基于“三合结构”分析氮肥运筹对四川丘陵旱地小麦物质生产及产量形成的影响

王强生,徐 娟,2,樊高琼,郑 文,胡雯媚,王思宇

(1.四川农业大学/农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川成都 611130；2.农业部沼气科学研究所，四川成都 610041)



基于“三合结构”分析氮肥运筹对四川丘陵旱地小麦物质生产及产量形成的影响

王强生1,徐 娟1,2,樊高琼1,郑 文1,胡雯媚1,王思宇1

(1.四川农业大学/农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川成都 611130；2.农业部沼气科学研究所，四川成都 610041)

为探究氮肥后移对四川丘陵旱地小麦物质生产与产量形成的影响，2013-2015年度以四川省小麦主推品种川麦104为材料，采用二因素随机区组设计，研究了2个施氮量(120、180 kg N·hm-2)、3种施氮方式(底肥一道清、重底早追即底肥和苗肥比例7∶ 3、氮肥后移即底肥和拔节肥比例6∶4)对小麦干物质积累、平均叶面积指数(MLAI)、生育天数(D)、收获指数(HI)、平均净同化率(MNAR)的影响。结果表明，从三叶期至开花期，相对于120 kg·hm-2施氮水平，增施氮肥后干物质积累量增加，而成熟期则以120 kg·hm-2施氮处理的干物质积累量较大。不同施肥方式间比较，氮肥重底早追显著增加了三叶期至孕穗期干物质积累量和群体LAI，氮肥后移则显著增加了开花期与成熟期干物质积累量及开花期群体LAI，底肥一道清处理孕穗期、开花期、成熟期的干物质积累量均最小。从光合性能参数看，增施氮肥和氮肥后移均对MLAI、HI有促进作用，与120 kg·hm-2施氮处理相比，增施氮肥后MLAI增加9.5%(2014-2015年)，HI增加4.7%(2013-2014年)；氮肥后移处理的MLAI较底肥一道清处理增加38.2%(2013-2014年)，HI较氮肥重底早追处理增加10.6%(2014-2015年)，差异均显著；而MNAR、平均作物生长率(MCGR)受施氮量的影响较小。氮肥后移处理的单位面积粒数(TGN)和粒叶比显著增加；180 kg·hm-2施氮处理的产量及产量构成因素略高于120 kg·hm-2施氮处理，但差异均不显著。综合生产成本与效益来看，四川丘陵旱地小麦的推荐氮肥用量为120 kg N·hm-2，施肥方式为底肥和拔节肥比例6∶4。

小麦；产量；氮肥运筹；三合结构；产量性能

施用氮肥是作物增产的主要措施之一。据统计，20世纪作物增产的40%～60%来源于氮肥的贡献[1]。然而，大水大肥在促进作物增产的同时也带来了对环境的破坏，如土壤板结、地下水污染严重、食物中亚硝酸盐含量超标等。如何协调好作物持续高产、氮肥高效利用、生产成本与效益和环境保护之间的矛盾一直是农业研究的热点[2-6]。资源节约型、环境友好型农业是新时期农业发展的必然要求，减肥减药也是全世界农业生产发展的新方向[7]。氮肥的高效利用，不仅与施氮量有关，也与追肥方式有关。丘陵旱地是四川乃至西南小麦的主要分布区域[8]，也是典型的粮仓。但由于地势偏僻，农业基础条件较差，科学研究投入不足，农民凭经验施肥，且习惯于在播种时一次性施入或重底早追(底肥与苗肥比例7∶3)。氮肥后移具有与小麦生长需求相匹配、肥料利用率高等诸多优点[9]，在北方被广泛推广应用。四川盆地是一个特殊生态区域，具有高温、高湿、寡日照的气候生态特点，小麦生育特点为全生育期短、苗期短、灌浆期长，与北方麦区明显不同[8]；同时，丘陵旱地属于雨养农业区域，季节性干旱(冬干春旱)突出，氮肥后移在该区域的可行性尚不明确，适宜的施氮量也未知。因此，研究四川丘陵旱地小麦氮肥高效施用技术，对于促进四川乃至西南小麦生产可持续发展、确保区域粮食安全具有重要意义。

