官的氮素分配比例 (%) = 各器官的 Ndff/單莖總 Ndff × 100；

氮肥的農學效率 (指單位氮肥養(yǎng)分生產的作物籽粒產量) = (施15N 區(qū)籽粒產量 – 不施15N 區(qū)籽粒產量)/施15N量；

氮素吸收效率 (指植株體內氮素吸收總量占施氮量的百分數) = 植株總 Ndff/施15N 量 × 100%[22]；

肥料氮的生產效率 (指植株吸收單位氮素生產的籽粒量) = (施15N 區(qū)籽粒產量 – 不施15N 區(qū)籽粒產量)/地上部Ndff；氮素收獲指數 = 籽粒Ndff/地上部Ndff[23]。

1.4.4 籽粒產量測定 各小區(qū)收割后脫粒曬干，稱重計籽粒產量，籽粒含水量為12.5% 。

1.5 數據處理與分析

貢獻率 (%) = SS變因/(SS總– SS誤– SS區(qū)組) × 100[24]。

兩年試驗結果基本一致，故取其平均值，采用Excel 2007 和 DPS v 7.05 分析軟件進行計算與統計分析。對處理間差異進行方差分析 (ANOVA)，并用Duncan方法進行統計顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水肥組合對小麥花前同化物再運轉和花后光合同化的影響

表1為水肥處理對小麥花前貯藏同化物再運轉和花后同化的影響結果。在高施肥水平下，葉片花前貯藏同化物再運轉量和再運轉率均隨調虧度加重而降低，表明在高施肥水平下，水分調虧降低葉片花前貯藏同化物向籽粒的再運轉量和再運轉率。與此相反，莖鞘中花前貯藏同化物再運轉量和再運轉率隨調虧度加重呈提高趨勢；穎殼 + 穗軸中花前貯藏同化物再運轉量和再運轉率以中度水分調虧最高，重度調虧次之。營養(yǎng)器官花前貯藏同化物總運轉量和運轉率也是以中度水分調虧最高，重度調虧次之。表明在高施肥水平下，適度的水分調虧可促進小麥營養(yǎng)器官花前貯藏物質向籽粒再運轉。

在中等營養(yǎng)水平下，葉片花前貯藏同化物再運轉量以輕度水分調虧為最高，但與另外兩個水分調虧處理的差異不顯著。其余營養(yǎng)器官花前貯藏同化物再運轉量在各水分調虧處理間差異均不顯著。

在低營養(yǎng)水平下，各營養(yǎng)器官花前貯藏同化物再運轉量和再運轉率隨水分調虧度加重呈升高趨勢，但在各水分調虧處理間差異均不顯著。

各營養(yǎng)水平下營養(yǎng)器官花前貯藏同化物總運轉量對籽粒產量的貢獻率隨水分調虧度加重呈升高趨勢。說明水分調虧提高了籽粒中來自花前營養(yǎng)器官貯藏物質的比例。結果還顯示，花后同化物對籽粒產量的貢獻率隨水分調虧度加重而降低。

2.2 水肥組合對小麥植株氮素吸收、積累與分配的影響

表2為不同水肥處理對小麥成熟期各器官氮含量的影響。籽粒中的氮含量基本上是隨營養(yǎng)水平的提高而增加的；其它器官中的氮含量隨營養(yǎng)水平的變化沒有明顯的規(guī)律性變化。無論在哪種營養(yǎng)水平下，地上器官氮含量均隨水分調虧度加重而降低，但差異均不顯著。

由表3可見，籽粒中氮的積累量在三種營養(yǎng)水平下均隨水分調虧度加重而降低，表明水分調虧不利于氮素在籽粒中積累。葉片中氮的積累量隨水分變化的規(guī)律性不明顯。莖鞘中氮的積累量在三種營養(yǎng)水平下基本隨水分調虧度的加重而降低，表明水分調虧不利于莖鞘中氮素的積累。穎殼 + 穗軸中氮的積累量，在高肥條件下隨水分調虧度的加重而增加，表明高肥條件下水分調虧有利于穎殼 + 穗軸中氮的積累。在中肥條件下，穎殼 + 穗軸中氮的積累量以中度水分調虧最少。低肥條件下，穎殼 + 穗軸中氮的積累量隨水分調虧度加重而減少，表明低肥條件下水分調虧不利于穎殼 + 穗軸中氮的積累。地上器官氮積累總量在三種營養(yǎng)水平下均隨水分調虧度加重而降低，表明水分調虧降低植株吸收積累氮素的能力。

顯著性檢驗結果顯示，水分對地上器官 (穎殼 +穗軸例外) 氮積累量的效應達到極顯著水平 (P ＜0.01)，但養(yǎng)分的效應卻不顯著，這需要進一步試驗研究。

