水肥一体化条件下施氮量对小麦旗叶叶绿素荧光特性及产量的影响

郭培武，石 玉，赵俊晔，于振文

(1.山东农业大学农业部作物生理生态与耕作重点实验室，山东泰安 271018；2.中国农业科学院农业信息研究所，北京100081)

黄淮海麦区是我国重要的小麦产区，小麦种植面积和总产分别占全国的55.6%和61.6%[1]。小麦产量的提高很大程度上依赖于施用氮肥[2]。小麦吸收的氮素有30%～57%来自于肥料[3]。为了追求更高的产量，生产中往往忽视了土壤和环境中的养分利用，而不断大量投入氮肥，使土壤中未被利用的氮素增多，而且这部分氮素会以硝态氮形式淋溶、径流及以氨形式挥发等途径损失掉，造成水体污染[4]、增加温室气体[5]等环境问题。前人研究认为，施氮0～240 kg·hm-2时，籽粒灌浆前期和中期小麦旗叶PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)与不施氮处理无显著差异；灌浆后期则随施氮量的增加而提高，与施氮120 kg·hm-2相比，施氮240 kg·hm-2的ΦPSⅡ提高了86.7%；PSⅡ最大光化学量子效率(Fv/Fm)则表现为灌浆前期随施氮量的增加而增加，灌浆中后期不同处理间无显著差异[6]。亦有研究指出，施氮过少会降低小麦灌浆后期的灌浆速率，施氮过多则会降低灌浆前期的灌浆速率，从而造成千粒重下降。施氮150和300 kg·hm-2时小麦千粒重较施氮225 kg·hm-2分别降低了2.1%～8.7%和3.7%～7.2%[7]。施氮量在240 kg·hm-2以下时，小麦产量随施氮量的增加而提高，再增加施氮量，产量不再显著提高[8]。对小麦品种河农822的试验结果显示，与施氮量为225 kg·hm-2处理相比，施氮300 kg·hm-2时籽粒产量没有增加，而氮肥农学利用率降低了28%[9]。前人研究的追肥方式多为人工撒施后进行畦灌，水肥效应不能很好协同。水肥一体化技术是将可溶性肥料配兑成的肥液与灌溉水一起均匀地输送到作物根部土壤的一种农业新技术，可以为作物提供相对均布的土壤水氮环境，不仅能够使其高效吸收和利用灌水和肥料，还可以尽量减少氮素的无效损耗[10]。鉴于水肥一体化条件下小麦施氮效应和作用机理等的研究较少，本试验在测墒补灌的基础上利用微喷带进行水肥一体化技术研究施氮量对小麦叶绿素荧光特性及产量的影响，以期为小麦水肥一体化实施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2016-2017年在山东省兖州市小孟镇史家王子村进行大田试验，试验地为壤土，播前0～20 cm土壤容重和田间持水量分别为1.49 g·cm-3和26.87%，20～40 cm为1.64 g·cm-3和21.86%。播前0～20 cm耕层土壤养分含量和生育期降水量如表1和图1所示。

SW：播种-越冬；WR： 越冬-返青；RJ： 返青-拔节；JA： 拔节-开花；AM：开花-成熟。SW:Sowing to wintering; WR:Wintering to revival; RJ:Revival to jointing; JA:Jointing to anthesis; AM:Anthesis to maturity.

表1 播前0～20 cm 耕层土壤养分含量Table 1 Soil nutrient content at top 0-20 cm soil before sowing

1.2 试验设计

本试验供试小麦品种为济麦 22。设施纯氮0、150、180、210和 240 kg·hm-25个处理，分别用N0、N1、 N2、N3和 N4表示。氮肥基追比为7∶9，追肥于拔节期随喷灌施入。各处理均基施 P2O5150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2。拔节期和开花期将0～40 cm 土层土壤相对含水量均补灌至70%，N0、N1、N2、N3和N4处理的全生育期灌水量分别为64.7、73.2、72.9、69.2和69.1 mm。

试验小区畦长40 m，畦宽2 m，每小区种植8行小麦，灌水前将微喷带铺设于第4行和第5行小麦中间。小麦于2016年10月11日播种，基本苗为180万株·hm-2。不同处理间留2 m保护行，防止小区间水分渗漏。前茬作物为玉米，秸秆全部粉碎还田。其他管理措施同常规高产田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 旗叶叶绿素荧光参数测定

采用英国Hansatech公司产FMS-2型荧光仪，分别于开花后0、7、14、21、28、35 d的上午9：00-11：00测定光适应下小麦旗叶ΦPSⅡ，经暗适应30 min后测定小麦旗叶初始荧光(Fo)和最大荧光产量(Fm)计算Fv/Fm，Fv=Fm-Fo。

