旱作春小麦旗叶生理生化特征及籽粒灌浆对不同施氮量的响应

曾敏，谢军红，李玲玲，Zechariah Effah，刘雪宁，杜常亮，王进斌

(省部共建干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070)

施氮能通过改善光合性能[1-5]和延缓叶片衰老[6-7]提高粮食单产.然而一味增加施氮水平不仅不能获得预期的增收效果，反而造成农业生产成本提高和环境污染[8-9].面对日益增大的环境压力，如何通过降低环境成本获得较高的生产力水平成为粮食生产研究关注的科学问题[10].随着近几年来国家“双减(肥料、农药减量)” 行动的提出和执行，减施氮肥在协调粮食生产和环境保护发面均取得了一系列可喜成绩[11].能否通过一些田间作物生理生化指标参数构建一种能获得较高的产量水平的信息化管理技术对绿色高产高效生产有一定的理论价值，但相关研究相对缺乏.

小麦作为主要的粮食作物，对保障粮食安全具有重要作用[12].协调植株体内代谢，达到增“源”扩“库”的目的，进而获得小麦高产是当前的研究重点[13-14].已有研究发现合适的施氮水平能提高小麦光合速率、改善光合性能、延缓衰老[15-16]、维持较高的灌浆速率和较长的灌浆持续时间[17-18]、保持较高的硝酸还原酶活性和可溶性蛋白含量[19-20]，从而影响作物产量.黄土高原是我国旱地小麦主要产区[21]， 然而，区域内水土流失严重，土壤肥力低下，小麦产量低[22].合理施氮能提高小麦产量[23-24]，对保障区域粮食供给和农民增收发挥了重要作用.关于旱作春小麦适宜施氮量的研究非常广泛，不同类型区旱作春小麦施氮量不同[25-27]，通过旗叶SPAD、光合性能、籽粒灌浆等生长、生理生化指标监测实现提高小麦信息化管理水平的研究也亟待开展.

为此，本试验依托甘肃农业大学旱作农业综合实验站2003年建立的长期施氮定位试验，通过旗叶生理生化指标、籽粒灌浆主要指标的监测及其与产量的相关性分析，揭示施氮水平影响小麦产量的旗叶生理生化及籽粒灌浆机理，以期为黄土高原旱区小麦生产提供合理施氮依据，进而为该区小麦信息管理技术体系构建提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年3月～2020年7月在甘肃省定西市李家堡镇甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行，该区为典型的黄土高原半干旱雨养农业区.平均海拔2 000 m，日照时数2 476.6 h，年均气温6.4 ℃，≥ 0 ℃年积温2 933.5 ℃，无霜期140 d.多年平均降水量为390.9 mm,年蒸发量为1 531 mm.土壤类型为黄绵土，土质疏松，质地均匀，有良好的储水性能.2019、2020年都是丰水年，降水量分别为491.6、550.4 mm(图1)，小麦生育期内降水量分别为279.2、288.8 mm.2020年小麦出苗率低且拔节期遭受冰雹灾害.

图1 试验区2019和2020年月降水量Figure 1 Monthly rainfall at the experimental area in 2019 and 2020

1.2 试验设计

本研究依托2003年设点的长期定位试验，共设5个施氮处理：0(N1)、52.5(N2)、105(N3)、157.5(N4)、210 kg/hm2(N5)，3次重复，共15个小区，小区面积30 m2.本研究数据是定位试验进行的第17年(2020年)的研究结果，供试春小麦品种为定西40号.于2020年3月中旬播种，7月下旬收获.小麦播量为187.5 kg/hm2，行距0.25 m，各处理磷肥施用量均为105 kg/hm2.供施氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O512%)，肥料在播种前一次性施入土壤，后期不再追肥.作物生长期间人工除草，其他管理方式同当地大田管理.

1.3 测定项目及方法

1.3.1 旗叶生理生化指标 自2020年6月23日开始，每隔7 d取各处理小麦旗叶测定以下生理指标：硝酸还原酶(nitrate reductase,NR):磺胺比色法测定[28]；可溶性蛋白(soluble protein):考马斯亮蓝G-250法测定[29]；光合速率(photosynthetic rate，Pn)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)：于晴朗天气的上午9∶00～11∶00用便携式光合-荧光测量系统(GFS-3000，德国)采用自然光源测定(第21天以后由于天气原因未能测定)，每个小区测定5株，每株重复测定叶片中部3次；旗叶SPAD含量：用叶绿素仪SPAD-502(北京)测定小麦旗叶的旗叶SPAD含量，每个小区选取长势均匀的5株进行测定，每株重复测定旗叶不同部位3次，取平均值.

