減氮對(duì)豫北限水灌溉冬小麥冠層結(jié)構(gòu)和光合特性的影響

馬靜麗，方保停，喬亞偉，李春喜，王志敏，蒿寶珍,，姜麗娜

(1.河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007；2.河南省農(nóng)科院小麥研究中心，河南鄭州 450002；3.新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

豫北地區(qū)是河南重要的小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)，也是河南優(yōu)質(zhì)專用強(qiáng)筋小麥適宜種植區(qū)，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)確保我國糧食安全具有重要意義。然而，當(dāng)?shù)匦←溕a(chǎn)中過量施肥現(xiàn)象極其普遍。對(duì)豫北地區(qū)462戶農(nóng)戶小麥季施氮狀況的調(diào)查表明，有52%的農(nóng)戶小麥氮肥投入量(純N)高于300 kg·hm-2[1]，遠(yuǎn)高于區(qū)域試驗(yàn)推薦的適宜施氮量128 kg·hm-2[2]。氮肥的過量施用導(dǎo)致氮肥增產(chǎn)效益和利用效率大幅下降[3]，同時(shí)，過量的氮通過淋洗和徑流等過程逸出到周圍環(huán)境中，引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題，如土壤酸化[4]、溫室氣體排放[5-6]、大氣氮沉淀[7]和水體富營養(yǎng)化[8]。因此，減施氮肥是實(shí)現(xiàn)豫北地區(qū)小麥高產(chǎn)、高效、環(huán)境友好發(fā)展的必然選擇。

合理的冠層結(jié)構(gòu)能夠改善群體透光和光分布，增加群體光能有效截獲和凈光合效率，促進(jìn)光合產(chǎn)物積累，增加作物產(chǎn)量[9]。前人研究認(rèn)為，品種[10]、種植方式[11]、肥料配施[12]、種植密度[13]和灌溉[14]等栽培因素對(duì)小麥群體冠層特性和產(chǎn)量具有顯著影響。氮肥管理也是有效調(diào)控小麥冠層結(jié)構(gòu)的措施之一。研究表明，增加施氮量可提高葉面積指數(shù)，增加冠層光合有效輻射截獲率和群體光合速率，有利于作物生長和產(chǎn)量提高[15-18]，而過量施氮易造成群體透光率降低，使冠層下部光分布少，進(jìn)而導(dǎo)致冠層下部葉片加速衰老[17,19]。以往研究氮肥對(duì)作物冠層結(jié)構(gòu)的影響多以群體葉面積和冠層內(nèi)光分布為目標(biāo)，而針對(duì)當(dāng)前小麥生產(chǎn)中過量施氮現(xiàn)狀，探討減施氮肥對(duì)冠層不同層次葉片和非葉器官形態(tài)影響的研究尚少見報(bào)道。另外，水資源不足是限制豫北小麥生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的主要因素，因此在該地區(qū)開展小麥節(jié)水栽培是必然趨勢[20]。因此，在節(jié)水栽培條件下研究減氮對(duì)冬小麥冠層結(jié)構(gòu)和光合性能的影響具有重要意義。本研究以豫北冬小麥為研究對(duì)象，在限水灌溉(春澆一水)條件下，以常規(guī)施氮量為基礎(chǔ)設(shè)置不同減氮處理，研究減施氮肥對(duì)冠層葉片和非葉器官形態(tài)特征、冠層光分布和光合速率的影響，以期為冬小麥高產(chǎn)、高效、節(jié)水栽培中合理施用氮肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009-2010年在河南省?？h原種農(nóng)場試驗(yàn)田(41°02′N，116°41′E)進(jìn)行，屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季節(jié)氣候，年日照時(shí)數(shù)2 160 h，≥0 ℃積溫5 135 ℃，無霜期225 d，年太陽輻射總量505 kJ·cm-2，年平均降水量636 mm(冬小麥生育期間氣象條件見表1)。前茬作物為夏玉米。土壤類型均為潮土，黏壤質(zhì)。0～20 cm土層含有機(jī)質(zhì)13.2 g·kg-1、全氮1.1 g·kg-1、堿解氮72.6 mg·kg-1、速效磷24.3 mg·kg-1和速效鉀123.6 mg·kg-1，pH 8.1。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)置6個(gè)施氮水平，分別為不施氮肥(N0)、一次性底施氮120 kg·hm-2(N1)、底施氮120 kg·hm-2+追施氮90 kg·hm-2(N2)、底施氮120 kg·hm-2+追施氮150 kg·hm-2(N3)、底施氮120 kg·hm-2+追施氮210 kg·hm-2(N4，傳統(tǒng)施氮)，氮肥追施在拔節(jié)期結(jié)合灌水進(jìn)行。各處理小麥播種前均將玉米秸稈粉碎翻壓還田，磷鉀肥全部底施，施磷肥(P2O5)138 kg·hm-2、鉀肥(K2O)112.5 kg·hm-2和硫酸鋅22.5 kg·hm-2。小麥播種前底墑較好，故未灌底墑水，全生育期只灌拔節(jié)水，采用畦灌方式，灌水量為750 m3·hm-2。供試小麥品種為周麥18。該品種是黃淮麥區(qū)主栽品種，具有高產(chǎn)潛力大、穩(wěn)產(chǎn)性好、較耐旱節(jié)水、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。小區(qū)面積為40 m2(4 m×10 m)，行距20 cm，重復(fù)3次，基本苗4.0×106株·hm-2。小麥播期2009年10月20日，2010年6月13日收獲。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 植株綠色器官面積

