施氮量和播种量对燕麦光合特性、激素含量及种子产量的影响

贾志锋， 马 祥， 琚泽亮， 刘凯强， 赵桂琴

(1.甘肃农业大学草业学院， 甘肃 兰州 730070；2. 青海大学畜牧兽医科学院，青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室， 青海 西宁 810016)

燕麦为禾本科一年生粮饲兼用作物，分皮燕麦(Avenasativa，为带稃型)和裸燕麦(Avenanuda，为裸粒型)两大类[1]。随着人们对健康的关注日益增加以及对燕麦的了解日益加深，加之当前草牧业快速发展的形势下，我国燕麦种植面积和范围正在逐步扩大，尤其在青藏高原及周边地区[2-3]。燕麦对青藏高原高寒气候有独特的适应能力，具有易种植栽培、抗逆性强、产量高、品质优等优点[2]，其产业发展在青藏高原已初具规模，青海省2018年种植面积达16.32×104hm2[4]，这使得燕麦种子的需求日益增加[5-7]。肖相芬等[8]通过4年的定位研究，发现在吉林白城地区氮肥用量90 kg·hm-2可以实现燕麦高产高效生产；刘卓等[9]在宁夏中部干旱带研究了氮肥对燕麦种子产量的影响，认为施氮量为143.25 kg·hm-2是燕麦种子高产的最佳施氮量；雷占兰等[10]利用盆栽试验确定高寒地区燕麦获得高产的最佳密度氮肥组合为750粒·m-2,150 kg·hm-2。可见，燕麦在不同环境条件下的高产栽培措施有所差异，亟需探索当地气候条件下燕麦种子田的适宜农艺措施。

氮肥的使用是多数农作物增产增收的主要田间管理措施，氮肥通过促进叶片生长和提高光合作用效率来影响干物质的生产和积累[11-13]。Fang等[12]发现叶片的光合作用能力与氮肥有着显著的正相关关系，而旗叶在植株上的停留时间最长，对谷物产量做出了重要贡献[14]。在适宜的条件下，谷物总产量的70%～90%来自于灌浆过程中积累的光合产物[15]。但与其他作物相比，氮肥对燕麦的益处并不明显，尤其在种子生产中。而且青藏高原多风的气候条件使得燕麦容易出现大面积倒伏，限制了氮肥在提高种子产量上的大量使用[16]。氮肥会影响作物的营养和生殖发育，氮素的缺乏会延缓营养和生殖的物候发育，降低叶量和光合作用效率、加速叶片衰老，并最终导致减产[12]，研究提高燕麦种子产量的适宜氮肥使用量，对当地燕麦产业发展具有指导意义。

播种量对冠层叶面积指数有显著影响，较高的叶面积指数可以增加生物量、促进光合作用和干物质积累[17-19]。但是，过高的冠层叶面积指数会导致叶片遮光和叶片养分浓度降低，从而加速叶片衰老、降低冠层光合作用，并导致谷物减产[20-21]。这说明过高的播种量会导致激烈的种群竞争，使作物趋于早衰。叶片衰老是植物的一个重要生长发育阶段，在衰老过程中，叶肉细胞程序性死亡、叶绿体完整性被破坏、叶绿素含量降低、光合能力下降[22]。激素是与叶片衰老关系密切的信号物质，直接诱导或参与叶片衰老过程。脱落酸(Abscisic acid，ABA)具有促进植物衰老的作用，而赤霉素(Gibberellic acid，GA)则延缓衰老[23]。了解作物播种量对作物光合特性、激素含量的影响，对指导农民提高燕麦谷物产量具有重要意义。

前人有关施氮量和播种量的研究多数都集中在氮素吸收、饲草产量及品质和禾豆混播田氮密管理方面[14,24-26]，而有关施氮量和播种量对燕麦旗叶光合特性、激素含量的影响研究较少，尤其是在青藏高原地区。因此，本研究评估了施氮量和播种量对燕麦光合特性、激素含量及种子产量的影响，以确定适宜青藏高原地区燕麦种子生产田的适宜施氮量和播种量，为当地种植者丰产增收提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青海省西宁市湟中县鲁沙尔镇东村，地势平坦，地理坐标为101°37′ E，36°28′ N，海拔2 620 m，气候寒冷潮湿，无绝对无霜期，年平均气温3.7℃，年降水量553 mm，且多集中在7-9月，年蒸发量为1 830 mm。土壤为栗钙土，pH值7.9，试验前土壤养分状况为：18.8 g·kg-1有机质，1.4 g·kg-1总氮，136 mg·kg-1速效氮，0.73 g·kg-1总磷，22.2 mg·kg-1速效磷，24.9 g·kg-1总钾，98.5 mg·kg-1速效钾(0～30 cm土层)。前茬为燕麦。燕麦生长季的气温及降水见表1。