1.3.2 籽粒灌浆 于2020年6月23日，选取同日开花的小麦挂牌，从小麦花后第7天开始，每隔7 d取小麦穗中部籽粒，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒质量，称干质量后换算成千粒质量.以花后天数(t)为自变量，籽粒千粒质量(y)为因变量.用Logistic方程y=a/(1+be-ct)对其灌浆过程进行拟合[18].其中a表示理论最大粒质量，t表示开花后天数，b、c为模型参数.

根据方程推导出灌浆高峰起始时间(t1)、终止时间(t2)、最大灌浆速率(Vm)、最大灌浆速率出现时间(tm)和快增期持续时间(Δt).

t1=[ln(b)-ln(3.7321)]/c,t2=[ln(b)+ln(3.7321)]/c,tm=ln(b/c),vm=ac/4,△t=t2-t1.

1.3.3 产量 分别于2019和2020年按小区脱粒计产，测定籽粒产量与生物产量，最后换算为每公顷产量(kg/hm2).

1.4 数据处理

用Excel 2019和Sigmaplot 12.5整理数据和作图，用Origin 2019对籽粒灌浆进行拟合，用SPSS 21.0对数据进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析,用最小极差法(LSD法)进行多重比较.

2 结果与分析

2.1 长期施氮对旗叶光合生理指标的影响

由图2可知，春小麦开花后，随着时间的推移，旗叶叶片SPAD值呈先增加后降低的趋势，花后各处理在第7天达到峰值，之后开始下降，N1在第7～14天下降明显(下降29.9%)，其他处理在第28～35 d下降尤为明显.处理间，各个测定时间小麦叶片SPAD值均表现为施氮处理显著高于N1，在小麦花期和花后第14天，N4、N5水平的叶片SPAD值显著高于N2、N3，花后第21天，处理间差异最大，且叶片SPAD值随施氮水平的提高而增加，N5较N4、N3和N2分别增加4.0%、6.9%和12.4%；第28天，N5、N4和N3较N2分别增加8.5%、4.7%和7.7%(P<0.05)；第35天，N3和N5处理下的SPAD值相当且高于N2、N4处理.

误差线上不同字母表示处理间存在显著差异(P<0.05).Different letters above error bars indicate significance among treatments at P<0.05.图2 长期施氮对春小麦旗叶SPAD值的影响Figure 2 Effects of long-term nitrogen application on SPAD value of flag leaf in spring wheat

由图3可知，小麦旗叶光合速率随花后时间推移呈先增大后降低趋势，各处理皆在花后第7天达到最大值，之后开始下降，N1、N4、N5在第14～21天下降迅速.小麦从开花到花后第21天，随着施氮水平的提高，旗叶光合速率呈先增加后降低的趋势，N3处理下光合速率最高.开花期到花后第7天，施氮处理显著高于N1；花后第14天以后，N5处理与N1已无显著差异.小麦旗叶气孔导度在花后第7天达到最高，而后降低，在开花期和花后第7天，N3处理的旗叶气孔导度显著高于N4、N5处理，花后第7天以后，N3、N4、N5之间的差异逐渐缩小至无差异.胞间CO2浓度随花后时间的推移而增加，N3处理下最低，与N5处理存在显著差异.旗叶蒸腾速率随花后时间推移先增加后降低，在开花期和花后第7天，N2、N3处理显著高于N4、N5处理，花后第14天和第21天，N3和N4、N5处理的蒸腾速率无显著差异.

图3 长期施氮对春小麦旗叶光合参数的影响Figure 3 Effects of long-term nitrogen application on photosynthetic parameters of flag leaf in spring wheat

2.2 长期施氮对春小麦旗叶硝酸还原酶(NR) 和可溶性蛋白的影响

由图4可知，小麦NR活性随花后天数呈先增加后降低的趋势，花后第7天最高，之后迅速下降，第14天以后下降缓慢.NR活性受施氮水平的影响，花后0～14 d，小麦NR活性随施氮水平的提高先升高后降低，N4处理的NR活性显著高于其他处理，分别较N1高出66.7%(0 d)、40.4%(7 d)、38.4%(14 d)，但到花后第21天以后，N4处理的NR活性与其他处理相比已无显著优势，而N3处理的NR活性在整个灌浆过程中与其他处理相比都有较高的活性.小麦旗叶可溶性蛋白含量在开花期含量最高，之后随花后时间推移持续降低.开花期到花后第7天，N4处理的可溶性蛋白含量高于其他处理；花后第14天，N3处理显著高于其他处理；花后第21天，小麦旗叶可溶性蛋白含量呈N3>N4>N2>N5>N1的趋势，N3比N1、N5处理显著高出31.6%和28.9%；花后第28天和第35天，N3处理与N4、N5处理无显著差异.

