减量施氮对滴灌春小麦干物质和氮素积累转运特征的影响

孔丽婷，蒋桂英，杨灵威

(石河子大学农学院，新疆石河子 832000)

小麦(TriticumaestivumL.)是新疆第一大粮食作物，2018年新疆小麦种植面积1 031.5×104hm2，占粮食作物总播种面积的46.47%[1]，其稳产、高产有利于提高新疆小麦生产效益和可持续发展。氮素是影响作物生长发育和器官建成的关键营养元素，优化氮肥管理可促进小麦植株对氮素的吸收、积累，提高花前氮素向籽粒的转运，并显著增加产量和提高氮素利用效率[2]。过量施用氮肥不仅不利于持续增加作物产量，反而会造成资源浪费和环境污染[3-5]。目前，我国的氮肥利用率约28.2%，远低于发达国家氮肥利用率50%～60%的水平[6-7]。因而，科学合理地施用氮素以提高产量和氮素利用效率成为作物高产、高效和可持续发展的关键。

小麦植株对氮素的吸收及利用能力显著影响其对同化物的转运[8-10]。在通常情况下，禾谷类作物花前储存在营养器官的碳水化合物对籽粒产量的贡献约占20%～30%，其占比主要取决于生长条件和氮素供应水平[11-13]。杨建昌等[14]发现，小麦花前积累在营养器官中的的碳水化合物是启动灌浆的重要物质基础，其转运效率和转运量影响粒重和最终产量。因此，促使同化物向籽粒转运是提高产量的重要路径。在实际生产中，过量施氮可导致小麦营养器官中的同化物向籽粒转运率降低，由此造成的产量损失在20%以上[15-18]。

小麦营养器官的氮素水平，特别是花后氮素的积累量和叶、茎鞘中氮素含量对籽粒蛋白质含量和产量的形成起着关键作用[19-20]。张 嫚等[21]研究表明，减氮和适当的水分处理显著增加了小麦开花期间营养器官中氮的积累，促进了氮向籽粒的转运和籽粒中氮的积累量，使小麦氮素吸收率和生产效率显著提高。小麦强筋品种、中筋品种和弱筋品种间在生育前期和中期的氮含量无显著差异，但在灌浆中期后，强筋小麦旗叶和倒二叶氮素向籽粒转运量较多，中筋小麦和弱筋小麦向籽粒输送量较少[22]。小麦的氮同化能力具有基因型差异，高产和高蛋白含量的小麦品种在开花前后植株氮积累量及干物重较高，且花后氮转运率较高[23]，适量减氮可显著提高小麦的氮肥贡献率、氮肥偏生产力和氮肥农学效率，增加生产经济效益，具有较高的产投比[24]。

新疆滴灌小麦生产中，合理减氮有利于优化群体结构，进而提高产量[25]。然而在减氮模式下植株氮素吸收转运特征和进一步提升氮素利用效率途径尚未明确。因而，本研究设计不同减施氮肥处理，以期通过分析氮肥运筹对强筋小麦和中筋型小麦品种氮素转运和利用的影响，探明新疆滴灌春小麦适宜施氮量和增产提效潜力，为实现该地区小麦产量和氮素利用效率协同提高提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4月-7月在新疆石河子大学农学院实验站(45°19′N，86°03′E)进行。供试土壤类型为灌溉灰漠土，0～40 cm土壤基本状况如表1。年平均气温7.1～7.5 ℃，最高气温出现在7-8月初；年均降雨量185.1～203.2 mm，年均蒸发量 1 517.1～1 563.2 mm，相对湿度65%左右，小麦生育期间气象参数如图1所示。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Major chemical characteristics of the experimental soil

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，氮处理为主区，共设7个氮肥处理，具体如表2；品种为副区，为强筋型小麦新春38号(XC38，蛋白质含量15.04%)和中筋型小麦新春49号(XC49，蛋白质含量12.89%)。各处理重复3次，小区面积为12 m2(3 m×4 m)。各个小区间埋置100 cm深度的防渗膜，防止肥料外移。

表2 氮肥处理及施用量Table 2 Nitrogen fertilizer treatment design and nitrogen fertilizer application rate

