分蘖和拔节期干旱对小麦植株氮素积累转运的影响

崔亚坤，王妮妮，田中伟，戴廷波，陈艳萍，袁建华

(1.江苏省农业科学院粮食作物研究所，江苏南京 210015；2.南京农业大学农学院/农业部作物生理生态与生产管理重点实验室/江苏省现代作物协同创新中心，江苏南京 210095；3.山东省海阳市农业技术推广中心，山东海阳 265100)

1 材料与方法

1.1 试验设计

盆栽试验于2013-2014年在南京农业大学牌楼试验站遮雨棚中进行，小麦全生育期防止自然降水。试验土壤类型为黄棕壤，土壤基础肥力为有机质11.05 g·kg-1，全氮0.82 g·kg-1, 速效磷19.72 g·kg-1, 速效钾78.26 g·kg-1。田间持水量为25.2%。土壤风干后过筛，播种前与肥料充分混匀。称取7.5 kg装入高22 cm、直径25 cm的聚乙烯塑料盆。每盆施用纯氮(N)1.2 g，速效磷(P2O5)0.36 g和速效钾(K2O) 0.9 g，分别相当于大田每公顷施N 220 kg，P2O590 kg，K2O 165 kg。其中，氮肥分两次施入，基追比为5:5，追肥于拔节期施入。试验用小麦品种为长江中下游主推品种扬麦13(弱筋)和扬麦16(中筋)。于2013年11月5日播种，三叶一心期选择长势一致的苗间至每盆7株。

试验共设5个水分处理：全生育期正常水分(CK)、分蘖期轻度干旱(TM)、分蘖期重度干旱(TS)、拔节期轻度干旱(JM)、拔节期重度干旱(JS)。正常水分、轻度和重度干旱胁迫处理分别相当于田间持水量的75%～80%、60%～65%、40%～45%，干旱程度的设置参考文献[14-15]。每2 d用电子天平称重计算土壤含水量，根据土壤含水量进行控水(灌水)。为保证轻度和重度干旱处理复水时间一致，分蘖期重度较轻度干旱提前10 d进行控水，拔节期重度较轻度干旱提前3 d进行控水；在达到相应土壤含水量后，干旱处理时间为10 d。每处理均设27盆(重复)。干旱处理过程中土壤含水量变化见图1。分蘖和拔节期干旱解除日期分别为2014年2月2日和2014年3月15日。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 籽粒产量测定

成熟期每处理取3盆(3重复)测定每盆籽粒产量。

1.2.2 硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性测定

在分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期(花后20 d)每处理每重复取顶展叶7片，于液氮中速冻后保存于-40 ℃冰箱中。称取0.5 g叶片，加入6 mL 50 mmol·L-1的Tris-HCl(pH7.6)缓冲提取液(含2 mmol·L-1的MgSO4、0.5 mmol·L-1的EDTA、10 mmol·L-1的β-巯基乙醇)及少量石英砂后冰浴研磨，4 ℃下15 000 r·min-1离心20 min，保存上清液。硝酸还原酶的测定釆用Rajasekhar等[16]的方法，谷氨酰胺合成酶测定采用Zhang等[17]的方法。

图1 分蘖和拔节期干旱过程中土壤相对含水量的动态变化

1.2.3 氮含量、氮积累与转运相关指标测定

于开花期和成熟期取样，分器官(茎、叶、穗、籽粒)后烘干，粉碎磨粉，氮含量采用凯氏定氮法测定[18]。

植株氮积累量=植株地上部氮含量×植株地上部干物质积累量(籽粒除外)；

蛋白质产量=成熟期籽粒蛋白质含量×成熟期籽粒产量；

花前贮藏氮素转运量=开花期植株氮积累量-成熟期植株氮积累量；

花后氮素积累量=成熟期籽粒氮积累量-花前贮藏氮素转运量；

花前氮素(或花后氮素)对籽粒氮贡献率=花前贮藏氮素转运量(或花后氮素积累量)/成熟期籽粒氮积累量×100%。

1.3 数据分析

采用SPSS对试验数据进行方差分析和显著性检验，用Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 干旱对籽粒产量及蛋白质产量的影响

由表1可知，分蘖和拔节期干旱对两小麦品种籽粒产量的影响趋势基本一致。与对照(CK)相比，分蘖期轻度干旱(TM)条件下，籽粒产量显著提高，拔节期轻度干旱(JM)对籽粒产量无显著影响，两个时期重度干旱均显著降低籽粒产量，其中，拔节期重度干旱的籽粒产量显著低于其他处理。分蘖期干旱及拔节期轻度干旱对扬麦13籽粒蛋白质含量无显著影响，而拔节期重度干旱显著提高扬麦籽粒蛋白质含量；对扬麦16籽粒蛋白质含量，两时期轻度干旱无显著影响，分蘖期重度干旱使其显著降低，拔节期重度干旱则使其显著升高。分蘖和拔节期干旱对扬麦13蛋白质产量的影响与籽粒产量的影响一致；对于扬麦16，轻度干旱对蛋白质产量无影响，而重度干旱均显著降低蛋白质产量，且拔节期重度干旱的蛋白质产量显著低于其他处理。

