追氮量对不同试点小麦旗叶光合特性及产量的影响

马瑞琦 陶志强 王德梅 王艳杰 杨玉双 徐哲莉 赵广才 常旭虹

(1中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态重点试验室，北京 100081；2 石家庄市农林科学研究院赵县实验基地，河北石家庄 051530)

氮肥运筹作为主要的栽培措施在小麦生产发展过程中发挥着重要的作用[1]。 氮对小麦的生长发育、光合生理、产量和品质都有非常重要的影响[2]。前人研究表明，施氮能明显增加叶片的叶绿素含量和旗叶的光合速率，旗叶叶绿素含量与其净光合强度呈显著正相关[3-4]。 小麦生物产量的90%～95%来自光合作用，合理的施氮量能显著提高叶片的光合速率、延长光合时间，有利于小麦籽粒灌浆期间光合同化物的积累和供应[5-7]。 郭天财等[8]研究认为，旗叶叶绿素含量随施氮量的增加呈上升趋势，其中在180 kg·hm-2施氮水平下达到最大值。 李淑文等[9]研究表明，增加施氮量可以显著提高旗叶的叶绿素含量和净光合速率，延长旗叶的功能期，有利于籽粒产量的提高。 孙旭生等[10]则认为，旗叶净光合效率随施氮量的增加而提高，但过量施肥会导致灌浆后期叶片早衰，叶面积指数下降，净光合效率降低，最终造成小麦减产。 Simonetta 等[11]和Guo 等[12]认为合理施用氮肥可提高叶面积指数，降低冠层温度，延缓衰老。 以往的研究多单独分析施氮量对光合特性或叶绿素含量变化的影响，而本研究探究了不同生态区，小麦拔节期追施75 kg·hm-2、105 kg·hm-2、 135 kg·hm-2的氮肥处理对不同小麦品种旗叶光合特性、叶绿素含量及产量结构的影响，旨在进一步明确强筋小麦产量形成过程，为确定生产中适宜的氮素施用量、提高小麦旗叶光合效率和籽粒产量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016-2017 年在中国农业科学院作物科学研究所的北京及石家庄试验基地同步进行，试验地概况详见表1。 2 个试点试验田土壤均为壤土，0 ～20 cm 土层土壤基础养分含量详见表2。

表1 试验地概况Table 1 Test site overview

表2 土壤基础养分含量Table 2 Soil basic nutrient content

1.2 试验材料与试验设计

试验采用裂区设计，以试验点为主区，A1:北京、A2:石家庄；品种为副区，B1:藁优2018、B2:师栾02-1，两品种均由石家庄农林科学研究院提供。 追氮量为副副区，C1:75 kg·hm-2、C2:105 kg·hm-2、C3:135 kg·hm-2；全试验田底施磷酸二铵300 kg·hm-2、尿素111 kg·hm-2(折合纯氮105 kg·hm-2)，于拔节期随水追施氮肥。 全田基本苗为300 万·hm-2；小区面积9 m2，3 次重复。 出苗后每小区选2 个固定样点于收获时拔取植株进行室内考种。 采用小区播种机、收割机(Classic，奥地利Wintersteiger 公司)统一播种、收获，北京和石家庄的播种时间分别为2016 年9 月28 日、2016 年10 月12 日，收获时间分别为2017 年6 月8日、2017 年6 月12 日，其他管理同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及构成因素 收获前于田间准确测定单位面积穗数；室内测定穗粒数、千粒重及生物产量；小麦成熟后，全小区收获测定产量。

1.3.2 光合指标 光合指标:分别于开花后0、7、14、21、28 d，随机选取长势相近的10 片标记旗叶，采用LI-6400 便携式光合测定仪(美国LICOR 公司)，于上午9:00-11:30 测定旗叶光合指标，包括净光合速率(net photogynthetic rate， Pn )、气孔导度 ( stomatal conoluctance，cord)、蒸腾速率(transpiration rate， Gs)、胞间二氧化碳浓度(in tercellular carbon dioxide， Ci)等。