2.3 水肥組合對小麥肥料氮吸收與利用的影響

Ndff%是指植株吸收肥料氮占吸收總氮量的百分比。Ndff%值越高，表明小麥對肥料氮的吸收利用率越高。由表4可見，在高施肥水平下，輕、中度水分調虧小麥植株各器官肥料氮含量較高，與重度水分調虧肥料氮含量差異達顯著水平。表明在高施肥水平下，輕、中度水分調虧有利于小麥植株對肥料氮的吸收利用。在中施肥水平下，輕度水分調虧處理各器官肥料氮含量較高，但與其它水分處理差異不顯著。在低施肥條件下，籽粒中肥料氮含量以輕度水分調虧最高，與中度調虧差異達顯著水平，但與重度調虧差異不顯著；其余器官中肥料氮含量均以輕度水分調虧最高，且與其它水分調虧處理差異達顯著水平。

從籽粒和地上器官中肥料氮含量來看，在所有水肥處理組合中，以高肥條件下的中度水分調虧為最高，其次是高肥條件下的輕度水分調虧，再次是中、低肥條件下的輕度水分調虧。顯著性檢驗結果顯示，養(yǎng)分和水分因素對地上各器官中肥料氮含量的效應均達顯著或極顯著水平，但二者的互作效應卻不顯著，其原因需要進一步試驗分析。

?

表2 不同水肥處理小麥成熟期各器官氮含量 (干重，%)Table2 Nitrogen contents of organs at the maturity stage of wheat under different water and fertilizer combinations (Dry weight, %)

表3 不同水肥處理下小麥成熟期地上部各器官氮積累量 (g/plant) 和氮收獲指數 (%)Table3 Nitrogen accumulation (g/plant) in different aboveground organs of wheat and N harvest index (%) under different water and fertilizer combinations at the maturity stage

表4 不同水肥處理小麥成熟期地上部各器官吸收自肥料氮的含量 (Ndff, %)Table4 Contents of fertilizer nitrogen in organs under different water and fertilizer coupling treatments at the maturity stage

表5 不同水肥組合對植株肥料氮吸收和利用效率的影響Table5 Absorption and utilization rates of winter wheat to fertilizer nitrogen under different water and fertilizer coupling treatments

從表5可見，15N收獲指數在高營養(yǎng)水平下隨水分調虧度加重而降低；在中、低營養(yǎng)水平下則沒有這種規(guī)律性，而是在中度水分調虧以前隨調虧度加重15N收獲指數下降，此后又有回升。吸收效率和15N生產效率在三種營養(yǎng)水平下，均隨水分調虧度加重而降低；但利用效率在不同營養(yǎng)水平下對水分的反應則較復雜。在高營養(yǎng)水平下，利用效率以重度水分調虧最高，其次是輕度調虧；在中營養(yǎng)水平下，利用效率隨水分調虧度加重呈提高趨勢；在低營養(yǎng)水平下，隨水分調虧度增加，利用效率呈提高趨勢 (中度調虧以前)，若水分調虧度繼續(xù)加重，利用效率降低?？梢娝蕝f同對利用效率的調控存在一個閾值范圍。

2.4 不同水肥處理對籽粒產量和水分利用效率的影響

在高肥條件下籽粒產量為水分輕度調虧 ＞ 中度調虧 ＞ 重度調虧 (表6)，但水分輕度調虧與中度調虧間差異不顯著，重度調虧較前二者顯著減產 (P ＜0.05)。在中肥條件下籽粒產量為水分重度調虧 ＞ 輕度調虧 ＞ 中度調虧，但三者間差異均不顯著 (P ＞0.05)。在低肥條件下籽粒產量為水分輕度調虧＞ 中度調虧＞ 重度調虧，而且水分輕度調虧較中度調虧和重度調虧增產達顯著水平 (P＜0.05)。在所有水肥組合中，以低肥輕度水分調虧產量最高 (9513.6 kg/hm2)，其次為高肥輕度水分調虧 (8764.8 kg/hm2)和中肥重度水分調虧 (8051.2 kg/hm2)。

水分利用效率 (WUE) 在中肥條件下隨水分調虧度加重而提高，且達顯著水平 (P＜0.05)；但在高、低肥條件下，不同水分調虧間WUE差異均不顯著(P ＞ 0.05)。無論在哪種營養(yǎng)水平下，灌溉水利用效率基本是隨水分調虧度加重而提高，但土壤水分利用效率 基本是隨水分調虧度加重而降低。

經方差分析，水分和養(yǎng)分對產量和WUE的主效應及其互作效應分別達顯著 (P＜0.05) 和極顯著水平(P＜0.01)。綜合考慮籽粒產量和水分利用效率，低肥輕度水分調虧組合是本試驗條件下節(jié)水減肥高產高效處理，籽粒產量 (9513.6 kg/hm2) 居第1位，水分總利用效率 [21.4 kg/(hm2·mm)] 居第2位，土壤水水分利用效率 [91.1 kg/(hm2·mm)]居第1位。

