氮磷钾用量对小麦冠层不同层次光截获和干物质分配的影响

魏庆薪，于振文，张永丽，石 玉

(山东农业大学农业部作物生理生态与栽培重点开放实验室,山东泰安 271018)

小麦植株干物质总量的90%～95%来源于光合产物，而光合产物来源于小麦冠层结构对入射辐射的截获[1-3]。良好的冠层结构可使小麦充分利用光能，有利于小麦植株光合作用和干物质积累[4]。

氮、磷、钾肥对小麦冠层光截获和干物质生产有重要影响，适量施用可显著改善小麦冠层结构、增加光截获量和干物质积累量[5]。马建辉等[6]研究表明，施氮量为270 kg·hm-2时，济麦22和烟农19的光能截获量最高，比施氮量较低的处理显著增加。岳俊芹等[7]研究发现，与不施钾处理相比，施钾量为150 kg·hm-2时，不同冠层截获光合有效辐射截获量(IPAR)增加了0.5%～ 30.5%，当施钾量增加至225 kg·hm-2时，小麦的IPAR无明显变化。刘 冲等[8]研究发现，与不施磷处理相比，施磷120 kg·hm-2小麦不同冠层光合有效辐射(PAR)截获率增加7.5%～ 30.5%，当施氮量增加至180 kg·hm-2时，PAR截获率反而降低。前人研究多为单一肥料处理对整个冠层光截获的影响。本试验将小麦冠层分为上、中、下三层，深入研究氮、磷、钾用量对不同层次小麦光截获特性和成熟期干物质分配的影响，以期为小麦节肥高产优质栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2018-2019年小麦生长季，在山东省泰安市山东农业大学实验农场进行田间试验。土壤质地为壤土，前茬作物为玉米，收获后秸秆还田。播种前0～20 cm土层的土壤肥力状况为：有机质含量14.3 g·kg-1，全氮含量1.48 g·kg-1，碱解氮含量105.67 mg·kg-1，速效钾含量127.11 mg·kg-1，速效磷含量49.61 mg·kg-1。小麦生长季内降水量为107.5 mm。

1.2 试验设计

以小麦品种济麦22为供试材料，设置F1(N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2)、F2(N 225 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，K2O 105 kg·hm-2)、F3(N 270 kg·hm-2，P2O5165 kg·hm-2，K2O 105 kg·hm-2)三个施肥量处理，以F0(不施肥)处理为对照。氮、磷、钾肥分别为尿素(N 46.4%)、磷酸二铵(N 16%,P2O548%)和硫酸钾(K2O 50%)。磷肥和钾肥以及氮肥总量的一半作为底肥一次性施入，另一半氮肥于拔节期开沟追施。每个处理3次重复，小区面积24 m2(2 m× 12 m)。播种日期为2018年10月10日，定苗时期为四叶期，基本苗密度为180 株·m-2。于拔节期和开花期补灌前测定土壤含水量，将0～40 cm土层土壤相对含水量均补灌至70%，补灌水量依据公式M=10·γ·H·(βi-βj)[9]计算。式中，M为灌水量(mm)；H为土壤计划湿润层的深度(cm)；γ为该土层土壤容重(g·cm-3)；βi为目标含水量(田间持水量乘以目标相对含水量)；βj为补灌前土壤含水量。使用输水带进行灌溉，灌水量用水表计量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数(LAI)和冠层光合有效辐射(PAR)的测定

如图1所示，将小麦植株按大田生产条件下将冠层分为上、中和下3层[10]，其中自小麦顶部至株高2/3处为上层，株高2/3至1/3处为中层，株高1/3至底部为下层。于开花后0、7、15、22和30 d，用Sunscan作物冠层分析仪(Delta，英国)测定小麦的叶面积指数；于开花后15 d，用长度为 1 m，宽度为0.013 m的光传感器探头，测定小麦底部、株高1/3处、株高2/3处和小麦顶部的PAR。测定时探头平行于地面，感光面向上，插入小麦行间时与种植行方向成45°角。

图1 小麦冠层分层示意图

1.3.2 小麦冠层不同层次PAR截获率(CaR)、PAR透射率(PeR)和PAR截获量(IPAR)的计算

根据以下公式[11-12]进行计算：

CaR=(PARn-PARn-1)/PAR顶×100%

PeR=PARn-1/PARn×100%

IPAR=R×CaR×0.5

PeR总=PAR底/PAR顶×100%

其中，PARn和PARn-1分别表示小麦冠层不同层次的光合有效辐射，n和n-1分别表示小麦冠层不同层次。PAR顶为小麦顶部光合有效辐射，PAR底为小麦底部光合有效辐射。R值为实际光合有效辐射总量，其数据由试验基地气象观测站观测得出。

1.3.3 小麦成熟期干物质在冠层不同层次营养器官和籽粒中的分配量

于小麦成熟期，取20个具有代表性的单茎，每个处理3次重复，将单茎分为上(穗底部至株高2/3处)、中(株高2/3处至株高1/3处)、下层(株高1/3处至底部)和籽粒4部分，其中上、中、下层均为营养器官。将各部分置于烘箱中105 ℃杀青30 min，在80 ℃下烘干至恒重后，称量，计算成熟期干物质在冠层不同层次营养器官和籽粒中的分配量。各层次及籽粒中的干物质分配量总和即为总干物质积累量。

1.4 数据处理

用Excel 2016和Sigmaplot 12.5进行图表制作，用SPSS 24.0对叶面积指数和冠层光截获特性进行数据分析，用LSD法对成熟期干物质积累量与PAR截获率进行相关性分析(Pearson法)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦叶面积指数(LAI)的影响