1.3.2 旗叶叶绿素相对含量测定

采用美国CCM-200型叶绿素仪测定小麦旗叶叶绿素相对含量，每处理测定长相一致的11片旗叶，分别于开花后0、7、14、21、28、35 d的上午9：00-11：00进行测定。

1.3.3 籽粒灌浆速率测定

于开花期每处理挂牌标记100个同日开花、长势基本一致的单茎，花后每隔7 d取15穗，放入烘箱105 ℃杀青20 min后，70 ℃烘干至恒重，脱粒后测定粒重和籽粒灌浆速率。

1.3.4 籽粒产量、氮肥利用效率的测定

各处理于成熟期进行脱粒，自然风干至含水量为12.5%时称重测产，三次重复。

氮肥生产效率=施氮区产量/施氮量

氮肥农学效率=(施氮区产量-对照区产量)/施氮量[11]

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003和Sigmaplot 12.5整理数据、制作图表，用SPSS 13.0统计分析数据并进行差异显著性检验(LSD法)。

图柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下图同。 Different lower-case letters above the columns indicate significant differences among different N application rates at 0.05 level. The same in other figures.

2 结果与分析

2.1 施氮对小麦旗叶叶绿素荧光特性的影响

由图2可知，花后0和7 d，施氮处理间小麦旗叶Fv/Fm无显著差异，且均显著高于N0处理；花后14、21和28 d均表现为N3、N4>N2>N1>N0；花后35 d表现为N3、N4>N2、N1>N0。花后0～35 d，N3 与N4处理间差异不显著。花后0～35 d，旗叶ΦPSⅡ均表现为N3、N4>N2>N1>N0，N3与N4处理间也无显著差异。这表明施氮过多或过少均不利于花后旗叶Fv/Fm和ΦPSⅡ的提高。在本试验条件下，210 kg·hm-2的施氮量有利于提高小麦旗叶的光化学效率及对光能的有效利用。

2.2 施氮对小麦旗叶叶绿素相对含量的影响

花后0 d，小麦旗叶叶绿素相对含量在不同处理间差异不显著；花后7 d，N0处理显著低于其他处理，施氮处理间无显著差异；花后14、21和28 d表现为N3、N4>N2>N1>N0，N3和N4处理间无显著差异；花后35 d表现为N3>N4、N2>N1>N0，N3处理显著高于其他处理(图3)。这表明适量施氮可使小麦旗叶花后保持较高的叶绿素含量，有利于延长旗叶的光合功能期和提高粒重。

2.3 施氮对小麦籽粒灌浆速率及粒重的影响

花后7和14 d，小麦粒重随施氮量的增加而下降；花后21 d表现为N1、N2、N3>N4>N0；花后28和35 d表现为N3、N4>N1、N2>N0，N3、N4处理间差异不显著(图4左)。随着灌浆进程的推进，各处理的籽粒灌浆速率均呈先升后降趋势，最大灌浆速率均出现在花后14～21 d(图4右)。花后0～7 d，随着施氮量的增加，籽粒灌浆速率呈下降趋势；花后7～14 d籽粒灌浆速率表现为N0、N1、N2>N3、N4；花后14～35 d表现为N3、N4>N1、N2>N0，N3和N4处理间无显著差异。这表明高氮条件不利于灌浆前期籽粒灌浆和粒重提高，但适宜施氮量则有利于灌浆中后期籽粒灌浆，可提高灌浆后期的粒重。

图3 施氮对小麦花后旗叶叶绿素相对含量(SPAD)的影响Fig.3 Effects of N level on relative chlorophyll content(SPAD) of wheat flag leaf after anthesis

图4 施氮对小麦粒重和籽粒灌浆速率的影响Fig.4 Effects of N level on grain weight and grain filling rate of wheat

2.4 施氮对小麦籽粒产量、氮肥利用效率的影响

不同处理间籽粒产量表现为N3、N4>N2、N1>N0，N4与N3处理间无显著差异；氮肥生产效率则随施氮量增加而下降，与N3处理相比，N4处理的氮肥生产效率降低了14.6%；N3处理的氮肥农学效率显著高于其他处理，较N4处理高31.6%(表2)。这表明N3处理最有利于小麦高产和氮肥高效利用。

同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。
Different lower-case letters in same column indicate significant difference among different N application rates at 0.05 level.

