遮陰及氮肥對(duì)新疆南疆冬小麥粒重和灌漿特性的影響

張宏芝 王立紅 陳 阜 趙 奇* 孔德鵬 胡愛(ài)芝王 重 張躍強(qiáng) 樊哲儒 李劍峰

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193; 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 核技術(shù)生物技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091；3.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,烏魯木齊 830000；4.新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆 喀什 844000)

新疆維吾爾自治區(qū)南疆三地州包括喀什地區(qū)、和田地區(qū)和克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃荩刂萏厣墓麡?shù)(核桃，杏子和紅棗)區(qū)域優(yōu)勢(shì)，在新疆林果產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。該區(qū)域有80%以上的果樹(shù)是以農(nóng)果間作形式存在，有70%左右的糧食和棉花等大田農(nóng)作物與果樹(shù)間作，形成了南疆三地州特有的林果、種植業(yè)復(fù)合生產(chǎn)模式。特色林果的發(fā)展已在當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民收入增加中占有舉足輕重的地位[1]。但隨著林果種植農(nóng)田面積的擴(kuò)大、果樹(shù)樹(shù)齡及樹(shù)冠的擴(kuò)大，果樹(shù)對(duì)小麥遮陰加重造成小麥粒重降低及減產(chǎn)[1-3]。因此，研究氮肥對(duì)不同遮陰條件下小麥粒重及灌漿特性的調(diào)控效應(yīng)，將對(duì)提高果麥間作模式下小麥產(chǎn)量有重要意義。灌漿過(guò)程是小麥的整個(gè)生育期中十分重要的生理過(guò)程，其持續(xù)時(shí)間和速率決定小麥籽粒大小或品質(zhì)[4-5]。遮陰較自然光條件明顯降低籽粒灌漿速率[6]。弱光處理后籽粒重的降低主要是平均灌漿速率顯著降低所致，而灌漿持續(xù)期長(zhǎng)短對(duì)其影響較小[7]。孕穗期追施氮肥可以保證灌漿后期有充足的氮素供應(yīng)，延長(zhǎng)小麥灌漿緩增期的灌漿持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而有利于粒重和產(chǎn)量的提高[8]。灌漿前期增施氮肥可以提高小麥灌漿的起步速率，中后期過(guò)多施氮會(huì)抑制灌漿速率[9]。關(guān)于遮陰和氮素單因素對(duì)小麥粒重和灌漿特性的影響已有較多研究[10-18]，但氮肥對(duì)長(zhǎng)期遮陰(拔節(jié)期-成熟期)條件下小麥粒重和灌漿特性影響的研究鮮有報(bào)道。本研究考慮到新疆特有的果樹(shù)(核桃，杏和紅棗)與小麥間作對(duì)冬小麥的影響，選擇在果樹(shù)與小麥物候交錯(cuò)期(從小麥拔節(jié)期至成熟期)，人工設(shè)置遮陰處理模擬3種果樹(shù)在小麥生長(zhǎng)中后期不同程度的遮陰，測(cè)定灌漿速率和千粒重，旨在明確遮陰和氮肥互作對(duì)冬小麥粒重和灌漿特性的影響，以期為南疆果樹(shù)-小麥間作模式下小麥高產(chǎn)栽培及氮高效管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016—2017年在新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)澤普縣種子公司脫絨廠(新疆小麥育種家澤普基地)進(jìn)行(77°16′ E， 38°10′ N), 海拔 1 266 m，土壤類型為沙壤土,土壤肥力條件見(jiàn)表1。供試冬小麥品種為‘新冬20號(hào)’。

表1 試驗(yàn)地土壤肥力條件Table 1 Soil fertility conditions of the trial site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，氮肥處理為主區(qū)，遮陰處理為副區(qū)。氮肥處理設(shè)置4個(gè)水平：N0：整個(gè)生育期不施肥，N1，拔節(jié)期(遮陰后)追施純氮103.5 kg/hm2；N2，138.0 kg/hm2和N3，172.5 kg/hm2。遮陰處理設(shè)4個(gè)水平：S0，不遮陰；S1，輕度遮陰(拔節(jié)期～抽穗期遮陰10%，抽穗期～成熟期遮陰25%)；S2，中度遮陰(拔節(jié)期～抽穗期遮陰20%，抽穗期～成熟期遮陰50%)；S3，重度遮陰(拔節(jié)期～抽穗期遮陰30%，抽穗期～成熟期遮陰75%)。每處理 3 次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)面積8 m2(4 m×2 m)。播種量270.0 kg/hm2，人工播種，行距20 cm。全生育期灌水6次(越冬，返青期、抜節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期和灌漿期)，灌水采用滴灌。小麥播種前施尿素150.0 kg/hm2，磷酸二銨375.0 kg/hm2，作為基肥一次性施入(N0處理整個(gè)生育期不施肥)。返青期追施尿素150.0 kg/hm2，隨水滴施。其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1灌漿速率