于小麥開花期，從每小區(qū)選取生長一致的20個(gè)單莖測量單莖各器官綠色面積。采用長寬系數(shù)法自上而下測定每個(gè)葉片面積，穗面積的測定參照裘邵峰[21]和Teare[22]的方法，莖鞘面積按圓柱形表面積測定。

1.2.2 植株葉片質(zhì)量

于開花期，每小區(qū)選取標(biāo)記植株的旗葉、倒二葉、倒三葉各30片，在葉片中部避開主脈位置用打孔器打孔，之后將葉片樣品置于105 ℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘箱中烘干至恒重，計(jì)算比葉重。比葉重 = 葉片干重/葉面積。

1.2.3 冠層光分布

于開花期及花后12 d、20 d和34 d晴朗無風(fēng)天氣的11:00-13:00，利用SunScan冠層分析系統(tǒng)(英國Delta公司)測定冠層頂部、旗葉層、倒二葉層、倒三葉層、倒四葉層的光合有效輻射量，計(jì)算透光率(某一葉層光強(qiáng)與群體冠層頂部自然光強(qiáng)的比值)。于開花期在各小區(qū)標(biāo)記單莖20個(gè)，分別測量旗葉、倒二葉、倒三葉、倒四葉中部到地面的高度，取平均值，以此確定各葉層高度。

表1 2009-2010年度冬小麥生育期間氣象條件Table 1 Meteorological conditions during winter wheat growing period from 2009-2010

1.2.4 葉片凈光合速率

在孕穗期對(duì)生長一致的單莖進(jìn)行掛牌標(biāo)記，于開花期及花后12 d、20 d和34 d的上午9:00-11:00，自然光照下分別測定旗葉、倒二葉和倒三葉的凈光合速率。光合參數(shù)采用Li-6400(Li-Cor Inc, 美國產(chǎn))便攜式光合作用測定系統(tǒng)進(jìn)行測定。儀器采用開放式氣路，CO2濃度為365 μmol CO2·mol-1，可直接測定凈光合速率Pn。每處理3次重復(fù)。

1.2.5 葉片葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)

葉綠素相對(duì)含量(SPAD)采用日本產(chǎn)SPAD-502葉綠素測定儀進(jìn)行測定，每個(gè)小區(qū)各選取10片葉，每葉從基部到尖端測4點(diǎn)并取平均值。于孕穗期、開花期及花后12 d和18 d分別測定旗葉、倒二葉、倒三葉和倒四葉的SPAD值。