误差线上不同字母表示处理间存在显著差异(P<0.05).Different letters above error bars indicate significance among treatments at P<0.05.图4 长期施氮对春小麦旗叶硝酸还原酶活性和可溶性蛋白含量的影响Figure 4 Effects of long-term nitrogen application on NR activity and soluble protein content of flag leaf in spring wheat

2.3 长期施氮对春小麦籽粒灌浆特性的影响

由图5可知，灌浆期不同处理下籽粒千粒质量的变化呈“s”型曲线变化.灌浆前期，不同施氮处理下的千粒质量无明显差异，而灌浆后期，各施氮处理间千粒质量差异明显，且N2、N3在花后第35天仍有一定的增长趋势.各处理花后天数和粒质量进行Logistic方程进行拟合(表1)，各方程的拟合度(R2)在0.86～0.98，说明不同处理下开花后天数与千粒质量变化符合Logistic方程，且较能真实反应灌浆过程.

由表2可知，各施氮处理下的籽粒灌浆参数存在差异，理论最大粒质量(a)表现出N2>N3>N5>N4>N1的趋势.虽然N4处理下的最大灌浆速率(Vm)最大(达1.8)，但是其最大灌浆速率出现的时间(Tm)早，快增期持续的时间(T)短，不利于籽粒粒质量的增加.N2与N3处理下，理论最大粒质量、最大灌浆速率和快增期持续时间都高于其他处理，有利于粒质量的积累和灌浆时间的延长.

图5 长期施氮对花后籽粒千粒质量的影响Figure 5 Effects of long-term nitrogen application on 1000-Kernel weight after anthesis of spring wheat

表1 Logistic方程拟合及灌浆参数

2.4 长期施氮对春小麦产量及千粒质量的影响

由表3可知，长期施氮对小麦仍有增产作用，施氮水平对籽粒产量和生物产量的影响表现为随施氮水平的提高先增加后减少，N3处理下的平均籽粒产量最高，分别比N1高出31%(P<0.05)、N4、N5高出5.0%和14.0%，与N2、N4、N5之间无明显差异.N2处理下的平均生物产量最高，较N1增产35.4%(P<0.05).N3处理下的平均千粒质量分别比N1、N4、N5显著高出19.5%、10.5%和8.7%(P<0.05).用两年的平均产量(Y1)和生物产量(Y2)分别与施氮水平(x)进行非线性回归分析(图6)，得Y1=-0.047 2x2+11.888x+17 984(R12=0.659 6)和Y2=-0.116 2x2+31.371x+5 248(R22=0.659 6)，方差分析达到极显著水平(P1=0.002、P2=0.009).发现在施氮水平为126 kg/hm2时，理论最高籽粒产量为2 550 kg/hm2.施氮水平为135 kg/hm2时，理论最高生物产量为7 365 kg/hm2.

表2 长期施氮对春小麦籽粒灌浆参数的影响

表3 长期施氮对春小麦产量和千粒质量的影响

图6 不同施氮水平与春小麦产量的关系Figure 6 Relationship between different nitrogen level of application and yield of spring wheat

2.5 春小麦产量与旗叶各生理生化指标及灌浆参数的相关分析

由表4可知，小麦籽粒产量和生物产量分别与SPAD值呈极显著正相关关系(0.646**)和显著正相关关系(0.569*)，与净光合速率呈极显著(0.593**)和显著正相关关系(0.566*)，与千粒质量呈显著正相关关系，与硝酸还原酶、可溶性蛋白、最大灌浆速率及快增期持续时间呈正相关关系，但均未达到显著水平.