3 討論

小麥籽粒干物質約有 1/3 來源于施肥處理器官貯存物質的再分配，2/3 來自開花后的光合產物[25]。小麥在某些生育時期水分相對不足或有限度虧缺，有利于同化物向籽粒轉運，提高收獲指數[26–27]。隨著灌水量和灌水次數的增加，開花前干物質向籽粒的轉化率、轉化量和對籽粒產量的貢獻率均減少[28–29]。前人研究多采用定量灌溉的方法，本試驗是在不同施肥水平下對小麥返青—拔節(jié)期和抽穗—灌漿期0—100 cm 土層土壤相對含水量進行調控，按照設計相對含水量上、下限測墑補灌。結果表明，在高施肥水平下，中度水分調虧 (50%～55% FC) 可促進小麥施肥器官花前貯藏物質向籽粒再運轉；在中等施肥水平下，施肥器官花前貯藏同化物再運轉量以輕度水分調虧 (60%～65% FC) 最高；在低施肥水平下，各施肥處理器官花前貯藏同化物再運轉量和再運轉率隨水分調虧度加重呈提高趨勢。各施肥水平下器官花前貯藏同化物總運轉量對籽粒產量的貢獻率隨水分調虧度加重呈提高趨勢。說明水分調虧提高了籽粒中來自花前施肥器官貯藏物質的比例。結果還表明，花后同化物對籽粒產量的貢獻率隨水分調虧度加重而降低，說明水分調虧減少了籽粒中來自花后同化物質的比例。

水分和氮素是調控小麥生長的重要因素，前人做了較多的研究，但結果存在較大差異。 Ercoli等[30]研究表明，在嚴重干旱條件下，小麥植株氮素積累量和施肥器官氮素向籽粒的轉移量均顯著降低。補充灌溉 90 mm顯著提高了小麥對肥料氮和來自于土壤的氮素的吸收積累量[31]。Behera和 Panda[4]則認為， 增加灌溉量只是增加了氮素淋溶損失，對植株氮素吸收積累量無顯著影響。開花后水分過多會導致各施肥器官花前貯藏氮素再運轉量和再運轉率降低[32]。孫永健等[33]研究表明，合理減少灌水量并不會減少作物的吸氮量，甚至對氮素吸收及利用有一定的促進作用。本試驗利用15N同位素示蹤技術，研究了高、中、低三種施肥水平下不同水分調虧度對小麥氮素吸收分配及利用效率的影響，表明籽粒中的氮含量基本上是隨施肥水平的提高而增加的，其它器官中的氮含量隨施肥水平的變化沒有明顯的規(guī)律性變化。無論在哪種施肥水平下，地上器官氮含量均隨水分調虧度加重而降低，表明小麥籽粒中氮含量的高低首先取決于土壤水分的高低。地上部施肥器官氮積累總量在三種施肥水平下均隨水分調虧度加重而降低，表明水分調虧降低植株吸收積累氮素的能力。從對植株地上器官氮素積累量貢獻率來看，以水分調虧最大，達76.36%。綜合結果表明，水分調虧可有效調控小麥植株對氮素的吸收與積累。

表6 不同水肥處理小麥籽粒產量和水分利用Table6 Grain yield and water use of winter wheat under different fertilization and water stress levels

節(jié)水農業(yè)應尋求產量和水分利用效率的最佳結合[34]，在灌溉水短缺的條件下，小麥的水分調控應集中在提高水分利用效率上[35]。本研究表明，水分利用效率 (WUE) 在中肥條件下隨水分調虧度加重而提高，但在高、低肥條件下，不同水分調虧間WUE差異均不顯著 (P ＞ 0.05)。無論在哪種施肥水平下，灌溉水利用效率 (WUEi) 基本是隨水分調虧度加重而提高，但土壤水分利用效率 (WUEs) 基本是隨水分調虧度加重而降低。方差分析表明，水分和養(yǎng)分對產量和WUE的主效應及其互作效應均達顯著 (P＜0.05)或極顯著水平 (P＜0.01 )。綜合考慮籽粒產量和水分利用效率，低肥輕度水分調虧組合是本試驗條件下節(jié)水減肥高產高效處理，籽粒產量為9513.6 kg/hm2，WUE 為 21.4 kg/(hm2·mm)。

4 結論

在高營養(yǎng)水平下，適度的水分調虧 (50%～55% FC)可促進小麥營養(yǎng)器官花前貯藏物質向籽粒再運轉；在中等營養(yǎng)水平下，葉片花前貯藏同化物再運轉量以輕度水分調虧 (60%～65% FC) 最高；在低營養(yǎng)水平下，各營養(yǎng)器官花前貯藏同化物再運轉量和再運轉率隨水分調虧度加重呈提高趨勢。不同施肥水平下營養(yǎng)器官花前貯藏同化物總運轉量對籽粒產量的貢獻率隨水分虧缺加重有提高趨勢，水分和養(yǎng)分對產量和WUE的主效應及其互作效應分別達顯著 (P ＜0.05) 和極顯著水平 (P＜0.01)。綜合考慮籽粒產量和水分利用效率目標，低肥 (N 120、P2O5120、K2O 120 kg/hm2) 和輕度水分調虧 (60%～65% FC) 組合是本試驗條件下節(jié)水減肥高產高效適宜方案，籽粒產量達 9513.6 kg/hm2，WUE 達 21.4 kg/(hm2·mm)。