開花期灌水對小麥減氮增效的潛力及氮高效利用機制研究

紀耀坤，孟自力，高 磊

(1.商丘職業(yè)技術學院，河南商丘 476000；2.商丘市農(nóng)林科學院，河南商丘 476000；3.河南省商丘市土壤肥料站，河南商丘 476000)

影響小麥生長的主要因素有2個方面，即土壤養(yǎng)分以及水分，這二者對小麥的成長來說相互影響、相互制約。一方面，氮素是作物生產(chǎn)中需求量較大的營養(yǎng)元素。缺氮會導致葉片發(fā)黃、根數(shù)減少等癥狀，最終導致小麥減產(chǎn)，如果小麥當中的氮素營養(yǎng)含量過高，會造成小麥莖葉徒長，生育后期出現(xiàn)貪青晚熟的情況，因此，確定適宜的施氮量至關重要。另一方面，黃淮南片腹地自然界的降水量不能滿足小麥的生長所需，這時需要依靠人工灌水對小麥進行水分補充，因此確定適宜的補灌時期很是關鍵。小麥對養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運和分布受水分影響，白莉萍等研究認為，小麥的拔節(jié)水以及開花水，這2個階段灌水對小麥的產(chǎn)量是最為有利的2個階段，特別是在小麥的生育后期進行及時有效的灌溉，可以使小麥對氮素的吸收和增長有明顯的提升。因此，本研究針對麥田在減氮處理的條件下增加開花期灌水，對小麥的氮素轉(zhuǎn)運和旗葉光合特性進行分析，探索合理的施氮和補灌模式，明確減氮增效的潛力及氮高效利用機制，這對黃淮地區(qū)增加小麥產(chǎn)量、提高氮肥和水分利用率以及改善生態(tài)方面都有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年10月至2020年6月在商丘市農(nóng)林科學院試驗基地(115°46′～116°29′E，33°32′～34°42′N)進行，該地年平均氣溫13.9 ℃，年降水量達690 mm，前茬作物為玉米，供試土壤為兩合土。試驗區(qū)0～20 cm土壤基礎理化性狀為：全氮含量0.78 g/kg，有機質(zhì)含量2.2%，速效鉀含量 93.37 mg/kg，速效磷含量35.31 mg/kg，pH值7.96。

1.2 試驗設計

試驗選用半冬性小麥品種商麥178為供試材料，試驗采用二因素裂區(qū)設計，主區(qū)是灌水為主，設計2個灌水區(qū)域進行分析，分別記作W1(灌拔節(jié)期和開花期水)和W2(灌拔節(jié)期水)，每次灌溉量為60 mm。副區(qū)為施氮量，設全生育期施氮0 kg/hm(不施氮)、150 kg/hm(減氮40%)、200 kg/hm(減氮20%)、250 kg/hm(常規(guī)施氮)4個水平，分別記作N0、N150、N200、N250。該試驗共8個處理，每個處理3次重復，共24個小區(qū)，每個小區(qū)長5 m、寬1.5 m，面積7.5 m，W1和W2間隔5 m，小區(qū)間過道0.4 m。播前需要基施PO150 kg/hm、KO 120 kg/hm，氮肥底施50%，返青期追施50%。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株氮素含量的測定 于開花期分別取20個單莖的莖與葉鞘、葉與穗，灌漿至成熟期分別取莖與葉鞘、葉、穗軸與穎稱干物質(zhì)質(zhì)量，采用凱氏定氮法測器官含氮量。

1.3.2 籽粒灌漿速率 于開花期及開花后每隔7 d取穗，烘干脫粒，稱質(zhì)量并計算灌漿速率。

1.3.3 旗葉光合速率測定 采用LI-6400光合儀(LI-6400，LI-COR，Lincoln，NE，USA)測定光合速率，分別于開花后0、7、14、21、28、35 d的09：00—11：00，選方向一致的旗葉測凈光合速率。

1.3.4 小麥植株光合有效輻射及光截獲量 采用英國Delta公司生產(chǎn)的SUNSCAN冠層分析系統(tǒng)(SUNSCAN Canopy Analysis System)，于花后0、7、14、21、28、35 d測定光合有效輻射截獲率。