由图2可知，在开花后0～30 d，各处理LAI随开花后天数的延长呈降低的趋势，其中，F1处理下LAI比F0处理提高28.86%～34.75%，与F2和F3处理无显著差异。表明F1处理在开花后能保持较高的叶面积指数，有利于截获较多的光合有效辐射，从而保证光合物质持续稳定生产。

图2 不同处理对小麦开花后叶面积指数的影响

2.2 不同处理对小麦冠层不同层次光截获特性的影响

2.2.1 对小麦冠层不同层次PAR截获率的影响

由表1可以看出，开花后15 d，F1处理下小麦冠层不同层次的PAR截获率均显著高于F0处理，增幅分别为10.92%、5.08%和9.76%。F1处理下总PAR截获率也显著高于F0处理，增幅为7.89%。F1处理与F2和F3处理之间小麦冠层不同层次的PAR截获率和总PAR截获率均无显著差异。

2.2.2 对小麦冠层不同层次PAR截获量的影响

由表1得知，开花后15 d，F1处理下小麦冠层不同层次的PAR截获量均显著高于F0处理，增幅分别为10.77%、5.01%和9.68%。F1处理下总PAR截获量也显著高于F0处理，增幅为 7.95%。F1处理与F2、F3处理之间小麦冠层不同层次的PAR截获量和总PAR截获量均无显著差异。

2.2.3 对小麦冠层不同层次PAR透射率的影响

从表1可以看出，开花后15 d，F1处理下小麦冠层不同层次的PAR透射率均显著低于F0处理，降幅分别为5.33%、19.17%和40.26%。F0处理下总PAR透射率也显著低于F0处理，降幅为54.29%。F1处理与F2、F3处理之间小麦冠层不同层次的PAR和总PAR透射率均无显著差异。

表1 不同处理对小麦开花后15 d冠层各层次PAR截获率、透射率和截获量的影响

2.3 不同处理对小麦成熟期冠层不同层次干物质分配的影响

由表2可知，F1处理下小麦成熟期干物质在冠层不同层次营养器官中的分配量均显著高于F0处理，增幅分别为20.76%、29.37%和 24.05%，与F2和F3处理无显著差异；F1处理下籽粒干物质的分配量和总干物质积累量也显著高于F0处理，增幅分别为22.77%和23.44%，与F2和F3处理无显著差异。

表2 不同处理对小麦成熟期冠层不同层次营养器官和籽粒干物质分配量的影响

2.4 相关性分析

对成熟期干物质在小麦冠层不同层次营养器官、籽粒中的分配量及总干物质积累量与冠层不同层次截获率进行相关性分析(表3)，结果表明，成熟期干物质在小麦冠层不同层次营养器官和籽粒中的分配量以及总干物质积累量均与上层、中层和总PAR截获率呈极显著正相关。这表明上层、中层和总PAR截获率是影响小麦成熟期干物质分配的主要因素。

表3 干物质分配量与PAR截获率的相关系数

3 讨 论

Markus等[13]研究表明，相比于连续两年分别施氮40 kg·hm-2和35 kg·hm-2，连续两年分别施氮180 kg·hm-2和200 kg·hm-2的小麦冠层PAR截获量增加了40.90%～67.30%，两年内均施氮320 kg·hm-2的小麦冠层PAR截获量增加了50.06%～89.59%。Andrew等[14]研究发现，施氮100 kg·hm-2时，小麦开花后冠层PAR截获率可达95%，且与施氮200 kg·hm-2处理间无显著差异，均较施氮50 kg·hm-2和不施氮处理有显著提高。Patricio等[15]研究表明，施磷量由0增加至250 kg·hm-2时，小麦冠层PAR截获率也随之提高，但在小麦生育后期，施磷100 kg·hm-2和施磷250 kg·hm-2处理间的小麦冠层PAR截获率无显著差异。与前人在单一肥料下研究整个冠层的光截获不同，本研究将小麦植株分为上、中、下三个层次，在不同氮、磷、钾肥施用量下进行研究，结果表明，F1处理(N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2)下小麦冠层不同层次PAR截获率及截获量均显著高于不施肥处理；继续增加施肥量后，小麦冠层不同层次PAR截获率及截获量均无显著变化。

Caviglia等[16]研究发现，相比于不施氮处理，施氮80 kg·hm-2时，小麦成熟期干物质积累量在两年内分别增加了106.3%和84.4%，籽粒中的分配量在两年内分别增加了89.5%和 80.8%；继续增加施氮量，籽粒中的干物质分配量也随之增加，但总干物质积累量无显著变化。曾维军[5]研究发现，施磷225 kg·hm-2时，小麦可以获得较高的干物质积累量，继续增加施磷量，干物质积累量反而降低[5]。本研究在氮、磷、钾综合施用条件下进行研究，结果表明，F1处理下小麦干物质在冠层不同层次的分配量及总积累量显著高于不施肥处理，且施肥量增加至F2和F3时，干物质在冠层不同层次的分配量及总积累量均无显著 变化。

本研究相关分析表明，小麦成熟期干物质在冠层不同层次营养器官、籽粒中的分配量及总干物质积累量均与冠层上层、中层和总PAR截获率呈极显著正相关，而与下层PAR截获率无显著相关性。因此，通过调整小麦生育期内的氮、磷、钾施用量，提高小麦冠层上层、中层和总PAR截获率是提高籽粒产量的有效途径。