叶绿素(chlorophyll， Chl)含量:取新鲜旗叶，除去叶脉，剪碎、混匀，称0.1 g，用丙酮与乙醇1 ∶1混合溶液避光浸提24 h[13]，待叶片彻底变白后，用SPECORD 200 紫外可见分光光度计(德国耶拿公司)测定吸光度值，计算Chl 含量。

1.3.3 氮肥偏生产力 氮肥偏生产力(partial factor productivity from applied N， PFPN)，是指单位投入的氮所能生产的作物籽粒产量，能够反映氮肥施用量的作用效应。 计算公式如下:

1.3.4 收获指数 收获指数(harvest index， HI)是作物收获时经济产量(籽粒、果实等)与生物产量之比。计算公式如下:

1.4 数据分析

采用Excel 2013、DPS 13.0 进行数据统计与分析[14]，多重比较采用Duncan 新复极差法。

2 结果与分析

2.1 各处理对小麦叶片Chl 含量的影响

2.1.1 生态试点对小麦旗叶Chl 含量的影响 由图1可知，在不同的试点，两品种小麦叶片Chl 含量均随开花后天数的增加呈逐渐降低趋势，在开花后7 ～14 d，北京试点小麦叶片的Chl a、Chl b 及Chl(a＋b)含量均显著高于石家庄试点，但在开花后14 ～21 d，其Chl a/b 值则显著低于石家庄试点。

图1 生态试点对小麦旗叶叶绿素含量的影响Fig.1 Effect of ecological experiment on flag leaves chlorophyll content of wheat

2.1.2 不同品种间旗叶Chl 含量比较 由图2 可知，两品种间旗叶Chl 含量存在差异，师栾02-1 的Chl(a＋b)、Chl a 及Chl b 含量均较藁优2018 高，其中两品种间开花后0 d 的Chl a 含量及开花后14～28 d 的Chl b 含量差异均显著；藁优2018 的Chl a/b 值高于师栾02-1。 开花后28 d，师栾02-1 叶片内Chl(a＋b)、Chl a 和Chl b 含量较21 d 的下降速度分别为35%、33%和40%，慢于藁优2018(36%、35%、40%)，表明不同品种旗叶的持绿时间存在差异。

2.1.3 不同追氮处理对小麦旗叶Chl 含量的影响 由图3 可知，增加追氮量对小麦叶片Chl a、Chl b 及Chl(a＋b)含量均有增加的效应，且在开花后7、14、21 d达到显著水平，与开花当天(0 d)相比，Chl(a＋b)含量增加了4.64%～14.51%，Chl a 和Chl b 含量的增幅分别为2.66%～10.44%、8.51%～36.19%。 开花后14 d，C2和C3的Chl a 和Chl b 含量分别较C1提高4.22%、10.02%和8.51%、21.11%，Chl(a＋b)含量提高6.01%和13.81%。 两品种的Chl a/b 值均随着追氮量的增加而逐渐降低，此趋势在灌浆后期尤为明显，表明增加追氮量更有利于Chl b 的形成，而Chl b 是捕光色素蛋白质复合体的重要组成部分，其含量的提高增加了叶绿体膜捕获光能的截面积，增强了叶绿体对光能的吸收。

图2 不同小麦品种间旗叶叶绿素含量比较Fig.2 Comparison of chlorophyll content in flag leaves of different wheat varieties

图3 不同追氮处理对小麦旗叶叶绿素含量的影响Fig.3 Effect of different topdressing treatments on flag leaves chlorophyll content of wheat