1.2.6 測產(chǎn)及考種

成熟期，從各小區(qū)取4 m2(2 m×2 m)樣方，進(jìn)行測產(chǎn)，同時(shí)取樣進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)考種。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用GraphPad Prism 5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖和處理，采用SAS 9.2軟件對(duì)各處理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮對(duì)小麥綠色器官面積的影響

隨施氮量的減少，小麥單莖葉面積呈逐漸降低趨勢，且處理間差異達(dá)顯著水平(表2)。與N4處理相比，N3、N2、N1、N0處理單莖葉面積分別降低9.7%、14.5%、21.6%和28.0%。各葉位葉面積對(duì)減氮的反應(yīng)不盡相同。減氮后旗葉、倒二葉和倒三葉面積均顯著下降，降幅分別為6.9%～29.2%、11.5%～30.0%和16.3%～32.6%，而倒四葉面積沒有明顯下降。同時(shí)，上三葉葉片長度和寬度也分別隨施氮量的減少而下降，但葉片寬度的下降幅度較大。與N4處理相比，減氮處理(N3、N2、N1和N0)的旗葉、倒二葉和倒三葉葉片長度分別減少了7.0%、8.8%和4.4%，而葉片寬度分別減少了11.8%、12.5%和15.6%。以上結(jié)果表明，減少氮肥投入可顯著減少植株單莖葉面積，且主要是減少了上三葉(旗葉、倒二葉和倒三葉)的葉面積。

減氮顯著降低了小麥開花期旗葉節(jié)以上非葉器官面積，下降幅度為5.2%～16.8%，低于上三葉11.6%～30.6%的下降幅度(表3)。另外，隨施氮量的減少，非葉綠色器官與上三葉面積之比呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(表4)，說明減少供氮對(duì)葉面積負(fù)效應(yīng)大于非葉綠色器官面積。

表2 開花期不同氮肥處理下小麥葉片形態(tài)比較Table 2 Leaf configuration of wheat at anthesis under different nitrogen treatments

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間在0.05水平上存在顯著差異。下表同。

The different small letters following the values within the same column indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in tables 3, 5 and 6.

2.2 減氮對(duì)小麥上三葉比葉重的影響

隨葉位的降低，葉片比葉重呈下降趨勢，旗葉比葉重最高，倒三葉最低(表5)。減少施氮量后，上三葉比葉重均呈增加趨勢。與N4處理相比，減氮處理下旗葉、倒二葉和倒三葉的比葉重分別增加了10.9%、19.1%，和18.4%，表明在限水灌溉條件下，適當(dāng)控制氮肥施用量有助于改善冬小麥葉片質(zhì)量。

表3 開花期不同氮肥處理下小麥單莖各器官面積Table 3 Organ area per wheat stem under different nitrogen rates at anthesis cm2

表4 開花期不同氮肥處理下小麥單莖器官面積所占比例Table 4 Proportion of different organ area per wheat stem under different nitrogen treatments at anthesis %

表5 開花期不同氮肥處理下小麥上三葉比葉重Table 5 Specific leaf weight of wheat top three leaves under different nitrogen rates mg·cm-2

2.3 減氮對(duì)小麥冠層光分布的影響

隨葉位的降低，群體中各層次透光率逐漸減小，開花至成熟期均表現(xiàn)為旗葉層、倒二葉層、倒三葉層和倒四葉層(圖1)。隨生育進(jìn)程的推進(jìn)，各葉層透光率均呈增大趨勢，且均在成熟期(花后34 d)最高，開花期最低。隨著氮肥施用量的減少，各葉層透光率也均呈現(xiàn)增加的趨勢，不同時(shí)期均以N4處理最低，N0處理最高；灌漿中前期(開花至花后20 d)減氮處理下倒四葉層、倒三葉層、倒二葉層和旗葉層平均透光率分別比N4處理高39.0%、38.0%、23.8%和9.4%，表明減施氮肥增加了花后冠層下部葉片受光比率，改善了冠層下部葉片受光狀況。

