玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦‘泰山28’产量构成和旗叶光合特性的影响

吕广德 孙宪印 孙盈盈 亓晓蕾 吴 科 钱兆国

(泰安市农业科学研究院 小麦研究所，山东 泰安 271000)

小麦和玉米是我国重要的粮食作物，玉米-小麦轮作是我国黄淮海地区的一种重要的种植模式，我国人均耕地少，提高单位面积产量对国家粮食安全有重要作用。氮素作为玉米和小麦生长的主要能量来源，在一定施用范围内可以显著提高玉米和小麦的籽粒产量。当前生产中主要通过大量增施化肥来追求作物高产。已有研究发现，施肥量与作物产量呈显著正相关[1]，据2014—2016年我国种植业化肥施用状况调查发现，玉米和小麦年均氮肥施用量分别为325.6和300.2 kg/hm2，但利用率仅为20%～40%[2-3]。当前种植模式往往只考虑单季的产量和资源利用率，忽略周年的氮肥施用，有研究报道显示，周年施氮水平对玉米和小麦产量及产量构成因素有重要影响[4]。玉米和小麦单季施肥往往有很大的随意性，不考虑氮肥的盈余量，缺乏周年氮肥统筹管理意识，同时，氮素施用过多并未显著增加作物的经济产量[5-7]，且导致一系列问题的出现，比如氮肥利用率持续下降[7-8]、地下水污染加重[9]，进而可能加重对农田生态系统的环境威胁[10-11]。作物光合作用提供的能量对作物本身的生长发育及产量提高有重要作用，测定不同氮素水平下的小麦光合特性可以反映出两者对小麦产量提高的相互作用。

目前，玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦特别是‘泰山28’产量及光合特性的研究尚未见报道。本试验设置玉米-小麦周年氮素运筹条件，其中玉米季设置3个施氮量水平，小麦季设置4个施氮量水平，分析周年氮素水平对小麦‘泰山28’产量构成及光合特性的影响，旨在探讨适种区域周年种植条件下氮素水平对‘泰山28’高产的生理机制，以期为小麦‘泰山28’高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2016—2018年，玉米、小麦生长季在山东省泰安市农业科学研究院肥城实验基地(35°57′ N，116°47′ E)进行，土壤类型为砂浆黑土，地力水平为中高产田。玉米-小麦周年轮作种植。玉米播种前 0～40 cm 土层土壤养分含量，见表1。

供试玉米品种为‘郑单958’，小麦品种为多穗型品种‘泰山28’。‘郑单958’设置3个施氮量处理：113(E1)、181(E2)和249 kg/hm2(E3)，施氮时期为播种期基施和大喇叭口期追施，比例为1∶1。小麦‘泰山28’设置4个氮肥处理：90(F1)、135(F2)、180(F3)和225 kg/hm2(F4)，氮肥基肥和追肥比例为1∶1，追肥时期为拔节期。共12个处理，3次重复。玉米种植密度为67 500株/hm2，试验小区面积8.0×4.8=38.4 m2。小麦基本苗为225×104株/hm2，小区面积为8.0×1.5=12 m2。玉米和小麦单季磷肥和钾肥分别是过磷酸钙(含P2O516%)120 kg/hm2和硫酸钾(含K2O 50%)90 kg/hm2，作为基肥一并施入。其他管理措施同一般大田。

表1 2016和2017年玉米种植前土壤养分含量Table 1 Soil nutrient content before maize planting in 2016 and 2017

1.2 测定项目和方法

1.2.1旗叶叶绿素含量及光合参数的测定

在开花期随机选取长势均匀的 10 株小麦挂牌标记，用SPAD-502叶绿素测定仪测定旗叶叶绿素含量(SPAD)值，花后每隔 15 d测定1次，计算平均值。小麦开花后在9:00—11:00使用 CIRAS-2便携式光合作用系统测定旗叶的光合参数(光合速率、蒸腾速率和气孔导度)，每隔7 d测定1次。

1.2.2籽粒产量及产量构成因素

在成熟期每个小区选取1 m2调查穗数；随机取10穗，数穗粒数；脱粒后自然风干至含水量为13.0%时测定千粒重及收获小区面积的籽粒产量。每个处理共计3次重复。

1.2.3氮肥利用效率和氮肥收获指数的计算

氮肥利用效率(NUE)=收获小区产量/小区施肥量；

氮肥收获指数(NHI)=籽粒氮积累总量/植株氮素积累总量。

1.2.4数据处理

采用SPSS 20软件对数据进行统计分析和通径分析。由于2年结果基本一致，通径分析采用2 年平均值进行分析，其余分析采用2年数据。采用DPS 7.05软件进行方差分析和多重比较(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦产量及产量构成的影响

