普通和控释尿素配合深施提高冬小麦花期旗叶光合性能与氮素利用效率

董庆玲，娄焕昌，张 慧，赵若林，郑 宾，李增嘉，李 耕，宁堂原

（农业部作物水分生理与抗旱种质改良重点实验 / 作物生物学国家重点实验室/山东农业大学农学院，山东泰安 271018）

近年来，黄淮海小麦生产区机械化面积逐年增加，然而传统的施肥方式，尤其是追肥方式已经与现代化的小麦生产模式不匹配。虽然小麦水肥一体化进程加快，但仍有较大面积以人工或机械表层撒施为主，这在小麦追肥过程中尤为突出[1]，导致氮肥挥发损失加重，氮素利用率降低，增产效果不佳[2-3]，且人工追肥费时费力，机械追肥易伤麦苗，因此，小麦免追肥成为了小麦进一步节本增效的重要途径之一。

氮素对不同生育时期时小麦有不同影响[4]，前期主要影响单位面积有效穗数[5]，中后期主要影响叶片光合作用[6-7]，而籽粒产量60%～80%来自于抽穗后的光合产物[8]，因此，后期氮素供应不足直接降低光合作用，进而影响产量[9]。相较于传统的基追肥方式，一次性基施普通尿素和不同释放期的控释尿素，可调节速效氮与缓释氮的供应，其中的普通尿素在前期可促成有效穗，控释尿素可有效提高生育后期光合速率[10]，并有效提高植株氮素积累量和氮素利用率[3,11-12]，是一种理想的氮肥施用模式。因此，在不减产的前提下，控释尿素与普通尿素混合一次性基施，是进一步简化农业生产的可行方案。

控释尿素的释放速率受土壤温度、含水量的影响[13-15]，随温度升高养分释放速率加快[16]。受气温和太阳辐射影响，表层土温高于下层土[17]，水分运动也更活跃，因此施肥过浅时氮肥易过早释放养分，达不到“后保”的要求；而施肥过深，对土层扰动较大，不利于小麦出苗，且增加了分层侧深施肥播种机的操作难度。因此，合适的施肥深度是实现控释、养分持续释放和增产的重要因素。而且，适宜的施肥深度更符合植株根系的分布规律，可促进根系对养分的吸收，提高氮素利用率[18]。

前人对尿素配比的研究已较多，但大都是针对普通尿素与单一释放期的控释尿素配比或施氮量的研究[3,12,19]，且多应用于单季作物[10,20-22]，而关于不同释放期控释尿素与普通尿素配施对小麦产量及氮素利用机制的研究较少。对于施肥深度的研究也大都局限于种肥混播、种下施肥及种侧施肥深度对产量和氮素利用指标影响的比较[23]，对光合性能等生理指标涉及较少。本研究在不同施肥深度下，采用一次性基施不同类型尿素处理与采用分次施肥的普通尿素处理作比较，探究不同尿素类型及施用深度对冬小麦光合作用、光系统Ⅱ性能、产量及氮素利用的影响，旨在为保证小麦产量的前提下，简化现有施肥方式并提高氮素利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年10月—2016年6月和2016年10月—2017年6月冬小麦生长季在山东农业大学农学试验站 (36°9′N，117°9′E) 进行，该区属温带半湿润气候，年平均气温12.8℃，年平均降水量700 mm。供试土壤为棕壤土，播种前测定试验田0—20 cm土层土壤，2015—2016年其有机质含量13.88 g/kg，全氮含量1.06 g/kg，碱解氮含量95.85 mg/kg，速效磷含量53.17 mg/kg，速效钾含量85.55 mg/kg。2016—2017年其有机质含量13.62 g/kg，全氮含量1.16 g/kg，碱解氮含量94.52 mg/kg，速效磷含量51.31 mg/kg，速效钾含量87.44 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以尿素类型 (T) 为主区，施用深度 (D) 为裂区。尿素类型设普通尿素处理(40%基施+60%追施，T1) 和普通和控释尿素配施处理 (40%普通尿素+30%硫包膜尿素+30%树脂包膜尿素，一次性基施，T2)，施用深度设5 cm (D1)、10 cm (D2)。以不施氮为对照，用以计算相关氮素利用效率。主区采用随机区组设计，3次重复，小区面积150 m2(3 m × 50 m)。施氮处理施纯氮量均为240 kg/hm2，普通尿素含氮量为46.6%，硫包膜尿素与树脂包膜尿素含氮量均为43.5%。试验区采用种植行间开沟覆土施肥，普通和控释尿素处理种肥同期，普通尿素处理基肥播种同期，追肥于拔节期撒施。