1.2 供试品种

供试材料为‘青燕1号’(A.sativa‘Qingyan No.1’)，来源于青海省畜牧兽医科学院，为2016年收获种子，发芽率为99.4%。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，3次重复，小区面积20 m2(4 m × 5 m)，小区间隔0.5 m，区组间隔1 m。试验设置60(D1),180(D2)和300 kg·hm-2(D3)共3个播种量；每个播种量设0(N0),45(N1),90(N2),135(N3)和180 kg·hm-2(N4)共5个不同施氮量，氮肥为尿素(氮含量为46%)。除氮肥外，所有小区均以45 kg·hm-2过磷酸钙(有效P2O5含量为14%)作为基肥在种植时一次施入。种植前进行了深耕灭茬、耙耱碎土、平整和镇压紧实等作业，燕麦于2017年4月29日播种，条播，播种深度4～5 cm，行距25 cm。生育期人工除草2次，均无灌溉，后期保持其他田间管理一致。

表1 燕麦生长季的气温及降水

1.4 试验方法

1.4.1光合特性 于2017年7月6日燕麦孕穗初期进行光合特性和叶面积指数(leaf area index，LAI)的测定。选取生长健壮、长势一致的燕麦旗叶中部，在上午9:00-11:00，使用LI-6400光合仪(Li-Cor Inc.,Lincoln,USA)进行光合特性测定，5次重复，将光强度、温度、CO2浓度、流速和相对湿度保持在1 200 μmol·m-2·s-1,25℃,(400.0±5.0) μmol·mol-1,0.5 L·min-1和30%±1.0%[27]，将LI-6400光合仪设定为自动记录净光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)、蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)、环境CO2浓度(Ambient CO2concentration，Ca)和胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration，Ci)的模式。水分利用效率(Water use efficiency，WUE)为Pn/Tr[28]。气孔限制值(Stomatal limitation value，Ls)为1-Ci/Ca[13]。同时，根据Abdelhamidg等[29]的方法，用SPAD-502 Plus叶绿素仪(Konica Minolta,Japan)测定相对叶绿素含量(Soil and plant analyzer development value，SPAD值)。采用YMJ-A叶面积仪(浙江托普云农科技股份有限公司，中国杭州)测量单株燕麦总叶面积，每小区5次重复，并随机选择1 m2区域进行植株数量统计，叶面积指数(leaf area index，LAI)为单株燕麦总叶面积×植物密度[30]。所有采样都不包括边界行。

1.4.2激素含量 于2017年7月6日采集各小区生长健壮、长势一致的燕麦旗叶20片，放入装有冰袋的保温箱中低温保存，4 h内带回实验室。采用酶联免疫吸附检测法(Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA)测定旗叶GA和ABA含量，试剂盒由北京方程生物科技有限公司提供，采用DNM-9602酶标仪(北京普朗新技术有限公司，中国北京)测定。

1.4.3种子产量测定 于2017年9月5日燕麦完熟期在每小区随机选取1 m2样方(均为5行)，手工收割后脱粒、装袋、标记，带回实验室风干后测定种子质量，计算种子产量。

1.5 数据分析

采用Excel 2019对数据进行初步整理，以SPSS 20.0软件的GLM模型对所有数据进行方差的最小二乘法分析，当检测到显著差异时，结合Duncan法进行多重比较(P<0.05)。试验误差以均值的标准误(Standard error of mean，SEM)表示。回归分析同样在SPSS 20.0软件中进行。将每种处理燕麦的种子产量与光合特性和激素含量数据作图，将播种量和施氮量与光合特性、激素含量和种子产量数据作图。通过比较线性、二次方程、双曲线方程和对数方程的确定系数(R2)值大小来确定最优回归方程，R2值最高的拟合方程为最优回归方程。

2 结果与分析

2.1 施氮量与播种量互作对燕麦光合特性、激素含量及种子产量的影响

施氮量和播种量对光合特性、激素含量及种子产量的影响见表2、表3、表4及图1和图2。施氮量和播种量对燕麦旗叶Pn，Gs，Ci，Tr，WUE，Ls，SPAD，LAI，GA和ABA含量及种子产量均具有极显著影响(P<0.001)。施氮量和播种量交互作用对燕麦旗叶Gs，Ci，Tr，WUE，Ls，SPAD，GA和ABA含量及种子产量的影响均达到极显著水平(P≤0.001)，对Pn(P=0.276)和LAI(P=0.105)影响不显著。