2.2 干旱对不同生育阶段植株氮素积累的影响

由表2可知，TM处理可显著提高两品种分蘖-拔节阶段植株氮素积累量，对拔节-开花阶段氮素积累量无显著影响；播种-分蘖和开花-成熟阶段，扬麦13花后氮素积累量显著降低，对扬麦16影响不显著。TS处理显著提高两品种分蘖-拔节植株氮素积累量，使其他阶段植株氮积累量显著或不显著降低。JM处理显著降低两品种分蘖-拔节阶段氮素积累量，使拔节后的氮素积累量显著或不显著提高。JS处理显著降低分蘖-拔节和开花-成熟期氮素积累量，对拔节-开花期氮素积累量影响不显著。

2.3 干旱对植株氮素转运的影响

分蘖期和拔节期干旱对两品种氮素转运的影响基本一致(表3)。TM处理显著提高花前氮素同一列同一品种数值后的不同字母表示处理间差异在0.05水平显著。下同。

表1 分蘖期和拔节期土壤干旱对小麦籽粒产量和蛋白质产量的影响Table 1 Effect of water deficit during tillering and jointing stages on grain yield and protein yield of wheat

Different letters followling data within same column for same cultivar mean significant difference among the treatments at 0.05 level. The same in table 2 and table 3.

表2 干旱对小麦不同生育阶段氮素积累的影响Table 2 Effect of water deficit on nitrogen accumulation at different growth stages of wheat mg·plant-1

转运量，对花前氮素转运量和花后氮素积累量对籽粒氮贡献率影响不显著。TS处理显著降低花前氮素转运量，对花前氮素转运量和花后氮素积累量对籽粒氮贡献率影响不显著。JM和JS处理显著提高花后氮素积累量对籽粒氮贡献率，显著降低花前氮素转运量及其对籽粒氮贡献率。结果表明，分蘖期轻度干旱有利于花前氮素向籽粒转移，而拔节期干旱有利于花后氮素向籽粒转移。

2.4 干旱对叶片硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影响

分蘖期和拔节期干旱对两品种叶片NR和GS活性的影响基本一致(图2)。分蘖期干旱显著或不显著降低分蘖期叶片的NR和GS活性，但不同程度提高了拔节期叶片NR和GS活性，而对开花期和灌浆期叶片NR和GS活性无显著影响。拔节期干旱显著或不显著降低拔节期叶片NR和GS活性，但显著提高开花和灌浆期叶片NR和GS活性。

2.5 成熟期植株氮积累量与籽粒产量和蛋白质产量的关系

相关分析表明成熟期植株氮素积累量与籽粒产量和蛋白质产量均呈显著正相关(扬麦13的相关系数分别为0.991和0.996，扬麦16分别为0.961和0.975。n=15,r0.05=0.5)，表明影响植株氮素积累量的因素均会对籽粒产量和蛋白质产量有正向效应。干旱导致的植株氮素积累量降低可能是籽粒产量降低的限制因子。

3 讨 论

本试验中，分蘖期和拔节期轻度干旱均获得较高产量，这与充分灌溉与适当控水交替进行有利于获得较高作物产量的观点一致，符合作物耗水、产量形成规律和生产实践[19-22]，可能与此时期轻度干旱促进根系发育，增强水分利用能力，胁迫解除后提高植株生长速率，保证植株正常生长发育有关[23-24]；两时期重度干旱均降低产量。表明图柱上不同字母表示处理间差异在0.05水平显著。

表3 干旱对小麦植株氮素转运的影响Table 3 Effect of water deficit on nitrogen translocation in wheat

NCP:Contribution of post-anthesis nitrogen accumulation to grain nitrogen; NRA: Nitrogen translocation amount; NRR: NRA to grain nitrogen.

Different letters above columns mean significant difference among treatments at 0.05 level.

小麦产量与干旱胁迫时期和胁迫程度密切相关，分蘖期和拔节期轻度干旱可以实现小麦的高产节水栽培。

小麦籽粒蛋白质含量与花前氮素的积累与转运密切相关。已有研究表明，不同环境下小麦植株干物质与氮素的积累与转运差异明显, 土壤干旱明显降低了小麦花前贮藏物质和氮素的运转以及花后同化物输入籽粒量, 导致水分逆境下籽粒蛋白质、淀粉含量的差异[13, 25]。本试验结果表明，干旱影响氮素的积累与分配，并受干旱时期的影响。分蘖期轻度干旱有利于花前氮素的再转移，而拔节期干旱降低花前氮素的转移，这也与前人的研究结果相似[14, 26]。本研究发现，分蘖和拔节期干旱对小麦成熟期氮积累量影响不同；而成熟期氮积累量与籽粒产量和蛋白产量均呈显著正相关，表明氮素积累量对小麦干旱胁迫下是否取得高产至关重要。

综上所述，分蘖和拔节期轻度干旱有利于胁迫解除后叶片氮代谢相关酶活性增强，从而提高植株氮素积累量，使籽粒产量和蛋白质产量提高。