播种前各小区将120 kg·hm-2的P2O5作底肥翻耕于土壤，施用的氮肥为尿素(N=46%)，其中20%作为基肥，余下80%随水分7次追施，分别为：两叶一心期10%，分蘖期10%，5叶龄期20%，6叶龄期20%，孕穗期20%，扬花期15%，乳熟期5%。全生育期总灌溉量为6 000 m3·hm-2，共灌水9次，各个时期的灌溉量通过水表精确控制。小麦于2019年4月6日播种，播量为345 kg·hm-2，采用宽窄行、“一管四”方式种植，行间距为12.5+20+12.5+15 cm(如图2)，滴灌带(管径16 mm，滴头间距30 cm，流量 2.6 L·h-1)放置在20 cm的宽行。于2019年7月12日收获，整个生育期间的其他田间管理措施与当地大田生产一致。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 干物质积累与转运指标测定

分别于小麦拔节期、开花期、成熟期每小区取代表性植株10株地上部分，按叶、茎鞘、穗轴+颖壳和籽粒(仅成熟期)分开，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干24 h至恒重，计算各器官和植株干物质积累量，并计算花前干物质转运量、花前干物质转运率、花前干物质对籽粒贡献率和花后干物质积累量及花后干物质对籽粒贡献率[26]。

花前干物质转运量=开花期植株干重-成熟期营养器官干重；

花前干物质转运效率=花前干物质转运量/开花期植株干重×100%；

花前干物质对籽粒产量贡献率=花前干物质转运量/成熟期籽粒干重×100%；

花后干物质积累量=成熟期植株干重-开花期植株干重；

花后干物质对籽粒产量贡献率=花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100%。

1.3.2 氮素积累与转运指标测定

将1.3.1中恒重样品粉碎过0.25 mm筛，采用半微量凯氏定氮法测定各器官全氮含量，并计算氮素积累量和花前、花后氮素转运等相关指标及氮肥利用效率和氮收获指数[27]。

各器官氮素积累量=各器官干物质积累量×各器官含氮量；

花前氮素转运量=开花期植株氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

花前氮素转运效率=花前氮素转运量/开花期植株氮素积累量×100%；

花前氮素对籽粒氮贡献率=花前氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

花后氮素积累量=成熟期植株氮素积累量-开花期植株氮素积累量；

花后氮素对籽粒氮贡献率=花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100%。

1.3.3 产量测定及氮素利用率计算

小麦成熟期选择面积为5 m2的植株，人工收割脱粒，自然风干后称重，计算籽粒产量，结合氮素积累量计算氮肥农学利用效率、氮素生理利用率、氮素偏生产力[28]。

氮收获指数=籽粒中氮素积累量/成熟期植株氮素积累量×100%；

氮肥利用效率=(施氮区植株氮积累量-不施氮区植株氮积累量)/施氮量×100%；

氮肥农学利用效率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量；

氮素生理利用率=(施氮区籽粒干重-不施氮区籽粒干重)/(施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量)；

氮素偏生产力=籽粒产量/施氮量。

1.4 数据分析

用SPSS.20软件对数据进行统计分析，用邓肯氏新复极差检验法(DMRT)检验差异显著性，用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 干物质积累与转运的变化

2.1.1 干物质积累的变化

由图3和图4可知，在不同处理下，施氮肥的XC38和XC49各生育时期不同器官和植株的干物质积累量均显著高于不施氮处理CK2(P< 0.05)。小麦营养器官中的干物质积累量随生育进程的推进呈先增大后减小趋势，在开花期达到最大值；植株干物质积累量随生育进程推移而增加，在成熟期达到最大值。小麦拔节期、开花期、成熟期各器官和植株的干物质积累量随减氮比例的增大表现为相同的变化规律，均呈先增大后减小的趋势，除XC38的成熟期茎鞘外，其他指标均在CF2处理下达到最大值；在开花期和成熟期，小麦各器官和植株的干物质积累量在CF1、CF2、CF3处理间差异不显著。表明适量减氮有利于小麦干物质形成。

2.1.2 干物质转运的变化

由表3可知，在施氮条件下，XC38和XC49的花前干物质转运量及其对籽粒产量贡献率和花后干物质积累量均显著高于不施氮处理，但其花后干物质对籽粒条件贡献率显著低于不施氮处理，表明适量减氮有利于花前干物质向籽粒转运。当施氮量大于CF2时，两品种的花前干物质转运量、转运效率及其对籽粒产量贡献率随减氮比例的提高呈增大；当施氮量小于CF2时，上述指标则随减氮比例的提高呈逐渐减小趋势。花后干物质积累量在CF2处理下最大，但不同施氮处理间差异不显著；花后干物质对籽粒产量贡献率均以CK2处理最大，分别为69.37%和72.06%，且与其他处理差异显著。