“三合理论”是由张 宾等[10]提出的关于作物生产的一个新理论，旨在将产量性能定量化，构建产量性能方程(方程见1.3.5节)，系统阐述物质生产与产量形成的关系，揭示作物源与库中各因素间的内在联系，较原来用以阐述产量形成机制的产量构成三因素[11]、光合性能[12]、源库关系[13]等理论有较大优势。本研究基于“三合理论”，以四川小麦主推品种川麦104为材料，追踪不同氮肥运筹下小麦整个生育期内干物质积累动态、叶面积指数动态等，进而得出平均叶面积指数、平均净同化率等光合性能参数，从全生育期内物质生产与产量的关系及特点上，探索施氮量及追肥方式对四川旱地小麦产量形成的影响，以期为四川乃至西南麦区小麦氮肥的合理施用提供理论基础和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地基本情况

供试材料为四川省主推品种川麦104，由四川省农科院提供。试验于2013年10月-2015年5月在四川省仁寿县珠嘉乡踏水村进行。试验地土壤为紫色土，2013-2014年0～20 cm土壤基础肥力为有机质含量57.3 g·kg-1，全氮含量0.9 g·kg-1，速效氮含量57.0 mg·kg-1，速效磷含量17.9 mg·kg-1，速效钾含量57.3 mg·kg-1，pH 7.81；2014-2015年有机质含量49.6 g·kg-1，全氮含量1.0 g·kg-1，速效氮含量56.0 mg·kg-1，速效磷含量19.7 mg·kg-1，速效钾含量100.3 mg·kg-1，pH 7.77。两个年度中，2013-2014年属于正常年份，2014-2015年小麦花后温度高，高温逼熟，较2013-2014年度提前一周收获，全生育期短13 d (表1、表2)。

表1 试验点小麦生育进程

表2 试验点气象条件

1.2 试验设计

两年试验均采用施氮量和方式二因素随机区组设计，施氮量设120 kg N·hm-2(A1)和180 kg N·hm-2(A2)2个水平，施氮方式设底肥一道清(B1)即仅施底肥、重底早追(B2)即底肥和苗肥比例7∶3、氮肥后移(B3)即底肥和拔节肥比例6∶4三种。以不施肥为对照(CK)。重复3次，共21个小区。小区面积12.96 m2(2.4 m×5.4 m)。

采用条沟点播，行距24 cm，穴距12 cm。每穴播8粒种子，基本苗225万株·hm-2左右。除CK外，各处理基施P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。播种后浇出苗水。追施氮肥时，将尿素溶解在水中浇施，未追肥处理的也浇灌等量清水。其他栽培管理措施同一般大田生产。

1.3 测定内容及方法

1.3.1 干物质积累量的测定

在三叶期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期取样测定干物质积累量。每次在取样区域取2个代表性样点，每点在1行内连续取4穴植株，每小区共计8穴植株。取样植株首先剪掉地下部分，然后分器官杀青、烘干、称重。

1.3.2 各时期LAI的测定

在干物质测定时，每小区取5个植株，每株取3片叶片。在叶片中部裁下长度为5 cm的叶片，测量宽度，再将叶片杀青、烘干、称重，折算比叶重。结合测定干物质积累量，测定8穴植株绿叶干重，计算叶面积指数(LAI)。LAI=植株绿叶干重/(比叶重×取样面积)。

1.3.3 产量及产量构成因素的测定

收获后测量籽粒水分含量、产量及千粒重。产量和千粒重按标准含水量13%折算。成熟期调查有效穗数，并随机取30个穗子测定穗粒数。

1.3.4 粒叶比计算

粒叶比为群体总结实粒数或粒重与孕穗期最大叶面积的比值[14]。本试验采用成熟期籽粒重与孕穗期叶面积的比值来表示。

1.3.5 光合性能参数及二级参数的计算

根据张 宾等[10]提出的“三合结构”表达式，对产量性能进行分析：

MLAI×D×HI×MNAR=EN×GN×GW

(1)

上式中，各项均为一级参数，MLAI表示平均叶面积指数，D表示生育天数(d)，HI表示收获指数，MNAR为平均净同化率(g·m-2·d-1)，这4个参数反映光合性能数。EN为有效穗数(104·hm-2)，GN为穗粒数，GW为千粒重(g)。根据各参数之间的关系，由表达式(1)推导出二级参数，以下二级参数均由一级参数组合而成，均具有实际的生物学意义：

