滴灌春小麦水分截获量及植株氮素积累与分配特征

2019-11-07杨建平李鹏兵卢伟鹏张龙龙李召峰李卫华

新疆农业科学 2019年9期

杨建平，李鹏兵，卢伟鹏，张龙龙，李召峰，李卫华，姜东

(1.石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室,新疆石河子 832000，2.南京农业大学国家信息农业工程技术中心,南京 210000)

0 引言

【研究意义】发展滴灌小麦是水资源严重不足地区高效节水生产发展的方向，但与滴灌棉花、滴灌玉米等大株型、宽行距作物采用的“1(条滴灌)管1(行作物)”或“1管2”不同，滴灌小麦为窄行距种植，需采用“1管多”的种植模式降低滴灌毛管成本。目前新疆主要推广相对成熟为“1 管 4滴灌模式”，但这种模式存在滴灌毛管用量大，用水量偏大等成本偏高、水分利用效率相对较低等问题。扩大管行比(滴灌毛管与小麦行数比值)对提高小麦水分利用效率有重要意义。【前人研究进展】在“1 管 4滴灌模式”，行间含水量[1,2]、氮营养指数[3,4]、不同施氮量[5,6]和施氮时期[7]对作物产量与品质的影响、不同品种间的氮素积累与转运等有较多研究。小麦籽粒积累的氮素主要来自前期营养器官储存氮素的再分配,再分配氮素占籽粒氮素的53.0%～80.5%[8],因品种不同而存在显著差异。【本研究切入点】目前，“1管6滴灌模式”下，对小麦行间灌水截获量以及不同品种的行间氮素积累与转运特征的研究鲜有报道。研究“1管6滴灌模式”下，滴灌春小麦水分截获量及不同品种远近氮素积累与转运特征以及其对籽粒蛋白质含量的影响。【拟解决的关键问题】选用来自新疆、内蒙古、宁夏等春小麦生产区7个春小麦品种(系)，研究“1管6滴灌模式”下，小麦行间水分截获量及不同品种间行间氮素积累与转运特征的空间差异，以及其对行间籽粒蛋白质含量的影响，为降低新疆滴灌小麦生产成本、构建经济高效的滴灌小麦模式提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018年在新疆石河子大学试验场(85°48′E, 44°44′N)进行，选用7个在生产中有一定种植面积春小麦品种(系),包括：新春37号(新疆)、农麦2号(内蒙古)、克春11号(黑龙江)、津强7号(天津)、高原506号(青海)、宁春4号和宁春53号(宁夏)。试验田土壤类型为壤土,土壤有机质16.05 g/kg、碱解氮42.05 mg/kg、速效磷13.69 mg/kg、速效钾225.96 mg/kg。于4月3日播种，播种施基肥P2O5和K2O 各105 kg/hm2。

试验采用“1管6灌溉模式”(1条滴灌带两侧各种3行小麦)的毛管配置方式，小麦行距为15 cm，按距滴灌带由近及远的种植行分别记为R1、R2与R3。基本苗550×104株/hm2。灌水量为4 500 m3/hm2，滴头流量为2.6 L/h；施氮300 kg/hm2，灌水施肥时间与比例参照[4]进行。小区宽4.5 m,长7 m,每品种重复3次,随机区组排列。

1.2 方法

1.2.1 测定最大蒸散量(ET0)、最大蒸散速率与行间灌水截获量

根据室外自动气象站自动记录的每天的最高温度、最低温度、平均风速、相对湿度、日照时间等数据[9,10],运用ET0Calculator软件(联合国粮农组织)计算最大蒸散量[11,12]，蒸散速率为蒸散量除以时间(mm/d)。每次灌水后1 d与灌水前1 d测定行间土壤各层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm)绝对含水量，乘以对应的土层体积，灌水后水量与灌水前水量之差为此次灌水截获量，6次灌水截获量之和为行间生育期灌水截获量。

1.2.2 氮素积累与转运

在开花期和成熟期每一行取同一天开花且长势一致的植株各20株，开花期的植株分成叶片、茎鞘和穗等器官，成熟期植株分为叶片、茎鞘，穗轴+颖壳与籽粒等器官。分样后于105℃杀青 1 h，70℃烘干至恒重，称取各器官干重，磨粉后蒸馏定氮仪定氮，籽粒蛋白质含量为籽粒氮含量乘以转换系数(小麦为5.83)，计算氮素转运等参数[13]。