2017年于小麥開(kāi)花期每處理選擇同一天開(kāi)花、生長(zhǎng)整齊的麥穗 200 個(gè)掛牌標(biāo)記，自開(kāi)花至收獲，每隔 5 d 取標(biāo)記穗10個(gè)，每穗取從穗基部往上第7個(gè)小穗的第一朵小花的籽粒，置烘箱中經(jīng)105 ℃殺青 0.5 h，再降至 80 ℃烘干至恒重，稱籽粒干重。

1.3.2千粒重

于成熟期每個(gè)小區(qū)收獲2個(gè)1 m2樣方，脫粒后稱千粒重，每處理6次重復(fù)。

1.4 模型的擬合

以開(kāi)花后的天數(shù)(t)為自變量，每次測(cè)得的千粒重量(Y)為因變量，用 Logistic方程Y=K/(1+eA+Bt)對(duì)籽粒生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行擬合，其中，K為灌漿結(jié)束時(shí)所能達(dá)到的最大千粒重量，A、B為方程參數(shù)，用決定系數(shù)R2(Y依t的回歸平方和占總平方和的比率)表示其擬合優(yōu)度。根據(jù) Logistic 方程和該方程的一級(jí)和二級(jí)導(dǎo)數(shù)，推導(dǎo)出一系列灌漿參數(shù)。

1)灌漿高峰期開(kāi)始日期t1=[A-ln(2+1.732)]/(-B)；

2)灌漿高峰期結(jié)束日期t2=[A+ln(2+1.732)]/(-B)；

3)灌漿終期(Y達(dá)99%K)日期t3=(4.595 12+A)/(-B)；

4)最大灌漿速率出現(xiàn)日期Tm=-A/B，最大灌漿速率Vm=-BK/4；

5)T1、W1、V1，T2、W2、V2，T3、W3、V3分別表示籽粒灌漿漸增期、快增期和緩增期持續(xù)時(shí)間、積累量和階段灌漿速率，T1=t1，T2=t2-t1，T3=t3-t2；

6)灌漿總天數(shù)T=t3，平均灌漿速率Va=K/t3。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18.0軟件；作圖采用Excel 2007完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理冬小麥千粒重的變化

由表2和表3可知，遮陰和施氮對(duì)冬小麥千粒重的影響均達(dá)顯著水平，且遮陰對(duì)千粒重影響大于施氮。不同遮陰處理下千粒重表現(xiàn)為S1>S0>S2>S3，不同施氮水平下表現(xiàn)為N0顯著高于其他處理。遮陰和施氮對(duì)冬小麥千粒重的影響存在顯著的交互效應(yīng)，在S0和S1條件下，隨著施氮量的增加千粒重呈先增加后降低的趨勢(shì)，而在S2和S3條件下，隨著施氮量的增加千粒重降低。

表2 遮陰、施氮及其互作冬小麥的千粒重Table 2 Effects of shading and nitrogen fertilizer on 1 000-kernel weight of winter wheat

表3 遮陰、施氮及其互作對(duì)冬小麥千粒重影響的方差分析Table 3 Anova of shading and nitrogen fertilizeron 1 000-kernel weight of winter wheat

2.2 不同處理冬小麥階段粒重的變化

由圖1可知，小麥灌漿期籽粒粒重的增長(zhǎng)呈“S”型曲線。隨著遮陰程度的增加粒重呈降低的趨勢(shì)，尤其是S2和S3處理開(kāi)花25 d后下降程度較明顯。在不施肥(N0)條件下，輕度遮陰(S1)處理中后期粒重高于對(duì)照(S0)處理，而在施肥(N1、N2、N3)條件下， S1處理粒重與S0處理無(wú)明顯差異，但高于S2和S3處理。在S0和S1條件下，隨著施氮量的增加粒重先增加后降低，而在S2和S3條件下，隨著施氮量的增加粒重降低，尤其在生育中后期降低幅度增大。說(shuō)明在不遮陰和輕度遮陰條件下，適宜施氮量有利于增加小麥粒重，而在中度和重度遮陰條件下，增加施氮量對(duì)小麥粒重增加不利。