表2 施氮量和播种量交互作用下各指标的P值

由相同施氮量下3个播种量的均值可知，随着施氮量从0增加到90 kg·hm-2，Pn从10.57 μmol·m-2·s-1上升至13.89 μmol·m-2·s-1，而施氮量进一步增加至180 kg·hm-2时，燕麦旗叶Pn则呈下降趋势，降至10.66 μmol·m-2·s-1。3个播种量下均以90 kg·hm-2施氮量处理的Pn最高，显著高于同一播种量下其他施氮处理(P<0.05)。由相同播种量下5个施氮量的均值可知，播种量从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2导致Pn从11.04 μmol·m-2·s-1增加至13.73 μmol·m-2·s-1，而随着播种量增加到300 kg·hm-2时，Pn则降低至10.35 μmol·m-2·s-1。最高的燕麦旗叶Pn处理为90 kg·hm-2施氮量和180 kg·hm-2播种量(N2D2)，达到15.66 μmol·m-2·s-1，较相同播种量下不施氮肥处理(N0D2)显著增加了44.60%(P<0.05)。

与旗叶Pn变化趋势相一致，随着施氮量从0到90 kg·hm-2增加，3个播种量的Gs均值从0.24 mol·m-2·s-1增加到0.43 mol·m-2·s-1，而施氮量进一步增加至180 kg·hm-2时，3个播种量的Gs均值下降到0.28 mol·m-2·s-1。播种量从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2，导致5个施氮量Gs的均值从0.25 mol·m-2·s-1增加至0.45 mol·m-2·s-1；而随着播种量增加到300 kg·hm-2时，Gs降低至0.25 mol·m-2·s-1。90 kg·hm-2施氮量和180 kg·hm-2播种量(N2D2)具有最高的Gs值(P<0.05)。

旗叶Ci则与Pn变化趋势相反。当施氮量从0增加到90 kg·hm-2时，3个播种量的Ci均值从345.11 μmol·mol-1降至322.51 μmol·mol-1，而当施氮量进一步增加至180 kg·hm-2时，3个播种量的Ci均值上升至348.54 μmol·mol-1。将播种量从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2，导致5个施氮量的Ci均值从340.08 μmol·mol-1降至330.18 μmol·mol-1，而随播种量继续上升至300 kg·hm-2时，5个施氮量的Ci均值增加到346.50 μmol·mol-1。施氮量为180 kg·hm-2、播种量为60 kg·hm-2(N4D1)时，Ci的值最大。

表3 不同施氮量或播种量下各指标的均值

Tr随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的趋势。随着施氮量从0增至90 kg·hm-2，3个播种量的Tr均值从2.95 mmol·m-2·s-1增至4.29 mmol·m-2·s-1，当施氮量增至180 kg·hm-2，3个播种量的Tr均值降至2.77 mmol·m-2·s-1。同时，旗叶Tr随播种量的上升也表现出先增加后降低的趋势。播种量从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2时，5个施氮量的Tr均值从2.93 mmol·m-2·s-1增加到4.25 mmol·m-2·s-1；播种量继续上升至300 kg·hm-2时，5个施氮量的Tr均值降至2.67 mmol·m-2·s-1。施氮量为90 kg·hm-2、播种量为180 kg·hm-2(N2D2)时，Tr的值最大(P<0.05)。

燕麦旗叶WUE受施氮量和播种密度的影响也较大，当施氮量从0增加至90 kg·hm-2时，3个播种密度下WUE均值由0.37%降低至0.34%，而施氮量进一步增加至180 kg·hm-2时，3个播种密度下WUE均值则升高至0.40%。当播种密度从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2时，5个施氮量下燕麦旗叶WUE均值从0.39%降低到0.33%；播种量继续上升至300 kg·hm-2时，5个施氮量下燕麦旗叶WUE均值增加至0.40%。最高的燕麦旗叶WUE处理组合为180 kg·hm-2施氮量、60 kg·hm-2播种密度(N4D1)和45 kg·hm-2施氮量、300 kg·hm-2播种密度(N1D3)。

总体来看，燕麦旗叶Ls随着施氮量和播种量的增加均呈现出先升高后降低的趋势。当施氮量从0增加至90 kg·hm-2，3个播种密度下Ls均值由0.34增加到0.46，而施氮量进一步增加至180 kg·hm-2时，3个播种密度下Ls均值降至0.35。播种密度从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2时，5个施氮量下Ls均值从0.36上升至0.47；播种量继续上升至300 kg·hm-2时，5个施氮量下Ls均值降低至0.33。以90 kg·hm-2施氮量、180 kg·hm-2播种密度(N2D2)下燕麦旗叶Ls最高，显著高于其他各处理(P<0.05)。