1.3.5 產(chǎn)量及其構成三要素 于小麥成熟期小區(qū)內(nèi)取20穗測穗粒數(shù)與千粒質(zhì)量；取1 m雙行樣段調(diào)查穗數(shù)；計算產(chǎn)量，并換算成公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2010、DPS 9.01軟件進行數(shù)據(jù)處理和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理營養(yǎng)器官和籽粒氮素積累動態(tài)

由表1可以看出，開花后小麥植株和籽粒氮素積累不同時段差異明顯，7 d與14 d的W2>W1，W2表現(xiàn)為W2N250>W2N200>W2N150>W2N0，W1表現(xiàn)為W1N200>W1N250>W1N150>W1N0，說明W2處理比W1處理前期更有利于營養(yǎng)器官和籽粒的氮素積累；開花后21 d出現(xiàn)較大幅度的轉(zhuǎn)折，W1增加顯著，與W2對應的其他各處理差異均達到顯著水平(<0.05)，均表現(xiàn)為W1N200>W1N250>W1N150>W2N250>W2N200>W1N0>W2N150>W2N0，開花后28和35 d期間變化趨勢與21 d基本一致，說明W1處理更有利于營養(yǎng)器官和籽粒花后中后期的氮素積累及產(chǎn)量的形成。

表1 不同處理小麥花后營養(yǎng)器官和籽粒氮素積累量 kg/hm2

2.2 不同處理籽粒灌漿速率

由圖1可以看出，開花后籽粒灌漿速率先升高后降低，14～21 d達到峰值，之后逐漸下降。開花后0～14 d灌漿速率W2對應的施氮處理顯著高于W1處理，說明灌水初期對小麥籽粒灌漿造成一定的負面影響，但是持續(xù)時間較短；而在14 d后W1處理灌漿速率均出現(xiàn)反超W2的現(xiàn)象，14～35 d的灌漿速率W1處理比W2處理增加顯著，說明灌水處理2周后能夠大幅提高籽粒的灌漿速率，促進產(chǎn)量的形成?？梢?，W2處理能夠促進灌漿前期籽粒灌漿，而W1處理會在灌漿中后期保持較高的灌漿速率，有利于灌漿中后期粒質(zhì)量的提高。

2.3 不同處理成熟期各器官氮素的轉(zhuǎn)移量和籽粒積累量

由表2可以看出，成熟期籽粒氮素積累量表現(xiàn)為W1N200>W2N250>W1N250>W1N150>W2N200>W2N150>W1N0>W2N0，進一步證明了灌水處理和增加氮素水平都有利于花后籽粒氮素積累。各營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量W1N200最高，莖稈+葉鞘氮素轉(zhuǎn)移量W1N200、W1N250、W2N250高于其他處理，W1N200活稈成熟表現(xiàn)最好，說明根據(jù)源庫流學說水氮運籌莖稈(流)能夠充分提供給籽粒(庫)水分和養(yǎng)分，達到增產(chǎn)的效果。葉片氮素轉(zhuǎn)運量表現(xiàn)為W1N200高于其他處理，W2N250次之，W2N0 最少，說明水氮運籌能夠延長葉片的功能期，不至于缺水或者缺氮造成葉片早衰，對保證小麥的產(chǎn)量至關重要。穗軸+穎殼作為氮素轉(zhuǎn)移到籽粒(庫)的最后一個環(huán)節(jié)，如果出現(xiàn)穗下節(jié)間變黃則從生理上說明已經(jīng)成熟不再轉(zhuǎn)運養(yǎng)分和水分，其氮素轉(zhuǎn)運量變化規(guī)律與葉片基本一致，進一步說明了水氮運籌對小麥增產(chǎn)的重要性。

