雨养条件下施氮水平对冬小麦小花发育与结实的影响

王玉竹 尹燕枰 李勇 王振林

摘要：采用大田小区试验，以冬小麦品种山农20为材料，探讨雨养条件下（只浇底墒水，保证小麦能够正常出苗）氮素水平为0 （N0）、240（N1）、360 （N2） kg/hm2的处理对冬小麦穗基部、中部、顶部小花发育动态、结实率及籽粒产量的影响。结果表明，增施氮肥显著提高了小麦不同穗位可孕花数量，增加了不同穗位平均结实粒数；增施氮肥能够促进穗花发育，延长穗花发育时间，小麦穗粒数及产量均显著提高，且以N1处理的产量最高。

关键词：冬小麦；小花发育；结实特性；雨养；氮肥

中图分类号：S512.106.2文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）09-0077-07

AbstractWith winter wheat variety Shannong 20 as material， the effects of different nitrogen levels， 0 （N0）， 240 （N1）， 360 （N2） kg/hm2， on developmental dynamics and setting rate of florets on different parts of spikes （basal， central， apical） and grain yield were studied under rain fed conditions through field plot experiments. The results indicated that increasing N fertilizer significantly improved the number of fertile florets on different parts of spikes and increased the average setting rate. It also induced the floret development and prolonged the floret development time. Thus， the kernels per spike and grain yield were significantly increased， and N1 treatment owned the highest yield.

KeywordsWinter wheat； Floret development； Grain setting； Rain fed； Nitrogen fertilizer

小麦籽粒产量由单位面积穗数、粒重、穗粒数决定。提高穗粒数，增加单位面积籽粒数，是提高小麦产量的关键途径之一[1-3]。小麦穗粒数的形成进程包括小花分化、发育、退化和结实等生理过程[4]。因此，研究小麦穗粒数形成的生理机制及其对栽培调控的响应，对高产品种选育、小麦生育期栽培管理等具有重要理论参考意义。前人研究认为小麦拔节-孕穗期，尤其幼穗分化处于药隔期至四分体形成期，是小麦对外界环境、土壤水肥等条件敏感期[5-7]。水分亏缺抑制小麦茎秆生长，减少绿叶面积，降低叶绿素含量[8]，降低光合速率[9]，从而影响干物质积累[10]。水分亏缺显著降低小麦穗轴大小维管束数目及面积[11]，且加速小麦小花发育，使小花的两极分化提前，导致可孕花数减少，降低结实率[12]，显著降低穗粒数[13]。申海兵等研究发现灌水可显著增加穗颈维管束数目，提高总小穗数和结实小穗数[14]。氮素营养是影响小麦产量的重要因子，通过氮肥运筹措施可以改善水分亏缺下小麦植株发育情况[15]。水分逆境下增施氮肥可提高叶片谷氨酰胺合成酶及蔗糖合成酶活性，促进氨基酸的转化合成[16]。水分亏缺下增施氮肥可显著提高穗粒数，进而提高籽粒产量[17]。氮肥对小麦穗粒数及产量调控的研究已有报道，但氮肥处理对小麦不同穗位小花发育动态、形态变化及结实特性影响的研究尚缺乏。本试验在大田条件下，选用山农20为试验材料，设置雨养条件（只浇底墒水，保证小麦能够正常出苗）下，研究不同氮素水平对小麦穗基部、中部、顶部小花发育动态、形态变化的影响，以期为小麦小花发育调控提供理论参考。

1材料与方法

1.1試验材料与设计

试验于2013-2014和2014-2015年度在山东农业大学泰安农学试验农场进行。试验田土壤为棕壤土，耕层（0～20 cm）土壤有机质含量14.76 g/kg、全氮1.24 g/kg、铵态氮6.06 mg/kg、硝态氮12.79 mg/kg、速效磷9.6 mg/kg、速效钾85.30 mg/kg。供试小麦品种为山农20。雨养条件下设置3个氮肥处理，氮肥为尿素，用量（按纯氮计）分别为：0（N0）、240（N1）、360（N2）kg/hm2。采用随机区组设计，重复3次，小区面积为9 m2，每处理间设置1 m隔离带。播种前施入基肥50%氮肥量、P2O5 100 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，拔节期追施另50%氮肥。其它如除草、除虫等田间管理同一般高产田。

1.2测定项目与方法

1.2.1试验田小气候与小麦生育期积温计算小麦生育期月平均气温和降雨量的动态变化如图1所示。从小麦播种开始到成熟收获结束，于田间设置ZDR-20温度记录仪，每隔1 h记录温度数据。

1.2.2小麦穗取样及显微结构观察于返青期（3月7日）开始取样，每隔3天取样一次，在显微镜下解剖观察确定二棱初期，随后便到达顶小穗形成期。从顶小穗形成期到开花期，每隔两天取样一次，每处理取10个主茎穗子，解剖并在Nikon显微镜下观察，记载分化小花数及小花发育阶段。

参照Waddingtion（1983）的方法解剖观察记载分化小穗数、不同穗位小穗分化小花数及小花的发育阶段[19]。其小花发育阶段的划分是从小花原基分化期W3.5开始，到W10（柱头具有接受花粉的能力），基于雌蕊的发育。当小花发育到W10或者将近W10时被认为是可孕小花。穗分为基部（基部4个小穗）、中部、顶部（顶端4个小穗），穗中小花的命名参照González等（2003）[20]，按照F1-Fn（同一小穗中距离穗轴的远近，距离穗轴最近的为F1，最远的为Fn）。结实率（%）为成熟期结实粒数占花期可孕花的百分比。