随着施氮量从0到90 kg·hm-2增加，3个播种量的SPAD均值从42.13增加到55.13，而施氮量进一步增加至180 kg·hm-2时，3个播种量的SPAD均值下降到42.96。播种量从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2，导致5个施氮量SPAD的均值从42.33增加到53.93；而随着播种量增加到300 kg·hm-2时，SPAD降低至44.24。90 kg·hm-2施氮量和180 kg·hm-2播种量(N2D2)具有最高的SPAD(P<0.05)。

LAI的变化趋势与光合特性指标不同，随着施氮量的增加LAI呈现出上升趋势。当施氮量从0增加至180 kg·hm-2时，3个播种密度下LAI均值由3.22上升至5.12。播种量从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2，导致5个施氮量LAI均值从3.16增加到4.91；但随着播种量从180 kg·hm-2增加到300 kg·hm-2，5个施氮量LAI均值则下降到4.31。LAI的最大值出现在180 kg·hm-2施氮量、180 kg·hm-2播种量处理(N4D2)。

表4 施氮量和播种量对燕麦光合特性的影响

随着施氮量和播种量的增加，燕麦旗叶GA和ABA含量的变化趋势不同(表3和图1)。随着施氮量的增加，3个播种密度下GA含量均值呈现出先增加后降低的趋势，当施氮量为135 kg·hm-2时3个播种密度下GA含量均值最高，为6.79 ng·g-1FM；而随着播种量的增加，5个施氮量处理GA含量均值逐渐下降。3个播种密度下ABA含量均值随着施氮量增加呈现出下降趋势，且5个施氮量处理ABA含量均值随播种量增加而逐渐上升。

图1 施氮量和播种量对燕麦激素含量的影响

不同施氮量和播种量交互作用下燕麦种子产量波动幅度较大(表3和图2)。当施氮量从0增加至90 kg·hm-2，3个播种量的燕麦种子产量均值由2 772 kg·hm-2上升到3 284 kg·hm-2，当施氮量进一步增加至180 kg·hm-2时，种子产量降至2 939 kg·hm-2。随着播种密度的上升，燕麦种子产量也呈现出先升高后降低的趋势。播种密度从60 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2时，5个施氮量燕麦种子产量均值从2 879 kg·hm-2上升至3 223 kg·hm-2，当播种密度进一步增加至300 kg·hm-2时，种子产量降至2 961 kg·hm-2。燕麦种子产量在90 kg·hm-2施氮量、180 kg·hm-2播种量(N2D2)下达到最高值，为3 654 kg·hm-2，显著(P<0.05)高于其他各处理；135 kg·hm-2施氮量、180 kg·hm-2播种量(N3D2)次之。

图2 施氮量和播种量对燕麦种子产量的影响

2.2 种子产量与光合特性的关系

通过测试线性、二次方程、双曲线方程和对数方程的适用性，比较各模型之间确定系数(R2)值，发现二次回归方程(y=a+bx-cx2)R2值最高，被认为是最适宜用以描述燕麦种子产量与光合特性之间关系的模型。回归分析表明，不同施氮量和播种量交互作用下燕麦种子产量与燕麦旗叶Pn，Gs，Ci，Tr，WUE，Ls，SPAD和LAI极显著相关(P<0.01，图3)。

图3 燕麦种子产量与光合特性的关系

2.3 施氮量或播种量与光合特性、激素含量和种子产量的关系

通过测试线性、二次方程、双曲线方程和对数方程的适用性，比较各模型之间确定系数(R2)值，发现二次回归方程(y=a+bx-cx2)R2值最高，最适宜用来描述施氮量或播种量与燕麦旗叶光合特性、激素含量和种子产量之间的关系。回归分析表明，施氮量与燕麦旗叶Pn，Gs，Ci，Ls，SPAD，LAI，GA和ABA含量及种子产量极显著相关(P<0.01)，R2≥0.2，与Tr显著相关(P<0.05)，但与WUE之间没有显著相关性(表5)。播种密度与与燕麦旗叶Pn，Gs，Ci，Tr，WUE，Ls，SPAD，LAI，GA和ABA含量及种子产量极显著相关(P<0.01)(表5)。