2年均以‘济麦22’为供试材料，分别于2015年10月12号和2016年10月10日播种，2016年6月6日和2017年6月5日收获。2年播种量均为105 kg/hm2。播种前一次性施入P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。其余管理同一般高产田。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 植株全氮含量测定及氮素利用效率 分别于冬小麦返青期、拔节期取整株样品，每处理30株；于开花期、灌浆期、成熟期每处理取长势均匀一致30个单茎，鲜样于105℃下杀青30 min，75℃烘干至恒重后，用磨样机将烘干样品粉碎，全自动凯氏定氮仪 (海能K9860) 测定植株全氮含量[24]，并计算氮素利用效率相关指标。相关计算公式[25]如下：

植株氮素积累量 (kg/hm2) = 植株干物质量 × 植株含氮量；

氮肥农学效率 (NAE，kg/kg) = (施氮区籽粒产量 -不施氮区籽粒产量)/施氮量；

氮素生理利用率 (NPE，kg/kg) = 籽粒产量/植株地上部氮素积累量

氮肥偏生产力 (PFPN，kg/kg) = 施氮区产量/施氮量；

氮肥表观回收率 (NRE，%) = (施氮区地上部氮素吸收量 - 不施氮区地上部氮素吸收量)/施氮量 ×100

1.3.2 旗叶光合性能测定 于开花后0 d、7 d、14 d、21 d、28 d，使用 CIRAS-2 (PP Systems，美国) 便携式光合仪于晴天上午9：00至12：00测定主茎旗叶光合速率(Pn)、气孔导度 (Gs)、胞间CO2浓度 (Ci) 等参数，每处理重复10次。测定时光合仪开启人工光源模式，红蓝光比例为 9∶1，PAR = 1400 μmol/(m2·s)；CO2由环境供应。

1.3.3 快速荧光诱导动力学曲线 测定于开花后0 d、7 d、14 d、21 d、28 d，使用 Handy-PEA(Hansatech，英国) 测定主茎旗叶快速叶绿素荧光诱导动力学曲线 (OJIP)。测定前预先将叶片暗适应15 min，每处理重复10次。通过分析OJIP曲线及计算，获得相关参数，其计算公式如下，各参数含义见表1[26]。

1.3.4 产量及产量构成因素测定 于收获期取1 m× 2 m区域，收获有效穗，并计穗数；随机选取具有代表性的30穗测定穗粒数；自然风干测定千粒重(籽粒含水率为13.5%)，每处理重复3次。

1.4 数据统计

试验数据采用Microsoft Excel 2006进行原始数据处理，DPS 7.05软件进行裂区方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较，Origin 8.0软件作图。其中，产量构成因素、叶片气体交换参数、氮素积累量及氮素利用等相关指标使用2015—2017年2年数据；光系统II (PSII) 供/受体、反应中心性能使用2016—2017年1年数据。