花前氮素转运量 = 开花期营养器官氮素积累量 - 成熟期营养器官氮素积累量;

花前氮素转运率 =氮素转运量/开花期营养器官氮素积累量×100%;

花前氮素转运量对籽粒的贡献率 =氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%;

花后氮素积累量 = 成熟期籽粒氮素积累量-营养器官花前氮素转运量;

花后氮素对籽粒的贡献率 =花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量 × 100%。

1.2.3 氮营养指数

根据开花期茎鞘，叶片和穗实际氮含量与临界氮含量的比例计算，其中后者根据小麦 “临界稀释曲线(Nct= 5·35DM～0·442)”估算[14,15]。其中，NC为临界氮浓度(%)，DM为地上部干物质重最大值(t)。以R1作为地上干物质最大值，前人研究发现“1管4灌溉模式”、“1管5灌溉模式”和“1管6灌溉模式”三种滴灌模式的R1行小麦植株干物质积累行间差异不显著[2]。

1.3 数据处理

数据采用SPSS19.0进行单因素方差分析(ANOVA)，SigmaPlot10.0作图。

2 结果与分析

2.1 蒸散量(ET0)与行间灌水截获量

研究表明,在小麦整个生育期间，播种-拔节期蒸散量最大，达到了198 mm，占小麦生育期的35%，但该期间蒸散速率较小，为3.96 mm/d；拔节期-孕穗期蒸散量较小，为62 mm,但其蒸散速率为6.2 mm/d,仅次于乳熟末期-完熟期；蒸散量与蒸散速率均在孕-穗开花期最小，分别为43 mm与3.9 mm/d；开花期-乳熟初期与乳熟初期-乳熟末期蒸散量分别为106与57 mm,蒸散速率为5.89与5.7 mm/d；乳熟末期-完熟期蒸散量为106 mm,占全生育期的18.6%，蒸散速率最高，为7.43 mm/d。

不同行间因离滴灌带距离不同，灌水截获量不同，R1得到了最多的灌水，R2相对于R1，总灌水截获量减少33.6%，而R3行总灌水截获量减少了60.3%；拔节-孕穗期与孕穗-开花期R3得到的灌水量为59与56 mm，与该时段蒸散量62与43 mm相近；播种-拔节期R3灌水截获量为61 mm，仅为蒸散量的1/3左右；开花期-乳熟末期蒸散量为163 mm，而R3截获灌溉量仅为49 mm；乳熟末期-完熟期R3灌水截获量为14 mm，与蒸散量104 mm差异巨大。图1

注:横坐标S1，S2，S3，S4，S5，S6为播种-拔节，拔节-孕穗，孕穗-开花期，开花期-乳熟初期，乳熟初期-乳熟末期，乳熟末期-完熟期

Note: The abscissas S1, S2, S3, S4, S5, S6 were sowing - jointing stage, jointing - booting stage, booting - anthesis stage, anthesis - early milk stage, early milk stage - late milk stage, late milk stage - mature stage , respectively

图1 小麦发育不同时期的最大蒸散量、最大蒸散速率和行间灌水截获量

Fig.1 The maximum evapotranspiration, evapotranspiration rate and received irrigation water during growth period

2.2 氮营养指数

研究表明,“1管6滴灌模式”下,各品种R2与R3开花期茎鞘、叶片、穗氮营养指数相对于R1均依次降低，但是其降低的幅度远远小于灌水截获量降低的幅度，各器官R2与R3相对于R1的降低幅度不同，5个品种(新春37号、农麦2号、高原506号、宁春4号与宁春53号)穗氮营养指数降低幅度最小，2个品种(克春11号与津强7号)叶片氮营养指数降低幅度最小。小麦品种各器官氮营养指数行间变异系数与降低幅度一致。各器官行间平均氮营养指数中叶片氮营养指数最高，新春37号茎鞘、穗氮营养指数行间平均值分别为0.71与0.66，高于其他品种；同时其行间变异系数分别为3.57与2.17，低于其他试验品种。高原506号茎鞘、叶片、穗氮营养指数行间变异系数分别为14.49、11.68与8.15，各器官氮营养指数行间变异幅度均较大。图1，表1