表3 不同氮处理对滴灌春小麦干物质转运特征的影响Table 3 Effect of different nitrogen treatments on the characteristics of dry matter transport of spring wheat under drip irrigation

2.2 氮素积累与转运的变化

2.2.1 氮素积累的变化

如图5和图6所示，在不施氮处理下，XC38和XC49各生育时期不同器官和植株的氮素积累量均显著低于各施氮处理。小麦营养器官中的氮素积累量随生育进程的推进呈先增大后减小的趋势，在开花期达到最大；植株氮素积累量随生育进程的推进逐渐增加，在成熟期达到最大值。在拔节期、开花期和成熟期，两个小麦品种各器官的氮素积累量随减氮比例的增大均呈逐渐减小的趋势，均在CK1处理下达到最大值， XC38的CK1处理与CF1和CF2处理间差异不显著，XC49的CK1处理与CF1处理间无显著差异，但两个品种各器官的氮素积累量在各生育时期均以CK1处理最高，且均显著高于CF2、CF3、CF4、CF5处理。各生育时期小麦植株的氮素积累量随减氮比例增大的变化趋势与各器官一致。

2.2.2 氮素转运的变化

由表4可知，在各施氮处理下，XC38和XC49花前氮素转运量、花后氮素积累量均显著高于不施氮处理；其花前氮素转运效率显著低于不施氮处理。随减氮比例的增大，XC38花前氮素转运量和花后氮素积累量呈减小趋势，分别在CK1和CF1处理下达到最大值，为73.5 kg·hm-2和29.6 kg·hm-2，且CK1、CF1、CF2之间差异不显著，但显著高于CF4、CF5、CK2处理。花前氮素转运率呈逐渐增大趋势，变化范围为61.79%～71.77%，表明适量减氮有利于促进花前氮素转运，花前氮素对籽粒氮贡献率和花后氮素对籽粒氮贡献率分别为68.01%～74.66%和21.14%～28.01%，两者变化趋势相反。XC49的各氮素转运指标变化趋势与XC38相同。

表4 不同氮处理对滴灌春小麦的氮素转运特征的影响Table 4 Effects of different nitrogen treatments on nitrogen transport characteristics of spring wheat under drip irrigation

2.3 氮肥利用效率及产量的变化

由表5可知，XC38和XC49的氮肥利用效率、氮肥农学利用效率随减氮比例的增大呈先升高后降低的趋势，均以CF2处理最大，且显著高于CK1、CF1和CF5处理，说明在本试验条件下施氮量超过270 kg·hm-2后，对小麦吸收氮素能力没有促进作用；与CK1处理相比，CF2处理下XC38的氮肥利用效率提高12.36%、氮肥农学利用效率提高69.09%，XC49的氮肥利用效率提高10.21%、氮肥农学利用效率提高50.55%。氮肥生理利用效率、氮肥偏生产力和氮收获指数均随减氮比例的增大总体呈增加的趋势，XC38施氮处理的上述3个指标依次较CK1提高了 26.55%～113.56%、5.79%～31.48%和 1.22%～10.29%；XC49的上述3个指标均在CF5处理下达到最大值，与CK1差异显著，较其依次提高了64.95%、31.91%和11.32%。XC38在CF2处理下产量达到最大值，为7 341.5 kg·hm-2，比CK1增产10.68%，差异显著，比不施氮肥增产39.22%；XC49的产量表现为CF2>CF3>CF1>CK1>CF4>CF5>CK2，CF2处理下的产量达 7 137.1 kg·hm-2，显著高于CF4、CF5和CK2处理，比其他处理增产2.37%～45.38%。方差分析表明，除品种对氮肥生理利用效率的影响不显著外，品种、氮肥处理及品种与氮肥处理的互作效应对被测氮肥利用率指标和产量的影响均存在显著影响。

表5 不同氮处理对小麦氮肥利用效率及产量的影响Table 5 Effect of different nitrogen treatments on wheat nitrogen fertilizer utilization efficiency and yield

