施氮量对小麦旗叶光合特性、SPAD值、籽粒产量及碳氮代谢的影响

葛 君，姜晓君

（商丘市农林科学院小麦研究所，河南商丘476000）

氮素是调控植物生长发育的重要因子，合理的氮肥用量能对改善小麦群体结构、增加有效分蘖和叶绿素含量[1]、提高光能接获率[2]、提高千粒质量和籽粒产量[3]有显著影响。当前，在农业生产过程中为了持续提高作物的单产水平，田间氮肥施用量呈现逐年增加的趋势，但近年来氮肥施用量的提高并未带来农作物产量的显著提升，氮肥的过度施用使其表现出高消耗低效益的特点。同时，氮肥的不合理施用还造成了土壤不同程度的板结现象，导致土壤保水能力和通透性降低，还引起了局部的环境污染，如地下水硝态氮含量超标、地表水富营养化等问题。因此，如何在小麦生产中最大限度地提高氮肥利用率、充分发挥氮肥对小麦增产作用的同时，又不对当地自然环境造成危害，是当前小麦生产持续发展的重要议题之一。为此，本研究通过对不同氮素水平下小麦旗叶光合特性、SPAD值变化特征及其与氮肥用量的相关关系、叶片碳氮代谢相关酶活性、籽粒产量和蛋白质含量，探求豫东地区小麦氮素最适用量，为生产中实时快速地对小麦氮素营养检测提供技术支持，为小麦合理高效施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试品种为周麦22。本研究于2017—2018年在河南省商丘市农林科学院双八试验站进行。试验土壤为中壤土，试验地0～20 cm土层中碱解氮含量为 81.32 mg·kg-1，有效磷为 47.08 mg·kg-1，速效钾为97.16 mg·kg-1，有机质为1.17%。

1.2 试验设计

设置共设置5个氮素水平，每公顷施用氮肥（尿素，含N46.4%）折合纯氮用量分别为0，105，175，245 和 315 kg， 分 别 用 N0、N105、N175、N245和N315表示。小区面积均为27 m2，采用随机区组设计，每处理设3次重复。氮肥总量的2/3作基肥于播种前施入土壤，余下的1/3在拔节期施用。除氮肥外，其他管理与大田相同。

1.3 测定项目及方法

在小麦始穗期，用LI-6400便携式光合作用测定系统对倒3旗叶光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度等指标进行测定；用SPAD-502叶绿素仪测定小麦倒3旗叶叶片SPAD值。在小麦成熟期，每小区均全部收获用于计算每公顷产量，并测定籽粒蛋白质含量。籽粒蛋白质含量、磷酸蔗糖合成酶活性和和硝酸还原酶活性的测定均参照赵世杰等[4]的方法。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2007和DPS6.55软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮素用量对始穗期小麦旗叶光合特性的影响

如表1所示，在施氮量为0～245 kg·hm-2时，旗叶光合速率随氮肥用量的增加而提高，且在245 kg·hm-2时值最大，较对照提高142.51%；另外，各处理均高于对照，且与对照均达到极显著差异水平（P＜0.01），这表明增施氮肥有利于小麦叶片光合速率的提高；处理间除N175与N315差异不显著外，其余均达到极显著差异水平（P＜0.01）。蒸腾速率和气孔导度变化规律一致，且在N175时值最大，较对照分别提高165.91%和89.16%。胞间CO2浓度随施氮量的增加表现出先升高后降低再升高的变化趋势，且处理间光合速率越大则胞间CO2浓度越低，与光合速率表现出负相关关系。

表1 氮素用量对始穗期小麦旗叶光合特性的影响

2.2 施氮量对小麦22SPAD值的影响及相关关系

由图1A可以得出，施氮量对小麦始穗期叶片SPAD值影响差异显著。在氮素用量0～315 kg·hm-2范围内，旗叶SPAD值随施氮量的增加呈现先升高再降低的单峰变化规律，与光合速率表现一致。各处理 SPAD 值均高于对照，N105、N175、N245 和N315较对照分别增加 0.91%，2.34%，3.05%和1.80%，除 N315 与对照差异显著（P＜0.05）外，其他处理与对照差异均达到极显著水平（P＜0.01），这表明在一定范围内增加氮肥用量有利于提高旗叶SPAD值，而超过一定阈值反而会引起SPAD值的降低。由图1B可知，拔节期SPAD值与氮素用量具有正相关关系，其二次曲线拟合方程为y=-3E-05x2+0.012 5x+57.157，决定系数为r2=0.816，相关系数为0.783。

图1 氮素用量对始穗期小麦叶片SPAD值的影响及相关关系

2.3 氮素用量对小麦产量、籽粒蛋白质含量及碳氮代谢的影响

由表2可知，不同氮肥用量对小麦产量、籽粒蛋白质含量、旗叶磷酸蔗糖合成酶活性及硝酸还原酶活性的影响不同。在施氮量为0～245 kg·hm-2范围内，随着氮肥用量的增加，小麦产量呈现逐渐增加的趋势，至245 kg·hm-2时达到最大值，较对照提高了28.19%，差异极显著（P＜0.01）；继续增加氮肥用量至315 kg·hm-2时，产量开始降低，但仍高于对照，且与对照差异极显著（P＜0.01），这表明增施氮肥有利于小麦产量的提高，但氮肥用量过高反而不利于增产。籽粒蛋白质含量随施氮量的增加呈现逐渐升高的变化规律，且均与对照差异极显著（P＜0.01），与小麦产量的变化规律不同，这表明施用氮肥有利于提高小麦籽粒蛋白质含量。小麦旗叶磷酸蔗糖合成酶活性随氮肥用量的增加呈现先升高后降低的单峰变化趋势，与小麦产量的变化规律一致，在氮肥用量245 kg·hm-2时较对照提高31.71%，与对照差异极显著（P＜0.01）。小麦旗叶硝酸还原酶活性表现出与籽粒蛋白质含量相同的变化规律，各处理均高于对照，且在氮肥用量315 kg·hm-2时较对照提高24.52%，与对照差异极显著（P＜0.01）。