(a)N0，整個(gè)生育期不施肥；(b)N1，拔節(jié)期追施純氮103.5 kg/hm2；(c)N2，拔節(jié)期追施純氮138 kg/hm2；(d)N3，拔節(jié)期追施純氮172.5 kg/hm2(a) N0, no fertilizer; (b) N1, jointing stage (after shading) nitrogen 103.5 kg/hm2; (c) N2, jointing stage (after shading) nitrogen 138 kg/hm2; (d) N3, jointing stage (after shading) nitrogen 172.5 kg/hm2圖1 不同遮陰和施氮處理冬小麥粒重動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamics of grain weight of winter wheat in different light and nitrogen treatment

2.3 不同處理冬小麥籽粒灌漿模型及特征參數(shù)

由表3可知，各方程的決定系數(shù)均達(dá)到極顯著水平，擬合度高，這說(shuō)明Logistic模型能準(zhǔn)確描述本試驗(yàn)冬小麥籽粒的灌漿過(guò)程。分析不同處理籽粒灌漿特征參數(shù)可以看出，不同處理最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間和漸增期持續(xù)時(shí)間差異不明顯。灌漿總天數(shù)、快增期和緩增期灌漿持續(xù)時(shí)間隨著遮陰程度的增加和施氮量的增加而增加。在不施肥(N0)條件下，最大灌漿速率和平均灌漿速率、漸增期、快增期和緩增期灌漿速率、階段籽粒重量均表現(xiàn)為S1>S0>S2>S3，而在施肥條件下(N1、N2和N3)，最大灌漿速率、平均灌漿速率、漸增期、快增期和緩增期灌漿速率隨著遮陰幅度的增大而降低。在S0和S1條件下，最大灌漿速率、平均灌漿速率和階段灌漿速率隨著施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，而在S2和S3條件下，灌漿速率均隨著施氮量的增加而降低。

表3 不同處理灌漿Logistic 模型及灌漿特征參數(shù)Table 3 Logistic equation and characteristic parameters of grain filling in different treatment

表3(續(xù))

2.4 不同處理小麥籽粒灌漿參數(shù)與籽粒重量的關(guān)系

從不同灌漿時(shí)段籽粒灌漿參數(shù)與千粒重的相關(guān)分析可知(表4)，千粒重與最大灌漿速率(Vm)、平均灌漿速率(Va)、快增期灌漿速率(V2)、緩增期灌漿速率(V3)、漸增期累積籽粒重量(W1)、快增期累積籽粒重量(W2)、緩增期累積籽粒重量(W3)均呈顯著正相關(guān)(P<0.01)；與最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間(Tm)、灌漿總天數(shù)(T)、快增期持續(xù)時(shí)間(T2)、緩增期持續(xù)時(shí)間(T3)呈負(fù)相關(guān)，但不顯著。說(shuō)明遮陰與施氮互作下影響粒重的主要因素是籽粒灌漿速率，灌漿時(shí)間對(duì)粒重影響較小。