2.1.4 相同试点下各处理对小麦旗叶Chl 含量的影响 由表3 和表4 可知，两试点下各处理对小麦旗叶Chl 含量的影响趋势大致相同，两品种小麦旗叶中Chl(a＋b)、Chl a 和Chl b 的含量均随着开花后天数的增加呈先增加后减少的趋势，其中Chl(a＋b)、Chl a 最大降幅出现在开花后28 d，Chl b 最大降幅出现在开花后21 d。 各处理的Chl a/b 值均随着开花后天数的增加表现为先降低后升高，Chl/ a/b 值越高，表明在小麦生长发育后期叶片内Chl b 降解越快，不利于光能的有效吸收。

表3 不同处理对北京试点小麦旗叶叶绿素含量的影响Table 3 Effects of different treatments on chlorophyll content of flag leaves of Beijing

2.2 各处理对小麦旗叶光合性能的影响

2.2.1 生态试点对小麦旗叶光合性能的影响 由图4 可知，在不同的试点，小麦旗叶花后光合能力均随开花后天数的增加呈降低趋势，但北京试点生态环境条件较石家庄更利于小麦旗叶光合性能潜力的发挥。 开花后14 d，两试点的Gs 和Tr 蒸腾速率无明显差异，北京试点的小麦旗叶Pn 较石家庄试点高20.82%，表明北京环境更利于有机物的合成。 与开花后14 d 相比，开花后21 d 石家庄试点Pn、Gs、Tr 相应提高，Ci 降低，原因可能是测试前两天降水16.7 mm，降水可以改善旗叶光合性能，提高光合速率，促进碳代谢及有机物合成。

表4 不同处理对石家庄试点小麦旗叶叶绿素含量的影响Table 4 Effects of different treatments on chlorophyll content of flag leaves of wheat of Shijiazhuang

2.2.2 品种间旗叶光合性能比较 由图5 可知，不同小麦品种间旗叶光合性能存在差异。 开花14 d 后，藁优2018 Pn 逐渐低于师栾02-1，至开花后21～28 d，二者差异逐渐增大。 与开花后7 d 相比，开花后28 d 藁优2018 的Pn 降低了63.87%，而师栾02-1 降低了60.68%，表明强筋藁优2018 后期衰老速度较师栾02-1 快，不利于后期光合产物的积累与供应。

从开花后7 d 开始，藁优2018 和师栾02-1 的Gs随开花后天数的增加呈降低趋势，Tr 则先降低后增加，且在开花后7 ～14 d，Gs 的降幅最大，分别为23.06%、17.55%；开花后0 ～7 d，Tr 的降幅最大，分别为33.07%、21.27%。 分析Ci 变化可知，两小麦品种的Ci 均随开花后天数的增加先升高后降低的趋势，且最高值均出现在开花后21 d，但师栾02-1 的Ci 稍低于藁优2018。 综上所述，藁优2018 的光合性能优于师栾02-1，有利于合成较多的光合产物。

2.2.3 不同追氮处理对小麦旗叶光合性能的影响 由图6 可知，开花后旗叶Pn 和Gs 均随开花后天数增加呈降低趋势，表现为开花初期(0～7 d)最高，开花后7～21 d 为稳定降低期，21 d 后则迅速下降。 比较不同追氮处理的光合性能指标(Pn、Gs、Tr)可知，C3(135 kg·hm-2)均为最高，各追氮处理表现为C3＞C2＞C1。 通过比较氮肥影响可知，与开花后7 d 相比，C3开花后28 d 的Pn 降低了59.34%，而C1降低了66.98%，表明拔节期增施氮肥可延缓后期旗叶的衰老。 从开花后7 d 开始，不同追氮量下两小麦品种Gs、Tr 均随开花后天数的增加而降低，且在开花后7 ～14 d 期间，C1、C3的Gs 降幅分别为15.63%、23.67%，Tr 分别降低4.36%、25.51%。 旗叶Ci 不同，随着开花后天数的增加呈先升高后降低。 综上可知，拔节期增加追氮量有利于提高叶片对胞间CO2的利用率，降低其浓度，促进碳代谢。 因此，增加拔节期追氮量，有利于提高花后旗叶光合性能。