由表2可知，2016—2017和2017—2018年，玉米-小麦周年氮肥运筹对‘泰山28’的穗数、穗粒数、千粒重及产量影响基本一致。其中产量变幅分别为7 518.60～9 376.95和7 659.60～9 529.35 kg/hm2，增幅分别为24.71%和24.41%；穗数变幅分别为555.3～633.9和557.6～636.8万穗/hm2，增幅分别为14.15%和14.20%；穗粒数变幅分别为 33.5～39.6和33.7～39.8粒，增幅18.20%和18.10%；千粒重变幅为42.03～48.85和42.55～49.42 g，增幅分别为16.23%和16.15%。玉米施氮量为E1时，随着小麦季施氮量的增加，‘泰山28’产量及产量构成均呈现增加的趋势；玉米施氮量为E2和E3时，随着小麦季施氮量的增加，‘泰山28’产量及产量构成均呈现先增加后降低的趋势，分别在E2F3和E3F2周年氮素运筹下最高。小麦季的氮素利用效率在E3F1时最高，2年分别达到90.22和92.05 kg/kg，在E1F4时最低，分别为37.49和38.52 kg/kg。小麦氮素收获指数却在E2F3时最低，分别为0.72和0.70。由显著性检验可知，玉米施氮水平、小麦季施氮水平及两者之间的互作对‘泰山28’籽粒产量、产量构成、氮素利用效率和氮素收获指数的影响均呈极显著水平。

2.2 玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦产量构成因素的通径分析

‘泰山28’产量性状的Shapiro-Wilk检验统计量为0.978，显著水平为 0.974>0.050，所以‘泰山28’的产量性状服从正态分布，可以进行回归分析。得出穗数(x1)、穗粒数(x2)、千粒重(x3)与籽粒产量的线性回归方程y=-3 433.09+3.151x1+91.475x2+147.564x3。由DPC可以得出x1、x2、x3对y的直接作用分别是： 0.138、0.324和0.542。结果表明，x1、x2和x3的偏回归系数显著性均>0.950，说明自变量与因变量之间存在显著性差异。

由表3可知，在玉米-小麦周年氮肥条件下，‘泰山28’产量构成要素中，千粒重的直接作用最大，穗粒数次之，穗数的直接作用最小。千粒重通过穗数对产量产生的间接作用较小(0.136)，但是由于千粒重的直接通径系数 (DPCx3=0.542)较大以及千粒重通过穗粒数对产量的间接作用，使千粒重对产量的影响最大。但在本试验条件下，‘泰山28’穗数的DPC最小，为0.138，但穗粒数和千粒重对穗数的 IDPC均较大，分别为0.315和0.532，对产量有显著影响，PMCC=0.985。穗粒数的直接通径系数值 (DPCx2=0.324)也较小，但穗数和千粒重对穗粒数的间接通径系数均较大(0.134和0.526)，对产量也有显著影响(PMCC=0.984)。

2.3 玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦旗叶SPAD的影响

如表4和表5所示，从小麦开花期到开花后15、30和45 d的SPAD在所有玉米-小麦周年氮肥运筹条件下均呈现先上升后降低的趋势，花后15 d时的小麦SPAD最高，2年结果分别为62.48(2016—2017年)和62.85(2017—2018年)。每个时期的小麦SPAD均在E2F3处理最高，在0、15和30 d时与其他氮素运筹处理的SPAD存在显著差异。在开花期(花后0 d)，SPAD最高值较最低值增加10.53%(2016—2017年)和10.55%(2017—2018年)；在花后15 d时， SPAD最高值较最低值增加11.37%(2016—2017年)和11.26%(2017—2018年)；花后30 d时，SPAD最高值较最低值增加16.88%(2016—2017年)和16.77%(2017—2018年)；而在花后45 d时，SPAD值最高与最低差异不显著。花后0、15和30 d时，玉米施氮量、小麦施氮量及其两者之间的互作均对小麦花后旗叶SPAD值有极显著的影响。

表2 玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦‘泰山28’产量及产量构成的影响Table 2 Effects of annual nitrogen fertilization on yield and yield structure of ‘Taishan 28’

表3 产量及构成因素间的相关系数及其与产量的通径系数Table 3 Correlation coefficients between yield and its components and path coefficients

表4 玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦旗叶SPAD的影响Table 4 Effect of annual nitrogen fertilizer on SPAD of maize and wheat

表5 玉米施氮量、小麦施氮量及其互作对小麦开花后小麦旗叶SPAD的影响Table 5 The SPAD of flag leaf after flowering about N application rate of maize, N applicationrate of wheat and the interaction about N application of maize and wheat

2.4 玉米-小麦周年氮肥运筹对小麦旗叶光合特性的影响

由表6可知，2年试验中旗叶Tr在开花后14 d达到最高，之后出现降低的趋势，最高值均出现在E2F3处理的第14天，分别为8.88和9.42 mmol/(m2·s)。在E1水平下，随着小麦季施氮量的增加，旗叶的Tr总体表现增加的趋势，结果显示2年最高值较F1分别增加4.68%(F2)，13.55%(F3)和15.61%(F4)；在E2和E3条件下，随着小麦季施氮量的增加，旗叶Tr的变化趋势是先增加后降低。结果表明，E2F3处理显著提高‘泰山28’开花后7～28 d的Tr。