3 讨 论

3.1 减量施氮对滴灌春小麦干物质积累与转运的影响

氮素是影响小麦干物质积累的重要因素，而干物质积累与转运是小麦产量形成的根本。有研究认为，小麦开花期干物重随施氮量的增加而增加，而花前叶、茎鞘的干物质转运对籽粒产量的贡献率随施氮量的增加呈降低趋势，且施氮量超过169 kg·hm-2后，产量增加不显著[10]。适宜施氮提高了小麦干物重，促进植株营养器官中花前干物质向籽粒的转移，但过量施氮反而抑制叶、茎鞘中花前干物质向籽粒的转运[29]，这与本研究结果一致。适量减氮对滴灌春小麦各器官和植株的干物质积累具有促进作用，同时增加了花前干物质转运量和花后干物质积累量，提高了花前干物质转运效率及其对籽粒产量贡献率，而过量减氮则降低花后干物质的积累量，但提高了花后干物质对籽粒产量的贡献率，花前干物质对籽粒产量贡献率和花后干物质对籽粒贡献率比例约为 1∶2，表明小麦产量形成的2/3来源于花后所积累的干物质，仅1/3来源于花前储藏在营养器官中的同化物，这与前人研究结论一致[19]。

3.2 氮肥运筹对滴灌春小麦氮素积累与转运的影响

适宜的氮肥运筹可促进小麦对氮素的积累和转运，并提高氮肥利用效率。有研究表明，增施氮肥可提高小麦各生育时期的吸氮强度，增加吸氮量，是形成高产、高蛋白小麦的基础，但降低了花后叶、茎鞘中氮素向籽粒的转移[30]，吴培金等[31]研究发现，弱筋小麦开花期、成熟期植株叶、茎鞘、穗轴+颖壳和籽粒中的氮素积累量均随施氮量增加而显著增加，而花后营养器官氮素向籽粒的转运效率和贡献率随施氮量的增加呈下降趋势。本研究结果表明，小麦拔节期、开花期、成熟期茎鞘、叶、穗轴+颖壳、籽粒和植株中的氮素积累量随减氮比例的增加呈逐渐减小的趋势，小麦花前氮素转运效率及其对籽粒氮贡献率随减氮比例的增大呈逐渐增大的趋势，说明减氮虽然减少了小麦花前氮素转运量，但提高了花前氮素转运效率。有研究表明，小麦花前氮素积累量占成熟期地上部总氮素积累量的59%～66%，花后占34%～41%[24]。在本试验条件下，小麦花前氮素对籽粒氮贡献率和花后氮素对籽粒氮贡献率达到 61.79%～ 72.35%和20.92%～29.19%。

3.3 氮肥运筹对滴灌春小麦氮肥利用效率的 影响

作物各器官的干物质和氮素积累量影响作物产量和氮素利用效率[32]。冯 洋等[33]认为，在一定范围内施氮可提高水稻的氮肥农学利用率和氮肥生理利用率，超过最佳氮肥施用量会逐渐降低氮肥农学利用率和氮肥生理利用率。刘立军等[34]研究认为，氮肥利用效率和氮肥偏生产力随施氮量增加而降低，且作物利用效率不仅与栽培技术(肥水管理、耕作措施等)和环境条件等相关，而且因品种而异，而冯 洋等[34]研究表明，在氮肥施用一定范围内，随着氮肥施用量的增加氮肥利用率提高，但过量施氮导致氮肥利用率和产量降低，与本研究结果一致。本研究结果表明，氮肥利用效率和产量随减氮量的增大呈先增大后减小的趋势，在CF2处理下达到最大值，XC38和XC49的籽粒产量分别达到7 341.5 kg·hm-2和 7 137.1 kg·hm-2，较正常施氮增产10.68%和 8.93%，表明适量减氮有利于提高氮肥利用效率，促进小麦增产。

适量减氮可促进小麦干物质和氮素积累，提高花前干物质的转运率及其对籽粒贡献率、花后干物质生产量和氮素积累量及其对籽粒的贡献率，增加花前氮素转运量和花后氮素积累量，最终达到提高氮肥利用效率和增加产量的目的。本试验条件下，施氮270 kg·hm-2在保证小麦产量较高的同时，又有相对较高的氮肥利用效率，是新疆滴灌春小麦适宜的施氮量。