表1 “1管6灌溉模式”下不同小麦品种开花期茎、叶与穗营养指数

Table 1 Stem、 leaf and ear N nutrition index of different wheat varieties at anthesis in one tube served six rows of drip irrigation

品种Variety处理Treatment茎鞘Stem+sheath叶片Leaf穗Spike氮营养指数NNI降幅DTR1(%)变异系数C.V氮营养指数NNI降幅DTR1(%)变异系数C.V氮营养指数NNI降幅DTR1(%)变异系数C.V新春37号Xinchun37R10.74a0.88a0.68aR20.70b5.133.570.81b8.3213.740.66b3.542.17R30.69c6.520.67c24.130.66b3.78农麦2号Nongmai2R10.57a0.84a0.66aR20.51b10.7810.000.80b4.729.640.66a0.363.92R30.47c17.960.69c17.280.62b6.81克春11号Kechun11R10.71a0.82a0.54aR20.61b13.0414.290.78b4.984.270.51b6.064.79R30.53c24.960.75c7.890.50b8.92津强7号Jinqiang7R10.74a0.93a0.60aR20.62b16.2312.070.89b4.334.030.57b4.857.60R30.60c19.970.86c7.720.52c14.03高原506号Gaoyuan506R10.78a0.84a0.64aR20.71b9.9914.490.74b11.9511.680.58b8.948.15R30.58c25.380.67c20.730.54c14.91宁春4号Ningchun4R10.56a0.85a0.66aR20.53b6.157.990.70b16.8211.840.62b5.789.84R30.48c14.790.68c19.090.54c17.78宁春53号Ningchun53R10.63a0.66a0.63aR20.58b7.338.570.65b1.676.860.60b4.685.91R30.53c15.810.58c12.080.56c11.14行平均值新春37号Xinchun370.71a0.79b0.66a农麦2号Nongmai20.52f0.78c0.65b克春11号Kechun110.62d0.76d0.52g津强7号Jinqiang70.65c0.89a0.56f高原506号Gaoyuan5060.69b0.75e0.58e宁春4号Ningchun40.52f0.75e0.61c宁春53号Ningchun530.58e0.63f0.59d

注:NNI为氮营养指数，DTR1为对应行相对于R1的降低幅度，C.V为行间变异系数，图柱上的不同字母表示处理间在0.05水平上同一品种行间差异达显著

Note:NNIwas nitrogen nutrient index,DTR1indicated the decrease percentage of the value of the given row relative to R1,C.Vwas the coefcient of variation among the rows in the same variety, the lowercase letters showed signicant dierence between rows in the same variety at the 0.05 level

2.3 氮素含量与氮素积累与分配

“1管6滴灌模式”下,各品种R2与R3开花期茎鞘、叶片、穗氮素含量相对于R1均依次降低，但是其降低的幅度远远小于灌水截获量降低的幅度。开花期各品种各器官氮素含量叶片最高，穗、茎鞘依次降低，成熟期各器官氮素含量籽粒最高，叶片次之。“1管6滴灌模式”下,各品种R2与R3成熟期茎鞘、叶片、穗+穗轴、籽粒氮素含量相对于R1依次降低，但其降低幅度没有水分截获量降低幅度大。各品种茎鞘、叶片、穗成熟期R2与R3相对于R1的降低幅度小于成熟期对应器官的行间降低幅度，同时试验品种成熟期各器官氮素含量行间变异系数籽粒最小(农麦2号叶片氮素含量行间变异系数最小)。小麦品种开花期各器官氮素含量行间变异系数与氮营养指数一致，