2.4 減氮對(duì)小麥葉片凈光合速率的影響

從圖2來看，開花至花后24 d均表現(xiàn)為旗葉光合速率最高，倒二葉次之，倒三葉最低。隨生育進(jìn)程的推進(jìn)，上三葉光合速率均呈明顯的下降趨勢，其中旗葉在開花至花后12 d的下降趨勢較為平緩，僅平均下降了8.3%，至花后18 d和24 d分別下降了25.0%和52.9%，這表明灌漿期旗葉光合速率在前期下降較慢，而后期下降速度有加快的趨勢。倒二葉與旗葉有相似的下降趨勢，但倒二葉光合速率在花后18 d明顯下降，早于旗葉快速下降出現(xiàn)的時(shí)間，而倒三葉光合速率在花后12 d出現(xiàn)明顯下降，這可能與下層葉片氮素向植株上部轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間較早，而與旗葉氮素轉(zhuǎn)運(yùn)較晚有關(guān)。隨施氮量的減少，花后上三葉光合速率總體均呈先略升后降的趨勢，其中旗葉和倒二葉光合速率在花后各測定時(shí)期均以N4、N3和N2處理較高，分別為14.0、14.5、13.9 μmol CO2·m-2·s-1(旗葉)和9.3、9.8、9.0 μmol CO2·m-2·s-1(倒二葉)，表明適量減氮不會(huì)引起冠層中上部葉片光合速率下降。倒三葉光合速率在開花至花后18 d均以N3和N2處理較高，分別比N4處理高38.7%和24.7%，說明適量減氮有助于提高下部葉片光合速率，這可能與減氮改善冠層下部葉片受光狀況有關(guān)。

圖柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平上存在顯著差異。下圖同。

圖2 花后不同氮肥處理下小麥葉片凈光合速率

2.5 減氮對(duì)小麥SPAD值的影響

小麥旗葉和倒二葉SPAD值在測定期間(孕穗期至花后18 d)沒有明顯的下降趨勢；處理間比較，N0處理的SPAD值略低于其他處理(圖3)。倒三葉SPAD值在孕穗期至花后12 d無明顯變化，開花18 d后快速下降；N0和N1處理的SPAD值較接近，均低于其他處理。倒四葉SPAD值變化趨勢與倒三葉相似，但倒四葉SPAD值在花后12 d快速下降，相比倒三葉有所提前，且以N0和N1處理的SPAD值較低。

圖3 孕穗期及花后不同氮肥處理下小麥葉片SPAD值

2.6 減氮對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表6可以看出，N2、N3、N4處理的小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于N1和N0處理。N2、N3、N4處理間產(chǎn)量差異不顯著，表明在本試驗(yàn)條件下，適當(dāng)減施氮肥不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降，而且仍可獲得較高的籽粒產(chǎn)量。隨施氮量的減少，穗數(shù)和穗粒數(shù)總體均呈減少趨勢，但N2、N3、N4處理間的差異均不顯著；千粒重總體呈增加趨勢，且N2、N3、N4處理間的差異均達(dá)顯著水平。由上述分析可以看出，適當(dāng)減氮雖然導(dǎo)致穗數(shù)和穗粒數(shù)略有下降，但促進(jìn)了粒重增加，從而有利于產(chǎn)量形成和維持較高產(chǎn)量水平。

表6 不同氮肥處理對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 6 Effect of different nitrogen treatments on grain yield and its components of winter wheat