表1 JIP-分析相关参数及其含义Table 1 Meanings of JIP-Test parameters

2 结果与分析

2.1 不同尿素类型和施用深度对产量及产量构成因素的影响

2年试验结果表明，尿素类型和施用深度对冬小麦籽粒产量影响极显著，2015—2016年二者交互作用显著，2016—2017年交互作用不显著 (表2)。多重比较结果表明，主区因素中，普通和控释尿素配施处理 (T2) 显著提高冬小麦产量，较普通尿素处理(T1) 2年平均增产944 kg/hm2；副区因素中，尿素深施 (D2) 与浅施 (D1) 差异显著，普通尿素条件下，深施较浅施提高263 kg/hm2，普通和控释尿素配施条件下，深施较浅施提高235 kg/hm2(表3)。尿素类型和施用深度交互作用对2015—2016年产量影响显著，2016—2017年交互作用不显著，最优组合为主、副区主效应检验的最优水平组合T2D2，即两年结果均表明产量最优组合为T2D2。相较于普通尿素处理，普通和控释尿素配施处理有效穗数提高4.3%，千粒重提高4.5%，差异虽达到显著水平 (P〈 0.05)，但实际增产意义不明显，而配施处理下产量较普通尿素处理增加9.5%，增产效果显著。

2.2 不同尿素类型和施用深度对冬小麦旗叶气体交换参数的影响

由图1可以看出，旗叶净光合速率 (Pn) 和气孔导度 (Gs) 在开花后7 d有所上升，随后随着生育时期的推进而明显下降，胞间CO2浓度 (Ci) 趋势相反。两年结果表明，T2D2处理的净光合速率最高，T1D1最低。从主区因素来看，T2较T1平均净光合速率显著提高6.4%，且随着生育时期的推进，T1处理旗叶净光合速率下降明显，T2处理下降相对平缓；从裂区因素来看，D2较D1平均净光合速率提高3.6%，尿素类型与施用深度交互效应未达到显著水平。尿素类型与施用深度对开花后7～28 dGs的影响表现为T2 〉 T1，在同一尿素类型下表现为D2 〉 D1，经主区、裂区主效应检验差异达显著水平，T2D2处理的气孔导度最高。2年试验表明，与施普通尿素相比，普通和控释尿素配施可显著降低胞间CO2浓度(Ci)，在开花后14 d差异达到极显著水平 (P〈0.01)。在普通和控释尿素配施处理的基础上深施可进一步降低胞间CO2浓度。

表2 主体间效应检验Table 2 Test of between-subjects effect

表3 不同处理对冬小麦产量及产量构成因素的影响Table 3 Effects of different treatments on yield and yield components of winter wheat

2.3 不同尿素类型和施用深度对冬小麦旗叶光系统Ⅱ (PSⅡ) 的影响

图1 不同处理对冬小麦开花后旗叶气体参数的影响Fig. 1 Effects of different treatments on gas exchange parameters of flag leaf after anthesis

图2 不同处理对开花后旗叶光系统II (PSII) 反应中心性能的影响Fig. 2 Effects of different treatments on reaction center performance of photosystem II of flag leaf after anthesis

2.3.1 光系统Ⅱ (PSⅡ) 反应中心性能 图2表明，随生育时期推进，最大光化学效率 (φPo)、电子传递的量子产额 (φEo)、荧光光化学猝灭系数 (ψo) 均呈单峰趋势，在开花后7 d左右到达峰值，之后逐渐下降，且降幅随之增大。尿素类型对φPo、φEo、ψo的影响差异均达到显著水平，表现为T2 〉 T1，T2处理显著减小了光系统Ⅱ (PS Ⅱ) 反应中心性能指数的降幅。在开花后0 d、7 d，尿素施用深度间差异未达到显著水平；开花后14 d、21 d、28 d，施用深度间差异达到显著水平，相较于D1处理，D2处理显著提高了φPo、φEo、ψo。尿素类型与施用深度交互作用对开花后期旗叶φPo有显著影响，对φEo、ψo的影响差异不显著。所有处理中，T2D2的光系统Ⅱ (PS Ⅱ)性能指数最佳。