3 討 論

光照與作物產(chǎn)量有重要的相關(guān)性，降低光照強(qiáng)度或者縮短光照時(shí)長(zhǎng)均會(huì)顯著影響作物產(chǎn)量及其構(gòu)成要素[19-20]。遮陰條件下光能轉(zhuǎn)化效率降低，光合作用減弱，碳氮代謝酶活性下降，導(dǎo)致氮素吸收和積累減少，同化產(chǎn)物供應(yīng)不足，影響籽粒形成和灌漿，籽粒敗育增多，進(jìn)而導(dǎo)致粒重下降[21]。施氮肥能夠提高光合速率，增強(qiáng)碳氮代謝，促進(jìn)碳水化合物和蛋白質(zhì)的合成，有利于同化產(chǎn)物的積累，為籽粒充實(shí)提供充足的原料[22]。適量施氮能促進(jìn)小麥的穗粒數(shù)、穗重和千粒重的提高，其中穗粒數(shù)和產(chǎn)量的相關(guān)性最強(qiáng)，千粒重次之[23]。本研究表明,在不遮陰(S0)和輕度遮陰(S1)條件下，隨著施氮量的增加千粒重呈先增加后降低的趨勢(shì)，千粒重在N2條件下較高；而在中度遮陰(S2)和重度遮陰(S3)條件下，隨著施氮量的增加千粒重降低。說(shuō)明在不遮陰和輕度遮陰條件下，施氮對(duì)粒重的增加有促進(jìn)作用，而在中度和重度遮陰條件下，增施氮肥反而對(duì)粒重的增加不利。遮陰使穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、生物量及收獲指數(shù)均不同程度降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降。增施氮肥盡管降低粒重，但顯著增加穗數(shù)、生物量和收獲指數(shù)，緩解弱光脅迫對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素造成的不利影響，進(jìn)而提高產(chǎn)量[21]。在遮陰條件下，光合速率下降，碳氮代謝關(guān)鍵酶活性受到抑制，影響了光合產(chǎn)物的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致同化物供應(yīng)不足，降低了穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和生物量，從而嚴(yán)重削弱了增施氮肥對(duì)優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成因素、提高產(chǎn)量的作用[21]。

小麥籽粒最大粒重主要由灌漿速率和灌漿持續(xù)期來(lái)決定[24-25]。有研究表明灌漿速率的影響大于灌漿持續(xù)時(shí)間[26-27]。但也有研究認(rèn)為，籽粒質(zhì)量與灌漿持續(xù)時(shí)間的相關(guān)性高于灌漿速率[16]。本研究表明：在不同遮陰和施氮條件下千粒重與灌漿速率和階段籽粒重量呈顯著正相關(guān)，而與灌漿持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。喬旭等[12,14,17]的研究也表明遮陰后主要降低的是小麥灌漿速率，而與灌漿時(shí)間和持續(xù)期影響較小。小麥花后不同強(qiáng)度遮光處理均降低2個(gè)小麥品種籽粒的最大灌漿速率，推遲籽粒最大灌漿速率出現(xiàn)的時(shí)間[28]。江曉東等[14]研究表明弱光條件下散射輻射比例增加，提高籽粒最大灌漿速率、平均灌漿速率以及漸增期、快增期和緩增期灌漿速率，促進(jìn)籽粒粒重增加。郭天財(cái)?shù)萚15]研究認(rèn)為，隨追氮時(shí)期的后移，達(dá)到最大灌漿速率的時(shí)間縮短，灌漿速率增加。也有研究認(rèn)為，灌漿前期增施氮肥可以提高小麥灌漿的起步速率，中后期過(guò)多施氮會(huì)抑制灌漿速率[9]。本研究表明，適量施氮(N2)灌漿持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)彌補(bǔ)了輕度遮陰(S1)下灌漿速率的下降，階段籽粒重量和千粒重增加；在中度(S2)和重度(S3)遮陰條件下，灌漿速率隨著遮陰幅度和施氮量的增加而降低，雖然快增期和緩增期灌漿時(shí)間有所延長(zhǎng)，但無(wú)法彌補(bǔ)遮陰和施氮下灌漿速率下降的不利影響，籽粒重量降低。這可能是由于在中度和重度遮陰條件下隨著施氮量增加小麥光合速率、干物質(zhì)積累量及光合同化產(chǎn)物向籽粒分配降低所致[29]。

4 結(jié) 論

在輕度遮陰(拔節(jié)期～抽穗期遮陰10%，抽穗期～成熟期遮陰25%)條件下，可以通過(guò)適量施氮(拔節(jié)期追施純氮138.0 kg/hm2)延長(zhǎng)小麥灌漿漸增期、快增期和緩增期灌漿持續(xù)時(shí)間,彌補(bǔ)遮陰導(dǎo)致的階段灌漿速率下降，階段籽粒重量和千粒重增加。在中度遮陰(拔節(jié)期～抽穗期遮陰20%，抽穗期～成熟期遮陰50%)和重度遮陰(拔節(jié)期～抽穗期遮陰30%，抽穗期～成熟期遮陰75%)處理中，應(yīng)控制氮肥用量，拔節(jié)期追施純氮103.5 kg/hm2以上雖然快增期和緩增期持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，但無(wú)法彌補(bǔ)遮陰和施氮下(拔節(jié)期追施純氮138.0 kg/hm2和172.5 kg/hm2)灌漿速率的下降，階段籽粒重量和千粒重降低。