3 討 論

氮肥過量投入是豫北小麥生產(chǎn)中面臨的主要問題。有數(shù)據(jù)表明，該區(qū)域多數(shù)農(nóng)戶年氮肥用量超過500 kg N·hm-2[23]。過量施用氮肥會(huì)導(dǎo)致小麥增產(chǎn)效應(yīng)和氮肥利用效率降低，且引起一系列的環(huán)境問題[3,24]。因此，探討減施氮肥對(duì)豫北小麥生長發(fā)育的影響，對(duì)于該區(qū)域小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。前人已開展一些此方面的研究。熊淑萍等[25]研究了減氮對(duì)小麥的氮累積量、干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量及氮利用率的影響；張 嫚等[26]圍繞適量減氮下土壤硝態(tài)氮分布、植株氮素吸收利用效率和籽粒產(chǎn)量的變化進(jìn)行了研究；蒿寶珍等[27]在限水灌溉條件下研究了減少施氮量對(duì)冠層葉片間氮素垂直分布，葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)特征，氮素利用率和產(chǎn)量的影響；范靖尉等[28]研究了減施氮肥對(duì)華北夏玉米-冬小麥田土壤CO2和N2O排放的影響。綜合以上研究可以看出，豫北地區(qū)小麥生產(chǎn)中適量減氮不僅可以獲得較高的產(chǎn)量，同時(shí)可顯著提高氮素利用效率，減少氮素?fù)p失和溫室氣體排放，有助于實(shí)現(xiàn)該區(qū)域小麥高產(chǎn)、高效和環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展。

冠層結(jié)構(gòu)是影響作物冠層光合作用和光能利用效率的重要因素[10]。適當(dāng)減少上層光截獲比重，增加中下層光截獲量，可提高作物的光能轉(zhuǎn)化效率，增強(qiáng)群體光合生產(chǎn)能力，積累更多的光合產(chǎn)物，進(jìn)而提高作物籽粒產(chǎn)量[29]。葉型特征是影響冠層內(nèi)光分布與截獲的重要因素之一[30]。有研究指出，優(yōu)化施肥處理下小麥上三葉變短，上三葉葉面積和葉面積指數(shù)均下降，使得群體透光率提高，群體中下層光截獲量增加[17,30]。本研究表明，減施氮肥明顯減少了上三葉長度和寬度，葉片均變短和變窄，葉型變小，面積下降；同時(shí)，上部葉片變小，降低了冠層上部的光截獲比重，使更多的光分布到中下層，增加了花后冠層下部葉片受光比率，改善了冠層下部葉片的受光狀況。

參與小麥產(chǎn)量形成的部位，除葉片之處，還包括非葉綠色光合器官，如穗、鞘和芒等[20,31]。有研究指出，穗部光合對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為12%～42%[32]。另外，非葉器官具有時(shí)空結(jié)構(gòu)、光合速率、酶代謝及光合機(jī)構(gòu)等多方面優(yōu)勢，特別是生育后期非葉綠色器官與葉片相比，具有逆境下的光合潛力，小麥開花后群體綠色面積中非葉綠色面積所占比重較大，特別是在灌漿后期，葉片迅速衰亡，而非葉器官仍能維持較大的綠色面積，持綠時(shí)間較長，對(duì)群體光合可能具有較大貢獻(xiàn)[20,33]。有學(xué)者研究了不同灌溉條件下冬小麥冠層結(jié)構(gòu)特征和非葉器官對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，指出減少灌溉相對(duì)增加了非葉綠色器官面積占單莖總綠色面積比例，有利于提高冠層光合能力[33]。本研究表明，降低施氮水平，上三葉葉面積及非葉器官面積均呈下降趨勢，但葉器官面積下降幅度要高于非葉綠色器官面積下降幅度，旗葉節(jié)以上非葉綠色器官面積與上三葉葉面積比值則隨著施氮水平的降低而增加。可見，減施氮肥會(huì)相對(duì)提高非葉器官面積比例，有利于小麥發(fā)揮非葉綠色器官的抗逆光合優(yōu)勢。

綜合研究認(rèn)為，冬小麥在有限供水條件下，減施氮肥減少了葉器官面積和旗葉節(jié)以上非葉綠色器官面積，提高了非葉器官面積占單莖總面積的比例，改善了上三葉葉片質(zhì)量。減氮處理下，上三葉葉片均變短和變窄，葉型變小，增加了花后冠層下部葉片受光比率，改善了冠層下部葉片的受光狀況，提高了冠層下部葉片的光合速率。