3 讨论

施肥和播种是两种重要的作物田间管理措施，而田间管理、品种和环境(土壤和气候)是相互作用的3组因素，共同决定了作物的生长发育[14]。氮离子在作物同化物的运输和分配过程中起着关键作用，氮肥有助于叶面积指数的增加，增强作物辐射拦截和利用效率，使干物质分配到生殖器官[31]。前人研究表明作物产量与叶片的光合作用能力显著相关，而当氮素缺乏时，叶片光合速率降低，种子产量下降[27]。本研究中，燕麦种子产量与旗叶Pn，Gs，Ci，Tr，WUE，Ls，SPAD极显著相关(P<0.01)，较高的旗叶光和能力对应于较高的种子产量，旗叶光合效率、种子产量随施氮量从0增加至90 kg·hm-2而逐渐增加，而后施氮量继续增加时旗叶光合效率和种子产量均下降。这表明旗叶光合效率是决定孕穗期燕麦种子产量的关键因素。同时，本研究中燕麦种子产量最高值为3 654 kg·hm-2，与刘凯强等[32]报道的民和县试验中‘青燕1号’种子产量5 900 kg·hm-2差距较大，造成这种现象的原因可能是环境因素的差异。前人研究表明，花期之前是农作物非常敏感的时期，光热商(辐射/温度)和降水对作物的生长具有重要影响，直接影响作物产量[15]。如表1气象数据所示，从2017年燕麦生育期内的降水和温度与长期(30年)降水和温度均值的比较可以发现，2017年较为干旱，尤其是6月和7月，降水量较长期降水均值均下降40 mm以上，且气温上升。本研究中燕麦的生殖生长阶段主要在7月，较少的降水直接导致燕麦种子产量的下降。同时，较高的叶面积指数表明燕麦营养生长未受影响，这得益于5月较高的降水量。Anderson和McLean[33]也得出了类似的结论，他们发现在西澳大利亚燕麦对施用氮肥的产量响应取决于土壤养分状况、季节性降水、播期、播种量和品种。

表5 施氮量或播种量与光合特性、激素含量和种子产量的关系

播种量直接影响作物种群密度，对作物群体与个体之间矛盾的协调具有重要作用[13]。一般而言，增加作物播种量可以提高作物产量，但高播种量也可能导致产量降低[34]。本研究中，在180 kg·hm-2播种量下，旗叶光合效率和种子产量增加至最大值，当播种量继续增加至300 kg·hm-2时，旗叶光合效率和种子产量呈下降趋势。旗叶光合效率和种子产量下降的原因可能是播种量增加使叶面积指数增大造成遮荫，导致叶片的光照减弱，且高播种量下种群密度增加使得个体间的竞争加剧；适宜播种量下的较低竞争性使得燕麦可以更好地利用有效光来提高种子产量[35]。前人研究表明，随着播种量的降低，燕麦分蘖数和收获指数均增加的原因是每株植物拥有更大的空间[36]。

叶片的光合效率与叶片衰老密切相关，叶片衰老的典型特征之一是叶绿体结构和功能变化引起的光合作用降低[22]。本研究中，燕麦旗叶SPAD值随着施氮量和播种量的增加均呈现出先升高后降低的趋势，表明叶片衰老受施氮量和播种的影响较大。叶片衰老可被众多外部因子所诱导，包括阴暗、营养缺乏、干旱和病害发生等[22]。激素是与叶片衰老关系密切的信号物质，直接诱导或参与叶片衰老过程。脱落酸具有促进植物衰老的作用，而赤霉素则延缓衰老[23]。本研究中，随着施氮量的增加，GA含量呈现出先增加后降低的趋势，当施氮量为180 kg·hm-2时GA含量开始降低，而随着播种量的增加，GA含量逐渐下降；ABA含量随着施氮量增加呈现出下降趋势，且随播种量增加而逐渐上升。表明氮肥可以延缓叶片衰老，而播种量的增加会导致种群密度上升，种群竞争加剧，从而使叶片衰老加速，这与燕麦旗叶光合效率变化趋势相一致。这与前人研究结果一致，Gepstein等[37]研究发现，燕麦叶片衰老伴随着ABA含量的增加，导致气孔关闭，光合效率降低。

4 结论

施氮量和播种量对燕麦旗叶的光合特性、激素含量及种子产量均具有显著影响。旗叶的光合效率和种子产量随施氮量和播种量的增加呈先升高后降低的趋势；GA含量随施氮量增加呈上升趋势，随播种量的增加呈降低趋势，而ABA含量对施氮量和播种量的响应则与GA含量相反。综合燕麦光合特性、激素含量及种子产量数据，本研究建议在湟中及相似环境地区进行燕麦种子生产时，较为适宜的施氮量和播种量分别为90 kg·hm-2和180 kg·hm-2。