1.2.3扫描电镜制样方法于二棱期每处理剥取3个小麦幼穗，4%戊二醛前固定，0.1 mol/L磷酸缓冲液冲洗，1%锇酸后固定，0.1 mol/L磷酸缓冲液冲洗，醋酸异戊酯过渡，梯度乙醇脱水，采用日立HCP-2型CO2临界点干燥仪干燥。临界点干燥后将样品粘到样品台上，用JFC-1100型离子溅射仪进行镀金膜，最后用JSM-6610A 扫描电镜A JSM-6610A （JEOL，Japan，5000 ×，20 kV）进行观察摄像。

1.2.4小麦结实特性与产量测定小麦成熟后每处理收获1 m2 ，统计穗数，脱粒后于60℃下烘干至恒重称重，计算产量。

1.3数据统计与分析

小麦籽粒产量为2年度数据，而小花发育进程、结实特性、花期穗干重均为2014-2015年度数据。

用DPS 7.05统计分析软件对数据进行方差分析和显著性检验，用Sigma 10.0软件作图。

2结果与分析

2.1小花发育阶段的划分

如表1所示，小麦小花发育分为W2.5-W10等14个阶段，每阶段对应的形态结构如图2所示。a-e、f-k分别为扫描电镜与Nikon显微镜下拍摄的小花发育各个时期的照片。

2.2雨养条件下不同氮素水平对小花发育动态的影响

分析结果表明，穗基部、中部、顶部1、2位小花，穗中部3位小花均能发育到或接近W10时期，即为可孕小花（图3-a1、a2、b1、b2、c1、c2、b3）。N1、N2处理穗基部和顶部的3位小花均能够正常发育（图3-a3、c3）。增施氮肥对不同穗位的1、2位小花及穗中部3位小花的发育影响不显著，而增施氮肥后提高了穗顶部及基部3位小花的发育程度。4位小花在W7.92时期发育停止（图3-b4），但施氮显著提高了小花的发育程度，N1及N2处理的4位小花發育均接近W8时期，表明增施氮肥可减缓水分亏缺对小花发育的影响。穗顶部4位小花均不能够正常发育，但N1处理的小花发育程度显著高于其它2个处理（图3-c4）。

2.3雨养条件下不同氮素水平对不同穗位的可孕小花数、结实粒数、结实率的影响

2.3.1不同穗位的可孕小花数由表2看出，雨养条件下，不同穗位的平均可孕小花数表现为穗中部最多。N1、N2处理的穗顶部、中部、基部可孕小花数量显著高于N0处理，N1处理高于N2处理，但差异不显著。可见，适量增施氮肥可显著提高花期平均可孕小花数量。

2.3.2不同穗位的结实粒数试验结果（表3）表明，N1处理的穗中部、基部最终平均结实粒数显著高于N0、N2处理，但N1、N2处理的穗顶部之间差异不显著，N0、N2处理的穗中部、基部之间差异不显著。可见，N1处理显著增加了穗中部、基部的最终结实粒数。

2.4雨养条件下不同氮素水平对小麦产量及产量构成因素的影响

由表5可以看出，雨养条件下，N1、N2处理的公顷穗数之间差异不显著，但显著高于N0处理，这是因为雨养减少了小麦分蘖数。随施氮量增加，穗粒数及产量之间差异显著，均以N1处理最高，N0处理最低。N1、N2、N0处理之间千粒重差异达到显著水平（P<0.05），且N1、N2处理均低于N0处理。

本试验结果表明，在雨养条件下增施氮肥延长了穗发育时间，在花期产生更多的可孕花，提高了小花的发育程度，这进一步证实氮肥能有效影响小花发育速率和小花原基死亡率[21]。不施氮缩短了穗发育时间，降低了花期可孕花数及最终平均结实粒数。这是因为在茎伸长时期穗的生长对可孕花的建成至关重要[22-24]。穗发育的时间越长，则会形成更多的可孕花，进而增加穗粒数[25， 26]。在现阶段研究中，已经确定在小麦生长早期增施氮肥能够增加粒数[27-29]，本研究创新之处是产生这种结果是由于增加了不同穗位可孕小花数及可孕小花结实率。本试验结果表明氮肥处理显著增加了不同穗位可孕小花数成粒，尤其增加了F3、F4成粒。通过增加营养供应，提高了小花的发育速率，决定了更远端小花达到可孕阶段并且结实的可能性提高，这种差异发生在不同穗位，进而反映整个穗部。这对理解小花的发生、存活动态对基因型和环境因素影响小麦产量的决定因素有一个更广泛的感知[30]。

相关研究表明小花的死亡发生在穗生长速率最大时，因此，通常认为穗的生长决定了正常发育的小花数量[31-33]，高产小麦育种的成功支持了这一假设，因为其主要是基于增加每平方米的粒数[34]，而这与在小花原基阶段穗部干物质的增长有关[33， 34]。González等（2011）研究结果表明，中部小穗小花原基与穗生长期间供应同化物的增加有关[29]。Bancal （2008、2009）则认为小花开始死亡或许只是一个纯粹的发育过程而已，并且中部小穗的小花是否能够发育为可孕小花与中部小穗F1的发育阶段有关，与同化物的供应无关，穗中部F1发育到W8时，小花死亡开始[35， 36]。

然而通过分析光周期和遮荫对小花发育的影响，结果表明小穗中间位置的小花原基的发育和穗生长时期增加的同化物有密切关系[21] 。这进一步表明，小穗中间位置的小花原基的发育受同化物有效性的影响。因此，产量对氮肥的响应通常与粒数的增长有关，粒数的增长是通过增加其生长作为对氮肥的一个直接响应，在小花死亡期间，能够通过影响作物生长的环境或者营养因素来获得相同的响应。

总之，增施氮肥提高了3、4位小花的发育程度，增加了不同穗位花期可孕花数及最终结实粒数，进而增加了产量。

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