图4 生态试点对小麦旗叶光合性能的影响Fig.4 Effect of ecological experiment on photosynthetic characteristics of wheat flag in different locations

图5 不同小麦品种旗叶光合性能比较Fig.5 Comparison of photosynthetic characteristics of flag leaves in different wheat cultivars

图6 追氮处理对小麦旗叶光合性能的影响Fig.6 Effect of nitrogen topdressing on photosynthetic characteristics of flag leaves of wheat

2.2.4 同一试点追氮处理对小麦旗叶光合性能的影响 由图7 可知，光合性能受试点、追氮量及品种三者交互作用显著影响，同一试点不同品种的旗叶Pn 均为C3(追氮量135 kg·hm-2)最高，各追氮处理表现为C3＞C2＞C1。 不同品种对追氮量的响应不完全相同，开花后7 d，藁优2018 对不同氮肥的响应表现为C3＞C2＞C1；师栾02-1 则表现为C3＞C1＞C2，表明追氮量对不同基因型小麦旗叶Pn 影响存在差异，均以C3最高。

气孔是CO2和水分进出植物体的通道，Gs 是衡量气孔开放程度的重要指标。 各处理下，两小麦品种的旗叶Gs 在开花后各阶段均表现为C3＞C2＞C1。 开花后7 d，藁优2018 在C3的Gs 较C2提高24.94%，而师栾02-1 则提高21.77%；开花后28 d，与C1相比，藁优2018 和师栾02-1 C3的Gs 均增加，增幅分别为29.60%和31.52%。 表明拔节期增加追氮量，可提高了小麦旗叶Gs，改善其光合性能。 此外，开花后Gs 对追氮量的响应，存在品种间差异，主要是受基因型影响。

随着追氮量的增加，Tr 随之增加，但增幅逐渐降低，尤以藁优2018 较为明显，C2与C1、C3与C2相比，Tr 的增幅分别为14.83%、9.99%，师栾02-1 则为16.73%、14.69%。 旗叶Ci 的变化与Pn 及Gs 的变化趋势相反，两品种均呈C1＞C2＞C3的趋势，表明增加拔节期追氮量有利于提高叶片对胞间CO2的利用率，促进碳代谢。

2.3 各处理对产量性状的影响

2.3.1 不同处理对小麦产量性状的影响 由表5 可知，小麦产量性状(除穗粒数外)在不同试点间存在显著差异，籽粒产量、千粒重、穗数、生物产量、HI 及PFPN 等性状均受试点影响显著。 与北京试点相比，石家庄试点小麦产量、千粒重、HI 和PFPN 分别增加12.3%、5.1%、6.9%和12.3%。

在本试验条件下，随着追氮量的增加，籽粒产量显著提高，C3最高，为8 708.0 kg·hm-2。 PFPN 的变化规律则与产量相反，随着追氮量的增加，PFPN 显著降低。 穗数受追氮量影响较小，处理间差异不显著。 千粒重和穗粒数均随追氮量增加呈增加趋势，均以C3最高，分别为41.35 g 和32.64 粒，C2和C3之间差异不显著，但均显著高于C1。 C3的生物产量也最高，显著高于其他2 个追氮处理。 C2的HI 最高，为0.441，与C3差异不显著，但显著高于C1。

图7 追氮处理对小麦旗叶光合性能的影响Fig.7 Effects of nitrogen topdressing on photosynthetic characteristics of flag leaves of wheat