“1管6滴灌模式”下，各品种R2与R3开花期茎鞘、叶片、穗氮素含量相对于R1均依次降低，成熟期R2与R3茎鞘、叶片、穗+穗轴、籽粒氮素积累量相对于R1依次降低，同时其降低的幅度远远小于灌水截获量降低的幅度，开花期各器官行间降低幅度小于成熟期对应的各器官降低幅度。品种开花期各器官氮素积累量茎鞘最高，克春11号、津强7号、高原506号叶片、穗氮素积累量依次相对于茎鞘降低，其余品种穗、叶片氮素积累量依次相对于茎鞘降低。成熟期籽粒、茎鞘、穗+穗轴、叶片氮素积累量依次降低(宁春53号籽粒、穗+穗轴、茎鞘、叶片、氮素积累量依次降低)。开花期茎鞘、穗氮素分配比例表现为R2与R3相对于R1依次升高，叶片氮素分配比例与茎鞘、穗相反，成熟期茎鞘、叶片、穗+穗轴氮素分配比例R2与R3相对于R1依次降低，但其籽粒氮素分配与茎鞘、叶片、穗+穗轴相反。各品种成熟期各器官行间变异系数籽粒最小。图2

图2 “1管6滴灌模式”下不同小麦品种开花期与成熟期各器官氮素含量

Fig.2 Nitrogen content of various organs of wheat varieties at anthesis and maturity in one tube served six rows of drip irrigation

2.4 氮素再转运

“1管6滴灌模式”下，R2与R3花前氮素转运量相对于R1依次减少，且在0.05水平上差异显著，但各品种的降低幅度远小于灌水截获量的降低幅度，R2与R3花前氮素转运率、花前氮素转运量对籽粒的贡献率相对于R1依次变大(津强7号R2与R3依次减小)，且在0.05水平上差异显著。R2与R3花后氮素对籽粒的贡献率相对于R1依次变小(津强7号R2与R3依次增大)。各品种R2与R3氮收获指数相对于R1依次升高。各品种行间花后氮素对籽粒的贡献率与氮收获指数在0.05水平上差异显著。籽粒氮素主要来源于花前氮素转运与花后氮素积累，各品种行间转运氮对籽粒的贡献率达53.16%～77.66%，远高于花后氮素对籽粒的贡献率。

“1管6滴灌模式”下，各品种R2与R3籽粒蛋白质含量相对于R1依次降低，且在0.05水平上差异显著，籽粒蛋白质含量的行间降低幅度远小于对应的成熟期各营养器官的行间降低幅度。各品种籽粒蛋白质含量行间变异系数与成熟期籽粒氮素含量行间变异系数相同。表2

注：柱子旁边数字为氮素分配比例

Note: The number near the column is the nitrogen distribution ratio

图3 “1管6滴灌模式”下不同小麦品种开花期与成熟期各器官氮素积累量与分配比例

Fig.3 Nitrogen accumulation and distribution of various organs of different wheat varieties at anthesis and maturity in one tube served six rows of drip irrigation

2.5 氮素积累与转运，转运氮与氮营养指数的相关性

研究表明,开花期氮素积累量的大小影响氮素的再转运，两者呈正相关，相关系数为0.811；籽粒氮素积累量主要来自于花前积累的氮素转运与花后氮素积累，籽粒氮素积累量与再转运氮，花后氮素积累均呈正相关，相关系数分别为0.498与0.737；氮营养指数可判定作物体内营养状况的指标，植株各器官氮营养指数越大，作物体内的营养状况越好，则转运的氮素量越大。开花期茎鞘氮营养指数与茎鞘的氮素转运量间呈正相关，两者之间的相关系数为0.403，同时，开花期叶片氮营养指数与叶片的氮素转运量间呈正相关，两者之间的相关系数达到0.643，开花期穗氮营养指数与穗的氮素转运量间呈正相关，两者之间的相关系数达到0.717。图4

籽粒氮素主要来源于花前氮素的转运与花后氮素的积累，而花前氮素转运量与开花期氮素积累量呈正相关，花前各营养器官氮素积累量的增加与开花后氮素吸收能力的增强均有利于籽粒氮素积累量的提高。

表2 “1管6滴灌模式”下不同小麦品种氮素的再转运与籽粒蛋白质含量

Table 2 Nitrogen redistribution and grain protein content of different wheat cultivars in one tube served six rows of drip irrigation