表2 氮素用量对小麦产量、籽粒蛋白质含量及碳氮代谢的影响

3 结论与讨论

氮作为重要的矿质元素对植株叶片叶绿素含量的增加、光合速率的提高和叶片功能期的延长有重要作用[5]。王月福等[6]研究认为，增施氮肥能够明显增加小麦叶片叶绿素含量，提高光合速率。宋飞等[7]研究指出，小麦叶片光合速率随施氮水平的提高呈现先增加后下降的趋势，且以施氮肥135 kg·hm-2时最高。本试验结果表明，在施氮量为0～245kg·hm-2范围内，光合速率与施氮量呈正相关关系，继续增加氮素用量至315 kg·hm-2时光合速率不升反降，这说明小麦叶片光合速率并不随氮肥用量的不断增加而持续提高，这是因为叶片在光合作用过程中对CO2固定能力的强弱与氮素含量的高低相关，当氮素含量超出一定阈值时会降低同化率[8]。气孔是植物叶片与外界进行气体和水分交换的主要门户，对光合速率和蒸腾速率的高低有重要影响。本试验条件下，蒸腾速率和气孔导度变化规律一致，均在氮肥用量175 kg·hm-2时最大，这说明在一定范围内增加氮肥用量有利于小麦叶片蒸腾速率的提高和气孔导度的增加。处理间胞间CO2浓度表现出与光合速率负相关关系，随施氮量的增加呈现先降低后升高的变化规律，如氮素用量245 kg·hm-2时光合速率最大，而此时的胞间CO2浓度最低，氮素用量105 kg·hm-2时光合速率最小，而此时的胞间CO2浓度却最大，这可能是因为光合速率高时胞间CO2被有效吸收用于碳同化，而光合速率低时体内积累的CO2未能被有效吸收用于光合产物的制造。

众多研究指出，叶片SPAD值与叶绿素含量一致[9]，可以用SPAD值反应植株叶片中叶绿素含量的相对值[10]。唐延林等[11]研究表明，小麦叶片SPAD值随氮素水平的不同表现出显著性差异。谢华和沈荣开[12]研究认为，从返青到成熟期冬小麦SPAD值随施氮量的增加而增加，但当施氮量达到一定水平后，再增加氮素对SPAD值的影响不显著。本试验结果表明，在施氮量0～245 kg·hm-2范围内，小麦旗叶SPAD值随氮素用量的增加呈现上升趋势，与前人研究结果类似，这表明氮素用量的增加可以提高叶片叶绿素含量，这可能是因为氮素的增加促使植株体内氮素代谢水平的提高，从而增加了叶片叶绿素含量；当氮素用量达到315 kg·hm-2时SPAD值开始降低，这表明过量的氮素不利于小麦叶片叶绿素含量的提高，这可能是因为土壤中氮素的增加抑制了根系对其他矿质元素的吸收，从而在一定水平上抑制了叶绿素的合成。另外，从SPAD值对应的施氮量呈现的二次曲线拟合方程可知，叶绿素含量与氮肥用量具有正相关关系。

氮素对小麦穗数、穗粒数和千粒质量三因素有显著的调控效应，而这三因素中的任一因素的变化均会对小麦产量造成直接影响，因此，氮素是影响小麦产量的重要因子[13]。本研究结果表明，在氮素用量0～245 kg·hm-2范围内，小麦产量随施氮量的增加而增加，这可能是因为氮是叶绿素、酶、激素的重要组成部分，能促进叶绿素含量的增加，同时氮又能促进小麦根茎叶的生长和有效分蘖的增多，从而促进了其产量的提高；当氮素用量315 kg·hm-2时产量下降，这可能是因为氮素营养的过剩造成其与磷钾比例失调，不仅不利于叶绿素的合成、降低光合速率，还致使小麦无效分蘖增多、抗逆性差、贪青晚熟，从而降低单产。而籽粒蛋白质含量却随施氮量的增加而逐渐升高，至315 kg·hm-2时值最大，达到13.77%，这可能是因为氮素水平过高导致新合成的碳流向于氮代谢的数量增多，而氮代谢的提高增加小麦自由氨基酸含量，从而提高籽粒蛋白质含量。磷酸蔗糖合成酶以UDPG作供体，可以调节叶片蔗糖的合成，而蔗糖又是植物体内“库”代谢的主要基质和光合产物运输的主要形式。硝酸还原酶（NR）即是NO-3-N同化体系的首个酶，又是植物氮素同化的关键酶，在GS/GOGAT循环中承担着无机氮向有机氮转化的重要作用，其活性高低反映了作物对氮素同化能力的强弱[14]。本研究结果表明，适当增加氮肥用量能提高小麦叶片SPS活性并增加蔗糖含量，但当氮肥用量过高时则降低SPS活性并降低蔗糖含量。总之，一定阈值范围内增加氮素用量可以提高源器官碳氮代谢能力，增加籽粒中淀粉合成酶和氮素同化酶的活性，促进同化物质向籽粒运转，这进一步解释了适量施氮提高小麦产量的原因。小麦籽粒硝酸还原酶活性随氮肥用量的增加而提高，这进一步解释了籽粒蛋白质含量随氮素用量的增加而增加原因。