表2 成熟期各個器官氮素的轉(zhuǎn)移量及籽粒積累量 kg/hm2

2.4 不同處理開花后旗葉凈光合速率

由圖2可以看出，花后0 d和35 d表現(xiàn)差異不顯著，可能和剛澆完開花水小麥旗葉生理機能滯后以及小麥生育后期旗葉幾乎處于停滯狀態(tài)有關；開花 7～28 d的旗葉凈光合速率為 W1N200、W2N250 顯著高于其他處理，W1N250、W1N150次之，W2N0 最少，從高到低排序為W1N200>W2N250>W1N250>W2N200>W1N150>W2N150>W1N0>W2N0，說明W1處理下施氮量為200 kg/hm時小麥旗葉凈光合速率最高，可以有效提高碳同化效率，為高產(chǎn)奠定基礎。因此，旗葉凈光合速率的高低可以作為判斷灌水和施氮量對小麥增產(chǎn)作用機理的一項重要指標。

2.5 不同處理開花后冠層光合有效輻射截獲率

由表3可以看出，開花 0 d 及花后7、14、21、28 d光合有效輻射截獲率均表現(xiàn)為 W1N200最高，W2N250、W1N250次之，W2N0最低，說明W1處理下施氮量為 200 kg/hm處理時開花后冠層光合有效輻射截獲率能顯著提高小麥對碳的吸收轉(zhuǎn)化能力，從而大幅提高產(chǎn)量。在花后0～28 d內(nèi)，隨著時間推移灌水和施氮量對有效光截獲的影響逐漸增加，在28 d時差值最大，說明有效光截獲可以作為反映灌水和施氮量對小麥增產(chǎn)作用機理的重要指標。

表3 不同處理開花后冠層光合有效輻射截獲率

2.6 不同處理籽粒產(chǎn)量及其構成因素

由表4可以看出，W1和W2各處理的穗數(shù)隨著施氮量的增加而增加，其中W1N250、W1N200、W2N250、W2N200顯著高于其他處理，比各自組內(nèi)對照分別增加12.74%、11.93%、11.54%、10.21%，說明施氮量有利于分蘗成穗。而穗粒數(shù)W1和W2灌水處理各自施氮量處理間差異均不顯著，說明不同灌水處理和施氮水平對穗粒數(shù)的形成影響較小。千粒質(zhì)量W1處理N200和N250無顯著差異，但N200顯著高于N150、N0，隨著施氮量的增加千粒質(zhì)量出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，W2處理呈現(xiàn)N250>N200>N150>N0的情況，其中W1N200、W2N250千粒質(zhì)量均達到各處理的最大值，說明施氮水平和灌水處理同時影響著后期籽粒干物質(zhì)的形成；最終籽粒產(chǎn)量W1N200、W2N250表現(xiàn)最好，W1N200略高，其他各處理間差異均達到顯著水平(<0.05)，商麥178在W1N200(減氮20%)處理下獲得了最高產(chǎn)量，說明灌開花水能夠提升氮肥利用效率，較常規(guī)施氮節(jié)約施氮20%的情況下提升產(chǎn)量，從而獲得減氮增效的最大潛力。

表4 不同處理對小麥產(chǎn)量及其構成因素的影響

3 討論與結(jié)論

植株氮素積累量與轉(zhuǎn)運量是評價長勢、提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)的重要指標。植株對氮素的吸收特性同樣由土壤水分含量決定。小麥氮素吸收效率在適宜的水分含量下提高，在水分過量的情況下產(chǎn)生不利影響。有研究表明，小麥開花前期水分逆境會導致營養(yǎng)器官中的氮轉(zhuǎn)移至籽粒的量降低。本試驗研究顯示，開花后7 d和14 d營養(yǎng)器官和籽粒氮素積累量均表現(xiàn)為W2>W1，說明開花期澆水后初期不利于營養(yǎng)器官和籽粒的氮素積累，與上述觀點一致；開花后21 d出現(xiàn)較大幅度的轉(zhuǎn)折，W1處理的營養(yǎng)器官和籽粒氮素積累顯著增加，與小麥氮素吸收可與在適宜的水分含量下提高觀點一致。氮素在小麥根、莖、葉中的流轉(zhuǎn)在開花期到成熟期持續(xù)進行著，其主要流轉(zhuǎn)方向是從營養(yǎng)器官到穗部。有研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)器官輸入籽粒的氮素占籽?？偟氐?0%左右，營養(yǎng)器官中的氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移比例會因適宜的土壤水分而提高。本研究發(fā)現(xiàn)，各營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量W1N200最高，W1處理下的水氮運籌能夠延長葉片的功能期，莖稈+穗軸+穎殼能夠充分提供給籽粒水分和養(yǎng)分，達到增產(chǎn)的效果，進一步說明了水氮運籌對小麥增產(chǎn)的重要性。