此外，品种间部分产量性状也存在显著差异。 藁优2018 的产量和PFPN 均显著高于师栾02-1，表明前者具有较高的氮肥利用能力及产量潜力。

2.3.2 相同试点下各处理对籽粒产量性状的影响 由表6 可知，在北京试点，随着追氮量增加，两品种籽粒产量均呈增加趋势，以C3产量最高(藁优2018 为8 377.5 kg·hm-2，师栾02-1 为8 023.0 kg·hm-2)，与C2差异不显著，但显著高于C1。 两品种的千粒重、穗数和穗粒数受追氮量影响较小，各追氮处理间差异不显著。 在石家庄试点，两品种籽粒产量的变化趋势与北京试点相同，藁优2018 最高产量为9 242.5 kg·hm-2，师栾02-1 为9 189.0 kg·hm-2，藁优2018 的千粒重和穗数在石家庄试点受追氮量影响也较小，但穗粒数随着追氮量增加而增加，由27.7 粒增加至32.6 粒。 石家庄试点师栾02-1 的千粒重、穗数及穗粒数变化规律与北京试点相同，表明师栾02-1 产量性状的稳定性优于藁优2018。

对于生物产量、HI 及PFPN，2 个试点基本表现出相同的变化规律。 其中生物产量在各处理组合间存在一定的差异，除最低值组合B2C1外，其他处理组合间差异均不显著；HI 受各因素影响较小，处理间差异均不显著；而两品种PFPN 在2 个试点均受追氮量影响显著，表现为C3＜C2＜C1，即追氮量越高，PFPN 越低。

3 讨论

3.1 追氮量对小麦叶片叶绿素含量的影响

氮素是叶绿素的主要成分，施氮能够促进植物叶片叶绿素的合成[15]。 Cao 等[16]研究表明，在小麦生长发育期间，随着外源供氮水平的提高，Chla 和Chlb 的含量均提高，即增施氮肥能提高叶片叶绿素含量，延长绿叶面积功能持续期。 本研究结果表明，在追氮量75～135 kg·hm-2范围内，随着追氮量增加，Chl a、 Chl b及Chl(a＋b)含量均增加，与前人研究结果趋势一致。

3.2 追氮量对小麦旗叶光合性能的影响

前人在限水灌溉条件下研究表明，追氮量对冬小麦旗叶光合特性影响显著，在0 ～120 kg·hm-2范围内，旗叶Pn、Gs 均随追氮量的增加而增大，Ci 则降低[17-19]。 张运红等[20]通过分析光合参数发现，施氮条件下，不同基因型小麦品种Pn 无显著差异。 但殷毓芬等[21]和Kouki[22]研究则表明，不同品种旗叶Pn出现的高峰期存在较大差异，且随着Gs 的增大，细胞阻力减少，Ci 明显提高。 本试验结果表明，随着追氮量的增加，旗叶Pn 与Gs 呈增加趋势，在追氮量为135 kg·hm-2(C3)时达最大值；而Ci 则随着追氮量的增加呈降低趋势，表明合理追施氮肥能够提高叶片对胞间CO2的利用能力，促进有机物合成。 Tr 也随着追氮量的增加逐渐增大，但增幅渐缓，其原因可能是高肥条件下，小麦叶片细胞内生理活动较为活跃，气孔开度变大，阻力变小，Ci 达到饱和，导致Tr 增长缓慢。 此外，随着开花后天数的增加，叶片Pn 与Gs 呈降低趋势，Ci 则呈增加趋势，表明小麦对CO2的利用能力逐

渐降低。 上述结论与前人研究结果基本一致[17-19]。但是在施氮量范围及精度方面不完全相同，有待于进一步在更大种植区域的不同肥力条件下对同类型品种进行精准施氮量研究，以期为不同区域小麦生产提供更精确的氮肥施用量。

表5 不同处理对小麦产量性状的影响Table 5 Effects of different treatments on yield characters of wheat

表6 相同试点下各处理对产量性状的影响Table 6 Effects of different treatments on yield and its grain yield in the same location