2.3.2 光系统Ⅱ (PSⅡ) 供/受体侧变化 供体侧放氧复合体 (OEC) 受到抑制时荧光强度上升，出现K点[27-28]。受体侧的氧化/还原比率上升，则J点的相对可变荧光变大[29]。通过JIP-test可知，尿素类型和施用深度对冬小麦旗叶在K点的可变荧光 (Fk) 占Fo-Fj振幅的比例 (Wk) 与在J点的可变荧光 (Fj) 占Fo-Fp振幅比例 (Vj) 的影响差异有显著意义 (图3)。就尿素类型来看，T2处理花后Wk和Vj显著小于T1处理。就施用深度来看，D2处理开花后14～28 d的Wk和Vj显著小于D1处理。相较于T1D1处理，T2D2处理开花后7 d、14 d、21 d、28 d 的Wk分别降低8.2%、6.6%、5.5%、10.6%，Vj降低8.1%、12.6%、17.2%、15.2%，普通和控释尿素配合深施处理同时改善了电子传递量供体侧和受体侧性能，对受体侧的改善大于供体侧。

图3 不同处理对开花后旗叶光系统II (PSII) 供体侧/受体侧的影响Fig. 3 Effects of different treatments on the donor and acceptor sides of photosystem II of flag leaf after anthesis

图4 不同处理对冬小麦氮素积累量的影响Fig. 4 Effects of different treatments on nitrogen accumulation of winter wheat

2.4 不同尿素类型和施用深度对氮素积累的影响

图4表明，冬小麦氮素的积累速率随着生育时期的推进呈现先增后减的趋势，拔节期和开花期积累速率最大。除2016-2017年施用深度对起身期冬小麦氮素积累影响不显著外，尿素类型和施用深度对2年冬小麦其它生育时期的氮素积累均有显著影响，二者交互作用对成熟期氮素积累的影响差异也达到显著水平。返青期，主区处理表现为T2 〉 T1，裂区处理表现为D2 〉 D1；施拔节肥后，T1处理氮素积累量较T2处理显著提高7.4%、7.9% (2015-2016年)，5.5%、8.0% (2016-2017年)；开花期至成熟期，表现为T2 〉 T1，且随生育时期的推进差异越大；至成熟期，T2处理干物质积累量及氮素积累量较T1显著提高11.5%、5.5% (2015-2016年)，10.8%、7.0% (2016-2017年)。在整个生育时期，D2处理的氮素积累量均高于D1处理。

2.5 不同尿素类型和施用深度对冬小麦氮素利用的影响

由表4可以看出，尿素类型和施用深度对2年氮肥农学效率 (NAE) 和氮肥偏生产力 (PFPN) 影响极显著，二者互作效应对2015—2016年NAE和PFPN的影响显著，对2016—2017年NAE和PFPN的影响不显著。尿素类型和施用深度对2015—2016年氮素生理利用率 (NPE) 的影响显著，对2016—2017年NPE的影响不显著，二者交互效应不明显。尿素类型对播种～拔节期、拔节～开花期、开花～成熟期氮肥表观回收率 (NRE) 有显著影响；施用深度对播种～拔节期有显著影响；尿素类型、施用深度及二者交互效应对成熟期表观回收率的影响均达到显著水平。

表4 不同处理冬小麦氮肥利用效率Table 4 Fertilizer nitrogen use efficiencies of winter wheat under different treatments

T2处理较T1处理氮肥农学效率和氮肥偏生产力2年平均提高7.9 kg/kg；D2较D1平均提高4.1 kg/kg。就氮肥农学效率和氮肥偏生产力而言，2015-2016年尿素类型和施用深度的交互效应显著；2016-2017年二者无显著交互作用。2年结果显示，T2D2组合氮肥农学效率和氮肥偏生产力最高。2015-2016年，T2处理氮素生理利用率较T1处理提高4.0 kg/kg；T1处理下D1较D2提高0.8 kg/kg，T2处理下不同深度间差异不显著。