由表7可知，旗叶Ci在开花后 7 d 达到最高，在14天出现缓慢下降，之后出现快速降低的趋势，2年结果均显示最高值均出现在E2F3处理的第7天，分别为0.89和0.96 mmol/(m2·s)。在E1水平下，随着‘泰山28’施氮量的增加，各测定时间旗叶Ci均表现增加的趋势；在E2和E3条件下，随着‘泰山28’施氮量的增加，各测定时间旗叶Ci的变化趋势是先增加后降低。E2F3处理显著提高‘泰山28’花后7～28 d 旗叶Ci。

由表8可知，旗叶Pn和Ci变化趋势一致，均在花后 7 d 达到最高，之后出现降低的趋势，最高值同样出现在E2F3处理的第7天，2年结果分别为24.35 和25.51 μmol/(m2·s)。在E1水平下，随着‘泰山28’施氮量的增加，各测定时间均表现增加的趋势；在E2和E3条件下，随着‘泰山28’施氮量的增加，各测定时间的变化趋势是先增加后降低。试验结果表明，E2F3处理显著提高‘泰山28’开花后7～28 d的旗叶Pn，有利于小麦进行光合作用合成碳水化合物，为籽粒产量形成奠定基础。

表6 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦‘泰山28’旗叶Tr的影响Table 6 Effect of annual nitrogen fertilization on Tr of flag leaf of ‘Taishan 28’ mmol/(m2·s)

表7 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦‘泰山28’旗叶Ci的影响Table 7 Effect of annual nitrogen fertilization on Ci of flag leaf of ‘Taishan 28’ mmol/(m2·s)

3 讨 论

氮素对作物产量有直接的影响，施氮可显著增加小麦籽粒产量[12-14]。薛泽民等[13]研究发现在玉米-小麦周年生产中，玉米季施氮189 kg/hm2，小麦季施氮231 kg/hm2，能够获得最高产量；而山楠等[15]研究发现，每季作物施氮量为200 kg/hm2时产量最合理，与本研究结果不一致，其原因可能与试验研究中作物生长环境和作物品种不同有关[11,13,16-19]。本研究发现，玉米季施氮181 kg/hm2，小麦季施氮180 kg/hm2就能获得小麦‘泰山28’最高产量，2年平均结果为9 453.15 kg/hm2，且产量构成均在该施氮条件下达到最高。同时，本研究发现，玉米-小麦周年施肥量通过穗数、穗粒数和千粒重共同影响‘泰山28’籽粒产量，单因素的直接通径系数和其余两因素的间接通径系数累加，使得各因素对产量的相关系数较高，产量三因素对籽粒产量的相关系数分别是：穗数0.985，穗粒数0.984，千粒重0.992。说明‘泰山28’在周年氮素运筹条件下，产量构成均对氮素敏感，且显著正相关。但有研究表明产量构成因素中普遍认为穗数对产量的影响最大[20-21]，特别是周年施肥对产量的影响[19]，分析原因可能与所用品种的特性有关。本研究中‘泰山28’施肥模式也满足机械化及简便施肥的需求，结合鲁中地区中高产田作物产量及地力性状，探究适合于区域特性的玉-麦轮作下作物施肥模式，符合夏玉米和冬小麦机械化施肥技术的发展要求[22]。

已有研究表明，增施氮肥能够显著增加小麦叶片叶绿素含量，提高光合速率[23]，并且随着施氮水平的提高，小麦叶片光合速率呈现先增加后降低的趋势[24]。已有研究结果显示，小麦叶片叶绿素含量和光合速率均处于最高值时的施氮量水平与本研究不同[24-27]，分析原因可能与研究地区环境和所用小麦材料有关[28-29]。由于叶片在光合作用过程中对CO2固定能力的强弱与氮素含量的高低相关，当氮素含量超出一定阈值时会降低同化率[30]，即降低碳水化合物的积累，影响植株生长。本研究发现，玉米季施氮181 kg/hm2和小麦季施氮180 kg/hm2时，‘泰山28’的旗叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均表现最高值，但当两者之间的用量不协调时，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均表现为降低，说明两者之间的协调关系为玉米季施氮量为181 kg/hm2和小麦季施氮量为180 kg/hm2。

表8 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦‘泰山28’旗叶Pn的影响Table 8 Effect of annual nitrogen fertilization on Pn of flag leaf of ‘Taishan 28’ μmol/(m2·s)

4 结 论

通过测定分析周年不同氮肥运筹条件下‘泰山28’旗叶SPAD值、蒸腾速率、气孔导度和净光合速率，并分析周年氮素运筹对‘泰山28’籽粒产量及产量构成的效应，2年结果表明，在玉米季施氮量为181 kg/hm2和‘泰山28’施氮量为180 kg/hm2时，‘泰山28’光合能力最强，且产量平均为9 453.15 kg/hm2，较最低氮肥运筹处理提高24.56%，同时通过通径分析发现，该周年施肥模式下穗数、穗粒数和千粒重均对‘泰山28’的产量影响较其他施肥模式影响显著。综合考虑玉米季施氮量为181 kg/hm2和小麦季施氮量为180 kg/hm2是山东省‘泰山28’周年种植条件下的合理氮肥运筹。