LAD=MLAI×D

MCGR=MLAI×MNAR

TGN=EN×GN

EW=GN×GW

上式中，LAD表示光合势，MCGR代表平均作物生长率， TGN代表单位面积籽粒数量，EW代表单穗重。

通过对作物群体LAI和生育天数进行归一化处理后的数据进行模型模拟，建立LAI动态模拟模型：

Y=(a+bx)/(1+cx+dx2)

小麦中a=0.013 1，b=0.003 5，c=-2.451 5，d=1.527 3[15]

Y为相对LAI值(即各生育时期LAI测量值与最大LAI的比值)，x为相对时间(各测定时期距出苗时的天数与生育天数的比值)。然后对LAI动态模型曲线从0到1积分，获得整个生育期总的相对LAD(光合势)。由于整个生育期的相对时间为1，总的相对LAD值即为全生育期的平均相对LAI值。本试验通过开花期LAI来模拟，最大LAI=开花期LAI/开花期相对LAI，开花期相对LAI根据上述模型计算，MLAI值等于平均相对LAI与作物最大LAI的乘积。本试验通过开花期LAI来模拟MLAI。MLAI计算出后，带入公式(1)中即可计算出一级参数MNAR与二级参数MCGR。

1.3.6 氮肥农学利用率及氮肥偏生产力的计算[16]

氮肥农学利用率(NAE,nitrogen agronomic efficiency)=(施氮处理产量-空白对照产量)/施氮量

氮肥偏生产力(PFP,partial factor productivity of applied N)=施氮处理产量/施氮量

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对四川丘陵旱地小麦不同生育时期干物质积累的影响

从表3可见，小麦干物质积累量随生育进程的推进而增加，拔节后干物质积累量增加比较迅速。2013-2014年，与A1相比，增施氮肥的A2处理显著增加了各时期干物质积累量(成熟期例外)，2014-2015年A1和A2的干物质积累量差异不显著。A1的花后干物质积累量在2013-2014年显著高于A2，而在2014-2015年A1高于A2，但差异不显著。从不同施氮方式来看，两年试验中，花前干物质积累量均以B2最大，与B1、B3差异显著；开花期干物质积累量以B3最高，显著高于其余方式；而成熟期，2013-2014年以B3最高，2014-2015年则以B2最高。花后干物质积累两年均表现为B1>B2>B3，这可能与B1开花期干物质积累量较小有关。从整个氮肥运筹来看，虽然A2B3处理干物质积累从拔节到成熟最多，但花后积累量却以A1B1处理最多，其次是A1B3处理，二者差异不显著。

2.2 氮肥运筹对四川丘陵旱地小麦不同生育时期叶面积指数的影响

与A1的3个处理相比，增施氮肥(A2)的3个处理在2013-2014年三叶期的LAI显著降低，2014-2015年孕穗期的LAI显著增加。不同施肥方式间，两年三叶期至孕穗期的LAI均以B2最大，且与其他方式差异显著。开花期，以B3的LAI最大，其中2013-2014年B3显著高于B1，但与B2差异不显著(表4)。

2.3 氮肥运筹对四川丘陵旱地小麦粒叶比的影响

粒叶比是衡量群体源库关系协调水平的重要指标。从表5可知，增施氮肥后小麦粒叶比增加，但A1和A2之间差异不显著。不同施氮方式中B3的粒叶比最大，分别比B2、B1增加23.3%、19.2%，且差异均显著，说明拔节期追氮有助于构建高粒叶比群体。

2.4 氮肥运筹对四川丘陵旱地小麦产量及光合性能的影响

从表6可以看出，施氮量间，A2较A1产量高，但差异不显著，年度间规律一致。不同施氮方式间，B3的产量最高，其中2013-2014年与其他方式间差异显著，较B2、B1分别增产5.0%和8.9%，主要在于B3的有效穗显著增加(表7)。从氮肥利用率来看，年度间规律一致，与A1相比，增施氮肥后，氮肥农学利用率及氮素偏生产力均显著降低，而不同施氮方式间，B3下氮肥农学利用率及氮素偏生产力均最大，且显著高于B1(2013-2014年)。

表3 不同氮肥运筹下小麦不同生育时期的干物质积累量

同列中不同字母代表在0.05水平下差异显著，显著性差异来源为施氮量或施肥方式间的比较。下表同。在两年试验中，由于取样时采用的标准不同，造成年度间三叶期的干物质积累量和LAI差异较大。

Different letters within the same column mean significant difference at 0.05 level,and the significant difference is from the comparison between the N rates or fertilization methods. The same as in following tables.In the two year experiments,the amount of dry matter accumulation and LAI had huge differences at three-leaf stage between years due to the different standards.