表4 产量与旗叶生理生化指标、灌浆参数的相关系数

3 讨论

3.1 施氮对旱地春小麦产量的影响

适量施氮可促进旱地小麦产量的形成，但施氮过多不仅对产量形成无益，反而会降低产量.杨显梅等[25]在陇中黄土高原对春小麦适宜施氮量进行研究发现基施氮肥62.5 kg/hm2，拔节期追氮40～90 kg/hm2最有利于小麦产量的形成.茹小雅等[26]则研究表明当降水量为20%时，在旱农区施氮157.5 kg/hm2有利于提高春小麦籽粒产量.上述两个研究地点都在陇中旱区且土壤都为黄绵土，与本试验所处的生态环境相似.本研究表明，在生育期降水量为288.8 mm条件下， N3处理的籽粒产量最高，N2处理的生物产量最高.回归分析表明，施氮126 kg/hm2能获得最大籽粒产量2 550 kg/hm2，这与N3处理的平均实测产量一致，而施氮量为135 kg/hm2时，与N2处理的平均生物产量相差不大.模拟得出的最适施氮量大于实际施氮量，而模拟产量与实测产量相似，可能是因为在实际生产中施氮量超过一定的量后，施入土壤中的氮素损失和淋溶增加，发挥作用的氮肥量有限，本课题组的Xu等[30]曾对施氮量对氮素淋溶影响进行研究，发现施氮显著地增加了各土层NO3-N含量，施氮超过N3显著增加了170～200 cm土层的NO3-N含量，李叶杉等[31]研究也发现N2O排放量随施氮量增加而增加.

3.2 施氮影响春小麦籽粒产量的生理生化及籽粒灌浆机理

小麦旗叶作为重要源器官，其代谢产物是作物产量和质量的形成基础[32].研究表明，适宜的施氮水平能通过提高小麦花后旗叶SPAD值、蒸腾速率、增大气孔导度、降低胞间CO2浓度而提高净光合速率，最终提高小麦产量[17,33].本试验表明，施氮显著影响小麦光合特性，表现为小麦旗叶SPAD值随着施氮水平的提高不同程度增加，但在灌浆后期，当施氮超过N3时，增施氮肥对增加旗叶SPAD值已无显著作用；N3处理的气孔导度和蒸腾速率在整个灌浆期间显著高于或持平于其他处理，胞间CO2浓度低于其他处理，净光合速率高于其他处理；说明N3处理利于改善小麦花后光合特性.相关分析表明，旗叶SPAD含量和净光合速率分别与产量呈显著正相关关系(0.646**，0.533**)，与前人研究一致[34-35].说明在实际生产中，可以通过合理施氮提高旗叶光合特性以增大生育后期物质合成能力，为提高产量奠定基础.

硝酸还原酶活性是氮代谢的关键酶，其活性大小直接影响氮素的吸收和同化，叶片中50%的可溶性蛋白是光合作用的关键酶，间接影响植株光合作用，二者含量高低与氮素含量有一定关系，提高硝酸还原酶活性和可溶性蛋白含量有利于代谢产物形成，最终提高产量[20,36].研究发现，随着施氮水平的提高，硝酸还原酶保持较高活性，可溶性蛋白含量呈不同程度升高[13].本试验中，施氮水平显著影响硝酸还原酶活性和可溶性蛋白含量，开花期与花后第7天、14天，N4、N5处理对于提高硝酸还原酶活性有明显的优势，但在灌浆中、后期优势消失，N3处理的硝酸还原酶和可溶性蛋白在整个灌浆期均维持较高水平.相关分析表明硝酸还原酶和可溶性蛋白含量分别与产量呈正相关关系(0.195，0.17)，进一步证明可以通过施氮调节硝酸还原酶活性和可溶性蛋白含量间接提高作物产量.

合适的施氮水平可延长籽粒灌浆快增期时间，而最大灌浆速率的时间出现较晚，保证籽粒同化物的积累从而提高产量[1]，有学者研究发现在一定的施氮范围内，籽粒千粒质量随施氮水平的提高表现出增长趋势且在灌浆末期表现出显著差异，同时提高最大灌浆速率和提前最大灌浆速率到达的时间[37-38].亦有研究发现随施氮水平的提高，灌浆速率逐渐降低[39].本试验中，灌浆期粒质量随施氮水平的提高先增加后降低，在灌浆末期，N3处理的千粒质量显著高于N1、N4、N5，这是因为N3处理的最大灌浆速率较高，快增期持续时间较长.研究表明，千粒质量与灌浆持续天数、最大灌浆速率呈显著相关[40]，本试验相关分析表明千粒质量与产量呈显著正相关关系，说明可以通过调节施氮水平以改善灌浆参数从而保证籽粒千粒质量积累，最终提高产量.

4 结论

在陇中旱农区，施氮105 kg/hm2利于小麦花后旗叶维持较高SPAD值、净光合速率、硝酸还原酶活性和可溶性蛋白含量；提高籽粒灌浆速率、延长快增期持续时间，增加了千粒质量，从而获得最高产量(2 550 kg/hm2).旗叶SPAD值、净光合速率、硝酸还原酶活性、可溶性蛋白含量、籽粒主要灌浆参数与产量有一定程度的正相关关系，可作为氮素信息化管理的重要参数.