楊麗麗等研究發(fā)現(xiàn)，中度干旱對小麥籽粒灌漿及水分利用都有良好作用；劉溢健研究發(fā)現(xiàn)，如果小麥在灌漿期處于輕微水分缺乏的狀態(tài)會提高相關酶的活性，能夠積累更多的有機物。本試驗結(jié)果顯示，開花后0～14 d灌漿速率W2對應的施氮處理顯著高于W1處理，說明灌水初期對小麥籽粒灌漿造成一定的負面影響，但是持續(xù)時間較短，與居輝、楊麗麗、劉溢健等的研究觀點一致；而在 14 d 后W1處理灌漿速率均出現(xiàn)反超W2的現(xiàn)象，14～35 d 的灌漿速率W1處理比W2處理增加顯著，說明灌水處理2周后土壤水分含量適宜，能夠大幅提高籽粒的灌漿速率，促進產(chǎn)量的形成。

施氮量對小麥光合速率有顯著影響。在施氮量0～270 kg/hm時，隨氮肥施用量的增加小麥凈光合速率增加，且不同處理下小麥凈光合速率在開花0～28 d呈先增加后減少的趨勢，在開花14 d達到最高。本研究發(fā)現(xiàn)，開花7～28 d 的旗葉凈光合速率為W2N250 顯著高于其他處理，說明在開花期缺水的情況下W2N250旗葉光合速率最高，與上述觀點一致，但是本試驗發(fā)現(xiàn)在14～21 d達到峰值與上述結(jié)論有所差異，尚需進一步驗證。許振柱等研究發(fā)現(xiàn)，如果土壤缺少水分出現(xiàn)水分脅迫會使光合作用降低。本試驗發(fā)現(xiàn)，灌開花水處理下7～28 d施氮量為200 kg/hm時小麥旗葉凈光合速率最高，說明此時土壤水分含量較適宜于小麥旗葉的光合作用。因此，旗葉凈光合速率的高低可以作為判斷灌水和施氮量對小麥增產(chǎn)作用機理的一項重要指標。研究表明，施氮量為0～270 kg/hm時，隨氮肥施用量的增加，開花后冠層光合有效輻射截獲率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在210 kg/hm時達到最高。本研究表明，開花后 0～28 d時間段W1N200最高，W1處理下施氮量為200 kg/hm時冠層光合有效輻射截獲率能顯著提高小麥對碳的吸收轉(zhuǎn)化能力從而大幅提高產(chǎn)量，與前人研究結(jié)果一致；并發(fā)現(xiàn)在花后0～28 d的時間內(nèi)，隨著時間推移灌水和施氮量對有效光截獲影響逐漸增加，在 28 d 時差值最大，說明有效光截獲可以作為反映灌水和施氮量對小麥增產(chǎn)作用機理的重要指標。

不同灌水下各氮肥處理產(chǎn)量變化主要原因有2個：一是施氮量顯著增加了穗數(shù)，二是水氮協(xié)作提高了千粒質(zhì)量。張炳勇等研究認為，增施氮肥使得單位面積總穗數(shù)增多。本研究表明W1、W2各施氮處理穗數(shù)均隨氮肥施用量增加顯著增加，與上述觀點一致，另外發(fā)現(xiàn)千粒質(zhì)量W2處理N250最高，W1處理N200與N250差異不顯著，說明施氮水平和灌水處理同時影響著后期籽粒干物質(zhì)的形成；最終籽粒產(chǎn)量W1N200、W2N250表現(xiàn)最好，W1N200略高，與其他各處理間差異均達到顯著水平(<0.05)。商麥178在W1N200(減氮20%)處理下獲得了最高產(chǎn)量，說明灌開花水能夠提升氮肥利用效率，較常規(guī)施氮節(jié)約施氮20%的情況下提升產(chǎn)量，從而獲得減氮增效的最大潛力。