2年试验结果表明，随生育期的推进，T1处理氮肥表观回收率总体呈下降趋势，T2处理呈先增后降的趋势。播种～拔节期氮肥表观回收率表现为T1 〉T2，T1提高33.8%；拔节～开花期、开花～成熟期表现为T2 〉 T1，T2分别提高94.7%、39.1%；播种～成熟期表现为T2 〉 T1，T2提高18.6%。尿素深施显著提高了播种～拔节期、播种～成熟期的氮肥表观回收率，分别提高12.6%、8.8%。

3 讨论

3.1 尿素类型和施用深度对冬小麦光合性能的影响

小麦叶片光合速率是决定产量的重要因素，生育后期叶片的光合作用尤为重要。研究表明，抽穗后增加外源氮素供应可改善小麦叶片PSⅡ性能[30]，有效提高叶片光合速率，延长光合功能期，提高小麦产量[31]。郭金金[32]在夏玉米/冬小麦研究中表明，一次性基施普通尿素和控释尿素掺混肥可有效提高小麦花后光合速率，并延长光合作用期。但也有研究表明，普通尿素分施处理更有利于提高生育后期净光合速率[33]。本研究中，一次性基施普通和控释尿素处理的PSⅡ性能与光合性能均显著高于普通尿素处理。随生育期推进，冬小麦叶片气孔导度 (Gs) 的下降伴随着胞间CO2浓度 (Ci) 的升高，说明非气孔因素是叶片光合作用下降的主要原因。普通和控释尿素配施处理较普通尿素处理Gs和Pn显著提高，Ci显著降低，与前人研究结果基本一致[34]。尿素深施处理较浅施处理可进一步提高光合速率。

光系统Ⅱ (PSⅡ) 作为光化学反应的首要位点，具有吸收光能并将其以电子的形式经由光系统Ⅰ(PSⅠ) 传递到下游羧化系统的功能，其性能变化直接影响了PSⅠ性能的强弱，进而影响光合作用[35]，通过JIP-test可以研究PSⅡ反应中心性能变化的情况[36]。最大光化学效率φPo、电子传递的量子产额φEo、荧光光化学猝灭系数ψo分别反映了光系统Ⅱ(PSⅡ) 反应中心光能吸收、光电子转化及电子转移的状况[26,37-38]，是重要的性能指数。本研究表明，普通和控释尿素配合深施处理显著减小了φPo和φEo的降幅，且φEo的降幅小于φPo的降幅，因此传递到电子链末端的电子产额占还原QA的电子的比率 (ψo) 也显著提高，这有利于形成更多ATP和NADPH，潜在地提高了羧化途径的底物来源，进而促进光合作用和光合产物的形成。K点相对可变荧光 (Wk)、J点相对可变荧光 (Vj) 分别反映了反应中心供体侧与受体侧性能[27,29]。本研究表明，普通和控释尿素配合深施处理显著改善了开花后旗叶供/受体侧性能，提高电子由供体侧到受体侧的传递速率，供/受体侧性能的改善也是光合速率提高的原因之一。

本研究中，普通和控释尿素配施处理中控释尿素的后效性减缓了生育后期反应中心性能的衰退，使旗叶叶绿素中保持较高的光化学效率及电子传递效率，在此基础上深施，进一步加强反应中心对光能的转化，减少生育后期量子的耗散，增大PSⅡ反应中心开放程度，促进PSⅡ反应中心的性能，使吸收的光能较多地用于电子传递链，为碳同化提供充足的能量，是该处理下冬小麦旗叶光合速率提高的重要原因之一。

3.2 尿素类型和施用深度对冬小麦产量和氮素利用的影响

前人研究发现[3,39-40]，控释混掺尿素基施可有效提高小麦产量和氮素利用效率，起到了节肥增效的作用，本研究结果与其基本一致。尿素类型、施用深度及其二者交互效应对氮肥农学利用效率 (NAE)、氮肥偏生产力 (PEPN) 均有显著影响，说明在相同施氮量的条件下，普通和控释尿素深施 (T2D2) 处理可以显著提高籽粒产量。尿素类型和施用深度对2015-2016年氮素生理利用率影响显著，呈普通和控释尿素配施处理 〉 普通尿素处理，深施 〉 浅施的规律，氮素积累总量亦有此规律，说明普通和控释尿素处理在提高氮素积累总量的同时，可以更大程度的提高籽粒产量；尿素类型和施用深度对2016-2017年氮素生理利用率影响不显著，说明普通和控释尿素深施处理的产量和地上部植株氮素积累是同步提高的。