3 讨 论

小麦叶绿素含量与施氮量密切相关，缺氮会导致叶绿素含量减少，从而降低光合速率[12]。有研究发现，在120～240 kg·hm-2范围内，小麦旗叶花后叶绿素相对含量随施氮量的增加而升高[13]。缺氮会使小麦叶片光合电子向光化学方向的传递速率降低[14]。Shangguan等[12]研究表明，水分亏缺时，高氮处理的Fv/Fm较低氮处理提高了16.7%。也有研究表明，每公顷施纯氮0～300 kg时，小麦旗叶Fv/Fm和ΦPSⅡ随施氮量的增加呈先升后降趋势；施纯氮225 kg·hm-2时Fv/Fm和ΦPSⅡ最高，施氮量继续提高至300 kg·hm-2时，Fv/Fm和ΦPSⅡ又大幅下降[15]。本试验中，在测墒补灌条件下，利用微喷带进行水肥一体化操作，小麦花后14～28 d叶绿素相对含量在N3、N4处理间无明显差异；花后35 d，N4处理的叶绿素相对含量较N3处理大幅下降；花后14～35 d，Fv/Fm和ΦPSⅡ均以N3处理最高。这是由于叶绿素相对含量、Fv/Fm和ΦPSⅡ与氮素供应间存在着阈值效应，施氮过量则造成“奢侈吸收”现象。水肥一体化可以减少氮素的挥发和流失，提高氮素利用效率，从而减少氮肥投入[10]。本试验中，水肥一体化下施氮210 kg·hm-2即可满足叶片对氮素营养的需求，表明施氮过多或过少均不利于Fv/Fm和ΦPSⅡ的提高，在210 kg·hm-2时达到最大。

增加施氮量可以加大小麦花后光合产物对粒重的贡献率[16]。有研究表明，随着施氮量的增加，旱地小麦的籽粒初始灌浆速率升高，但灌浆中后期的灌浆速率降低[17]。而对小麦品种平安8号的研究发现，花后0～19 d，不同施氮量处理间的灌浆速率差异不大；此后至成熟期，不同施氮处理间的籽粒灌浆速率开始出现差异，施氮180 kg·hm-2的籽粒灌浆速率显著高于120、240和360 kg·hm-2[18]。本试验中，花后0～7 d，小麦粒重和籽粒灌浆速率均随施氮量的增加呈下降趋势，花后21～35 d，N3处理的粒重和灌浆速率均显著高于N0、N1、N2处理，与N4处理无显著差异。其原因可能是灌浆初期较高的施氮量使得光合器官的碳氮比下降，导致氮代谢旺盛，光合产物的输出下降，产生了反馈抑制作用[19]，而灌浆后期氮素供应不足则会导致灌浆速率降低，最终造成粒重下降，表明施氮过高不利于灌浆前期籽粒干物质积累，施氮过低则会使灌浆后期的灌浆速率下降，适量施氮可以获得较高的粒重和灌浆速率。

有研究认为，全生育期灌水180 mm条件下，施氮0～264 kg·hm-2时，小麦籽粒产量随施氮量增加而升高，施氮264 kg·hm-2的产量较施氮165 kg·hm-2提高了2.1%～10.2%[20]。对豫麦34的研究也表明，灌水150 mm条件下，小麦施氮270 kg·hm-2时可以获得最高的籽粒产量[21]。而Lu等指出，与施氮 160 kg·hm-2相比，施氮300 kg·hm-2的小麦产量并没有增加[22]。Wang等在郑州的研究发现，生育期灌两水(拔节期75 mm+孕穗期75 mm)条件下，施氮0～300 kg·hm-2时，小麦籽粒产量随施氮量呈先增后降的变化趋势，在施氮240 kg·hm-2时达到最高，较180 kg·hm-2和 300 kg·hm-2处理分别提高了9.4%和16.2%[23]。亦有研究发现，水肥一体化可提高籽粒产量和氮肥利用效率，滴灌水肥一体化籽粒产量较常规对照提高了21.13%，在合理的滴灌施肥配比下，可节水51.85%，节氮23.47%[24-25]，本试验中，微喷带水肥一体化下全生育期灌水69.2 mm条件下，施氮量为210 kg·hm-2时小麦的籽粒产量最高，达到9 019.40 kg·hm-2，施氮量再增加时，产量无显著变化，而氮肥生产效率和氮肥农学效率分别下降了14.6%和24.0%。这表明在本试验中，210 kg·hm-2是测墒补灌节水基础上，实施微喷带水肥一体化条件下的最优施氮量。目前，有关水肥一体化下施氮量对小麦耗水特性及氮素利用等方面的影响尚未明确，需要进一步研究。