就光合性能参数(表7)而言，增施氮肥后平均叶面积指数(MLAI)增加，其中2014-2015年度A2的MLAI较A1增长9.5%，且差异显著；施肥方式以B3的MLAI大，2013-2014年度显著高于B1，较B1增加38.2%。收获指数(HI)也以A2大，较A1增加4.7%(2013-2014年)，差异显著；B3较B2增加10.6%(2014-2015年)，差异显著。MNAR(平均净同化率)在施氮量间差异均不显著，但B3下MNAR均显著降低。这可能与B3下MLAI较大，下部叶片相互遮蔽，通风透光条件差，叶片光合作用受到抑制有关。

就二级参数而言，MCGR(平均作物生长率)受施氮量的影响较小，2013-2014年不同施氮方式间以B3最大，2014-2015年则以B2最大。A2下TGN(单位面积籽粒数)显著增加，较A1增加4.5%(2013-2014年)；不同施肥方式间，B3、B2显著高于B1(2013-2014年)，增幅分别为8.7%和6.1%。而2013-2014年单穗重(EW)的变化趋势与TGN的趋势基本相反，即以B1最大，B2最小；2014-2015年则以B3最大，显著高于B1。说明在后期高温逆境下，氮肥后移(B3)的效果更易显现。

表4 不同氮肥运筹下小麦不同生育时期的叶面积指数

表5 不同氮肥运筹下小麦的粒叶比(2013-2014)

表6 不同氮肥运筹下小麦产量及氮素利用率

表7 不同氮肥运筹下小麦产量构成及光合性能参数

EN：有效穗数；GN：穗粒数；GW：千粒重；MLAI：平均叶面积指数；HI：收获指数；D：生育天数；MNAR：平均净同化率；MCGR:平均作物生长率；TGN：单位面积籽粒数；EW：单穗重。

EN:Ear number; GN:Grain number; GW:1 000-grain weight; MLAI:Mean leaf area index; HI:Harvest index; D:Growth days; MNAR:Mean net assimilation rate; MCGR:Mean crop growth rate; TGN:Grain number per hectare; EW:Grain weight per ear.

3 讨 论

3.1 四川丘陵旱地小麦适宜的施氮量和施氮方式

关于氮肥运筹对小麦产量的影响，前人已做了大量研究，均认为增施氮肥能增加有效穗数和穗粒数；拔节期追施氮肥能提高收获指数和产量[17-21]。不同区域的小麦适宜施氮量、施氮方式和底追比不同。石 玉等[22]在山东的试验表明，施氮量为168 kg·hm-2、拔节期追肥且底追比为1∶2是最佳氮肥运筹方式。王小燕等[18]认为江汉平原氮肥运筹的最优处理为施氮量180 kg·hm-2、底追比3∶7且为拔节期追肥；周海燕等[19]认为在玉米秸秆还田条件下，推荐的氮肥运筹为施氮量为210 kg·hm-2、底肥与拔节肥比例3∶7。也有研究表明，孕穗期追氮且底追比为4∶6时小麦籽粒产量最高[23]。本研究表明，2013-2014年120 kg N·hm-2(A1)和180 kg N·hm-2(A2)间产量及产量构成因素差异不显著，但A1下氮肥利用率显著高于A2，氮肥后移(B3)显著增加有效穗数、产量及氮肥利用率。另外，从表6可知，A2B3处理的产量最高，但其氮肥利用率远低于A1B3处理。综合生产成本与效益来看，本试验条件下四川丘陵旱地小麦推荐的氮肥用量为120 kg·hm-2，施肥方式为底肥与拔节肥比例6∶4。