本研究发现，普通和控释尿素配施处理返青期氮素积累高于普通尿素处理，说明普通和控释尿素配施处理更符合小麦在分蘖期对氮素的需求；普通尿素处理氮肥表观回收率在播种至拔节期较普通和控释尿素配施处理提高33.8%，而在拔节至开花期、开花至成熟期普通和控释尿素配施处理较普通尿素处理显著提高94.7%和39.2%，即普通尿素处理吸氮高峰在拔节期前后，普通和控释尿素配施处理吸氮高峰在开花期前后，普通和控释尿素配施处理则符合孕穗期对氮素需求。施用深度对两个主区氮肥表观回收率影响不同。普通尿素处理主区，尿素深施处理显著提高了普通尿素处理播种至拔节期氮肥表观回收率，说明施用深度对冬小麦生育前期氮素的吸收影响显著；而拔节至开花期、开花至成熟期氮肥表观回收率差异不显著，这与普通尿素处理追肥方式一致有关。对普通和控释尿素配施处理区，普通和控释尿素配施对播种至拔节期、拔节至开花期、开花至成熟期氮素表观回收率影响不显著，说明控释尿素可以减小施用深度间的差异。2年试验结果表明尿素类型、施用深度和二者交互作用对氮素表观回收率的影响均达到显著水平，说明普通和控释尿素深施可有效减少氮素损失，满足冬小麦不同生育时期的时空需求。

前人研究表明，冬前分蘖期和拔节至孕穗期的氮素营养水平分别影响有效穗的形成和后期叶片的光合性能，进而影响小麦产量[41]。作物产量构成因素间有相互制约和补偿的关系，即单位面积穗数的多少会抑制或促进穗粒数和粒重的增加，补偿关系表现在作物生育中、后期[42]。粟丽等[43]在对小麦的研究中表明普通尿素与控释尿素混合一次性基施减少了穗数，但穗粒数和千粒重有所提高，进而促使产量的提高。本研究表明，一次性基施普通和控释尿素处理的穗数、穗粒数和千粒重均有不同程度的提高，且穗数和粒重达到了显著水平。说明普通和控释尿素配施可以满足小麦在不同生育期氮素的需求，前期促成有效穗，并提高后期叶片的光合性能，提高粒重，保证结实率，进而促进小麦高产。普通尿素处理在拔节期采用地表撒施追肥，氮素生理利用率低，单位面积穗数降低，后期光合作用下降，产量构成因素间未得到有效补偿，在有效穗数和粒重的双重影响下，产量势必降低。氮素深施符合根系分布规律，在控释尿素的基础上深施可进一步提高小麦氮素利用效率和产量[44-45]。经方差分析和主效应检验表明，产量最优组合均为普通和控释尿素配合深施处理，较普通和控释尿素配合浅施、普通尿素深施、普通尿素浅施处理2年平均增产2.2%、9.2%、12.1%。综合而言，同一尿素类型不同施肥深度对产量提升的效果不显著，而相同施肥深度条件下，普通和控释尿素较普通尿素单施增产效果均达极显著水平。

4 结论

普通和控释尿素配合深施至土壤10 cm，其肥效释放与冬小麦旗叶光合性能需求一致，有利于增加光能转化利用效率。与普通尿素分次浅施相比，普通和控释尿素配合深施进一步增加了冬小麦花期旗叶光合同化能力，提高了氮素利用效率，产量显著增加，增幅达11.6%～12.7%，是一项省工增效的冬小麦栽培管理技术。