品种Variety处理Treatment氮素转运量DMR(kg/hm2)氮素转运率DMR-R(%)转运对籽粒贡献率DMR-C%(%)花后氮素对籽粒贡献率DMM-C(%)氮素收获指数NHI(%)籽粒蛋白质含量Grainproteincontent(%)新春37号Xinchun37R1164.4a63.17c66.73c33.27a71.99c13.56aR2143.9b68.55b77.33b22.67b73.81b13.20bR3117.4c73.24a78.64a21.36c77.68a12.68c农麦2号Nongmai2R1135.6a61.9c60.72b39.28a72.78c13.12aR2101.8b63.08b60.92b39.08a73.78b12.81bR383.8c67.23a62.74a37.26b76.58a11.85c克春11号Kechun11R1140.8a58.69c53.64c46.36a72.59c15.18aR2133.9b68.58b70.28b29.72b75.64b14.66bR3113.5c73.02a75.48a24.52c78.20a13.73c津强7号Jinqiang7R1163.1a70.07a72.84a27.16c76.27c14.07aR2120.7b70.00a65.08b34.92b78.19b13.89bR388.3c69.77a60.74c39.26a79.17a13.72c高原506号Gaoyuan506R1136.5a54.88c60.50c39.50a66.78c15.19aR2110.0b64.45b75.20b24.80b70.68b13.47bR3103.0c77.52a85.95a14.05c80.04a12.91c宁春4号Ningchun4R1109.3a53.16c46.36c53.64a71.00c13.92aR2104.0b64.25b53.14b46.86b77.18b13.21bR384.7c68.62a54.89a45.11c79.94a12.55c宁春53号Ningchun53R1133.3a64.09c57.94c42.06a75.49c14.72aR2120.4b71.02b73.63b26.37b76.90b13.50bR3105.5c77.66a93.60a6.40c78.79a12.91c

注：DMR:花前氮素转运量； DMR-R：氮素转移率； DMR-C：转运氮对籽粒的贡献率； DMM-C：花后氮素积累量对籽粒的贡献率；图柱上的不同字母表示处理间在0.05水平上同一品种行间差异达显著

Note:DMR refers to amount of nitrogen accumulated in vegetative organs before anthesis, which is redistributed to grains after anthesis; DMR-R and DMR-C refer to the rate and contribution of DMR to grains, respectively; DMM-C refers to the contribution of DMM to grains; the lowercase letters refer to signicant dierence between rows in the same variety at the 0.05 level.respectively

3 讨论

Lv等[2]研究发现，在TR5与TR6滴灌模式下，R2与R3相对于R1干物质量、叶面积指数及产量的减少比率均低于截获水减少的比例。研究发现，TR6滴灌模式下拔节期-开花期R3灌水截获量与蒸散量相当，拔节期-开花期是植物生长的重要阶段，这也可能是远行产量等减少比例小于水分减少比率的原因。播种-拔节期与乳熟末期-完熟期R3行灌水截获量远小于蒸散量，但但播种-拔节期有10 d左右时间种子处于萌发状态，Wang等[16]研究发现前期适度干旱会提高植株花后对干旱胁迫的耐受性，导致谷物产量损失比例未经历干旱胁迫的植株少得多。乳熟末期-完熟期植株灌浆已基本完成，灌水截获量与蒸散量之间的巨大差异不会对植株影响很小。开花期-乳熟末期R3行蒸散量远大于灌水截获量，对植株灌浆过程造成影响，这也是远行R2与R3产量低于R1的主要原因。增加开花期-乳熟末期的灌水量可能会使远行R2与R3相对于R1的产量降幅变低。

图4 “1管6滴灌模式”下氮素积累与转运、转运氮与氮营养指数的相关性

Fig.4 Correlation analysis of nitrogen accumulation anddistribution, redistribution nitrogen and nitrogen nutrition index in one tube served six rows of drip irrigation

开花前是氮素积累量的主要时期[8,17],研究发现籽粒氮素主要来源于花前氮素转运与花后氮素积累，各品种行间转运氮对籽粒的贡献率达53.16%～77.66%，远高于花后氮素对籽粒的贡献率；同时，研究发现开花期各器官氮开花期氮素积累量影响氮素的再转运，两者呈正相关；开花期茎鞘、叶片、穗的氮营养指数影响氮素的转运，各器官氮素转运量与对应的氮营养指数呈正相关。中度水分调亏(50%～55%)可促进小麦营养器官花前贮藏物质向籽粒再运转[18]，研究表明“1管6滴灌模式”下，远行R2与R3的花前氮素转运率、转运氮对籽粒的贡献率、氮收获指数相对于R1会升高。