关于旗叶光合能力与叶绿素含量的关系，有研究表明，旗叶衰老期光合能力降低与叶绿素含量的快速下降密切相关，保持较高的光合速率，必须要有一定含量的叶绿素[23]，超出这个含量范围后，保持高光合速率的作用减小，原因可能是光系统的运转状况在叶绿素达到一定含量后，会限制光合速率。 另有研究表明，适宜的水分处理、耕作方式、合理的追氮量均可以有效增加开花后小麦叶片叶绿素含量，从而延长光合功能持续期，促进花前储存碳库的再转运，显著提高HI，最终提高产量[24-26]。 本试验也得出相似的结论，即增加追氮量有利于叶绿素含量的提高及光合性能的改善，也是产量较高的原因之一。 此外，本试验还比较了不同品种光合特性的差异，藁优2018 旗叶Pn 和Chl(a＋b)含量的骤降阶段均早于师栾02-1，叶片衰老速度较快，但其产量及HI 较高。 其原因可能是该品种在灌浆初期及前期具有较高的灌浆速率，能在较短的时间内完成灌浆。 未来应进一步增加试验品种、拓展试验范围、结合灌浆速率变化进行深入研究。

3.3 追氮量对小麦产量性状的影响

研究表明，氮素对不同类型小麦产量有显著调控作用[27]。 王东等[28]和丁茂[29]研究表明，随着施氮量的增加，强筋小麦济麦20 的籽粒产量逐渐增加，单位面积穗数和穗粒数均逐渐增加；继续增加施氮量至240 kg·hm-2以上，籽粒产量呈降低趋势，生物产量和HI 均显著降低。 赵广才等[30]和郭明明等[31]研究表明，在底肥为120 kg·hm-2时，增加追氮量，小麦产量显著提高，但追氮量过多，不利于产量继续提高。 此外，施氮量对小麦PFPN 有显著影响，表现为低氮处理的PFPN 显著高于高氮处理[32]。 研究表明，相同施氮量条件下，同一品种在不同地区间产量变化越小，该品种产量稳定性越高[32]。 本试验中，师栾02-1 比藁优2018 的产量性状在不同试点间具有更高的稳定性。随着追氮量的增加，小麦产量逐渐增加，在追氮量为135 kg·hm-2时最高；产量三因素也表现增加趋势。 追氮量对单位面积穗数影响不显著，对千粒重和穗粒数的影响达到显著水平。 这与前人研究结果略有不同[28-29]，可能是本试验追氮时小麦已经完成群体两极分化，单位面积有效穗数已经固定，主要受影响的是千粒重和穗粒数。 因此，有待于在相同生产条件下，增加试验品种类型及数量，在相同时期追肥，研究氮肥对小麦产量三因素的影响，以确定氮肥对产量构成的影响。

追氮量对PFPN 影响方面，本研究与前人结果相似。 当追氮量为75 kg·hm-2(C1)时，两品种的PFPN分别为45.35、44.48 kg·kg-1；追氮量为135 kg·hm-2(C3)时则为36.94、36.53 kg·kg-1，较C1分别降低了18.5%和17.8%，表明PFPN 随追氮量增加逐渐降低，追氮量越多，小麦对氮素的利用率越低。

此外，一般情况下，较高的叶片光合能力及叶绿素含量有利于促进小麦产量增加。 但本试验中北京试点环境有利于旗叶光合性能的发挥，但其产量较石家庄试点低。 因此，有待于通过增加试点数量和品种数量进一步分析比较，探讨试点环境对小麦光合性能及产量影响的内在原因。

4 结论

不同生态试点及拔节期追氮量对小麦旗叶光合性能及产量均有影响，北京试点环境条件更利于小麦旗叶光合性能潜力的发挥，石家庄试点更利于小麦产量潜力的发挥。 参试小麦品种旗叶的Pn、Tr、Gs、叶绿素含量、产量均随着追氮量的增加呈增加的趋势，在追氮量为135 kg·hm-2(C3)时达到最大值，但追氮量为105 kg·hm-2(C2)与追氮量为135 kg·hm-2(C3)的产量差异不显著。 因此，从高产及资源投入角度考虑，在北京及石家庄地区追氮量以105 kg·hm-2为宜。