3.2 氮肥后移对四川丘陵旱地小麦物质积累和光合性能的影响

关于氮肥后移的增产原因，前人研究认为主要是增加了穗粒数与千粒重[24]。千粒重增加与氮肥后移后延缓了植株和旗叶衰老，延长了旗叶功能期有关[9]。本研究表明，氮肥后移促进开花期与成熟期的干物质积累(2013-2014年)，增加花前干物质积累量，显著提高开花期LAI。基于“三合结构”一级参数和二级参数的分析表明，氮肥后移增加了平均叶面积指数(MLAI)与平均作物生长率(MCGR)(2013-2014年)，小麦整个生育期的光合性能及物质积累能力增强，单位面积粒数(TGN)显著增加，进而增产。进一步研究发现，氮肥后移后粒叶比达到14.6 mg·cm-2(卢百关等[25]研究表明超高产小麦群体的粒叶比应大于14 mg·cm-2)，HI也较重底早追(底肥与苗肥比例7∶3)型显著增加，表明氮肥后移后源大库足，流通畅，干物质更多地向籽粒转运。

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Effect of Nitrogen Strategies on Dry Matter Accumulation and Yield of Wheat in Sichuan Hilly Areas Based on “Three Combination Structure”

WANG Qiangsheng1，XU Juan1,2，FAN Gaoqiong1，ZHENG Wen1，HU Wenmei1，WANG Siyu1

(1.Sichuan Agricultural University/Key Laboratory of Crop Eco-physiology and Farming System in Southwest China,Ministry of Agriculture,Chengdu,Sichuan 611130,China; 2.Biogas Institute of Ministry of Agriculture,Chengdu,Sichuan 610041,China)

In order to ascertain the yield increasing mechanism of postponing N fertilizer application,Chanmai 104,a major wheat cultivar in local production,was used as material to study the effect of two N rates (120,180 kg N·hm-2),three fertilization methods (all for base fertilizer,base fertilizer to topdressing fertilizer at seedling stage ratio as 7∶3,and base fertilizer to topdressing fertilizer at jointing stage ratio as 6∶4) on the dry matter accumulation,mean leaf area index (MLAI),growth days (D),harvest index (HI) and mean net assimilation rate (MNAR) in 2013-2015 by using the two factor randomized block design. The results showed that the dry matter accumulation was increased with the increasing of N rate,reaching the maximum at the mature stage under the 120 kg N·hm-2treatment. Among the different fertilization methods,the type of base fertilizer to topdressing fertilizer at seedling stage with a ratio of 7∶3 increased dry matter accumulation and LAI significantly from seedling stage to booting stage,and the base fertilizer to topdressing fertilizer at jointing stage with a ratio of 6∶4 increased dry matter accumulation and LAI significantly at flowering and mature stages,and the treatment of all for base fertilizer decreased dry matter accumulation at booting stage,flowering stage and mature stage. As for photosynthetic performance parameters,both increasing N rate and postponing N fertilizer application had positive effect on MLAI and HI,with the increase of N rate,MLAI was increased by 9.5% (2014-2015),and HI was increased by 4.7% (2013-2014). The MLAI of the base fertilizer to topdressing fertilizer at jointing stage with a ratio of 6∶4 treatment was increased by 38.2%,compared with the all for base fertilizer treatment (2013-2014),and HI was increased by 10.6%,compared with the base fertilizer to topdressing fertilizer at seedling stage with a ratio of 7∶3 treatment (2014-2015). However,the influence of N rate on MNAR and mean of crop growth rate (MCGR) was not significant. The postponing N fertilizer application significantly increased TGN (grain number per unit area) and grain-leaf ratio,and the yield and yield components under 180 kg N·hm-2were slightly higher than those of 120 kg N·hm-2. Thus,the recommended N rate in Sichuan Hilly Area was 120 kg N· hm-2,and the fertilization method was base fertilizer to topdressing fertilizer at jointing stage with a ratio of 6∶4.

Yield; Nitrogen strategies; Three combination structure; Yield performance

时间：2016-10-08

2016-04-17

2016-05-24

国家公益性行业(农业)科研专项(201503127)；四川省育种攻关项目(2011NZ0098-15-3)

E-mail：465277668@qq.com

樊高琼(E-mail：fangao20056@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)10-1369-08

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20161008.0932.024.html